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STAND DER
TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung liegt auf
dem Gebiet der gezielten Formung von Lichtpulsen und insbesondere
von ultrakurzen Laserpulsen im Femtosekundenbereich. Sie betrifft
insbesondere eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch
1 und ist für
ultrakurze Pulse besonders für
hohe Pulsleistungen einsetzbar.
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Derartige Kurzpulslaser werden in
zunehmendem Maße
im Bereich der lasergestützten
Mikroskopie, der ultrakleinskaligen Materialbearbeitung und zur
Mikrostrukturanalyse von Oberflächen
eingesetzt.
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Ultrakurze Laserpulse können bei
relativ geringem Energieeintrag in ein Probenmaterial aufgrund ihrer
zeitlichen Kürze
eine sehr hohe Leistung einbringen, wodurch die Strahlung für viele
Anwendungszwecke in Wissenschaft und Industrie nützliche Eigenschaften aufweist.
Beispielhaft sei genannt die Mikrostrukturierung von Oberflächen, oder
die spektrale Analyse von Plasmen, die durch die Wirkung des auftreffenden
Laserpulses im Material oder an dessen Oberfläche erzeugt werden.
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Je kürzer ein Femtosekunden(fs)-Laserpuls ist,
desto schwieriger wird es, seine kurze Pulsform zu erhalten, da
schon bei geringem Durchgang durch ein optisches Medium, wie z.B,
ein Glasfenster, die zeitliche Pulsform deutlich verlängert wird.
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Die Ursache für eine Pulsformveränderung ist
die Dispersion von optischen Elementen. Diese verursacht, dass die
verschie denen Frequenzkomponenten, aus denen ein fs-Laserpuls besteht,
unterschiedliche Laufzeiten haben. Allgemein gilt, dass für Laserpulse
im optisch sichtbaren Bereich unterhalb 50 fs ein komplexes Dispersionsmanagement
notwendig ist, um die Laserpulsform zu erhalten und damit die Pulsenergie
in kürzester
Zeit – wie
dies oft gewünscht
ist – in
das Material einzubringen. Derartige Probleme sind im Stand der
Technik in ausreichender Weise dokumentiert, siehe beispielsweise
DE 197 33 193 von Zeiss.
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Zur Schaffung einer definierten Pulsform trotz
vielerlei technisch bedingter Pulsverbreiterungen werden daher so
genannte Pulsformer eingesetzt.
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Für
die Kompensation von Verzerrungen des Laserpulses durch optische
Elemente wie zum Beispiel Linsen oder Lichtleiter werden vor allem
im Frequenzbereich phasenmodulierende Pulsformer verwendet. Der
Laserpuls wird dabei vor dem Durchlaufen der optischen Elemente
spektral derart selektiv zeitlich auseinander gezogen, dass damit
die Laufzeitunterschiede der einzelnen Frequenzkomponenten am Ort
der Anwendung des Laserpulses gerade aufgehoben werden. In einem
Pulsformer wird genauer der Laserpuls räumlich in seine spektralen
Bestandteile aufgespaltet und dann mit einem räumlichen Lichtmanipulator in
Phase oder Amplitude gezielt verändert
und danach wieder zusammengeführt. Mit
dem Manipulator (Spatial Light Modulator – abgekürzt als SLM) wird die optische
Weglänge
der spektralen Bestandteile des Pulses jeweils einzeln gesteuert,
bzw. durch Selbstadaptionsmechanismen computerunterstützt geregelt.
Ein solcher Pulsmanipulator kann beispielsweise aus einer Matrix
von helixartig oder parallel angeordneten, nematischen Flüssigkeitskristallen
(z. B. SLM-S160/h, Firma: Jenoptik) bestehen, an denen sich eingangsseitig
und ausgangsseitig jeweils eine transparente, so genannte ITO-Grundplatte
zur Anlegung einer Spannung befindet. Durch eine entsprechende elektronische
Beschaltung der einzelnen Punkte der Matrix kann die Amplitude und
Phase der entsprechenden spektralen Komponenten eingestellt werden.
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Die Patentschrift
DE 199 30 532 C2 offenbart eine
derartige Anordnung. Dabei wird der durch ein Gitter als dispersives
Element spektral aufgefächerte Laserpuls
mit einer Linse parallelisiert und auf den SLM geleitet. Der SLM
befindet sich näherungsweise in
der Brennebene der Linse, die gleichzeitig die Fourierebene ist.
Der manipulierte Laserpuls wird dann mit einer zweiten Linse auf
ein zweites Gitter fokussiert und von dort spektral zusammengeführt weitergeleitet,
und steht dann am Ort der eigentlichen Anwendung korrigiert, d.h.
mit einer definierten Pulsform, (z.B. der kürzesten Pulsform) zur Verfügung.
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Eine derartige Anordnung ist nicht
ohne Nachteile: zum einen bedingt die chromatische Aberration der
verwendeten Linsen eine gewisse Verkippung der Wellenfront des Pulses,
wodurch das räumliche
Strahlprofil verzerrt wird. Zum anderen bewirkt die sphärische und
chromatische Aberration der verwendeten Linsen, dass nicht jede
Frequenzkomponente des Pulses optimal in der Fourierebene abgebildet
wird. Damit kann der Puls nicht ausreichend exakt genug moduliert
und damit korrigiert werden.
