WO2016096973A1 - Optisch parametrisches verstärkersystem - Google Patents

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WO2016096973A1
WO2016096973A1 PCT/EP2015/079975 EP2015079975W WO2016096973A1 WO 2016096973 A1 WO2016096973 A1 WO 2016096973A1 EP 2015079975 W EP2015079975 W EP 2015079975W WO 2016096973 A1 WO2016096973 A1 WO 2016096973A1
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crystal
pump
signal
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PCT/EP2015/079975
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Thomas Metzger
Marcel SCHULTZE
Catherine Yuriko Teisset
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Trumpf Scientific Lasers Gmbh + Co. Kg
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Definitions

  • the present invention relates to an optical parametric amplifier system for amplifying a laser beam, and more particularly to high power amplifier systems for scientific applications. Furthermore, the invention relates to a method for optical parametric amplification.
  • a laser beam (hereinafter referred to as signal laser beam) in a nonlinear crystal is overlapped with a pump laser beam.
  • Suitable nonlinear crystals are e.g. Beta barium borate (BBO), lithium triborate (LBO) and potassium titanyl phosphate (KTP).
  • OPAs are used in particular for amplifying (ultra-) short pulses.
  • the availability of high-performance pump lasers enables output powers to be achieved in which even the lowest absorption effects in the non-linear crystal lead to an inadvertent heat input.
  • the heat input can induce mechanical stresses in the crystal, which can lead to the destruction of the crystal.
  • thermal boundary conditions can limit the gain and affect the beam profile.
  • Thermal effects in an OPA are described, for example, by J. Rothhardt et al., "Thermal effects in high average power optical parametric amplifiers", Vol. 38, No. 5, Optics Letters (2013) and by R. Riedel et al. Thermal properties of borate crystals for high power optical parametric chirped-pulse amplification ", Vol. 22, no. 15, Optics Express (2014).
  • DE 199 28 661 A1 further discloses a voltage-compensating holder for a nonlinear crystal, which at the same time allows a temperature control of the crystal.
  • an optical parametric amplifier system for amplifying a particular pulsed signal laser beam with a pump laser beam.
  • the amplifier system comprises an optically non-linear crystal having an entrance side and a backside coated with the signal laser beam and the pump laser beam, the optically nonlinear crystal having a crystal axis.
  • optically nonlinear crystal, the signal laser beam and the pump laser beam are arranged to each other such that the pump laser beam and the signal laser beam in the crystal propagate before and after the reflection at the back under phase matching conditions that cause an optical parametric gain.
  • an optical parametric amplifier system for amplifying a particular pulsed signal laser beam with a pump laser beam.
  • the amplifier system comprises an optically nonlinear crystal having an entrance side and a rear side reflective to the signal laser beam and the pump laser beam.
  • the optically nonlinear crystal has a crystal axis.
  • the relative orientation of the crystal axis, the first pump propagation direction, and the first signal propagation direction correspond to a first phase matching condition of an optical parametric gain in the crystal.
  • the relative orientation of the crystal axis, the second pump propagation direction, and the second signal propagation direction correspond to a second phase matching condition of an optical parametric gain in the crystal.
  • a method of optically parametric amplifying a particular pulsed signal laser beam with a pump laser beam comprises providing an optically non-linear crystal having an entrance side and a backside coated reflective layer of the signal laser beam and the pump laser beam the optically nonlinear crystal has a crystal axis, and an irradiation of the pump laser beam and the signal laser beam on the inlet side such that a first pump propagation direction of the pump laser beam in the crystal before its reflection at the back and a first signal propagation direction of the signal laser beam in the crystal before its flexion at the back.
  • the method comprises reflecting the signal laser beam and the pump laser beam on the rear side so that a second pump propagation direction of the pump laser beam in the crystal after its reflection at the rear side and a second signal propagation direction of the signal laser beam in the crystal after its reflection at the rear side adjusts.
  • the optically non-linear crystal, the signal laser beam and the pump laser beam are arranged relative to one another such that the pump laser beam and the signal laser beam propagate in the crystal before and after the reflection at the rear side under phase matching conditions which cause an optical parametric amplification.
  • the reflexive design allows access to the back of the crystal, which can be used to optimize heat dissipation from the crystal.
  • the crystal thickness can be reduced while maintaining the gain. Furthermore, thermally induced voltages in the crystal can be reduced.
  • the double pass allows either a higher gain or, with identical gain, a reduction in crystal thickness.
  • the improved thermal management may also allow for higher pump power and thus additional power enhancement. This can lead to further power scaling of OPAs.
  • the crystal is formed as a crystal disk and HR coated on the back.
  • the crystal may be further secured to the back surface of a support structure (also referred to herein as a heat sink), eg, a diamond substrate.
  • a support structure also referred to herein as a heat sink
  • the concept of a thin heat sink mounted gain medium (“sliced laser") known in the laser oscillator field allows the nonlinear crystal in the OPA to be mounted on a (eg, diamond) heat sink.
  • sliced laser thin heat sink mounted gain medium
  • a broadband phase matching can be realized for both the incoming and the returning signal beam. In some embodiments, this can have a positive effect on the amplification of ultrashort laser pulses of high spectral bandwidth. Due to the significantly improved heat dissipation, significantly higher pump powers can be applied, which results in an increase in output power and raises the upper performance limit for high-performance OPA systems.
  • slightly different phase adjustments may be provided in the trace and the return.
  • Such different phase adjustments may result in a broader gain compared to a single phase match when using a crystal in transmission, so amplification of shorter pulses or even shortening of pulses may be possible.
  • the enhanced wavelength ranges of the trace and the return may overlap, complement and / or adjoin one another. This aspect of the different phase matching conditions, and thus the possibility of adding different gain spectra, may allow amplification of laser pulses having a very large wavelength range.
  • the phase matching angles and / or the non-collinear angles of the optical parametric amplification may each differ due to the reflection of the signal laser beam and / or the pump laser beam at the backside.
  • a trace pump propagation direction may be aligned at an acute angle to the perpendicular on the backside to cause a difference between the phase matching angles.
  • optical parametric amplifier systems may include pump incidence optics for defining a pump incidence direction on the entrance side of the optically nonlinear crystal and signal laser beam guidance optics for defining a signal incident direction on the entrance side of the optically nonlinear crystal.
  • optical parametric amplifier systems can have a highly reflective coating provided on the back of the crystal and / or a support structure, in particular a diamond substrate structure, on the highly reflective coating and / or the back of the crystal and / or a water cooling device for cooling the nonlinear crystal over the backside , in particular via a surface contact with the support structure having.
  • phase matching conditions of trace and retrace may be set for optically parametric amplification of equal, adjacent, at least partially overlapping, and / or at least partially complementary wavelength ranges.
  • concepts are disclosed that allow to at least partially improve aspects of the prior art.
  • further features and their expediencies emerge from the following description of embodiments with reference to the figures.
  • 1 shows a schematic representation of an exemplary OPA with a nonlinear crystal used in reflection
  • FIG. 2 shows a schematic illustration to illustrate the beam paths in FIG. 1
  • FIG. 3 shows a schematic illustration to illustrate the phase matching conditions in the case of a forward and reverse flow in the crystal
  • Fig. 4 is a schematic representation of the gain as a function of
  • FIG. 6 shows a schematic illustration to illustrate different phase adaptation conditions in the case of a forward and reverse flow in the crystal
  • FIG. 7 shows a schematic illustration to illustrate the beam paths in a non-linear crystal in wedge shape
  • 8 is a schematic diagram showing different phase matching conditions in the case of a crystal in a wedge shape with a pump laser beam incident on the crystal
  • Fig. 9 is a gain spectrum for a trace in the crystal.
  • Fig. 10 shows a gain spectrum, differently adjusted from the gain spectrum shown in Fig. 9, for return in the crystal.
  • the concepts disclosed herein are particularly directed to the development of pump lasers for the amplification of short pulses by "optical parametric chirped-pulse amplification”.
  • OPA optical parametric amplification
  • a mechanical damage threshold can already be achieved by thermally induced stresses through the absorption of the lowest proportions of the pump radiation, the signal generated and / or the idler that is produced.
  • Absorbent in the crystal e.g. Defects and impurities, (if present) coatings on the crystal surfaces as well as the crystal itself, which partially absorbs the incident or emerging radiation.
  • the generated idler radiation can be so far in the infrared wavelength range that it can be strongly absorbed by the crystal.
  • the invention is based, at least in part, on the recognition that, in contrast to non-linear crystals used in transmission, the concept of using a nonlinear crystal in reflection, as disclosed herein, provides more favorable conditions for cooling.
  • a disk-shaped non-linear medium can be directly mounted on a large surface area on a heat sink / support structure.
