DE10252889A9 - Method and device for converting laser pulses into high harmonics - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Konversion von Laserpulsen einer Grundwellenlänge in Laserpulse hoher harmonischer Wellen, bei dem durch die Wechselwirkung zwischen einem Laserpuls einer Grundwellenlänge mit einem nichtlinearen Medium, insbesondere einem Gas, Laserpulse von Harmonischen der Grundwellenlänge erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse der Grundwellenlänge in einem nichtlinearen Medium, insbesondere einem Gas, mit Laserpulsen kürzerer Wellenlänge überlagert werden, wobei die relative zeitliche Lage der Pul se zueinander einstellbar ist.method for converting laser pulses of a basic wavelength into laser pulses high harmonic waves, due to the interaction between a laser pulse of a fundamental wavelength with a non-linear one Medium, especially a gas, laser pulses from harmonics Fundamental wavelength are generated, characterized in that the laser pulses of the fundamental wavelength in one nonlinear medium, in particular a gas, overlaid with laser pulses of shorter wavelength be, the relative temporal position of the pulse se to each other adjustable is.

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Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Konversion von Laserpulsen einer Grundwellenlänge in Laserpulse hoher Harmonischer dieser Grundwellenlänge, bei dem durch die Wechselwirkung zwischen einem Laserpuls einer Grundwellenlänge mit einem nichtlinearen Medium, insbesondere einem Gas, Laserpulse hoher Harmonischer der Grundwellenlänge erzeugt werden. Mit derartigen Verfahren und Vorrichtungen kann kohärente kurzwellige Strahlung, insbesondere weiche Röntgenstrahlung erzeugt werden.The The invention relates to a method and a device for conversion of laser pulses of a basic wavelength in laser pulses of high harmonics this fundamental wavelength, where by the interaction between a laser pulse of a fundamental wavelength a nonlinear medium, especially a gas, laser pulses higher Harmonic of the fundamental wavelength be generated. With such methods and devices coherent Short-wave radiation, especially soft X-rays, are generated.

Laser sind ein sehr nützliches Werkzeug in vielen Bereichen des täglichen Lebens geworden, es fehlt allerdings an Quellen für kohärente kurzwellige Strahlung, insbesondere im UV- bis weichen Röntgenbereich. Eine besondere Eigenschaft der kohärenten Strahlung ist, dass sie besonders gut fokussiert werden kann und somit hohe Intensitäten erreicht werden können.laser are a very useful one Has become a tool in many areas of daily life, it is missing however at sources for coherent short-wave radiation, especially in the UV to soft X-ray range. A special property of coherent radiation is that it can be focused particularly well and thus achieves high intensities can be.

Zwei Wellenlängenbereiche sind besonders interessant für technische Anwendungen. Es ist der Bereich um 13 nm, der für die nächste Generation der Lithographie verwendet werden kann und benutzt werden kann um Computerchips zu schreiben. Als zweites ist der Bereich von 2,3 bis 4,4 nm (Wasserfenster) interessant für biologische Untersuchungen in Flüssigkeiten. In diesem Bereich ist Wasser transparenter als Kohlenstoff und es können daher z.B. kontrastreiche Röntgenbilder ohne starke Belastung des Gewebes gemacht werden.Two Wavelength ranges are particularly interesting for technical applications. It is the 13 nm range that is for the next generation of Lithography can be used and can be used to create computer chips to write. Second is the range from 2.3 to 4.4 nm (water window) interesting for biological investigations in liquids. In this area, water is more transparent than carbon and it can therefore e.g. high contrast x-rays can be made without heavy strain on the tissue.

Eine Möglichkeit zur Erzeugung kurzwelliger Strahlung, insbesondere kohärenter Röntgenstrahlung ist die Fokussierung eines linear polarisierten Laserstrahls mit Intensitäten zwischen 1014 und 1016 W/cm2 in ein Gas.One possibility for generating short-wave radiation, in particular coherent X-radiation, is to focus a linearly polarized laser beam with intensities between 10 14 and 10 16 W / cm 2 in a gas.

Die Atome reagieren bei diesen Intensitäten stark nichtlinear und geben hohe Harmonische der Laserfrequenz bis zur 300-ten Ordnung ab. Die Harmonischen werden in einem laserartigen Strahl mit einigen mrad Divergenz erzeugt und befinden sich somit, insbesondere koaxial im Inneren des treibenden Laserstrahls. Der Prozess der Erzeugung hoher Harmonischer kann folgendermassen verstanden werden:

  • 1. Ein Elektron verlässt durch Ionisation, insbesondere Tunnelionisation das Atom.
  • 2. Das Elektron wird im elektrischen Feld des Lasers beschleunigt und gewinnt somit kinetische Energie.
  • 3. Das Elektron wird auf das Atom zurückgetrieben und rekombiniert in den Grundzustand, wobei es seine Energie in einem Photon abgibt.
The atoms react strongly non-linearly at these intensities and emit high harmonics of the laser frequency up to the 300th order. The harmonics are generated in a laser-like beam with a few mrad divergence and are therefore located, in particular coaxially, in the interior of the driving laser beam. The process of generating high harmonics can be understood as follows:
  • 1. An electron leaves the atom through ionization, especially tunnel ionization.
  • 2. The electron is accelerated in the electrical field of the laser and thus gains kinetic energy.
  • 3. The electron is driven back to the atom and recombines into the ground state, releasing its energy in a photon.

Die maximale Energie des Photons ist E = Ip + 3.2Up, wobei Ip die Ionisationsenergie des Gases und Up die mittlere kinetische Energie eines Elektrons im Laserfeld ist. Durch die Energie der energiereichsten Photonen ist die maximale Ordnung der ho hen Harmonischen der Grundwellenlänge bzw. -frequenz bestimmt.The maximum energy of the photon is E = Ip + 3.2Up, where Ip is the ionization energy of the gas and Up the average kinetic energy of an electron is in the laser field. By the energy of the most energetic photons is the maximum order of the high harmonics of the fundamental wavelength or -frequency determined.

