WO2022083950A1 - Optische anordnung zur pulskompression eines gepulsten laserstrahls und lasersystem - Google Patents

Optische anordnung zur pulskompression eines gepulsten laserstrahls und lasersystem Download PDF

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laser beam
offset
diffraction
diffraction grating
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Aleksander BUDNICKI
Raphael SCELLE
Hans-Jürgen OTTO
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Trumpf Laser Gmbh
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    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • H01S3/2316—Cascaded amplifiers

Definitions

  • the invention relates to an optical arrangement for pulse compression of a pulsed laser beam, comprising: a grating arrangement which has at least one diffraction grating.
  • the invention also relates to a laser system with such an optical arrangement.
  • Optical arrangements that have a grating compressor with one or more diffraction gratings (diffractive gratings) are used, for example, for pulse compression in chirped pulse amplification (CPA) systems.
  • CPA chirped pulse amplification
  • the laser pulses of the pulsed laser beam are stretched in a stretcher, amplified in an amplifier and compressed in a compressor.
  • Lattice compressors are often used as compressors in a CPA system. Due to the high pulse peak power in CPA systems, a large beam diameter of the pulsed laser beam is required in the compressor to avoid unwanted non-linear effects (Kerr lens) or im to prevent the diffraction grating of the grating compressor from being destroyed in the worst case.
  • the large beam diameter requires large diffraction gratings, ie diffraction gratings with a large grating area, which lead to high manufacturing costs.
  • a system for amplifying ultra-short optical pulses has become known from US Pat. No. 5,847,863, which can be used in particular for chirped pulse amplification.
  • a fiber stretcher is combined with a grating compressor.
  • a telescope is placed in the beam path of the collimated beam to compensate for a phase mismatch between the fiber stretcher and the grating compressor.
  • the grating compressor may be of the Treacy type, having a first grating for beam expansion and a second grating for beam collimation.
  • the object of the invention is to provide an optical arrangement for pulse compression and a laser system with such an optical arrangement which can be implemented in a compact design even with high pulse peak powers.
  • an optical arrangement of the type mentioned at the outset which has a beam-expanding device, in particular at least one beam-expanding optical element, for forming a divergent, pulsed laser beam, which divergently enters the grating arrangement for pulse compression and the grating arrangement typically passes divergently.
  • the laser beam typically maintains its divergent beam shape as it traverses the grating assembly, i.e., the laser beam is typically neither collimated nor focused in the grating assembly.
  • the pulsed laser beam is not collimated into the (typically non-imaging) grating arrangement, but divergent, specifically with a divergence angle predetermined by the beam-expanding device.
  • the beam-expanding device can have one or more beam-expanding optical elements, for example in the form of transmitting optical elements, for example in the form of lenses, and/or in the form of reflecting optical elements, for example in the form of (curved) mirrors.
  • the pulse duration of the pulsed laser beam is still long and the pulse peak power or peak intensity is comparatively low, so that if the grating arrangement is designed correctly, even with a comparatively small beam diameter, non-linear effects are avoided and no optics are damaged.
  • the divergent laser beam therefore typically has a small beam diameter and requires only a small grating area on the first diffraction grating.
  • the pulse duration is reduced and the pulse peak power increases.
  • the corresponding increase in peak intensity can be compensated for with sufficient expansion of the divergent laser beam by increasing the grating area on which the laser beam impinges, so that the non-linear effects described above are avoided and no optics are damaged.
  • the required grating area of the diffraction grating(s) of the grating arrangement can be reduced by 50% in this way. In this way, a cost-effective lattice arrangement can be implemented in a compact design.
  • the laser beam is typically diffracted four times at a diffractive grating structure, namely along a diffraction plane or along several parallel diffraction planes.
  • a spectral splitting and a spectral combining of the spectral components of the pulsed laser beam takes place in a respective diffraction plane.
  • the grating arrangement can have four diffraction gratings, through which the laser beam passes only once.
  • the grating area of the diffraction grating increases from the first diffraction grating in the beam path to the fourth diffraction grating in the beam path in a direction that runs perpendicular to the diffraction plane, since the beam diameter of the divergent laser beam also increases during propagation through the grating arrangement. Due to the larger beam diameter, which requires a larger grating area, non-linear effects can be avoided or the destruction of the optics by the increasing pulse peak power can be prevented.
  • the particular grating area of the first three diffraction gratings can be reduced in a direction perpendicular to the diffraction plane compared to a grating arrangement into which the laser beam enters collimated.
  • the reduction in grating area is greatest for the first diffraction grating and decreases for the second and third diffraction gratings.
  • the grating size perpendicular to the diffraction plane generally corresponds to the grating size of a grating arrangement with a laser beam entering the grating arrangement in collimated form.
  • the laser beam passes through at least one of the diffraction gratings of the grating arrangement at least twice in order to reduce the number of diffraction gratings of the grating arrangement.
  • the laser beam hits the diffraction grating, more precisely the diffractive grating structure of the diffraction grating, several times in different surface areas.
  • the grating arrangement has at least one deflection device for deflecting the laser beam after it has passed through at least one diffraction grating, the deflection device being designed to deflect the laser beam back to the at least one diffraction grating that has already passed through.
  • the deflection device preferably has at least two reflection surfaces for deflecting the laser beam. The deflection of the laser beam with the help of the deflection device makes it possible to run through one and the same diffraction grating several times.
  • the deflection device which deflects the laser beam back to the (at least one) diffraction grating, can be, for example, a prism, in particular a roof prism, or several prisms or prism groups.
  • the deflection device can also be one or more mirrors, for example in the form of roof mirrors.
  • the reflection surfaces are generally flat surfaces on which the pulsed laser beam is reflected by total reflection. At least two reflection surfaces are generally required for the reflection of the laser beam back to the at least one diffraction grating.
  • the deflection device is designed to generate a beam offset in at least one beam offset direction.
  • the laser beam deflected at the deflection device typically runs parallel and in the opposite direction to the laser beam entering the deflection device and is offset in at least one beam offset direction by a predetermined beam offset to the incoming laser beam.
  • the beam offset makes it possible for the deflected laser beam to hit or pass through the diffraction grating that has already passed through in a different surface area than was the case when it first passed through the diffraction grating.
  • the beam offset of the laser beam usually runs in a beam offset direction that runs perpendicular to the diffraction plane in which the laser beam is expanded by the diffraction gratings and brought together again by diffraction.
  • at least one of the deflection devices it is also possible for at least one of the deflection devices to produce a beam offset of the laser beam that runs in a plane parallel to the diffraction plane.
  • the deflection device is designed to generate a beam offset in two beam offset directions and has at least three reflection surfaces for deflecting the laser beam.
  • the deflection device can have a single deflection element which comprises the (at least) three reflection surfaces.
  • Such a deflection element typically fulfills the function of a retroreflector.
  • the geometry of the reflection surfaces of such a deflection element is not necessarily square, like this is the case with a conventional cube-shaped retroreflector.
  • a combined deflection of the laser beam can take place in a beam offset direction perpendicular to the diffraction plane and additionally parallel to the diffraction plane.
  • Such a deflection is advantageous, for example, if the grating arrangement has only a single diffraction grating.
  • the laser beam is deflected in a first direction (e.g. vertically) with a first beam offset after an even number of previous diffractions and in a second direction after an odd number of previous diffractions. to the first perpendicular direction (e.g. horizontal) with a second beam offset.
  • a vertical deflection takes place after two diffractions or after two diffraction gratings.
  • a horizontal deflection usually takes place after the first and third diffraction and a vertical deflection after the second diffraction.
  • a horizontal deflection usually takes place after the first and third diffraction and a vertical deflection after the second diffraction.
  • other configurations are also possible for the deflection of the laser beam in the grating arrangement.
  • the grating arrangement has a first and a second diffraction grating through which the laser beam passes in succession, and the deflection device is designed to direct the laser beam with a beam offset that preferably runs in a beam offset direction that is aligned perpendicular to a diffraction plane , to return to the second diffraction grating (and also to the first diffraction grating).
  • the laser beam passes through the first and second diffraction gratings, between which there are typically no imaging optical elements, for the first time and then (with a larger beam cross section) a second time - offset in parallel - in the opposite direction from that at the deflection device pass through the deflected laser beam.
  • the deflection device is typically arranged at a comparatively small distance from the second diffraction grating, so that the beam cross section of the laser beam when it first passes through the second diffraction grating and when it passes through the second diffraction grating for the second time after deflection at the deflection device are practically the same size.
  • the surface areas on the second diffraction grating that are filled or required by the laser beam or by the deflected laser beam are therefore approximately the same size.
  • the beam offset that is generated by the deflection device therefore typically corresponds to approximately half the height of the second diffraction grating in the beam offset direction.
  • the two diffraction gratings, more precisely their diffractive grating structures, are generally aligned in parallel in the optical device described here, but this is not absolutely necessary.
  • the first diffraction grating and the second diffraction grating are offset from one another by a lateral offset along a beam offset direction that runs perpendicularly to a diffraction plane of the grating arrangement.
  • At least one further deflection device is arranged between the first diffraction grating and the second diffraction grating, which generates a lateral offset of the laser beam along a beam offset direction that runs perpendicular to a diffraction plane of the grating arrangement.
  • the further deflection device does not direct the laser beam to the one that has already passed through it diffraction grating back.
  • the additional deflection device can only generate a lateral (parallel) offset of the laser beam, which retains its propagation direction after passing through the additional deflection device.
  • the further deflection device is designed as a prism or as a plane-parallel plate which is arranged inclined at an angle in relation to the direction of propagation of the laser beam in order to generate the beam offset.
  • the further deflection device it is also possible for the further deflection device to be designed not only to displace the laser beam laterally, but also to deflect it at a predetermined angle, for example in the diffraction plane.
  • the two diffraction gratings are typically not aligned in parallel, but are also aligned at an angle to one another in the diffraction plane.
  • the additional deflection device can be used to generate a lateral offset that enables the center of the beam cross section of the laser beam and the center of the beam cross section of the deflected laser beam to hit the surface area of the two diffraction gratings intended for the respective diffraction in the beam offset direction in the middle, without
  • the two diffraction gratings must be offset in the beam offset direction perpendicular to the diffraction plane.
  • the two diffraction gratings can thus be positioned at the same height in the beam offset direction.
  • a lateral offset between the two diffraction gratings in the beam offset direction or a lateral offset generated by the at least one further deflection device is given by:
  • AH 1/4 HG (HA - HE) / (HA + HE), where HG is the extent of the first diffraction grating in the beam offset direction, HE is the extent of the beam cross section of the laser beam in the beam offset direction when passing through the first diffraction grating for the first time and HA denote the extension of the beam cross section of the deflected laser beam in the beam displacement direction when passing through the first diffraction grating for the second time.
  • the lateral offset AH of the two diffraction gratings specified above is required to ensure that the center of the beam cross section of the laser beam and the center of the beam cross section of the deflected laser beam meet the two diffraction gratings in the beam offset direction in the middle of a surface area intended for diffraction, if there is no deflection device or no other optical elements are arranged between the two diffraction gratings that produce a beam offset.
  • the above-mentioned lateral offset AH is generated by the (at least one) additional deflection device in order to achieve that the two beam cross-sections in the beam offset direction are centered on a respective surface area provided for the diffraction of the diffraction grating meet.
  • a first additional deflection device generates a lateral offset +AH of the laser beam, which propagates from the first diffraction grating to the second diffraction grating
  • a second additional deflection device generates an opposite lateral offset -AH of the deflected beam, which is the same amount Laser beam propagating from the second diffraction grating to the first diffraction grating.
  • a single further deflection device for this purpose, which is designed, for example, in the form of a plane-parallel plate through which the laser beam passes at an angle to the surface normal.
  • the at least one further deflection device is designed to generate, in addition to the lateral offset, a beam offset in the direction of the beam offset, which beam offset corresponds to the beam offset of the deflection device.
  • a beam offset in the direction of the beam offset which beam offset corresponds to the beam offset of the deflection device.
  • an additional beam displacement can be generated by the further deflection device, the amount of which corresponds to the beam displacement generated by the deflection device.
  • two further deflection devices can be used, which offset the laser beam and the laser beam deflected at the deflection device in parallel with the amount of beam displacement generated by the deflection device in the beam displacement direction.
  • a single further deflection device for this purpose, for example in the form of a prism or the like, which deflects the laser beam in addition to the beam offset or the lateral offset in the beam offset direction also perpendicular to the beam offset direction, ie within the diffraction plane.
  • the grating arrangement has a single diffraction grating and a first deflection device for generating a beam offset in a first beam offset direction and a second deflection device for generating a beam offset in the second beam offset direction and preferably in the first beam offset direction, with the first and second deflection device are preferably arranged on opposite sides of the diffraction grating.
  • the laser beam passes through the single diffraction grating of the grating arrangement four times.
  • the two deflection devices allow the laser beam to hit the diffraction grating at four different surface areas.
  • the second deflection device can have one or more deflection elements in order to generate the beam offset in the first beam offset direction and in the second beam offset direction.
  • the second deflection device is designed to generate a lateral offset in the first beam offset direction, preferably in addition to a beam offset that corresponds to the amount of the beam offset of the first deflection device in the first beam offset direction, which is given by
  • AH 1/ 4 HG (HA - HE) / (HA + HE), where HG is the extent of the diffraction grating in the first beam displacement direction, HE the extension of the beam cross section of the laser beam in the first beam offset direction when first passing through the diffraction grating and HA the extension of the beam cross section of the deflected laser beam in the first beam offset direction when last passing through the diffraction grating.
  • the lateral offset in the first beam offset direction is required analogously to the embodiment described above with the two diffraction gratings in order to achieve that the beam cross section in the first beam offset direction impinges centrally on a respective surface area of the diffraction grating provided for the diffraction.
  • an edge at which the two reflection surfaces of the first deflection device adjoin one another can be offset by half the lateral offset (AH/2) to an edge at which two of the three reflection surfaces of the second deflection device adjoin one another.
