WO2023066995A1 - 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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WO2023066995A1
WO2023066995A1 PCT/EP2022/079092 EP2022079092W WO2023066995A1 WO 2023066995 A1 WO2023066995 A1 WO 2023066995A1 EP 2022079092 W EP2022079092 W EP 2022079092W WO 2023066995 A1 WO2023066995 A1 WO 2023066995A1
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WO
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optics
laser beam
lens effect
linear
laser
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PCT/EP2022/079092
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German (de)
French (fr)
Inventor
Yanik PFAFF
Sandro KLINGEBIEL
Peter Krötz
Michael Rampp
Original Assignee
Trumpf Scientific Lasers Gmbh + Co. Kg
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Filing date
Publication date
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35Non-linear optics
    • G02F1/3501Constructional details or arrangements of non-linear optical devices, e.g. shape of non-linear crystals
    • G02F1/3503Structural association of optical elements, e.g. lenses, with the non-linear optical device
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0057Temporal shaping, e.g. pulse compression, frequency chirping
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S3/005Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0092Nonlinear frequency conversion, e.g. second harmonic generation [SHG] or sum- or difference-frequency generation outside the laser cavity
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00Functional characteristics
    • H01S2301/08Generation of pulses with special temporal shape or frequency spectrum
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for spectrally broadening a laser pulse of a laser beam.
  • the maximum power of the laser beam that can be used is limited by the ionization threshold of the gas, for example the air, which is located between the optical elements of the device.
  • this ionization threshold of the gas is reached very quickly due to the high intensity in the area of the focus point, essentially along the Rayleigh length, between the optical elements of the device.
  • the maximum power of the laser beam that can be used is also limited by the laser-induced destruction threshold of the optical elements used in the device.
  • the strength of the nonlinear interaction in the optical elements of the device is affected by another nonlinear effect, the so-called catastrophic Self-focusing, which also occurs at high intensities around focal points along the Rayleigh length, is limited.
  • One possibility of reducing the intensity of the laser beam in the area of the focus points between the optical elements of the device is to increase the diameter of the focus points. This can be achieved, for example, by a smaller aperture angle of the laser beam, which would lead to a reduction in intensity in the focus points if the laser power remained the same.
  • a smaller opening angle of the laser beam comes at the price of a longer design or a longer focal length of the optical elements used in the device, so that the intensity of the laser can be kept below the damage threshold of the optical elements used.
  • a device for the spectral broadening of a laser pulse of a laser beam, comprising in-coupling optics, at least one non-linear optic with a lens effect, and a de-coupling optic, wherein the in-coupling optics are set up to couple the laser beam into the at least one non-linear optic with a lens effect, and wherein the Decoupling optics are set up to decouple the laser beam, the laser pulse of the laser beam being spectrally broadened by a nonlinear interaction with the at least one nonlinear optics with a lens effect and the laser beam being focused by the coupling optics and/or the at least one nonlinear optics with a lens effect.
  • the beam cross section is elongated in the focus, with the focus preferably being a line focus.
  • the laser for providing the laser beam is preferably an ultra-short pulse laser and provides ultra-short laser pulses of the laser beam, with the individual laser pulses forming the laser beam in the beam propagation direction.
  • the beam propagation direction is the z-direction.
  • the pulse peak power of the laser pulses of the laser beam can be greater than 3 megawatts (MW) and less than 2 terawatts (TW), preferably greater than 30 MW and particularly preferably 50 MW to 500 gigawatts (GW).
  • 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 « s - E P rp d L p
  • laser pulses in particular can be generated with a particularly large bandwidth.
  • 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 arrangement of non-linear optics with a lens effect.
  • a mirror as coupling optics can deflect the laser beam.
  • the coupling can already include a focusing of the laser beam.
  • non-linear optics with a lens effect is an optical element which has an optically imaging property.
  • the non-linear optics with lens action can focus the laser beam. It is also possible that the non-linear optics with a lens effect images the laser beam from the object plane into an image plane.
  • the non-linear optics with a lens effect can be designed in particular in the form of a lens element.
  • the non-linear optics with a lens effect can also be provided as reflective optics.
  • This can mean that the characterizations given in this description for a lens element (transmissive optics) are also to be understood analogously for a mirror, with the mirror preferably being designed in such a way that the laser beam first passes through a transparent body made of a nonlinear material and then a rear reflection layer is reflected. Nonlinear interaction can take place through the interaction of the laser beam with the nonlinear material of the transparent body.
  • the imaging properties of the at least one non-linear optics with a lens effect can be used to direct the laser beam from the in-coupling optics to the out-coupling optics to direct.
  • a concatenation of images that is to say a successive sequence of images, can be used here in order to guide the laser beam from the in-coupling optics to the out-coupling optics. This creates foci between the optical elements, ie between the coupling optics and the at least one nonlinear optics with lens effect, between the nonlinear optics with lens effect and between the at least one nonlinear optics with lens effect and the decoupling optics.
  • the foci lie in a gaseous or liquid medium, for example in air, arranged between the respective optical elements.
  • the foci are not in the material of the non-linear optics with a lens effect or in the material of the coupling optics or the coupling optics. There is at least one focus that is not within the materials.
  • the reason for the non-linear interaction of the laser beam with the material of the in-coupling optics, the out-coupling optics or the non-linear optics with lens effect can be the so-called Kerr effect, according to which the optical properties, in particular the refractive index n, of the material of the respective optical element can be changed by applying a electric field can be varied.
  • a laser pulse can provide the electrical field, with high-energy laser pulses or laser pulses with particularly high power providing particularly large electrical fields.
  • a variation of the refractive index is generated in the optical element due to the high laser intensity of the laser pulse:
  • 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 optical element.
  • 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 the propagation in the material of the non-linear optics with a lens effect and/or the gas surrounding the non-linear optics with a lens effect.
  • the associated process is called self-phase modulation. It should be pointed out in particular that the self-phase modulation also depends on the length of the path covered or the thickness of the respective optical element. Accordingly, the self-phase modulation also scales with the number of optical elements of the device.
  • the refractive index n depends on the intensity.
  • the intensity is greatest in the middle of the beam.
  • the optical element provides an additional lens effect for the laser beam above a certain power.
  • the self-focusing occurs here from the so-called critical pulse peak power Pent, where the power P of the laser is proportional to the laser intensity I and to the cross-sectional area A: P oc I A.
  • the self-focusing can lead to an increase in the laser intensity in particular, so that the intensity in the optical element of the device exceeds a damage threshold. Self-focusing is therefore advantageously avoided.
  • the above non-linear interaction takes place not only in the optical elements of the device, but also in the foci lying in the gaseous or liquid medium between the respective optical elements.
  • the laser pulse interacts non-linearly with the gaseous or liquid medium.
  • the gaseous or liquid medium can also lead to self-focusing.
  • 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 high intensity between the optical elements of the device can also lead to self-focusing and/or ionization of the gaseous or liquid medium, for example the air, which surrounds the device.
  • 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 xz plane and the yz plane are beam planes. If the laser beam is focused, then the beam diameter with respect to the xz plane and/or the yz plane is also minimized.
  • 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 in the focus between the optical elements of the device is reduced, 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 greater pulse powers can also be spectrally broadened before catastrophic self-focusing occurs between the optical elements. At the same time, the low intensity of the laser beam in the focus avoids exceeding the ionization threshold of the air. This allows for a shorter construction of the device, since larger opening angles can be used. For example, the device can be made shorter by a factor of 4 than conventional devices.
  • the focus between the optical elements can be a line focus.
  • the elongated focus can be arranged in a liquid or gaseous medium, preferably air, between the coupling-in optics and non-linear optics with a lens effect and/or between at least two non-linear optics with a lens effect and/or between a non-linear optics with a lens effect and the decoupling optics, in particular in each case an elongated focus is preferably arranged between all of the non-linear optics with a lens effect in the liquid or gaseous medium.
  • the laser beam is not focused on and/or in the non-linear optics with a lens effect.
  • the elongated focus is not positioned on and/or in the non-linear optics with lens action.
  • the laser beam has and/or has its original beam shape in non-linear optics with a lens effect. 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.
  • 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. Accordingly, astigmatic optics can also produce a line focus.
  • An interaction with the gaseous or liquid medium, for example the air, can be particularly well controlled or avoided by means of a line focus between the optical elements of the device.
  • the nonlinear phase shift of the laser pulse in the optical elements of the device can be between TT/20 and 4TT, preferably between TT/10 and 2TT, per nonlinear interaction per optical element.
  • the entire non-linear interaction process between the laser and the optical elements of the device can be easily controlled.
  • the spectral broadening can be adjusted via the number of optical elements of the device.
  • the intensity of the laser beam in the focus between the optical elements of the device can be smaller than the ionization threshold of the gaseous or liquid medium present there.
  • 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%, particularly preferably less than 10% of the medium present there are ionized.
  • Ionization of the gaseous or liquid medium changes the refractive index and the non-linear refractive index of the medium, since the distribution of the electrical charge carriers in the medium changes.
  • ionization of the medium means that the non-linear interaction of the laser pulse can no longer be controlled or suppressed, or proceeds uncontrolled.
  • a large loss of laser power is associated with the formation of a plasma state of a gas.
  • the device preferably the decoupling optics of the device, can have an optical compressor which is set up to increase the laser pulse duration to less than 0.9 times, preferably to less than 0.7 times, due to the spectral broadening of the laser pulse to compress the original laser pulse duration.
  • 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.
  • a shortening of the laser pulse duration can thus be brought about, in particular by a pulse compressor arranged in the decoupling optics or a pulse compressor connected downstream.
  • a corresponding pulse compression can also be achieved by at least one chirped mirror, which in particular can also be part of the decoupling optics or can be designed in one piece with the decoupling optics.
  • the coupling-in optics and the coupling-out optics can be non-rotationally symmetrical optics, preferably cylindrically symmetrical optics.
  • An optic is non-rotationally symmetrical if it breaks the symmetry of an incident laser beam. This can be achieved, for example, by the surface of the optics being non-rotationally symmetrical.
  • a cylindrical mirror is a non-rotationally symmetrical mirror.
  • a cylindrical lens is a non-rotationally symmetrical lens. If the mirror or lens has a parabolic cross-section (rather than cylindrical) and a longitudinal axis, then the mirror or lens is also non-rotationally symmetrical. A so-called asphere can also be non-rotationally symmetrical optics.
  • a collimated laser beam with a Gaussian beam profile falls in the z-direction onto a cylindrical lens, which is the launching optic, 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 xz plane and the yz plane.
  • the in-coupling optics and the laser pulse there is a spectral broadening of the laser pulse.
  • the laser beam is transmitted in the x-z plane without modification of the beam propagation (note: "x as without modification”), since the cylindrical lens 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 cylindrical lens has the cylinder curvature in this plane.
  • 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 in the focus. 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.
  • the laser beam thus reaches an intensity maximum.
  • the laser beam can thus have an elongated focus between the in-coupling optics and the arrangement of lens elements.
  • the laser beam After passing through the focus, the laser beam diverges in the y-z plane. Such a divergence can be remedied by a cylindrical decoupling optics.
  • the laser beam can be collimated again by a decoupling optics, which is also a cylindrical lens.
  • the arrangement of non-linear optics with a lens effect can include at least one rotationally symmetrical lens element.
  • An optic is rotationally symmetrical if the symmetry of an incident laser beam is not broken. This can be achieved, for example, by the surface of the optics being rotationally symmetrical.
  • a spherical mirror is a rotationally symmetrical mirror.
  • a spherical lens is a rotationally symmetrical lens.
  • a parabolic mirror or a parabolic lens is also rotationally symmetrical.
  • a collimated laser beam with a Gaussian beam profile falls on a spherical lens in the z-direction. Then the laser beam is focused uniformly in all beam planes.
  • the axes for the description can therefore be freely selected.
  • the laser beam hits the first spherical lens element after the in-coupling optics.
  • the laser beam has its original beam shape again due to the divergence after the focus after the coupling optics.
  • a Gaussian beam shape is again present on the surface of the first lens element. Due to the non-linear interaction between the lens element and the laser pulse, a spectral broadening of the laser pulse occurs in the lens element.
  • the laser beam is collimated with respect to the y-z plane, whereas the laser beam is focused in the x-z plane.
  • the combination of non-rotationally symmetrical (cylindrical) coupling optics and a rotationally symmetrical (spherical) lens element results in a change in the focal plane in which the elongated beam cross section extends.
  • the laser beam has a focus in the x-z plane.
  • the focus here extends into the y-z plane and is therefore elongated, or a line focus.
  • the cylindrical decoupling optics could collimate the laser beam. Accordingly, after passing through the laser beam, the laser beam could further propagate with a Gaussian beam profile.
  • the decoupling optics, or the cylinder of the cylindrical lens is rotated by 90° in relation to the coupling optics, since the collimation plane was rotated by the interposed spherical lens element.
  • the laser beam has a focus in the x-z plane between the first and second spherical lens elements.
  • the focus here extends into the yz plane and is therefore elongated, or a line focus.
  • the laser beam is then re-collimated with respect to the xz plane and focused with respect to the yz plane by the second spherical lens element. Depending on the number of lens elements, this process can be continued and continued.
  • the laser beam can be coupled out of the device by a coupling-out lens system.
  • the decoupling optics can in particular 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 coupling optics and/or the decoupling optics and/or at least one non-linear optics with a lens effect can be designed as a mirror element, preferably as a mirror element designed by a quartz glass element that is mirrored on the back.
  • the coupling optics can be an astigmatic mirror, which has two different focal lengths in two different orthogonal mirror planes, the sagittal plane and the meridional plane.
  • the sagittal plane can coincide with the x-y plane and the y-z 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 two mirror planes then result in two relevant beam planes in which the propagation and focusing of the laser beam can be described.
