Monolithischer Pulskompressor und zugehöriges Justageverfahren Monolithic pulse compressor and associated adjustment process
Die Erfindung betrifft einen Pulskompressor mit mehreren optischen Komponen ten, von denen mindestens eines ein Beugungsgitter ist, sowie auch ein Verfahren zum Justieren und Befestigen mindestens einer optischen Komponente des Puls kompressors. The invention relates to a pulse compressor with several optical components, of which at least one is a diffraction grating, and also to a method for adjusting and securing at least one optical component of the pulse compressor.
Pulskompressoren werden bei der sogenannten Chirped Pulse Amplification (CPA) eingesetzt, um Laserpulse mit maximalen Pulsspitzenleistungen bis zum Petawatt-Bereich zu erzeugen. So hohe Spitzenleistungen können von Laser strahlquellen nicht direkt erzeugt werden, da üblicherweise die Verstärkermedien des Lasers unter anderem durch nichtlineare optische Effekte zerstört würden. Da-
her werden Laserpulse vor der Verstärkung in Pulsstreckern zeitlich gestreckt, wo durch sich ihre Pulsspitzenleistung verringert, und durchlaufen dann ein Verstär kermedium. Nach der Verstärkung werden die Laserpulse komprimiert und weisen nun eine entsprechend höhere Leistungsdichte auf. Pulse compressors are used in the so-called chirped pulse amplification (CPA) to generate laser pulses with maximum pulse peak powers up to the petawatt range. Such high peak powers cannot be generated directly by laser beam sources, since the laser's amplifier media would usually be destroyed by non-linear optical effects, among other things. There- Before being amplified, laser pulses are temporally stretched in pulse stretchers, where their peak pulse power is reduced, and then pass through an amplifier medium. After amplification, the laser pulses are compressed and now have a correspondingly higher power density.
Aufgrund der auftretenden hohen Intensitäten bestehen Kompressoren typischer weise aus Freistrahlkomponenten. Bei auf Beugungsgittern basierenden Gitter- Kompressoren wird das Laserlicht typischerweise viermal gebeugt. Beispielsweise gibt es Ausführungen mit einem einzigen Gitter, über das das Laserlicht viermal läuft, mit zwei Gittern (z.B. Treacy-Kompressor) und mit vier Gittern. Due to the high intensities that occur, compressors typically consist of free jet components. In the case of grating compressors based on diffraction gratings, the laser light is typically diffracted four times. For example, there are designs with a single grid over which the laser light passes four times, with two grids (e.g. Treacy compressor) and with four grids.
Die optischen Komponenten des Kompressors werden typischerweise mit mecha nischen Haltern gehaltert und justiert. Zur Erzeugung hoher Pulsenergien sind sehr große Streck- und Kompressionsfaktoren nötig. Dies erfordert von CPA- Technologie basierten Lasern eine sehr hohe optomechanische Stabilität des Pulskompressors, die schwierig mit mechanischen Haltern erreicht werden kann. The optical components of the compressor are typically held and adjusted with mechanical holders. Very large stretching and compression factors are required to generate high pulse energies. For lasers based on CPA technology, this requires a very high optomechanical stability of the pulse compressor, which is difficult to achieve with mechanical holders.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Pulskom pressor der eingangs genannten Art die optomechanische Stabilität weiter zu er höhen. The present invention is therefore based on the object of further increasing the optomechanical stability in a Pulskom pressor of the type mentioned above.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in einer ersten Erfindungsvariante dadurch gelöst, dass mindestens eine der optischen Komponenten an der Grundplatte mit tels mindestens zweier miteinander laserverschweißter Zwischenelemente befes tigt ist, wobei das eine, erste Zwischenelement mit der Grundplatte und das ande re, zweite Zwischenelement mit der optischen Komponente befestigt sind, oder umgekehrt, und wobei eine der Fügeflächen der Zwischenelemente als Lageraus sparung und die andere Fügefläche gekrümmt, insbesondere konvex gekrümmt oder kugelsegmentförmig, ausgebildet sind, wobei zumindest die laserver schweißten Fügeflächen der mindestens einen optischen Komponente, der Grund platte und der Zwischenelemente aus Materialien gebildet sind, bei denen die Dif ferenz ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner als 10e_6/K ist. Unter dem Wärmeausdehnungskoeffizienten wird der thermische Längenausdehnungskoeffi zient oder auch linearer Wärmeausdehnungskoeffizient verstanden.
