DE102022001953A1 - Anordnungen zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit Top-hat-Intensitätsprofil - Google Patents

Anordnungen zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit Top-hat-Intensitätsprofil Download PDF

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Abstract

In dieser Patentanmeldung werden optische Anordnungen zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit Top-hat-Intensitätsprofil angegeben. Die Anordnung besteht aus einer Strahlquelle (101), die einen linear polarisierten Strahl (11) abgibt, der mindestens in der xz-Ebene ein Gauß-ähnliches Strahlprofil hat, einem optischen Element (21), mit dem der Strahl (11) in der xz-Ebene in Querschnitt in zwei Teilstrahlen (81) und (82) mit senkrecht zueinanderstehenden Polarisationen aufgeteilt wird, einer optischen Anordnung (31), die die beiden Teilstrahl (81) und (82) in der xz-Ebene zu einem Strahl (76) mit einem im wesentlichen Top-hat Intensitätsprofil transformiert, einer Vorrichtung (41), mit der sichergestellt werden kann, dass der Strahl (78) in einem definierten Bereich der Propagation eine Top-hat Feldverteilung aufweist, mindesten einem nichtlinearen Medium (601), mit dem die Frequenz des Strahls (78) konvertiert und mindesten ein Strahl (678) mit einer anderen Wellenlänge und mit einem top-hat-ähnlichen Strahlprofil erzeugt wird.

Description

  • Stand der Technik
  • Laser gewinnen immer mehr an Bedeutung in der Materialbearbeitung. In vielen Fällen haben die Laser rotationssymmetrische Verstärkungsvolumen, so dass die meisten Laserstrahlen einen runden Strahlquerschnitt aufweisen. Für flächige Bearbeitung, wie Abtragen und Markierung ist ein runder Strahlquerschnitt ineffektiv für eine Flächenfüllung. Um eine flächige Bearbeitung zu ermöglichen sind oft hochprozentige Überlappungen der Bearbeitungszonen erforderlich.
  • Desweiteren ist für eine selektive, effiziente und präzise Bearbeitung oft wünschenswert und notwendig, die Wellenlängen der Laserstrahlen u. a. wegen der Wellenlängenabhängigkeit der Absorptionen an das zu bearbeitenden Werkstück anzupassen. Dies erfordert eine Frequenzkonversion eines Laserstrahls. Zur Frequenzkonversion zählen u. a. Frequenzverdopplung, Summen- und Differenzfrequenzerzeugung und optische parameterische Erzeugung (OPO, OPA).
  • Darüber hinaus ist das Intensitätsprofil von Strahlen hoher Qualität gaußförmig. Aufgrund des Schwellverhaltens unterschiedlicher Prozesse trägt die Energie/Leistung unterhalb der Schwellintensität nicht zu den Prozessen bei und stellt einen Verlust dar. Darüber hinaus tragen die Energiegehalte über der Schwellintensität auch nicht zum Abtrag bei. Im Gegenteil, Intensitäten oberhalb der Schwellintensität können zur Beschädigung von Bauteil führen. Der optimale Strahlquerschnitt in Bezug auf die Flächenfüllung ist rechteckig bzw. quadratisch. Optimale Intensitätsverteilung in Bezug auf effektive Nutzung von Laserenergie/- leistung ist eine Top-Hat-Verteilung.
  • Zur Generierung von Top-Hat Intensitätsverteilung gibt es unterschiedliche optische Anordnungen. Zu einem wird oft Integrator wie Leichtwellenleiter mit einem runden oder rechteckigen Querschnitt verwendet. Zu anderen wird zur Homogenisierung der Intensität Mikrolinsenarray verwendet. Ein Nachteil der Anordnungen ist den starken Verlust der Strahlqualität nach der Strahlformung.
  • Beschreibung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Anordnungen, mit den frequenzkonvertieren Strahlen mit top-hat-Strahlprofil generiert werden kann, ohne dabei die Strahlqualität deutlich reduziert wird. Im Folgenden werden die optischen Anordnungen gemäß dieser Erfindung an Beispielen erläutert.