  • 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.
  • Astigmatic optics can therefore result in two elongated foci, or line foci, between the optical elements of the device.
  • non-linear optics with a lens effect Preferably less than 20 non-linear optics with a lens effect, preferably less than 10 non-linear optics with a lens effect can interact non-linearly with the laser beam.
  • the arrangement of lens elements can include two non-linear optics with a lens effect.
  • the optical structure can include a telescope.
  • the telescope can be an arrangement of two lenses that enlarge or reduce the raw laser beam to a desired beam diameter before entering the coupling optics and collimate the laser beam.
  • the device could only have four lens optics, namely the coupling optics, the coupling optics and two lens elements.
  • the optics of the telescope are not counted here.
  • the laser pulse can also interact non-linearly with the optics of the telescope.
  • the entrance immediately before the in-coupling optics and the exit immediately after the out-coupling optics accordingly form two reference points of the device, in which the spectral broadening is also determined.
  • each optical element of the device can be a lens, in which case the laser beam can interact non-linearly with the material of the lenses when passing through the lenses.
  • the coupling optics can be a non-rotationally symmetrical mirror, preferably a cylinder mirror, and the device can have at least one coated mirror, preferably a cylinder mirror, with the coupling optics preferably also being a cylinder mirror.
  • a collimated laser beam is focused by the non-rotationally symmetrical in-coupling optics in the yz plane in front of the first non-rotationally symmetrical lens element. If the cylinder axes of the coupling optics and the lens elements run parallel, then the laser beam is always focused in the yz plane. In a way, therefore achieves the same alignment of the beam cross-section with each pass, which corresponds to a so-called 2f image.
  • the cylinder axes of the lens elements 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 laser pulse of the laser beam can interact non-linearly with the non-linear material of the body of the mirror, so that a spectral broadening is achieved independently of the mirror symmetry.
  • the laser beam can be reflected and elongate focused by a cylindrical mirror as in-coupling optics and passed through an array of non-linear optics with lens action, wherein the non-linear optics with lens action are lenses.
  • the laser beam can then be coupled out of the device through a cylindrical lens as coupling-out optics.
  • the non-linear optics with lens action can have the same focal length or all optical elements of the device can have the same focal length.
  • Two optical elements of the device with which the laser beam interacts non-linearly one after the other, can have a distance of between 0.8 times and 1.2 times the sum of the focal lengths of the two optical elements of the device.
  • the cylindrical in-coupling optics can have a focal length of 30 cm and the first lens element of the device 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 lens element and the second lens element can have a focal length of 100 cm and can be set up from 160 cm to 240 cm. In this case, the same orientation of the cross-section of the focus can be achieved in every second pass.
  • all optical elements can have a focal length of 20 cm.
  • 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 energy.
  • the cross-section (or diameter) is related to the beam angle of the laser beam via the beam parameter product, as shown above.
  • the maximum intensity or fluence of the laser beam on the optical elements should be less than the laser-induced damage threshold (LIDT) so that the optical elements are not destroyed by the laser beam.
  • LIDT laser-induced damage threshold
  • the laser-induced destruction threshold is not reached when the cross-sectional area of the laser beam on the optical element exceeds a certain critical cross-sectional area.
  • the focal length of the optical elements results from the cross-sectional area on the optical elements, the cross-sectional area in the focus and the aperture angle.
  • the material parameters of the optical elements can be used to calculate the non-linear phase shift using the B integral per transmission/reflection.
  • Safety factors in particular can be taken into account here in order to reliably avoid ionization or destruction of the mirrors or lenses.
  • the total broadening of the laser pulse can be determined with the number of optical elements.
  • a method for the spectral broadening of a laser pulse of a laser beam is proposed, the laser beam being coupled into at least one nonlinear optics with a lens effect by coupling optics, the laser beam passing through the nonlinear optics with a lens effect, the laser pulse of the laser beam being caused by a nonlinear interaction with the nonlinear Optics with a lens effect is spectrally broadened, the laser beam being coupled out after passing through the at least one nonlinear optics with a lens effect by a decoupling optics, the laser beam being focused by the coupling optics and/or at least one nonlinear optics with a lens effect.
  • the beam cross section is elongated in the focus, with the focus preferably being a line focus.
  • 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, D, E, F shows a schematic representation of the location dependence of different beam properties in a device
  • Figure 4A, B, C, D is a schematic representation of the optical elements
  • FIG. 5 shows a further schematic representation of the location dependency of various
  • FIG. 6 shows a further schematic representation of a device.
  • FIG. 1 A first embodiment of a proposed device 2 is shown schematically in FIG.
  • 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 or 300 fs.
  • the laser pulses 100 have a frequency bandwidth that is intended to be broadened by the device 2 .
  • the pulse peak power of the laser pulses 100 of the laser beam 10 can be greater than 3 megawatts (MW) and less than 2 terawatts (TW), preferably greater than 30 MW and more preferably 50 MW to 500 gigawatts (GW).
  • the device 2 has coupling-in optics 20, an arrangement 22 of non-linear optics with a lens effect 224, 224', which are designed as lens elements in the exemplary embodiment shown, and coupling-out optics 26.
  • the arrangement 22 of non-linear optics with a lens effect 224, 224' comprises at least one non-linear optic with a lens effect 224, 224', preferably at least one lens element.
  • the laser beam 100 strikes the in-coupling optics 20 in a collimated state and is guided by the latter into the arrangement 22 of non-linear optics with a lens effect 224 .
  • laser beam 10 is directed through nonlinear lensing optics 224, with each transmission through nonlinear lensing optics 224, laser beam 10 interacting nonlinearly with the optical material of nonlinear lensing optics 224 and is thus spectrally broadened.
  • the laser beam 10 is coupled out of the device 2 by the decoupling optics 26.
  • the decoupled laser pulse 100' is spectrally broadened compared to the original laser pulse 100.
  • the decoupling optics 26 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 laser beam 10 also interacts non-linearly with the in-coupling optics 20 and the out-coupling optics 26, in which case the extent of this interaction can be less than the non-linear interaction of the laser beam 10 with the at least one non-linear optics with lens effect 224, 224' of the arrangement 22.
  • FIG. 1 Various beam characteristics in a prior art device are shown in FIG.
  • the coupling optics 20 shown, the non-linear optics with a lens effect 224, and the coupling-out optics 26 are each designed as spherical lenses. This has far-reaching consequences for the beam properties.
  • Figure 2 is the Beam diameter D shown as a function of the beam propagation direction z for the xz plane and the yz plane. In this case, the z-direction always coincides with the beam propagation direction of the laser beam 10 .
  • the laser beam 10 is first colli mated before it falls on the coupling optics 20 . This can be seen from the fact that the beam diameter D in front of the in-coupling optics 20 is constant both in the x-z plane and in the y-z plane.
  • the laser beam 10 is transmitted and focused by the spherical in-coupling optics 20 of the prior art.
  • the laser pulse already interacts with the optical material of the in-coupling optics 20, as a result of which the laser pulse is spectrally broadened.
  • the laser beam 10 is focused in the x-z plane and the y-z plane.
  • the entire energy of the laser beam 10 is accordingly concentrated on a quasi-point-shaped focal spot, so that the intensity I increases sharply locally at 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 then diverges to the second lens element and is then focused again. This continues until the laser beam 10 is coupled out of the device through the coupling-out optics 26 .
  • the laser beam 10 or an ionization of the liquid or gaseous medium 240 come.
  • the former is particularly the case when the power of the laser exceeds the peak pulse power Pent. Since the 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. By ionizing the air, some of the laser energy is lost to creating a plasma state in the air.
  • the in-coupling optics 20 and/or non-linear optics with a lens effect 224 are set up to focus the laser beam 10, with the beam cross-section being elongated in the focus 30.
  • FIG. 3A shows a corresponding course of different beam properties of the device 2 according to the proposed solution.
  • 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 yz plane.
  • the laser beam 10 has an unchanged beam diameter D in the x-z plane even after transmission through the in-coupling optics 20 .
  • 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 yz plane.
  • the intensity in the line focus 30 remains comparatively low, so that the pulse peak power Pent is not reached or even exceeded. As a result, catastrophic self-focusing does not occur either.
  • the intensity here is also so low that ionization of the liquid or gaseous medium 240, for example air, is avoided.
  • the ionization threshold of air is around 20 TW/cm 2 .
  • the intensity between the optical elements can thus be 7TW/cm 2 in the focus 30, so that the intensity in the focus 30 is still a safety factor 3 below the ionization threshold.
  • the intensity of the laser beam 10 in the optical elements can be selected to be large enough to cause a spectral broadening of the laser pulse 100 as it passes through the optical elements.
  • This behavior can be seen from the plotted B integral.
  • the B integral i.e. the non-linear phase shift, always increases in the area of propagation through the optical elements 20, 224, 26.
  • the B integral only makes relevant contributions in the optical elements 20, 224, 26. During the propagation and the contribution is negligible when focusing in the air.
  • the line focus 30 for spectral broadening.
  • the intensity in the air is below the ionization threshold and below the pulse peak power, so that there is neither ionization of the air nor self-focusing.
  • Such a line focus 30 between the optical elements can be generated in different ways.
  • One possibility is to combine a non-rotationally symmetrical in-coupling optics 20 with at least one rotationally symmetrical lens element as non-linear optics with a lens effect 224 .
  • Non-rotationally symmetrical optics also include astigmatic optics.
  • FIG. 3B shows the elongated focus 30 of a laser beam 10, which was generated by an astigmatic coupling optics 20, for example with an astigmatic lens.
  • the beam diameter has a minimum in the focus 30 in both the x-axis and the y-axis.
  • the pulse energy is distributed over a larger area compared to a point focus, so that there is neither self-focusing nor the ionization threshold of the liquid or gaseous medium being exceeded.
  • FIG. 3C shows the elongated focus 30 of a laser beam 10, which was generated by a cylindrical in-coupling optics 20.
  • 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.
  • FIG. 3D shows a device 2 according to the proposed solution, in which the diameter of the laser beam 10 of the laser 1 is first brought to a desired size by a telescope 12 .
  • the laser beam 10 can also be collimated by the telescope 12 .
  • the coupling optics 20 and the decoupling optics 26 are cylindrical lenses and the arrangement of the non-linear optics with lens effect 22 includes four spherical lenses 224.
  • the beam diameter drawn for the x-z plane and the y-z plane makes it clear that the alignment of the elongated beam cross-section in Focus 30 between the optical elements 20, 224, 26 changes after each transmission.
  • FIG. 3E shows the generated spectra, or the normalized intensities Inorm as a function of the wavelength ⁇ , as an example for the device 2 from FIG. 3D.
  • FIG. 3F the total intensity Itot is plotted as a function of time around the center of the pulse. While the pulse duration after the telescope was still 264 fs, the laser pulse duration could be shortened to 106 fs by pulse compression after the decoupling optics 26.
  • FIG. 4A shows a further possible configuration of the in-coupling optics 20 in the form of a cylindrical mirror 20 in a side view and in FIG. 4B a bird's-eye view.
  • 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 In the side view, 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 10 focused in the side view is guided onto the first mirror element 220 as shown in Figure 4C, the mirror element 220 being a spherical mirror. Accordingly, due to the spherical curvature of the mirror surface of the first mirror element 240, the laser beam 10 can be collimated in the side view, while the laser beam 10 is focused in the bird's-eye view. Due to the arrangement of non-rotationally symmetrical in-coupling optics 20 and rotationally symmetrical mirror elements 220, a line focus 30 can accordingly be formed alternately in the x-z plane and in the yz plane.
  • the mirror elements 20, 220 have a coating with which the laser pulse 100 can interact non-linearly.
  • the beam diameter and intensity curves of FIG. 3A can be generated with the device 2 shown here, but this was realized by means of lenses. An analogous use of lenses and mirrors with a coating can therefore always be assumed.
  • 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 mirror elements 220 are not rotationally symmetrical. Accordingly, the laser beam 10 can always be focused in the y-z plane.
  • a corresponding device 2 is shown in FIG.
  • FIG. 6 shows a device 2 in which the in-coupling optics 20 and the mirror elements 220 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 optical elements 20, 220 and 26 lies in the plane of the page.
  • the mirror elements 220 are designed here as non-linear optics with a lens effect and include a correspondingly designed and shaped body 221 made of a transparent, non-linear material, for example quartz glass, which is provided with a mirror coating 222 on the back.
  • the laser beam 10 first propagates through the non-linear material of the body 221 and is then reflected at the mirror coating 222 on the back before it again passes through the material of the body 221 and then leaves the mirror element 220 again.
  • the laser beam collects the B integral again due to the non-linear interaction.
  • the collimated laser beam 10 falls on the in-coupling optics 20 and is reflected from there to the first mirror element 220 .
  • the laser pulse 100 is spectrally broadened non-linearly.
  • the laser beam 10 then passes through a first focus 30. After the first reflection at the in-coupling optics 20, the laser beam 10 passes through a line focus 30, but the ionization threshold of the surrounding gas or the air 240 is not exceeded. Since the second mirror element 220 is also non-rotationally symmetrical and is aligned like the first mirror element 220, the laser beam 10 is always focused in the same beam plane.
  • the laser beam 10 is reflected 10 times, for example, with each time the laser beam passes through the respective bodies 221 of the mirror elements 220, the laser pulse 100 interacts non-linearly with the material of the bodies 221 of the mirror elements 220 and is thus spectrally broadened.
  • the last reflection at the decoupling optics 26 collimates the laser beam again.
  • the optical elements 20, 224, 26 can have a distance which corresponds to the sum of the focal lengths of two optical elements 20, 224, 26 hit by the laser beam 10 in succession.