In einer zweiten Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass mindestens eine der opti schen Komponenten an der Grundplatte mittels mindestens dreier miteinander la serverschweißter Zwischenelemente befestigt ist, wobei ein erstes und ein zweites Zwischenelement mit der Grundplatte und ein drittes Zwischenelement mit der op tischen Komponente befestigt sind, oder umgekehrt, und wobei die am dritten Zwi schenelement anliegenden Fügeflächen des ersten und des zweiten Zwischenele ments und/oder die am ersten und zweiten Zwischenelement anliegende Fügeflä che des dritten Zwischenelements gekrümmt sind, und dass zumindest die laser verschweißten Fügeflächen der mindestens einen optischen Komponente, der Grundplatte und der Zwischenelementes aus Materialien gebildet sind, bei denen die Differenz ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner als 10e_6/K ist. According to the invention, this object is achieved in a first variant of the invention in that at least one of the optical components is fastened to the base plate by means of at least two laser-welded intermediate elements, one, first intermediate element with the base plate and the other, second intermediate element with the optical Component are attached, or vice versa, and where one of the joining surfaces of the intermediate elements as a bearing recess and the other joining surface is curved, in particular convexly curved or spherical segment-shaped, at least the laser-welded joining surfaces of the at least one optical component, the base plate and the intermediate elements are formed from materials in which the difference in their coefficient of thermal expansion is less than 10e _6 / K. The coefficient of thermal expansion is understood to mean the thermal coefficient of linear expansion or the coefficient of linear thermal expansion. In a second variant of the invention it is provided that at least one of the optical components is fastened to the base plate by means of at least three intermediate elements welded to one another, a first and a second intermediate element being fastened to the base plate and a third intermediate element to the optical component, or vice versa, and wherein the joining surfaces of the first and second intermediate element resting on the third intermediate element and / or the joining surface of the third intermediate element resting on the first and second intermediate element are curved, and that at least the laser-welded joining surfaces of the at least one optical component, the Base plate and the intermediate element are formed from materials in which the difference in their coefficients of thermal expansion is less than 10e _6 / K.
Erfindungsgemäß sind die mindestens eine optische Komponente, die Grundplatte und/oder das mindestens eine Zwischenelement klebstofffrei zu einer monolithi schen optischen Baugruppe befestigt, insbesondere laserverschweißt, z.B. mittels UKP(Ultrakurzpuls)-Schweißens mit Laserpulsen im Bereich von wenigen Pikose- kunden oder niedriger. Bei den Materialien kann es sich beispielsweise um Saphir, BK7 oder Zerodur handeln, die alle einen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als 10e 6/K aufweisen. Die Verwendung von solchen Materialen verhindert das Auftre ten von thermisch induzierten Spannungen innerhalb der Baugruppe und resultiert in hoher thermischer Stabilität der Baugruppe und somit in hoher optomechani- scher Stabilität des Pulskompressors. Dies wiederum ermöglicht höhere Streck faktoren und höhere Pulsenergie-Skalierungen. Vor dem Laserverschweißen sind die optischen Komponenten des Pulskompressors zueinander präzise justiert und in dieser Justierlage dann miteinander laserverschweißt. According to the invention, the at least one optical component, the base plate and / or the at least one intermediate element are attached to a monolithic optical assembly without adhesive, in particular laser-welded, for example by means of USP (ultrashort pulse) welding with laser pulses in the range of a few picoseconds or less. The materials can be, for example, sapphire, BK7 or Zerodur, all of which have a coefficient of expansion less than 10e 6 / K. The use of such materials prevents the occurrence of thermally induced stresses within the assembly and results in high thermal stability of the assembly and thus in high optomechanical stability of the pulse compressor. This in turn enables higher stretch factors and higher pulse energy scalings. Before the laser welding, the optical components of the pulse compressor are precisely adjusted to one another and then laser-welded to one another in this adjustment position.
Vorzugsweise sind zumindest einige, insbesondere alle optischen Komponenten des Pulskompressors an der Grundplatte jeweils mittels mindestens zweier oder dreier Zwischenelemente befestigt, die mit der optischen Komponente und/oder mit der Grundplatte laserverschweißt sind, wobei zumindest die laserverschweiß ten Fügeflächen der optischen Komponenten, der Grundplatte und der Zwischen elemente aus Materialien gebildet sind, bei denen die Differenz ihrer Wärmeaus dehnungskoeffizienten kleiner als 10e_6/K ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine der optischen Kompo nenten vollständig aus gleichem, nicht absorbierendem Material, insbesondere Quarzglas oder Kristall, gebildet. Alternativ kann aber auch die laserverschweißte Fügefläche mindestens einer der optischen Komponenten an einem Substrat der optischen Komponente gebildet sein, das mit der Grundplatte und/oder mit den Zwischenelementen laserverschweißt ist. Bei dem optischen Element kann es sich beispielsweise um ein reflektives Beugungsgitter handeln, dessen Substrat mit ei ner reflektiven Beschichtung versehen ist. Entsprechend können auch die Grund platte und die Zwischenelemente jeweils vollständig aus gleichem Material, insbe sondere aus Quarzglas oder Kristall, gebildet sein. Preferably at least some, in particular all of the optical components of the pulse compressor are attached to the base plate by means of at least two or three intermediate elements which are laser-welded to the optical component and / or to the base plate, at least the laser-welded joining surfaces of the optical components, the base plate and the intermediate elements are made of materials in which the difference in their thermal expansion coefficient is less than 10e _6 / K. In a preferred embodiment, at least one of the optical components is made entirely of the same, non-absorbing material, in particular quartz glass or crystal. Alternatively, however, the laser-welded joining surface of at least one of the optical components can also be formed on a substrate of the optical component that is laser-welded to the base plate and / or to the intermediate elements. The optical element can be, for example, a reflective diffraction grating, the substrate of which is provided with a reflective coating. Accordingly, the base plate and the intermediate elements can each be made entirely of the same material, in particular made of quartz glass or crystal.
