WO2022022847A1 - OPTISCHE ANORDNUNG ZUR VERGRÖßERUNG VON SPEKTRALEN BANDBREITEN UND ZUR VERKÜRZUNG VON ULTRAKURZPULSEN - Google Patents

OPTISCHE ANORDNUNG ZUR VERGRÖßERUNG VON SPEKTRALEN BANDBREITEN UND ZUR VERKÜRZUNG VON ULTRAKURZPULSEN Download PDF

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mirror
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Definitions

  • Ultra-short-pulse lasers for industrial material processing consist of an oscillator-amplifier arrangement.
  • the pulse length of the oscillator is determined by the bandwidth of the laser medium used.
  • the typical pulse duration of a mode-locked Yb.YAG oscillator is 700 fs.
  • Oscillator-amplifier arrangements are used to generate pulse energy that is relevant for material processing. Due to the bandwidth of the gain medium, the bandwidth of the amplified pulses is reduced due to gain narrowing, causing the amplified pulses to be lengthened.
  • the non-linear process of self-phase modulation can be used to increase the bandwidth.
  • the self-phase modulation is associated with spatial phase modulations such as the Kerr lens effect.
  • the Kerr lens effect can lead to catastrophic self-focusing and an unacceptable reduction in beam quality.
  • a stigmatic beam exhibits circular power density distributions in each plane perpendicular to the direction of propagation under free propagation.
  • the waists of a stigmatic ray have the same size in two mutually perpendicular planes and lie together in the same position.
  • the power density is inversely proportional to the square of the beam diameter.
  • DE 102014007 159 A1 describes a method and an arrangement for spectral broadening of laser pulses for non-linear pulse compression.
  • the laser pulses are coupled into an optical arrangement in which they propagate alternately through at least one section that contains at least one medium with nonlinear optical properties and in which the laser pulses are given a nonlinear phase by self-phase modulation, and a section in which essentially no non-linear phase is generated by self-phase modulation.
  • DE 102015005257 A1 describes an optical arrangement for increasing the beam quality and improving the intensity distribution of a laser beam.
  • One or more spherical and/or cylindrical components such as lenses and/or mirrors are used to focus the beam.
  • At least two apertures are used in the focal area of the components in a row along the beam propagation, with the opening shapes and sizes of the apertures being determined by the beam cross-section at the respective axial position of the apertures.
  • the invention is based on the object of specifying optical arrangements that make it possible to generate a specified increase in the bandwidth by self-phase modulation (SPM) with a compact design.
  • SPM self-phase modulation
  • the optical arrangement uses non-linear self-phase modulation for shortening to increase spectral bandwidths of ultrashort pulses, a multipass cell and a nonlinear medium.
  • the nonlinear medium is arranged inside the multipass cell, and a laser beam with ultrashort pulses passes through the nonlinear medium multiple times.
  • the laser beam is coupled into the multipass cell via shaping optics, the laser beam being shaped into an astigmatic beam via the shaping optics and coupled into the multipass cell.
  • the multipass cell is preferably a Herriott multipass cell.
  • the multipass cell consists of three cylindrical mirrors.
  • the three cylindrical mirrors are designed and arranged in such a way that their curvatures lie in a common xz plane and their focal planes are in a common focal plane.
  • the beam is designed and arranged by the shaping optics such that the beam is transformed into a beam that is collimated in the yz plane and has a focus in the xz plane, and that the nonlinear medium is in the focal plane or in the placed near the focal plane.
  • the x-, y-, and z-coordinates are a rectangular coordinate system, with the z-coordinate being parallel to the direction of propagation, the x-coordinate and the y-coordinate being perpendicular to each other and to the direction of propagation.
  • the multipass cell consists of three spherical mirrors.
  • the three spherical mirrors are designed and arranged to form a White multipass cell and share a common focal plane, with the shaping optics designed and arranged to transform the beam into an astigmatic beam collimated in the yz plane and has a focus in the xz plane, or is collimated in the xz plane and has a focus in the yz plane, wherein the nonlinear medium is placed at or near the focal plane.
  • the x, y, z coordinates form a xyz rectangular coordinate system with the z-coordinate parallel to the direction of propagation of the beam.
  • An optical arrangement is also provided, the multi-pass cell of which consists of two cylindrical mirrors.
  • the two cylindrical mirrors are designed and arranged so that their focal lines lie in the xz fold plane and in a common focal plane, and the shaping optics are designed and arranged to transform the beam into an astigmatic beam that is in the xz plane is collimated and has a focus in the yz-F plane, with the nonlinear medium being placed at or near the focal plane.
  • the mentioned x, y, z coordinates form a rectangular xyz coordinate system.
  • the multipass cell consists of two mirror arrays, each mirror array consisting of at least two spherical and concave mirror elements.
  • the spherical mirror elements are identical and concavely curved and their foci lie in a common plane, the shaping optics being designed and arranged to transform the beam to an astigmatic beam collimated in the yz plane and in the xz plane has a focus, or is collimated in the xz-plane and has a focus in the yz-plane, with the nonlinear medium placed in or near the focal plane, with the z-coordinate parallel to the direction of propagation of the beam.
  • At least one of the mirrors or at least one of the mirror elements is provided with a dispersion-compensating coating, so that it can be used like a GDD (group delay dispersion) or GTI (Gires-Tournois interferometer) mirror for compressing the pulses work.
  • a GDD group delay dispersion
  • GTI Green-Tournois interferometer
  • At least one diaphragm array is used in the multipass cell to increase the beam quality.
  • the geometry of the openings of the diaphragm array is adapted to the beam cross-sections of the respective beam passage points.
  • the diaphragm array is arranged on one or more folding mirrors and/or in the focal plane and/or in the vicinity of the focal plane.
  • the openings of the at least one diaphragm array should be 1.3 to 2 times the beam cross-section of the corresponding Gaussian beam.
  • gratings, prisms, GDD mirrors and/or GTI mirrors are used on the output side, in the beam propagation direction, ie in the z-direction, for pulse compression or pulse shortening of the pulses , located behind the multipass cell.
  • a stigmatic beam can be transformed into a single-astigmatic beam.
  • FIG. 1 shows a schematic example of an astigmatic beam
  • FIG. 2a shows a Herriot multipass cell, with FIGS. 2b and 2c showing the two mirrors of FIG. 2a with the beam cross-sections of the laser beams impinging on the respective mirror,
  • Figures 3a and 3b show another embodiment of a multipass cell, in Figure 3a in a top view and in Figure 3b in a side view assigned to Figure 3a, where Figures 3c and 3e show the beam cross sections of the laser beams on the respective mirrors and Figure 3d shows the beam cross sections of the laser beams represents in the middle plane,
  • Figures 4a to 4d show a further embodiment of the arrangement according to the invention with a multi-pass cell which comprises three spherical, concavely curved mirrors, with Figure 4b and Figure 4d showing the beam cross-sections of the laser beams on the mirror surfaces and Figure 4c showing the beam cross-sections of the laser beams in the center plane,
  • FIGS. 5a and 5e show a further embodiment of the arrangement according to the invention with two cylindrical, concave mirrors, with FIG. 5a representing a plan view and FIG. 5b representing a corresponding side view; the cross-sections of the laser beams at the two mirrors are shown in Figures 5c and 5e, while Figure 5d shows the cross-sections of the laser beams in the median plane,
  • Figures 6a is a top view and 6b is a corresponding side view of another embodiment of the arrangement according to the invention with a multipass cell consisting of two mirror arrays, which are characterized by spherical mirror elements with identical shear, concave curvature are constructed, again with the beam cross sections of the laser beams on the mirrors of the two mirror arrays in Figures 6c and 6e and the steel cross sections in the center plane in Figure 6d and
  • FIGS. 7b, 7c and 7d show different diaphragm arrays which can be used, for example, in front of the mirror 776, in the focal plane 33 and in front of the mirrors 777 and 778 in the multipass cell shown in FIG.
  • the x, y and z coordinates indicate a rectangular xyz coordinate system.
  • Figure 1 shows an example of a single astigmatic beam.
  • the simple astigmatic ray propagates in the z-direction.