  • zeigt eine Ausführung der Anordnung gemäß dieser Erfindung, mit der ein frequenzkonvertierte Strahl mit einem Top-hat-Strahlprofil in der xz-Ebene erzeugt werden kann, wobei die z-Richtung die Strahlausbreitungsrichtung darstellt. Die Anordnung besteht aus
    • - einer Strahlquelle (101), die einen polarisierten Strahl (11) abgibt, der mindestens in der xz-Ebene ein Gauß-ähnliches Strahlprofil hat,
    • - einem polarisationsändernden Element (21), das in der xz-Ebene der Strahl (11) in der xz-Ebene in Querschnitt in zwei Teilstrahlen (81) und (82) aufteilt, wobei die beiden Teilstrahlen senkrecht zueinanderstehende Polarisationen aufweisen,
    • - einer optischen Anordnung (31), die mindestens ein polarisierendes Element enthält, wobei die optische Anordnung (31) so bewirkt, die beiden Teilstrahlen (81) und (82) zu einem Strahl (76) mit einem im wesentlichen Top-hat Intensitätsprofil in der xz-Ebene überlagert werden,
    • - einer Vorrichtung (41), die mindestens aus einem optischen Element besteht, dessen optische Wege oder/und Brechungsindexes für die beiden Polarisationen z. B. durch Temperatur, Druck, elektrisches Feld, magnetisches Feld oder/und Orientierung unterschiedlich geändert werden kann, so dass der überlagerte Strahl (76) ein Strahl (78) wird, der eine Top-hat ähnliche elektrische Feldverteilung für die beiden Polarisationsrichtung aufweist,
    • - mindesten einem nichtlinearen Medium (601), mit dem die Frequenz des Strahls (78) konvertiert wird und mindesten einer Strahl (678) mit einer anderen Wellenlänge und mit einem top-hat-ähnliche Intensitätsprofil erzeugt wird, wobei das nichtlineare Medium dort positioniert wird, wo der Strahl (78) eine im wesentlichen Top-hat Feldverteilung aufweist.
  • Die konkrete Funktionsweise der optische Anordnungen (21) und (31) zur Strahltransformation wird anhand folgender Beispielen erläutert.
  • zeigt die Intensitätsverteilung eines Gaußschen Strahls. Es wird vorausgesetzt, dass der Gaußsche Strahl linear polarisiert ist. Wie in dargestellt ist, wird in den Strahlgang eine lambda/2-Verzörgerungsplatte (7) als das optische Element (21) verwendet. Die lambda/2-Verzörgerungsplatte (7) wird so angeordnet, dass etwa die Hälfte des Strahlquerschnitts (11) die lambda/2-Verzörgerungsplatte durchläuft. Das heißt, dass die Hälfte des Strahlquerschnitts durch die lambda/2-Verzörgerungsplatte (7) gedeckt wird. Hinter der lambda/2-Verzörgerungsplatte wird der Strahl (11) in Querschnitt in zwei Teilstrahlen (81) und (82) mit senkrecht zueinanderstehenden Polarisationen unterteilt. Die Polarisation des durch die lambda/2-Verzörgerungsplatte durchgelaufenen Teilstrahls (82) wird um 90° gedreht, während die Polarisation des anderen Teilstrahls (81) unverändert bleibt. Dies wird mit den Symbolen Kreis mit einem Punkt und einem Pfeil gedeutet (vgl. und ).
  • Statt einer Verzögerungsplatte zur Veränderung der Polarisation können auch ein Rotator aus Quarz, ein Faraday-Rotator aus TGG oder YIG, oder ein Rotator aus Reflexionsflächen, usw., eingesetzt werden. Er hat die Eigenschaft, dass sich im Element Strahlen unterschiedlicher Polarisation unterschiedlich schnell ausbreiten, so dass nach einem Durchgang durch das Element die Phasen unterschiedlicher Polarisation eine ungleiche Verzögerung erfahren und so die relative Beziehung zwischen den unterschiedlichen Polarisationskomponenten und dem Polarisationszustand geändert wird. Z. B. wird bei einer lambda/4-Verzögerungsplatte ein linear polarisierter Strahl zu einem zirkular oder elliptisch polarisierten Strahl. Bei einer lambda/2-Verzögerungsplatte dreht sich die Polarisation um einen Winkel, der doppelt so groß wie der Winkel zwischen der Eingangspolarisation und der optischen Achse der Platte ist. 90° Drehung wird erreicht, wenn die optische Achse der lambda/2-Platte 45° zur Polarisation des Eingangsstrahls steht.
