DE102021207626A1 - Pulsed laser light source and method for generating a pulsed output laser beam with laser pulses having predetermined properties - Google Patents
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Abstract
Eine erfindungsgemäße gepulste Laserlichtquelle (1) zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls (2) mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls (2) an einen vorgegebenen Ort (3), umfasst einen Ultrakurzpulslaser (4) zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls (5), eine gasgefüllte optische Hohlfaser (6), in die der gepulste Laserstrahl (5) einenends eingekoppelt wird und die derart ausgebildet ist, dass die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls (5) bei der Propagation durch die gasgefüllte optische Hohlfaser (6) über nichtlineare optische Effekte spektral verbreitert werden, eine Modulationseinrichtung (7) zur Modulation der spektralen Phase und/oder der spektralen Amplitude des anderenends aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser (6) ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahls (9), und eine optische Transportfaser (8), in die der modulierte Laserstrahl (13) einenends eingekoppelt und anderenends am vorgegebenen Ort (3) als gepulster Ausgangslaserstrahl (2) ausgekoppelt wird.
Description
Die Erfindung betrifft eine gepulste Laserlichtquelle sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls an einen vorgegebenen Ort.The invention relates to a pulsed laser light source and a method for generating a pulsed output laser beam with laser pulses with specified properties and for delivering the pulsed output laser beam to a specified location.
Zahlreiche Anwendungen in der Chemie, Physik und den Lebenswissenschaften, einschließlich der Biotechnologie, Medizin und Pharmazie, benötigen gepulste Laserstrahlung mit einer über einen breiten Spektralbereich durchstimmbaren Wellenlänge und mit hohen spektralen Intensitäten. Bei spektroskopischen Anwendungen ist regelmäßig eine Einstellbarkeit der Bandbreite und Zentralwellenlänge der Laserpulse und gegebenenfalls des Verlaufs der spektralen Intensitäten, teilweise auch in schnellem zeitlichen Wechsel, erforderlich. Bei Anwendungen in der nichtlinearen Bildgebung ist neben der Zentralwellenlänge und Bandbreite der Laserpulse auch die Pulsdauer einzustellen. Bei fortgeschrittenen spektroskopischen Anwendungen, beispielsweise der zweidimensionalen Fourier-Transformation-Infrarotspektroskopie, ist auch die zeitliche Abfolge von Laserpulsen mit unterschiedlichen Spektren relevant.Numerous applications in chemistry, physics and the life sciences, including biotechnology, medicine and pharmacy, require pulsed laser radiation with a wavelength that can be tuned over a wide spectral range and with high spectral intensities. In spectroscopic applications, it is regularly necessary to be able to adjust the bandwidth and central wavelength of the laser pulses and, if necessary, the course of the spectral intensities, sometimes also with rapid changes over time. In the case of applications in non-linear imaging, the pulse duration must also be set in addition to the central wavelength and bandwidth of the laser pulses. In advanced spectroscopic applications, such as two-dimensional Fourier transform infrared spectroscopy, the time sequence of laser pulses with different spectra is also relevant.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine möglichst universelle gepulste Laserlichtquelle zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls an einen vorgegebenen Ort anzugeben und ein zugehöriges Verfahren bereitzustellen.In contrast, the invention is based on the object of specifying a pulsed laser light source that is as universal as possible for generating a pulsed output laser beam with laser pulses with specified properties and for supplying the pulsed output laser beam to a specified location and providing an associated method.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine gepulste Laserlichtquelle zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls an einen vorgegebenen Ort, aufweisend einen Ultrakurzpulslaser zum Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls, eine gasgefüllte optische Hohlfaser, in die der gepulste Laserstrahl einenends eingekoppelt wird und die derart ausgebildet ist, dass die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls bei der Propagation durch die gasgefüllte optische Hohlfaser über nichtlineare optische Effekte spektral verbreitert werden, eine Modulationseinrichtung zur Modulation der spektralen Phase und/oder der spektralen Amplitude des anderenends aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahls, und eine optische Transportfaser, in die der modulierte Laserstrahl einenends eingekoppelt und anderenends am vorgegebenen Ort als gepulster Ausgangslaserstrahl ausgekoppelt wird.This object is achieved according to the invention by a pulsed laser light source for generating a pulsed output laser beam with laser pulses with specified properties and for supplying the pulsed output laser beam to a specified location, having an ultra-short pulsed laser for generating a pulsed laser beam, a gas-filled optical hollow fiber, into which the pulsed laser beam is fed at one end is coupled in and which is designed in such a way that the laser pulses of the pulsed laser beam are spectrally broadened during propagation through the gas-filled optical hollow fiber via non-linear optical effects, a modulation device for modulating the spectral phase and/or the spectral amplitude of the other end of the gas-filled optical Hollow fiber decoupled, pulsed laser beam, and an optical transport fiber, in which the modulated laser beam is coupled at one end and coupled out at the other end at the predetermined location as a pulsed output laser beam.