Das Problem dieser eigentlich sehr einfachen Technik ist die geringe Effizienz mit der die Konversion stattfindet. Die bisherigen Verbesserungen versuchten hauptsächlich durch verbessertes Phasematching der Laserfrequenz und der Harmonischen die Effizienz zu erhöhen. Dies kann zum Beispiel erreicht werden, indem man die Gasdüse an verschieden Positionen relativ zum Laserfokus bringt oder indem die Gasdüse durch eine Hohlfaser, die mit Gas gefüllt ist, ersetzt wird.The The problem with this actually very simple technique is the low level Efficiency with which the conversion takes place. The improvements so far have tried mainly through improved phase matching of the laser frequency and the harmonics Increase efficiency. This can be achieved, for example, by turning the gas nozzle on differently Bring positions relative to the laser focus or by the gas nozzle a hollow fiber filled with gas is replaced.

Eine weitere Möglichkeit ist, die Pulsdauer zu verkürzen und sehr kurze Pulse (kürzer als 10 Femtosekunden) zu verwenden. Dieser Weg ist allerdings nicht einfach, da ein Lasersystem, das solche Pulsdauern erzeugen kann, sehr empfindlich und kompliziert ist. Es ist daher für technische Anwendungen besser, unempfindlichere und einfachere Lasersysteme mit Pulsdauern z.B. um 100 fs zu verwenden.A another possibility is to shorten the pulse duration and very short pulses (shorter than 10 femtoseconds). However, this path is not simply because a laser system that can generate such pulse durations is very sensitive and complicated. It is therefore for technical Applications better, less sensitive and simpler laser systems with pulse durations e.g. to use 100 fs.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, mittels denen eine effiziente Konversion möglich wird.task the invention is a method and an apparatus with which efficient conversion is possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Laserpulse der Grundwellenlänge in einem nichtlinearen Medium, insbesondere einem Gas, mit Laserpulsen kürzerer Wellenlänge überlagert werden, wobei die relative zeitliche Lage der Pulse zueinander einstellbar ist und wobei insbesondere die Pulsdauer der kürzerwelligen Laserpulse geringer ist als die der Pulse der Grundwellenlänge.This The object of the invention solved, that the laser pulses of the fundamental wavelength in a nonlinear Medium, in particular a gas, overlaid with laser pulses of shorter wavelength be, the relative temporal position of the pulses to each other adjustable and in particular the pulse duration of the shorter-wave laser pulses is shorter is than that of the pulses of the fundamental wavelength.

Dies kann besonders bevorzugt erreicht werden, wenn schon die Laserpulse kürzerer Wellenlänge, in einem vorgeschalteten Konversionsschritt durch Bildung hoher harmonischer Laserpulse aus den Laserpulsen der Grundwellelänge erzeugt werden.This can be achieved particularly preferably if the laser pulses already shorter Wavelength, in an upstream conversion step by forming high harmonic laser pulses generated from the laser pulses of the fundamental wavelength become.

Der neue Ansatz bei der bevorzugten Ausführung zu Steigerung der Effizienz liegt in den zeitlichen Eigenschaften der hohen Harmonischen Strahlung. Sie bilden automatisch aufgrund der hohen Nichtlinearität des Prozesses einen Pulszug von kurzwelligen Pulsen, insbesondere um UV-Bereich, mit Dauern unterhalb der Pulsdauer der treibenden Pulse, z.B. im Bereich von 250 Attosekunden bei einer Pulsdauer der Grundwellenlänge von ca. 30 Femtosekunden, wobei die einzelnen Pulse durch die halbe Schwingungsdauer (1,35 fs) des treibenden Lasers getrennt sind.The new approach to preferred execution to increase efficiency lies in the temporal properties of the high harmonic radiation. They automatically form due to the high non-linearity of the process a pulse train of short-wave pulses, in particular around the UV range Durations below the pulse duration of the driving pulses, e.g. in the area of 250 attoseconds with a pulse duration of the basic wavelength of approx. 30 femtoseconds, with the individual pulses through half Vibration period (1.35 fs) of the driving laser are separated.

Betrachtet man den Ionisationsprozess näher, so gibt es eine wesentliche Bedingungen, die erfüllt sein muss, damit das Elektron zum Atom zurückkehrt und Harmonische erzeugen kann.considered you get closer to the ionization process, so there is an essential condition that must be met for the electron returns to the atom and can generate harmonics.

Das Elektron sollte bevorzugt ionisiert werden, nachdem das elektrische Feld des Lasers sein Maximum erreicht hat und vor dem nachfolgenden Nulldurchgang. Die Erklärung dafür ist, dass das Elektron nach der Ionisation durch das elektrische Feld des Lasers vom Atom wegbeschleunigt wird. Die Beschleunigung des Elektrons hört im Nulldurch gang des elektrischen Feldes auf. Das Elektron wird im weiteren abgebremst und wird vor dem nächsten Maximum zum Stillstand kommen und zurückbeschleunigt werden. Es gewinnt im folgenden Bereich zwischen Maximum und Nulldurchgang Energie und wird im Bereich zwischen Nulldurchgang und Maximum das Atom wieder erreichen, wo es rekombinieren kann. Dies ist allerdings nicht möglich, falls das Elektron am Anfang zu lange vom Atom wegbeschleunigt wird und sich zu weit vom Atom entfernt hat.The Electron should preferably be ionized after the electrical Field of the laser has reached its maximum and before the subsequent zero crossing. The explanation for that is that the electron after ionization through the electric field of the laser is accelerated away from the atom. The acceleration of the Electron hears in the zero crossing of the electric field. The electron is in the further braked and comes to a standstill before the next maximum come and accelerate back become. It wins in the following range between maximum and zero crossing Energy and becomes in the range between zero crossing and maximum Reach atom where it can recombine. However, this is not possible, if the electron is initially accelerated away from the atom for too long and has moved too far from the atom.