  • the second deflection device can be designed to generate a beam offset in the first beam offset direction and additionally a lateral offset in the first beam offset direction.
  • the second deflection device it is also possible for the second deflection device to generate only a lateral offset, but no beam offset in the first beam offset direction, as described above in relation to the further deflection device(s) in the embodiment with the two diffraction gratings.
  • the steel cross-section of the laser beam emerging from the grating arrangement extends in a direction perpendicular to a diffraction plane of the grating arrangement by at least a factor of 1.5, preferably at least by a factor of 1.7, particularly preferably by at least one A factor of 2.0 larger than an extension of the beam cross section of the laser beam entering the grating arrangement in the direction perpendicular to the diffraction plane.
  • the extension of the beam cross section in the beam displacement direction corresponds to the diameter of the beam cross section or the beam diameter of the laser beam.
  • the beam cross-section or its extent in the direction perpendicular to the diffraction plane which typically corresponds to the or a beam offset direction, is the first in the beam path for the incoming laser beam Diffraction grating of the grating arrangement, more precisely measured at its diffractive grating structure. Accordingly, the beam cross-section or its extension in the direction perpendicular to the diffraction plane for the emerging laser beam is measured at the last diffraction grating of the grating arrangement in the beam path, which can possibly match the first diffraction grating (see above). Due to the divergent caustics of the laser beam, the beam cross section of the laser beam increases continuously as it passes through the grating arrangement.
  • the extension of the beam cross section in the direction perpendicular to the diffraction plane which corresponds to the beam diameter in the case of a circular beam cross section, generally increases significantly in the grating arrangement if the diffraction gratings are at a comparatively large distance from one another , which may be in the order of meters.
  • the beam-expanding optical element is designed to generate a divergence angle of the laser beam entering the grating arrangement that is between 0.5 mrad and 100 mrad.
  • the choice of a suitable divergence angle, with which the laser beam enters the grating arrangement depends on several parameters, for example the distance between the diffraction gratings.
  • the divergence angle should not be too large in order to avoid that the aberrations or phase errors when passing through the grating arrangement become too large, as this can lead to a deterioration in the beam quality of the laser beam, especially if the optical arrangement or the Grating compressor is operated near the transition to non-linearity of the diffraction condition.
  • the grating compressor or the grating arrangement can often be designed in such a way that an acceptable decrease or deterioration in the beam quality takes place without additional measures having to be taken to improve the beam quality.
  • the optical arrangement has at least one correction device, in particular a phase correction device, for at least partially compensating for a deterioration in the beam quality of the laser beam due to the divergence of the laser beam when it enters the grating arrangement.
  • a phase correction device for at least partially compensating for a deterioration in the beam quality of the laser beam due to the divergence of the laser beam when it enters the grating arrangement.
  • the correction device is typically a phase correction device, since the correction of the phase of the laser beam enables the beam quality of the laser beam to be improved without light losses. In principle, however, it is also possible to use other types of correction devices that correct the phase error in the spatial domain, for example in the form of gray filters, for example in the form of diaphragms, or the like.
  • the correction device is arranged in the beam path before the grating arrangement or in the beam path after the grating arrangement.
  • the correction for at least partially compensating for the deterioration in the beam quality can take place before or after passing through the grating arrangement.
  • a first correction device to be arranged in the beam path of the laser beam before the grating arrangement and for a second correction device to be arranged in the beam path of the laser beam after the grating arrangement.
  • the correction device can also be arranged within the grid arrangement. In the event that the compensation device is arranged in the collimated beam path, its position is fundamentally arbitrary.
  • the correction device is arranged in the divergent beam path and is designed as a phase correction device, it is basically favorable if it is arranged at a position at which the phase error to be compensated is at a maximum.
  • the correction device corrects the phase error in the spatial domain and is designed, for example, as a gray filter, for example in the form of an aperture, the correction device should be arranged at a position at which the phase error is minimal.
  • the phase correction device is designed as a diffractive optical device element formed.
  • the phase correction device can also be designed in a different way, for example in the form of a delay plate with a phase shift or delay that varies depending on the location.
  • a phase correction device in the form of a diffractive optical element can be integrated particularly easily into the grating arrangement.
  • the phase correction device is integrated into a diffraction grating of the grating arrangement, i.e. into the diffracting structure (grating structure).
  • the diffractive structure (grating structure) of the diffraction grating is designed in such a way that it also generates a phase correction in order to counteract a deterioration in the beam quality of the laser beam.
  • the deterioration of the beam quality of the laser beam which is due to the divergence when the laser beam enters the grating arrangement and which is due to a respective diffraction grating, can be almost completely corrected by a phase correction device that is integrated in this diffraction grating.
  • phase errors that can be attributed to previous or subsequent diffractions or diffraction gratings can be partially compensated for with such a phase correction device. It is therefore also possible for two or more phase correction devices to be integrated into two or more diffraction gratings. If the laser beam passes through one and the same diffraction grating at least twice in different surface areas, the phase correction in the respective surface area is suitably adjusted.
  • the diffractive optical element can be integrated into the first diffraction grating of the grating arrangement in the beam path.
  • the compensation device is required if a deterioration in beam quality is to be counteracted at a given divergence angle, the beam quality is to be increased if it was not optimal before the grating arrangement, or if the beam cross-section of the exiting from the grating arrangement is higher at higher pulse peak powers Laser beam has to be enlarged and the beam cross section of the laser beam entering the grating arrangement has to be reduced accordingly in order not to increase the required grating area.
  • the compensation device can in particular be designed to partially compensate for the deterioration of the beam quality K in the diffraction direction or in the diffraction plane, so that the beam quality K does not decrease by more than 0.1 when passing through the grating arrangement.
  • the optical arrangement has a collimating device, in particular at least one collimating optical element, for collimating the laser beam after it has passed through the grating arrangement.
  • a collimating device in particular at least one collimating optical element, for collimating the laser beam after it has passed through the grating arrangement.
  • the beam telescope increases the beam cross-section of the collimated laser beam that hits the beam-expanding device, i.e. the laser beam is expanded as it passes through the grating arrangement.
  • the collimating device may, for example, have one or more transmitting optical elements, e.g. in the form of lenses, and/or one or more reflecting optical elements, e.g. in the form of (curved) mirrors.
  • the diffraction grating(s) of the grating arrangement can in principle be designed to be transmissive or reflective. In both cases, the required grating area can usually be significantly reduced by the laser beam entering the grating arrangement divergently.
  • a further aspect of the invention relates to a laser system which has a laser source for generating a pulsed laser beam and an optical arrangement for pulse compression of the pulsed laser beam, which is designed as described above.
  • the laser system can be, for example, an ultra-short pulse system that includes a laser source for generating spectrally wide laser pulses.
  • the laser source can be a laser oscillator, for example, but the laser source can also be designed as a laser oscillator-amplifier combination.
  • Such a laser source has an oscillator, for example a fiber oscillator, for generating laser pulses and an amplifier arrangement for amplifying the laser pulses or the pulsed laser beam, which has one or more optical amplifiers.
  • the laser source can have a pulse stretcher for stretching the pulse durations of the laser pulses.
  • the pulse stretcher can be positioned in front of or inside the amplifier arrangement.
  • the laser source can be designed, for example, to generate laser pulses with spectral widths of, for example, 1 nm or more and pulse energies of, for example, 1 mJ or more.
  • the optical arrangement described above, more precisely the grating arrangement can serve as a dispersion adjustment unit for pulse duration compression (also called a pulse compressor) in such a laser system.
  • FIG. 1 a,b schematic representations of an optical arrangement for pulse compression of a pulsed laser beam, which has a Treacy-type grating arrangement with two transmitting or reflecting diffraction gratings and a deflection device in the form of a prism, each in a plan view,
  • FIGS. 1a, b schematic side views of the optical arrangements of FIGS. 1a, b with a pulse shape of a divergent, pulsed laser beam, which is generated by a beam-expanding element and passes through the grating arrangement with the transmitting or with the reflective diffraction gratings,
  • FIG. 5 shows a schematic representation of an optical arrangement for pulse compression, which has a single diffraction grating and two deflection devices, and
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a laser system which has a laser source for generating a pulsed laser beam and an optical arrangement for pulse compression of the pulsed laser beam.
  • 1a and 2a show an optical arrangement 1, which has a Treacy-type grating arrangement 2 with a first diffraction grating 3 operated in transmission and a second diffraction grating 4 operated in transmission, as well as a deflection device 5 in the form of a roof prism.
  • the two diffraction gratings 3, 4 are aligned parallel to one another and diffract a pulsed laser beam 6, which passes through the grating arrangement 2, along a YZ plane of an XYZ coordinate system, which is also referred to below as the diffraction plane.
  • the laser beam 6 is spectrally expanded and spectrally combined, as indicated by dashed lines in FIG. 1a.
  • the laser beam 6 After passing through the first and second diffraction gratings 3, 4, the laser beam 6 passes through the deflection device 5 and is deflected by it, more precisely retroreflected, with the deflection device 5 generating a beam offset AX in a beam offset direction X of the XYZ coordinate system, which is perpendicular to the diffraction plane YZ is aligned.
  • the laser beam 6 enters the grating arrangement 2 divergently and, when passing through the grating arrangement 2, i.e. when passing through the first and the second diffraction grating 3, 4 and when passing through the deflection device 5 its divergent jet shape.
  • the optical arrangement 1 has a beam-expanding device, which in the example shown is in the form of a first lens 7, which is arranged in the beam path in front of the grating arrangement 2.
  • a collimating device in the form of a second lens 8 is arranged in the beam path after the grating arrangement 2 .
  • the first and the second lens 7, 8 form a beam telescope for the laser beam 6, which is generated by a laser source, not shown, and collimated onto the first lens 7 impinges.
  • the first and second lenses 7, 8 are spherical lenses, but it is also possible to use cylindrical lenses.
  • FIG. 1b and FIG. 2b show an optical arrangement 1 in which the grating arrangement 2 has two reflecting diffraction gratings 3, 4 instead of two transmitting diffraction gratings 3, 4.
  • FIG. 1b and in Fig. 2b the laser beam 6 hits the first diffraction grating 3 at an angle to the grating normal in the diffraction plane YZ, as in the optical arrangement 1 shown in Fig. 1a and in Fig. 2a on.
  • the angle at which the laser beam 6 strikes the first diffraction grating 3 and the angle at which the exiting laser beam 6 is reflected at the first diffraction grating 3 are not in the diffraction plane YZ, but under one Shown aligned angle to the diffraction plane ZY in order to increase the clarity of the representation of the between the two diffraction gratings 3, 4 propagating laser beam 6.
  • the construction of the optical arrangement 1 shown in Fig. 1b and in Fig. 2b corresponds to the optical arrangement 1 shown in Fig. 1a and in Fig. 2a with the transmitting diffraction gratings 3, 4.
  • the size of the beam cross section of the laser beam 6 increases as it passes through the grating arrangement 2, specifically from a minimum extension HE of one first beam cross section S1a in the beam offset direction X during the first pass through the first diffraction grating 3 via a - practically equally large - second and third beam cross section S2a, S2b when passing through the second diffraction grating 4 to a fourth beam cross section S1b with a maximum extent HA in the beam offset direction X on the second Passing through the first diffraction grating s.
  • the respective beam cross sections S1a, S1b, S2a, S2b are shown in a circle in Fig. 3a, b, because the representation of the spectral fanning out and merging of the spectral components of the laser beam 6 in the diffraction plane YZ for reasons of clarity was waived.
  • the ratio between the extension HA of the beam cross section S1b of the laser beam 6 emerging from the grating arrangement 2 in the beam offset direction X to the extension HE of the beam cross section S1a of the laser beam 6 entering the grating arrangement 2 in the beam offset direction X applies: HA / HE > 1, 5, preferably >1.7, in particular >2.0.
  • the enlargement of the extent of the beam cross section of the laser beam 6 in the beam offset direction X when passing through the grating arrangement 2 is favorable for the laser resistance of the optical arrangement 1, since the pulse durations of the pulses of the laser beam 6 are shortened during propagation in the grating arrangement 2 and this the pulse peak power is increased.
  • the first diffraction grating 3 and the second diffraction grating 4 have the same extent HG in the beam offset direction X in the example shown.
  • the beam offset AX which is generated by the deflection device 5, corresponds to half the extension HG of the second diffraction grating 4 in the beam offset direction X.
  • a lateral offset AH in the beam offset direction X is required to move the center of the first and second beam cross section S1a, S2a when passing through the first and second diffraction grating 3 , 4 and the center of the third and fourth beam cross section S1b, S2b when passing through the first and second diffraction grating 3, 4 in the opposite direction with respect to the beam offset direction X to be positioned centrally in a surface area provided for the respective diffraction.
  • the first diffraction grating 3 and the second diffraction grating 4 are offset relative to one another in the beam offset direction X in order to generate the lateral offset AH.
  • AH 1/4 HG (HA - HE) / (HA + HE), where HE is the extension of the (first) beam cross section S1a of the laser beam 6 in the beam offset direction X when passing through the first diffraction grating 3 for the first time and HA is the extension of the (fourth) beam cross section S1 b of the deflected laser beam 6 in the beam displacement direction X when passing through the first diffraction grating 3 for the second time.
  • the two diffraction gratings 3, 4 are arranged at the same height in the beam offset direction X.
  • the lateral offset AH is generated by a deflection device 10 in the form of a plane-parallel plate, which is arranged between the first diffraction grating 3 and the second diffraction grating 4 and is inclined at an angle to the diffraction plane YZ or to the propagation direction of the laser beam 6 to generate the lateral offset AH.
  • the further deflection device 10 generates a lateral offset +AH of the laser beam 6 with a positive sign in the example shown.
  • the additional deflection device 10 produces a lateral offset ⁇ AH of the deflected laser beam 6 of the same magnitude with a negative sign.
  • a first and second further deflection device 10a, 10b are arranged between the first diffraction grating s and the second diffraction grating 4.