  • the ray In the xz plane the ray has a waist doxO with a Rayleigh length ZOx.
  • In the yz-plane the ray In the yz-plane the ray has a waist doyO with a Rayleigh length ZOy.
  • qsc stands for the divergence angle in the xz plane and qsg stands for the divergence angle in the yz plane.
  • the shaping optics can be positioned so that the cross-section of the beam becomes approximately round, so that the power density on the shaping optics can be significantly reduced without having too high an intensity in the focal plane.
  • a multipass cell consisting of a mirror array with mirrors 771, 772, 796, 797, 798, 776, 777, 778, 717, 718 or 727, 728 shown in the figures are.
  • a non-linear medium 66 with negligible absorption for generating the self-phase modulation is arranged in the multi-pass cell, a laser beam 1 being transformed with shaping optics 261 into a defined single-astigmatic beam 11 and coupled into the multi-pass cell.
  • the laser beam 11 is reflected back and forth between the mirror array to traverse the non-linear medium 66 multiple times, with the curvatures of the mirrors designed and the mirrors arranged such that the beam has multiple waists within the multipass cell.
  • the waists are at different z-positions in the xz-planes and in the yz-planes.
  • FIG. 2a shows a Herriott multipass cell, which consists of two spherical mirrors 771 and 772.
  • a beam 1 or laser beam 1 is converted into a single-astigmatic beam 11. forms.
  • the single-astigmatic beam 11 is coupled into the Herriott multipass cell by an edge mirror 781, ie a mirror which has a sharp edge.
  • the mirrors 771 and 772 are designed and arranged in relation to one another in such a way that, in cooperation with shaping optics 261, the beam has a changing elliptical cross-section along the direction of propagation within the multipass cell.
  • FIG. 2b shows the beam cross sections of the beam at the mirror 771 and FIG.
  • a medium 66 is arranged inside the multipass cell.
  • the medium 66 has negligible absorption for the beam 11 and acts as a non-linear medium leading to self-phase modulation at high pulse power density.
  • An example medium is a fused silica plate coated anti-reflective to the beam 11 on both surfaces.
  • the beam from the multipass cell is coupled out as output beam 19 by using a further edge mirror 782 .
  • the accumulated self-phase modulation due to multiple passes through the non-linear medium leads to a broadening of the beam spectrum.
  • a simplest embodiment of the shaping optics 261 consists of a cylindrical lens with a defined focus length.
  • the focal length should be chosen and adjusted so that the focus of the beam is in the focused plane, in the focal plane, or near the focal plane 33 .
  • the dispersion of the medium and the air results in different propagation velocities for different wavelengths. This leads to an increase in the pulse duration of the beam.
  • the pulses of the beam can be compressed or shortened by a downstream arrangement of dispersive shaping optics.
  • At least one of the mirrors 771 and 772 is a GDD (Group Delay Dispersion) or GTI (Gires-Tournois Interferometer) mirror.
  • the dispersion of the mirror is chosen to balance out the dispersion caused by the medium and air and to shorten the pulse length due to incremental broadening of the beam spectrum after each pass.
  • FIGS. 3a and 3b Another embodiment is shown in FIGS. 3a and 3b.
  • FIG. 3a shows the plan view
  • FIG. 3b shows the side view of a multi-pass cell.
  • the multipass cell consists of three cylindrical mirrors 796, 797 and 798.
  • the curvatures of the mirrors lie in the xz plane.
  • the three mirrors have the same radius of curvature.
  • the mirrors 797 and 798 are advantageously arranged one above the other in the x-direction with the same z-position.
  • Mirror 796 is positioned relative to mirrors 797 and 798 such that the distance equals the radius of curvature of mirrors 797 and 798.
  • the mirrors thus form a confocal arrangement.
  • the broken line symbolizes the center plane 33 of the multipass cell.
  • the mid-plane 33 is also the focal plane of the mirrors 796, 797 and 798.
  • a non-linear medium 66 is arranged in the vicinity of the mid-plane 33 .
  • the astigmatic beam 11 formed with shaping optics 261 is coupled into a multipass cell.
  • eight beam paths 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117 and 118 are created within the multipass cell.
  • the beam 1 can have any desired cross section. For a simplified representation it is assumed that the beam 1 has a circular cross-section.
  • the shaping optics 261 are designed and arranged such that the beam 11 is approximately collimated in the yz focal plane and the beam waist of the input beam lies at the center plane 33 in the xz focal plane. After reflection from mirror 797, the beam is collimated in the xz focal plane so that reflected beam 112 becomes a collimated beam with an approximately circular cross-section.
  • N is an integer.
  • Beam 112 is reflected by mirror 796 into beam 113 focusing in the xz focal plane.
  • the beam 113 has its focus in the center or focal plane 33. It thus has an elliptical beam cross-section in the center plane 33.
  • the beam 113 is reflected by the mirror 798 to form a beam 114 and is collimated.
  • the beam 114 has an approximately circular cross-section.
  • the beam is reflected back and forth and traverses the medium multiple times.
  • the beam cross-section changes from elliptical to circular and from circular to elliptical again.
  • the cross sections of the rays at mirror 796 are shown in Figure 3c.
  • the beam cross sections in the center plane 33 are shown in FIG. 3d.
  • FIG. 3e shows the beam cross-sections at the mirrors 797 and 798. It can be seen that that the beam at the mirrors has large and approximately circular cross-sections. This is advantageous in order to avoid damage to the mirrors due to high pulse peak power.
  • At least one of the mirrors 796, 797 and 798 is a GDD or GTI mirror.
  • the dispersion of the mirrors is chosen to compensate for the dispersion caused by the medium and air and to shorten the pulse length due to incremental broadening of the beam spectrum after each pass.
  • FIG. 4a shows a further exemplary embodiment according to the invention.
  • the multipass cell consists of three spherical and concave mirrors 776, 777 and 778.
  • the three mirrors have the same radius of curvature.
  • the mirrors 777 and 778 are placed one above the other with the same z-position.
  • Mirror 776 is placed relative to mirrors 777 and 778 such that the distance equals the radius of curvature of the mirrors.
  • the mirrors thus form a confocal arrangement.
  • the broken line symbolizes the center plane 33 of the multipass cell. In this special case, the center plane is also the focal plane of the mirrors.
  • a non-linear medium 66 is placed near the mid-plane 33 or in the mid-plane 33 .
  • the astigmatic beam 11 formed with shaping optics 261 is coupled into a multipass cell.
  • beam 1 can have any desired cross section.
  • the shaping optics 261 are designed and arranged in such a way that the beam 11 is approximately collimated in the yz plane and the beam waist of the input beam lies on the center plane 33 in the xz plane.
  • the beam After reflection from mirror 777, the beam is collimated in the xz plane while the beam is focused in the yz plane, so that the reflected beam 322 is an astigmatic beam that is approximately parallel in the xz plane and in the yz-plane has a beam waist in the mid-plane and whose cross-section changes from circular to elliptical and back to circular during propagation.
  • Ray 322 is reflected by mirror 776 as ray 323 .
  • the beam is focused in the xz plane and collimated in the yz plane.
  • ray 323 has a focus in midplane 33.
  • the elliptical cross-section of ray 323 is perpendicular to the cross-section of ray 322.
  • Ray 323 is reflected by mirror 778 into ray 324.
  • the beam is collimated in the xz plane and focused in the yz plane. In this way, the beam is reflected back and forth and traverses the medium multiple times.
  • the beam cross-section changes from elliptical to circular and from circular to elliptical again.
  • FIG. 4b The cross sections of the rays at the mirror 776 are shown in FIG. 4b.
  • the beam cross sections in the center plane 33 are shown in FIG. 4c.
  • FIG. 4d shows the beam cross-sections at the mirrors 777 and 778. It can be seen that the beam at the mirrors has large and approximately circular cross-sections compared to the focal plane.
  • At least one of the mirrors 776, 777 and 778 is a GDD or GTI mirror.
  • the dispersion of the mirror is chosen to balance out the dispersion caused by the medium and air and to shorten the pulse length due to incremental broadening of the beam spectrum after each pass.