Durch die Laserpulse kürzerer Wellenlänge, insbesondere der erzeugten harmonischen Pulse, kann bewirkt werden, dass eine Ionisation des nichtlinearen Mediums entweder direkt oder indirekt über kombinierte Prozesse stattfndet. Durch die Einstellbarkeit der zeitlichen Lage der Pulse zueinander kann die effiziente Rekombination des flüchtenden Elektron erreicht werden, wenn bevorzugt die relative Lage der Pulse derart eingestellt wird, dass ein Puls der kürzeren Wellenlänge zeitlich in einem Bereich hinter dem Maximum des elektrischen Feldes eines Pulses der Grundwellenlänge liegt. Dies ist besonders einfach möglich, wenn wie genannt, der kurzwelligere Laserpuls eine Harmonische des Grundwellenpulses ist.By the laser pulses are shorter Wavelength, in particular of the harmonic pulses generated, a Ionization of the nonlinear medium either directly or indirectly via combined Processes taking place. Due to the adjustability of the time position the pulses to each other can efficiently recombine the fleeing electron can be achieved if the relative position of the pulses is preferred it is set that a pulse of the shorter wavelength is temporal in a range behind the maximum of the electric field of a pulse the fundamental wavelength lies. This is particularly easy if, as mentioned, the short-wave laser pulse is a harmonic of the fundamental wave pulse.

Da eine Ionisation durch ein Photon im allgemeinen nicht gerichtet stattfindet, sondern in alle Richtungen ist die Ausbeute der rekombinierenden Elektronen üblicherweise sehr gering.There ionization by a photon is generally not directed takes place, but in all directions the yield of the recombining electrons is usually very low.

Eine besonders effiziente Konversion kann jedoch stattfinden, wenn das Elektron bei der Ionisation entweder keinen Impuls oder nur einen Impuls in Richtung des elektrischen Feldes des Grundwellen-Lasers besitzt. Falls es einen geringfügig anderen Impuls besitzt, kann es seitlich am Atom vorbeifliegen und möglicherweise nicht in den Grundzustand rekombinieren. Durch die Kontrolle der Ionisationsrichtung des Elektrons kann somit die Effizienz gesteigert werden.A however, particularly efficient conversion can take place if that Electron either no pulse or only one during ionization Impulse in the direction of the electric field of the fundamental wave laser has. In case there is a minor has another impulse, it can fly past the atom and possibly do not recombine into the basic state. By controlling the The ionization direction of the electron can thus increase efficiency become.

Dies kann erreicht werden, wenn die Energie der Photonen in den Laserpulsen kürzerer Wellenlänge kleiner ist als die Ionisationsenergie des nichtlinearen Mediums, insbesondere des Gases, und wenn diese zusammen mit dem treibenden Laserpuls zur Konversion verwendet werden, insbesondere in das Gas fokussiert werden. Das elektrische Feld des ursprünglichen Lasers verzerrt und senkt das Coloumbpotential des Atoms in Richtung der linearen Polarisation so stark, dass die Elektronen durch die Harmonischen gerichtet ionisiert werden können. Die Elektronen werden gerichtet freigesetzt, da der "Potentialtrichter" durch den Atomkern nur in einer Richtung heruntergebogen wird und die Elektronen durch die Photonen der kürzerwelligen Laserpulse bis unter die normale Ionisationsschwelle, aber über die abgesenkte Barriere angeregt werden, so dass sie in dieser Richtung aus dem Potentialtopf flüchten können.This can be achieved when the energy of the photons in the laser pulses shorter wavelength is less than the ionization energy of the nonlinear medium, especially the gas, and when this along with the driving Laser pulses are used for conversion, especially in the gas be focused. The electric field of the original Laser distorts and lowers the columbium potential of the atom in the direction linear polarization so strong that the electrons pass through the harmonics can be directionally ionized. The electrons are released in a directional manner because the "potential funnel" passes through the atomic nucleus is only bent down in one direction and the electrons through the Short-wave photons Laser pulses below the normal ionization threshold, but above that lowered barrier to be excited so that in that direction escape from the potential well can.

Folglich ist ein Laserstrahl mit Harmonischen, die zeitlich hinter dem Maximum des elektrischen Feldes liegen und eine Energie besitzen, die unterhalb der Ionisationsenergie des Gases liegt, optimal zur Erzeugung der Harmonischen geeignet.consequently is a laser beam with harmonics that are temporally behind the maximum of the electric field and have an energy below the ionization energy of the gas is optimal for generating the Suitable harmonics.

In dem neuen Verfahren werden bevorzugt erst Harmonische erzeugt, um mit diesen nocheinmal Harmonische zu erzeugen. Dies ist für einen Prozess mit geringer Effizienz nicht gut, da man zweimal eine geringe Effizienz hat. Es ist also im ersten Moment nicht einzusehen, warum dies die Effizienz steigern sollte.In In the new method, harmonics are preferably only generated in order to to create harmonics again. This is for one Process with low efficiency is not good because you have two low Has efficiency. So it is hard to see why at first this should increase efficiency.

Der Schlüssel hierzu liegt in der sehr verschiedenen Effizienz der einzelnen Gase. Die verschiedenen Gase habe verschiedene Ionisationspotentiale und Polarisierbarkeiten. Die Effizienz steigt mit der Polarisierbarkeit an, so dass die schweren Gase viel bessere Effizienzen besitzen. Auf der anderen Seite ist die maximale Ordnung der Harmonischen sehr stark von der Ionisationsenergie des Gases abhängig, so dass die harte Strahlung nur in den leichten Gasen erzeugt werden kann. Dies ist damit zu erklären, dass je höher die Harmonische ist, desto mehr Energie muss das Elektron aus dem Laserfeld beziehen und somit wird mehr Intensität benötigt. Die Atome mit kleinen Ionisationspotentialen werden bei hohen Intensitäten ionisiert und es gibt keine Möglichkeit, dass die Elektronen rekombinieren.The key this is due to the very different efficiency of the individual gases. The different gases have different ionization potentials and Polarizabilities. The efficiency increases with the polarizability so that the heavy gases have much better efficiencies. On the other hand is the maximum order of the harmonics very dependent on the ionization energy of the gas, see above that the hard radiation is only generated in the light gases can. This can be explained by that the higher is the harmonic, the more energy the electron needs from the Refer to the laser field and therefore more intensity is required. The atoms with little ones Ionization potentials are ionized at high intensities and there are none Possibility, that the electrons recombine.

