DE29711680U1

DE29711680U1 - Kurzpuls-Laservorrichtung

Info

Publication number: DE29711680U1
Application number: DE29711680U
Authority: DE
Original assignee: SPIELMANN CHRISTIAN DIPL ING D; STINGL ANDREAS DIPL ING
Current assignee: SPIELMANN CHRISTIAN DIPL ING D; STINGL ANDREAS DIPL ING
Priority date: 1996-11-29
Filing date: 1997-07-03
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2007-07-04
Also published as: US5966390A; AT1859U1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurzpuls-Laservorrichtung mit passiver Modenverkopplung, mit einem Laserresonator, dem ein Pumpstrahl zugeführt wird, mit einem Laserkristall, insbesondere einem Titan-Saphir-(Ti:S-)Laserkristall, mit einem optischen Kerrelement, das vorzugsweise durch den Laserkristall selbst gebildet ist, und mit einer den Resonator-Laserstrahl einschneidenden Blende.

Derartige Laservorrichtungen werden einerseits für wissenschaftliche Zwecke eingesetzt, andererseits können sie bei der Materialbearbeitung Anwendung finden, insbesondere wenn feine Strukturen herzustellen sind.

Im modenverkoppelten Zustand liefert ein Laser, anstatt ein kontinuierliches Laserlicht (cw-Betrieb - continuous wave) abzugeben, Laserpulse, indem er Energie speichert und danach pulsartig abgibt. Die Periodendauer dieser Impulse entspricht im allgemeinen der Umlaufzeit der Pulse im Laserresonator, wobei beispielsweise bei einer Länge des linearen Resonators von 2 m Pulse mit einer Frequenz von ca. 75 MHz erzeugt werden; der Laserlichtpuls durchläuft dabei den Laserresonator in beiden Richtungen, was also im vorliegenden Beispiel einer Länge von 4 m entspricht. Zur Modenverkopplung wird periodisch (mit der Resonatorumlauffrequenz) ein Verlust eingeführt, so daß der Laser zu pulsen beginnt. Das führt zu einer Spitzenleistung der Pulse, die wesentlich größer ist (z.B. 100 kW bis 200 kW beträgt) als die Ausgangsleistung des Lasers im cw-Betrieb (die z.B. 150 mW bis 300 mW beträgt).

Grundsätzlich kann zwischen zwei Arten der Modenverkopplung unterschieden werden:

Bei der aktiven Modenverkopplung wird mit einem aktiven Element, einem Modulator, der von außen über einen Treiber mit Energie versorgt wird, ein periodischer Verlust eingeführt. Damit wird der Laser gezwungen, seine Lasertätigkeit in den Zeitintervallen auszuüben, in denen ein geringer Verlust gegeben ist, wogegen der Laser in den Zeitintervallen, in denen hohe Verluste gegeben sind, Energie speichern kann.

Bei der passiven Modenverkopplung wird der Effekt einer optischen Nichtlinearität im Resonator ausgenutzt, d.h. es wird ein optisch nicht-lineares Element im Weg des Laserstrahls angeordnet, welches proportional zur Intensität des Laserstrahls

seine optischen Eigenschaften, wie die Transmission oder Reflektivität, ändert. Beispielsweise kann als nicht-lineares Element oder Kerrelement der Laserkristall selbst verwendet werden, der in Kombination mit einem linearen Verlustelement einen sog. sättigbaren Absorber bildet, bei dem der Gesamtverlust immer kleiner wird, je höher die Intensität des auftreffenden Laserlichtes ist. Durch eine Fluktuation in der Laserleistung entsteht ein Puls, der einen wesentlich geringeren Verlust sieht als der Laser im cw-Betrieb (vgl. auch US-5 079 772 A). Der Laserkörper (Festkörperlaser) besteht aus einem nicht-linearen Material, dessen optische Dicke mit der Feldstärkeverteilung der Laserstrahlung variiert. Beispielsweise ist der nicht-lineare Brechungsindex eine Funktion des Quadrates der Feldstärke, d.h. der Laserstrahl, dessen räumliche Feldstärkeverteilung entsprechend einer Gauß-Kurve angenommen werden kann, "sieht" im Falle eines an sich planparallele Flächen aufweisenden Laserkristalls effektiv ein Element mit einer sich über den Querschnitt ändernden optischen Dicke. Auf diese Weise entsteht aus einer planparallelen Nichtlinearität eine Fokussierungslinse.