  • the heat sink can in turn be cooled on its backside with water. Due to the thinness of the disk-shaped nonlinear medium - in comparison to its diameter - a nearly one-dimensional heat flow can be realized, which can reduce thermally induced stresses or even prevent them from forming. Thus, a very effective cooling of the disc-shaped non-linear medium is made possible.
  • the inventors have thus recognized, inter alia, that the disk laser principle (thin disk-shaped laser medium) can be used in the OPA reinforcement in the case of a nonlinear crystal-in particular in a double pass-thereby offering the possibility of improved planar cooling of OPA crystals and that, moreover, the option may arise to allow for different phase matching conditions in a single crystal, eg, by a slightly wedge-shaped geometry, and thus to be able to amplify a broader spectrum.
  • nonlinear crystal in reflection Compared with the concept of using a nonlinear crystal in reflection disclosed herein, effective cooling of a nonlinear crystal used in transmission is more difficult to implement. Because in the latter case, primarily only the radial outer surfaces can be cooled. The low thermal conductivity of nonlinear crystals (e.g., at BBO less than 2W / (mK)) also hinders efficient radial heat removal. Even a direct rinsing of the crystal with water is also impractical due to the strong hygroscopicity of, for example, BBO. Further, in some configuration in transmission, front surfaces of the crystals are provided with a transparent material which allows for better heat conduction in contrast to the clean air transition; However, it will be introduced more materials and material transitions in the beam path.
  • the OPA 1 schematically shows an exemplary structure of an OPA 1 in the form of a disk-cooled, optically parametric double-pass amplifier.
  • the OPA 1 is based on a nonlinear crystal 3, eg a BBO crystal.
  • the crystal has an incident side 5 for receiving the laser light and a rear side 7.
  • the cooling of the crystal 3 takes place via the rear side 7.
  • the non-linear crystal 3 is formed as a thin disk and fastened directly to its rear side 7 on a heat sink 9.
  • the heat sink 9, for example a diamond substrate is in turn attached to a heat sink 11 on its rear side.
  • the thickness of the crystal is 0.1 mm to 1 mm, for example, and the thickness of the diamond substrate is 1 mm, for example.
  • the heat sink is supplied via connections 13 with a coolant, for example water, from a cooling circuit (not shown).
  • a coolant for example water
  • the coolant absorbs the unavoidable heat input into the crystal 3 by the laser beams.
  • FIG. 1 Due to the thinness of the disk compared to its diameter, a nearly one-dimensional heat flow can be realized, which can reduce thermally induced stresses or even prevent them from forming at all. Accordingly, the structure of FIG. 1 allows a very effective cooling of the crystal wafer in the gain region.
  • the rear side 7 of the crystal 3 has a broadband highly reflecting (HR) coating 15, which is thus arranged between the heat sink 9 and the crystal 3.
  • the HR coating 15 is formed both for the wavelength of an incident pump laser beam 17 and for the wavelength of an incident signal laser beam 19, so that both beams are reflected as completely as possible.
  • the signal laser beam 19 and the pump laser beam 17 are reflected at the back 7 at least 99.9%.
  • laser system for the signal laser beam 19 and the laser system for the pump laser beam 17 are not explicitly shown.
  • laser systems for the signal laser beam 19 comprise pulsed laser systems, such as titanium: sapphire laser systems, which, inter alia, generate amplifying laser pulses in the wavelength range from 600 nm to 1100 nm. Another possibility is based on the generation of the signal radiation with the help of a small proportion of the pump laser radiation and an additional white light generation stage.
  • Examples of laser systems for the pump laser beam 17 include pulsed laser systems such as slab, disk, and fiber laser systems. For example, when using titanium: sapphire laser pulses in the wavelength range of 600 nm to 1100 nm, these can first be frequency doubled and then used to pump the OPA.
  • the concepts disclosed herein are also applicable to other signal and or pump wavelengths transferable, with which a phase adjustment for a non-linear amplification can be realized.
  • Pumplaser beam 17 and signal laser beam 19 are irradiated in the embodiment of FIG. 1 at an angle to each other on the incidence side 5 of the crystal 3.
  • the respective angle of incidence is adjusted by means of a pumping beam optics 21 or a signal radiation optics 23 such that the conditions for amplification / phase adaptation described below are provided.
  • the pumping beam optics 21 and the signal beam optics 23 include HR mirrors 25 by way of example.
  • the beam diameters of the pump laser beam 17 and the signal laser beam 19 are adapted to one another.
  • pump intensities of -100 GW / cm 2 are needed for nonlinear amplification.
  • the beam diameters are in the range of 5 mm (FWHM).
  • the arrangement of the individual components and the angle to be set can also be chosen such that the incoming and outgoing beams are spatially easily separated from each other.
  • an optical isolator (not shown), such as a combination of a Faraday rotator, a wave plate, and a thin film polarizer, may be used to blank out the reflected portion of the pump laser beam 17. The latter may allow the pump laser to be irradiated, for example, at an angle of incidence of 0 ° as shown by way of example in FIG. 1.
  • the gain in an OPA depends very much on the angles used.
  • the crystal 3 used in reflection allows both the irradiated (trace) and the reflected (retrace) signal laser beam to be amplified.
  • an improvement in optical parametric gain (as compared to the configuration in transmission) can be achieved.
  • a corresponding phase matching condition is to be fulfilled in the crystal 3.
  • This comprises, on the one hand, the phase adaptation angle ⁇ between the pump laser beam 17 and the crystal axis and the non-collinear angle ⁇ between the pump laser beam 17 and the signal laser beam 19.
  • Fig. 2 illustrates the beam course in the area before and in the crystal 3.
  • the crystal 3 is executed plan-parallel, ie its inlet side 5 and its rear side 7 are formed as parallel plane planes.
  • the pump laser beam 17 is orthogonal to the entrance side 5 and thus also orthogonal to the back 7, so that it is correspondingly reflected back in itself.
  • the signal beam optics deflects the signal laser beam 19 at an adjustable angle to the entrance side 5.
  • the signal laser beam 19 is refracted so that a corresponding propagation direction results in the crystal.
  • the signal beam optics 23 are adjusted, for example, in such a way that the non-collinear angle ⁇ required for the trace 3 results in the pump beam in the crystal 3.
  • the crystal 3 is characterized by its optical axis 27 (also referred to herein as the crystal axis). This axis is characterized in that no propagation along the axis birefringence occurs, the refractive index is thus independent of the input polarization.
  • the crystal 3 has been cut in such a way that the optical axis 27 extends below the phase matching angle ⁇ with respect to the solder on the rear side and thus with respect to the pump laser beam 17.
  • the beam path in the crystal 3 by a first, perpendicular to the back 7 extending pump propagation direction of the pump laser beam 17 before reflection of the pump laser beam on the back 7 and a second pump propagation direction (also perpendicular to the back 7) of the pump laser beam 17 in the crystal after its reflection marked on the back 7.
  • the beam path in the crystal 3 is defined by a first signal propagation direction of the signal laser beam 19 before its reflection at the rear side 7 at a non-collinear angle ⁇ to the first pump propagation direction and by a second signal propagation direction (also at an angle ⁇ to the second pump propagation direction) of the signal laser beam i Crystal after its reflection on the back 7 marked.
  • FIG. 3 shows the relative positions of the crystal axis 27, a first pump propagation direction 17A and a first signal propagation direction 19A for the trace (section A of FIG. 3) and the relative positions of the crystal axis 27, a second pump propagation direction 17B and a second Signal propagation direction 19B for the return (section B of Fig. 3). Accordingly arise for the trace
  • Fig. 4 shows schematically the dependence of the amplified wavelengths ⁇ in nm from
  • Non-collinear angle a It can be seen that spectral widths of 2.4 ° can be amplified in the angular range (see also FIGS. 9 and 10).
  • optical parametric amplification in the wavelength range of, for example, 600 nm to 800 nm occurs at a phase matching angle ⁇ (ie the angle between the direction vector of the pump laser beam and the optical crystal axis) of approximately 24.2 ° and a non-collinear angle ⁇ (ie an angle between pump laser beam and signal laser beam in the crystal) of about 2.4 °.
  • ⁇ the angle between the direction vector of the pump laser beam and the optical crystal axis
  • ⁇ ie an angle between pump laser beam and signal laser beam in the crystal
  • the reflection at the rear side 7 results in orthogonal incidence of the pump laser beam 17 on the back 7 in order to fulfill the phase adjustment condition for the trace and the return. Due to the orthogonal incidence, the pump beam is reflected back and the signal beam is reflected below -2.4 ° to the plummet due to "incident angle equal failure angle.” As a result, the reflected signal beam is exactly at the required non-collinear angle and becomes - just like the sunken signal beam - are amplified, ie the phase matching conditions are identical for trace and return.
  • Fig. 5 illustrates the dependence of the gain of the phase matching angle ⁇ at a (fixed) lakekollinearwinkelwinkel ⁇ of 2.4 °.