Ultrakurzpulslaser sind Laser, die Laserlicht in Form von Laserpulsen mit Pulsdauern im Piko- oder Femtosekundenbereich oder darunter emittieren. Beispiele für Ultrakurzpulslaser sind modengekoppelte Faserlaser oder Hybridlaser, bei welchen ein modengekoppelter Faserlaser in Kombination mit einem Festkörperverstärker zum Einsatz kommt.Ultrafast lasers are lasers that emit laser light in the form of laser pulses with pulse durations in the picosecond or femtosecond range or less. Examples of ultrashort pulse lasers are mode-locked fiber lasers or hybrid lasers, in which a mode-locked fiber laser is used in combination with a solid-state amplifier.
Optische Hohlfasern sind optische Fasern, die sich durch einen hohlen Faserkern auszeichnen. Beispiele für optische Hohlfasern sind Photonischer-Kristall Fasern, bei welchen der Mechanismus der Lichtleitung auf einer photonischen Bandlücke beruht, Revolver-Hohlfasern und Kagome-Fasern. Bei der Propagation der Laserpulse des gepulsten Laserstrahls durch die gasgefüllte optische Hohlfaser kommt es durch nichtlineare optische Effekte zu einer spektralen Verbreiterung. Die nichtlinearen optischen Effekte umfassen den Kerr-Effekt, der zu einer Selbstphasenmodulation führt, sowie die stimulierte Raman-Streuung. Für die spektrale Verbreiterung spielen außerdem die Dispersionseigenschaften der gasgefüllten optischen Hohlfaser eine wesentliche Rolle.Hollow optical fibers are optical fibers that are characterized by a hollow fiber core. Examples of hollow optical fibers are photonic crystal fibers, in which the mechanism of light transmission is based on a photonic band gap, revolver hollow fibers and kagome fibers. During the propagation of the laser pulses of the pulsed laser beam through the gas-filled optical hollow fiber, non-linear optical effects result in spectral broadening. The nonlinear optical effects include the Kerr effect, which leads to self-phase modulation, and stimulated Raman scattering. The dispersion properties of the gas-filled optical hollow fiber also play an important role in spectral broadening.
Zweck der spektralen Verbreiterung ist es, die Laserpulse der gepulsten Laserlichtquelle so zu verändern, dass nachfolgend ihre Eigenschaften weitgehend frei einstellbar sind oder bestimmte Spektren, die für die jeweilige Anwendung besonders interessant sind, wie beispielweise einen Frequenzkamm, zu erzeugen. Zum Beispiel sind ausgehend von den Laserpulsen der gepulsten Laserlichtquelle, die eine bestimmte Zentralwellenlänge aufweisen, nach der spektralen Verbreiterung Laserpulse mit einer aus einem großen Wellenlängenbereich selektierbaren Zentralwellenlänge erzeugbar.The purpose of spectral broadening is to change the laser pulses of the pulsed laser light source in such a way that their properties can then be largely freely adjusted or certain spectra that are particularly interesting for the respective application, such as a frequency comb, can be generated. For example, starting from the laser pulses of the pulsed laser light source, which have a specific central wavelength, laser pulses with a central wavelength that can be selected from a large wavelength range can be generated after spectral broadening.
