WO2023066964A1 - Device and method for spectrally broadening a laser pulse - Google Patents

Device and method for spectrally broadening a laser pulse Download PDF

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WO2023066964A1
WO2023066964A1 PCT/EP2022/079032 EP2022079032W WO2023066964A1 WO 2023066964 A1 WO2023066964 A1 WO 2023066964A1 EP 2022079032 W EP2022079032 W EP 2022079032W WO 2023066964 A1 WO2023066964 A1 WO 2023066964A1
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laser beam
resonator
laser
mirror
focus
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PCT/EP2022/079032
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Sandro KLINGEBIEL
Yanik PFAFF
Michael Rampp
Peter Krötz
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Trumpf Scientific Lasers Gmbh + Co. Kg
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Publication date
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    • H01S3/0071Beam steering, e.g. whereby a mirror outside the cavity is present to change the beam direction

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for spectrally broadening a laser pulse of a laser beam of a laser.
  • Herriott cells for spectral pulse broadening of an ultra-short laser pulse of a laser beam by means of self-phase modulation, see T. Nagy et al. (2021) "High-energy few-cycle pulses: post-compression techniques", Advances in Physics: X, 6:1 , 1845795 or DE102014007159B4.
  • a laser beam is repeatedly guided through a gas and focused in it.
  • the laser pulse of the laser beam can then interact non-linearly with the gas due to the high intensity.
  • the non-linear interaction leads to a self-phase modulation, which causes a spectral broadening, ie a broadening of the laser pulse in the frequency range, in the area of the focus points, essentially along the Rayleigh length.
  • the maximum usable pulse peak power of the laser beam is limited by the ionization threshold of the gas.
  • this ionization threshold of the gas is reached very quickly due to the high intensity in the area of the focus points along the Rayleigh length.
  • the maximum power of the laser beam that can be used is also limited by the laser-induced destruction threshold of the optics used.
  • the strength of the nonlinear interaction is influenced by another nonlinear effect that can also occur at high pulse peak powers in the region of the focus points along the Rayleigh length, namely the formation of a Kerr lens, which can lead to catastrophic self-focusing, which can also occur at high intensities in the area of focus points along the Rayleigh length.
  • One way to reduce the intensity of the laser beam in the area of the focus points is to increase the diameter of the focus points. This can be done, for example, by a smaller opening angle of the laser beam can be achieved, which would lead to a reduction in intensity in the focus points with the same laser power.
  • a smaller opening angle of the laser beam is bought at the expense of a longer design or a longer focal length of the optics used in the Herriott cell, so that the intensity of the laser can be kept below the damage threshold of the optics used.
  • such Herriott cells can become very large for high pulse energies. For example, conventional Herriott cells for pulse energies greater than one joule can be more than 40m long.
  • Herriott cells can therefore hardly be realized technically efficiently for high pulse energies.
  • a method for the spectral broadening of a laser pulse of a laser beam of a laser is proposed, the laser beam being coupled into a resonator, the laser beam passing through the resonator several times, the laser pulse of the laser beam being spectrally broadened as it passes through the resonator by nonlinear interaction with a nonlinear medium , the laser beam is focused in at least one, preferably in several or in each passage through the resonator, and the laser beam is coupled out of the resonator.
  • the beam cross section is elongated in the focus, with the focus preferably being a line focus.
  • the ultra-short pulse laser makes the ultra-short laser pulses of the laser beam available, with the individual laser pulses forming the laser beam in the beam propagation direction.
  • the beam propagation direction is the z-direction.
  • Coupling can mean that the laser beam is deflected from its original trajectory to a trajectory on which the laser beam can pass through the resonator.
  • the coupling can be achieved, for example, by means of coupling optics.
  • a mirror as coupling optics can deflect the laser beam.
  • the resonator it is possible for the resonator to comprise the coupling-in optics, or as an optical element of the resonator Coupling optics work.
  • the coupling can already include a focusing of the laser beam.
  • the coupling optics can also be provided in the form of a corresponding passage opening in a mirror of the resonator.
  • a resonator can be generally understood as a device in which the laser beam propagates for a certain period of time. This length of time is linked to the optical path length of the resonator via the speed of light.
  • Such a temporal storage of the laser beam is typically achieved in that the laser beam is reflected multiple times between the resonator inlet and the resonator outlet.
  • reflection preferably takes place on at least two resonator mirrors with a reflective layer that reflects the laser beam by more than 95%, preferably more than 99%, for example, so that the reflections in the resonator result in only low energy losses, or preferably no energy losses.
  • a passage of the laser beam through the resonator describes the covering of a distance in the resonator between two reflections.
  • a non-linear interaction of the laser pulse of the laser beam with the non-linear medium is generated on the path between two reflections.
  • a gas atmosphere with a gas is present in the resonator as a non-linear medium.
  • the gas can be, for example, ambient air or cleaned or dried air, or it can be in the form of an inert gas, for example helium, argon or krypton.
  • a liquid medium can also be used as the non-linear medium.
  • the volume of the resonator can be sealed off from the environment in order to be able to absorb and store gas or to be able to maintain a certain gas pressure via a supply line or discharge line or some other means.
  • the first resonator mirror and the second resonator mirror can be round and face each other.
  • the first and second resonator mirrors can form two end faces of an enclosure that seals off a gas atmosphere.
  • a cover that seals off the gas atmosphere can be cylindrical, so that only a cylinder jacket needs to be placed around the two sides of the resonator.
  • the cladding is cubic or has a different shape and is formed between the mirrored sides of the resonator.
  • other geometries are also conceivable.
  • the laser beam is therefore focused on each passage through the resonator, with the focus being in the non-linear medium at least once, preferably always, during passages through the resonator.
  • focusing is a deliberately brought about increase in intensity of the laser beam, the intensity of the laser beam being defined by the laser energy per cross-sectional area.
  • the focus of the laser beam is the point along the beam propagation direction where the cross-sectional area of the laser beam is minimized. Analogous to this, the focus of the laser beam is the point along the beam propagation direction where the intensity is maximum.
  • the cross-sectional area of the laser beam is measured in the x-y plane, which is orthogonal to the z-axis.
  • the beam diameter is defined as the diameter of the cross-sectional area along the x-axis and the y-axis, respectively.
  • the x and y axes are not necessarily perpendicular to one another. Rather, they can also enclose a different angle with one another in order to depict the symmetry of the cross section of the laser beam in a particularly simple manner.
  • the focus can also be defined by minimizing the beam diameter with respect to a beam plane.
  • a ray plane is any plane in which the direction of ray propagation lies.
  • the x-z plane and the y-z plane are beam planes.
  • the beam diameter is also minimized with respect to the x-z plane and/or the y-z plane.
  • the reason for the non-linear interaction of the laser beam with the non-linear medium can be the Kerr effect, according to which the optical properties, or the refractive index n, of the non-linear medium can be varied by applying an electric field.
  • a laser pulse can represent the electric field, with high-energy laser pulses, or laser pulses with particularly high power, particularly large provide electric fields. This effect is intensified by focusing the laser pulse.
  • a variation of the refractive index is generated by the high laser intensity in the focus:
  • the linear refractive index is given by no and the nonlinear refractive index is given by no.
  • the intensity I depends on the beam propagation direction z and on the time t due to the variable intensity of the laser pulse.
  • B-integral is a measure of a non-linear phase shift of the laser beam as it passes through the gas.
  • the B integral is defined as:
  • the intensity of the laser pulse typically has a strong time dependency, since the laser increases within the pulse duration from a vanishing intensity to a maximum peak intensity and then falls again to a vanishing intensity.
  • the temporal dependence of the laser energy i.e. the temporal progression of the laser pulses, results in a change in the refractive index over time:
  • the rising edge of the laser pulse leads to a reduction in frequency and thus to a red shift of the laser pulse.
  • the falling edge at the end of the pulse leads to an increase in frequency due to the negative time derivative and thus to a blue shift.
  • the laser pulse is thus spectrally broadened by propagation in the non-linear medium.
  • the associated process is called self-phase modulation. It should be noted in particular that the self-phase modulation also depends on the length of the route traversed. Accordingly, the self-phase modulation also scales with the number of passes through the resonator.
  • the refractive index n depends on the intensity.
  • the intensity is greatest in the middle of the beam.
  • the non-linear medium provides a lens effect for the laser beam above a certain power.
  • a catastrophic self-focusing occurs here from a critical pulse peak power Pent, where the power P of the laser is proportional to the laser intensity I and the cross-sectional area A:
  • the critical pulse peak power is a material-dependent parameter and depends on the wavelength and the non-linear refractive index n2.
  • the catastrophic self-focusing destroys the beam shape of the laser beam entering the resonator and is to be avoided at best. In other words, catastrophic self-focusing results in beam collapse.
  • the laser beam entering the resonator can have a Gaussian profile.
  • other beam profiles are also conceivable, such as top-hat beam profiles,
  • the beam cross section is elongated in the focus.
  • the beam diameter is larger with respect to a first beam plane than with respect to a second beam plane.
  • the laser beam is elongated when the ratio of the beam diameters with respect to the x-axis and the y-axis is greater than 1:2, preferably greater than 1:3, preferably greater than 1:5, particularly preferably greater than 1:10.
  • a focused laser beam may have a diameter of 1 cm along the x-axis and a diameter of 5 cm along the y-axis. Then the beam cross-section is elongated.
  • the intensity of the laser beam is reduced in the focus, since the laser energy is distributed over a larger area than with a punctiform focus. Due to the reduced intensity in the focus, in particular, laser pulses with larger pulse peak powers can also be spectrally broadened before catastrophic self-focusing occurs. At the same time, the low intensity of the laser beam in the focus avoids exceeding the ionization threshold of the gas. This enables a shorter construction of the resonator, since larger opening angles can be used. In short, the elongated beam focus allows the spectral broadening of high-energy laser pulses.
  • the focus can be a line focus.
  • a line focus can be generated by optics that only focus the laser beam with respect to one beam plane.
  • cylinder optics can only focus the laser beam along one beam plane.
  • a line focus is generated by an optic that only focuses the laser beam with respect to one axis.
  • a focus is generally a line focus if the ratio of the beam diameters with respect to the x-axis and the y-axis is greater than 1:10, preferably greater than 1:100.
  • the method can be controlled particularly well by means of a line focus, since the interaction zones between the laser beam and the gas are particularly uniform and only have to be controlled and monitored with respect to one beam plane.
  • the intensity of the laser beam can be smaller than the ionization threshold of a gas used as non-linear medium.
  • Smaller than the ionization threshold can mean that in the focus volume in which, for example, more than 50%, preferably more than 75%, particularly preferably more than 90%, of the spectral broadening is collected, less than 50%, preferably less than 25% , more preferably less than 10% of the gas present there are ionized.
  • Ionization of the gas changes the refractive index and the non-linear refractive index, since the distribution of the electrical charge carriers in the gas changes. Eventually, ionization of the gas means that the spectral broadening of the laser pulse can no longer be controlled or is uncontrolled.
  • the pulse power of the laser pulse of the laser beam can be less than the critical pulse peak power.
  • the non-linear phase shift given by the B integral, can be between 1/20 and 4TT, preferably between TT/10 and 2TT, per pass.
  • the laser beam can be focused in two consecutive passes through the resonator in such a way that the elongated beam cross-sections of the foci are in different beam planes or in the same beam plane.
  • the laser beam can be focused in a first pass through the resonator so that the elongated beam cross section is in focus in the x-z plane and in a second pass so that it is in the yz plane.
  • the laser beam is focused in two successive passes, for example in the xz plane.
  • the laser beam can pass through the resonator and thus in particular the non-linear medium more than 4 times, preferably more than 8 times, particularly preferably more than 10 times.
  • the spectral broadening to be achieved can be divided over several passages through the resonator, so that the intensity of the laser beam can be kept safely below the critical pulse peak power. Accordingly, the laser beam does not have to be focused too much in order to achieve the desired spectral broadening.
  • the spectral broadening depends on the length L in which the laser pulse interacts with the nonlinear medium. For example, if the laser beam traverses the nonlinear medium more than 4 times, then the laser beam can also collect a B integral that is 4 times larger. In this way, particularly large spectral broadening of the laser pulses can also be achieved.
  • the laser pulse duration can then be compressed in a subsequent compressor (for example a lattice compressor) to less than 0.9 times, preferably to less than 0.7 times, the original pulse duration.
  • a subsequent compressor for example a lattice compressor
  • a bandwidth Af in frequency domain is inversely proportional to the duration of the signal At in time period: i Af OC - 111 At
  • a laser pulse can originally have a pulse duration of 1 ps and then, after spectral broadening, have a Fourier-limited pulse duration of 0.7 ps, which can be achieved by subsequent pulse compression.
  • the pulse peak power P p of the laser pulses of the laser beam can be from 80 megawatts (MW) to 1 petawatt (PW).
  • the pulse peak power is determined as the quotient of the pulse energy E P of the laser pulse of the laser beam divided by the pulse duration t P of the laser pulse multiplied by a factor s for the pulse shape: P « E P rps s d - Lp
  • a device for spectrally spreading a laser pulse of a laser beam comprising a resonator in which a nonlinear medium is present, and coupling-out optics, the coupling-in optics being set up to couple the laser beam into the resonator, the resonator being set up to Leading the laser beam multiple times through the non-linear medium, the laser pulse of the laser beam being spectrally broadened by a non-linear interaction with the non-linear medium, the resonator and/or the coupling optics being set up to focus the laser beam, the laser beam being at least one preferably during several or during each passage through the resonator, the decoupling optics being set up to decouple the laser beam from the resonator.
  • the beam cross section is elongated in the focus. In this case, the focus can in particular be a line focus.
  • the coupling-in optics can be a non-rotationally symmetrical mirror, preferably a cylinder mirror, and the resonator can have at least two opposing, rotationally symmetric resonator mirrors, preferably spherical resonator mirrors, with the decoupling optics preferably being a non-rotationally symmetrical mirror, preferably a cylinder mirror.
  • a mirror is non-rotationally symmetrical if the surface has no rotational symmetry.
  • a non-rotationally symmetrical mirror is not a spherical mirror.
  • a cylindrical mirror is a non-rotationally symmetrical mirror. If the mirror has a parabolic cross-section (rather than cylindrical) and a longitudinal axis, then it is also non-rotationally symmetrical.
  • a so-called asphere can also be a non-rotationally symmetrical mirror.
  • a parabolic mirror is also rotationally symmetrical.
  • a cylindrical mirror is used as a representative of a non-rotationally symmetrical mirror and a spherical mirror is used for a rotationally symmetrical resonator mirror.
  • a collimated laser beam falls in the z-direction onto a convex cylinder mirror, which is the coupling optics, with the cylinder axis being parallel to the x-axis.
  • the cylindrical symmetry then results in two relevant beam planes in which the propagation and focusing of the laser beam can be described, namely the x-z plane and the y-z plane.
  • the laser beam is reflected in the x-z plane without modification of the beam propagation (note: "x as without modification”), since the cylindrical mirror has no curvature in this plane.
  • the beam diameter remains the same in the x-z plane, or the laser beam remains collimated with respect to the x-z plane.
  • the laser beam is focused in the y-z plane (note: "y as in cylinder"), since the cylinder mirror has the cylinder curvature in this plane. If the beam diameter in the y-z plane is plotted as a function of the z coordinate, the beam diameter in the y-z plane steadily decreases until it reaches a minimum at the focal point. The beam diameter then increases again with respect to the y-z plane. In other words, the laser beam converges in the y-z plane towards the focus and then diverges away from the focus.
  • the cross-sectional area of the laser beam is also minimized. In the minimum of the beam diameter with respect to the y-z plane, the laser beam thus reaches an intensity maximum.
  • the laser beam can thus have a focus between the in-coupling optics and the first resonator mirror, which can also already be in the non-linear medium.
  • the laser beam After passing through the focus, the laser beam diverges in the yz plane.
  • the laser beam then hits the first resonator mirror, where the laser beam is collimated with respect to the yz plane, whereas the laser beam is now focused in the xz plane by interaction with the first spherical resonator mirror.
  • the Combination of non-rotationally symmetrical (cylindrical) coupling optics and rotationally symmetrical (spherical) resonator mirror made a change in the focal plane.
  • the laser beam has a focus in the x-z plane between the first and the second spherical resonator mirror, or during the first passage through the resonator.
  • the focus here extends into the y-z plane and is therefore elongated, or a line focus.
  • the laser beam hits the second spherical resonator mirror where the laser beam is collimated again with respect to the x-z plane and is focused with respect to the y-z plane.
  • focusing of the laser beam alternates between the x-z plane and the y-z plane on successive passes through the resonator.
  • the laser beam is focused only once in each pass.
  • the same alignment of the beam cross section is only achieved with every second pass, which corresponds to a so-called 4f image.
  • the laser beam is not focused on the resonator mirror.
  • the elongated focus is not positioned on and/or at the resonator mirror.
  • the laser beam has its original beam shape in particular on the resonator mirror. This is to be understood in particular as the beam shape which the laser beam incident on the in-coupling optics and/or the laser beam emerging from the laser has.
  • the laser beam incident on the coupling optics and/or the laser beam emerging from the laser has a Gaussian beam shape, for example.
