WO2022238589A1 - Gepulste laserlichtquelle und verfahren zur erzeugung eines gepulsten ausgangslaserstrahls mit laserpulsen mit vorgegebenen eigenschaften - Google Patents

Gepulste laserlichtquelle und verfahren zur erzeugung eines gepulsten ausgangslaserstrahls mit laserpulsen mit vorgegebenen eigenschaften Download PDF

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WO2022238589A1
WO2022238589A1 PCT/EP2022/069652 EP2022069652W WO2022238589A1 WO 2022238589 A1 WO2022238589 A1 WO 2022238589A1 EP 2022069652 W EP2022069652 W EP 2022069652W WO 2022238589 A1 WO2022238589 A1 WO 2022238589A1
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laser beam
pulsed
optical
pulsed laser
gas
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PCT/EP2022/069652
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Andreas Popp
Torsten Mans
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Amphos GmbH
Trumpf Lasertechnik Gmbh
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G—PHYSICS
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0092—Nonlinear frequency conversion, e.g. second harmonic generation [SHG] or sum- or difference-frequency generation outside the laser cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0085—Modulating the output, i.e. the laser beam is modulated outside the laser cavity

Definitions

  • the invention relates to a pulsed laser light source and a method for generating a pulsed output laser beam with laser pulses having predetermined egg properties and for supplying the pulsed output laser beam to a given location before.
  • the pulse duration must also be set in addition to the central wavelength and bandwidth of the laser pulses.
  • advanced spectroscopic applications such as two-dimensional Fourier transform infrared spectroscopy, the time sequence of laser pulses with different spectra is also relevant.
  • a laser material processing system is already known from WO 2007/145702 A2, in which laser pulses pass through a pulse shaper and are then guided in a hollow waveguide in order to widen the bandwidth of the pulses.
  • WO 2018/218031 A1 discloses a laser system that can be tuned over a wide spectral range and has two lasers and cross-phase modulation.
  • WO 2011/151209 A1 discloses a device and a method for generating laser pulses whose properties (amplitude, phase, polarization) can be set using a pulse shaper and a control loop.
  • a device and a method for generating laser pulses/solitons are known from EP 2 802 043 A1, the laser pulses of a pump laser being spectrally altered by non-linear optical effects in a waveguide.
  • WO 2018/127266A1 discloses a broadband light source and a method for spectral broadening of laser pulses via non-linear effects in gas-filled optical hollow fibers (kagome, turret).
  • EP 2942847 A1 discloses a method for spectrally broadening laser pulses by means of a hollow optical waveguide which has a Raman-active pulse guiding medium.
  • a method for pulse shaping by means of a spectral shaper is also known from WO 2017/160653 A1.
  • DE 10203864 A1 discloses a known method for amplitude and/or phase modulation of broadband laser pulses.
  • Beam splitting transforms the spectral components contained in the laser beam into several locally separated Fourier levels. There, the properties of the spectral components are influenced independently of each other and then combined again to form a common laser beam.
  • US Pat. No. 7,576,907 B1 discloses the simultaneous amplitude and phase control of ultrashort laser pulses using a spatial light modulator in the form of a linear liquid crystal.
  • DE 102011 012768 B4 further discloses a laser system with a pulse shaper capable of measuring and correcting undesired distortion in a laser pulse by comparing detected phase values associated with transmissions of the reference and sampled spectral portions.
  • WO 2015/130651 A1 discloses a method for generating ultra-short laser pulses with multiple wavelengths for multi-photon microscopy.
  • the invention is based on the object of specifying a pulsed laser light source that is as universal as possible for generating a pulsed output laser beam with laser pulses with specified properties and for supplying the pulsed output laser beam to a specified location and to provide an associated method.
  • a pulsed laser light source for generating a pulsed output laser beam with laser pulses with specified properties and for feeding the pulsed output laser beam to a specified location, having an ultra-short pulsed laser for generating a pulsed laser beam, a gas-filled hollow optical fiber into which the ge pulsed laser beam is coupled in at one end and which is designed in such a way that the laser pulses of the pulsed laser beam are spectrally broadened during propagation through the gas-filled optical hollow fiber via nonlinear optical effects, a modulation device for modulating the spectral phase and/or the spectral amplitude of the other end from the gas-filled optical hollow fiber decoupled, pulsed laser beam, and an optical transport fiber, in which the modulated laser beam is coupled at one end and at the end of which at the specified location as a pulsed output laser beam au is coupled.
  • Ultrashort pulse lasers are lasers that emit laser light in the form of laser pulses with pulse durations in the picosecond or femtosecond range or less.
  • Examples of ultrashort pulse lasers are mode-locked fiber lasers or hybrid lasers that use a mode-locked fiber laser in combination with a solid-state amplifier.
  • Hollow optical fibers are optical fibers that are characterized by a hollow fiber core.
  • optical hollow fibers are photonic crystal fibers in which the mechanism of light transmission is based on a photonic band gap, revolver hollow fibers and kagome fibers.
  • non-linear optical effects result in spectral broadening.
  • the non-linear optical effects include the Kerr effect, which leads to self-phase modulation, and stimulated Raman scattering.
  • the dispersion properties of the gas-filled optical hollow fiber also play an important role in spectral broadening.
  • the purpose of the spectral broadening is to change the laser pulses of the pulsed laser light source in such a way that their properties are largely free are adjustable or to generate certain spectra that are particularly interesting for the respective application, such as a frequency comb. For example, starting from the laser pulses of the pulsed laser light source, which have a specific central wavelength, laser pulses with a central wavelength that can be selected from a large wavelength range can be generated after spectral broadening.
  • gas-filled optical hollow fibers include the fact that, due to the confinement to a small beam cross section and relatively long propagation lengths, relatively low particle densities are sufficient to excite the nonlinear optical effects.
  • gases used e.g. atomic Ne, Ar, Kr, Xe or molecular H 2 , N 2 , N 2 O, C 2 H 2 F 4 , C 2 H 4 F 2
  • gas mixtures in particular from one or more of the gases mentioned
  • the spectral phase and/or the spectral amplitude of the pulsed laser beam coupled out of the gas-filled optical hollow fiber can be modulated via the modulation device.
  • the properties of the laser pulses can thus be set individually for each laser pulse. These properties include the pulse duration, the pulse shape and the center wavelength of the laser pulses.
  • a suitable setting of the pulse properties can be used, for example, to precompensate for pulse broadening as a result of dispersion due to propagation of the pulsed output laser beam through one or more optical elements, for example a microscope.
