WO2017186590A1 - Ultrakurzpulspumpquelle zur erzeugung mehrerer pumppulse - Google Patents

Ultrakurzpulspumpquelle zur erzeugung mehrerer pumppulse Download PDF

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resonator
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Joerg Neuhaus
Mikhail LARIONOV
Gregor Hehl
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Dausinger & Giesen Gmbh
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    • H01S3/083—Ring lasers

Definitions

  • the invention relates to an ultrashort pulse pump source having at least one seed pulse source for generating a seed pulse laser beam, at least one laser amplification medium for amplifying the seed pulse laser beam, and beam guiding optics for guiding the seed pulse laser beam via the laser amplification medium.
  • Such ultrashort pulse pump sources are known, for example, as regenerative amplifiers, wherein the seed pulse laser beam is coupled into an optical resonator with the aid of an optical switch and is coupled out again with the same optical switch after a number of circulations in the optical resonator.
  • the laser amplifier medium is arranged in the optical resonator so that multiple transitions from the seed pulse laser beam can be realized by the laser amplifier medium.
  • the amplified laser pulses may then serve as pump pulses for a plurality of OPCPA amplifier stages.
  • Such a ultrashort pulse pump source is usually optimized for a specific pulse shape with a specific pulse length, bandwidth and pulse energy. Since consecutively arranged OPCPA amplifier stages are conveniently pumped by means of laser pulses having different energy and pulse duration, each individual OPCPA amplifier stage usually requires its own ultrashort pulse pump source optimized for the respective pump laser pulse.
  • the object of the invention is to provide an ultrashort pulse pump source which provides a plurality of pump pulses with different pump pulse parameters from only a single ultrashort pulse pump source.
  • an ultrashort pulse pump source according to the preamble of claim 1, which is characterized in that the ultrashort pulse pump source comprises at least one second seed pulse source for generating a second seed pulse laser beam synchronous with the first seed pulse laser beam, and further comprising a beam combiner for spatially superposing the first and second seed pulse laser beams in the laser gain medium.
  • second seed pulse laser beam synchronized with the first seed laser beam is meant that the individual laser pulses of the first seed pulse laser beam are temporally synchronous with the individual laser pulses of the second seed pulse laser beam, that is, the time interval between any laser pulse pairs of first and second seed pulse laser beams remains substantially constant.
  • a seed laser serves as a common seed pulse laser source and the first and second seed pulse laser source is realized by a beam splitter arranged in the output beam of the seed laser, so that the output beam is divided by the beam splitter into a first and second seed pulse laser beam
  • the ratio of the seed pulse laser power propagating in each of the first and second seed laser beams thus produced can be adjusted by means of a beam splitter, whereby a common seed laser is a pulsed laser with a specific seed laser Used repetition rate, so that the time interval of the seed laser generated Seedlaserpulse is substantially constant.
  • the pulse energy ratio of the laser pulses propagating in the first and second seed laser beams is adjustable.
  • a seed laser with a polarized output beam in combination with a polarizer rotated correspondingly to the polarization of the output beam is used as the common seed laser.
  • the relative rotation between the output beam and the polarizer can be arbitrarily adjusted using a delay plate in front of the polarizer. Depending on the setting of the delay plate, the pulse energy ratio of the laser pulses propagating in the first and second seed laser beams then changes.
  • an attenuator or partial absorber in the seed pulse laser beam of the first and / or second seed pulse laser source is also conceivable.
  • a synchronization of the individual laser pulses in the first and second seed pulse laser beam is also conceivable by generating the two seed pulse laser beams using an optical switch with at least two switching states.
  • a seed laser again serves as a common seed pulse laser source, with the first and second seed pulse laser sources being realized with their first and second seed pulse laser beams via the optical switch.
  • the output beam of the seed laser is thereby transferred as a function of the switch states into the respective spatially separate seed pulse laser beams. If the optical switch is now controlled in such a way that individual pulses or pulse packets are transferred alternately into the different seed pulse laser beams, then these can be used as a separate seed pulse laser source in each case.
  • Such an optical switch can be designed, for example, as an AOM (Acousto Optical Modulator) or as a Pockels cell with a polarizer, whereby, depending on the switch state, individual pulses emitted by the seed laser are guided along the different seed pulse laser beams.
  • AOM Acoustic Optical Modulator
  • Pockels cell with a polarizer whereby, depending on the switch state, individual pulses emitted by the seed laser are guided along the different seed pulse laser beams.
  • the first and / or second seed pulse laser source comprises a pulse shaper.
  • Such a pulse shaper can change the laser pulses propagating in the first and / or second seed laser beam both spectrally and temporally.
  • spectral pulse shaper e.g. a stretcher and / or compressor (e.g., realized using gratings, prisms, transmission through dispersive material, GTI mirrors, etc.) are conceivable. Also a so-called pulse shaper with liquid crystals or other adjustable delay elements is conceivable.
  • the pulse length of the pulses propagating in the two Seepulslaserstrahlen can be set arbitrarily.
  • two seed pulses different from your parameters can thus be generated.
  • the beam combiner may be configured such that the first and second seed pulse laser beams are co-linearly superimposed behind the beam combiner, and so on a spatial superimposition between the first and second seed pulse laser beam is realized not only in the laser gain medium, but in the further beam path of the first and second seed pulse laser beam behind the beam combiner.
  • a beam combiner can be realized in such a way that, given a different polarization of the two seed-pulse laser beams, a polarizer serves to superimpose the two seed-pulse laser beams as a beam combiner.
