EP4165736A1 - Kurzpuls-lasersystem - Google Patents

Kurzpuls-lasersystem

Info

Publication number
EP4165736A1
EP4165736A1 EP21736977.6A EP21736977A EP4165736A1 EP 4165736 A1 EP4165736 A1 EP 4165736A1 EP 21736977 A EP21736977 A EP 21736977A EP 4165736 A1 EP4165736 A1 EP 4165736A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser
optical system
laser pulse
cell
beam path
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21736977.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tino Eidam
Steffen HÄDRICH
Fabian Stutzki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Active Fiber Systems GmbH
Original Assignee
Active Fiber Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Active Fiber Systems GmbH filed Critical Active Fiber Systems GmbH
Publication of EP4165736A1 publication Critical patent/EP4165736A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/004—Systems comprising a plurality of reflections between two or more surfaces, e.g. cells, resonators
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/106—Beam splitting or combining systems for splitting or combining a plurality of identical beams or images, e.g. image replication
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/3501—Constructional details or arrangements of non-linear optical devices, e.g. shape of non-linear crystals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0057—Temporal shaping, e.g. pulse compression, frequency chirping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0071—Beam steering, e.g. whereby a mirror outside the cavity is present to change the beam direction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0085—Modulating the output, i.e. the laser beam is modulated outside the laser cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0092—Nonlinear frequency conversion, e.g. second harmonic generation [SHG] or sum- or difference-frequency generation outside the laser cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2383—Parallel arrangements