  • the delivery to the specified location at which the pulsed output laser beam is used, for example an optical measurement setup or a microscope, via the optical transport fiber leads to a particularly high level of flexibility in the application and saves time and money and opens up new application possibilities.
  • Compared to the delivery of the output pulsed laser beam By means of one or more mirrors, for example dielectric mirrors, as is currently the case, a complex structure and laborious adjustment of the beam path can be dispensed with. This makes it possible to use the pulsed output laser beam in applications in which accessibility is severely restricted, for example use on living animals or in large systems in an industrial environment.
  • the pulsed laser light source according to the invention can be used, for example, for multiphoton spectroscopy or multiphoton microscopy or for laser spectroscopy based on coherent anti-Stokes Raman scattering.
  • an input and/or an aperture of the optical transport fiber interact with the modulation device or are assigned to the modulation device in order to implement a modulation of the spectral phase and the spectral amplitude of the pulsed output laser beam.
  • pulses of the pulsed output laser beam can be made available by suitably selecting the modulation with predetermined pulse parameters.
  • the pulsed laser light source preferably includes a control device for controlling the modulation of the spectral phase and spectral amplitude carried out by the modulation device in order to provide pulses of the pulsed output laser beam with predetermined pulse parameters.
  • the predetermined or predeterminable pulse parameters include in particular a spectral profile of the intensity and/or a temporal spectral profile and/or a central wavelength of the pulses of the pulsed output laser beam.
  • the gas-filled hollow optical fiber is a gas-filled Kagome fiber.
  • Kagome fibers are special optical hollow fibers that have a kagome structure in their cross section.
  • Ka gome fibers are particularly advantageous because they concentrate the laser light particularly well in the hollow core and thus allow particularly high laser power.
  • the gas-filled optical hollow fiber is preferably designed to broaden the laser pulses of the pulsed laser beam spectrally to form a supercontinuum. The more pronounced the spectral broadening, the greater the possibilities for setting the properties of the laser pulses of the output laser beam. A spectral broadening to a supercontinuum is therefore particularly advantageous.
  • the gas-filled optical hollow fiber is designed to broaden the laser pulses of the pulsed laser beam spectrally to form a Raman comb.
  • a Raman comb can also be generated via stimulated Raman scattering in the gas-filled optical hollow fiber.
  • a flexible, continuous switching between a supercontinuum and a Raman comb is also possible by varying the pulse duration of the laser pulses of the pulsed laser beam.
  • Raman combs are used in particular in spectroscopy.
  • the gas-filled hollow optical fiber is filled with a gas from a first group comprising: Ne, Ar, Kr, Xe, or a gas from a second group comprising: H 2 , N 2 , N 2 O, C 2 H 2 F 4 , C 2 H 4 F 2 , or with a gas mixture comprising two or more of the gases from the first and/or the second group.
  • the modulation device has one or two dispersive optical elements and a device for location-dependent phase and/or amplitude modulation.
  • a dispersive optical element For the modulation of the spectral phase and/or the spectral amplitude, it is expedient first to spatially separate the different wavelength components of the pulsed laser beam using a dispersive optical element, and then separate the individual wavelength components using a device for location-dependent phase and/or amplitude modulation to impress the desired spectral phase and/or spectral phase and finally to recombine the different wavelength components by means of the same or a second dispersive optical element.
  • the dispersive optical elements are, for example, prisms. The division or combination of the In this case, the different wavelength components result from the wavelength dependency of the refraction angles, which is a consequence of the wavelength dependency of the refractive indices of the prisms.
  • the dispersive optical element is a diffraction grating or both dispersive optical elements are diffraction gratings.
  • the dispersive optical elements can also be diffraction gratings. In this case, the division or combination of the different wavelength components results from the wavelength dependency of the interference effects leading to diffraction. It is also possible to use diffraction gratings in which the light is almost completely diffracted into a specific diffraction order, for example blaze gratings.
  • the device for the device for location-dependent phase and/or amplitude modulation is based, for example, on a spatial light modulator, commonly referred to as an SLM.
  • Spatial light modulators often have a thin liquid crystal layer.
  • the location-dependent phase and/or amplitude modulation is achieved via the adjustable alignment of the liquid crystals in a pixel array.
  • the device for location-dependent phase and/or amplitude modulation preferably has a liquid-crystal-on-silicon element.
  • Liquid-Crystal-on-Silicon elements are special spatial light modulators built for use in reflection. This design has the advantage over other spatial light modulators that the placement of conductor tracks in the beam path can be avoided.
  • liquid-crystal-on-silicon elements In the case of liquid-crystal-on-silicon elements, a thin liquid crystal layer is applied to a silicon substrate. The liquid crystal layer is used to modulate the reflected light, while control electronics are implemented on the silicon substrate using CMOS technology. An electric field can now be set in the liquid crystal layer in a pixel array. With this, the alignment of the liquid crystals in the liquid crystal layer and thus the phase difference of the reflected light can be controlled independently for each pixel.
  • the simultaneous and independent modulation of spectral phase and spectral amplitude is necessary.
  • Such is achieved, for example, by using a liquid-crystal-on-silicon element with a two-dimensional pixel array in combination with coupling the light reflected from the liquid-crystal-on-silicon element into an optical fiber, for example the optical transport fiber.
  • An axis of the two-dimensional pixel array is aligned along the spatial splitting direction of the different wavelength components.
  • the spectral phase can be modulated by setting a phase difference along this axis.
  • the coupling efficiency in the optical transport fiber can now be set via the liquid-crystal-on-silicon element depending on the wavelength, and the spectral amplitude can thus be modulated.
  • the transport optical fiber is a hollow optical fiber, preferably a Kagome fiber.
  • no or only weak non-linear optical effects occur in the optical transport fiber, with a vacuum or a pressure of less than 200 mbar, particularly preferably less than 100 mbar, in particular less than 10 mbar, preferably prevailing in the optical transport fiber and/ or the optical transport fiber is filled with a gas with a particularly low non-linearity, in particular with He, or a gas mixture comprising He.
  • the pressure in the transport optical fiber is then typically lower than in the gas-filled hollow optical fiber.
  • Weak non-linear optical effects are understood to mean in particular those which lead to an increase in the pulse duration of less than 50 fs or a B integral of less than 0.1 rad.