  • the two other deflection devices 10a, 10b are designed as prisms and differ from those in FIG. 3b further deflection devices 10 shown in that in addition to the lateral offset +AH, -AH they produce a beam offset in the beam offset direction X, which corresponds to the amount of the beam offset AX of the deflection device 5, but has the opposite sign.
  • the laser beam 6 After passing through the first further deflection device 10a, the laser beam 6 therefore does not strike the second diffraction grating 4 with a lateral offset of the amount AH, but with a lateral offset of AH + AX with the center of the second beam cross section S2a of the deflection device 5, not shown in Fig. 3c, in the negative beam offset direction X by a beam offset -AX parallel offset (cf. the third beam cross section S2b), before the deflected laser beam 6 at the second further deflection device 10b with a lateral offset of -AH + AX laterally is transferred.
  • the further deflection devices 10a, 10b shown in FIG lateral offset AH are offset from each other, as shown in Fig. 3a.
  • the beam-widening optical element 7 is designed to generate a divergence angle a of the laser beam 6 when it enters the grating arrangement 2, which angle is between 0.5 mrad and 100 mrad.
  • the divergence angle a should not be chosen too large, since too large a divergence of the laser beam 6 leads to a reduction in the beam quality K (or its return 1/M 2 ), as can be seen from FIG Deterioration of the diffraction index M 2 shows as a function of the minimum beam diameter.
  • the beam-expanding optical element 7 is a spherical lens, but it can also be a cylindrical lens that acts in a direction perpendicular to the diffraction plane YZ.
  • a / 2 wo M 2 X / TT, where X denotes the wavelength of the laser beam 6.
  • the optical arrangement 1 in the example shown has a first and second phase correction device 9a, 9b.
  • the first phase correction device 9a is arranged in the beam path in front of the grating arrangement 2, more precisely in the beam path in front of the beam-widening optical element in the form of the first lens 7.
  • the first phase correction device 9a is a diffractive optical element, but it can also be designed, for example, as a delay plate or in some other way.
  • the second phase correction device 9b also forms a diffractive optical element that is integrated into the first diffraction grating 3, ie the grating structure of the first diffraction grating 3 is modified in such a way that when the laser beam 6 is diffracted at the first diffraction grating 3, a phase correction is also carried out , which counteracts a deterioration in the beam quality K of the laser beam 6 .
  • the deterioration of the beam quality K of the laser beam 6 in the diffraction plane YZ or in the diffraction direction Y can be partially compensated for by the two phase correction devices 9a, 9b, so that the beam quality K when passing through the grating arrangement is no more than 0.1 decreases.
  • a single phase correction device can be sufficient for the phase correction to compensate for the deterioration in the beam quality K of the laser beam 6 by the amount specified above.
  • This can be integrated into the first diffraction grating 3, for example, as shown in FIGS. 2a, b.
  • the second diffraction grating 4 it is also possible for the second diffraction grating 4 to have the or a further phase correction device.
  • the or a further phase correction device can be arranged in the beam path after the grating arrangement 2 .
  • the phase correction device does not necessarily have to be arranged in the collimated beam path, but can also be arranged in the divergent beam path between the beam-expanding device or optics 7 and the collimating device 8 or optics, for example in the beam path outside the grating Arrangement 2, e.g. between the beam-expanding device 7 and the first diffraction grating 3 or in the beam path between the first diffraction grating s and the collimating device 8.
  • the phase correction device or another type of correction device to compensate for the deterioration in beam quality K can also be in the beam path between the two diffraction gratings 3, 4 or in the beam path between the second diffraction grating 4 and the deflection device 5.
  • the optical arrangement 1 does not necessarily have to have two diffraction gratings 3, 4, but can also have a larger or smaller number of diffraction gratings through which the laser beam 6 passes one or more times.
  • FIG. 5 shows an example of such an optical arrangement 1 with a grating arrangement 2 which has only a single diffraction grating 3 .
  • a first deflection device 5 which is designed like the deflection device 5 shown in FIGS. 1a, b or like the deflection device 5 shown in FIGS AX is formed in a first beam offset direction X perpendicular to the diffraction plane YZ, which corresponds to the amount of the beam offset AX in the first beam offset direction X of the first deflection device 5 with the opposite sign.
  • the second deflection device 11 is also designed to generate an additional lateral offset +AH, -AH in the first beam offset direction X, as described in more detail below.
  • the second deflection device 11 is additionally designed to displace the laser beam 6 in a second beam displacement direction Y by a second beam displacement AY, the second beam displacement direction Y running in the diffraction plane YZ or parallel to the diffraction plane YZ.
  • the second Deflection device 11 which is designed as a prism group, three
  • Reflective surfaces 11 a-c Reflective surfaces 11 a-c.
  • the second deflection device 11 additionally produces a lateral offset +AH, ⁇ AH in the first beam offset direction X, in order to achieve that a surface area of the diffraction grating 3 intended for a respective diffraction is hit centrally by the laser beam 6 .
  • the function of the two other deflection devices 10a, b of FIG. 3c is taken over by the second deflection device 11:
  • the second deflection device 11 After the first diffraction at the diffraction grating 3, the second deflection device 11 generates a beam offset +AX and a lateral offset +AH, with which the laser beam 6 impinges on the diffraction grating 3 in the second diffraction.
  • the first deflection device 5 generates a beam offset of ⁇ AX in the first beam offset direction X, so that the laser beam 6 strikes the diffraction grating 3 again in the third diffraction with the lateral offset +AH relative to the incident laser beam 6 .
  • an edge between the first and second reflection surfaces 11a, 11b of the second deflection device 11 in relation to an edge between the two reflection surfaces 5a, 5b of the first deflection device 5 in the first beam displacement direction X is - AH/2 positioned offset.
  • a positioning of the edges is not absolutely necessary in order to enable the type of deflection described above.
  • the first deflection device 5 is arranged at a comparatively small distance from the diffraction grating 3 in order to ensure that the beam cross section of the laser beam 6 remains approximately the same between the second and third diffraction.
  • the second deflection device 11 is arranged at a comparatively large distance from the diffraction grating 3 .
  • the second deflection device 11 can be designed to generate a lateral offset +AH, ⁇ AH with the amount indicated above, but no beam offset AX in the first beam offset direction X.
  • the second deflection device 11 produces a beam offset AY in the second beam offset direction Y, which corresponds to the beam offset AY shown in FIG.
  • the laser beam 6 can pass through the diffraction grating 3 four times in different surface areas.
  • the second deflection device 11 shown in FIG. 5 can replace the two further deflection devices 10a, b shown in FIG X the same function as the two other deflection devices 10a, b. If the two reflecting surfaces 11a, b shown in FIG. 5 are used as a further deflection device 10, the two diffraction gratings 3, 4 are not parallel but aligned at an angle to one another which runs in the diffraction plane YZ.
  • the two reflection surfaces 11a, 11b which can be formed in the form of a prism, e.g.
  • FIG. 5 as in FIGS. 1a,b, the fanning out of the laser beam 6 in the diffraction plane YZ, more precisely the marginal rays of the fanning out, are shown in dashed lines.
  • the additional deflection device 11 makes it possible for the laser beam 6 to pass through the diffraction grating 3 at four different surface areas that are offset relative to one another and is thereby diffracted four times.
  • the beam-expanding element 7 and the collimating element 8 of the optical arrangement 1 are also omitted in FIG.
  • the optical arrangement 1 described above has a compact design and can be used, for example, as a compressor in a chirped pulse amplification laser system 20, which is described below in connection with FIG. 6 is described in more detail.
  • the use of the optical arrangement 1 is not limited to a chirped pulse amplification system.
  • the laser system 20 shown in Fig. 6 is an ultra-short pulse system that has a laser pulse source 21 for generating a laser beam 6 with spectrally wide laser pulses and the optical arrangement 1 described above for dispersion adjustment, more precisely for pulse duration compression (also called a pulse compressor ) having.
  • the laser pulse source 21 can be designed, for example, as a laser oscillator or, as shown in FIG. 6, as a laser oscillator-amplifier combination.
  • a fiber oscillator 22 is integrated in the laser source 21, to which a dispersion adjustment unit 23 constructed similarly to the pulse compressor described above is integrated for generating a pulse stretching (also called a pulse stretcher).
  • the dispersion adjustment unit 23 for pulse stretching can also be in the form of a fiber Bragg grating (FBG).
  • the laser source 21 also has an amplifier chain with a number n of amplifiers 25a-n.
  • another module for amplitude and/or phase adjustment 24 is arranged in front of the amplifier chain 25a, . . . , 25n, which can also be integrated into the amplifier chain 25a, . . . , 25n.
  • An optical modulator 26 for selecting pulses or for adjusting the amplitude of the laser pulses is arranged after the amplifier chain 25a, ..., 25n and before the optical arrangement 1 which effects the pulse compression.
  • Free-beam optics 27 have at least one beam-widening optical element 7, which serves to generate a divergent input beam for grating arrangement 2, as explained above.
  • a dispersion adjustment of the beam path can be undertaken in order to finely adjust the pulse duration to do.
  • an intensity profile of the laser pulses can be provided with a desired pulse duration, for example the shortest possible pulse duration or one that is adapted to a processing method.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung (1) zur Pulskompression eines gepulsten Laserstrahls (6), umfassend: eine Gitter-Anordnung (2), die mindestens ein Beugungsgitter (3, 4) aufweist. Die optische Anordnung (1) umfasst eine strahlaufweitende Einrichtung, insbesondere mindestens ein strahlaufweitendes optisches Element (7), zur Bildung eines divergenten gepulsten Laserstrahls (6), der divergent in die Gitter-Anordnung (2) eintritt und die Gitter-Anordnung (2) typischerweise divergent durchläuft. Die Erfindung betrifft auch ein Lasersystem, welches eine Laserquelle zur Erzeugung des gepulsten Laserstrahls (6) sowie eine optische Anordnung (1) zur Pulskompression aufweist, die wie oben beschrieben ausgebildet ist.

Description

Laserstrahls und
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Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Pulskompression eines gepulsten Laserstrahls, umfassend: eine Gitter-Anordnung, die mindestens ein Beugungsgitter aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Lasersystem mit einer solchen optischen Anordnung.
Optische Anordnungen, die einen Gitter-Kompressor mit einem oder mehreren Beugungsgittern (diffraktiven Gittern) aufweisen, werden beispielsweise zur Pulskompression in Chirped-Pulse-Amplification (CPA)-Systemen eingesetzt. In einem CPA-System werden die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls in einem Strecker gestreckt, in einem Verstärker verstärkt und in einem Kompressor komprimiert. Als Kompressoren in einem CPA-System werden häufig Gitter- Kompressoren verwendet. Aufgrund der hohen Puls-Spitzenleistung in CPA- Systemen ist ein großer Strahldurchmesser des gepulsten Laserstrahls im Kompressor erforderlich, um unerwünschte nichtlineare Effekte (Kerrlinse) oder im schlimmsten Fall eine Zerstörung der Beugungsgitter des Gitter-Kompressors zu verhindern. Der große Strahldurchmesser erfordert große Beugungsgitter, d.h. Beugungsgitter mit einer großen Gitterfläche, die zu hohen Herstellungskosten führen.
Aus der US 5,847,863 ist ein System zur Verstärkung von ultrakurzen optischen Pulsen bekannt geworden, das insbesondere zur Chirped-Pulse-Amplification eingesetzt werden kann. In einem solchen System wird ein Faser-Strecker mit einem Gitter-Kompressor kombiniert. Zur Kompensation einer Phasen-Fehlanpassung zwischen dem Faser-Strecker und dem Gitter-Kompressor wird ein Teleskop im Strahlweg des kollimierten Strahls angeordnet. Der Gitter-Kompressor kann z.B. vom Treacy-Typ sein und ein erstes Beugungsgitter zur Strahlaufweitung und ein zweites Beugungsgitter zur Strahlkollimation aufweisen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung zur Pulskompression und ein Lasersystem mit einer solchen optischen Anordnung bereitzustellen, die sich auch bei hohen Puls-Spitzenleistungen in einer kompakten Bauform realisieren lassen.
Figure imgf000004_0001
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Anordnung der eingangs genannten Art gelöst, die eine strahlaufweitende Einrichtung, insbesondere mindestens ein strahlaufweitendes optisches Element, zur Bildung eines divergenten gepulsten Laserstrahls aufweist, der zur Pulskompression divergent in die Gitter- Anordnung eintritt und die Gitter-Anordnung typischerweise divergent durchläuft. Der Laserstrahl behält beim Durchlaufen der Gitter-Anordnung typischerweise seine divergente Strahlform bei, d.h. der Laserstrahl wird in der Gitter-Anordnung typischerweise weder kollim iert noch fokussiert.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der gepulste Laserstrahl nicht kollim iert in die (typischerweise nicht-abbildende) Gitter-Anordnung eingestrahlt wird, sondern divergent, und zwar mit einem von der strahlaufweitenden Einrichtung vorgegebenen Divergenzwinkel. Die strahlaufweitende Einrichtung kann eines oder mehrere strahlaufweitende optische Elemente z.B. in Form von transmittierenden optischen Elementen, beispielsweise in Form von Linsen, und/oder in Form von reflektierenden optischen Elementen, beispielsweise in Form von (gekrümmten) Spiegeln, aufweisen.
Beim Eintritt in die Gitter-Anordnung, d.h. wenn der Laserstrahl auf das erste Beugungsgitter im Strahlweg trifft, ist die Pulsdauer des gepulsten Laserstrahls noch lang und damit die Pulsspitzenleistung bzw. die Spitzenintensität vergleichsweise gering, so dass bei korrekter Auslegung der Gitter-Anordnung auch bei einem vergleichsweise kleinen Strahldurchmesser nichtlineare Effekte vermieden und keine Optiken beschädigt werden. Beim Eintritt in die Gitter-Anordnung weist der divergente Laserstrahl daher typischerweise einen kleinen Strahldurchmesser auf und benötigt nur wenig Gitterfläche am ersten Beugungsgitter.