Mit Xenon kann effzient Strahlung um 50 Nanometer (22 eV) erzeugt werden (Effizienz 4 × 10–5). Allerdings ist es nicht möglich, mit Xenon harte Strahlung um 13 nm zu erzeugen, da das elektrische Feld des Lasers das Atom sofort ionisieren würde und es keine Möglichkeit zur Rekombination gibt.Xenon can efficiently generate radiation around 50 nanometers (22 eV) (efficiency 4 × 10 -5 ). However, it is not possible to generate hard radiation around 13 nm with xenon, since the electric field of the laser would ionize the atom immediately and there is no possibility of recombination.

Die oben beschriebenen zwei interesssanten Wellenlängenbereiche sind nur mit Neon (13 nm) und Helium (13 nm + Wasserfenster) zu erreichen. Allerdings liegt die Effzienz von Helium um 13 nm bestenfalls bei 10–8 und im Wasserfenster bei 10–12 bis 10–14.The two interesting wavelength ranges described above can only be achieved with neon (13 nm) and helium (13 nm + water window). However, the efficiency of helium around 13 nm is at best 10 –8 and in the water window 10 –12 to 10 –14 .

Mit einem Laserstrahl mit überlagerten Harmonischen aus einer ersten Konversion in Xenon ist es möglich die Effizienz um 13 nm in der folgenden Konversion in Helium, falls nur jedes 100-te Photon einen Prozess auslöst, auf 1.6 × 10–6 zu steigern. Hier zeigt sich, dass auch bevorzugt in einem vorgeschalteten Konversionsschritt ein anderens nichtlineares Medium eingesetzt werden kann, als in dem folgenden Konversionsschritt.With a laser beam with superimposed har monically from a first conversion in xenon, it is possible to increase the efficiency by 13 nm in the following conversion in helium, if only every 100th photon triggers a process, to 1.6 × 10 –6 . This shows that a nonlinear medium other than in the following conversion step can also preferably be used in an upstream conversion step.

Im genannten Beispiel liegt die Effizienz um den Faktor 16 höher als alles, was bisher bei 13 nm gezeigt wurde (10–7 in Neon mit einem Lasersystem mit 7 fs Pulsdauer). Ausserdem ist es möglich, dass die Effizienz noch besser wird, da in Helium nicht so viele freie Elektronen erzeugt werden, wie in Neon bei der gleichen Intensität. Die freien Elektronen sind das grösste Problem beim Phasematching, so dass die effektive Erzeugung in Neon nur in einem sehr kleinen Bereich um den Laserfokus geschehen kann. Dieser Bereich kann bei Helium vergrössert werden und somit die Anzahl N der Atome, die an der Erzeugung beteiligt sind, was wünschenswert ist, da die Intensität der Harmonischen proportional zu N2 ist. Eine weitere Verbesserung kann erreicht werden, indem man das Gas kühlt und somit mehr Atome bei gleichem Druck in den Fokus bringen kann.In the example mentioned, the efficiency is 16 times higher than anything previously shown at 13 nm (10 -7 in neon with a laser system with a 7 fs pulse duration). It is also possible that the efficiency will be even better, since helium does not generate as many free electrons as neon with the same intensity. The free electrons are the biggest problem in phase matching, so that the effective generation in neon can only take place in a very small area around the laser focus. This range can be increased for helium, and thus the number N of atoms involved in the generation, which is desirable because the intensity of the harmonic is proportional to N 2 . A further improvement can be achieved by cooling the gas and thus bringing more atoms into focus at the same pressure.

Bevorzugt werden aus den hohen harmonischen Laserpulsen aus dem vorgeschalteten Konversionsschritt diejenigen Laserpulse mit einer Photonenenergie größer als die Ionisationsenergie des nichtlineraren Mediums (des weiteren Konversionsschrittes) wenigstens teilweise herausgefiltert. So können hierfür die Laserpulse der harmonischen und der Grundwellenlänge vor der weiteren Erzeugung hoher harmonischer Laserpulse das nichtlineare Medium (des zweiten Konversionsschrittes), insbesondere in einem divergierenden Strahlenbündel, durchlaufen.Prefers are made from the high harmonic laser pulses from the upstream Conversion step those laser pulses with a photon energy larger than the ionization energy of the nonlinear medium (further Conversion step) at least partially filtered out. The laser pulses can be used for this the harmonic and the fundamental wavelength before further generation high harmonic laser pulses the nonlinear medium (the second conversion step), in particular in a diverging beam.

Besonders im divergierenden Strahlenbündel kann sichergestellt werden dass die Intensitäten derart gering bleiben, dass nichtlineare Prozess ausbleiben und lediglich die Absorption signifikant ist.Especially in the diverging beam can be ensured that the intensities remain so low, that non-linear process fail and only absorption is significant.

So kann beispielsweise die höchste Effizienz mit der Kombination aus Xenon im ersten Konversionsschritt und Helium im zweiten Konversionsschritt erreicht werden, indem man erst in Xenon Harmonische erzeugt. Die Harmonischen, die in der Lage sind, Helium zu ionisieren, werden herausgefiltert, indem man den aufgeweiteten Puls durch Helium leitet, wo ungerichtete Ionisation stattfindet. Man erhält damit eine Kombination des treibenden Laserpulses und einen Pulszug aus UV-Strahlung lediglich bis zu der 15-ten Harmonischen, welche eine Energie von 22,8 eV hat. Die Energie ist somit unterhalb der Ionisationsenergie von Helium (24,6 eV), so dass die Absorption der UV-Strahlung kein Problem darstellt.So can be the highest, for example Efficiency with the combination of xenon in the first conversion step and helium can be achieved in the second conversion step by one only creates harmonics in xenon. The harmonics that are in are able to ionize helium are filtered out by the expanded pulse is passed through helium, where undirected Ionization takes place. You get a combination of the driving laser pulse and a pulse train from UV radiation only up to the 15th harmonic, which has an energy of 22.8 eV. The energy is therefore below that Ionization energy of helium (24.6 eV), so that the absorption UV radiation is not a problem.