  • the above-mentioned object is also achieved by a method for generating a pulsed output laser beam with laser pulses having predetermined properties and for supplying the pulsed Output laser beam to a predetermined location, which comprises the following method steps: generating a pulsed laser beam, coupling the pulsed laser beam into a gas-filled optical hollow fiber, in which the laser pulses of the pulsed laser beam are spectrally broadened via non-linear optical effects, modulating the spectral phase and/or or the spectral amplitude of the pulsed laser beam coupled out of the gas-filled hollow optical fiber and coupling the modulated laser beam into an optical fiber and coupling out the modulated laser beam as a pulsed output laser beam at the predetermined location.
  • the modulation of the spectral phase and spectral amplitude is preferably controlled by a control device in order to provide pulses of the pulsed output laser beam with predetermined pulse parameters.
  • the spectral phase and / or the spectral amplitude of the coupled, pulsed laser beam is adjusted by means of the two-dimensional pixel array ei nes liquid-crystal-on-silicon element that the coupled, ge pulsed laser beam for each pixel individually a desired phase and / or amplitude impressed.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of a ge pulsed laser light source for generating a pulsed laser beam Trustla laser pulses with predetermined properties and for supplying the output pulsed laser beam to a PRE-NEN location.
  • Fig. 1 shows a pulsed laser light source 1 for generating a pulsed output laser beam 2 with laser pulses with specified properties and for guiding the pulsed output laser beam 2 to a specified location 3.
  • the pulsed laser light source 1 has an ultra-short pulsed laser 4 for generating a pulsed laser beam 5, a gas-filled optical hollow fiber 6, a modulation device 7 and an optical transport fiber 8 on.
  • the pulsed laser beam 5 is coupled at one end into the gas-filled optical hollow fiber 6 and propagates through it.
  • the gas-filled optical hollow fiber 6 is designed in such a way that during propagation the laser pulses of the pulsed laser beam 5 are spectrally broadened at the gas of the gas-filled optical hollow fiber 6 via non-linear optical effects.
  • the spectral phase and/or the spectral amplitude of the pulsed laser beam 9 coupled out of the other end of the gas-filled optical hollow fiber 6 are modulated by means of the modulation device 7 .
  • the modulation device 7 shown has an optical element 10 in the form of a dispersive diffraction grating, a cylindrical mirror 11 and a liquid-crystal-on-silicon element 12 with a two-dimensional pixel array.
  • the pulsed laser beam 9 decoupled from the gas-filled optical hollow fiber 6 strikes the diffraction grating 10 via the cylindrical mirror 11 and is split into its different wavelength components 9', 9''.
  • the cylinder axis of the cylindrical mirror 11 is perpendicular to the splitting direction of the different wavelength components 9', 9''.
  • the different wavelength components 9′, 9′′ impinge on the liquid-crystal-on-silicon element 12 via the cylindrical mirror 11, with which a desired phase difference that can be set individually for each pixel is impressed on them, and are reflected thereon.
  • the wavelength components 13′, 13′′ modulated in this way now strike the diffraction grating 10 again via the cylindrical mirror 11 and are brought together to form the modulated laser beam 13 .
  • the modulated laser beam 13 is coupled into the optical transport fiber 8 via the cylindrical mirror 11 at an input 15 of the optical transport fiber 8 .
  • the spatial phase offset between the respective wavelength components 9', 9" by means of the liquid-crystal-on-silicon element 12 for example, a path length of the respective wavelength components of the modulated laser beam 13 between the liquid-crystal-on-silicon element 12 and the input 15 and/or a location of the respective wavelength components of the modulated laser beam 13 at the input 15 and/or an angle of the respective wavelength components of the modulated laser beam 13 at the input 15.
  • certain wavelength components of the modulated laser beam 13 can be directed specifically at the input 15 of the optical transport fiber 8 in order to couple them into the optical transport fiber 8, or at the inputGang 15 of the optical transport fiber 8 are "shot past” so that they are not coupled. This allows the spectral phase and the spectral amplitude of the pulsed output laser beam to be modulated.
  • An axis of the two-dimensional pixel array of the liquid-crystal-on-silicon element 12 is aligned along the spatial splitting direction of the different wavelength components 9', 9".
  • the spectral phase can be modulated by adjusting the phase difference along this axis.
  • the coupling efficiency into the optical transport fiber 8 can be adjusted as a function of wavelength via the phase difference impressed with the liquid-crystal-on-silicon element 12 and individually adjustable for each pixel, and thus the spectral amplitude can be modulated and adjusted as desired.
  • the modulated laser beam 13 coupled into the optical transport fiber 8 at one end at the input 15 is pulsed at the other end at the predetermined location 3 Output laser beam 2 decoupled.
  • the aperture of the optical transport fiber 8 is part of the modulation device 7; the spectral amplitude of the laser beam is only modulated when it has already been coupled into the optical transport fiber 8 .
  • the pulsed laser light source 1 can be used, for example, for multiphoton spectroscopy or for laser spectroscopy based on coherent anti-Stokes Raman scattering.
  • the pulsed laser light source 1 comprises a control device 14 for controlling the liquid-crystal-on-silicon element 12.
  • a spatial spectral profile and/or a central wavelength and/or a temporal spectral profile of pulses of the pulsed output laser beam can be measured on the control device 14 2 specify.
  • the control device 14 is set up to control the liquid-crystal-on-silicon element 12 in order to provide a corresponding output laser beam 2 with the specifications mentioned by setting the spatial phase offset between the respective wavelength components 9', 9".

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Abstract

Eine erfindungsgemäße gepulste Laserlichtquelle (1) zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls (2) mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls (2) an einen vorgegebenen Ort (3), umfasst einen Ultrakurzpulslaser (4) zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls (5), eine gasgefüllte optische Hohlfaser (6), in die der gepulste Laserstrahl (5) einenends eingekoppelt wird und die derart ausgebildet ist, dass die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls (5) bei der Propagation durch die gasgefüllte optische Hohlfaser (6) über nichtlineare optische Effekte spektral verbreitert werden, eine Modulationseinrichtung (7) zur Modulation der spektralen Phase und/oder der spektralen Amplitude des anderenends aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser (6) ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahls (9), und eine optische Transportfaser (8), in die der modulierte Laserstrahl (13) einenends eingekoppelt und anderenends am vorgegebenen Ort (3) als gepulster Ausgangslaserstrahl (2) ausgekoppelt wird.