Vorteile der Verwendung von gasgefüllten optischen Hohlfasern liegen unter anderem darin, dass durch den Einschluss auf einen kleinen Strahlquerschnitt und relativ lange Propagationslängen relativ geringe Teilchendichten für die Anregung der nichtlinearen optischen Effekte ausreichen. Durch die Wahl der eingesetzten Gase (z.B. atomar Ne, Ar, Kr, Xe oder molekular H2, N2, N2O, C2H2F4, C2H4F2) oder Gasgemische (insbesondere aus einem oder mehreren der genannten Gase), den Gasdruck und die Parameter der gepulsten Laserlichtquelle kann außerdem eine Vielzahl von Spektren kontrolliert erzeugt werden. Im Vergleich zu Festkörpern, die seit langem als nichtlinear-optische Medien eingesetzt werden, ist in gasgefüllten optischen Hohlfasern die unerwünschte Absorption deutlich reduziert, und die Zerstörungsschwellen liegen wesentlich höher.Advantages of using gas-filled optical hollow fibers are, among other things, that relatively low particle densities are sufficient for the excitation of the nonlinear optical effects due to the confinement to a small beam cross section and relatively long propagation lengths. By choosing the gases used (e.g. atomic Ne, Ar, Kr, Xe or molecular H 2 , N 2 , N 2 O, C 2 H 2 F 4 , C 2 H 4 F 2 ) or gas mixtures (in particular from one or more of the gases mentioned), the gas pressure and the parameters of the pulsed laser light source, a large number of spectra can also be generated in a controlled manner. Compared to solids, which have been used as nonlinear optical media for a long time, the undesired absorption in gas-filled optical hollow fibers is significantly reduced and the destruction thresholds are much higher.
Über die Modulationseinrichtung ist die spektrale Phase und/oder die spektrale Amplitude des aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahls modulierbar. Damit können die Eigenschaften der Laserpulse für jeden Laserpuls einzeln eingestellt werden. Diese Eigenschaften umfassen die Pulsdauer, die Pulsform und die Zentralwellenlänge der Laserpulse. Über eine geeignete Einstellung der Pulseigenschaften kann zum Beispiel eine Pulsverbreiterung durch Dispersion aufgrund einer Propagation des gepulsten Ausgangslaserstrahls durch ein oder mehrere optische Elemente, beispielsweise durch ein Mikroskop, vorkompensiert werden.The spectral phase and/or the spectral amplitude of the pulsed laser beam coupled out of the gas-filled optical hollow fiber can be modulated via the modulation device. The properties of the laser pulses can thus be set individually for each laser pulse. These properties include the pulse duration, the pulse shape and the center wavelength of the laser pulses. For example, pulse broadening due to dispersion due to propagation of the pulsed output laser beam through one or more optical elements, for example through a microscope, can be pre-compensated by suitable adjustment of the pulse properties.
Die Zuführung an den vorgegebenen Ort, an welchem der gepulste Ausgangslaserstrahl eingesetzt wird, beispielsweise ein optischer Messaufbau oder ein Mikroskop, über die optische Transportfaser führt zu einer besonders hohen Flexibilität in der Anwendung und einer Zeit- und Kostenersparnis und eröffnet neue Einsatzmöglichkeiten. Verglichen mit der Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls über ein oder mehrere Spiegel, beispielsweise dielektrische Spiegel, wie derzeit üblich, kann auf einen komplexen Aufbau und eine aufwendige Justage des Strahlengangs verzichtet werden. Der Einsatz des gepulsten Ausgangslaserstrahls in Anwendungen, in denen die Zugänglichkeit stark eingeschränkt ist, beispielsweise der Einsatz an lebenden Tieren oder in großen Anlagen in industrieller Umgebung, wird damit erst ermöglicht.The delivery to the specified location at which the pulsed output laser beam is used, for example an optical measuring setup or a microscope, via the optical transport fiber leads to a particularly high level of flexibility in the application and saves time and money and opens up new application possibilities. Compared to the supply of the pulsed output laser beam via one or more mirrors, for example dielectric mirrors, as is currently the case, a complex structure and complicated adjustment of the beam path can be dispensed with. This makes it possible to use the pulsed output laser beam in applications in which accessibility is severely restricted, for example use on living animals or in large systems in an industrial environment.