Technisch realisiert werden kann dies in einer Vorrichtung, die ein erstes und ein zweites Konversionsvolumen aufweist, zwischen denen eine Verzögerungsstrecke angeordnet ist, mittels der die relative zeitliche Lage zwischen den Laserpulsen der Grundwellenlänge und den Laserpulsen der im ersten Konversionsvolumen erzeugten Harmonischen der Grundwellenlänge innerhalb des zweiten Konversionsvolumens einstellbar ist. Hierbei werden die Laserpulse bevorzugt innerhalb der Konversionsvolumina fokussiert, um genügent hohe Intensitäten zu erzeugen.Technically this can be realized in a device that is a first and has a second conversion volume, between which one delay path is arranged by means of which the relative temporal position between the laser pulses of the fundamental wavelength and the laser pulses of the harmonics of the generated in the first conversion volume Fundamental wavelength is adjustable within the second conversion volume. in this connection the laser pulses are preferred within the conversion volumes focused to suffice high intensities to create.

Diese genannten UV-Pulse werden nach der Erzeugung im ersten Konversionsvolumen nun durch eine Verzögerungsstrecke in die richtige Position relativ zum ursprünglichen Laserpuls gebracht, um erneut im zweiten Konversionsvolumen Harmonische erzeugen zu können.This UV pulses are after the generation in the first conversion volume now through a delay line placed in the correct position relative to the original laser pulse, to generate harmonics again in the second conversion volume can.

Die Konversionsvolumina befinden sich bevorzugt in Gasstrahlen, die in einer Vakuumkammer angeordnet ist, um ausserhalb der Strahlen die Teilchenanzahl und somit die Absorption der harmonischen Strahlung gering zu halten.The Conversion volumes are preferably in gas jets is placed in a vacuum chamber to outside the rays the number of particles and thus the absorption of the harmonic radiation to keep low.

Zwischen dem ersten und dem zweiten Konversionsvolumen, insbesondere in einem Bereich divergent verlaufender Laserpulse, kann ein Absorptionsvolumen angeordnet sein zur Absorption von Laserpulsen mit Photonenenergien oberhalb des Ionisationspotentials des im zweiten Konversionsvolumen verwendeten Gases. In diesem Volumen kann das Gas des zweiten Konversionsprozesses als Absorber eingesetzt werden.Between the first and the second conversion volume, in particular in one Area of divergent laser pulses, an absorption volume be arranged for the absorption of laser pulses with photon energies above the ionization potential of the in the second conversion volume used gas. In this volume the gas of the second conversion process can can be used as absorbers.

Die Verzögerungsstrecke kann einen Spiegel oder eine Spiegelanordnung umfassen, der/die eine, insbesondere einstellbare, Laufzeitverzögerung zwischen den Laserpulsen der harmonischen und der Grundwellenlänge erzeugt.The delay path can comprise a mirror or a mirror arrangement, the one, in particular adjustable, delay time between the laser pulses the harmonic and the fundamental wavelength.

Die Spiegelanordnung kann einen inneren Spiegelbereich und einen äußeren hierzu koaxial angeordneten Spiegelbereich umfassen, die zueinander verschiebbar angeordnet sind, wobei die Verschiebung bevorzugt durch einen piezogetriebenen Stellantrieb erfolgt.The Mirror arrangement can have an inner mirror area and an outer one for this include coaxially arranged mirror area, which are mutually displaceable are arranged, the displacement preferably by a piezo-driven actuator he follows.

In diesem Fall kann z.B. der innere Teil im Vergleich zum äusseren mit Hilfe des Piezoantriebs mit einer Genauigkeit von 1 nm (7 as) verschoben werden kann.In in this case e.g. the inner part compared to the outer with the help of the piezo drive with an accuracy of 1 nm (7 as) can be moved.

Der Spiegel kann gleichzeitig als Hohlspiegel zum Fokusieren der Laserstrahlung und der UV-Strahlung in das zweite Gas ausgebildet sein und z.B. aus SiC, Wolfram, Diamand, B4C oder einer Multilayerstruktur dieser Materialien hergestellt werden. Der äussere Teil kann mit Dielelektrika oder Silber beschichtet, das den treibenden Puls reflektiert. Innerer und äusserer Spiegelteil können unterschiedliche Arten der Beschichtung aufweisen, um optimale Anpassung an die zu reflektierenden Wellenlängen zu erreichen. Dieses Verfahren ist prinzipiel mit allen Kombination von Gasen möglich.The mirror can at the same time be designed as a concave mirror for focusing the laser radiation and the UV radiation into the second gas and can be produced, for example, from SiC, tungsten, diamond, B 4 C or a multilayer structure of these materials. The outer part can be made with Dielelektrika or silver coated, which reflects the driving pulse. The inner and outer mirror part can have different types of coating in order to achieve optimal adaptation to the wavelengths to be reflected. In principle, this process is possible with all combinations of gases.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den nachfolgenden Abbildungen dargestellt. Es zeigen:On embodiment the invention is shown in the following figures. Show it:

1: Eine Aufsicht und Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 : A top view and side view of a device according to the invention;

2: Darstellung des Coulomb-Potentiales eines Helium-Atoms in einem intensiven Laserfeld; 2 : Representation of the Coulomb potential of a helium atom in an intensive laser field;

3: Theoretisches Spektrum hoher Harmonischer ohne vorgeschaltete Konversion; 3 : Theoretical spectrum of high harmonics without upstream conversion;

4: Theoretisches Spektrum hoher Harmonischer mit vorgeschalteter Konversion, wobei die Pulse zusätzlicher Harmonischer vor dem Maximum des elektrischen Feldes des Pulses der Grundwellenlänge liegen; 4 : Theoretical spectrum of high harmonics with upstream conversion, the pulses of additional harmonics being before the maximum of the electric field of the pulse of the fundamental wavelength;