  • the polarizer is operated inversely with an input for a unpolarEnglishen or polarization of the polarizer linearly rotated input beam and two outputs for each perpendicular to each other linearly polarized output beams by the two Seedpulslaserstrahlen combined as input beams with different, preferably vertical polarization in which then an output beam become.
  • the ultrashort pulse source expediently comprises a further polarizer, which is rotated relative to the polarizer serving as a beam combiner. Such rotation may, in turn, occur via an element (e.g., 1/2 plate) rotating the polarization of the seed pulse laser beam.
  • the power losses in the two seed pulse laser beams which are accepted in such an implementation, can be compensated by the gain in the laser amplification medium.
  • the ultrashort pulse pumping source conveniently comprises a pulse picker for spatially separating amplified laser pulses from the first and second seed pulse laser beams via the laser gain medium.
  • the ultrashort pulse source further comprises a delay path in the first or second seed pulse laser beam in order to set the time offset between successive pulses from the first and second seed pulse laser beam.
  • the length of the delay path is selected so that the time interval between successive pulses from the first and second seed pulse laser source when it reaches the pulse pickup is greater than or exactly the same as the switching time of the pulse picker.
  • the delay line is expediently arranged in front of the beam combiner.
  • the seed pulses guided in a common seed pulse laser beam and conducted via the laser gain medium can be spatially separated from the first and second seed pulse laser sources after the laser gain medium.
  • the beam guidance optics is designed as an optical resonator, with an optical switching element for coupling and decoupling the laser pulses into the resonator.
  • the optical resonator can be constructed as a regenerative amplifier, wherein a Pockels cell is used as an optical switching element.
  • the delay path it is expedient for the delay path to have a length such that the time interval of two pulses of the first and second seed pulse laser beams running successively via the amplifier medium is shorter than the circulation time of the pulses in the resonator.
  • the pulse picker has the same repetition rate as the optical switching element for coupling and decoupling pulses from the resonator.
  • the resonator is designed as a ring resonator.
  • the Beam guiding optics is designed so that the two Seedpulslaserstrahlen from different directions in the resonator and are coupled out.
  • this can be done with mutually different polarization (preferably vertical polarization) via a polarizer.
  • the two seed pulse laser beams pass through an isolator prior to being coupled into the resonator so that the decoupled seed pulse laser beam amplified after several rounds can be separated from the incident seed laser beam.
  • the ultrashort pulse pump source comprises a nonlinear element, such that the seed pulse laser beams amplified in the laser gain medium are guided through the nonlinear element with the aid of the beam guidance optics.
  • the pulse energy ratio between laser pulses from the first and second seed pulse laser beam adjusted so that the pulse energy of the pulses in the second Seedpulslaserstrahl is at least twice as large as those in the first Seedpulslaserstrahl.
  • the pulse energy is greater by an order of magnitude.
  • the ultrashort pulse pump source then comprises a pulse shaper in the second seed laser beam and the pulse shaper is designed such that the pulse duration of the laser pulses in the second seed pulse laser beam are longer by at least the same factor as the pulse energy of the laser pulses in the first seed pulse laser beam is greater than the pulse energy the laser pulses in the second seed pulse laser beam.
  • the B integral for laser pulses from the first seed pulse laser beam is substantially equal to or greater than for laser pulses from the second seed pulse laser beam.
  • an unequal spectral broadening by self-phase modulation can be effected by appropriate choice of the mode size in the nonlinear element.
  • the bandwidth for laser pulses originating from the first seed pulse laser source is greater than for those originating from the second seed pulse laser source.
  • the peak intensities of the different laser pulses provided with such an ultrashort pulse pump source can be chosen to be approximately the same.
  • Figure 1 is a schematic representation of a designed as a regenerative amplifier Ultrakurzpulspumpario according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of an ultrashort pulse pump source according to the invention
  • Figure 3 is a schematic representation of a second embodiment of an ultrashort pulse pumping source according to the invention with ring resonator.
  • FIG. 1 shows an ultrashort pulse pumping source (1) designed according to the prior art as a regenerative amplifier.
  • Linearly polarized seed pulses are generated by a seed laser as a seed pulse source (2) and fed via an isolator (15) to a linear resonator (5).
  • the resonator (5) includes the laser amplifier medium (4) as a laser material doped disc which is applied to a heat sink. The disc is provided with an HR layer, so that it can be used as a mirror in the resonator.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of an ultrashort pulse pump source (1) according to the invention.
  • this is a regenerative amplifier with a resonator (12), Pockels cell (13) for coupling and decoupling, and a solid-state disk doped with laser-active ions as the laser amplification medium (4).
  • two different seed laser pulses are provided by a first seed pulse laser source (2) and a second seed pulse laser source (6) via a first seed pulse laser beam (3) and a second seed pulse laser beam (7).
  • Linearly polarized ps seed pulses are generated by a common seed laser (17) and split into two seed pulse laser beams by means of a lambda / 2 plate and a polarizer acting as an arbitrarily adjustable beam splitter (18). Together with a stretcher (9) as a pulse shaper in the second seed pulse laser beam and a delay path (11) in the first seed pulse laser beam, these two arms serve as first and second seed pulse laser sources (2,6).
  • the stretching device (9) the laser pulses in the second seed laser beam (7) are extended to tens of picoseconds, while the laser pulses in the first seed laser beam (3) are unchanged for a few picoseconds as provided by the seed laser (17).