Besonders bevorzugt sind alle optischen Komponenten an der Grundplatte jeweils mittels der Zwischenelemente befestigt, die wiederum mit der optischen Kompo nente und/oder mit der Grundplatte laserverschweißt sind. Über die Zwischenele mente lassen sich die optischen Komponenten vor dem Befestigen zueinander, z.B. durch Verschieben und/oder durch Verkippen, exakt auf der Grundplatte aus- richten. Particularly preferably, all optical components are fastened to the base plate in each case by means of the intermediate elements, which in turn are laser-welded to the optical component and / or to the base plate. Using the intermediate elements, the optical components can be precisely aligned on the base plate before they are attached, e.g. by moving and / or tilting them.
Für eine großflächige Anlage der optischen Komponente am Zwischenelement oder des Zwischenelements an der Grundplatte liegt das Zwischenelement vor zugsweise mit einer ebenen Fügefläche an der optischen Komponente oder an der Grundplatte an. For a large-area contact of the optical component on the intermediate element or the intermediate element on the base plate, the intermediate element is preferably in contact with a flat joining surface on the optical component or on the base plate.
Für eine Kippjustage einer optischen Komponente ist erfindungsgemäß die opti sche Komponente an der Grundplatte mittels mindestens zweier miteinander la serverschweißter Zwischenelemente befestigt. Das eine, erste Zwischenelement ist mit der Grundplatte und das andere, zweite Zwischenelement mit der optischen Komponente laserverschweißt, oder umgekehrt. Die am zweiten Zwischenelement anliegende Fügefläche des ein- oder mehrteilig ausgebildeten, ersten Zwischen elements ist als eine z.B. kreisrunde, konische, V-förmige oder kugelkalottenförmi ge Lageraussparung und die am ersten Zwischenelement anliegende Fügefläche des zweiten Zwischenelements kugelsegmentförmig ausgebildet, um die beiden
Zwischenelemente vor dem Laserverschweißen in eine gewünschte Kipplage aus zurichten. For a tilt adjustment of an optical component, according to the invention, the optical component is attached to the base plate by means of at least two intermediate elements welded to one another. One, first intermediate element is laser-welded to the base plate and the other, second intermediate element to the optical component, or vice versa. The joining surface of the one-piece or multi-part first intermediate element, which rests on the second intermediate element, is designed as a e.g. Align intermediate elements in a desired tilted position before laser welding.
Für eine Höhen- und Kippjustage einer optischen Komponente ist erfindungsge mäß die optische Komponente an der Grundplatte mittels mindestens dreier mit einander befestigter, insbesondere laserverschweißter Zwischenelemente befes tigt sein. Ein erstes und ein zweites Zwischenelement sind mit der Grundplatte und ein drittes Zwischenelement mit der optischen Komponente befestigt, insbesonde re laserverschweißt, oder umgekehrt. Die am dritten Zwischenelement anliegen den Fügeflächen des ersten und des zweiten Zwischenelements und/oder die am ersten und zweiten Zwischenelement anliegende Fügefläche des dritten Zwi schenelements sind gekrümmt. Durch Verändern des Abstands zwischen dem ersten und zweiten Zwischenelement kann die Höhe des dritten Zwischenele ments, und folglich auch der Abstand der optischen Komponente zur Grundplatte, variiert werden. Vorteilhaft sind die am dritten Zwischenelement anliegenden Fü geflächen des ersten und des zweiten Zwischenelements jeweils als Schrägfläche und die am ersten und zweiten Zwischenelement anliegende Fügefläche des drit ten Zwischenelements konvex gekrümmt, insbesondere halbzylinderförmig, aus gebildet. For a height and tilt adjustment of an optical component, according to the invention, the optical component is fastened to the base plate by means of at least three interconnected, in particular laser-welded, intermediate elements. A first and a second intermediate element are attached to the base plate and a third intermediate element to the optical component, in particular laser-welded, or vice versa. The joining surfaces of the first and the second intermediate element and / or the joining surface of the third inter mediate element that rests on the first and second intermediate element are curved. By changing the distance between the first and second intermediate element, the height of the third intermediate element, and consequently also the distance between the optical component and the base plate, can be varied. Advantageously, the joining surfaces of the first and second intermediate elements resting on the third intermediate element are each formed as an inclined surface and the joining surface of the third intermediate element resting on the first and second intermediate element are convexly curved, in particular semi-cylindrical.