  • a gain region 31 is formed in an angular range of 22 ° to 28 ° for the phase matching angle ⁇ . It can be seen a maximum of the spectral width in the range of 24.5 ° and a shift of the amplified wavelength ranges with decreasing phase matching angle ⁇ towards longer wavelengths.
  • a variation of the phase adjustment angles ⁇ 1 and ⁇ 2 for the round trip can influence the amplified wavelength range in such a way that an amplification of broadband short pulses can be optimized. This is explained below for a plane-parallel crystal in FIG. 6 and for a wedge-shaped crystal in FIGS. 7 and 8.
  • Figures 9 and 10 illustrate the associated displacement of the amplified wavelength range between forward and return.
  • the pump laser beam impinges on the rear side 7 at a small angle ⁇ to the solder L. Due to the reflection, the phase matching angle of ⁇ 1 thus changes during the reflection
  • the beam path shown in FIG. 6 allows the extension of the amplified wavelength range due to a change in the phase matching angle between forward and backward
  • Fig. 7 shows another embodiment with varying phase matching conditions for the trace and the return.
  • a wedge-shaped crystal 33 is used. That is, an entrance side 35 extends at a small (wedge) angle to a back surface 37.
  • the pump laser beam 17 is orthogonal to the back surface 37 before entering the crystal 33.
  • the pump laser beam 17 hits under a small Angle on the back 37, from which it is reflected again. Due to a further diffraction at the inlet side 35 of the exiting Pum laser beam 17 'at a small angle to the incident pump laser beam 17. The latter makes it possible to spatially separate the two beam components at a certain distance from the crystal 33.
  • the signal laser beam 19 is again illuminated in such a way that the desired
  • Non-collinear angle ⁇ to the pump propagation direction in the crystal 33 is formed. Due to the symmetry in the reflection is the same angular reference to Pumplaserstrahl
  • Non-collinearity angle a for the reflected signal laser beam in the crystal 33.
  • the change of the phase matching angle ⁇ 1 to ⁇ 2 results in an altered amplification profile for the round trip, in which case the amplified wavelength range shifts towards smaller wavelengths.
  • FIG. 8 illustrates the beam paths for a wedge-shaped crystal 33 in the event that the pump laser beam 17 falls orthogonally on the inlet side 35.
  • this results in different phase adaptation angles ⁇ 1 and ⁇ 2 at the same non-collinearity angles cd and a2, in which case the amplified wavelength range shifts towards longer wavelengths.
  • An advantage of the wedge structure arrangement, as shown in Fig. 7, is a spatial separation between incoming and reflected pump laser beam 17, 17 'and thus the avoidance of a back reflection in the pump laser system. The latter could, for example in the arrangement according to FIG. 8, lead to a disturbance of the high-pressure pump laser system without further decoupling.
  • the gain curve then shows an amplified spectrum of about 620 nm to 800 nm and 1100 nm to 1200 nm.
  • the amplified wavelength ranges may complement each other on one side only. In general, the amplified wavelength ranges may at least partially overlap.
  • other geometries are possible, e.g. can lead to an internal total reflection of pump laser and / or signal laser, so that multiple passes can be formed in the nonlinear crystal. This allows the effective gain path length (i.e., propagation in the crystal) to continue to increase while maintaining the same thickness.
  • portions of the entrance side may also be reflective coated to form multiple passes of the crystal.
  • OPA systems can be used for fundamental physical studies of atoms or molecules.
  • the OPA's disclosed herein can be used for fundamental physical studies of atoms or molecules.

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Abstract

Ein optisch parametrisches Verstärkersystem (1) zum Verstärken eines insbesondere gepulsten Signallaserstrahls (19) mit einem Pumplaserstrahl (17) weist einen optisch nichtlinearen Kristall (3, 33) mit einer Eintrittsseite (5) und einer den Signallaserstrahl (19) und den Pumplaserstrahl (17) reflektierend beschichteten Rückseite (7) auf. Der optisch nichtlineare Kristall (3, 33) weist eine Kristallachse (27) auf, die derart bezüglich der Rückseite (7), des Signallaserstrahls (19) und des Pumplaserstrahls (17) angeordnet ist, dass der Pumplaserstrahl (17) und der Signallaserstrahl (19) im Kristall (3, 33) vor und nach der Reflexion an der Rückseite (7) unter Phasenanpassungsbedingungen propagieren, die eine optisch parametrische Verstärkung bewirken.

Description

OPTISCH PARAMETRISCHES VERSTÄRKERSYSTEM
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisch parametrisches Verstärkersystem zur Verstärkung eines Laserstrahls und insbesondere Hochleistungsverstärkersysteme für wissenschaftli- che Anwendungen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum optisch parametrischen Verstärken.
In einem optisch parametrischen Verstärkersystem (OPA: optical parametric amplifier) wird ein Laserstrahl (im Folgenden als Signallaserstrahl bezeichnet) in einem nichtlinearen Kristall mit einem Pumplaserstrahl überlappt. Die Ausbreitungsrichtungen und Wellenlängen des Pumplaserstrahls und des Signallaserstrahls und die Nichtlinearität des Kristalls, d.h. insbesondere die Ausrichtung der Kristallachse des nichtlinearen Kristalls, werden aufeinander abgestimmt, um eine Phasenbeziehungen für eine Verstärkung des Signallaserstrahls bereitzustellen. Geeignete nichtlineare Kristalle sind z.B. Beta-Barium-Borat (BBO), Lithiumtriborat (LBO) und Kaliumtitanylphosphat (KTP).
OPAs werden insbesondere zur Verstärkung (ultra-) kurzer Pulse eingesetzt. Durch die Verfügbarkeit leistungsstarker Pumplaser können Ausgangsleistungen erreicht werden, bei denen selbst geringste Absorptionseffekte im nichtlinearen Kristall zu einem nicht mehr vernachläs- sigbaren Wärmeeintrag führen. Der Wärmeeintrag kann mechanische Spannungen im Kristall induzieren, die bis zur Zerstörung des Kristalls führen können.
Somit können thermische Randbedingungen die Verstärkung begrenzen und das Strahlprofil beeinflussen. Thermische Effekte in einem OPA werden zum Beispiel von J. Rothhardt et al., „Thermal effects in high average power optical parametric amplifiers", Vol. 38, No. 5, Optics Letters (2013) und von R. Riedel et al,„Thermal properties of borate crystals for high power optical parametric chirped-Pulse amplification", Vol. 22, No. 15, Optics Express (2014) erörtert. DE 199 28 661 AI offenbart ferner eine Spannungskompensierende Halterung für einen nichtlinearen Kristall, der zugleich eine Temperierung des Kristalls erlaubt.
Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wärmeabfuhr aus dem nichtlinearen Kristall eines OPA zu verbessern. Einem weiteren Aspekt liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere die Charakteristik eines OPA für die Verstärkung von kurzen Pulsen zu verbessern. Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein optisch parametrisches Verstärkersystem nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren zum optisch parametrischen Verstärken nach Anspruch 11. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. In einem Aspekt wird ein optisch parametrisches Verstärkersystem zum Verstärken eines insbesondere gepulsten Signallaserstrahls mit einem Pumplaserstrahl offenbart. Das Verstärkersystem weist einen optisch nichtlinearen Kristall mit einer Eintrittsseite und einer den Signallaserstrahl und den Pumplaserstrahl reflektierend beschichteten Rückseite auf, wobei der optisch nichtlineare Kristall eine Kristallachse aufweist. Der optisch nichtlineare Kristall, der Signallaserstrahl und der Pumplaserstrahl sind derart zueinander angeordnet, dass der Pumplaserstrahl und der Signallaserstrahl im Kristall vor und nach der Reflexion an der Rückseite unter Phasenanpassungsbedingungen propagieren, die eine optisch parametrische Verstärkung bewirken. In einem weiteren Aspekt wird ein optisch parametrisches Verstärkersystem zum Verstärken eines insbesondere gepulsten Signallaserstrahls mit einem Pumplaserstrahl offenbart. Das Verstärkersystem weist einen optisch nichtlinearen Kristall mit einer Eintrittsseite und einer den Signallaserstrahl und den Pumplaserstrahl reflektierend beschichteten Rückseite auf. Der optisch nichtlineare Kristall weist eine Kristallachse auf. Im Verstärkersystem liegen eine ers- te Pumppropagationsrichtung des Pumplaserstrahls im Kristall vor dessen Reflexion an der Rückseite und eine zweite Pumppropagationsrichtung des Pumplaserstrahls im Kristall nach dessen Reflexion an der Rückseite sowie eine erste Signalpropagationsrichtung des Signallaserstrahls im Kristall vor dessen Reflexion an der Rückseite und eine zweite Signalpropagationsrichtung des Signallaserstrahls im Kristall nach dessen Reflexion an der Rückseite vor. Die relative Ausrichtung der Kristallachse, der ersten Pumppropagationsrichtung und der ersten Signalpropagationsrichtung entsprechen einer erste Phasenanpassungsbedingung einer optisch parametrischen Verstärkung im Kristall. Die relative Ausrichtung der Kristallachse, der zweiten Pumppropagationsrichtung und der zweiten Signalpropagationsrichtung entsprechen einer zweiten Phasenanpassungsbedingung einer optisch parametrischen Verstärkung im Kristall.