Description

Anmelder:
TRUMPF Lasertechnik GmbH Johann-Maus-Strasse 2 D-71254 Ditzingen
Amphos GmbH Kaiserstrasse 100 D-52134 Herzogenrath
Vertreter:
TRUMPF Patentabteilung IP + Licenses (TH550) Trumpf SE + Co. KG Johann-Maus-Strasse 2 D-71254 Ditzingen
Gepulste Laserlichtquelle und Verfahren zur Erzeugung eines gepulsten Aus gangslaserstrahls mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften
Die Erfindung betrifft eine gepulste Laserlichtquelle sowie ein Verfahren zur Erzeu gung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls mit Laserpulsen mit vorgegebenen Ei genschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls an einen vor gegebenen Ort. Zahlreiche Anwendungen in der Chemie, Physik und den Lebenswissenschaften, einschließlich der Biotechnologie, Medizin und Pharmazie, benötigen gepulste La serstrahlung mit einer über einen breiten Spektralbereich durchstimmbaren Wel lenlänge und mit hohen spektralen Intensitäten. Bei spektroskopischen Anwen dungen ist regelmäßig eine Einsteilbarkeit der Bandbreite und Zentralwellenlänge der Laserpulse und gegebenenfalls des Verlaufs der spektralen Intensitäten, teil weise auch in schnellem zeitlichen Wechsel, erforderlich. Bei Anwendungen in der nichtlinearen Bildgebung ist neben der Zentralwellenlänge und Bandbreite der La serpulse auch die Pulsdauer einzustellen. Bei fortgeschrittenen spektroskopischen Anwendungen, beispielsweise der zweidimensionalen Fourier-Transformation-Inf- rarotspektroskopie, ist auch die zeitliche Abfolge von Laserpulsen mit unterschied lichen Spektren relevant.
Aus WO 2007/145702 A2 ist bereits ein Lasermaterialbearbeitungssystem be kannt, bei dem Laserpulse einen Puls-Shaper durchlaufen und dann in einem hoh len Wellenleiter geführt werden, um die Bandbreite der Pulse zu verbreitern.
Aus WO 2018/218031 A1 ist ein über einen weiten Spektralbereich durchstimmba res Lasersystem mit zwei Lasern und einer Cross-Phase-Modulation bekannt.
Aus WO 2011/151209 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen bekannt, deren Eigenschaften (Amplitude, Phase, Polarisation) mithilfe eines Puls-Shapers und eines Regelkreises eingestellt werden können.
Aus EP 2 802 043 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen/Solitonen bekannt, wobei Laserpulse eines Pumplasers durch nicht lineare optische Effekte in einem Wellenleiter spektral verändert werden.
Aus WO 2018/127266A1 sind eine breitbandige Lichtquelle und ein Verfahren zur spektralen Verbreiterung von Laserpulsen über nichtlineare Effekte in gasgefüllten optischen Hohlfaser (Kagome, Revolver) bekannt. EP 2942847 A1 offenbart ein Verfahren zum spektralen Verbreitern von Laser pulsen mittels eines hohlen optischen Wellenleiters, der ein Raman-aktives Puls führungsmedium aufweist.
Aus WO 2017/160653 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zur Pulsformung mittels eines spektralen Shapers bekannt.
DE 10203864 A1 offenbart ein Verfahren zur Amplituden- und/oder Phasenmo dulation breitbandiger Laserpulse bekannt. Durch Strahlteilung erfolgt eine Trans formation der im Laserstrahl enthaltenen Spektralanteile in mehrere örtlich ge trennte Fourierebenen. Dort werden die Spektralanteile in ihren Eigenschaften je weils unabhängig voneinander beeinflusst und anschließend wieder zu einem ge meinsamen Laserstrahl vereinigt.
US 7,576,907 B1 offenbart die gleichzeitige Amplituden- und Phasenregelung von ultrakurzen Laserpulsen mittels eines räumlichen Lichtmodulators in Form eines linearen Flüssigkristalls.
DE 102011 012768 B4 offenbart weiter ein Lasersystem mit einem Pulsformer, der eine unerwünschte Verzerrung in einem Laserpuls durch Vergleichen detek- tierter Phasenwerte, die den Übertragungen der spektralen Referenz- und abge tasteter Abschnitte zugeordnet sind, zu messen und zu korrigieren.
WO 2015/130651 A1 offenbart schließlich ein Verfahren zum Erzeugen von ultra kurzen Laserpulsen mit mehrfachen Wellenlängen für die Multi-Photonen-Mikro- skopie.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine möglichst univer selle gepulste Laserlichtquelle zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangslaser strahls mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls an einen vorgegebenen Ort anzugeben und ein zugehöriges Verfahren bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine gepulste Laserlichtquelle zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls mit Laserpulsen mit vorge gebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls an einen vorgegebenen Ort, aufweisend einen Ultrakurzpulslaser zum Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls, eine gasgefüllte optische Hohlfaser, in die der ge pulste Laserstrahl einenends eingekoppelt wird und die derart ausgebildet ist, dass die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls bei der Propagation durch die gasgefüllte optische Hohlfaser über nichtlineare optische Effekte spektral verbrei tert werden, eine Modulationseinrichtung zur Modulation der spektralen Phase und/oder der spektralen Amplitude des anderenends aus der gasgefüllten opti schen Hohlfaser ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahls, und eine optische Transportfaser, in die der modulierte Laserstrahl einenends eingekoppelt und an derenends am vorgegebenen Ort als gepulster Ausgangslaserstrahl ausgekoppelt wird.
Ultrakurzpulslaser sind Laser, die Laserlicht in Form von Laserpulsen mit Pulsdau ern im Piko- oder Femtosekundenbereich oder darunter emittieren. Beispiele für Ultrakurzpulslaser sind modengekoppelte Faserlaser oder Hybridlaser, bei wel chen ein modengekoppelter Faserlaser in Kombination mit einem Festkörperver stärker zum Einsatz kommt.
Optische Hohlfasern sind optische Fasern, die sich durch einen hohlen Faserkern auszeichnen. Beispiele für optische Hohlfasern sind Photonische-Kristall Fasern, bei welchen der Mechanismus der Lichtleitung auf einer photonischen Bandlücke beruht, Revolver-Hohlfasern und Kagome-Fasern. Bei der Propagation der Laser pulse des gepulsten Laserstrahls durch die gasgefüllte optische Hohlfaser kommt es durch nichtlineare optische Effekte zu einer spektralen Verbreiterung. Die nicht linearen optischen Effekte umfassen den Kerr-Effekt, der zu einer Selbstphasen modulation führt, sowie die stimulierte Raman-Streuung. Für die spektrale Verbrei terung spielen außerdem die Dispersionseigenschaften der gasgefüllten optischen Hohlfaser eine wesentliche Rolle.