Dieser optische Kerr-Effekt kann auf zwei Arten zur Modenverkopplung (sog. "Kerr-lens mode-locking") genutzt werden: im Fall der sog. "weichen Blende" (siehe Spence et al., Optics Letters, 1. Jänner 1991, Vol.16, S. 42-44) wird der Pumpstrahl (bei Ti:S-Lasern wird die Energie mittels grünem Laser, wie z.B. Argonlaser, zugeführt) sehr stark in den Laserkristall fokussiert, so daß der Resonatorstrahl, der durch den Ti:S-Laser erzeugt wird (ca. 800 nm, infrarot), dann die meiste Pumpenergie aufnehmen kann, d.h. die höchste Verstärkung erfährt, wenn er den geringsten Durchmesser besitzt. Je höher somit die Intensität bzw. die Feldstärke des Pulses ist, desto stärker wird der Laserpuls fokussiert, und desto mehr wird er bei jedem Durchlaufen des Laserkristalls verstärkt, wodurch wiederum seine Intensität erhöht wird. Diese positive Rückkopplung führt zu einer stabilen Modenverkopplung.

Im Fall der sog. harten Blende (s. z.B. US-5 079 772 A und US-5 097 471 A) wird der Effekt ausgenutzt, daß eine Blende den Resonatorstrahl an einer Stelle einschneidet, wo er zu dem Zeitpunkt einen größeren Durchmesser aufweist, wenn die Intensität (Feldstärke) geringer ist, und zu dem Zeitpunkt einen

kleineren Durchmesser aufweist, wenn die Intensität größer ist und der Resonatorstrahl somit im Laserkristall fokussiert wird. Auf eine solche Laservorrichtung, nämlich mit "harter" Blende, bezieht sich die Erfindung.

Es ist nun Ziel der Erfindung, eine Laservorrichtung der eingangs angeführten Art zu schaffen, bei der eine weiter erhöhte Ausgangsleistung sowie eine zusätzliche Verkürzung der Laserimpulse, auf Pulsdauern in der Größenordnung von 10 fs und darunter, mit einfachen Mitteln ermöglicht wird.

Die erfindungsgemäße Laservorrichtung der eingangs angeführten Art ist dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung der Blende einen zumindest teilweise bogenförmigen oder polygonalen Rand aufweist.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß mit einer entsprechenden Anpassung der Blende an den Strahlquerschnitt eine wirksame Modenverkopplung schon bei einem geringeren linearen Verlust an Strahlquerschnittsfläche erreicht wird, verglichen mit herkömmlichen Blenden, die geradlinige Schlitze als Apertur aufwiesen. Es hat sich gezeigt, daß dabei eine Leistungssteigerung von mehr als 10% erzielt werden kann. Weiters wird durch die Anpassung der Blendenöffnung an den Strahlquerschnitt eine Verbreiterung des modenverkoppelten Spektrums ermöglicht, wobei eine derartige Verbreiterung im Spektalbereich zur Erzeugung von noch kürzeren Laserpulsen im Zeitbereich genutzt werden kann. Auch ist ein solches verbreitertes Spektrum des Ausgangslaserstrahls dann vorteilhaft, wenn Anwendungen breiter Spektren gewünscht sind, wie z.B. zur Breitband-Telekommunikation oder in der Spektroskopie.