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Werden anstelle der Linsen reflektive
Elemente verwendet, um die vorgenannten Probleme zu vermeiden, so
ergibt sich ein sehr komplexer Aufbau für den Pulsformer, der für die Praxis
sehr schwer justierbar ist und aufgrund dessen auch unflexibel einsetzbar
ist. Eine solche Anordnung ist in einer Veröffentlichung der Universität Würzburg,
Deutschland: „Tobias
Brixner: „Adaptive
Femtosecond Quantum Control",
Julius Maximilian Universität,
Würzburg, 2001", bekannt. Ein in
den Pulsformer eintretender Puls trifft auf ein erstes Gitter, das
bezüglich
seiner Gitterebene senkrecht zum einlaufenden Puls ausgerichtet
sein muss, und bezüglich
der Strahlrichtung genau gemäß Littrow-Bedingung
ausgerichtet sein muss, das heißt
der spektrale Mittenstrahl wird durch das Gitter in sich selbst
zurückreflektiert.
Danach trifft der durch das Gitter aufgespaltete, divergente Puls auf
einen zylindrisch geformten Spiegel, etwa einen Silberspiegel. Sowohl
das Gitter wie auch der Zylinderspiegel sind bezüglich des einfallenden Strahles in
der Z-Richtung leicht gekippt, um das reflektierte Licht nicht wieder
zurück
ins Gitter gehen zu lassen. Stattdessen trifft das reflektierte
Licht als paralleles Strahlenbündel
auf einen Planspiegel, der in Z-Richtung unterhalb oder oberhalb
des einfallenden Lichtstrahls angeordnet ist. Der Planspiegel ist
in XY-Richtung in 45 Grad-Orientierung
zum einfallenden Strahl angeordnet und in Z-Richtung um denselben Winkel verkippt,
wie der Planspiegel, nur mit umgekehrtem Vorzeichen, um das reflektierte
Strahlenbündel
parallel zum einfallenden Lichtstrahl um einen bestimmten Differenzbetrag
in Z-Richtung auf eine Pulsmodulatoreinheit (SLM) reflektieren zu
können.
Die Pulsmanipulatoreinheit ist transmissiv ausgebildet und steht in
der Fourierebene des Zylinderspiegels. Der Puls wird darin manipuliert
und trifft auf eine genau spiegelsymmetrische Anordnung, bestehend
aus zweitem Planspiegel, zweitem Zylinderspiegel und zweitem Gitter,
um schließlich
als wieder zusammengeführter,
korrigierter Lichtpuls die vorbeschriebene Pulsformeranordnung zu
verlassen.
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Um die vorgenannte Anordnung für Pulsbreiten
von wenigen zehn Femtosekunden – etwa
25 fs – justieren
zu können,
müssen
zumindest für
die folgenden Eigenschaften erfüllt
sein. Bei den derzeit in der Industrie oftmals verwendeten Pulsbreiten
von 100 bis 200 Femtosekunden ergeben sich im Vergleich dazu etwas
größere Toleranzen:
- 1. Beide vorhandenen Gitter müssen, um
die Littrow-Bedingung zu erfüllen,
in zwei Raumrichtungen winkelbezogen präzise eingestellt sein, mit
einer Winkelgenauigkeit von mindestens 0,1 Dezimalgrad sowohl in
XY-Richtung als auch in XZ-Richtung.
Die
Gitterstrichlinien der beiden Gitter müssen parallel zueinander angeordnet
sein.
- 2. Gitter und Zylinderspiegel müssen so beabstandet sein, dass
das Gitter für
die Littrow-Bedingung in der Brennebene des Zylinderspiegels ist.
- 3. Beide Zylinderspiegel müssen
innerhalb der YZ-Ebene in einem sehr geringen, vordefinierten Winkel
gekippt positioniert sein, um die vorgenannte Ablenkung des Lichtes
in Z-Richtung zu gewährleisten,
damit das reflektierte Licht nicht wieder auf das Gitter trifft.
Die
beiden Zylinderspiegel müssen
exakt in einem Abstand, der zwei mal die Brennweite der Zylinderspiegel
entspricht, angeordnet sein.
- 4. Beide der Umlenkung dienenden Planspiegel müssen genau
in „roof"-Stellung positioniert
sein, dabei jedoch um den gleichen, negativen Winkel verkippt sein
wie der erste und zweite Zylinderspiegel, wobei sie groß genug
sein müssen,
um das gesamte frequenzzerlegte Strahlenbündel aufzunehmen.
- 5. Die transmissive Pulsmanipulatoreinheit muss genau in der
Fourierebene, d.h. in der rückwärtigen Fokalebene
der Zylinderspiegel positioniert sein, so dass die zerlegten spektralen
Komponenten des Laserpulses auf die transmissive Pulsmanipulatoreinheit
abgebildet werden.
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Wird nun beispielsweise bei der Vorjustage der
Abstand zwischen Zylinderspiegel und Gitter um nur 1 Millimeter
falsch eingestellt, wobei jedoch alle anderen Einstellungen als
perfekt eingestellt angenommen gelten, so bewirkt der vorgenannte
Fehler bei einem einlaufenden Puls einer Länge von 5 Fem tosekunden einem
abgehenden Puls mit einer Länge der
Größenordnung
von etwa 1000 Femtosekunden.
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Erschwerend kommt hinzu, dass die
Veränderung
eines Einstellparameters meist gleichzeitig die Veränderung
wenigstens eines anderen Einstellparameters bewirkt. Das heißt die Parameter
können nicht
unabhängig
voneinander eingestellt werden. Dies sind die wesentlichen Gründe, warum
eine korrekte Justierung dieser Vielzahl von optischen Elementen
einen sehr großen
Zeitaufwand erfordert, der zudem nur von Fachleuten aufgewendet
werden kann. Dies macht den flexiblen Einsatz von Kurzpulslasern
im Femtosekundenbereich unter den vorgenannten, extrem hohen Qualitätsanforderungen
an das Strahlprofil, wie sie weiter oben geschildert wurden, sehr
teuer, da im wesentlichen bei jeder Parametervariation – etwa Verwendung
eines anderen Lasersystems die gesamte Anordnung neu einjustiert werden
muß. Das
kann wochenlangen Aufwand bedeuten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht daher darin, einen Pulsformer gemäß Oberbegriff des Anspruchs
1 so weiterzubilden, dass seine optischen Elemente auf einfachere
Weise justierbar sind, um den Pulsformer flexibler einsetzbar zu
machen.