  • the in-coupling optics 20 can have a focal length of 10 mm and the first lens element 224 or the first mirror element 220 can have a focal length of 10 mm.
  • the distance between the two elements can therefore be 20 mm, for example.

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Abstract

The present invention relates to a device (2) for spectrally broadening a laser pulse (100) of a laser beam (10), said device comprising an optical coupling unit (20), at least one non-linear optical unit with a lens effect (224, 224'), and an optical out-coupling unit (26), wherein the optical coupling unit (20) is designed to couple the laser beam (10) into the at least one lens element (224, 224'), and wherein the optical out-coupling unit (26) is designed to couple out the laser beam (10), wherein the laser pulse (100) of the laser beam (10) is spectrally broadened using a non-linear interaction with the at least one non-linear optical unit with a lens effect (224, 224'), and the laser beam (10) is focused by the optical coupling unit (20) and/or the at least one non-linear optical unit with a lens effect (224, 224'), wherein the beam cross-section is elongated in the focus (30), 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. The present invention relates to a device and a method for spectrally broadening a laser pulse of a laser beam.
Stand der Technik State of the art
Es ist bekannt, Vorrichtungen 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. Hierbei wird ein Laserstrahl durch die optischen Elemente der Vorrichtung geführt, wobei der Laserpuls des Laserstrahls nichtlinear mit dem Material der optischen Elemente wechselwirkt. Die nichtlineare Wechselwirkung führt zu einer Selbstphasenmodulation, die zu einer spektralen Verbreiterung, also eine Verbreiterung des Laserpulses im Frequenzbereich, führt. Zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung wird der Laserstrahl typischerweise fokussiert, um über optische Abbildungen zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung, eine Kontrolle über die Strahlpropagation und Strahleigenschaften zu ermöglichen. It is known to use devices 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. Here, a laser beam is passed through the optical elements of the device, whereby the laser pulse of the laser beam is non-linear with the Material of the optical elements interacts. The non-linear interaction leads to a self-phase modulation, which leads to a spectral broadening, ie a broadening of the laser pulse in the frequency range. Between the optical elements of the device, the laser beam is typically focused to allow control over beam propagation and beam properties via optical imaging between the optical elements of the device.
Die maximal einsetzbare Leistung des Laserstrahls wird hierbei jedoch begrenzt durch die lonisationsschwelle des Gases, beispielsweise der Luft, das sich zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung befindet. Bei konventionellen Vorrichtungen wird diese lonisationsschwelle des Gases recht schnell durch die hohe Intensität im Bereich der Fokuspunkt, im Wesentlichen entlang der Rayleigh Länge, zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung erreicht. However, the maximum power of the laser beam that can be used is limited by the ionization threshold of the gas, for example the air, which is located between the optical elements of the device. In conventional devices, this ionization threshold of the gas is reached very quickly due to the high intensity in the area of the focus point, essentially along the Rayleigh length, between the optical elements of the device.
Die maximal einsetzbare Leistung des Laserstrahls wird ferner begrenzt von der laserinduzierten Zerstörungsschwelle der eingesetzten optischen Elemente der Vorrichtung. The maximum power of the laser beam that can be used is also limited by the laser-induced destruction threshold of the optical elements used in the device.
Zudem wird die Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung in den optischen Elementen der Vorrichtung von einem weiteren nichtlinearen Effekt, der sogenannten katastrophalen Selbstfokussierung, der ebenfalls bei hohen Intensitäten im Bereich der Fokuspunkte entlang der Rayleigh Länge auftritt, begrenzt. In addition, the strength of the nonlinear interaction in the optical elements of the device is affected by another nonlinear effect, the so-called catastrophic Self-focusing, which also occurs at high intensities around focal points along the Rayleigh length, is limited.
Eine Möglichkeit die Intensität des Laserstrahls im Bereich der Fokuspunkte zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung 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 optischen Elemente der Vorrichtung erkauft, so dass die Intensität des Lasers unterhalb der Zerstörschwelle der verwendeten optischen Elemente gehalten werden kann. One possibility of reducing the intensity of the laser beam in the area of the focus points between the optical elements of the device is to increase the diameter of the focus points. This can be achieved, for example, by a smaller aperture angle of the laser beam, which would lead to a reduction in intensity in the focus points if the laser power remained the same. However, a smaller opening angle of the laser beam comes at the price of a longer design or a longer focal length of the optical elements used in the device, so that the intensity of the laser can be kept below the damage threshold of the optical elements used.
Dadurch können solche Vorrichtungen für hohe Pulsenergien sehr groß werden. As a result, such devices for high pulse energies can become very large.
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, 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 and a corresponding method.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses 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 device for spectrally broadening a laser pulse with the features of claim 1. Advantageous developments result from the dependent claims, the description and the figures.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses eines Laserstrahls vorgeschlagen, umfassend eine Einkoppeloptik, mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung, und eine Auskoppeloptik, wobei die Einkoppeloptik dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl in die mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung einzukoppeln, und wobei die Auskoppeloptik dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl auszukoppeln, wobei der Laserpuls des Laserstrahls durch eine nichtlineare Wechselwirkung mit der mindestens einen nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung spektral verbreitert wird und der Laserstrahl durch die Einkoppeloptik und/oder die mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung fokussiert wird. Erfindungsgemäß ist der Strahlguerschnitt im Fokus elongiert, wobei der Fokus bevorzugt ein Linienfokus ist. Accordingly, a device is proposed for the spectral broadening of a laser pulse of a laser beam, comprising in-coupling optics, at least one non-linear optic with a lens effect, and a de-coupling optic, wherein the in-coupling optics are set up to couple the laser beam into the at least one non-linear optic with a lens effect, and wherein the Decoupling optics are set up to decouple the laser beam, the laser pulse of the laser beam being spectrally broadened by a nonlinear interaction with the at least one nonlinear optics with a lens effect and the laser beam being focused by the coupling optics and/or the at least one nonlinear optics with a lens effect. According to the invention, the beam cross section is elongated in the focus, with the focus preferably being a line focus.
Der Laser zur Bereitstellung des Laserstrahls ist bevorzugt ein Ultrakurzpulslaser und stellt ultrakurze Laserpulse des Laserstrahls zur Verfügung, wobei die einzelnen Laserpulse den Laserstrahl in der Strahlausbreitungsrichtung ausbilden. Die Strahlausbreitungsrichtung ist hier definitionsgemäß die z-Richtung. Die Pulsspitzenleistung der Laserpulse des Laserstrahls kann größer als 3 Megawatt (MW) und kleiner als 2 Terawatt (TW) sein, bevorzugt größer als 30 MW und besonders bevorzugt 50 MW bis 500 Gigawatt (GW). The laser for providing the laser beam is preferably an ultra-short pulse laser and provides ultra-short laser pulses of the laser beam, with the individual laser pulses forming the laser beam in the beam propagation direction. By definition, the beam propagation direction is the z-direction. The pulse peak power of the laser pulses of the laser beam can be greater than 3 megawatts (MW) and less than 2 terawatts (TW), preferably greater than 30 MW and particularly preferably 50 MW to 500 gigawatts (GW).
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 « s — EP rp d Lp 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 « s - E P rp d L p
Beispielsweise für einen gaussförmigen Laserpuls ist der Faktor s = 0,94. For example, for a Gaussian laser pulse, the factor s=0.94.
Dadurch lassen sich besonders Laserpulse mit einer besonders großen Bandbreite erzeugen. As a result, laser pulses in particular can be generated with a particularly large bandwidth.
Einkoppeln kann bedeuten, dass der Laserstrahl von seiner ursprünglichen Trajektorie auf eine Trajektorie umgelenkt wird, auf dem der Laserstrahl die Anordnung von nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung durchlaufen kann. Beispielsweise kann ein Spiegel als Einkoppeloptik den Laserstrahl ablenken. Insbesondere kann das Einkoppeln auch bereits eine Fokussierung des Laserstrahls umfassen. 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 arrangement of non-linear optics with a lens effect. For example, a mirror as coupling optics can deflect the laser beam. In particular, the coupling can already include a focusing of the laser beam.
Eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung ist hierbei ein optisches Element, welches eine optisch abbildende Eigenschaft aufweist. Insbesondere kann die nichtlineare Optik mit Linsenwirkung den Laserstrahl fokussieren. Es ist auch möglich, dass die nichtlineare Optik mit Linsenwirkung den Laserstrahl aus der Objektebene in eine Bildebene abbildet. In this context, non-linear optics with a lens effect is an optical element which has an optically imaging property. In particular, the non-linear optics with lens action can focus the laser beam. It is also possible that the non-linear optics with a lens effect images the laser beam from the object plane into an image plane.
Die nichtlineare Optik mit Linsenwirkung kann insbesondere in Form eines Linsenelements ausgebildet sein. The non-linear optics with a lens effect can be designed in particular in the form of a lens element.
Die nichtlineare Optik mit Linsenwirkung kann auch als reflektive Optik vorgesehen sein. Das kann bedeuten, dass die in dieser Beschreibung für ein Linsenelement (transmissive Optik) angegebenen Charakterisierungen auch analog für einen Spiegel zu verstehen sind, wobei der Spiegel bevorzugt so ausgebildet ist, dass der Laserstrahl zunächst einen transparenten Körper aus einem nichtlinearen Material durchläuft und dann an einer rückseitigen Reflektionsschicht reflektiert wird. Durch die Interaktion des Laserstrahls mit dem nichtlinearen Material des transparenten Körpers kann nichtlineare Wechselwirkung stattfinden. The non-linear optics with a lens effect can also be provided as reflective optics. This can mean that the characterizations given in this description for a lens element (transmissive optics) are also to be understood analogously for a mirror, with the mirror preferably being designed in such a way that the laser beam first passes through a transparent body made of a nonlinear material and then a rear reflection layer is reflected. Nonlinear interaction can take place through the interaction of the laser beam with the nonlinear material of the transparent body.
Beispielsweise können die Abbildungseigenschaften der mindestens einen nichtlineare Optik mit Linsenwirkung dazu verwendet werden, den Laserstrahl von der Einkoppeloptik zur Auskoppeloptik zu leiten. Bei mehreren nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung kann hierbei eine Verkettung von Abbildungen, also eine sukzessive Abfolge von Abbildungen eingesetzt werden, um den Laserstrahl von der Einkoppeloptik zur Auskoppeloptik zu leiten. Hierbei entstehen zwischen den optischen Elementen, also zwischen der Einkoppeloptik und der mindestens einen nichtlineare Optik mit Linsenwirkung, zwischen den nichtlinearen Optike mit Linsenwirkung und zwischen der mindestens einen nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung und der Auskoppeloptik Foki. For example, the imaging properties of the at least one non-linear optics with a lens effect can be used to direct the laser beam from the in-coupling optics to the out-coupling optics to direct. In the case of several non-linear optics with a lens effect, a concatenation of images, that is to say a successive sequence of images, can be used here in order to guide the laser beam from the in-coupling optics to the out-coupling optics. This creates foci between the optical elements, ie between the coupling optics and the at least one nonlinear optics with lens effect, between the nonlinear optics with lens effect and between the at least one nonlinear optics with lens effect and the decoupling optics.
Die Foki liegen dabei in einem zwischen den jeweiligen optischen Elementen angeordneten gasförmigen oder flüssigen Medium, beispielsweise in Luft. Mit anderen Worten liegen die Foki nicht in dem Material der nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung oder in dem Material der Einkoppeloptik oder der Auskoppeloptik. Es gibt mindestens einen Fokus, der nicht innerhalb der Materialien liegt. The foci lie in a gaseous or liquid medium, for example in air, arranged between the respective optical elements. In other words, the foci are not in the material of the non-linear optics with a lens effect or in the material of the coupling optics or the coupling optics. There is at least one focus that is not within the materials.
Bei der Transmission des Laserstrahls durch ein optisches Element der Vorrichtung, insbesondere bei einer Transmission durch eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung wird im vorliegenden Fall eine nichtlineare Wechselwirkung des Laserpulses des Laserstrahls mit dem optischen Material des optischen Elements erzeugt. When the laser beam is transmitted through an optical element of the device, in particular when it is transmitted through nonlinear optics with a lens effect, a nonlinear interaction of the laser pulse of the laser beam with the optical material of the optical element is generated in the present case.
Ursache für die nichtlineare Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem Material der Einkoppeloptik, der Auskoppeloptik oder der nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung kann hierbei der sogenannte Kerr-Effekt sein, nach dem die optischen Eigenschaften, insbesondere der Brechungsindex n, des Materials des jeweiligen optischen Elements durch Anlegen eines elektrischen Feldes variiert werden können. Insbesondere kann hierbei ein Laserpuls das elektrische Feld bereitstellen, wobei hochenergetische Laserpulse, oder Laserpulse mit besonders großer Leistung, besonders große elektrische Felder bereitstellen. The reason for the non-linear interaction of the laser beam with the material of the in-coupling optics, the out-coupling optics or the non-linear optics with lens effect can be the so-called Kerr effect, according to which the optical properties, in particular the refractive index n, of the material of the respective optical element can be changed by applying a electric field can be varied. In particular, a laser pulse can provide the electrical field, with high-energy laser pulses or laser pulses with particularly high power providing particularly large electrical fields.
In dem optischen Element wird durch die hohe Laserintensität des Laserpulses eine Variation des Brechungsindex erzeugt:
Figure imgf000006_0001
A variation of the refractive index is generated in the optical element due to the high laser intensity of the laser pulse:
Figure imgf000006_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. 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.