Zweck der spektralen Verbreiterung ist es, die Laserpulse der gepulsten Laser lichtquelle so zu verändern, dass nachfolgend ihre Eigenschaften weitgehend frei einstellbar sind oder bestimmte Spektren, die für die jeweilige Anwendung beson ders interessant sind, wie beispielweise einen Frequenzkamm, zu erzeugen. Zum Beispiel sind ausgehend von den Laserpulsen der gepulsten Laserlichtquelle, die eine bestimmte Zentralwellenlänge aufweisen, nach der spektralen Verbreiterung Laserpulse mit einer aus einem großen Wellenlängenbereich selektierbaren Zen tralwellenlänge erzeugbar.
Vorteile der Verwendung von gasgefüllten optischen Hohlfasern liegen unter ande rem darin, dass durch den Einschluss auf einen kleinen Strahlquerschnitt und rela tiv lange Propagationslängen relativ geringe Teilchendichten für die Anregung der nichtlinearen optischen Effekte ausreichen. Durch die Wahl der eingesetzten Gase (z.B. atomar Ne, Ar, Kr, Xe oder molekular H2, N2, N2O, C2H2F4, C2H4F2) oder Gasgemische (insbesondere aus einem oder mehreren der genannten Gase), den Gasdruck und die Parameter der gepulsten Laserlichtquelle kann außerdem eine Vielzahl von Spektren kontrolliert erzeugt werden. Im Vergleich zu Festkörpern, die seit langem als nichtlinear-optische Medien eingesetzt werden, ist in gasgefüll ten optischen Hohlfasern die unerwünschte Absorption deutlich reduziert, und die Zerstörungsschwellen liegen wesentlich höher.
Über die Modulationseinrichtung ist die spektrale Phase und/oder die spektrale Amplitude des aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser ausgekoppelten, gepuls ten Laserstrahls modulierbar. Damit können die Eigenschaften der Laserpulse für jeden Laserpuls einzeln eingestellt werden. Diese Eigenschaften umfassen die Pulsdauer, die Pulsform und die Zentralwellenlänge der Laserpulse. Über eine ge eignete Einstellung der Pulseigenschaften kann zum Beispiel eine Pulsverbreite rung durch Dispersion aufgrund einer Propagation des gepulsten Ausgangslaser strahls durch ein oder mehrere optische Elemente, beispielsweise durch ein Mikro skop, vorkompensiert werden.
Die Zuführung an den vorgegebenen Ort, an welchem der gepulste Ausgangsla serstrahl eingesetzt wird, beispielsweise ein optischer Messaufbau oder ein Mikro skop, über die optische Transportfaser führt zu einer besonders hohen Flexibilität in der Anwendung und einer Zeit- und Kostenersparnis und eröffnet neue Einsatz möglichkeiten. Verglichen mit der Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls über ein oder mehrere Spiegel, beispielsweise dielektrische Spiegel, wie derzeit üblich, kann auf einen komplexen Aufbau und eine aufwendige Justage des Strah lengangs verzichtet werden. Der Einsatz des gepulsten Ausgangslaserstrahls in Anwendungen, in denen die Zugänglichkeit stark eingeschränkt ist, beispielsweise der Einsatz an lebenden Tieren oder in großen Anlagen in industrieller Umgebung, wird damit erst ermöglicht.
Die erfindungsgemäße gepulste Laserlichtquelle kann beispielsweise für die Mul- tiphotonen-Spektroskopie oder Multiphotonen-Mikroskopie oder für die auf kohä renter Anti-Stokes-Raman-Streuung basierende Laserspektroskopie eingesetzt werden.
Insbesondere wirken ein Eingang und/oder eine Apertur der optischen Transport faser mit der Modulationseinrichtung zusammen oder sind der Modulationseinrich tung zugeordnet, um eine Modulation der spektralen Phase und der spektralen Amplitude des gepulsten Ausgangslaserstrahls zu realisieren. Es lassen sich dadurch Pulse des gepulsten Ausgangslaserstrahls durch geeignete Wahl der Mo dulation mit vorgegebenen Pulsparametern bereitstellen.
Bevorzugt umfasst die gepulste Laserlichtquelle eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der mittels der Modulationseinrichtung durchgeführten Modulation der spektralen Phase und spektralen Amplitude, um Pulse des gepulsten Ausgangsla serstrahls mit vorgegebenen Pulsparametern bereitzustellen.
Die vorgegebenen oder vorgebbaren Pulsparameter umfassen insbesondere ei nen spektralen Verlauf der Intensität und/oder einen zeitlichen spektralen Verlauf und/oder eine Zentralwellenlänge der Pulse des gepulsten Ausgangslaserstrahls.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die gasgefüllte optische Hohlfaser eine gasgefüllte Kagome-Faser. Kagome-Fasern sind spezielle optische Hohlfasern, die in ihrem Querschnitt eine Kagome-Struktur aufweisen. Der Einsatz von Ka gome-Fasern ist besonders vorteilhaft, da diese das Laserlicht besonders gut im Hohlkern konzentrieren und damit besonders hohe Laserleistungen zulassen. Bevorzugt ist die gasgefüllte optische Hohlfaser ausgebildet, die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls spektral zu einem Superkontinuum zu verbreitern. Je aus geprägter die spektrale Verbreiterung ist, desto größer sind die Einstellmöglichkei ten der Eigenschaften der Laserpulse des Ausgangslaserstrahls. Eine spektrale Verbreiterung zu einem Superkontinuum ist daher besonders vorteilhaft.