  • Die Verzögerungsplatte kann aus Kristtal-Quarz, YVO4, alpha-BBO, usw. bestehen.
  • Die beiden Teilstrahlen (81) und (82) bereiten sich parallel und nebeneinander aus.
  • Um die beiden Teilstrahlen (81) und (82) zwecks Homogenisierung der Intensitätsverteilung in Querschnitt zu überlagern, wird eine Optik (31), die mindestens aus einem polarisierenden Element besteht, verwendet.
  • zeigt eine optische Anordnung zur Zusammenführung der beiden Teilstrahlen. Dabei werden die beiden Teilstrahlen unterschiedlicher Polarisation durch einen ersten Polarisator (27) aufgespaltet. Der Teilstrahl Strahl mit s-Polarisation (81) wird durch die beiden Umlenkspiegel (28) und einen zweiten Polarisator (27) mit dem Teilstrahl (82) im wesentlich parallel zur einander überlagert wird.
  • Da die beiden Teilstrahlen senkrecht zueinanderstehende Polarisationen haben, entspricht die Intensitätsverteilung des Gesamtstrahls der Summe der Intensitäten der beiden Teilstrahlen. Die Verteilung des gesamten Strahls kann durch den Versatz, der durch die Anordnungen der Optik aus den beiden Polarisatoren (28) und den beiden Spiegeln (27) eingestellt werden. Zwei Beispiel der Intensitätsverteilung zeigen und . Die Intensitätsverteilung in stellt eine in wesentlich homogene Intensitätsverteilung (Top-Hat-Intensitätsverteilung) dar.
  • Ein Alternativ zu der in dargestellten Ausführung zeigt die , wo ein Polarisator (23) mit zwei polarisierende Grenzflächen (91 und 92) aufweisen. Dabei wird der s-polarisierte Teilstrahl (81) durch die polarisierende Grenzfläche (92) zuerst nach unten reflektiert. Die polarisierende Grenzfläche (91) reflektiert den Teilstrahl (81) und lenkt ihn wieder in die Richtung des Teilstrahls (82). Danach bereiten die beiden Teilstrahl in wesentlich parallel zu einander aus.
  • zeigt eine beispielhafte Ausführung zur Überlagerung von zwei Teilstrahlen über Querschnitt, bei der ein Strahlversetzer (61) verwendet wird. Hinter der lambda/2-Verzögerungsplatte (7) entstehen aus dem linear polarisierten Eingangsstrahl (11) zwei Teilstrahlen (81, 82) mit senkrecht zueinanderstehenden Polarisationen. Die beiden Teilstrahlen laufen durch den Strahlversetzer (61). Hinter dem Strahlversetzer werden die beiden Teilstrahlen räumlich in Querschnitt überlagert, und zwar mit gleicher oder im Wesentlichen gleicher Ausbreitungsrichtung. Wie die räumliche Überlappung aussehen sollte, kann einfach durch die Länge des Strahlversetzers entlang der Ausbreitungsrichtung bestimmt werden. Da die beiden Teilstrahlen senkrecht zueinanderstehende Polarisationen haben, entspricht die Intensität des gesamten Ausgangsstrahles (76) der Summe der Intensitäten der beiden Teilstrahlen (vgl. und . Damit werden Interferenzen und eine damit verbundene, starke Intensitätsmodulation unterbunden.
  • Bei dem Beam-Displacer (61) handelt es sich um ein doppelbrechendes Medium, bei dem die Strahlen unterschiedlicher Polarisation bei dem Eintritt in das Medium und bei dem Austritt aus dem Medium unterschiedlich gebrochen werden. Bei dem Beispiel fällt ein Strahl, der sowohl s- als auch p-polarisierte Komponenten enthält, senkrecht in den Beam-Displacer (61) ein. Der Beam-Displacer ist so konfiguriert, dass beim Eintreten die s-polarisierte Komponente ungebrochen hindurch läuft, während die p-polarisierte Komponente nach oben gebrochen wird. Beim Austreten wird die s-Komponente wie beim Eintreten nicht gebrochen, während die p-polarisierte Komponente nach unten gebrochen wird. Durch Brechung beim Eintreten und Austreten entsteht ein lateraler Versatz zwischen den beiden Komponenten. Beim Beam-Displacer (61) mit paralleler Eintritts- und Austrittsfläche breiten sich die beiden Strahlen unterschiedlicher Polarisationen nach dem Durchgang mit einem lateralen Versatz parallel aus. Unter den doppelbrechenden Medien sind zu nennen: YVO4, alpha-BBO, Quarz, LiNbO3.
