WO2021170814A1 - Lasersystem mit optischem system zur spektralen verbreiterung von gepulster laserstrahlung und verfahren zur spektralen verbreiterung von gepulster laserstrahlung - Google Patents

Lasersystem mit optischem system zur spektralen verbreiterung von gepulster laserstrahlung und verfahren zur spektralen verbreiterung von gepulster laserstrahlung Download PDF

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Sebastian Stark
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Definitions

  • the present invention relates to laser systems with an optical system for the spectral broadening of pulsed laser radiation and, in particular, ultra-short pulse (USP) laser systems for emitting pulsed laser radiation with a high pulse energy.
  • the invention also relates to a method for the spectral broadening of pulsed laser radiation, in particular special ultrashort pulse trains.
  • DE 10 2014 007159 A1 discloses a method for the spectral broadening of laser pulses for non-linear pulse compression using an arrangement with a sequence of non-linearly interacting sections, as is the case in a multipass cell, which, for example, is constructed in the form of a so-called Herriott cell , can be provided.
  • the aim is a spectral broadening of laser pulses that can also be carried out at a pulse power that is greater than the critical power of the non-linear medium used for the spectral broadening.
  • One object of the invention is to propose systems and methods that can be used in a compact structure, especially with high pulse energies and optionally high average powers, for the spectral broadening of pulsed laser radiation, for example ultrashort pulse trains.
  • non-linear effects in a filler gas should be used to influence the spectral broadening of laser pulses with high pulse energies in an arrangement that is as spatially small as possible.
  • At least one of these objects is achieved by a laser system according to claim 1 and a method for spectral broadening of pulsed laser radiation according to claim 10. Further developments are given in the subclaims.
  • a laser system comprises a laser radiation source for providing pulsed laser radiation.
  • the pulsed laser radiation comprises laser pulses with pulse energies in the range from 1 mJ to 100 J, preferably 10 mJ to 1 J, and pulse durations in the range from 10 fs to 5 ps, preferably 500 fs to 1.5 ps.
  • the laser system comprises (at least) one optical system for the spectral broadening of the pulsed laser radiation with a first polarization setting optics which have a circular polarization state of the pulsed laser radiation and a multi-pass cell with at least two mirrors.
  • the multiple passage cell is from the pulsed laser radiation - which was in the circular Polarisationszu - traversed with the formation of a plurality of intermediate focus zones.
  • the multi-pass cell is filled with a filling gas which has an optical non-linearity, the filling gas causing a spectral broadening of the pulsed laser radiation in the intermediate focus zones.
  • a pressure of the filling gas is set in a pressure range in which the filling gas exhibits ionization behavior in the context of multiphoton ionization.
  • the focus diameters of the intermediate focus zones are set in such a way that the pulsed laser radiation passes through the multiple passage cell without ionization of the filling gas (in the intermediate focus zones).
  • a further aspect comprises a method for spectral broadening of a pulsed laser radiation using a non-linearity of a filling gas of a multiple passage cell with at least two mirrors.
  • the multi-pass cell forms a plurality of intermediate focus zones. The procedure consists of the following steps:
  • the laser pulses with a pulse energy in a range from 1 mJ to 100 J, in particular in a range from 10 mJ to 1 J, and pulse durations in a range from 10 fs to 5 ps, in particular in a range of 500 fs to 1.5 ps,
  • the pressure for an ionization behavior of the filling gas is set in the context of the Mehrphotonenio nization, there is in particular a pure multiphoton ionization in which Avalanche ionization essentially does not contribute to the ionization of the gas.
  • Setting the focus geometry so that the intermediate focus zone is traversed without ionization means in this case that any ionization that may occur occurs only to an extent that does not interfere with the feasibility of a desired spectral broadening.
  • the pressure is set in a range in which a peak intensity of a laser pulse at which ionization of the filling gas begins (also referred to herein as multiphoton ionizing (threshold) intensity ), is essentially independent of the pressure of the filling gas or decreases insignificantly with increasing pressure of the filling gas. (Insignificant here refers to the extent of a pressure increase in the order of magnitude that is necessary for a desired increase in non-linearity.)
  • the multiple passage cell is filled with He gas as the filling gas at a pressure in a range from 100 Pa to 60,000 Pa, in particular in a range from 1,000 Pa to 50,000 Pa.
  • the multiple passage cell is filled with Ar gas as the filling gas at a pressure in a range from 100 Pa to 50,000 Pa, in particular in a range from 1,000 Pa to 40,000 Pa.
  • the focus diameters of the intermediate focus zones are set such that a peak intensity, which results from the pulse duration and the pulse energy of the laser pulses in the intermediate focus zones, is in the range of 50% to 110% of a multi-photo ionizing (threshold) intensity.
  • the first polarization adjustment optics may comprise a first wave plate, for example a 1/4 wave plate and / or a 1/2 wave plate.
  • the optical system can further include at least one of the following optical components:
  • a pulse duration setting system for setting a pulse duration of the laser pulses of the pulsed laser radiation
  • a first optical telescope arrangement which is set to image the pulsed laser radiation in a predetermined mode in the multi-passage cell and which is optionally arranged downstream of the first polarization setting optics, - a coupling mirror for coupling the pulsed laser radiation into the multiple passage cell,
  • the multi-pass cell can
  • the at least two mirrors comprise a plurality of mirror segments, an intermediate focus zone being formed between each two mirror segments, and the intermediate focus zones being traversed one after the other,
  • An optical pulse duration compressor system to compensate for a dispersive contribution of the optical system and / or to compress the laser pulses of the laser beam over time, which have undergone the nonlinear spectral broadening in at least one of the intermediate focus zones,
  • the method may further include at least one of the following steps:
  • the method may further include the step of:
  • a peak intensity which results from the pulse duration and the pulse energy of the laser pulses in the intermediate focus zones, is in the range of 50% to 110% of a multiphoton ionizing (threshold) intensity.