Weiter bevorzugt ist die gasgefüllte optische Hohlfaser ausgebildet, die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls spektral zu einem Raman-Kamm zu verbreitern. Über stimulierte Raman-Streuung in der gasgefüllten optischen Hohlfaser kann bei spielsweise auch ein Raman-Kamm erzeugt werden. Mittels einer Variation der Pulsdauer der Laserpulse des gepulsten Laserstrahls ist auch ein flexibles, konti nuierliches Umschalten zwischen einem Superkontinuum und einem Raman- Kamm möglich. Raman-Kämme finden insbesondere in der Spektroskopie Anwen dung.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die gasgefüllte optische Hohlfaser mit ei nem Gas aus einer ersten Gruppe, umfassend: Ne, Ar, Kr, Xe, oder einem Gas aus einer zweiten Gruppe, umfassend: H2, N2, N2O, C2H2F4, C2H4F2, oder mit ei ner Gasmischung, umfassend zwei oder mehrere der Gase aus der ersten und/oder der zweiten Gruppe, gefüllt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Modulationseinrichtung ein oder zwei dispersive optische Elemente und eine Einrichtung zur ortsabhängi gen Phasen- und/oder Amplitudenmodulation auf. Für die Modulation der spektra len Phase und/oder der spektralen Amplitude ist es zweckmäßig, die verschiede nen Wellenlängenkomponenten des gepulsten Laserstrahls zunächst mittels eines dispersiven optischen Elements räumlich aufzutrennen, den einzelnen Wellenlän genkomponenten dann mittels einer Einrichtung zur ortsabhängigen Phasen- und/oder Amplitudenmodulation jeweils die gewünschte spektrale Phase und/oder spektrale Phase aufzuprägen und schließlich die verschiedenen Wellenlängen komponenten mittels desselben oder eines zweiten dispersiven optischen Ele ments wieder zusammenzuführen. Die dispersiven optischen Elemente sind bei spielsweise Prismen. Die Aufteilung beziehungsweise Zusammenführung der ver- schiedenen Wellenlängenkomponenten ergibt sich in diesem Fall aus der Wellen längenabhängigkeit der Brechungswinkel, welche eine Konsequenz der Wellen längenabhängigkeit der Brechungsindices der Prismen ist.
In einer alternativen Weiterbildung dieser Ausführungsform ist das dispersive opti sche Element ein Beugungsgitter oder sind beide dispersive optische Elemente Beugungsgitter. Die dispersiven optische Elemente können auch Beugungsgitter sein. Die Aufteilung beziehungsweise Zusammenführung der verschiedenen Wel lenlängenkomponenten ergibt sich in diesem Fall aus der Wellenlängenabhängig keit der zur Beugung führenden Interferenzeffekte. Es können auch Beugungsgit ter, bei welchen das Licht nahezu vollständig in eine bestimmte Beugungsordnung gebeugt wird, beispielsweise Blazegitter, eingesetzt werden.
Die Einrichtung zur Einrichtung zur ortsabhängigen Phasen- und/oder Amplituden modulation basiert beispielsweise auf einem räumlichen Lichtmodulator, gemein hin als SLM bezeichnet. Räumliche Lichtmodulatoren weisen häufig eine dünne Flüssigkristallschicht auf. Die ortsabhängige Phasen- und/oder Amplitudenmodula tion wird in diesem Fall über die einstellbare Ausrichtung der Flüssigkristalle in ei nem Pixelarray erzielt. Vorzugsweise weist die Einrichtung zur ortsabhängigen Phasen- und/oder Amplitudenmodulation ein Liquid-Crystal-on-Silicon Element auf. Liquid-Crystal-on-Silicon Elemente sind spezielle räumliche Lichtmodulatoren, die für die Benutzung in Reflexion gebaut sind. Diese Bauweise hat gegenüber an deren räumlichen Lichtmodulatoren den Vorteil, dass die Platzierung von Leiter bahnen im Strahlengang vermieden werden kann. Bei Liquid-Crystal-on-Silicon Elementen ist eine dünne Flüssigkristallschicht auf ein Siliziumsubstrat aufge bracht. Die Flüssigkristallschicht dient zur Modulation des reflektierten Lichts, wäh rend auf dem Siliziumsubstrat in CMOS-Technologie eine Ansteuerungselektronik realisiert ist. In einem Pixel-Array kann nun ein elektrisches Feld in der Flüssigkris tallschicht eingestellt werden. Damit kann die Ausrichtung der Flüssigkristalle in der Flüssigkristallschicht und damit die Phasendifferenz des reflektierten Lichts für jedes Pixel unabhängig kontrolliert werden.
Für eine weitgehende Freiheit bei der Einstellung der Eigenschaften der Laser pulse des Ausgangslaserstrahls, insbesondere für die gleichzeitige Einstellung von Pulsdauer, Pulsform und Zentralwellenlänge der Laserpulse, ist die gleichzeitige und unabhängige Modulation von spektraler Phase und spektraler Amplitude not wendig. Eine solche wird beispielsweise durch die Verwendung eines Liquid- Crystal-on-Silicon Elements mit einem zweidimensionalen Pixelarray in Kombina tion mit der Einkopplung des vom Liquid-Crystal-on-Silicon Element reflektierten Lichts in eine optische Faser, beispielsweise die optische Transportfaser, erreicht. Eine Achse des zweidimensionalen Pixelarrays ist entlang der räumlichen Aufspal tungsrichtung der verschiedenen Wellenlängenkomponenten ausgerichtet. Die spektrale Phase ist über die Einstellung einer Phasendifferenz entlang dieser Achse modulierbar. Zusätzlich kann jetzt über das Liquid-Crystal-on-Silicon Ele ment wellenlängenabhängig die Einkoppeleffizienz in die optische Transportfaser eingestellt und damit die spektrale Amplitude moduliert werden.
Wesentliche Vorteile des Einsatzes einer optischen Hohlfaser als Transportfaser liegen in der geringen Absorption über einen großen Spektralbereich, auch im Ult raviolett-, Infrarot- und fernen Infrarotbereich, hohen Zerstörungsschwellen, der schwachen Ausprägung von nichtlinearen Effekten und der im Vergleich zu kon ventionellen optischen Fasern schwachen beziehungsweise einstellbaren Disper sion. Vorzugsweise ist die optische Transportfaser eine optische Hohlfaser, bevor zugt eine Kagome-Faser. In einer Weiterbildung treten in der optischen Transport faser keine oder nur schwache nichtlineare optische Effekte auf, wobei bevorzugt in der optischen Transportfaser ein Vakuum oder ein Druck von weniger als 200 mbar, besonders bevorzugt weniger als 100 mbar, insbesondere weniger als 10 mbar vorherrscht und/oder die optische Transportfaser mit einem Gas mit einer besonders niedrigen Nichtlinearität, insbesondere mit He, oder einer Gasmischung umfassend He gefüllt ist. Der Druck in der optischen Transportfaser ist dann typi scherweise geringer als in der gasgefüllten optischen Hohlfaser. Unter schwachen nichtlinearen optischen Effekten werden insbesondere solche verstanden, die zu einer Verlängerung der Pulsdauer von weniger als 50 fs oder einem B-Integral von weniger als 0,1 rad führen.
