LASERSYSTEM MIT OPTISCHEM SYSTEM ZUR SPEKTRALEN VERBREITERUNG VON GEPULSTER LASERSTRAHLUNG UND VERFAHREN ZUR SPEKTRALEN VERBREITERUNG VON GEPULSTER LASERSTRAHLUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Lasersysteme mit einem optischen System zur spektralen Verbreiterung von gepulster Laserstrahlung sowie, insbesondere Ultrakurzpuls (UKP)-Laser- systeme zur Abgabe von gepulster Laserstrahlung mit einer hohen Pulsenergie. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur spektralen Verbreiterung von gepulster Laserstrahlung, insbe sondere von Ultrakurzpulsfolgen.
DE 10 2014 007159 Al offenbart ein Verfahren zur spektralen Verbreiterung von Laserpulsen für die nichtlineare Pulskompression unter Verwendung einer Anordnung mit einer Abfolge von nichtlinear wechselwirkenden Abschnitten, wie sie in einer Multipass-Zelle, die beispiels weise in Form einer so genannten Herriott-Zelle aufgebaut ist, bereitgestellt werden können. Ziel ist dabei eine spektrale Verbreiterung von Laserpulsen, die auch bei einer Pulsleistung durchgeführt werden kann, die größer ist als die kritische Leistung des für die spektrale Ver breiterung eingesetzten nichtlinearen Mediums.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, Systeme und Verfahren vorzuschlagen, die in einem kompakten Aufbau auch und insbesondere bei hohen Pulsenergien und optional hohen mittle ren Leistungen zur spektralen Verbreiterung von gepulster Laserstrahlung, beispielsweise von Ultrakurzpulsfolgen eingesetzt werden können. Insbesondere sollen dabei nichtlineare Effekte in einem Füllgas zur Beeinflussung der spektralen Verbreiterung von Laserpulsen mit hohen Pulsenergien in einer räumlich möglichst kleinen Anordnung genutzt werden.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Lasersystem nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur spektralen Verbreiterung gepulster Laserstrahlung nach Anspruch 10. Weiter bildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einem ersten Aspekt umfasst ein Lasersystem eine Laserstrahlungsquelle zur Bereitstellung gepulster Laserstrahlung. Die gepulste Laserstrahlung umfasst Laserpulse mit Pulsenergien im Bereich von 1 mJ bis 100 J, bevorzugt 10 mJ bis 1 J, und Pulsdauem im Bereich von 10 fs bis 5 ps, bevorzugt 500 fs bis 1,5 ps. Ferner umfasst das Lasersystem (mindestens) ein optisches System zur spektralen Verbreiterung der gepulsten Laserstrahlung mit einer ersten Polarisati onseinstelloptik, die einen zirkularen Polarisationszustand der gepulsten Laserstrahlung
einstellt, und einer Mehrfachdurchgangszelle mit mindestens zwei Spiegeln. Die Mehrfach durchgangszelle wird von der gepulsten Laserstrahlung - die im zirkularen Polarisationszu stand vorliegt - unter Ausbildung einer Mehrzahl von Zwischenfokuszonen durchlaufen. Die Mehrfachdurchgangszelle ist mit einem Füllgas gefüllt, das eine optische Nichtlinearität auf weist, wobei das Füllgas eine spektrale Verbreiterung der gepulsten Laserstrahlung in den Zwischenfokuszonen bewirkt. In der Mehrfachdurchgangszelle ist ein Druck des Füllgases in einem Druckbereich eingestellt, in dem ein Ionisierungsverhalten des Füllgases im Rahmen der Mehrphotonenionisation vorliegt. Ferner sind Fokusdurchmesser der Zwischenfokuszonen derart eingestellt, dass die gepulste Laserstrahlung die Mehrfachdurchgangszelle ohne Ionisie rung des Füllgases (in den Zwischenfokuszonen) durchläuft.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zur spektralen Verbreiterung einer gepulsten Laserstrahlung unter Verwendung einer Nichtlinearität eines Füllgases einer Mehrfachdurch gangszelle mit mindestens zwei Spiegeln. Die Mehrfachdurchgangszelle bildet eine Mehrzahl von Zwischenfokuszonen aus. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- Erzeugen einer gepulsten Laserstrahlung, die Laserpulse mit einer Pulsenergie in einem Be reich von 1 mJ bis 100 J, insbesondere in einem Bereich von 10 mJ bis 1 J, und Pulsdauern in einem Bereich von 10 fs bis 5 ps, insbesondere in einem Bereich von 500 fs bis 1,5 ps um fasst,
- Einstellen eines zirkularen Polarisationszustands der gepulsten Laserstrahlung für das Durchlaufen der Mehrfachdurchgangszelle,
- Einkoppeln der gepulsten Laserstrahlung in die Mehrfachdurchgangszelle, wobei die ge pulste Laserstrahlung die Mehrzahl von Zwischenfokuszonen durchläuft und in den Zwi schenfokuszonen mit dem Füllgas nichtlinear wechselwirkt, sodass eine spektrale Verbreite rung der gepulsten Laserstrahlung in den Zwischenfokuszonen bewirkt wird,
- Einstellen des Drucks des Füllgases in einem Druckbereich, in dem ein Ionisierungsverhal ten des Füllgases im Rahmen der Mehrphotonenionisation vorliegt,
- Einstellen von Fokusdurchmessers in den Zwischenfokuszonen derart, dass die gepulste La serstrahlung die Mehrfachdurchgangszelle ohne Ionisierung des Füllgases durchläuft, und
- Auskoppeln der spektral verbreiterten gepulsten Laserstrahlung aus der Mehrfachdurch gangszelle.
Wird der Druck für ein Ionisierungsverhalten des Füllgases im Rahmen der Mehrphotonenio nisation eingestellt, liegt insbesondere eine reine Mehrphotonenionisation vor, bei der
Lawinenionisation im Wesentlichen nicht zur Ionisierung des Gases beiträgt. Ein Einstellen der Fokusgeometrie, sodass die Zwischenfokuszone ohne Ionisierung durchlaufen wird, be deutet in diesem Fall, dass eine möglicherweise eintretende Ionisierung nur in einem Umfang erfolgt, der die Durchführbarkeit einer gewünschten spektralen Verbreiterung nicht stört.
Als Bedingung zur Einstellung der Parameter der Mehrfachdurchgangszelle für ein Ionisie rungsverhalten im Rahmen der Mehrphotonenionisation ist der Druck in einem Bereich einge stellt, in dem eine Spitzenintensität eines Laserpulses, bei der eine Ionisierung des Füllgases einsetzt (hierin auch als mehrphotonenionisierende (Schwellen-) Intensität bezeichnet), im Wesentlichen unabhängig vom Druck des Füllgases ist oder unwesentlich mit steigendem Druck des Füllgases abnimmt. (Unwesentlich bezieht sich hier auf den Umfang einer Drucker höhung in einer Größenordnung, wie sie für eine angestrebte Zunahme der Nichtlinearität er forderlich ist.)
In einigen Ausführungsformen ist die Mehrfachdurchgangszelle mit He-Gas als Füllgas mit einem Druck in einem Bereich von 100 Pa bis 60.000 Pa, insbesondere in einem Bereich von 1.000 Pa bis 50.000 Pa gefüllt. In anderen Ausführungsformen ist die Mehrfachdurchgangs zelle mit Ar-Gas als Füllgas mit einem Druck in einem Bereich von 100 Pa bis 50.000 Pa, ins besondere in einem Bereich von 1.000 Pa bis 40.000 Pa gefüllt.
In einigen Ausführungsformen sind die Fokusdurchmesser der Zwischenfokuszonen derart eingestellt, dass eine Spitzenintensität, die sich bei der Pulsdauer und der Pulsenergie der La serpulse in den Zwischenfokuszonen ergibt, im Bereich von 50 % bis 110 % einer mehrphoto nenionisierenden (Schwellen-) Intensität liegt.
In einigen Ausführungsformen kann die erste Polarisationseinstelloptik eine erste Wellenplatte umfassen, zum Beispiel eine l/4-Wellenplatte und/oder eine l/2-Wellenplatte.
