WO2023031162A1 - Optisches system und verfahren zur erzeugung von hinsichtlich der wellenlänge durchstimmbaren laserpulsen - Google Patents

Optisches system und verfahren zur erzeugung von hinsichtlich der wellenlänge durchstimmbaren laserpulsen Download PDF

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    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/08—Generation of pulses with special temporal shape or frequency spectrum

Definitions

  • the invention relates to an optical system and a method for generating wavelength-tunable laser pulses.
  • Short-pulse lasers in particular ultra-short-pulse lasers, which generate laser pulses with a pulse duration in the picosecond to femtosecond range, have established themselves in recent years as tools that can be used in a variety of ways, for example in high-precision material processing and modern science.
  • a large number of applications require ultra-short laser pulses of high pulse energy with tunable emission wavelengths.
  • the desired variability of the wavelength often overwhelms the available emission bandwidth of the active medium used in the laser or optical amplifier used.
  • a well-known approach to generating wavelength-tunable, ultra-short laser pulses with comparatively high pulse energy is based on parametric amplification.
  • laser pulses of a signal radiation are amplified at the expense of laser pulses of a pump radiation in a non-linear medium, typically a crystal.
  • laser pulses of idler radiation are generated, so that energy conservation is maintained.
  • the efficiency of the parametric process depends on the properties of the nonlinear medium and on compliance with the phase matching condition. The latter can be determined and varied by the selection and the orientation of the crystal relative to the interacting beams of the pump, signal and idler radiation, whereby extremely short and/or tunable laser pulses can be generated or amplified (see G. Cerullo, S. De Silvestri, "Ultrafast optical parametric amplifiers", Rev. Sci. instruments 74, 1-18, 2003).
  • Nonlinear spectral broadening (e.g. in optical waveguides or multipass cells) by self-phase modulation is a well-known approach to subsequently shortening the pulse duration of pulsed laser radiation (M. Nisoli, S. De Silvestri, O. Svelto, R. Szipöcs, K. Ferencz , C. Spielmann, S. Sartania, and F. Krausz, "Compression of high-energy laser pulses below 5 fs," Opt. Lett. 22, 522-524, 1997).
  • a dispersive element e.g. in the form of a chirped mirror, is usually connected downstream of the non-linear spectral broadening stage. The result is almost transform-limited, very short laser pulses corresponding to the (non-linearly increased) spectral width.
  • the object of the invention to provide a laser system and a method which, with simple means, make it possible to generate laser pulses whose wavelength can be tuned.
  • the method should be as flexible as possible, suitable for high performance and efficient.
  • the invention achieves this object by an optical system with a short-pulse laser source that is set up to generate pulsed laser radiation, a nonlinear optical element that can be tuned in terms of the strength of the nonlinear interaction and is designed to convert the laser radiation into spectrally broadened laser radiation, and a optical filter which is permeable to at least one spectral component of the spectrally broadened laser radiation and opaque to other spectral components.
  • the invention solves the problem by a method for generating wavelength-tunable laser pulses, with the steps of non-linear spectral broadening of a pulsed laser radiation, wherein the strength of the non-linear interaction is varied, and spectral filtering of the spectrally broadened laser radiation, wherein at least one spectral component of the spectrally broadened laser radiation is selected.
  • the core of the invention is the selectively tunable, non-linear spectral broadening of the laser radiation generated by means of the short-pulse laser source (i.e. with variable non-linearity) and spectral filtering coordinated therewith.
  • the spectral broadening creates new spectral components at wavelengths that deviate from the central wavelength of the original laser pulses.
  • the strength of the nonlinear interaction is varied, i.e. the pulse energy of the pulsed laser radiation or the nonlinearity of the medium (e.g. by varying the pressure of the gaseous nonlinear medium) is varied, so that the intensity-dependent nonlinear interaction and thus the spectral Broadening is varied.
  • a desired spectral component of the spectrally broadened laser radiation is then selected.
  • the strength of the non-linear interaction in combination with spectral filtering tailored to it, short and powerful laser pulses can be generated in this way, which can be tuned over a wide range with regard to their central wavelength.
  • the at least one spectral component let through by the optical filter preferably does not overlap with the spectrum of the laser radiation originally emitted by the short-pulse laser, i.e. before the spectral broadening.
  • the optical filter can be tuned with regard to its spectral transmission characteristic.
  • the optical filter can be an edge filter that has two spectral ranges that are separate from one another, in which the filter transmits (is transparent) or absorbs (is impermeable), with the limit wavelength between the two ranges being adjustable.
  • Various variants can be considered for the practical implementation of the tunable filter.
  • elements such as gratings or prisms can be used for the spatial separation of the spectral components, which allows an adjustable spatial masking of the spectral components that are not allowed to pass.
  • Dielectric edge filters with a high-pass or low-pass characteristic are also conceivable.
  • the filter has a negligible group velocity dispersion over the selected spectral range in order to enable almost transform-limited pulses immediately after spectral filtering. Otherwise, appropriate downstream dispersion compensation must be considered.