Die oben genannte Aufgabe wird in einem weiteren Aspekt der Erfindung auch ge löst durch ein Verfahren zum Erzeugen eines gepulsten Ausgangslaserstrahls mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls an einen vorgegebenen Ort, das folgende Verfahrens schritte umfasst: Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls, Einkoppeln des gepuls ten Laserstrahls in eine gasgefüllte optische Hohlfaser, in der die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls über nichtlineare optische Effekte spektral verbreitert wer den, Modulieren der spektralen Phase und/oder der spektralen Amplitude des aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahls und Einkoppeln des modulierten Laserstrahls in eine optische Faser und Auskoppeln des modulierten Laserstrahls als gepulster Ausgangslaserstrahl am vorgegebenen Ort.
Vorzugsweise wird die Modulation der spektralen Phase und spektralen Amplitude mittels einer Steuerungseinrichtung gesteuert, um Pulse des gepulsten Ausgangs laserstrahls mit vorgegebenen Pulsparametern bereitzustellen.
Vorzugsweise wird die spektrale Phase und/oder die spektrale Amplitude des aus gekoppelten, gepulsten Laserstrahls mittels des zweidimensionalen Pixelarrays ei nes Liquid-Crystal-on-Silicon Elements eingestellt, das dem ausgekoppelten, ge pulsten Laserstrahl für jedes Pixel einzeln eine gewünschte Phase und/oder Amplitude aufprägt.
Die mit dem Verfahren erzielten Vorteile ergeben sich analog zu den oben aufge führten Vorteilen der gepulsten Laserlichtquelle.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführ ten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in belie bigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Aus führungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird anhand von Ausfüh rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer ge pulsten Laserlichtquelle zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangsla serstrahls mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls an einen vorgegebe nen Ort.
Fig. 1 zeigt eine gepulste Laserlichtquelle 1 zur Erzeugung eines gepulsten Aus gangslaserstrahls 2 mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zu führung des gepulsten Ausgangslaserstrahls 2 an einen vorgegebenen Ort 3. Die gepulste Laserlichtquelle 1 weist einen Ultrakurzpulslaser 4 zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls 5, eine gasgefüllte optische Hohlfaser 6, eine Modulations einrichtung 7 und eine optische Transportfaser 8 auf. Der gepulste Laserstrahl 5 wird einenends in die gasgefüllte optische Hohlfaser 6 eingekoppelt und propagiert durch diese. Die gasgefüllte optische Hohlfaser 6 ist so ausgebildet, dass bei der Propagation die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls 5 an dem Gas der gasge füllten optischen Hohlfaser 6 über nichtlineare optische Effekte spektral verbreitert werden. Die spektrale Phase und/oder die spektrale Amplitude des anderenends aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser 6 ausgekoppelten, gepulsten Laser strahls 9 werden mittels der Modulationseinrichtung 7 moduliert.
Die gezeigte Modulationseinrichtung 7 weist ein optisches Element 10 in Form ei nes dispersiven Beugungsgitters, einen zylindrischen Spiegel 11 und ein Liquid- Crystal-on-Silicon Element 12 mit einem zweidimensionalen Pixelarray auf. Der aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser 6 ausgekoppelte, gepulste Laserstrahl 9 trifft über den zylindrischen Spiegel 11 auf das Beugungsgitter 10 und wird in seine unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten 9‘, 9“ aufgespaltet. Die Zylin derachse des zylindrischen Spiegels 11 steht senkrecht zur Aufspaltungsrichtung der unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten 9‘, 9“. Die unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten 9‘, 9“ treffen über den zylindrischen Spiegel 11 auf das Liquid-Crystal-on-Silicon Element 12, mit dem ihnen eine für jedes Pixel ein zeln einstellbare, gewünschte Phasendifferenz aufgeprägt wird, und werden daran reflektiert. Die so modulierten Wellenlängenkomponenten 13‘, 13“ treffen nun über den zy lindrischen Spiegel 11 erneut auf das Beugungsgitter 10 und werden zum modu lierten Laserstrahl 13 zusammengeführt. Der modulierte Laserstrahl 13 wird über den zylindrischen Spiegel 11 an einem Eingang 15 der optischen Transportfaser 8 in die optische Transportfaser 8 eingekoppelt.
Durch geeignete Wahl des räumlichen Phasenversatzes zwischen den jeweiligen Wellenlängenkomponenten 9', 9" mittels des Liquid-Crystal-on-Silicon Elements 12 lässt sich beispielsweise eine Weglänge der jeweiligen Wellenlängenkompo nenten des modulierten Laserstrahls 13 zwischen dem Liquid-Crystal-on-Silicon Element 12 und dem Eingang 15 und/oder ein Ort der jeweiligen Wellenlängen komponenten des modulierten Laserstrahls 13 an dem Eingang 15 und/oder ein Winkel der jeweiligen Wellenlängenkomponenten des modulierten Laserstrahls 13 an dem Eingang 15 einstellen. Dies ermöglicht die selektive Einkopplung von un terschiedlichen Wellenlängenkomponenten des modulierten Laserstrahls 13 in die optische Transportfaser 8. Beispielsweise können durch Variation des Orts und/oder Winkels bestimmte Wellenlängenkomponenten des modulierten Laser strahls 13 gezielt auf den Eingang 15 der optischen Transportfaser 8 gerichtet werden, um diese in die optische Transportfaser 8 einzukoppeln, oder an dem Ein gang 15 der optischen Transportfaser 8 "vorbeigeschossen" werden, sodass diese nicht eingekoppelt werden. Es lassen sich dadurch die spektrale Phase und die spektrale Amplitude des gepulsten Ausgangslaserstrahls modulieren.
Eine Achse des zweidimensionalen Pixelarrays des Liquid-Crystal-on-Silicon Ele ments 12 ist entlang der räumlichen Aufspaltungsrichtung der unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten 9‘, 9“ ausgerichtet. Die spektrale Phase ist über die Einstellung der Phasendifferenz entlang dieser Achse modulierbar. Zusätzlich ist über die mit dem Liquid-Crystal-on-Silicon Element 12 aufgeprägte, für jedes Pixel einzeln einstellbare Phasendifferenz wellenlängenabhängig die Einkoppeleffizienz in die optische Transportfaser 8 einstellbar und damit die spektrale Amplitude mo dulierbar und kann wie gewünscht eingestellt werden.
Der einenends an dem Eingang 15 in die optische Transportfaser 8 eingekoppelte modulierte Laserstrahl 13 wird anderenends am vorgegebenen Ort 3 als gepulster Ausgangslaserstrahl 2 ausgekoppelt. Streng genommen ist im gezeigten Ausfüh rungsbeispiel die Apertur der optischen Transportfaser 8 Teil der Modulationsein richtung 7; die spektrale Amplitude des Laserstrahls ist erst dann moduliert, wenn er bereits in die optische Transportfaser 8 eingekoppelt ist.