  • the polarization of the first Seedpulslaserstrahls (3) is changed, so that so that the pulse energy of the laser pulses along the first Seedpulslaserstrahls (3) after coupling into the resonator (12) can be adjusted.
  • the ratio of the pulse energies between the laser pulses injected into the resonator (12) via the first to the second Seedpulslaserstrahl (3,7) is 10:90.
  • this ratio can be varied as desired via rotation of the I / 2 plate.
  • the peak intensity of the laser pulses which are guided via the first seed laser beam (3) is greater, at least at the time of coupling, than the peak intensity of the laser pulses which are guided via the second seed laser beam (7).
  • the delay path (1 1) in the first seed pulse laser beam (3) is adjusted so that the laser pulses provided via the first and second seed laser beams (3, 7) are spaced apart by a time interval which is shorter than the cycle time of a pulse in the resonator (FIG. 12). Thus, it can be ensured that both pulses can be coupled into the resonator (12) in order to be amplified there.
  • the Pockels cell (13) arranged in the resonator (12) acts as a non-linear element (14) in addition to being an optical switching element (13), since the crystal used therein (e.g., a BBO crystal) has corresponding nonlinear properties.
  • a spectral broadening can be effected, which can optionally be used with the aid of a grating compressor (16) so that an effective shortening of the pulse length is possible, or at least a narrowing of the laser pulse spectrum can be counteracted by the gain bandwidth of the laser gain medium (4).
  • the different laser pulses amplified in the resonator (12) via the laser amplification medium (4) are decoupled by means of the Pockels cell (13) and led via the isolator (15) to a further Pockels cell.
  • the pulse picker (10) is controlled such that the maximum with the orbital period in the resonator (12) spaced laser pulses from the first and second Seedpulslaserstrahl (3,7) are spatially separated by using the Pockeszelle the polarization is rotated by 90 °, so that these are either transmitted through the subsequent polarizer or reflected there.
  • the thus separated laser pulses are shortened in two different grating compressors (16) to the optimum pulse duration. Since the peak intensity of the seed pulses along the first seed pulse laser beam (3) has been set larger than that of the seed pulses along the second seed pulse laser beam (7), although the pulse energy of the seed pulses along the first seed pulse laser beam (3) has been set smaller, a spectral Broadening of these laser pulses instead. Accordingly, by means of the compressor (16) a shorter pulse duration of less than one picosecond can be realized than with the laser pulses stretched over the stretcher.
  • Figure 3 shows a schematic representation of a second embodiment, in which case the resonator (12) is designed as a ring resonator.
  • the first and second seed pulse laser beam (3, 7) have the same polarization here and are coupled into the resonator (12) via a polarizer as beam combiner (8). There, the two beams are equally performed over the laser gain medium (4), but each in different directions.
  • the Pockels cell is switched into the resonator (12) as an optical switch for coupling and decoupling the pulses from the first and second seed pulse laser beams (3, 7), the polarization of the laser pulses is changed, so that the amplified first and second seed pulse laser beam (3,7) via the polarizer (8) are decoupled again.
  • the amplified first seed pulse laser beam (3) runs along the incident second seed laser beam (3) and the second seed pulse laser beam (7) along the incident first seed pulse laser beam (3).
  • the incident and amplified emergent beams can be separated from one another and, as described in the previous exemplary embodiment, fed to a pulse shaper.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ultrakurzpulspumpquelle (1) mit mindestens einer Seedpulsquelle (2) zur Erzeugung eines Seedpulslaserstrahls (3) wenigstens einem Laserverstärkungsmedium (4) zur Verstärkung des Seedpulslaserstrahls, sowie einer Strahlführungsoptik (5) zur Führung des Seedpulslaserstrahls (3) über das Laserverstärkungsmedium (4). Die Ultrakurzpulspumpquelle zeichnet sich dadurch aus, dass die Ultrakurzpulspumpquelle (1) wenigstens eine zweite Seedpulsquelle (6) zur Erzeugung eines zum ersten Seedpulslaserstrahls (3) synchronen zweiten Seedpulslaserstrahls (7), und ferner einen Strahlkombinierer (8) zur räumlichen Überlagerung des ersten und zweiten Seedpulslaserstrahls (3,7) im Laserverstärkungsmedium (4) umfasst.

Description

Ultrakurzpulspumpquelle
zur Erzeugung mehrerer Pumppulse
Die Erfindung betrifft eine Ultrakurzpulspumpquelle mit mindestens einer Seedpulsquelle zur Erzeugung eines Seedpulslaserstrahls, wenigstens einem Laserverstärkungsmedium zur Verstärkung des Seedpulslaserstrahls, sowie einer Strahlführungsoptik zur Führung des Seedpulslaserstrahls über das Laserverstärkungsmedium.