  • the method may further include at least one of the following steps:
  • At least one of the following parameters of the multi-pass cell can furthermore be set:
  • a gas-filled multiple passage cell for the spectral broadening of pulsed laser radiation with circular polarization.
  • the multi-pass cell is preferably operated with parameters in the range of multi-photon ionization; in other words, outside the range of (electron) avalanche ionization, in which a large number of free electrons are created during the ionization process.
  • Multiphoton ionization is the predominant ionization process in "thin" gases, as they exist at the pressures specified here for noble gases.
  • the multi-passage cell with parameters (including density, pulse length, pulse energy) that characterize the ionization process of multiphoton ionization allows the non-linearity in the filling gas to be increased by increasing the pressure in the multi-passage cell, whereby the pressure increase reduces the circular breakdown required for ionization.
  • Pulse energy (with constant pulse duration and focus size as well as circular polarization) is essentially not influenced.
  • Mehrphotonenionisation place in the loading range from 10 13 to 10 15 Watt / cm 2 at a pressure of 1,000 Pa to several hundred mbar (n * 10 4 Pa), for example, 60,000 Pa instead.
  • the mirrors of the multiple passage cell are designed as convex mirrors, the radii of curvature in particular matching and / or the distance between the mirrors being in a range from 95% to 105% of the sum of the radii of curvature.
  • at least one of the mirrors can be designed as a dispersive mirror, the dispersion contribution of which compensates for a dispersive contribution of at least one passage of a laser pulse of the pulsed laser radiation through the multiple passage cell.
  • at least one of the mirrors can further comprise a plurality of mirror segments which the pulsed laser radiation strikes at least once when the pulsed laser radiation circulates through the multiple passage cell.
  • the multiple passage cell is designed such that a laser pulse of the pulsed laser radiation, the spectrum of which is to be broadened in the optical system, undergoes essentially no change in the pulse duration and / or pulse energy in the intermediate focus zones.
  • the spectral broadening can optionally be combined with a subsequent pulse duration compression, for example, in order to generate pulsed laser radiation with a short pulse duration and high peak intensities.
  • FIG. 1 shows an exemplary schematic representation of a laser system with an optical system for spectral broadening
  • 2A to 2C are exemplary sketches for explaining a Herriott cell as an example of a multi-pass cell and
  • FIG. 3 shows a schematic flow diagram to explain an exemplary procedure for spectral broadening.
  • aspects described here are based in part on the knowledge that a shortening of a multiple-passage cell, which is used for the spectral broadening of high-intensity laser radiation, is achieved by reducing the maximum EF strength due to irradiation can be successfully implemented with high-intensity laser radiation in circular polarization. It was recognized that, for the advantageous use of circular polarization, the parameters of the laser radiation for the respective filling gas are preferably in the range of multi-photo ionization, so that an increase in pressure (and thus the gas density in the multi-passage cell) does not or only slightly affects the E-field strength required for ionization has an effect.
  • the pulse energy required to ionize a filling gas is increased significantly, e.g. by a factor of 3 to 10.
  • the non-linear portion of the refractive index of the filling gas present in the intermediate focus zones is also smaller, so that a The desired non-linear effect only occurs at higher intensities / pulse energies.
  • the non-linearity in the case of circular polarization is reduced to a third of the value of the non-linearity that would be present in the case of linear polarization.
  • a multiple passage cell can be operated at a pressure in the range around or below one bar (100,000 Pa) for e.g. ultrashort laser pulses in the multiphoton absorption range, in which the pulse energy required for ionization is almost independent of the pressure .
  • the pressure in the multiple passage cell can be increased without any significant effect on the ionization behavior and the non-linearity reduced due to the circular polarization can be compensated for.
  • the length of a Herriott cell for example, can be shortened by setting a circular polarization for the laser radiation to be spectrally broadened, with the boundary condition, the Herriott cell, at the same time to operate as “close to the ionization threshold” as possible for the non-linear interaction, can be maintained.
  • a multi-passage cell can be constructed with a pair of mirrors, such as, for example, with the Herriott cell explained below in connection with the figures.
  • a multi-pass cell provides multiple pass through intermediate focus zones. Intermediate focal zones can be formed between optical elements, e.g. between reflections on mirrors / mirror segments. See also DE 10 2014 007159 A1 mentioned at the beginning.
  • a plurality of intermediate focus zones can, for example, also be formed in modular structures of Herriott-like cells with several mirror segments. One or more folds of the beam path can be made in the multiple passage cell.
  • Fig. 1 shows a laser system 1, which has an optical system 3 for spectral broadening.
  • the optical system 3 is based on the use of a multiple passage cell 5 filled with filling gas 4 (for example a Herriott cell), the filling gas 4 serving as a nonlinear (Kerr) medium.
  • Filling gas 4 for example a Herriott cell
  • Noble gases for example, are used as filling gases.
  • helium with a high ionization threshold (approx. 3 times higher ionization threshold than argon) can be used.
  • argon or another noble gas can be used as the non-linear medium, for example.
  • the laser system 1 generally comprises a laser radiation source 7 which emits laser radiation 9.
  • the laser radiation 9 comprises (primary) laser pulses 11 with a pulse energy in the range of a few mJ, for example at least 20 mJ, e.g. a few hundred millijoules, and a pulse duration At in the range of a few hundred femtoseconds (FWHM pulse duration) and less, e.g. 500 fs.
  • the laser pulses 11 form, for example, an ultra-short pulse train.
  • the laser radiation 9 can further include lower-level laser radiation 13, which is indicated by way of example in FIG. 1 as (secondary) prepulse 13A or postpulse 13B.
  • the laser radiation source 7 can optionally have a pulse duration setting system 15 for setting the pulse duration of the laser pulses 11, wherein the pulse duration setting system 15 can also be assigned to the optical system 3 as indicated in FIG.
  • the laser radiation 9 with a linear polarization 17A is present at the output of the pulse duration setting system 15 or at the output of the laser radiation source 7, the polarization vector of which is indicated in FIG. 1 as an example orthogonal to the plane of the characters. That is, both the laser pulses 11 and any low-energy laser radiation 13 that may be present are linearly polarized.