Die erfindungsgemäße gepulste Laserlichtquelle 1 kann beispielsweise für die Multiphotonen-Spektroskopie oder für die auf kohärenter Anti-Stokes-Raman- Streuung basierende Laserspektroskopie eingesetzt werden. Die gepulste Laserlichtquelle 1 umfasst eine Steuerungseinrichtung 14 zur Steue rung des Liquid-Crystal-on-Silicon Elements 12. An der Steuerungseinrichtung 14 lässt sich ein räumlicher spektraler Verlauf und/oder eine Zentralwellenlänge und/oder ein zeitlicher spektraler Verlauf von Pulsen des gepulsten Ausgangsla serstrahls 2 vorgeben. Die Steuerungseinrichtung 14 ist dazu eingerichtet, das Li- quid-Crystal-on-Silicon Element 12 anzusteuern, um durch Einstellung des räumli chen Phasenversatzes zwischen den jeweiligen Wellenlängenkomponenten 9', 9" einen entsprechenden Ausgangslaserstrahl 2 mit den genannten Vorgaben bereit zustellen.

Claims

Ansprüche
1. Gepulste Laserlichtquelle (1 ) zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangsla serstrahls (2) mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zu führung des gepulsten Ausgangslaserstrahls (2) an einen vorgegebenen Ort (3), aufweisend
- einen Ultrakurzpulslaser (4) zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls
(5),
- eine gasgefüllte optische Hohlfaser (6), in die der gepulste Laserstrahl (5) einenends eingekoppelt wird und die derart ausgebildet ist, dass die Laser pulse des gepulsten Laserstrahls (5) bei der Propagation durch die gasge füllte optische Hohlfaser (6) über nichtlineare optische Effekte spektral ver breitert werden,
- eine Modulationseinrichtung (7) zur Modulation der spektralen Phase und der spektralen Amplitude des anderenends aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser (6) ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahls (9), und
- eine optische Transportfaser (8), in die der modulierte Laserstrahl (13) einenends eingekoppelt und anderenends am vorgegebenen Ort (3) als ge pulster Ausgangslaserstrahl (2) ausgekoppelt wird.
2. Gepulste Laserlichtquelle nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung (14) zur Steuerung der mittels der Modulationsein richtung (7) durchgeführten Modulation der spektralen Phase und spektra len Amplitude, um Pulse des gepulsten Ausgangslaserstrahls (2) mit vorge gebenen Pulsparametern bereitzustellen.
3. Gepulste Lasersichtquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Pulsparameter einen spektralen Verlauf der Intensität und/oder einen zeitlichen spektralen Verlauf und/oder eine Zentralwellen länge der Pulse des gepulsten Ausgangslaserstrahls (2) umfassen. Gepulste Laserlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gasgefüllte optische Hohlfaser (6) eine gasgefüllte Kagome-Faser ist. Gepulste Laserlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gasgefüllte optische Hohlfaser (6) aus gebildet ist, die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls (5) spektral zu ei nem Superkontinuum zu verbreitern. Gepulste Laserlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gasgefüllte optische Hohlfaser (6) aus gebildet ist, die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls (5) spektral zu ei nem Raman-Kamm zu verbreitern. Gepulste Laserlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gasgefüllte optische Hohlfaser (6) mit ei nem Gas aus einer ersten Gruppe, umfassend: Ne, Ar, Kr, Xe, oder einem Gas aus einer zweiten Gruppe, umfassend: H2, N2, N2O, C2H2F4, C2H4F2, oder mit einer Gasmischung, umfassend zwei oder mehrere der Gase aus der ersten und/oder der zweiten Gruppe, gefüllt ist. Gepulste Laserlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinrichtung (7) ein oder zwei dispersive optische Elemente (10) und eine Einrichtung (12) zur ortsabhän gigen Phasen- und/oder Amplitudenmodulation aufweist. Gepulste Laserlichtquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das eine dispersive optische Element (10) ein Beugungsgitter ist oder die beiden dispersiven optischen Elemente (10) Beugungsgitter sind. Gepulste Laserlichtquelle nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich net, dass die Einrichtung zur ortsabhängigen Phasen- und/oder Amplitu denmodulation ein Liquid-Crystal-on-Silicon Element (12) aufweist.
11. Gepulste Laserlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die optische Transportfaser (8) eine optische Hohlfaser, bevorzugt eine Kagome-Faser, ist.
12. Gepulste Laserlichtquelle nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in der optischen Transportfaser (8) keine oder nur schwache nichtline are optische Effekte auftreten, wobei bevorzugt in der optischen Transport faser (8) ein Vakuum oder ein Druck von weniger als 200 mbar, besonders bevorzugt weniger als 100 mbar, insbesondere weniger als 10 mbar, vor herrscht und/oder die optische Transportfaser (8) mit einem Gas mit einer besonders niedrigen Nichtlinearität, insbesondere mit He oder einer Gasmi schung umfassend He, gefüllt ist.
13. Verfahren zum Erzeugen eines gepulsten Ausgangslaserstrahls (2) mit La serpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepuls ten Ausgangslaserstrahls (2) an einen vorgegebenen Ort (3), mit folgenden Verfahrensschritten:
- Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls (5),
- Einkoppeln des gepulsten Laserstrahls (5) in eine gasgefüllte optische Hohlfaser (6), in der die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls (5) über nichtlineare optische Effekte spektral verbreitert werden,
- Modulieren der spektralen Phase und der spektralen Amplitude des aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser (6) ausgekoppelten, gepulsten Laser strahls (9), und
- Einkoppeln des modulierten Laserstrahls (13) in eine optische Transport faser (8) und Auskoppeln des modulierten Laserstrahls (13) als gepulster Ausgangslaserstrahl (2) am vorgegebenen Ort (3).
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Modula tion der spektralen Phase und spektralen Amplitude mittels einer Steue rungseinrichtung (14) gesteuert wird, um Pulse des gepulsten Ausgangsla serstrahls (2) mit vorgegebenen Pulsparametern bereitzustellen. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Phase und/oder die spektrale Amplitude des ausgekoppelten, ge pulsten Laserstrahls (9) mittels des zweidimensionalen Pixelarrays eines Li- quid-Crystal-on-Silicon Elements (12) eingestellt wird, indem dem ausge- koppelten, gepulsten Laserstrahl (9) für jedes Pixel einzeln eine ge wünschte Phasen und/oder Amplitude eingestellt wird.
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