5: Theoretisches Spektrum hoher Harmonischer mit vorgeschalteter Konversion, wobei die Pulse zusätzlicher hoher Harmonischer hinter dem Maximum des elektrischen Feldes des Pulses der Grundwellenlänge liegen; 5 : Theoretical spectrum of high harmonics with upstream conversion, the pulses of additional high harmonics being behind the maximum of the electric field of the pulse of the fundamental wavelength;

Die 1 zeigt eine erfindungegemäße Vorrichtung zur Konversion, wobei als treibender Laser z.B. ein Titan-Saphir-Laser 1 verwendet werden kann, wie auch jeder andere Laser, der die entsprechenden Intensitäten liefert. Aufgrund der hohen Absorption der Strahlung in Luft muss der Aufbau im Vakuum betrieben werden.The 1 shows an inventive device for conversion, wherein as a driving laser, for example, a titanium sapphire laser 1 can be used like any other laser that delivers the appropriate intensities. Due to the high absorption of the radiation in air, the structure must be operated in a vacuum.

Der Laser 1 erzeugt einen Laserpuls 2, der lediglich räumlich nicht aber zeitlich dargestellt ist oder einen insbesondere kontinulierlichen Pulszug von Laserpulsen mit hoher Repetitionsrate von z.B. 1 kHz. Der Laserpuls 2 tritt durch das Fenster 3 in eine Vakuumkammer 17 ein, innerhalb der der Laserpuls 2 durch eine Linse 4 fokussiert wird.The laser 1 generates a laser pulse 2 , which is only shown spatially but not in time, or in particular a continuous pulse train of laser pulses with a high repetition rate of, for example, 1 kHz. The laser pulse 2 enters through the window 3 in a vacuum chamber 17 one within which the laser pulse 2 through a lens 4 is focused.

Die Vakuumpumpe 5 saugt das Gas 7, das durch die Gasdüse 6 in die Kammer eingebracht wird, ab und hält somit ein Vakuum innerhalb der Kammer aufrecht.The vacuum pump 5 sucks the gas 7 that through the gas nozzle 6 is introduced into the chamber, and thus maintains a vacuum within the chamber.

Im Fokus das Laserstrahls, der über der Gasdüse 6 liegt, werden die Harmonischen 11 im Gas 7 während des ersten vorgeschalteten Konversionsprozesses z.B. in Xenon erzeugt. Hierbei weist der erzeugte Laserstrahl der Harmonischen 11 eine wesentlich geringere Divergenz auf als der ursprüngliche Laserstrahl 2. Die Harmonische 11 ist koaxial innerhalb des Laserstrahles der Grundwellenlänge angeordnet.The focus is on the laser beam that is above the gas nozzle 6 lies, the harmonics 11 in the gas 7 generated during the first upstream conversion process, for example in xenon. Here, the laser beam generated has the harmonic 11 a significantly lower divergence than the original laser beam 2 , The harmonic 11 is arranged coaxially within the laser beam of the fundamental wavelength.

Die Kombination aus ursprünglichem Laserpuls und den Harmonischen wird durch eine Blende 8 geleitet, um die verschiedenen Gase 7 und 10 (z.B. Xenon und Helium) zu trennen.The combination of the original laser pulse and the harmonics is through an aperture 8th passed to the different gases 7 and 10 (e.g. xenon and helium).

Der Laserpuls 2 und die Harmonischen 11 werden über die Gasdüse 9 mit Gas 10 z.B. Helium geleitet, um die hochenergetischen Harmonischen, die das Gas ionisieren können, durch Absorption herauszufiltern. Dies geschieht in einem divergenten Strahlbereich um geringe Intensitäten sicherzustellen.The laser pulse 2 and the harmonics 11 are about the gas nozzle 9 with gas 10 eg helium, to filter out the high-energy harmonics that can ionize the gas by absorption. This is done in a divergent beam area to ensure low intensities.

Die relative Lage der Harmonischen 11 zum Laserpuls 2 wird mit dem UV-Spiegel 12 und dem Piezotranslator 13 in die richtige Position gebracht und fokussiert.The relative position of the harmonics 11 to the laser pulse 2 is with the UV mirror 12 and the piezotranslator 13 brought into the right position and focused.

Im Fokus der beiden Strahlen, der über der Gasdüse 14 mit Gas 10 (z.B. Helium) liegt, werden die weiteren Harmonischen 15 erzeugt. Die beiden Strahlen werden durch einen UV-Filter 16 geleitet, der die Laserstrahlung absorbiert und die Harmonischen transmittiert.In the focus of the two beams, the one above the gas nozzle 14 with gas 10 (e.g. helium), the other harmonics 15 generated. The two rays are through a UV filter 16 conducted, which absorbs the laser radiation and transmits the harmonics.

Die 2 zeigt in zwei verschiedenen Darstellungen, in der oberen als Potentialtrichter und in der unteren als Kontourplot, das Coulombpotential eines Heliumatoms in einem intensiven Laserfeld. Das Potential ist in atomaren Einheiten (eine Einheit = 27,2 eV) gegen den Abstand vom Atomkern in atomaren Einheiten (eine Einheit = 0,05292 nm) aufgetragen. Deutlich ist zu erkennen, dass durch das starke linear polarisierte Laserfeld – in dieser Berechnung 3 × 1014 W/cm2 – die Potentialbarriere links vom Atomkern abgesenkt wird.The 2 shows the Coulomb potential of a helium atom in an intense laser field in two different representations, in the upper one as a potential funnel and in the lower one as a contour plot. The potential is plotted in atomic units (one unit = 27.2 eV) against the distance from the atomic nucleus in atomic units (one unit = 0.05292 nm). It can be clearly seen that the strong linearly polarized laser field - in this calculation 3 × 10 14 W / cm 2 - lowers the potential barrier to the left of the atomic nucleus.