  • the coupling optics can also be designed in the form of a passage opening in one of the mirrors of the resonator, so that the laser beam can be coupled into the resonator in this way.
  • the coupling optics can be an astigmatic mirror which has two different focal lengths in two different, typically orthogonal, mirror planes, the sagittal plane and the meridional plane.
  • the sagittal plane can coincide with the xy plane and the yz plane can coincide with the meridional plane.
  • the mirror can have a greater focal length in the sagittal plane than in the meridional plane.
  • the laser beam is first focused in the meridional plane, i.e. the beam diameter in relation to the meridional plane of the laser beam is minimized in the first focus. Accordingly, the beam diameter in relation to the meridional plane is smaller in the focus than in the sagittal plane. With an astigmatic mirror, this results in a line focus that extends in the sagittal plane.
  • the beam diameter then increases again with respect to the meridional plane, while the beam diameter in the sagittal plane is further reduced until it is minimal in the focus of the sagittal plane. In the case of an astigmatic mirror, this results in a further line focus that extends into the meridional plane.
  • the line focus is suitable for bringing about a non-linear interaction of the laser beam with the non-linear medium by increasing the intensity.
  • the intensity is low enough to avoid critical self-focusing. Due to the non-linear interaction with the non-linear medium, the laser pulse experiences a spectral broadening, as described above.
  • the laser beam can be coupled out of the resonator by means of a coupling optic.
  • the decoupling optics can collimate the laser beam again.
  • the decoupling optics can be non-rotationally symmetrical, in particular cylindrical, in order to eliminate the corresponding convergence of the laser beam.
  • the decoupling optics can have, for example, at least one chirped mirror or be a chirped mirror in order to achieve temporal pulse compression of the spectrally broadened laser pulse.
  • the decoupling optics can also be designed in the form of a passage opening in one of the resonator mirrors, so that the laser beam can be decoupled from the resonator in this way.
  • the resonator can have at least two resonator mirrors. This can mean that the resonator has, for example, exactly two monolithic mirrors.
  • each mirror segment can be a spherical mirror.
  • the resonator can be a modified Herriott cell. This achieves a particularly high level of mechanical stability.
  • each resonator mirror is composed of several mirror segments. As a result, a higher degree of freedom of adjustment can be achieved.
  • the coupling-in optics can be a non-rotationally symmetrical mirror, preferably a cylinder mirror, and the resonator can have at least two opposing non-rotationally symmetrical resonator mirrors, preferably cylinder mirrors, with the decoupling optics preferably being a cylinder mirror.
  • the collimated laser beam is given a convergence, for example in the y-z plane, by the non-rotationally symmetrical in-coupling optics.
  • a further focus zone can be generated during the first pass by appropriately selecting the focal length of the cylinder mirror of the resonator.
  • the focus zone can also be in the y-z plane.
  • the second cylinder mirror of the resonator can in turn produce a focus during the second pass. If the cylinder axes of the in-coupling optics and resonator optics run parallel, then the laser beam is always focused in the y-z plane. To a certain extent, the same alignment of the beam cross section is thus achieved with each pass, which corresponds to a so-called 2f image.
  • the cylinder axes of the resonator are orthogonal to one another. Alternating focusing in the plane of the cylinder curvature and the plane of the cylinder axis can then be brought about by a suitable choice of the focal length of the resonator mirror.
  • the divergence of the laser beam after a focus is kept so small that the widening of the laser beam is smaller than the dimensions of the cylinder mirror of the resonator. To a certain extent, the same alignment of the beam cross section is thus achieved with every second pass, which corresponds to a so-called 4f image.
  • the resonator is a multi-pass cell, with the multi-pass cell having at least three mirrors, with the first mirror of the multi-pass cell on which the laser beam hits being coupling optics and the last mirror of the multi-pass cell on which the laser beam hits being the coupling-out optics.
  • a multipass cell is in particular a two-dimensional arrangement of mirrors.
  • the mode of operation is analogous to that of the Herriott cell or to the resonators described above.
  • An advantage of the multi-pass cell is the simpler adjustment and the simpler mechanical design. As a result, a multipass cell can be produced inexpensively.
  • the distance between two mirrors of the resonator struck one after the other by the laser beam can be between 0.8 times and 1.2 times the sum or twice the sum of the focal lengths of the two mirrors.
  • the first spherical mirror of the resonator can have a focal length of 30 cm and the second spherical mirror of the resonator can have a focal length of 70 cm. Then the mirrors can be placed at a distance of 80cm to 120cm from each other.
  • the first cylindrical mirror of the resonator can have a focal length of 100 cm and the second cylindrical mirror of the resonator can have a focal length of 100 cm. Then the mirrors can also be set up at a distance of 80 to 120. In this case, the same orientation of the cross-section of the focus can be achieved in every second pass.
  • the mirrors of the resonator can have the same focal length.
  • the overall transmission of the device can be greater than 50%. As a result, power losses in particular can be reduced. In addition, a high laser power can be achieved.
  • the total transmission can relate to the spectral range that is to be achieved with the spectral broadening. Therefore, the transmission at any frequency of the spectral range of the broadened pulse of the overall system can be more than 50%.
  • the cross-section of the laser beam at which the intensity in the focus reaches the ionization threshold can first be calculated from the pulse peak power.
  • the cross section (or diameter) is linked to the aperture angle of the laser beam via the beam parameter product, as shown above.
  • the maximum intensity or fluence of the laser beam on the mirrors should be less than the laser-induced damage threshold (LIDT) so that the mirrors are not destroyed by the laser beam.
  • LIDT laser-induced damage threshold
  • the laser-induced damage threshold is not reached when the cross-sectional area of the laser beam on the mirror exceeds a certain critical cross-sectional area.
  • the focal length of the mirror can thus be derived from the cross-sectional area on the mirrors, the cross-sectional area in the focus and the opening angle.
  • the nonlinear phase shift can be adjusted by the B integral per pass through the nonlinear medium via the selection of the nonlinear medium and in particular via the gas pressure and the type of gas.
  • safety factors can be taken into account in the calculations mentioned above in order to reliably avoid ionization or destruction of the mirror.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the device
  • Figure 2 is a schematic representation of the location dependency of different
  • FIG. 3A, B, C shows a schematic representation of the spatial dependence of various beam properties according to the invention
  • FIG. 4A, B, C, D schematic representations of different coupling optics
  • FIG. 5 shows a further schematic representation of the spatial dependence of various beam properties according to the invention.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a device according to the invention
  • FIG. 7 shows a further schematic illustration of a device according to the invention.
  • FIG. 8 shows a further schematic illustration of a device according to the invention
  • FIG. 9 shows a further schematic illustration of a device according to the invention.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a multipass cell according to the invention.
  • a laser 1 provides a laser beam 10 in which the laser pulses 100 of the laser 1 propagate.
  • the laser pulses 100 can be ultra-short laser pulses.
  • the ultra-short laser pulses can have a pulse duration of less than 100 ps, preferably less than 1 ps, for example 600 fs.
  • the laser pulses 100 have a frequency bandwidth that is intended to be broadened by the device 2 .
  • the pulse peak power P p of the laser pulses of the laser beam can be from 80 megawatts (MW) to 1 petawatt (PW), preferably between 500 megawatts (MW) and 100 terawatts (TW).
  • the device 2 has coupling optics 20 , a resonator 22 , a nonlinear medium 240 present at least in the resonator 22 , and coupling optics 26 .
  • the laser beam 100 strikes the in-coupling optics 20 in a collimated state and is guided by the latter into the resonator 22 .
  • the laser beam 10 is reflected multiple times by the resonator sides 220, 222 and is guided through the non-linear medium 240 in the process.
  • the laser beam 10 With each passage through the resonator 22, the laser beam 10 is focused, so that the laser pulse 100 can interact with the non-linear medium 240 after each reflection on one of the resonator sides 220, 222 and thereby be spectrally broadened. After the last reflection of the laser beam 10 on a resonator side 222, the laser beam 10 is coupled out by the coupling-out optics 26. The decoupled laser pulse 100' is spectrally broadened compared to the original laser pulse 100. The decoupling optics can collimate the laser beam 10 again and/or carry out a pulse compression and/or guide the laser beam 10 to a downstream pulse compressor.
  • the nonlinear medium 240 may be, for example, ambient air, filtered air, or a specifically selected gas, such as an inert gas. Lies the nonlinear medium 240 only as ambient air, a gas-tight closure of the device 2 with respect to the environment can be dispensed with. However, if something other than ambient air is to be used as the non-linear medium 240, the device 2 must provide a gas-tight seal with respect to the environment or allow the desired gas to flow through at least the resonator 22 continuously.
  • the gas provided as the non-linear medium can, for example, be an inert gas, for example helium, argon or krypton.
  • FIG. 2 shows the beam diameter D as a function of the beam propagation direction z for the x-z plane and the y-z plane. The z-direction always coincides with the beam propagation direction of the laser beam 10, even after reflections on one of the built-in mirrors.
  • the laser beam 10 is first collimated before it falls on the in-coupling optics 20 . This can be seen from the fact that the beam diameter in front of the coupling optics 20 is constant both in the x-z plane and in the y-z plane.
  • the laser beam 10 is reflected and focused by the spherical in-coupling optics 20 . In particular, this results in a focusing of the laser beam 10 in the x-z plane and the yz plane.
  • the entire energy of the laser beam 10 is accordingly concentrated on a quasi-point-like area, so that the intensity I increases locally in the focal point 3 .
  • the focal point 3 is accordingly arranged where the beam diameter D has a minimum in both beam diameters.
  • the laser beam 10 moves through the non-linear medium 240 formed by the gas, with a non-linear interaction between the gas and the laser pulse 100 leading to a spectral broadening. After the laser beam 10 has traversed a minimum of the beam diameter D, the laser beam 10 diverges to the second mirror 222 of the resonator 22 from where it is again reflected and focused, and so on.
  • the laser beam 10 can self-focus or the gas can ionize.
  • the former is particularly the case when the power of the laser exceeds the critical pulse peak power Pent. Since the critical pulse peak power Pont is linked to the intensity I via the beam diameter D, focusing the laser beam 10 can accordingly lead to so-called catastrophic self-focusing.
  • the resonator 22 and/or the in-coupling optics 20 according to the device 2 proposed here are set up to focus the laser beam 10, with the beam cross-section being elongated in the focus.
  • FIG. 3A shows a corresponding course of different beam properties of the resonator 22 according to the proposed device 2.
  • the progression of the beam diameter D is shown when the beam cross section in the focus 30 is elongated.
  • the laser beam 10 is initially focused by the in-coupling optics 20 in a beam plane, here the y-z plane. Due to the focussing in the y-z beam plane, the laser beam 10 has an unchanged beam diameter D in the x-z plane even after reflection at the in-coupling optics 20 .
  • the minimum of the beam diameter D ie the focus 30 between the first and the second resonator side 220, 200, an intensity increase in the form of a line focus 30 is consequently generated.
  • the line focus 30 extends in the x-z plane when focused in the y-z plane. Due to the line focus, the intensity in the line focus 30 remains comparatively low, so that the critical pulse peak power Pent is not reached. As a result, catastrophic self-focusing does not occur either. Typically, the intensity in this case is also so low that ionization of the gas used as non-linear medium 240 is avoided.
  • FIG. 3B shows the focus 30 of a laser beam 10 which was generated by an astigmatic coupling optics 20, for example an astigmatic mirror.
  • the beam diameter has a minimum in the focus 30 in both the x-axis and the y-axis.
  • the pulse peak conduction is distributed over a larger area compared to a point focus, so that neither self-focusing nor the ionization threshold of the gas used as the nonlinear medium is exceeded.
  • FIG. 3C the focus of a laser beam 10, which was generated by a cylindrical in-coupling optics 20, is shown analogously.
  • the beam diameter in the x-axis is constant (as shown in Figure 3A) and only the beam diameter along the y-axis goes through a minimum. Accordingly, a so-called line focus 30 is formed by a cylinder optics.
  • a coupling optics 20 in the form of a cylindrical mirror 20 is shown in a side view in FIG. 4A and in a bird's-eye view in FIG. 4B.
  • the collimated laser beam 10 initially falls from the right onto the mirrored surface of the coupling optics 20 and is reflected there.
  • the in-coupling optics 20 have the cylinder curvature, so that a focusing of the laser beam 10 is achieved.
  • the beam diameter D of the laser beam remains unchanged in the bird's-eye view, since the in-coupling optics 20 do not focus in this plane. Rather, the laser beam 10 is only reflected here.
  • the laser beam 100 focused in the side view is guided onto the first resonator mirror 220 as shown in Figure 4C. Accordingly, due to the spherical curvature of the mirror surface of the first resonator mirror 220, the laser beam 10 can be collimated in the side view, while the laser beam 10 is focused in the bird's-eye view.
  • a line focus 30 can accordingly be formed alternately in the x-z plane and in the y-z plane.
  • the device 2 proposed here can be used to generate the beam diameters and intensity curves of FIG. 3A.
  • FIG. 5 Various beam properties of an alternative embodiment of the device 2 are shown in FIG. 5, in which all line foci 30 lie in the same plane. This can be achieved in particular in that both the in-coupling optics 20 and the resonator mirrors 220, 222 are non-rotationally symmetrical. Accordingly, the laser beam 10 can always be focused in the yz plane.
  • a corresponding device 2 is shown in FIG.
  • FIG. 6 shows a device 2 in which the in-coupling optics 20 and the resonator mirrors 220, 222 are non-rotationally symmetrical, or are cylindrical mirrors.
  • the cylinder axis is perpendicular to the plane of the page, so that the cylinder curvature of all mirrors 20, 220, 222 and 26 lies in the plane of the page.
  • the collimated laser beam 10 falls on the in-coupling optics 20 and is reflected from there to the first resonator mirror 220, the laser beam passing through a first focus. After the first reflection at the first resonator side 220, the laser beam 10 passes through a line focus 30, which lies in the gas present as the nonlinear medium 240, so that the laser pulse 100 can interact with the nonlinear medium, so that the laser pulse 100 is spectrally broadened. Since the second resonator side 222 is also non-rotationally symmetrical and is aligned like the first resonator side 220, the laser beam 10 is always focused in the same beam plane. In this case, the laser beam 10 passes through the resonator 22, for example, 5 times.
  • FIGS. 1 Further embodiments of the device 2 are shown in FIGS.
  • the resonator 22 consists of two opposite sides 220 and 222, each of which includes a plurality of mirrors 224.
  • the mirrors are arranged on the resonator sides 220, 222 in such a way that the laser beam 10 can pass through the non-linear medium several times.
  • the resonator sides 220, 222 have individual mirrors, simpler adjustment can be made possible.
  • FIG. 8 the monolithic resonator mirrors from FIGS. 1 and 6 are replaced by so-called segmented mirrors 224 provided as resonator mirrors.
  • segmented mirrors 224 provided as resonator mirrors.
  • FIG. 9 shows a case in which the resonator 22 is actually constructed from individual mirrors 224 .
  • a so-called multipass cell is shown as resonator 22 in FIG.
  • the multi-pass cell 22 has a multiplicity of mirrors 224 in one plane, by means of which the laser beam 10 is guided multiple times through the non-linear medium 240 .
  • the first mirror is the in-coupling optics 20 and the last mirror is the out-coupling optics 26.
  • each mirror in FIGS. 7 to 10 can be rotationally symmetrical or non-rotationally symmetrical.
  • all individual features that are presented in the exemplary embodiments can be combined with one another and/or exchanged without departing from the scope of the invention.

Abstract

The present invention relates to a method and to a device (2) for spectrally broadening a laser pulse (100) of a laser beam (10) of a laser (1), wherein the laser beam (10) is coupled into a resonator (22), the laser beam (10) passes through the resonator (22) multiple times, the laser pulse (100) of the laser beam (10), when passing through the resonator (22), is spectrally broadened using non-linear interaction with a non-linear medium, the laser beam (10) is focused during at least one time it passes through the resonator (22), and the laser beam (10) is coupled out of the resonator (22), wherein the beam cross-section of the laser beam (10) is elongated in the focus (30), and wherein the focus (30) is preferably a line focus.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses Device and method for spectral broadening of a laser pulse
Technisches Gebiet technical field
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses eines Laserstrahls eines Lasers. The present invention relates to a device and a method for spectrally broadening a laser pulse of a laser beam of a laser.
Stand der Technik State of the art
Es ist bekannt, Herriott-Zellen zur spektralen Pulsverbreiterung eines ultrakurzen Laserpulses eines Laserstrahls mittels Selbstphasenmodulation einzusetzen, siehe etwa T. Nagy et al. (2021) “High- energy few-cycle pulses: post-compression techniques”, Advances in Physics: X, 6:1 , 1845795 oder DE102014007159B4. Hierbei wird ein Laserstrahl mehrfach durch ein Gas geführt und in diesem fokussiert. Der Laserpuls des Laserstrahls kann dann aufgrund der hohen Intensität nichtlinear mit dem Gas wechselwirken. Die nichtlineare Wechselwirkung führt zu einer Selbstphasenmodulation, durch die im Bereich der Fokuspunkte, im Wesentlichen entlang der Rayleigh Länge, eine spektrale Verbreiterung, also eine Verbreiterung des Laserpulses im Frequenzbereich, bewirkt wird. It is known to use Herriott cells for spectral pulse broadening of an ultra-short laser pulse of a laser beam by means of self-phase modulation, see T. Nagy et al. (2021) "High-energy few-cycle pulses: post-compression techniques", Advances in Physics: X, 6:1 , 1845795 or DE102014007159B4. Here, a laser beam is repeatedly guided through a gas and focused in it. The laser pulse of the laser beam can then interact non-linearly with the gas due to the high intensity. The non-linear interaction leads to a self-phase modulation, which causes a spectral broadening, ie a broadening of the laser pulse in the frequency range, in the area of the focus points, essentially along the Rayleigh length.