Je nach Querschnittsform des Laserstrahls, die beispielsweise mit Hilfe der im Resonator vorgesehenen sphärischen Spiegel oder Linsen beeinflußt werden kann, ist es günstig, wenn die Öffnung der Blende einander gegenüberliegende Ellipsenbogen-Ränder bzw. Kreisbogen-Ränder aufweist. Dadurch werden vorteilhafte Blendenanpassungen für die Einschnürung des jeweiligen Resonatorstrahls sichergestellt.

Für ein optimales Ergebnis hinsichtlich Leistungssteigerung und Spektrumsverbreiterung ist es weiters von Vorteil, wenn die Blende zwei relativ zueinander verstellbare Blendenteile aufweist, die je einen bogenförmigen oder polygonalen Einschnitt

• ft·

als Öffnungs-Rand aufweisen.

Anders als bei einer Blende mit einfachen geradlinigen
Schlitz, wo sich eine Blendenjustierung in Schlitzrichtung
erübrigen kann, ist bei der vorliegenden Laservorrichtung eine Feinjustierung der Blende auf den Resonatorstrahl im Sinne sowohl eines "horizontalen" als auch eines "vertikalen" Zentrierens zweckmäßig (wobei "horizontal" und "vertikal" hier nur in Bezug auf eine beispielsweise horizontale Polarisationsrichtung des Laserlichts, jedoch nicht als einschränkende Angaben zu verstehen sind). Ganz allgemein ist es daher bei der vorliegenden Laservorrichtung zur Feinjustierung von Vorteil, wenn die Blende in zwei zueinander senkrechten Richtungen justierbar ist.

Weiters hat sich bei Versuchen im Zusammenhang mit gängigen Laservorrichtungen, insbesondere mit Strahldurchmessern im cw-Betrieb von ca. 2 mm bis 2,5 mm, als günstig herausgestellt,
wenn die Blende in der Richtung der Polarisation des Laserlichts eine, vorzugsweise einstellbare, maximale Weite von 1 mm bis 3 mm aufweist.

Für eine besonders effiziente Einschnürung ist es schließlich auch vorteilhaft, wenn die Blende in einem Abstand von 1 cm oder einigen wenigen cm vor dem einen Endspiegel des Laserresonators
9 angeordnet ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch
nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. Es zeigen im einzelnen: Fig.l ein Schema einer Kurzpuls-Laservorrichtung in Draufsicht; Fig.2 ein Ersatzbild dieser Laservorrichtung gemäß Fig.l; Fig.3 eine Ansicht der bei dieser Laservorrichtung
vorgesehenen Blende; Fig.4 in einer schematischen Ansicht die
Justiermöglichkeiten bei dieser Blende, wobei die Blende auf
größte Weite eingestellt ist; Fig.5 schematisch eine andere
extreme Blendeneinstellung, nämlich mit minimaler Apertur; und Fig.6 eine Ansicht einer modifizierten Blende mit polygonaler
Öffnung.

In Fig.l ist schematisch eine Kurzpuls-Laservorrichtung 1
veranschaulicht, in der für die Kurzpulserzeugung das erwähnte "Kerr-iens mode-locking"-Prinzip und für die Dispersionskontrolle
in Dünnschichttechnik realisierte Laserspiegel verwendet , werden.

• *

Die Laservorrichtung 1 weist gemäß Fig.l einen mit gestrichelter Linie angedeuteten Laserkopf 2 auf, dem ein Pumpstrahl 3, z.B. ein Argonlaserstrahl, zugeführt wird. Der Pumplaser (z.B. Argonlaser) selbst ist der Einfachheit halber weggelassen und gehört dem Stand der Technik an.