  • the optical filtering it is advantageous if only the last spectral modulation at the lower (short-wave) and/or upper (long-wave) end of the spectrum of the spectrally broadened laser radiation is selected by the optical filtering.
  • a strongly modulated spectrum typically results from the non-linear spectral broadening by self-phase modulation.
  • the cut-off frequency of the edge filter can expediently be set to the minimum immediately next to the last modulation at the lower and/or upper end of the spectrum. As a result, a clearly delimited spectral line that is not further modulated is selected, so that transform-limited laser pulses of good quality and short pulse duration can be obtained.
  • An essential finding of the invention is that the shortest possible pulse duration of the pulsed laser radiation is advantageous before the tunable, non-linear spectral broadening.
  • the efficiency of the method increases with a shorter pulse duration and, on the other hand, the pulse duration of the laser radiation after spectral filtering decreases with a shorter pulse duration. This also results in a particularly large tuning range with regard to the wavelength of the pulsed laser radiation.
  • Known high-power short-pulse lasers are usually limited to a pulse duration of more than 200 fs due to their amplification bandwidth.
  • a short pulse duration that is suitable for the principle according to the invention can therefore advantageously be achieved by a two-stage approach.
  • a pulse compression stage can be arranged in the course of the laser radiation between the short-pulse laser source and the non-linear optical element, which is designed to shorten the pulse duration of the pulsed laser radiation supplied by the short-pulse laser source, so that the pulse duration at the output of the pulse compression stage, i.e. at the input of the tunable non-linear optical element, is less than 500 fs, preferably less than 200 fs, more preferably less than 100 fs.
  • the invention therefore proposes that in the first step a conventional pulse compression takes place, for example by means of a (non-tunable) non-linear spectral broadening element in combination with a dispersive optical component to shorten the time of the laser pulses.
  • a conventional pulse compression takes place, for example by means of a (non-tunable) non-linear spectral broadening element in combination with a dispersive optical component to shorten the time of the laser pulses.
  • the previously described principle of varying the non-linearity in combination with spectral filtering is then used to generate tunable, ultra-short and high-contrast laser pulses with a pulse duration in the range of less than 50 fs, potentially even less than 20 fs.
  • laser radiation with a sufficiently short pulse duration in the above-mentioned range can be provided directly by a short-pulse laser source that is appropriately designed for this purpose.
  • An optical fiber through which the laser radiation passes, a gas-filled capillary or a multi-pass cell filled with a non-linear medium is suitable as a non-linear optical element with a tunable strength of the non-linear interaction.
  • the nonlinear interaction can be varied by, for example, varying the pulse energy.
  • the gas pressure of the non-linear medium in the gas-filled capillary or in the multi-pass cell can also be varied.
  • the practical implementation of the non-linear spectral broadening can be adapted to the respectively available or envisaged pulse energy.
  • conventional fibers are suitable for pulse energies in the nJ to pJ range
  • gas-filled hollow-core fibers are suitable for pulse energies in the range from a few pJ to a few mJ.
  • Gas-filled multipass cells allow the approach of the invention to be implemented particularly efficiently and are also suitable for pulse energies in the range from a few pJ to a few 10 mJ. At even higher pulse energies, thin foils are conceivable as a non-linear medium.
  • the central wavelength of the laser radiation initially generated by a short-pulse laser is at least 1000 nm, for example 1030 nm.
  • the non-linear spectral broadening can generate new spectral components, for example in the range between 700 nm and 1000 nm. A portion can then be selected from this area by means of the optical filter.
  • the laser radiation thus obtained after optical filtering is tuned by varying the strength of the non-linear interaction and tuned to it Variation of the transmission characteristic of the optical filter in said spectral range tunable.
  • the non-linearity must be adjusted for broadening.
  • FIG. 1 Illustration of the principle of the invention using diagrams that show the time course of the laser pulses and the associated spectra;
  • FIG. 2 Spectra of pulsed laser radiation obtained according to the invention by variable spectral broadening in combination with spectral selection matched thereto;
  • Figure 3 schematic representation of a first
  • Figure 4 schematic representation of a second
  • FIG. 1 shows the time domain and in the right-hand column (FIGS. 1b, 1d, 1f) the spectral domain.
  • FIGS. 1a and 1b show a laser pulse and the associated spectrum. This example involves transform-limited, Gaussian-shaped laser pulses.
  • the pulse duration is 100 fs after shortening the pulse duration of pulsed laser radiation generated by a short-pulse laser by non-linear spectral broadening and dispersive compression (see below).
  • the central wavelength is 1030 nm with a pulse energy of 4 mJ.
  • FIGS. 1c and 1d show the result of the spectral broadening.
  • a strongly modulated spectrum can be seen in FIG. 1d, which is significantly broader than in FIG. 1b and extends from approximately 750 nm to 1500 nm.
  • a spectral filter here an edge filter, selects the extreme short-wave modulation of the broadened spectrum.
  • the filter characteristic of the edge filter is indicated in FIG. 1d (dashed line).