Die maximal einsetzbare Pulsspitzenleistung des Laserstrahls wird hierbei jedoch begrenzt durch die lonisationsschwelle des Gases. Bei konventionellen Herriott-Zellen wird diese lonisationsschwelle des Gases recht schnell durch die hohe Intensität im Bereich der Fokuspunkte entlang der Rayleigh Länge erreicht. However, the maximum usable pulse peak power of the laser beam is limited by the ionization threshold of the gas. With conventional Herriott cells, this ionization threshold of the gas is reached very quickly due to the high intensity in the area of the focus points along the Rayleigh length.
Die maximal einsetzbare Leistung des Laserstrahls wird ferner begrenzt von der laserinduzierten Zerstörungsschwelle der eingesetzten Optik. The maximum power of the laser beam that can be used is also limited by the laser-induced destruction threshold of the optics used.
Zudem wird die Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung von einem weiteren nichtlinearen Effekt, der ebenfalls bei hohen Pulsspitzenleistungen im Bereich der Fokuspunkte entlang der Rayleigh Länge auftreten kann, nämlich die Bildung einer Kerr-Linse, die zu einer katastrophalen Selbstfokussierung führen kann, der ebenfalls bei hohen Intensitäten im Bereich der Fokuspunkte entlang der Rayleigh Länge auftritt, begrenzt. In addition, the strength of the nonlinear interaction is influenced by another nonlinear effect that can also occur at high pulse peak powers in the region of the focus points along the Rayleigh length, namely the formation of a Kerr lens, which can lead to catastrophic self-focusing, which can also occur at high intensities in the area of focus points along the Rayleigh length.
Eine Möglichkeit die Intensität des Laserstrahls im Bereich der Fokuspunkte zu reduzieren besteht darin, den Durchmesser der Fokuspunkte zu vergrößern. Dies kann beispielsweise durch einen kleineren Öffnungswinkel des Laserstrahls erreicht werden, was bei gleichbleibender Laserleistung zu einer Reduktion der Intensität in den Fokuspunkten führen würde. Jedoch wird ein kleinerer Öffnungswinkel des Laserstrahls durch eine längere Bauweise, beziehungsweise eine längere Brennweite der verwendeten Optiken der Herriott-Zelle erkauft, so dass die Intensität des Lasers unterhalb der Zerstörschwelle der verwendeten Optik gehalten werden kann. Dadurch können solche Herriott-Zellen für hohe Pulsenergien sehr groß werden. Beispielsweise können konventionelle Herriott-Zellen für Pulsenergien von über einem Joule mehr als 40m lang sein.One way to reduce the intensity of the laser beam in the area of the focus points is to increase the diameter of the focus points. This can be done, for example, by a smaller opening angle of the laser beam can be achieved, which would lead to a reduction in intensity in the focus points with the same laser power. However, a smaller opening angle of the laser beam is bought at the expense of a longer design or a longer focal length of the optics used in the Herriott cell, so that the intensity of the laser can be kept below the damage threshold of the optics used. As a result, such Herriott cells can become very large for high pulse energies. For example, conventional Herriott cells for pulse energies greater than one joule can be more than 40m long.
Herriott-Zelle sind daher für hohe Pulsenergien kaum noch technisch effizient zu realisieren. Herriott cells can therefore hardly be realized technically efficiently for high pulse energies.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses eines Laserstrahls eines Lasers, sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen. Proceeding from the known prior art, it is an object of the present invention to provide an improved device for spectrally broadening a laser pulse of a laser beam of a laser, and a corresponding method.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses eines Laserstrahls eines Lasers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. The object is achieved by a method for spectrally broadening a laser pulse of a laser beam of a laser having the features of claim 1. Advantageous developments result from the dependent claims, the description and the figures.
Entsprechend wird ein Verfahren zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses eines Laserstrahls eines Lasers vorgeschlagen, wobei der Laserstrahl in einen Resonator eingekoppelt wird, der Laserstrahl den Resonator mehrfach durchläuft, der Laserpuls des Laserstrahls beim Durchgang durch den Resonator durch nichtlineare Wechselwirkung mit einem nichtlinearen Medium spektral verbreitert wird, der Laserstrahl bei mindestens einem, bevorzugt bei mehreren oder bei jedem, Durchgang durch den Resonator fokussiert wird, und der Laserstrahl aus dem Resonator ausgekoppelt wird. Erfindungsgemäß ist der Strahlguerschnitt im Fokus elongiert, wobei der Fokus bevorzugt ein Linienfokus ist. Accordingly, a method for the spectral broadening of a laser pulse of a laser beam of a laser is proposed, the laser beam being coupled into a resonator, the laser beam passing through the resonator several times, the laser pulse of the laser beam being spectrally broadened as it passes through the resonator by nonlinear interaction with a nonlinear medium , the laser beam is focused in at least one, preferably in several or in each passage through the resonator, and the laser beam is coupled out of the resonator. According to the invention, the beam cross section is elongated in the focus, with the focus preferably being a line focus.
Der Ultrakurzpulslaser stellt hierbei die ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls zur Verfügung, wobei die einzelnen Laserpulse den Laserstrahl in der Strahlausbreitungsrichtung ausbilden. Die Strahlausbreitungsrichtung ist hier definitionsgemäß die z-Richtung. The ultra-short pulse laser makes the ultra-short laser pulses of the laser beam available, with the individual laser pulses forming the laser beam in the beam propagation direction. By definition, the beam propagation direction is the z-direction.
Einkoppeln kann bedeuten, dass der Laserstrahl von seiner ursprünglichen Trajektorie auf eine Trajektorie umgelenkt wird, auf dem der Laserstrahl den Resonator durchlaufen kann. Das Einkoppeln kann beispielsweise mittels einer Einkoppeloptik erreicht werden. Beispielsweise kann ein Spiegel als Einkoppeloptik den Laserstrahl ablenken. Es ist insbesondere möglich, dass der Resonator die Einkoppeloptik umfasst, oder ein optisches Element des Resonators als Einkoppeloptik wirkt. Insbesondere kann das Einkoppeln auch bereits eine Fokussierung des Laserstrahls umfassen. Die Einkoppeloptik kann aber auch in Form einer entsprechenden Durchgangsöffnung in einem Spiegel des Resonators vorgesehen sein. Coupling can mean that the laser beam is deflected from its original trajectory to a trajectory on which the laser beam can pass through the resonator. The coupling can be achieved, for example, by means of coupling optics. For example, a mirror as coupling optics can deflect the laser beam. In particular, it is possible for the resonator to comprise the coupling-in optics, or as an optical element of the resonator Coupling optics work. In particular, the coupling can already include a focusing of the laser beam. However, the coupling optics can also be provided in the form of a corresponding passage opening in a mirror of the resonator.
Ein Resonator kann allgemein verstanden werden als eine Vorrichtung, in der der Laserstrahl für eine bestimmte Zeitdauer propagiert. Diese Zeitdauer ist über die Lichtgeschwindigkeit mit der optischen Weglänge des Resonators verknüpft. Eine solche zeitliche Speicherung des Laserstrahls wird typischerweise dadurch erreicht, dass der Laserstrahl zwischen dem Resonatoreingang und dem Resonatorausgang mehrfach reflektiert wird. Eine Reflexion findet hierbei bevorzugt an mindestens zwei Resonatorspiegeln mit einer reflektierenden Schicht statt, die den Laserstrahl zu beispielsweise mehr als 95%, bevorzugt mehr als 99% reflektiert, so dass durch die Reflexionen im Resonator nur geringe Energieverluste, oder bevorzugt keine Energieverluste, entstehen. Ein Durchgang des Laserstrahls durch den Resonator bezeichnet hierbei das Zurücklegen einer Wegstrecke im Resonator zwischen zwei Reflexionen. A resonator can be generally understood as a device in which the laser beam propagates for a certain period of time. This length of time is linked to the optical path length of the resonator via the speed of light. Such a temporal storage of the laser beam is typically achieved in that the laser beam is reflected multiple times between the resonator inlet and the resonator outlet. In this case, reflection preferably takes place on at least two resonator mirrors with a reflective layer that reflects the laser beam by more than 95%, preferably more than 99%, for example, so that the reflections in the resonator result in only low energy losses, or preferably no energy losses. A passage of the laser beam through the resonator describes the covering of a distance in the resonator between two reflections.
Auf der Wegstrecke zwischen zwei Reflexionen wird im vorliegenden Fall eine nichtlineare Wechselwirkung des Laserpulses des Laserstrahls mit dem nichtlinearen Medium erzeugt. Zu diesem Zweck liegt in dem Resonator beispielsweise als nichtlineares Medium eine Gasatmosphäre mit einem Gas vor. Das Gas kann beispielsweise Umgebungsluft oder gereinigte oder getrocknete Luft sein oder als Edelgas, beispielsweise Helium, Argon oder Krypton, vorliegen. In the present case, a non-linear interaction of the laser pulse of the laser beam with the non-linear medium is generated on the path between two reflections. For this purpose, for example, a gas atmosphere with a gas is present in the resonator as a non-linear medium. The gas can be, for example, ambient air or cleaned or dried air, or it can be in the form of an inert gas, for example helium, argon or krypton.
Als nichtlineares Medium kann auch ein flüssiges Medium verwendet werden. A liquid medium can also be used as the non-linear medium.
Zur Ausbildung einer das nichtlineare Medium ausbildenden Gasatmosphäre kann das Volumen des Resonators entsprechend gegenüber der Umgebung abgedichtet vorliegen, um Gas aufnehmen und speichern zu können oder über eine Zuleitung oder Ableitung oder ein anderes Mittel einen gewissen Gasdruck aufrecht gehalten werden kann. In order to form a gas atmosphere forming the non-linear medium, the volume of the resonator can be sealed off from the environment in order to be able to absorb and store gas or to be able to maintain a certain gas pressure via a supply line or discharge line or some other means.
Wird Umgebungsluft als das das nichtlineare Medium ausbildende Gas verwendet, so kann auf eine gasdichte Abdichtung der Vorrichtung gegenüber der Umgebung verzichtet werden. If ambient air is used as the gas forming the non-linear medium, there is no need for a gas-tight sealing of the device with respect to the environment.
Anteilsmäßig findet die größte spektrale Verbreiterung im Fokus und insbesondere im Bereich des Fokus entlang der Rayleigh Länge statt, da hier die Intensitäten am höchsten sind. Beim Durchlaufen des Gases in der Gasatmosphäre findet aber im Prinzip entlang des gesamten Laufwegs des Laserpulses durch das Gas eine spektrale Verbreiterung statt, die aber nur im Bereich der hohen Intensitäten nennenswert ist, wie nachfolgend dargelegt. Beispielsweise können der erste Resonatorspiegel und der zweite Resonatorspiegel rund sein und sich gegenüberstehen. Beispielsweise können der erste und der zweite Resonatorspiegel zwei Stirnseiten einer eine Gasatmosphäre abdichtenden Umhüllung bilden. Beispielsweise kann eine die Gasatmosphäre abdichtende Umhüllung zylindrisch sein, so dass um die zwei Resonatorseiten lediglich ein Zylindermantel gelegt werden muss. Es kann aber auch sein, dass die Umhüllung kubisch ist oder anders geformt ist und zwischen den verspiegelten Resonatorseiten ausgebildet ist. Es sind jedoch auch andere Geometrien denkbar. Proportionally, the greatest spectral broadening takes place in the focus and in particular in the area of the focus along the Rayleigh length, since the intensities are highest here. When passing through the gas in the gas atmosphere, a spectral broadening takes place in principle along the entire path of the laser pulse through the gas, but this is only worth mentioning in the high-intensity range, as explained below. For example, the first resonator mirror and the second resonator mirror can be round and face each other. For example, the first and second resonator mirrors can form two end faces of an enclosure that seals off a gas atmosphere. For example, a cover that seals off the gas atmosphere can be cylindrical, so that only a cylinder jacket needs to be placed around the two sides of the resonator. However, it can also be the case that the cladding is cubic or has a different shape and is formed between the mirrored sides of the resonator. However, other geometries are also conceivable.
Um eine nennenswerte nichtlineare Wechselwirkung zwischen dem Laserpuls und dem nichtlinearen Medium herbeizuführen, sind hohe Intensitäten notwendig. Daher wird der Laserstrahl bei jedem Durchgang durch den Resonator fokussiert, wobei der Fokus bei den Durchgängen durch den Resonator mindestens einmal, bevorzugt immer, in dem nichtlinearen Medium liegt. In order to bring about a significant nonlinear interaction between the laser pulse and the nonlinear medium, high intensities are necessary. The laser beam is therefore focused on each passage through the resonator, with the focus being in the non-linear medium at least once, preferably always, during passages through the resonator.
Eine Fokussierung ist hierbei eine gezielte herbeigeführte Intensitätsüberhöhung des Laserstrahls, wobei die Intensität des Laserstrahls über die Laserenergie pro Querschnittsfläche definiert ist. Der Fokus des Laserstrahls ist der Punkt entlang der Strahlausbreitungsrichtung, in dem die Querschnittsfläche des Laserstrahls minimiert wird. Analog hierzu ist der Fokus des Laserstrahls der Punkt entlang der Strahlausbreitungsrichtung, in dem die Intensität maximal ist. In this case, focusing is a deliberately brought about increase in intensity of the laser beam, the intensity of the laser beam being defined by the laser energy per cross-sectional area. The focus of the laser beam is the point along the beam propagation direction where the cross-sectional area of the laser beam is minimized. Analogous to this, the focus of the laser beam is the point along the beam propagation direction where the intensity is maximum.
Die Querschnittsfläche des Laserstrahls wird in derx-y-Ebene gemessen, die orthogonal zur z- Achse steht. Der Strahldurchmesser ist definiert als der Durchmesser der Querschnittsfläche entlang der x-Achse beziehungsweise der y-Achse. Die x- und y-Achsen stehen hierbei nicht notwendigerweise senkrecht zueinander. Vielmehr können sie auch einen anderen Winkel miteinander einschließen, um die Symmetrie des Querschnitts des Laserstrahls besonders einfach abzubilden. The cross-sectional area of the laser beam is measured in the x-y plane, which is orthogonal to the z-axis. The beam diameter is defined as the diameter of the cross-sectional area along the x-axis and the y-axis, respectively. In this case, the x and y axes are not necessarily perpendicular to one another. Rather, they can also enclose a different angle with one another in order to depict the symmetry of the cross section of the laser beam in a particularly simple manner.
Alternativ und/oder ergänzend kann der Fokus auch darüber definiert werden, dass der Strahldurchmesser bezüglich einer Strahlebene minimiert wird. Eine Strahlebene ist jede Ebene in der die Strahlausbreitungsrichtung liegt. Beispielsweise sind die x-z-Ebene und die y-z-Ebene Strahlebenen. Wenn der Laserstrahl fokussiert wird, dann wird auch der Strahldurchmesser bezüglich der x-z-Ebene und/oder der y-z-Ebene minimiert. Alternatively and/or additionally, the focus can also be defined by minimizing the beam diameter with respect to a beam plane. A ray plane is any plane in which the direction of ray propagation lies. For example, the x-z plane and the y-z plane are beam planes. When the laser beam is focused, then the beam diameter is also minimized with respect to the x-z plane and/or the y-z plane.
Ursache für die nichtlineare Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem nichtlinearen Medium kann hierbei der Kerr-Effekt sein, nach dem die optischen Eigenschaften, beziehungsweise der Brechungsindex n, des nichtlinearen Mediums durch Anlegen eines elektrischen Feldes variiert werden können. Insbesondere kann hierbei ein Laserpuls das elektrische Feld darstellen, wobei hochenergetische Laserpulse, oder Laserpulse mit besonders großer Leistung, besonders große elektrische Felder bereitstellen. Dieser Effekt wird durch die Fokussierung des Laserpulses noch verstärkt. The reason for the non-linear interaction of the laser beam with the non-linear medium can be the Kerr effect, according to which the optical properties, or the refractive index n, of the non-linear medium can be varied by applying an electric field. In particular, a laser pulse can represent the electric field, with high-energy laser pulses, or laser pulses with particularly high power, particularly large provide electric fields. This effect is intensified by focusing the laser pulse.