  • the optical system 3 has first polarization adjustment optics 19.
  • the laser radiation 9 is circularly polarized.
  • the circular polarization can generally be set with a wave plate in the beam path in front of the multiple passage cell 5 / Herriott cell (for example with a zero or few order wave plate).
  • the first polarization setting optics 19 in FIG. 1 comprise, for example, a first 1/4 wave plate 19A.
  • a circular E-field vector to illustrate a circular polarization state 17B is indicated.
  • the circular polarization can be set using Faraday rotators, Pockels cells or other suitable polarization-influencing elements.
  • the setting of the polarization in the first polarization setting optics 19 can preferably be done independently of the Intensi ity if the waveplates work with an anisotropic refractive index, for example with a birefringent crystal.
  • the first 1/4 wave plate 19A is set at an angle between a fast axis of the 1/4 wave plate and the polarization plane with respect to the plane of polarization of the laser radiation 9 such that the angle is approximately 45 ° .
  • the angle is in the range from 42 ° - 48 °, so that there may be an ellipticity of the polarization (eg also due to the adjustment).
  • 1 also shows a telescope arrangement 21 for adapting the mode (generally of beam parameters such as beam diameter and beam divergence) of the pulsed laser radiation 9 prior to coupling into the multiple passage cell 5 with a coupling mirror 23.
  • mode generally of beam parameters such as beam diameter and beam divergence
  • the multi-passage cell 5 comprises two concavely curved mirrors 25A, 25B which, in a gas-filled environment, form a beam path 5A running back and forth between the mirrors 25A, 25B. Between the mirrors 25A, 25B, the pulsed laser radiation passes through a focus zone area in each passage, in which intermediate focus zones with a correspondingly high intensity of the pulsed laser radiation are formed. In the intermediate focus zones, there is an interaction of the laser radiation with a filling gas introduced into the multiple passage cell, which leads to non-linear effects, for example to the intended spectral broadening or - if the intensities in the intermediate focus zones are too high to be avoided - to an optical breakdown / one excessive ionization of the filling gas. The operation of the multiple passage cell thus takes place in the field of tension of a sufficiently occurring spectral broadening of the laser radiation and an avoidance of ionization effects on the laser radiation.
  • a step-by-step non-linear spectral broadening is caused by the high intensity present in each intermediate focus zone and by the non-linearity of the refractive index of the gaseous medium in the multiple passage cell 5.
  • a Herriott cell is an example of a multi-pass cell into which pulsed laser radiation can be coupled for a multi-pass.
  • the Herriott cell is formed by two concave mirrors, for example in a concentric or confocal resonator arrangement (or almost in a concentric or confocal resonator-like arrangement with an offset of up to a few millimeters from the ideal concentric or confocal arrangement), generally also in a different resonator configuration, along a common optical axis 27 (given by the specific arrangement) are aligned with one another.
  • the mirrors 25A, 25B are also referred to as Herriott or End mirrors. If the laser radiation 9 is offset to the optical axis 27 in the When multiple passage cell 5 is introduced, the laser radiation 9 is circulated several times back and forth on a predetermined, usually elliptical (circular) pattern.
  • the intermediate focus zone 29 has, for example, a focus diameter d and a Rayleigh length Lr and lies in the region of a plane of symmetry 31 of the resonator arrangement, which is configured concentrically in the example in FIG. 1.
  • FIGS. 2B and 2C show plan views of the mirrors 25A, 25B, in which circularly arranged impact areas 33 are indicated schematically on the mirror surfaces.
  • the laser radiation 9 strikes as centrally as possible before it is reflected back from there like that in the direction of the center of the multiple passage cell 5 / the resonator arrangement.
  • FIGS. 2B and 2C one can also see a coupling-in opening 35A and a coupling-out opening 35B.
  • the areas on the surface of the mirrors 25A, 25B ready for reflection are circular surface sections with a diameter D.
  • intermediate focus zones 29 can in principle be as large as desired; for example, 5 to 100 intermediate focus zones can be traversed; i.e., multiple intermediate focus zones are traversed in the multi-pass cell.
  • at least one of the mirrors 25A, 25B can also be built up from individual discrete mirror elements, wherein a reflection (impact area 33) can preferably take place on a single mirror element. For example, twelve intermediate focus zones 29 are traversed.
  • smaller mirror elements which engage in the multiple passage cell can be used and, for example, positioned at the positions of the openings 35A, 35B.
  • the pulsed Laserstrah treatment 9 is repeatedly ge leads through intermediate focus zones in the center of the multi-passage cell. Due to the focusing of the laser pulses during the pulse duration At of the laser pulses 11, high intensities form in the intermediate focus zones, which keep the refractive index of the gas 4 nonlinear. The nonlinear behavior of the Refractive index of the gas 4 can be used for the spectral broadening of the pulsed Laserstrah treatment 9.
  • the laser radiation 9 leaves the multi-pass cell 5 and hits an output mirror 37 reflecting the coupled-out laser radiation.
  • the output mirror 37 directs the laser radiation 9 through a second telescope arrangement 39, which recollimates the laser radiation 9 .
  • a length of a multi-pass cell for nonlinear compression is given by a distance between the mirrors 25A, 25B.
  • the extent of the multiple passage cell depends on the intended number of revolutions.
  • the length of the multi-pass cell is essential for the integration of a multi-passage cell in an optical structure, as this can be a few meters (e.g. up to 10 m and more).
  • the length of a multi-pass cell is determined by two factors:
  • the damage threshold requires - with a given beam intensity - a minimum size of the reflected laser beam ("minimum adjustable beam diameter") on the end mirrors. With regard to a single pass, this minimum size, together with the curvature of the end mirror, determines the focus diameter in the intermediate focus zone. (Together with the number of reflection zones required, the minimum size of the reflected laser beam on the end mirrors also defines a diameter of the end mirror.)