In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum optisch parametrischen Verstärken eines insbesondere gepulsten Signallaserstrahls mit einem Pumplaserstrahl offenbart. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines optisch nichtlinearen Kristalls mit einer Eintrittsseite und einer den Signallaserstrahl und den Pumplaserstrahl reflektierend beschichteten Rückseite, wobei der optisch nichtlineare Kristall eine Kristallachse aufweist, und ein Einstrahlen des Pumplaserstrahls und des Signallaserstrahls auf die Eintrittsseite derart, dass sich eine erste Pumppro- pagationsrichtung des Pumplaserstrahls im Kristall vor dessen Reflexion an der Rückseite sowie eine erste Signalpropagationsrichtung des Signallaserstrahls im Kristall vor dessen Re- flexion an der Rückseite einstellt. Ferner umfasst das Verfahren ein Reflektieren des Signallaserstrahls und des Pumplaserstrahls an der Rückseite, so dass sich eine zweite Pumppropaga- tionsrichtung des Pumplaserstrahls im Kristall nach dessen Reflexion an der Rückseite sowie eine zweiten Signalpropagationsrichtung des Signallaserstrahls im Kristall nach dessen Reflexion an der Rückseite einstellt. Verfahrensgemäß sind der optisch nichtlineare Kristall, der Signallaserstrahl und der Pumplaserstrahl derart zueinander angeordnet, dass der Pumplaserstrahl und der Signallaserstrahl im Kristall vor und nach der Reflexion an der Rückseite unter Phasenanpassungsbedingungen propagieren, die eine optisch parametrische Verstärkung bewirken. Durch den reflexiven Aufbau wird ein Zugang zur Rückseite des Kristalls ermöglicht, der zur Optimierung der Wärmeabfuhr aus dem Kristall genutzt werden kann. Dadurch kann im Vergleich zur Konfiguration eines OPA mit einem nichtlinearen Kristall in Transmission die Kristalldicke bei gleichbleibender Verstärkung reduziert werden. Ferner können thermisch induzierte Spannungen im Kristall reduziert werden. Im Vergleich zum Einfachdurchgang erlaubt somit der Doppeldurchgang entweder eine höhere Verstärkung oder bei identischer Verstärkung eine Reduzierung der Kristalldicke. Das verbesserte thermische Management kann ferner eine höhere Pumpleistung und somit eine zusätzliche Leistungssteigerung ermöglichen. Dies kann zu einer weiteren Leistungsskalierung von OPAs führen. In einigen Weiterbildungen ist der Kristall als Kristallscheibe ausgebildet und auf der Rückseite HR-beschichtet. Der Kristall kann ferner mit der Rückseite an einer Trägerstruktur (hierin auch als Wärmesenke bezeichnet), z.B. einem Diamantsubstrat, befestigt sein. Durch die reflexive Konfiguration durchlaufen der Pumplaserstrahl und der Signallaserstrahl den Kristall zweimal, wobei bei Hin- und Rücklauf jeweils zur Verstärkung geeignete Phasenanpassungs- bedingungen eingestellt werden können.
In anderen Worten erlaubt das aus dem Laseroszillatorbereich bekannte Konzept eines dünnen auf einer Wärmesenke angebrachten Verstärkungsmediums ("Scheibenlaser") den nichtlinearen Kristall im OPA auf einer (z.B. Diamant-) Wärmesenke zu befestigen. Durch bestimmte nichtkollineare Einstrahlungsgeometrien von Kristall, Pumplaser und Signallaser kann eine breitbandige Phasenanpassung sowohl für den einlaufenden als auch den rücklaufenden Signalstrahl realisiert werden. In einigen Ausführungsformen kann sich dies positiv auf die Verstärkung von ultrakurzen Laserpulsen hoher spektraler Bandbreite auswirken. Aufgrund der deutlich verbesserten Wärmeabfuhr können signifikant höhere Pumpleistungen appliziert werden, was eine Steigerung der Ausgangsleistung zur Folge hat und die Leistungsobergrenze für Hochleistungs-OPA-Systeme anhebt.
In einigen Ausführungsformen, beispielsweise bei Verwendung eines leicht gekeilten Kris- talls, können im Hinlauf und im Rücklauf leicht unterschiedliche Phasenanpassungen vorgesehen werden. Derartige unterschiedliche Phasenanpassungen können zu einer - im Vergleich zu einer einzigen Phasenanpassung bei der Verwendung eines Kristalls in Transmission - breitbandigeren Verstärkung führen, so dass die Verstärkung von kürzeren Pulsen oder sogar die Verkürzung von Pulsen möglich werden kann. Insbesondere können sich die verstärkten Wellenlängenbereiche des Hinlaufs und des Rücklaufs überlappen, ergänzen und/oder aneinander angrenzen. Dieser Aspekt der unterschiedlichen Phasenanpassungsbedingungen und damit der Möglichkeit der Addition verschiedener Verstärkungsspektren kann eine Verstärkung von Laserpulsen mit einem sehr großen Wellenlängenbereich erlauben. In einigen Ausführungsformen können sich jeweils die Phasenanpassungswinkel und/oder die Nichtkollinearitätswinkel der optisch parametrischen Verstärkung aufgrund der Reflexion des Signallaserstrahls und/oder des Pumplaserstrahls an der Rückseite unterscheiden. Insbesondere kann eine Hinlauf-Pumppropagationsrichtung unter einem spitzen Winkel zum Lot auf die Rückseite ausgerichtet sein, um einen Unterschied zwischen den Phasenanpassungswinkeln zu bewirken. Bezüglich der Winkel wird hierin beispielsweise auf die Strahlausbreitung im Bereich eines Strahlzentrums des Pumplaserstrahls oder des Signallaserstrahls oder beispielsweise auf das Lot im Bereich eines Strahlzentrums bezuggenommen.
In einigen Ausführungsformen können die Eintrittsseite und/oder die Rückseite des optisch nichtlinearen Kristalls als plane Flächen ausgebildet sein. Ferner können sich die Eintrittsseite und die Rückseite des optisch nichtlinearen Kristalls zueinander plan-parallel oder zueinander keilförmig ausgebildet sein. In einigen Ausführungsformen können optisch parametrische Verstärkersysteme eine Pumpeinfallsoptik zur Festlegung einer Pumpeinfallsrichtung auf die Eintrittsseite des optisch nichtlinearen Kristalls und einer Signallaserstrahlführungsoptik zur Festlegung einer Signaleinfallsrichtung auf die Eintrittsseite des optisch nichtlinearen Kristalls aufweisen. Ferner können optisch parametrische Verstärkersysteme eine auf der Rückseite des Kristalls vorgesehene hochreflektierende Beschichtung und/oder eine Trägerstruktur, insbesondere einer Diamantsubstrat-Struktur, auf der hochreflektierenden Beschichtung und/oder der Rückseite des Kristalls und/oder eine Wasserkühlungsvorrichtung zur Kühlung des nichtlinearen Kristalls über die Rückseite, insbesondere über einen flächigen Kontakt mit der Trägerstruktur, aufweisen.
Allgemein können die Phasenanpassungsbedingungen des Hinlaufs und des Rücklaufs für eine optisch parametrische Verstärkung gleicher, benachbarter, zumindest teilweise überlappender und/oder sich zumindest teilweise ergänzender Wellenlängenbereiche eingestellt sein. Hierin werden Konzepte offenbart, dies es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen: Fig.1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften OPA mit einem in Reflexion verwendeten nichtlinearen Kristall,
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Strahlenverläufe in Fig. 1, Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Phasenanpassungsbedingungen bei Hin- und Rücklauf im Kristall,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Verstärkung in Abhängigkeit vom
Nichtkollinearitätswinkel,
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Verstärkung in Abhängigkeit vom Phasenanpassungswinkel,
Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung unterschiedlicher Phasenanpas- sungsbedingungen bei Hin- und Rücklauf im Kristall,
Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Strahlenverläufe bei einem nichtlinearen Kristall in Keilform, Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung unterschiedlicher Phasenanpassungsbedingungen bei Hin- und Rücklauf im Fall eines Kristalls in Keilform bei senkrecht auf den Kristall einfallendem Pumplaserstrahl,
Fig. 9 ein Verstärkungsspektrum für einen Hinlauf im Kristall und
Fig. 10 ein vom in Fig. 9 gezeigten Verstärkungsspektrum unterschiedlich eingestelltes Verstärkungsspektrum für einen Rücklauf im Kristall.