Ein Elektron kann somit durch die im ersten Konversionschritt erzeugten kurzwelligen Laserpulse bis knapp unter die Ionisationsschwelle IP angehoben werden und aufgrund der durch die Laserpulse der Grundwellenlänge abgesenkten Barriere wie durch den Pfeil P dargestellt ionisieren in Richtung der linearen Polarisation. Durch das elektrische Feld des Laserpulses der Grundwellenlänge wird das Elektron gerichtet vom Kern weg und wieder zurückbeschleunigt, so dass es rekombinieren kann und die überschüssige Energie als Harmonische abgibt.An electron can thus be raised to just below the ionization threshold I P by the short-wave laser pulses generated in the first conversion step and ionize in the direction of the linear polarization due to the barrier lowered by the laser pulses of the fundamental wavelength, as represented by the arrow P. Due to the electric field of the laser pulse of the fundamental wavelength, the electron is directed away from the nucleus and accelerated back again, so that it can recombine and release the excess energy as a harmonic.

Die Spektren der 3 bis 5 wurden für Helium mit einer Intensität des Lasers (10 fs, Gauss) von 4 × 1014 W/cm2 theoretisch errechnet. Es wurde die 15-te Harmonische des Lasers (1 = 3 × 1013 W/cm2, T = 250 as) verwendet, wobei die Zentralwellenlänge bei 785 nm lag. Die Simulation gibt die Antwort eines einzelen Atoms auf den Laserpuls. Es ist daher nicht möglich absolute Zahlen für die Steigerung der Effizienz anzugeben, es lässt sich nur sagen, dass eine Steigerung erreicht wird.The spectra of the 3 to 5 were theoretically calculated for helium with an intensity of the laser (10 fs, Gauss) of 4 × 10 14 W / cm 2 . The 15th harmonic of the laser (1 = 3 × 10 13 W / cm 2 , T = 250 as) was used, the central wavelength being 785 nm. The simulation gives the answer of a single atom to the laser pulse. It is therefore not possible to use absolute numbers for the crate efficiency, it can only be said that an increase is achieved.

In den 3 bis 5 sind die treibenden Pulse mit den zugehörigen Intensitäten der Harmonischen aufgetragen. Die Feldstärke der treibenden Pulse ist in atomaren Einheiten angegeben mit einer Einheit = 5,14 × 1011 V/m. Die Zeit ist in atomaren Einheiten mit einer Einheit = 24,2 Attosekunden angegeben. Für den Vergleich der einzelnen Spektren sind diese in beliebigen Einheiten gegenüber der Ordnung der Harmonischen angegeben.In the 3 to 5 the driving pulses are plotted with the associated intensities of the harmonics. The field strength of the driving pulses is given in atomic units with a unit = 5.14 × 10 11 V / m. The time is given in atomic units with one unit = 24.2 attoseconds. For the comparison of the individual spectra, these are given in arbitrary units in relation to the order of the harmonics.

In der 3 sieht man das Spektrum, das von einem Laser ohne zusätzliche vorher erzeugte Harmonische erzeugt wird.In the 3 you can see the spectrum that is generated by a laser without additional previously generated harmonics.

In der 4 sieht man das Spektrum, das von einem Laser mit zusätzlichen Harmonischen erzeugt wird. Die zeitliche Lage der zusätzlichen Harmonischen ist Pi/(4w) und damit vor dem Maximum des elektrischen Feldes des Laserpulses der Grundwellenlänge. Der Puls der Harmonischen ist an einer Stelle, wobei man keine Verstärkung um die 61-te Ordnung (13 nm) erwartet. Das Spektrum weisst ein Maximum um die 15-te auf, was den eingekoppelten Harmonischen entspricht. Allerdings ist keine Verstärkung um die 61 zu sehen.In the 4 you can see the spectrum that is generated by a laser with additional harmonics. The temporal position of the additional harmonics is Pi / (4w) and thus before the maximum of the electric field of the laser pulse of the fundamental wavelength. The pulse of the harmonic is at one point, and no amplification around the 61st order (13 nm) is expected. The spectrum has a maximum around the 15th, which corresponds to the injected harmonics. However, no gain around the 61 is seen.

In der 5 sieht man das Spektrum, das von einem Laser mit zusätzlichen Harmonischen an optimaler Stelle zeitlich (3Pi/(4w)) hinter dem Maximum des elektrischen Feldes des Grundpulses erzeugt wird. Das Maximum um die 15-te Harmonische ist kleiner geworden und die 61-te Harmonische ist verstärkt worden.In the 5 you can see the spectrum that is generated by a laser with additional harmonics at an optimal point in time (3Pi / (4w)) behind the maximum of the electric field of the basic pulse. The maximum around the 15th harmonic has become smaller and the 61st harmonic has been amplified.

Die Spektren belegen somit auch theoretisch, dass mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung eine effiziente Konversion von Laserpulsen zu hohen Harmonischen möglich ist.The Spectra thus also theoretically prove that by means of the method according to the invention and the device efficient conversion of laser pulses high harmonics is possible.

Claims (16)