  • the ionization threshold limits the intensity that can be introduced into the intermediate focus zone, ie the intensity that can be used for the non-linear interaction.
  • the ionization threshold thus determines a “maximum beam intensity that can be coupled in” for specified parameters of the intermediate focus zone. If more ionization occurs in the intermediate focus zone, the laser radiation passing through the multiple passage cell can be disrupted and, for example, assume an intensity distribution deviating from the Gaussian beam profile or a reduced transmission. From these two boundary conditions - which beam diameter is allowed on the end mirrors and which focus diameter and thus which intensity should be present in the center of the multi-passage cell - the length of the multi-passage cell results.
  • a shorter multiple passage cell can be constructed and used for the spectral broadening.
  • a shorter multi-pass cell corresponds to shorter focus lengths (i.e., e.g. a smaller radius of curvature of the end mirror of a Herriott cell), which results in a smaller focus diameter in the intermediate focus zones, in which the intensity required for ionization with the existing pulse energy and pulse duration is not achieved or may not be significantly exceeded.
  • the non-linearity which is reduced due to the circular polarization and which the laser radiation experiences when passing through the multi-pass cell, is compensated for by increasing the pressure of the filling gas.
  • the pulse energy to be used it is selected for a given pulse duration and focus geometry in such a way that a (pulse) peak intensity is present in the intermediate focus zone that is in the range or slightly below the multiphoton ionization that is onset.
  • the (pulse) peak intensity is the upper limit, for example, a maximum of 10% above the intensity assigned to the ionization threshold; the intensity assigned to the ionization threshold in the multiphoton ionization range is referred to herein as the multiphoton ionizing intensity.
  • the set (pulse peak intensity can be reduced, for example to half the multiphoton ionizing intensity (lower limit of the pulse peak intensity).
  • the geometry of the multi-pass cell is adjusted to a peak intensity of the laser pulses present (pulse energy / pulse duration / circular polarization) so that the pulse duration and the pulse energy of the circularly polarized laser pulses in the intermediate focus zones result in a pulse peak intensity that is in the range of 50% to 110% of a multi-photon ionizing intensity - the multi-photon ionizing intensity results in the intermediate focus zones at a (minima len) ionization pulse energy of circularly polarized laser pulses leading to the ionization of the filling gas Peak intensity in a range from 50% to 100% or in a range from 60% to 105% or in a range from 60% to 95% or in a range from 70% to 90% of the multiphoton ionizing intensity for circular polarization.
  • the laser system 1 can have an arrangement of one or more wave plates (e.g. 1/4, 1/8, 1/2, 1-wave plates).
  • the embodiment shown by way of example in FIG. 1 comprises a second (achromatic) 1/4 wave plate 43.
  • the second 1/4 wave plate 43 converts the laser radiation emerging in the circular polarization state back into linear polarization.
  • additional wave plate (s) e.g. a 1/2 wave plate
  • aligning the plane of polarization can be provided before or after the second 1/4 wave plate 43.
  • the optical system 3 can also have an optical beam splitting system 41.
  • the optical beam splitting system 41 comprises the second 1/4 wave plate 43 and a beam splitter 45 shown as a beam splitter cube.
  • Further optical elements for separating different polarizations include thin-film polarizers and, for example, Wollaston prism arrangements.
  • the beam splitter 45 can be used for beam cleaning of any beam components with other (non-circular) polarization states that may be generated in the multiple passage cell 5.
  • a laser pulse 1 G of the useful beam portion 9A is indicated by way of example, which has been freed from pre- and post-pulses here with play.
  • the laser pulses 1 G can be added to a compressor 49, for example.
  • the compressor 49 is shown by way of example in FIG. 1 as a chirped mirror compressor.
  • a useful laser radiation 9A ′ which comprises a sequence of compressed laser pulses 11 ′′, can thus be output at an output of the laser system 1.
  • the configuration proposed herein using, for example, a Herriott cell, can enable a predetermined / adjustable number of intermediate focus zones 29 to be passed through.
  • a focus diameter d can be set in the intermediate focus zones and can also be adjusted to the laser power, pulse duration, etc. and the gas 4, for example, via the radius of curvature Rm of the mirrors 25A, 25B.
  • the radius of curvature Rm is, for example, identical for both mirrors or is at least of the same order of magnitude.
  • the gas pressure is adjusted with regard to the non-linearity. It is noted that if there is a high spatial proximity of the various continuous intermediate focus zones in the multiple passage cell, the same gas pressure is given in each of the intermediate focus zones.
  • the optical beam parameters and beam properties are preferably very similar in the various intermediate focus zones, so that similar non-linear effects are also present.
  • the intermediate focus zones 29 essentially all have the same diameter d and accordingly have the same Rayleigh lengths Lr.
  • the distance between the mirrors 25A, 25B is in a range from 95% to 105% of the sum of the radii of curvature.
  • the optical system 3 can, for example, have a control system 61, which via control connections 63 with the pulse duration setting system 15, optionally the polarization setting optics 19 (in particular for setting the angular positions of the first 1/4 wave plate 19A and optionally a l / 2-wave plate), the telescope assemblies 21, 39 (in particular special for setting the distance between telescopic lenses 21 A, 21B), a pressure setting device 65 for setting the gas pressure (see Fig. 1) and / or the subsequent Wel lenplatten (for example, for Adjustment of the angular position of the second (achromatic) 1/4 wave plate 43) and optionally the optical beam splitting system 41 is connected.
  • a control system 61 which via control connections 63 with the pulse duration setting system 15, optionally the polarization setting optics 19 (in particular for setting the angular positions of the first 1/4 wave plate 19A and optionally a l / 2-wave plate), the telescope assemblies 21, 39 (in particular special for setting the distance between telescopic lenses 21 A, 21B), a pressure setting
  • the laser radiation 9 strikes the mirrors 25A, 25B repeatedly (multiple times in each case).