Nach Durchlaufen einer Linse Ll und eines halbdurchlässigen Laserspiegels M2 durchläuft der Laserstrahl einen Laserkristall 4, im vorliegenden Beispiel einen Titan:Saphir-Festkörperlaserkristall, wonach er auf einen Laserspiegel Ml auftrifft und von diesem zu einem Laserspiegel M3 außerhalb des Laserkopfs 2, unter Durchqueren einer nachstehend noch näher zu erläuternden Blende 5, reflektiert wird. Dieser Laserspiegel M3 reflektiert den Laserstrahl wieder zum Spiegel Ml zurück, von wo der Laserstrahl zum Laserspiegel M2 zurückreflektiert wird, wobei er den Laserkristall 4 ein zweites Mal durchläuft. Von dort wird der Laserstrahl dann über weitere Laserspiegel M4, M5, und einen halbdurchlässigen, keilförmigen Auskoppelspiegel 6 reflektiert, wodurch der Laserresonator gebildet ist. Über den Auskoppelspiegel 6 wird der Laserstrahl ferner ausgekoppelt, wobei ein Kompensationsplättchen 7 sowie Spiegel M6, M7 in Dünnschichttechnik für eine Dispersionskompensation sorgen. Die Keilform des Auskoppelriegels 6 stellt sicher, daß von dessen Rückseite keine unerwünschten Reflexionen in Richtung des Laserresonators auftreten.

Der auf die beschriebene Weise im Laserkopf 2 erhaltene Resonatorstrahl ist mit 8 bezeichnet, und der Laserresonator ist mit 9 angegeben; dabei weist der - "gefaltete" - Laserresonator 9 einen kurzen Resonatorarm dl (zwischen den Spiegeln Ml und M3) und einen langen Resonatorarm d2 (zwischen den Spiegeln M2 und 6) auf.

Der Laserkristall 4 ist ein planparalleler Körper (ein Parallelepiped), welcher optisch nicht-linear ist und ein Kerr-Element bildet, welches für höhere Feldstärken des Laserstrahls 8 eine größere wirksamere optische Dicke besitzt, hingegen eine geringere wirksame Dicke aufweist, wo die Feldstärke bzw. Intensität des Laserstrahls 8 geringer ist. Dieser an sich bekannte Kerreffekt wird zur Selbstfokussierung des Laserstrahls 8 ausgenutzt, d.h. der Laserkristall 4 bildet für den Laserstrahl (Resonatorstrahl) 8 eine Fokussierungslinse mit Intensitäts-

abhängiger Brennweite.

Die Spiegel Ml bis M7 sind in Dünnschicht-Technik ausgeführt, d.h. sie sind je aus vielen Schichten aufgebaut, die bei der Reflexion des eine große Bandbreite aufweisenden ultrakurzen Laserpulses ihre Funktion ausüben. Die verschiedenen Wellenlängenkomponenten des Laserstrahls dringen unterschiedlich tief in die Schichten des jeweiligen Spiegels ein, bevor sie reflektiert werden. Dadurch werden die verschiedenen Wellenlängenkomponenten verschieden lang am jeweiligen Spiegel verzögert; die kurzwelligen Komponenten werden weiter außen reflektiert, die langwelligen Anteile hingegen tiefer im Spiegel. Dadurch werden die langwelligen Komponenten gegenüber den kurzwelligen Komponenten zeitlich verzögert. Auf diese Weise wird eine Dispersionskompensation insofern erhalten, als im Zeitbereich besonders kurze Pulse (vorzugsweise im Bereich von 10 Femtosekunden und darunter) ein breites Frequenzspektrum besitzen; dies führt dazu, daß die verschiedenen Frequenzkomponenten des Laserstrahls im Laserkristall 4 einen unterschiedlichen Brechungsindex "sehen", d.h. die optische Dicke des Laserkristalls 4 ist für die verschiedenen Frequenzkomponenten verschieden groß, und die verschiedenen Frequenzkomponenten werden daher beim Durchlaufen des Laserkristalls 4 verschieden verzögert. Diesem Effekt wird durch die genannte Dispersionskompensation an den Dünnschicht-Laserspiegeln Ml bis M7 begegnet, vgl. auch Stingl et al. "Generation of 11-fs pulses from a Ti:sapphire laser without the use of prisms", Optics Letters, 1. Februar 1994, Vol. 19, Nr.3, S. 204 - 206.