In dem nichtlinearen Medium, beispielsweise dem Gas, wird durch die hohe Laserintensität im Fokus eine Variation des Brechungsindex erzeugt:
Figure imgf000007_0001
In the non-linear medium, for example the gas, a variation of the refractive index is generated by the high laser intensity in the focus:
Figure imgf000007_0001
Der lineare Brechungsindex ist hierbei durch no gegeben und der nichtlineare Brechungsindex ist durch no gegeben. Die Intensität I hängt hierbei ab von der Strahlausbreitungsrichtung z, sowie von der Zeit t durch die veränderliche Intensität des Laserpulses. Beispielsweise ist bei Argon der nichtlineare Brechungsindex no.Ar = 1 , 1 * 1024 m2/W bei einem Gasdruck von l OOmbar. Here, the linear refractive index is given by no and the nonlinear refractive index is given by no. In this case, the intensity I depends on the beam propagation direction z and on the time t due to the variable intensity of the laser pulse. For example, in the case of argon, the non-linear refractive index is no.Ar=1.1*10 24 m 2 /W at a gas pressure of 100 mbar.
Zur Charakterisierung einer nichtlinearen Wechselwirkung kann auf das sogenannte B-Integral zurückgegriffen werden, welches ein Maß für einen nichtlinearen Phasenschub des Laserstrahls beim Durchgang durch das Gas ist. Das B-Integral ist definiert als: To characterize a non-linear interaction, the so-called B-integral can be used, which is a measure of a non-linear phase shift of the laser beam as it passes through the gas. The B integral is defined as:
_ 271 > f n2I(z,t) dz wobei A die Wellenlänge des Laserstrahls ist. Aus dem B-Integral wird bereits deutlich, dass ein großer nichtlinearer Brechungsindex n2 und/oder eine große Intensität I des Laserstrahls zu einem nichtlinearen Phasenschub führen. _ 271 > fn 2 I(z,t) dz where λ is the wavelength of the laser beam. It is already clear from the B integral that a large nonlinear refractive index n2 and/or a large intensity I of the laser beam lead to a nonlinear phase shift.
Angenommen der nichtlineare Brechungsindex n2 ist konstant und der Laserstrahl wird fokussiert, dann ergeben sich nennenswerte Beiträge zum B-Integral lediglich in den Regionen des Laserstrahls, in denen er eine hohe Intensität aufweist, sprich im und um den Fokus herum, insbesondere im Bereich der Rayleigh Länge. Dies kann beispielsweise in dem Intervall der Fall sein, in dem die Intensität des Laserstrahls größer als 1/e der Intensität im Fokus ist. Assuming the nonlinear refractive index n2 is constant and the laser beam is focused, then significant contributions to the B-integral arise only in the regions of the laser beam where it has a high intensity, i.e. in and around the focus, especially in the Rayleigh range Length. This can be the case, for example, in the interval in which the intensity of the laser beam is greater than 1/e of the intensity at the focus.
Die Intensität des Laserpulses weist hierbei typischerweise eine starke Zeitabhängigkeit auf, da der Laser innerhalb der Pulsdauer von einer verschwindenden Intensität auf eine maximale Spitzenintensität ansteigt und wieder auf eine verschwindende Intensität abfällt. Aus der zeitlichen Abhängigkeit der Laserenergie, sprich dem zeitlichen Verlauf der Laserpulse, ergibt sich eine zeitliche Änderung des Brechungsindex: In this case, the intensity of the laser pulse typically has a strong time dependency, since the laser increases within the pulse duration from a vanishing intensity to a maximum peak intensity and then falls again to a vanishing intensity. The temporal dependence of the laser energy, i.e. the temporal progression of the laser pulses, results in a change in the refractive index over time:
_ n2dl z,t) dn(l) t _ n 2 dl z,t) dn(l) t
Ugr Phasenschub des Laserstrahls lässt sich nun mittels c Ao ur|d m schreiben alsUgr The phase shift of the laser beam can now be determined using c Ao ur| write dm as
A "A " k0 Ao
Figure imgf000008_0001
A "A" k 0 A o
Figure imgf000008_0001
Hieraus ergibt sich nach dem Durchlaufen einer Strecke L durch das nichtlineare Medium ein nichtlinearer Phasenschub von
Figure imgf000008_0002
This results in a nonlinear phase shift of after a distance L has been traversed through the nonlinear medium
Figure imgf000008_0002
Hieraus ist unmittelbar ersichtlich, dass dies eine Frequenzänderung bewirkt, die durch den nichtlinearen Brechungsindex n2 verursacht wird:
Figure imgf000008_0003
From this it is immediately apparent that this causes a change in frequency caused by the non-linear refractive index n2:
Figure imgf000008_0003
Die steigende Flanke des Laserpulses führt wegen der positiven Zeitableitung zu einer Verringerung der Frequenz und somit zu einer Rotverschiebung des Laserpulses. Die abfallende Flanke am Pulsende hingegen führt wegen der negativen Zeitableitung zu einer Erhöhung der Frequenz und somit zu einer Blauverschiebung. Due to the positive time derivative, the rising edge of the laser pulse leads to a reduction in frequency and thus to a red shift of the laser pulse. The falling edge at the end of the pulse, on the other hand, leads to an increase in frequency due to the negative time derivative and thus to a blue shift.
Der Laserpuls wird somit durch die Propagation in dem nichtlinearen Medium spektral verbreitert. Den zugehörigen Prozess nennt man Selbstphasenmodulation. Es sei insbesondere darauf hingewiesen, dass die Selbstphasenmodulation auch von der Länge der durchlaufenen Strecke abhängt. Dementsprechend skaliert die Selbstphasenmodulation auch mit der Anzahl an Durchgängen durch den Resonator. The laser pulse is thus spectrally broadened by propagation in the non-linear medium. The associated process is called self-phase modulation. It should be noted in particular that the self-phase modulation also depends on the length of the route traversed. Accordingly, the self-phase modulation also scales with the number of passes through the resonator.
Ein weiterer wichtiger nichtlinearer Effekt ist die sogenannte Selbstfokussierung. Wie bereits gezeigt, ist der Brechungsindex n intensitätsabhängig. Bei einem beispielsweise Gauß’schen Laserstrahl, dessen Querschnitt stets die Form einer Gauß’schen Glockenkurve hat, ist die Intensität in der Strahlmitte am größten. Dadurch stellt das nichtlineare Medium für den Laserstrahl ab einer gewissen Leistung eine Linsenwirkung bereit. Another important non-linear effect is the so-called self-focusing. As already shown, the refractive index n depends on the intensity. In the case of a Gaussian laser beam, for example, whose cross section always has the shape of a Gaussian bell curve, the intensity is greatest in the middle of the beam. As a result, the non-linear medium provides a lens effect for the laser beam above a certain power.
Eine katastrophale Selbstfokussierung tritt hierbei ab einer kritischen Pulsspitzenleistung Pent auf, wobei die Leistung P des Lasers proportional zur Laserintensität I und zur Querschnittsfläche A ist: A catastrophic self-focusing occurs here from a critical pulse peak power Pent, where the power P of the laser is proportional to the laser intensity I and the cross-sectional area A:
P oz l A. P oz l A
Die kritische Pulsspitzenleistung ist ein materialabhängiger Parameter und hängt von der Wellenlänge und dem nichtlinearen Brechungsindex n2 ab. Die katastrophale Selbstfokussierung zerstört hierbei gewissermaßen die Strahlform des in den Resonator eintretenden Laserstrahls und ist bestenfalls zu vermeiden. Mit anderen Worten kommt es durch die katastrophale Selbstfokussierung zu einem Strahlkollaps. The critical pulse peak power is a material-dependent parameter and depends on the wavelength and the non-linear refractive index n2. The catastrophic self-focusing destroys the beam shape of the laser beam entering the resonator and is to be avoided at best. In other words, catastrophic self-focusing results in beam collapse.
Bei unterhalb der kritischen Pulsspitzenleistung Pent liegenden Pulsspitzenleistungen kann bereits eine leichte Selbstfokussierung auftreten, die aber noch nicht zu einem Strahlkollaps führt. In the case of pulse peak powers below the critical pulse peak power Pent, slight self-focusing can already occur, but this does not yet lead to a beam collapse.
Der in den Resonator eintretende Laserstrahl kann ein Gauß-Profil aufweisen. Es sind aber auch andere Strahlprofile denkbar, wie beispielsweise Top-Hat Strahlprofile, The laser beam entering the resonator can have a Gaussian profile. However, other beam profiles are also conceivable, such as top-hat beam profiles,
Erfindungsgemäß ist der Strahlquerschnitt im Fokus elongiert. According to the invention, the beam cross section is elongated in the focus.
Das kann bedeuten, dass der Strahldurchmesser bezüglich einer ersten Strahlebene größer ist als bezüglich einer zweiten Strahlebene. Beispielsweise ist der Laserstrahl elongiert, wenn das Verhältnis der Strahldurchmesser bezüglich der x-Achse und der y-Achse größer als 1 :2, bevorzugt größer als 1 :3, bevorzugt größer als 1 :5, besonders bevorzugt größer als 1 :10 ist. Beispielsweise kann ein Laserstrahl im Fokus entlang der x-Achse einen Durchmesser von 1 cm aufweisen und entlang der y-Achse einen Durchmesser von 5cm aufweisen. Dann ist der Strahlquerschnitt elongiert. This can mean that the beam diameter is larger with respect to a first beam plane than with respect to a second beam plane. For example, the laser beam is elongated when the ratio of the beam diameters with respect to the x-axis and the y-axis is greater than 1:2, preferably greater than 1:3, preferably greater than 1:5, particularly preferably greater than 1:10. For example, a focused laser beam may have a diameter of 1 cm along the x-axis and a diameter of 5 cm along the y-axis. Then the beam cross-section is elongated.
Dadurch kann erreicht werden, dass die Intensität des Laserstrahls im Fokus herabgesetzt wird, da sich die Laserenergie auf eine größere Fläche als bei einem punktförmigen Fokus verteilt. Durch die herabgesetzte Intensität im Fokus können insbesondere auch Laserpulse mit größeren Pulsspitzenleistungen spektral verbreitert werden, bevor eine katastrophale Selbstfokussierung eintritt. Gleichzeitig kann durch die geringe Intensität des Laserstrahls im Fokus ein Überschreiten der lonisationsschwelle des Gases vermieden werden. Dadurch wird eine kürzere Bauweise des Resonators ermöglicht, da größere Öffnungswinkel eingesetzt werden können. Kurzum erlaubt der elongierte Strahlfokus die spektrale Verbreiterung von hochenergetischen Laserpulsen. In this way it can be achieved that the intensity of the laser beam is reduced in the focus, since the laser energy is distributed over a larger area than with a punctiform focus. Due to the reduced intensity in the focus, in particular, laser pulses with larger pulse peak powers can also be spectrally broadened before catastrophic self-focusing occurs. At the same time, the low intensity of the laser beam in the focus avoids exceeding the ionization threshold of the gas. This enables a shorter construction of the resonator, since larger opening angles can be used. In short, the elongated beam focus allows the spectral broadening of high-energy laser pulses.
Der Fokus kann ein Linienfokus sein. The focus can be a line focus.
Ein Linienfokus kann hierbei von einer Optik erzeugt werden, die den Laserstrahl lediglich bezüglich einer Strahlebene fokussiert. Insbesondere kann eine Zylinderoptik den Laserstrahl lediglich entlang einer Strahlebene fokussieren. A line focus can be generated by optics that only focus the laser beam with respect to one beam plane. In particular, cylinder optics can only focus the laser beam along one beam plane.
Durch eine Optik, die den Laserstrahl lediglich bezüglich einer Achse fokussiert, wird somit definitionsgemäß ein Linienfokus erzeugt. Ein Fokus ist im allgemeinen jedoch ein Linienfokus, wenn das Verhältnis der Strahldurchmesser bezüglich der x-Achse und der y-Achse größer als 1 :10, bevorzugt größer als 1 :100, ist. Durch einen Linienfokus kann das Verfahren besonders gut kontrolliert werden, da die Wechselwirkungszonen zwischen dem Laserstrahl und dem Gas besonders gleichförmig sind und lediglich bezüglich einer Strahlebene kontrolliert und überwacht werden muss. By definition, a line focus is generated by an optic that only focuses the laser beam with respect to one axis. However, a focus is generally a line focus if the ratio of the beam diameters with respect to the x-axis and the y-axis is greater than 1:10, preferably greater than 1:100. The method can be controlled particularly well by means of a line focus, since the interaction zones between the laser beam and the gas are particularly uniform and only have to be controlled and monitored with respect to one beam plane.
Die Intensität des Laserstrahls kann kleiner als die lonisationsschwelle eines als nichtlineares Medium verwendeten Gases sein. The intensity of the laser beam can be smaller than the ionization threshold of a gas used as non-linear medium.
Kleiner als die lonisationsschwelle kann hierbei bedeuten, dass in dem Fokusvolumen, in dem beispielsweise mehr als 50%, bevorzugt mehr als 75%, besonders bevorzugt mehr als 90%, der spektralen Verbreiterung aufgesammelt werden, weniger als 50%, bevorzugt weniger als 25%, besonders bevorzugt weniger als 10% des dort vorhandenen Gases ionisiert werden. Smaller than the ionization threshold can mean that in the focus volume in which, for example, more than 50%, preferably more than 75%, particularly preferably more than 90%, of the spectral broadening is collected, less than 50%, preferably less than 25% , more preferably less than 10% of the gas present there are ionized.
Durch eine Ionisierung des Gases ändert sich der Brechungsindex und der nichtlineare Brechungsindex, da sich die Verteilung der elektrischen Ladungsträger in dem Gas ändert. Eine Ionisierung des Gases führt schließlich dazu, dass die spektrale Verbreiterung des Laserpulses nicht mehr kontrolliert werden kann oder unkontrolliert verläuft. Ionization of the gas changes the refractive index and the non-linear refractive index, since the distribution of the electrical charge carriers in the gas changes. Eventually, ionization of the gas means that the spectral broadening of the laser pulse can no longer be controlled or is uncontrolled.
Die Pulsleistung des Laserpulses des Laserstrahls kann kleiner als die kritische Pulsspitzenleistung sein. The pulse power of the laser pulse of the laser beam can be less than the critical pulse peak power.
Dadurch wird eine katastrophale Selbstfokussierung und damit ein Strahlkollaps vermeiden. This avoids catastrophic self-focusing and hence beam collapse.
Die nichtlineare Phasenverschiebung, gegeben durch das B-Integral, kann pro Durchgang zwischen ir/20und 4TT, bevorzugt zwischen TT/10 und 2TT betragen. The non-linear phase shift, given by the B integral, can be between 1/20 and 4TT, preferably between TT/10 and 2TT, per pass.
Dadurch ist der gesamte Wechselwirkungsprozess zwischen dem Laser und dem Gas gut kontrollierbar. As a result, the entire interaction process between the laser and the gas can be easily controlled.
Der Laserstrahl kann in zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen durch den Resonator so fokussiert werden dass die elongierten Strahlquerschnitte der Foki in unterschiedlichen Strahlebenen oder in derselben Strahlebene liegen. The laser beam can be focused in two consecutive passes through the resonator in such a way that the elongated beam cross-sections of the foci are in different beam planes or in the same beam plane.
Beispielsweise kann der Laserstrahl in einem ersten Durchgang durch den Resonator so fokussiert werden, dass der elongierte Strahlquerschnitt im Fokus in derx-z-Ebene liegt und in einem zweiten Durchgang so, dass er in der y-z-Ebene liegt. Es kann aber auch sein, dass der Laserstrahl in zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen beispielsweise in der x-z-Ebene fokussiert wird. Dies hat den Vorteil, dass der Resonator und die Einkoppeloptik auf unterschiedliche Weisen konstruiert und konfiguriert werden können, um eine möglichst einfache und kostengünstige Justage zu ermöglichen. For example, the laser beam can be focused in a first pass through the resonator so that the elongated beam cross section is in focus in the x-z plane and in a second pass so that it is in the yz plane. However, it can also be the case that the laser beam is focused in two successive passes, for example in the xz plane. This has the advantage that the resonator and the in-coupling optics can be constructed and configured in different ways in order to enable adjustment that is as simple and inexpensive as possible.
Entsprechende Ausführungsformen werden weiter unten vorgestellt. Corresponding embodiments are presented further below.
Der Laserstrahl kann den Resonator und somit insbesondere das nichtlineare Medium mehr als 4 mal, bevorzugt mehr als 8 mal, besonders bevorzugt mehr als 10 mal durchlaufen. The laser beam can pass through the resonator and thus in particular the non-linear medium more than 4 times, preferably more than 8 times, particularly preferably more than 10 times.
Dadurch kann einerseits die zu erzielende spektrale Verbreiterung auf mehrere Durchgänge durch den Resonator aufgeteilt werden, so dass die Intensität des Laserstrahls sicher unter der kritischen Pulsspitzenleistung gehalten werden kann. Der Laserstrahl muss dementsprechend nicht zu stark fokussiert werden, um die gewünschte spektrale Verbreiterung zu erzielen. As a result, on the one hand, the spectral broadening to be achieved can be divided over several passages through the resonator, so that the intensity of the laser beam can be kept safely below the critical pulse peak power. Accordingly, the laser beam does not have to be focused too much in order to achieve the desired spectral broadening.