Die hierin offenbarten Konzepte gehen insbesondere auf die Entwicklung von Pumplasern für die Verstärkung kurzer Pulse durch„optical parametric chirped-pulse amplification"
(OPCPA) ein. Derartige Pumplaser können basierend auf Slab-, Scheiben- und Faserlaser- Systemen mittlerweile Pumpleistungen im Bereich von einigen 100 W erreichen, zukünftig wohl bis zu einigen kW und somit Pulsenergien im Joule-Bereich. Die Nutzung derartiger Pumplaserleistungen erfordert neue Ansätze bei der optisch parametrischen Verstärkung. Es ist bekannt, dass, wenn ein OPA mit derart hohen Leistungen gepumpt wird, schon durch die Absorption geringster Anteile der Pumpstrahlung, des erzeugten Signals und/oder des entstehenden Idlers eine mechanische Zerstörschwelle durch thermisch induzierte Spannungen erreicht werden kann. Absorbierend wirken im Kristall z.B. Defekte und Verunreinigungen, (falls vorhanden) Beschichtungen auf den Kristalloberflächen sowie der Kristall selbst, der die eingestrahlte bzw. entstehende Strahlung teilweise absorbiert. Insbesondere bei einem sehr breitbandigen OPA kann die erzeugte Idlerstrahlung soweit im Infraroten- Wellenlängenbereich liegen, dass diese vom Kristall stark absorbiert werden kann.
Die Erfindung basiert zumindest zum Teil auf der Erkenntnis, dass - im Gegensatz zu in Transmission verwendeten nichtlinearen Kristallen - das hierein offenbarte Konzept der Verwendung eines nichtlinearen Kristalls in Reflexion günstigere Rahmenbedingungen für die Kühlung bietet. Beispielsweise kann ein scheibenförmiges nichtlineares Medium direkt großflächig auf einer Wärmesenke/Trägerstruktur befestigt werden. Die Wärmesenke kann wiederum auf ihrer Rückseite mit Wasser gekühlt werden. Aufgrund der Dünne des scheibenförmi- gen nichtlinearen Mediums - im Vergleich zu seinem Durchmesser - kann ein nahezu eindimensionaler Wärmefluss realisiert werden, der thermisch induzierte Spannungen reduzieren bzw. erst gar nicht entstehen lassen kann. Somit wird eine sehr effektive Kühlung des scheibenförmigen nichtlinearen Mediums ermöglicht. Zusammengefasst haben die Erfinder somit unter anderem erkannt, dass sich das Scheibenla- serprinzip (dünnes scheibenförmiges Lasermedium) in der OPA- Verstärkung beim nichtlinearen Kristall - insbesondere bei einem Doppeldurchgang - einsetzen lässt, dass sich dadurch die Möglichkeit einer verbesserten flächigen Kühlung von OPA-Kristallen ergeben kann und dass sich überdies die Option ergeben kann, in einem einzigen Kristall - z.B. durch eine leicht keilförmige Geometrie - verschiedene Phasenanpassungsbedingungen zu ermöglichen und dadurch ein breiteres Spektrum verstärken zu können.
Im Vergleich mit dem hierein offenbarten Konzept der Verwendung eines nichtlinearen Kris- talls in Reflexion ist eine effektive Kühlung eines in Transmission verwendeten nichtlinearen Kristalls schwerer umzusetzen. Denn in letzterem Fall können primär nur die radialen Außenflächen gekühlt werden. Die geringe Wärmeleitfähigkeit nichtlinearer Kristalle (z.B. bei BBO kleiner 2 W/(m K)) behindert zusätzlich eine effiziente radiale Wärmeabfuhr. Auch eine direkte Umspülung des Kristalls mit Wasser ist aufgrund der starken Hygroskopie von bei- spielsweise BBO ebenfalls nicht praktikabel. In einigen Konfiguration in Transmission werden ferner Frontflächen der Kristalle mit einem transparenten Material versehen, welches eine bessere Wärmeleitung im Gegensatz zum reinen Luftübergang ermöglicht; es werden dadurch allerdings weitere Materialen und Materialübergänge in den Strahlengang eingeführt. Ferner bewirkt bei der Verwendung in Transmission die primär radiale Wärmeabfuhr einen Tempera- turgradienten im Material, der mechanische Spannungen erzeugen kann, die bis zur angesprochenen Zerstörung des Kristalls führen können. Derartige Nachteile können bei dem hierein offenbarten Konzept der Verwendung eines nichtlinearen Kristalls in Reflexion zumindest reduziert bzw. ganz vermieden werden. Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch einen beispielhaften Aufbau eines OPA 1 in Form eines scheibengekühlten, optisch parametrischen Doppeldurchgangsverstärkers. Der OPA 1 basiert auf einem nichtlinearen Kristall 3, z.B. einem BBO-Kristall. Der Kristall weist eine Einfallsseite 5 zur Aufnahme des Laserlichts und eine Rückseite 7 auf. Über die Rückseite 7 erfolgt die Kühlung des Kristalls 3. Der nichtlineare Kristall 3 ist als dünne Scheibe ausgebildet und direkt mit seiner Rückseite 7 auf einer Wärmesenke 9 befestigt. Die Wärmesenke 9, beispielsweise ein Diamantsubstrat, ist wiederum an seiner Rückseite an einem Kühlkörper 11 angebracht. Die dicke des Kristalls liegt beispielsweise bei 0,1 mm bis 1 mm und die Dicke des Diamantsubstrats bei beispielsweise 1 mm.
Der Kühlkörper wird über Anschlüsse 13 mit einem Kühlmittel, beispielsweise Wasser, aus einem Kühlkreislauf (nicht gezeigt) versorgt. Das Kühlmittel nimmt den nicht vermeidbaren Wärmeeintrag in den Kristall 3 durch die Laserstrahlen auf. Dieser Aufbau erlaubt eine räumliche Trennung des (im Beispiel des BBO hygroskopischen) Kristalls 3 vom Kühlkreislauf. Ferner erlaubt die separate Befestigung des Kristalls 3 auf der Wärmesenke 9 eine schonende Handhabung der empfindlichen Kristallscheiben.
Aufgrund der Dünne der Scheibe im Vergleich zu ihrem Durchmesser kann ein nahezu eindimensionaler Wärmefluss realisiert werden, der thermisch induzierte Spannungen reduzieren bzw. erst gar nicht entstehen lassen kann. Entsprechend erlaubt der Aufbau gemäß Fig. 1 eine sehr effektive Kühlung der Kristallscheibe im Verstärkungsbereich.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 weist die Rückseite 7 des Kristalls 3 eine breitbandig hochreflektierende (HR-) Beschichtung 15 auf, die somit zwischen der Wärmesenke 9 und dem Kristall 3 angeordnet ist. Die HR-Beschichtung 15 ist sowohl für die Wellenlänge eines einfallenden Pumplaserstrahls 17 als auch für die Wellenlänge eines einfallenden Signallaser- Strahls 19 ausgebildet, so dass beide Strahlen möglichst vollständig reflektiert werden. Beispielsweise werden der Signallaserstrahl 19 und der Pumplaserstrahl 17 an der die Rückseite 7 mindestens zu 99,9 % reflektiert.
In Fig. 1 sind das Lasersystem für den Signallaserstrahl 19 und das Lasersystem für den Pumplaserstrahl 17 nicht explizit gezeigt. Beispiele für Lasersysteme für den Signallaserstrahl 19 umfassen gepulste Lasersysteme wie z.B. Titan: Saphir-Lasersysteme, die unter anderem zu verstärkende Laserpulse im Wellenlängenbereich von 600 nm bis 1100 nm erzeugen. Eine weitere Möglichkeit basiert auf der Erzeugung der Signalstrahlung mit Hilfe eines geringen Anteils der Pumplaserstrahlung und einer zusätzlichen Weisslichterzeugungsstufe. Beispiele für Lasersysteme für den Pumplaserstrahl 17 umfassen gepulste Lasersysteme wie Slab-, Scheiben- und Faserlaser-Systeme. Beispielsweise bei der Verwendung von Titan:Saphir- Laserpulsen im Wellenlängenbereich von 600 nm bis 1100 nm können diese zunächst frequenzverdoppelt und anschließend zum Pumpen der OPA verwendet werden. Im Allgemeinen sind die hierein offenbarten Konzepte auch auf andere Signal- und oder Pumpwellenlängen übertragbar, mit denen eine Phasenanpassung für eine nichtlineare Verstärkung realisiert werden kann.