  • the cut-off wavelength (arrow) is around 850 nm. Below the cut-off wavelength, the cut-off filter is permeable; above the cut-off wavelength, the cut-off filter is impermeable to the spectrally broadened laser radiation (high-pass).
  • laser pulses result at a central wavelength of approximately 820 nm with a pulse duration (FWHM) of approximately 25 fs.
  • the pulse energy of the laser pulses obtained is approx. 1 mJ. This shows that a significant shift in the central wavelength can be achieved by the approach of the invention, with a significant shortening of the pulse duration (by a factor of four) being achieved with high efficiency (approx. 25% in the example).
  • the approach is also applicable to the long-wavelength modulation of the broadened spectrum.
  • a tunable filter that is permeable above a limit wavelength should be used.
  • the approach of the invention is suitable through appropriate filtering for the generation of laser pulses with two spectral components, specifically the long-wave and the short-wave modulation of the nonlinearly broadened spectrum, the distance between the two components being tunable.
  • the tunability with regard to the wavelength of the laser radiation provided by the invention is to be explained below with reference to FIG.
  • the starting point is again Gaussian-shaped laser pulses generated by non-linear pulse compression with a pulse duration of 100 fs and 4 mJ pulse energy at a central wavelength of 1030 nm.
  • the strength of the non-linear interaction is varied over a range of 100-400%, for example by the pressure of the gaseous non-linear medium. This results in a variation in the width of the spectrum of the spectrally broadened obtained Laser radiation and thus tuning of the central wavelength of the outermost modulations in the self-phase-modulated spectrum (cf. FIG. 1d). Otherwise, the parameters of the non-linear medium used correspond to the above information.
  • the following table summarizes the result of the non-linear spectral broadening with subsequent spectral filtering.
  • the transmission characteristic of the cut-off filter is varied to match the broadening, ie the cut-off wavelength of the variable filter is always tracked so that it is set to the first short-wave minimum of the self-phase-modulated spectrum.
  • FIG. 2 shows, this results in a tuning range over several 100 nm with a relative pulse energy (related to the pulse energy of the laser pulses originally generated at 1030 nm) of between 20% and 40%. It is remarkable that the shortening of the pulse duration is essentially independent of the tuning of the wavelength.
  • the pulse duration of the first spectrally broadened and then filtered laser pulses is in the range of 24-38 fs. In this way, the pulse peak power is essentially maintained when the wavelength is tuned according to the invention.
  • Exemplary embodiments of the laser system according to the invention are shown schematically in FIG. 3 and FIG. Along the beam propagation (arrow) between the individual elements of the laser system, the temporal laser pulse curve is shown above and the associated spectrum below.
  • the exemplary embodiments each include a short-pulse laser system 1 as a source, which emits laser radiation consisting of laser pulses with a pulse duration, for example, in the range from 1000 fs to 300 fs. Downstream of this is a pulse compression stage 2, which is designed to shorten the pulse duration of the laser radiation received from the short-pulse laser 1 to less than 500 fs, preferably less than 200 fs, particularly preferably less than 100 fs, by non-linear spectral broadening and dispersive compression .
  • a non-linear optical element 3 e.g. in the form of a gas-filled multi-pass cell
  • a non-linear optical element 3 e.g. in the form of a gas-filled multi-pass cell
  • an optical filter 4 is connected downstream, which is transparent to at least one spectral component of the spectrally broadened laser radiation and opaque to other spectral components.
  • the filter 4 essentially selects the last spectral modulation at the lower (short-wave) end of the self-phase-modulated spectrum.
  • the wavelength of the selected spectral component can be tuned according to the invention by varying the strength of the nonlinear interaction in the second stage of the nonlinear optical element 3 and varying the transmission characteristic of the filter 4 in a coordinated manner.
  • the filter 4 selects two spectral components, specifically the two outermost spectral modulations at the lower and upper ends of the self-phase-modulated spectrum.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System und ein Verfahren zur Erzeugung von hinsichtlich der Wellenlänge durchstimmbaren Laserpulsen. Das System umfasst eine Kurzpulslaserquelle (1), die zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung eingerichtet ist. Ein nichtlineares optisches Element (3) ist vorgesehen, das hinsichtlich der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung durchstimmbar und dazu ausgelegt ist, die Laserstrahlung in spektral verbreiterte Laserstrahlung umzuwandeln ist. Ein nachgeschalteter optischer Filter (4) ist für wenigstens einen spektralen Anteil der spektral verbreiterten Laserstrahlung durchlässig und für andere spektrale Anteile undurchlässig.

Description

Optisches System und Verfahren zur Erzeugung von hinsichtlich der Wellenlänge durchstimmbaren Laserpulsen
Die Erfindung betrifft ein optisches System und ein Verfahren zur Erzeugung von hinsichtlich der Wellenlänge durchstimmbaren Laserpulsen.