Während der Propagation des Laserstrahls durch die Gitter-Anordnung, d.h. nach der Beugung am ersten Beugungsgitter, wird die Pulsdauer reduziert und die Pulsspitzenleistung nimmt zu. Der entsprechende Anstieg der Spitzenintensität kann aber bei ausreichender Aufweitung des divergenten Laserstrahls kompensiert werden, indem die Gitterfläche erhöht wird, auf die der Laserstrahl trifft, so dass die oben beschriebenen nichtlinearen Effekte vermieden und keine Optiken beschädigt werden. Im Grenzfall kann auf diese Weise die benötigte Gitterfläche des bzw. der Beugungsgitter der Gitter-Anordnung um 50% reduziert werden. Auf diese Weise kann eine kostengünstige Gitter-Anordnung in einer kompakten Bauform realisiert werden.
In einer Gitter-Anordnung zur Pulskompression wird der Laserstrahl typischerweise vier Mal an einer beugenden Gitterstruktur gebeugt, und zwar entlang einer Beugungsebene bzw. entlang von mehreren parallelen Beugungsebenen. In einer jeweiligen Beugungsebene erfolgt eine spektrale Aufspaltung und eine spektrale Zusammenführung der Spektralkomponenten des gepulsten Laserstrahls. Um die viermalige Beugung zu erzeugen, kann die Gitter-Anordnung vier Beugungsgitter aufweisen, die jeweils nur einmal vom Laserstrahl durchlaufen werden. In diesem Fall nimmt die Gitterfläche der Beugungsgitter vom im Strahlweg ersten Beugungsgitter zum im Strahlweg vierten Beugungsgitter in einer Richtung zu, die senkrecht zur Beugungsebene verläuft, da auch der Strahldurchmesser des divergenten Laserstrahls bei der Propagation durch die Gitter-Anordnung zunimmt. Durch den größeren Strahldurchmesser, der eine größere Gitterfläche erfordert, können nichtlineare Effekte vermieden werden bzw. die Zerstörung der Optiken durch die zunehmende Puls-Spitzenleistung kann verhindert werden.
Durch den divergent in die Gitter-Anordnung eintretenden Laserstrahl kann die insbesondere Gitterfläche der ersten drei Beugungsgitter in einer Richtung senkrecht zur Beugungsebene im Vergleich zu einer Gitter-Anordnung reduziert werden, in die der Laserstrahl kollim iert eintritt. Die Reduktion der Gitterfläche ist beim ersten Beugungsgitter am größten und nimmt beim zweiten und beim dritten Beugungsgitter ab. Am vierten Beugungsgitter entspricht die Gittergröße senkrecht zur Beugungsebene in der Regel der Gittergröße einer Gitter-Anordnung mit einem kollimiert in die Gitter-Anordnung eintretenden Laserstrahl.
In der Regel wird mindestens eines der Beugungsgitter der Gitter-Anordnung von dem Laserstrahl mindestens zwei Mal durchlaufen, um die Anzahl der Beugungsgitter der Gitter-Anordnung zu reduzieren. In diesem Fall trifft der Laserstrahl das Beugungsgitter, genauer gesagt die beugende Gitterstruktur des Beugungsgitters, mehrmals in unterschiedlichen Flächenbereichen.
Bei einer Ausführungsform weist die Gitter-Anordnung mindestens eine Umlenkeinrichtung zur Umlenkung des Laserstrahls nach dem Durchlaufen mindestens eines Beugungsgitters auf, wobei die Umlenkeinrichtung ausgebildet ist, den Laserstrahl zu dem mindestens einen bereits durchlaufenen Beugungsgitter zurückzulenken. Die Umlenkeinrichtung weist für die Umlenkung des Laserstrahls bevorzugt mindestens zwei Reflexionsflächen auf. Die Umlenkung des Laserstrahls mit Hilfe der Umlenkeinrichtung ermöglicht es, ein- und dasselbe Beugungsgitter mehrmals zu durchlaufen.
Bei der Umlenkeinrichtung, welche den Laserstrahl zu dem (mindestens einen) Beugungsgitter zurücklenkt, kann es sich beispielsweise um ein Prisma, insbesondere um ein Dachprisma, oder um mehrere Prismen oder Prismen-Gruppen handeln. Bei der Umlenkeinrichtung kann es sich auch um einen oder um mehrere Spiegel, beispielsweise in Form von Dachspiegeln, handeln. Bei den Reflexionsflächen handelt es sich in diesem Fall in der Regel um plane Flächen, an denen der gepulste Laserstrahl durch Totalreflexion reflektiert wird. Für die Reflexion des Laserstrahls zurück zu dem mindestens einen Beugungsgitter werden der Regel mindestens zwei Reflexionsflächen benötigt.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die Umlenkeinrichtung zur Erzeugung eines Strahlversatzes in mindestens einer Strahlversatzrichtung ausgebildet. Der an der Umlenkeinrichtung umgelenkte Laserstrahl verläuft typischerweise parallel und in entgegengesetzter Richtung zu dem in die Umlenkeinrichtung eintretenden Laserstrahl und ist in mindestens einer Strahlversatzrichtung um einen vorgegebenen Strahlversatz zu dem eintretenden Laserstrahl versetzt. Der Strahlversatz ermöglicht es, dass der umgelenkte Laserstrahl das bereits durchlaufene Beugungsgitter beim erneuten Durchtritt in einem anderen Flächenbereich trifft bzw. durchläuft, als dies beim ersten Durchtritt durch das Beugungsgitter der Fall war.
Bei der Umlenkeinrichtung bzw. bei mindestens einer der Umlenkeinrichtungen verläuft der Strahlversatz des Laserstrahls in der Regel in einer Strahlversatzrichtung, die senkrecht zur Beugungsebene verläuft, in welcher der Laserstrahl von den Beugungsgittern durch die Beugung aufgeweitet und wieder zusammengeführt wird. Es ist aber auch möglich, dass mindestens eine der Umlenkeinrichtungen einen Strahlversatz des Laserstrahls erzeugt, der in einer Ebene parallel zur Beugungsebene verläuft.
Bei einer weiteren Weiterbildung ist die Umlenkeinrichtung zur Erzeugung eines Strahlversatzes in zwei Strahlversatzrichtungen ausgebildet und weist für die Umlenkung des Laserstrahls mindestens drei Reflexionsflächen auf. Die Umlenkeinrichtung kann ein einzelnes Umlenkelement aufweisen, welches die (mindestens) drei Reflexionsflächen umfasst. Ein solches Umlenkelement erfüllt typischerweise die Funktion eines Retroreflektors. Die Geometrie der Reflexionsflächen eines solchen Umlenkelements ist nicht zwingend quadratisch, wie dies bei einem herkömmlichen, würfelförmigen Retroreflektor der Fall ist. Es ist aber auch möglich, dass die drei Reflexionsflächen auf mehrere Umlenkelemente der Umlenkeinrichtung verteilt sind, beispielsweise auf zwei oder mehr Prismen, die typischerweise gemeinsam ebenfalls die Funktion eines Retroreflektors erfüllen. Mit Hilfe einer solchen Umlenkeinrichtung kann eine kombinierte Umlenkung des Laserstrahls in einer Strahlversatzrichtung senkrecht zur Beugungsebene und zusätzlich parallel zur Beugungsebene erfolgen. Eine solche Umlenkung ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die Gitter-Anordnung nur ein einziges Beugungsgitter aufweist.
In der Regel wird bei einem Gitter-Kompressor bzw. bei einer Gitter-Anordnung der Laserstrahl nach einer geraden Anzahl von vorangegangenen Beugungen in einer ersten Richtung (z.B. vertikal) mit einem ersten Strahlversatz umgelenkt und bei einer ungeraden Anzahl von vorangegangenen Beugungen in einer zweiten, zur ersten senkrechten Richtung (z.B. horizontal) mit einem zweiten Strahlversatz. Bei einem Gitter-Kompressor vom Treacy-Typ erfolgt z.B. eine vertikale Umlenkung nach zwei Beugungen bzw. nach zwei Beugungsgittern. Bei einem Gitter-Kompressor mit nur einem einzigen Beugungsgitter erfolgt in der Regel eine horizontale Umlenkung nach der ersten und dritten Beugung und eine vertikale Umlenkung nach der zweiten Beugung. Grundsätzlich sind aber auch andere Konfigurationen bei der Umlenkung des Laserstrahls in der Gitter-Anordnung möglich.
Bei einer Weiterbildung weist die Gitter-Anordnung ein erstes und ein zweites Beugungsgitter auf, die nacheinander von dem Laserstrahl durchlaufen werden, und die Umlenkeinrichtung ist ausgebildet, den Laserstrahl mit einem Strahlversatz, der bevorzugt in einer Strahlversatzrichtung verläuft, die senkrecht zu einer Beugungsebene ausgerichtet ist, zu dem zweiten Beugungsgitter (und auch zum ersten Beugungsgitter) zurückzulenken. In diesem Fall werden das erste und das zweite Beugungsgitter, zwischen denen typischerweise keine abbildenden optischen Elemente angeordnet sind, ein erstes Mal von dem Laserstrahl durchlaufen und nachfolgend (mit größerem Strahlquerschnitt) ein zweites Mal - parallel versetzt - in umgekehrter Richtung von dem an der Umlenkeinrichtung umgelenkten Laserstrahl durchlaufen. Die Umlenkeinrichtung ist typischerweise in einem vergleichsweise kleinen Abstand vom zweiten Beugungsgitter angeordnet, so dass der Strahlquerschnitt des Laserstrahls beim ersten Durchtritt durch das zweite Beugungsgitter und beim zweiten Durchtritt durch das zweite Beugungsgitter nach der Umlenkung an der Umlenkeinrichtung praktisch nahezu gleich groß sind. Die Flächenbereiche am zweiten Beugungsgitter, die von dem Laserstrahl bzw. von dem umgelenkten Laserstrahl gefüllt bzw. benötigt werden, sind daher annähernd gleich groß. Der Stahlversatz, der von der Umlenkeinrichtung erzeugt wird, entspricht daher typischerweise ungefähr der Hälfte der Höhe des zweiten Beugungsgitters in Strahlversatzrichtung. Die beiden Beugungsgitter, genauer gesagt deren beugende Gitterstrukturen, sind bei der hier beschriebenen optischen Einrichtung in der Regel parallel ausgerichtet, dies ist aber nicht zwingend erforderlich.
Bei einer weiteren Weiterbildung sind das erste Beugungsgitter und das zweite Beugungsgitter entlang einer Strahlversatzrichtung, die senkrecht zu einer Beugungsebene der Gitter-Anordnung verläuft, um einen lateralen Versatz zueinander versetzt angeordnet. Für den Fall, dass keine optischen Elemente zwischen den beiden Beugungsgittern angeordnet sind, ist es bei einem divergenten Laserstrahl bzw. bei einer divergenten Kaustik in der Regel erforderlich, das erste Beugungsgitter und das zweite Beugungsgitter in Strahlversatzrichtung zueinander zu versetzen, um zu gewährleisten, dass das Zentrum des Strahlquerschnitts des Laserstrahls und das Zentrum des Strahlquerschnitts des umgelenkten Laserstrahls jeweils mittig auf den für die jeweilige Beugung vorgesehenen Flächenbereich der beiden Beugungsgitter treffen. Die Erstreckung des für die jeweilige Beugung vorgesehenen Flächenbereichs in Strahlversatzrichtung auf einem jeweiligen Beugungsgitter nimmt mit zunehmender Erstreckung des Strahlquerschnitts in Strahlversatzrichtung zu.
Bei einer Weiterbildung ist zwischen dem ersten Beugungsgitter und dem zweiten Beugungsgitter mindestens eine weitere Umlenkeinrichtung angeordnet, die einen lateralen Versatz des Laserstrahls entlang einer Strahlversatzrichtung erzeugt, die senkrecht zu einer Beugungsebene der Gitter-Anordnung verläuft. Im Gegensatz zu der weiter oben beschriebenen Umlenkeinrichtung lenkt die weitere Umlenkeinrichtung den Laserstrahl nicht zu dem bereits durchlaufenen Beugungsgitter zurück. Die weitere Umlenkeinrichtung kann lediglich einen lateralen (Parallel-)Versatz des Laserstrahls erzeugen, der nach dem Durchlaufen der weiteren Umlenkeinrichtung seine Propagationsrichtung beibehält. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die weitere Umlenkeinrichtung als Prisma oder als planparallele Platte ausgebildet ist, die in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls unter einem Winkel geneigt angeordnet ist, um den Strahlversatz zu erzeugen. Es ist aber auch möglich, dass die weitere Umlenkeinrichtung ausgebildet ist, den Laserstrahl nicht nur lateral zu versetzen, sondern beispielsweise in der Beugungsebene unter einem vorgegebenen Winkel umzulenken. In diesem Fall sind die beiden Beugungsgitter typischerweise nicht parallel ausgerichtet, sondern ebenfalls in der Beugungsebene unter einem Winkel zueinander ausgerichtet.
Die weitere Umlenkeinrichtung kann dazu dienen, einen lateralen Versatz zu erzeugen, der es ermöglicht, dass das Zentrum des Strahlquerschnitts des Laserstrahls und das Zentrum des Strahlquerschnitts des umgelenkten Laserstrahls den für die jeweilige Beugung vorgesehenen Flächenbereich der beiden Beugungsgitter in Strahlversatzrichtung mittig treffen, ohne dass zu diesem Zweck die beiden Beugungsgitter in der Strahlversatzrichtung senkrecht zur Beugungsebene versetzt werden müssen. Bei dieser Ausführungsform können die beiden Beugungsgitter somit in Strahlversatzrichtung auf gleicher Höhe positioniert werden. Es ist aber auch möglich, einen lateralen Versatz, der durch die mindestens eine weitere Umlenkeinrichtung erzeugt wird, mit einem lateralen Versatz zu kombinieren, der durch einen Versatz der Beugungsgitter in Strahlversatzrichtung erzeugt wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein lateraler Versatz zwischen den beiden Beugungsgittern in Strahlversatzrichtung oder ein von der mindestens einen weiteren Umlenkeinrichtung erzeugter lateraler Versatz (oder ggf. ein kombinierter lateraler Versatz) gegeben durch:
AH = 1/ 4 HG (HA - HE) / (HA + HE), wobei HG die Erstreckung des ersten Beugungsgitters in Strahlversatzrichtung, HE die Erstreckung des Strahlquerschnitts des Laserstrahls in Strahlversatzrichtung beim ersten Durchlaufen des ersten Beugungsgitters und HA die Erstreckung des Strahlquerschnitts des umgelenkten Laserstrahls in Strahlversatzrichtung beim zweiten Durchlaufen des ersten Beugungsgitters bezeichnen.