Für eine stabile Schweißverbindung sind die optischen Komponenten, die Zwi schenelemente und die Grundplatte möglichst auf der gesamten Länge ihrer Fü gelinie miteinander laserverschweißt. For a stable welded connection, the optical components, the intermediate elements and the base plate are laser-welded to one another over the entire length of their joining line, if possible.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren Verfahren zum Justieren und Befestigen mindestens einer optischen Komponente eines Pulskompressors, der mehrere op tische Komponenten aufweist, von denen mindestens eine ein Beugungsgitter ist, auf einer Grundplatte des Pulskompressors mittels zweier Zwischenelemente, wo bei eine der Fügeflächen der Zwischenelemente als Lageraussparung und die an dere Fügefläche gekrümmt, insbesondere konvex gekrümmt oder kugelsegment förmig, ausgebildet sind, mit folgenden Verfahrensschritten: The invention also relates to a method for adjusting and securing at least one optical component of a pulse compressor, which has several optical components, of which at least one is a diffraction grating, on a base plate of the pulse compressor by means of two intermediate elements, where one of the joining surfaces of the intermediate elements as Bearing recess and the other joining surface are curved, in particular convexly curved or spherical segment-shaped, with the following process steps:
- Laserverschweißen des ersten Zwischenelements an der Grundplatte und des zweiten Zwischenelements an der optischen Komponente;
- Justieren der optischen Komponente in eine gewünschte Kipplage gegenüber der Grundplatte durch Verdrehen der aneinander anliegenden Fügeflächen; undLaser welding of the first intermediate element on the base plate and the second intermediate element on the optical component; - Adjustment of the optical component in a desired tilted position with respect to the base plate by rotating the joining surfaces that lie against one another; and
- in der gewünschten Kipplage Laserverschweißen der beiden Zwischenelemente miteinander; - Laser welding of the two intermediate elements to one another in the desired tilted position;
oder mit folgenden Verfahrensschritten: or with the following process steps:
- Laserverschweißen des zweiten Zwischenelements an der optischen Kompo nente; - Laser welding of the second intermediate element to the optical component;
- Justieren der optischen Komponente in eine gewünschte Kipplage relativ zu dem ersten Zwischenelement durch Verdrehen der aneinander anliegenden Fü geflächen; - Adjustment of the optical component in a desired tilted position relative to the first intermediate element by rotating the abutting joint surfaces;
- in der gewünschten Kipplage Laserverschweißen der beiden Zwischenelemente miteinander; - Laser welding of the two intermediate elements to one another in the desired tilted position;
- Justieren der optischen Komponente auf der Grundplatte in eine gewünschte Lage gegenüber der Grundplatte; und - Adjustment of the optical component on the base plate in a desired position relative to the base plate; and
- in der gewünschten Lage Laserverschweißen des ersten Zwischenelements an der Grundplatte, - Laser welding of the first intermediate element to the base plate in the desired position,
wobei zumindest die laserverschweißten Fügeflächen der mindestens einen opti schen Komponente, der Grundplatte und der Zwischenelemente aus Materialien gebildet sind, bei denen die Differenz ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten klei ner als 10e_6/K ist. wherein at least the laser-welded joining surfaces of the at least one optical component, the base plate and the intermediate elements are formed from materials in which the difference in their coefficients of thermal expansion is less than 10e- 6 / K.