Andererseits hängt die spektrale Verbreiterung, wie oben gezeigt, von der Länge L ab, in der der Laserpuls mit dem nichtlinearen Medium wechselwirkt. Wenn der Laserstrahl das nichtlineare Medium beispielsweise mehr als 4 mal durchläuft, dann kann der Laserstrahl auch ein 4 mal größeres B-Integral aufsammeln. Somit können auch besonders große spektrale Verbreiterungen der Laserpulse erzielt werden. On the other hand, as shown above, the spectral broadening depends on the length L in which the laser pulse interacts with the nonlinear medium. For example, if the laser beam traverses the nonlinear medium more than 4 times, then the laser beam can also collect a B integral that is 4 times larger. In this way, particularly large spectral broadening of the laser pulses can also be achieved.
Durch die spektrale Verbreiterung des Laserpulses kann die Laserpulsdauer dann in einem nachfolgenden Kompressor (beispielsweise Gitterkompressor) auf weniger als das 0,9-fache, bevorzugt auf weniger als das 0,7-fache der ursprünglichen Pulsdauer komprimiert werden. Due to the spectral broadening of the laser pulse, the laser pulse duration can then be compressed in a subsequent compressor (for example a lattice compressor) to less than 0.9 times, preferably to less than 0.7 times, the original pulse duration.
Dies liegt anschaulich darin begründet, dass der Frequenzraum und der Zeitraum durch eine Fourier-Transformation miteinander verknüpft sind. Beispielsweise ist eine Bandbreite Af im Frequenzraum umgekehrt proportional zur Dauer des Signals At im Zeitraum: i Af OC — 111 At This is clearly based on the fact that the frequency space and the time period are linked to one another by a Fourier transformation. For example, a bandwidth Af in frequency domain is inversely proportional to the duration of the signal At in time period: i Af OC - 111 At
Beispielsweise kann ein Laserpuls ursprünglich eine Pulsdauer von 1 ps aufweisen und nach der spektralen Verbreiterung dann eine Fourier-Iimitierte Pulsdauer von 0,7ps aufweisen, die durch eine nachfolgende Pulskompression erreicht werden kann. For example, a laser pulse can originally have a pulse duration of 1 ps and then, after spectral broadening, have a Fourier-limited pulse duration of 0.7 ps, which can be achieved by subsequent pulse compression.
Durch die spektrale Verbreiterung des Laserpulses kann somit insbesondere durch einen nachgeschalteten Pulskompressor eine Verkürzung der Laserpulsdauer herbeigeführt werden. Eine entsprechende Pulskompression kann ebenfalls durch mindestens einen gechirpten Spiegel erzielt werden, der insbesondere auch ein Teil einer Auskoppeloptik sein kann. Die Pulsspitzenleistung Pp der Laserpulse des Laserstahls kann von 80 Megawatt (MW) bis 1 Petawatt (PW) liegen. Die Pulsspitzenleistung bestimmt sich als Quotient aus der Pulsenergie EP des Laserpulses des Laserstrahls durch die Pulsdauer tP des Laserpulses multipliziert mit einem Faktor s für die Pulsform: P « EP rp s d — Lp Due to the spectral broadening of the laser pulse, a shortening of the laser pulse duration can thus be brought about, in particular by a downstream pulse compressor. A corresponding pulse compression can also be achieved by at least one chirped mirror, which in particular can also be part of a decoupling optics. The pulse peak power P p of the laser pulses of the laser beam can be from 80 megawatts (MW) to 1 petawatt (PW). The pulse peak power is determined as the quotient of the pulse energy E P of the laser pulse of the laser beam divided by the pulse duration t P of the laser pulse multiplied by a factor s for the pulse shape: P « E P rps s d - Lp
Beispielsweise für einen gaussförmigen Puls ist der Faktor s = 0,94. For example, for a Gaussian pulse, the factor s=0.94.
Dadurch lassen sich Laserpulse mit einer besonders großen Bandbreite erzeugen. As a result, laser pulses with a particularly large bandwidth can be generated.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses eines Laserstrahls eines Lasers mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren. The object set above is also achieved by a device for spectrally broadening a laser pulse of a laser beam of a laser having the features of claim 8. Advantageous developments of the method result from the dependent claims and the present description and the figures.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum spektralen Verbreiten eines Laserpulses eines Laserstrahls vorgeschlagen, umfassend einen Resonator, in dem ein nichtlineares Medium vorliegt, und eine Auskoppeloptik, wobei die Einkoppeloptik dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl in den Resonator einzukoppeln, wobei der Resonator dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl mehrfach durch das nichtlineare Medium zu führen, wobei der Laserpuls des Laserstrahls durch eine nichtlineare Wechselwirkung mit dem nichtlinearen Medium spektral verbreitert wird, wobei der Resonator und/oder die Einkoppeloptik dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl zu fokussieren, wobei der Laserstrahl bei mindestens einem, bevorzugt bei mehreren oder bei jedem, Durchgang durch den Resonator fokussiert ist, wobei die Auskoppeloptik dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl aus dem Resonator auszukoppeln. Erfindungsgemäß ist der Strahlquerschnitt im Fokus elongiert. Hierbei kann der Fokus insbesondere ein Linienfokus sein. Accordingly, a device for spectrally spreading a laser pulse of a laser beam is proposed, comprising a resonator in which a nonlinear medium is present, and coupling-out optics, the coupling-in optics being set up to couple the laser beam into the resonator, the resonator being set up to Leading the laser beam multiple times through the non-linear medium, the laser pulse of the laser beam being spectrally broadened by a non-linear interaction with the non-linear medium, the resonator and/or the coupling optics being set up to focus the laser beam, the laser beam being at least one preferably during several or during each passage through the resonator, the decoupling optics being set up to decouple the laser beam from the resonator. According to the invention, the beam cross section is elongated in the focus. In this case, the focus can in particular be a line focus.
In einem ersten Ausführungsbeispiel kann die Einkoppeloptik ein nicht-rotationssymmetrischer Spiegel sein, bevorzugt ein Zylinderspiegel sein, und der Resonator kann mindestens zwei gegenüberliegende rotationssymmetrische Resonatorspiegel aufweisen, bevorzugt sphärische Resonatorspiegel aufweisen, wobei bevorzugt die Auskoppeloptik ein nicht rotationssymmetrischer Spiegel, bevorzugt ein Zylinderspiegel ist. In a first exemplary embodiment, the coupling-in optics can be a non-rotationally symmetrical mirror, preferably a cylinder mirror, and the resonator can have at least two opposing, rotationally symmetric resonator mirrors, preferably spherical resonator mirrors, with the decoupling optics preferably being a non-rotationally symmetrical mirror, preferably a cylinder mirror.
Ein Spiegel ist hierbei nicht-rotationssymmetrisch, wenn die Oberfläche keine Rotationssymmetrie aufweist. Insbesondere ist ein nicht-rotationssymmetrischer Spiegel kein sphärischer Spiegel. Beispielsweise ist ein Zylinderspiegel ein nicht-rotationssymmetrischer Spiegel. Wenn der Spiegel einen parabolischen Querschnitt (anstatt einen zylindrischen) und eine Längsachse aufweist, dann ist er ebenfalls nicht-rotationssymmetrisch. Auch eine sogenannte Asphäre kann ein nichtrotationssymmetrischer Spiegel sein. Neben einem sphärischen Spiegel ist auch ein parabolischer Spiegel rotationssymmetrisch. A mirror is non-rotationally symmetrical if the surface has no rotational symmetry. In particular, a non-rotationally symmetrical mirror is not a spherical mirror. For example, a cylindrical mirror is a non-rotationally symmetrical mirror. If the mirror has a parabolic cross-section (rather than cylindrical) and a longitudinal axis, then it is also non-rotationally symmetrical. A so-called asphere can also be a non-rotationally symmetrical mirror. In addition to a spherical mirror, a parabolic mirror is also rotationally symmetrical.
Im folgenden Beispiel wird stellvertretend für einen nicht-rotationssymmetrischen Spiegel ein Zylinderspiegel verwendet und für einen rotationssymmetrischen Resonatorspiegel ein sphärischer Spiegel. In the following example, a cylindrical mirror is used as a representative of a non-rotationally symmetrical mirror and a spherical mirror is used for a rotationally symmetrical resonator mirror.
Beispielsweise fällt ein kol limierter Laserstrahl in der z-Richtung auf einen konvexen Zylinderspiegel, die die Einkoppeloptik ist, wobei die Zylinderachse parallel zur x-Achse steht. Dann ergeben sich aus der Zylindersymmetrie zwei relevante Strahlebenen in denen die Propagation und Fokussierung des Laserstrahls beschrieben werden kann, nämlich die x-z-Ebene und die y-z- Ebene. For example, a collimated laser beam falls in the z-direction onto a convex cylinder mirror, which is the coupling optics, with the cylinder axis being parallel to the x-axis. The cylindrical symmetry then results in two relevant beam planes in which the propagation and focusing of the laser beam can be described, namely the x-z plane and the y-z plane.
Zum einen wird der Laserstrahl in der x-z-Ebene ohne Modifikation der Strahlpropagation reflektiert (Merke: „xwie ohne Modifikation“), da der Zylinderspiegel in dieser Ebene keine Krümmung aufweist. Sprich der Strahldurchmesser bleibt in der x-z-Ebene gleich groß, beziehungsweise der Laserstrahl bleibt bezüglich der x-z-Ebene kollimiert. On the one hand, the laser beam is reflected in the x-z plane without modification of the beam propagation (note: "x as without modification"), since the cylindrical mirror has no curvature in this plane. In other words, the beam diameter remains the same in the x-z plane, or the laser beam remains collimated with respect to the x-z plane.
Zum anderen wird der Laserstrahl in der y-z-Ebene fokussiert (Merke: „y wie in Zylinder“), da der Zylinderspiegel in dieser Ebene die Zylinderkrümmung aufweist. Trägt man den Strahldurchmesser bezüglich der y-z-Ebene als Funktion der z-Koordinate auf, so nimmt der Strahldurchmesser bezüglich der y-z-Ebene stetig ab, bis er ein Minimum im Fokuspunkt erreicht. Anschließend nimmt der Strahldurchmesser bezüglich der y-z-Ebene wieder zu. Mit anderen Worten konvergiert der Laserstrahl in der y-z-Ebene zum Fokus hin und divergiert anschließend vom Fokus weg. On the other hand, the laser beam is focused in the y-z plane (note: "y as in cylinder"), since the cylinder mirror has the cylinder curvature in this plane. If the beam diameter in the y-z plane is plotted as a function of the z coordinate, the beam diameter in the y-z plane steadily decreases until it reaches a minimum at the focal point. The beam diameter then increases again with respect to the y-z plane. In other words, the laser beam converges in the y-z plane towards the focus and then diverges away from the focus.
Indem der Strahldurchmesser in x-z-Ebene konstant ist und der Strahldurchmesser bezüglich der y- z-Ebene minimiert wird, wird auch die Querschnittsfläche des Laserstrahls minimiert. In dem Minimum des Strahldurchmessers bezüglich der y-z-Ebene erreicht der Laserstrahl somit ein Intensitätsmaximum. By keeping the beam diameter constant in the x-z plane and minimizing the beam diameter with respect to the y-z plane, the cross-sectional area of the laser beam is also minimized. In the minimum of the beam diameter with respect to the y-z plane, the laser beam thus reaches an intensity maximum.
Der Laserstrahl kann somit zwischen der Einkoppeloptik und dem ersten Resonatorspiegel einen Fokus aufweisen, der auch bereits in dem nichtlinearen Medium liegen kann. The laser beam can thus have a focus between the in-coupling optics and the first resonator mirror, which can also already be in the non-linear medium.
Nach dem Durchlaufen des Fokus divergiert der Laserstrahl in der y-z-Ebene. Anschließend trifft der Laserstrahl auf den ersten Resonatorspiegel, wo der Laserstrahl bezüglich der y-z-Ebene kollimert wird, wohingegen der Laserstrahl nun durch die Wechselwirkung mit dem ersten sphärischen Resonatorspiegel in der x-z-Ebene fokussiert wird. Gewissermaßen wird durch die Kombination von nicht-rotationssymmetrischer (zylindrischer) Einkoppeloptik und rotationssymmetrischem (sphärischem) Resonatorspiegel ein Wechsel der Fokusebene vorgenommen. After passing through the focus, the laser beam diverges in the yz plane. The laser beam then hits the first resonator mirror, where the laser beam is collimated with respect to the yz plane, whereas the laser beam is now focused in the xz plane by interaction with the first spherical resonator mirror. In a way, through the Combination of non-rotationally symmetrical (cylindrical) coupling optics and rotationally symmetrical (spherical) resonator mirror made a change in the focal plane.
Dementsprechend weist der Laserstrahl zwischen dem ersten und dem zweiten sphärischen Resonatorspiegel, beziehungsweise beim ersten Durchgang durch den Resonator einen Fokus in derx-z-Ebene auf. Der Fokus erstreckt sich hierbei in die y-z-Ebene und ist somit elongiert, beziehungsweise ein Linienfokus. Accordingly, the laser beam has a focus in the x-z plane between the first and the second spherical resonator mirror, or during the first passage through the resonator. The focus here extends into the y-z plane and is therefore elongated, or a line focus.
Nach dem ersten Durchgang trifft der Laserstrahl auf den zweiten sphärischen Resonatorspiegel, wo der Laserstrahl bezüglich der x-z-Ebene wieder koll imiert wird und bezüglich der y-z-Ebene fokussiert wird. After the first pass, the laser beam hits the second spherical resonator mirror where the laser beam is collimated again with respect to the x-z plane and is focused with respect to the y-z plane.
Dementsprechend wechselt sich eine Fokussierung des Laserstrahls zwischen derx-z-Ebene und der y-z-Ebene bei aufeinanderfolgenden Durchgängen durch den Resonator ab. Insbesondere wird in dieser Ausführungsform der Laserstrahl bei jedem Durchgang nur einmal fokussiert. Mit anderen Worten wird eine gleiche Ausrichtung des Strahlquerschnitts nur bei jedem zweiten Durchgang erreicht, was einer sogenannten 4f-Abbildung entspricht. Accordingly, focusing of the laser beam alternates between the x-z plane and the y-z plane on successive passes through the resonator. In particular, in this embodiment the laser beam is focused only once in each pass. In other words, the same alignment of the beam cross section is only achieved with every second pass, which corresponds to a so-called 4f image.
Insbesondere ist der Laserstrahl auf dem Resonatorspiegel nicht fokussiert. Insbesondere ist der elongierte Fokus nicht auf und/oder an dem Resonatorspiegel positioniert. In particular, the laser beam is not focused on the resonator mirror. In particular, the elongated focus is not positioned on and/or at the resonator mirror.
Der Laserstrahl weist insbesondere auf dem Resonatorspiegel seine ursprüngliche Strahlform auf. Hierunter ist insbesondere die Strahlform zu verstehen, welche der auf die Einkoppeloptik einfallende Laserstrahl und/oder der aus dem Laser austretende Laserstrahl aufweist. The laser beam has its original beam shape in particular on the resonator mirror. This is to be understood in particular as the beam shape which the laser beam incident on the in-coupling optics and/or the laser beam emerging from the laser has.
Der auf die Einkoppeloptik einfallende Laserstrahl und/oder der aus dem Laser austretende Laserstrahl weist beispielsweise eine Gauß’sche Strahlform auf. The laser beam incident on the coupling optics and/or the laser beam emerging from the laser has a Gaussian beam shape, for example.
Die Einkoppeloptik kann auch in Form einer Durchgangsöffnung in einem der Spiegel des Resonators ausgebildet sein, so dass auf diese Weise ein Einkoppeln des Laserstrahls in den Resonator erreicht werden kann. The coupling optics can also be designed in the form of a passage opening in one of the mirrors of the resonator, so that the laser beam can be coupled into the resonator in this way.
Es kann aber auch sein, dass die Einkoppeloptik ein astigmatischer Spiegel ist, der in zwei verschiedenen typischerweise orthogonalen Spiegelebenen, der Sagittalebene und der Meridionalebene, zwei verschiedene Brennweiten aufweist. Beispielsweise kann die Sagittalebene mit der x-y-Ebene zusammenfallen und die y-z-Ebene mit der Meridionalebene zusammenfallen. Beispielsweise kann der Spiegel in der Sagittalebene eine größere Brennweite aufweisen als in der Meridionalebene. Dann ergeben sich aus den zwei Spiegelebenen zwei relevante Strahlebenen in denen die Propagation und Fokussierung des Laserstrahls beschrieben werden können: However, it is also possible for the coupling optics to be an astigmatic mirror which has two different focal lengths in two different, typically orthogonal, mirror planes, the sagittal plane and the meridional plane. For example, the sagittal plane can coincide with the xy plane and the yz plane can coincide with the meridional plane. For example, the mirror can have a greater focal length in the sagittal plane than in the meridional plane. The two mirror planes then result in two relevant beam planes in which the propagation and focusing of the laser beam can be described:
In der Meridionalebene wird der Laserstrahl dank der kleineren Brennweite in Strahlausbreitungsrichtung zuerst fokussiert, sprich der Strahldurchmesser bezüglich der Meridionalebene des Laserstrahls wird in dem ersten Fokus minimiert. Entsprechend ist der Strahldurchmesser bezüglich der Meridionalebene im Fokus kleiner als in der Sagittalebene. Es ergibt sich somit bei einem astigmatischen Spiegel ein Linienfokus, der sich in der Sagittalebene erstreckt. Thanks to the smaller focal length in the direction of beam propagation, the laser beam is first focused in the meridional plane, i.e. the beam diameter in relation to the meridional plane of the laser beam is minimized in the first focus. Accordingly, the beam diameter in relation to the meridional plane is smaller in the focus than in the sagittal plane. With an astigmatic mirror, this results in a line focus that extends in the sagittal plane.