Die erfindungsgemäße gepulste Laserlichtquelle kann beispielsweise für die Multiphotonen-Spektroskopie oder für die auf kohärenter Anti-Stokes-Raman-Streuung basierende Laserspektroskopie eingesetzt werden.The pulsed laser light source according to the invention can be used, for example, for multiphoton spectroscopy or for laser spectroscopy based on coherent anti-Stokes Raman scattering.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die gasgefüllte optische Hohlfaser eine gasgefüllte Kagome-Faser. Kagome-Fasern sind spezielle optische Hohlfasern, die in ihrem Querschnitt eine Kagome-Struktur aufweisen. Der Einsatz von Kagome-Fasern ist besonders vorteilhaft, da diese das Laserlicht besonders gut im Hohlkern konzentrieren und damit besonders hohe Laserleistungen zulassen.In a preferred embodiment, the gas-filled hollow optical fiber is a gas-filled Kagome fiber. Kagome fibers are special optical hollow fibers that have a kagome structure in their cross section. The use of Kagome fibers is particularly advantageous because they concentrate the laser light particularly well in the hollow core and thus allow particularly high laser power.
Bevorzugt ist die gasgefüllte optische Hohlfaser ausgebildet, die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls spektral zu einem Superkontinuum zu verbreitern. Je ausgeprägter die spektrale Verbreiterung ist, desto größer sind die Einstellmöglichkeiten der Eigenschaften der Laserpulse des Ausgangslaserstrahls. Eine spektrale Verbreiterung zu einem Superkontinuum ist daher besonders vorteilhaft.The gas-filled optical hollow fiber is preferably designed to broaden the laser pulses of the pulsed laser beam spectrally to form a supercontinuum. The more pronounced the spectral broadening, the greater the possibilities for adjusting the properties of the laser pulses of the output laser beam. A spectral broadening to a supercontinuum is therefore particularly advantageous.
Weiter bevorzugt ist die gasgefüllte optische Hohlfaser ausgebildet, die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls spektral zu einem Raman-Kamm zu verbreitern. Über stimulierte Raman-Streuung in der gasgefüllten optischen Hohlfaser kann beispielsweise auch ein Raman-Kamm erzeugt werden. Mittels einer Variation der Pulsdauer der Laserpulse des gepulsten Laserstrahls ist auch ein flexibles, kontinuierliches Umschalten zwischen einem Superkontinuum und einem Raman-Kamm möglich. Raman-Kämme finden insbesondere in der Spektroskopie Anwendung.More preferably, the gas-filled optical hollow fiber is designed to broaden the laser pulses of the pulsed laser beam spectrally to form a Raman comb. A Raman comb, for example, can also be generated via stimulated Raman scattering in the gas-filled optical hollow fiber. A flexible, continuous switching between a supercontinuum and a Raman comb is also possible by varying the pulse duration of the laser pulses of the pulsed laser beam. Raman combs are used in particular in spectroscopy.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die gasgefüllte optische Hohlfaser mit einem Gas aus einer ersten Gruppe, umfassend: Ne, Ar, Kr, Xe, oder einem Gas aus einer zweiten Gruppe, umfassend: H2, N2, N2O, C2H2F4, C2H4F2, oder mit einer Gasmischung, umfassend zwei oder mehrere der Gase aus der ersten und/oder der zweiten Gruppe, gefüllt.In a preferred embodiment, the gas-filled hollow optical fiber is filled with a gas from a first group comprising: Ne, Ar, Kr, Xe, or a gas from a second group comprising: H 2 , N 2 , N 2 O, C 2 H 2 F 4 , C 2 H 4 F 2 , or with a gas mixture comprising two or more of the gases from the first and/or the second group.