Dabei ist es auch im Hinblick auf die geringen Verzögerungen pro Reflexion an einem Spiegel Ml bis M7 zweckmäßig bzw. erforderlich, einen vergleichsweise dünnen Laserkristall 4 zu verwenden, der andererseits zur Erzielung der gewünschten Wirkung eine hohe Dotierung aufweisen soll, wobei weiters der Pumpstrahl 3 und der Resonatorstrahl 8 möglichst stark zu fokussieren sind.

Selbstverständlich sind auch andere Formen einer Dispersionskompensation möglich, wie etwa mit Hilfe eines Prismenpaars oder eines Gires-Tournois-Interferometers; diese Elemente führen ebenfalls einen Laufzeitunterschied zwischen einzelnen Frequenzkomponenten ein, beruhen jedoch auf anderen physikalischen Prinzipien als die Dünnschicht-Laserspiegel; diese Prinzipien

sind an sich ebenfalls bekannt und brauchen daher hier nicht weiter erläutert werden.

Zur Modenverkopplung wird die Blende 5 verwendet, die den Resonatorstrahl 8 an einer Stelle einschneidet, wo er dann, wenn die Intensität bzw. Feldstärke des fluktuierenden Laserstrahls geringer ist, einen größeren Durchmesser aufweist, hingegen dann, wenn die Intensität des Laserstrahl 8 zufolge der Fluktuation größer ist, d.h. wenn der Resonatorstrahl 8 im Laserkristall 4 eine Selbstfokussierung erfährt, einen kleineren Durchmesser besitzt. Dieser Modenyerkopplungsmechanismus läßt sich anhand des schematischen Ersatzbildes gemäß Fig.2 für den in Fig.l veranschaulichten gefalteten Resonator 9 verdeutlichen.

Der Modenverkopplungsmechanismus beruht somit, wie bereits vorstehend angedeutet, grundsätzlich darauf, daß sich der Querschnitt des Laserstrahls 8 (die Mode) im Laserresonator 9 verändert. Die Mode ist im Dauerstrichbetrieb (cw-Betrieb kontinuierlich emittierender Laser) im Querschnitt groß, und dieser größere Querschnitt ist in Fig.2 und 3 mit einer gestrichelten Linie 10 veranschaulicht. Im gepulsten Betrieb weist der Laserstrahl 8 einen deutlich kleineren Durchmesser auf, welcher in Fig.2 und 3 mit einer vollausgezogenen Linie veranschaulicht ist.

Im Ersatzbild von Fig.2 für den gefalteten Resonator 9 gemäß Fig.l ersetzen weiters zwei sphärische Linsen 13, 14 die sphärischen Fokussierspiegel Ml, M2 von Fig.l, und der Resonator 9 ist durch plane Endspiegel, beispielsweise die Spiegel 6 und M3 gemäß Fig.l, abgeschlossen, wobei einer dieser Endspiegel, beispielsweise der Spiegel 6, als Auskoppelspiegel ausgeführt ist. Weiters ist in Fig.2 auch der als Kerrelement für die Modenverkopplung nach dem sog. "Kerr-lens mode-locking"-Prinzip benutzte Laserkristall 4 veranschaulicht.

Vor dem in Fig.2 rechten Endspiegel M3 befindet sich die Blende 5, die nach dem Prinzip der harten Blende den Modenverkopplungsmechanismus unterstützt. Dies geschieht dadurch, daß wie außer aus Fig.2 insbesondere auch aus Fig.3 deutlich ersichtlich ist - die Blende 5 im Dauerstrichbetrieb einen größeren Verlust einführt als im modenverkoppelten, d.h. gepulsten Betrieb, indem sie den größeren Querschnitt 11 des Laserstrahls 8 im Dauerstrichbetrieb relativ stark einschneidet

und im modenverkoppelten Betrieb den kleineren Querschnitt 12 des Laserstrahls 8 mehr oder weniger ungehindert durchläßt. Dadurch wird ein stabiler modenverkoppelter Zustand erzielt.

