EP4371197A1 - Pulse modification apparatus comprising a passive conversion device for compensating for environmental influences - Google Patents

Pulse modification apparatus comprising a passive conversion device for compensating for environmental influences

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Publication number
EP4371197A1
EP4371197A1 EP22734533.7A EP22734533A EP4371197A1 EP 4371197 A1 EP4371197 A1 EP 4371197A1 EP 22734533 A EP22734533 A EP 22734533A EP 4371197 A1 EP4371197 A1 EP 4371197A1
Authority
EP
European Patent Office
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pulse
change
laser pulses
dispersion
modification device
Prior art date
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Pending
Application number
EP22734533.7A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Enzmann
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.)
Trumpf Laser GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser 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 Trumpf Laser GmbH filed Critical Trumpf Laser GmbH
Publication of EP4371197A1 publication Critical patent/EP4371197A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005Optical 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
    • H01S3/0057Temporal shaping, e.g. pulse compression, frequency chirping
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/02Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light
    • G02B26/04Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light by periodically varying the intensity of light, e.g. using choppers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/0014Monitoring arrangements not otherwise provided for
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10053Phase control

Definitions

  • the invention relates to a pulse modification device in the form of a pulse stretching device for dispersive stretching of laser pulses or a pulse compression device for dispersive compression of laser pulses.
  • the invention also relates to a chirped pulse amplification system.
  • Laser pulses in particular ultra-short laser pulses, ie laser pulses with pulse durations in the picosecond range and below, are used in numerous areas of technology, for example in material processing including laser welding and laser cutting.
  • An important variable in the description of laser pulses is the phase of the electrical field of the laser pulses in the frequency domain so-called spectral phase.
  • unchirped laser pulses which have a spectral phase that is constant or linearly dependent on the frequency
  • chirped laser pulses whose spectral phase has a more complex frequency dependency.
  • certain spectral components for example lower-frequency ones
  • other spectral components for example higher-frequency ones.
  • Unchirped laser pulses are characterized by a minimal pulse duration for a given spectral width.
  • the properties of laser pulses can be influenced in a targeted manner by means of devices that have different effects on the individual spectral components of the laser pulses, which are therefore dispersive, in particular by means of devices that change the spectral phase.
  • High pulse qualities, short pulse durations and high pulse intensities are generally desirable.
  • pulse stretching devices for dispersive stretching of laser pulses
  • pulse compression devices for dispersive compression of laser pulses.
  • Unchirped and chirped laser pulses can be time-stretched using pulse stretching devices. The resulting time-stretched laser pulses are then chirped or more chirped.
  • Chirped laser pulses can be temporally compressed using pulse compression devices. The resulting temporally compressed laser pulses are then chirped or unchirped to a lesser extent.
  • Pulse stretching and pulse compression devices are often used in combination.
  • at least one pulse stretching device, at least one pulse compression device and a pulse amplification device are integrated in a so-called chirped pulse amplification system.
  • a chirped pulse amplification system is used to generate ultra-short laser pulses with the highest pulse intensities.
  • Laser pulses of the seed laser for example a fiber laser
  • the stretched laser pulses are then amplified in the amplification device, for example in a fiber amplifier.
  • the amplified laser pulses are time-compressed again by means of the at least one pulse compression device.
  • Pulse stretching and pulse compression devices are often designed as free-radiation devices, which means that the laser pulses or their spectral components propagate at least partially through air or another gas atmosphere. This is particularly advantageous when high intensities occur and/or high stretching factors are achieved must.
  • This design includes grating and prism stretchers or grating and prism compressors, in which at least one grating or prism is used to separate and combine the individual spectral components. The separated spectral components have different propagation times in the stretchers or compressors before they are brought together again, which leads to the desired stretching or compression over time.
  • the dispersion of a pulse stretching or pulse compression device can be described mathematically via the accumulated spectral phase, f(w), of the laser pulses during propagation through the pulse stretching or pulse compression device.
  • the pulse stretching or pulse compression device is typically characterized via the coefficients ⁇ of a Taylor expansion in the angular frequency, w, around the center frequency, w 0 , of the laser pulses.
  • ⁇ 2 group delay dispersion
  • ß 3 describes the temporal divergence and convergence of the laser pulses in the lowest order.
  • the higher orders, in particular third-order dispersion, ⁇ 3 also play a role.
  • EP 3578287 A1 describes a laser system with a laser pulse source and a dispersion adjustment unit for pulse stretching or pulse compression of laser pulses with an arrangement with at least one dispersive element for generating angular dispersion and an optical unit arranged in the angular dispersion range.
  • the optical unit comprises a plane-parallel optical plate that transmits the laser pulses and causes a parallel offset of the individual spectral components of the laser pulses that depends on the angle of incidence.
  • a rotation of the optical disk affects the dispersion properties of the dispersion adjustment unit.
  • the pulse duration of the laser pulses in an output beam of the laser system can be adjusted by rotating the optical disk.
  • the laser system further includes a pulse duration measuring device and a control unit.
  • the pulse duration measuring device is used to output a pulse duration-dependent measurement signal to the control unit.
  • the control unit is used to control an angle setting device for setting an angular position of the optical disk as a function of the pulse duration measurement.
  • a chirped pulse amplification system with a pulse generator, a pulse stretcher, a pulse amplifier and a pulse compressor, as well as an adjustment element and a pulse measuring device is also described.
  • the setting element is suitable for setting the group velocity dispersion of the chirped pulse amplification system and for regulating the pulse duration of the compressed pulses.
  • the adjustment element can either be used to adjust the dispersion of one of the existing elements of the chirped pulse amplification system, for example the pulse stretcher or the pulse compressor, or it is an additional dispersive element in the chirped pulse amplification system.
  • the pulse measuring device is suitable for at least one pulse characteristic of the to measure compressed pulses, for example via multiphoton detection, an autocorrela tor or via a FROG (Frequency-Resolved Optical Gating) system.
  • the setting element is also designed to react to an output signal from the pulse measuring device.
  • the adjustment element serves to compensate for changes in dispersion that are due to changes in the environment or the optical path length of free-space elements.
  • the adjustment element is designed to apply a temperature gradient or an elongation gradient to a fiber Bragg grating.
  • the object of the invention is to provide a pulse modification device in the form of a pulse stretching device or a pulse compression device, in which the exiting laser pulses have constant pulse properties independently of at least one environmental parameter and which is also characterized by a simple and inexpensive design.
  • this object is achieved by a pulse modification device in the form of a pulse stretching device for dispersive stretching of laser pulses or a pulse compression device for dispersive compression of laser pulses with at least one dispersive optical element for angle separation and combination of spectral components of the laser pulses and a control device for setting the Dispersion of the pulse modification device by influencing the spectral components and at least one passive sensor element with an output variable that depends on at least one environmental parameter, and a passive conversion device for converting an output variable change of the at least one passive sensor element into a manipulated variable change of the actuating device in order to change the dispersion of the pulse modification device and/or at least one further pulse stretching device and/or at least one further pulse compensating compression device resulting from a change in the at least one environmental parameter.
  • the emerging laser pulses have pulse properties that remain the same, regardless of the at least one environmental parameter.
  • the laser pulses also propagate through one or more other pulse stretching devices and/or one or more other pulse compression devices, instead of or in addition to changing the dispersion of the pulse modification device, the dispersion of the or at least one of the several other pulse stretching devices and/or the at least or at least one of the several further pulse compression devices are compensated.
  • An exemplary application is chirped pulse amplification systems.
  • the pulse modification device is preferably designed to compensate for the cumulative dispersion.
  • the additional pulse stretching and/or pulse compression devices can be arranged in the beam path of the laser pulses before and/or after the pulse modification device.
  • the pulse modification device is designed as a free jet device.
  • a change in the at least one environmental parameter leads in particular to a change in the refractive index of the air or the gas atmosphere, which in turn leads to a change in the dispersion.
  • the at least one dispersive optical element is, for example, at least one diffraction grating or at least one prism.
  • the separated spectral components of the laser pulses have different propagation times before they are recombined, which leads to the desired temporal compression or temporal stretching of the laser pulses.
  • the passive conversion device converts the change in the output variable into a change in the manipulated variable, with the change in the manipulated variable brought about leading to a compensation for the change in the dispersion that results from the change in the at least one environmental parameter.
  • a passive conversion device is understood here in particular as a conversion device that does not require any active elements, for example no motor, no additional energy sources and no electronics. This applies accordingly to the passive sensor element.
  • the pulse modification device is relatively simple and inexpensive to maintain and easy to maintain or even maintenance-free.
  • the adjusting device comprises a plane-parallel transmissive optical element, which is arranged in such a way that the angle-separated spectral components of the laser pulses pass through it and experience a parallel offset dependent on the angle of incidence, with the dispersion of the pulse modification device being controlled by a rotation of the plane-parallel transmissive optical element is adjustable and the manipulated variable change corresponds to a rotation angle of the plane-parallel transmissive optical element.
  • the plane-parallel transmissive optical element can be a small glass plate, for example. The rotation of the plane-parallel transmissive optical element around the angle of rotation changes the beam path of the spectral components, which affects the dispersion of the pulse modification device.
  • the adjusting device can also include a multi-wedge arrangement, in particular a double-wedge arrangement, which is arranged in such a way that the angularly separated spectral components pass through it, with the dispersion of the pulse modification device being adjustable by displacing at least one wedge of the multi-wedge arrangement and/or rotating the multi-wedge arrangement is.
  • a multi-wedge arrangement in particular a double-wedge arrangement, which is arranged in such a way that the angularly separated spectral components pass through it, with the dispersion of the pulse modification device being adjustable by displacing at least one wedge of the multi-wedge arrangement and/or rotating the multi-wedge arrangement is.
  • double wedge arrangement or multi-wedge arrangement is an optical arrangement of two or more than two wedges. Wedges are understood here to mean wedge-shaped transmissive optical elements.
  • the change in manipulated variable is typically a displacement path of the at least one wedge and/or an angle of rotation of the multi-wedge arrangement.
  • a thickness of the double wedge arrangement can be varied by shifting a wedge of a double wedge arrangement. This leads to an adjustability of the dispersion of the pulse modification device, since the spectral components experience a beam displacement dependent on the angle of incidence when passing through the double wedge arrangement, which is dependent on the thickness of the double wedge arrangement. Further details on setting the dispersion of a pulse stretching or pulse compression device by means of such multi-wedge arrangements can also be found in EP 3578287 A1.
  • the output of the passive sensing element or at least one of the passive sensing elements is a length.
  • the length is understood here as the dimension of the passive sensor element or a part of the passive sensor element along any spatial direction.
  • the output variable can also be an orientation of the passive sensor element or part of the passive sensor element.
  • the output size change can result in a translation or a rotation or a superposition of a translation and a rotation.
  • the passive sensor elements are connected to one another in series, as a result of which their output variable changes, in particular their length changes, add up.
  • passive sensor elements can be connected in series, which show a change in output when the same environmental parameter changes.
  • the passive conversion device manages with smaller levers. The signal-to-noise ratio improves. Overall, the compensation becomes more accurate and reliable.
  • the passive conversion device is a mechanical transmission, preferably a linkage.
  • a mechanical transmission is a device for the transmission of movements and forces through rigid components such as gears, racks, chains or belts.
  • the passive conversion device can also include a so-called transmission chain.
  • a linkage is a device consisting of two or more rods connected to one another via joints or rods, which is used to transmit forces and movements.
  • At least one joint of the mechanical transmission or linkage is a flexure joint.
  • Solid joints have the advantage of being friction-free or extremely low-friction.
  • the output variable change can thus be converted more reliably and more precisely into the corresponding manipulated variable change, in particular into the rotation of the plane-parallel transmissive optical element by the corresponding angle of rotation.
  • the typically limited range of motion of flexure joints does not represent a relevant limitation for the present application.
  • the passive conversion device is designed according to an experimentally determined calibration curve, which sets the change in the at least one environmental parameter in relation to the change in the dispersion of the pulse modification device and/or the at least one additional pulse stretching device and/or the at least one additional pulse compression device . From such a calibration curve and the known connection between the change in the manipulated variable, in particular the angle of rotation, and the resulting adaptation of the dispersion, there is a relationship between the change in the at least one environmental parameter and the value of the change in the manipulated variable, which is used to compensate for the change in the dispersion of the Pulse modification device leads.
  • the change in the group delay dispersion can be approximately described using mathematical relationships of the form specified.
  • a relationship between the change in the at least one environmental parameter and the change in the group delay dispersion now results from a known relationship between the at least one environmental parameter and the refractive index, in the case of air, for example, from the Edlen formula. Since the connection between the change in the manipulated variable, in particular the angle of rotation of the plane-parallel transmissive optical element, and the change in the group delay dispersion is known, there is an overall relationship between the change in the at least one environmental parameter and the change in the manipulated variable leading to compensation.
  • a corresponding design of the passive conversion device allows extensive or even complete compensation for the change in the dispersion, without the pulse duration or another pulse property having to be measured.
  • the mathematical relationship given describes, to at least a good approximation, the change in group delay dispersion for a given change in refractive index in many cases. Of the higher orders of dispersion, only the third-order dispersion, ß 3 , is included in the mathematical relationship.
  • the change in manipulated variable in particular the angle of rotation of the plane-parallel transmissive optical element, is at least approximately approximately proportional to the change in output variable, in particular to the change in length, of the at least one passive sensor element.
  • the change in the refractive index is typically proportional, at least to a good approximation, to the change in the at least one environmental parameter, for example in the case of the Edlen formula.
  • typical changes in the output variable in particular changes in the length of passive sensor elements as a function of the change in the at least one environmental parameter and the change in the group delay dispersion as a function of the change in the manipulated variable, in particular the angle of rotation.
  • the passive conversion device should preferably be designed in such a way that it causes a change in the manipulated variable that is proportional to the change in the output variable.
  • the passive conversion device is preferably designed such that it causes the plane-parallel transmissive optical element to rotate by an angle of rotation that is proportional to the change in length or the changes in length of the passive sensor element or passive sensor elements.
  • the proportionality factor which leads to compensation for the change in dispersion, also results from the relationships mentioned.
  • the or one of the ambient parameters is an ambient pressure.
  • the ambient pressure is particularly dependent on the weather, which means that it is subject to constant fluctuations.
  • the ambient pressure has a relatively strong influence on the refractive index, which means that it has a relatively strong effect on the dispersion of free-radiation devices. Compensating for changes in dispersion resulting from a change in ambient pressure is therefore particularly important.