Kurzpulslaser, insbesondere Ultrakurzpulslaser, die Laserpulse mit einer Pulsdauer im Piko- bis Femtosekundenbereich erzeugen, haben sich in den letzten Jahren als vielfältig einsetzbare Werkzeuge z.B. in der hochpräzisen Materialbearbeitung und modernen Wissenschaft etabliert. Eine Vielzahl von Anwendungen erfordern dabei ultrakurze Laserpulse hoher Pulsenergie mit durchstimmbarer Emissionswellenlänge. Die gewünschte Variabilität der Wellenlänge überfordert allerdings oft die verfügbare Emissionsbandbreite des in dem verwendeten Laser oder optischen Verstärker eingesetzten aktiven Mediums. Ein bekannter Ansatz, um hinsichtlich der Wellenlänge durchstimmbare, ultrakurze Laserpulse bei vergleichsweise hoher Pulsenergie zu erzeugen, basiert auf der parametrischen Verstärkung. Dabei werden Laserpulse einer Signalstrahlung auf Kosten von Laserpulsen einer Pumpstrahlung in einem nichtlinearen Medium, typischerweise einem Kristall, verstärkt. Zusätzlich entstehen Laserpulse einer Idlerstrahlung, sodass die Energieerhaltung gewahrt ist. Die Effizienz des parametrischen Prozesses hängt von den Eigenschaften des nichtlinearen Mediums ab und von der Einhaltung der Phasenanpassungsbedingung. Letztere kann durch die Auswahl sowie die Orientierung des Kristalls relativ zu den miteinander wechselwirkenden Strahlen der Pump-, Signal- und Idlerstrahlung bestimmt und variiert werden, wodurch äußerst kurze und/oder durchstimmbare Laserpulse erzeugt bzw. verstärkt werden können (siehe G. Cerullo, S. De Silvestri, „Ultrafast optical parametric amplifiers“, Rev. Sei. Instrum. 74, 1-18, 2003).
Die nichtlineare spektrale Verbreiterung (zum Beispiel in optischen Wellenleitern oder Multipasszellen) durch Selbstphasenmodulation ist ein bekannter Ansatz, um die Pulsdauer von gepulster Laserstrahlung nachträglich zu verkürzen (M. Nisoli, S. De Silvestri, O. Svelto, R. Szipöcs, K. Ferencz, C. Spielmann, S. Sartania, and F. Krausz, “Compression of high-energy laser pulses below 5 fs,” Opt. Lett. 22, 522-524, 1997). Dazu wird meist ein dispersives Elemente, z.B. in Form eines gechirpten Spiegels, der nichtlinearen spektralen Verbreiterungsstufe nachgeschaltet. Das Resultat sind der (nichtlinear vergrößerten) spektralen Breite entsprechend nahezu transform-limitierte, sehr kurze Laserpulse.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein Lasersystem sowie ein Verfahren bereit zu stellen, welche mit einfachen Mitteln die Erzeugung von hinsichtlich der Wellenlänge durchstimmbaren Laserpulsen ermöglichen. Die Methode soll möglichst flexibel einsetzbar, hochleistungstauglich und effizient sein.
Diese Aufgabe löst die Erfindung durch ein optisches System mit einer Kurzpulslaserquelle, die zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung eingerichtet ist, einem nichtlinearen optischen Element, das hinsichtlich der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung durchstimmbar und dazu ausgelegt ist, die Laserstrahlung in spektral verbreiterte Laserstrahlung umzuwandeln ist, und einem optischen Filter, der für wenigstens einen spektralen Anteil der spektral verbreiterten Laserstrahlung durchlässig und für andere spektrale Anteile undurchlässig ist.
Außerdem löst die Erfindung die Aufgabe durch ein Verfahren zur Erzeugung von hinsichtlich der Wellenlänge durchstimmbaren Laserpulsen, mit den Verfahrensschritten nichtlineare spektrale Verbreiterung einer gepulsten Laserstrahlung, wobei die Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung variiert wird, und spektrale Filterung der spektral verbreiterten Laserstrahlung, wobei wenigstens ein spektraler Anteil der spektral verbreiterten Laserstrahlung selektiert wird.
Kem der Erfindung ist die gezielt durchstimmbare nichtlineare spektrale Verbreiterung der mittels der Kurzpulslaserquelle erzeugten Laserstrahlung (d.h. mit variabler Nichtlinearität) und darauf abgestimmter spektraler Filterung.