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VORTEILE DER
ERFINDUNG
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Der erfindungsgemäße Pulsformer mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 löst
diese Aufgabe.
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In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der
Erfindung. Auf die Ansprüche
soll im Folgenden Bezug genommen werden.
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Die vorliegende Erfindung basiert
auf der Grundidee, das oben erwähnte
Multiparameterproblem für
die korrekte Einstellung und Justage der optischen Elemente zu entflechten,
indem bestimmte, funktional zusammen wirkende optische Elemente als
Teilmenge der Gesamtheit aller optischen Elemente separat jeweils
zueinander ausgerichtet werden, wobei als Hilfsmittel für diese
Ausrichtung Lochblenden oder andere geeignete optische Elemente herangezogen
werden, die mit hoher Präzision
in den Strahlengang eingesetzt werden können und aus diesem nach einer
erfolgten Grobjustierung der optischen Elemente wieder entfernbar
sind, ohne dabei den bereits eingestellten Strahlengang der Vorrichtung
beispielsweise durch einen wiederholten Einsetzvorgang der Lochblende
wieder zu verfälschen. Es
wird also erfindungsgemäß eine in
zwei Phasen ablaufenden Justage vorgeschlagen, nämlich eine Vorjustage der gesamten
Vorrichtung mittels eines kontinuierlichen Laserstrahls, der preisgünstig realisierbar
ist, wobei die Vorjustage mit einer Genauigkeit im Bereich von 0,5
Millimeter bis etwa 0,1 Millimeter vorgenommen werden kann. Erst
nach erfolgter Vorjustage wird dann der eigentliche, für die Anwendung
verwendete Kurzpulslaser eingesetzt. Die nachfolgende Feinjustage
zur endgültigen
Ausrichtung und Feineinstellung der optischen Komponenten kann dann
mit dem (teuren) Kurzpulslaser selbst erfolgen. Sie erfordert dann
nach erfolgreicher, erfindungsgemäßer Vorphase weit weniger Zeit,
als wenn auf die Vorjustage verzichtet würde.
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Gemäß dem Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung
wird also der im zuletzt genannten Stand der Technik bekannte Gegenstand
derart weitergebildet, dass
- a) wenigstens eine
Teilmenge der vorgenannten optisch wirksamen Einheiten auf jeweiligen
Halteelementen auf der Vorrichtung mittels einer paßgenau geführten, mechanischen
Verbindung reproduzierbar befestigbar und wieder davon entfernbar
eingerichtet sind, und
- b) eine Nullposition des Strahlengangs bezüglich einer gemeinsamen, alle
optisch wirksamen Einheiten tragenden Grundplatte definiert ist.
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Obiges Merkmal a) ermöglicht ein
mehrmals nacheinander durchführbares
Anbringen (und Wiederentfernen) von optischen Einheiten mit einer
reproduzierbaren Genauigkeit von ca. 1/10 mm allein aufgrund der
konstruktiven Eigenschaften der Halteelemente, das notwendig ist,
um die Grobjustierung der verschiedenen optischen Einheiten erfindungsgemäß durchführen effizient
zu können.
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Obiges Merkmal b) ermöglicht,
dass die rechte und linke Seite der spiegelsymmetrischen Anordnung
effizient zueinander ausgerichtet werden können.
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Dabei ist wenigstens eine Teilmenge
der Halteelemente zueinander – beispielsweise
auf präzisen Verschiebetischen
befestigt – die
mit einer Genauigkeit im Bereich von wenigen Mikrometern über einen Bereich
von mehreren Zentimetern hinweg verschiebbar gelagert sind, um eine
nachfolgende Feinjustierung vornehmen zu können.
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In weiter vorteilhafter Weise ist
erfindungsgemäß vorgesehen,
dass:
- c) für
beide Symmetrieseiten jeweils eine Strahlpositionierungseinrichtung
für den
einfallenden bzw. abgehenden Strahl durch eine passgenau geführte, mechanische
Verbindung, bevorzugt eine Verstiftungsverbindung auf der Vorrichtung positionierbar
und entfernbar vorgesehen ist, um die beiden symmetrischen Teile
des Strahlengangs unabhängig
von einander in sich grob, das heißt, etwa mit einer Genauigkeit
von 0,5 mm bis hin zu 0,1 mm justierbar zu machen,
- d) wenigstens eine weitere Strahlpositionierungseinrichtung
auf der Vorrichtung durch eine passgenau geführte, mechanische Verbindung,
bevorzugt eine Verstiftungsverbindung positionierbar und entfernbar
vorgesehen ist, um die beiden symmetrischen Teile des Strahlengangs
miteinander grob metrischen Teile des Strahlengangs miteinander
grob (dieselbe Genauigkeit) justierbar zu machen.
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Dabei soll unter einer Strahlpositionierungseinrichtung
ein optisches Element verstanden werden, das geeignet ist, einen
Laserstrahl mit ausreichend geringem Querschnitt hindurchtreten
zu lassen, um als Markierung für
die Richtung des korrekt orientierten Strahlengangs beziehungsweise
Teilen davon zu dienen.