Definitions

  • the invention relates to an optical system with a laser source that generates pulsed laser radiation consisting of a temporal sequence of laser pulses in an input laser beam, a splitting element following the laser source in the beam path, which splits the laser pulses into spatially and / or temporally separated laser pulse replicas , a combination element following the splitting element in the beam path, which superimposes the laser pulse replicas in one laser pulse each in an output laser beam.
  • a large number of applications of such systems require a shorter pulse duration than is supported by the amplification medium of the laser system.
  • effects in the optical amplifier such as saturation or spectral narrowing (“gain narrowing”), can lead to a decrease in the spectral bandwidth of the laser radiation, which manifests itself in an undesirable increase in the pulse duration at the output of the laser system.
  • a well-known approach to shortening the pulse duration is the use of non-linear effects for the coherent generation of new spectral components.
  • the corresponding non-linear interactions can occur in the amplification medium (non-linear amplification) or in separate ones Components that are connected downstream of the optical amplifier in the beam path (non-linear pulse compression).
  • the most frequently used non-linear interaction of laser radiation with a medium to increase the spectral bandwidth is self-phase modulation (SPM).
  • SPM-induced spectral broadening can be implemented in media of the most varied of geometries, eg in optical waveguides (eg in light-conducting fibers).
  • SPM is an intensity-dependent effect, which means that in areas of interaction of higher intensity a stronger spectral broadening takes place than in areas of lower intensity.
  • a laser beam with a typical Gaussian beam profile experiences a spatially inhomogeneous spectral broadening during propagation through a non-linear medium, e.g. a glass plate.
  • the spectral broadening is more pronounced near the beam axis than in the edge areas further away from the beam axis.
  • many applications require a spectral bandwidth of the laser pulses that is homogeneous over the beam profile.
  • a well-known approach to achieve a spatially homogeneous spectral broadening is the propagation of the laser pulses in waveguides.
  • These can be, for example, conventional glass fibers, photonic crystal fibers or hollow core fibers.
  • gases noble gases, nitrogen or others
  • the propagating self-solution of the laser radiation is in its entirety impressed with the non-linear phase and thus the spectral broadening (see S. Hädrich, H. Carstens, J. Rothhardt, J. Limpert, and A. Tünnermann, "Multi-gigawatt ultrashort pulses at high repetition rate and average power from two-stage nonlinear compression," Opt. Express 19, 7546-7552, 2011).
  • glass fiber or hollow core fiber there are different limits with regard to the propagable and thus compressible pulse energy.
  • the peak pulse power is limited by the self-focusing; in gas-filled hollow-core fibers, ionization effects typically determine the pulse energy that can be injected.
  • Glass fibers are therefore suitable for non-linear pulse compression in the range of a few pJ pulse energy, whereas hollow core fibers allow downstream pulse compression at pulse energies in the mJ range. Due to the negligible dispersion, the hollow-core fiber-based approaches are suitable for pulse compression down to the range of a few oscillation cycles of the electromagnetic field of the laser radiation, which corresponds to a pulse duration that is only supported by an enormous spectral bandwidth.
  • a multi-pass cell comprises an arrangement of focusing mirrors that divert a laser beam coupled into the multi-pass cell at each point of reflection, so that the beam propagation is limited to a predefined volume along a controlled propagation path in the multi-pass cell, namely until the laser beam after a number of reflections and so that passes through the volume of the multi-pass cell leaves it again.
  • Known designs of multipass cells are referred to as White cells or Herriott cells, for example.
  • a multi-pass cell for spatially homogeneous spectral broadening requires that the mirrors of the multi-pass cell are shaped and arranged in such a way that the multi-pass cell forms a stable optical resonator, which is characterized by the fact that Gaussian beams exist as a transversal intrinsic solution of the resonator, which experience the desired spatial homogenization of the spectral broadening as well as transverse intrinsic solutions in non-linear waveguides.
  • a dielectric material e.g. a glass plate
  • a gas e.g. a noble gas
  • the damage threshold of the mirrors that are used to implement the multi-pass cell limits the compressible pulse energy or the pulse peak power that can be coupled into the cell.
  • the damage threshold depends on the intensity of the laser radiation.
  • the intensity on the mirror surfaces can in principle be reduced by increasing the distance between the mirrors.
  • this configuration leads to small foci of the laser radiation, which in turn must be taken into account in the design with regard to the non-linear interaction in the medium.
  • the spatially separated amplification enabled new parameter areas to be penetrated (see Marco Kienei, Michael Müller, Arno Klenke, Jens Limpert, and Andreas Tünnermann, "12 mJ kW-class ultrafast fiber laser system using multidimensional coherent pulse addition, "Opt. Lett. 41, 3343-3346, 2016).
  • a single laser pulse can be divided into temporally separated laser pulse replicas, propagated temporally separated by intensity-limited components of the laser system and then coherently superimposed again to form a laser pulse in the output laser beam. Both approaches can also be combined.
  • the invention based on an optical system of the type specified at the outset in that at least one multipass cell is provided, which is arranged in the beam path between the splitting element and the combination element, through which the laser pulse replicas propagate, the multipass cell containing a medium in which the laser pulse replicas have a experience nonlinear spectral broadening.
  • the invention generally understands non-linear spectral broadening to mean the generation of optical power in new spectral ranges by means of non-linear interaction.
  • the invention is based on the basic idea of using the concept of beam splitting, ie the generation of spatially and / or temporally separated propagating laser pulse replicas in combination with a homogeneous spectral broadening in a multi-pass cell.
  • each laser pulse is converted into a plurality (two or more) of laser pulse replicas, which are then spatially and / or are coupled into the multipass cell temporally separated from one another, propagate (repeatedly) through the medium contained therein and experience a spectral broadening in the process.
  • the laser pulse replicas assigned to an original laser pulse are then superimposed again to form a laser pulse in the output laser beam.
  • the phase position of the individual laser pulse replicas is of decisive importance.
  • the phase position must be such that there is a largely constant and largely constructive interference over time; the phase position can be passively stable or actively stabilized.
  • Known approaches can be used here, for example by using a Sagnac interferometer (see Florent Guichard, Yoann Zaouter, Marc Hanna, Franck Morin, Clemens Hönninger, Eric Mottay, Frederic Druon, and Patrick Georges, "Energy scaling of a nonlinear compression setup using passive coherent combining, "Opt. Lett.
  • the spatially and / or temporally separated laser pulse replicas preferably propagate through a single multipass cell. It is also conceivable that the spatially separated partial beams propagate through spatially separated multipass cells, each of which is (almost) identical there experience spectral enhancement and then spatially superimposed in the output laser beam.
  • a chirp impressed on the laser pulses can be largely removed by using suitable dispersive elements (e.g. chirped mirrors), which ultimately results in the desired shortening of the pulse duration.
  • suitable dispersive elements e.g. chirped mirrors
  • the splitting element and / or the combination element are each designed as a diffractive beam splitter.
  • the dividing element and / or the combination element preferably each include a reflective element with zones of different reflectivity.
  • Combination element in each case two element pairs, each consisting of a continuous reflective element and a reflective element with zones of different reflectivity, on which the laser radiation is successively reflected multiple times, the partial beams forming a two-dimensional array in a plane perpendicular to the direction of propagation.
  • a compact parallel beam path of the spatially separated partial beams in which the laser pulse replicas propagate can thus be implemented.
  • the number of partial beams does not have to match the number of zones of different reflectivity.
  • the dividing element and the combination element are expediently constructed identically, so that optical
  • the splitting element and the combination element each have at least one beam splitter and at least one optical delay path.
  • the laser pulses are guided over optical delay paths of different lengths, so that correspondingly different time delays of the laser pulse replicas result.
  • an error signal detector which derives an error signal from the laser radiation, and a controller, which derives from the error signal at least one control signal for controlling at least one optical modulator arranged in the beam path.
  • This control loop can advantageously be used for active control of the coherent superposition in the output laser beam.
  • the regulation can take place, for example, according to the known LOCSET principle or by sequential phase stabilization (see A. Klenke, M. Müller, H. Stark, A. Tünnermann, and J. Limpert, “Sequential phase locking scheme for a filled aperture intensity coherent combination of beam arrays ", Opt. Express 9, 12072-12080, 2018).
  • the optical modulator can have, for example, an array of phase modulators corresponding to the array of the spatially separated partial beams, a phase modulator being assigned to each of the partial beams. Not all elements of the array have to be controlled. Due to the regulated phase position of the partial beams, optical path length differences of the partial beams that occur and, if necessary, fluctuate due to external influences can be actively compensated.
  • an arrangement of power control elements is provided in the beam path, each partial beam being assigned a power control element which influences the power of the laser pulses in this partial beam. Due to imperfections in the division of the laser pulses, the individual partial beams can have different intensities. This can be compensated for by the power control elements (e.g. optical attenuators).
  • the multi-pass cell expediently has at least two mirrors, the shape and arrangement of which are selected such that the multi-pass cell forms a stable optical resonator.
  • a stable optical resonator there is a Gaussian mode as a transverse intrinsic solution, so that the desired spatial homogenization of the spectral broadening occurs.
  • the mirrors of the cell can have dielectric layers which have minimal dispersion over a preferably large spectral bandwidth.
  • metallic mirrors can form the multipass cell in order to increase the reflection bandwidth and to make the dispersion as small as possible over an even larger area.
  • the multi-pass cell it is also possible for the multi-pass cell to have dielectric mirrors, the medium and the overall dielectric mirrors exhibit anomalous overall dispersion. In this way, the multipass cell can generate the spectral broadening and, at the same time, a temporal compression (soliton self-compression) of the laser pulse replicas.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an optical system according to the invention as a block diagram
  • FIG. 2 dividing or combining element based on multiple reflections
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an optical system according to the invention in a second embodiment as a block diagram
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an optical system according to the invention in a third embodiment as a block diagram.
  • an input laser beam from pulsed laser radiation from a laser source 1 is divided by means of a splitting element 2 into a number of spatially separated (and preferably parallel) partial beams.
  • the function of the dividing element 2 is expediently based on an arrangement of partially reflective mirrors or polarizing beam splitters in a cascaded arrangement, diffractive elements or an arrangement of mirrors with zones of different reflectivity (see below).
  • the spatially separated partial beams are coupled into a multi-pass cell 3. This has at least two mirrors, the spacing and shape of which are selected in accordance with a stable resonator configuration.
  • a non-linear medium eg a transparent solid body or a gas
  • SPM spontaneously
  • Other non-linear processes can also generate new spectral components. In doing so, an approximately identical non-linear phase is impressed on all laser pulse replicas.
  • the spatially separated partial beams do not have any optical path differences that are greater than the coherence length of the spectrally broadened ones
  • the spectrally broadened laser pulse replicas are decoupled from the multipass cell 3 (e.g. through a hole in one of the mirrors), and then superimposed by a combination element 4 and combined in a spatially coherent manner. This can be followed by a pulse compression stage 5, e.g. with suitable chirped mirrors. Likewise, the mirrors of the
  • FIG. 2 shows a division or combination element based on multiple reflections, as can be used in the system according to the invention.
  • the element consists of four sub-elements A, B, C, D.
  • the first sub-element A is a mirror with the highest possible reflectivity.
  • the second sub-element B comprises (in the example shown), for example, four zones with different reflectivities.
  • the laser beams take the path shown in FIG.
  • the reflectivities of the zones of the sub-element B can be selected so that the incident input laser beam EL is divided into partial beams in a certain ratio.
  • An example is a division into equal parts on all partial beams. This is achieved by choosing the reflectivities of the four zones of 75%, 66%, 50% and 0%.
  • the outgoing four partial beams then fall on plane-parallel surfaces of the two sub-elements C and D, which are tilted relative to the sub-elements A, B.
  • the sub-element C is again highly reflective.
  • the sub-element D again has four zones of different reflectivity (as before). As a result, as shown, a two-dimensional array of 16 partial beams is generated in a plane perpendicular to the beam path.
  • the number of zones of different reflectivity in the case of the sub-elements B and D can in each case be as desired, corresponding to the desired number of partial beams, ie corresponding to the splitting ratio. It should be noted that the number of Zones do not necessarily have to be the same as the number of partial beams. A zone can also reflect the beam several times.
  • the splitting element 2 and the combination element 4 can be designed identically and arranged in such a way that the path length differences between the 16 partial beams almost cancel each other out (ideally within the coherence length).
  • the foci of the parallel partial beams in the multi-pass cell 3 can overlap. This can lead to undesirable non-linear interactions between the partial beams.
  • the peculiarity of the splitting / combination element shown in FIG. 2 is that the laser pulse replicas of the parallel partial beams are offset in time so that interactions between the laser pulse replicas are avoided.
  • the time offset is determined by the distances between the highly reflective and the segmented mirrors and can be selected according to the laser pulse duration in the input laser beam. If necessary, impressed angles between the spatially separated partial beams can reduce or avoid an overlap of the foci.
  • an array of power control elements 6 adapted to the partial beam array can be provided. In the simplest case, this can be achieved, for example, by an array of adjustable attenuators.
  • a detection of path length differences in the sub-wavelength range takes place in the exemplary embodiment in FIG. 3 by means of an error signal detector 7.
  • error signal detector 7 known arrangements can be used for this purpose (see, for example, Arno Klenke, Michael Müller, Henning Stark, Andreas Tünnermann, and Jens Limpert, "Sequential phase locking scheme for a filled aperture intensity coherent combination of beam arrays, "Opt. Express 26, 12072-12080, 2018).
  • the correction or stabilization of the interferometric superposition in the Combination element 4 can be implemented by an array of phase modulators 8 (for example mirror array with piezo actuators), the geometry of which is in turn adapted to the partial beam array.
  • the electronic control circuit used for this purpose is not shown in FIG.
  • passive approaches can also be pursued.
  • the input laser pulses are divided into at least two temporally separated laser pulse replicas with ideally identical pulse energy, in the example fine-tuned by a pulse-selective power control 9 in the division element 2 coherent combination at 4 to generate the output laser beam.
  • the relative phase position of the laser pulse replicas and their stability are essential for a stable emission in which the majority of the pulse energy is contained in the output laser beam.
  • Known approaches to detection and active stabilization can also be used here.
  • elements for the detection of the relative phase position 10 and for the corresponding active regulation 11 are included in the structure for this purpose.
  • the electronic control components are again not shown in FIG.
  • passive approaches i.e. approaches that manage without control electronics
  • polarizing elements e.g. thin-film polarizers or
  • Polarization beam splitter can be used, or crystals with different transit times for different polarizations (birefringent crystals) can be used.
  • a correspondingly inverted arrangement allows the coherent combination at 4.
  • a beam reversal can take place at the exit of the system, ie after passing through the multipass cell 3, for example by means of a Faraday Rotators in combination with a highly reflective mirror. After the reflection, the laser pulse replicas propagate in the reverse direction through the multi-pass cell 3, the splitting element 2 being used for the combination in the reverse direction. It is important that the optical components used support the spectral bandwidth of the non-linearly broadened laser pulses, especially at the exit of the system.
  • metallic mirrors can advantageously be used in the multi-pass cell 3, possibly consisting of a metallic layer on a substrate, which is characterized by good heat conduction (e.g. copper or sapphire).