Durch die spektrale Verbreiterung entstehen neue spektrale Anteile bei Wellenlängen, die von der der zentralen Wellenlänge der ursprünglichen Laserpulse abweichen. Zur Durchstimmung der Wellenlänge wird die Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung variiert, d.h. es wird z.B. die Pulsenergie der gepulsten Laserstrahlung oder die Nichtlinearität des Mediums (z.B. durch Variation des Drucks des gasförmigen nichtlinearen Mediums) variiert, so dass entsprechend die intensitätsabhängige nichtlineare Wechselwirkung und damit die spektrale Verbreiterung variiert wird. Anschließend wird ein gewünschter spektraler Anteil der spektral verbreiterten Laserstrahlung selektiert. Durch Variation der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung in Kombination mit darauf abgestimmter spektraler Filterung sind auf diese Weise kurze und leistungsstarke Laserpulse, die hinsichtlich ihrer Zentralwellenlänge über einen weiten Bereich durchgestimmt werden können, erzeugbar. Dabei überlappt vorzugsweise der wenigstens eine von dem optischen Filter durchgelassene spektrale Anteil nicht mit dem Spektrum der von dem Kurzpulslaser ursprünglich, d.h. vor der spektralen Verbreiterung emittierten Laserstrahlung.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der optische Filter hinsichtlich seiner spektralen Durchlasscharakteristik durchstimmbar. Der optische Filter kann ein Kantenfilter sein, der zwei voneinander getrennte Spektralbereiche aufweist, in denen der Filter transmittiert (durchlässig ist) beziehungsweise absorbiert (undurchlässig ist), wobei die Grenzwellenlänge zwischen den beiden Bereichen einstellbar ist. Bei der praktischen Realisierung des durchstimmbaren Filters kommen verschiedene Varianten in Frage. Zum Beispiel können Elemente wie Gitter oder Prismen zur räumlichen Separation der spektralen Anteile zum Einsatz kommen, was ein verstellbares räumliches Ausblenden der nicht durchzulassenden spektralen Anteile erlaubt. Ebenso sind dielektrische Kantenfilter mit einer Hoch- bzw. Tiefpass-Charakteristik denkbar. Vorzugsweise besitzt der Filter über den selektierten Spektralbereich eine vernachlässigbare Gruppengeschwindigkeitsdispersion, um unmittelbar nach der spektralen Filterung nahezu transform-limitierte Pulse zu ermöglichen. Ansonsten muss eine geeignete nachgeschaltete Dispersionskompensation in Betracht gezogen werden.
Insbesondere bei Einsatz eines Kantenfilters ist es vorteilhaft, wenn durch die optische Filterung nur die letzte spektrale Modulation am unteren (kurzwelligen) und/oder oberen (langwelligen) Ende des Spektrums der spektral verbreiterten Laserstrahlung selektiert wird. Durch die nichtlineare spektrale Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation entsteht typischerweise ein stark moduliertes Spektrum. Die Grenzfrequenz des Kantenfilters kann dabei zweckmäßig auf das Minimum untermittelbar neben der letzten Modulation am unteren und/oder oberen Ende des Spektrums eingestellt werden. Im Ergebnis wird eine klar begrenzte, nicht weiter modulierte Spektrallinie selektiert, so dass transform- limitierte Laserpulse guter Qualität und kurzer Pulsdauer erhalten werden können.
Eine wesentliche Erkenntnis der Erfindung ist, dass eine möglichst kurze Pulsdauer der gepulsten Laserstrahlung vor der durchstimmbaren nichtlinearen spektralen Verbreiterung vorteilhaft ist. Einerseits steigt mit kürzerer Pulsdauer die Effizienz des Verfahrens und andererseits sinkt mit kürzerer Pulsdauer die Pulsdauer der Laserstrahlung nach der spektralen Filterung. Auch resultiert daraus ein besonders großer Durchstimmbereich hinsichtlich der Wellenlänge der gepulsten Laserstrahlung.
Bekannte Hochleistungs-Kurzpulslaser sind durch ihre Verstärkungsbandbreite meist auf eine Pulsdauer von mehr als 200 fs beschränkt. Daher kann eine für das erfindungsgemäße Prinzip geeignet kurze Pulsdauer vorteilhaft durch einen zweistufigen Ansatz erzielt werden. Hierzu kann im Verlauf der Laserstrahlung zwischen Kurzpulslaserquelle und nichtlinearem optischen Element eine Pulskompressionsstufe angeordnet sein, die zur Verkürzung der Pulsdauer der von der Kurzpulslaserquelle gelieferten gepulsten Laserstrahlung ausgelegt ist, sodass die Pulsdauer am Ausgang der Pulskompressionsstufe, d.h. am Eingang des durchstimmbaren nichtlinearen optischen Elementes weniger als 500 fs, vorzugsweise weniger als 200 fs, besonders bevorzugt weniger als 100 fs beträgt. Die Erfindung schlägt demnach vor, dass im ersten Schritt eine konventionelle Pulskompression z.B. mittels eines (nicht durchstimmbaren) nichtlinearen spektralen Verbreiterungselementes in Kombination mit einer dispersiven optischen Komponente zur zeitlichen Verkürzung der Laserpulse erfolgt. Nachfolgend kommt dann das zuvor beschriebene Prinzip der Variation der Nichtlinearität in Kombination mit spektraler Filterung zum Einsatz, um durchstimmbare, ultrakurze und kontrastreiche Laserpulse mit einer Pulsdauer im Bereich unterhalb von 50 fs, potenziell sogar unterhalb von 20 fs zu erzeugen.
Alternativ kann Laserstrahlung mit einer hinreichend kurzen Pulsdauer in dem oben genannten Bereich direkt von einer hierfür entsprechend ausgelegten Kurzpulslaserquelle bereitgestellt werden.