Zur Charakterisierung einer nichtlinearen Wechselwirkung wird auf das sogenannte B-Integral zurückgegriffen, welches ein Maß für einen nichtlinearen Phasenschub des Laserstrahls beim Durchgang durch das optische Element ist. Das B-Integral ist definiert als: = — f n2/(z, t) dz’ To characterize a non-linear interaction, the so-called B-integral is used, which is a measure of a non-linear phase shift of the laser beam as it passes through the optical element. The B integral is defined as: = — fn 2 /(z, t) dz'
B 2 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. B 2 where A 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.
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:
Figure imgf000007_0001
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:
Figure imgf000007_0001
Ugr Phasenschub des Laserstrahls lässt sich nun mittels c 2l0 ur|d m schreiben alsUgr phase shift of the laser beam can now be calculated using c 2l0 ur| write dm as
A "A " k0 Ao
Figure imgf000007_0002
A "A" k 0 A o
Figure imgf000007_0002
Hieraus ergibt sich nach dem Durchlaufen einer Strecke L, beziehungsweise der Dicke L des optischen Elements, ein nichtlinearer Phasenschub von This results in a non-linear phase shift of after a distance L or the thickness L of the optical element has been covered
(L, t) = &)ot - Ln(I) (L, t) = &) o t - Ln(I)
Hieraus ist unmittelbar ersichtlich, dass die nichtlineare Wechselwirkung eine Frequenzänderung bewirkt, die durch den nichtlinearen Brechungsindex n2 verursacht wird:
Figure imgf000007_0003
From this it is immediately apparent that the non-linear interaction causes a frequency change, which is caused by the non-linear refractive index n2:
Figure imgf000007_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 Material der nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung und/oder dem die nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung umgebenden Gases spektral verbreitert. Den zugehörigen Prozess nennt man Selbstphasenmodulation. Es sei insbesondere darauf hingewiesen, dass die Selbstphasenmodulation auch von der Länge der durchlaufenen Strecke beziehungsweise der Dicke des jeweiligen optischen Elements abhängt. Dementsprechend skaliert die Selbstphasenmodulation auch mit der Anzahl an optischen Elementen der Vorrichtung. The laser pulse is thus spectrally broadened by the propagation in the material of the non-linear optics with a lens effect and/or the gas surrounding the non-linear optics with a lens effect. The associated process is called self-phase modulation. It should be pointed out in particular that the self-phase modulation also depends on the length of the path covered or the thickness of the respective optical element. Accordingly, the self-phase modulation also scales with the number of optical elements of the device.
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 optische Element für den Laserstrahl ab einer gewissen Leistung eine zusätzliche 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 optical element provides an additional lens effect for the laser beam above a certain power.
Die Selbstfokussierung tritt hierbei ab der sogenannten kritischen Pulsspitzenleistung Pent auf, wobei die Leistung P des Lasers proportional zur Laserintensität I und zur Querschnittsfläche A ist: P oc I A. Durch die Selbstfokussierung kann es insbesondere zu einem Anstieg der Laserintensität kommen, so dass die Intensität in dem optischen Element der Vorrichtung eine Schädigungsschwelle überschreitet. Eine Selbstfokussierung wird deshalb vorteilhafterweise vermieden. The self-focusing occurs here from the so-called critical pulse peak power Pent, where the power P of the laser is proportional to the laser intensity I and to the cross-sectional area A: P oc I A. The self-focusing can lead to an increase in the laser intensity in particular, so that the intensity in the optical element of the device exceeds a damage threshold. Self-focusing is therefore advantageously avoided.
Die obige nichtlineare Wechselwirkung findet jedoch nicht nur in den optischen Elementen der Vorrichtung statt, sondern auch in den in dem gasförmigen oder flüssigen Medium liegenden Foki zwischen den jeweiligen optischen Elementen. Hierbei wechselwirkt der Laserpuls mit dem gasförmigen oder flüssigen Medium nichtlinear. Insbesondere kann das gasförmige oder flüssige Medium ebenfalls zu einer Selbstfokussierung führen. However, the above non-linear interaction takes place not only in the optical elements of the device, but also in the foci lying in the gaseous or liquid medium between the respective optical elements. Here, the laser pulse interacts non-linearly with the gaseous or liquid medium. In particular, the gaseous or liquid medium can also lead to self-focusing.
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. Durch die hohe Intensität zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung kann es auch zu einer Selbstfokussierung und/oder einer Ionisierung des gasförmigen oder flüssigen Mediums, beispielsweise der Luft, kommen, die die Vorrichtung umgibt. 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. The high intensity between the optical elements of the device can also lead to self-focusing and/or ionization of the gaseous or liquid medium, for example the air, which surrounds the device.
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. 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. 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. 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 xz plane and the yz plane are beam planes. If the laser beam is focused, then the beam diameter with respect to the xz plane and/or the yz plane is also minimized.
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 1cm 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 zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung 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 Pulsleistungen spektral verbreitert werden, bevor es zu einer katastrophalen Selbstfokussierung zwischen den optischen Elementen kommt. Gleichzeitig kann durch die geringe Intensität des Laserstrahls im Fokus ein Überschreiten der lonisationsschwelle der Luft vermieden werden. Dadurch wird eine kürzere Bauweise der Vorrichtung ermöglicht, da größere Öffnungswinkel eingesetzt werden können. Beispielsweise kann die Vorrichtung um einen Faktor 4 kürzer als konventionelle Vorrichtungen gebaut werden. It can thereby be achieved that the intensity of the laser beam in the focus between the optical elements of the device is reduced, 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 greater pulse powers can also be spectrally broadened before catastrophic self-focusing occurs between the optical elements. At the same time, the low intensity of the laser beam in the focus avoids exceeding the ionization threshold of the air. This allows for a shorter construction of the device, since larger opening angles can be used. For example, the device can be made shorter by a factor of 4 than conventional devices.
Der Fokus zwischen den optischen Elementen kann ein Linienfokus sein. The focus between the optical elements can be a line focus.
Der elongierte Fokus kann zwischen der Einkoppeloptik und einer nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung und/oder zwischen mindestens zwei nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung und/oder zwischen einer nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung und der Auskoppeloptik in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, bevorzugt Luft, angeordnet sein, wobei besonders bevorzugt jeweils ein elongierter Fokus zwischen jeweils allen nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung in dem flüssigen oder gasförmigen Medium angeordnet ist. The elongated focus can be arranged in a liquid or gaseous medium, preferably air, between the coupling-in optics and non-linear optics with a lens effect and/or between at least two non-linear optics with a lens effect and/or between a non-linear optics with a lens effect and the decoupling optics, in particular in each case an elongated focus is preferably arranged between all of the non-linear optics with a lens effect in the liquid or gaseous medium.
Insbesondere ist der Laserstrahl auf und/oder in der nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung nicht fokussiert. Insbesondere ist der elongierte Fokus nicht auf und/oder in der nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung positioniert. Der Laserstrahl weist insbesondere auf und/oder in der nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung 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. In particular, the laser beam is not focused on and/or in the non-linear optics with a lens effect. In particular, the elongated focus is not positioned on and/or in the non-linear optics with lens action. In particular, the laser beam has and/or has its original beam shape in non-linear optics with a lens effect. 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.
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. Dementsprechend können auch astigmatische Optiken einen Linienfokus erzeugen. 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. Accordingly, astigmatic optics can also produce a line focus.
Durch einen Linienfokus kann zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung kann eine Wechselwirkung mit dem gasförmigen oder flüssigen Medium, beispielsweise der Luft, besonders gut kontrolliert oder vermieden werden. An interaction with the gaseous or liquid medium, for example the air, can be particularly well controlled or avoided by means of a line focus between the optical elements of the device.
Die nichtlineare Phasenverschiebung des Laserpulses in den optischen Elementen der Vorrichtung kann pro nichtlinearer Wechselwirkung pro optischem Element zwischen TT/20 und 4TT, bevorzugt zwischen TT/10 und 2TT, betragen. The nonlinear phase shift of the laser pulse in the optical elements of the device can be between TT/20 and 4TT, preferably between TT/10 and 2TT, per nonlinear interaction per optical element.
Dadurch ist der gesamte nichtlineare Wechselwirkungsprozess zwischen dem Laser und den optischen Elementen der Vorrichtung gut kontrollierbar. Beispielsweise lässt sich die spektrale Verbreiterung über die Anzahl an optischen Elementen der Vorrichtung einstellen. As a result, the entire non-linear interaction process between the laser and the optical elements of the device can be easily controlled. For example, the spectral broadening can be adjusted via the number of optical elements of the device.
Die Intensität des Laserstrahls im Fokus zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung kann kleiner als die lonisationsschwelle des dort vorliegenden gasförmigen oder flüssigen Mediums sein.The intensity of the laser beam in the focus between the optical elements of the device can be smaller than the ionization threshold of the gaseous or liquid medium present there.
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 Mediums ionisiert werden. Durch eine Ionisierung des gasförmigen oder flüssigen Mediums ändert sich der Brechungsindex und der nichtlineare Brechungsindex des Mediums, da sich die Verteilung der elektrischen Ladungsträger in dem Mediumändert. Eine Ionisierung des Mediums führt schließlich dazu, dass die nichtlineare Wechselwirkung des Laserpulses nicht mehr kontrolliert oder unterdrückt werden kann oder unkontrolliert verläuft. Zudem geht mit der Bildung eines Plasmazustands eines Gases ein großer Verlust an Laserleistung einher. 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%, particularly preferably less than 10% of the medium present there are ionized. Ionization of the gaseous or liquid medium changes the refractive index and the non-linear refractive index of the medium, since the distribution of the electrical charge carriers in the medium changes. Eventually, ionization of the medium means that the non-linear interaction of the laser pulse can no longer be controlled or suppressed, or proceeds uncontrolled. In addition, a large loss of laser power is associated with the formation of a plasma state of a gas.
Die Vorrichtung, bevorzugt die Auskoppeloptik der Vorrichtung, kann einen optischen Kompressor aufweisen, der dazu eingerichtet ist die Laserpulsdauer, aufgrund der spektralen Verbreiterung des Laserpulses, auf weniger als das 0,9-fache, bevorzugt auf weniger als das 0,7-fache der ursprünglichen Laserpulsdauer zu komprimieren. The device, preferably the decoupling optics of the device, can have an optical compressor which is set up to increase the laser pulse duration to less than 0.9 times, preferably to less than 0.7 times, due to the spectral broadening of the laser pulse to compress the original laser 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:
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<x 1/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 the frequency domain is inversely proportional to the duration of the signal At in the time domain:
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<x 1/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 in der Auskoppeloptik angeordneten oder 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 der Auskoppeloptik sein kann oder einteilig mit der Auskoppeloptik ausgebildet sein kann. 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 pulse compressor arranged in the decoupling optics or a pulse compressor connected downstream. A corresponding pulse compression can also be achieved by at least one chirped mirror, which in particular can also be part of the decoupling optics or can be designed in one piece with the decoupling optics.
Die Einkoppeloptik und die Auskoppeloptik können nicht-rotationssymmetrische Optiken sein, bevorzugt zylindersymmetrische Optiken sein. The coupling-in optics and the coupling-out optics can be non-rotationally symmetrical optics, preferably cylindrically symmetrical optics.
Eine Optik ist hierbei nicht-rotationssymmetrisch, wenn sie die Symmetrie eines einfallenden Laserstrahls bricht. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Oberfläche der Optik nicht-rotationssymmetrisch ist. Beispielsweise ist ein Zylinderspiegel ein nichtrotationssymmetrischer Spiegel. Beispielsweise ist eine Zylinderlinse eine nichtrotationssymmetrische Linse. Wenn der Spiegel oder die Linse einen parabolischen Querschnitt (anstatt einen zylindrischen) und eine Längsachse aufweist, dann ist der Spiegel oder die Linse ebenfalls nicht-rotationssymmetrisch. Auch eine sogenannte Asphäre kann eine nichtrotationssymmetrische Optik sein. Beispielsweise fällt ein kollimierter Laserstrahl mit einem Gauß’schen Strahlprofil in der z-Richtung auf eine Zylinderlinse, 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. Insbesondere kommt es aufgrund der nichtlinearen Wechselwirkung zwischen der Einkoppeloptik und dem Laserpuls zu einer spektralen Verbreiterung des Laserpulses. An optic is non-rotationally symmetrical if it breaks the symmetry of an incident laser beam. This can be achieved, for example, by the surface of the optics being non-rotationally symmetrical. For example, a cylindrical mirror is a non-rotationally symmetrical mirror. For example, a cylindrical lens is a non-rotationally symmetrical lens. If the mirror or lens has a parabolic cross-section (rather than cylindrical) and a longitudinal axis, then the mirror or lens is also non-rotationally symmetrical. A so-called asphere can also be non-rotationally symmetrical optics. For example, a collimated laser beam with a Gaussian beam profile falls in the z-direction onto a cylindrical lens, which is the launching optic, 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 xz plane and the yz plane. In particular, due to the non-linear interaction between the in-coupling optics and the laser pulse, there is a spectral broadening of the laser pulse.
Zum einen wird der Laserstrahl in der x-z-Ebene ohne Modifikation der Strahlpropagation transmittiert (Merke: „x wie ohne Modifikation“), da die Zylinderlinse 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 transmitted in the x-z plane without modification of the beam propagation (note: "x as without modification"), since the cylindrical lens 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 die Zylinderlinse 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 Fokus 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 cylindrical lens 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 in the focus. 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. Der Laserstrahl kann somit zwischen der Einkoppeloptik und der Anordnung von Linsenelementen einen elongierten Fokus aufweisen. 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. The laser beam can thus have an elongated focus between the in-coupling optics and the arrangement of lens elements.