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System mit einer Laserquelle (1), die gepulste Laserstrahlung bestehend aus einer zeitlichen Abfolge von Laserpulsen in einem Eingangslaserstrahl (EL) erzeugt, einem der Laserquelle (1) im Strahlverlauf nachfolgenden Aufteilungselement (2), das die Laserpulse jeweils in räumlich und/oder zeitlich voneinander getrennte Laserpulsreplikate aufteilt, einem dem Aufteilungselement (2) im Strahlverlauf nachfolgenden Kombinationselement (4), das die Laserpulsreplikate in jeweils einem Laserpuls in einem Ausgangslaserstrahl überlagert. Es ist Aufgabe der Erfindung, eingegenüber dem Stand der Technik verbessertes optisches System bereitzustellen. Es sollen besonders kurze und damit spektral breitbandige Laserpulse hoher Leistung mit dem optischen System erzeugbar sein. Die Erfindung schlägt vor, dass im Strahlverlauf zwischen dem Aufteilungselement (2) und dem Kombinationselement (4) wenigstens eine Multipasszelle (3) angeordnet ist, durch welche die Laserpulsreplikate propagieren, wobei die Multipasszelle (3) ein Medium enthält, in dem die Laserpulsreplikate eine nichtlineare spektrale Verbreiterung erfahren.