Als nichtlineares optisches Element mit durchstimmbarer Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung eignet sich z.B. eine von der Laserstrahlung durchstrahlte optische Faser, eine gasgefüllte Kapillare oder eine mit einem nichtlinearen Medium gefüllte Multipasszelle. Die nichtlineare Wechselwirkung kann variiert werden, indem z.B. die Pulsenergie variiert wird. Ebenso kann der Gasdruck des nichtlinearen Mediums in der gasgefüllten Kapillare bzw. in der Multipasszelle variiert werden. Die praktische Realisierung zur nichtlinearen spektralen Verbreiterung kann an die jeweils verfügbare bzw. anvisierte Pulsenergie angepasst werden. Bei Pulsenergien im nJ bis pJ Bereich eignen sich zum Beispiel konventionelle Fasern, im Bereich von einigen pJ bis einige mJ gasgefüllte Hohlkernfasern. Gasgefüllte Multipasszellen erlauben eine besonders effiziente Realisierung des Ansatzes der Erfindung und eignen sich ebenso für Pulsenergien im Bereich von wenigen pJ bis hin zu einigen 10mJ. Bei noch höheren Pulsenergien sind dünne Folien als nichtlineares Medium vorstellbar.
Bei einer möglichen Ausgestaltung liegt die Zentralwellenlänge der zunächst von einem Kurzpulslaser erzeugten Laserstrahlung bei wenigstens 1000 nm, z.B. bei 1030 nm. Durch die nichtlineare spektrale Verbreiterung können neue spektrale Anteile z.B. im Bereich zwischen 700 nm und 1000 nm erzeugt werden. Aus diesem Bereich kann dann mittels des optischen Filters ein Anteil selektiert werden. Die so nach der optischen Filterung erhaltene Laserstrahlung ist durch Variation der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung und darauf abgestimmte Variation der Durchlasscharakteristik des optischen Filters in dem genannten Spektralbereich durchstimmbar. Je nach zur Verfügung stehender Pulsenergie und Pulsspitzenleistung durch den treibenden Laser sowie des gewünschten spektralen Bereiches, muss die Nichtlinearität zur Verbreiterung angepasst werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : Illustration des Prinzips der Erfindung anhand von Diagrammen, die den zeitlichen Verlauf der Laserpulse bzw. die zugehörigen Spektren zeigen;
Figur 2: Spektren von gepulster Laserstahlung, erhalten gemäß der Erfindung durch variable spektrale Verbreiterung in Kombination mit darauf abgestimmter spektraler Selektion;
Figur 3: schematische Darstellung eines ersten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lasersystems;
Figur 4: schematische Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lasersystems.
Figur 1 zeigt in den Diagrammen der linken Spalte (Figuren 1a, 1 c, 1 d) die Zeitdomäne, in der rechten Spalte (Figuren 1 b, 1 d, 1f) die Spektraldomäne. Die Figuren 1 a und 1 b zeigen einen Laserpuls bzw. das zugehörige Spektrum. In diesem Beispiel handelt sich um transform-limitierte, Gauss-förmige Laserpulse. Die Pulsdauer beträgt 100 fs nach Verkürzung der Pulsdauer von mittels eines Kurzpulslasers erzeugter gepulster Laserstrahlung durch nichtlineare spektrale Verbreiterung und dispersive Kompression (s.u.). Die Zentralwellenlänge liegt bei 1030 nm bei einer Pulsenergie von 4 mJ. Eine spektrale Verbreiterung dieser Laserstrahlung erfolgt in einem nichtlinearen Medium durch Selbstphasenmodulation mit einem nichtlinearen Index von 3- 10’23 m2/W. Dabei beträgt der Strahldurchmesser 500 m. Die Wechselwirkungsstrecke in dem nichtlinearen Medium ist 1 m lang. Die Figuren 1 c und 1 d zeigen das Resultat der spektralen Verbreiterung. Zu erkennen ist in Figur 1 d ein stark moduliertes, gegenüber Figur 1 b signifikant verbreitertes Spektrum, das sich von ca. 750 nm bis zu 1500 nm erstreckt. Ein spektraler Filter, hier ein Kantenfilter, selektiert im nächsten Schritt die äußerste kurzwellige Modulation des verbreiterten Spektrums. Die Filtercharakteristik des Kantenfilters ist in Figur 1d angedeutet (gestrichelte Linie). Die Grenzwellenlänge (Pfeil) liegt bei ca. 850 nm. Unterhalb der Grenzwellenlänge ist der Kantenfilter durchlässig, oberhalb der Grenzwellenlänge ist der Kantenfilter undurchlässig für die spektral verbreiterte Laserstrahlung (Hochpass). Es ergeben sich nach der Filterung, wie man in den Figuren 1 e und 1f erkennt, Laserpulse bei einer Zentralwellenlänge von ca. 820 nm mit einer Pulsdauer (FWHM) von ca. 25 fs. Die Pulsenergie der erhaltenen Laserpulse beträgt ca. 1 mJ. Dies zeigt, dass durch den Ansatz der Erfindung einer deutliche Verschiebung der Zentralwellenlänge erzielt werden kann, wobei mit einer hohen Effizienz (im Beispiel ca. 25%) eine erhebliche Pulsdauerverkürzung (um den Faktor vier) erreicht wird.