In einigen Ausführungsformen kann das optische System ferner mindestens eine der folgen den optischen Komponenten umfassen:
- ein Pulsdauereinstellsystem zum Einstellen einer Pulsdauer der Laserpulse der gepulsten La serstrahlung,
- eine erste optische Teleskopanordnung, die dazu eingestellt ist, die gepulste Laserstrahlung auf eine vorgegebene Mode in der Mehrfachdurchgangszelle abzubilden und die optional strahlabwärts der ersten Polarisationseinstelloptik angeordnet ist,
- einen Einkoppelspiegel zum Einkoppeln der gepulsten Laserstrahlung in die Mehrfachdurch gangszelle,
- einen Auskoppelspiegel zum Weiterleiten der aus der Mehrfachdurchgangszelle austretenden gepulsten Laserstrahlung und
- eine zweite optische Teleskopanordnung, die dazu eingestellt ist, die aus der Mehrfachdurch gangszelle austretende gepulste Laserstrahlung zu kollimieren.
In einigen Ausführungsformen kann die Mehrfachdurchgangszelle
- mit einer vorbestimmten oder einstellbaren Anzahl von Zwischenfokuszonen, und/oder
- mit Zwischenfokuszonen, die im Wesentlichen einen gleichen Durchmesser und eine gleiche Rayleigh-Länge aufweisen, und/oder
- mit Zwischenfokuszonen, die aufeinander, nebeneinander und optional sich teilweise überla gernd angeordnet sind,
- in einem Resonator- Aufbau mit, insbesondere gleichen, Krümmungsradien der mindestens zwei Spiegel, optional in konfokaler oder konzentrischer Anordnung, und/oder
- in einem Resonator-artigen Aufbau mit, insbesondere gleichen, Krümmungsradien der min destens zwei Spiegel, optional in nahezu konfokaler oder nahezu konzentrischer Anordnung, und/oder
- in einer Anordnung, in der die mindestens zwei Spiegel eine Mehrzahl von Spiegelsegmen ten umfassen, wobei zwischen jeweils zwei Spiegel Segmenten eine Zwischenfokuszone aus gebildet wird, und die Zwischenfokuszonen nacheinander durchlaufen werden,
- als eine mit einem Edelgas wie Helium oder Argon als Füllgas gefüllte Zelle, wobei in jeder der Zwischenfokuszonen der gleiche Druck vorliegt, und/oder
- zur schrittweisen nichtlinearen spektralen Verbreiterung der durchlaufenden gepulsten La serstrahlung in den Zwischenfokuszonen ausgebildet sein.
In einigen Ausführungsformen kann das Lasersystem ferner eine zweite Polarisationseinstel loptik zum Rückführen des zirkularen Polarisationszustands in einen linearen Polarisationszu stand umfassen. Die zweite Polarisationseinstelloptik kann strahlabwärts der Mehrfachdurch gangszelle angeordnet sein und insbesondere eine zweite, insbesondere achromatische, Wel lenplatte, z.B. eine l/4-Wellenplatte und/oder eine l/2-Wellenplatte, umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann das Lasersystem ferner mindestens eine der folgenden optischen Komponenten umfassen:
- ein Pulsdauereinstellsystem zum Einstellen der Pulsdauer der Laserpulse,
- ein optisches Pulsdauer-Kompressorsystem zum Kompensieren eines dispersiven Beitrags des optischen Systems und/oder zum zeitlichen Komprimieren der Laserpulse der Laserstrah lung, die die nichtlineare spektrale Verbreiterung in mindestens einer der Zwischenfokuszo nen erfahren haben,
- einen Strahlteiler zum Trennen von, von der Mehrfachdurchgangszelle ausgegebenen, unter schiedlichen Polarisationszuständen und
- ein Steuerungssystem, das für eine Kompensation einer Reduzierung der Nichtlinearität des Füllgases aufgrund der eingestellten zirkularen Polarisation zur Einstellung eines Drucks des Füllgases in der Mehrfachdurchgangszelle ausgebildet ist.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner mindestens einen der folgenden Schritte umfassen:
- Bereitstellen von He-Gas als Füllgas und Einstellen des Drucks in einem Bereich von 100 Pa bis 60.000 Pa, insbesondere in einem Bereich von 1.000 Pa bis 50.000 Pa,
- Bereitstellen von Ar-Gas als Füllgas und Einstellen des Drucks in einem Bereich von 100 Pa bis 50.000 Pa, insbesondere in einem Bereich von 1.000 Pa bis 40.000 Pa, und
- Erhöhen des Drucks des Füllgases zur Erhöhung der Nichtlinearität derart, dass eine Ab nahme einer Nichtlinearität des Füllgases bei zirkularer Polarisation ausgehend von einer Nichtlinearität des Füllgases, die bei einem gleichen Druck und bei linearer Polarisation vor liegt, ausgeglichen wird.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfassen:
- Einstellen der Fokusdurchmesser der Zwischenfokuszonen derart, dass sich eine Spitzenin tensität, die sich bei der Pulsdauer und der Pulsenergie der Laserpulse in den Zwischenfokus zonen ergibt, im Bereich von 50 % bis 110 % einer mehrphotonenionisierenden (Schwellen-) Intensität liegt.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner mindestens einen der folgenden Schritte umfassen:
- Einstellen der Polarisation der spektral verbreiterten gepulsten Laserstrahlung für einen nachfolgenden Strahlengang und
- Durchführen einer Dispersionskompensation der spektral verbreiterten gepulsten Laserstrah lung.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann ferner mindestens einer der folgenden Pa rameter der Mehrfachdurchgangszelle eingestellt werden:
- eine in der Mehrfachdurchgangszelle akkumulierte Dispersion der Laserpulse,
- Fokusdurchmesser der Zwischenfokuszonen, und
- Rayleigh-Längen der Zwischenfokuszonen.
Erfindungsgemäß wird allgemein vorgeschlagen, eine gasgefüllte Mehrfachdurchgangszelle zur spektralen Verbreiterung von gepulster Laserstrahlung mit zirkularer Polarisation einzu setzen. Dies hat den Vorteil, dass die gasgefüllte Mehrfachdurchgangszelle mit einer reduzier ten Länge aufgebaut werden kann. Denn durch Reduzieren der maximalen E-F eidstärke auf grund der Einstrahlung von zirkularpolarisierter Laserstrahlung (d.h., es wird mehr Pulsener gie zum Erreichen der Ionisationsschwelle benötigt) kann die Mehrfachdurchgangszelle mit einem kleineren Durchmesser in den Zwischenfokuszonen ausgebildet werden. Dies bedingt kleinere Krümmungsradien der Spiegel, die die Mehrfachdurchgangszelle aufbauen, und führt damit zu einer Verkürzung der, beispielsweise konfokal oder konzentrisch aufgebauten, Mehr fachdurchgangszelle (im Vergleich zu einer mit linearer Polarisation betriebenen Mehrfach durchgangszelle). Bevorzugt wird die Mehrfachdurchgangszelle mit Parametern im Bereich der Mehrphotonenionisation betrieben; also außerhalb des Bereichs der (Elektronen-) Lawi nenionisation, bei der während des Ionisationsprozesses sehr viele freie Elektronen entstehen. Mehrphotonenionisation ist der vorherrschende Ionisationsvorgang in „dünnen“ Gasen, wie sie bei den hierin für Edelgase angegebenen Drücken vorliegen.
Das Betreiben der Mehrfachdurchgangszelle mit Parametern (u.a. Dichte, Pulslänge, Pulsener gie), die den Ionisationsprozess der Mehrphotonenionisation charakterisieren, erlaubt eine Vergrößerung der Nichtlinearität im Füllgas durch ein Anheben des Drucks in der Mehrfach durchgangszelle, wobei die Druckanhebung die zur Ionisation benötigte zirkulare Breakdown- Pulsenergie (bei gleichbleibender Pulsdauer und Fokusgröße sowie zirkularer Polarisation) im Wesentlichen nicht beeinflusst. Für Helium als Füllgas findet Mehrphotonenionisation im Be reich von 1013 - 1015 Watt/cm2 mit einem Druck von 1.000 Pa bis einige Hundert mbar (n*104 Pa), z.B. 60.000 Pa statt.