Solche Ultrakurzpulspumpquellen sind beispielsweise als regenerative Verstärker bekannt, wobei der Seedpulslaserstrahl in einen optischen Resonator mithilfe eines optischen Schalters eingekoppelt und mit demselben optischen Schalter nach mehreren Umläufen in dem optischen Resonator wieder ausgekoppelt wird. Das Laserverstärkermedium ist dabei im optischen Resonator angeordnet, so dass mehrer Übergänge vom Seedpulslaserstrahl durch das Laserverstärkermedium realisiert werden können. Die verstärkten Laserpulse können dann als Pumppulse für eine ödere mehrere OPCPA Verstärkerstufen dienen. Eine solche Ultrakurzpulspumpquelle ist üblicherweise optimiert für eine bestimmte Pulsform mit bestimmter Pulslänge, Bandbreite und Pulsenergie. Da hintereinander angeordnete OPCPA Verstärkerstufen günstigerweise mithilfe von Laserpulsen gepumpt werden, die unterschiedliche Energie und Pulsdauer haben, wird für jede einzelne OPCPA Verstärkerstufe üblicherweise eine eigene für den jeweils Pumplaserpuls optimierte Ultrakurzpulspumpquelle benötigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultrakurzpulspumpquelle bereitzustellen, die mehrere Pumppulse mit unterschiedlichen Pumppulspar- ametern aus nur einer einzigen Ultrakurzpulspumpquelle bereitstellt.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Ultrakurzpulspumpquelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 , welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ultrakurzpulspumpquelle wenigstens eine zweite Seedpulsquelle zur Erzeugung eines zum ersten Seedpulslaserstrahls synchronen zweiten Seedpulslaserstrahls, und ferner einen Strahlkombinierer zur räumlichen Überlagerung des ersten und zweiten Seedpulslaserstrahls im Laserverstärkungsmedium umfasst.
Durch diese Anordnung können mehrere Seedpulse mit nur einem Laserverstärkungsmedium verstärkt werden. Mit„zum ersten Seedpulslaserstrahl synchronen zweiten Seedpulslaserstrahl" ist gemeint, dass die einzelnen Laserpulse des ersten Seedpulslaserstrahls zeitlich synchron zu den einzelnen Laserpulsen des zweiten Seedpulslaserstrahls sind, also der zeitliche Abstand zwischen beliebigen Laserpulspaaren aus erstem und zweitem Seedpulslaserstrahl im Wesentlichen konstant bleibt. Die Synchronisierung kann z.B. dadurch erfolgen, dass ein Seedlaser als gemeinsame Seedpulslaserquelle dient und die erste und zweite Seedpulslaser- quelle durch einen im Ausgangsstrahl des Seedlasers angeordneten Strahlteiler realisiert ist, so dass der Ausgangsstrahl durch den Strahlteiler in einen ersten und zweiten Seedpulslaserstrahl aufteilt wird. Je nach Ausbildung des Strahlteilers kann das Verhältnis der jeweils in dem so entstehenden ersten und zweiten Seedpulslaserstrahl propagierenden Seedpulslaserleistung eingestellt werden. Dabei wird als gemeinsamer Seedlaser ein gepulster Laser mit einer bestimmten Repetitionsrate verwendet, so dass der zeitliche Abstand der vom Seedlaser erzeugten Seedlaserpulse im Wesentlichen konstant ist. Als Strahlteiler ist ein diellektrischer Spiegel denkbar.
Besonders günstig ist es, wenn das Pulsenergieverhältnis der in ersten und zweitem Seedpulslaserstrahl propagierenden Laserpulse einstellbar ist.
Dies ist beispielsweise möglich, wenn als gemeinsamer Seedlaser ein Seedlaser mit polarisiertem Ausgangsstrahl in Kombination mit einem entsprechend zur Polarisation des Ausgangsstrahl gedrehtem Polarisator verwendet wird. Die relative Drehung zwischen Ausgangsstrahl und Polarisator kann mithilfe eines Verzögerungsplättchens vor dem Polarisator beliebig eingestellt werden. Je nach Einstellung des Verzögerungsplättchens ändert sich dann das Pulsenergieverhältnis der im ersten und zweiten Seedpulslaserstrahl propagierenden Laserpulse. Andererseits ist auch ein Abschwächer bzw. teilweiser Absorber im Seedpulslaserstrahl der ersten und/oder zweiten Seedpulslaserquelle denkbar.
Eine Synchronisierung der einzelnen Laserpulse im ersten und zweiten Seedpulslaserstrahl ist auch durch Erzeugung der beiden Seedpulslaserstrahlen mithilfe eines optischen Schalters mit wenigstens zwei Schaltzuständen denkbar. In diesem Fall dient ein Seedlaser wiederum als gemeinsame Seedpulslaserquelle, wobei die erste und zweite Seedpulslaserquelle mit Ihren ersten und zweiten Seedpulslaserstrahlen über den optischen Schalter realisiert wird. Der Ausgangsstrahl des Seedlasers wird dabei in Abhängigkeit der Schalterzustände in die jeweils räumlich separat verlaufenden Seedpulslaserstrahlen überführt. Wird der optische Schalter nun so angesteuert, dass einzelne Pulse oder Pulspakete abwechselnd in die unterschiedlichen Seedpulslaserstrahlen überführt werden, so können diese als jeweils separate Seedpulslaserquelle verwendet werden. Ein solcher optischer Schalter kann beispielsweise als AOM (Acousto Optical Modulator) oder als Pockelszelle mit Polarisator ausgebildet sein, wobei je nach Schalterzustand einzelne vom Seedlaser emittierten Pulse entlang der unterschiedlichen Seedpulslaserstrahlen geführt werden.
Besonders günstig ist es, wenn die erste und/oder zweite Seedpulslaserquelle einen Pulsformer umfasst.
Ein solcher Pulsformer kann die im ersten und/ oder zweiten Seedpulslaserstrahl propagierenden Laserpulse sowohl spektral als auch zeitlich verändern.