In einer alternativen Verfahrensvariante betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Justieren und Befestigen mindestens einer optischen Komponente eines Pulskom pressors, der mehrere optische Komponenten aufweist, von denen mindestens ei ne ein Beugungsgitter ist, auf einer Grundplatte des Pulskompressors mittels drei er Zwischenelemente, wobei die am dritten Zwischenelement anliegenden Füge flächen des ersten und des zweiten Zwischenelements und/oder die am ersten und zweiten Zwischenelement anliegende Fügefläche des dritten Zwischenele ments gekrümmt sind, mit folgenden Verfahrensschritten: In an alternative variant of the method, the invention relates to a method for adjusting and securing at least one optical component of a pulse compressor, which has several optical components, at least one of which is a diffraction grating, on a base plate of the pulse compressor by means of three intermediate elements, the third being The joining surfaces of the first and the second intermediate element resting against the intermediate element and / or the joining surface of the third intermediate element resting against the first and second intermediate element are curved, with the following process steps:
- Auflegen eines ersten und eines zweiten Zwischenelements auf die Grundplatte und Laserverschweißen eines dritten Zwischenelements an der optischen Kom ponente, oder umgekehrt; - Placing a first and a second intermediate element on the base plate and laser welding a third intermediate element on the optical component, or vice versa;
- Justieren der optischen Komponente in eine gewünschte Kipplage gegenüber der Grundplatte durch Verdrehen des an dem ersten und zweiten Zwischenele-
ment anliegenden dritten Zwischenelements und/oder Justieren der optischen Komponente in eine gewünschte Flöhenlage gegenüber der Grundplatte durch Verändern des Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Zwischenele ment; und - Adjustment of the optical component in a desired tilted position relative to the base plate by turning the on the first and second intermediate element ment adjacent third intermediate element and / or adjusting the optical component in a desired flea position relative to the base plate by changing the distance between the first and the second intermediate element; and
- in der gewünschten Kipp- oder Flöhenlage Laserverschweißen des ersten und des zweiten Zwischenelements an der Grundplatte und an dem dritten Zwi schenelement, - Laser welding of the first and the second intermediate element on the base plate and on the third intermediate element in the desired tilted or flea position,
wobei zumindest die laserverschweißten Fügeflächen der mindestens einen opti schen Komponente, der Grundplatte und der Zwischenelemente aus Materialien gebildet sind, bei denen die Differenz ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten klei ner als 10e_6/K ist. wherein at least the laser-welded joining surfaces of the at least one optical component, the base plate and the intermediate elements are formed from materials in which the difference in their coefficients of thermal expansion is less than 10e- 6 / K.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen. Further advantages and advantageous configurations of the subject matter of the invention emerge from the description, the claims and the drawings.
Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merk male je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung fin den. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschlie ßende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen: The features mentioned above and those listed below can also be used individually or collectively in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as a conclusive list, but rather have an exemplary character for describing the invention. Show it:
Fign. 1 a, 1 b schematisch einen erfindungsgemäßen Pulskompressor in einer Figs. 1 a, 1 b schematically shows a pulse compressor according to the invention in one
Draufsicht von oben (Fig. 1 a) und in einer perspektivischen Seitenan sicht (Fig. 1 b); Top view from above (Fig. 1 a) and in a perspective Seitenan view (Fig. 1 b);
Fig. 2 einen dreiteiligen Unterbau für die optischen Komponenten des in 2 shows a three-part substructure for the optical components of the in
Fig. 1 b gezeigten Pulskompressors; Fig. 1b shown pulse compressor;
Fign. 3a, 3b einen zweiteiligen Unterbau für die in Fig. 1 b gezeigten optischen Figs. 3a, 3b a two-part substructure for the optical shown in Fig. 1b
Komponenten des Pulskompressors im zusammengebauten Zustand (Fig. 3a) und in einer Einzelteildarstellung (Fig. 3b); und Components of the pulse compressor in the assembled state (Fig. 3a) and in a single part representation (Fig. 3b); and
Fign. 4a, 4b einen nicht erfindungsgemäßen, weiteren Unterbau für die in Fig. 1 b gezeigten optischen Komponenten des Pulskompressors im zusam mengebauten Zustand (Fig. 4a) und in einer Einzelteildarstellung (Fig. 4b).
Der in Fig. 1 gezeigte Pulskompressor 1 ist als sogenannter Treacy-Kompressor mit zwei Beugungsgittern 2, 3 und mit einem Prisma 4 ausgeführt. Diese optischen Komponenten 2-4 sind jeweils mittels dreier Zwischenelemente 5a-5c auf einer bevorzugt transparenten Grundplatte 6 befestigt. Die drei optischen Komponenten 2-4, die Zwischenelemente 5a-5c und die Grundplatte 6 können alle aus dem glei chen, nicht absorbierenden Material, insbesondere aus Quarzglas, gebildet sein oder aus unterschiedlichen Materialien, bei denen die Differenz ihrer Wärmeaus dehnungskoeffizienten kleiner als 10e_6/K ist, gebildet sein. Bei den unterschiedli chen Materialien kann es sich beispielsweise um Saphir, BK7 oder Zerodur han deln, die alle einen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als 10e_6/K aufweisen. Vor teilhafterweise sind die optischen Komponente 2-4, die Zwischenelemente 5a-5c und die Grundplatte 6 aus Materialien gebildet, die einen Wärmeausdehnungsko effizienten kleiner als 10e_6/K aufweisen. Figs. 4a, 4b a further substructure, not according to the invention, for the optical components of the pulse compressor shown in FIG. 1b in the assembled state (FIG. 4a) and in a single-part representation (FIG. 4b). The pulse compressor 1 shown in FIG. 1 is designed as a so-called Treacy compressor with two diffraction gratings 2, 3 and with a prism 4. These optical components 2-4 are each fastened to a preferably transparent base plate 6 by means of three intermediate elements 5a-5c. The three optical components 2-4, the intermediate elements 5a-5c and the base plate 6 can all be made of the same, non-absorbent material, in particular quartz glass, or of different materials in which the difference in their thermal expansion coefficients is less than 10e _6 / K is to be formed. The different materials can be, for example, sapphire, BK7 or Zerodur, all of which have an expansion coefficient of less than 10e- 6 / K. Before geous enough, the optical components 2-4, the intermediate elements 5a-5c and the base plate 6 are formed from materials that have a coefficient of thermal expansion less than 10e _6 / K.