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Besonders geeignet sind dafür Paare
von hintereinander angeordneten Lochblenden. Darunter sind 2 Lochblenden
zu verstehen, die dazu dienen, dass ein Lichtstrahl durch beide
Blenden hindurchtreten kann, wobei Ort und Richtungsorientierung
der Blende mit der oben erwähnten
Genauigkeit eingestellt werden kann, so dass ein gewöhnlicher
Laserstrahl, beispielsweise ein kontinuierlicher (nicht gepulster)
Helium-Neon-Laserstrahl,
dazu verwendet werden kann, bestimmte Teile der Pulsformvorrichtung
aufeinander auszurichten. Beispielsweise könnte damit eine Lochblende
dem ersten dispersiven Element zugeordnet sein und eine zweite Lochblende
kann einem Zylinderspiegel zugeordnet sein.
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Dies setzt voraus, dass eine jeweilige
Lochblende mit dem ihr zugeordneten optischen Element bereits in
der richtigen Orientierung und Lage steht. Dies ist jedoch einfach
zu bewerkstelligen, da ein durch die Lochblende hindurchtretender
Justierlaserstrahl einen Farbfleck auf dem jeweiligen optischen Element
hinterlässt.
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Unter „Teilmenge" der vorgenannten, optisch wirksamen
Einheiten soll verstanden werden, dass nicht alle optisch wirksamen
Elemente reproduzierbar befestigt und entfernbar innerhalb der Vorrichtung
vorgesehen sein müssen,
sondern nur wenn es für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.
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Diese erfinderischen Merkmale ermöglichen nun
eine systematische Strategie, mit der die gesamte komplexe Anordnung
effizient justiert werden kann, da einzelne Teilbereiche der Anordnung
unabhängig
voneinander eingestellt werden, und zum Schluss beide eingestellten
Bereiche als Ganzes zueinander ausgerichtet werden. Dies stellt
einen erheblichen Vorteil zum zuletzt genannten Stand der Technik
dar.
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In vorteilhafter Weise enthält die Pulsformvorrichtung
weiter einen gemeinsamen Trägerrahmen
oder eine Trägerplatte
als Grundplatte, die das Bezugssystem für sämtliche Verschiebetische darstellt,
mit Hilfe derer optische Elemente justiert werden können. Dies
ermöglicht
eine kompakte und robuste Bauweise der gesamten Anordnung.
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In weiter vorteilhafter Weise sind
die optischen Elemente erfindungsgemäß starr auf erfindungsgemäß vorgesehenen
Halteelementen sitzend ausgebildet, wobei die Halteelemente durch
eine passgenau geführte
mechanische Verbindung – vorzugsweise
einer Verstiftung – mit
einem Verschiebetisch in den Strahlengang eingebracht und entfernt werden
können,
wobei ein solcher Einsetzvorgang auch mehrfach hintereinander reproduzierbar
gestaltet werden kann, und dabei die Geometrie des Strahlengangs
nicht im Rahmen der geforderten Messgenauigkeit von etwa 0,1 Millimetern
geändert
wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
ist daher in gewisser Weise vorkonfektioniert und mit modulartig verwendbaren
Halteelementen versehen, die passgenau in ihre vorgesehene Position
gebracht werden können,
in der sie vorzugsweise durch eine hochpräzise Verstiftung im Presssitz,
beispielsweise mit 4 mm Stiftdurchmesser, fixiert werden.
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In weiter vorteilhafter Weise enthält ein Halteelement
ein so genanntes Halteglied, das das optische Element starr trägt und beispielsweise
in Form einer Stange runden oder nichtrunden Querschnitts ausgebildet
sein kann, eine konventionel le Spiegelhalterung, die das Halteglied
aufnimmt, und eine Montageplatte. Die Spiegelhalterung ist starr
mit der Montageplatte verbunden, die der starren Montage an einem
jeweils vorgesehenen Verschiebetisch dient.
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Eine winkelbezogene Grobpositionierung
ist dabei durch die Montageplatten gegeben. Eine winkelbezogene
Feinjustage der Gitter, Zylinderspiegel und Umlenkspiegel erfolgt über die
vorgenannte „Spiegelhalterung".
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Spiegelhalterung und Montageplatte,
sowie Montageplatte und Verschiebetisch sind zumindest zum Teil – insbesondere
bei den optischen Elementen, die bei der Justierung selbst aus dem
Strahlengang mehrfach eingesetzt und wieder herausgenommen werden
müssen – durch
lösbare
Verbindungselemente räumlich
präzise
verbindbar ausgeführt. Eine
passgenaue Verstiftung, Passschrauben, passgenaue Nut/Feder-, oder
Welle/Nabe-Verbindungen sind
dafür allgemein
geeignet. Daneben steht es im Ermessen des Fachmanns, auch spezielle
Verbindungsarten, wie etwa Schwalbenschwanzverbindungen, oder andere
zu wählen,
wenn dies aus Sicht der Anwendung sinnvoll erscheint. Eine passgenaue Verstiftung
ermöglicht
eine besonders schnell ausführbare
und lösbare
Verbindung der betroffenen Einzelteile, die gleichzeitig sehr präzise reproduzierbar ist.
Auf diese Weise können
darüber
hinaus auch verschiedene optische Elemente des gleichen Typs aber in
unterschiedlicher Ausführung
aus dem Strahlengang hinein oder herausgenommen werden, um gewisse
Parameter der Pulsformvorrichtung zu variieren, wie es weiter unten
noch erwähnt
wird.
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ZEICHNUNGEN
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Pulsformer
in vereinfachter Darstellungsweise;
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2 eine
schematische Detaildarstellung eines erfindungsgemäßen Halteelements
für eine
optische Einheit mit ihrer erfindungsgemäßen Verstiftung zum Verschiebetisch
beziehungsweise zur Grundplatte der Pulsformervorrichtung.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In den Figuren bezeichnen gleiche
Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
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Mit Bezug zu 1 und 2 wird
im Folgenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Pulsformvorrichtung
beschrieben, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung
anstelle eines im Stand der Technik bekannten Pulsformers in vorteilhafter Weise
verwendet werden kann.