Pumplaserstrahl 17 und Signallaserstrahl 19 werden in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 unter einem Winkel zueinander auf die Einfallsseite 5 des Kristalls 3 eingestrahlt. Der jeweilige Einstrahlwinkel wird mit einer Pumpstrahloptik 21 bzw. einer Signalstrahloptik 23 derart eingestellt, dass die im Folgenden beschriebenen Voraussetzungen zur Verstärkung/Phasenanpassung bereitgestellt werden. In Fig. 1 umfassen die Pumpstrahloptik 21 und die Signalstrahloptik 23 beispielhaft HR-Spiegel 25. Die Strahldurchmesser von Pumplaser- strahl 17 und Signallaserstrahl 19 sind aufeinander angepasst. Typischerweise werden für die nichtlineare Verstärkung Pumpintensitäten von -100 GW/cm2 benötigt. Bei einer Pumppulsenergie von 10 mJ und einer Pulsdauer von lps liegen die Strahldurchmesser beispielsweise im Bereich von 5 mm (FWHM). Die Anordnung der einzelnen Komponenten und die einzustellenden Winkel können ferner derart gewählt werden, dass die ein- und auslaufenden Strahlen räumlich leicht voneinander trennbar sind. Wahlweise kann ein optischer Isolator (nicht gezeigt), beispielsweise eine Kombination aus einem Faraday-Rotator, einer Wellenplatte und einem Dünnschichtpolarisa- tor, zur Ausblendung des reflektierten Anteils des Pumplaserstrahls 17 verwendet werden. Letzteres kann es erlauben, dass der Pumplaser z.B. unter einem wie in Fig. 1 beispielhaft gezeigten Einfallswinkel von 0° eingestrahlt werden kann.
Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Laserverstärkung in einem laseraktiven Medium ist bei einem OPA die Verstärkung sehr stark von den verwendeten Winkeln abhängig. Wie im Fol- genden beschrieben erlaubt es der in Reflexion verwendete Kristall 3 sowohl den eingestrahlten (Hinlauf) als auch den reflektierten (Rücklauf) Signallaserstrahl zu verstärken. Zusammen mit den Vorteilen hinsichtlich Kühlung durch den Scheibenaufbau kann in einigen Ausführungsformen zusätzlich eine Verbesserung der optisch parametrischen Verstärkung (im Vergleich zur Konfiguration in Transmission) erreicht werden.
Für eine effiziente parametrische Verstärkung ist eine entsprechende Phasenanpassungsbedingung im Kristall 3 zu erfüllen. Diese umfasst zum einen den Phasenanpassungswinkel Θ zwischen Pumplaserstrahl 17 und der Kristallachse und den Nichtkollinearitätswinkel α zwischen Pumplaserstrahl 17 und Signallaserstrahl 19. Fig. 2 verdeutlicht den Strahl verlauf im Bereich vor und im Kristall 3. In Fig. 2 ist der Kristall 3 plan-parallel ausgeführt, d.h. seine Eintrittsseite 5 und seine Rückseite 7 sind als parallel verlaufende plane Ebenen ausgebildet. Im Beispiel der Fig. 2 trifft der Pumplaserstrahl 17 orthogonal auf die Eintrittsseite 5 und somit auch orthogonal auf die Rückseite 7, so dass er entsprechend in sich selbst zurückreflektiert wird. Die Signalstrahloptik lenkt den Signallaserstrahl 19 unter einem einstellbaren Winkel auf die Eintrittsseite 5. Dort wird der Signallaserstrahl 19 gebrochen, so dass sich im Kristall eine entsprechende Ausbreitungsrichtung ergibt. Die Signalstrahloptik 23 wird beispielsweise derart justiert, dass sich im Kristall 3 der für den Hinlauf benötigte Nichtkollinearitätswinkel α zum Pumpstrahl ergibt. Ferner ist der Kristall 3 durch seine optische Achse 27 (hierin auch als Kristallachse bezeichnet) gekennzeichnet. Diese Achse ist dadurch charakterisiert, dass bei Propagation entlang der Achse keine Doppelbrechung auftritt, der Brechungsindex also unabhängig von der Eingangspolarisation ist. Im Aufbau gemäß Fig. 2 wurde der Kristall 3 derart geschnitten, dass die optische Achse 27 unter dem Phasenanpassungswinkel Θ bezüglich des Lots auf die Rückseite und damit bezüglich des Pumplaserstrahls 17 verläuft.
Entsprechend ist der Strahlenverlauf im Kristall 3 durch eine erste, senkrecht zur Rückseite 7 verlaufende Pumppropagationsrichtung des Pumplaserstrahls 17 vor der Reflexion des Pump- laserstrahls an der Rückseite 7 und einer zweiten Pumppropagationsrichtung (ebenfalls senkrecht zur Rückseite 7) des Pumplaserstrahls 17 im Kristall nach dessen Reflexion an der Rückseite 7 gekennzeichnet. Ferner ist der Strahlenverlauf im Kristall 3 durch eine erste, unter dem Nichtkollinearitätswinkel α zur ersten Pumppropagationsrichtung verlaufende Signalpro- pagationsrichtung des Signallaserstrahls 19 vor dessen Reflexion an der Rückseite 7 und durch eine zweite Signalpropagationsrichtung (ebenfalls unter einem Winkel α zur zweiten Pumppropagationsrichtung) des Signallaserstrahls im Kristall nach dessen Reflexion an der Rückseite 7 gekennzeichnet.
Zur Verdeutlichung zeigt Fig. 3 die relativen Lagen der Kristallachse 27, einer ersten Pump- propagationsrichtung 17A und einer ersten Signalpropagationsrichtung 19A für den Hinlauf (Abschnitt A der Fig. 3) sowie die relativen Lagen der Kristallachse 27, einer zweiten Pumppropagationsrichtung 17B und einer zweiten Signalpropagationsrichtung 19B für den Rücklauf (Abschnitt B der Fig. 3). Entsprechend ergeben sich für den Hinlauf ein
Nichtkollinearitätswinkel cd und ein Phasenanpassungswinkel Θ1 und für den Rücklauf ein Nichtkollinearitätswinkel a2 und ein Phasenanpassungswinkel Θ2. Unter der Annahme eines orthogonalen Einfalls des Pumpstrahls 17 auf die Rückseite 7 (gemäß den Ausführungsformen in den Figuren 1 und 2) gilt ΐ = a2 und Θ1 = Θ2. Fig. 4 zeigt schematisch die Abhängigkeit der verstärkten Wellenlängen λ in nm vom
Nichtkollinearitätswinkel a. Man erkennt, dass im Winkelbereich um 2,4 ° große spektrale Breiten verstärkt werden können (siehe hierzu auch die Figuren 9 und 10).
Für einen BBO-Kristall erfolgt eine optisch parametrische Verstärkung im Wellenlängenbe- reich von zum Beispiel 600 nm bis 800 nm bei einem Phasenanpassungswinkel Θ (d.h. dem Winkel zwischen Richtungsvektor des Pumplaserstrahls und der optischen Kristallachse) von ca. 24,2 ° und einem Nichtkollinearitätswinkel α (d.h. einem Winkel zwischen Pumplaserstahl und Signallaserstrahl im Kristall) von ca. 2,4 °. Für einen senkrecht zur Rückseite 7 angestrahlten Pumplaserstrahl ergibt sich ein Winkel zwischen der Signalpropagationsrichtung zur BBO-Kristallachse von 21,8 ° bzw. 26,6 °.
Wie Fig. 3 zu entnehmen ist, führt die Reflexion an der Rückseite 7 bei orthogonalem Einfall des Pumplaserstrahls 17 auf die Rückseite 7 zur Erfüllung der Phasenanpassungsbedingung für den Hinlauf und den Rücklauf. Denn aufgrund des orthogonalen Einfalls wird zum einen der Pumpstrahl in sich zurückreflektiert und zum anderen wird der Signalstrahl aufgrund von „Einfallswinkel gleich Ausfalls winkel" unter -2,4 ° zum Lot reflektiert. Dadurch liegt der reflektierte Signalstrahl wieder exakt auf dem notwendigen Nichtkollinearitätswinkel und wird - genau wie der eingefallene Signalstrahl - verstärkt werden. D.h., die Phasenanpassungsbedin- gung sind identisch für Hinlauf und Rücklauf.
In anderen Worten werden durch die Reflexion an der HR-Schicht 15 an der Rückseite 7 des nichtlinearen Kristalls 3 in der Geometrie der Fig. 2 beide Phasenanpassungsgeometrien (21,8 ° bzw. 26,6 °) verwendet. Entsprechend findet eine effiziente Verstärkung sowohl auf dem Hinlauf als auch auf dem Rücklauf statt. Im Vergleich zum Einfachdurchgang erlaubt der Doppeldurchgang somit entweder eine höhere Verstärkung oder bei identischer Verstärkung im Prinzip eine Halbierung der Kristalldicke. Fig. 5 verdeutlicht die Abhängigkeit der Verstärkung vom Phasenanpassungswinkel Θ bei einem (festem) Nichtkollinearitätswinkel α von 2,4 °. In einem Winkelbereich von 22 ° bis 28 ° für den Phasenanpassungswinkel Θ bildet sich ein Verstärkungsbereich 31 (verstärkter Wellenlängenbereich) aus. Man erkennt ein Maximum der spektralen Breite im Bereich von 24,5 ° und eine Verschiebung der verstärkten Wellenlängenbereiche mit abnehmendem Phasenanpassungswinkel Θ hin zu längeren Wellenlängen.