Wie in Fig. 2 gezeigt, liegen ein erstes und ein zweites Zwischenelement 5a, 5b jeweils mit einer ebenen, in Fig. 2 unteren Fügefläche 7a auf der Grundplatte 6 und sind im Abstand d nebeneinander mit der Grundplatte 6 laserverschweißt.As shown in FIG. 2, a first and a second intermediate element 5a, 5b each lie on the base plate 6 with a flat joining surface 7a, which is the lower in FIG.
Das dritte Zwischenelement 5c liegt mit einer ebenen, in Fig. 2 oberen Fügefläche 8a an der optischen Komponente 2-4 an und ist mit der optischen Komponente 2- 4 laserverschweißt. Die am dritten Zwischenelement 5c anliegenden Fügeflächen 7b des ersten und des zweiten Zwischenelements 5a, 5b sind als Schrägflächen und die am ersten und zweiten Zwischenelement 5a, 5b anliegende Fügefläche 8b des dritten Zwischenelements 5c halbzylinderförmig ausgebildet. Die aneinander anliegenden Zwischenelemente 5a-5c sind ebenfalls miteinander laserver schweißt. The third intermediate element 5c rests against the optical component 2-4 with a flat joining surface 8a, the upper one in FIG. 2, and is laser-welded to the optical component 2-4. The joining surfaces 7b of the first and second intermediate element 5a, 5b resting on the third intermediate element 5c are designed as inclined surfaces and the joining surface 8b of the third intermediate element 5c resting on the first and second intermediate element 5a, 5b are semi-cylindrical. The adjacent intermediate elements 5a-5c are also laser-welded to one another.
Vor dem Laserverschweißen sind die optischen Komponenten 2-4 zueinander auf der Grundplatte 6 mittels der Zwischenelemente 5a-5c präzise justiert worden.Before the laser welding, the optical components 2-4 have been precisely adjusted to one another on the base plate 6 by means of the intermediate elements 5a-5c.
Das erste und das zweite Zwischenelement 5a, 5b können mit ihren ebenen Füge flächen 7a auf der Grundplatte 6 beliebig verschoben und beliebig um eine Verti kalachse verdreht werden, um so die optischen Komponenten 2-4 zueinander bzw. zur Grundplatte 6 korrekt auszurichten. Durch Verändern des Abstands d zwischen dem ersten und dem zweiten Zwischenelement 5a, 5b können der Hö henabstand des dritten Zwischenelements 5c und damit auch der Höhenabstand
der optischen Komponente 2-4 zur Grundplatte 6 variiert werden. Die beiden Schrägflächen 7b des ersten und des zweiten Zwischenelements 5a, 5b bilden ein Drehlager in Form einer V-förmigen Nut für die halbzylinderförmige Fügefläche 8b des dritten Zwischenelements 5c, wodurch die optische Komponente 2-4 um beide Florizontalachsen justiert werden kann. Durch diese Justagefreiheitsgrade können insbesondere die Beugungsgitter 2, 3 in Richtung der optischen Achse auf eine bestimmte optimale Längenposition justiert werden. The first and second intermediate elements 5a, 5b can be moved with their flat joining surfaces 7a on the base plate 6 as desired and rotated about a vertical axis so as to align the optical components 2-4 to each other or to the base plate 6 correctly. By changing the distance d between the first and the second intermediate element 5a, 5b, the height distance of the third intermediate element 5c and thus also the height distance can be adjusted the optical component 2-4 to the base plate 6 can be varied. The two inclined surfaces 7b of the first and second intermediate element 5a, 5b form a pivot bearing in the form of a V-shaped groove for the semi-cylindrical joining surface 8b of the third intermediate element 5c, whereby the optical component 2-4 can be adjusted about both horizontal axes. By means of these degrees of freedom of adjustment, in particular the diffraction gratings 2, 3 can be adjusted in the direction of the optical axis to a certain optimal length position.