  • FIGS. 5a and 5b A further embodiment is shown in FIGS. 5a and 5b.
  • FIG. 5a shows the plan view
  • FIG. 5b shows the side view of a multi-pass cell.
  • the multipass cell consists of two cylindrical, concave mirrors 717 and 718.
  • the cylinder axes of the two mirrors are parallel to one another and lie in the xz plane.
  • the two mirrors have the same radius of curvature.
  • mirrors 717 and 798 are placed confocally.
  • the broken line symbolizes the middle plane33 of the multipass cell.
  • the center plane is also the focal plane of the mirror.
  • a non-linear medium 66 is placed near the center plane 33 .
  • the astigmatic beam 11 formed with shaping optics 261 is coupled into a multipass cell at an angle. This creates multi-passes in a zigzag form between the two cylindrical mirrors.
  • the beam 1 can have any desired cross section.
  • the shaping optics 261 are designed and arranged in such a way that the beam 11 is approximately collimated in the xz plane and the beam waist of the input beam is in the yz plane at the center plane 33 located. After reflection from mirror 718, the beam is collimated in the yz plane such that reflected beam 362 becomes a biplane collimated beam with an approximately circular cross-section.
  • Beam 362 is reflected from mirror 717 into beam 363 focusing in the yz plane.
  • ray 363 has a focus at midplane 33.
  • Ray 363 is reflected by mirror 718 into ray 364.
  • the beam is collimated in the yz plane.
  • Beam 364 has an approximately circular cross-section.
  • the beam is reflected back and forth by the two mirrors and passes through the medium several times.
  • the beam cross-section changes from elliptical to circular and from circular to elliptical again.
  • the cross sections of the rays at the mirror 717 are shown in FIG. 5c.
  • the beam cross sections in the center plane 33 are shown in FIG. 5d.
  • FIG. 5e shows the beam cross-sections at the mirror 718. It can be seen that the beam at the mirrors has large and approximately circular cross-sections. This is advantageous in order to avoid damaging the mirrors due to a high pulse peak power.
  • a specified number of passes can be generated within the multipass cell by a suitable angle of incidence of the beam 11 .
  • At least one of the mirrors 796, 797 and 798 is a GDD or GTI mirror.
  • the dispersion of the mirror is chosen to compensate for any dispersion caused by the medium and air and to shorten the pulse length due to incremental broadening of the beam spectrum after each pass.
  • FIG. 6a shows a top view
  • FIG. 6b the side view of a multipass cell.
  • the multipass cell consists of two mirror arrays 727 and 728.
  • the mirror arrays are formed by spherical mirror elements that are identical and concavely curved.
  • the spherical mirror elements have the same radius of curvature.
  • the two mirror arrays are spaced apart by a distance equal to the radius of curvature.
  • the mirror arrays thus form a confocal arrangement.
  • the broken line symbolizes the center plane 33 of the multipass cell. at In this confocal case, the center plane is also the focal plane of the mirrors.
  • a non-linear medium 66 is placed near the center plane 33 .
  • the astigmatic beam 11 formed with shaping optics 261 is coupled into the multipass cell.
  • beam paths 381, 382, 383, 384, 385, 386, 387, 388, 389, 390, 391, 392 and 393 arise within the multipass cell.
  • beam 1 has a circular cross section .
  • the shaping optics 261 are designed and arranged in such a way that the beam 11 is approximately collimated in the xz plane and the beam waist of the input beam lies on the center plane 33 in the xz plane.
  • the beam After reflection from a first mirror element of mirror array 728, the beam is collimated in the xz plane, while in the yz plane the beam is focused such that the reflected beam 382 is an astigmatic beam which in the yz plane approximates is parallel and has a midplane beam waist in the xz plane and whose cross section changes from circular to elliptical and back to circular during propagation.
  • the ray 382 is reflected by a first mirror element of the mirror array 727 into a ray 383 .
  • the beam is focused in the yz plane and collimated in the xz plane.
  • ray 383 has a focus in midplane 33.
  • the elliptical cross section of ray 383 is perpendicular to the cross section of ray 382.
  • Ray 383 is reflected by a second mirror element of the Mirror arrays 728 are reflected into a beam 384.
  • the beam is collimated in the yz plane and focused in the xz plane. In this way, the beam is reflected back and forth and traverses the medium multiple times.
  • the beam cross-section changes from elliptical to circular and from circular to elliptical again.
  • the cross sections of the beams at the mirror array 717 are shown in FIG. 6c.
  • the jet cross sections in the center plane 33 are shown in FIG. 6d.
  • FIG. 6e shows the beam cross sections on the mirror array 718. It is evident that the beam has large and approximately circular cross sections on the mirror elements.
  • At least one mirror array 717 and 718 is a GDD or GTI mirror.
  • the dispersion of the mirror is chosen so that dispersion caused by the medium and the air is compensated and the pulse length ge is shortened after each pass due to incremental broadening of the beam spectrum.
  • a cylindrical lens is used for the shaping optics 261, the focal length of which is equal to the focal length of the mirror and the focus of which lies in the focal plane 33.
  • a diaphragm array or several diaphragm arrays can be used in the multipass cell to increase the beam quality.
  • a diaphragm array in the focal plane 33 or in the vicinity of the focal plane 33 is advantageously used.
  • the diaphragm arrays have openings whose geometry is adapted to the beam cross-sections of the respective beam passage points.
  • FIGS. 7b, 7c and 7d Examples of diaphragm arrays for the White multipass cell shown in FIG. 4 are shown in FIGS. 7b, 7c and 7d.
  • FIG. 7b An example of a diaphragm array located in a plane immediately in front of mirror 776 is shown in FIG. 7b.
  • This focal plane has openings 201, 202, 203,
  • the diaphragm array also has five openings 221, 222, 223, 224, 225.
  • the opening cross sections should be 1.3 to 2 times the beam cross sections of the corresponding Gaussian beam .
  • Figure 7c and 7d show an example of the arrangement of the openings of diaphragm arrays for the focal plane 33 or on the mirrors 777 and 778.

Abstract

Optische Anordnung, bei der es möglich ist, die nötige Vergrößerung der Bandbreite durch die Selbstphasenmodulation (SPM) in einer kompakten Bauweise zu generieren, ohne dass dabei eine durch Kerr-Linsen-Effekt bedingte Selbstfokussierung zur Verringerung der Strahlqualität führt und die Formungsoptik durch hohe Leistungsdichte beschädigt wird. Es wird eine Multipasszelle verwendet, die aus einer Spiegelanordnung besteht. In der Multipasszelle wird ein nichtlineares Medium mit vernachlässigbarer Absorption zur Erzeugung der Selbstphasenmodulation angeordnet. Ein Laserstrahl wird mit einer Formungsoptik zu einem definierten einfachastigmatischen Strahl transformiert und in die Multipasszelle eingekoppelt, wobei der Laserstrahl zwischen der Spiegelanordnung hin- und zurückreflektiert wird und mehrfach das nichtlineare Medium durchläuft. Die Krümmungen der Spiegel der Spiegelanordnung sind so ausgelegt und die Spiegel sind so angeordnet, dass der Strahl mehrere Taillen innerhalb der Multipasszelle aufweist, wobei die Taillen in der xz-Ebenen und in der yz-Ebenen an unterschiedlichen z-Positionen liegen, wobei die x-y-z-Koordninaten ein rechtwinkliges xyz-Koordinatensystem bilden.

Description

"Optische Anordnung zur Vergrößerung von spektralen Bandbreiten und zur Verkürzung von Ultrakurzpulsen"
Beschreibung
Die Materialbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern gewinnt für präzise und flexible Produktionsverfahren zunehmend an Bedeutung. Die hohe Präzision basiert hauptsäch lich auf der Tatsache, dass die Laserpulse kürzer sind als die charakteristischen Zeitkonstanten für die thermischen Wechselwirkungen zwischen den Laserpulsen und den zu bearbeitenden Materialien. Im Allgemeinen gilt, dass desto kürzer die Pulse sind umso präziser die Bearbeitung ist.