Der oben angegebene laterale Versatz AH der beiden Beugungsgitter wird benötigt, um zu erreichen, dass das Zentrum des Strahlquerschnitts des Laserstrahls und das Zentrum des Strahlquerschnitts des umgelenkten Laserstrahls die beiden Beugungsgitter in Strahlversatzrichtung mittig in einem jeweiligen für die Beugung vorgesehenen Flächenbereich treffen, falls keine Umlenkeinrichtung bzw. keine weiteren optischen Elemente zwischen den beiden Beugungsgittern angeordnet sind, die einen Strahlversatz erzeugen. Für den Fall, dass die beiden Beugungsgitter auf gleicher Höhe angeordnet sind, wird der oben angegebene laterale Versatz AH von der (mindestens einen) weiteren Umlenkeinrichtung erzeugt, um zu erreichen, dass die beiden Strahlquerschnitte in Strahlversatzrichtung mittig auf einen jeweiligen für die Beugung vorgesehenen Flächenbereich des Beugungsgitters treffen. Zu diesem Zweck können zwei weitere Umlenkeinrichtungen verwendet werden: Eine erste weitere Umlenkeinrichtung erzeugt einen lateralen Versatz +AH des Laserstrahls, der vom ersten Beugungsgitter zum zweiten Beugungsgitter propagiert, und eine zweite weitere Umlenkeinrichtung erzeugt einen betragsmäßig gleichen, entgegen gerichteten lateralen Versatz -AH des umgelenkten Laserstrahls, der vom zweiten Beugungsgitter zum ersten Beugungsgitter propagiert. Es ist aber auch möglich, zu diesem Zweck eine einzige weitere Umlenkeinrichtung zu verwenden, die z.B. in Form einer planparallelen Platte ausgebildet ist, die von dem Laserstrahl unter einem Winkel zur Flächennormalen durchlaufen wird. Grundsätzlich ist es möglich, einen ersten Anteil des lateralen Versatzes AH mittels der weiteren Umlenkeinrichtung zu erzeugen und einen zweiten Anteil des lateralen Versatzes AH durch das laterale Versetzen der beiden Beugungsgitter relativ zueinander.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die mindestens eine weitere Umlenkeinrichtung ausgebildet, zusätzlich zu dem lateralen Versatz einen Strahlversatz in Strahlversatzrichtung zu erzeugen, der dem Strahlversatz der Umlenkeinrichtung entspricht. In diesem Fall kann z.B. zusätzlich zu dem lateralen Versatz, der benötigt wird, um das jeweilige Zentrum der Strahlquerschnitte in Strahlversatzrichtung mittig in einem für die Beugung vorgesehenen Flächenbereich anzuordnen, von der weiteren Umlenkeinrichtung ein zusätzlicher Strahlversatz erzeugt werden, der dem von der Umlenkeinrichtung erzeugten Strahlversatz betragsmäßig entspricht. In diesem Fall können zwei weitere Umlenkeinrichtungen verwendet werden, die den Laserstrahl und den an der Umlenkeinrichtung umgelenkten Laserstrahl jeweils mit dem von der Umlenkeinrichtung erzeugten Betrag des Strahlversatzes in Strahlversatzrichtung parallel versetzen. Es ist aber auch möglich, eine einzige weitere Umlenkeinrichtung z.B. in der Art eines Prismas oder dergleichen zu diesem Zweck zu verwenden, die den Laserstrahl zusätzlich zu dem Strahlversatz bzw. dem lateralen Versatz in Strahlversatzrichtung auch senkrecht zur Strahlversatzrichtung, d.h. innerhalb der Beugungsebene, umlenkt.
Bei einer alternativen Ausführungsform weist die Gitter-Anordnung eine einziges Beugungsgitter sowie eine erste Umlenkeinrichtung zur Erzeugung eines Strahlversatzes in einer ersten Strahlversatzrichtung und eine zweite Umlenkeinrichtung zur Erzeugung eines Strahlversatzes in der zweiten Strahlversatzrichtung und bevorzugt in der ersten Strahlversatzrichtung auf, wobei die erste und zweite Umlenkeinrichtung bevorzugt auf gegenüberliegenden Seiten des Beugungsgitters angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform wird das einzige Beugungsgitter der Gitter-Anordnung vier Mal von dem Laserstrahl durchlaufen. Die beiden Umlenkeinrichtungen ermöglichen es, dass der Laserstrahl an vier unterschiedlichen Flächenbereichen auf das Beugungsgitter trifft. Die zweite Umlenkeinrichtung kann eines oder mehrere Umlenkelemente aufweisen, um den Strahlversatz in der ersten Strahlversatzrichtung und in der zweiten Strahlversatzrichtung zu erzeugen.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die zweite Umlenkeinrichtung ausgebildet, in der ersten Strahlversatzrichtung, bevorzugt zusätzlich zu einem Strahlversatz, der dem Betrag des Strahlversatzes der ersten Umlenkeinrichtung in der ersten Strahlversatzrichtung entspricht, einen lateralen Versatz zu erzeugen, der gegeben ist durch
AH = 1/ 4 HG (HA - HE) / (HA + HE), wobei HG die Erstreckung des Beugungsgitters in der ersten Strahlversatzrichtung, HE die Erstreckung des Strahlquerschnitts des Laserstrahls in der ersten Strahlversatzrichtung beim ersten Durchlaufen des Beugungsgitters und HA die Erstreckung des Strahlquerschnitts des umgelenkten Laserstrahls in der ersten Strahlversatzrichtung beim letzten Durchlaufen des Beugungsgitters bezeichnen.
Der laterale Versatz in der ersten Strahlversatzrichtung wird analog zur weiter oben beschriebenen Ausführungsform mit den beiden Beugungsgittern benötigt, um zu erreichen, dass der Strahlquerschnitt in der ersten Strahlversatzrichtung mittig auf einen jeweiligen für die Beugung vorgesehenen Flächenbereich des Beugungsgitters auftrifft. Um dies zu erreichen, kann beispielsweise eine Kante, an der die beiden Reflexionsflächen der ersten Umlenkeinrichtung aneinander angrenzen, um die Hälfte des lateralen Versatzes (AH / 2) zu einer Kante versetzt sein, an der zwei der drei Reflexionsflächen der zweiten Umlenkeinrichtung aneinander angrenzen. Die zweite Umlenkeinrichtung kann ausgebildet sein, einen Strahlversatz in der ersten Strahlversatzrichtung und zusätzlich einen lateralen Versatz in der ersten Strahlversatzrichtung zu erzeugen. Es ist aber auch möglich, dass die zweite Umlenkeinrichtung lediglich einen lateralen Versatz, aber keinen Strahlversatz in der ersten Strahlversatzrichtung erzeugt, wie dies weiter oben in Bezug auf die weitere(n) Umlenkeinrichtung(en) bei der Ausführungsform mit den beiden Beugungsgittern beschrieben ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine Erstreckung des Stahlquerschnitts des aus der Gitter-Anordnung austretenden Laserstrahls in einer zu einer Beugungsebene der Gitter-Anordnung senkrechten Richtung mindestens um einen Faktor 1 ,5, bevorzugt mindestens um einen Faktor 1 ,7, besonders bevorzugt um mindestens einen Faktor 2,0 größer als eine Erstreckung des Strahlquerschnitts des in die Gitter-Anordnung eintretenden Laserstrahls in der zu der Beugungsebene senkrechten Richtung. Für den Fall eines runden Strahlquerschnitts entspricht die Erstreckung des Strahlquerschnitts in Strahlversatzrichtung dem Durchmesser des Strahlquerschnitts bzw. dem Strahldurchmesser des Laserstrahls.
Der Strahlquerschnitt bzw. dessen Erstreckung in der zur Beugungsebene senkrechten Richtung, die typischerweise der bzw. einer Strahlversatzrichtung entspricht, wird für den eintretenden Laserstrahl am im Strahlweg ersten Beugungsgitter der Gitter-Anordnung, genauer gesagt an dessen beugender Gitterstruktur, gemessen. Entsprechend wird der Strahlquerschnitt bzw. dessen Erstreckung in der zur Beugungsebene senkrechten Richtung für den austretenden Laserstrahl am im Strahlweg letzten Beugungsgitter der Gitter-Anordnung gemessen, das ggf. mit dem ersten Beugungsgitter übereinstimmen kann (s.o.). Aufgrund der divergenten Kaustik des Laserstrahls nimmt der Strahlquerschnitt des Laserstrahls beim Durchtritt durch die Gitter-Anordnung kontinulierlich zu. Trotz eines vergleichsweise geringen Divergenzwinkels (s.u.) erhöht sich die Erstreckung des Strahlquerschnitts in der zur Beugungsebene senkrechten Richtung, die im Fall eines kreisförmigen Strahlquerschnitts dem Strahldurchmesser entspricht, in der Gitter- Anordnung in der Regel deutlich, wenn die Beugungsgitter einen vergleichsweise großen Abstand zueinander aufweisen, der ggf. in der Größenordnung von Metern liegen kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das strahlaufweitende optische Element ausgebildet, einen Divergenzwinkel des in die Gitter-Anordnung eintretenden Laserstrahls zu erzeugen, der zwischen 0,5 mrad und 100 mrad liegt. Die Wahl eines geeigneten Divergenzwinkels, mit dem der Laserstrahl in die Gitter-Anordnung eintritt, hängt von mehreren Parametern ab, beispielsweise vom Abstand zwischen den Beugungsgittern. Der Divergenzwinkel sollte nicht zu groß gewählt werden, um zu vermeiden, dass die Aberrationen bzw. die Phasenfehler beim Durchlaufen der Gitter-Anordnung zu groß werden, da dies zu einer Verschlechterung der Strahlqualität des Laserstrahls führen kann, insbesondere wenn die optische Anordnung bzw. der Gitter-Kompressor in der Nähe des Übergangs zur Nichtlinearität der Beugungsbedingung betrieben wird. Der Gitter-Kompressor bzw. die Gitter-Anordnung kann häufig so ausgelegt werden, dass eine akzeptable Abnahme bzw. Verschlechterung der Strahlqualität erfolgt, ohne dass zusätzliche Maßnahmen zur Verbesserung der Strahlqualität vorgenommen werden müssen.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die optische Anordnung mindestens eine Korrektureinrichtung, insbesondere eine Phasen-Korrektureinrichtung, zur zumindest teilweisen Kompensation einer auf die Divergenz des Laserstrahls beim Eintreten in die Gitter-Anordnung zurückzuführenden Verschlechterung einer Strahlqualität des Laserstrahls auf. Wie weiter oben beschrieben wurde, tritt der Laserstrahl bei herkömmlichen Gitter- Kompressoren kollim iert in die Gitter-Anordnung ein. Der divergente Eintritt des Laserstrahls in die Gitter-Anordnung führt üblicherweise zu einer Verschlechterung der Strahlqualität des Laserstrahls nach dem Durchlaufen der Gitter-Anordnung im Vergleich zur Strahlqualität eines Laserstrahls, der kollim iert in die Gitter-Anordnung eintritt. Unter der Strahlqualität des Laserstrahls wird im Sinne dieser Anmeldung der K-Faktor verstanden, für den gilt: K = 1/ M2, wobei M2 die Beugungsmaßzahl bezeichnet. Bei der Korrektureinrichtung handelt es sich typischerweise um eine Phasen-Korrektureinrichtung, da die Korrektur der Phase des Laserstrahls eine Verbesserung der Strahlqualität des Laserstrahls ohne Lichtverluste ermöglicht. Es ist aber grundsätzlich auch möglich, andere Arten von Korrektureinrichtungen zu verwenden, die den Phasenfehler im Ortsraum korrigieren, beispielsweise in Form von Graufiltern, beispielsweise in Form von Blenden, oder dergleichen.
Bei einer Weiterbildung ist die Korrektureinrichtung im Strahlweg vor der Gitter- Anordnung oder im Strahlweg nach der Gitter-Anordnung angeordnet. Die Korrektur zur zumindest teilweisen Kompensation der Verschlechterung der Strahlqualität kann vor oder nach dem Durchlaufen der Gitter-Anordnung erfolgen. Es ist insbesondere auch möglich, dass eine erste Korrektureinrichtung im Strahlweg des Laserstrahls vor der Gitter-Anordnung und eine zweite Korrektureinrichtung im Strahlweg des Laserstrahls nach der Gitter-Anordnung angeordnet wird. Die Korrektureinrichtung kann auch innerhalb der Gitter-Anordnung angeordnet sein. Für den Fall, dass die Kompensationseinrichtung im kollim ierten Strahlengang angeordnet ist, ist deren Position grundsätzlich beliebig. Für den Fall, dass die Korrektureinrichtung im divergenten Strahlengang angeordnet und als Phasen-Korrektureinrichtung ausgebildet ist, ist es grundsätzlich günstig, wenn diese an einer Position angeordnet wird, an welcher der zu kompensierende Phasenfehler maximal ist. Für den Fall, dass die Korrektureinrichtung den Phasenfehler im Ortsraum korrigiert und z.B. als Graufilter, beispielsweise in Form einer Blende, ausgebildet ist, sollte die Korrektureinrichtung an einer Position angeordnet werden, an welcher der Phasenfehler minimal ist.