Festzuhalten ist, dass der Ansatz ebenso auf die langwellige Modulation des verbreiterten Spektrums anwendbar ist. Zur Filterung ist ein entsprechend bei oberhalb einer Grenzwellenlänge durchlässiger, durchstimmbarer Filter zu verwenden. Außerdem eignet sich der Ansatz der Erfindung durch entsprechende Filterung für die Erzeugung von Laserpulsen mit zwei spektralen Anteilen, und zwar der langwelligen und der kurzwelligen Modulation des nichtlinear verbreiterten Spektrums, wobei der Abstand der beiden Anteile durchstimmbar ist.
Im Folgenden soll die Durchstimmbarkeit hinsichtlich der Wellenlänge der durch die Erfindung bereitgestellten Laserstrahlung anhand der Figur 2 erläutert werden. Ausgangspunkt sind wiederum durch nichtlineare Pulskompression erzeugte, Gauß-förmige Laserpulse mit einer Pulsdauer von 100fs und mit 4 mJ Pulsenergie bei 1030 nm Zentralwellenlänge. Die Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung wird z.B. durch den Druck des gasförmigen nichtlinearen Mediums über einen Bereich von 100-400% variiert. Daraus resultiert eine Variation der Breite des Spektrums der erhaltenen spektral verbreiterten Laserstrahlung und damit eine Durchstimmung der Zentralwellenlänge der äußersten Modulationen im selbstphasenmodulierten Spektrum (vgl. Figur 1 d). Ansonsten entsprechen die Parameter des verwendeten nichtlinearen Mediums den obigen Angaben. Folgende Tabelle fasst das Ergebnis der nichtlinearen spektralen Verbeiterung mit nachgeschalteter spektraler Filterung zusammen.
Anzumerken ist, dass die Durchlasscharakteristik des Kantenfilters an die Verbeiterung angepasst variiert wird, d.h. die Grenzwellenlänge des variablen Filters wird stets nachgeführt, so dass sie auf das erste kurzwellige Minimum des selbstphasenmodulierten Spektrums eingestellt ist. Es ergibt sich, wie die Figur 2 zeigt, ein Durchstimmbereich über mehrere 100 nm mit einer relativen Pulsenergie (bezogen auf die Pulsenergie der ursprünglich bei 1030 nm erzeugten Laserpulse) zw. 20% und 40%. Bemerkenswert ist, dass die Pulsdauerverkürzung von der Durchstimmung der Wellenlänge im Wesentlichen unabhängig ist. Die Pulsdauer der zunächst spektral verbreiterten und dann gefilterten Laserpulse liegt im Bereich von 24-38 fs. Damit wird bei der erfindungsgemäßen Durchstimmung der Wellenlänge die Pulsspitzenleistung im Wesentlichen gehalten.
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Die Figur 2 zeigt die zugehörigen Spektren der gepulsten Laserstrahlung nach spektraler Filterung. Die Durchstimmung der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung und die darauf abgestimmte Durchstimmung der Durchlasscharakteristik des optischen Filters ermöglicht (in dem Beispiel) die hocheffiziente Erzeugung von im Bereich von ca. 750-950 nm durchstimmbaren Laserpulsen mit einer Pulsdauer von unter 50 fs.
Die oben aufgezeigten Beispiele basieren auf rein durch Selbstphasenmodulation induzierter spektraler Verbreiterung. Nichtlineare Effekte höherer Ordnung können die Ergebnisse verschieben, wobei die grundlegenden Aussagen ihre Gültigkeit behalten. Zum Beispiel erzeugt eine Ionisation (in Gas-basierten nichtlinearen Medien) eine Blauverschiebung im emittierten Spektrum. Sog. Selfsteepening führt zu einer asymmetrischen spektralen Verbreiterung, wobei der rotverschobene Anteil etwas weniger Energie, dafür allerdings mehr Bandbreite besitzt, was nach der Filterung wiederum zu kürzeren Laserpulsen führt.