Ultrakurzpulslaser für die industrielle Materialbearbeitung bestehen aus einer Oszilla- tor-Verstärker-Anordnung. Die Pulslänge des Oszillators wird durch die Bandbreite des eingesetzten Lasermediums bestimmt. So liegt die typische Pulsdauer eines modegelockten Yb.YAG-Oszillators bei 700 fs. Um eine für die Materialbearbeitung relevante Pulsenergie zu erzeugen, werden Oszillator-Verstärker-Anordnungen ver wendet. Bedingt durch die Bandbreite des Verstärkungsmediums wird die Bandbreite der verstärkten Pulse aufgrund von Gain-Narrowing verringert, wodurch die verstärkten Pulse verlängert werden.
Zur Vergrößerung der Bandbreite kann der nichtlineare Prozess der Selbstphasen modulation benutzt werden. Allerdings ist die Selbstphasenmodulation mit räumli chen Phasenmodulationen, wie Kerr-Linsen-Effekt, verbunden. Der Kerr-Linsen- Effekt kann zu einer katastrophalen Selbstfokussierung und zu einer nicht akzeptab len Verringerung der Strahlqualität führen.
Für die Materialbearbeitung werden überwiegend stigmatische Strahlen verwendet. Ein stigmatischer Strahl weist kreisförmige Leistungsdichteverteilungen in jeder Ebene, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung steht, unter freier Ausbreitung auf. Die Strahltaillen eines stigmatischen Strahls haben in zwei senkrecht zueinander stehen den Ebenen die gleiche Größe und liegen zusammen an der gleichen Position. In diesem Fall ist die Leistungsdichte umgekehrt proportional zu dem Quadrat des Strahldurchmessers. Bei stabilen und kompakten Optikaufbauten führt dies zu einer
BESTÄTIGUNGSKOPIE sehr hohen Leistungsdichte in Fokussen, Spiegeln oder Linsen. Eine zu hohe Leistungsdichte kann zur Zerstörung von Optiken, wie Linsen und Spiegeln, führen.
Die DE 102014007 159 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zur spektralen Verbreiterung von Laserpulsen für die nichtlineare Pulskompression.
Die Laserpulse werden in eine optische Anordnung eingekoppelt, in der sie abwech selnd durch wenigstens einen Abschnitt, der wenigstens ein Medium mit nichtlinearen optischen Eigenschaften enthält und in dem die Laserpulse durch Selbstphasenmodulation eine nichtlineare Phase erhalten, und einen Abschnitt propagieren, in dem im Wesentlichen keine nichtlineare Phase durch Selbstphasenmodulation erzeugt wird.
Die DE 102015005257 A1 beschreibt eine optische Anordnung zur Erhöhung der Strahlqualität und zur Verbesserung der Intensitätsverteilung eines Laserstrahls. Es werden eine oder mehrere sphärische und/oder zylindrische Komponenten, wie Linsen und/oder Spiegel, verwendet, mit denen der Stahl fokussiert wird. Mindestens zwei Blenden werden im Fokusbereich der Komponenten in Reihe entlang der Strahlausbreitung verwendet, wobei die Öffnungsformen und -großen der Blenden durch den Strahlquerschnitt an der jeweiligen axialen Position der Blenden bestimmt werden.
Die Publikation BRONS, Jonathan, et al. Efficient, high-power, all-bulk spectral broadening in a quasi-waveguide, 2017 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC), IEEE, 2017, S. 1-1, bezieht sich auf eine effiziente, leistungsstarke, spektrale Verbreiterung von ultrakurzen Pulsen in einem Quasi-Wellenleiter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, optische Anordnungen anzugeben, die es ermöglichen, eine festgelegte Vergrößerung der Bandbreite durch Selbstphasenmo dulation (SPM) mit einer kompakten Bauweise zu generieren.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Anordnung mit den Merkmalen des An spruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung ergeben sich aus den ab hängigen Ansprüchen.
Gemäß der Erfindung verwendet die optische Anordnung zur Vergrößerung von spektralen Bandbreiten durch nichtlineare Selbstphasenmodulation zur Verkürzung von Ultrakurzpulsen eine Multipasszelle und ein nichtlineares Medium. Das nichtline are Medium ist innerhalb der Multipasszelle angeordnet, und ein Laserstrahl mit Ultrakurzpulsen durchläuft mehrfach das nichtlineare Medium. Der Laserstrahl wird über eine Formungsoptik in die Multipasszelle eingekoppelt, wobei über die Formungsoptik der Laserstrahl zu einem astigmatischen Strahl geformt und in die Multipasszelle eingekoppelt wird.
Mit einer derartigen Anordnung ist es möglich, eine festgelegte Vergrößerung der Bandbreite durch Selbstphasenmodulation (SPM) mit einer kompakten Bauweise zu generieren, ohne dass dabei die durch den Kerr-Linsen-Effekt bedingte Selbstfokussierung zu einer Verringerung der Strahlqualität führt und ohne dass Formungsopti ken durch hohe Leistungsdichten beschädigt werden.
Bevorzugt handelt es sich bei der Multipasszelle um eine Herriott-Multipasszelle.
In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht die Multipasszelle aus drei zylindrischen Spiegeln. Die drei zylindrischen Spiegel sind so ausgelegt und angeordnet, dass deren Krümmungen in einer gemeinsamen xz-Ebene liegen und deren Fokusebenen in einer gemeinsamen Fokusebene stehen. Durch die Formungsoptik wird der Strahl so ausgelegt und angeordnet, dass der Strahl zu einem Strahl transfor miert wird, der in der yz-Ebene kollimiert ist und in der xz-Ebene einen Fokus aufweist, und dass das nichtlineare Medium in der Fokusebene oder in der Nähe der Fokusebene platziert ist.
Bei den x-, y- und z-Koordinaten handelt es sich um ein rechtwinkliges Koordinatensystem, wobei die z-Koordinate parallel zur Ausbreitungsrichtung steht, die x- Koordinate und die y-Koordinate senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung stehen.
In einerweiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht die Multipasszelle aus drei sphärischen Spiegeln. Die drei sphärischen Spiegel sind so ausgelegt und angeordnet, dass sie eine White-Multipasszelle bilden und eine gemeinsame Fokusebene haben, wobei die Formungsoptik so ausgelegt und angeordnet ist, dass der Strahl zu einem astigmatischen Strahl transformiert wird, der in der yz-Ebene kollimiert ist und in der xz-Ebene einen Fokus aufweist, oder in der xz-Ebene kollimiert ist und in der yz-Ebene einen Fokus aufweist, wobei das nichtlineare Medium in der Fokusebene oder in der Nähe der Fokusebene platziert wird. Die x-, y-, z-Koordinaten bilden ein rechtwinkliges xyz-Koordinatensystem mit der z-Koordinate parallel zur Ausbreitungsrichtung des Strahls.
Auch ist eine optische Anordnung vorgesehen, deren Multipasszelle aus zwei zylind rischen Spiegeln besteht. Die beiden zylindrischen Spiegel werden so ausgelegt und angeordnet, dass deren Fokuslinien in der xz-Faltungsebene und in einer gemein samen Fokusebene liegen, und die Formungsoptik wird so ausgelegt und angeordnet, dass der Strahl zu einem astigmatischen Strahl transformiert wird, der in der xz- Ebene kollimiert ist und in der yz-FEbene einen Fokus aufweist, wobei das nichtlineare Medium in der Fokusebene oder in der Nähe der Fokusebene platziert wird. Die erwähnten x-, y-, z-Koordinaten bilden ein rechtwinkliges xyz-Koordinatensystem.
In einer weiteren optischen Anordnung der Erfindung besteht die Multipasszelle aus zwei Spiegel-Arrays, wobei jedes Spiegel-Array aus mindestens zwei sphärischen und konkaven Spiegelelementen besteht. Die sphärischen Spiegelelemente sind identisch und konkav gekrümmt und deren Fokusse liegen in einer gemeinsamen Ebene, wobei die Formungsoptik so ausgelegt und angeordnet wird, dass der Strahl zu einem astigmatischen Strahl transformiert wird, der in der yz-Ebene kollimiert ist und in der xz-Ebene einen Fokus aufweist, oder in der xz-Ebene kollimiert ist und in der yz-Ebene einen Fokus aufweist, wobei das nichtlineare Medium in der Fokus ebene oder in der Nähe der Fokusebene platziert ist, mit der z-Koordinate parallel zur Ausbreitungsrichtung des Strahls.