  • the passive sensor element or at least one of the passive sensor elements comprises a pressure load cell, preferably an absolute pressure load cell.
  • Pressure cells typically include two interconnected membranes that deform as a function of the pressure difference.
  • the space between the membranes is evacuated.
  • the or one of the environmental parameters is a temperature.
  • a change in temperature results in a change in the refractive index.
  • thermal expansion of components of the pulse modification device for example one or more base plates, can also occur. Temperature can also affect the grating period of diffraction gratings.
  • the passive sensor element or at least one of the passive sensor elements comprises a bimetallic element or a component, in particular a rod, which has a greater coefficient of expansion than the components of the passive conversion device, in particular than the rods of the linkage.
  • materials with different thermal expansion coefficients can be used in a targeted manner.
  • at least one rod of the passive conversion device can be made of invar or titanium, which are characterized by a very small coefficient of thermal expansion.
  • the passive sensor element on the other hand, can comprise a rod made of aluminum, for example, which exhibits a significantly larger change in length when the temperature changes.
  • the passive sensor element may also comprise, for example, a plate or other component which is connected to a base plate of the pulse modification device and which expands (or contracts) with a change in the ambient temperature.
  • a change in the output variable can, for example, shift a pivot point of the linkage, resulting in an adjustment of the manipulated variable.
  • Bimetallic elements consist of two interconnected metal layers that differ in their coefficients of thermal expansion. A temperature change therefore causes the bimetallic element to bend, which causes the output variable of the passive sensor element to change.
  • At least one passive sensor element in the form of at least one partially evacuated pressure cell, both changes in the ambient pressure and Changes in ambient temperature are compensated.
  • the pressure inside the partially evacuated pressure cell is to be selected appropriately. In order to achieve the same mechanical stroke for a given change in ambient pressure, a larger number of pressure cells is necessary when using partially evacuated pressure cells than when using absolute pressure cells.
  • a chirped pulse amplification system for amplifying laser pulses comprising one or more pulse stretching devices for dispersive stretching of the laser pulses, a pulse amplification device for amplifying the stretched laser pulses and one or more Pulse compression devices for the dispersive compression of the amplified laser pulses, wherein the or at least one of the pulse stretching devices and/or the or at least one of the pulse compression devices is a pulse modification device as described above.
  • the pulse parameters of the exiting laser pulses remain constant in such a chirped pulse amplification system, independently of the at least one environmental parameter.
  • the pulse duration of the exiting laser pulses can be kept constant even in the case of pressure fluctuations.
  • the distance between the dispersive optical elements can also be tracked or readjusted.
  • this is more complex and expensive than the compensation via the rotation of the plan-parallel transmissive optical element or via the displacement of at least one wedge of the double wedge arrangement.
  • Figs. 1a, 1b schematic representations of a pulse modification device in the form of a pulse compression device with two dispersive optical elements, a control device, comprising a plane-parallel transmissive optical element, a sensor element and a passive conversion device,
  • FIGs. 2a-2c schematic representations of variants in Figs. 1a, 1b shown passive conversion device
  • flight 3 shows a schematic representation of an adjusting device with a double wedge arrangement
  • FIG. 4 shows a simplified schematic representation of a chirped pulse amplification system for amplifying laser pulses with a pulse compression device, which is a pulse modification device according to the invention.
  • Figs. 1a and b show an example of a pulse modification device 1 in the form of a pulse compression device for the dispersive compression of laser pulses 2 with two dispersive optical elements 3, 3', an actuating device 4', a passive sensor element 5 and a passive conversion device 6.
  • the pulse modification device 1 is a free beam device.
  • the two dispersive optical elements 3,3' are used for angular separation and combination of the spectral components 7 of the laser pulses 2.
  • the pulse modification device 1 can also have only one or more than two dispersive optical elements 3,3'.
  • the dispersive optical elements 3, 3' shown are diffraction gratings, but they can also be other dispersive optical elements, for example prisms.
  • the spectral components 7 are parallelized and subsequently reflected back by a reflective optical element 8 .
  • the reflective optical element 8 can be a deflection prism, for example.
  • the spectral components 7 that are reflected back are offset in height, so that the exiting laser pulses 2′ can be easily separated from the entering laser pulses 2.
  • the individual spectral components 7 have different propagation times in the pulse modification device 1, which leads to the desired temporal compression of the laser pulses 2.
  • the actuating device 4' shown comprises, for example, a plane-parallel transmissive optical element 4, which is arranged in such a way that the angle-separated spectral components 7 of the laser pulses 2 pass through it and experience a parallel offset dependent on the angle of incidence.
  • the dispersion of the pulse modification device 1 can be adjusted via a rotation 9 of the plane-parallel transmissive optical element 4 .
  • the actuating device 4' can also be designed differently.
  • An output variable A of the passive sensor element 5 depends on an environmental parameter U from the environment.
  • the output variable A is the length L of the passive sensor element 5.
  • the sensor element 5 When the environmental parameter U changes, the sensor element 5 consequently shows a change in output variable dA in the form of a change in length dL
  • the passive conversion device 6 serves to convert the change in output variable dA of the passive sensor element 5 into a change in the manipulated variable dS of the actuating device 4'.
  • the effected change in the manipulated variable dS leads to a compensation for the change in the dispersion of the pulse modification device 1, which results from the change in the environmental parameter U.
  • the change in manipulated variable dS corresponds to the angle of rotation da of the plane-parallel transmissive optical element 4.
  • the pulse modification device 1 can also have a number of passive sensor elements 5 whose output variables A depend on the environment depend on the exercise parameters U.
  • the passive sensor elements 5 can also be connected in series, whereby their output variable changes dA, in particular their length changes dL, add up.
  • the output variables A of the passive sensor elements 5 can also depend on several environmental parameters U.
  • the output variable A of an individual sensor element 5 can also depend on a number of ambient parameters U, for example the ambient pressure and the ambient temperature.
  • the ambient parameter U is the ambient pressure.
  • the sensor element 5 includes a pressure cell 10 in the form of an absolute pressure cell. If the ambient pressure changes, the membranes (not shown here) of the pressure cell 10 are deformed, which causes the change in length dL of the sensor element 5 . However, the sensor element 5 does not necessarily have to include a pressure cell 10 .
  • the ambient pressure affects in particular the refractive index n of the air or a gas atmosphere of the pulse modification device 1, as a result of which there is an indirect change in the dispersion of the pulse modification device 1.
  • FIG. 1a shows the pulse modification device 1 at nominal pressure.
  • the plane-parallel transmissive optical element 4 is on average perpendicular to the incident spectral components 7.
  • FIG. 1b shows the pulse modification device 1 at a lower ambient pressure.
  • the dispersion of the pulse modification device 1 is increased and the propagation time has to be shortened.
  • the pressure cell 10 expands.
  • the sensor element 5 shows a change in length dL; its length L is greater than in Fig. 1a.
  • the sensor element 5 pushes on the passive conversion device 6 and rotates the plane-parallel transmissive optical element 4 by an angle of rotation there, as a result of which the transit time path length is shortened via the parallel offset in such a way that the increase in the dispersion is compensated for.
  • the compensation takes place in the same way.
  • the dispersion in the pulse modification device 1 decreases and the propagation time has to be increased.
  • the sensor element 5 pulls on the passive conversion device 6 and rotates the plane-parallel transmissive optical element 4 in such a way that the running time is lengthened due to the parallel offset.
  • several pressure cells 10 can also be connected in series in order to further increase the mechanical stroke.
  • the environmental parameter U or one of the environmental parameters U can also be a temperature.
  • a change in temperature can result not only in a change in the refractive index n but also in thermal expansion of components of the pulse modification device 1 .
  • the change in length dL of the sensor element 5 or of the sensor elements 5 can be based on a thermal expansion of a material, for example in the form of a rod.
  • the material preferably has a large coefficient of thermal expansion.
  • the material can be aluminum.
  • the sensor element 5 can also comprise a bimetallic element. Changes in the dispersion of the pulse modification device 1, which are caused by changes in other environmental parameters U, can also be compensated for.
  • the passive conversion device 6 is a mechanical transmission, more precisely a linkage, i.e. it has rods 11 which are connected to one another or to a base plate via joints 1212, here including a fixed bearing 12'.
  • the plane-parallel transmissive optical element 4 is also rotatably mounted by means of a joint 12''.
  • the plane-parallel transmissive optical element 4 is arranged on the axis of rotation.
  • the passive conversion device 6 can be understood as a mechanical lever system.
  • the joints 12, 12' are flexure joints, but other joints can also be involved. Solid joints have the advantage of being friction-free or extremely low-friction.
  • the passive conversion device 6 does not have to be a mechanical transmission, in particular not a linkage.
  • the passive conversion device 6 can comprise a transmission chain.
  • the passive conversion device 6 is a mechanical transmission, but not a linkage.
  • the passive conversion device 6 is designed, for example, such that the manipulated variable change dS in the form of the rotation angle da of the plane-parallel transmissive optical element 4 is at least approximately proportional to the output variable change dA in the form of the length change dL of the sensor element 5 .
  • This leads to compensation for the change in dispersion since in the example shown the change in length dL and the change in the refractive index n are proportional to the change in the environmental parameter U and the change in dispersion is proportional to the change in the refractive index n and the angle of rotation da and also the proportionality factor of the passive conversion device 6 between the change in length dL and the angle of rotation is chosen accordingly.
  • the change in length dL proportional to the change in the ambient parameter U is due to the fact that the pressure cell 10 deforms in proportion to the change in the ambient pressure. Pressure fluctuations are thus converted into a proportional mechanical stroke.
  • the length L of the sensor element 5 is therefore linearly dependent on the ambient pressure U.
  • the plane-parallel transmissive optical element 4 is rotated in proportion to the change in the ambient pressure and keeps the pulse properties, in particular the pulse duration, of the exiting laser pulses 2' constant. Proportional changes in the output variable dA can also be achieved by means of other sensor elements 5 and for other ambient parameters U.
  • dß 2 b 3 w 0 ⁇ h.
  • the passive conversion device 6 can be designed according to an experimentally determined calibration curve, which sets the change in the at least one environmental parameter U in relation to the change in the dispersion of the pulse modification device 1 .
  • the pulse modification device 1 can also be a pulse stretching device for dispersive stretching of the laser pulses 2.
  • the pulse modification device 1 can have, for example, two lenses in addition to the two dispersive optical elements 3, 3' in order to achieve a positive dispersion.
  • the pulse modification device 1 can also be designed to compensate for the change in the dispersion of at least one other pulse stretching and/or pulse compression device, not shown here, which results from the change in the at least one environmental parameter U.
  • Figs. 2a, 2b and 2c are variants of the one shown in Figs. 1a and 1b shown passive conversion device 6 shown schematically. Also shown are the sensor element 5 comprising the pressure cell 10 and the plane-parallel transmissive optical element 4.
  • the bars 13 and joints 14 shown in dashed lines each correspond to two modified arrangements of the bars 11 and joints 12,12'.
  • the angle of rotation achieved can be set for a given change in length dL of the sensor element 5 .
  • the achieved manipulated variable change dS can be adjusted for a given output variable change dA by such modifications.
  • the passive conversion device 6 is also of simpler design and has only two rods 11.
  • an adjusting device 4' is shown schematically, which comprises a double wedge arrangement 15 with two wedges 16, 16''.
  • the double wedge arrangement 15 is arranged in such a way that the angularly separated spectral components 7 of the laser pulses 2 pass through it.
  • a thickness of the double wedge arrangement 15 and thus the Disper sion of the pulse modification device 1, not shown here, is adjustable.
  • the adjusting device 4' can also have a multi-wedge arrangement.
  • FIG. 4 shows an example of a chirped pulse amplification system 18 for amplifying laser pulses 2 with a pulse stretching device 19, a pulse amplifying device 20 and a first pulse compression device 21 and a second pulse compression device 22 in a simplified, schematic manner.
  • the incoming laser pulses 2 are stretched in time by means of the pulse stretching device 19 .
  • the stretched laser pulses 23 are then amplified in the pulse amplification device 20 .
  • the amplified laser pulses 24 are temporally compressed by means of the first pulse compression device 21 and the second pulse compression device 22 and the compressed laser pulses 2' exit the chirped pulse amplification system 15.
  • the second pulse compression device 22 is a pulse modification device 1 which is designed as described above.
  • this is a free-radiation device with an actuating device 4', at least one passive sensor element 5 and a passive conversion device 6 for compensating for changes in the dispersion of the pulse modification device 1, which result from changes in the at least one environmental parameter U.
  • the pulse stretching device 19 and the first pulse compression device 21 are, by way of example but not necessarily, a further pulse stretching device 25 or a further pulse compression device 26, the dispersion changes of which are also reflected in the pulse modification device 1 are compensated.
  • the chirped pulse amplification system 15 can also have more than one pulse stretching device and/or only one or more than two pulse compression devices.
  • the pulse stretching device 19 can also be a pulse modification device 1, which is designed as described above.

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Abstract

The invention relates to a pulse modification apparatus (1) in the form of a pulse stretching apparatus for the dispersive stretching of laser pulses (2) or a pulse compression apparatus for the dispersive compression of laser pulses (2), comprising at least one dispersive optical element (3, 3') for angle separation and the combination of spectral components (7) of the laser pulses (2), and a tuning device (4') for tuning the dispersion of the pulse modification apparatus (1) by influencing the spectral components (7). The pulse modification apparatus (1) further comprises at least one passive sensor element (5) having an output variable (A) that depends on at least one environmental parameter (U), and a passive conversion device (6) for converting a change (dA) in the output variable provided by the at least one passive sensor element (5) into a change (dS) in the tuning variable for the tuning device (4') in order to compensate for a change in the dispersion of the pulse modification apparatus (1) and/or at least one additional pulse stretching apparatus (25) and/or at least one additional pulse compression apparatus (26), said change in dispersion resulting from a change in the at least one environmental parameter (U).