Description

Kurzouls-Lasersvstem Die Erfindung betrifft ein optisches System mit einer Laserquelle, die gepulste Laserstrahlung bestehend aus einer zeitlichen Abfolge von Laserpulsen in einem Eingangslaserstrahl erzeugt, einem der Laserquelle im Strahlverlauf nachfolgenden Aufteilungselement, das die Laserpulse jeweils in räumlich und/oder zeitlich voneinander getrennte Laserpulsreplikate aufteilt, einem dem Aufteilungselement im Strahlverlauf nachfolgenden Kombinationselement, das die Laserpulsreplikate in jeweils einem Laserpuls in einem Ausgangslaserstrahl überlagert.
Lasersysteme zur Erzeugung ultrakurzer Laserpulse im Piko- und Femtosekundenbereich erfahren seit Jahren hohe Aufmerksamkeit.
Eine Vielzahl von Anwendungen derartiger Systeme erfordern eine kürzere Pulsdauer als sie vom Verstärkungsmedium des Lasersystems unterstützt wird. Darüber hinaus können Effekte im optischen Verstärker, wie Sättigung oder spektrale Einengung (engl „gain narrowing“), zu einer Abnahme der spektralen Bandbreite der Laserstrahlung führen, was sich am Ausgang des Lasersystems in einer unerwünschten Verlängerung der Pulsdauer äußert.
Ein bekannter Ansatz zur Verkürzung der Pulsdauer ist die Ausnutzung von nichtlinearen Effekten zur kohärenten Erzeugung neuer spektraler Anteile. Die entsprechenden nichtlinearen Wechselwirkungen können im Verstärkungs- medium auftreten (nichtlineare Verstärkung) oder auch in separaten Komponenten, die dem optischen Verstärker im Strahlverlauf nachgeschaltet sind (nichtlineare Pulskompression). Die am häufigsten ausgenutzte nichtlineare Wechselwirkung von Laserstrahlung mit einem Medium zur Vergrößerung der spektralen Bandbreite ist die Selbstphasenmodulation (SPM). Die SPM-induzierte spektrale Verbreiterung kann in Medien verschiedenster Geometrien realisiert werden, z.B. in optischen Wellenleitern (z.B. in lichtleitenden Fasern).
SPM ist ein intensitätsabhängiger Effekt, was bedeutet, dass in Wechselwirkungsbereichen höherer Intensität eine stärkere spektrale Verbreiterung stattfindet als in Bereichen niedrigerer Intensität. Demzufolge erfährt ein Laserstrahl mit typischem Gauß-förmigem Strahlprofil während der Propagation durch ein nichtlineares Medium, z.B. eine Glasplatte, eine räumlich inhomogene spektrale Verbreiterung. Die spektrale Verbreiterung ist nahe der Strahlachse stärker ausgeprägt als in den von der Strahlachse weiter entfernten Randbereichen. Viele Anwendungen verlangen allerdings eine über das Strahlprofil homogene spektrale Bandbreite der Laserpulse.
Ein bekannter Ansatz, um eine räumlich homogene spektrale Verbreiterung zu erzielen, ist die Propagation der Laserpulse in Wellenleitern. Dies können zum Beispiel konventionelle Glasfasern, photonische Kristallfasern oder auch Hohlkernfasern sein. In Hohlkernfasern werden dabei typischerweise Gase (Edelgase, Stickstoff oder andere) als nichtlineares Medium genutzt. In diesen Fasern wird der propagierenden Eigenlösung der Laserstrahlung (Transversalmode, vorzugsweise die transversale Grundmode) in ihrer Gesamtheit die nichtlineare Phase und damit die spektrale Verbreiterung aufgeprägt (siehe S. Hädrich, H. Carstens, J. Rothhardt, J. Limpert, and A. Tünnermann, "Multi-gigawatt ultrashort pulses at high repetition rate and average power from two-stage nonlinear compression," Opt. Express 19, 7546-7552, 2011 ).
Je nach verwendetem Fasertyp, Glasfaser oder Hohlkernfaser, ergeben sich unterschiedliche Grenzen in Bezug auf die propagierbare und damit komprimierbare Pulsenergie. In Fasern mit Glaskern ist die Pulsspitzenleistung durch die Selbstfokussierung begrenzt, in gasgefüllten Hohlkernfasern bestimmen typischerweise lonisationseffekte die einkoppelbare Pulsenergie. Glasfasern eignen sich daher für die nichtlineare Pulskompression bis in den Bereich von einigen pJ Pulsenergie, Hohlkernfasern erlauben dagegen die nachgeschaltete Pulskompression bei Pulsenergien im mJ-Bereich. Aufgrund der vernachlässigbaren Dispersion eignen sich die Hohlkernfaser-basierten Ansätze zur Pulskompression bis in den Bereich weniger Schwingungszyklen des elektromagnetischen Feldes der Laserstrahlung, was einer Pulsdauer entspricht, die nur von einer enormen spektralen Bandbreite unterstützt wird. Konventionelle Hohlkernfasern weisen Kerndurchmesser von wenigen 100pm auf und Faserlängen im Bereich von einem Meter oder weniger. Die Begrenzung durch lonisationseffekte kann durch sogenannte gestreckte Hohlkernfasern um ein gewisses Maß angehoben werden. Die Vergrößerung des Kerndurchmessers (bis zu 1 mm) erlaubt die Einkopplung höherer Pulsenergien ohne störende Ionisation sowie eine Reduktion der intrinsischen Propagationsverluste. Mit einer Verlängerung der Faserlänge (bis zu >10m) kann eine ausreichend starke nichtlineare Wechselwirkung realisiert werden. Um Biegeverluste zu minimieren, werden die langen Fasern gestreckt gehaltert (siehe DE 10 2007 048 769 B3). Aktuelle Rekordwerte hinsichtlich der spektral verbreiterten Pulsenergie liegt im Bereich von 20m J (siehe Vincent Cardin, Nicolas Thire, Samuel Beaulieu, Vincent Wanie, Frangois Legare, and Bruno E. Schmidt, „0.42 TW 2-cycle pulses at 1 .8 pm via hollow-core fiber compression,“ Appl. Phys. Lett. 107, 181101 , 2015).
Ein weiterer bekannter Ansatz zur räumlich homogenen spektralen Verbreiterung von gepulster Laserstrahlung (siehe Nenad Milosevic, Gabriel Tempea, and Thomas Brabec, "Optical pulse compression: bulk media versus hollow waveguides," Opt. Lett. 25, 672-674, 2000) nutzt aus, dass sich die spektrale Verbeiterung in einem Medium, das sich in einer abbildenden Spiegelanordnung, einer sogenannten Multipasszelle, die als stabiler Resonator ausgebildet ist, räumlich homogenisiert.
Eine Multipasszelle umfasst eine Anordnung aus fokussierenden Spiegeln, die einen in die Multipasszelle eingekoppelten Laserstrahl an jedem Reflexionspunkt umleiten, so dass die Strahlausbreitung auf ein vordefiniertes Volumen entlang eines kontrollierten Propagationspfades in der Multipasszelle begrenzt wird, und zwar bis der Laserstrahl nach einer Mehrzahl von Reflexionen und damit Durchläufen durch das Volumen der Multipasszelle diese wieder verlässt. Bekannte Ausgestaltungen von Multipasszellen werden z.B. als White-Zellen oder Herriott-Zellen bezeichnet.
Die Nutzung einer Multipasszelle zur räumlich homogenen spektralen Verbreiterung setzt voraus, dass die Spiegel der Multipasszelle so geformt und angeordnet sind, dass die Multipasszelle einen stabilen optischen Resonator bildet, der dadurch charakterisiert ist, dass Gauß’sche Strahlen als transversale Eigenlösung des Resonators existieren, welche die gewünschte räumliche Homogenisierung der spektralen Verbreiterung ebenso erfahren, wie transversale Eigenlösungen in nichtlinearen Wellenleitern. Als nichtlineares Medium, das sich in der Multipasszelle befindet, kann ein dielektrisches Material (z.B. eine Glasplatte) oder auch ein Gas (z.B. ein Edelgas) verwendet werden.