Sobald korrekt justiert, werden die optischen Komponenten 2-4, die Zwischenele mente 5a-5c und die Grundplatte 6 in dieser Justierlage miteinander laserver schweißt und bilden eine monolithische optische Baugruppe. Das gleiche Material bzw. die unterschiedlichen Materialien mit ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizi enten verhindern in den miteinander verschweißten Fügepartnern das Auftreten von thermisch induzierten Spannungen innerhalb der Baugruppe und resultieren in maximaler thermischer und somit optomechanischer Stabilität des Pulskompres sors 1 . Dieser monolithische Pulskompressor 1 ermöglicht wegen seiner minimier ten Dejustage höhere Streckfaktoren und höhere Pulsenergie-Skalierungen. As soon as correctly adjusted, the optical components 2-4, the intermediate elements 5a-5c and the base plate 6 are laserver welded together in this adjustment position and form a monolithic optical assembly. The same material or the different materials with similar thermal expansion coefficients prevent the occurrence of thermally induced stresses within the assembly in the joint partners welded to one another and result in maximum thermal and thus optomechanical stability of the pulse compressor 1. This monolithic pulse compressor 1 enables higher stretching factors and higher pulse energy scalings because of its minimized misalignment.
Das Laserverschweißen zweier Fügepartner erfolgt vorzugsweise mittels Ultra- kurzpuls(UKP)-Schweißens mit Laserpulsen im Bereich von wenigen Pikosekun- den oder niedriger, und idealerweise auf der gesamten Länge ihrer Fügelinie. In Fig. 2 ist die Schweißnaht zwischen dem zweiten und dem dritten Zwischenele ment 5c mit 10 bezeichnet. The laser welding of two parts to be joined is preferably carried out by means of ultra-short pulse (USP) welding with laser pulses in the range of a few picoseconds or less, and ideally over the entire length of their joint line. In Fig. 2, the weld between the second and the third Zwischenele element 5c is denoted by 10.
Anders als oben beschrieben, können eine oder mehreren optische Komponenten 2-4 auch unmittelbar, also ohne Zwischenelemente, mit der Grundplatte 6 ver schweißt sein. Auch müssen die optischen Komponenten 2-4 nicht vollständig aus dem gleichen Material gebildet sein, sondern es reicht aus, wenn nur das laserver schweißte Substrat der optischen Komponenten 2-4 aus Materialien, bei denen die Differenz ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner als 10e_6/K, insbeson dere aus dem gleichen Material, gebildet ist. So kann das Beugungsgitter 2, 3 bei spielsweise als reflektives Beugungsgitter mit einem Substrat und einer darauf aufgebrachten, metallenen Beschichtung ausgebildet sein.
In einem Oszillator, z.B. in einem modengekoppelten Faserlaser, wird ein Seed- puls erzeugt (ps/fs), der dann z.B. über einen Faserstrecker zeitlich gestreckt wird. Dieser gestreckte Puls wird in einem Verstärker oder einer Verstärkerkette (Stab, Scheibe, Slab oder Faser) verstärkt und anschließend mit Hilfe des Pulskompres sor 1 zeitlich komprimiert. Der in den Pulskompressor 1 einfallende Laserpuls 11 wird an den beiden reflektiven Beugungsgittern 2, 3 gebeugt. Dabei werden ver schiedene Wellenlängen des Laserpulses 1 1 mit unterschiedlichen Winkeln ge beugt, wodurch sich ein unterschiedlicher optischer Weg für die spektralen Kom ponenten des Laserpulses 1 1 ergibt. Der nun zeitlich komprimierte Laserpuls 1 1 verlässt den Pulskompressor 1 mit nun entsprechend höherer Leistungsdichte. Other than described above, one or more optical components 2-4 can also be welded to the base plate 6 directly, that is to say without intermediate elements. Also, the optical components 2-4 do not have to be made entirely of the same material, but it is sufficient if only the laser-welded substrate of the optical components 2-4 are made of materials in which the difference in their thermal expansion coefficients is less than 10e _6 / K in particular from the same material is formed. For example, the diffraction grating 2, 3 can be designed as a reflective diffraction grating with a substrate and a metallic coating applied to it. In an oscillator, for example in a mode-locked fiber laser, a seed pulse is generated (ps / fs), which is then stretched over time, for example via a fiber stretcher. This stretched pulse is amplified in an amplifier or an amplifier chain (rod, disc, slab or fiber) and then compressed in time with the help of the pulse compressor 1. The laser pulse 11 incident in the pulse compressor 1 is diffracted at the two reflective diffraction gratings 2, 3. Here, ver different wavelengths of the laser pulse 1 1 at different angles are bent ge, which results in a different optical path for the spectral components of the laser pulse 1 1. The time-compressed laser pulse 11 leaves the pulse compressor 1 with a correspondingly higher power density.