Es ist auch von Vorteil, dass mindestens einer der Spiegel oder mindestens eines der Spiegelelemente mit einer Beschichtung zur Kompensation der Dispersion versehen ist, so dass sie wie ein GDD- (Gruppenverzögerungsdispersion) oder GTI- (Gires-Tournois-Interferometer) Spiegel zur Komprimierung der Pulse wirken.
Es ist auch vorgesehen, dass zur Erhöhung der Strahlqualität mindestens ein Blen- den-Array in der Multipasszelle eingesetzt wird. Die Öffnungen des Blenden-Arrays sind in ihrer Geometrie an die Strahlquerschnitte der jeweiligen Strahldurchtrittsstellen angepasst. Das Blenden-Array ist an einem oder mehreren Faltungsspiegel/n und/oder in der Fokusebene und/oder in der Nähe der Fokusebene angeordnet.
Die Öffnungen des mindestens einen Blenden-Arrays sollten das 1,3- bis zu 2-fache des Strahlquerschnitts des entsprechenden Gauß’schen Strahls betragen. Um zu Erreichen, dass die Pulslänge minimiert wird oder an die Erfordernisse angepasst wird, werden zur Pulskomprimierung bzw. Pulsverkürzung der Pulse Gitter, Prismen, GDD-Spiegel und/oder GTI-Spiegel ausgangsseitig, in Strahlausbreitungs richtung, d.h. in z-Richtung, gesehen, hinter der Multipasszelle angeordnet.
Durch die Verwendung von unter anderen zylindrischen Formungsoptiken, wie Zylin derlinsen, Zylinderspiegeln oder Prismen, kann ein stigmatischer Strahl zu einem einfach-astigmatischen Strahl umgeformt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
Figur 1 ein schematisches Beispiel eines astigmatischen Strahls,
Figur 2a eine Herriot-Multipasszelle, wobei die Figuren 2b und 2c die beiden Spiegel der Figur 2a zeigen mit den auf den jeweiligen Spiegel auftreffenden Strahlquer schnitten der Laserstrahlen,
Figuren 3a und 3b eine weitere Ausführungsform einer Multipasszelle, in Figur 3a in einer Draufsicht und in Figur 3b in einer der Figur 3a zuordneten Seitenansicht, wo bei Figur 3c und 3e die Strahlquerschnitte der Laserstrahlen an den jeweiligen Spiegeln zeigen und Figur 3d die Strahlquerschnitte der Laserstrahlen in der Mittelebene darstellt,
Figuren 4a bis 4d eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Multipasszelle, die drei sphärische, konkav gekrümmte Spiegel umfasst, wobei Figur 4b und Figur 4d die Strahlquerschnitte der Laserstrahlen an den Spiegelflächen darstellt und Figur 4c die Strahlquerschnitte der Laserstrahlen in der Mittelebene zeigt,
Figuren 5a und 5e eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit zwei zylindrischen, konkaven Spiegeln, wobei Figur 5a eine Draufsicht und Figur 5b eine entsprechende Seitenansicht darstellt; die Querschnitte der Laserstrahlen an den beiden Spiegeln sind in den Figuren 5c und 5e gezeigt, während die Figur 5d die Querschnitte der Laserstrahlen in der Mittelebene zeigt,
Figuren 6a eine Draufsicht und 6b eine entsprechende Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Multipassezelle bestehend aus zwei Spiegel-Arrays, die durch sphärische Spiegelelemente mit identi- scher, konkaver Krümmung aufgebaut sind, wiederum mit den Strahlquerschnitten der Laserstrahlen auf den Spiegeln der zwei Spiegel-Arrays in den Figuren 6c und 6e und den Stahlquerschnitten in der Mittelebene in der Figur 6d und
Figuren 7b, 7c und 7d verschiedene Blenden-Arrays, die beispielsweise in der in Figur 4 dargestellten Multipasszelle jeweils vor dem Spiegel 776, in der Fokusebene 33 und vor den Spiegeln 777 und 778 einsetzbar sind.
In den Figuren geben die x-, y- und z-Koordinaten ein rechtwinkliges xyz- Koordinatensystem an.
Figur 1 zeigt ein Beispiel eines einfach-astigmatischen Strahls. Der einfachastigmatische Strahl propagiert in z-Richtung. In derxz-Ebene hat der Strahl eine Taille doxO mit einer Rayleigh-Länge ZOx. In der yz-Ebene hat der Strahl eine Strahltaille doyO mit einer Rayleigh-Länge ZOy. qsc steht für den Divergenzwinkel in der xz-Ebene und qsg steht für den Divergenzwinkel in der yz-Ebene. Bei einem ein fach-astigmatischen Strahl kann die Formungsoptik so positioniert werden, dass der Querschnitt des Strahls annäherungsweise rund wird, so dass die Leistungsdichte auf der Formungsoptik erheblich reduziert werden kann, ohne dass dabei eine zu hohe Intensität in der Fokusebene vorliegt.
Die Kernidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Multipasszelle verwendet wird, die aus einer Spiegelanordnung mit Spiegeln 771 , 772, 796, 797, 798, 776, 777, 778, 717, 718 oder 727, 728 besteht, die in den Figuren gezeigt sind. In der Multipasszelle ist ein nichtlineares Medium 66 mit vernachlässigbarer Absorption zur Erzeugung der Selbstphasenmodulation angeordnet, wobei ein Laserstrahl 1 mit einer Formungsoptik 261 zu einem definierten einfach-astigmatischen Strahl 11 transformiert und in die Multipasszelle eingekoppelt wird. Der Laserstrahl 11 wird zwischen der Spiegelanordnung derart hin und her reflektiert, dass er mehrfach das nichtlineare Medium 66 durchläuft, wobei die Krümmungen der Spiegel so ausgelegt sind und die Spiegel so angeordnet werden, dass der Strahl mehrere Taillen innerhalb der Multipasszelle aufweist. Die Taillen liegen in den xz-Ebenen und in den yz- Ebenen an unterschiedlichen z-Positionen.
In der Zeichnung zeigt Figur 2a eine Herriott-Multipasszelle, die aus zwei sphärischen Spiegeln 771 und 772 besteht. Durch Verwendung einer Formungsoptik 261 wird ein Strahl 1 bzw. Laserstrahl 1 zu einem einfach-astigmatischen Strahl 11 ge- formt. Durch einen Kantenspiegel 781, d. h. einen Spiegel, der eine scharfe Kante aufweist, wird der einfach-astigmatische Strahl 11 in die Herriott-Multipasszelle ein gekoppelt. Die Spiegel 771 und 772 sind so ausgelegt und zueinander angeordnet, dass im Zusammenwirken mit einer Formungsoptik 261 der Strahl einen sich verän dernden elliptischen Querschnitt entlang der Propagationsrichtung innerhalb der Multipasszelle aufweist. Beispielhaft zeigt Figur 2b die Strahlquerschnitte des Strahls an dem Spiegel 771 und Figur 2c die Strahlquerschnitte des Strahls an dem Spiegel 772. Innerhalb der Multipasszelle wird ein Medium 66 angeordnet. Das Medium 66 weist eine vernachlässigbare Absorption für den Strahl 11 auf und wirkt als ein nichtlineares Medium, das bei einer hohen Pulsleistungsdichte zur Selbstphasenmodula tion führt. Ein Beispielmedium ist eine Quarzglasplatte, die auf beiden Flächen antireflexiv für den Strahl 11 beschichtet ist. Durch Verwendung eines weiteren Kantenspiegels 782 wird der Strahl aus der Multipasszelle als Ausgangsstrahl 19 ausgekoppelt. Die akkumulierte Selbstphasenmodulation aufgrund des Mehrfachdurch gangs durch das nichtlineare Medium führt zu einer Verbreiterung des Strahlspektrums.