Nach dem Durchlaufen des Fokus divergiert der Laserstrahl in der y-z-Ebene. Eine solche Divergenz kann durch eine zylindrische Auskoppeloptik behoben werden. Mit anderen Worten kann der Laserstrahl durch eine Auskoppeloptik, die ebenfalls eine Zylinderlinse ist wieder kollimiert werden. After passing through the focus, the laser beam diverges in the y-z plane. Such a divergence can be remedied by a cylindrical decoupling optics. In other words, the laser beam can be collimated again by a decoupling optics, which is also a cylindrical lens.
Die Anordnung von nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung kann mindestens ein rotationssymmetrisches Linsenelement umfassen. The arrangement of non-linear optics with a lens effect can include at least one rotationally symmetrical lens element.
Eine Optik ist hierbei rotationssymmetrisch, wenn die Symmetrie eines einfallenden Laserstrahls nicht gebrochen wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Oberfläche der Optik rotationssymmetrisch ist. Beispielsweise ist ein sphärischer Spiegel ein rotationssymmetrischer Spiegel. Beispielsweise ist eine sphärische Linse eine rotationssymmetrische Linse. Neben einem sphärischen Spiegel oder einer sphärischen Linse ist auch ein parabolischer Spiegel oder eine parabolische Linse rotationssymmetrisch. An optic is rotationally symmetrical if the symmetry of an incident laser beam is not broken. This can be achieved, for example, by the surface of the optics being rotationally symmetrical. For example, a spherical mirror is a rotationally symmetrical mirror. For example, a spherical lens is a rotationally symmetrical lens. In addition to a spherical mirror or a spherical lens, a parabolic mirror or a parabolic lens is also rotationally symmetrical.
Beispielsweise fällt ein kollimierter Laserstrahl mit einem Gauß’schen Strahlprofil in der z-Richtung auf eine sphärische Linse. Dann wird der Laserstrahl gleichförmig in allen Strahlebenen fokussiert. Es ergeben sich insbesondere keine bestimmten Achsen, die für die Beschreibung besonders förderlich wären. Die Achsen zur können zur Beschreibung daher frei gewählt werden. For example, a collimated laser beam with a Gaussian beam profile falls on a spherical lens in the z-direction. Then the laser beam is focused uniformly in all beam planes. In particular, there are no specific axes that would be particularly helpful for the description. The axes for the description can therefore be freely selected.
In obigem Beispiel trifft der Laserstrahl nach der Einkoppeloptik auf das erste sphärische Linsenelement. Auf dem Linsenelement weist der Laserstrahl durch die Divergenz nach dem Fokus nach der Einkoppeloptik erneut seine ursprüngliche Strahlform auf. Beispielsweise liegt auf der Oberfläche des ersten Linsenelements wieder eine Gauß’sche Strahlform vor. In dem Linsenelement kommt es aufgrund der nichtlinearen Wechselwirkung zwischen dem Linsenelement und dem Laserpuls zu einer spektralen Verbreiterung des Laserpulses. In the above example, the laser beam hits the first spherical lens element after the in-coupling optics. On the lens element, the laser beam has its original beam shape again due to the divergence after the focus after the coupling optics. For example, a Gaussian beam shape is again present on the surface of the first lens element. Due to the non-linear interaction between the lens element and the laser pulse, a spectral broadening of the laser pulse occurs in the lens element.
Gleichzeitig wird der Laserstrahl bezüglich der y-z-Ebene kollimiert, wohingegen der Laserstrahl in derx-z-Ebene fokussiert wird. Gewissermaßen wird durch die Kombination von nichtrotationssymmetrischer (zylindrischer) Einkoppeloptik und rotationssymmetrischem (sphärischem) Linsenelement ein Wechsel der Fokusebene vorgenommen, in der sich der elongierte Strahlquerschnitt erstreckt. At the same time, the laser beam is collimated with respect to the y-z plane, whereas the laser beam is focused in the x-z plane. To a certain extent, the combination of non-rotationally symmetrical (cylindrical) coupling optics and a rotationally symmetrical (spherical) lens element results in a change in the focal plane in which the elongated beam cross section extends.
Dementsprechend weist der Laserstrahl nach dem ersten sphärischen Linsenelement 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, after the first spherical lens element, the laser beam has a focus in the x-z plane. The focus here extends into the y-z plane and is therefore elongated, or a line focus.
In obigem Beispiel könnte nun die zylindrische Auskoppeloptik eine Kollimation des Laserstrahls vornehmen. Nach dem Durchlaufen des Laserstrahls könnte der Laserstrahl dementsprechend mit einem Gauß’schen Strahlprofil weiter propagieren. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Auskoppeloptik, beziehungsweise die Zylinder der Zylinderlinse, um 90° gegenüber der Einkoppeloptik gedreht ist, da durch das zwischengeschaltete sphärische Linsenelement eine Drehung der Kollimationsebene vorgenommen wurde. In the above example, the cylindrical decoupling optics could collimate the laser beam. Accordingly, after passing through the laser beam, the laser beam could further propagate with a Gaussian beam profile. However, it must be taken into account here that the decoupling optics, or the cylinder of the cylindrical lens, is rotated by 90° in relation to the coupling optics, since the collimation plane was rotated by the interposed spherical lens element.
Es ist jedoch auch möglich, dass weitere Linsenelemente nach dem ersten Linsenelement angeordnet werden, so dass der Laserstrahl eine Vielzahl von Linsenelementen durchläuft und so sukzessive spektral verbreitert wird. However, it is also possible for further lens elements to be arranged after the first lens element, so that the laser beam passes through a large number of lens elements and is thus successively broadened spectrally.
Beispielsweise weist der Laserstrahl zwischen dem ersten und dem zweiten sphärischen Linsenelement einen Fokus in derx-z-Ebene auf. Der Fokus erstreckt sich hierbei in die y-z-Ebene und ist somit elongiert, beziehungsweise ein Linienfokus. Der Laserstrahl wird dann von dem zweiten sphärischen Linsenelement bezüglich der x-z-Ebene wieder kollimiert wird und bezüglich der y-z-Ebene fokussiert wird. Je nach Anzahl der Linsenelemente kann dieser Prozess fortgesetzt und weitergeführt werden. For example, the laser beam has a focus in the x-z plane between the first and second spherical lens elements. The focus here extends into the yz plane and is therefore elongated, or a line focus. The laser beam is then re-collimated with respect to the xz plane and focused with respect to the yz plane by the second spherical lens element. Depending on the number of lens elements, this process can be continued and continued.
Somit wechselt sich eine Fokussierung des Laserstrahls zwischen der x-z-Ebene und der y-z- Ebene bei aufeinanderfolgenden Durchgängen durch die sphärischen Linsenelemente ab. Mit anderen Worten wird eine gleiche Ausrichtung des Strahlquerschnitts nur bei jedem zweiten Durchgang durch ein Linsenelement erreicht, was einer sogenannten 4f-Abbildung entspricht. Thus, focusing of the laser beam alternates between the x-z plane and the y-z plane on successive passes through the spherical lens elements. In other words, the same alignment of the beam cross section is only achieved with every second pass through a lens element, which corresponds to a so-called 4f image.
Nachdem der Laserstrahl genügend stark spektral verbreitert wurde, kann der Laserstrahl durch eine Auskoppeloptik aus der Vorrichtung ausgekoppelt werden. Die Auskoppeloptik kann hierbei den Laserstrahl insbesondere erneut kollimieren. Hierzu kann die Auskoppeloptik nichtrotationssymmetrisch 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 degree, the laser beam can be coupled out of the device by a coupling-out lens system. In this case, the decoupling optics can in particular 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 Einkoppeloptik und/oder die Auskoppeloptik und/oder mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung kann als Spiegelelement ausgebildet sein, bevorzugt als durch ein rückseitig verspiegeltes Quarzglas Element ausgebildetes Spiegelelement. The coupling optics and/or the decoupling optics and/or at least one non-linear optics with a lens effect can be designed as a mirror element, preferably as a mirror element designed by a quartz glass element that is mirrored on the back.
Die Einkoppeloptik kann ein astigmatischer Spiegel sein, der in zwei verschiedenen orthogonalen Spiegelebenen, der Sagittalebene und der Meridionalebene, zwei verschiedene Brennweiten aufweist. Beispielsweise kann die Sagittalebene mit derx-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. The coupling optics can be an astigmatic mirror, which has two different focal lengths in two different orthogonal mirror planes, the sagittal plane and the meridional plane. For example, the sagittal plane can coincide with the x-y plane and the y-z 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. 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. 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. 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.
Durch eine astigmatische Optik können sich demnach zwei elongierte Foki, beziehungsweise Linienfoki zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung, ergeben. Astigmatic optics can therefore result in two elongated foci, or line foci, between the optical elements of the device.
Bevorzugt weniger als 20 nichtlineare Optiken mit Linsenwirkung, bevorzugt weniger als 10 nichtlineare Optiken mit Linsenwirkung können mit dem Laserstrahl nichtlinear wechselwirken. Preferably less than 20 non-linear optics with a lens effect, preferably less than 10 non-linear optics with a lens effect can interact non-linearly with the laser beam.
Beispielsweise kann die Anordnung von Linsenelementen zwei nichtlineare Optiken mit Linsenwirkung umfassen. For example, the arrangement of lens elements can include two non-linear optics with a lens effect.
Zudem kann der optische Aufbau ein Teleskop umfassen. Das Teleskop kann eine Anordnung von zwei Linsen sein, die den Rohstrahl des Lasers auf einen gewünschten Strahldurchmesser vor Eingang in die Einkoppeloptik vergrößern oder verkleinern und den Laserstrahl kollimieren. In addition, the optical structure can include a telescope. The telescope can be an arrangement of two lenses that enlarge or reduce the raw laser beam to a desired beam diameter before entering the coupling optics and collimate the laser beam.
In obigem Beispiel könnte die Vorrichtung lediglich vier Linsenoptiken aufweisen, nämlich die Einkoppeloptik, die Auskoppeloptik und zwei Linsenelemente. Die Optik des Teleskops wird hierbei nicht mitgezählt. Gleichwohl kann der Laserpuls auch mit der Optik des Teleskops nichtlinear wechselwirken. Der Eingang unmittelbar vor der Einkoppeloptik und der Ausgang unmittelbar nach der Auskoppeloptik bilden demnach zwei Referenzpunkte der Vorrichtung, in denen auch die spektrale Verbreiterung bestimmt wird. In the above example, the device could only have four lens optics, namely the coupling optics, the coupling optics and two lens elements. The optics of the telescope are not counted here. Nevertheless, the laser pulse can also interact non-linearly with the optics of the telescope. The entrance immediately before the in-coupling optics and the exit immediately after the out-coupling optics accordingly form two reference points of the device, in which the spectral broadening is also determined.
In einer Ausführungsform kann jedes optische Element der Vorrichtung eine Linse sein, wobei der Laserstrahl beim Durchlaufen der Linsen nichtlinear mit dem Material der Linsen wechselwirken kann. In one embodiment, each optical element of the device can be a lens, in which case the laser beam can interact non-linearly with the material of the lenses when passing through the lenses.
Beispielsweise kann die Einkoppeloptik ein nicht-rotationssymmetrischer Spiegel, bevorzugt ein Zylinderspiegel sein, und die Vorrichtung kann mindestens einen beschichteten Spiegel aufweisen, bevorzugt einen Zylinderspiegel aufweisen, wobei die Auskoppeloptik bevorzugt ebenfalls ein Zylinderspiegel ist. For example, the coupling optics can be a non-rotationally symmetrical mirror, preferably a cylinder mirror, and the device can have at least one coated mirror, preferably a cylinder mirror, with the coupling optics preferably also being a cylinder mirror.
Analog zum obigen Beispiel wird ein kollimierter Laserstrahl durch die nicht-rotationssymmetrische Einkoppeloptik in der y-z-Ebene vor dem ersten nicht-rotationssymmetrischen Linsenelement fokussiert. Wenn die Zylinderachsen von Einkoppeloptik und den Linsenelementen 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. Analogously to the example above, a collimated laser beam is focused by the non-rotationally symmetrical in-coupling optics in the yz plane in front of the first non-rotationally symmetrical lens element. If the cylinder axes of the coupling optics and the lens elements run parallel, then the laser beam is always focused in the yz plane. In a way, therefore achieves the same alignment of the beam cross-section with each pass, which corresponds to a so-called 2f image.
Es kann aber auch sein, dass die Zylinderachsen der Linsenelemente 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 lens elements 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.
In jedem Fall kann der Laserpuls des Laserstrahls mit dem nichtlinearen Material des Körpers des Spiegel nichtlinear wechselwirken, so dass unabhängig von der Spiegelsymmetrie eine spektrale Verbreiterung erreicht wird. In any case, the laser pulse of the laser beam can interact non-linearly with the non-linear material of the body of the mirror, so that a spectral broadening is achieved independently of the mirror symmetry.
In den genannten Beispielen ist es jeweils möglich eine Linse durch einen Spiegel mit der entsprechenden Symmetrie zu ersetzen. Insbesondere ist es somit möglich, dass die Vorrichtung Linsen und Spiegel umfasst. In each of the examples mentioned, it is possible to replace a lens with a mirror with the appropriate symmetry. In particular, it is thus possible for the device to include lenses and mirrors.
Beispielsweise kann der Laserstrahl durch einen Zylinderspiegel als Einkoppeloptik reflektiert und elongiert fokussiert werden und durch eine Anordnung von nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung geleitet werden, wobei die nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung Linsen sind. Anschließend kann der Laserstrahl durch eine Zylinderlinse als Auskoppeloptik aus der Vorrichtung ausgekoppelt werden. For example, the laser beam can be reflected and elongate focused by a cylindrical mirror as in-coupling optics and passed through an array of non-linear optics with lens action, wherein the non-linear optics with lens action are lenses. The laser beam can then be coupled out of the device through a cylindrical lens as coupling-out optics.