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Dabei sei für ein besseres Verständnis der 1 angemerkt, dass sämtliche
weiter unten erwähnten
Lochblenden, bis auf Lochblende 72 und 90, während des
eigentlichen Betriebs des Pulsformers keine Rolle spielen, sondern
lediglich der Grobjustierung und Feinjustierung, das heißt der Abstandseinstellung
und Winkelausrichtung der einzelnen optischen Elemente dienen.
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Auf einer Grundplatte 240 sind
eine Mehrzahl von Verschiebetischen 102, 104, 106, 108 angeordnet,
die die verwendeten optischen Elemente tragen. Wenn die Pulsformervorrichtung
fertig für
den eigentlichen Betrieb einjustiert ist, was weiter unten beschrieben
werden wird, so ist mit der Anordnung der folgende Strahlengang
realisiert:
In die Laserpulsformvorrichtung, die erfindungsgemäß als kompaktes
Bauteil vorgesehen ist, tritt der einfallende Laserpuls 70 ein,
siehe links oben in 1.
Der Puls trifft auf ein Gitter 78, das gemäß der Littrow-Bedingung
orientiert ist. Das Gitter 78 spaltet den Puls in seine
einzelnen spektralen Bestandteile auf. Dabei wird also die Mittenwellenlänge in sich selbst
zurückreflektiert.
Der aufgespaltete Laserpuls trifft auf einen Zylinderspiegel 74,
der als reflektives Element beispielsweise als Silberspiegel ausgebildet die
einzelnen spektralen Komponenten des Laserpulses aus dem divergenten
Zustand parallelisiert. Unter der Annahme, dass der eintretende
Laserpuls in der Papierebene liegt, werden die vom Gitter 78 rückgestreuten
spektralen Komponenten des Laserpulses, aufgrund des leicht verkippten
Gitters, aus der Papierebene heraus auf den Zylinderspiegel abgebildet.
Der Zylinderspiegel 74 ist ebenfalls leicht verkippt, so
dass das Strahlenbündel
nicht wieder auf das Gitter 78 treffen kann. Es handelt
sich dabei um einen geringen Winkel im Bereich von 1,3 Dezimalgrad,
wobei der Winkel auf die Baugröße der optischen
Elemente angepasst ist und nicht zu groß gewählt wird, um den dadurch eingeführten Astigmatismusfehler
möglichst
gering zu halten.
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Das reflektierte, parallelisierte
Strahlenbündel
trifft auf einen Planspiegel 76, der ebenfalls als Silberspiegel
ausgebildet sein kann und als Umlenkspiegel dient. In der Papierebene
ist der Umlenkspiegel 76 im 45-Grad-Winkel angeordnet,
um perfekte Symmetrieverhältnisse
zu schaffen. Bezüglich
der Z-Ebene weist er einen Verkippungswinkel auf der gewährleistet,
dass das umgelenkte, parallele Strahlenbündel parallel zur Papierebene
(in der Figur nach rechts) weiterlaufen kann.
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Der umgelenkte Strahlenbündel trifft
dann auf eine erfindungsgemäß vorgesehene
Pulsmanipulatoreinheit 82, die als solche im Stand der
Technik bekannt ist, und in Form eines transmissiven LCD-Displays
ausgeführt
sein kann, wie es eingangs erläutert
wurde. Die Pulsmanipulatoreinheit 82 kann über entsprechende
Treiber gesteuert computerunterstützt die einzelnen Farbkomponenten
gezielt in Amplitude und Phase verändern, um eine gewünschte Pulsform
zu erreichen. Dies ist im Stand der Technik bekannt und nicht spezieller
Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Nach Durchtreten der Pulsmanipulatoreinheit 82 trifft
der parallele Puls auf einen weiteren Umlenkspiegel 84,
der symmetrisch zum Umlenkspiegel 76 angeordnet ist und
den Puls in paralleler Form auf einen weiteren Zylinderspiegel 86 reflektiert,
der als Konzentrator-Einrichtung zur Bündelung des manipulierten Pulses
aus parallelen Strahlen auf eine zweite dispersive Einheit, nämlich das
Gitter 88 dient. Die räumliche
Orientierung des Umlenkspiegels 84 und des Zylinderspiegels 86 sind
exakt so wie die der Elemente 76 beziehungsweise 74,
damit der Puls nach Reflektion am Zylinderspiegel wieder in der
Papierebene läuft.
Das Gitter 88, das ebenfalls gemäß der Littrow-Bedingung orientiert
ist, führt
das konzentrierte und farbzerlegte Bündel wieder in einen einheitlichen
Puls, der innerhalb der Papierebene verlaufend die erfindungsgemäße Pulsformvorrichtung nach
oben (in der Zeichnung) als austretender phasen- und amplitudenmodulierten
Laserpuls 105 verlässt.
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Die Gitter sind von den Zylinderspiegeln
genau im Abstand ihrer Brennweite f beabstandet. Die Zylinderspiegel
sind genau im Abstand 2f beabstandet. Die Manipulatoreinheit 82 bildet
die Symmetrieachse für
den Strahlengang und befindet sich in der Fourierebene der Zylinderspiegel.
Die Winkel und weiteren Abstandsmaße der weiteren optischen Elemente
zueinander befinden sich in dem Zustand, wie er im zuletzt diskutierten
Stand der Technik weiter oben gefordert wurde.
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Einem besonders vorteilhaften Aspekt
der vorliegenden Erfindung folgend sind nun Paare von Lochblenden 72 und 80 vorgesehen,
um den Zylinderspiegel 74 und das Gitter 78 aufeinander
auszurichten. Gleiches wird für
die in der 1 rechts
abgebildete Symmetrieseite vorgenommen für die Lochblende 90,
Zylinderspiegel 86 beziehungsweise die Lochblende 91 und
Gitter 88.