Verfahren zur Konversion von Laserpulsen einer Grundwellenlänge in Laserpulse hoher harmonischer Wellen, bei dem durch die Wechselwirkung zwischen einem Laserpuls einer Grundwellenlänge mit einem nichtlinearen Medium, insbesondere einem Gas, Laserpulse von Harmonischen der Grundwellenlänge erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse der Grundwellenlänge in einem nichtlinearen Medium, insbesondere einem Gas, mit Laserpulsen kürzerer Wellenlänge überlagert werden, wobei die relative zeitliche Lage der Pul se zueinander einstellbar ist.Method for converting laser pulses of a fundamental wavelength into laser pulses of high harmonic waves, in which laser pulses of harmonics of the fundamental wavelength are generated by the interaction between a laser pulse of a fundamental wavelength and a non-linear medium, in particular a gas, characterized in that the laser pulses of the fundamental wavelength are combined in one nonlinear medium, in particular a gas, are superimposed with laser pulses of shorter wavelength, the relative temporal position of the pulses to one another being adjustable. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Lage derart eingestellt wird, dass ein Puls der kürzeren Wellenlänge zeitlich in einem Bereich hinter dem Maximum des elektrischen Feldes eines Pulses der Grundwellenlänge liegt und insbesondere die Pulse der kürzeren Wellenlänge direkt oder indirekt eine Ionisation des nichtlinearen Mediums bewirken.A method according to claim 1, characterized in that the relative position is set such that a pulse of shorter wavelength temporally in a range behind the maximum of the electric field of a pulse of the fundamental wavelength and especially the pulses of the shorter ones wavelength cause ionization of the nonlinear medium directly or indirectly. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Photonenenergie der Laserpulse kürzerer Wellenlänge geringer ist als das Ionisationspotential des eingesetzten nichtlinearen Mediums, insbesondere des Gases, so dass Elektronen des nichtlinearen Mediums bis unter die Ionisationsschwelle angeregt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the photon energy of the laser pulses of shorter wavelength is lower than the ionization potential of the nonlinear medium used, especially the gas, so electrons of the nonlinear medium are excited to below the ionization threshold. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Intensität der Laserpulse der Grundwellenlänge das Ionisationspotential derart abgesenkt wird, dass angeregte Elektronen des nichtlinearen Mediums die abgesenkte Potentialbarriere in Richtung der linearen Polarisation des Laserpulses der Grundwellenlänge überwinden oder eine dünnere Potentialbarriere zu durchtunneln haben.A method according to claim 3, characterized in that by the intensity the laser pulses of the fundamental wavelength the ionization potential is lowered in such a way that excited electrons the lowered potential barrier in the direction of the nonlinear medium overcome the linear polarization of the laser pulse of the fundamental wavelength or a thinner one Have to tunnel through potential barriers. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse kürzerer Wellenlänge, in einem vorgeschalteten Konversionsschritt durch Bildung hoher harmonischer Laserpulse aus den Laserpulsen der Grundwellenlänge erzeugt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the laser pulses of shorter wavelength, in an upstream conversion step by forming high harmonic laser pulses are generated from the laser pulses of the fundamental wavelength. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass im vorgeschalteten Konversionsschritt ein anderes nichtlineares Medium verwendet wird als im späteren Konversionschritt.A method according to claim 5, characterized in that in the upstream conversion step another non-linear one Medium is used as in later Conversion step. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass aus den hohen harmonischen Laserpulsen diejenigen Laserpulse mit einer Photonenenergie größer als die Ionisationsenergie des nichtlineraren Mediums wenigstens teilweise herausgefiltert werden.A method according to claim 6, characterized in that from the high harmonic laser pulses those laser pulses with a photon energy greater than the ionization energy of the nonlinear medium at least partially be filtered out. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse der harmonischen und der Grundwellenlänge vor der weiteren Erzeugung hoher harmonischer Laserpulse das nichtlineare Medium, insbesondere in einem divergierenden Strahlenbündel, durchlaufen.A method according to claim 7, characterized in that the laser pulses before the harmonic and the fundamental wavelength the further generation of high harmonic laser pulses the nonlinear Medium, especially in a diverging beam. Vorrichtung zur Erzeugung von hohen harmonischen Laserpulsen mit einem Konversionsvolumen in welchem durch nichtlineare Wechselwirkung zwischen Laserpulsen einer Grundwellenlänge und einem nichtlinearen Medium Laserpulse hoher harmonischer Wellen erzeugbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein erstes und ein zweites Konversionsvolumen aufweist, zwischen denen eine Verzögerungsstrecke angeordnet ist, mittels der die relative zeitliche Lage zwischen den Laserpulsen der Grundwellenlänge und den Laserpulsen der im ersten Konversionsvolumen erzeugten harmonischen Wellen innerhalb des zweiten Konversionsvolumens einstellbar ist.Device for generating high harmonic laser pulses with a conversion volume in which laser pulses of high harmonic waves can be generated by nonlinear interaction between laser pulses of a fundamental wavelength and a nonlinear medium, characterized in that it has a first and a second conversion volume, between which a delay line is arranged, by means of the relative temporal position between the laser pulses Basic wavelength and the laser pulses of the harmonic waves generated in the first conversion volume can be set within the second conversion volume. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse innerhalb der Konversionsvolumina fokussiert sind.Device according to claim 9, characterized in that the laser pulses are focused within the conversion volumes are. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konversionsvolumina innerhalb von Gasstrahlen angeordnet sind.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized that the conversion volumes within gas jets are arranged. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsstrecke einen Spiegel oder eine Spiegelanordnung umfasst, der/die eine, insbesondere einstellbare, Laufzeitverzögerung zwischen den Laserpulsen der harmonischen und Grundwellenlänge erzeugt.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized that the delay line comprises a mirror or a mirror arrangement which has a in particular adjustable, delay time between the laser pulses harmonic and fundamental wavelength generated. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelanordnung einen inneren Spiegelbereich und einen äußeren hierzu koaxial angeordneten Spiegelbereich umfasst, die zueinander verschiebbar angeordnet sind.Device according to claim 12, characterized in that the mirror arrangement has an inner mirror area and an outer one includes coaxially arranged mirror area that is slidable to each other are arranged. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung durch einen piezogetriebenen Stellantrieb erfolgt.Device according to claim 13, characterized in that shifting through a piezo-powered actuator he follows. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Konversionsvolumen, insbesondere in einem Bereich divergent verlaufender Laserpulse, ein Absorptionsvolumen angeordnet ist zur Absorption von Laserpulsen mit Photonenenergien oberhalb des Ionisationspotentials des im zweiten Konversionsvolumen verwendeten Gases.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that between the first and the second conversion volume, in particular in an area of divergent laser pulses, an absorption volume is arranged for the absorption of laser pulses with photon energies above the ionization potential of the in the second conversion volume used gas. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie innerhalb einer Vakuumkammer angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that they are arranged within a vacuum chamber is.
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