In einigen Ausführungsformen sind die Spiegel der Mehrfachdurchgangszelle als konvexe Spiegel ausgebildet sind, wobei die Krümmungsradien insbesondere übereinstimmen und/oder ein Abstand der Spiegel in einem Bereich von 95% bis 105% der Summe der Krümmungsra dien liegt. Alternativ oder ergänzend kann mindestens einer der Spiegel als ein dispersiver Spiegel ausgebildet sein, dessen Dispersionsbeitrag einen dispersiven Beitrag mindestens ei nes Durchgangs eines Laserpulses der gepulsten Laserstrahlung durch die Mehrfachdurch gangszelle kompensiert. Alternativ oder ergänzend kann ferner mindestens einer der Spiegel mehrere Spiegelsegmente umfassen, auf die die gepulste Laserstrahlung beim Umlauf der ge pulsten Laserstrahlung durch die Mehrfachdurchgangszelle mindestens einmal trifft.
In einigen Ausführungsformen ist die Mehrfachdurchgangszelle derart ausgebildet, dass ein Laserpuls der gepulsten Laserstrahlung, dessen Spektrum im optischen System verbreitert werden soll, in den Zwischenfokuszonen im Wesentlichen keine Veränderung in der Puls dauer und/oder Pulsenergie erfährt.
Die spektrale Verbreiterung kann optional z.B. mit einer nachfolgenden Pulsdauer-Kompres sion kombiniert werden, um gepulste Laserstrahlung mit einer kurzen Pulsdauer und hohen Spitzenintensitäten zu erzeugen.
Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figu ren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine beispielhafte schematische Darstellung eines Lasersystems mit einem optischen System zur spektralen Verbreiterung,
Fig. 2A bis 2C beispielhafte Skizzen zur Erläuterung einer Herriott-Zelle als Beispiel einer Mehrfachdurchgangszelle und
Fig. 3 ein schematisches Flussdiagramm zur Erläuterung einer beispielhaften Vorgehensweise zur spektralen Verbreiterung.
Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass eine Verkürzung ei ner Mehrfachdurchgangszelle, die zur spektralen Verbreiterung hochintensiver Laserstrahlung eingesetzt wird, durch Reduzieren der maximalen E-F eidstärke aufgrund einer Durchstrahlung
mit hochintensiver Laserstrahlung in zirkularer Polarisation erfolgreich umgesetzt werden kann. Dabei wurde erkannt, dass für den vorteilhaften Einsatz der zirkularen Polarisation die Parameter der Laserstrahlung für das jeweilige Füllgas bevorzugt im Bereich der Mehrphoto nenionisation liegen, sodass eine Erhöhung des Drucks (und damit der Gasdichte in der Mehr fachdurchgangszelle) sich nicht oder nur geringfügig auf die zur Ionisation benötigte E-Feld- stärke auswirkt.
Es ist bekannt, dass bei zirkular polarisierter Laserstrahlung die zur Ionisation eines Füllgases benötigte Pulsenergie wesentlich angehoben wird, z.B. um einen Faktor 3 bis 10. Für zirkular polarisierte Laserstrahlung ist überdies der in den Zwischenfokuszonen vorliegende nichtline are Anteil des Brechungsindexes des Füllgases kleiner, sodass ein gewünschter nichtlinearer Effekt erst bei höheren Intensitäten/Pulsenergien eintritt. Beispielsweise reduziert sich die Nichtlinearität bei Zirkularpolarisation auf ein Drittel des Wertes der Nichtlinearität, der bei Linearpolarisation vorliegen würde.
Um die reduzierte Nichtlinearität auszugleichen, wird vorgeschlagen, einen Gasdruck in der Mehrfachdurchgangszelle um einen Kompensationsfaktor (beispielsweise um einen Faktor von 3) anzuheben.
In diesem Zusammenhang wurde erkannt, dass für He-Gas eine Mehrfachdurchgangszelle bei einem Druck im Bereich um oder unter einem Bar (100.000 Pa) für z.B. ultrakurze Laserpulse im Mehrphotonenabsorptionsbereich betrieben werden kann, in dem die zur Ionisation benö tigte Pulsenergie nahezu unabhängig vom Druck ist. Entsprechend kann der Druck in der Mehrfachdurchgangszelle ohne wesentliche Auswirkung auf das Ionisationsverhalten erhöht und so die aufgrund der Zirkularpolarisation reduzierte Nichtlinearität ausgeglichen werden.
Mit anderen Worten besteht für eine gasgefüllte Mehrfachdurchgangszelle die Möglichkeit, eine Konfiguration des optischen Strahlengangs (im Wesentlichen hinsichtlich der spektralen Verbreiterung gegeben durch Parameter der Zwischenfokuszonen) und Parameter des Füllga ses (im Wesentlichen gegeben durch einen Gasdruck im Mehrphotonenabsorptionsbereich in Abhängigkeit von der Gassorte) derart einzustellen, dass bei Verwendung von zirkularer Pola risation eine angestrebte spektrale Verbreiterung in einem möglichst kurzen und kompakten Aufbau der Mehrfachdurchgangszelle erreicht wird.
Mit der Abschätzung, dass die Länge einer Mehrfachdurchgangszelle proportional zur Quad ratwurzel aus dem Verhältnis von bei linearer Polarisation zur Ionisation benötigter Pulsener gie zu bei zirkularer Polarisation zur Ionisation benötigter Pulsenergie skaliert, kann die Mehr fachdurchgangszelle auf diese Weise wesentlich verkürzt werden. Es ergibt sich in etwa eine mögliche Verkürzung um den Faktor 3. Mit anderen Worten kann die Länge z.B. einer Her- riott-Zelle durch Einstellen einer zirkularen Polarisation für die spektral zu verbreiternde La serstrahlung verkürzt werden, wobei gleichzeitig die Randbedingung, die Herriott-Zelle für die nichtlineare Wechselwirkung möglichst „nah an der Ionisationsschwelle“ zu betreiben, eingehalten werden kann.
Eine Mehrfachdurchgangszelle kann mit einem Spiegelpaar aufgebaut werden, wie beispiels weise mit der nachfolgend in Zusammenhang mit den Figuren erläuterten Herriott-Zelle. All gemein stellt eine Mehrfachdurchgangszelle einen mehrfachen Durchgang durch Zwischenfo kuszonen bereit. Zwischenfokuszonen können zwischen optischen Elementen, z.B. zwischen Reflexionen auf Spiegeln/Spiegelsegmenten, gebildet werden. Siehe hierzu auch die eingangs genannte DE 10 2014 007159 Al. Eine Mehrzahl von Zwischenfokuszonen können beispiels weise auch in modularen Aufbauten von Herriott-artigen Zellen mit mehreren Spiegel Segmen ten ausgebildet werden. Eine oder mehrere Faltungen des Strahlengangs können in der Mehr fachdurchgangszelle vorgenommen werden.
Fig. 1 zeigt ein Lasersystem 1, das zur spektralen Verbreiterung ein optisches System 3 auf weist. Das optische System 3 basiert auf der Verwendung einer mit Füllgas 4 gefüllten Mehr fachdurchgangszelle 5 (beispielsweise eine Herriott-Zelle), wobei das Füllgas 4 als nichtlinea res (Kerr-) Medium dient. Als Füllgase werden beispielsweise Edelgase eingesetzt. Bei sehr hohen Intensitäten kann Helium mit einer hohen Ionisationsschwelle (ca. 3-mal höhere Ionisa tionsschwelle als Argon) verwendet werden. Bei niedrigeren aber immer noch hohen Intensi täten in der Mehrfachdurchgangszelle 5 kann beispielsweise Argon oder ein anderes Edelgas als nichtlineares Medium eingesetzt werden.
Das Lasersystem 1 umfasst allgemein eine Laserstrahlungsquelle 7, die Laserstrahlung 9 aus gibt. Die Laserstrahlung 9 umfasst (Primär-) Laserpulse 11 mit einer Pulsenergie im Bereich von einigen mJ, beispielsweise mindestens 20 mJ, z.B. einigen Hundert Millijoule, und einer Pulsdauer At im Bereich von einigen Hundert Femtosekunden (FWHM-Pulsdauer) und weni ger, z.B. 500 fs. Die Laserpulse 11 bilden beispielsweise eine Ultrakurzpulsfolge aus.
In Abhängigkeit von der Laserstrahlungsquelle 7 kann die Laserstrahlung 9 ferner niederener getische Laserstrahlung 13 umfassen, die in Fig. 1 als (sekundäre) Vorpulse 13 A oder Nach pulse 13B beispielhaft angedeutet ist.
Ferner kann die Laserstrahlungsquelle 7 optional ein Pulsdauereinstellsystem 15 zum Einstel len der Pulsdauer der Laserpulse 11 aufweisen, wobei das Pulsdauereinstellsystem 15 wie in Fig. 1 angedeutet auch dem optischen System 3 zugeordnet werden kann.