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Des Weiteren sind 3 weitere Lochblenden 92, 96 und 94 genau
ausgerichtet mit dem Strahl zwischen den Umlenkspiegeln vorgesehen,
um die Umlenkspiegel 76 beziehungsweise 84 in
verkippter Roof-Stellung zu justieren.
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2 ist
nur schematisch und als Beispiel neben vielen anderen Möglichkeiten
der Konstruktion zu verstehen und illustriert einen besonderen,
vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung, nämlich die
Art und Weise, wie eine beliebige optische Einheit 215,
etwa eine Lochblende oder der Zylinderspiegel, ein Umlenkspiegel
oder ein Gitter, so wie sie oben beschrieben wurden, sehr präzise in
Orts- und Winkelausrichtung an eine bestimmte Stelle im Strahlengang
gesetzt und fixiert werden kann, wobei sie gleichzeitig auch auf
einfache Weise wieder entfernbar und genau reproduzierbar nochmals
eingesetzt werden kann, falls dies erforderlich sein sollte. Dabei kann
eine Genauigkeit von etwa 0,1 Millimetern eingehalten werden. Die
Genauigkeit in der Winkelausrichtung liegt ebenfalls im Bereich
eines zehntel bis ein hundertstel Dezimalgrads bei Verwendung konventioneller
drehbarer Lagerung und Verstellmöglichkeit,
etwa durch die weiter oben genannten Spiegelhalterungen.
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Das Halteglied 205 steckt
mit seinem unteren, quaderförmigen
Endabschnitt (gestrichelt dargestellt) in der zugehörigen Montageplatte 210,
die dafür
eine entsprechende passgenau gebildete Aufnahme besitzt. Dieser
untere Endabschnitt des Haltegliedes 205 weist zwei Präzisionsbohrungen
auf, die genau zu entsprechenden Präzisionsbohrungen in der zu
entsprechenden Präzisionsbohrungen
in der Montageplatte 210 passen, Durchmesser beispielsweise 4
mm.
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Wird das Halteglied 205 in
die Montageplatte von oben eingesetzt, so ergibt sich die genaue
räumliche
Orientierung und Lage des Haltegliedes und damit der mit diesem
fest verbundenen optischen Einheit 215, wenn durch die
genau entsprechenden Präzisionsbohrungen
in Montageplatte 210 und unterem Endabschnitt des Haltegliedes 205 genau
passende Zylinderstifte eingesetzt werden. Die Zylinderstifte sitzen
dann in Presspassung in den Präzisionsbohrungen
von Montageplatte 210 und Halteglied 205 und ergeben
somit eine hoch präzise
Verstiftung 220 beider Elemente.
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In ähnlicher Weise ist die Montageplatte 210 mit
dem ortsvariablen Teil des Verschiebetisches 230 verstiftet.
Der Verschiebetisch 230 ist seinerseits an einer für sämtliche
optischen Einrichtungen gemeinsamen funktionierenden Grundplatte
(240) befestigt. Er erlaubt mit seiner eine präzise Veränderung
in X-, Y- und Z-Richtung von wenigen Mikrometern im Bereich über mehrere
Zentimeter. Dieser Bereich wird allerdings aufgrund der Vorkonfektionierung
der erfindungsgemäßen Pulsformvorrichtung
gar nicht benötigt,
da durch Einstecken der verschiedenen Halteelemente mit den jeweiligen
optischen Einheiten eine genaue Vorpositionierung im Bereich von
etwa 0,5 mm bis 0,1 mm möglich
ist.
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Wenn eine winkelbezogene Verstellung (nicht
gezeigt in 2) möglich sein
soll, dann ist vorzugsweise die vorgenannte Spiegelhalterung starr
mit der Montageplatte durch Verstiftung verbunden und trägt drehbar
das Halteglied 205 für
das optische Element.
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Im Folgenden wird eine vorteilhafte
erfindungsgemäße Vorjustierung
der optischen Anordnung innerhalb der kompakten Pulsformvorrichtung beschrieben.
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Erfindungsgemäß können sämtliche optischen Einheiten,
die weiter oben beschrieben wurden, aufgrund der in 2 exemplarisch gezeigten, sehr präzisen Verstiftungsweise
auf der Grundplatte beziehungsweise dem entsprechenden Verschiebetisch
vorpositioniert werden. Erfindungsgemäß wird dann eine grobe Vorjustierung
für jede
optische Einheit im Bereich der durch die Vorpositionierung vorgegebenen
Positionen herum durchgeführt,
wobei einzelne optische Einheiten bei Bedarf auch wieder aus dem
Strahlengang herausgenommen werden können, um die grobe Vorjustierung
einer bestimmten anderen optischen Einheit zu ermöglichen.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Verstiftung,
wie sie in 2 exemplarisch
gezeigt ist, kann dann nach erfolgter Vorjustierung eines bestimmten
optischen Elements ein anderes optisches Element wieder in den Strahlengang
hineingesetzt werden, wobei seine bereits vorjustierte Position
und Ausrichtung nicht „verloren" geht.
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Im Einzelnen wird für die seitenweise
separat vorzunehmende Vorjustierung für Zylinderspiegel 74, 86 und
Umlenkspiegel 76 und 84 ein einfacher Helium-Neon-Laser
aktiviert. Zur Vorjustierung der in 1 links
dargestellten Seite wird sein Strahl in die Position 110 gebracht,
für die
rechte Seite später
in die Position 112. Die Strahlrichtung wird mit dem Lochblendenpaar 80, 72 (links)
bzw. 91, 90 (rechts) kontrolliert. Die Gitter 78, 88 und
der befinden sich nicht im Strahlengang. Der Helium-Neonlaser und der
später
eingesetzte Kurzpulslaser befinden sich auf derselben Achse, deren
Lage mechanisch durch präzise
Fertigung auf der Grundplatte 240 mit 1/10 mm Genauigkeit
vorgegeben ist. Die vorpositionierte Lage von Zylinderspiegel und
Umlenkspiegel ist durch deren Präzisionshaltegliedern 205 und
deren präzisen
Aufnahmen in Halteplatten 210 (s. 2) bereits auf 1/10 mm Genauigkeit vorgegeben.