  • the mirrors can be used to adjust the dispersion by designing them as dispersive mirrors. If the mirrors 25A, 25B have a dispersive effect in at least one of the reflections, the dispersion and thus the pulse duration of the laser pulses 11 can be acted upon directly.
  • one or more of the impingement areas 33 can be provided with a dispersive layer.
  • a dispersive coating 51 is indicated by dashed lines in FIG. 2A for the mirror 25B.
  • each of the mirrors 25A, 25B can be constructed from a plurality of mirror segments with predetermined dispersive properties, each of the mirror segments being dispersed over a desired pulse duration as it passes through the Multi-pass cell 5 is adapted.
  • the dispersion present in the multiple passage cell 5 is composed of a dispersion contribution from the dispersive mirror and a dispersion contribution in the gas-filled volume along the beam path 5A.
  • An exemplary mirror segment 53 is indicated in FIG. 1.
  • the laser radiation (depending on the size of the mirror segment) hits the mirror segment at least once, which usually has at least an extent the size of the beam diameter D on the mirror surface.
  • the concepts proposed here allow a dispersion that is accumulated when passing through the gas-filled volume to be at least partially compensated for by suitable dispersive mirror coatings (chirped mirrors) in order, for example, to maintain comparable pulse durations in the intermediate focus zones or to selectively adjust the pulse durations vary.
  • suitable dispersive mirror coatings chirped mirrors
  • the pulse spectrum can change from intermediate focus zone to intermediate focus zone, namely essentially while the pulse duration and pulse energy remain the same. If the multiple passage cell 5 is built up by means of chirped mirrors, the pulse duration can moreover be adjusted. For example, the pulse duration can change (shorten or lengthen) from run to run. Accordingly, even with a non-linear spectral broadening, the peak intensities in the intermediate focus zones remain essentially the same.
  • Another advantage can arise in connection with the non-linear spectral broadening if laser radiation with circular polarization is used in the multiple passage cell for this purpose. In this way, the spectral broadening can possibly take place more smoothly across the frequency spectrum, so that a less structured spectrum can result. This can have a positive effect on the subsequent pulse shaping and / or pulse compression.
  • Fig. 2A shows the formation of an intermediate focus zone in a Herriott cell under the assumption of curved Herriott mirrors.
  • the following are geometric parameters for the implementation of a multi-pass cell is considered within the framework of the concepts presented here.
  • the limitation of the pulse energies of laser pulses which can be spectrally broadened with a multi-pass cell (and optionally increased in contrast), results from avoiding laser-induced damage to the (Herriott) mirror and from the ionization threshold value of the gas used.
  • the highest possible ionization threshold when using helium as gas 4 in the multiple passage cell 5 is approximately 3.42 ⁇ 10 L 14 W / cm 2
  • the laser-induced damage to the mirrors 25A, 25B requires a minimum diameter of the laser radiation 9 on the curved mirror 25A, 25B.
  • the ionization threshold determines the smallest possible focus diameter d in the intermediate focus zones 29 with a view to avoiding ionization of the gas 4. Both parameters together define a necessary length of the multi-passage cell 5, that is, the distance between the mirrors that build up the concentric resonator, for example their radius of curvature.
  • the non-linear interaction with the filling gas is decisive, which, as already mentioned, decreases with circular polarization.
  • the lower non-linearity is compensated for by increasing the pressure.
  • a multiple pass cell e.g. a Herriott cell
  • He gas has a lower non-linearity, but a much higher ionization threshold. Due to the high ionization threshold, He gas can be used for the spectral broadening of ultra-short pulses with pulse energies greater than 20 mJ as a filling gas in a multi-pass cell, with the ionization threshold e.g. at 500 fs and pressures below 100,000 Pa in the area of multiphoton ionization.
  • the inventors have recognized that in a multiple passage cell for He gas operated with pulse energies in the range of 20 mJ and more, an increase in pressure has little influence on the pulse energy required for ionization, so that He gas as filler gas together with circular polarization to shorten the Herriott -Cell can be used.
  • a circular polarization is set for the ultrashort laser pulses with pulse energies of a few 10 mJ, for example 200 mJ, the energy required for ionization is increased, but the non-linearity is also reduced.
  • the multi-pass cell can now be operated comparably close to the ionization threshold value, i.e., higher peak intensities can be set in the intermediate focus zones by increasing the length of the multi-pass cell to e.g.
  • the pressure can be increased from e.g. 20,000 Pa to 40,000 Pa in order to provide a sufficiently non-linear interaction. If the multi-pass cell is operated in the parameter range of multi-photo ionization, the positive effect of raising the ionization threshold due to the circular polarization can be (almost completely) exploited.
  • the concepts proposed herein for using He gas as fill gas and circular polarization in a multi-pass cell provide one possibility is to reduce the length of the multi-pass cell with a pulse energy of at least 20 mJ and pulse durations of 500 fs.
  • the length of the multi-pass cell is approx. 1.7 times shorter (“V3”).
  • the pressure of the Ar gas is increased from 15,000 Pa (in the unabridged structure) to 45,000 Pa (in the shortened structure).
  • the shorter structure leads to cost savings in the case of non-linear compression by means of spectral broadening.
  • the mirrors For the use of high-intensity laser radiation and with a view to the damage threshold of the mirrors, it may be necessary for the mirrors to withstand pulse energies of a few 100 mJ with pulse durations of a few 100 fs, for example 500 fs or shorter.
  • the mirrors are also broadband, for example designed for a wavelength range from, for example, 700 nm to, for example, 1100 nm for ultra-short pulses from a titanium-sapphire laser or 900 nm to 1100 nm for ultra-short pulses from lasers that emit around 1000 nm, such as Nd : YAG or Yb: YAG.
  • the mirrors can provide a dispersion contribution or none at all, so that dispersive coatings may also have to be taken into account.
  • a laser-induced damage threshold of approx. 0.5 J / cm2 with a pulse duration of approx. 500 fs can be measured.
  • This threshold value is usually assigned to the center of the beam.