Im vorliegenden Beispiel wird angenommen, dass am Ausgang des Pulsdauereinstellsystems 15 bzw. am Ausgang der Laserstrahlungsquelle 7 die Laserstrahlung 9 mit einer linearen Pola risation 17A vorliegt, deren Polarisationsvektor in Fig. 1 beispielhaft orthogonal zur Zeichen ebene angedeutet ist. D.h., sowohl die Laserpulse 11 als auch evtl vorliegende nieder energeti sche Laserstrahlung 13 sind linear polarisiert.
Das optische System 3 weist eine erste Polarisationseinstelloptik 19 auf. In dieser wird die La serstrahlung 9 zirkular polarisiert. Die zirkulare Polarisation kann allgemein mit einer Wellen platte im Strahlengang vor der Mehrfachdurchgangszelle 5/Herriott-Zelle eingestellt werden (beispielsweise mit einer Zero- oder Few-Order-Wellenpatte). Zum Einstellen des zirkularen Polarisationszustands der Laserstrahlung 9 umfasst die erste Polarisationseinstelloptik 19 in Fig. 1 beispielhaft eine erste l/4-Wellenplatte 19A. In Fig. 1 ist am Ausgang der ersten Polari sationseinstelloptik 19 ein zirkular umlaufender E-Feldvektor zur Verdeutlichung eines zirku laren Polarisationszustands 17B angedeutet.
Alternativ kann die zirkulare Polarisation über Faraday -Rotatoren, Pockels-Zellen oder andere geeignete polarisationsbeeinflussende Elemente eingestellt werden. Die Einstellung der Pola risation in der ersten Polarisationseinstelloptik 19 kann bevorzugt unabhängig von der Intensi tät erfolgen, wenn die Wellenplatten mit einem anisotropen Brechungsindex arbeiten, bei spielsweise mit einem doppelbrechenden Kristall.
Zum Einstellen des zirkularen Polarisationszustands der Laserstrahlung 9 wird beispielsweise die erste l/4-Wellenplatte 19A bezüglich der Polarisationsebene der Laserstrahlung 9 derart im Winkel zwischen einer schnellen Achse der l/4-Wellenplatte und der Polarisationsebene eingestellt, dass der Winkel in etwa 45° beträgt. Der Winkel liegt beispielsweise im Bereich
von 42°- 48°, sodass evtl eine (z.B. auch justagebedingte Rest-) Elliptizität der Polarisation vorliegen kann.
Fig. 1 zeigt ferner eine Teleskopanordnung 21 zum Anpassen der Mode (allgemein von Strahlparametern wie Strahldurchmesser und Strahldivergenz) der gepulsten Laserstrahlung 9 vor der Einkopplung in die Mehrfachdurchgangszelle 5 mit einem Einkoppelspiegel 23.
Die Mehrfachdurchgangszelle 5 umfasst zwei konkav gekrümmte Spiegel 25A, 25B, die in einer gasgefüllten Umgebung einen mehrfach zwischen den Spiegeln 25 A, 25B hin und her verlaufenden Strahlengang 5A ausbilden. Zwischen den Spiegeln 25A, 25B durchläuft die ge pulste Laserstrahlung in jedem Durchgang einen Fokuszonenbereich, in dem sich Zwischenfo kuszonen mit einer entsprechend hohen Intensität der gepulsten Laserstrahlung ausbilden. In den Zwischenfokuszonen findet eine Wechselwirkung der Laserstrahlung mit einem in die Mehrfachdurchgangszelle eingebrachten Füllgas statt, die zu nichtlinearen Effekten führt, bei spielsweise zu der beabsichtigten spektralen Verbreiterung oder - bei möglichst zu vermeiden den zu hohen Intensitäten in den Zwischenfokuszonen - zu einem optischen Breakdown/einer zu starken Ionisation des Füllgases. Der Betrieb der Mehrfachdurchgangszelle findet somit im Spannungsfeld einer ausreichend eintretenden spektralen Verbreiterung der Laserstrahlung und einer Vermeidung von Ionisationseffekten auf die Laserstrahlung statt.
Eine schrittweise nichtlineare spektrale Verbreiterung wird durch die jeweils in einer Zwi schenfokuszone vorliegende hohe Intensität und durch die Nichtlinearität des Brechungsinde xes des gasförmigen Mediums in der Mehrfachdurchgangszelle 5 hervorgerufen.
Eine Herriott-Zelle ist ein Beispiel für eine Mehrfachdurchgangszelle, in die gepulste Laser strahlung für einen Mehrfachdurchgang eingekoppelt werden kann. Die Herriott-Zelle wird durch zwei konkave Spiegel gebildet, die zum Beispiel in einer konzentrischen oder konfoka- len Resonatoranordnung (oder nahezu in einer konzentrischen oder konfokalen Resonator-arti gen Anordnung mit bis zu einigen Millimetern Versatz von der idealen konzentrischen oder konfokalen Anordnung), allgemein auch in einer anderen Resonatorkonfiguration, entlang ei ner gemeinsamen optischen Achse 27 (gegeben durch die spezifische Anordnung) aufeinander ausgerichtet sind. In diesem Fall werden die Spiegel 25A, 25B auch als Herriott- oder End- Spiegel bezeichnet. Wird die Laserstrahlung 9 versetzt zur optischen Achse 27 in die
Mehrfachdurchgangszelle 5 eingebracht, wird die Laserstrahlung 9 mehrfach hin und zurück auf einem vorgegebenen üblicherweise elliptischen (kreisförmigen) Muster umlaufen.
Fig. 2A verdeutlicht schematisch den Strahlengang zwischen den Spiegeln 25A, 25B (zwei Spiegelsegmenten) unter Ausbildung einer Zwischenfokuszone 29, eine entsprechend ange passte Mode der eingekoppelten Laserstrahlung 9 vorausgesetzt. Die Zwischenfokuszone 29 weist beispielsweise einen Fokusdurchmesser d und eine Rayleigh-Länge Lr auf und liegt im Bereich einer Symmetrieebene 31 der, im Beispiel der Fig. 1 konzentrisch ausgebildeten, Re sonatoranordnung.
Die Figuren 2B und 2C zeigen Aufsichten auf die Spiegel 25A, 25B, in denen kreisförmig an geordnete Auftreffbereiche 33 auf den Spiegeloberflächen schematisch angedeutet sind. In den Auftreffbereichen 33 trifft die Laserstrahlung 9 möglichst mittig, bevor sie von dort wie der in Richtung des Zentrums der Mehrfachdurchgangszelle 5/der Resonatoranordnung zu rückreflektiert wird. In den Figuren 2B und 2C erkennt man ferner eine Einkopplungsöffnung 35 A sowie eine Auskopplungsöffnung 35B. Die für die Reflexion bereitstehenden Bereiche auf der Oberfläche der Spiegel 25A, 25B sind kreisförmige Flächenabschnitte mit einem Durchmesser D. Die Anzahl der Umläufe (Zwischenfokuszonen 29) kann im Prinzip beliebig groß sein; beispielsweise können 5 bis 100 Zwischenfokuszonen durchlaufen werden; d.h., in der Mehrfachdurchgangszelle werden mehrere Zwischenfokuszonen durchlaufen. Ferner kann mindestens einer der Spiegel 25A, 25B auch aus einzelnen diskreten Spiegelelementen aufge baut sein, wobei eine Reflektion (Auftreffbereich 33) bevorzugt auf einem einzelnen Spie gelelement stattfinden kann. Beispielsweise werden zwölf Zwischenfokuszonen 29 durchlau fen.
Alternativ zur Strahleinkopplung und Strahlauskopplung durch Öffnungen in den Spiegeln können kleinere Spiegelelemente, die in die Mehrfachdurchgangszelle eingreifen, verwendet und beispielsweise an den Positionen der Öffnungen 35A, 35B positioniert werden.
Bezugnehmend auf den in Fig. 1 angedeuteten Strahlengang 5A wird die gepulste Laserstrah lung 9 wiederholt durch Zwischenfokuszonen im Zentrum der Mehrfachdurchgangszelle 5 ge führt. In den Zwischenfokuszonen bilden sich aufgrund der Fokussierung der Laserpulse wäh rend der Pulsdauer At der Laserpulse 11 hohe Intensitäten aus, die zu einem nichtlinearen Ver halten des Brechungsindexes des Gases 4 führen. Das nichtlineare Verhalten des
Brechungsindexes des Gases 4 kann zur spektralen Verbreiterung der gepulsten Laserstrah lung 9 genutzt werden.