Description

Pulsmodifikationsvorrichtunq mit einer passiven Umsetzunqseinrichtunq zur Kom pensation von Umgebungseinflüssen Die Erfindung betrifft eine Pulsmodifikationsvorrichtung in Form einer Pulsstre ckungsvorrichtung zur dispersiven Streckung von Laserpulsen oder einer Pulskom pressionsvorrichtung zur dispersiven Kompression von Laserpulsen. Die Erfindung betrifft ferner ein Chirped-Pulse-Amplification-System. Laserpulse, insbesondere ultrakurze Laserpulse, also Laserpulse mit Pulsdauern im Pikosekundenbereich und darunter, finden auf zahlreichen Gebieten der Technik An wendung, beispielsweise in der Materialbearbeitung einschließlich dem Laserschwei ßen und dem Laserschneiden. Eine wichtige Größe in der Beschreibung von Laser pulsen ist die Phase des elektrischen Feldes der Laserpulse im Frequenzraum, die sogenannte spektrale Phase. Unterschieden werden kann damit zwischen un- gechirpten Laserpulsen, die eine spektrale Phase aufweisen, die konstant ist oder li near von der Frequenz abhängt, und gechirpten Laserpulsen, deren spektrale Phase eine komplexere Frequenzabhängigkeit aufweist. Vereinfacht gesagt eilen in einem gechirpten Laserpuls bestimmte Spektralanteile, beispielsweise niederfrequentere, anderen Spektralanteilen, beispielsweise höherfrequenteren, voraus. Ungechirpte Laserpulse zeichnen sich durch eine minimale Pulsdauer bei gegebener spektraler Breite aus. The invention relates to a pulse modification device in the form of a pulse stretching device for dispersive stretching of laser pulses or a pulse compression device for dispersive compression of laser pulses. The invention also relates to a chirped pulse amplification system. Laser pulses, in particular ultra-short laser pulses, ie laser pulses with pulse durations in the picosecond range and below, are used in numerous areas of technology, for example in material processing including laser welding and laser cutting. An important variable in the description of laser pulses is the phase of the electrical field of the laser pulses in the frequency domain so-called spectral phase. A distinction can thus be made between unchirped laser pulses, which have a spectral phase that is constant or linearly dependent on the frequency, and chirped laser pulses, whose spectral phase has a more complex frequency dependency. To put it simply, in a chirped laser pulse certain spectral components, for example lower-frequency ones, precede other spectral components, for example higher-frequency ones. Unchirped laser pulses are characterized by a minimal pulse duration for a given spectral width.
Die Eigenschaften von Laserpulsen können mittels Vorrichtungen, die sich auf die einzelnen Spektralanteile der Laserpulse unterschiedlich auswirken, die also disper- siv sind, insbesondere mittels Vorrichtungen, welche die spektrale Phase verändern, gezielt beeinflusst werden. Im Allgemeinen erwünscht sind hohe Pulsqualitäten, kurze Pulsdauern und hohe Pulsintensitäten. Von besonderer Bedeutung sind Puls streckungsvorrichtungen zur dispersiven Streckung von Laserpulsen und Pulskom pressionsvorrichtungen zur dispersiven Kompression von Laserpulsen. Mittels Puls streckungsvorrichtungen können ungechirpte und gechirpte Laserpulse zeitlich ge streckt werden. Die resultierenden zeitlich gestreckten Laserpulse sind dann gechirpt bzw. stärker gechirpt. Mittels Pulskompressionsvorrichtungen können gechirpte La serpulse zeitlich komprimiert werden. Die resultierenden zeitlich komprimierten La serpulse sind dann weniger stark gechirpt oder ungechirpt. The properties of laser pulses can be influenced in a targeted manner by means of devices that have different effects on the individual spectral components of the laser pulses, which are therefore dispersive, in particular by means of devices that change the spectral phase. High pulse qualities, short pulse durations and high pulse intensities are generally desirable. Of particular importance are pulse stretching devices for dispersive stretching of laser pulses and pulse compression devices for dispersive compression of laser pulses. Unchirped and chirped laser pulses can be time-stretched using pulse stretching devices. The resulting time-stretched laser pulses are then chirped or more chirped. Chirped laser pulses can be temporally compressed using pulse compression devices. The resulting temporally compressed laser pulses are then chirped or unchirped to a lesser extent.
Pulsstreckungs- und Pulskompressionsvorrichtungen werden häufig in Kombination miteinander eingesetzt. Beispielsweise sind in einem sogenannten Chirped-Pulse- Amplification-System mindestens eine Pulsstreckungsvorrichtung, mindestens eine Pulskompressionsvorrichtung und eine Pulsverstärkungseinrichtung integriert. In Kombination mit einem Seed-Laser dient ein Chirped-Pulse-Amplification-System zur Erzeugung ultrakurzer Laserpulse mit höchsten Pulsintensitäten. Laserpulse des Seed-Lasers, beispielsweise eines Faserlasers, werden dabei zunächst mittels der mindestens einen Pulsstreckungsvorrichtung zeitlich gestreckt. Die gestreckten La serpulse werden anschließend in der Verstärkungseinrichtung, beispielsweise in ei nem Faserverstärker, verstärkt. Nach der Verstärkung werden die verstärkten Laser pulse mittels der mindestens einen Pulskompressionsvorrichtung zeitlich wieder komprimiert. Ohne die zeitliche Streckung vor der Verstärkung würde in Folge der hohen Intensität und damit einhergehender nichtlinearer Effekte das Verstärkerme dium der Verstärkungseinrichtung beschädigt oder zerstört und die Pulseigenschaf ten beeinträchtigt werden. Weitere Details zum Aufbau von Ultrakurzpulslasern mit einem Seed-Laser und einem Chirped-Pulse-Amplification-System finden sich bei spielsweise in dem Artikel „Pulsed Lasers for Industrial Applications“ von F. Jansen etal., Laser Technik Journal 2, 46 (2018). Pulse stretching and pulse compression devices are often used in combination. For example, at least one pulse stretching device, at least one pulse compression device and a pulse amplification device are integrated in a so-called chirped pulse amplification system. In combination with a seed laser, a chirped pulse amplification system is used to generate ultra-short laser pulses with the highest pulse intensities. Laser pulses of the seed laser, for example a fiber laser, are first stretched in time by means of the at least one pulse stretching device. The stretched laser pulses are then amplified in the amplification device, for example in a fiber amplifier. After the amplification, the amplified laser pulses are time-compressed again by means of the at least one pulse compression device. Without the time extension before amplification would result in the high intensity and the associated non-linear effects damage or destroy the medium of the amplification device and the pulse properties are impaired. Further details on the structure of ultrashort pulse lasers with a seed laser and a chirped pulse amplification system can be found, for example, in the article "Pulsed Lasers for Industrial Applications" by F. Jansen et al., Laser Technik Journal 2, 46 (2018) .
Pulsstreckungs- und Pulskompressionsvorrichtungen sind häufig als Freistrahlein richtungen aufgebaut, was bedeutet, dass die Laserpulse bzw. deren Spektralkom ponenten zumindest teilweise durch Luft oder eine andere Gasatmosphäre propagie ren. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn hohe Intensitäten auftreten und/ oder hohe Streckfaktoren erzielt werden sollen. Zu dieser Bauform zählen Gitter- und Prismenstrecker bzw. Gitter- und Prismenkompressoren, in welchen mindestens ein Gitter bzw. Prisma zur Auftrennung und Zusammenführung der einzelnen Spektral komponenten dient. Die aufgetrennten Spektralkomponenten weisen unterschied liche Laufzeiten in den Streckern bzw. Kompressoren auf, bevor diese erneut zusam mengeführt werden, was zur gewünschten zeitlichen Streckung bzw. Komprimierung führt. Pulse stretching and pulse compression devices are often designed as free-radiation devices, which means that the laser pulses or their spectral components propagate at least partially through air or another gas atmosphere. This is particularly advantageous when high intensities occur and/or high stretching factors are achieved must. This design includes grating and prism stretchers or grating and prism compressors, in which at least one grating or prism is used to separate and combine the individual spectral components. The separated spectral components have different propagation times in the stretchers or compressors before they are brought together again, which leads to the desired stretching or compression over time.
Die Dispersion einer Pulsstreckungs- bzw. Pulskompressionsvorrichtung kann ma thematisch über die akkumulierte spektrale Phase, f(w), der Laserpulse bei der Pro pagation durch die Pulsstreckungs- bzw. Pulskompressionsvorrichtung beschrieben werden. Die Charakterisierung der Pulsstreckungs- bzw. Pulskompressionsvorrich tung erfolgt dabei typischerweise über die Koeffizienten, ß einer Taylor-Entwicklung in der Kreisfrequenz, w, um die Zentralfrequenz, w0, der Laserpulse. Von Bedeutung ist insbesondere die Gruppenverzögerungsdispersion, ß2, die das zeitliche Auseinan derlaufen bzw. Zusammenlaufen der Laserpulse in niedrigster Ordnung beschreibt. Bei hochdispersiven Pulsstreckungs- und Pulskompressionsvorrichtungen spielen aber auch die höheren Ordnungen, insbesondere die Dispersion dritter Ordnung, ß3, eine Rolle. The dispersion of a pulse stretching or pulse compression device can be described mathematically via the accumulated spectral phase, f(w), of the laser pulses during propagation through the pulse stretching or pulse compression device. The pulse stretching or pulse compression device is typically characterized via the coefficients β of a Taylor expansion in the angular frequency, w, around the center frequency, w 0 , of the laser pulses. Of particular importance is the group delay dispersion, ß 2 , which describes the temporal divergence and convergence of the laser pulses in the lowest order. In the case of highly dispersive pulse stretching and pulse compression devices, however, the higher orders, in particular third-order dispersion, β 3 , also play a role.
Im Stand der Technik werden ferner Einrichtungen zur Einstellung der Dispersion ei ner Pulsstreckungs- und/oder Pulskompressionsvorrichtung oder einer Vorrichtung mit einer Pulsstreckungs- und/oder einer Pulskompressionsvorrichtung beschrieben. Eine genaue Einstellung der Dispersion ist wichtig, um eine möglichst hohe Pulsqua lität, insbesondere eine möglichst kurze Pulsdauer, zu erzielen. Insbesondere kön nen damit auch Veränderungen der Umgebung, die sich auf die Pulsstreckungs und/oder Pulskompressionsvorrichtung auswirken, kompensiert werden. Die Einstel lung der Dispersion erfolgt dabei anhand einer Messung mindestens einer Pulseigen schaft der Laserpulse. In the prior art, there are also devices for adjusting the dispersion of a pulse stretching and/or pulse compression device or a device described with a pulse stretching and / or a pulse compression device. Accurate adjustment of the dispersion is important in order to achieve the highest possible pulse quality, in particular the shortest possible pulse duration. In particular, this can also be used to compensate for changes in the environment that affect the pulse stretching and/or pulse compression device. The adjustment of the dispersion is based on a measurement of at least one pulse characteristic of the laser pulses.
So ist in der EP 3578287 A1 ein Lasersystem mit einer Laserpulsquelle und einer Dispersionsanpassungseinheit zur Pulsstreckung oder Pulskompression von Laser pulsen mit einer Anordnung mit mindestens einem dispersiven Element zur Erzeu gung von Winkeldispersion und einer im Winkeldispersionsbereich angeordneten op tischen Einheit beschrieben. Die optische Einheit umfasst eine die Laserpulse trans- mittierende, planparallele optische Platte, die einen eintrittswinkelabhängigen Paral lelversatz der einzelnen Spektralkomponenten der Laserpulse bewirkt. Eine Drehung der optischen Platte beeinflusst die Dispersionseigenschaften der Dispersionsanpas sungseinheit. Insbesondere kann durch eine Drehung der optischen Platte die Puls dauer der Laserpulse in einem Ausgangsstrahl des Lasersystems eingestellt werden. In einem Beispiel umfasst das Lasersystem ferner eine Pulsdauermessvorrichtung und eine Steuerungseinheit. Die Pulsdauermessvorrichtung dient der Ausgabe eines pulsdauerabhängigen Messsignals an die Steuerungseinheit. Die Steuerungseinheit dient der Ansteuerung einer Winkeleinstellvorrichtung zur Einstellung einer Winkel stellung der optischen Platte in Abhängigkeit der Pulsdauermessung. For example, EP 3578287 A1 describes a laser system with a laser pulse source and a dispersion adjustment unit for pulse stretching or pulse compression of laser pulses with an arrangement with at least one dispersive element for generating angular dispersion and an optical unit arranged in the angular dispersion range. The optical unit comprises a plane-parallel optical plate that transmits the laser pulses and causes a parallel offset of the individual spectral components of the laser pulses that depends on the angle of incidence. A rotation of the optical disk affects the dispersion properties of the dispersion adjustment unit. In particular, the pulse duration of the laser pulses in an output beam of the laser system can be adjusted by rotating the optical disk. In an example, the laser system further includes a pulse duration measuring device and a control unit. The pulse duration measuring device is used to output a pulse duration-dependent measurement signal to the control unit. The control unit is used to control an angle setting device for setting an angular position of the optical disk as a function of the pulse duration measurement.
In der US 7,822,347 ist weiter ein Chirped-Pulse-Amplification-System mit einem Pul serzeuger, einem Pulsstrecker, einem Pulsverstärker und einem Pulskompressor, sowie einem Einstellelement und einer Pulsmesseinrichtung beschrieben. Das Ein stellelement ist geeignet, die Gruppengeschwindigkeitsdispersion des Chirped-Pulse- Amplification-Systems einzustellen und die Pulsdauer der komprimierten Pulse zu re geln. Mittels des Einstellelements kann entweder die Dispersion eines der bereits vorhandenen Elemente des Chirped-Pulse-Amplification-Systems, beispielsweise des Pulsstreckers oder des Pulskompressors, eingestellt werden oder es handelt sich um ein zusätzliches dispersives Element im Chirped-Pulse-Amplification-Sys- tem. Die Pulsmesseinrichtung ist geeignet, mindestens eine Pulseigenschaft der komprimierten Pulse beispielsweise über Multiphotonendetektion, einen Autokorrela tor oder über ein FROG- (Frequency-Resolved Optical Gating) System zu messen. Das Einstellelement ist ferner ausgebildet, auf ein Ausgangssignal der Pulsmessein richtung zu reagieren. In einem Beispiel dient das Einstellelement dazu, Veränderun gen der Dispersion zu kompensieren, die auf Veränderungen der Umgebung oder der optischen Weglänge von Freistrahlelementen zurückzuführen sind. In weiteren Beispielen ist das Einstellelement ausgebildet, ein Faser-Bragg-Gitter mit einem Temperaturgradienten oder einem Dehnungsgradienten zu beaufschlagen. In US Pat. No. 7,822,347, a chirped pulse amplification system with a pulse generator, a pulse stretcher, a pulse amplifier and a pulse compressor, as well as an adjustment element and a pulse measuring device is also described. The setting element is suitable for setting the group velocity dispersion of the chirped pulse amplification system and for regulating the pulse duration of the compressed pulses. The adjustment element can either be used to adjust the dispersion of one of the existing elements of the chirped pulse amplification system, for example the pulse stretcher or the pulse compressor, or it is an additional dispersive element in the chirped pulse amplification system. The pulse measuring device is suitable for at least one pulse characteristic of the to measure compressed pulses, for example via multiphoton detection, an autocorrela tor or via a FROG (Frequency-Resolved Optical Gating) system. The setting element is also designed to react to an output signal from the pulse measuring device. In one example, the adjustment element serves to compensate for changes in dispersion that are due to changes in the environment or the optical path length of free-space elements. In further examples, the adjustment element is designed to apply a temperature gradient or an elongation gradient to a fiber Bragg grating.