  • Ein weiteres Beispiel der optischen Anordnung zur Überlagerung der Teilstrahlen mit doppelbrechenden Prismen zeigt . Die beiden Teilstrahlen laufen durch ein erstes doppelbrechendes Prisma (26). Aufgrund der unterschiedlichen Polarisation werden die beiden Teilstrahlen durch das doppelbrechende Prisma unterschiedlich gebrochen, so dass sich die beiden Teilstrahlen räumlich schneiden und deren Intensität überlagern. Eine parallele Überlagerung der Intensität von beiden Teilstrahlen kann erreicht werden, indem ein zweites doppelbrechendes Prisma (26) an der Stelle angeordnet wird, wo sich die beiden Teilstrahlen im Wesentlichen gegenseitig decken.
  • Die nichtlineare Konversion der Frequenz basiert auf die nichtlineare Wechselwirkung von elektrischen Feldern des Laserstrahls und einem nichtlinearem Medium. An dieser Stelle ist es für eine effiziente und stabile Erzeugung neuer Wellenlänge essentiell, dass die beiden Polarisationen des überlagerten Strahls innerhalb des nichtlinearen Medium in Phase sind. Frequenzkonversion in einem nichtlinearen Medium ist ein nichtlinearer Prozess von einem elektrischen Feld.
  • Dabei sind sowohl die Amplitude and als auch die Phase eines elektrischen Feldes innerhalb des nichtlinearen Mediums maßgeblich. Zur Frequenzkonvertierung von zwei überlagerten Teilstrahlen mit einer gleichen Wellenlänge muss gewährleistet werden, dass die elektrischen Felder der beiden Teilstrahlen eine definierte Phasenbeziehung aufweisen. Die Erzeugung eines frequenzkonvertierten Strahls mit einer Top-hat ähnlichen Intensitätsverteilung setzt voraus, dass die Amplitudenverteilung des elektrischen Feldes (Feldverteilung) ebenfalls eine Top-hat ähnliche Verteilung aufweist. Um das zu gewährleisten, wird eine Vorrichtung (41) verwendet. Dies ist in dargestellt. Die Vorrichtung (41) sorgt dafür, dass die beiden Teilstrahl (81) und (82) unterschiedlicher Polarisationen in dem nichtlinearen Medium in Phase sind und in Phase bleiben.
  • Ein erstes Beispiel der Vorrichtung zeigt . Dabei wird ein optisches Element (411) verwendet, dessen Brechungsindexes für senkrecht zueinanderstehenden Polarisationen durch die Temperatur unterschiedlich geändert werden können. Das optische Element wird in einem Ofen (412) eingebaut. Die Temperatur des Ofens (412) und somit die Temperatur des optischen Elements (411) wird durch einen Kontroller geändert oder/und auf einem definierten Wert konstant gehalten. Damit wird erreicht, dass die beiden Teilstrahlen in dem nichtlinearen Medium in Phase sein werden und in Phase bleiben.
  • Beispiele des optischen Elements sind doppelbrechende Kristalle wie alpha-BBO, YVO4, etc.
  • In dem Fall, dass in der optische Anordnung (31) ein doppelbrechendes Element verwendet wird, kann das Element oder die ganz optische Anordnung (31) in einem Ofen platziert werden. Zusammen mit einem Ofenregler können die relative Phasen der beiden Teilstrahlen in dem nichtlinearen Medium nach einer Vorgabe eingestellt und konstant gehalten werden.
  • Ein zweites Beispiel der Vorrichtung zeigt . Dabei wird ein optisches Element (431) verwendet, dessen Brechungsindexes durch eine mechanische Spannung für die beiden Polarisationen unterschiedlich geändert werden können. Das entspricht z. B. der durch mechanischen Spannung verursachten Doppelbrechung. Das optische Element wird beispielsweise in einem mechanischen Aufbauten (432) eingebaut. Durch den mechanischen Aufbauten (432) wirkt gemäß einer Vorgabe einen mechanischen Druck auf das optische Element (431). Durch Einstellung des Drucks mittels eines Reglers (436) werden die Brechungsindexes der beiden Teilstrahls so eingestellt und gehalten, dass die beiden Teilstrahlen in dem nichtlinearen Medium in Phase sein werden und in Phase bleiben.