Eine einfachste Ausführung der Formungsoptik 261 besteht aus einer Zylinderlinse mit einer definierten Fokuslänge. Die Fokuslänge sollte so gewählt werden und so eingestellt werden, dass der Fokus des Strahls in der fokussierten Ebene, in der Fokusebene oder in der Nähe der Fokusebene 33 liegt.
Die Dispersion des Mediums und der Luft führt zu unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten für verschiedene Wellenlängen. Dies führt zu einer Verlängerung der Pulsdauer des Strahls. Durch eine nachgeschaltete Anordnung aus dispersiven Formungsoptiken können die Pulse des Strahls komprimiert bzw. verkürzt werden. Zur Pulskomprimierung können z. B. Gitter, Spiegel, wie GDD Spiegel, GTI Spiegel, Prismen usw., verwendet werden.
Vorteilhaft ist, dass mindestens einer der Spiegel 771 und 772 ein GDD- (Gruppen verzögerungsdispersion) oder GTI- (Gires-Tournois-Interferometer) Spiegel ist. Die Dispersion des Spiegels wird so gewählt, dass die durch das Medium und die Luft verursachte Dispersion ausgeglichen wird und die Pulslänge aufgrund inkrementeller Verbreiterung des Strahlspektrums nach jedem Durchgang verkürzt wird.
In Figur 3a und Figur 3b ist eine weitere Ausführung dargestellt. Dabei zeigt Figur 3a die Draufsicht und Figur 3b die Seitenansicht einer Multipasszelle. Die Multipasszelle besteht aus drei zylindrischen Spiegeln 796, 797 und 798. Die Krümmungen der Spiegel liegen in der xz-Ebene. Bei dem gezeigten Fall haben die drei Spiegel den gleichen Krümmungsradius. In vorteilhafter weise werden die Spiegel 797 und 798 übereinander in x-Richtung mit der gleichen z-Position angeordnet. Der Spiegel 796 wird zu den Spiegeln 797 und 798 so positioniert, dass die Entfernung dem Krüm mungsradius der Spiegel 797 und 798 gleicht. So bilden die Spiegel eine konfokale Anordnung. Die unterbrochene Linie symbolisiert die Mittelebene 33 der Multipasszelle. Bei diesem speziellen Fall ist die Mittelebene 33 gleichzeitig die Fokusebene der Spiegel 796, 797 und 798. In der Nähe der Mittelebene 33 wird ein nichtlineares Medium 66 angeordnet. Der mit einer Formungsoptik 261 geformte astigmatische Strahl 11 wird in eine Multipasszelle eingekoppelt. Bei dieser gezeigten Ausführungsform entstehen innerhalb der Multipasszelle acht Strahlgänge 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117 und 118. Grundsätzlich kann der Strahl 1 einen beliebigen Querschnitt haben. Für eine vereinfachte Darstellung wird vorausgesetzt, dass der Strahl 1 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Formungsoptik 261 wird so ausgelegt und angeordnet, dass der Strahl 11 in der yz-Fokusebene annähernd kollimiert ist und in der xz-Fokusebene die Strahltaille des Eingangsstrahls an der Mittelebene 33 liegt. Nach Reflektion von dem Spiegel 797 wird der Strahl in der xz-Fokusebene kolli miert, so dass der reflektierte Strahl 112 ein kollimierter Strahl mit einem annähernd kreisförmigen Querschnitt wird.
Durch geeignete Einstrahlung des Strahls 11 und Orientierung der Spiegel können innerhalb der Zelle 4*N Pässe (Strahlengänge) generiert werden. Dabei ist N eine ganze Zahl.
Der Strahl 112 wird von dem Spiegel 796 zu einem Strahl 113 fokussierend in der xz- Fokusebene reflektiert. Der Strahl 113 hat seinen Fokus in der Mittel- bzw. Fokusebene 33. So hat er einen elliptischen Strahlquerschnitt in der Mittelebene 33. Der Strahl 113 wird von dem Spiegel 798 zu einem Strahl 114 reflektiert und kollimiert. Der Strahl 114 weist einen annähernd kreisförmigen Querschnitt auf.
Auf diese Weise wird der Strahl hin und her reflektiert und durchläuft mehrfach das Medium. Dabei ändert sich der Strahlquerschnitt von elliptisch zu kreisförmig und von kreisförmig wieder zu elliptisch. Die Querschnitte der Strahlen an Spiegel 796 zeigt die Figur 3c. In Figur 3d sind die Strahlquerschnitte in der Mittelebene 33 dargestellt. Figur 3e zeigt die Strahlquerschnitte an den Spiegeln 797 und 798. Es zeigt sich, dass der Strahl an den Spiegeln große und annähernd kreisförmige Querschnitte aufweist. Dies ist vorteilhaft, um Beschädigungen der Spiegel aufgrund hoher Pulsspitzenleistung zu vermeiden.
Vorteilhaft ist, dass mindestens einer der Spiegel 796, 797 und 798 ein GDD- oder GTI-Spiegel ist. Die Dispersion der Spiegel wird so gewählt, dass die durch das Me dium und die Luft verursachte Dispersion ausgeglichen wird und die Pulslänge aufgrund inkrementeller Verbreiterung des Strahlspektrums nach jedem Durchgang verkürzt wird.
Figur 4a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Die Multipass zelle besteht aus drei sphärischen und konkaven Spiegeln 776, 777 und 778. Bei dem gezeigten Beispiel haben die drei Spiegel den gleichen Krümmungsradius. Bevorzugt werden die Spiegel 777 und 778 übereinander mit der gleichen z-Position angeordnet. Der Spiegel 776 wird zu den Spiegeln 777 und 778 so angeordnet, dass die Entfernung dem Krümmungsradius der Spiegel gleicht. So bilden die Spiegel eine konfokale Anordnung. Die unterbrochene Linie symbolisiert die Mittelebene 33 der Multipasszelle. Bei diesem speziellen Fall ist die Mittelebene gleichzeitig die Fokusebene der Spiegel. In der Nähe der Mittelebene 33 oder in der Mittelebene 33 wird ein nichtlineares Medium 66 angeordnet. Der mit einer Formungsoptik 261 geformte astigmatische Strahl 11 wird in eine Multipasszelle eingekoppelt. Bei diesem gezeig ten Beispiel entstehen Innerhalb der Multipasszelle acht Strahlengänge 321, 322, 323, 324, 325, 326, 327 und 328. Grundsätzlich kann der Strahl 1 einen beliebigen Querschnitt haben. Für eine vereinfachte Darstellung wird vorausgesetzt, dass der Strahl 1 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Formungsoptik 261 wird so ausgelegt und angeordnet, dass der Strahl 11 in der yz-Ebene annähernd kollimiert ist und in der xz-Ebene die Strahltaille des Eingangsstrahls an der Mittelebene 33 liegt. Nach Reflektion von dem Spiegel 777 wird der Strahl in der xz-Ebene kollimiert, während der Strahl in der yz-Ebene fokussiert wird, so dass der reflektierte Strahl 322 ein astigmatischer Strahl ist, der in der xz-Ebene annähernd parallel ist und in der yz-Ebene eine Strahltaille in der Mittelebene aufweist und dessen Querschnitt sich während der Ausbreitung von kreisförmig zu elliptisch und wieder zu kreisförmig verändert.
Der Strahl 322 wird von dem Spiegel 776 als Strahl 323 reflektiert. Dabei wird der Strahl in der xz-Ebene fokussiert und in der yz-Ebene kollimiert. In der xz-Ebene hat der Strahl 323 einen Fokus in Mittelebene 33. So hat er einen elliptischen Strahlquerschnitt in der Mittelebene 33. Der elliptische Querschnitt des Strahls 323 ist rechtwinklig zu dem Querschnitt des Strahls 322. Der Strahl 323 wird von dem Spie gel 778 zu einem Strahl 324 reflektiert. Dabei wird der Strahl in der xz-Ebene kolli- miert und in der yz-Ebene fokussiert. Auf diese Weise wird der Strahl hin und her reflektiert und durchläuft mehrfach das Medium. Dabei ändert sich der Strahlquerschnitt von elliptisch zu kreisförmig und von kreisförmig wieder zu elliptisch. Die Querschnitte der Strahlen an dem Spiegel 776 zeigt die Figur 4b. In Figur 4c sind die Strahlquerschnitte in der Mittelebene 33 dargestellt. Figur 4d zeigt die Strahlquerschnitte an den Spiegeln 777 und 778. Es zeigt sich, dass der Strahl an den Spiegeln im Vergleich zu der Fokusebene große und annähernd kreisförmige Querschnitte aufweist.