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Der Zylinderspiegel 74 sitzt
auf einem Halteglied 205, das bereits so gefertigt ist,
dass der weiter oben beschriebene Kippwinkel eingehalten werden kann,
der den Laserstrahl aus der Papierebene nach unten (oder alternativ
nach oben) austreten lassen kann.
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Auch der Umlenkspiegel 76 sitzt
auf einem vorgefertigten Halteglied 205, der den oben genannten
Kippwinkel mit umgekehrtem Vorzeichen aufweist. Er wird in den Strahlengang
eingesetzt, wobei auch der 45-Grad-Winkel für die gekippte Roof-Orientierung mit
Umlenkspiegel 84 bereits grob voreingestellt ist. Weiter
ist eine feine Winkelverstellmöglichkeit
durch die vorgenannte Spiegelhalterung vorgesehen.
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Es wird eine Lochblende 96 in
die horizontale und vertikale Nullposition 150 gebracht.
Diese Nulllage befindet sich im Abstand f von den Zylinderspiegeln 74 und 86 und
definiert die Fourierebene der Zylinderspiegel. Sie ist in Relation
zur gemeinsamen Basisplatte 240 in vorteilhafter Weise
durch eine gemeinsame Aufnahme für
den Blendenhalter und das später
einzusetzenden Manipulatorelement 82 präzise festgelegt, was im Stand
der Technik nicht der Fall ist. Die Nullposition ist gemeinsam definiert
für beide spiegelsymmetrischen
Teile des Strahlengangs und ermöglicht,
dass sie zueinander effizient ausgerichtet werden können.
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Zur Einstellung des Umlenkspiegels 76 wird der
Umlenkspiegel 94 aus dem Strahlengang entfernt, und umgekehrt
wird Spiegel 76 zur Einstellung von Umlenkspiegel 84 entfernt.
Es wird dann eine weitere Lochblende 94 in den Strahlengang
in Verlängerung
des umgelenkten Strahls gebracht, durch die der umgelenkte Strahl
durchtreten muß,
wenn der Umlenkspiegel richtig vorjustiert sein soll. Die Winkelausrichtung
der Umlenkspiegel geschieht mit einer Spiegelhalterung mit einer
Genauigkeit von kleiner 1/100 Dezimalgrad.
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Nachdem der linke Bereich vorjustiert
ist, wird der rechte vorjustiert, wofür der Helium-Neon Laser an
die Position 112 gebracht wird, und das Verfahren spiegelsymmetrisch
wiederholt wird, wobei der Umlenkspiegel 76 entfernt wird,
damit der Weg zur Lochblende 92 (links in 1) frei ist.
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Durch eine geeignet dicke, schräg gestellte Glasplatte
wird der He-Ne-Laser in drei parallele Strahlenbündel aufgeteilt. Der mittige
Strahl des Strahlenbündels
passiert die Lochblende 91, den Zylinderspiegel 86,
den Umlenkspiegel 84, die Blende 96 und die Blende 92.
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Nun werden die Blende 91 und 96 herausgenommen
und ein Schirm in die Fourierebene eingebracht, wobei die Schirmhalterung
ebenfalls durch Verstiftung präzise
positioniert werden kann. Das Strahlenbündel des He-Ne-Lasers wird
auf den Schirm durch den Zylinderspiegel 86 fokussiert
und die Reflexe auf eine CCD-Kamera abgebildet.
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Der Zylinderspiegel 86 wird
nun solange verfahren, bis sich ein scharfes Bild der Reflexe ergibt. Hierbei
muß die
Position des Zylinderspiegels 86 aufgrund der Vorpositionierung
nur geringfügig
geändert werden,
so dass die oben beschriebene Einjustierung nicht wiederholt werden
muß. Ist
ein scharfes Reflexbild erzielt, so befindet sich der Zylinderspiegel in
seiner exakten Position.
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Dasselbe Verfahren ist mit Zylinderspiegel 74 durchzuführen. Dann
befinden sich beide Zylinderspiegel 74, 86 genau
im Abstand 2f, und die Fourierebene liegt in der vorgegebenen Nullage.
Die Justierung kann mit einer Genauigkeit besser als 0,1 mm durchgeführt werden
und muß mit
dem ultrakurzen Laser nicht überprüft werden.
Der Parameterraum ist dadurch wesentlich eingeschränkt, was
die weitere Justierung wesentlich vereinfacht. Damit ist die Vorjustierung
abgeschlossen.
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Nun können die Gitter separat voneinander justiert
werden, wobei der eigentliche Femtosekundenlaser zum Einsatz kommt.
Der Laser wird an Position 70 gebracht und seine Richtung
mit dem Lochblendenpaar 72, 80 kontrolliert. Das
Gitter 78 wird in seiner vorkonfektionierten Halterung 205, 210 s. 2) in seiner Vorpositionierung
am Verschiebtisch angebracht. Es wird im Abstand der Brennweite
f des Zylinderspiegels 76 positioniert.
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Zur Winkeljustierung von Gitter 78 befinden sich
Gitter 88 und Umlenkspiegel 84 sich nicht im Strahlengang.