Die Zerstörschwelle der Spiegel, welche zur Realisierung der Multipasszelle eingesetzt werden, limitiert die komprimierbare Pulsenergie bzw. die in die Zelle einkoppelbare Pulsspitzenleistung. Die Zerstörschwelle hängt von der Intensität der Laserstrahlung ab. Die Intensität auf den Spiegeloberflächen lässt sich prinzipiell durch Vergrößerung der Spiegelabstände reduzieren. Weiterhin kann nahe einer konzentrischen Spiegelkonfiguration gearbeitet werden, wodurch sich unter allen symmetrischen Anordnungen die größten Strahlradien auf den Spiegeloberflächen ergeben. Allerdings führt diese Konfiguration zu kleinen Fokussen der Laserstrahlung, was wiederum bei der Auslegung hinsichtlich der nichtlinearen Wechselwirkung im Medium beachtet werden muss. Einerseits ist auch hier eine Zerstörung des Mediums bzw. eine exzessive Ionisation zu vermeiden und andererseits darf die akkumulierte nichtlineare Phase pro Umlauf einen gewissen Grenzwert nicht überschreiten, um eine Verschlechterung der Strahlqualität sowie wiederum inhomogene spektrale Verbreiterung zu vermeiden.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, intensitätsbedingte Limitierungen in Lasersystemen zu umgehen, indem eine Aufteilung jedes Laserpulses eines Eingangslaserstrahls in räumlich voneinander getrennt propagierende Laserpulsreplikate erfolgt, wonach die räumlich getrennten Teilstrahlen, von denen jeder eine entsprechend geringere Leistung aufweist als der Eingangslaserstrahl, durch intensitätslimitierte Komponenten des Lasersystems propagieren. Anschließend erfolgt eine kohärente oder inkohärente Kombination der räumlich getrennten Teilstrahlen in einem Ausgangslaserstrahl hoher Leistung. In optischen Verstärkersystemen, insbesondere in faserbasierten Verstärkersystemen, konnte durch die räumlich getrennte Verstärkung in neue Parameterbereiche vorgedrungen werden (siehe Marco Kienei, Michael Müller, Arno Klenke, Jens Limpert, and Andreas Tünnermann, "12 mJ kW-class ultrafast fiber laser System using multidimensional coherent pulse addition," Opt. Lett. 41 , 3343-3346, 2016). Analog kann ein einzelner Laserpuls in zeitlich voneinander getrennte Laserpulsreplikate aufgeteilt werden, zeitlich getrennt durch intensitätslimitierte Komponenten des Lasersystems propagieren und anschließend wieder zu einem Laserpuls im Ausgangslaserstrahl kohärent überlagert werden. Beide Ansätze sind auch kombinierbar. Es ist vor diesem Hintergrund Aufgabe der Erfindung, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes optisches System bereitzustellen. Insbesondere sollen besonders kurze und damit spektral breitbandige Laserpulse hoher Leistung und Pulsenergie mit dem optischen System erzeugbar sein.
Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem optischen System der eingangs angegebenen Art dadurch, dass wenigstens eine im Strahlverlauf zwischen dem Aufteilungselement und dem Kombinationselement angeordnete Multipasszelle vorgesehen ist, durch welche die Laserpulsreplikate propagieren, wobei die Multipasszelle ein Medium enthält, in dem die Laserpulsreplikate eine nichtlineare spektrale Verbreiterung erfahren. Unter nichtlinearer spektraler Verbreiterung versteht die Erfindung allgemein die Erzeugung optischer Leistung in neuen Spektralbereichen durch nichtlineare Wechselwirkung.
Die Erfindung basiert auf der Grundidee, das Konzept der Strahlaufteilung, d.h. der Erzeugung von räumlich und/oder zeitlich getrennt propagierenden Laserpulsreplikaten in Kombination mit einer homogenen spektralen Verbreiterung in einer Multipasszelle anzuwenden. Um die Erreichung der Zerstörschwelle der Spiegel der Multipasszelle zu vermeiden, und zwar ohne ausufernde Vergrößerung des Spiegelabstandes und damit der Baugröße des zur spektralen Verbreiterung verwendeten Elementes, wird erfindungsgemäß jeder Laserpuls in eine Mehrzahl (zwei oder mehr) von Laserpulsreplikaten umgewandelt, die dann räumlich und/oder zeitlich voneinander getrennt in die Multipasszelle eingekoppelt werden, durch das darin enthaltene Medium (mehrfach) propagieren und dabei eine spektrale Verbreiterung erfahren. Anschließend werden die einem ursprünglichen Laserpuls zugeordneten Laserpulsreplikate wieder zu einem Laserpuls im Ausgangslaserstrahl überlagert.
Bei der kohärenten Überlagerung der Laserpulsreplikate ist die Phasenlage der einzelnen Laserpulsreplikate von entscheidender Bedeutung. Am Ort der Überlagerung muss die Phasenlage jeweils so sein, dass es zu einer zeitlich weitgehend unveränderlichen und weitgehend konstruktiven Interferenz kommt, dabei kann die Phasenlage passiv stabil sein oder aktiv stabilisiert werden. Hier sind bekannte Ansätze anwendbar, zum Beispiel durch Verwendung eines Sagnac-Interferometers (siehe Florent Guichard, Yoann Zaouter, Marc Hanna, Franck Morin, Clemens Hönninger, Eric Mottay, Frederic Druon, and Patrick Georges, "Energy scaling of a nonlinear compression setup using passive coherent combining," Opt. Lett. 38, 4437-4440, 2013) zur passiv stabilisierten Überlagerung, oder ein Mehrkanal-Mach-Zehnder Interferometer zu hinsichtlich der Zahl der Laserpulsreplikate skalierbaren, aktiv stabilisierten kohärenten Überlagerung (siehe Arno Klenke, Marco Kienei, Tino Eidam, Steffen Hädrich, Jens Limpert, and Andreas Tünnermann, "Divided-pulse nonlinear compression," Opt. Lett. 38, 4593-4596, 2013, und Arno Klenke, Steffen Hädrich, Marco Kienei, Tino Eidam, Jens Limpert, and Andreas Tünnermann, "Coherent combination of spectrally broadened femtosecond pulses for nonlinear compression," Opt. Lett. 39, 3520-3522. 2014).
Vorzugsweise propagieren die räumlich und/oder zeitlich getrennten Laserpulsreplikate durch eine einzige Multipass-Zelle. Ebenso ist vorstellbar, dass die räumlich getrennten Teilstrahlen durch räumlich getrennte Multipasszellen propagieren, wobei diese dort jeweils eine (nahezu) identische spektrale Verbeiterung erfahren und anschließend im Ausgangslaserstrahl räumlich überlagert werden.
Ein auf die Laserpulse aufgeprägter Chirp kann durch geeignete dispersive Elemente (z.B gechirpte Spiegel) weitestgehend entfernt werden, wodurch sich schließlich die gewünschte Pulsdauerverkürzung ergibt.
Bei einer möglichen Ausgestaltung sind das Aufteilungselement und/oder das Kombinationselement jeweils als diffraktiver Strahlteiler ausgebildet.
Das Aufteilungselement und/oder das Kombinationselement umfassen bevorzugt jeweils ein reflektives Element mit Zonen unterschiedlicher Reflektivität. Besonders bevorzugt weisen das Aufteilungselement und das