Als spektraler Pulsformer ist z.B. ein Stretcher und/oder Kompressor (z.B. realisiert mithilfe von Gittern, Prismen, Transmission durch dispersives Material, GTI Spiegeln, etc) denkbar. Auch ein sogenannter Pulsshaper mit Flüssigkristallen oder anderen einstellbaren Verzögerungselementen ist denkbar.
So kann die Pulslänge der in den beiden Seepulslaserstrahlen propagierenden Pulsen beliebig eingestellt werden. Insbesondere können so zwei von Ihren Parametern unterschiedliche Seedpulse erzeugt werden. Der Strahlkombinierer kann so ausgebildet sein, dass der erste und zweite Seedpulslaserstrahl hinter dem Strahlkombinierer kolinear überlagert wird und so eine räumliche Überlagerung zwischen erstem und zweiten Seedpulslaserstrahl nicht nur im Laserverstärkungsmedium, sondern im weiteren Strahlverlauf des ersten und zweiten Seedpulslaserstrahls hinter dem Strahlkombinierer realisiert wird. Ein solcher Strahlkombinierer kann beispielsweise derart realisiert sein, dass bei unterschiedlicher Polarisation der beiden Seedpulslaserstrahlen ein Polarisator zur Überlagerung der zwei Seedpulslaserstrahlen als Strahlkombinierer dient.
Dabei wird der Polarisator mit einem Eingang für einen unpolarisierten bzw. zur Ausrichtung des Polarisators linear gedrehtem Eingangsstrahl und zwei Ausgängen für jeweils senkrecht zueinander linear polarisierten Ausgangsstrahlen umgekehrt betrieben, indem die beiden Seedpulslaserstrahlen als Eingangstrahlen mit unterschiedlicher, vorzugsweise senkrechter Polarisation in dem dann einen Ausgangsstrahl zusammengeführt werden.
Um den so überlagerten Seedpulslaserstrahl in einen Laserstrahl mit linearer Polarisation zu überführen, umfasst die Ultrakurzpulsquelle zweckmäßigerweise einen weiteren Polarisator, der relativ zu dem als Strahlkombinierer dienenden Polarisator gedreht ist. Eine solche Drehung kann wiederum über ein die Polarisation des Seedpulslaserstrahls drehenden Elements (z.B. 1/2 Plättchen) erfolgen. Die bei einer solchen Umsetzung in Kauf genommenen Leistungsverluste in den beiden Seedpulslaserstrahlen können durch die Verstärkung im Laserverstärkungsmedium ausgeglichen werden.
Um die in einen einzelnen Seedpulslaserstrahl überführten Seedpulse nach der kolinearen Überlagerung von erstem und zweiten Seedpulslaserstrahl und der darauffolgenden Verstärkung im Laserverstärkungsmedium wieder zu trennen, umfasst die Ultrakurzpulspumpquelle zweckmäßigerweise einen Pulspicker zur räumlichen Trennung von verstärkten Laserpulsen aus dem ersten und zweiten über das Laserverstärkungsmedium geführten Seedpulslaserstrahl.
Als Pulspicker ist ein optisches Schaltelement denkbar, dass ebenso wie es zuvor im Rahmen der Beschreibung des Strahlkombinierers beschrieben wurde mithilfe eines AOM oder einer Pockelszelle umgesetzt sein kann. Im Gegensatz zur Ausbildung als Strahlkombi nierer wird das optische Schaltelement hier entsprechend andersherum betrieben.
Günstig ist es in diesem Fall, dass die Ultrakurzpulsquelle ferner noch eine Delaystrecke im ersten oder zweiten Seedpulslaserstrahl umfasst, um den zeitlichen Versatz zwischen aufeinanderfolgender Pulse aus dem ersten und zweiten Seedpulslaserstrahl einzustellen. Dabei ist die Länge der Delaystrecke so gewählt, dass der zeitliche Abstand aufeinanderfolgender Pulse aus der ersten und zweiten Seedpulslaserquelle bei Erreichen des Pulspickers größer oder genau gleich wie die Schaltzeit des Pulspickers ist. Die Delaystrecke ist dabei zweckmäßigerweise vor dem Strahlkombinierer angeordnet.
Mithilfe des Pulspickers kann gewährleistet werden, dass die in einem gemeinsamen Seedpulslaserstrahl kombinierten über das Laserverstärkungsmedium geführten Seedpulse aus der ersten und zweiten Seedpulslaserquelle nach dem Laserverstärkungsmedium wieder räumlich getrennt werden können.
Um eine hohe Verstärkung bei guter Strahlqualität zu bekommen, ist es besonders zweckmäßig, wenn die Strahlführungsoptik als optischer Resonator ausgebildet ist, mit einem optischem Schaltelement zur Ein- und Auskopplung der Laserpulse in den Resonator. Der optische Resonator kann dabei als regenerativer Verstärker aufgebaut werden, wobei als optisches Schaltelement eine Pockelszelle verwendet wird.
In diesem Fall ist es günstig, wenn die Delaystrecke eine Länge aufweist, so dass der zeitliche Abstand von zwei über das Verstärkermedium aufeinanderfolgend laufender Pulse aus dem ersten und zweiten Seedpulslaserstrahl kleiner als die Umlaufzeit der Pulse im Resonator ist.
Ferner ist es dann zweckmäßig, wenn der Pulspicker die gleiche Repetitionsrate aufweist, wie das optische Schaltelement zum Ein- und Auskoppeln von Pulsen aus dem Resonator.