Bekannte Pulsmesseinrichtungen, Winkeleinstellvorrichtungen und Steuerungsein heiten, einschließlich der oben genannten, haben jedoch in der Regel einen relativ komplexen Aufbau und sind verhältnismäßig teuer. However, known heart rate measuring devices, angle adjustment devices and control units, including those mentioned above, usually have a relatively complex structure and are relatively expensive.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Pulsmodifikationsvorrichtung in Form einer Pulsstreckungsvorrichtung oder einer Pulskompressionsvorrichtung be reitzustellen, bei der die austretenden Laserpulse unabhängig von mindestens einem Umgebungsparameter gleichbleibende Pulseigenschaften aufweisen und die sich gleichzeitig durch einen einfachen und kostengünstigen Aufbau auszeichnet. In contrast, the object of the invention is to provide a pulse modification device in the form of a pulse stretching device or a pulse compression device, in which the exiting laser pulses have constant pulse properties independently of at least one environmental parameter and which is also characterized by a simple and inexpensive design.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch eine Pulsmodifikations vorrichtung in Form einer Pulsstreckungsvorrichtung zur dispersiven Streckung von Laserpulsen oder einer Pulskompressionsvorrichtung zur dispersiven Kompression von Laserpulsen mit mindestens einem dispersiven optischen Element zur Winkelse paration und Zusammenführung von Spektralkomponenten der Laserpulse und einer Stelleinrichtung zur Einstellung der Dispersion der Pulsmodifikationseinrichtung über eine Beeinflussung der Spektralkomponenten sowie mindestens einem passiven Sensorelement mit einer Ausgangsgröße, die von mindestens einem Umgebungspa rameter abhängt, und einer passiven Umsetzungseinrichtung zur Umsetzung einer Ausgangsgrößenänderung des mindestens einen passiven Sensorelements in eine Stellgrößenänderung der Stelleinrichtung, um eine Veränderung der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung und/oder mindestens einerweiteren Pulsstreckungsvor richtung und/oder mindestens einerweiteren Pulskompressionsvorrichtung zu kom pensieren, die aus einer Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters resultiert. Durch diese Kompensation weisen die austretenden Laserpulse unabhängig von dem mindestens einen Umgebungsparameter gleichbleibende Pulseigenschaften auf. According to a first aspect, this object is achieved by a pulse modification device in the form of a pulse stretching device for dispersive stretching of laser pulses or a pulse compression device for dispersive compression of laser pulses with at least one dispersive optical element for angle separation and combination of spectral components of the laser pulses and a control device for setting the Dispersion of the pulse modification device by influencing the spectral components and at least one passive sensor element with an output variable that depends on at least one environmental parameter, and a passive conversion device for converting an output variable change of the at least one passive sensor element into a manipulated variable change of the actuating device in order to change the dispersion of the pulse modification device and/or at least one further pulse stretching device and/or at least one further pulse compensating compression device resulting from a change in the at least one environmental parameter. As a result of this compensation, the emerging laser pulses have pulse properties that remain the same, regardless of the at least one environmental parameter.
Propagieren die Laserpulse zusätzlich zur Pulsmodifikationsvorrichtung auch durch eine oder mehrere weitere Pulsstreckungsvorrichtungen und/oder eine oder mehrere weitere Pulskompressionsvorrichtungen, kann statt oder zusätzlich zur Veränderung der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung auch die Veränderung der Disper sion der oder mindestens einer der mehreren weiteren Pulsstreckungsvorrichtungen und/oder der mindestens oder mindestens einer der mehreren weiteren Pulskom pressionsvorrichtungen kompensiert werden. Eine beispielhafte Anwendung sind Chirped-Pulse-Amplification-Systeme. Bevorzugt ist die Pulsmodifikationsvorrichtung ausgebildet, die kumulierte Dispersion zu kompensieren. Die weiteren Pulsstre- ckungs- und/oder Pulskompressionsvorrichtungen können im Strahlengang der La serpulse vor und/oder nach der Pulsmodifikationsvorrichtung angeordnet sein. If, in addition to the pulse modification device, the laser pulses also propagate through one or more other pulse stretching devices and/or one or more other pulse compression devices, instead of or in addition to changing the dispersion of the pulse modification device, the dispersion of the or at least one of the several other pulse stretching devices and/or the at least or at least one of the several further pulse compression devices are compensated. An exemplary application is chirped pulse amplification systems. The pulse modification device is preferably designed to compensate for the cumulative dispersion. The additional pulse stretching and/or pulse compression devices can be arranged in the beam path of the laser pulses before and/or after the pulse modification device.
Die Pulsmodifikationsvorrichtung ist als Freistrahleinrichtung ausgebildet. Bei Frei- strahl-Pulsstreckungsvorrichtungen und Freistrahl-Pulskompressionsvorrichtungen führt eine Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters insbesondere zu einer Veränderung des Brechungsindex der Luft bzw. der Gasatmosphäre, welche wiederum zu einer Veränderung der Dispersion führt. The pulse modification device is designed as a free jet device. In the case of free-jet pulse stretching devices and free-jet pulse compression devices, a change in the at least one environmental parameter leads in particular to a change in the refractive index of the air or the gas atmosphere, which in turn leads to a change in the dispersion.
Bei dem mindestens einen dispersiven optischen Element handelt es sich beispiels weise um mindestens ein Beugungsgitter oder mindestens ein Prisma. Die separier ten Spektralkomponenten der Laserpulse weisen unterschiedliche Laufzeiten auf, be vor diese wieder zusammengeführt werden, was zur gewünschten zeitlichen Kom pression bzw. zeitlichen Streckung der Laserpulse führt. The at least one dispersive optical element is, for example, at least one diffraction grating or at least one prism. The separated spectral components of the laser pulses have different propagation times before they are recombined, which leads to the desired temporal compression or temporal stretching of the laser pulses.
Im Fall eines einzelnen passiven Sensorelements kann dieses eine Ausgangsgrö ßenänderung bei einer Veränderung nur eines Umgebungsparameters oder bei einer Veränderung mehrerer Umgebungsparameter zeigen. Im Fall mehrerer passiver Sensorelemente gilt dies entsprechend für jedes der passiven Sensorelemente. Die passive Umsetzungseinrichtung setzt die Ausgangsgrößenänderung in eine Stellgrößenänderung um, wobei die bewirkte Stellgrößenänderung gerade zu einer Kompensation der Veränderung der Dispersion führt, die aus der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters resultiert. In the case of a single passive sensor element, this can show a change in output size when only one environmental parameter changes or when several environmental parameters change. In the case of several passive sensor elements, this applies correspondingly to each of the passive sensor elements. The passive conversion device converts the change in the output variable into a change in the manipulated variable, with the change in the manipulated variable brought about leading to a compensation for the change in the dispersion that results from the change in the at least one environmental parameter.
Unter einer passiven Umsetzungseinrichtung wird hier insbesondere eine Umset zungseinrichtung verstanden, die keine aktiven Elemente, also beispielsweise keinen Motor, keine zusätzlichen Energiequellen und keine Elektronik benötigt. Entspre chend gilt dies für das passive Sensorelement. In der Folge ist die Pulsmodifikations vorrichtung relativ einfach und kostengünstig aufgebaut sowie einfach zu warten oder sogar wartungsfrei. A passive conversion device is understood here in particular as a conversion device that does not require any active elements, for example no motor, no additional energy sources and no electronics. This applies accordingly to the passive sensor element. As a result, the pulse modification device is relatively simple and inexpensive to maintain and easy to maintain or even maintenance-free.
In einer Ausführungsform umfasst die Stelleinrichtung ein planparalleles transmissi- ves optisches Element, das so angeordnet ist, dass die winkelseparierten Spektral komponenten der Laserpulse durch dieses hindurchtreten und einen einfallswinkel abhängigen Parallelversatz erfahren, wobei die Dispersion der Pulsmodifikationsvor richtung über eine Drehung des planparallelen transmissiven optischen Elements einstellbar ist und die Stellgrößenänderung einem Drehwinkel des planparallelen transmissiven optischen Elements entspricht. Bei dem planparallelen transmissiven optischen Element kann es sich beispielweise um ein Glasplättchen handeln. Durch die Drehung des planparallelen transmissiven optischen Elements um den Drehwin kel verändert sich der Strahlengang der Spektralkomponenten, was sich auf die Dis persion der Pulsmodifikationsvorrichtung auswirkt. Details zur Einstellung der Disper sion mittels einer Drehung des planparallelen transmissiven optischen Elements fin den sich in der EP 3578287 A1 , deren Inhalt hiermit vollumfänglich in die vorlie gende Anmeldung aufgenommen wird. Insbesondere ist dort der genaue Zusammen hang zwischen dem Drehwinkel und der Gruppenverzögerungsdispersion dargelegt. In one embodiment, the adjusting device comprises a plane-parallel transmissive optical element, which is arranged in such a way that the angle-separated spectral components of the laser pulses pass through it and experience a parallel offset dependent on the angle of incidence, with the dispersion of the pulse modification device being controlled by a rotation of the plane-parallel transmissive optical element is adjustable and the manipulated variable change corresponds to a rotation angle of the plane-parallel transmissive optical element. The plane-parallel transmissive optical element can be a small glass plate, for example. The rotation of the plane-parallel transmissive optical element around the angle of rotation changes the beam path of the spectral components, which affects the dispersion of the pulse modification device. Details on setting the dispersion by means of a rotation of the plane-parallel transmissive optical element can be found in EP 3578287 A1, the content of which is hereby fully incorporated into the present application. In particular, the exact connection between the rotation angle and the group delay dispersion is set out there.
Die Stelleinrichtung kann alternativ auch eine Multikeilanordnung, insbesondere eine Doppelkeilanordnung, umfassen, die so angeordnet ist, dass die winkelseparierten Spektralkomponenten durch diese hindurchtreten, wobei die Dispersion der Pulsmo difikationsvorrichtung über eine Verschiebung mindestens eines Keiles der Multi keilanordnung und/oder eine Drehung der Multikeilanordnung einstellbar ist. Bei ei ner Doppelkeilanordnung beziehungsweise Multikeilanordnung handelt es sich um eine optische Anordnung aus zwei beziehungsweise mehr als zwei Keilen. Unter Kei len werden hier keilförmige transmissive optische Elemente verstanden. Bei der Stellgrößenänderung handelt es sich in diesem Fall typischerweise um einen Ver schiebungsweg des mindestens einen Keils und/oder einen Drehwinkel der Multi keilanordnung. Über eine Verschiebung eines Keiles einer Doppelkeilanordnung kann insbesondere eine Dicke der Doppelkeilanordnung variiert werden. Dies führt zu einer Einsteilbarkeit der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung, da die Spektralkomponenten beim Hindurchtreten durch die Doppelkeilanordnung einen einfallswinkelabhängigen Strahlversatz erfahren, der von der Dicke der Doppelkeilan ordnung abhängig ist. Weitere Details zur Einstellung der Dispersion einer Pulsstre- ckungs- bzw. Pulskompressionseinrichtung mittels derartiger Multikeilanordnungen finden sich ebenfalls in der EP 3578287 A1. Alternatively, the adjusting device can also include a multi-wedge arrangement, in particular a double-wedge arrangement, which is arranged in such a way that the angularly separated spectral components pass through it, with the dispersion of the pulse modification device being adjustable by displacing at least one wedge of the multi-wedge arrangement and/or rotating the multi-wedge arrangement is. In egg ner double wedge arrangement or multi-wedge arrangement is an optical arrangement of two or more than two wedges. Wedges are understood here to mean wedge-shaped transmissive optical elements. In this case, the change in manipulated variable is typically a displacement path of the at least one wedge and/or an angle of rotation of the multi-wedge arrangement. In particular, a thickness of the double wedge arrangement can be varied by shifting a wedge of a double wedge arrangement. This leads to an adjustability of the dispersion of the pulse modification device, since the spectral components experience a beam displacement dependent on the angle of incidence when passing through the double wedge arrangement, which is dependent on the thickness of the double wedge arrangement. Further details on setting the dispersion of a pulse stretching or pulse compression device by means of such multi-wedge arrangements can also be found in EP 3578287 A1.
In einerweiteren Ausführungsform handelt es sich bei der Ausgangsgröße des passi ven Sensorelements oder mindestens eines der passiven Sensorelemente um eine Länge. Unter der Länge wird hier die Abmessung des passiven Sensorelements oder eines Teils des passiven Sensorelements entlang einer beliebigen Raumrichtung verstanden. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei der Ausgangsgröße auch um eine Orientierung des passiven Sensorelements oder eines Teils des passiven Sen sorelements handeln. Insbesondere kann die Ausgangsgrößenänderung in einer Verschiebung oder einer Drehung oder einer Überlagerung aus einer Verschiebung und einer Drehung resultieren. In another embodiment, the output of the passive sensing element or at least one of the passive sensing elements is a length. The length is understood here as the dimension of the passive sensor element or a part of the passive sensor element along any spatial direction. Alternatively or additionally, the output variable can also be an orientation of the passive sensor element or part of the passive sensor element. In particular, the output size change can result in a translation or a rotation or a superposition of a translation and a rotation.