  • the result for the approx. 500 fs laser pulse is, for example, a threshold value of approx. 0.1 J / cm2, so that with a safety factor of, for example 3, the maximum permissible fluence is approx. 0.03 J / cm2 would.
  • a beam radius of approximately 9 mm results for 200 mJ pulses or a converted 1 / e2 beam diameter of approximately 13 mm on the mirrors 25 A, 25B.
  • This estimate can apply equally to linear as well as circular polarization.
  • a reduced mirror spacing / a shortened multiple passage cell length / resonator length L can be implemented with a correspondingly smaller radius of curvature of the mirrors 25A, 25B, provided that the The same beam diameter is available on the mirror.
  • pulsed laser radiation is generated which includes laser pulses with a pulse energy in the range from 1 mJ to 100 J, preferably 10 mJ to 1 J, and pulse durations in the range from 10 fs to 5 ps, preferably 500 fs to 1.5 ps .
  • step 73 the pulsed laser radiation is circularly polarized for passing through the multi-pass cell - i.e., usually before entering the multi-pass cell.
  • the spectral broadening of the pulsed laser radiation takes place.
  • the pulsed laser radiation is coupled into the multiple passage cell.
  • the multiple passage cell is formed, for example, by at least two concave mirrors which define a multiple passage of intermediate focus zones; e.g. form a (in particular concentric or confocal) resonator or a resonator-like arrangement.
  • the multiple passage cell is traversed a number of times with the formation of a plurality of intermediate focus zones.
  • the multi-pass cell is filled with a filling gas that has an optical non-linearity that causes the spectral broadening of the pulsed laser radiation in the intermediate focus zones.
  • step 77 the spectrally broadened pulsed laser radiation is decoupled from the multiple passage cell.
  • a linear polarization of the spectrally broadened pulsed laser radiation can be set and / or, for example, the spectrally broadened pulsed laser radiation can be compressed.
  • the pressure of the filling gas of the multi-passage cell is set in a step 81 A in a pressure range in which an ionization of the filling gas is carried out
  • Laser pulses the pulse duration of which is comparable to the pulse duration of the laser pulses to be spectrally broadened, would take place in the context of a multi-photon ionization process.
  • the focus diameter in the intermediate focus zones is also set in a step 81B (e.g. by selecting the radii of curvature of the mirrors of the multi-passage cell and the beam diameter on the mirrors) in such a way that the pulsed laser radiation passes through the multi-passage cell without ionizing the filler gas.
  • the focus diameter in the intermediate focus zones is selected to be as small as possible, but with a safety margin with regard to optical damage to the mirrors and avoidance of (stronger) ionization of the filling gas.
  • the laser radiation can run through a sequence of successive multiple pass cells one after the other. This allows gas conditions, mirror configurations and dispersion curves to be set in a differentiated manner for the groups of intermediate focus zones present in the individual multi-pass cells, whereby an “intermediate compression” can also be provided between individual multi-pass cells.

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Abstract

Ein Lasersystem (1) umfasst eine Laserstrahlungsquelle (7) zur Bereitstellung gepulster Laserstrahlung (9), wobei die gepulste Laserstrahlung Laserpulse (11) mit Pulsenergien in einem Bereich von 1 mJ bis 100 J oder in einem Bereich von 10 mJ bis 1 J und Pulsdauern in einem Bereich von 10 fs bis 5 ps oder in einem Bereich von 500 fs bis 1,5 ps umfasst. Das Lasersystem (1) umfasst ferner ein optisches System (3) zur spektralen Verbreiterung der gepulsten Laserstrahlung (9). Das optische System (3) umfasst: - eine erste Polarisationseinstelloptik (19), die einen zirkularen Polarisationszustand (17B) der gepulsten Laserstrahlung (9) einstellt, und - eine Mehrfachdurchgangszelle (5) mit mindestens zwei Spiegeln (25A, 25B), die von der gepulsten Laserstrahlung (9) unter Ausbildung einer Mehrzahl von Zwischenfokuszonen (29) durchlaufen wird, wobei die Mehrfachdurchgangszelle (5) mit einem Füllgas (5A) gefüllt ist, das eine optische Nichtlinearität aufweist, wobei das Füllgas (5A) eine spektrale Verbreiterung der gepulsten Laserstrahlung (9) in den Zwischenfokuszonen (29) bewirkt. Ferner ist ein Druck des Füllgases (5A) in einem Druckbereich eingestellt, in dem ein Ionisierungsverhalten des Füllgases (5A) im Rahmen der Mehrphotonenionisation vorliegt, und Fokusdurchmesser (d) der Zwischenfokuszonen (29) sind derart eingestellt, dass die gepulste Laserstrahlung (9) die Mehrfachdurchgangszelle (5) ohne Ionisierung des Füllgases (5) durchläuft.

Description

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

Claims

Patentansprüche
1. Lasersystem (1) mit:
- einer Laserstrahlungsquelle (7) zur Bereitstellung gepulster Laserstrahlung (9), wobei die ge pulste Laserstrahlung Laserpulse (11) mit Pulsenergien in einem Bereich von 1 mJ bis 100 J oder in einem Bereich von 10 mJ bis 1 J und Pulsdauern in einem Bereich von 10 fs bis 5 ps oder in einem Bereich von 500 fs bis 1,5 ps umfasst, und
- einem optischen System (3) zur spektralen Verbreiterung der gepulsten Laserstrahlung (9) umfassend:
- eine erste Polarisationseinstelloptik (19), die einen zirkularen Polarisationszustand (17B) der gepulsten Laserstrahlung (9) einstellt, und
- eine Mehrfachdurchgangszelle (5) mit mindestens zwei Spiegeln (25A, 25B), die von der gepulsten Laserstrahlung (9) unter Ausbildung einer Mehrzahl von Zwischenfokuszonen (29) durchlaufen wird, wobei die Mehrfachdurchgangszelle (5) mit einem Füllgas (5A) gefüllt ist, das eine optische Nichtlinearität aufweist, wobei das Füllgas (5A) eine spektrale Verbrei terung der gepulsten Laserstrahlung (9) in den Zwischenfokuszonen (29) bewirkt, wobei ein Druck des Füllgases (5A) in einem Druckbereich eingestellt ist, in dem ein Ionisie rungsverhalten des Füllgases (5A) im Rahmen der Mehrphotonenionisation vorliegt, und
Fokusdurchmesser (d) der Zwischenfokuszonen (29) derart eingestellt sind, dass die ge pulste Laserstrahlung (9) die Mehrfachdurchgangszelle (5) ohne Ionisierung des Füllgases (5) durchläuft.