  • In dem Fall, dass in der optische Anordnung (31) ein optisches Element verwendet wird, dessen Brechungsindexes durch eine mechanische Spannung unterschiedlich geändert werden können, kann das Element oder die ganze optische Anordnung (31) in einem mechanischen Aufbauten integriert werden. Zusammen mit einem Regler können die relative Phasen der beiden Teilstrahlen in dem nichtlinearen Medium nach einer Vorgabe eingestellt und konstant gehalten werden.
  • Ein weiteres Beispiel der Vorrichtung zeigt . Dabei wird ein optisches Element (461) verwendet, dessen Brechungsindexes der beiden Polarisationen durch eine elektrische Spannung unterschiedlich geändert werden können. Das optische Element wird beispielsweise zwischen zwei Elektroden (462) und (463) eingebaut. Zwischen die beiden Elektroden wird eine elektrische Spannung mittels einer regelbaren Spannungsquelle (466) angelegt. Durch Einstellung des Spannung mittels des Reglers (466) werden die Brechungsindexes der beiden Teilstrahls so eingestellt und gehalten, dass die beiden Teilstrahlen in dem nichtlinearen Medium in Phase sein werden und in Phase bleiben.
  • Darüber hinaus kann die Vorrichtung (41) durch mindestens ein magnetooptisches Element (471) und ein Magnetanordnung (472) gebildet werden. Dies zeigt die . Die Vorrichtung besteht im wesentlich aus einem magnetooptischen Element (471), einer Magnetanordnung (472) und eine Stellungseinheit (476). Mit der Magnetanordnung und der Stellungseinheit wird gemäß Vorgabe ein definiertes Magnetfeld in dem magnetooptischen Element generiert. Aufgrund der Verdet-Koeffizient die Brechungsindexes der beiden Teilstrahls so eingestellt und gehalten, dass die beiden Teilstrahlen in dem nichtlinearen Medium in Phase sein werden und in Phase bleiben.
  • Beispiele von magnetooptischen Elementen sind: TGG, KTF, YIG, etc.
  • Ein Bespiel zu Erfüllung der Vorrichtung (41) besteht darin, dass die optische Anordnung (31) auf einem drehbaren Tisch montiert wird. Durch Drehung der optischen Anordnung (31) kann unterschiedliche Propagationswege der beiden Strahlen generiert werden. Damit wird erreicht, dass die beiden Teilstrahlen in dem nichtlinearen Medium in Phase sein werden und in Phase bleiben.
  • Darüber hinaus ist es möglich, das ein optisches Element verwendet wird, mit dem die Richtung der beiden Teilstrahlen minimal geändert werden, so dass die Propagationswege der beiden Teilstrahlen unterschiedlich werden. Damit kann der systembedingte Wegunterschied der beiden Teilstrahlen kompensiert werden und die beiden Teilstrahlen in dem nichtlinearen Medium in Phase sein werden und in Phase bleiben.
  • Ein Beispiel derartiges Element bildet eine langbrennweitige Linse, die auf einem Verschiebtisch montiert wird. Durch eine laterale Bewegung der Linse kann die Richtung der Teilstrahlen geändert werden.
  • Effiziente Frequenzkonversion setzt voraus, dass die Phase des Eingangsstrahls und die Phase des frequenzkonvertierten Strahls innerhalb des nichtlinearen Mediums gleich sind. Dies nennt man Phasenanpassung. In einem doppelbrechenden nichtlinearen Medium wird die Phasenanpassung dadurch erreicht, dass die Polarisation des Eingangsstrahls und die Orientierung des nichtlinearen Mediums so gewählt wird, dass die frequenzkonvertierten Strahls die gleiche Phasengeschwindigkeit von dem Eingangsstrahl hat.
  • Als das nichtlineares Medium können nichtlineare Kristalle wie LBO, BBO, KTP, etc. verwendet werden. Da die überlagerten Strahlen (678, 578) zwei senkrecht zueinanderstehende Polarisationen aufweist, ist eine einfache Konversion durch Verwendung von Kristallen mit der Phasenanpassung Typ II zu bevorzugen. Bei Phasenanpassung Typ II steht die Polarisation der frequenzkonvertierte Strahl unter 45° zur Polarisation des Eingangsstrahls. Wird der überlagerte Ausgangsstrahl (36, 78) in einem nichtlinearen Kristall der Phasenanpassung II in Frequenz konvertiert, so hat der frequenzkonvertierte Strahl aus dem nichtlinearen Kristall lineare Polarisation.