Die nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung können dieselbe Brennweite aufweisen oder alle optischen Elemente der Vorrichtung können dieselbe Brennweite aufweisen. The non-linear optics with lens action can have the same focal length or all optical elements of the device can have the same focal length.
Hierdurch kann ein besonders einfacher Aufbau der Vorrichtung erreicht werden. In this way, a particularly simple construction of the device can be achieved.
Zwei optische Elemente der Vorrichtung, mit denen der Laserstrahl nacheinander nichtlinear wechselwirkt, können einen Abstand aufweisen, der zwischen dem 0,8-fachen und dem 1 ,2-fachen der Summe der Brennweiten der beiden optischen Elemente der Vorrichtung beträgt. Two optical elements of the device, with which the laser beam interacts non-linearly one after the other, can have a distance of between 0.8 times and 1.2 times the sum of the focal lengths of the two optical elements of the device.
Beispielsweise kann die zylindrische Einkoppeloptik eine Brennweite von 30cm aufweisen und das erste Linsenelement der Vorrichtung kann eine Brennweite von 70cm aufweisen. Dann können die Spiegel in einem Abstand von 80cm bis hin zu 120cm voneinander aufgestellt werden. Beispielsweise kann das erste Linsenelement und das zweite Linsenelement eine Brennweite von 100cm aufweisen 160cm bis 240cm aufgestellt werden. In diesem Fall kann in jedem zweiten Durchgang dieselbe Ausrichtung des Querschnitts des Fokus erreicht werden. For example, the cylindrical in-coupling optics can have a focal length of 30 cm and the first lens element of the device can have a focal length of 70 cm. Then the mirrors can be placed at a distance of 80cm to 120cm from each other. For example, the first lens element and the second lens element can have a focal length of 100 cm and can be set up from 160 cm to 240 cm. In this case, the same orientation of the cross-section of the focus can be achieved in every second pass.
Beispielsweise können alle optischen Elemente eine Brennweite von 20cm aufweisen. For example, all optical elements can have a focal length of 20 cm.
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 Pulsenergie 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 energy. The cross-section (or diameter) is related to the beam 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 optischen Elementen kleiner als die laserinduzierte Zerstörschwelle (LIDT) sein, so dass die optischen Elemente nicht durch den Laserstrahl zerstört werden. Die laserinduzierte Zerstörschwelle wird hierbei unterschritten, wenn die Querschnittsfläche des Laserstrahls auf dem optischen Element eine gewisse kritische Querschnittsfläche übersteigt. Aus der Querschnittsfläche auf den optischen Elementen, der Querschnittsfläche im Fokus und dem Öffnungswinkel ergibt sich somit die Brennweite der optischen Elemente. In addition, the maximum intensity or fluence of the laser beam on the optical elements should be less than the laser-induced damage threshold (LIDT) so that the optical elements are not destroyed by the laser beam. The laser-induced destruction threshold is not reached when the cross-sectional area of the laser beam on the optical element exceeds a certain critical cross-sectional area. The focal length of the optical elements results from the cross-sectional area on the optical elements, the cross-sectional area in the focus and the aperture angle.
Schließlich lässt sich über die Materialparameter der optischen Elemente der nichtlineare Phasenschub durch das B-Integral pro Transmission/Reflexion berechnen. Hierbei können insbesondere Sicherheitsfaktoren berücksichtigt werden, um ein Ionisieren oder ein Zerstören der Spiegel oder Linsen sicher zu umgehen. Finally, the material parameters of the optical elements can be used to calculate the non-linear phase shift using the B integral per transmission/reflection. Safety factors in particular can be taken into account here in order to reliably avoid ionization or destruction of the mirrors or lenses.
Mit der Anzahl an optischen Elementen lässt sich schließlich die Gesamtverbreiterung des Laserpulses festlegen. Finally, the total broadening of the laser pulse can be determined with the number of optical elements.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum spektralen Verbreitern mit den Merkmalen des Anspruchs 12 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 method for spectral broadening with the features of claim 12. Advantageous developments of the method result from the dependent claims and the present description and the figures.
Entsprechend wird ein Verfahren zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses eines Laserstrahls vorgeschlagen, wobei der Laserstrahl durch eine Einkoppeloptik in mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung eingekoppelt wird, der Laserstrahl die nichtlineare Optik mit Linsenwirkung durchläuft, wobei der Laserpuls des Laserstrahls durch eine nichtlineare Wechselwirkung mit der nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung spektral verbreitert wird, wobei der Laserstrahl nach dem Durchlaufen der mindestens einen nichtlineare Optiken mit Linsenwirkung durch eine Auskoppeloptik ausgekoppelt wird, wobei der Laserstrahl durch die Einkoppeloptik und/oder mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung fokussiert wird. Erfindungsgemäß ist der Strahlquerschnitt 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 is proposed, the laser beam being coupled into at least one nonlinear optics with a lens effect by coupling optics, the laser beam passing through the nonlinear optics with a lens effect, the laser pulse of the laser beam being caused by a nonlinear interaction with the nonlinear Optics with a lens effect is spectrally broadened, the laser beam being coupled out after passing through the at least one nonlinear optics with a lens effect by a decoupling optics, the laser beam being focused by the coupling optics and/or at least one nonlinear optics with a lens effect. According to the invention, the beam cross section is elongated in the focus, with the focus preferably being a line focus.
Kurze Beschreibung der Figuren Brief 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 dem Stand der Technik; State-of-the-art beam characteristics;
Figur 3A, B, C, D, E, F eine schematische Darstellung der Ortsabhängigkeit verschiedener Strahleigenschaften bei einer Vorrichtung; FIG. 3A, B, C, D, E, F shows a schematic representation of the location dependence of different beam properties in a device;
Figur 4A, B, C, D eine schematische Darstellung der optischen Elemente; Figure 4A, B, C, D is a schematic representation of the optical elements;
Figur 5 eine weitere schematische Darstellung der Ortsabhängigkeit verschiedenerFIG. 5 shows a further schematic representation of the location dependency of various
Strahleigenschaften bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; undBeam properties in a device according to the invention; and
Figur 6 eine weitere schematische Darstellung einer Vorrichtung. FIG. 6 shows a further schematic representation of a device.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele Detailed description of preferred 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 einer vorgeschlagenen Vorrichtung 2 gezeigt. A first embodiment of a proposed device 2 is shown schematically in FIG.
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 als 100ps, bevorzugt weniger als 1 ps, beispielsweise 600fs oder 300fs aufweisen. 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 or 300 fs.
Die Laserpulse 100 weisen hierbei ein Frequenzbandbreite auf, die durch die Vorrichtung 2 verbreitert werden soll. Beispielsweise kann die Pulsspitzenleistung der Laserpulse 100 des Laserstrahls 10 größer als 3 Megawatt (MW) und kleiner als 2 Terawatt (TW) sein, bevorzugt größer als 30 MW und besonders bevorzugt 50 MW bis 500 Gigawatt (GW). 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 of the laser pulses 100 of the laser beam 10 can be greater than 3 megawatts (MW) and less than 2 terawatts (TW), preferably greater than 30 MW and more preferably 50 MW to 500 gigawatts (GW).
Die Vorrichtung 2 weist eine Einkoppeloptik 20, eine Anordnung 22 von nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung 224, 224‘, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Linsenelemente ausgebildet sind, sowie eine Auskoppeloptik 26 auf. Die Anordnung 22 von nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung 224, 224‘ umfasst mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung 224, 224‘, bevorzugt mindestens ein Linsenelement. The device 2 has coupling-in optics 20, an arrangement 22 of non-linear optics with a lens effect 224, 224', which are designed as lens elements in the exemplary embodiment shown, and coupling-out optics 26. The arrangement 22 of non-linear optics with a lens effect 224, 224' comprises at least one non-linear optic with a lens effect 224, 224', preferably at least one lens element.
Der Laserstrahl 100 trifft in einem kollimierten Zustand auf die Einkoppeloptik 20 und wird von dieser in die Anordnung 22 von nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung 224 geleitet. In der Anordnung 22 von nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung 224 wird der Laserstrahl 10 durch die nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung 224 geleitet, wobei bei jeder Transmission durch eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung 224 der Laserstrahl 10 mit den dem optischen Material der nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung 224 nichtlinear wechselwirkt und dadurch spektral verbreitert wird. Nach der Transmission des Laserstrahls 10 durch die letzte nichtlineare Optik mit Linsenwirkung 224‘ wird der Laserstrahl 10 von der Auskoppeloptik 26 aus der Vorrichtung 2 ausgekoppelt. Der ausgekoppelte Laserpuls 100‘ ist gegenüber dem ursprünglichen Laserpuls 100 spektral verbreitert. The laser beam 100 strikes the in-coupling optics 20 in a collimated state and is guided by the latter into the arrangement 22 of non-linear optics with a lens effect 224 . In array 22 of nonlinear lensing optics 224, laser beam 10 is directed through nonlinear lensing optics 224, with each transmission through nonlinear lensing optics 224, laser beam 10 interacting nonlinearly with the optical material of nonlinear lensing optics 224 and is thus spectrally broadened. After the transmission of the laser beam 10 through the last non-linear optics with lens effect 224', the laser beam 10 is coupled out of the device 2 by the decoupling optics 26. The decoupled laser pulse 100' is spectrally broadened compared to the original laser pulse 100.
Die Auskopplungsoptik 26 kann hierbei den Laserstrahl 10 erneut kollimieren und/oder eine Pulskompression durchführen und/oder den Laserstrahl 10 zu einem nachgeschalteten Pulskompressor führen. The decoupling optics 26 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.
Insbesondere wechselwirkt der Laserstrahl 10 auch nichtlinear mit der Einkoppeloptik 20 und der Auskoppeloptik 26, wobei der Umfang dieser Wechselwirkung geringer sein kann, als die nichtlineare Wechselwirkung des Laserstrahls 10 mit der mindestens einen nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung 224, 224‘ der Anordnung 22. In particular, the laser beam 10 also interacts non-linearly with the in-coupling optics 20 and the out-coupling optics 26, in which case the extent of this interaction can be less than the non-linear interaction of the laser beam 10 with the at least one non-linear optics with lens effect 224, 224' of the arrangement 22.
Verschiedene Strahleigenschaften in einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik sind in Figur 2 gezeigt. Gemäß dem Stand der Technik sind die gezeigte Einkoppeloptik 20, die nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung 224, sowie die Auskoppeloptik 26 jeweils als sphärische Linsen ausgebildet. Dies hat weitreichende Konsequenzen für die Strahleigenschaften. 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. Various beam characteristics in a prior art device are shown in FIG. According to the prior art, the coupling optics 20 shown, the non-linear optics with a lens effect 224, and the coupling-out optics 26 are each designed as spherical lenses. This has far-reaching consequences for the beam properties. In Figure 2 is the Beam diameter D shown as a function of the beam propagation direction z for the xz plane and the yz plane. In this case, the z-direction always coincides with the beam propagation direction of the laser beam 10 .
Der Laserstrahl 10 wird zunächst kolli miert, bevor er auf die Einkoppeloptik 20 fällt. Dies ist daran zu erkennen, dass der Strahldurchmesser D vor der Einkoppeloptik 20 sowohl in der x-z-Ebene als auch in der y-z-Ebene konstant ist. The laser beam 10 is first colli mated before it falls on the coupling optics 20 . This can be seen from the fact that the beam diameter D in front of the in-coupling optics 20 is constant both in the x-z plane and in the y-z plane.
Durch die sphärische Einkoppeloptik 20 des Standes der Technik wird der Laserstrahl 10 transmittiert und fokussiert. Bei der Transmission wechselwirkt der Laserpuls bereits mit dem optischen Material der Einkoppeloptik 20, wodurch der Laserpuls spektral verbreitert wird. Insbesondere findet dabei eine Fokussierung des Laserstrahls 10 in der x-z-Ebene und der y-z- Ebene statt. Die gesamte Energie des Laserstrahls 10 wird dementsprechend auf einen quasi punktförmigen Brennfleck konzentriert, so dass es lokal im Fokuspunkt 3 zu einem starken 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. Anschließend divergiert der Laserstrahl 10 zum zweiten Linsenelement und wird dann wieder fokussiert. Dies setzt sich fort, bis der Laserstrahl 10 aus der Vorrichtung durch die Auskoppeloptik 26 ausgekoppelt wird. The laser beam 10 is transmitted and focused by the spherical in-coupling optics 20 of the prior art. During transmission, the laser pulse already interacts with the optical material of the in-coupling optics 20, as a result of which the laser pulse is spectrally broadened. In particular, the laser beam 10 is focused in the x-z plane and the y-z plane. The entire energy of the laser beam 10 is accordingly concentrated on a quasi-point-shaped focal spot, so that the intensity I increases sharply locally at 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 then diverges to the second lens element and is then focused again. This continues until the laser beam 10 is coupled out of the device through the coupling-out optics 26 .
Wie weiter oben beschrieben kann es aufgrund der hohen Intensität und der nichtlinearen Wechselwirkung mit dem flüssigen oder gasförmigen Medium 240, hier in Form von Luft, zwischen den optischen Elementen 20, 224, 26 in dem quasi punktförmigen Fokus 3 zu einer Selbstfokussierung des Laserstrahls 10 oder einer Ionisierung des flüssigen oder gasförmigen Mediums 240 kommen. Ersteres ist insbesondere der Fall, wenn die Leistung des Lasers die Pulsspitzenleistung Pent überschreitet. Da die 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. Durch eine Ionisierung der Luft, wird ein Teil der Laserenergie an die Erzeugung eines Plasmazustandes der Luft verloren. As described above, due to the high intensity and the non-linear interaction with the liquid or gaseous medium 240, here in the form of air, between the optical elements 20, 224, 26 in the quasi punctiform focus 3, the laser beam 10 or an ionization of the liquid or gaseous medium 240 come. The former is particularly the case when the power of the laser exceeds the peak pulse power Pent. Since the 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. By ionizing the air, some of the laser energy is lost to creating a plasma state in the air.