2. Lasersystem (1) nach Anspruch 1, wobei die Mehrfachdurchgangszelle (5) mit He-Gas als Füllgas mit einem Druck in einem Bereich von 100 Pa bis 60.000 Pa, insbesondere in einem Bereich von 1.000 Pa bis 50.000 Pa gefüllt ist.
3. Lasersystem (1) nach Anspruch 1, wobei die Mehrfachdurchgangszelle (5) mit Ar-Gas als Füllgas mit einem Druck in einem Bereich von 100 Pa bis 50.000 Pa, insbesondere in einem Bereich von 1.000 Pa bis 40.000 Pa gefüllt ist.
4. Lasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fokusdurchmesser (d) der Zwischenfokuszonen (29) derart eingestellt sind, dass eine Spit zenintensität, die sich bei der Pulsdauer und der Pulsenergie der Laserpulse (11) in den Zwi schenfokuszonen (29) ergibt, im Bereich von 50 % bis 110 % einer mehrphotonenionisieren den Intensität liegt.
5. Lasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Polarisationseinstelloptik (19) eine erste Wellenplatte (19A), optional eine l/4-Wel- lenplatte (19A) und/oder eine l/2-Wellenplatte (19B), umfasst.
6. Lasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische System (3) ferner mindestens eine der folgenden optischen Komponenten um fasst:
- ein Pulsdauereinstellsystem (15) zum Einstellen einer Pulsdauer (At) der Laserpulse (11) der gepulsten Laserstrahlung (9),
- eine erste optische Teleskopanordnung (21), die dazu eingestellt ist, die gepulste Laserstrah lung (9) auf eine vorgegebene Mode in der Mehrfachdurchgangszelle (5) abzubilden und die optional strahlabwärts der ersten Polarisationseinstelloptik (19) angeordnet ist,
- einen Einkoppelspiegel (23) zum Einkoppeln der gepulsten Laserstrahlung (9) in die Mehr fachdurchgangszelle (5),
- einen Auskoppelspiegel (37) zum Weiterleiten der aus der Mehrfachdurchgangszelle (5) aus tretenden gepulsten Laserstrahlung (9) und
- eine zweite optische Teleskopanordnung (39), die dazu eingestellt ist, die aus der Mehrfach durchgangszelle (5) austretende gepulste Laserstrahlung (9) zu kollimieren.
7. Lasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrfachdurch gangszelle (5) ausgebildet ist
- mit einer vorbestimmten oder einstellbaren Anzahl von Zwischenfokuszonen (29), und/oder
- mit Zwischenfokuszonen (29), die im Wesentlichen einen gleichen Durchmesser (d) und eine gleiche Rayleigh-Länge (Lr) aufweisen, und/oder
- mit Zwischenfokuszonen (29), die aufeinander, nebeneinander und optional sich teilweise überlagernd angeordnet sind,
- in einem Resonator- Aufbau mit, insbesondere gleichen, Krümmungsradien der mindestens zwei Spiegel (25A, 25B), optional in konfokaler oder konzentrischer Anordnung, und/oder - in einem Resonator-artigen Aufbau mit, insbesondere gleichen, Krümmungsradien der min destens zwei Spiegel (25 A, 25B), optional in nahezu konfokaler oder nahezu konzentrischer Anordnung, und/oder
- in einer Anordnung, in der die mindestens zwei Spiegel (25 A, 25B) eine Mehrzahl von Spie gelsegmenten umfassen, wobei zwischen jeweils zwei Spiegelsegmenten eine Zwischenfokus zone (29) ausgebildet wird, und die Zwischenfokuszonen (29) nacheinander durchlaufen wer den,
- als eine mit einem Edelgas wie Helium oder Argon als Füllgas gefüllte Zelle, wobei in jeder der Zwischenfokuszonen (29) der gleiche Druck vorliegt, und/oder
- zur schrittweisen nichtlinearen spektralen Verbreiterung der durchlaufenden gepulsten La serstrahlung (9) in den Zwischenfokuszonen (29).
8. Lasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: einer zweite Polarisationseinstelloptik zum Rückführen des zirkularen Polarisationszustands in einen linearen Polarisationszustand (47 A, 47B), wobei die zweite Polarisationseinstelloptik strahlabwärts der Mehrfachdurchgangszelle (5) angeordnet ist, und wobei die zweite Polarisationseinstelloptik insbesondere eine zweite, insbesondere achromati sche, Wellenplatte (43), optional eine l/4-Wellenplatte (43) und/oder eine l/2-Wellenplatte, umfasst.
9. Lasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lasersystem (1) ferner mindestens eine der folgenden optischen Komponenten umfasst:
- ein Pulsdauereinstellsystem (15) zum Einstellen der Pulsdauer (At) der Laserpulse (11),
- ein optisches Pulsdauer-Kompressorsystem (49) zum Kompensieren eines dispersiven Bei trags des optischen Systems (9) und zum zeitlichen Komprimieren der Laserpulse (11) der La serstrahlung, die die nichtlineare spektrale Verbreiterung in mindestens einer der Zwischenfo kuszonen (29) erfahren haben,
- einen Strahlteiler (45) zum Trennen von, von der Mehrfachdurchgangszelle (5) ausgegebe nen, unterschiedlichen Polarisationszuständen und
- ein Steuerungssystem (61), das für eine Kompensation einer Reduzierung der Nichtlinearität des Füllgases aufgrund der eingestellten zirkularen Polarisation zur Einstellung eines Drucks des Füllgases (4) in der Mehrfachdurchgangszelle (5) ausgebildet ist.