Nach der vorbestimmten Anzahl von Durchläufen durch die Mehrfachdurchgangszelle 5 ver lässt die Laserstrahlung 9 die Mehrfachdurchgangszelle 5 und trifft auf einen die ausgekop pelte Laserstrahlung reflektierenden Ausgangsspiegel 37. Der Ausgangsspiegel 37 lenkt die Laserstrahlung 9 durch eine zweite Teleskopanordnung 39, die die Laserstrahlung 9 rekolli- miert.
Eine Länge einer Mehrfachdurchgangszelle zur nichtlinearen Kompression ist durch einen Abstand der Spiegel 25A, 25B gegeben. In radialer Richtung hängt das Ausmaß der Mehr fachdurchgangszelle von der vorgesehenen Anzahl der Umläufe ab.
Wesentlich für die Integration einer Mehrfachdurchgangszelle in einen optischen Aufbau ist die Länge der Mehrfachdurchgangszelle, da diese bei einigen Metern (z.B. bis zu 10 m und mehr) liegen kann. Die Länge einer Mehrfachdurchgangszelle wird durch zwei Faktoren be stimmt:
- Eine Zerstörschwelle der Endspiegel. Die Zerstörschwelle bedingt - bei einer vorgegebenen Strahlintensität - eine Mindestgröße des reflektierten Laserstrahls („minimal einstellbarer Strahldurchmesser“) auf den Endspiegeln. Bezüglich eines einzelnen Durchlaufs bestimmt diese Mindestgröße zusammen mit der Krümmung des Endspiegels den Fokusdurchmesser in der Zwischenfokuszone. (Zusammen mit der Anzahl der benötigten Reflexionszonen definiert die Mindestgröße des reflektierten Laserstrahls auf den Endspiegeln ferner einen Durchmesser des Endspiegels.)
- Eine Ionisationsschwelle des in der Mehrfachdurchgangszelle vorliegenden Füllgases. Die Ionisationsschwelle begrenzt die in der Zwischenfokuszone einbringbare Intensität, d.h., die Intensität, die für die nichtlineare Wechselwirkung genutzt werden kann. Die Ionisations schwelle bestimmt somit eine „maximal einkoppelbare Strahlintensität“ für vorgegebene Para meter der Zwischenfokuszone. Tritt vermehrt Ionisation in der Zwischenfokuszone ein, kann die durch die Mehrfachdurchgangszelle tretende Laserstrahlung gestört werden und beispiels weise eine vom Gaußschen Strahlprofil abweichende Intensitätsverteilung oder eine reduzierte Transmission annehmen.
Aus diesen beiden Randbedingungen - welcher Strahldurchmesser auf den Endspiegeln er laubt ist und welcher Fokusdurchmesser und damit welche Intensität im Zentrum der Mehr fachdurchgangszelle vorliegen soll - ergibt sich die Länge der Mehrfachdurchgangszelle.
Schafft man es, die zur Ionisation benötigte Pulsenergie anzuheben, beispielsweise durch die hierin vorgeschlagene Verwendung von zirkularer Polarisation, kann eine kürzere Mehrfach durchgangszelle aufgebaut und für die spektrale Verbreiterung verwendet werden. Eine kür zere Mehrfachdurchgangszelle entspricht kürzeren Fokuslängen (d.h., z.B. einem kleineren Krümmungsradius der Endspiegel einer Herriott-Zelle), wodurch sich ein kleinerer Fokus durchmesser in den Zwischenfokuszonen ergibt, in denen dann die zur Ionisation benötigte In tensität mit der vorliegenden Pulsenergie und Pulsdauer nicht erreicht oder nicht wesentlich überschritten werden darf.
Die aufgrund der zirkularen Polarisation reduzierte Nichtlinearität, die die Laserstrahlung beim Durchlaufen der Mehrfachdurchgangszelle erfährt, wird durch Anheben des Drucks des Füllgases ausgeglichen.
Hinsichtlich der einzusetzenden Pulsenergie wird diese für eine vorgegebene Pulsdauer und Fokusgeometrie derart gewählt, dass in der Zwischenfokuszone eine (Puls-) Spitzenintensität vorliegt, die im Bereich oder leicht unterhalb der einsetzenden Multiphotonenionisierung liegt. Die (Puls-) Spitzenintensität liegt als obere Grenze beispielsweise maximal 10 % über der der Ionisationsschwelle zugeordneten Intensität; die der Ionisationsschwelle im Bereich der Mehrphotonenionisation zugeordnete Intensität wird hierin als mehrphotonenionisierende Intensität bezeichnet. Mit Blick auf Schwankungen beispielsweise der Laserparameter kann die eingestellte (Pulsspitzen- Intensität reduziert werden, beispielsweise auf die Hälfte der mehrphotonenionisierenden Intensität (untere Grenze der Pulsspitzenintensität). Mit anderen Worten wird die Geometrie der Mehrfachdurchgangszelle auf eine Spitzenintensität der vor liegenden Laserpulse (Pulsenergie/Pulsdauer/zirkulare Polarisation) derart abgestimmt, dass sich bei der Pulsdauer und der Pulsenergie der zirkular polarisierten Laserpulse in den Zwi schenfokuszonen eine Pulsspitzenintensität ergibt, die im Bereich von 50 % bis 110 % einer mehrphotonenionisierenden Intensität liegt - die mehrphotonenionisierende Intensität ergibt sich in den Zwischenfokuszonen bei einer zur Ionisierung des Füllgases führenden (minima len) Ionisationspulsenergie zirkular polarisierter Laserpulse. Insbesondere kann die
Spitzenintensität in einem Bereich von 50 % bis 100 % oder in einem Bereich von 60 % bis 105 % oder in einem Bereich von 60 % bis 95 % oder in einem Bereich von 70 % bis 90 % der mehrphotonenionisierenden Intensität für zirkulare Polarisation liegen.
Zur Polarisationsanpassung der Laserstrahlung 9 nach der spektralen Verbreiterung kann das Lasersystem 1 eine Anordnung von einer oder mehreren Wellenplatten aufweisen (z.B. l/4, l/8, l/2, l-Wellenplatten). Die in Fig. 1 beispielhaft gezeigte Ausführungsform umfasst eine zweite (achromatische) l/4-Wellenplatte 43. Die zweite l/4-Wellenplatte 43 führt die im zir kularen Polarisationszustand austretende Laserstrahlung wieder in eine lineare Polarisation über. Optional können zusätzlich Wellenplatte(n) (z.B. eine l/2-Wellenplatte) zur Ausrichtung der Polarisationsebene vor oder nach der zweiten l/4-Wellenplatte 43 vorgesehen werden.
Optional kann das optische System 3 ferner ein optisches Strahlteilungssystem 41 aufweisen. In der in Fig. 1 beispielhaft gezeigten Ausführungsform umfasst das optische Strahlteilungs system 41 die zweite l/4-Wellenplatte 43 und einen als Strahlteilerwürfel dargestellten Strahl teiler 45. Weitere optische Elemente zur Trennung unterschiedlicher Polarisationen umfassen Dünnschichtpolarisatoren und z.B. Wollaston-Prisma-Anordnungen. Der Strahlteiler 45 kann für eine Strahlreinigung von evtl in der Mehrfachdurchgangszelle 5 erzeugten Strahlanteilen mit anderen (nicht zirkularen) Polarisationszuständen genutzt werden. Diese können z.B. bei evtl vorliegender niederenergetischer Laserstrahlung 13 und einer nicht vollständig zirkularen Polarisierung in der Mehrfachdurchgangszelle 5 entstehen, wenn sich aufgrund einer intensi tätsabhängigen Rotation von elliptischen Polarisationszuständen im Fokus der Mehrfach durchgangszelle 5 die Ausrichtungen der Hauptachsen der leicht elliptisch polarisierten Laser pulse 11 und der leicht elliptisch polarisierten niederenergetischen Laserstrahlung 13 am Aus gang der Mehrfachdurchgangszelle unterscheiden. Weitere Aufbauten zur Aufteilung von Strahl anteilen mit unterschiedlichen elliptischen Polarisationszuständen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Aufgrund der Nichtlinearität des Brechungsindexes n des gasförmigen Kerr-Mediums in der Mehrfachdurchgangszelle 5 - d.h. für einen intensitätsabhängigen Brechungsindex n = n_0 + n_2 * I(r; t) mit den gasspezifischen Brechungsindexparametern n_0 und n_2 und dem Intensi tätsverlauf I(r; t) in der Zwischenfokuszone - ergibt sich für die Laserpulse 11 eine spektrale Verbreiterung.