In einerweiteren Ausführungsform sind mindestens zwei der passiven Sensorele mente in Reihe miteinander verbunden, wodurch sich ihre Ausgangsgrößenänderun gen, insbesondere ihre Längenänderungen, addieren. Beispielweise können passive Sensorelemente in Reihe miteinander verbunden werden, die eine Ausgangsgrö ßenänderung bei einer Veränderung des gleichen Umgebungsparameters zeigen. Durch die Addition der Ausgangsgrößenänderungen, insbesondere der Längenände rungen, resultiert eine gegebene Veränderung des Umgebungsparameters in einem stärkeren Signal, insbesondere in einem größeren mechanischen Hub. Die passive Umsetzungseinrichtung kommt mit kleineren Hebeln aus. Das Signal-Rausch-Ver- hältnis wird besser. Insgesamt wird die Kompensation genauer und zuverlässiger. In einer weiteren Ausführungsform ist die passive Umsetzungseinrichtung ein me chanisches Getriebe, bevorzugt ein Gestänge. Ein mechanisches Getriebe ist eine Einrichtung zur Übertragung von Bewegungen und Kräften durch starre Bauteile, bei spielsweise Zahnräder, Zahnstangen, Ketten, oder Riemen. Die passive Umset zungseinrichtung kann insbesondere auch eine sogenannte Übertragungskette um fassen. Ein Gestänge ist eine Einrichtung aus zwei oder mehreren miteinander über Gelenke oder fest verbundenen Stäben, die der Übertragung von Kräften und Bewe gungen dient. In a further embodiment, at least two of the passive sensor elements are connected to one another in series, as a result of which their output variable changes, in particular their length changes, add up. For example, passive sensor elements can be connected in series, which show a change in output when the same environmental parameter changes. By adding the changes in the output variables, in particular the changes in length, a given change in the environmental parameter results in a stronger signal, in particular in a larger mechanical stroke. The passive conversion device manages with smaller levers. The signal-to-noise ratio improves. Overall, the compensation becomes more accurate and reliable. In a further embodiment, the passive conversion device is a mechanical transmission, preferably a linkage. A mechanical transmission is a device for the transmission of movements and forces through rigid components such as gears, racks, chains or belts. In particular, the passive conversion device can also include a so-called transmission chain. A linkage is a device consisting of two or more rods connected to one another via joints or rods, which is used to transmit forces and movements.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist mindestens ein Gelenk des me chanischen Getriebes bzw. des Gestänges ein Festkörpergelenk. Festkörpergelenke haben den Vorteil, reibungsfrei oder äußerst reibungsarm zu sein. Die Ausgangsgrö ßenänderung kann damit zuverlässiger und genauer in die entsprechende Stellgrö ßenänderung, insbesondere in die Drehung des planparallelen transmissiven opti schen Elements um den entsprechenden Drehwinkel, umgesetzt werden. Der typi scherweise begrenzte Bewegungsbereich von Festkörpergelenken stellt für die vor liegende Anwendung keine relevante Einschränkung dar. In a further development of this embodiment, at least one joint of the mechanical transmission or linkage is a flexure joint. Solid joints have the advantage of being friction-free or extremely low-friction. The output variable change can thus be converted more reliably and more precisely into the corresponding manipulated variable change, in particular into the rotation of the plane-parallel transmissive optical element by the corresponding angle of rotation. The typically limited range of motion of flexure joints does not represent a relevant limitation for the present application.
In einer weiteren Ausführungsform ist die passive Umsetzungseinrichtung gemäß ei ner experimentell bestimmten Kalibrationskurve ausgelegt, welche die Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters in Relation zur Veränderung der Dis persion der Pulsmodifikationsvorrichtung und/oder der mindestens einen weiteren Pulsstreckungsvorrichtung und/oder der mindestens einen weiteren Pulskompressi onsvorrichtung setzt. Aus einer solchen Kalibrationskurve und dem bekannten Zu sammenhang zwischen der Stellgrößenänderung, insbesondere dem Drehwinkel, und der dadurch bedingten Anpassung der Dispersion ergibt sich eine Beziehung zwischen der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameter und dem Wert der Stellgrößenänderung, der zur Kompensation der Veränderung der Disper sion der Pulsmodifikationsvorrichtung führt. In a further embodiment, the passive conversion device is designed according to an experimentally determined calibration curve, which sets the change in the at least one environmental parameter in relation to the change in the dispersion of the pulse modification device and/or the at least one additional pulse stretching device and/or the at least one additional pulse compression device . From such a calibration curve and the known connection between the change in the manipulated variable, in particular the angle of rotation, and the resulting adaptation of the dispersion, there is a relationship between the change in the at least one environmental parameter and the value of the change in the manipulated variable, which is used to compensate for the change in the dispersion of the Pulse modification device leads.
In einer weiteren Ausführungsform ist die passive Umsetzungseinrichtung gemäß ei ner mathematischen Beziehung der Form dß2 = F (ß3, ß4 ßm, w0, dn) zwischen einer Veränderung, d n, eines Brechungsindex innerhalb der Pulsmodifikati onsvorrichtung und/oder innerhalb der mindestens einen weiteren Pulsstreckungs vorrichtung und/oder innerhalb der mindestens einen weiteren Pulskompressionsvor richtung, welche aus der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters resultiert, und der dadurch bedingten Veränderung, dß2, der Gruppenverzögerungs dispersion sowie der Dispersion höherer Ordnung ( ß34 ßm) und der Zentralfre quenz (w0) der Laserpulse (2) der Pulsmodifikationsvorrichtung ausgelegt. Die Erfin der haben herausgefunden, dass sich bei Pulsmodifikationsvorrichtungen in Form von Freistrahleinrichtungen die Veränderung der Gruppenverzögerungsdispersion näherungsweise über mathematische Beziehungen der angegebenen Form be schreiben lässt. Aus einem bekannten Zusammenhang zwischen dem mindestens einen Umgebungsparameter und dem Brechungsindex, im Fall von Luft beispiels weise aus der Edlen-Formel, ergibt sich nun eine Beziehung zwischen der Verände rung des mindestens einen Umgebungsparameters und der Veränderung der Grup penverzögerungsdispersion. Da weiter der Zusammenhang zwischen der Stellgrö ßenänderung, insbesondere dem Drehwinkel des planparallen transmissiven opti schen Elements, und der Veränderung der Gruppenverzögerungsdispersion bekannt ist, ergibt sich insgesamt eine Beziehung zwischen der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters und der zur Kompensation führenden Stellgrößenän derung. Eine entsprechende Auslegung der passiven Umsetzungseinrichtung erlaubt eine weitgehende oder sogar vollständige Kompensation der Veränderung der Dis persion, ohne dass die Pulsdauer oder eine andere Pulseigenschaft gemessen wer den muss. In a further embodiment, the passive conversion means is according to a mathematical relationship of the form dß 2 = F (ß 3 , ß 4 ß m , w 0 , dn) between a change, dn, of a refractive index within the pulse modification device and/or within the at least one additional pulse stretching device and/or within the at least one additional pulse compression device, which results from the change in the at least one environmental parameter, and the change caused thereby, dß 2 , the group delay dispersion and the higher-order dispersion (ß 3 , ß 4 ß m ) and the central frequency (w 0 ) of the laser pulses (2) of the pulse modification device. The inventors have found that in the case of pulse modification devices in the form of free-radiation devices, the change in the group delay dispersion can be approximately described using mathematical relationships of the form specified. A relationship between the change in the at least one environmental parameter and the change in the group delay dispersion now results from a known relationship between the at least one environmental parameter and the refractive index, in the case of air, for example, from the Edlen formula. Since the connection between the change in the manipulated variable, in particular the angle of rotation of the plane-parallel transmissive optical element, and the change in the group delay dispersion is known, there is an overall relationship between the change in the at least one environmental parameter and the change in the manipulated variable leading to compensation. A corresponding design of the passive conversion device allows extensive or even complete compensation for the change in the dispersion, without the pulse duration or another pulse property having to be measured.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die mathematische Beziehung die Folgende: dß2 = b3w0άh. Die angegebene mathematische Beziehung beschreibt die Veränderung der Gruppenverzögerungsdispersion bei einer gegebenen Veränderung des Brechungsindex in vielen Fällen in zumindest guter Näherung. Von den höheren Ordnungen der Dispersion geht lediglich die Dispersion dritter Ordnung, ß3, in die mathematische Beziehung ein. In a development of this embodiment, the mathematical relationship is the following: dß 2 = b 3 w 0 άh. The mathematical relationship given describes, to at least a good approximation, the change in group delay dispersion for a given change in refractive index in many cases. Of the higher orders of dispersion, only the third-order dispersion, ß 3 , is included in the mathematical relationship.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Stellgrößenänderung, insbesondere der Drehwinkel des planparallen transmissiven optischen Elements, zumindest nähe- rungsweise proportional zu der Ausgangsgrößenänderung, insbesondere zu der Län genänderung, des mindestens einen passiven Sensorelements. Die Veränderung des Brechungsindex ist zumindest in guter Näherung typischerweise proportional zur Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters, beispielsweise im Fall der Edlen-Formel. Selbiges gilt für typische Ausgangsgrößenänderungen, insbeson dere Längenänderungen von passiven Sensorelementen in Abhängigkeit der Verän derung des mindestens einen Umgebungsparameters und die Veränderung der Gruppenverzögerungsdispersion in Abhängigkeit der Stellgrößenänderung, insbe sondere des Drehwinkels. Folglich ist die passive Umsetzungseinrichtung bevorzugt so auszulegen, dass diese eine Stellgrößenänderung bewirkt, die proportional zur Ausgangsgrößenänderung ist. Insbesondere ist die passive Umsetzungseinrichtung bevorzugt so auszulegen, dass diese eine Drehung des planparallelen transmissiven optischen Elements um einen Drehwinkel bewirkt, der proportional zu der Längenän derung bzw. den Längenänderungen des passiven Sensorelements bzw. der passi ven Sensorelemente ist. Aus den genannten Beziehungen ergibt sich außerdem der Proportionalitätsfaktor, der zu einer Kompensation der Veränderung der Dispersion führt. In a further embodiment, the change in manipulated variable, in particular the angle of rotation of the plane-parallel transmissive optical element, is at least approximately approximately proportional to the change in output variable, in particular to the change in length, of the at least one passive sensor element. The change in the refractive index is typically proportional, at least to a good approximation, to the change in the at least one environmental parameter, for example in the case of the Edlen formula. The same applies to typical changes in the output variable, in particular changes in the length of passive sensor elements as a function of the change in the at least one environmental parameter and the change in the group delay dispersion as a function of the change in the manipulated variable, in particular the angle of rotation. Consequently, the passive conversion device should preferably be designed in such a way that it causes a change in the manipulated variable that is proportional to the change in the output variable. In particular, the passive conversion device is preferably designed such that it causes the plane-parallel transmissive optical element to rotate by an angle of rotation that is proportional to the change in length or the changes in length of the passive sensor element or passive sensor elements. The proportionality factor, which leads to compensation for the change in dispersion, also results from the relationships mentioned.
In einer weiteren Ausführungsform ist der oder einer der Umgebungsparameter ein Umgebungsdruck. Der Umgebungsdruck ist insbesondere wetterabhängig, wodurch er ständigen Schwankungen unterliegt. Der Umgebungsdruck hat einen relativ star ken Einfluss auf den Brechungsindex, wodurch er sich verhältnismäßig stark auf die Dispersion von Freistrahleinrichtungen auswirkt. Die Kompensation von Veränderun gen der Dispersion, die aus einer Veränderung des Umgebungsdrucks resultieren, ist damit besonders wichtig. In a further embodiment, the or one of the ambient parameters is an ambient pressure. The ambient pressure is particularly dependent on the weather, which means that it is subject to constant fluctuations. The ambient pressure has a relatively strong influence on the refractive index, which means that it has a relatively strong effect on the dispersion of free-radiation devices. Compensating for changes in dispersion resulting from a change in ambient pressure is therefore particularly important.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform umfasst das passive Sensorelement oder mindestens eines der passiven Sensorelemente eine Druckmessdose, bevor zugt eine Absolutdruckmessdose. Druckmessdosen umfassen typischerweise zwei miteinander verbundene Membranen, die sich druckdifferenzabhängig deformieren.In a further development of this embodiment, the passive sensor element or at least one of the passive sensor elements comprises a pressure load cell, preferably an absolute pressure load cell. Pressure cells typically include two interconnected membranes that deform as a function of the pressure difference.
Im Fall von Absolutdruckmessdosen ist der Zwischenraum zwischen den Membra nen evakuiert. Dies hat den Vorteil, dass diese unempfindlich gegenüber schwanken den Umgebungstemperaturen sind. In einer weiteren Ausführungsform ist der oder einer der Umgebungsparameter eine Temperatur. Durch eine Veränderung der Temperatur ergibt sich zum einen eine Veränderung des Brechungsindex. Weiter kann es aber auch zur einer thermischen Ausdehnung von Komponenten der Pulsmodifikationsvorrichtung, beispielsweise ei ner oder mehrerer Grundplatten, kommen. Auch kann sich die Temperatur auf die Gitterperiode von Beugungsgittern auswirken. In the case of absolute pressure cells, the space between the membranes is evacuated. This has the advantage that they are insensitive to fluctuating ambient temperatures. In a further embodiment, the or one of the environmental parameters is a temperature. A change in temperature results in a change in the refractive index. However, thermal expansion of components of the pulse modification device, for example one or more base plates, can also occur. Temperature can also affect the grating period of diffraction gratings.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform umfasst das passive Sensorelement oder mindestens eines der passiven Sensorelemente ein Bimetallelement oder einen Bestandteil, insbesondere einen Stab, welcher einen größeren Ausdehnungskoeffi zienten als die Bestandteile der passiven Umsetzungseinrichtung, insbesondere als die Stäbe des Gestänges, aufweist. Um durch thermische Schwankungen bedingte Dispersionsänderungen, insbesondere Pulsdaueränderungen, zu kompensieren, können gezielt Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffi zienten eingesetzt werden. Beispielsweise kann mindestens ein Stab der passiven Umsetzungseinrichtung aus Invar oder Titan gefertigt sein, die sich durch einen sehr kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten auszeichnen. Das passive Sensorelement kann hingegen beispielweise einen Stab aus Aluminium umfassen, der bei einer Temperaturänderung eine deutlich größere Längenänderung zeigt. In a development of this embodiment, the passive sensor element or at least one of the passive sensor elements comprises a bimetallic element or a component, in particular a rod, which has a greater coefficient of expansion than the components of the passive conversion device, in particular than the rods of the linkage. In order to compensate for changes in dispersion caused by thermal fluctuations, in particular changes in pulse duration, materials with different thermal expansion coefficients can be used in a targeted manner. For example, at least one rod of the passive conversion device can be made of invar or titanium, which are characterized by a very small coefficient of thermal expansion. The passive sensor element, on the other hand, can comprise a rod made of aluminum, for example, which exhibits a significantly larger change in length when the temperature changes.
Das passive Sensorelement kann beispielsweise auch eine Platte oder ein anderes Bauteil umfassen, die bzw. das mit einer Grundplatte der Pulsmodifikationsvorrich tung verbunden ist und sich bei einer Veränderung der Umgebungstemperatur aus dehnt (oder zusammenzieht). Durch eine solche Ausgangsgrößenänderung kann sich beispielsweise ein Gelenkpunkt des Gestänges verschieben, wodurch es zu ei ner Anpassung der Stellgröße kommt. The passive sensor element may also comprise, for example, a plate or other component which is connected to a base plate of the pulse modification device and which expands (or contracts) with a change in the ambient temperature. Such a change in the output variable can, for example, shift a pivot point of the linkage, resulting in an adjustment of the manipulated variable.