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Modulationseinrichtung ein oder zwei dispersive optische Elemente und eine Einrichtung zur ortsabhängigen Phasen- und/oder Amplitudenmodulation auf. Für die Modulation der spektralen Phase und/oder der spektralen Amplitude ist es zweckmäßig, die verschiedenen Wellenlängenkomponenten des gepulsten Laserstrahls zunächst mittels eines dispersiven optischen Elements räumlich aufzutrennen, den einzelnen Wellenlängenkomponenten dann mittels einer Einrichtung zur ortsabhängigen Phasen- und/oder Amplitudenmodulation jeweils die gewünschte spektrale Phase und/oder spektrale Phase aufzuprägen und schließlich die verschiedenen Wellenlängenkomponenten mittels desselben oder eines zweiten dispersiven optischen Elements wieder zusammenzuführen. Die dispersiven optischen Elemente sind beispielsweise Prismen. Die Aufteilung beziehungsweise Zusammenführung der verschiedenen Wellenlängenkomponenten ergibt sich in diesem Fall aus der Wellenlängenabhängigkeit der Brechungswinkel, welche eine Konsequenz der Wellenlängenabhängigkeit der Brechungsindices der Prismen ist.In a further preferred embodiment, the modulation device has one or two dispersive optical elements and a device for location-dependent phase and/or amplitude modulation. For the modulation of the spectral phase and/or the spectral amplitude, it is expedient first to spatially separate the various wavelength components of the pulsed laser beam using a dispersive optical element, and then to assign the desired spectral to the individual wavelength components using a device for location-dependent phase and/or amplitude modulation Impress phase and / or spectral phase and finally bring together the different wavelength components by means of the same or a second dispersive optical element. The dispersive optical elements are, for example, prisms. In this case, the division or combination of the different wavelength components results from the wavelength dependency of the refraction angles, which is a consequence of the wavelength dependency of the refractive indices of the prisms.
In einer alternativen Weiterbildung dieser Ausführungsform ist das dispersive optische Element ein Beugungsgitter oder sind beide dispersive optische Elemente Beugungsgitter. Die dispersiven optische Elemente können auch Beugungsgitter sein. Die Aufteilung beziehungsweise Zusammenführung der verschiedenen Wellenlängenkomponenten ergibt sich in diesem Fall aus der Wellenlängenabhängigkeit der zur Beugung führenden Interferenzeffekte. Es können auch Beugungsgitter, bei welchen das Licht nahezu vollständig in eine bestimmte Beugungsordnung gebeugt wird, beispielsweise Blazegitter, eingesetzt werden.In an alternative development of this embodiment, the dispersive optical element is a diffraction grating or both dispersive optical elements are diffraction gratings. The dispersive optical elements can also be diffraction gratings. In this case, the division or combination of the different wavelength components results from the wavelength dependency of the interference effects leading to diffraction. It is also possible to use diffraction gratings in which the light is almost completely diffracted into a specific diffraction order, for example blaze gratings.