In Fig. 1 ist beispielhaft ein Laserpuls 1 G des Nutz-Strahlanteils 9A angedeutet, der hier bei spielhaft von Vor- und Nachpulsen befreit wurde.
Für die nachfolgende Verwendung der Laserpulse 1 G, die spektral verbreitert wurden, können die Laserpulse 1 G beispielsweise einem Kompressor 49 zugefügt werden. Der Kompressor 49 ist in Fig. 1 beispielhaft als Chirped-Mirror-Kompressor dargestellt. An einem Ausgang des Lasersystems 1 kann so eine Nutz-Laserstrahlung 9A' ausgegeben werden, die eine Folge komprimierter Laserpulse 11" umfasst.
Im Unterschied zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau, der eine HCF verwen det, kann es die hierin vorgeschlagene Konfiguration unter Verwendung z.B. einer Herriott- Zelle ermöglichen, dass eine vorbestimmte/einstellbare Anzahl von Zwischenfokuszone 29 durchlaufen wird. Überdies ist ein Fokusdurchmesser d in den Zwischenfokuszonen einstell bar und kann beispielsweise auch über den Krümmungsradius Rm der Spiegel 25A, 25B auf die Laserleistung, Pulsdauer etc. und das Gas 4 abgestimmt werden. Der Krümmungsradius Rm ist beispielsweise für beide Spiegel identisch bzw. liegt zumindest in der gleichen Grö ßenordnung.
Neben einer Einsteilbarkeit der Größe der Zwischenfokuszone 29 z.B. durch die Krümmungs radien der Spiegel 25A, 25B sowie durch eine entsprechende Teleskopanordnung zur Moden anpassung, die der Mehrfachdurchgangszelle vorgeschaltet werden kann, wird hinsichtlich der Nichtlinearität der Gasdruck eingestellt. Es wird angemerkt, dass bei Vorliegen einer hohen räumlichen Nähe der verschiedenen durchlaufenden Zwischenfokuszonen in der Mehrfach durchgangszelle in jeder der Zwischenfokuszone der gleiche Gasdruck gegeben ist. Bevorzugt sind die optischen Strahlparameter und Strahleigenschaften in den verschiedenen Zwischenfo kuszonen sehr ähnlich, sodass auch ähnliche nichtlineare Effekte vorliegen.
Bilden die Spiegel 25 A, 25B z.B. einen konzentrischen Resonator (Spiegel ab stand ca. 2*Rm bei identischen Krümmungsradien Rm), haben die Zwischenfokuszonen 29 im Wesentlichen alle den gleichen Durchmesser d und weisen entsprechend gleiche Rayleigh-Längen Lr auf. Allgemein liegt der Abstand der Spiegel 25 A, 25B in einem Bereich von 95% bis 105% der Summe der Krümmungsradien. Ein intensiver Laserpuls 11 propagiert durch diese Zwischen fokuszonen 29 sequenziell und wechselwirkt dabei wiederholt mit dem Gas 4 bei elektrischen
Feldstärken, die nichtlineare Effekte auf den Brechungsindex n und damit auf das Spektrum des Laserpulses 11 hervorrufen können.
Die Verwendung des hierin beschriebenen Herriott-Aufbaus stellt verschiedene im Voraus fest legbare und/oder während des Betriebs einstellbare Parameter bei der Auslegung der Zwischen fokuszonen und der darin vorliegenden nichtlinearen Bedingungen bereit. Für die Einstellung der Parameter kann das optische System 3 beispielsweise ein Steuerungssystem 61 aufweisen, das über Steuerungsverbindungen 63 mit der Pulsdauereinstellsystem 15, optional der Polarisa tionseinstelloptik 19 (insbesondere zur Einstellung der Winkel Stellungen der ersten l/4- Wel lenplatte 19A und optional einer l/2-Wellenplatte), den Teleskopanordnungen 21, 39 (insbe sondere zur Einstellung des Abstands zwischen Teleskoplinsen 21 A, 21B), einer Druckeinstell vorrichtung 65 zur Einstellung des Gasdrucks (siehe Fig. 1) und/oder den nachfolgenden Wel lenplatten (beispielsweise zur Einstellung der Winkel Stellung der zweiten (achromatischen) l/4- Wellenplatte 43) und optional dem optischen Strahlteilungssystem 41 verbunden ist.
Mithilfe des Steuerungssystems 3 können beispielsweise eingestellt werden:
- die Pulsdauer At und/oder die Dispersion und/oder die spektrale Bandbreite der Laserpulse 11 der gepulsten Laserstrahlung 9,
- die Pulsenergie der Laserpulse 11 der gepulsten Laserstrahlung 9,
- eine zirkulare Polarisation der gepulsten Laserstrahlung 9,
- die Fokusdurchmesser d in den Zwischenfokuszonen 29,
- die Rayleigh-Längen Lr der Zwischenfokuszonen 29 und
- ein Gasdruck des Füllgases 4 in den Zwischenfokuszonen 29.
Wie in Fig. 2B und Fig. 2C gezeigt trifft die Laserstrahlung 9 wiederholt auf die Spiegel 25A, 25B (jeweils mehrfach). Ergänzend können die Spiegel zur Dispersionsanpassung genutzt werden, indem sie als dispersive Spiegel ausgeführt werden. Weisen die Spiegel 25A, 25B zu mindest bei einer der Reflexionen eine dispersive Wirkung auf, kann direkt auf die Dispersion und damit die Pulsdauer der Laserpulse 11 eingewirkt werden. Beispielsweise können eine oder mehrere der Auftreffbereiche 33 mit einer dispersiven Schicht versehen werden. Eine dispersive Beschichtung 51 ist beispielhaft in Figur 2A für den Spiegel 25B gestrichelt ange deutet. Überdies kann jeder der Spiegel 25A, 25B aus mehreren Spiegelsegmenten mit vorbe stimmten dispersiven Eigenschaften aufgeb aut werden, wobei jedes der Spiegelsegmente in seiner Dispersion auf eine gewünschte Pulsdauer im Durchlauf durch die
Mehrfachdurchgangszelle 5 angepasst wird. Entsprechend setzt sich die in der Mehrfach durchgangszelle 5 vorliegende Dispersion aus einem Dispersionsbeitrag der dispersiven Spie gel und einem Dispersionsbeitrag im gasgefüllten Volumen entlang des Strahlengangs 5A zu sammen.
In Fig. 1 ist ein beispielhaftes Spiegelsegment 53 angedeutet. Beim Umlauf der gepulsten La serstrahlung durch die Mehrfachdurchgangszelle trifft die Laserstrahlung (je nach Größe des Spiegelsegments) mindestens einmal auf das Spiegelsegment, das üblicherweise mindestens ein Ausmaß in der Größe des Strahldurchmessers D auf der Spiegeloberfläche aufweist.
Mit anderen Worten erlauben es die hierin vorgeschlagenen Konzepte, eine Dispersion, die beim Durchgang durch das gasgefüllte Volumen akkumuliert wird, durch geeignete dispersive Spiegelbeschichtungen (gechirpte Spiegel) zumindest teilweise zu kompensieren, um bei spielsweise vergleichbare Pulsdauem in den Zwischenfokuszonen beizubehalten oder die Pulsdauern gezielt zu variieren.
Aufgrund der nichtlinearen spektralen Verbreiterung kann sich das Pulsspektrum von Zwi schenfokuszone zu Zwischenfokuszone ändern, und zwar im Wesentlichen bei gleichbleiben der Pulsdauer und gleichbleibender Pulsenergie. Wird die Mehrfachdurchgangszelle 5 mittels gechirpter Spiegel aufgebaut, kann die Pulsdauer überdies eingestellt werden. Beispielsweise kann sich die Pulsdauer von Durchgang zu Durchgang ändern (verkürzen oder verlängern). Entsprechend bleiben auch bei einer nichtlinearen spektralen Verbreiterung die Spitzenintensi täten in den Zwischenfokuszonen im Wesentlichen gleich.