Um dieses Problem nun zu beheben, sind gemäß der vorgeschlagenen Lösung die Einkoppeloptik 20 und/oder nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung 224 dazu eingerichtet, den Laserstrahl 10 zu fokussieren, wobei der Strahlquerschnitt im Fokus 30 elongiert ist. In order to solve this problem, according to the proposed solution, the in-coupling optics 20 and/or non-linear optics with a lens effect 224 are set up to focus the laser beam 10, with the beam cross-section being elongated in the focus 30.
In Figur 3A ist ein entsprechender Verlauf verschiedener Strahleigenschaften der Vorrichtung 2 gemäß der vorgeschlagenen Lösung 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 derx-z-Ebene auch nach der Transmission durch die Einkoppeloptik 20 einen unveränderten Strahldurchmesser D auf. In dem Minimum des Strahldurchmessers D, 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 30 bleibt die Intensität im Linienfokus 30 vergleichsweise gering, so dass die Pulsspitzenleistung Pent nicht erreicht oder gar überschritten wird. In der Folge kommt es auch nicht zur katastrophalen Selbstfokussierung. Typischerweise ist die Intensität hierbei auch so gering, dass ein Ionisieren des flüssigen oder gasförmigen Mediums 240, beispielsweise Luft, vermieden wird. Beispielsweise liegt die lonisationsschwelle von Luft bei etwa 20 TW/cm2. Die Intensität zwischen den optischen Elementen kann im Fokus 30 somit 7TW/cm2 betragen, so dass die Intensität im Fokus 30 immer noch um einen Sicherheitsfaktor 3 unterhalb der lonisationsschwelle liegt. FIG. 3A shows a corresponding course of different beam properties of the device 2 according to the proposed solution. 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 yz plane. through the Focusing in the yz beam plane, the laser beam 10 has an unchanged beam diameter D in the x-z plane even after transmission through the in-coupling optics 20 . In the minimum of the beam diameter D, 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 yz plane. Due to the line focus 30, the intensity in the line focus 30 remains comparatively low, so that the pulse peak power Pent is not reached or even exceeded. As a result, catastrophic self-focusing does not occur either. Typically, the intensity here is also so low that ionization of the liquid or gaseous medium 240, for example air, is avoided. For example, the ionization threshold of air is around 20 TW/cm 2 . The intensity between the optical elements can thus be 7TW/cm 2 in the focus 30, so that the intensity in the focus 30 is still a safety factor 3 below the ionization threshold.
Gleichzeitig kann die Intensität des Laserstrahls 10 in den optischen Elementen, insbesondere den nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung 224, so groß gewählt werden, dass eine spektrale Verbreiterung des Laserpulses 100 beim Durchgang durch die optischen Elemente bewirkt werden. Dieses Verhalten lässt sich an dem aufgetragenen B-Integral ablesen. Das B-Integral, also der nichtlineare Phasenschub, vergrößert sich stets im Bereich der Propagation durch die optischen Elemente 20, 224, 26. Relevante Beiträge erfährt das B-Integral jedoch bloß in den optischen Elementen 20, 224, 26. Während der Propagation und der Fokussierung in der Luft ist der Beitrag hingegen vernachlässigbar. At the same time, the intensity of the laser beam 10 in the optical elements, in particular the non-linear optics with a lens effect 224, can be selected to be large enough to cause a spectral broadening of the laser pulse 100 as it passes through the optical elements. This behavior can be seen from the plotted B integral. The B integral, i.e. the non-linear phase shift, always increases in the area of propagation through the optical elements 20, 224, 26. However, the B integral only makes relevant contributions in the optical elements 20, 224, 26. During the propagation and the contribution is negligible when focusing in the air.
Es ist jedoch auch möglich den Linienfokus 30 ebenfalls zur spektralen Verbreiterung mit zu verwenden. Insbesondere ist der Intensität in der Luft jedoch unterhalb der lonisationsschelle und unterhalb der Pulsspitzenleistung, so dass es weder zu einem Ionisieren der Luft noch zu einer Selbstfokussierung kommt. However, it is also possible to also use the line focus 30 for spectral broadening. In particular, however, the intensity in the air is below the ionization threshold and below the pulse peak power, so that there is neither ionization of the air nor self-focusing.
Ein solcher Linienfokus 30 zwischen den optischen Elementen kann auf unterschiedliche Weisen erzeugt werden. Eine Möglichkeit ist es eine nicht-rotationssymmetrische Einkoppeloptik 20 mit mindestens einem rotationssymmetrischen Linsenelement als nichtlineare Optike mit Linsenwirkung 224 zu kombinieren. Nicht-rotationssymmetrische Optiken umfassen hierbei auch astigmatische Optiken. Such a line focus 30 between the optical elements can be generated in different ways. One possibility is to combine a non-rotationally symmetrical in-coupling optics 20 with at least one rotationally symmetrical lens element as non-linear optics with a lens effect 224 . Non-rotationally symmetrical optics also include astigmatic optics.
In Figur 3B ist der elongierte Fokus 30 eines Laserstrahls 10 gezeigt, der durch eine astigmatische Einkoppeloptik 20, beispielsweise mit einer astigmatischen Linse, erzeugt wurde. Der Strahldurchmesser hat sowohl in der x-Achse als auch in der y-Achse im Fokus 30 ein Minimum. Jedoch ist die Pulsenergie auf eine größere Fläche im Vergleich zu einem Punktfokus verteilt, so dass es weder zur Selbstfokussierung noch zur Überschreitung der lonisationsschwelle des flüssigen oder gasförmigen Mediums kommt. FIG. 3B shows the elongated focus 30 of a laser beam 10, which was generated by an astigmatic coupling optics 20, for example with an astigmatic lens. The beam diameter has a minimum in the focus 30 in both the x-axis and the y-axis. However, the pulse energy is distributed over a larger area compared to a point focus, so that there is neither self-focusing nor the ionization threshold of the liquid or gaseous medium being exceeded.
In Figur 3C ist analog der elongierte Fokus 30 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. FIG. 3C shows the elongated focus 30 of a laser beam 10, which was generated by a cylindrical in-coupling optics 20. 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.
In Figur 3D ist eine Vorrichtung 2 gemäß der vorgeschlagenen Lösung gezeigt, bei der Durchmesser des Laserstrahls 10 des Lasers 1 zunächst durch ein Teleskop 12 auf eine gewünschte Größe gebracht wird. Zusätzlich kann der Laserstrahl 10 durch das Teleskop 12 auch kollimiert werden. Die Einkoppeloptik 20 und die Auskoppeloptik 26 sind hierbei Zylinderlinsen und die Anordnung der nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung 22 umfasst vier sphärische Linsen 224. Durch den eingezeichneten Strahldurchmesser für die x-z-Ebene und die y-z-Ebene wird deutlich, dass sich die Ausrichtung des elongierten Strahlquerschnitts im Fokus 30 zwischen den optischen Elementen 20, 224, 26 nach jeder Transmission ändert. FIG. 3D shows a device 2 according to the proposed solution, in which the diameter of the laser beam 10 of the laser 1 is first brought to a desired size by a telescope 12 . In addition, the laser beam 10 can also be collimated by the telescope 12 . The coupling optics 20 and the decoupling optics 26 are cylindrical lenses and the arrangement of the non-linear optics with lens effect 22 includes four spherical lenses 224. The beam diameter drawn for the x-z plane and the y-z plane makes it clear that the alignment of the elongated beam cross-section in Focus 30 between the optical elements 20, 224, 26 changes after each transmission.
In Figur 3E sind exemplarisch für die Vorrichtung 2 aus Figur 3D die erzeugten Spektren, beziehungsweise die normalisierten Intensitäten Inorm als Funktion der Wellenlänge A, gezeigt. Es ist deutlich zu sehen, dass die Bandbreite nach der Transmission durch das Teleskop 12, also vor der Einkopplung in die Einkoppeloptik (genannt „ZL1“) eine vergleichsweise geringe Bandbreite aufweist. Nach der Transmission durch vier sphärische Linsen („SL2“ bis „SL5“) und die Auskopplung durch die Auskoppeloptik (genannt „ZL6“) hat sich die Bandbreite sichtbar vergrößert.FIG. 3E shows the generated spectra, or the normalized intensities Inorm as a function of the wavelength λ, as an example for the device 2 from FIG. 3D. It can be clearly seen that the bandwidth after transmission through the telescope 12, ie before coupling into the coupling optics (referred to as “ZL1”) has a comparatively small bandwidth. After transmission through four spherical lenses (“SL2” to “SL5”) and decoupling through the decoupling optics (called “ZL6”), the bandwidth has increased visibly.
Dies schlägt sich auch in der zugehörigen Pulsdauer nieder, wie in Figur 3F gezeigt. In Figur 3F ist die gesamte Intensität Itot als Funktion der Zeit um die Pulsmitte aufgetragen. Während die Pulsdauer nach dem Teleskop noch 264fs betragen hat, konnte die Laserpulsdauer durch eine Pulskompression nach der Auskoppeloptik 26 auf 106fs verkürzt werden. This is also reflected in the associated pulse duration, as shown in FIG. 3F. In FIG. 3F the total intensity Itot is plotted as a function of time around the center of the pulse. While the pulse duration after the telescope was still 264 fs, the laser pulse duration could be shortened to 106 fs by pulse compression after the decoupling optics 26.
In Figur 4A ist eine weitere mögliche Ausgestaltung der Einkoppeloptik 20 in Form eines Zylinderspiegels 20 in der Seitenansicht und in Figur 4B 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 Laserstrahl 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. Als nächstes wird der in der in der Seitenansicht fokussierte Laserstrahl 10 auf das erste Spiegelelement 220 geleitet, wie in Figur 4C gezeigt ist, wobei das Spiegelelement 220 ein sphärischer Spiegel ist. Durch die sphärische Krümmung der Spiegeloberfläche des ersten Spiegelelements 240 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 Spiegelelementen 220 kann dementsprechend ein Linienfokus 30 abwechselnd in derx-z-Ebene und in der y-z-Ebene geformt werden. FIG. 4A shows a further possible configuration of the in-coupling optics 20 in the form of a cylindrical mirror 20 in a side view and in FIG. 4B a bird's-eye view. 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. Next, the laser beam 10 focused in the side view is guided onto the first mirror element 220 as shown in Figure 4C, the mirror element 220 being a spherical mirror. Accordingly, due to the spherical curvature of the mirror surface of the first mirror element 240, the laser beam 10 can be collimated in the side view, while the laser beam 10 is focused in the bird's-eye view. Due to the arrangement of non-rotationally symmetrical in-coupling optics 20 and rotationally symmetrical mirror elements 220, a line focus 30 can accordingly be formed alternately in the x-z plane and in the yz plane.
Die Spiegelelemente 20, 220 weisen hierbei eine Beschichtung auf, mit der der Laserpuls 100 nichtlinear wechselwirken kann. Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass mit der hier gezeigten Vorrichtung 2 die Strahldurchmesser und Intensitätsverläufe der Figur 3A erzeugt werden können, die jedoch mittels Linsen realisiert wurde. Ein analoger Einsatz von Linsen und Spiegeln mit Beschichtung kann dementsprechend stets angenommen werden. In this case, the mirror elements 20, 220 have a coating with which the laser pulse 100 can interact non-linearly. In particular, it should be pointed out that the beam diameter and intensity curves of FIG. 3A can be generated with the device 2 shown here, but this was realized by means of lenses. An analogous use of lenses and mirrors with a coating can therefore always be assumed.
In Figur 5 sind verschiedene Strahleigenschaften einer alternative Ausführungsform der Vorrichtung 2 gezeigt, bei der alle Linienfoki 30 in derselben Ebene liegen. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass sowohl die Einkoppeloptik 20 als auch die Spiegelelemente 220 nichtrotationssymmetrisch 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 mirror elements 220 are not rotationally symmetrical. Accordingly, the laser beam 10 can always be focused in the y-z 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 Spiegelelemente 220 nicht-rotationssymmetrisch sind, beziehungsweise Zylinderspiegel sind. In der vorliegenden Ansicht steht die Zylinderachse senkrecht zur Blattebene, so dass die Zylinderkrümmung aller optischen Elemente 20, 220 und 26 in der Blattebene liegt. FIG. 6 shows a device 2 in which the in-coupling optics 20 and the mirror elements 220 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 optical elements 20, 220 and 26 lies in the plane of the page.
Die Spiegelelemente 220 sind hier als nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung ausgebildet und umfassen einen entsprechend ausgebildeten und geformten Körper 221 aus einem transparenten, nichtlinearen Material, beispielsweise Quarzglas, der rückseitig mit einer Verspiegelung 222 versehen ist. Der Laserstrahl 10 propagiert dabei zunächst durch das nichtlineare Material des Körpers 221 und wird dann an der rückseitigen Verspiegelung 222 reflektiert, bevor er das Material des Körpers 221 erneut durchläuft und dann das Spiegelelement 220 wieder verlässt. The mirror elements 220 are designed here as non-linear optics with a lens effect and include a correspondingly designed and shaped body 221 made of a transparent, non-linear material, for example quartz glass, which is provided with a mirror coating 222 on the back. The laser beam 10 first propagates through the non-linear material of the body 221 and is then reflected at the mirror coating 222 on the back before it again passes through the material of the body 221 and then leaves the mirror element 220 again.