Kombinationselement jeweils zwei Element-Paare, jeweils bestehend aus einem durchgehend reflektiven Element und einem reflektiven Element mit Zonen unterschiedlicher Reflektivität auf, an denen die Laserstrahlung nacheinander mehrfach reflektiert wird, wobei die Teilstrahlen in einer Ebene senkrecht zur Propagationsrichtung ein zweidimensionales Array bilden. Damit lässt sich ein kompakter paralleler Strahlverlauf der räumlich getrennten Teilstrahlen realisieren, in denen die Laserpulsreplikate propagieren. Dabei muss die Anzahl der Teilstrahlen nicht mit der Anzahl der Zonen unterschiedlicher Reflektivität übereinstimmen. Zweckmäßig sind das Aufteilungselement und das Kombinationselement identisch aufgebaut, so dass sich optische
Weglängenunterschiede bei der Aufteilung und Kombination ausgleichen.
Zur Erzeugung zeitlich separater Laserpulsreplikate kann zweckmäßig vorgesehen sein, dass das Aufteilungselement und das Kombinationselement jeweils zumindest einen Strahlteiler und zumindest eine optische Verzögerungsstrecke aufweisen. Die Laserpulse werden dabei über unterschiedlich lange optische Verzögerungsstrecken geführt, so dass sich entsprechend unterschiedliche zeitliche Verzögerungen der Laserpulsreplikate ergeben.
Bei einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist ein Fehlersignaldetektor vorgesehen, der aus der Laserstrahlung ein Fehlersignal ableitet, und ein Regler, der aus dem Fehlersignal wenigstens ein Stellsignal zur Ansteuerung wenigstens eines im Strahlverlauf angeordneten optischen Modulators ableitet. Dieser Regelkreis kann vorteilhaft zur aktiven Steuerung der kohärenten Überlagerung im Ausgangslaserstrahl verwendet werden. Die Regelung kann z.B. nach dem bekannten LOCSET-Prinzip erfolgen oder durch eine sequentielle Phasenstabilisierung (siehe A. Klenke, M. Müller, H. Stark, A. Tünnermann, and J. Limpert, „Sequential phase locking scheme for a filled aperture intensitiy coherent combination of beam arrays“, Opt. Express 9, 12072-12080, 2018). Dabei kann der optische Modulator z.B. ein zu dem Array der räumlich getrennten Teilstrahlen korrespondierendes Array aus Phasenmodulatoren aufweisen, wobei jedem der Teilstrahlen ein Phasenmodulator zugeordnet ist. Es müssen dabei nicht zwingend alle Elemente des Arrays angesteuert werden. Durch die geregelte Phasenstellung der Teilstrahlen können auftretende und ggf. aufgrund äußerer Einflüsse fluktuierende optische Weglängenunterschiede der Teilstrahlen aktiv ausgeglichen werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist im Strahlverlauf eine Anordnung aus Leistungsstellelementen vorgesehen, wobei jedem Teilstrahl ein Leistungsstellelement zugeordnet ist, das die Leistung der Laserpulse in diesem Teilstrahl beeinflusst. Aufgrund von Imperfektionen bei der Aufteilung der Laserpulse können die einzelnen Teilstrahlen unterschiedliche Intensitäten aufweisen. Dies kann durch die Leistungsstellelemente (z.B. optische Abschwächer) ausgeglichen werden.
Zweckmäßig weist die Multipasszelle wenigstens zwei Spiegel auf, deren Form und Anordnung so gewählt sind, dass die Multipasszelle einen stabilen optischen Resonator bildet. Wie oben erläutert, findet sich bei einem stabilen optischen Resonator eine Gauß-Mode als transversale Eigenlösung, so dass es zu der gewünschten räumlichen Homogenisierung der spektralen Verbreiterung kommt. Die Spiegel der Zelle können dielektrische Schichten aufweisen, die über eine vorzugsweise große spektrale Bandbreite eine minimale Dispersion aufweisen. Alternativ können metallische Spiegel die Multipasszelle bilden, um die Reflexionsbandbreite zu vergrößern sowie die Dispersion über einen noch größeren Bereich möglichst gering zu gestalten. Möglich ist aber auch, dass die Multipasszelle dielektrische Spiegel aufweist, wobei das Medium und die dielektrischen Spiegel insgesamt eine anomale Gesamtdispersion aufweisen. Auf diese Weise kann die Multipasszelle die spektrale Verbreiterung und gleichzeitig eine zeitliche Kompression (Soliton-Selbst-Kompression) der Laserpulsreplikate erzeugen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Systems als Blockdiagramm;
Figur 2 auf mehrfacher Reflexion basierendes Aufteilungs- bzw. Kombinationselement;
Figur 3 schematische Darstellung eines erfin dungsgemäßen optischen Systems in einer zweiten Ausgestaltung als Blockdiagramm;
Figur4 schematische Darstellung eines erfin dungsgemäßen optischen Systems in einer dritten Ausgestaltung als Blockdiagramm.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 wird ein Eingangslaserstrahl aus gepulster Laserstrahlung von einer Laserquelle 1 (z.B. umfassend einen modengekoppelten Oszillator mit nachgeschaltetem Verstärker) kommend mittels eines Aufteilungselementes 2 in eine Anzahl von räumlich getrennten (und vorzugsweise parallelen) Teilstrahlen aufgeteilt. Die Funktion des Aufteilungselementes 2 basiert dabei zweckmäßig auf einer Anordnung aus teilreflektiven Spiegeln oder polarisierenden Strahlteilern in einer kaskadierten Anordnung, diffraktiven Elementen oder einer Anordnung aus Spiegeln mit Zonen unterschiedlicher Reflektivität (s.u.). Die räumlich getrennten Teilstrahlen werden in eine Multipasszelle 3 eingekoppelt. Diese weist mindestens zwei Spiegel auf, deren Abstand und Form entsprechend einer stabilen Resonatorkonfiguration gewählt sind. In der Multipasszelle befindet sich ein nichtlineares Medium (z.B. ein transparenter Festkörper oder ein Gas), das (vorwiegend) durch SPM den in den Teilstrahlen propagierenden Laserpulsreplikaten eine Phase aufprägt und folglich eine spektrale Verbreiterung bewirkt. Ebenso können auch andere nichtlineare Prozesse neue Spektralkomponenten erzeugen. Dabei wird allen Laserpulsreplikaten annähernd eine identische nichtlineare Phase aufgeprägt. Die räumlich getrennten Teilstrahlen weisen keine optischen Wegunterschiede auf, die größer sind als die Kohärenzlänge der spektral verbreiterten
Laserpulsreplikate. Die spektral verbreiterten Laserpulsreplikate werden aus der Multipasszelle 3 (z.B. durch ein Loch in einem der Spiegel) ausgekoppelt, und nachfolgend durch ein Kombinationselement 4 überlagert und räumlich kohärent kombiniert. Anschließend kann eine Pulskompressionsstufe 5, z.B. mit geeigneten gechirpten Spiegeln folgen. Ebenso können die Spiegel der