Der Puls läuft
nun über
Gitter 78, Zylinderspiegel 74 und Umlenkspiegel 76,
aber nun durch einen Spalt 96' und eine Lochblende 94,
die nur den Mittenstrahl diskriminiert durchlassen. Die Wellenlänge des
Mittenstrahls wird durch ein hinter der Lochblende 94 angebrachtes
Spektrometer kontrolliert und zur Winkeleinstellung des Gitters 78 verwendet.
Dieses ist ebenfalls wie die Umlenkspiegel mit einer Spiegelhalterung
innerhalb der Papierebene drehbar. Das Gitter 78 ist richtig
voreingestellt, wenn am Spektrometer die Mittenwellenlänge des Pulses
gemessen wird.
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Für
die Feinpositionierung des Gitters wird der Schiebetisch 104 verfahren
und mit dem Spektrometer die Signalstärke der zentralen Frequenzkomponente
verfolgt. Der Spalt 96' hat
eine Breite von etwa 20 μm
und schneidet einen Großteil
der zentralen Frequenzkomponente ab, wenn sich das Gitter nicht
exakt in der Brennebene des Zylinderspiegels 74 befindet.
Durch die Maximierung des Spektrometersignals läßt sich die Gitterposition
präzise
vorpositionieren.
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Dann erfolgt die Justierung des Gitters 88 entsprechend
wie oben geschildert, wobei der Kurpulslaser in Position 71 in
der späteren
Austrittsspur 105 des modulierten Kurpulslasers positioniert
und seine Richtung durch das Lochblendenpaar 90, 91 kontrolliert
wird. Es muss der Umlenkspiegel 76 wieder entfernt werden,
damit der Weg auf die Blende 92 und das dahinter angebrachte
Spektrometer frei ist.
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Wie aus der vorangegangenen Beschreibung
ersichtlich wird, ist es unerlässlich,
die Umlenkspiegel aus dem Strahlengang heraus und in diesen wieder
an derselben Stelle mit reproduzierbarer Genauigkeit hineinbringen
können.
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Am Schluss werden alle Lochblenden
bis auf die Lochblenden 70 und 90, die optional
für eine
täglich
wiederholbare Justage benötigt
werden, entfernt und die Manipulatoreinheit 82 zentriert
in die Nullposition der entfernten Lochblende 96 gebracht,
wofür ebenfalls
ein vorkonfektioniertes Halteelement dient. Nun ist die Anordnung
bereit für
eine nachgeschaltete Phase der Feinjustierung im Mikrometerbereich,
in der die Präzisionssteuerung
der Verschiebtische zum Einsatz kommt. Dies gehört jedoch nicht zum eigentlichen
Kern der Erfindung.
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Wie aus der vorangegangenen Beschreibung
der Vorjustierungsphase ersichtlich, sind die optischen Komponenten
Umlenkspiegel und Zylinderspiegel allein aufgrund des Einsatzes
eines normalen Helium-Neon-Lasers so genau vorjustiert, dass sie
einer Genauigkeit von etwa 0,1 Millimetern genügen. Die weiter oben beschriebene
Brennweiten-Beziehung zwischen der Positionierung von Zylinderspiegel 74,
Gitter 78 beziehungsweise Gitter 88 und Zylinderspiegel 86 ist
nach Einstellung der Gitter hinreichend erfüllt. Nun kann das Femtosekunden-Lasersystem eingesetzt
werden, um die optischen Komponenten in einer zweiten nachfolgenden feinen
Nachjustierungsphase innerhalb von wenigen Mikrometern so einzustellen,
dass die Manipulatoreinheit 82 möglichst optimal für alle Farbkomponenten
des Laserpulses eingesetzt werden kann.
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Wie aus der vorangegangenen Beschreibung
dem einschlägigen
Fachmann klar werden sollte, ist der Pulsformer – um ihn einfach justierbar
und damit flexibler einsetzbar zu machen, in kompakter Bauweise
als stand-alone Gerät
mit einer eindeutig definierten Nullposition 150 (s. 1) vorkonfektioniert vorgesehen
mit hochpräzise
gefertigten Halteelementen 205, 210 für optische
Elemente 215 im Strahlengang und deren Aufnahmen in entsprechenden
Verschiebetischen 230, die alle auf einer gemeinsamen Grundplatte 240 angeordnet
sind, sowie mit bereits bei der Herstellung der Grundplatte vorgegebenen
Vorpositionierungen für
bestimmte optische Elemente, bzw. optische Achsen des Strahlengangs. Vorteilhaft
sind besonders einheitlich ausgeführte Montageplatten 210 zur
Verstiftung 220 mit einem Verschiebetisch 230,
die jeweils individuell für
ein jeweiliges optisches Element 215 gefertigte Halter 205 tragen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung
anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern
auf vielfältige
Weise modifizierbar.
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Dies gilt besonders für die Art
und Form der mechanischen Fertigung der Halteglieder, Halteplatten
und deren Aufnahmen. Auch die Art und Bauform des Gehäuses – falls
vorhanden – kann
den unterschiedlichen Anwendungen entsprechend ausgestaltet sein.
Auch die lösbaren
Verbindungselemente können
in weite Maße
variiert werden, wobei die Bauteiltoleranzen der Verbindungsart
angepasst sein sollte, um eine Vorpositionierungsgenauigkeit innerhalb
von günstigerweise
1/10 mm einzuhalten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch als
Bausatz kommerziell vertrieben werden, der die wesentlichen optischen
Einheiten und die Halteelemente, sowie die Verschiebetische und
die Grundplatte oder eine erfindungsgemäß geprägte Teilmenge diese Bauteile
enthält.
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Schließlich können die Merkmale der Unteransprüche im wesentlichen
frei miteinander und nicht durch die in den Ansprüchen vorliegende
Reihenfolge miteinander kombiniert werden, sofern sie unabhängig voneinander
sind.