Die Einrichtung zur Einrichtung zur ortsabhängigen Phasen- und/oder Amplitudenmodulation basiert beispielsweise auf einem räumlichen Lichtmodulator, gemeinhin als SLM bezeichnet. Räumliche Lichtmodulatoren weisen häufig eine dünne Flüssigkristallschicht auf. Die ortsabhängige Phasen- und/oder Amplitudenmodulation wird in diesem Fall über die einstellbare Ausrichtung der Flüssigkristalle in einem Pixelarray erzielt. Vorzugsweise weist die Einrichtung zur ortsabhängigen Phasen- und/oder Amplitudenmodulation ein Liquid-Crystal-on-Silicon Element auf. Liquid-Crystal-on-Silicon Elemente sind spezielle räumliche Lichtmodulatoren, die für die Benutzung in Reflexion gebaut sind. Diese Bauweise hat gegenüber anderen räumlichen Lichtmodulatoren den Vorteil, dass die Platzierung von Leiterbahnen im Strahlengang vermieden werden kann. Bei Liquid-Crystal-on-Silicon Elementen ist eine dünne Flüssigkristallschicht auf ein Siliziumsubstrat aufgebracht. Die Flüssigkristallschicht dient zur Modulation des reflektierten Lichts, während auf dem Siliziumsubstrat in CMOS-Technologie eine Ansteuerungselektronik realisiert ist. In einem Pixel-Array kann nun ein elektrisches Feld in der Flüssigkristallschicht eingestellt werden. Damit kann die Ausrichtung der Flüssigkristalle in der Flüssigkristallschicht und damit die Phasendifferenz des reflektierten Lichts für jedes Pixel unabhängig kontrolliert werden.The device for the device for location-dependent phase and/or amplitude modulation is based, for example, on a spatial light modulator, commonly referred to as an SLM. Spatial light modulators often have a thin liquid crystal layer. In this case, the location-dependent phase and/or amplitude modulation is achieved via the adjustable alignment of the liquid crystals in a pixel array. The device for location-dependent phase and/or amplitude modulation preferably has a liquid-crystal-on-silicon element. Liquid-Crystal-on-Silicon elements are special spatial light modulators built for use in reflection. This design has the advantage over other spatial light modulators that the placement of conductor tracks in the beam path can be avoided. With liquid-crystal-on-silicon elements, a thin liquid crystal layer is applied to a silicon substrate. The liquid crystal layer is used to modulate the reflected light, while control electronics are implemented on the silicon substrate using CMOS technology. An electric field can now be set in the liquid crystal layer in a pixel array. With this, the alignment of the liquid crystals in the liquid crystal layer and thus the phase difference of the reflected light can be controlled independently for each pixel.
Für eine weitgehende Freiheit bei der Einstellung der Eigenschaften der Laserpulse des Ausgangslaserstrahls, insbesondere für die gleichzeitige Einstellung von Pulsdauer, Pulsform und Zentralwellenlänge der Laserpulse, ist die gleichzeitige und unabhängige Modulation von spektraler Phase und spektraler Amplitude notwendig. Eine solche wird beispielsweise durch die Verwendung eines Liquid-Crystal-on-Silicon Elements mit einem zweidimensionalen Pixelarray in Kombination mit der Einkopplung des vom Liquid-Crystal-on-Silicon Element reflektierten Lichts in eine optische Faser, beispielsweise die optische Transportfaser, erreicht. Eine Achse des zweidimensionalen Pixelarrays ist entlang der räumlichen Aufspaltungsrichtung der verschiedenen Wellenlängenkomponenten ausgerichtet. Die spektrale Phase ist über die Einstellung einer Phasendifferenz entlang dieser Achse modulierbar. Zusätzlich kann jetzt über das Liquid-Crystal-on-Silicon Element wellenlängenabhängig die Einkoppeleffizienz in die optische Transportfaser eingestellt und damit die spektrale Amplitude moduliert werden.The simultaneous and independent modulation of spectral phase and spectral amplitude is necessary for a high degree of freedom in setting the properties of the laser pulses of the output laser beam, in particular for the simultaneous setting of pulse duration, pulse shape and central wavelength of the laser pulses. Such is achieved, for example, by using a liquid-crystal-on-silicon element with a two-dimensional pixel array in combination with the coupling of the light reflected by the liquid-crystal-on-silicon element into an optical fiber, for example the optical transport fiber. An axis of the two-dimensional pixel array is aligned along the spatial splitting direction of the different wavelength components. The spectral phase can be modulated by setting a phase difference along this axis. In addition, the coupling efficiency into the optical transport fiber can now be set via the liquid-crystal-on-silicon element depending on the wavelength, and the spectral amplitude can thus be modulated.