Multipasszelle 3 sowie das darin enthaltene nichtlineare Medium in Summe eine anomale Gesamtdispersion aufweisen und so eine weitgehend identische Soliton-Selbst-Kompression aller Teilstrahlen bzw. Laserpulsreplikate in der Multipasszelle 3 bewirken. Die Figur 2 zeigt ein auf mehrfacher Reflexion basierendes Aufteilungs- bzw. Kombinationselement, wie es in dem erfindungsgemäßen System zum Einsatz kommen kann. Das Element besteht aus vier Unterelementen A, B, C, D. Bei dem ersten Unterelement A handelt es sich um einen Spiegel mit möglichst hoher Reflektivität. Das zweite Unterelement B umfasst (bei dem dargestellten Beispiel) beispielhaft vier Zonen mit unterschiedlicher Reflektivität. Die Laserstrahlen nehmen den in der Figur 2 dargestellten Weg. Die Reflektivitäten der Zonen des Unterelementes B können so gewählt werden, dass der einfallende Eingangslaserstrahl EL in einem bestimmten Verhältnis auf Teilstrahlen aufgeteilt wird. Ein Beispiel ist eine Aufteilung in gleichen Teilen auf alle Teilstrahlen. Dies wird durch die Wahl der Reflektivitäten der vier Zonen zu 75%, 66%, 50% und 0% erreicht. Die ausgehenden vier Teilstrahlen fallen dann auf planparallele Oberflächen der beiden Unterelemente C und D, die zu den Unterelementen A, B verkippt sind. Das Unterelement C ist wiederum hoch reflektiv. Das Unterelement D weist wiederum vier Zonen unterschiedlicher Reflektivität (wie vor) auf. Im Ergebnis wird, wie dargestellt, in einer Ebene senkrecht zum Strahlverlauf ein zweidimensionales Array aus 16 Teilstrahlen erzeugt. Die Zahl der Zonen unterschiedlicher Reflektivität bei den Unterelementen B und D kann jeweils beliebig sein, entsprechend der gewünschten Zahl von Teilstrahlen, d.h. entsprechend dem Teilungsverhältnis. Anzumerken ist, dass die Anzahl der Zonen nicht zwingend gleich der Anzahl der Teilstrahlen sein muss. Eine Zone kann auch mehrfach den Strahl reflektieren. Das Aufteilungselement 2 und das Kombinationselement 4 können identisch ausgeführt sein und in der Weise angeordnet sein, dass sich die entstehenden Weglängenunterschiede der 16 Teilstrahlen nahezu (idealerweise innerhalb der Kohärenzlänge) aufheben.
Zu beachten ist, dass sich die Fokusse der parallelen Teilstrahlen in der Multipasszelle 3 überlappen können. Dies kann zu unerwünschten nichtlinearen Wechselwirkungen der Teilstrahlen führen. Die Besonderheit des in Figur 2 gezeigten Aufteilungs-/Kombinationselementes ist, dass die Laserpulsreplikate der parallelen Teilstrahlen zueinander zeitlich versetzt sind, so dass Wechselwirkungen der Laserpulsreplikate untereinander vermieden werden. Der zeitliche Versatz wird durch die Abstände der hochreflektierenden zu den segmentierten Spiegeln bestimmt und kann entsprechend der Laserpulsdauer im Eingangslaserstrahl gewählt werden. Falls nötig, können aufgeprägte Winkel zwischen den räumlich getrennten Teilstrahlen einen Überlapp der Fokusse reduzieren oder vermeiden.
Die Aufteilung in Teilstrahlen möglichst identischer Leistung ist von Bedeutung, da alle Teilstrahlen in der Multipasszelle 3 eine nahezu identische nichtlineare Wechselwirkung erfahren sollen, wodurch eine nahezu identische Pulsdauerverkürzung erfolgt und darüber hinaus dies die Grundlage für eine hohe Kombinationseffizienz bei der nachgeschalteten kohärenten Überlagerung im Kombinationselement 4 zur Erzeugung des Ausgangslaserstrahls ist. Hierzu kann, wie in Figur 3 dargestellt, ein an das Teilstrahlenarray angepasstes Array aus Leistungsstellelementen 6 vorgesehen sein. Im einfachsten Fall kann dies z.B. durch ein Array von regulierbaren Abschwächern realisiert werden.
Eine Detektion von Weglängenunterschieden im sub-Wellenlängenbereich erfolgt in dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 mittels eines Fehlersignaldetektors 7. Hierzu können bekannte Anordnungen verwendet werden (siehe z.B. Arno Klenke, Michael Müller, Henning Stark, Andreas Tünnermann, and Jens Limpert, "Sequential phase locking scheme for a filled aperture intensity coherent combination of beam arrays," Opt. Express 26, 12072-12080, 2018). Die Korrektur bzw. die Stabilisierung der interferometrischen Überlagerung in dem Kombinationslement 4 kann durch ein Array von Phasenmodulatoren 8 (z.B. Spiegelarray mit Piezoaktoren) erfolgen, welches in seiner Geometrie wiederum an das Teilstrahlenarray angepasst ist. Der hierzu verwendete elektronische Regelkreis ist in Figur 3 nicht dargestellt. Alternativ zu der beschriebenen aktiven Stabilisierung können auch passive Ansätze verfolgt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 4 erfolgt im Aufteilungselement 2 die Aufteilung der Eingangslaserpulse in mindestens zwei zeitlich getrennte Laserpulsreplikate mit idealerweise identischer Pulsenergie, in dem Beispiel feinangepasst durch eine pulsselektive Leistungsregelung 9. In der Multipasszelle 3 erfolgt die entsprechend zeitlich getrennte spektrale Verbreiterung der Laserpulsreplikate mit anschließender kohärenter Kombination bei 4 zur Erzeugung des Ausgangslaserstrahls. Auch bei der zeitlichen Aufteilung der Laserpulse ist die relative Phasenlage der Laserpulsreplikate und deren Stabilität essentiell für eine stabile Emission, bei der der Großteil der Pulsenergie im Ausgangslaserstrahl enthalten ist. Bekannte Ansätze zur Detektion und aktiven Stabilisierung können auch hier zum Einsatz kommen. Bei dem Ausführungsbeispiel sind dazu Elemente zur Detektion der relativen Phasenlage 10 und zur entsprechenden aktiven Regelung 11 im Aufbau enthalten. Die elektronischen Regelungskomponenten sind in Figur 4 wiederum nicht gezeigt. Insbesondere bei der zeitlich getrennten spektralen Verbreiterung der Laserpulsreplikate sind passive Ansätze (d.h. Ansätze, die ohne eine Regelungselektronik auskommen) zur Einstellung der richtigen relativen Phasenlage der Laserpulsreplikate bei der Kombination anwendbar.
Zur Aufteilung der einzelnen Laserpulse des Eingangslaserstrahls in eine zeitliche Abfolge von Laserpulsreplikaten bei 13 können z.B. teilreflektierende Spiegel, polarisierende Elemente (z.B. Dünnschichtpolarisator oder
Polarisationsstrahlteiler) eingesetzt werden, oder auch Kristalle mit verschiedenen Laufzeiten bei verschiedenen Polarisationen (doppelbrechende Kristalle) verwendet werden. Eine entsprechend invertierte Anordnung erlaubt die kohärente Kombination bei 4.
Alternativ (nicht dargestellt) kann am Ausgang des Systems, d.h. nach Durchgang durch die Multipasszelle 3 eine Strahlumkehr erfolgen, z.B. mittels eines Faraday- Rotators in Kombination mit einem hochreflektierenden Spiegel. Nach der Reflexion propagieren die Laserpulsreplikate in Rückrichtung durch die Multipasszelle 3, wobei das Aufteilungselement 2 in Rückrichtung zur Kombination genutzt wird. Wichtig ist, dass insbesondere am Ausgang des Systems die verwendeten optischen Komponenten die spektrale Bandbreite der nichtlinear verbreiterten Laserpulse unterstützen.
Anzumerken ist, dass eine mehrdimensionale Aufteilung, d.h. in sowohl räumlich als auch zeitlich voneinander getrennte Laserpulsreplikate möglich ist. Dies entspricht z.B. einer Kombination der Ausführungsbeispiele der Figuren 3 und 4.
Zur Überwindung von Problemen, die sich aus der Dispersion der Spiegel der Multipasszelle 3 ergeben können, und den damit verbundenen Einschränkungen bei der Erzeugung extrem breitbandiger (few-cycle) Laserpulse können in der Multipasszelle 3 mit Vorteil metallische Spiegel verwendet werden, ggf. bestehend aus einer metallischen Schicht auf einem Substrat, welches durch eine gute Wärmeleitung gekennzeichnet ist (z.B. Kupfer oder Saphir).