Ein weiterer Vorteil kann sich im Zusammenhang mit der nichtlinearen spektralen Verbreite rung ergeben, wenn hierzu Laserstrahlung mit zirkularer Polarisation in der Mehrfachdurch gangszelle eingesetzt wird. So kann die spektrale Verbreiterung eventuell in sich glatter über das Frequenzspektrum hinweg erfolgen, sodass sich ein weniger strukturiertes Spektrum erge ben kann. Dies kann sich auf die anschließende Pulsformung und/oder Pulskompression posi tiv auswirken.
Fig. 2A zeigt die Ausbildung einer Zwischenfokuszone in einer Herriott-Zelle unter der An nahme von gekrümmten Herriott-Spiegeln. Nachfolgend werden geometrische Parameter für
die Umsetzung einer Mehrfachdurchgangszelle im Rahmen der hierin vorgestellten Konzepte betrachtet.
Die Begrenzung der Pulsenergien von Laserpulsen, die mit einer Mehrfachdurchgangszelle spektral verbreitert (und optional im Kontrast erhöht) werden können, ergibt sich aus einer Vermeidung einer Laser-induzierten Beschädigung der (Herriott-) Spiegel und aus dem Ioni sationsschwellwert des verwendeten Gases. Ein möglichst hoher Ionisationsschwellwert liegt bei der Verwendung von Helium als Gas 4 in der Mehrfachdurchgangszelle 5 bei ca. 3,42 10L14 W/cm2
Die Laser-induzierte Beschädigung der Spiegel 25 A, 25B bedingt einen Mindestdurchmesser der Laserstrahlung 9 auf den gekrümmten Spiegel 25A, 25B. Der Ionisationsschwellwert be stimmt den kleinstmöglichen Fokusdurchmesser d in den Zwischenfokuszonen 29 mit Blick auf die Vermeidung einer Ionisation des Gases 4. Beide Parameter definieren gemeinsam eine notwendige Länge der Mehrfachdurchgangszelle 5, d.h., den Abstand der Spiegel, die bei spielsweise den konzentrischen Resonator aufbauen, sowie deren Krümmungsradius.
Für die spektrale Verbreiterung ist die nichtlineare Wechselwirkung mit dem Füllgas entschei dend, die wie bereits angesprochen bei zirkularer Polarisation abnimmt. Die geringere Nichtli nearität wird durch eine Druckerhöhung kompensiert.
Es ist bekannt, dass sich eine Druckzunahme auf den Ionisationsprozess auswirken kann. Hier wird zwischen dem Bereich der Multiphotonenionisation (geringer Druck/geringe Dichte, kurze Pulse) und dem Bereich der Lawinenionisation (höherer Druck/höhere Dichte, lange Pulse) unterschieden. Im Bereich der Multiphotonenionisation kann für Helium als Füllgas die für die Ionisation benötigte Energie im Wesentlichen als unabhängig vom Gasdruck in der Mehrfachdurchgangszelle angesehen werden. Für andere Edelgase ist eine Abhängigkeit in Form einer leichten Abnahme gegeben, wobei die Abnahme geringer wird, wenn der Gas druck abnimmt. Im Bereich der Lawinenionisation liegt eine stärkere Abnahme der für die Io nisation benötigten Energie mit ansteigendem Gasdruck vor, da dichteres Gas die Ausbildung der Elektronenlawine fördert.
Befindet man sich im Bereich der Multiphotonenionisation kann der Wechsel von linearer Po larisation zur zirkularen Polarisation zu einer erheblichen Verkürzung der
Mehrfachdurchgangszelle (z.B. einer Herriott-Zelle) führen. He-Gas hat im Vergleich mit Ar- Gas eine niedrigere Nichtlinearität Jedoch eine viel höhere Ionisationsschwelle. Aufgrund der hohen Ionisationsschwelle kann He-Gas für die spektrale Verbreiterung von ultrakurzen Pul sen mit Pulsenergien größer 20 mJ als Füllgas in einer Mehrfachdurchgangszelle eingesetzt werden, wobei die Ionisationsschwelle z.B. bei 500 fs und Drücken kleiner 100.000 Pa im Be reich der Mehrphotonenionisation liegt.
Die Erfinder haben erkannt, dass bei einer mit Pulsenergien im Bereich von 20 mJ und mehr betriebenen Mehrfachdurchgangszelle für He-Gas eine Druckerhöhung kaum Einfluss auf die zur Ionisation benötigte Pulsenergie aufweist, sodass He-Gas als Füllgas zusammen mit zirku larer Polarisation zur Verkürzung der Herriott-Zelle genutzt werden kann.
Zur Verdeutlichung der Verkürzung wird angenommen, es werden linear polarisierte ultra kurze Laserpulse mit Pulsenergien von einigen 10 mJ, beispielsweise 200 mJ, in eine He-ge- füllte Mehrfachdurchgangszelle eingekoppelt. Um bei diesen hohen Pulsenergien in der Mehr fachdurchgangszelle eine ausreichend nichtlineare Wechselwirkung bereitzustellen, ist ein Druck zum Beispiel im Bereich von 10.000 Pa bis 20.000 Pa einzustellen. Eine Länge der Mehrfachdurchgangszelle liegt dann z.B. bei ca. 10 m.
Wird dagegen eine zirkulare Polarisation für die ultrakurzen Laserpulse mit Pulsenergien von einigen 10 mJ, beispielsweise 200 mJ, eingestellt, wird die zur Ionisation benötigte Energie erhöht, aber auch die Nichtlinearität reduziert. Man kann nun die Mehrfachdurchgangszelle vergleichbar nahe am Ionisationsschwellwert betreiben, d.h., in den Zwischenfokuszonen hö here Spitzenintensitäten einstellen, indem die Länge der Mehrfachdurchgangszelle auf z.B.
5 m reduziert wird. Mit der Erkenntnis, dass bei He-Gas der Druck bei solchen Pulsenergien fast keinen Einfluss auf die Ionisationsschwelle hat, kann, um eine ausreichend nichtlineare Wechselwirkung bereitzustellen, der Druck von z.B. 20.000 Pa auf 40.000 Pa angehoben wer den. Betreibt man die Mehrfachdurchgangszelle somit im Parameterbereich der Mehrphoto nenionisation, kann der positive Effekt der Anhebung der Ionisationsschwelle aufgrund der zirkularen Polarisation (fast vollständig) ausgenutzt werden.
Offensichtlich stellen die hierin vorgeschlagenen Konzepte zur Verwendung von He-Gas als Füllgas und von zirkularer Polarisation in einer Mehrfachdurchgangszelle eine Möglichkeit
dar, bei einer Pulsenergie von mindestens 20 mJ und Pulsdauern von 500 fs die Länge der Mehrfachdurchgangszelle zu reduzieren.
Analog gibt es für andere Füllgase wie Xe-, Kr-, Ar- oder Ne-Gas entsprechende Parameterbe reiche, in denen zirkulare Polarisation eine Verkürzung der Länge von im Bereich der Mehr photonenionisation betriebenen Mehrfachdurchgangszellen ermöglicht. Hier ist jedoch zu be achten, dass eine geringe Abnahme der Druckabhängigkeit vorliegen kann, je nach dem bei welchem Betriebspunkt im Bereich der Mehrphotonenionisation eine Mehrfachdurchgangs zelle betrieben wird.
Angenommen für eine mit Ar-Gas gefüllte Mehrfachdurchgangszelle erhöht sich die zur Ioni sation benötigte Pulsenergie aufgrund der zirkularen Polarisation um den Faktor 3, so wird die Länge der Mehrfachdurchgangszelle um das ca. 1,7-fache („V3“) kürzer. Zum Ausgleich der durch die zirkulare Polarisation reduzierten Nichtlinearität wird der Druck des z.B. Ar-Gases z.B. von 15.000 Pa (im unverkürzten Aufbau) auf 45.000 Pa (im verkürzten Aufbau) erhöht.
Es wird angemerkt, dass - falls die z.B. für Ar-Gas vorzunehmende Druckerhöhung außerhalb der Mehrphotonenionisation und im Bereich eines Lawinen-artigen Ionisationsprozesses er folgt - die zur Ionisation benötigte Pulsenergie mit zunehmenden Druck abnehmen kann. Dies wirkt der gewünschten Erhöhung der zur Ionisation benötigten Pulsenergie aufgrund der zir kularen Polarisation entgegen.