Bei einer Weiterbildung ist die Phasen-Korrektureinrichtung als diffraktives optisches Element ausgebildet. Grundsätzlich kann die Phasen-Korrektureinrichtung auch auf andere Weise ausgebildet sein, beispielsweise in Form einer Verzögerungsplatte mit ortsabhängig variierender Phasenverschiebung bzw. Verzögerung. Ein Phasen- Korrektureinrichtung in Form eines diffraktiven optischen Elements lässt sich aber besonders einfach in die Gitter-Anordnung integrieren.
Bei einer Weiterbildung ist die Phasen-Korrektureinrichtung in ein Beugungsgitter der Gitter-Anordnung, d.h. in die beugende Struktur (Gitterstruktur), integriert. In diesem Fall wird die beugende Struktur (Gitterstruktur) des Beugungsgitters so ausgelegt, dass diese zusätzlich eine Phasen-Korrektur erzeugt, um einer Verschlechterung der Strahlqualität des Laserstrahls entgegenzuwirken. Grundsätzlich kann die Verschlechterung der Strahlqualität des Laserstrahls, die auf die Divergenz beim Eintritt des Laserstrahls in die Gitter-Anordnung zurückzuführen ist und die auf ein jeweiliges Beugungsgitter zurückzuführen ist, von einer Phasen-Korrektureinrichtung nahezu vollständig korrigiert werden, die in dieses Beugungsgitter integriert ist. Phasenfehler, die auf vorangegangene oder nachfolgende Beugungen bzw. Beugungsgitter zurückzuführen sind, können mit einer solchen Phasen- Korrektureinrichtung teilweise kompensiert werden. Es ist daher auch möglich, dass zwei oder mehr Phasen-Korrektureinrichtungen in zwei oder mehr Beugungsgitter integriert werden. Für den Fall, dass ein- und dasselbe Beugungsgitter mindestens zwei Mal an unterschiedlichen Flächenbereichen von dem Laserstrahl durchlaufen wird, wird die Phasen-Korrektur in dem jeweiligen Flächenbereich geeignet angepasst. Das diffraktive optische Element kann insbesondere in das im Strahlweg erste Beugungsgitter der Gitter-Anordnung integriert werden.
Die Kompensationseinrichtung wird benötigt, wenn bei gegebenem Divergenzwinkel einer Verschlechterung der Strahlqualität entgegengewirkt werden soll, die Strahlqualität erhöht werden soll, falls diese vor der Gitter-Anordnung nicht optimal war, oder wenn bei höheren Puls-Spitzenleistungen der Strahlquerschnitt des aus der Gitter-Anordnung austretenden Laserstrahls vergrößert werden muss und der Strahlquerschnitt des in die Gitter-Anordnung eintretenden Laserstrahls entsprechend verkleinert werden muss, um die benötigte Gitterfläche nicht zu erhöhen. Die Kompensationseinrichtung kann insbesondere ausgebildet sein, die Verschlechterung der Strahlqualität K in Beugungsrichtung bzw. in der Beugungsebene teilweise zu kompensieren, so dass die Strahlqualität K beim Durchtritt durch die Gitter-Anordnung um nicht mehr als 0,1 abnimmt.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die optische Anordnung eine kollimierende Einrichtung, insbesondere mindestens ein kollimierendes optisches Element, zur Kollimation des Laserstrahls nach dem Durchlaufen der Gitter-Anordnung auf. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Gitter-Anordnung in ein Strahlteleskop integriert ist, das durch die strahlaufweitende Einrichtung und durch die kollimierende Einrichtung gebildet ist. Durch das Strahlteleskop wird der Strahlquerschnitt des kollimierten Laserstrahls, der auf die strahlaufweitende Einrichtung trifft, vergrößert, d.h. der Laserstrahl wird beim Durchlaufen der Gitter-Anordnung aufgeweitet. Die kollimierende Einrichtung kann beispielsweise eines oder mehrere transmittierende optische Elemente, z.B.in Form von Linsen, und/oder eines oder mehrere reflektierende optische Elemente, z.B. in Form von (gekrümmten) Spiegeln, aufweisen.
Das bzw. die Beugungsgitter der Gitter-Anordnung können grundsätzlich transmittierend oder reflektierend ausgebildet sein. In beiden Fällen kann durch den divergent in die Gitter-Anordnung eintretenden Laserstrahl die benötigte Gitterfläche in der Regel deutlich reduziert werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Lasersystem, welches eine Laserquelle zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls sowie eine optische Anordnung zur Pulskompression des gepulsten Laserstrahls aufweist, die wie weiter oben beschreiben ausgebildet ist. Bei dem Lasersystem kann es sich beispielweise um ein Ultrakurzpulssystem handeln, welches eine Laserquelle zum Erzeugen von spektral breiten Laserpulsen umfasst Bei der Laserquelle kann es sich beispielsweise um einen Laseroszillator handeln, die Laserquelle kann aber auch als Laseroszillator- Verstärker-Kombination ausgebildet sein. Eine solche Laserquelle weist einen Oszillator, beispielsweise einen Faseroszillator, zur Erzeugung von Laserpulsen sowie eine Verstärkeranordnung zur Verstärkung der Laserpulse bzw. des gepulsten Laserstrahls auf, die einen oder mehrere optische Verstärker aufweist. Die Laserquelle kann einen Puls-Strecker zur Streckung der Pulsdauern der Laserpulse aufweisen. Der Puls-Strecker kann vor oder innerhalb der Verstärkeranordnung positioniert sein. Die Laserquelle kann beispielsweise zur Erzeugung von Laserpulsen mit spektralen Breiten von z.B. 1 nm oder mehr und Pulsenergien von z.B. 1 mJ oder mehr ausgebildet sein. Die weiter oben beschriebene optische Anordnung, genauer gesagt die Gitter-Anordnung, kann bei einem solchen Lasersystem als Dispersionsanpassungseinheit zur Pulsdauerkomprimierung (auch Puls-Kompressor genannt) dienen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 a,b schematische Darstellungen einer optischen Anordnung zur Pulskompression eines gepulsten Laserstrahls, die eine Gitter-Anordnung vom Treacy-Typ mit zwei transmittierenden bzw. reflektierenden Beugungsgittern und eine Umlenkeinrichtung in Form eines Prismas aufweist, jeweils in einer Draufsicht,
Fig. 2a, b schematische Seitenansichten der optischen Anordnungen von Fig. 1 a,b mit einer Pulsform eines divergenten, gepulsten Laserstrahls, die von einem strahlaufweitenden Element erzeugt wird und die Gitter-Anordnung mit den transmittierenden bzw. mit den reflektierenden Beugungsgittern durchläuft,
Fig. 3a-c schematische Darstellungen von Strahlquerschnitten des divergenten Laserstrahls auf den beiden Beugungsgittern beim Durchlaufen der Gitter- Anordnung sowie eines lateralen Versatzes der beiden Beugungsgitter bzw. eines Parallel-Versatzes des Laserstrahls, der von zwei weiteren Umlenkeinrichtungen lateral versetzt wird,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Verschlechterung der Strahlqualität des Laserstrahls in Abhängigkeit vom minimalen Strahldurchmesser,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung zur Pulskompression, die ein einziges Beugungsgitter und zwei Umlenkeinrichtungen aufweist, sowie
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Lasersystems, das eine Laserquelle zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls und eine optische Anordnung zur Pulskompression des gepulsten Laserstrahls aufweist.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1a und Fig. 2a zeigen eine optische Anordnung 1 , die eine Gitter-Anordnung 2 vom Treacy-Typ mit einem ersten in Transmission betriebenen Beugungsgitter 3 und einem zweiten in Transmission betriebenen Beugungsgitter 4 sowie eine Umlenkeinrichtung 5 in Form eines Dachprismas aufweist. Die beiden Beugungsgitter 3, 4 sind parallel zueinander ausgerichtet und beugen einen gepulsten Laserstrahl 6, der die Gitter-Anordnung 2 durchläuft, entlang einer YZ- Ebene eines XYZ-Koordinatensystems, die nachfolgend auch als Beugungsebene bezeichnet wird. In der Beugungsebene YZ (bzw. in einer Ebene parallel zur Beugungsebene YZ) wird der Laserstrahl 6 spektral aufgeweitet und spektral zusammengeführt, wie dies in Fig. 1a gestrichelt angedeutet ist. Nach dem Durchlaufen des ersten und zweiten Beugungsgitters 3, 4 durchläuft der Laserstrahl 6 die Umlenkeinrichtung 5 und wird von dieser umgelenkt, genauer gesagt retroreflektiert, wobei die Umlenkeinrichtung 5 einen Strahlversatz AX in einer Strahlversatzrichtung X des XYZ-Koordinatensystems erzeugt, die senkrecht zur Beugungsebene YZ ausgerichtet ist. Die optische Anordnung 1 von Fig. 1a und Fig. 2a dient zur Pulskompression des Laserstrahls 6, wie anhand der Pulsform PE des Laserstrahls 6 beim Eintritt in die Gitter-Anordnung 2 und der Pulsform PA beim Austritt aus der Gitter-Anordnung 2 ersichtlich ist. Wie dies in Fig. 2a zu erkennen ist, tritt der Laserstrahl 6 divergent in die Gitter-Anordnung 2 ein und behält beim Durchlaufen der Gitter-Anordnung 2, d.h. beim Durchlaufen des ersten und des zweiten Beugungsgitters 3, 4 sowie beim Durchlaufen der Umlenkeinrichtung 5 seine divergente Strahlform bei.
Zur Erzeugung der Divergenz des gepulsten Laserstrahls 6 weist die optische Anordnung 1 eine strahlaufweitende Einrichtung auf, die beim gezeigten Beispiel in Form einer ersten Linse 7 ausgebildet ist, die im Strahlweg vor der Gitter-Anordnung 2 angeordnet ist. Im Strahlweg nach der Gitter-Anordnung 2 ist eine kollimierende Einrichtung in Form einer zweiten Linse 8 angeordnet. Die erste und die zweite Linse 7, 8 bilden ein Strahlteleskop für den Laserstrahl 6, der von einer nicht bildlich dargestellten Laserquelle erzeugt wird und der kollim iert auf die erste Linse 7 auftrifft. Bei der ersten und zweiten Linse 7, 8 handelt es sich im gezeigten Beispiel um sphärische Linsen, es ist aber auch die Verwendung von Zylinderlinsen möglich.
Fig. 1b und Fig. 2b zeigen eine optische Anordnung 1 , bei welcher die Gitter- Anordnung 2 an Stelle von zwei transmittierenden Beugungsgittern 3, 4 zwei reflektierende Beugungsgitter 3, 4 aufweist. Bei der in Fig. 1 b und in Fig. 2b gezeigten optischen Anordnung 1 trifft der Laserstrahl 6 wie in der in Fig. 1a und in Fig. 2a gezeigten optischen Anordnung 1 unter einem Winkel zur Gitternormalen in der Beugungsebene YZ auf das erste Beugungsgitter 3 auf. Bei der in Fig. 2b dargestellten Seitenansicht sind der Winkel, unter dem der Laserstrahl 6 auf das erste Beugungsgitter 3 trifft sowie der Winkel, unter dem der austretende Laserstrahl 6 an dem ersten Beugungsgitter 3 reflektiert wird, nicht in der Beugungsebene YZ, sondern unter einem Winkel zur Beugungsebene ZY ausgerichtet dargestellt, um die Übersichtlichkeit der Darstellung des zwischen den beiden Beugungsgittern 3, 4 propagierenden Laserstrahls 6 zu erhöhen. Ansonsten entspricht der Aufbau der in Fig. 1 b und in Fig. 2b gezeigten optischen Anordnung 1 dem in Fig. 1a und in Fig. 2a gezeigten optischen Anordnung 1 mit den transmittierenden Beugungsgittern 3, 4. Wie anhand von Fig. 3a-c zu erkennen ist, welche die beiden Beugungsgitter 3, 4 in einer Draufschicht zeigen, nimmt die Größe des Strahlquerschnitts des Laserstrahls 6 beim Durchlauf durch die Gitter-Anordnung 2 zu, und zwar von einer minimalen Erstreckung HE eines ersten Strahlquerschnitts S1a in Strahlversatzrichtung X beim ersten Durchlauf durch das erste Beugungsgitter 3 über einen - praktisch gleich großen - zweiten und dritten Strahlquerschnitt S2a, S2b beim Durchlaufen des zweiten Beugungsgitters 4 auf einen vierten Strahlquerschnitt S1 b mit einer maximalen Erstreckung HA in Strahlversatzrichtung X beim zweiten Durchlauf durch das erste Beugungsgitter s. Die jeweiligen Strahlquerschnitte S1a, S1 b, S2a, S2b sind in Fig. 3a, b kreisförmig dargestellt, weil auf die Darstellung der spektralen Auffächerung und Zusammenführung der Spektralkomponenten des Laserstrahls 6 in der Beugungsebene YZ aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet wurde.
Für das Verhältnis zwischen der Erstreckung HA des Stahlquerschnitts S1b des aus der Gitter-Anordnung 2 austretenden Laserstrahls 6 in Strahlversatzrichtung X zur Erstreckung HE des Strahlquerschnitts S1a des in die Gitter-Anordnung 2 eintretenden Laserstrahls 6 in Strahlversatzrichtung X gilt: HA / HE > 1 ,5, bevorzugt > 1 ,7, insbesondere > 2,0. Die Vergrößerung der Erstreckung des Strahlquerschnitts des Laserstrahls 6 in Strahlversatzrichtung X beim Durchlaufen der Gitter-Anordnung 2 ist für die Laserbeständigkeit der optischen Anordnung 1 günstig, da bei der Propagation in der Gitter-Anordnung 2 die Pulsdauern der Pulse des Laserstrahls 6 verkürzt werden und hierbei die Pulsspitzenleistung erhöht wird.
Wie in Fig. 3a-c zu erkennen ist, weisen das erste Beugungsgitter 3 und das zweite Beugungsgitter 4 in Strahlversatzrichtung X im gezeigten Beispiel die gleiche Erstreckung HG auf. Der Strahlversatz AX, der von der Umlenkeinrichtung 5 erzeugt wird, entspricht im gezeigten Beispiel der halben Erstreckung HG des zweiten Beugungsgitters 4 in Strahlversatzrichtung X.