Der Grad der Modenverkopplung, d.h. der Anteil des cw-Hintergrunds im Verhältnis zur modenverkoppelten Laserleitung, kann durch ein entsprechend stärkeres oder schwächeres Einschnüren des Laserstrahls 8 mit Hilfe der Blende 5 eingestellt werden. Normalerweise soll die Blende 5 den Laserstrahl 8 gerade soweit einschnüren, daß kein cw-Anteil mehr im Ausgangssignal des Lasers enthalten ist.

Der Effekt des Einschnürens des Resonatorstrahls 8 ist in horizontaler Richtung bzw. vertikaler Richtung unterschiedlich, was mit Polarisationsrichtung des Laserlichts zusammenhängt. Im Fall einer horizontalen Polarisation des Lichts des Laserresonators 9, wenn also der Feldvektor horizontal verläuft, ist die beste Wirkung der Blende 5 dann gegeben, wenn der Laserstrahl 8 in der horizontalen Richtung eingeschnürt wird, wie dies in den Fig.l bis 3 dargestellt ist. Auf diese Ausrichtungsverhältnisse wird nachstehend beispielhaft Bezug genommen, ohne das dadurch jedoch diese Ausrichtung der Blende (hier eine aufrechtstehende Blende, vgl. Fig.3, die eine Ansicht im Blendenbereich zeigt, wogegen Fig.l und 2 schematische Draufsichten auf die Laservorrichtung veranschaulichen) immer zeigend gegeben sein muß selbstverständlich ist bei einer anderen Laserlicht-Polarisationsrichtung die Ausrichtungen der Blende 5 entsprechend zu ändern, um so wiederum die optimale Blendenwirkung zu erzielen.

Bei früheren Laservorrichtungen wurde eine einfache Schlitzblende verwendet, die zwei geradlinige, zueinander parallele Schlitzränder aufwies. Durch dieses lineare Einschneiden der Blendenkanten, womit im Querschnitt des Resonatorstrahls seitliche Segmente (im cw-Betrieb) weggeschnitten wurden, ergaben sich jedoch verschiedene nachteilige Effekte, wie insbesondere der einer nicht optimalen Leistungsausnutzung.

Bei der vorliegenden Laservorrichtung wird nun der im Querschnitt runde bis elliptische Resonatorstrahl 8 durch eine an ihn angepaßte Blende 5 eingeschnürt. Dabei werden die planparallelen Schneiden der bisherigen Blenden durch bogenförmige, insbesondere kreisbogenförmige Schneiden oder Öffnungsränder 15 ersetzt, vgl. Fig.3. Die Blende 5 selbst besteht beispielsweise

aus zwei relativ zueinander in horizontaler Richtung (oder allgemein parallel zur Polarisationsrichtung des Laserlichts) verstellbaren Blendenteilen 5a, 5b, wobei zumindest einer der Blendenteile 5a, 5b horizontal verstellbar ist, vorzugsweise, wie sich aus den Doppelpfeilen 16, 17 in Fig.4 ergibt, beide Blendenteile 5a, 5b horizontal und unabhängig voneinander verstellt werden können. In Fig.4 ist dabei die Einstellung der Blende 5 mit maximaler Weite bzw. Apertur dargestellt.

Zum horizontalen Zentrieren der Blende 5 ist weiters eine horizontale Verschiebung der gesamten Blende 5, gemäß Pfeil 18, vorgesehen, und zum vertikalen Zentrieren der Blende 5 im Bezug auf den Laserstrahl 8 ist eine vertikale Verschiebung der Blende 5 insgesamt, gemäß Pfeil 19 in Fig.4, vorgesehen. Diese vertikale Verschiebung der Blende 5 (oder allgemein im rechten Winkel zur Polarisationsrichtung des Laserlichts) ist, anders als bei den herkömmlichen Blenden mit vertikalem Schlitz, bei der vorliegenden Laservorrichtung deshalb zweckmäßig, weil eben die Ränder 15 der Öffnung 20 der Blende 5 bogenförmig, beispielsweise ellipsenbogenförmig oder insbesondere kreisbogenförmig, gestaltet sind, so daß auch in dieser vertikalen Richtung eine Feineinstellung auf den Laserstrahl 8 zweckmäßig ist, um die durch die bogenförmigen Ränder 15 erzielbaren Effekte bei der Einschnürung des Laserstrahls 8 voll ausnutzen zu können.