Wesentliche Vorteile des Einsatzes einer optischen Hohlfaser als Transportfaser liegen in der geringen Absorption über einen großen Spektralbereich, auch im Ultraviolett-, Infrarot- und fernen Infrarotbereich, hohen Zerstörungsschwellen, der schwachen Ausprägung von nichtlinearen Effekten und der im Vergleich zu konventionellen optischen Fasern schwachen beziehungsweise einstellbaren Dispersion. Vorzugsweise ist die optische Transportfaser eine optische Hohlfaser, bevorzugt eine Kagome-Faser. In einer Weiterbildung treten in der optischen Transportfaser keine oder nur schwache nichtlineare optische Effekte auf, wobei bevorzugt in der optischen Transportfaser ein Vakuum oder ein Druck von weniger als 200 mbar, besonders bevorzugt weniger als 100 mbar, insbesondere weniger als 10 mbar vorherrscht und/oder die optische Transportfaser mit einem Gas mit einer besonders niedrigen Nichtlinearität, insbesondere mit He, oder einer Gasmischung umfassend He gefüllt ist. Der Druck in der optischen Transportfaser ist dann typischerweise geringer als in der gasgefüllten optischen Hohlfaser. Unter schwachen nichtlinearen optischen Effekten werden insbesondere solche verstanden, die zu einer Verlängerung der Pulsdauer von weniger als 50 fs oder einem B-Integral von weniger als 0,1 rad führen.Significant advantages of using an optical hollow fiber as a transport fiber lie in the low absorption over a large spectral range rich, also in the ultraviolet, infrared and far infrared range, high destruction thresholds, the weak development of non-linear effects and the weak or adjustable dispersion compared to conventional optical fibers. Preferably, the transport optical fiber is a hollow optical fiber, preferably a Kagome fiber. In a further development, no or only weak nonlinear optical effects occur in the optical transport fiber, with a vacuum or a pressure of less than 200 mbar, particularly preferably less than 100 mbar, in particular less than 10 mbar, preferably prevailing in the optical transport fiber and/or the optical transport fiber is filled with a gas with a particularly low non-linearity, in particular with He, or a gas mixture comprising He. The pressure in the transport optical fiber is then typically lower than in the gas-filled hollow optical fiber. Weak non-linear optical effects are understood to mean in particular those which lead to an increase in the pulse duration of less than 50 fs or a B integral of less than 0.1 rad.
Die oben genannte Aufgabe wird in einem weiteren Aspekt der Erfindung auch gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen eines gepulsten Ausgangslaserstrahls mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls an einen vorgegebenen Ort, das folgende Verfahrensschritte umfasst: Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls, Einkoppeln des gepulsten Laserstrahls in eine gasgefüllte optische Hohlfaser, in der die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls über nichtlineare optische Effekte spektral verbreitert werden, Modulieren der spektralen Phase und/oder der spektralen Amplitude des aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahls und Einkoppeln des modulierten Laserstrahls in eine optische Faser und Auskoppeln des modulierten Laserstrahls als gepulster Ausgangslaserstrahl am vorgegebenen Ort.The above-mentioned object is also achieved in a further aspect of the invention by a method for generating a pulsed output laser beam with laser pulses with specified properties and for delivering the pulsed output laser beam to a specified location, which comprises the following method steps: generating a pulsed laser beam, coupling in the pulsed Laser beam into a gas-filled optical hollow fiber, in which the laser pulses of the pulsed laser beam are spectrally broadened via non-linear optical effects, modulating the spectral phase and/or the spectral amplitude of the pulsed laser beam decoupled from the gas-filled optical hollow fiber and coupling the modulated laser beam into an optical one Fiber and decoupling of the modulated laser beam as a pulsed output laser beam at the specified location.