  • Für eine effiziente Frequenzkonversion soll die Intensität in dem nichtlinearen Medium hoch genug sein. Auf anderer Seite darf die Intensität nicht zu hoch sein, da eine zu hohe Intensität zur Beschädigung des nichtlinearen Mediums führen wird. Darüber hinaus ist zu Erzeugung eines frequenzkonvertierten Strahles mit einem top-hat-ähnlichen Strahlprofil wird eine Top-hat-Feldverteilung des zu konvertierenden Strahls im nichtlinearen Medium vorausgesetzt. Um alle dies sicherzustellen, wird, wie dargestellt ist, eine Abbildungsoptik (51) vor dem nichtlinearen Medium (601) angeordnet. Mit der Optik (51) wird der Top-hat-Strahl (78) mit einer Breite D in einen Strahl (378) mit einer Breite von d abgebildet. Der Strahl (378) weist eine Top-hat-Feldversteilung. Dabei wird die Optik (51) so dimensioniert und angeordnet, dass das Top-hat-Feldverteilung etwa in der Mitte eines nichtlinearen Mediums (601) liegt. Innerhalb des nichtlinearen Mediums (601) wird mindestens ein frequenzkonvertierter Strahl (678), der ein Top-hat-Strahlprofil in der xz-Ebene hat, generiert.
  • Eine einfachste Abbildungsoptik (51) besteht aus zwei positiven Linsen mit einer Fokuslänge F und f. Wie in dargestellt ist, werden die beiden Linsen konfokal angeordnet und bilden deshalb ein Teleskop. Damit wird der Strahl (78) mit einer Breite von D zu einem Strahl mit einer Breite d=D*f/F in dem nichtlinearen Medium (601) telezentrisch abgebildet.
  • Bei Bedarf können mehrfache Nutzung von Teleskopen, u. a. auch Teleskop aus zylindrischen Linsen in Betracht gezogen werden.
  • Es wird vorausgesetzt, dass der Strahl (11) auch ein Gauß-ähnliches Strahlprofil in der yz-Ebene aufweist. Im allgemeinen wird der frequenzkonvertierte Strahl (678) auch ein Gauß-ähnliches Strahlprofil aufweisen. In diesem Fall kann eine optische Anordnung (481) in Analog zu der Anordnung aus (21), (31), (41) und (51) verwendet werden, mit der der Strahl (678) in der yz-Ebene in zwei Teilstrahlen mit senkrecht zueinanderstehenden Polarisationen aufgeteilt, in Querschnitt überlagert und an einer definierten Position ein Strahl mit einer Top-hat-Feldverteilung generiert wird. Dies ist in veranschaulicht. Wird ein weiteres nichtlineares Medium (501) an der Position der Top-hat-Feldteilung angeordnet, so kann ein frequenzkonvertierte Strahl mit einem top-hat-Intensitätsverteilung erzeugt werden.
  • Darüber hinaus wird mindestens eine zylindrische Abbildungsoptik verwendet. Damit können die Top-hat-ähnliche Strahlprofile in der xz- und yz-Ebene auf einer gemeinsamen axialen Position abgebildet. Wie in dargestellt, entsteht daraus ein Ausgangstrahl (578), der einen rechteckigen, in einem besonderen Fall einen quadratischen Querschnitt hat und top-hat-ähnliches Strahlprofil sowohl in der xz-Ebene als auch in der yz-Ebene aufweist.
  • Der Strahl (678 und 578) mit einem top-hat-ähnlichen Strahlprofil kann durch eine weitere Abbildungsoptik auf das Werkstück zwecks Applikation abgebildet werden.
  • Weiter kann der Strahl (678, 578) mit nichtlinearen Medien zur Erzeugung von Strahlen neuen Wellenlängen verwendet werden.