In einer günstigen Variante der Ultrakurzpulspumpquelle ist der Resonator als Ringresonator ausgebildet. In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn die Strahlführungsoptik so ausgebildet ist, dass die beiden Seedpulslaserstrahlen aus unterschiedlichen Richtungen in den Resonator ein- und ausgekoppelt werden.
Beispielsweise kann dies bei zueinander unterschiedlicher Polarisation (vorzugsweise senkrechter Polarisation) über einen Polarisator erfolgen. Zweckmäßigerweise durchlaufen die beiden Seedpulslaserstrahlen vor dem Einkoppeln in den Resonator einen Isolator, so dass der nach mehreren Umläufen verstärkte ausgekoppelte Seedpulslaserstrahl vom einfallenden Seedpulslaserstrahl separiert werden kann.
Es ist ferner günstig, wenn die Ultrakurzpulspumpquelle ein nichtlineares Element umfasst, so dass die im Laserverstärkungsmedium verstärkten Seedpulslaserstrahlen mithilfe der Strahlführungsoptik durch das nichtlineare Element geführt werden.
Zweckmäßigerweise das Pulsenergieverhältnis zwischen Laserpulsen aus erstem und zweiten Seedpulslaserstrahl so eingestellt, dass die Pulsenergie der Pulse im zweiten Seedpulslaserstrahl mindestens doppelt so groß ist, wie diejenigen im ersten Seedpulslaserstrahl.
Besonders günstig ist es, wenn die Pulsenergie um eine Größenordnung größer ist.
Bei Einsatz der Ultrakurzpulspumpquelle zum Pumpen zweier aufeinander- folgender OPCPA Stufen werden üblicherweise Pumppulse mit entsprechend mehr Pulsenergie benötigt. Entsprechend ist so die Pulsenergie für den zweiten Pumppuls größer.
Es ist zweckmäßig, wenn die Ultrakurzpulspumpquelle dann einen Pulsformer im zweiten Seedpulslaserstrahl umfasst und der Pulsformer so ausgebildet ist, dass die Pulsdauer der Laserpulse im zweiten Seedpulslaserstrahl mindestens um den gleichen Faktor länger sind, wie die Pulsenergie der Laserpulse im ersten Seedpulslaserstrahl größer ist als die Pulsenergie der Laserpulse im zweiten Seedpulslaserstrahl. Bei einer solchen Ausbildung ist das B-Integral für Laserpulse aus dem ersten Seedpulslaserstrahl im Wesentlich gleich oder größer, als für Laserpulse aus dem zweiten Seedpulslaserstrahl.
Insbesondere wenn das B-Integral für Laserpulse aus dem ersten Seed- pulslaserstrahl größer ist als für Laserpulse aus dem zweiten Seedpulslaserstrahl, kann durch entsprechende Wahl der Modengröße im nichtlinearen Element eine ungleiche spektrale Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation (SPM) bewirkt werden.
In diesem Fall ist die Bandbreite für aus der ersten Seedpulslaserquelle stammende Laserpulse größer als für solche, die aus der zweiten Seedpulslaserquelle stammen.
Bei Anordnung eines entsprechenden Pulsformers hinter dem Pulspicker im Laserstrahl für verstärkte Laserpulse die aus der ersten Seedpulslaserquelle stammen, können so kürzere Pulse bereitsgestellt werden, als dies für Laserpulse die aus der zweiten Seedpulslaserquelle stammen möglich ist.
Trotz unterschiedlicher Pulsenergie können die Spitzenintensitäten der mit einer solchen Ultrakurzpulspumpquelle bereitgestellten unterschiedlichen Laserpulse so gewählt werden, dass Sie in etwa gleich groß sind.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrooptischen Modulators wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer als regenerativer Verstärker ausgebildete Ultrakurzpulspumpquelle gemäß Stand der Technik und
Figur 2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ultrakurzpulspumpquelle,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ultrakurzpulspumpquelle mit Ringresonator.
In Figur 1 ist eine als regenerativer Verstärker ausgebildete Ultrakurzpulspump- quelle (1 ) gemäß Stand der Technik dargestellt. Linear polarisierte Seedpulse werden von einem Seedlaser als Seedpulsquelle (2) erzeugt und über einen Isolator (15) zu einem linearen Resonator (5) geführt. Der Resonator (5) beinhaltet das Laserverstärkermedium (4) als mit einem Lasermaterial dotierte Scheibe, die auf einen Kühlkörper aufgebracht ist. Die Scheibe ist mit einer HR Schicht versehen, so dass diese als Spiegel im Resonator eingesetzt werden kann.
Die von der Seedpulsquelle (2) über den Isolator (15) kommenden Pulse werden über eine Pockelszelle (13) in den Resonator (12) eingekoppelt, dort über mehrere Umläufe hinweg verstärkt und dann mithilfe der Pockelszelle (13) wieder ausgekoppelt. Die verstärkten Pulse laufen über den Isolator (15) zu einem Kompressor (16), der etwaige im Resonator (12) eingebrachte Dispersion ausgleicht und so die Pulslänge optimiert. Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Ultrakurzpulspumpquelle (1 ). Wie im zuvor beschriebenen Beispiel handelt es sich hier um einen regenerativen Verstärker mit Resonator (12), Pockelszelle (13) zum Ein- und Auskoppeln, sowie einer als mit laseraktiven Ionen dotierten Festkörperscheibe als Laserverstärkungsmedium (4). Im Gegensatz zu vorherigem Beispiel werden hier zwei unterschiedliche Seedlaserpulse von einer ersten Seedpulslaserquelle (2) und einer zweiten Seedpulslaserquelle (6) über einen ersten Seedpulslaserstrahl (3) und einen zweiten Seedpulslaserstrahl (7) bereitgestelt.