Für die Justierungen der Blende 5 bzw. Blendenteile 5a, 5b gemäß den Pfeilen 16 bis 19 können an sich herkömmliche Mechanismen, wie insbesondere Spindeltriebe bzw. Mikrometerschrauben-Getriebe, mit entsprechenden Führungen und Lagerungen, vorgesehen sein. Da dies eine an sich herkömmliche Technologie ist, kann hier von einer detaillierten Beschreibung dieser Justiermechanismen abgesehen werden.

Die Form des Querschnitts des Resonatorstrahls 8 kann mit Hilfe der Spiegel Ml, M2 gemäß Fig.l durch deren Winkelstellung beeinflußt werden, wobei beispielsweise, wie dies bei der vorliegenden Laservorrichtung bevorzugt wird, im cw-Betrieb im Bereich der Blende 5 ein elliptischer Querschnitt (s. die Querschnittslinie 11 in Fig.3) eingestellt werden kann; die Hauptachse der Ellipse verläuft hierbei horizontal oder allgemein parallel zum Polarisationsvektor des Laserlichts. Wenn nun, wie in Fig.3 weiters veranschaulicht, die Blendenteile 5a,

• ·

- &iacgr;&ogr; -

5b zueinander derart justiert sind, daß die Öffnungsränder 15 Kreisbögen definieren, d.h. auf ein und demselben Kreis liegen, kann bei der Einschnürung ein Kreisquerschnitt des Lasers erreicht werden, wie dies die vollgezeichnete Linie 12 in Fig.3 veranschaulicht. Ganz allgemein sollte die Bogenform bzw. der Krümmungsradius r (Fig.3) der Ränder 15 an den Strahldurchmesser angepaßt sein, um möglichst gute Ergebnisse hinsichtlich Erhöhung der Ausgangsleistung sowie Verbreiterung des modenverkoppelten Spektrums zu erzielen. In Versuchen wurde festgestellt, daß für einen Laserresonator mit ca. 2 m Länge und Fokussierspiegeln Ml, M2 mit einem Radius von -50 mm der Strahldurchmesser an der Stelle der Blende 5 nahe dem Endspiegel M3 des kürzeren Resonatorarmes (dl in Fig.l) im Dauerstrichbetrieb ca. 2 mm bis 2,5 mm beträgt, und daß der Strahldurchmesser im modenverkoppelten Betrieb auf ca. 1 mm bis 1,5 mm verringert wird. Bei einer derartigen Laserdimensionierung werden optimale Ergebnisse erzielt, wenn die Ränder 15 kreisbogenförmig, mit einem Radius r von ca. 1,5 mm, festgelegt werden.

Weiters hat sich auch herausgestellt, daß die Blende 5 relativ knapp vor dem Endspiegel M3 des kurzen Resonatorarmes dl, und zwar in einer Entfernung von ungefähr 1 cm oder einigen wenigen cm, beispielsweise 1 cm bis 8 cm, je nach Länge des Resonatorarmes, angeordnet wird. Als Richtschnur wurde hier herausgefunden, daß der Abstand der Blende 5 vom Endspiegel M3 ca. 2% bis 5% von der Länge des kurzen Resonatorarmes dl (die z.B. ca. 80 cm beträgt) betragen kann.