Für den hierin vorgeschlagenen kompakteren Aufbau von Mehrfachdurchgangszellen ist von Bedeutung, dass die für eine Ionisation benötigte elektrische Feldstärke für zirkular (evtl leicht elliptisch modifiziertes zirkular) polarisiertes Licht im Vergleich zu linear polarisiertem Licht erhöht ist, sodass bei einem vergleichbaren Strahldurchmesser D auf den Spiegeln 25A, 25B der mögliche Fokusdurchmesser d in den Zwischenfokuszonen 29 kleiner gewählt wer den kann. Dadurch ergibt sich für zirkulare Polarisation allgemein die Möglichkeit einer Re duzierung des Spiegelabstands (beispielsweise ein um einen Faktor V3, d.h., ca. einen Faktor 2, verkürzter Abstand der Spiegel 25A, 25B) im Vergleich zu einer mit linearer Polarisation b etri eb enen Mehrfachdurchgangszell e .
Der kürzere Aufbau führt zu Kosteneinsparungen bei einer nichtlinearen Kompression mittels spektraler Verbreiterung.
Für die Anwendung von hochintensiver Laserstrahlung und mit Blick auf die Zerstörschwelle der Spiegel kann es erforderlich sein, dass die Spiegel Pulsenergien von einigen 100 mJ bei Pulsdauern von einigen 100 fs, beispielsweise 500 fs oder kürzer aushalten. Für Ultrakurz pulse sind die Spiegel ferner breitbandig, z.B. auf einen Wellenlängenbereich auszulegen von z.B. 700 nm bis beispielsweise 1100 nm für Ultrakurzpulse aus einem Titan-Saphir-Laser oder 900 nm bis 1100 nm für Ultrakurzpulse aus Lasern, die um 1000 nm emittieren, wie Nd:YAG oder Yb:YAG. Ferner können die Spiegel einen oder keinen Dispersionsbeitrag liefern, sodass evtl auch dispersive Beschichtungen zu berücksichtigen sind.
Beispielhafte Parameter für eine Mehrfachdurchgangszelle und der ihr zugrunde liegenden Spiegel werden nachfolgend mit Verweis auf die Figuren 2A bis 2C erläutert. Für beschichtete Spiegel kann z.B. ein Laser induzierter Beschädigungsschwellwert von ca. 0,5 J/cm2 bei einer Pulsdauer von ca. 500 fs gemessen werden. Dieser Schwellwert wird üblicherweise dem Strahlzentrum zugeordnet. Unter Annahme eines Gauß-Strahls ergibt sich so für den ca. 500 fs-Laserpuls z.B. ein Schwellwert von ungefähr 0,1 J/cm2, sodass bei einem Sicherheitsfaktor von z.B. 3 die maximal zulässige Fluenz bei ca. 0,03 J/cm2 liegen würde.
Davon ausgehend ergibt sich z.B. ein Strahlradius von ungefähr 9 mm für 200 mJ-Pulse oder ein umgesetzter l/e2-Strahldurchmesser von ungefähr 13 mm auf den Spiegeln 25 A, 25B. Diese Abschätzung kann in etwa gleichermaßen für lineare als auch zirkulare Polarisation gel ten.
Für zirkular polarisiertes Licht (mit einer im Vergleich zu linear polarisiertem Licht reduzier ten (maximalen) elektrischen Feldstärke) kann wie erläutert ein reduzierter Spiegelabstand/ eine verkürzte Mehrfachdurchgangszellenlänge/Resonatorlänge L bei einem entsprechend kleineren Krümmungsradius der Spiegel 25 A, 25B umgesetzt werden, vorausgesetzt der glei che Strahldurchmesser liegt auf den Spiegel vor.
Mit Verweis auf das in Fig. 3 gezeigte Flussdiagramm werden die Schritte bei der hierin vor geschlagenen Vorgehensweise zur spektralen Verbreiterung gepulster Laserstrahlung unter Verwendung einer Mehrfachdurchgangszelle, die mit zirkularer Polarisation durchlaufen wird, erläutert.
Im Schritt 71 wird eine gepulste Laserstrahlung erzeugt, die Laserpulse mit einer Pulsenergie im Bereich von 1 mJ bis 100 J, bevorzugt 10 mJ bis 1 J, und Pulsdauem im Bereich von 10 fs bis 5 ps, bevorzugt 500 fs bis 1,5 ps umfasst.
Im Schritt 73 wird die gepulste Laserstrahlung für das Durchlaufen der Mehrfachdurchgangs zelle - d.h., üblicherweise vor Eintritt in die Mehrfachdurchgangszelle - zirkular polarisiert.
Im Schritt 75 erfolgt die spektrale Verbreiterung der gepulsten Laserstrahlung. Hierzu wird der gepulsten Laserstrahlung in die Mehrfachdurchgangszelle eingekoppelt. Die Mehrfach durchgangszelle wird z.B. durch mindestens zwei konkave Spiegel gebildet, die einen mehrfa chen Durchgang von Zwischenfokuszonen definieren; z.B. einen (insbesondere konzentri schen oder konfokalen) Resonator oder eine Resonator-artige Anordnung ausbilden. Im Schritt 75 wird die Mehrfachdurchgangszelle mehrfach unter Ausbildung einer Mehrzahl von Zwischenfokuszonen durchlaufen. Die Mehrfachdurchgangszelle ist mit einem Füllgas gefüllt, das eine optische Nichtlinearität aufweist, die die spektrale Verbreiterung der gepulsten Laser strahlung in den Zwischenfokuszonen bewirkt.
Im Schritt 77 erfolgt ein Auskoppeln der spektral verbreiterten gepulsten Laserstrahlung aus der Mehrfachdurchgangszelle.
Im Schritt 79 kann z.B. eine lineare Polarisation der spektral verbreiterten gepulsten Laser strahlung eingestellt werden und/oder es kann z.B. eine Kompression der spektral verbreiter ten gepulsten Laserstrahlung vorgenommen werden.
Um ferner einen kompakten Aufbau des Lasersystems (insbesondere die Mehrfachdurch gangszelle mit einer kurzen Länge) bei einer angestrebten spektralen Verbreiterung nutzen zu können, wird in einem Schritt 81 A der Druck des Füllgases der Mehrfachdurchgangszelle in einem Druckbereich eingestellt, in dem eine Ionisierung des Füllgases mit Laserpulsen, deren Pulsdauer mit der Pulsdauer der spektral zu verbreiternden Laserpulse vergleichbar ist, im Rahmen eines Mehrphotonenionisationsvorgangs stattfinden würde. D.h., es liegt ein Ionisie rungsverhalten des Füllgases im Rahmen der Mehrphotonenionisation vor. Dies erlaubt es, den Druck des Füllgases zur Erhöhung der Nichtlinearität derart hoch einzustellen, dass eine Abnahme einer Nichtlinearität des Füllgases bei zirkularer Polarisation ausgehend von einer
Nichtlinearität des Füllgases, die bei einem gleichen Druck und bei linearer Polarisation vor liegt, ausgeglichen wird.
Für die angestrebte spektrale Verbreiterung wird ferner in einem Schritt 81B der Fokusdurch messer in den Zwischenfokuszonen (z.B. durch Wahl der Krümmungsradien der Spiegel der Mehrfachdurchgangszelle und der Strahldurchmesser auf den Spiegeln) derart eingestellt, dass die gepulste Laserstrahlung die Mehrfachdurchgangszelle ohne Ionisierung des Füllgases durchläuft. Hierbei wird der Fokusdurchmesser in den Zwischenfokuszonen möglichst klein gewählt, jedoch mit einem Sicherheitsabstand bzgl. optischer Beschädigung der Spiegel und Vermeidung von (stärkerer) Ionisierung des Füllgases.
Ferner ist es möglich, eine Sequenz von aufeinanderfolgenden Mehrfachdurchgangszellen nacheinander mit der Laserstrahlung zu durchlaufen. Dies erlaubt es, Gasbedingungen, Spie gelkonfigurationen und Dispersionsverläufe an die jeweils in den einzelnen Mehrfachdurch gangszellen vorliegenden Gruppen von Zwischenfokuszonen differenziert einzustellen, wobei auch eine „Zwischenkompression“ zwischen einzelnen Mehrfachdurchgangszellen vorgese hen werden kann.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenba rung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der bean spruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.