Wie anhand von Fig. 3a-c ebenfalls zu erkennen ist, wird aufgrund der divergenten Strahlkaustik des Laserstrahls 6 ein lateraler Versatz AH in Strahlversatzrichtung X benötigt, um das Zentrum des ersten und zweiten Strahlquerschnitts S1a, S2a beim ersten Durchlaufen des ersten und zweiten Beugungsgitters 3, 4 sowie das Zentrum des dritten und vierten Strahlquerschnitts S1b, S2b beim Durchlaufen des ersten und zweiten Beugungsgitters 3, 4 in umgekehrter Richtung in Bezug auf die Strahlversatzrichtung X mittig in einem für die jeweilige Beugung vorgesehenen Flächenbereich zu positionieren.
Bei dem in Fig. 3a gezeigten Beispiel werden zur Erzeugung des lateralen Versatzes AH das ersten Beugungsgitter 3 und das zweite Beugungsgitter 4 in Strahlversatzrichtung X zueinander versetzt. Für den lateralen Versatz AH, der die mittige Positionierung der Zentren der Strahlquerschnitte S1a, S1 b, S2a, S2b ermöglicht, gilt:
AH = 1/ 4 HG (HA - HE) / (HA + HE), wobei HE die Erstreckung des (ersten) Strahlquerschnitts S1a des Laserstrahls 6 in Strahlversatzrichtung X beim ersten Durchlaufen des ersten Beugungsgitters 3 und HA die Erstreckung des (vierten) Strahlquerschnitts S1 b des umgelenkten Laserstrahls 6 in Strahlversatzrichtung X beim zweiten Durchlaufen des ersten Beugungsgitters 3 bezeichnen.
Bei dem in Fig. 3b gezeigten Beispiel sind die beiden Beugungsgitter 3, 4 in Strahlversatzrichtung X auf gleicher Höhe angeordnet. Der laterale Versatz AH wird in diesem Fall durch eine Umlenkeinrichtung 10 in Form einer planparallelen Platte erzeugt, die zwischen dem ersten Beugungsgitter 3 und dem zweiten Beugungsgitter 4 angeordnet ist und unter einem Winkel zur Beugungsebene YZ bzw. zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 6 geneigt ist, um den lateralen Versatz AH zu erzeugen. Von der weiteren Umlenkeinrichtung 10 wird bei der Propagation vom ersten Beugungsgitter 3 zum zweiten Beugungsgitter 4 ein lateraler Versatz +AH des Laserstrahls 6 mit im gezeigten Beispiel positivem Vorzeichen erzeugt. Entsprechend wird von der weiteren Umlenkeinrichtung 10 ein betragsmäßig gleich großer lateraler Versatz -AH des um gelenkten Laserstrahls 6 mit negativem Vorzeichen erzeugt.
Bei dem in Fig. 3c gezeigten Beispiel sind eine erste und zweite weitere Umlenkeinrichtung 10a, 10b zwischen dem ersten Beugungsgitter s und dem zweiten Beugungsgitter 4 angeordnet. Die beiden weiteren Umlenkeinrichtungen 10a, 10b sind als Prismen ausgebildet und unterscheiden sich von den in Fig. 3b gezeigten weiteren Umlenkeinrichtungen 10 dadurch, dass diese zusätzlich zu dem lateralen Versatz +AH, -AH einen Strahlversatz in Strahlversatzrichtung X erzeugen, der dem Betrag des Strahlversatzes AX der Umlenkeinrichtung 5 entspricht, aber das umgekehrte Vorzeichen aufweist.
Nach dem Durchlaufen der ersten weiteren Umlenkeinrichtung 10a trifft der Laserstrahl 6 daher nicht mit einem lateralen Versatz mit dem Betrag AH, sondern mit einem lateralen Versatz von AH + AX mit dem Zentrum des zweiten Strahlquerschnitts S2a auf das zweite Beugungsgitter 4. Der Laserstrahl 6 wird von der in Fig. 3c nicht dargestellten Umlenkeinrichtung 5 in negativer Strahlversatzrichtung X um einen Strahlversatz -AX parallel versetzt (vgl. den dritten Strahlquerschnitt S2b), bevor der umgelenkte Laserstrahl 6 an der zweiten weiteren Umlenkeinrichtung 10b mit einem lateralen Versatz von -AH + AX lateral versetzt wird. Es versteht sich, dass die in Fig. 3c gezeigten weiteren Umlenkeinrichtungen 10a, 10b nicht zwingend den lateralen Versatz +AH, -AH erzeugen müssen, sondern dass vielmehr der Stahlversatz AX der Umlenkeinrichtung 5 ausreichend ist, falls die beiden Beugungsgitter 3, 4 um den lateralen Versatz AH zueinander versetzt sind, wie dies in Fig. 3a dargestellt ist.
Das strahlaufweitende optische Element 7 ist im gezeigten Beispiel ausgebildet, einen Divergenzwinkel a des Laserstrahls 6 beim Eintritt in die Gitter-Anordnung 2 zu erzeugen, der zwischen 0,5 mrad und 100 mrad liegt. Der Divergenzwinkel a sollte nicht zu groß gewählt werden, da eine zu große Divergenz des Laserstrahls 6 zu einer Verringerung der Strahlqualität K (bzw. von deren Kehrwehrt 1/M2) führt, wie dies anhand von Fig. 4 zu erkennen ist, welche die Verschlechterung der Beugungsmaßzahl M2 in Abhängigkeit vom minimalen Strahldurchmesser zeigt. Bei dem strahlaufweitenden optischen Element 7 handelt es sich im gezeigten Beispiel um eine sphärische Linse, es kann sich aber auch um eine Zylinderlinse handeln, die in einer Richtung senkrecht zur Beugungsebene YZ wirkt.
Für den minimalen Strahlradius wo (bzw. den minimalen Strahldurchmesser 2 wo), den halben Divergenzwinkel a / 2 und die Beugungsmaßzahl M2 gilt folgende Beziehung: a / 2 wo = M2 X / TT, wobei X die Wellenlänge des Laserstrahls 6 bezeichnet.
Um die Verschlechterung der Strahlqualität K bzw. 1/M2 des divergenten Laserstrahls 6 beim Durchtritt durch die Gitter-Anordnung 2 zumindest teilweise zu kompensieren, weist die optische Anordnung 1 im gezeigten Beispiel eine erste und zweite Phasen- Korrektureinrichtung 9a, 9b auf. Die erste Phasen-Korrektureinrichtung 9a ist im Strahlweg vor der Gitter-Anordnung 2, genauer gesagt im Strahlweg vor dem strahlaufweitenden optischen Element in Form der ersten Linse 7 angeordnet. Bei der ersten Phasen-Korrektureinrichtung 9a handelt es sich um ein diffraktives optisches Element, diese kann aber auch z.B. als Verzögerungsplatte oder auf andere Weise ausgebildet sein. Die zweite Phasen-Korrektureinrichtung 9b bildet ebenfalls ein diffraktives optisches Element, das in das erste Beugungsgitter 3 integriert ist, d.h. die Gitterstruktur des ersten Beugungsgitters 3 wird derart modifiziert, dass bei der Beugung des Laserstahls 6 am ersten Beugungsgitter 3 zusätzlich eine Phasen-Korrektur erfolgt, welche einer Verschlechterung der Strahlqualität K des Laserstahls 6 entgegenwirkt.
Durch die beiden Phasen-Korrektureinrichtungen 9a, 9b kann die Verschlechterung der Strahlqualität K des Laserstrahls 6 in der Beugungsebene YZ bzw. in Beugungsrichtung Y teilweise kompensiert werden, so dass die Strahlqualität K beim Durchtritt durch die Gitter-Anordnung um nicht mehr als 0,1 abnimmt.
Grundsätzlich kann für die Phasen-Korrektur zur Kompensation der Verschlechterung der Strahlqualität K des Laserstrahls 6 um den oben angegebenen Betrag eine einzige Phasen-Korrektureinrichtung ausreichend sein. Diese kann beispielsweise in das erste Beugungsgitter 3 integriert sein, wie dies in Fig. 2a, b dargestellt ist. Es ist auch möglich, dass das zweite Beugungsgitter 4 die bzw. eine weitere Phasen-Korrektureinrichtung aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die bzw. eine weitere Phasen-Korrektureinrichtung im Strahlweg nach der Gitter- Anordnung 2 angeordnet werden. Es versteht sich, dass die Phasen-Korrektureinrichtung nicht zwingend im kollimierten Strahlengang angeordnet werden muss, sondern auch im divergenten Strahlengang zwischen der strahlaufweitenden Einrichtung bzw. Optik 7 und der kollimierenden Einrichtung 8 bzw. Optik angeordnet werden kann, beispielsweise im Strahlweg außerhalb der Gitter-Anordnung 2, z.B. zwischen der strahlaufweitenden Einrichtung 7 und dem ersten Beugungsgitter 3 oder im Strahlweg zwischen dem ersten Beugungsgitter s und der kollimierenden Einrichtung 8. Die Phasen- Korrektureinrichtung oder eine andere Art von Korrektureinrichtung zur Kompensation der Verschlechterung der Strahlqualität K kann auch im Strahlweg zwischen den beiden Beugungsgittern 3, 4 oder im Strahlweg zwischen dem zweiten Beugungsgitter 4 und der Umlenkeinrichtung 5 angeordnet werden.
Es versteht sich, dass die optische Anordnung 1 nicht zwingend zwei Beugungsgitter 3, 4 aufweisen muss, sondern auch eine größere oder kleinere Anzahl von Beugungsgittern aufweisen kann, die ein- oder mehrmals von dem Laserstrahl 6 durchlaufen werden.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel für eine solche optische Anordnung 1 mit einer Gitter- Anordnung 2, die nur ein einziges Beugungsgitter 3 aufweist. Die Gitter-Anordnung 2 weist zusätzlich zu einer ersten Umlenkeinrichtung 5, die wie die in Fig. 1a,b bzw. wie die in Fig. 2a, b gezeigte Umlenkeinrichtung 5 ausgebildet ist, eine zweite Umlenkeinrichtung 11 auf, die zur Erzeugung eines ersten Strahlversatzes AX in einer ersten Strahlversatzrichtung X senkrecht zur Beugungsebene YZ ausgebildet ist, der dem Betrag des Strahlversatzes AX in der ersten Strahlversatzrichtung X der ersten Umlenkeinrichtung 5 mit umgekehrtem Vorzeichen entspricht. Die zweite Umlenkeinrichtung 11 ist auch zur Erzeugung eines zusätzlichen lateralen Versatzes +AH, -AH in der ersten Strahlversatzrichtung X ausgebildet, wie weiter unten näher beschrieben ist.
Die zweite Umlenkeinrichtung 11 ist zusätzlich ausgebildet, den Laserstrahl 6 in einer zweiten Strahlversatzrichtung Y um einen zweiten Strahlversatz AY zu versetzen, wobei die zweite Strahlversatzrichtung Y in der Beugungsebene YZ bzw. parallel zur Beugungsebene YZ verläuft. Um einen Strahlversatz AX, AY in zwei zueinander senkrechten Strahlversatzrichtungen X, Y zu ermöglichen, weist die zweite Umlenkeinrichtung 11 , die als Prismen-Gruppe ausgebildet ist, drei
Reflexionsflächen 11 a-c auf.
Die zweite Umlenkeinrichtung 11 erzeugt zusätzlich einen lateralen Versatz +AH, - AH in der ersten Strahlversatzrichtung X, um zu erreichen, dass ein für eine jeweilige Beugung vorgesehener Flächenbereich des Beugungsgitters 3 mittig von dem Laserstrahl 6 getroffen wird. Die Funktion der beiden weiteren Umlenkeinrichtungen 10a, b von Fig. 3c wird hierbei von der zweiten Umlenkeinrichtung 11 übernommen:
Nach der ersten Beugung an dem Beugungsgitter 3 wird von der zweiten Umlenkeinrichtung 11 ein Strahlversatz +AX und ein lateraler Versatz + AH erzeugt, mit dem der Laserstrahl 6 bei der zweiten Beugung auf das Beugungsgitter 3 auftrifft. Die erste Umlenkeinrichtung 5 erzeugt einen Strahlversatz von -AX in der ersten Strahlversatzrichtung X, so dass der Laserstrahl 6 bei der dritten Beugung mit dem lateralen Versatz +AH bezogen auf den einfallenden Laserstrahl 6 erneut auf das Beugungsgitter 3 trifft. Beim zweiten Durchlaufen der zweiten Umlenkeinrichtung 11 erzeugt diese einen Strahlversatz +AX und einen lateralen Versatz -AH mit negativem Vorzeichen, so dass der Laserstrahl 6 nach der vierten Beugung an dem Beugungsgitter 3 die Gitter-Anordnung 2 mit dem Strahlversatz +AX bezogen auf den einfallenden Laserstrahl 6 verlässt.
Um die oben beschriebene Art der Umlenkung zu erreichen, ist eine Kante zwischen der ersten und zweiten Reflexionsfläche 11a, 11 b der zweiten Umlenkeinrichtung 11 in Bezug auf eine Kante zwischen den beiden Reflexionsflächen 5a, 5b der ersten Umlenkeinrichtung 5 in der ersten Strahlversatzrichtung X um -AH/2 versetzt positioniert. Es versteht sich aber, dass eine solche Positionierung der Kanten nicht zwingend erforderlich ist, um die oben beschriebene Art der Umlenkung zu ermöglichen.