10. Verfahren zur spektralen Verbreiterung einer gepulsten Laserstrahlung (9) unter Ver wendung einer Nichtlinearität eines Füllgases einer Mehrfachdurchgangszelle (5) mit mindes tens zwei Spiegeln (25A, 25B), die eine Mehrzahl von Zwischenfokuszonen (29) ausbilden, mit den Schritten:
- Erzeugen einer gepulsten Laserstrahlung (9), die Laserpulse mit einer Pulsenergie in einem Bereich von 1 mJ bis 100 J oder in einem Bereich von 10 mJ bis 1 J, und Pulsdauem in einem Bereich von 10 fs bis 5 ps oder in einem Bereich von 500 fs bis 1,5 ps umfasst,
- Einstellen eines zirkularen Polarisationszustands (17A) der gepulsten Laserstrahlung (9) für das Durchlaufen der Mehrfachdurchgangszelle (5),
- Einkoppeln der gepulsten Laserstrahlung (9) in die Mehrfachdurchgangszelle (5), wobei die gepulste Laserstrahlung (9) die Mehrzahl von Zwischenfokuszonen (29) durchläuft und in den Zwischenfokuszonen (29) mit dem Füllgas (4) nichtlinear wechselwirkt, sodass eine spektrale Verbreiterung der gepulsten Laserstrahlung (9) in den Zwischenfokuszonen (29) bewirkt wird,
- Einstellen des Drucks des Füllgases (5A) in einem Druckbereich, in dem ein Ionisierungs verhalten des Füllgases (5A) im Rahmen der Mehrphotonenionisation vorliegt,
- Einstellen von Fokusdurchmessern (d) in den Zwischenfokuszonen (29) derart, dass die ge pulste Laserstrahlung (9) die Mehrfachdurchgangszelle (5) ohne Ionisierung des Füllgases (5) durchläuft, und
- Auskoppeln der spektral verbreiterten gepulsten Laserstrahlung (9) aus der Mehrfachdurch gangszelle (5).
11. Verfahren nach Anspruch 10, ferner mit mindestens einem der folgenden Schritte:
- Bereitstellen von He-Gas als Füllgas und Einstellen des Drucks in einem Bereich von 100 Pa bis 60.000 Pa, insbesondere in einem Bereich von 1.000 Pa bis 50.000 Pa, und
- Bereitstellen von Ar-Gas als Füllgas und Einstellen des Drucks in einem Bereich von 100 Pa bis 50.000 Pa, insbesondere in einem Bereich von 1.000 Pa bis 40.000 Pa,
- Erhöhen des Drucks des Füllgases zur Erhöhung der Nichtlinearität derart, dass eine Ab nahme einer Nichtlinearität des Füllgases bei zirkularer Polarisation ausgehend von einer Nichtlinearität des Füllgases, die bei einem gleichen Druck und bei linearer Polarisation vor liegt, ausgeglichen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, ferner mit
- Einstellen der Fokusdurchmesser (d) der Zwischenfokuszonen (29) derart, dass sich eine Spitzenintensität, die sich bei der Pulsdauer und der Pulsenergie der Laserpulse (11) in den Zwischenfokuszonen (29) ergibt, im Bereich von 50 % bis 110 % einer mehrphotonenionisie renden Intensität liegt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, ferner mit: - Einstellen der Polarisation der spektral verbreiterten gepulsten Laserstrahlung (9) für einen nachfolgenden Strahlengang und/oder
- Durchführen einer Dispersionskompensation der spektral verbreiterten gepulsten Laserstrah lung (9).
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, ferner mit Einstellen mindestens eines der folgenden Parameter der Mehrfachdurchgangszelle (5):
- eine in der Mehrfachdurchgangszelle (5) akkumulierte Dispersion der Laserpulse (11),
- Fokusdurchmesser (d) der Zwischenfokuszonen (29), und
- Rayleigh-Längen (Lr) der Zwischenfokuszonen (29).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
LU501667B1 (en) * 2022-03-15 2023-09-21 Helmut Schmidt Univ / Univ Der Bundeswehr Hamburg Laser oscillator system, nonlinear polarization rotation device and method for mode-locking

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014007159A1 (de) 2014-05-15 2015-11-19 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Anordung zur spektralen Verbreiterung von Laserpulsen für die nichtlineare Pulskompression

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014007159A1 (de) 2014-05-15 2015-11-19 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Anordung zur spektralen Verbreiterung von Laserpulsen für die nichtlineare Pulskompression

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HANNA MARC ET AL: "Nonlinear temporal compression in multipass cells: theory", JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA - B., vol. 34, no. 7, 5 June 2017 (2017-06-05), US, pages 1340, XP055802815, ISSN: 0740-3224, DOI: 10.1364/JOSAB.34.001340 *
KAUMANNS MARTIN ET AL: "Multipass spectral broadening of 18 mJ pulses compressible from 13 ps to 41 fs", OPTICS LETTERS, vol. 43, no. 23, 30 November 2018 (2018-11-30), US, pages 5877, XP055802763, ISSN: 0146-9592, DOI: 10.1364/OL.43.005877 *
XIAOWEI CHEN ET AL: "Generation of 4.3 fs. 1 mJ laser pulses via compresssion of circularly polarized pulses in a gas-filled hollow-core fiber", OPTICS LETTERS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, US, vol. 34, no. 10, 15 May 2009 (2009-05-15), pages 1588 - 1590, XP001523941, ISSN: 0146-9592 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021127314A1 (de) 2021-10-21 2023-04-27 Trumpf Scientific Lasers Gmbh + Co. Kg Vorrichtung und Verfahren zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses
DE102021127328A1 (de) 2021-10-21 2023-06-07 Trumpf Scientific Lasers Gmbh + Co. Kg Vorrichtung und Verfahren zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses

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