Auch hierbei ist es vorteilhaft, dass mindestens einer der Spiegel 776, 777 und 778 ein GDD- oder GTI-Spiegel ist. Die Dispersion des Spiegels wird so gewählt, dass die durch das Medium und die Luft verursachte Dispersion ausgeglichen wird und die Pulslänge aufgrund inkrementeller Verbreiterung des Strahlspektrums nach jedem Durchgang verkürzt wird.
In den Figuren 5a und 5b ist eine weitere Ausführung dargestellt. Dabei zeigt die Fi gur 5a die Draufsicht und Figur 5b die Seitenansicht einer Multipasszelle. Die Multipasszelle besteht aus zwei zylindrischen, konkaven Spiegeln 717 und 718. Die Zy linderachsen der beiden Spiegel stehen parallel zueinander und liegen in der xz- Ebene. Bei dem gezeigten Fall haben die beiden Spiegel den gleichen Krümmungs radius. Vorteilhafterweise werden die Spiegel 717 und 798 konfokal angeordnet. Die unterbrochene Linie symbolisiert die Mittelebene33 der Multipasszelle. Für den kon- fokalen Fall ist die Mittelebene gleichzeitig die Fokusebene der Spiegel. In der Nähe der Mittelebene 33 wird ein nichtlineares Medium 66 angeordnet. Der mit einer For mungsoptik 261 geformte astigmatische Strahl 11 wird unter einem Winkel in eine Multipasszelle eingekoppelt. So entstehen zwischen den beiden Zylinderspiegeln Multipässe in Zickzack-Form. Grundsätzlich kann der Strahl 1 einen beliebigen Querschnitt haben. Für eine vereinfachte Darstellung wird vorausgesetzt, dass der Strahl 1 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Formungsoptik 261 wird so ausgelegt und angeordnet, dass der Strahl 11 in der xz-Ebene annähernd kollimiert ist und in der yz-Ebene die Strahltaille des Eingangsstrahls an der Mittelebene 33 liegt. Nach Reflektion von dem Spiegel 718 wird der Strahl in der yz-Ebene kollimiert, so dass der reflektierte Strahl 362 ein in beiden Ebenen kollimierter Strahl mit einem annähernd kreisförmigen Querschnitt wird.
Der Strahl 362 wird von dem Spiegel 717 zu einem Strahl 363 fokussierend in der yz- Ebene reflektiert. Der Strahl 363 hat in der yz-Ebene einen Fokus in der Mittelebene 33. So hat er einen elliptischen Strahlquerschnitt in der Mittelebene 33. Der Strahl 363 wird von dem Spiegel 718 zu einem Strahl 364 reflektiert. Dabei wird der Strahl in der yz-Ebene kollimiert. Der Strahl 364 weist einen annähernd kreisförmigen Querschnitt auf.
Auf diese Weise wird der Strahl von den beiden Spiegeln hin und her reflektiert und durchläuft mehrfach das Medium. Dabei ändert sich der Strahlquerschnitt von elliptisch zu kreisförmig und von kreisförmig wieder zu elliptisch. Die Querschnitte der Strahlen an dem Spiegel 717 zeigt die Figur 5c. In Figur 5d sind die Strahlquerschnitte in der Mittelebene 33 dargestellt. Figur 5e zeigt die Strahlquerschnitte an dem Spiegel 718. Es zeigt sich, dass der Strahl an den Spiegeln große und annähernd kreisförmige Querschnitte aufweist. Dies ist vorteilhaft, um Beschädigungen der Spiegel aufgrund einer hohen Pulsspitzenleistung zu vermeiden.
Durch einen geeigneten Einstrahlwinkel des Strahls 11 kann innerhalb der Multipasszelle eine festgelegte Anzahl von Pässen generiert werden.
Vorteilhaft ist, dass mindestens einer der Spiegel 796, 797 und 798 ein GDD- oder GTI-Spiegel ist. Die Dispersion des Spiegels wird so gewählt, dass eine durch das Medium und die Luft verursachte Dispersion ausgeglichen wird und die Pulslänge aufgrund inkrementeller Verbreiterung des Strahlspektrums nach jedem Durchgang verkürzt wird.
Figuren 6a und 6b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Figur 6a zeigt eine Draufsicht und Figur 6b die Seitenansicht einer Multipasszelle.
Die Multipasszelle besteht aus zwei Spiegel-Arrays 727 und 728. Die Spiegel-Arrays werden durch sphärische Spiegelelemente, die identisch und konkav gekrümmt sind, gebildet. Die sphärischen Spiegelelemente haben den gleichen Krümmungsradius. Die beiden Spiegel-Arrays werden mit einem Abstand, der dem Krümmungsradius gleicht, zueinander angeordnet. So bilden die Spiegel-Arrays eine konfokale Anordnung. Die unterbrochene Linie symbolisiert die Mittelebene 33 der Multipasszelle. Bei diesem konfokalen Fall ist die Mittelebene gleichzeitig die Fokusebene der Spiegel.
In der Nähe der Mittelebene 33 wird ein nichtlineares Medium 66 angeordnet. Der mit einer Formungsoptik 261 geformte astigmatische Strahl 11 wird in die Multipasszelle eingekoppelt. Bei diesem gezeigten Beispiel entstehen innerhalb der Multipasszelle Strahlgänge 381, 382, 383, 384, 385, 386, 387, 388, 389, 390, 391, 392 und 393. Für eine vereinfachte Darstellung wird vorausgesetzt, dass der Strahl 1 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Formungsoptik 261 wird so ausgelegt und angeordnet, dass der Strahl 11 in der xz-Ebene annähernd kollimiert ist und in der xz-Ebene die Strahltaille des Eingangsstrahls an der Mittelebene 33 liegt. Nach Reflektion von einem ersten Spiegelelement des Spiegel-Arrays 728 wird der Strahl in der xz-Ebene kollimiert, während in der yz-Ebene der Strahl fokussiert wird, so dass der reflektierte Strahl 382 ein astigmatischer Strahl ist, der in der yz-Ebene annähernd parallel ist und in der xz-Ebene eine Strahltaille in der Mittelebene aufweist und dessen Quer schnitt sich während der Ausbreitung von kreisförmig zu elliptisch und wieder zu kreisförmig verändert.
Der Strahl 382 wird von einem ersten Spiegelelement des Spiegel-Arrays 727 zu einem Strahl 383 reflektiert. Dabei wird der Strahl in der yz-Ebene fokussiert und in der xz-Ebene kollimiert. In der yz-Ebene hat der Strahl 383 einen Fokus in Mittelebene 33. So hat er einen elliptischen Strahlquerschnitt in der Mittelebene 33. Der elliptische Querschnitt des Strahls 383 ist rechtwinklig zu dem Querschnitt des Strahls 382. Der Strahl 383 wird von einem zweiten Spiegelelement des Spiegel-Arrays 728 zu einem Strahl 384 reflektiert. Dabei wird der Strahl in der yz-Ebene kollimiert und in der xz-Ebene fokussiert. Auf diese Weise wird der Strahl hin und her reflektiert und durchläuft mehrfach das Medium. Dabei ändert sich der Strahlquerschnitt von elliptisch zu kreisförmig und von kreisförmig wieder zu elliptisch. Die Querschnitte der Strahlen an dem Spiegel-Array 717 zeigt die Figur 6c. In Figur 6d sind die Strahl querschnitte in der Mittelebene 33 dargestellt. Figur 6e zeigt die Strahlquerschnitte an dem Spiegel-Array 718. Es zeigt sich, dass an den Spiegelelementen der Strahl große und annähernd kreisförmige Querschnitte aufweist.