Bimetallelemente bestehen aus zwei miteinander verbundenen Metallschichten, die sich in ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten unterscheiden. Bei einer Tempera turänderung kommt es daher zu einer Biegung des Bimetallelements, welche die Ausgangsgrößenänderung des passiven Sensorelements bedingt. Bimetallic elements consist of two interconnected metal layers that differ in their coefficients of thermal expansion. A temperature change therefore causes the bimetallic element to bend, which causes the output variable of the passive sensor element to change.
Mittels mindestens eines passiven Sensorelements in Form mindestens einer teileva kuierten Druckdose können sowohl Veränderungen des Umgebungsdrucks als auch Veränderungen der Umgebungstemperatur kompensiert werden. Der Druck inner halb der teilevakuierten Druckmessdose ist dafür geeignet zu wählen. Um den glei chen mechanischen Hub bei einer gegebenen Veränderung des Umgebungsdrucks zu erzielen, ist beim Einsatz teilevakuierter Druckmessdosen im Vergleich zum Ein satz von Absolutdruckmessdosen eine größere Anzahl von Druckmessdosen not wendig. By means of at least one passive sensor element in the form of at least one partially evacuated pressure cell, both changes in the ambient pressure and Changes in ambient temperature are compensated. The pressure inside the partially evacuated pressure cell is to be selected appropriately. In order to achieve the same mechanical stroke for a given change in ambient pressure, a larger number of pressure cells is necessary when using partially evacuated pressure cells than when using absolute pressure cells.
Die eingangs genannte Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung gelöst durch ein Chirped-Pulse-Amplification-System zur Verstärkung von Laserpul sen, umfassend eine oder mehrere Pulsstreckungsvorrichtungen zur dispersiven Streckung der Laserpulse, eine Pulsverstärkungseinrichtung zur Verstärkung der ge streckten Laserpulse und eine oder mehrere Pulskompressionsvorrichtungen zur dis persiven Kompression der verstärkten Laserpulse, wobei es sich bei der oder min destens einer der Pulsstreckungsvorrichtungen und/oder der oder mindestens einer der Pulskompressionsvorrichtungen um eine Pulsmodifikationsvorrichtung wie oben beschrieben handelt. Anders als in konventionellen Chirped-Pulse-Amplification-Sys- temen bleiben die Pulsparameter der austretenden Laserpulse in einem solchen Chirped-Pulse-Amplification-System unabhängig von dem mindestens einen Umge bungsparameter konstant. Insbesondere kann die Pulsdauer der austretenden Laser pulse auch im Fall von Druckschwankungen konstant gehalten werden. The object mentioned at the outset is achieved according to a further aspect of the invention by a chirped pulse amplification system for amplifying laser pulses, comprising one or more pulse stretching devices for dispersive stretching of the laser pulses, a pulse amplification device for amplifying the stretched laser pulses and one or more Pulse compression devices for the dispersive compression of the amplified laser pulses, wherein the or at least one of the pulse stretching devices and/or the or at least one of the pulse compression devices is a pulse modification device as described above. Unlike in conventional chirped pulse amplification systems, the pulse parameters of the exiting laser pulses remain constant in such a chirped pulse amplification system, independently of the at least one environmental parameter. In particular, the pulse duration of the exiting laser pulses can be kept constant even in the case of pressure fluctuations.
Prinzipiell kann, um die Pulseigenschaften, insbesondere die Pulsdauer, der Laser pulse eines Chirped-Pulse-Amplification-Systems zu stabilisieren, auch der Abstand der dispersiven optischen Elemente nachgeführt bzw. nachjustiert werden. Dies ist jedoch aufwendiger und teurer als die Kompensation über die Drehung des planpa rallelen transmissiven optischen Elements oder über die Verschiebung des mindes tens einen Keils der Doppelkeilanordnung. In principle, in order to stabilize the pulse properties, in particular the pulse duration, of the laser pulse of a chirped pulse amplification system, the distance between the dispersive optical elements can also be tracked or readjusted. However, this is more complex and expensive than the compensation via the rotation of the plan-parallel transmissive optical element or via the displacement of at least one wedge of the double wedge arrangement.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein. Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils glei che oder entsprechende Merkmale. Es zeigen: Further features and advantages of the invention result from the following description of exemplary embodiments of the invention, with reference to the figures of the drawing, which show details essential to the invention, and from the claims. The individual features can each be implemented individually or together in any combination in a variant of the invention. Exemplary embodiments are shown in the schematic drawing and are explained below. In the figures, the same reference symbols denote the same or corresponding features. Show it:
Fign. 1a, 1b schematische Darstellungen einer Pulsmodifikationsvorrichtung in Form einer Pulskompressionsvorrichtung mit zwei dispersiven optischen Ele menten, einer Stelleinrichtung, umfassend ein planparalleles transmissi- ves optisches Element, einem Sensorelement und einer passiven Um setzungseinrichtung, Figs. 1a, 1b schematic representations of a pulse modification device in the form of a pulse compression device with two dispersive optical elements, a control device, comprising a plane-parallel transmissive optical element, a sensor element and a passive conversion device,
Fign. 2a-2c schematische Darstellungen von Varianten der in Fign. 1a, 1b gezeig ten passiven Umsetzungseinrichtung, Figs. 2a-2c schematic representations of variants in Figs. 1a, 1b shown passive conversion device,
Flg. 3 eine schematische Darstellung einer Stelleinrichtung mit einer Doppel keilanordnung und flight 3 shows a schematic representation of an adjusting device with a double wedge arrangement and
Fig. 4 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Chirped-Pulse-Ampli- fication-Systems zur Verstärkung von Laserpulsen mit einer Pulskom pressionsvorrichtung, bei der es sich um eine erfindungsgemäße Puls modifikationsvorrichtung handelt. 4 shows a simplified schematic representation of a chirped pulse amplification system for amplifying laser pulses with a pulse compression device, which is a pulse modification device according to the invention.
Die Fign. 1a und b zeigen ein Beispiel einer Pulsmodifikationsvorrichtung 1 in Form einer Pulskompressionsvorrichtung zur dispersiven Kompression von Laserpulsen 2 mit zwei dispersiven optischen Elementen 3,3‘, einer Stelleinrichtung 4‘, einem passi ven Sensorelement 5 und einer passiven Umsetzungseinrichtung 6. The Figs. 1a and b show an example of a pulse modification device 1 in the form of a pulse compression device for the dispersive compression of laser pulses 2 with two dispersive optical elements 3, 3', an actuating device 4', a passive sensor element 5 and a passive conversion device 6.
Die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 ist eine Freistrahleinrichtung. Die zwei dispersi ven optischen Elemente 3,3' dienen zur Winkelseparation und Zusammenführung der Spektralkomponenten 7 der Laserpulse 2. Die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 kann alternativ aber auch nur ein oder mehr als zwei dispersive optische Elemente 3,3' aufweisen. Bei den dargestellten dispersiven optischen Elementen 3,3' handelt es sich um Beugungsgitter, es kann sich dabei aber auch um andere dispersive opti sche Elemente, beispielsweise um Prismen handeln. The pulse modification device 1 is a free beam device. The two dispersive optical elements 3,3' are used for angular separation and combination of the spectral components 7 of the laser pulses 2. Alternatively, the pulse modification device 1 can also have only one or more than two dispersive optical elements 3,3'. The dispersive optical elements 3, 3' shown are diffraction gratings, but they can also be other dispersive optical elements, for example prisms.
Die eintretenden Laserpulse 2, die gechirpt sind, treffen zunächst auf das erste dis- persive optische Element 3, wodurch diese in ihre Spektralkomponenten 7 separiert werden und in unterschiedliche Richtungen propagieren. Durch das zweite dispersive optische Element 3‘ werden die Spektralkomponenten 7 parallelisiert und anschlie ßend von einem reflektiven optischen Element 8 zurückreflektiert. Bei dem reflektiven optischen Element 8 kann es sich beispielsweise um ein Umlenkprisma handeln. Die zurückreflektierten Spektralkomponenten 7 sind in diesem Fall in der Höhe versetzt, sodass die austretenden Laserpulse 2‘ einfach von den eintretenden Laserpulsen 2 getrennt werden können. Die einzelnen Spektralkomponenten 7 weisen in der Puls modifikationsvorrichtung 1 unterschiedliche Laufzeiten auf, was zur gewünschten zeitlichen Kompression der Laserpulse 2 führt. The incoming laser pulses 2, which are chirped, first impinge on the first dispersive optical element 3, as a result of which they are separated into their spectral components 7 and propagate in different directions. Through the second dispersive optical element 3 ', the spectral components 7 are parallelized and subsequently reflected back by a reflective optical element 8 ßend. The reflective optical element 8 can be a deflection prism, for example. In this case, the spectral components 7 that are reflected back are offset in height, so that the exiting laser pulses 2′ can be easily separated from the entering laser pulses 2. The individual spectral components 7 have different propagation times in the pulse modification device 1, which leads to the desired temporal compression of the laser pulses 2.
Die dargestellte Stelleinrichtung 4‘ umfasst beispielhaft ein planparalleles transmissi- ves optisches Element 4, das so angeordnet ist, dass die winkelseparierten Spektral komponenten 7 der Laserpulse 2 durch dieses hindurchtreten und einen einfallswin kelabhängigen Parallelversatz erfahren. Über eine Drehung 9 des planparallelen transmissiven optischen Elements 4 ist die Dispersion der Pulsmodifikationsvorrich tung 1 einstellbar. Die Stelleinrichtung 4‘ kann aber auch anders ausgebildet sein. The actuating device 4' shown comprises, for example, a plane-parallel transmissive optical element 4, which is arranged in such a way that the angle-separated spectral components 7 of the laser pulses 2 pass through it and experience a parallel offset dependent on the angle of incidence. The dispersion of the pulse modification device 1 can be adjusted via a rotation 9 of the plane-parallel transmissive optical element 4 . However, the actuating device 4' can also be designed differently.
Eine Ausgangsgröße A des passiven Sensorelements 5 hängt von einem Umge bungsparameter U ab. Im dargestellten Beispiel, jedoch nicht notwendigerweise, handelt es sich bei der Ausgangsgröße A um die Länge L des passiven Sensorele ments 5. Bei einer Veränderung des Umgebungsparameters U zeigt das Sensorele ment 5 folglich eine Ausgangsgrößenänderung dA in Form einer Längenänderung dL An output variable A of the passive sensor element 5 depends on an environmental parameter U from the environment. In the example shown, but not necessarily, the output variable A is the length L of the passive sensor element 5. When the environmental parameter U changes, the sensor element 5 consequently shows a change in output variable dA in the form of a change in length dL
Die passive Umsetzungseinrichtung 6 dient zur Umsetzung der Ausgangsgrößenän derung dA des passiven Sensorelements 5 in eine Stellgrößenänderung dS der Stel leinrichtung 4‘. Die bewirkte Stellgrößenänderung dS führt dabei zu einer Kompensa tion der Veränderung der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung 1 , die aus der Veränderung des Umgebungsparameters U resultiert. Im dargestellten Beispiel ent spricht die Stellgrößenänderung dS dem Drehwinkel da des planparallen transmissi ven optischen Elements 4. The passive conversion device 6 serves to convert the change in output variable dA of the passive sensor element 5 into a change in the manipulated variable dS of the actuating device 4'. The effected change in the manipulated variable dS leads to a compensation for the change in the dispersion of the pulse modification device 1, which results from the change in the environmental parameter U. In the example shown, the change in manipulated variable dS corresponds to the angle of rotation da of the plane-parallel transmissive optical element 4.
Anders als hier dargestellt kann die Pulsmodifikationseinrichtung 1 auch mehrere passive Sensorelemente 5 aufweisen, deren Ausgangsgrößen A von dem Umge- bungsparameter U abhängen. Beispielsweise können auch mindestens zwei der pas siven Sensorelemente 5 in Reihe miteinander verbunden sein, wodurch sich ihre Ausgangsgrößenänderungen dA, insbesondere ihre Längenänderungen dL, addie ren. Auch können die Ausgangsgrößen A der passiven Sensorelemente 5 von meh reren Umgebungsparametern U abhängen. Auch die Ausgangsgröße A eines einzel nen Sensorelements 5 kann von mehreren Umgebungsparametern U, beispielsweise vom Umgebungsdruck und der Umgebungstemperatur, abhängen. In contrast to what is shown here, the pulse modification device 1 can also have a number of passive sensor elements 5 whose output variables A depend on the environment depend on the exercise parameters U. For example, at least two of the passive sensor elements 5 can also be connected in series, whereby their output variable changes dA, in particular their length changes dL, add up. The output variables A of the passive sensor elements 5 can also depend on several environmental parameters U. The output variable A of an individual sensor element 5 can also depend on a number of ambient parameters U, for example the ambient pressure and the ambient temperature.
Im dargestellten Beispiel handelt es sich bei dem Umgebungsparameter U um den Umgebungsdruck. Das Sensorelement 5 umfasst eine Druckmessdose 10 in Form einer Absolutdruckmessdose. Bei einer Änderung des Umgebungsdrucks kommt es zu einer Deformation von hier nicht dargestellten Membranen der Druckmessdose 10, welche die Längenänderung dL des Sensorelements 5 bewirkt. Das Sensorele ment 5 muss allerdings nicht notwendigerweise eine Druckmessdose 10 umfassen. In the example shown, the ambient parameter U is the ambient pressure. The sensor element 5 includes a pressure cell 10 in the form of an absolute pressure cell. If the ambient pressure changes, the membranes (not shown here) of the pressure cell 10 are deformed, which causes the change in length dL of the sensor element 5 . However, the sensor element 5 does not necessarily have to include a pressure cell 10 .
Der Umgebungsdruck wirkt sich insbesondere auf den Brechungsindex n der Luft bzw. einer Gasatmosphäre der Pulsmodifikationsvorrichtung 1 aus, wodurch es indi rekt zu einer Veränderung der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung 1 kommt. The ambient pressure affects in particular the refractive index n of the air or a gas atmosphere of the pulse modification device 1, as a result of which there is an indirect change in the dispersion of the pulse modification device 1.