Anschließend wächst der Strahldurchmesser bezüglich der Meridionalebene wieder an, wohingegen der Strahldurchmesser in der Sagittalebene weiter reduziert wird, bis dieser im Fokus der Sagittalebene minimal ist. Es ergibt sich somit bei einem astigmatischen Spiegel ein weiterer Linienfokus, der sich in die Meridionalebene erstreckt. The beam diameter then increases again with respect to the meridional plane, while the beam diameter in the sagittal plane is further reduced until it is minimal in the focus of the sagittal plane. In the case of an astigmatic mirror, this results in a further line focus that extends into the meridional plane.
Bei beiden ausgeführten Einkoppeloptiken ist der Linienfokus dazu geeignet, eine nichtlineare Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem nichtlinearen Medium durch die Intensitätsüberhöhung herbeizuführen. Jedoch ist die Intensität durch den elongierten Fokus gering genug, um eine kritische Selbstfokussierung zu vermeiden. Durch die nichtlineare Wechselwirkung mit dem nichtlinearen Medium erfährt der Laserpuls wie oben beschrieben eine spektrale Verbreiterung. In both of the coupling optics designed, the line focus is suitable for bringing about a non-linear interaction of the laser beam with the non-linear medium by increasing the intensity. However, due to the elongated focus, the intensity is low enough to avoid critical self-focusing. Due to the non-linear interaction with the non-linear medium, the laser pulse experiences a spectral broadening, as described above.
Nachdem der Laserstrahl genügend stark spektral verbreitert wurde, kann der Laserstrahl durch eine Auskoppeloptik aus dem Resonator ausgekoppelt werden. Die Auskoppeloptik kann hierbei den Laserstrahl erneut kollimieren. Hierzu kann die Auskoppeloptik nicht-rotationssymmetrisch ausgebildet sein, insbesondere zylinderförmig ausgebildet sein, um die entsprechende Konvergenz des Laserstrahls zu beseitigen. After the laser beam has been broadened spectrally to a sufficient extent, the laser beam can be coupled out of the resonator by means of a coupling optic. The decoupling optics can collimate the laser beam again. For this purpose, the decoupling optics can be non-rotationally symmetrical, in particular cylindrical, in order to eliminate the corresponding convergence of the laser beam.
Die Auskoppeloptik kann hierbei beispielsweise mindestens einen gechirpten Spiegel aufweisen oder ein gechripter Spiegel sein, um eine zeitliche Pulskompression des spektral verbreiterten Laserpulses zu erreichen. The decoupling optics can have, for example, at least one chirped mirror or be a chirped mirror in order to achieve temporal pulse compression of the spectrally broadened laser pulse.
Die Auskoppeloptik kann auch in Form einer Durchgangsöffnung in einem der Resonatorspiegel ausgebildet sein, so dass auf diese Weise ein Auskoppeln des Laserstrahls aus dem Resonator erreicht werden kann. The decoupling optics can also be designed in the form of a passage opening in one of the resonator mirrors, so that the laser beam can be decoupled from the resonator in this way.
Der Resonator kann hierbei mindestens zwei Resonatorspiegel aufweisen. Das kann bedeuten, dass der Resonator beispielsweise genau zwei monolithische Spiegel aufweist. Insbesondere kann bei der vorliegenden Ausführungsform jedes Spiegelsegment ein sphärischer Spiegel sein. Der Resonator kann dementsprechend eine modifizierte Herriott-Zelle sein. Dadurch wird eine besonders hohe mechanische Stabilität erreicht. In this case, the resonator can have at least two resonator mirrors. This can mean that the resonator has, for example, exactly two monolithic mirrors. In particular, in the present embodiment, each mirror segment can be a spherical mirror. The Accordingly, the resonator can be a modified Herriott cell. This achieves a particularly high level of mechanical stability.
Es kann aber auch sein, dass sich jeder Resonatorspiegel aus mehreren Spiegelsegmenten zusammensetzt. Dadurch kann ein höherer Justagefreiheitsgrad erreicht werden. However, it can also be the case that each resonator mirror is composed of several mirror segments. As a result, a higher degree of freedom of adjustment can be achieved.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel kann die Einkoppeloptik ein nicht-rotationssymmetrischer Spiegel, bevorzugt ein Zylinderspiegel sein, und der Resonator kann mindestens zwei gegenüberliegende nicht-rotationssymmetrische Resonatorspiegel, bevorzugt Zylinderspiegel aufweisen, wobei die Auskoppeloptik bevorzugt ein Zylinderspiegel ist. In a second exemplary embodiment, the coupling-in optics can be a non-rotationally symmetrical mirror, preferably a cylinder mirror, and the resonator can have at least two opposing non-rotationally symmetrical resonator mirrors, preferably cylinder mirrors, with the decoupling optics preferably being a cylinder mirror.
Analog zu der ersten Ausführungsform bekommt der kollimierte Laserstrahl durch die nichtrotationssymmetrische Einkoppeloptik eine Konvergenz beispielsweise in der y-z-Ebene aufgeprägt. Analogously to the first embodiment, the collimated laser beam is given a convergence, for example in the y-z plane, by the non-rotationally symmetrical in-coupling optics.
Wenn der Fokus durch die Einkoppeloptik beispielsweise vor dem ersten Zylinderspiegel des Resonators liegt, dann kann durch entsprechende Wahl der Brennweite des Zylinderspiegels des Resonators eine weitere Fokuszone während des ersten Durchgangs erzeugt werden. Die Fokuszone kann hierbei ebenfalls in der y-z-Ebene liegen. Durch den zweiten Zylinderspiegel des Resonators kann wiederum ein Fokus beim zweiten Durchgang erzeugt werden. Wenn die Zylinderachsen von Einkoppeloptik und Resonatoroptik parallel verlaufen, dann wird der Laserstrahl immer in der y-z-Ebene fokussiert. Gewissermaßen wird somit eine gleiche Ausrichtung des Strahlquerschnitts bei jedem Durchgang erreicht, was einer sogenannten 2f-Abbildung entspricht. If the focus through the in-coupling optics is, for example, in front of the first cylinder mirror of the resonator, then a further focus zone can be generated during the first pass by appropriately selecting the focal length of the cylinder mirror of the resonator. The focus zone can also be in the y-z plane. The second cylinder mirror of the resonator can in turn produce a focus during the second pass. If the cylinder axes of the in-coupling optics and resonator optics run parallel, then the laser beam is always focused in the y-z plane. To a certain extent, the same alignment of the beam cross section is thus achieved with each pass, which corresponds to a so-called 2f image.
Es kann aber auch sein, dass die Zylinderachsen des Resonators orthogonal zueinanderstehen. Dann kann durch eine geeignete Wahl der Brennweite der Resonatorspiegel eine abwechselnde Fokussierung in der Ebene der Zylinderkrümmung und der Ebene der Zylinderachse herbeigeführt werden. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die Divergenz des Laserstrahls nach einem Fokus so klein gehalten wird, dass die Aufweitung des Laserstrahls kleiner ist als die Abmessung des Zylinderspiegels des Resonators. Gewissermaßen wird somit eine gleiche Ausrichtung des Strahlquerschnitts bei jedem zweiten Durchgang erreicht, was einer sogenannten 4f-Abbildung entspricht. However, it can also be the case that the cylinder axes of the resonator are orthogonal to one another. Alternating focusing in the plane of the cylinder curvature and the plane of the cylinder axis can then be brought about by a suitable choice of the focal length of the resonator mirror. However, it should be noted here that the divergence of the laser beam after a focus is kept so small that the widening of the laser beam is smaller than the dimensions of the cylinder mirror of the resonator. To a certain extent, the same alignment of the beam cross section is thus achieved with every second pass, which corresponds to a so-called 4f image.
Es kann auch sein, dass der Resonator eine Multipasszelle ist, wobei die Multipasszelle mindestens drei Spiegel aufweist, wobei der erste Spiegel der Multipasszelle auf die der Laserstrahl trifft eine Einkoppeloptik ist und der letzte Spiegel der Multipasszelle aus die der Laserstrahl trifft die Auskoppeloptik ist. Eine Multipasszelle ist hierbei insbesondere eine zweidimensionale Anordnung von Spiegeln. Die Funktionsweise ist jedoch analog zur der der Herriott-Zelle, beziehungsweise zu den weiter oben beschriebenen Resonatoren. It is also possible that the resonator is a multi-pass cell, with the multi-pass cell having at least three mirrors, with the first mirror of the multi-pass cell on which the laser beam hits being coupling optics and the last mirror of the multi-pass cell on which the laser beam hits being the coupling-out optics. In this case, a multipass cell is in particular a two-dimensional arrangement of mirrors. However, the mode of operation is analogous to that of the Herriott cell or to the resonators described above.
Ein Vorteil der Multipasszelle liegt in der einfacheren Justage und der einfacheren mechanischen Ausführung. Dadurch kann eine Multipasszelle kostengünstig hergestellt werden. An advantage of the multi-pass cell is the simpler adjustment and the simpler mechanical design. As a result, a multipass cell can be produced inexpensively.
Der Abstand zweier nacheinander vom Laserstrahl angelaufene Spiegel des Resonators kann zwischen dem 0,8-fachen und dem 1 ,2-fachen der Summe oder der doppelten Summe der Brennweiten der beiden Spiegel betragen. The distance between two mirrors of the resonator struck one after the other by the laser beam can be between 0.8 times and 1.2 times the sum or twice the sum of the focal lengths of the two mirrors.
Beispielsweise kann der erste sphärische Spiegel des Resonators eine Brennweite von 30cm aufweisen und der zweite sphärische Spiegel des Resonators kann eine Brennweite von 70cm aufweisen. Dann können die Spiegel in einem Abstand von 80cm bis hin zu 120cm voneinander aufgestellt werden. For example, the first spherical mirror of the resonator can have a focal length of 30 cm and the second spherical mirror of the resonator can have a focal length of 70 cm. Then the mirrors can be placed at a distance of 80cm to 120cm from each other.
Beispielsweise kann der erste Zylinderspiegel des Resonators eine Brennweite von 100cm aufweisen und der zweite Zylinderspiegel des Resonators kann eine Brennweite von 100cm aufweisen. Dann können die Spiegel auch in einem Abstand von 80 bis 120 aufgestellt werden. In diesem Fall kann in jedem zweiten Durchgang dieselbe Ausrichtung des Querschnitts des Fokus erreicht werden. For example, the first cylindrical mirror of the resonator can have a focal length of 100 cm and the second cylindrical mirror of the resonator can have a focal length of 100 cm. Then the mirrors can also be set up at a distance of 80 to 120. In this case, the same orientation of the cross-section of the focus can be achieved in every second pass.
Insbesondere können die Spiegel des Resonators dieselbe Brennweite aufweisen. In particular, the mirrors of the resonator can have the same focal length.
Dies erlaubt eine einfachere geometrische Anordnung der Spiegel und eine einfachere Justage. This allows for a simpler geometric arrangement of the mirrors and simpler adjustment.
Insgesamt kann die Gesamttransmission der Vorrichtung größer als 50% sein. Dadurch können insbesondere Leistungsverluste reduziert werden. Zudem kann eine hohe Laserleistung erreicht werden. Overall, the overall transmission of the device can be greater than 50%. As a result, power losses in particular can be reduced. In addition, a high laser power can be achieved.
Insbesondere kann sich die Gesamttransmission auf den Spektralbereich beziehen, der mit der spektralen Verbreiterung erreicht werden soll. Daher kann die Transmission bei jeder Frequenz des Spektralbereichs des verbreiterten Pulses des Gesamtsystems bei mehr als 50% liegen. In particular, the total transmission can relate to the spectral range that is to be achieved with the spectral broadening. Therefore, the transmission at any frequency of the spectral range of the broadened pulse of the overall system can be more than 50%.
Für die Auslegung einer entsprechenden Vorrichtung können die verschiedenen weiter oben aufgeführten Parameter berücksichtigt werden. The various parameters listed above can be taken into account for the design of a corresponding device.
Hierfür kann zunächst aus der Pulsspitzenleistung der Querschnitt des Laserstrahls berechnet werden, bei der die Intensität im Fokus die lonisationsschwelle erreicht. Der Querschnitt (beziehungsweise Durchmesser) ist wie weiter oben gezeigt mit dem Öffnungswinkel des Laserstrahls über das Strahlparameterprodukt verknüpft. For this purpose, the cross-section of the laser beam at which the intensity in the focus reaches the ionization threshold can first be calculated from the pulse peak power. The cross section (or diameter) is linked to the aperture angle of the laser beam via the beam parameter product, as shown above.
Zusätzlich sollte die maximale Intensität oder die Fluenz des Laserstrahls auf den Spiegeln kleiner als die laserinduzierte Zerstörschwelle (LIDT) sein, so dass die Spiegel nicht durch den Laserstrahl zerstört werden. Die laserinduzierte Zerstörschwelle wird hierbei unterschritten, wenn die Querschnittsfläche des Laserstrahls auf dem Spiegel eine gewisse kritische Querschnittsfläche übersteigt. Aus der Querschnittsfläche auf den Spiegeln, der Querschnittsfläche im Fokus und dem Öffnungswinkel lässt sich somit die Brennweite der Spiegel ableiten. In addition, the maximum intensity or fluence of the laser beam on the mirrors should be less than the laser-induced damage threshold (LIDT) so that the mirrors are not destroyed by the laser beam. The laser-induced damage threshold is not reached when the cross-sectional area of the laser beam on the mirror exceeds a certain critical cross-sectional area. The focal length of the mirror can thus be derived from the cross-sectional area on the mirrors, the cross-sectional area in the focus and the opening angle.
Schließlich lässt sich über die Auswahl des nichtlinearen Mediums und insbesondere über den Gasdruck und über die Gasart der nichtlineare Phasenschub durch das B-Integral pro Durchgang durch das nichtlineare Medium einstellen. Finally, the nonlinear phase shift can be adjusted by the B integral per pass through the nonlinear medium via the selection of the nonlinear medium and in particular via the gas pressure and the type of gas.
Bei den oben genannten Berechnungen können insbesondere Sicherheitsfaktoren berücksichtigt werden, um ein Ionisieren oder ein Zerstören der Spiegel sicher zu umgehen. In particular, safety factors can be taken into account in the calculations mentioned above in order to reliably avoid ionization or destruction of the mirror.
Kurze Beschreibung der Figuren Short description of the figures
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen: Preferred further embodiments of the invention are explained in more detail by the following description of the figures. show:
Figur 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung; FIG. 1 shows a schematic representation of the device;
Figur 2 eine schematische Darstellung der Ortsabhängigkeit verschiedenerFigure 2 is a schematic representation of the location dependency of different
Strahleigenschaften gemäß Stand der Technik; State-of-the-art beam properties;
Figur 3A, B, C eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Ortsabhängigkeit verschiedener Strahleigenschaften; FIG. 3A, B, C shows a schematic representation of the spatial dependence of various beam properties according to the invention;
Figur 4A, B, C, D schematische Darstellungen unterschiedlicher Einkoppeloptiken; FIG. 4A, B, C, D schematic representations of different coupling optics;
Figur 5 eine weitere schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Ortsabhängigkeit verschiedener Strahleigenschaften; FIG. 5 shows a further schematic representation of the spatial dependence of various beam properties according to the invention;
Figur 6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; FIG. 6 shows a schematic representation of a device according to the invention;
Figur 7 eine weitere schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; FIG. 7 shows a further schematic illustration of a device according to the invention;
Figur 8 eine weitere schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; Figur 9 eine weitere schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und FIG. 8 shows a further schematic illustration of a device according to the invention; FIG. 9 shows a further schematic illustration of a device according to the invention; and
Figur 10 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Multipasszelle. FIG. 10 shows a schematic representation of a multipass cell according to the invention.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele Detailed description of preferred exemplary embodiments
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden. Preferred exemplary embodiments are described below with reference to the figures. Elements that are the same, similar or have the same effect are provided with identical reference symbols in the different figures, and a repeated description of these elements is sometimes dispensed with in order to avoid redundancies.
In Figur 1 ist schematisch eine erste Ausführungsform der hier vorgeschlagenen Vorrichtung 2 gezeigt. Hierbei stellt ein Laser 1 einen Laserstrahl 10 bereit, in dem die Laserpulse 100 des Lasers 1 propagieren. Insbesondere können die Laserpulse 100 ultrakurze Laserpulse sein. Beispielsweise können die ultrakurzen Laserpulse eine Pulsdauer von weniger al 100ps, bevorzugt weniger als 1 ps, beispielsweise 600fs aufweisen. A first embodiment of the device 2 proposed here is shown schematically in FIG. In this case, a laser 1 provides a laser beam 10 in which the laser pulses 100 of the laser 1 propagate. In particular, the laser pulses 100 can be ultra-short laser pulses. For example, the ultra-short laser pulses can have a pulse duration of less than 100 ps, preferably less than 1 ps, for example 600 fs.