Auch hierbei ist es vorteilhaft, dass mindestens ein Spiegel-Array 717 und 718 ein GDD- oder GTI-Spiegel ist. Die Dispersion des Spiegels wird so gewählt, dass durch das Medium und die Luft verursachte Dispersion ausgeglichen wird und die Pulslän- ge aufgrund inkrementeller Verbreiterung des Strahlspektrums nach jedem Durch gang verkürzt wird.
Für einen stigmatischen Strahl 1 ist es vorteilhaft, dass für die Formungsoptik 261 eine zylindrische Linse verwendet wird, deren Fokuslänge der Fokuslänge der Spiegel gleicht und deren Fokus in der Fokusebene 33 liegt.
Zur Erhöhung der Strahlqualität können ein Blenden-Array oder mehrere Blenden- Arrays in der Multipasszelle verwendet werden. Vorteilhaft wird ein Blenden-Array in der Fokusebene 33, oder in der Nähe der Fokusebene 33, verwendet. Die Blenden- Arrays weisen Öffnungen auf, deren Geometrie an die Strahlquerschnitte der jeweili gen Strahldurchtrittsstellen angepasst ist.
Beispiele von Blenden-Arrays für die in Figur 4 dargestellten White-Multipasszelle zeigen die Figur 7b, Figur 7c und Figur 7d.
Ein Beispiel von einem Blenden-Array, das in einer Ebene unmittelbar vor dem Spiegel 776 liegt, zeigt die Figur 7b. Diese Fokusebene hat Durchtritte 201, 202, 203,
204, 205. Das Blenden-Array hat ebenfalls fünf Öffnungen 221, 222, 223, 224, 225. Als eine Faustregel gilt, dass die Öffnungsquerschnitte das 1,3- bis zu 2-fache der Strahlquerschnitte des entsprechenden Gauß’schen Strahls betragen sollen. Figur 7c und 7d zeigen beispielhaft die Anordnungen der Öffnungen von Blenden-Arrays für die Fokusebene 33 bzw. an den Spiegeln 777 und 778.

Claims

Patentanmeldung "Optische Anordnung zur Vergrößerung von spektralen Bandbreiten und zur Verkürzung von Ultrakurzpulsen" Patentansprüche
1. Optische Anordnung zur Vergrößerung von spektralen Bandbreiten durch nichtlineare Selbstphasenmodulation zur Verkürzung von Ultrakurzpulsen, wobei eine Multipasszelle und ein nichtlineares Medium (66) verwendet wer den, wobei das nichtlineares Medium innerhalb der Multipasszelle angeordnet ist, und ein Laserstrahl (1) mit Ultrakurzpulsen mehrfach das nichtlineare Medium (66) durchläuft, dadurch gekennzeichnet ist, dass der Laserstrahl (1) über eine Formungsoptik (261) in die Multipasszelle eingekoppelt wird, wobei über die Formungsoptik (261) der Laserstrahl (1) zu einem astigmatischen Strahl (11) geformt und in die Multipasszelle eingekoppelt wird.
2. Optische Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Multipasszelle eine Herriott-Multipasszelle ist.
3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Multipasszelle drei zylindrischen Spiegeln (796, 797, 798) umfasst, wobei die drei zylindrischen Spiegel (796, 797, 798) so ausgelegt und angeordnet sind, dass deren Krümmungen in einer gemeinsamen xz-Ebene liegen und deren Fokusebenen in einer gemeinsamen Fokusebene (33) stehen, wobei die Formungsoptik (261) so ausgelegt und angeordnet ist, dass der Laserstrahl (1) zu einem Strahl (11) transformiert wird, der in der yz-Ebene kollimiert ist und in der xz-Ebene einen Fokus in der Fokusebene (33) aufweist, und dass das nichtlineare Medium (66) in der Fokusebene (33) oder in der Nähe der Fokusebene (33) platziert ist, wobei die x-, y-, z-Koordinaten ein rechtwinklinges xyz-Koordinatensystem bilden.
4. Optische Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Multipasszelle aus drei sphärischen Spiegeln (776, 777, 778) besteht, wobei die drei sphärischen Spiegel (776, 777, 778) so ausgelegt und angeordnet sind, dass sie eine White-Multipasszelle bilden und eine gemeinsame Fokusebene (33) haben, wobei die Formungsoptik (261) so ausgelegt und angeord net ist, dass der Laserstrahl (1) zu einem astigmatischen Strahl (11) transfor miert wird, der in der yz-Ebene kollimiert ist und in der xz-Ebene einen Fokus aufweist, oder in der xz-Ebene kollimiert ist und in der yz-Ebene einen Fokus aufweist, wobei das nichtlineare Medium (66) in der Fokusebene (33) oder in der Nähe der Fokusebene (33) platziert wird, wobei die x-, y-, z-Koordinaten ein rechtwinklinges xyz-Koordinatensystem bilden.
5. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Multipasszelle aus zwei zylindrischen Spiegeln (717, 718) besteht, wobei die beiden zylindrischen Spiegel so ausgelegt und angeordnet sind, dass deren Fokuslinien in der xz-Faltungsebene und in einer gemeinsamen Fokusebene (33) liegen, wobei die Formungsoptik (261) so ausgelegt und angeordnet ist, dass der Laserstrahl (1) zu einem astigmatischen Strahl (11) transformiert wird, der in der xz-Ebene kollimiert ist und in der yz-Ebene einen Fokus aufweist, wobei das nichtlineare Medium (66) in der Fokusebene (33) oder in der Nähe der Fokusebene (33) platziert ist, wobei die x-, y-, z-Koordinaten ein rechtwinklinges xyz-Koordinatensystem bilden.
6. Optische Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Multipasszelle aus zwei Spiegel-Arrays (727, 728) besteht, wobei jedes Spie- gel-Array aus mindestens zwei sphärischen und konkaven Spiegelelementen besteht, wobei die sphärischen Spiegelelemente identisch und konkav ge krümmt sind und deren Fokusse in einer gemeinsamen Ebene (33) liegen, wobei die Formungsoptik (261) so ausgelegt und angeordnet ist, dass der Laserstrahl (1) zu einem astigmatischen Strahl (11) transformiert wird, der in der yz-Ebene kollimiert ist und in der xz-Ebene einen Fokus in der Ebene (33) aufweist, oder in der xz-Ebene kollimiert ist und in der yz-Ebene einen Fokus in der Ebene (33) aufweist, wobei das nichtlineare Medium (66) in der Ebene (33) oder in der Nähe der Ebene (33) platziert ist wobei die x-, y-, z- Koordinaten ein rechtwinkliges xyz-Koordinatensystem bilden.
7. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, dass mindestes einer der Spiegel mit einer Beschichtung zur Kom pensation der Dispersion versehen ist, so dass er wie ein GDD- oder GTI- Spiegel zur Komprimierung der Pulse wirkt.
8. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Strahlqualität mindestens ein Blenden-Array in der Multipasszelle eingesetzt ist, wobei die Öffnungen des Blenden-Arrays in ihrer Geometrie an die Strahlquerschnitte der jeweiligen Strahldurchtrittsstellen durch das Blenden-Arrray angepasst sind, wobei das Blenden-Array an einem oder mehreren Faltungsspiegel/n und/oder in der Fokusebene (33) und/oder in der Nähe der Fokusebene (33) angeordnet ist.
9. Optische Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsquerschnitte des mindestens einen Blenden-Arrays um 1,3- bis zu 2- fache des Strahlquerschnitts des entsprechenden Gauß’schen Strahls betragen.
10. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, dass zur Pulskomprimierung bzw. Pulsverkürzung der Pulse Gitter, Prismen, GDD-Spiegel und/oder GTI-Spiegel ausgangsseitig, in Strahlausbrei tungsrichtung gesehen, hinter der Multipasszelle angeordnet sind.
11. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, dass mindestens eine weitere Multipasszelle zur Verbreiterung des Spektrums vorgesehen ist.
12. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Pulsverkürzung mindestens eine weitere Anordnung aus Gitter, Prismen, GDD-Spiegel und/oder GTI-Spiegel eingesetzt sind.
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