Vorzugsweise wird die spektrale Phase und/oder die spektrale Amplitude des ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahls mittels des zweidimensionalen Pixelarrays eines Liquid-Crystal-on-Silicon Elements eingestellt, das dem ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahl für jedes Pixel einzeln eine gewünschte Phase und/oder Amplitude aufprägt.Preferably, the spectral phase and/or the spectral amplitude of the decoupled, pulsed laser beam is adjusted by means of the two-dimensional pixel array of a liquid-crystal-on-silicon element, which impresses a desired phase and/or amplitude on the decoupled, pulsed laser beam for each pixel individually.
Die mit dem Verfahren erzielten Vorteile ergeben sich analog zu den oben aufgeführten Vorteilen der gepulsten Laserlichtquelle.The advantages achieved with the method are analogous to the advantages of the pulsed laser light source listed above.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention result from the description and the drawing. Likewise, the features mentioned above and those detailed below can be used according to the invention individually or collectively in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather have an exemplary character for the description of the invention.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer gepulsten Laserlichtquelle zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls an einen vorgegebenen Ort.
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1 a schematic representation of an embodiment of a pulsed laser light source for generating a pulsed output laser beam with laser pulses with specified properties and for supplying the pulsed output laser beam to a specified location.
Die gezeigte Modulationseinrichtung 7 weist ein optisches Element 10 in Form eines dispersiven Beugungsgitters, einen zylindrischen Spiegel 11 und ein Liquid-Crystal-on-Silicon Element 12 mit einem zweidimensionalen Pixelarray auf. Der aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser 6 ausgekoppelte, gepulste Laserstrahl 9 trifft über den zylindrischen Spiegel 11 auf das Beugungsgitter 10 und wird in seine unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten 9', 9" aufgespaltet. Die Zylinderachse des zylindrischen Spiegels 11 steht senkrecht zur Aufspaltungsrichtung der unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten 9`, 9". Die unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten 9`, 9" treffen über den zylindrischen Spiegel 11 auf das Liquid-Crystal-on-Silicon Element 12, mit dem ihnen eine für jedes Pixel einzeln einstellbare, gewünschte Phasendifferenz aufgeprägt wird, und werden daran reflektiert.The modulation device 7 shown has an
Die so modulierten Wellenlängenkomponenten 13', 13" treffen nun über den zylindrischen Spiegel 11 erneut auf das Beugungsgitter 10 und werden zum modulierten Laserstrahl 13 zusammengeführt. Der modulierte Laserstrahl 13 wird über den zylindrischen Spiegel 11 in die optische Transportfaser 8 eingekoppelt. Eine Achse des zweidimensionalen Pixelarrays des Liquid-Crystal-on-Silicon Elements 12 ist entlang der räumlichen Aufspaltungsrichtung der unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten 9`, 9" ausgerichtet. Die spektrale Phase ist über die Einstellung der Phasendifferenz entlang dieser Achse modulierbar. Zusätzlich ist über die mit dem Liquid-Crystal-on-Silicon Element 12 aufgeprägte, für jedes Pixel einzeln einstellbare Phasendifferenz wellenlängenabhängig die Einkoppeleffizienz in die optische Transportfaser 8 einstellbar und damit die spektrale Amplitude modulierbar und kann wie gewünscht eingestellt werden.The
Der einenends in die optische Transportfaser 8 eingekoppelte modulierte Laserstrahl 13 wird anderenends am vorgegebenen Ort 3 als gepulster Ausgangslaserstrahl 2 ausgekoppelt. Streng genommen ist im gezeigten Ausführungsbeispiel die Apertur der optischen Transportfaser 8 Teil der Modulationseinrichtung 7; die spektrale Amplitude des Laserstrahls ist erst dann moduliert, wenn er bereits in die optische Transportfaser 8 eingekoppelt ist.The modulated
Die erfindungsgemäße gepulste Laserlichtquelle 1 kann beispielsweise für die Multiphotonen-Spektroskopie oder für die auf kohärenter Anti-Stokes-Raman-Streuung basierende Laserspektroskopie eingesetzt werden.The pulsed laser light source 1 according to the invention can be used, for example, for multiphoton spectroscopy or for laser spectroscopy based on coherent anti-Stokes Raman scattering.
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