Die Laserpulse 100 weisen hierbei ein Frequenzbandbreite auf, die durch die Vorrichtung 2 verbreitert werden soll. Beispielsweise kann die Pulsspitzenleistung Pp der Laserpulse des Laserstahls von 80 Megawatt (MW) bis 1 Petawatt (PW), bevorzugt zwischen 500 Megawatt (MW) und 100 Terawatt (TW), liegen. In this case, the laser pulses 100 have a frequency bandwidth that is intended to be broadened by the device 2 . For example, the pulse peak power P p of the laser pulses of the laser beam can be from 80 megawatts (MW) to 1 petawatt (PW), preferably between 500 megawatts (MW) and 100 terawatts (TW).
Die Vorrichtung 2 weist hierbei eine Einkoppeloptik 20, einen Resonator 22, ein zumindest im Resonator 22 vorliegendes nichtlineares Medium 240, sowie eine Auskoppeloptik 26 auf. Der Laserstrahl 100 trifft in einem kollimierten Zustand auf die Einkoppeloptik 20 und wird von dieser in den Resonator 22 geleitet. In dem Resonator 22 wird der Laserstrahl 10 mehrfach von den Resonatorseiten 220, 222 reflektiert und dabei durch das nichtlineare Medium 240 geleitet. In this case, the device 2 has coupling optics 20 , a resonator 22 , a nonlinear medium 240 present at least in the resonator 22 , and coupling optics 26 . The laser beam 100 strikes the in-coupling optics 20 in a collimated state and is guided by the latter into the resonator 22 . In the resonator 22, the laser beam 10 is reflected multiple times by the resonator sides 220, 222 and is guided through the non-linear medium 240 in the process.
Bei jedem Durchgang durch den Resonator 22 wird der Laserstrahl 10 fokussiert, so dass der Laserpuls 100 nach jeder Reflektion an einer der Resonatorseiten 220, 222 mit dem nichtlinearen Medium 240 wechselwirken und dadurch spektral verbreitert werden kann. Nach der letzten Reflektion des Laserstrahls 10 an einer Resonatorseite 222 wird der Laserstrahl 10 von der Auskoppeloptik 26 ausgekoppelt. Der ausgekoppelte Laserpuls 100‘ ist gegenüber dem ursprünglichen Laserpuls 100 spektral verbreitert. Die Auskopplungsoptik kann hierbei den Laserstrahl 10 erneut kollimieren und/oder eine Pulskompression durchführen und/oder den Laserstrahl 10 zu einem nachgeschalteten Pulskompressor führen. With each passage through the resonator 22, the laser beam 10 is focused, so that the laser pulse 100 can interact with the non-linear medium 240 after each reflection on one of the resonator sides 220, 222 and thereby be spectrally broadened. After the last reflection of the laser beam 10 on a resonator side 222, the laser beam 10 is coupled out by the coupling-out optics 26. The decoupled laser pulse 100' is spectrally broadened compared to the original laser pulse 100. The decoupling optics can collimate the laser beam 10 again and/or carry out a pulse compression and/or guide the laser beam 10 to a downstream pulse compressor.
Das nichtlinearen Medium 240 kann beispielsweise Umgebungsluft, gefilterte Luft oder ein spezifisch ausgewähltes Gas, beispielsweise ein Edelgas, sein. Liegt das nichtlineare Medium 240 lediglich als Umgebungsluft vor, so kann auf einen gasdichten Abschluss der Vorrichtung 2 gegenüber der Umgebung verzichtet werden. Soll als nichtlineare Medium 240 jedoch etwas Anderes als Umgebungsluft verwendet werden, so muss die Vorrichtung 2 einen gasdichten Abschluss gegenüber der Umgebung bereitstellen oder ein ständiges Durchströmen zumindest des Resonators 22 mit dem gewünschten Gas ermöglichen. Das als nichtlineares Medium bereitgestellte Gas kann beispielsweise ein Edelgas sein, beispielsweise Helium, Argon oder Krypton. The nonlinear medium 240 may be, for example, ambient air, filtered air, or a specifically selected gas, such as an inert gas. Lies the nonlinear medium 240 only as ambient air, a gas-tight closure of the device 2 with respect to the environment can be dispensed with. However, if something other than ambient air is to be used as the non-linear medium 240, the device 2 must provide a gas-tight seal with respect to the environment or allow the desired gas to flow through at least the resonator 22 continuously. The gas provided as the non-linear medium can, for example, be an inert gas, for example helium, argon or krypton.
Anstelle der in der Figur 1 gezeigten separaten Einkoppeloptik 20 und der separaten Auskoppeloptik 26 diese auch jeweils durch eine Öffnung in einem der Resonatorspiegel 220, 222 ausgebildet sein, durch welche der Laserstrahl 10 in den Resonator 22 eintreten und wieder aus diesem austreten kann. Instead of the separate in-coupling optics 20 and the separate out-coupling optics 26 shown in FIG.
Verschiedene Strahleigenschaften in einem Resonator nach dem Stand der Technik sind in Figur 2 gezeigt. Gemäß dem Stand der Technik sind die gezeigte Einkoppeloptik 20, der erste Resonatorspiegel 220 und der zweite Resonatorspiegel 220 sowie die Auskoppeloptik 26 sphärische Spiegel. Dies hat weitreichende Konsequenzen für die Strahlformung in dem Resonator 22. In Figur 2 ist der Strahldurchmesser D als Funktion der Strahlausbreitungsrichtung z für die x-z- Ebene und die y-z-Ebene gezeigt. Die z-Richtung fällt hierbei stets mit der Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls 10 zusammen, auch nach Reflexionen an einem der verbauten Spiegel. Various beam characteristics in a prior art resonator are shown in FIG. According to the prior art, the coupling optics 20 shown, the first resonator mirror 220 and the second resonator mirror 220 and the coupling-out optics 26 are spherical mirrors. This has far-reaching consequences for beam shaping in the resonator 22. FIG. 2 shows the beam diameter D as a function of the beam propagation direction z for the x-z plane and the y-z plane. The z-direction always coincides with the beam propagation direction of the laser beam 10, even after reflections on one of the built-in mirrors.
Der Laserstrahl 10 ist zunächst kollimie rt , bevor er auf die Einkoppeloptik 20 fällt. Dies ist daran zu erkennen, dass der Strahldurchmesser vor der Einkoppeloptik 20 sowohl in derx-z-Ebene als auch in der y-z-Ebene konstant ist. The laser beam 10 is first collimated before it falls on the in-coupling optics 20 . This can be seen from the fact that the beam diameter in front of the coupling optics 20 is constant both in the x-z plane and in the y-z plane.
Durch die sphärische Einkoppeloptik 20 wird der Laserstrahl 10 reflektiert und fokussiert. Insbesondere findet dadurch eine Fokussierung des Laserstrahls 10 in derx-z-Ebene und der y-z- Ebene statt. Die gesamte Energie des Laserstrahls 10 wird dementsprechend auf eine quasi punktförmige Fläche konzentriert, so dass es lokal im Fokuspunkt 3 zu einem Ansteigen der Intensität I kommt. Dies ist ebenfalls in Figur 2 gezeigt. Der Fokuspunkt 3 ist dementsprechend dort angeordnet, wo der Strahldurchmesser D ein Minimum in beiden Strahldurchmessern aufweist. Der Laserstrahl 10 bewegt sich durch das durch das Gas ausgebildete nichtlineare Medium 240, wobei eine nichtlineare Wechselwirkung zwischen dem Gas und dem Laserpuls 100 zu einer spektralen Verbreiterung führen soll. Nachdem der Laserstrahl 10 ein Minimum des Strahldurchmessers D durchlaufen hat, divergiert der Laserstrahl 10 zum zweiten Spiegel 222 des Resonators 22, von wo aus er erneut reflektiert und fokussiert wird, und so weiter. The laser beam 10 is reflected and focused by the spherical in-coupling optics 20 . In particular, this results in a focusing of the laser beam 10 in the x-z plane and the yz plane. The entire energy of the laser beam 10 is accordingly concentrated on a quasi-point-like area, so that the intensity I increases locally in the focal point 3 . This is also shown in FIG. The focal point 3 is accordingly arranged where the beam diameter D has a minimum in both beam diameters. The laser beam 10 moves through the non-linear medium 240 formed by the gas, with a non-linear interaction between the gas and the laser pulse 100 leading to a spectral broadening. After the laser beam 10 has traversed a minimum of the beam diameter D, the laser beam 10 diverges to the second mirror 222 of the resonator 22 from where it is again reflected and focused, and so on.
Wie weiter oben beschrieben, kann es aufgrund der hohen Intensität und der nichtlinearen Wechselwirkung mit dem Gas in dem quasi punktförmigen Fokus 3 zu einer Selbstfokussierung des Laserstrahls 10 oder einer Ionisierung des Gases kommen. Ersteres ist insbesondere der Fall, wenn die Leistung des Lasers die kritische Pulsspitzenleistung Pent überschreitet. Da die kritische Pulsspitzenleistung Pont über den Strahldurchmesser D mit der Intensität I verknüpft ist, kann dementsprechend ein Fokussieren des Laserstrahls 10 zu einer sogenannten katastrophalen Selbstfokussierung führen. As described above, due to the high intensity and the non-linear interaction with the gas in the quasi-punctiform focus 3, the laser beam 10 can self-focus or the gas can ionize. The former is particularly the case when the power of the laser exceeds the critical pulse peak power Pent. Since the critical pulse peak power Pont is linked to the intensity I via the beam diameter D, focusing the laser beam 10 can accordingly lead to so-called catastrophic self-focusing.
Um dieses Problem zu beheben ist der Resonator 22 und/oder die Einkoppeloptik 20 gemäß der hier vorgeschlagenen Vorrichtung 2 dazu eingerichtet, den Laserstrahl 10 zu fokussieren, wobei der Strahlquerschnitt im Fokus elongiert ist. In order to solve this problem, the resonator 22 and/or the in-coupling optics 20 according to the device 2 proposed here are set up to focus the laser beam 10, with the beam cross-section being elongated in the focus.
In Figur 3A ist ein entsprechender Verlauf verschiedener Strahleigenschaften des Resonators 22 gemäß der vorgeschlagenen Vorrichtung 2 gezeigt. Insbesondere ist der Verlauf des Strahldurchmessers D gezeigt, wenn der Strahlquerschnitt im Fokus 30 elongiert ist. Der Laserstrahl 10 wird hierbei durch die Einkoppeloptik 20 zunächst in einer Strahlebene fokussiert, hier die y-z-Ebene. Durch die Fokussierung in der y-z-Strahlebene weist der Laserstrahl 10 in der x- z-Ebene auch nach der Reflexion an der Einkoppeloptik 20 einen unveränderten Strahldurchmesser D auf. In dem Minimum des Strahldurchmessers D, sprich dem Fokus 30 zwischen der ersten und der zweiten Resonatorseite 220, 200, wird demzufolge eine Intensitätsüberhöhung in Form eines Linienfokus 30 erzeugt. Der Linienfokus 30 erstreckt sich bei einer Fokussierung in der y-z-Ebene in derx-z-Ebene. Durch den Linienfokus bleibt die Intensität im Linienfokus 30 vergleichsweise gering, so dass die kritische Pulsspitzenleistung Pent nicht erreicht wird. In der Folge kommt es auch nicht zur katastrophalen Selbstfokussierung. Typischerweise ist die Intensität hierbei auch so gering, dass ein Ionisieren des als nichtlineares Medium 240 verwendeten Gases vermieden wird. FIG. 3A shows a corresponding course of different beam properties of the resonator 22 according to the proposed device 2. In particular, the progression of the beam diameter D is shown when the beam cross section in the focus 30 is elongated. In this case, the laser beam 10 is initially focused by the in-coupling optics 20 in a beam plane, here the y-z plane. Due to the focussing in the y-z beam plane, the laser beam 10 has an unchanged beam diameter D in the x-z plane even after reflection at the in-coupling optics 20 . In the minimum of the beam diameter D, ie the focus 30 between the first and the second resonator side 220, 200, an intensity increase in the form of a line focus 30 is consequently generated. The line focus 30 extends in the x-z plane when focused in the y-z plane. Due to the line focus, the intensity in the line focus 30 remains comparatively low, so that the critical pulse peak power Pent is not reached. As a result, catastrophic self-focusing does not occur either. Typically, the intensity in this case is also so low that ionization of the gas used as non-linear medium 240 is avoided.
Durch die ausreichend hohe Intensität im Linienfokus 30 kann jedoch eine spektrale Verbreiterung des Laserpulses 100 beim Durchgang durch das nichtlineare Medium 240 bewirkt werden. Dieses Verhalten lässt sich an dem aufgetragenen B-Integral ablesen. Das B-Integral, also der nichtlineare Phasenschub, vergrößert sich stets im Bereich des Linienfokus 30. Relevante Beiträge erfährt das B-Integral jedoch bloß um den Fokus 30 herum, so dass das B-Integral gewissermaßen einer Stufenfunktion folgt. Ein solcher Linienfokus 30 kann auf unterschiedliche Weisen erzeugt werden. Eine Möglichkeit ist es, eine nicht-rotationssymmetrische Einkoppeloptik 20 mit rotationssymmetrischen Resonatorspiegeln 220, 222 zu kombinieren. However, due to the sufficiently high intensity in the line focus 30, a spectral broadening of the laser pulse 100 as it passes through the non-linear medium 240 can be brought about. This behavior can be seen from the plotted B integral. The B integral, ie the non-linear phase shift, always increases in the area of the line focus 30. However, the B integral only experiences relevant contributions around the focus 30, so that the B integral follows a step function, so to speak. Such a line focus 30 can be generated in different ways. One possibility is to combine a non-rotationally symmetrical in-coupling optics 20 with rotationally symmetrical resonator mirrors 220, 222.
In Figur 3B ist der Fokus 30 eines Laserstrahls 10 gezeigt, der durch eine astigmatische Einkoppeloptik 20, beispielsweise einen astigmatischen Spiegel, erzeugt wurde. Der Strahldurchmesser hat sowohl in der x-Achse als auch in der y-Achse im Fokus 30 ein Minimum. Jedoch ist die Pulsspitzenleitsung auf eine größere Fläche im Vergleich zu einem Punktfokus verteilt, so dass es weder zur Selbstfokussierung noch zur Überschreitung der lonisationsschwelle des als nichtlineares Medium verwendeten Gases kommt. FIG. 3B shows the focus 30 of a laser beam 10 which was generated by an astigmatic coupling optics 20, for example an astigmatic mirror. The beam diameter has a minimum in the focus 30 in both the x-axis and the y-axis. However, the pulse peak conduction is distributed over a larger area compared to a point focus, so that neither self-focusing nor the ionization threshold of the gas used as the nonlinear medium is exceeded.
In Figur 3C ist analog der Fokus eines Laserstrahls 10 gezeigt, der durch eine zylinderförmige Einkoppeloptik 20 erzeugt wurde. Hierbei ist der Strahldurchmesser in der x-Achse konstant (so wie in Figur 3A gezeigt) und nur der Strahldurchmesser entlang der y-Achse durchläuft ein Minimum. Dementsprechend wird durch eine Zylinderoptik ein sogenannter Linienfokus 30 ausgebildet. In FIG. 3C, the focus of a laser beam 10, which was generated by a cylindrical in-coupling optics 20, is shown analogously. Here, the beam diameter in the x-axis is constant (as shown in Figure 3A) and only the beam diameter along the y-axis goes through a minimum. Accordingly, a so-called line focus 30 is formed by a cylinder optics.
Beispielsweise ist in Figur 4A eine Einkoppeloptik 20 in Form eines Zylinderspiegels 20 in der Seitenansicht und in Figur 4B in der Vogelperspektive gezeigt. Der kollimierte Laserstrahl 10 fällt hierbei zunächst von rechts auf die verspiegelte Oberfläche der Einkoppeloptik 20 und wird dort reflektiert. In der Seitenansicht weist die Einkoppeloptik 20 die Zylinderkrümmung auf, so dass eine Fokussierung des Laserstrahls 10 erreicht wird. Gleichzeitig bleibt der Strahldurchmesser D des Laserstrahls in der Vogelperspektive unverändert, da die Einkoppeloptik 20 in dieser Ebene keine Fokussierung vornimmt. Vielmehr wird der Laserstrahl 10 hier lediglich reflektiert. For example, a coupling optics 20 in the form of a cylindrical mirror 20 is shown in a side view in FIG. 4A and in a bird's-eye view in FIG. 4B. The collimated laser beam 10 initially falls from the right onto the mirrored surface of the coupling optics 20 and is reflected there. In the side view, the in-coupling optics 20 have the cylinder curvature, so that a focusing of the laser beam 10 is achieved. At the same time, the beam diameter D of the laser beam remains unchanged in the bird's-eye view, since the in-coupling optics 20 do not focus in this plane. Rather, the laser beam 10 is only reflected here.