Versuche haben gezeigt, daß mit einer derart ausgebildeten Blende 5 eine Verbreiterung des Spektrums um ca. 15% erzielt werden kann. Eine derartige Verbreiterung im Frequenzbereich bedeutet, daß entsprechend noch kürzere Impulse im Zeitbereich erzielt werden können. Weiters kann ein breites Ausgangsspektrum der Laservorrichtung für alle Anwendungen breiter Spektren besser genutzt werden.

Weiters zeigte sich, daß die Ausgangsleistung des modenverkoppelten Laserstrahls durch die Anpassung der Blende 5 erhöht werden konnte. Die effiziente Modenverkopplung wird ersichtlich schon bei einem geringeren Verlust an Strahlquerschnittsfläche erreicht, verglichen mit den herkömmlichen geraden Schlitzblenden. Die bei Versuchen erzielten Leistungssteigerungen lagen bei

über 10%, und es konnten beispielsweise Durchschnittsleistungen von über 500 mW und mehr (anstatt zuvor 450 mW) erzielt werden. Die Spitzenleistung, die umso größer ist, je kürzer die Impulse sind, konnte auf über 400 kW bei Impulsdauern von 10 fs, bei 75 MHz Impulswiederholungsfrequenz, erhöht werden, wobei Erhöhungen bis zu 1 MW möglich scheinen.

In Fig.5 ist im Vergleich zu Fig.4 die engste Blendeneinstellung gezeigt; die Fig.4 und 5 zeigen zwecks Veranschaulichung von Blenden-Einstellmöglichkeiten zwei extreme Blendeneinstellungen, durch Verschieben der Blendenteile 5a, 5b relativ zueinander, wobei Fig.4 beispielsweise eine kreisförmige Blendenöffnung (mit einem Durchmesser von 3 mm im vorstehenden Zahlenbeispiel) und Fig.5 eine auf 1/3 verengte Apertur (mit einer maximalen Weite von 1 mm im genannten Zahlenbeispiel) zeigt.

Wie Fig.6 zeigt, kann - wenn einer einfachen Herstellung gegenüber einer idealen Anpassung der Vorzug gegeben wird - die Blende 5 auch mit einer polygonalen Öffnung 20 ausgestaltet werden, wobei die Blendenteile 5a¹, 5b¹ entsprechende polygonale Einschnitte oder Öffnungsränder aufweisen; auch hierbei kann eine Anpassung an den Strahlquerschnitt erzielt werden, wenngleich diese nicht ganz so effektiv ist wie im Fall einer kreis- oder ellipsenförmigen Apertur.

Claims

- 12 Ansprüche:

1. Kurzpuls-Laservorrichtung (1) mit passiver Modenverkopplung, mit einem Laserresonator (9), dem ein Pumpstrahl (3) zugeführt wird, mit einem Laserkristall (4), insbesondere einem Titan-Saphir- (Ti: S- ) Laserkristall, mit einem optischen Kerrelement, das vorzugsweise durch den Laserkristall (4) selbst gebildet ist, und mit einer den Resonator-Laserstrahl (8) einschneidenden Blende (5), dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (20) der Blende (5) einen zumindest teilweise bogenförmigen oder polygonalen Rand (15) aufweist.

2. Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (20) der Blende (5) einander gegenüberliegende Ellipsenbogen-Ränder (15) aufweist.

3. Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (20) der Blende (5) einander gegenüberliegende Kreisbogen-Ränder (15) aufweist.

4. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (5) zwei relativ zueinander verstellbare Blendenteile (5a, 5b) aufweist, die je einen bogenförmigen oder polygonalen Einschnitt als Öffnungs-Rand (15) aufweisen.

5. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (5) in zwei zueinander senkrechten Richtungen (18, 19) justierbar ist.

6. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (5) in der Richtung der Polarisation des Laserlichts eine, vorzugsweise einstellbare, maximale Weite von 1 mm bis 3 mm aufweist.

7. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (5) in einem Abstand von 1 cm oder einigen wenigen cm vor dem einen Endspiegel (M3) des Laserresonators (9) angeordnet ist.