In Fign. 3a, 3b ist ein zweiteiliger Unterbau für die in Fig. 1 b gezeigten optischen Komponenten 2-4 des Pulskompressors gezeigt. Die optische Komponente 2-4 ist an der Grundplatte 6 mittels zweier miteinander laserverschweißter Zwischenele mente 15a, 15b befestigt, wobei das eine, erste Zwischenelement 15a mit der Grundplatte 6 und das andere, zweite Zwischenelement 15b mit der optischen Komponente 2-4 laserverschweißt ist. Die am zweiten Zwischenelement 15b anlie gende Fügefläche 17a des ersten Zwischenelements 15a ist in Richtung auf die Grundplatte 6 konisch und die am ersten Zwischenelement 15a anliegende Füge fläche 17b des zweiten Zwischenelements 15b kugelsegmentförmig ausgebildet. Die aneinander anliegenden Fügeflächen 17a, 17b bilden ein Drehlager, um vor dem Laserverschweißen die beiden Zwischenelemente 15a, 15b gegeneinander - und damit die optische Komponente 2-4 gegenüber der Grundplatte 6 - in eine ge wünschte Kipplage auszurichten (Doppelpfeil 18). Statt konisch kann die Fügeflä che 17a auch V-förmig, kugelkalottenförmig oder auch als kreisrunde Lageröff nung ausgeführt sein. In FIGS. 3a, 3b shows a two-part substructure for the optical components 2-4 of the pulse compressor shown in FIG. 1b. The optical component 2-4 is attached to the base plate 6 by means of two laser-welded intermediate elements 15a, 15b, the one, first intermediate element 15a being laser-welded to the base plate 6 and the other, second intermediate element 15b to the optical component 2-4. The joining surface 17a of the first intermediate element 15a resting on the second intermediate element 15b is conical in the direction of the base plate 6 and the joining surface 17b of the second intermediate element 15b resting on the first intermediate element 15a is configured as a spherical segment. The abutting joining surfaces 17a, 17b form a pivot bearing to align the two intermediate elements 15a, 15b against each other - and thus the optical component 2-4 against the base plate 6 - in a desired tilted position before laser welding (double arrow 18). Instead of conical, the joining surface 17a can also be V-shaped, spherical cap-shaped or even as a circular bearing opening.
In Fign. 4a, 4b ist ein weiterer Unterbau für die in Fig. 1 b gezeigten optischen Komponenten 2-4 des Pulskompressors gezeigt. Die optische Komponente 2-4 ist an der Grundplatte 6 mittels eines einzigen Zwischenelements 15 befestigt, das mit der Grundplatte 6 und mit der optischen Komponente 2-4 laserverschweißt ist. Die an der Grundplatte 6 anliegende Fügefläche 17 des Zwischenelements 15 ist kugelsegmentförmig ausgebildet und in einer Lageraussparung 19 der Grundplatte 6 schwenkbar gelagert (Doppelpfeil 18). Die aneinander anliegenden Fügeflächen
6a, 17 der Grundplatte 6 und des Zwischenelements 15 bilden ein Drehlager, um vor dem Laserverschweißen die Grundplatte 6 und das Zwischenelement 15 ge geneinander in eine gewünschte Kipplage auszurichten. Um einen linienförmigen Fügekontakt auszubilden, kann die Lageraussparung 19 konisch, V-förmig oder auch als kreisrunde Lageröffnung ausgeführt sein. Um einen großflächigen Füge kontakt auszubilden, kann die Lageraussparung 19 kugelkalottenförmig ausgebil det sein.
In FIGS. 4a, 4b shows a further substructure for the optical components 2-4 of the pulse compressor shown in FIG. 1b. The optical component 2-4 is fastened to the base plate 6 by means of a single intermediate element 15 which is laser-welded to the base plate 6 and to the optical component 2-4. The joining surface 17 of the intermediate element 15 resting on the base plate 6 is configured in the shape of a spherical segment and is pivotably mounted in a bearing recess 19 of the base plate 6 (double arrow 18). The abutting joint surfaces 6a, 17 of the base plate 6 and the intermediate element 15 form a pivot bearing in order to align the base plate 6 and the intermediate element 15 with one another in a desired tilted position before the laser welding. In order to form a linear joining contact, the bearing recess 19 can be designed conical, V-shaped or also as a circular bearing opening. In order to form a large-area joining contact, the bearing recess 19 can be designed in the form of a spherical cap.