Linear polarisierte ps-Seedpulse werden von einem gemeinsamen Seedlaser (17) erzeugt und mithilfe einer lambda/2 Platte und einem Polarisator, die als beliebig einstellbarer Strahlteiler (18) wirken, in zwei Seedpulslaserstrahlen aufgeteilt. Zusammen mit einem Stretcher (9) als Pulsformer im zweiten Seedpulslaserstrahl und einer Delaystrecke (1 1 ) im ersten Seedpulslaserstrahl dienen diese beiden Arme als erste und zweite Seedpulslaserquelle (2,6). Mithilfe des Stretchers (9) werden die Laserpulse im zweiten Seedpulslaserstrahl (7) auf einige Zehn-Picosekunden verlängert, während die Laserpulse im ersten Seedpulslaserstrahl (3) unverändert wie vom Seedlaser (17) bereitgestellt einige Picosekunden lang sind. Mithilfe eines I/2 Plättchens wird die Polarisation des ersten Seedpulslaserstrahls (3) verändert, so dass damit die Pulsenergie der Laserpulse entlang des ersten Seedpulslaserstrahls (3) nach Einkopplung in den Resonator (12) eingestellt werden kann.
In diesem Beispiel beträgt das Verhältnis der Pulsenergien zwischen den in den Resonator (12) über den ersten zu den über den zweiten Seedpulslaserstrahl (3,7) eingekoppelten Laserpulsen 10:90. Je nach Verstärkung im Resonator (12) kann dieses Verhältnis beliebig über Drehung des I/2 Plättchens variiert werden.
Entsprechend ist die Spitzenintensität der Laserpulse die über den ersten Seedpulslaserstrahl (3) geführt werden zumindest zum Zeitpunkt der Einkopplung größer, als die Spitzenintensität der Laserpulse, die über den zweiten Seedpulslaserstrahl (7) geführt werden.
Die Delaystrecke (1 1 ) im ersten Seedpulslaserstrahl (3), wird so eingestellt, dass die über den ersten und zweiten Seedpulslaserstrahl (3,7) bereitgestellten Laserpulse zueinander einen zeitlichen Abstand aufweisen, der kleiner ist, als die Umlaufzeit eines Pulses im Resonator (12). So kann gewährleistet werden, dass beide Pulse in den Resonator (12) eingekoppelt werden können um dort verstärkt zu werden.
Die im Resonator (12) angeordnete Pockelszelle (13) wirkt neben Ihrer Eigenschaft als optisches Schaltelement (13) ebenso als nichtlineares Element (14), da der dort verwendete Kristall (z.B. ein BBO-Kristall) entsprechende nichtlinearen Eigenschaften aufweist.
Bei Wahl einer entsprechend kleinen Modengröße der Laserstrahlen im Resonator (12) kann so eine spektrale Verbreiterung bewirkt werden, die ggf. mithilfe eines Gitterkompressors (16) so genutzt werden kann, dass eine effektive Verkürzung der Pulslänge möglich ist, oder zumindest einer Einengung des Laserpulsspektrums durch die Verstärkungsbandbreite des Laserverstärkungsmediums (4) entgegen gewirkt werden kann. Die unterschiedlichen im Resonator (12) über das Laserverstärkungsmedium (4) verstärkten Laserpulse werden mithilfe der Pockelszelle (13) ausgekoppelt und über den Isolator (15) zu einer weiteren Pockelszelle geführt. Zusammen mit einem auf die Pockelzelle folgenden Polarisator, bilden diese einen Pulspicker (10) mithilfe dessen die als Seedlaserpulse über den ersten und zweiten Seedpulslaserstrahl (3,7) bereitgestellten und darauffolgend im Resonator (12) verstärkten Laserpulse getrennt werden können.
Dabei wird der Pulspicker (10) so angesteuert, dass die maximal mit der Umlaufzeit im Resonator (12) beabstandeten Laserpulse aus erstem und zweiten Seedpulslaserstrahl (3,7) räumlich getrennt werden, indem mithilfe der Pockeszelle die Polarisation um 90° gedreht wird, so dass diese entweder durch den darauffolgenden Polarisator transmittiert oder dort reflektiert werden.
Die so getrennten Laserpulse werden in zwei verschiedenen Gitterkompressoren (16) auf die optimale Pulsdauer verkürzt. Da die Spitzenintensität der Seedpulse entlang des ersten Seedpulslaserstrahls (3) größer eingestellt wurde, als die der Seedpulse entlang des zweiten Seedpulslaserstrahls (7), findet - obgleich die Pulsenergie der Seedpulse entlang des ersten Seedpulslaserstrahls (3) als kleiner eingestellt wurde,- eine spektrale Verbreiterung dieser Laserpulse statt. Entsprechend kann mithilfe des Kompressors (16) eine kürzere Pulsdauer von unter einer Picosekunde realisiert werden als bei den über den Stretcher gestretchten Laserpulsen.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels, wobei hier der Resonator (12) als Ringresonator ausgebildet ist. Der erste und zweite Seedpulslaserstrahl (3,7) haben hier die gleiche Polarisation und werden über einen Polarisator als Strahlkombinierer (8) in den Resonator (12) eingekoppelt. Dort werden die beiden Strahlen gleichermaßen über das Laserverstärkungsmedium (4) geführt, allerdings jeweils in unterschiedlichen Richtungen.