Die erste Umlenkeinrichtung 5 ist in einem vergleichsweise geringen Abstand vom Beugungsgitter 3 angeordnet, um sicherzustellen, dass der Strahlquerschnitt des Laserstrahls 6 zwischen der zweiten und dritten Beugung annähernd gleich bleibt. Die zweite Umlenkeinrichtung 11 ist demgegenüber in einem vergleichsweise großen Abstand vom Beugungsgitter 3 angeordnet. Anders als in Fig. 5 dargestellt, kann die zweite Umlenkeinrichtung 11 ausgebildet sein, einen lateralen Versatz +AH, -AH mit dem oben angegebenen Betrag, aber keinen Strahlversatz AX in der ersten Strahlversatzrichtung X zu erzeugen. Die zweite Umlenkeinrichtung 11 erzeugt in diesem Fall einen Strahlversatz AY in der zweiten Strahlversatzrichtung Y, der dem in Fig. 5 gezeigten Strahlversatz AY entspricht. Auch in diesem Fall kann das Beugungsgitter 3 vier Mal in unterschiedlichen Flächenbereichen von dem Laserstrahl 6 durchlaufen werden.
Für den Fall, dass auf die dritte Reflexionsfläche 11 c verzichtet wird, kann die in Fig. 5 gezeigte zweite Umlenkeinrichtung 11 die beiden in Fig. 3c gezeigten weiteren Umlenkeinrichtungen 10a, b ersetzen, denn die zweite Umlenkeinrichtung 11 erfüllt im Hinblick auf die erste Stahlversatzrichtung X dieselbe Funktion wie die beiden weiteren Umlenkeinrichtungen 10a, b. Werden die beiden in Fig. 5 gezeigten Reflexionsflächen 11a,b als weitere Umlenkeinrichtung 10 verwendet, sind die beiden Beugungsgitter 3, 4 nicht parallel, sondern unter einem Winkel zueinander ausgerichtet, der in der Beugungsebene YZ verläuft. Die beiden Reflexionsflächen 11a, 11 b, die z.B. an einer weiteren Umlenkeinrichtung in Form eines Prismas gebildet sein können, ermöglichen eine Strahlfaltung des Laserstrahls 6 in der Beugungsebene YZ und somit einen besonders kompakten Aufbau der optischen Anordnung 1 .
In Fig. 5 ist wie in Fig. 1a,b die Auffächerung des Laserstrahls 6 in der Beugungsebene YZ, genauer gesagt sind die Randstrahlen der Auffächerung, gestrichelt dargestellt. Durch die weitere Umlenkeinrichtung 11 kann erreicht werden, dass der Laserstrahl 6 das Beugungsgitter 3 an vier unterschiedlichen, zueinander versetzten Flächenbereichen durchläuft und hierbei vier Mal gebeugt wird. Wie in Fig. 1a,b wurde auch in Fig. 5 auf die Darstellung des strahlaufweitenden Elements 7 und des kollimierenden Elements 8 der optischen Anordnung 1 verzichtet.
Die weiter oben beschriebene optische Anordnung 1 weist eine kompakte Bauform auf und kann beispielsweise als Kompressor in einem Chirped-Pulse-Amplification- Lasersystem 20 eingesetzt werden, welches nachfolgend in Zusammenhang mit Fig. 6 näher beschrieben wird. Es versteht sich aber, dass die Verwendung der optischen Anordnung 1 nicht auf ein Chirped-Pulse-Amplification-System beschränkt ist.
Bei dem in Fig. 6 gezeigten Lasersystem 20 handelt es sich um ein Ultrakurzpulssystem, das eine Laserpulsquelle 21 zum Erzeugen eines Laserstrahls 6 mit spektral breiten Laserpulsen sowie die weiter oben beschriebene optische Anordnung 1 zur Dispersionsanpassung, genauer gesagt zur Pulsdauerkomprimierung (auch Puls-Kompressor genannt) aufweist. Die Laserpulsquelle 21 kann beispielsweise als Laseroszillator oder wie in Fig. 6 gezeigt als Laseroszillator-Verstärker-Kombination ausgebildet sein.
In der Laserquelle 21 ist bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel ein Faser-Oszillator 22 integriert, an den sich eine ähnlich zum oben beschriebenen Puls-Kompressor aufgebaute Dispersionsanpassungseinheit 23 zur Erzeugung einer Pulsstreckung (Auch Puls-Strecker genannt) integriert. Alternativ kann die Dispersionsanpassungseinheit 23 zur Pulsstreckung auch als Faser Bragg Gitter (FBG) ausgebildet sein. Die Laserquelle 21 weist auch eine Verstärkerkette mit einer Anzahl n von Verstärkern 25a-n auf. Bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel ist noch ein Modul zur Amplituden- und/oder Phasenanpassung 24 vor der Verstärkerkette 25a, ... , 25n angeordnet, das auch in die Verstärkerkette 25a, ... , 25n integriert sein kann.
Ein optischer Modulator 26 zur Auswahl von Pulsen oder zur Anpassung der Amplitude der Laserpulse ist nach der Verstärkerkette 25a, ... , 25n und vor der optischen Anordnung 1 angeordnet, welche die Puls-Kompression bewirkt. Eine Freistrahloptik 27 weist mindestens ein strahlaufweitendes optisches Element 7 auf, das wie oben erläutert zur Erzeugung eines divergenten Eingangsstrahls für die Gitter-Anordnung 2 dient. Bei dem in Fig. 6 dargestellten Lasersystem 20 werden der optischen Anordnung 1 , die als Dispersionsanpassungseinheit dient, Laserpulse mit spektralen Breiten PE von z.B. 1 nm und größer und Pulsenergien von z.B. 1mJ und größer als Eingangs-Laserstrahl 6 zugeführt.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Lasersystem 20 kann, wie dies in der DE 10 2016 110 947 A1 der Anmelderin beschrieben ist, eine Dispersionsanpassung des Strahlengangs vorgenommen werden, um eine Feineinstellung der Pulsdauer vorzunehmen. Auf diese Weise kann ein Intensitätsverlauf der Laserpulse mit einer gewünschten, beispielsweise der kürzest möglichen oder einer an ein Bearbeitungsverfahren angepassten Pulsdauer bereitgestellt werden.

Claims

Patentansprüche Optische Anordnung (1 ) zur Pulskompression eines gepulsten Laserstrahls (6), umfassend: eine Gitter-Anordnung (2), die mindestens ein Beugungsgitter (3, 4) aufweist, sowie eine strahlaufweitende Einrichtung, insbesondere mindestens ein strahlaufweitendes optisches Element (7), zur Bildung eines divergenten gepulsten Laserstrahls (6), der divergent in die Gitter-Anordnung (2) eintritt. Optische Anordnung nach Anspruch 1 , welche mindestens eine Umlenkeinrichtung (5, 11 ) zur Umlenkung des Laserstrahls (6) nach dem Durchlaufen mindestens eines Beugungsgitters (3, 4) aufweist, wobei die Umlenkeinrichtung (5) ausgebildet ist, den Laserstrahl (6) zu dem mindestens einen bereits durchlaufenen Beugungsgitter (3, 4) zurückzulenken und bevorzugt für die Umlenkung des Laserstrahls (6) mindestens zwei Reflexionsflächen (5a, b;
11 a-c) aufweist. Optische Anordnung nach Anspruch 2, bei der die Umlenkeinrichtung (5, 11 ) zur Erzeugung eines Strahlversatzes (AX; AX, AY) in mindestens einer Strahlversatzrichtung (X, Y) ausgebildet ist. Optische Anordnung nach Anspruch 3, bei der die Umlenkeinrichtung (11 ) zur Erzeugung eines Strahlversatzes (AX, AY) in zwei Strahlversatzrichtungen (X, Y) ausgebildet ist und für die Umlenkung des Laserstrahls (6) mindestens drei Reflexionsflächen (11 a-c) aufweist. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die Gitter- Anordnung (2) ein erstes und ein zweites Beugungsgitter (3, 4) aufweist, die nacheinander von dem Laserstrahl (6) durchlaufen werden, und bei dem die Umlenkeinrichtung (5) ausgebildet ist, den Laserstrahl (6) mit einem Strahlversatz
28 (AX), der bevorzugt in einer Strahlversatzrichtung (X) verläuft, die senkrecht zu einer Beugungsebene (YZ) der Gitter-Anordnung (2) ausgerichtet ist, zu dem zweiten Beugungsgitter (3) zurückzulenken. Optische Anordnung nach Anspruch 5, bei welcher das erste Beugungsgitter (3) und das zweite Beugungsgitter (4) entlang einer Strahlversatzrichtung (X), die senkrecht zu einer Beugungsebene (YZ) der Gitter-Anordnung (2) verläuft, um einen lateralen Versatz (AH) zueinander versetzt angeordnet sind. Optische Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, bei welcher zwischen dem ersten Beugungsgitter (3) und dem zweiten Beugungsgitter (4) mindestens eine weitere Umlenkeinrichtung (10; 10a, 10b) angeordnet ist, die einen lateralen Versatz (+AH, -AH) des Laserstrahls (6) entlang einer Strahlversatzrichtung (X) erzeugt, die senkrecht zur Beugungsebene (YZ) der Gitter-Anordnung (2) verläuft. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei welcher der laterale Versatz (AH) zwischen den beiden Beugungsgittern (3, 4) in Strahlversatzrichtung (X) oder der von der mindestens einen weiteren Umlenkeinrichtung (10a, 10b) erzeugte laterale Versatz (+AH, -AH) gegeben ist durch:
AH = 1/ 4 HG (HA - HE) / (HA + HE), wobei HG die Erstreckung des ersten Beugungsgitters (3) in Strahlversatzrichtung (X), HE die Erstreckung des Strahlquerschnitts (S1a) des Laserstrahls (6) in Strahlversatzrichtung (X) beim ersten Durchlaufen des ersten Beugungsgitters (3) und HA die Erstreckung des Strahlquerschnitts (S1 b) des umgelenkten Laserstrahls (6) in Strahlversatzrichtung (X) beim zweiten Durchlaufen des ersten Beugungsgitters (3) bezeichnen. Optische Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, bei welcher die mindestens eine weitere Umlenkeinrichtung (10a, 10b) ausgebildet ist, zusätzlich zu dem lateralen Versatz (+AH, - AH) einen Strahlversatz (+AX) in Strahlversatzrichtung (X) zu erzeugen, der dem Betrag des Strahlversatzes (AX) der Umlenkeinrichtung (5) in Strahlversatzrichtung (X) entspricht. Optische Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Gitter-Anordnung eine einziges Beugungsgitter (3) sowie eine erste Umlenkeinrichtung (5) zur Erzeugung eines Strahlversatzes (AX) in einer ersten Strahlversatzrichtung (X) und eine zweite Umlenkeinrichtung (11 ) zur Erzeugung eines Strahlversatzes (AY) in der zweiten Strahlversatzrichtung (Y) und bevorzugt zur Erzeugung eines Strahlversatzes (AX) in der ersten Strahlversatzrichtung (X) aufweist, wobei die erste und zweite Umlenkeinrichtung (5, 11 ) bevorzugt auf gegenüberliegenden Seiten des Beugungsgitters (3) angeordnet sind. Optische Anordnung nach Anspruch 10, bei der die zweite Umlenkeinrichtung (11 ) ausgebildet ist, in der ersten Strahlversatzrichtung (X), bevorzugt zusätzlich zu einem Strahlversatz (AX), welcher dem Strahlversatz (AX) der ersten Umlenkeinrichtung (5) in der ersten Strahlversatzrichtung (X) entspricht, einen lateralen Versatz (+AH, -AH) zu erzeugen, der gegeben ist durch:
AH = 1/ 4 HG (HA - HE) / (HA + HE), wobei HG die Erstreckung des Beugungsgitters (3) in der ersten Strahlversatzrichtung (X), HE die Erstreckung des Strahlquerschnitts (S1a) des Laserstrahls (6) in der ersten Strahlversatzrichtung (X) beim ersten Durchlaufen des Beugungsgitters (3) und HA die Erstreckung des Strahlquerschnitts (S1 b) des umgelenkten Laserstrahls (6) in der ersten Strahlversatzrichtung (X) beim letzten Durchlaufen des Beugungsgitters (3) bezeichnen. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Erstreckung (HA) des Stahlquerschnitts (S1b) des aus der Gitter-Anordnung (2) austretenden Laserstrahls (6) in einer zur Beugungsebene (Y, Z) senkrechten Richtung (X) mindestens um einen Faktor 1 ,5, bevorzugt mindestens um einen Faktor 1 ,7 insbesondere mindestens um einen Faktor 2 größer ist als eine Erstreckung (HE) des Strahlquerschnitts (S1a) des in die Gitter-Anordnung (2) eintretenden Laserstrahls (6) in der zur Beugungsebene (Y, Z) senkrechten Richtung (X). Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die strahlaufweitende Einrichtung (7) ausgebildet ist, einen Divergenzwinkel (a) des Laserstrahls (6) beim Eintritt in die Gitter-Anordnung (2) zu erzeugen, der zwischen 0,5 mrad und 100 mrad liegt. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: mindestens eine Korrektureinrichtung, insbesondere mindestens eine Phasen-Korrektureinrichtung (9a, 9b), zur zumindest teilweisen Kompensation einer auf die Divergenz des Laserstrahls (6) beim Eintreten in die Gitter- Anordnung (2) zurückzuführenden Verschlechterung einer Strahlqualität (K) des Laserstrahls (6) beim Durchtritt durch die Gitter-Anordnung (2). Optische Anordnung nach Anspruch 14, bei dem die Korrektureinrichtung (9a) im Strahlweg vor der Gitter-Anordnung (2) oder im Strahlweg nach der Gitter- Anordnung (2) angeordnet ist. Optische Anordnung nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Phasen- Korrektureinrichtung ein diffraktives optisches Element (9b) ist. Optische Anordnung nach Anspruch 16, bei dem die Phasen-Korrektureinrichtung (9b) in ein Beugungsgitter (3) der Gitter-Anordnung (2) integriert ist. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine kollimierende Einrichtung, insbesondere mindestens ein kollimierendes optisches Element (8), zur Kollimation des Laserstrahls (6) nach dem Durchlaufen der Gitter-Anordnung (2). Lasersystem (20), umfassend: eine Laserquelle (21 ) zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls (6), sowie eine optische Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Pulskompression des gepulsten Laserstrahls (6).
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