Basierend auf dieser Ausprägung des Verstärkungsbereichs 31 kann eine Variation der Phasenanpassungswinkel Θ1 und Θ2 für den Hin- und Rücklauf den verstärkten Wellenlängenbe- reich derart beeinflussen, dass eine Verstärkung breitbandiger kurzer Pulse optimiert werden kann. Dies wird im Folgenden für einen planparallelen Kristall in Fig. 6 und für einen keilförmig ausgebildeten Kristall in den Figuren 7 und 8 erläutert. Die Figuren 9 und 10 verdeutlichen die dazugehörige Verschiebung des verstärkten Wellenlängenbereichs zwischen Hin- und Rücklauf.
In Fig. 6 trifft der Pumplaserstrahl unter einem kleinen Winkel δ zum Lot L auf die Rückseite 7. Aufgrund der Reflexion ändert sich somit der Phasenanpassungswinkel von Θ1 beim
Hinlauf auf Θ2 beim Rücklauf um den Wert 2δ. Aufgrund der Symmetrie der Reflexion ändert sich dagegen der Nichtkollinearitätswinkel zwischen Pumplaserstrahl und Signallaserstrahl nicht, das heißt αΐ = a2. Dies hat eine entsprechende Verschiebung der verstärkten Wellenlängenbereiche hin zum längeren Wellenlängenbereich zur Folge, wie sie der Fig. 5 und den Figuren 9 und 10, wie später erläutert, zu entnehmen ist.
Somit erlaubt der Strahlenverlauf gemäß Fig. 6 die Erweiterung des verstärkten Wellenlän- genbereichs aufgrund einer Änderung des Phasenanpassungswinkels zwischen Hin- und
Rücklauf. Entsprechend können größere Wellenlängenbereiche und damit kürzere Pulse mit dem OPA verstärkt werden.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform mit variierenden Phasenanpassungsbedingungen für den Hinlauf und den Rücklauf. Dabei wird ein keilförmiger Kristall 33 eingesetzt. Das heißt, eine Eintrittsseite 35 verläuft unter einem kleinen (Keil-) Winkel zu einer Rückseite 37. In Fig. 7 verläuft der Pumplaserstrahl 17 vor Eintritt in den Kristall 33 orthogonal zur Rückseite 37. Jedoch wird aufgrund des nicht orthogonalen Einfallens auf die Eintrittsseite 35 der Pumplaserstrahl 17 gebrochen. Entsprechend trifft der Pumplaserstrahl 17 unter einem kleinen Winkel auf die Rückseite 37, von der er wieder reflektiert wird. Aufgrund einer weiteren Beugung an der Eintrittsseite 35 verläuft der austretende Pum laserstrahl 17' unter einem kleinen Winkel zum einfallenden Pumplaserstrahl 17. Letzteres ermöglicht es, die beiden Strahlkomponenten in einem gewissen Abstand zum Kristall 33 räumlich zu separieren.
Der Signallaserstrahl 19 wird wieder derart angestrahlt, dass sich der gewünschte
Nichtkollinearitätswinkel α zur Pumppropagationsrichtung im Kristall 33 ausbildet. Aufgrund der Symmetrie in der Reflexion liegt der gleiche Winkelbezug zum Pumplaserstrahl
(Nichtkollinearitätswinkel a) für den reflektierten Signallaserstrahl im Kristall 33 vor. Wie in Fig. 6 führt die Änderung des Phasenanpassungswinkels Θ1 zu Θ2 zu einem veränderten Verstärkungsprofil für Hin- und Rücklauf, wobei sich in diesem Fall der verstärkte Wellenlängenbereich hin zu kleineren Wellenlängen verschiebt.
Fig. 8 verdeutlicht die Strahlengänge für einen keilförmigen Kristall 33 im Fall, dass der Pumplaserstrahl 17 orthogonal auf die Eintrittsseite 35 fällt. Wie in der Konfiguration der Fig. 7 ergeben sich dadurch unterschiedliche Phasenanpassungswinkel Θ1 und Θ2 bei gleichen Nichtkollinearitätswinkeln cd und a2, wobei sich in diesem Fall der verstärkte Wellenlängenbereich hin zu größeren Wellenlängen verschiebt. Ein Vorteil der Keilstrukturanordnung, wie sie in Fig. 7 gezeigt wird, ist eine räumliche Trennung/Separation zwischen einlaufendem und reflektiertem Pumplaserstrahl 17, 17' und somit die Vermeidung eines Rückreflexes in das Pumplasersystem. Letzterer könnte beispielsweise in der Anordnung gemäß Fig. 8 ohne weitere Entkopplung zu einer Störung des Hochlei- tungspumplasersystems führen.
Wie in Zusammenhang mit den in den Figuren 6 bis 8 erläuterten Konfigurationen können unterschiedliche Phasenanpassungsbedingungen für den Hin- bzw. Rücklauf bei nichtsenkrechtem Eintreffen des Pumpstrahls auf die Rückseite erzeugt werden. Für BBO ergeben die typischen Parameter von α = 2,4 ° und θ = ~ 24,5 ° für den Einzeldurchgang beispielswei- se eine Bandbreite von ca. 690 nm bis 1050 nm. Diese Bandbreite trifft auch für den Fall zu, dass die erste Phasenanpassungsbedingung im Hinlauf der zweiten Phasenanpassungsbedingung des Rücklaufs entspricht. Wie erläutert kann sich die Bandbreite beispielsweise in Kombination mit einer Keilstruktur ändern. Beispielhaft zeigt Fig. 9 eine Verstärkungskurve 41 für einen
Nichtkollinearitätswinkel cd von 2,1 ° und einen Phasenanpassungswinkel Θ von 23,8 ° für den Hinlauf. Die Verstärkungskurve zeigt dann ein verstärktes Spektrum von ca. 620 nm bis 800 nm und von 1100 nm bis 1200 nm. In Fig. 10 wird eine Verstärkungskurve 43 für einen Nichtkollinearitätswinkel α von 2,1 ° und einem Phasenanpassungswinkel Θ von 24,3 ° für den Rücklauf gezeigt. Man erkennt für die Verstärkungskurve 43 ein verstärktes Spektrum im Bereich von ca. 800 nm bis 1050 nm. Eine Überlagerung der beiden Verstärkungskurven 41 und 43 kann also zu einem verstärkten Spektrum im Bereich von 620 nm bis 1200 nm führen. Dies ist deutlich breiter als die mögliche Bandbreite im Einzeldurchgang bzw. bei unveränderten Phasenanpassungsbedingungen. In anderen Konfigurationen können sich die verstärkten Wellenlängenbereiche an nur einer Seite ergänzen. Allgemein können sich die verstärkten Wellenlängenbereiche zumindest teilweise überlappen. Neben den angesprochenen planen Kristalloberflächen sind andere Geometrien möglich, die z.B. zu einer internen Totalreflexion von Pumplaser und/oder Signallaser führen können, so dass sich Mehrfachdurchgänge im nichtlinearen Kristall ausbilden lassen. Hierdurch kann sich die effektive Verstärkungsweglänge (d.h. die Propagation im Kristall) bei gleichbleibender Dicke weiter verlängern.
In einigen Weiterbildungen können auch Abschnitte der Eintrittsseite reflektiv beschichtet werden, um Mehrfachdurchgänge des Kristalls auszubilden.
HighPower-OPA-Systeme können beispielsweise für fundamentale physikalische Untersu- chungen an Atomen oder Molekülen eingesetzt werden. Die hierein offenbarten OPA-
Konzepte können dabei völlig neuartige Forschungs- und Entwicklungsansätze ermöglichen. Anwendungen liegen ferner z.B. in der Medizin (bildgebende Verfahren, Wirkung von Medikamenten etc.) und auch in der Materialbearbeitung beispielsweise als Hochleistungsverstärkersystem für die Laserbearbeitung von Werkstücken mit dem verstärkten Laserstrahl.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.

Claims

Patentansprüche
1. Optisch parametrisches Verstärkersystem (1) zum Verstärken eines insbesondere gepulsten Signallaserstrahls (19) mit einem Pumplaserstrahl (17) mit
einem optisch nichtlinearen Kristall (3, 33) mit einer Eintrittsseite (5), einer den Signallaserstrahl (19) und den Pumplaserstrahl (17) reflektierend beschichteten Rückseite (7) und einer Kristallachse (27),
wobei der optisch nichtlineare Kristall (3, 33), der Signallaserstrahl (19) und der Pumplaserstrahl (17) derart zueinander angeordnet sind, dass der Pumplaserstrahl (17) und der Signallaserstrahl (19) im Kristall (3, 33) vor und nach der Reflexion an der Rückseite (7) unter Phasenanpassungsbedingungen propagieren, die eine optisch parametrische Verstärkung bewirken.