Sobald die Pockelszelle als optischer Schalter zum ein- und auskoppeln der Pulse aus dem ersten und zweiten Seedpulslasertrahl (3,7) in den Resonator (12) geschaltet wird, wird die Polarisation der Laserpulse geändert, so dass der nun verstärkte erste und zweite Seedpulslaserstrahl (3,7) über den Polarisator (8) wieder ausgekoppelt werden. In diesem Fall verläuft der verstärkte erste Seedpulslaserstrahl (3) entlang des einfallenden zweiten Seedpulslaserstrahl (3) und der zweite Seedpulslaserstrahl (7) entsprechend entlang des einfallenden ersten Seedpulslaserstrahl (3). Mithilfe der Isolatoren (15) können die einfallenden und verstärkten ausfallenden Strahlen voneinander getrennt werden und wie im vorherigen Ausführungsbeispiel beschrieben einem Pulsformer zugeführt werden.

Claims

Ansprüche
1 . Ultrakurzpulspumpquelle (1 ) mit mindestens einer Seedpulsquelle (2) zur Erzeugung eines Seedpulslaserstrahls (3) wenigstens einem Laserverstärkungsmedium (4) zur Verstärkung des Seedpulslaserstrahls, sowie einer Strahlführungsoptik (5) zur Führung des Seedpulslaserstrahls (3) über das Laserverstärkungsmedium (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Ultrakurzpulspumpquelle (1 ) wenigstens eine zweite Seedpulsquelle (6) zur Erzeugung eines zum ersten Seedpulslaserstrahls (3) synchronen zweiten Seedpulslaserstrahls (7), und ferner einen Strahlkombinierer (8) zur räumlichen Überlagerung des ersten und zweiten Seedpulslaserstrahls (3,7) im Laserverstärkungsmedium (4) umfasst.
2. Ultrakurzpulspumpquelle (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Pulsenergieverhältnis der in ersten und zweitem Seedpulslaserstrahl (3,7) propagierenden Laserpulse einstellbar ist.
3. Ultrakurzpulspumpquelle (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulsenergieverhältnis so eingestellt ist, dass die Pulsenergie der Pulse im zweiten Seedpulslaserstrahl (7) mindestens doppelt so groß ist, wie diejenigen im ersten Seedpulslaserstrahl (3).
4. Ultrakurzpulspumpquelle (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Seedpuls- laserquelle (2,6) einen Pulsformer (9) umfasst.
5. Ultrakurzpulspumpquelle (1 ) einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlkombinierer (8) so ausgebildet ist, dass der erste und zweite Seedpulslaserstrahl (3,7) kolinear überlagert wird und die Ultrakurzpulspumpquelle (1 ) einen Pulspicker (10) zum Selektieren von verstärkten Laserpulsen aus dem ersten und zweiten über das Laserverstärkungsmedium (4) geführten Seedpulslaserstrahl (3,7), sowie eine Delaystrecke (1 1 ) im ersten oder zweiten Seedpulslaserstrahl (3,7) zum Einstellen eines zeitlichen Versatzes zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen aus dem ersten und zweiten Seedpulslaserstrahl (3,7) umfassen, wobei die Länge der Delaystrecke (1 1 ) so gewählt ist, dass der zeitliche Abstand aufeinanderfolgender Pulse größer oder genau gleich wie die Schaltzeit des Pulspickers (10) ist.
6. Ultrakurzpulspumpquelle (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführungsoptik (5) als optischer Resonator (12) ausgebildet ist, mit mindestens einem optischen Schaltelement (13) zur Ein- und Auskopplung der Laserpulse in den Resonator, und die Delaystrecke (1 1 ) eine Länge aufweist, so dass der zeitliche Abstand von zwei über das Verstärkermedium (4) aufeinanderfolgend laufender Pulsen aus dem ersten und zweiten Seedpulslaserstrahl kleiner als die Umlaufzeit der Pulse im Resonator (12) ist.
7. Ultrakurzpulspumpquelle (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (12) als Ringresonator ausgebildet ist und die Strahlführungsoptik (5) so ausgebildet ist, dass die beiden Seedpulslaserstrahlen (3,7) aus unterschiedlichen Richtungen in den Resonator (12) ein- und ausgekoppelt werden.
8. Ultrakurzpulspumpquelle (1 ) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulspicker (10) die gleiche Repetitionsrate aufweist, wie das optische Schaltelement (13) zum Ein- und Auskoppeln von Pulsen aus dem Resonator (12).
9. Ultrakurzpulspumpquelle (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultrakurzpulspumpquelle (1 ) ein nichtlineares Element (14) umfasst, so dass die im Laserverstärkungsmedium verstärkten Seedpulslaserstrahlen (3,7) mithilfe der Strahlführungsoptik (5) durch das nichtlineare Element geführt werden.
10. Ultrakurzpulspumpquelle (1 ) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsformer (9) so ausgebildet ist, dass die Pulsdauer der Laserpulse im zweiten Seedpulslaserstrahl (7) mindestens um den gleichen Faktor länger sind, wie die Pulsenergie der Laserpulse im ersten Seedpulslaserstrahl (3) größer ist als die Pulsenergie der Laserpulse im zweiten Seedpulslaserstrahl (7).
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