Die Kompensation dieser Dispersionsänderung wird im Folgenden beispielhaft erläu tert: Die Fig. 1a zeigt die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 bei Nominaldruck. Das plan parallele transmissive optische Element 4 steht im Mittel senkrecht zu den einfallen den Spektralkomponenten 7. The compensation for this change in dispersion is explained below by way of example: FIG. 1a shows the pulse modification device 1 at nominal pressure. The plane-parallel transmissive optical element 4 is on average perpendicular to the incident spectral components 7.
Die Fig. 1b zeigt die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 bei einem niedrigeren Umge bungsdruck. Die Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung 1 ist erhöht und die Laufzeit muss verkürzt werden. In Folge des niedrigeren Umgebungsdrucks dehnt sich die Druckmessdose 10 aus. Das Sensorelement 5 zeigt eine Längenänderung dL; seine Länge L ist größer als in der Fig. 1a. Das Sensorelement 5 schiebt an der passiven Umsetzungseinrichtung 6 und dreht das planparallele transmissive optische Element 4 um einen Drehwinkel da, wodurch über den Parallelversatz die Laufzeit- Weglänge so verkürzt wird, dass die Erhöhung der Dispersion kompensiert wird. Bei erhöhtem Umgebungsdruck erfolgt die Kompensation analog. In diesem Fall nimmt die Dispersion in der Pulsmodifikationsvorrichtung 1 ab und die Laufzeit muss vergrößert werden. Das Sensorelement 5 zieht an der passiven Umsetzungseinrich tung 6 und dreht das planparallele transmissive optische Element 4 so, dass sich aufgrund des Parallelversatzes die Laufzeit verlängert. Anders als hier gezeigt kön nen auch mehrere Druckdosen 10 in Reihe miteinander verbunden werden, um den mechanischen Hub weiter zu vergrößern. 1b shows the pulse modification device 1 at a lower ambient pressure. The dispersion of the pulse modification device 1 is increased and the propagation time has to be shortened. As a result of the lower ambient pressure, the pressure cell 10 expands. The sensor element 5 shows a change in length dL; its length L is greater than in Fig. 1a. The sensor element 5 pushes on the passive conversion device 6 and rotates the plane-parallel transmissive optical element 4 by an angle of rotation there, as a result of which the transit time path length is shortened via the parallel offset in such a way that the increase in the dispersion is compensated for. In the case of increased ambient pressure, the compensation takes place in the same way. In this case, the dispersion in the pulse modification device 1 decreases and the propagation time has to be increased. The sensor element 5 pulls on the passive conversion device 6 and rotates the plane-parallel transmissive optical element 4 in such a way that the running time is lengthened due to the parallel offset. Unlike what is shown here, several pressure cells 10 can also be connected in series in order to further increase the mechanical stroke.
Abweichend vom dargestellten Beispiel kann der Umgebungsparameter U oder einer der Umgebungsparameter U auch eine Temperatur sein. Durch eine Temperaturän derung kann es neben einer Veränderung des Brechungsindex n auch zu einer ther mischen Ausdehnung von Komponenten der Pulsmodifikationsvorrichtung 1 kom men. Die Längenänderung dL des Sensorelements 5 oder der Sensorelemente 5 kann in diesem Fall auf einer thermischen Ausdehnung eines Materials beispiels weise in Form eines Stabes beruhen. Das Material weist dazu bevorzugt einen gro ßen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Zum Beispiel kann es sich bei dem Mate rial um Aluminium handeln. Alternativ oder zusätzlich kann das Sensorelement 5 auch ein Bimetallelement umfassen. Auch Veränderungen der Dispersion der Puls modifikationsvorrichtung 1 , die durch Veränderungen anderer Umgebungsparameter U bedingt sind, können kompensiert werden. Deviating from the example shown, the environmental parameter U or one of the environmental parameters U can also be a temperature. A change in temperature can result not only in a change in the refractive index n but also in thermal expansion of components of the pulse modification device 1 . In this case, the change in length dL of the sensor element 5 or of the sensor elements 5 can be based on a thermal expansion of a material, for example in the form of a rod. For this purpose, the material preferably has a large coefficient of thermal expansion. For example, the material can be aluminum. Alternatively or additionally, the sensor element 5 can also comprise a bimetallic element. Changes in the dispersion of the pulse modification device 1, which are caused by changes in other environmental parameters U, can also be compensated for.
Die passive Umsetzungseinrichtung 6 ist im dargestellten Beispiel ein mechanisches Getriebe genauer ein Gestänge, sie weist also Stäbe 11 auf, die über Gelenke 1212 hier einschließlich eines Festlagers 12‘, miteinander bzw. mit einer Grund platte verbunden sind. Das planparallele transmissive optische Element 4 ist ferner mittels eines Gelenks 12“ drehbar gelagert. Das planparallele transmissive optische Element 4 ist auf der Drehachse angeordnet. Die passive Umsetzungseinrichtung 6 kann im gezeigten Beispiel als mechanisches Hebelsystem aufgefasst werden. In the example shown, the passive conversion device 6 is a mechanical transmission, more precisely a linkage, i.e. it has rods 11 which are connected to one another or to a base plate via joints 1212, here including a fixed bearing 12'. The plane-parallel transmissive optical element 4 is also rotatably mounted by means of a joint 12''. The plane-parallel transmissive optical element 4 is arranged on the axis of rotation. In the example shown, the passive conversion device 6 can be understood as a mechanical lever system.
In den Fign. 1a und 1b sind die Gelenke 12,12' Festkörpergelenke, es kann sich da bei jedoch auch um andere Gelenke handeln. Festkörpergelenke haben den Vorteil, reibungsfrei oder äußerst reibungsarm zu sein. Anders als hier dargestellt muss es sich bei der passiven Umsetzungseinrichtung 6 nicht um ein mechanisches Getriebe, insbesondere nicht um ein Gestänge handeln. Beispielsweise kann die passive Umsetzungseinrichtung 6 eine Übertragungskette umfassen. In diesem Fall ist die passive Umsetzungseinrichtung 6 ein mechanisches Getriebe, aber kein Gestänge. In the figs. 1a and 1b, the joints 12, 12' are flexure joints, but other joints can also be involved. Solid joints have the advantage of being friction-free or extremely low-friction. In contrast to what is shown here, the passive conversion device 6 does not have to be a mechanical transmission, in particular not a linkage. For example, the passive conversion device 6 can comprise a transmission chain. In this case, the passive conversion device 6 is a mechanical transmission, but not a linkage.
Die passive Umsetzungseinrichtung 6 ist beispielhaft so ausgebildet, dass die Stell größenänderung dS in Form des Drehwinkels da des planparallen transmissiven op tischen Elements 4 zumindest näherungsweise proportional zu der Ausgangsgrö ßenänderung dA in Form der Längenänderung dL des Sensorelements 5 ist. Dies führt zu einer Kompensation der Veränderung der Dispersion, da im gezeigten Bei spiel die Längenänderung dL und die Veränderung des Brechungsindex n in guter Näherung proportional zur Veränderung des Umgebungsparameters U sind und die Veränderung der Dispersion proportional zur Veränderung des Brechungsindex n und dem Drehwinkel da ist sowie ferner der Proportionalitätsfaktor der passiven Um setzungseinrichtung 6 zwischen der Längenänderung dL und dem Drehwinkel da entsprechend gewählt ist. The passive conversion device 6 is designed, for example, such that the manipulated variable change dS in the form of the rotation angle da of the plane-parallel transmissive optical element 4 is at least approximately proportional to the output variable change dA in the form of the length change dL of the sensor element 5 . This leads to compensation for the change in dispersion, since in the example shown the change in length dL and the change in the refractive index n are proportional to the change in the environmental parameter U and the change in dispersion is proportional to the change in the refractive index n and the angle of rotation da and also the proportionality factor of the passive conversion device 6 between the change in length dL and the angle of rotation is chosen accordingly.
Im gezeigten Beispiel ist die zur Veränderung des Umgebungsparameters U proporti onale Längenänderung dL darauf zurückzuführen, dass sich die Druckmessdose 10 proportional zur Veränderung des Umgebungsdrucks deformiert. Druckschwankun gen werden also in einen proportionalen mechanischen Hub umgesetzt. Die Länge L des Sensorelements 5 hängt damit linear vom Umgebungsdruck U ab. Das planpa rallele transmissive optische Element 4 wird proportional zur Veränderung des Um gebungsdrucks gedreht und hält die Pulseigenschaften, insbesondere die Pulsdauer, der austretenden Laserpulse 2‘ konstant. Proportionale Ausgangsgrößenänderungen dA sind daneben auch mittels anderer Sensorelemente 5 und für andere Umge bungsparameter U erzielbar. In the example shown, the change in length dL proportional to the change in the ambient parameter U is due to the fact that the pressure cell 10 deforms in proportion to the change in the ambient pressure. Pressure fluctuations are thus converted into a proportional mechanical stroke. The length L of the sensor element 5 is therefore linearly dependent on the ambient pressure U. The plane-parallel transmissive optical element 4 is rotated in proportion to the change in the ambient pressure and keeps the pulse properties, in particular the pulse duration, of the exiting laser pulses 2' constant. Proportional changes in the output variable dA can also be achieved by means of other sensor elements 5 and for other ambient parameters U.
Die Stellgrößenänderung dS ist allerdings nicht notwendigerweise proportional zu der Ausgangsgrößenänderung dA des Sensorelements 5. Allgemein kann die passive Umsetzungseinrichtung auch gemäß einer mathematischen Beziehung der Form dß2 = F (ß3, ß4 ßm, w0, dn) zwischen einer Veränderung, dn, des Brechungsindex n innerhalb der Pulsmodifikati onsvorrichtung 1, welche aus der Veränderung des mindestens einen Umgebungs parameters U resultiert, und der dadurch bedingten Veränderung, dß2, der Gruppen verzögerungsdispersion, ß2, der mindestens einen Pulsmodifikationsvorrichtung 1 sowie der Zentralfrequenz, w0, der Laserpulse 2 und der Dispersion höherer Ord nung, ß3, ß4 ßm, der Pulsmodifikationsvorrichtung 1 ausgelegt sein. Insbesondere kann die mathematische Beziehung die Folgende sein: dß2 = b3w0άh. Solche mathe matische Beziehungen resultieren allerdings in vielen Fällen in einer zur Ausgangs größenänderung dA proportionalen Stellgrößenänderung dS, insbesondere in einem zur Längenänderung dL proportionalen Drehwinkel da. Alternativ kann die passive Umsetzungseinrichtung 6 gemäß einer experimentell bestimmten Kalibrationskurve ausgelegt sein, welche die Veränderung des mindestens einen Umgebungsparame ters U in Relation zur Veränderung der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung 1 setzt. However, the change in manipulated variable dS is not necessarily proportional to the change in output variable dA of sensor element 5. In general, the passive conversion device can also be converted according to a mathematical relationship of the form dß 2 = F (ß 3 , ß 4 ß m , w 0 , dn) between a change, dn, in the refractive index n within the pulse modification device 1, which results from the change in the at least one ambient parameter U, and the resulting change, dß 2, in the group delay dispersion, ß 2, of the at least one pulse modification device 1 and the Central frequency, w 0 , the laser pulses 2 and the higher-order dispersion voltage, ß 3, ß 4 ß m, the pulse modification device 1 be designed. In particular, the mathematical relationship can be: dß 2 = b 3 w 0 άh. In many cases, however, such mathematical relationships result in a manipulated variable change dS that is proportional to the change in output variable dA, in particular in a rotation angle da that is proportional to the change in length dL. Alternatively, the passive conversion device 6 can be designed according to an experimentally determined calibration curve, which sets the change in the at least one environmental parameter U in relation to the change in the dispersion of the pulse modification device 1 .
Anders als in den Fign. 1a und 1b gezeigt kann die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 auch eine Pulsstreckungsvorrichtung zur dispersiven Streckung der Laserpulse 2 sein. In diesem Fall kann die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 zur Erzielung einer posi tiven Dispersion zusätzlich zu den zwei dispersiven optischen Elementen 3,3' bei spielsweise zwei Linsen aufweisen. Unlike in Figs. 1a and 1b, the pulse modification device 1 can also be a pulse stretching device for dispersive stretching of the laser pulses 2. In this case, the pulse modification device 1 can have, for example, two lenses in addition to the two dispersive optical elements 3, 3' in order to achieve a positive dispersion.
Die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 kann auch ausgebildet sein, die Veränderung der Dispersion mindestens einerweiteren, hier nicht dargestellten Pulsstreckungs und/oder Pulskompressionsvorrichtung zu kompensieren, die aus der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters U resultiert. The pulse modification device 1 can also be designed to compensate for the change in the dispersion of at least one other pulse stretching and/or pulse compression device, not shown here, which results from the change in the at least one environmental parameter U.
In den Fign. 2a, 2b und 2c sind Varianten der in den Fign. 1a und 1b gezeigten pas siven Umsetzungseinrichtung 6 schematisch dargestellt. Zusätzlich gezeigt sind das Sensorelement 5 umfassend die Druckmessdose 10 und das planparallele transmis- sive optische Element 4. In the figs. 2a, 2b and 2c are variants of the one shown in Figs. 1a and 1b shown passive conversion device 6 shown schematically. Also shown are the sensor element 5 comprising the pressure cell 10 and the plane-parallel transmissive optical element 4.
Die gestrichelt gezeichneten Stäbe 13 und Gelenke 14 entsprechen jeweils zwei mo difizierten Anordnungen der Stäbe 11 und Gelenke 12,12'. Durch derartige Modifika- tionen der Anordnung kann der erzielte Drehwinkel da bei einer gegebenen Län genänderung dL des Sensorelements 5 eingestellt werden. Allgemeiner kann durch derartige Modifikationen die erzielte Stellgrößenänderung dS bei einer gegebenen Ausgangsgrößenänderung dA eingestellt werden. The bars 13 and joints 14 shown in dashed lines each correspond to two modified arrangements of the bars 11 and joints 12,12'. With such modifications ments of the arrangement, the angle of rotation achieved can be set for a given change in length dL of the sensor element 5 . More generally, the achieved manipulated variable change dS can be adjusted for a given output variable change dA by such modifications.
In der Fig. 2c ist die passive Umsetzungseinrichtung 6 ferner einfacher aufgebaut und weist lediglich zwei Stäbe 11 auf. In FIG. 2c, the passive conversion device 6 is also of simpler design and has only two rods 11. FIG.