Claims (10)

  1. Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil, bestehend aus - einer Strahlquelle (101), die einen polarisierten Strahl abgibt (11), der sich in der z-Richtung ausbreitet und mindestens in der xz-Ebene ein Gauß-ähnliches Strahlprofil hat, - einem polarisationsändernden Element (21), das in der xz-Ebene der Strahl (11) in Querschnitt in zwei Teilstrahlen (81) und (82) aufteilt, wobei die beiden Teilstrahlen senkrecht zueinanderstehende Polarisationen aufweisen, - einer optischen Anordnung (31), die mindestens ein polarisierendes Element enthält, wobei die optische Anordnung (31) so bewirkt, dass die beiden Teilstrahlen (81) und (82) zu einem Strahl (76) mit einem im wesentlichen Top-hat Intensitätsprofil in der xz-Ebene überlagert werden, - einer Vorrichtung (41), mit der die optischen Wege der beiden Teilstrahlen gemäß einer Vorgabe unterschiedlich eingestellt werden können, so dass die beiden Teilstrahlen mindestens in einem definierten Bereich entlang der z-Richtung in Phase sind und in Phase bleiben, - mindesten einem nichtlinearen Medium (601), mit dem die Frequenz des Strahls (78) konvertiert wird und mindesten einer Strahl (678) mit einer anderen Wellenlänge und mit einem top-hat-ähnliche Intensitätsprofil erzeugt wird, wobei das nichtlineare Medium dort positioniert wird, wo der Strahl (78) eine im wesentlichen Top-hat Feldverteilung aufweist.
  2. Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (41) mindestens aus einem optischen Element besteht, dessen Brechungsindexes für die beiden Polarisationen z. B. durch Temperatur, Druck, elektrisches Feld oder/und magnetisches Feld unterschiedlich geändert werden kann, so dass der überlagerte Strahl (76) ein Strahl (78) wird, der eine Top-hat ähnliche elektrische Feldverteilung für die beiden Polarisationsrichtung aufweist.
  3. Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (31) mindestens ein optisches Element enthält, dessen Brechungsindexes für die beiden Polarisationen z. B. durch Temperatur, Druck, elektrisches Feld oder/und magnetisches Feld unterschiedlich geändert werden kann, wobei die optische Anordnung (31) und die Vorrichtung (41) so zusammengefasst werden, dass der überlagerte Strahl (76) ein Strahl (78) wird, der eine Top-hat ähnliche elektrische Feldverteilung für die beiden Polarisationsrichtung aufweist
  4. Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abbildungsoptik (51) vor dem nichtlinearen Medium (601) angeordnet wird, wobei mit der Abbildungsoptik (51) der Strahl (78) mit einer Breite D in einen Strahl (378) mit einer Top-hat Feldverteilung und mit einer Breite von d abgebildet wird, wobei die Optik (51) so dimensioniert wird, dass die Top-hat- Intensitätsverteilung in dem nichtlinearen Medium (601) liegt.
  5. Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der frequenzkonvertierte Strahl (678) ein Gauß-ähnliches Strahlprofil in der yz-Ebene aufweist, wobei eine weitere optische Anordnung (481) hinter dem nichtlinearen Medium (601) verwendet wird, mit der das Gauß-ähnliche Strahlprofil in der yz-Ebene zu einer Top-hat-ähnlichen Feldverteilung in der yz-Ebene transformiert wird.
  6. Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres nichtlineares Medium (501) zur Erzeugung weitere Wellenlänge verwendet wird.
  7. Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abbildungsoptik (51) mindestens einem zylindrischen Teleskop verwendet, mit dem die Top-hat-ähnlichen Strahlprofile in der xz- und yz-Ebene auf einer gemeinsamen axialen Position abgebildet werden.
  8. Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil nach einer der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überlagerung der beiden Teilstrahlen ein Strahlversetzer (61) eingesetzt wird, wobei nach dem Strahlversetzer (61) die beiden senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen so überlagert werden, dass die beiden überlagerten Teilstahlen eine identische Ausbreitungsrichtung haben.
  9. Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Element verwendet wird, mit dem die Richtung des Strahls (11) minimal geändert werden kann, so dass die optische Wege der beiden Teilstrahlen unterschiedlich beeinflusst werden und die beiden Teilstrahlen in Phase überlagert werden.
  10. Anordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierten Strahlen mit einem Top-hat-Strahlprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (31) auf einem Drehtisch moniert wird, wobei durch Drehung gemäß einer Vorgabe die optische Wege der beiden Teilstrahlen unterschiedlich beeinflusst werden und die beiden Teilstrahlen in Phase überlagert werden.
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