In Figur 3 und Figur 4 sind schematisch Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Lasersystems dargestellt. Entlang der Strahlpropagation (Pfeil) sind zwischen den einzelnen Elementen des Lasersystems jeweils oberhalb der zeitliche Laserpulsverlauf und unterhalb das zugehörige Spektrum gezeigt. Die Ausführungsbeispiele umfassen jeweils ein Kurzpulslasersystem 1 als Quelle, das Laserstrahlung bestehend aus Laserpulsen mit einer Pulsdauer z.B. im Beriech von 1000 fs bis 300 fs emittiert. Diesem nachgeschaltet ist jeweils eine Pulskompressionsstufe 2, die dazu ausgelegt ist, die Pulsdauer der von dem Kurzpulslaser 1 empfangenen Laserstrahlung durch nichtlineare spektrale Verbreiterung und dispersive Kompression zeitlich auf weniger als 500 fs, vorzugsweise weniger als 200 fs, besonders bevorzugt weniger als 100 fs zu verkürzen. Es folgt ein nichtlineares optisches Element 3 (z.B. in Form einer gasgefüllten Multipasszelle), das hinsichtlich der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung durchstimmbar (z.B. durch Variation des Gasdrucks in der Multipasszelle) und dazu ausgelegt ist, die Laserstrahlung in spektral verbreiterte Laserstrahlung umzuwandeln. Wiederum nachgeschaltet ist jeweils ein optischer Filter 4, der für wenigstens einen spektralen Anteil der spektral verbreiterten Laserstrahlung durchlässig und für andere spektrale Anteile undurchlässig ist. Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 selektiert der Filter 4 im Wesentlichen die letzte spektrale Modulation am unteren (kurzwelligen) Ende des selbstphasenmodulierten Spektrums. Die Wellenlänge des selektierten spektralen Anteils ist, wie durch die Doppelpfeile angedeutet, erfindungsgemäß durch Variation der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung in der zweiten Stufe des nichtlinearen optischen Elementes 3 und darauf abgestimmte Variation der Durchlasscharakteristik des Filters 4 durchstimmbar. Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 4 selektiert der Filter 4 zwei spektrale Anteile, und zwar die beiden äußersten spektralen Modulationen am unteren bzw. oberen Ende des selbstphasenmodulierten Spektrums.

Claims

Patentansprüche
1. Optisches System mit einer Kurzpulslaserquelle (1 ), die zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung eingerichtet ist, einem nichtlinearen optischen Element (3), das hinsichtlich der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung durchstimmbar und dazu ausgelegt ist, die Laserstrahlung in spektral verbreiterte Laserstrahlung umzuwandeln ist, und einem optischen Filter (4), der für wenigstens einen spektralen Anteil der spektral verbreiterten Laserstrahlung durchlässig und für andere spektrale Anteile undurchlässig ist.
2. Optisches System nach Anspruch 1 , mit einer im Verlauf der Laserstrahlung zwischen Kurzpulslaserquelle (1 ) und nichtlinearem optischen Element (3) angeordneten Pulskompressionsstufe (2), ausgelegt zur Verkürzung der Pulsdauer der gepulsten Laserstrahlung, sodass die Pulsdauer am Ausgang der Pulskompressionsstufe (2) weniger als 500 fs, vorzugsweise weniger als 200 fs, besonders bevorzugt weniger als 100 fs beträgt.
3. Optisches System nach Anspruch 2, wobei die Pulskompressionsstufe (2) dazu ausgelegt ist, die Pulsdauer der von der Kurzpulslaserquelle (1 ) empfangenen Laserstrahlung durch nichtlineare spektrale Verbreiterung und dispersive Kompression zeitlich zu verkürzen.
4. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der optische Filter (4) hinsichtlich seiner spektralen Durchlasscharakteristik durchstimmbar ist.
5. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der optische Filter (4) im Wesentlichen nur für die letzte spektrale Modulation am unteren und/oder oberen Ende des Spektrums der spektral verbreiterten Laserstrahlung durchlässig ist.
6. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das System dazu ausgelegt ist, den von dem optischen Filter (4) durchgelassenen spektralen Anteil auf die Variation der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung abgestimmt zu variieren.
7. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das durchstimmbare nichtlineare optische Element (3) eine von der Laserstrahlung durchstrahlte optische Faser, eine gasgefüllte Kapillare oder eine mit einem nichtlinearen Medium gefüllte Multipasszelle umfasst.
8. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der optische Filter (4) ein Kantenfilter ist.
9. Optisches System nach Anspruch 8, wobei die Grenzwellenlänge des Kantenfilters einstellbar ist.
10. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der wenigstens eine von dem optischen Filter (4) durchgelassene spektrale Anteil nicht mit dem Spektrum der von dem Kurzpulslaser (1 ) emittierten Laserstrahlung überlappt.
11. Verfahren zur Erzeugung von hinsichtlich der Wellenlänge durchstimmbaren Laserpulsen, mit den Verfahrensschritten nichtlineare spektrale Verbreiterung einer gepulsten Laserstrahlung, wobei die Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung variiert wird, und spektrale Filterung der spektral verbreiterten Laserstrahlung, wobei wenigstens ein spektraler Anteil der spektral verbreiterten Laserstrahlung selektiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei zuvor eine Verkürzung der Pulsdauer der gepulsten Laserstrahlung durch nichtlineare spektrale Verbreiterung und dispersive Kompression erfolgt, sodass die Pulsdauerweniger als 500 fs, vorzugsweise weniger als 200 fs, besonders bevorzugt weniger als 100 fs beträgt.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei auch die Selektionscharakteristik der spektralen Filterung variiert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Selektionscharakteristik auf die Variation der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung abgestimmt variiert wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Variation der Selektionscharakteristik in der Weise erfolgt, dass stets eine äußerste kurzwellige und/oder eine äußerste langwellige Modulation der spektral verbreiterten Laserstrahlung selektiert wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei der wenigstens eine selektierte spektrale Anteil nicht mit dem Spektrum der emittierten Laserstrahlung, d.h. vor der nichtlinearen spektralen Verbreiterung, überlappt.
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