Claims

Patentansprüche
1. Optisches System mit einer Laserquelle (1), die gepulste Laserstrahlung bestehend aus einer zeitlichen Abfolge von Laserpulsen in einem Eingangslaserstrahl (EL) erzeugt, einem der Laserquelle (1) im Strahlverlauf nachfolgenden Aufteilungselement (2), das die Laserpulse jeweils in räumlich und/oder zeitlich voneinander getrennte Laserpulsreplikate aufteilt, - einem dem Aufteilungselement (2) im Strahlverlauf nachfolgenden
Kombinationselement (4), das die Laserpulsreplikate in jeweils einem Laserpuls in einem Ausgangslaserstrahl überlagert, gekennzeichnet durch wenigstens eine im Strahlverlauf zwischen dem Aufteilungselement (2) und dem Kombinationselement (4) angeordnete Multipasszelle (3), durch welche die Laserpulsreplikate propagieren, wobei die Multipasszelle (3) ein Medium enthält, in dem die Laserpulsreplikate eine nichtlineare spektrale Verbreiterung erfahren.
2. Optisches System nach Anspruch 1, mit einem im Strahlverlauf hinter der Multipasszelle (3) angeordneten Reflektor, der die Laserpulsreplikate nach Propagation durch die Multipasszelle (3) reflektiert, wonach die Laserpulsreplikate in Rückrichtung durch die Multipasszelle (3) propagieren, wobei das Kombinationselement (4) durch das Aufteilungselement (2) gebildet wird, indem das Aufteilungselement (2) die Laserpulsreplikate nach Propagation durch die Multipasszelle (3) in Rückrichtung jeweils in einem Laserpuls überlagert.
3. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das
Aufteilungselement (2) und/oder das Kombinationselement (4) ein reflektives Element mit Zonen unterschiedlicher Reflektivität umfasst.
4. Optisches System nach Anspruch 3, wobei das Aufteilungselement (2) und/oder das Kombinationselement (4) jeweils zwei oder mehr reflektive Elemente (A, B, C, D) aufweisen, an denen die Laserstrahlung nacheinander ein- oder mehrfach reflektiert wird.
5. Optisches System nach Anspruch 3 oder 4, wobei das
Aufteilungselement (2) und das Kombinationselement (4) einen identischen Aufbau aufweisen.
6. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das
Aufteilungselement (2) und das Kombinationselement (4) jeweils zumindest einen Strahlteiler und zumindest eine optische Verzögerungsstrecke aufweisen.
7. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Laserpulsreplikate in räumlich voneinander getrennten Teilstrahlen durch die
Multipasszelle (3) propagieren.
8. Optisches System nach Anspruch 7, wobei die Teilstrahlen in einer Ebene senkrecht zum Strahlverlauf ein zweidimensionales Array bilden.
9. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Fehlersignaldetektor (7), der aus der Laserstrahlung ein Fehlersignal ableitet, und einem Regler, der aus dem Fehlersignal wenigstens ein Stellsignal zur Ansteuerung wenigstens eines im Strahlverlauf angeordneten optischen Modulators (8) ableitet.
10. Optisches System nach den Ansprüchen 8 und 9, wobei der optische Modulator (8) ein zu dem Array der Teilstrahlen korrespondierendes
Array aus Phasenmodulatoren aufweist, wobei jedem der Teilstrahlen ein Phasenmodulator zugeordnet ist.
11. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei sich im Strahlverlauf eine Anordnung aus Leistungsstellelementen (6) befindet, wobei jedem Teilstrahl ein Leistungsstellelement (6) zugeordnet ist, das die Leistung der Laserpulsreplikate in diesem Teilstrahl beeinflusst.
12. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die
Multipasszelle (3) wenigstens zwei Spiegel aufweist, deren Form und Anordnung so gewählt sind, dass die Multipasszelle (3) einen stabilen optischen Resonator bildet.
13. Optisches System nach Anspruch 12, wobei die Multipasszelle (3) sphärische Spiegel in konzentrischer Anordnung aufweist.
14. Optisches System nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Multipasszelle (3) metallische Spiegel aufweist.
15. Optisches System nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Multipasszelle (3) dielektrische Spiegel aufweist, wobei das Medium und die dielektrischen Spiegel eine anomale Gesamtdispersion aufweisen.
EP21736977.6A 2020-06-15 2021-06-14 Kurzpuls-lasersystem Pending EP4165736A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020115753.3A DE102020115753B3 (de) 2020-06-15 2020-06-15 Kurzpuls-Lasersystem
PCT/EP2021/065975 WO2021254963A1 (de) 2020-06-15 2021-06-14 Kurzpuls-lasersystem

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4165736A1 true EP4165736A1 (de) 2023-04-19

Family

ID=76432407

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21736977.6A Pending EP4165736A1 (de) 2020-06-15 2021-06-14 Kurzpuls-lasersystem

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20230275385A1 (de)
EP (1) EP4165736A1 (de)
KR (1) KR20230029787A (de)
CN (1) CN116171515A (de)
DE (1) DE102020115753B3 (de)
WO (1) WO2021254963A1 (de)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007048769B3 (de) 2007-10-10 2009-01-29 Laser-Laboratorium Göttingen eV Lichtleiteranordnung, Herstellungsverfahren und Verwendung dafür
DE102014007159B4 (de) * 2014-05-15 2017-04-13 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Anordung zur spektralen Verbreiterung von Laserpulsen für die nichtlineare Pulskompression
FR3087276B1 (fr) * 2018-10-10 2021-05-14 Amplitude Systemes Systeme et procede de compression d'impulsions lumineuses breves ou ultrabreves et systeme laser a impulsions lumineuses associe
DE102018125356A1 (de) 2018-10-12 2020-04-16 Active Fiber Systems Gmbh Multi-Apertur-Lasersystem

Also Published As

Publication number Publication date
CN116171515A (zh) 2023-05-26
WO2021254963A1 (de) 2021-12-23
DE102020115753B3 (de) 2021-07-08
KR20230029787A (ko) 2023-03-03
US20230275385A1 (en) 2023-08-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2020074581A1 (de) Multi-apertur-lasersystem
DE19634969B4 (de) Verfahren zum Einstellen der Impulsenergie eines optisch gepumpten Festkörperlasers und optisch gepumpter Festkörperlaser
EP3103167B1 (de) Optische anordnung mit strahlaufteilung
EP3041093B1 (de) Optische resonatoranordnung und verfahren zum einstellen einer umlaufzeit in einem resonator
EP1194987A1 (de) Laservorrichtung
DE102014013567B3 (de) Gütegeschaltetes CO2-Laser-Materialbearbeitungssystem mit akustooptischen Modulatoren
DE102016122047B3 (de) Erzeugung von Ausgangslaserimpulsen mit einer abstimmbaren Zentralwellenlänge
DE102020115753B3 (de) Kurzpuls-Lasersystem
DE102010018035A1 (de) Parametrischer Oszillator und Verfahren zum Erzeugen ultrakurzer Pulse
AT506600B1 (de) Anordnung zur optischen verstärkung von lichtpulsen
EP0680118A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung kurzer Laserpulse
AT510116A1 (de) Laser
EP1775806B1 (de) Verfahren zur Erzeugung zeitlich rechteckiger Ultrakurzpulse
EP3707787A1 (de) Verfahren zur laserverstärkung
DE19960765A1 (de) Hochrepetierlicher Femtosekundenlaser
DE102023103793B3 (de) Verfahren zur Frequenzstabilisierung eines gütegeschalteten schmalbandigen Lasers und Laseranordnung zur Durchführung des Verfahrens
DE102011114474B3 (de) Laseranordnung
DE19634489C2 (de) Vorrichtung zur Synchronisation von ultrakurzen optischen Laserimpulsen
DE102020122731A1 (de) Kurzpuls-Lasersystem und Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen
DE102005059501A1 (de) Mehrfachpuls-Lichtemissionsvorrichtung und Verfahren zur Erzeugung einer Pulsfolge von Laserlicht-Mehrfachpulsen
WO2014108333A1 (de) Optische umlaufvorrichtung und zugehöriges verfahren
DE102016108282A1 (de) Lasersystem mit Überlagerung von zeitlich oder räumlich separaten Laserpulsen
EP2246944B1 (de) Laserverstärker und Laserverstärkungsverfahren
WO2003085446A2 (de) Einrichtung zur verstärkung kurzer, insbesondere ultrakurzer laserpulse
EP4189790A1 (de) Lasersystem zur nichtlinearen pulskompression und gitter-kompressor

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20230116

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: STUTZKI, FABIAN

Inventor name: HAEDRICH, STEFFEN

Inventor name: EIDAM, TINO

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)