Als nächstes wird der in der in der Seitenansicht fokussierte Laserstrahl 100 auf den ersten Resonatorspiegel 220 geleitet, wie in Figur 4C gezeigt ist. Durch die sphärische Krümmung der Spiegeloberfläche des ersten Resonatorspiegels 220 kann dementsprechend der Laserstrahl 10 in der Seitenansicht kollimiert werden, während der Laserstrahl 10 in der Vogelperspektive fokussiert wird. Durch die Anordnung von nicht-rotationssymmetrischer Einkoppeloptik 20 und rotationssymmetrischen Resonatorspiegeln 220, 222 kann dementsprechend ein Linienfokus 30 abwechselnd in derx-z-Ebene und in der y-z-Ebene geformt werden. Next, the laser beam 100 focused in the side view is guided onto the first resonator mirror 220 as shown in Figure 4C. Accordingly, due to the spherical curvature of the mirror surface of the first resonator mirror 220, the laser beam 10 can be collimated in the side view, while the laser beam 10 is focused in the bird's-eye view. By arranging non-rotationally symmetrical in-coupling optics 20 and rotationally symmetrical resonator mirrors 220, 222, a line focus 30 can accordingly be formed alternately in the x-z plane and in the y-z plane.
Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass mit der hier vorgeschlagenen Vorrichtung 2 die Strahldurchmesser und Intensitätsverläufe der Figur 3A erzeugt werden können. In particular, it should be pointed out that the device 2 proposed here can be used to generate the beam diameters and intensity curves of FIG. 3A.
In Figur 5 sind verschiedene Strahleigenschaften einer alternative Ausführungsform der Vorrichtung 2 gezeigt, bei der alle Linienfokusse 30 in derselben Ebene liegen. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass sowohl die Einkoppeloptik 20 als auch die Resonatorspiegel 220, 222 nicht-rotationssymmetrisch sind. Dementsprechend kann der Laserstrahl 10 stets in der y-z- Ebene fokussiert werden. Eine entsprechende Vorrichtung 2 ist in Figur 6 gezeigt. Various beam properties of an alternative embodiment of the device 2 are shown in FIG. 5, in which all line foci 30 lie in the same plane. This can be achieved in particular in that both the in-coupling optics 20 and the resonator mirrors 220, 222 are non-rotationally symmetrical. Accordingly, the laser beam 10 can always be focused in the yz plane. A corresponding device 2 is shown in FIG.
In Figur 6 ist eine Vorrichtung 2 gezeigt, bei der die Einkoppeloptik 20 als auch die Resonatorspiegel 220, 222 nicht-rotationssymmetrisch sind, beziehungsweise Zylinderspiegel sind. In der vorliegenden Ansicht steht die Zylinderachse senkrecht zur Blattebene, so dass die Zylinderkrümmung aller Spiegel 20, 220, 222 und 26 in der Blattebene liegt. FIG. 6 shows a device 2 in which the in-coupling optics 20 and the resonator mirrors 220, 222 are non-rotationally symmetrical, or are cylindrical mirrors. In the present view, the cylinder axis is perpendicular to the plane of the page, so that the cylinder curvature of all mirrors 20, 220, 222 and 26 lies in the plane of the page.
Der kollimierte Laserstrahl 10 fällt auf die Einkoppeloptik 20 und wird von dort aus zum ersten Resonatorspiegel 220 reflektiert, wobei der Laserstrahl einen ersten Fokus durchläuft. Nach der ersten Reflexion an der ersten Resonatorseite 220 durchläuft der Laserstrahl 10 einen Linienfokus 30, der in dem als nichtlineares Medium 240 vorliegenden Gases liegt, so dass der Laserpuls 100 mit dem nichtlinearen Medium wechselwirken kann, so dass der Laserpuls 100 spektral verbreitert wird. Da die zweite Resonatorseite 222 ebenfalls nicht-rotationssymmetrisch ist und wie die erste Resonatorseite 220 ausgerichtet ist, wird der Laserstrahl 10 immer in derselben Strahlebene fokussiert. Der Laserstrahl 10 durchläuft den Resonator 22 hierbei beispielsweise 5 mal. The collimated laser beam 10 falls on the in-coupling optics 20 and is reflected from there to the first resonator mirror 220, the laser beam passing through a first focus. After the first reflection at the first resonator side 220, the laser beam 10 passes through a line focus 30, which lies in the gas present as the nonlinear medium 240, so that the laser pulse 100 can interact with the nonlinear medium, so that the laser pulse 100 is spectrally broadened. Since the second resonator side 222 is also non-rotationally symmetrical and is aligned like the first resonator side 220, the laser beam 10 is always focused in the same beam plane. In this case, the laser beam 10 passes through the resonator 22, for example, 5 times.
Weitere Ausführungsformen der Vorrichtung 2 sind in Figuren 7 bis 10 gezeigt. Further embodiments of the device 2 are shown in FIGS.
In Figur 7 besteht der Resonator 22 aus zwei gegenüberliegenden Seiten 220 und 222, die jeweils mehrere Spiegel 224 umfassen. Die Spiegel sind auf den Resonatorseiten 220, 222 so angeordnet, dass der Laserstrahl 10 das nichtlineare Medium mehrfach durchlaufen kann. Indem die Resonatorseiten 220, 222 einzelne Spiegelaufweisen, kann insbesondere eine einfachere Justage ermöglicht werden. In FIG. 7, the resonator 22 consists of two opposite sides 220 and 222, each of which includes a plurality of mirrors 224. In FIG. The mirrors are arranged on the resonator sides 220, 222 in such a way that the laser beam 10 can pass through the non-linear medium several times. In particular, since the resonator sides 220, 222 have individual mirrors, simpler adjustment can be made possible.
In Figur 8 sind die monolithischen Resonatorspiegel aus den Figuren 1 und 6 durch sogenannte segmentierte als Resonatorspiegel vorgesehene Spiegel 224 ersetzt. Hierbei wird ausgenutzt, so dass der Laserstrahl 10 die Resonatorseiten 220, 222 nicht vollständig ausleuchtet, sondern nur abschnittsweise. Gewissermaßen werden von den Resonatorseiten 220, 222 nur diejenigen Abschnitte beibehalten, auf die der Laserstrahl 10 tatsächlich trifft. Analog hierzu ist in Figur 9 ein Fall gezeigt, in dem der Resonator 22 tatsächlich aus einzelnen Spiegeln 224 aufgebaut ist. In FIG. 8, the monolithic resonator mirrors from FIGS. 1 and 6 are replaced by so-called segmented mirrors 224 provided as resonator mirrors. This makes use of the fact that the laser beam 10 does not completely illuminate the resonator sides 220, 222, but only partially. In a sense, only those portions of the resonator sides 220, 222 that the laser beam 10 actually strikes are retained. Analogous to this, FIG. 9 shows a case in which the resonator 22 is actually constructed from individual mirrors 224 .
In Figur 10 ist eine sogenannte Multipasszelle als Resonator 22 gezeigt. Die Multipasszelle 22 weist in einer Ebene eine Vielzahl von Spiegeln 224 auf, durch die der Laserstrahl 10 vielfach durch das nichtlineare Medium 240 geführt wird. Insbesondere ist hierbei der erste Spiegel die Einkoppeloptik 20 und der letzte Spiegel die Auskoppeloptik 26. Prinzipiell kann in den Figuren 7 bis 10 jeder Spiegel für sich genommen rotationssymmetrisch beziehungsweise nicht-rotationssymmetrisch sein. Es ist aber auch möglich, dass die Spiegeloberflächen mit der Oberfläche eines einzelnen rotationssymmetrischen oder nichtrotationssymmetrischen Spiegels zusammenfallen. Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. A so-called multipass cell is shown as resonator 22 in FIG. The multi-pass cell 22 has a multiplicity of mirrors 224 in one plane, by means of which the laser beam 10 is guided multiple times through the non-linear medium 240 . In particular, the first mirror is the in-coupling optics 20 and the last mirror is the out-coupling optics 26. In principle, each mirror in FIGS. 7 to 10 can be rotationally symmetrical or non-rotationally symmetrical. However, it is also possible for the mirror surfaces to coincide with the surface of a single rotationally symmetrical or non-rotationally symmetrical mirror. As far as applicable, all individual features that are presented in the exemplary embodiments can be combined with one another and/or exchanged without departing from the scope of the invention.
Bezuqszeichenliste Reference character list
Laser Laser
Laserstrahl laser beam
100 Laserpuls 100 laser pulse
2 Vorrichtung 2 device
20 Einkoppeloptik 20 coupling optics
22 Resonator 22 resonators
220 erste Resonatorseite220 first resonator side
222 zweite Resonatorseite222 second resonator side
224 Spiegel 224 mirrors
240 nichtlineares Medium240 nonlinear medium
Auskoppeloptikdecoupling optics
Fokus focus
30 Linienfokus 30 line focus

Claims

24 24
Ansprüche Expectations
1 . Verfahren zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses (100) eines Laserstrahls (10) eines Lasers (1), wobei der Laserstrahl (10) in einen Resonator (22) eingekoppelt wird, der Laserstrahl (10) den Resonator (22) mehrfach durchläuft, der Laserpuls (100) des Laserstrahls (10) bei Durchgang durch den Resonator (22) durch nichtlineare Wechselwirkung mit einem nichtlinearen Medium spektral verbreitert wird, der Laserstrahl (10) bei mindestens einem Durchgang durch den Resonator (22) fokussiert wird, und der Laserstrahl (10) aus dem Resonator (22) ausgekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlquerschnitt des Laserstrahls (10) im Fokus (30) elongiert ist, wobei der Fokus (30) bevorzugt ein Linienfokus ist. 1 . Method for spectral broadening of a laser pulse (100) of a laser beam (10) of a laser (1), the laser beam (10) being coupled into a resonator (22), the laser beam (10) passing through the resonator (22) several times, the laser pulse (100) of the laser beam (10) is spectrally broadened when passing through the resonator (22) by nonlinear interaction with a nonlinear medium, the laser beam (10) is focused during at least one passage through the resonator (22), and the laser beam (10 ) is decoupled from the resonator (22), characterized in that the beam cross section of the laser beam (10) is elongated in the focus (30), the focus (30) preferably being a line focus.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Laserstrahls (10) im Fokus (30) kleiner als die lonisationsschwelle des nichtlinearen Mediums, insbesondere eines Gases (240), ist und/oder die Pulsleistung des Laserpulses (100) des Laserstrahls (10) kleiner als die kritische Pulsspitzenleistung (Pcrit) ist und/oder eine nichtlineare Phasenverschiebung pro Durchgang durch den Resonator (22) zwischen TT/20 und 4TT, bevorzugt zwischen TT/10 und 2TT, beträgt. 2. The method according to claim 1, characterized in that the intensity of the laser beam (10) in the focus (30) is less than the ionization threshold of the non-linear medium, in particular a gas (240), and/or the pulse power of the laser pulse (100) of the Laser beam (10) is less than the critical pulse peak power (Pcrit) and/or a non-linear phase shift per pass through the resonator (22) is between TT/20 and 4TT, preferably between TT/10 and 2TT.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (10) in zwei unterschiedlichen Durchgängen, bevorzugt in zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen, durch den Resonator (22) in unterschiedlichen Strahlebenen oder in derselben Strahlebene fokussiert wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the laser beam (10) is focused in two different passes, preferably in two consecutive passes, through the resonator (22) in different beam planes or in the same beam plane.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (10) mehr als 4 mal, bevorzugt mehr als 8 mal, besonders bevorzugt 10 mal durch das nichtlineare Medium geführt wird. 4. The method as claimed in one of the preceding claims, characterized in that the laser beam (10) is guided through the non-linear medium more than 4 times, preferably more than 8 times, particularly preferably 10 times.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Verbreiterung des Laserpulses (100) ermöglicht, die Laserpulsdauer auf weniger als das 0,9-fache, bevorzugt auf weniger als das 0,7-fache der ursprünglichen Laserpulsdauer zu komprimieren. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the spectral broadening of the laser pulse (100) makes it possible to compress the laser pulse duration to less than 0.9 times, preferably to less than 0.7 times the original laser pulse duration .
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsspitzenleistung der Laserpulse (100) des Laserstrahls (10) zwischen 80MW und 1 PW, bevorzugt zwischen 500 MW und 100TW, liegt. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als nichtlineares Medium ein gasförmiges oder flüssiges Medium bereitgestellt wird, bevorzugt Umgebungsluft, gereinigte Luft oder ein Edelgas. Vorrichtung (2) zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses (100) eines Laserstrahls (10) umfassend eine Einkoppeloptik (20), einen Resonator (22), in dem ein nichtlineares Medium vorliegt, und eine Auskoppeloptik (26), wobei die Einkoppeloptik (20) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) in den Resonator (22) einzukoppeln, wobei der Resonator (22) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) mehrfach durch das nichtlineare Medium zu führen, wobei der Laserpuls (100) des Laserstrahls (10) durch eine nichtlineare Wechselwirkung mit dem nichtlinearen Medium spektral verbreitert wird, wobei der Resonator (22) und/oder die Einkoppeloptik (20) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) zu fokussieren, wobei der Laserstrahl (10) bei mindestens einem Durchgang durch den Resonator (22) fokussiert ist, wobei die Auskoppeloptik (26) dazu eingerichtet ist den Laserstrahl (10) aus dem Resonator (22) auszukoppeln, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlquerschnitt im Fokus (30) elongiert ist, wobei der Fokus (30) bevorzugt ein Linienfokus ist. Vorrichtung (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (20) ein nicht-rotationssymmetrischer Spiegel ist, bevorzugt ein Zylinderspiegel ist und/oder der Resonator (22) mindestens zwei gegenüberliegende rotationssymmetrische Spiegel aufweist (220, 222), bevorzugt sphärische Spiegel aufweist, wobei der Resonator (22) bevorzugt eine Herriott-Zelle ist und/oder die Auskoppeloptik (26) ein nichtrotationsymmetrischer Spiegel ist, bevorzugt ein Zylinderspiegel ist. Vorrichtung (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (20) ein nicht-rotationssymmetrischer Spiegel ist, bevorzugt ein Zylinderspiegel ist, und/oder der Resonator (22) mindestens zwei gegenüberliegende nicht-rotationssymmetrische Spiegel, bevorzugt Zylinderspiegel, aufweist, und/oder die Auskoppeloptik (26) ein nichtrotationssymmetrischer Spiegel, besonders bevorzugt ein Zylinderspiegel, ist. Vorrichtung (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (22) eine Multipasszelle ist, wobei die Multipasszelle mindestens drei Spiegel (224) aufweist, wobei der erste Spiegel der Multipasszelle, auf die der Laserstrahl (10) trifft, eine Einkoppeloptik6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the pulse peak power of the laser pulses (100) of the laser beam (10) is between 80 MW and 1 PW, preferably between 500 MW and 100 TW. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a gaseous or liquid medium is provided as the non-linear medium, preferably ambient air, purified air or an inert gas. Device (2) for spectral broadening of a laser pulse (100) of a laser beam (10) comprising a coupling optics (20), a resonator (22) in which a nonlinear medium is present, and a coupling optics (26), wherein the coupling optics (20) is set up to couple the laser beam (10) into the resonator (22), the resonator (22) being set up to guide the laser beam (10) multiple times through the non-linear medium, the laser pulse (100) of the laser beam (10 ) is spectrally broadened by a nonlinear interaction with the nonlinear medium, the resonator (22) and/or the coupling optics (20) being set up to focus the laser beam (10), the laser beam (10) passing through at least one time is focused in the resonator (22), the decoupling optics (26) being set up to decouple the laser beam (10) from the resonator (22), characterized in that the beam cross section is elongated in the focus (30), the focus (30) preferably a line focus. Device (2) according to Claim 8, characterized in that the coupling optics (20) is a non-rotationally symmetrical mirror, preferably a cylindrical mirror, and/or the resonator (22) has at least two opposing rotationally symmetrical mirrors (220, 222), preferably spherical Has mirror, wherein the resonator (22) is preferably a Herriott cell and / or the decoupling optics (26) is a non-rotationally symmetrical mirror, preferably a cylinder mirror. Device (2) according to Claim 8, characterized in that the coupling optics (20) is a non-rotationally symmetrical mirror, preferably a cylinder mirror, and/or the resonator (22) has at least two opposite non-rotationally symmetrical mirrors, preferably has a cylinder mirror, and/or the decoupling optics (26) is a non-rotationally symmetrical mirror, particularly preferably a cylinder mirror. Device (2) according to Claim 8, characterized in that the resonator (22) is a multi-pass cell, the multi-pass cell having at least three mirrors (224), the first mirror of the multi-pass cell on which the laser beam (10) impinges being a coupling optic
(20) ist und der letzte Spiegel der Multipasszelle, auf die der Laserstrahl (10) trifft, eine Auskoppeloptik (26) ist. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zweier nacheinander vom Laserstrahl (10) angelaufene Spiegel des Resonators (10) zwischen dem 0,8-fachen und dem 1 ,2-fachen der Summe der Brennweiten oder der doppelten Summe der Brennweiten der beiden Spiegel beträgt. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (220, 222) des Resonators (22) dieselbe Brennweite aufweisen. (20) and the last mirror of the multi-pass cell, on which the laser beam (10) strikes, is a decoupling optics (26). Device (2) according to one of Claims 8 to 11, characterized in that the distance between two mirrors of the resonator (10) approached in succession by the laser beam (10) is between 0.8 times and 1.2 times the sum of the focal lengths or twice the sum of the focal lengths of the two mirrors. Device (2) according to one of Claims 8 to 12, characterized in that the mirrors (220, 222) of the resonator (22) have the same focal length.
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