In der Fig. 3 ist eine Stelleinrichtung 4‘ schematisch dargestellt, die eine Doppelkeil anordnung 15 mit zwei Keilen 16,16“ umfasst. Die Doppelkeilanordnung 15 ist so an geordnet ist, dass die winkelseparierten Spektralkomponenten 7 der Laserpulse 2 durch diese hindurchtreten. Über eine Verschiebung 17 eines Keiles 16 der Doppel keilanordnung 15 ist eine Dicke der Doppelkeilanordnung 15 und damit die Disper sion der hier nicht dargestellten Pulsmodifikationsvorrichtung 1 einstellbar. Anstelle der Doppelkeilanordnung 15 kann die Stelleinrichtung 4‘ auch eine Multikeilanord nung aufweisen. In FIG. 3, an adjusting device 4' is shown schematically, which comprises a double wedge arrangement 15 with two wedges 16, 16''. The double wedge arrangement 15 is arranged in such a way that the angularly separated spectral components 7 of the laser pulses 2 pass through it. About a displacement 17 of a wedge 16 of the double wedge arrangement 15, a thickness of the double wedge arrangement 15 and thus the Disper sion of the pulse modification device 1, not shown here, is adjustable. Instead of the double wedge arrangement 15, the adjusting device 4' can also have a multi-wedge arrangement.
In der Fig.4 ist ein Beispiel eines Chirped-Pulse-Amplification-System 18 zur Ver stärkung von Laserpulsen 2 mit einer Pulsstreckungsvorrichtung 19, einer Pulsver stärkungseinrichtung 20 und einer ersten Pulskompressionsvorrichtung 21 sowie ei ner zweiten Pulskompressionsvorrichtung 22 vereinfacht schematisch dargestellt. 4 shows an example of a chirped pulse amplification system 18 for amplifying laser pulses 2 with a pulse stretching device 19, a pulse amplifying device 20 and a first pulse compression device 21 and a second pulse compression device 22 in a simplified, schematic manner.
Die eintretenden Laserpulse 2 werden mittels der Pulsstreckungsvorrichtung 19 zeit lich gestreckt. Die gestreckten Laserpulse 23 werden anschließend in der Pulsver stärkungseinrichtung 20 verstärkt. Die verstärkten Laserpulse 24 werden mittels der ersten Pulskompressionsvorrichtung 21 und der zweiten Pulskompressionsvorrich tung 22 zeitlich komprimiert und die komprimierten Laserpulse 2‘ treten aus dem Chirped-Pulse-Amplification-System 15 aus. The incoming laser pulses 2 are stretched in time by means of the pulse stretching device 19 . The stretched laser pulses 23 are then amplified in the pulse amplification device 20 . The amplified laser pulses 24 are temporally compressed by means of the first pulse compression device 21 and the second pulse compression device 22 and the compressed laser pulses 2' exit the chirped pulse amplification system 15.
Bei der zweiten Pulskompressionsvorrichtung 22 handelt es sich um eine Pulsmodifi kationsvorrichtung 1 , die wie oben beschrieben ausgebildet ist. Insbesondere handelt es sich dabei um eine Freistrahleinrichtung mit einer Stelleinrichtung 4‘, mindestens einem passiven Sensorelement 5 und einer passiven Umsetzungseinrichtung 6 zur Kompensation von Veränderungen der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung 1, die aus Veränderungen des mindestens einen Umgebungsparameters U resultie ren. Bei der Pulsstreckungsvorrichtung 19 und der ersten Pulskompressionsvorrich tung 21 handelt es sich hier beispielhaft, aber nicht notwendigerweise um eine wei tere Pulsstreckungsvorrichtung 25 beziehungsweise eine weitere Pulskompressions- Vorrichtung 26, deren Dispersionsveränderungen ebenfalls in der Pulsmodifikations vorrichtung 1 kompensiert werden. The second pulse compression device 22 is a pulse modification device 1 which is designed as described above. In particular, this is a free-radiation device with an actuating device 4', at least one passive sensor element 5 and a passive conversion device 6 for compensating for changes in the dispersion of the pulse modification device 1, which result from changes in the at least one environmental parameter U. The pulse stretching device 19 and the first pulse compression device 21 are, by way of example but not necessarily, a further pulse stretching device 25 or a further pulse compression device 26, the dispersion changes of which are also reflected in the pulse modification device 1 are compensated.
Abweichend von dem hier dargestellten Beispiel kann das Chirped-Pulse-Amplifica- tion-System 15 auch mehr als eine Pulsstreckungsvorrichtung und/oder nur eine oder mehr als zwei Pulskompressionsvorrichtungen aufweisen. Auch kann die Puls streckungsvorrichtung 19 eine Pulsmodifikationsvorrichtung 1 sein, die wie oben be schrieben ausgebildet ist. Deviating from the example shown here, the chirped pulse amplification system 15 can also have more than one pulse stretching device and/or only one or more than two pulse compression devices. The pulse stretching device 19 can also be a pulse modification device 1, which is designed as described above.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Pulsmodifikationsvorrichtung (1 ) in Form einer Pulsstreckungsvorrichtung zur dispersiven Streckung von Laserpulsen (2) oder einer Pulskompressionsvor richtung zur dispersiven Kompression von Laserpulsen (2) mit 1. Pulse modification device (1) in the form of a pulse stretching device for dispersive stretching of laser pulses (2) or a pulse compression device for dispersive compression of laser pulses (2).
- mindestens einem dispersiven optischen Element (3,3‘) zur Winkelsepara tion und Zusammenführung von Spektralkomponenten (7) der Laserpulse (2) und - at least one dispersive optical element (3.3') for angular separation and combination of spectral components (7) of the laser pulses (2) and
- einer Stelleinrichtung (4‘) zur Einstellung der Dispersion der Pulsmodifikati onseinrichtung (1) übereine Beeinflussung der Spektralkomponenten (7), gekennzeichnet durch - an adjusting device (4') for adjusting the dispersion of the pulse modification device (1) by influencing the spectral components (7), characterized by
- mindestens ein passives Sensorelement (5) mit einer Ausgangsgröße (A), die von mindestens einem Umgebungsparameter (U) abhängt, und - At least one passive sensor element (5) with an output variable (A) which depends on at least one environmental parameter (U), and
- eine passive Umsetzungseinrichtung (6) zur Umsetzung einer Ausgangs größenänderung (dA) des mindestens einen passiven Sensorelements (5) in eine Stellgrößenänderung (dS) der Stelleinrichtung (4‘), um eine Verän derung der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung (1) und/oder min destens einerweiteren Pulsstreckungsvorrichtung (25) und/oder mindes tens einerweiteren Pulskompressionsvorrichtung (26) zu kompensieren, die aus einer Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters (U) resultiert. - a passive conversion device (6) for converting an output variable change (dA) of the at least one passive sensor element (5) into a manipulated variable change (dS) of the actuating device (4') in order to change the dispersion of the pulse modification device (1) and/or compensating for at least one further pulse stretching device (25) and/or at least one further pulse compression device (26) resulting from a change in the at least one environmental parameter (U).
2. Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (4‘) ein planparalleles transmissives optisches Element (4) umfasst, das so angeordnet ist, dass die winkelseparierten Spektralkompo nenten (7) der Laserpulse (2) durch dieses hindurchtreten und einen einfalls winkelabhängigen Parallelversatz erfahren, wobei die Dispersion der Pulsmo difikationsvorrichtung (1) über eine Drehung (9) des planparallelen transmissi- ven optischen Elements (4) einstellbar ist und die Stellgrößenänderung (dS) einem Drehwinkel (da) des planparallelen transmissiven optischen Elements2. Pulse modification device according to claim 1, characterized in that the adjusting device (4') comprises a plane-parallel transmissive optical element (4) which is arranged in such a way that the angle-separated spectral components (7) of the laser pulses (2) pass through it and experience an angle-dependent parallel offset, the dispersion of the pulse mo dification device (1) being adjustable via a rotation (9) of the plane-parallel transmissive optical element (4) and the manipulated variable change (dS) a rotation angle (da) of the plane-parallel transmissive optical element
(4) entspricht. (4) corresponds.
3. Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass es sich bei der Ausgangsgröße (A) des passiven Sensorelements3. Pulse modification device according to claim 1 or 2, characterized in that it is the output variable (A) of the passive sensor element
(5) oder mindestens eines der passiven Sensorelemente (5) um eine Länge (L) handelt. (5) or at least one of the passive sensor elements (5) is a length (L).
4. Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der passiven Sensorelemente (5) in Reihe miteinander verbunden sind, wodurch sich ihre Ausgangsgrößen änderungen (dA), insbesondere ihre Längenänderungen (dL), addieren. 4. Pulse modification device according to one of the preceding claims, characterized in that at least two of the passive sensor elements (5) are connected to one another in series, as a result of which their output variable changes (dA), in particular their length changes (dL), add up.
5. Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Umsetzungseinrichtung (6) ein me chanisches Getriebe, bevorzugt ein Gestänge ist. 5. Pulse modification device according to one of the preceding claims, characterized in that the passive conversion device (6) is a mechanical transmission, preferably a linkage.
6. Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gelenk des mechanischen Getriebes bzw. des Gestänges ein Festkörpergelenk ist. 6. pulse modification device according to claim 5, characterized in that at least one joint of the mechanical transmission or the linkage is a solid joint.
7. Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Umsetzungseinrichtung (6) gemäß einer experimentell bestimmten Kalibrationskurve ausgelegt ist, welche die Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters (U) in Relation zur Veränderung der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung (1) und/oder der mindestens einen weiteren Pulsstreckungsvorrichtung (25) und/oder der mindestens einen weiteren Pulskompressionsvorrichtung (26) setzt. 7. Pulse modification device according to one of the preceding claims, characterized in that the passive conversion device (6) is designed according to an experimentally determined calibration curve which shows the change in the at least one environmental parameter (U) in relation to the change in the dispersion of the pulse modification device (1) and/or or the at least one further pulse stretching device (25) and/or the at least one further pulse compression device (26).
8. Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, dass die passive Umsetzungseinrichtung (6) gemäß einer ma thematischen Beziehung der Form dß2 = F (ß3, ß4 ßm, w0, dn) zwischen einer Veränderung (dn) eines Brechungsindex (n) innerhalb der Pulsmodifikationsvorrichtung (1) und/oder innerhalb der mindestens einen wei teren Pulsstreckungsvorrichtung (25) und/oder innerhalb der mindestens einen weiteren Pulskompressionsvorrichtung (26), welche aus der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters (U) resultiert, und der dadurch be dingten Veränderung ( dß2 ) der Gruppenverzögerungsdispersion ( ß2 ) sowie der Dispersion höherer Ordnung ( ß34 ßm) und der Zentralfrequenz (w0) der Laserpulse (2) ausgelegt ist. 8. Pulse modification device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the passive conversion device (6) according to a mathematical relationship of the form dß 2 = F (ß 3 , ß 4 ß m , w 0 , dn) between a change (dn) of a refractive index (n) within the pulse modification device (1) and/or within the at least one additional pulse stretching device (25) and/or within the at least one additional pulse compression device (26), which results from the change in the at least one Ambient parameter (U) results, and the resulting change (dß 2 ) in the group delay dispersion (ß 2 ) and the higher-order dispersion (ß 3 , ß 4 ß m ) and the central frequency (w 0 ) of the laser pulses (2) is designed .
9. Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mathematische Beziehung die Folgende ist: dß2 = b3w0άh. 9. Pulse modification device according to claim 8, characterized in that the mathematical relationship is the following: dß 2 = b 3 w 0 άh.
10. Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgrößenänderung (dS), insbesondere der Drehwinkel (da) des planparallen transmissiven optischen Elements (4), zumindest näherungsweise proportional zu der Ausgangsgrößenänderung (dA), insbesondere zu der Längenänderung (dL), des mindestens einen passi ven Sensorelements (5) ist. 10. Pulse modification device according to one of the preceding claims, characterized in that the change in manipulated variable (dS), in particular the angle of rotation (da) of the plane-parallel transmissive optical element (4), is at least approximately proportional to the change in output variable (dA), in particular to the change in length (dL ), The at least one passive sensor element (5) is.
11. Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder einer der Umgebungsparameter (U) ein Umgebungsdruck ist. 11. Pulse modification device according to one of the preceding claims, characterized in that the or one of the ambient parameters (U) is an ambient pressure.
12. Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Sensorelement (5) oder mindestens eines der passiven Sensorel emente (5) eine Druckmessdose (10), bevorzugt eine Absolutdruckmessdose umfasst. 12. Pulse modification device according to claim 8, characterized in that the passive sensor element (5) or at least one of the passive sensor elements (5) comprises a pressure cell (10), preferably an absolute pressure cell.
13. Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder einer der Umgebungsparameter (U) eine Temperatur ist. 13. Pulse modification device according to one of the preceding claims, characterized in that the or one of the environmental parameters (U) is a temperature.
14. Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Sensorelement (5) oder mindestens eines der passiven Sensorelemente (5) ein Bimetallelement oder einen Bestandteil, insbesondere einen Stab, umfasst, welcher einen größeren Ausdehnungskoeffizienten als die Bestandteile der passiven Umsetzungseinrichtung (6), insbesondere als die Stäbe des Gestänges, aufweist. 14. Pulse modification device according to Claim 10, characterized in that the passive sensor element (5) or at least one of the passive sensor elements (5) comprises a bimetallic element or a component, in particular a rod, which has a larger coefficient of expansion than the components of the passive conversion device (6 ), especially as the rods of the linkage.
15. Chirped-Pulse-Amplification-System (18) zur Verstärkung von Laserpulsen (2), umfassend: - eine oder mehrere Pulsstreckungsvorrichtungen (19) zur dispersiven Stre ckung der Laserpulse (2), 15. Chirped pulse amplification system (18) for amplifying laser pulses (2), comprising: - one or more pulse stretching devices (19) for dispersive stretching of the laser pulses (2),
- eine Pulsverstärkungseinrichtung (20) zur Verstärkung der gestreckten La serpulse (23) und - A pulse amplification device (20) for amplifying the stretched laser pulses (23) and
- eine oder mehrere Pulskompressionsvorrichtungen (21 ,22) zur dispersiven Kompression der verstärkten Laserpulse (24), wobei es sich bei der oder mindestens einer der Pulsstreckungsvorrichtungen (19) und/oder der oder mindestens einer der Pulskompressionsvorrichtungen (21,22) um eine Pulsmodifikationsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che handelt. - One or more pulse compression devices (21, 22) for the dispersive compression of the amplified laser pulses (24), the or at least one of the pulse stretching devices (19) and/or the or at least one of the pulse compression devices (21, 22) being a pulse modification device (1) acts according to any one of the preceding claims.
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