2. Optisch parametrisches Verstärkersystem (1) nach Anspruch 1, wobei die Phasenan- passungsbedingungen vor und nach der Reflexion im Wesentlichen identisch sind und entsprechend zur Verstärkung eines im Wesentlichen identischen Wellenlängenbereichs des Signallaserstrahls (19) vor und nach der Reflexion eingestellt sind.
3. Optisch parametrisches Verstärkersystem (1) nach Anspruch 1, wobei eine erste Pha- senanpassungsbedmgung zur Verstärkung eines ersten Wellenlängenbereichs des Signallaserstrahls (19) vor der Reflexion und eine zweite Phasenanpassungsbedingung zur Verstärkung eines zweiten Wellenlängenbereichs des Signallaserstrahls (19) nach der Reflexion ausgebildet sind und wobei sich insbesondere der erste Wellenlängenbereich und der zweite Wellenlängenbereich für eine Verstärkung des Signallaserstrahls (19) zu einem verstärkten erweiter- ten Wellenlängenbereich ergänzen und/oder überlagern.
4. Optisch parametrisches Verstärkersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der Pumplaserstrahl (17) eine erste Pumppropagationsrichtung (17A) im Kristall (3, 33) vor seiner Reflexion an der Rückseite (7) und eine zweite Pumppropagationsrichtung (17B) im Kristall (3, 33) nach seiner Reflexion an der Rückseite (7) aufweist,
der Signallaserstrahl (19) eine erste Signalpropagationsrichtung (19A) im Kristall (3, 33) vor seiner Reflexion an der Rückseite (7) und eine zweite Signalpropagationsrichtung (19B) im Kristall (3, 33) nach seiner Reflexion an der Rückseite (7) aufweist und die relative Ausrichtung der Kristallachse (27), der ersten Pumppropagationsrichtung (17A) und der ersten Signalpropagationsrichtung (19A) einer erste Phasenanpassungsbedingung einer optisch parametrischen Verstärkung im Kristall (3, 33) entspricht und die relative Ausrichtung der Kristallachse (27), der zweiten Pumppropagationsrichtung (17B) und der zweiten Signalpropagationsrichtung (19B) einer zweiten Phasenanpassungsbedingung einer optisch parametrischen Verstärkung im Kristall (3, 33) entspricht.
5. Optisch parametrisches Verstärkersystem (1) nach Anspruch 4, wobei die erste Phasenanpassungsbedingung einen ersten Phasenanpassungswinkel (Θ1) zwischen der Kristall- achse (27) und der ersten Pumppropagationsrichtung (17A) und einen ersten
Nichtkollinearitätswinkel (al) zwischen der ersten Signalpropagationsrichtung (19A) und der ersten Pumppropagationsrichtung (17A) bedingt und die zweite Phasenanpassungsbedingung einen zweiten Phasenanpassungswinkel (Θ2) zwischen der Kristallachse (27) und der zweiten Pumppropagationsrichtung (17B) und einen zweiten Nichtkollinearitätswinkel (a2) zwischen der zweiten Signalpropagationsrichtung (19B) und der zweiten Pumppropagationsrichtung (17B) bedingt.
6. Optisch parametrisches Verstärkersystem (1) nach Anspruch 5, wobei sich jeweils der erste und der zweite Phasenanpassungswinkel (Θ1, Θ2) und/oder der erste und der zweite Nichtkollinearitätswinkel (al, a2) aufgrund der Reflexion des Signallaserstrahls (19) und/oder des Pumplaserstrahls (17) an der Rückseite (7) unterscheiden.
7. Optisch parametrisches Verstärkersystem (1) nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei die erste Pumppropagationsrichtung (17A) unter einem spitzen Winkel zum Lot (L) auf die Rück- seite (7), insbesondere im Bereich eines Strahlzentrums des Pumplaserstrahls (17), ausgerichtet ist, um einen Unterschied (2δ) zwischen dem ersten Phasenanpassungswinkel (Θ1) und dem zweiten Phasenanpassungswinkel (Θ2) zu bewirken, und wobei insbesondere der Unterschied (2δ) derart eingestellt ist, dass die Phasenanpassungsbedingungen vor und nach der Reflexion für Verstärkungen unterschiedlicher, insbesondere benachbarter und/oder teilweise überlap- pender und/oder sich zumindest teilweise ergänzender, Spektralbereiche des Signallaserstrahls (19) eingestellt sind.
8. Optisch parametrisches Verstärkersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eintrittsseite (5) und/oder die Rückseite (7) des optisch nichtlinearen Kristalls (3, 33) als plane Flächen ausgebildet sind und/oder wobei die Eintrittsseite (5) und die Rückseite (7) des optisch nichtlinearen Kristalls (3, 33) zueinander plan-parallel oder zueinander keilförmig ausgebildet sind.
9. Optisch parametrisches Verstärkersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Pumpeinfallsoptik (21), die eine Pumpeinfallsrichtung auf die Eintrittsseite (5) des optisch nichtlinearen Kristalls (3, 33) definiert, und einer Signallaserstrahlfüh- rungsoptik (23), die eine Signaleinfallsrichtung auf die Eintrittsseite (5) des optisch nichtlinearen Kristalls (3, 33) definiert.
10. Optisch parametrisches Verstärkersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit
einer auf der Rückseite (7) des Kristalls (3, 33) vorgesehenen hochreflektierenden Be- schichtung (15) und/oder
einer Trägerstruktur, insbesondere einer Diamantsubstrat-Struktur (9), auf der hochreflektierenden Beschichtung (15) und/oder der Rückseite (7) des Kristalls (3, 33) und/oder einer Wasserkühlungsvorrichtung (11) zur Kühlung des nichtlinearen Kristalls (3, 33) über die Rückseite (7), insbesondere über einen flächigen Kontakt mit der Trägerstruktur.
11. Verfahren zum optisch parametrischen Verstärken eines insbesondere gepulsten Signallaserstrahls (19) mit einem Pumplaserstrahl (17) mit den Schritten:
Bereitstellen eines optisch nichtlinearen Kristalls (3, 33) mit einer Eintrittsseite (5) und einer den Signallaserstrahl (19) und den Pumplaserstrahl (17) reflektierend beschichteten Rückseite (7), wobei der optisch nichtlineare Kristall (3, 33) eine Kristallachse (27) aufweist, Einstrahlen des Pumplaserstrahls (17) und des Signallaserstrahls (17) auf die Eintrittsseite (5), so dass sich eine erste Pumppropagationsrichtung (17A) des Pumplaserstrahls (17) im Kristall (3, 33) vor dessen Reflexion an der Rückseite (7) sowie eine erste Signalpropaga- tionsrichtung (19A) des Signallaserstrahls (19) im Kristall (3, 33) vor dessen Reflexion an der Rückseite (7) einstellt, und
Reflektieren des Signallaserstrahls (19) und des Pumplaserstrahls (17) an der Rückseite (7), so dass sich eine zweite Pumppropagationsrichtung (17B) des Pumplaserstrahls (17) im Kristall (3, 33) nach dessen Reflexion an der Rückseite (7) sowie eine zweiten Signalpropaga- tionsrichtung (19B) des Signallaserstrahls (19) im Kristall (3, 33) nach dessen Reflexion an der Rückseite (7) einstellt, wobei der optisch nichtlineare Kristall (3, 33), der Signallaserstrahl (19) und der Pumplaserstrahl (17) derart zueinander angeordnet sind, dass der Pumplaserstrahl (17) und der Signallaserstrahl (19) im Kristall (3, 33) vor und nach der Reflexion an der Rückseite (7) unter Phasenanpassungsbedingungen propagieren, die eine optisch parametrische Verstärkung be- wirken.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Kristallachse (27), die erste Pumppropagati- onsrichtung (17A) und die erste Signalpropagationsrichtung (19A) derart zueinander ausgerichtet sind, dass sich eine erste Phasenanpassungsbedingung einer optisch parametrischen Verstärkung im Kristall (3, 33) ergibt, und ferner die Kristallachse (27), die zweite Pumppro- pagationsrichtung (17B) und die zweite Signalpropagationsrichtung (19B) derart zueinander ausgerichtet sind, dass sich eine zweite Phasenanpassungsbedingung einer optisch parametrischen Verstärkung im Kristall (3, 33) ergibt, wobei die Phasenanpassungsbedingungen eine optisch parametrische Verstärkung gleicher, benachbarter, zumindest teilweise überlappender und/oder sich zumindest teilweise ergänzender Wellenlängenbereiche bewirken.
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