Beim Durchlaufen des nichtlinearen Materials des Körpers 221 sammelt der Laserstrahl durch die nichtlineare Wechselwirkung entsprechend wieder B-Integral auf. When passing through the non-linear material of the body 221, the laser beam collects the B integral again due to the non-linear interaction.
Der kollimierte Laserstrahl 10 fällt auf die Einkoppeloptik 20 und wird von dort aus zum ersten Spiegelelement 220 reflektiert. Während der Durchlaufens durch das Material des Körpers 221 wird der Laserpuls 100 nichtlinear spektral verbreitert. Anschließend durchläuft der Laserstrahl 10 einen ersten Fokus 30. Nach der ersten Reflexion an der Einkoppeloptik 20 durchläuft der Laserstrahl 10 einen Linienfokus 30, wobei jedoch die lonisationsschwelle des umgebenden Gases, beziehungsweise der Luft 240 nicht überschritten wird. Da das zweite Spiegelelement 220 ebenfalls nicht-rotationssymmetrisch ist und wie das erste Spiegelelement 220 ausgerichtet ist, wird der Laserstrahl 10 immer in derselben Strahlebene fokussiert. Der Laserstrahl 10 wird hierbei beispielsweise 10 mal reflektiert, wobei bei jedem Durchlaufen des Laserstrahls durch die jeweiligen Körper 221 der Spiegelelemente 220 der Laserpuls 100 mit dem Material der Körper 221 der Spiegelelemente 220 nichtlinear wechselwirkt und somit spektral verbreitert wird. Durch die letzte Reflexion an der Auskoppeloptik 26 wird der Laserstrahl wieder kollimiert. The collimated laser beam 10 falls on the in-coupling optics 20 and is reflected from there to the first mirror element 220 . During the passage through the material of the body 221 is the laser pulse 100 is spectrally broadened non-linearly. The laser beam 10 then passes through a first focus 30. After the first reflection at the in-coupling optics 20, the laser beam 10 passes through a line focus 30, but the ionization threshold of the surrounding gas or the air 240 is not exceeded. Since the second mirror element 220 is also non-rotationally symmetrical and is aligned like the first mirror element 220, the laser beam 10 is always focused in the same beam plane. The laser beam 10 is reflected 10 times, for example, with each time the laser beam passes through the respective bodies 221 of the mirror elements 220, the laser pulse 100 interacts non-linearly with the material of the bodies 221 of the mirror elements 220 and is thus spectrally broadened. The last reflection at the decoupling optics 26 collimates the laser beam again.
Wie bereits in Figur 6 und 3D angedeutet können die optischen Elemente 20, 224, 26 einen Abstand aufweisen, der der Summe der Brennweiten zweier nacheinander vom Laserstrahl 10 angelaufenen optischen Elemente 20, 224, 26 entspricht. Beispielsweise kann die Einkoppeloptik 20 eine Brennweite von 10mm aufweisen und das erste Linsenelement 224 oder das erste Spiegelelement 220 eine Brennweite von 10mm aufweisen. Der Abstand der beiden Elemente kann demnach beispielsweise 20mm betragen. As already indicated in FIG. 6 and 3D, the optical elements 20, 224, 26 can have a distance which corresponds to the sum of the focal lengths of two optical elements 20, 224, 26 hit by the laser beam 10 in succession. For example, the in-coupling optics 20 can have a focal length of 10 mm and the first lens element 224 or the first mirror element 220 can have a focal length of 10 mm. The distance between the two elements can therefore be 20 mm, for example.
Die oben zu den Ausführungen mit Linsenelementen 224 beschriebenen Ausbildungen sind entsprechend analog auch für beschichtete Spiegelelemente 220 auszuführen. The configurations described above for the embodiments with lens elements 224 can also be implemented analogously for coated mirror elements 220 .
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. 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
1 Laser 1 laser
10 Laserstrahl 10 laser beam
12 Teleskop 100 Laserpuls 12 telescope 100 laser pulse
2 Vorrichtung 2 device
20 Einkoppeloptik 20 coupling optics
22 Anordnung von Linsenelementen22 arrangement of lens elements
220 Spiegelelement 224, 224‘ nichtlineare Optik mit Linsenwirkung220 mirror element 224, 224' non-linear optics with lens effect
26 Auskoppeloptik 26 decoupling optics
3 Fokus 3 focus
30 Linienfokus 30 line focus

Claims

24 Ansprüche 24 claims
1 . Vorrichtung (2) zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses (100) eines Laserstrahls (10), umfassend eine Einkoppeloptik (20), mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224, 224‘), und eine Auskoppeloptik (26), wobei die Einkoppeloptik (20) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) in die mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224, 224‘) einzukoppeln, und wobei die Auskoppeloptik (26) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) auszukoppeln, wobei der Laserpuls (100) des Laserstrahls (10) durch eine nichtlineare Wechselwirkung mit der mindestens einen nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung (224, 224‘) spektral verbreitert wird und der Laserstrahl (10) durch die Einkoppeloptik (20) und/oder die mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224, 224‘) fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlquerschnitt im Fokus (30) elongiert ist, wobei der Fokus (30) bevorzugt ein Linienfokus ist. 1 . Device (2) for spectral broadening of a laser pulse (100) of a laser beam (10), comprising in-coupling optics (20), at least one non-linear optic with a lens effect (224, 224'), and out-coupling optics (26), wherein the in-coupling optics (20 ) is set up to couple the laser beam (10) into the at least one non-linear optics with a lens effect (224, 224'), and wherein the decoupling optics (26) are set up to decouple the laser beam (10), the laser pulse (100) of the laser beam (10) is spectrally broadened by a non-linear interaction with the at least one non-linear optics with a lens effect (224, 224') and the laser beam (10) passes through the coupling optics (20) and/or the at least one non-linear optics with a lens effect (224 , 224') is focused, characterized in that the beam cross-section is elongated in the focus (30), the focus (30) preferably being a line focus.
2. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsspitzenleistung der Laserpulse (100) des Laserstrahls (10) größer als 3 MW und kleiner als 2 TW ist, bevorzugt größer als 30 MW und besonders bevorzugt bei 50 MW bis 500 GW liegt. 2. Device (2) according to claim 1, characterized in that the pulse peak power of the laser pulses (100) of the laser beam (10) is greater than 3 MW and less than 2 TW, preferably greater than 30 MW and particularly preferably at 50 MW to 500 GW lies.
3. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Phasenverschiebung des Laserpulses (100) durch die nichtlineare Wechselwirkung pro Linsenelement (224, 224‘) zwischen TT/20 und 4TT, bevorzugt zwischen TT/10 und 2TT beträgt. 3. Device (2) according to claim 1 or 2, characterized in that the nonlinear phase shift of the laser pulse (100) by the nonlinear interaction per lens element (224, 224 ') between TT / 20 and 4TT, preferably between TT / 10 and 2TT amounts to.
4. Vorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elongierte Fokus (30) zwischen der Einkoppeloptik (20) und einer nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung (224, 224‘) und/oder zwischen mindestens zwei nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung (224, 224‘) und/oder zwischen einer nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung (224, 224‘) und der Auskoppeloptik (26) in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, bevorzugt Luft, angeordnet ist, wobei besonders bevorzugt ein elongierter Fokus (30) zwischen allen nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung (224, 224‘) in dem flüssigen oder gasförmigen Medium angeordnet ist. 4. Device (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the elongated focus (30) between the coupling optics (20) and a nonlinear optics with a lens effect (224, 224') and/or between at least two nonlinear optics with a lens effect (224, 224') and/or between non-linear optics with a lens effect (224, 224') and the decoupling optics (26) in a liquid or gaseous medium, preferably air, with particularly preferably an elongated focus (30) between all non-linear optics with lens action (224, 224') is arranged in the liquid or gaseous medium.
5. Vorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen optischen Kompressor, der dazu eingerichtet ist, dass die Laserpulsdauer, aufgrund der spektralen Verbreiterung des Laserpulses (100), auf weniger als das 0,9-fache, bevorzugt auf weniger als das 0,7-fache der ursprünglichen Laserpulsdauer, komprimiert werden kann. 5. Device (2) according to one of the preceding claims, characterized by an optical compressor which is set up to reduce the laser pulse duration to less than 0.9 times due to the spectral broadening of the laser pulse (100). to less than 0.7 times the original laser pulse duration.
6. Vorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (20) und/oder die Auskoppeloptik (26) nicht-rotationssymmetrische Optiken sind, bevorzugt zylindersymmetrische Optiken und/oder zylindersymmetrische Linsen sind. 6. Device (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling optics (20) and/or the decoupling optics (26) are non-rotationally symmetrical optics, preferably cylindrically symmetrical optics and/or cylindrically symmetrical lenses.
7. Vorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung (224, 224‘) ein rotationssymmetrisches Linsenelement (224, 224‘) ist. 7. Device (2) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the non-linear optics with a lens effect (224, 224') is a rotationally symmetrical lens element (224, 224').
8. Vorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (20) und die Auskoppeloptik (26) jeweils als Linsen ausgebildet sind und wobei der Laserstrahl (10) beim Durchlaufen durch die Linsen (20, 26) der Einkoppeloptik und der Auskoppeloptik sowie durch die nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung (224, 224‘) nichtlinear mit dem Material der Linsen und dem Material der nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung (224, 224‘) wechselwirkt. 8. Device (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling-in optics (20) and the coupling-out optics (26) are each designed as lenses and wherein the laser beam (10) when passing through the lenses (20, 26) of the Coupling optics and the decoupling optics and through the non-linear optics with a lens effect (224, 224 ') interacts non-linearly with the material of the lenses and the material of the non-linear optics with a lens effect (224, 224').
9. Vorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weniger als 20 nichtlineare Optiken mit Linsenwirkung (224, 224‘), bevorzugt weniger als 10 nichtlineare Optiken mit Linsenwirkung (224, 224‘) mit dem Laserstrahl (10) nichtlinear wechselwirken. 9. Device (2) according to one of the preceding claims, characterized in that less than 20 non-linear optics with a lens effect (224, 224'), preferably less than 10 non-linear optics with a lens effect (224, 224') with the laser beam (10) interact nonlinearly.
10. Vorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, bevorzugt alle, nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung (224, 224‘) dieselbe Brennweite aufweisen oder dass zwei nichtlineare Optiken mit Linsenwirkung (224, 224‘) und/oder die Einkoppeloptik (20) und eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224, 224‘) und/oder eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224, 224‘) und die Auskoppeloptik (26), mit denen der Laserstrahl (10) jeweils nacheinander nichtlinear wechselwirkt, einen Abstand voneinander aufweisen, der zwischen dem 0,8-fachen und dem 1 ,2-fachen der Summe der Brennweiten der jeweiligen optischen Elemente beträgt.10. Device (2) according to one of the preceding claims, characterized in that at least two, preferably all, non-linear optics with a lens effect (224, 224') have the same focal length or that two non-linear optics with a lens effect (224, 224') and/or or the in-coupling optics (20) and non-linear optics with a lens effect (224, 224') and/or non-linear optics with a lens effect (224, 224') and the out-coupling optics (26), with which the laser beam (10) interacts non-linearly one after the other , have a distance from one another which is between 0.8 times and 1.2 times the sum of the focal lengths of the respective optical elements.
11 . Vorrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (20) und/oder die Auskoppeloptik (26) und oder mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung als Spiegelelement (220) ausgebildet ist, bevorzugt als durch ein rückseitig verspiegeltes Quarzglas Element ausgebildetes Spiegelelement (220). Verfahren zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses (100) eines Laserstrahls (10), wobei der Laserstrahl (10) durch eine Einkoppeloptik (20) in mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224) eingekoppelt wird, der Laserstrahl (10) die nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (22) durchläuft, wobei der Laserpuls (100) des Laserstrahls (10) durch eine nichtlineare Wechselwirkung mit der nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224, 224 ‘) spektral verbreitert wird, und der Laserstrahl (10) nach dem Durchlaufen der mindestens einen nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224, 224‘) durch eine Auskoppeloptik (26) ausgekoppelt wird, wobei der Laserstrahl (10) durch die Einkoppeloptik (20) und/oder mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224, 224‘) fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlquerschnitt im Fokus (30) elongiert ist, wobei der Fokus (30) bevorzugt ein Linienfokus ist. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der elongierte Fokus (30) zwischen der Einkoppeloptik (20) und der nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung (224, 224‘) und/oder zwischen mindestens zwei nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung (224, 224‘) und/oder zwischen einer nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung (224, 224 ‘) und der Auskoppeloptik (26) in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, bevorzugt Luft, ausgebildet wird und die Intensität des Laserstrahls (10) im Fokus (30) kleiner als die lonisationsschwelle des flüssigen oder gasförmigen Mediums ist, insbesondere eines Gases (240), ist und/oder die Pulsleistung des Laserpulses (100) des Laserstrahls (10) kleiner als die kritische Pulsspitzenleistung (Pent) ist und/oder eine nichtlineare Phasenverschiebung pro Durchgang durch den Resonator (22) zwischen TT/20 und 4TT, bevorzugt zwischen TT/10 und 2TT, beträgt. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, 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. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse (100) des Laserstrahls (10) mit einer Pulsspitzenleistung größer als 3 MW und kleiner als 2 TW bereitgestellt wird, bevorzugt größer als 30 MW und besonders bevorzugt bei 50 MW bis 500 GW. 11 . Device (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the in-coupling optics (20) and/or the out-coupling optics (26) and/or at least one non-linear optics with lens effect is designed as a mirror element (220), preferably as a quartz glass mirrored on the back Element formed mirror element (220). Method for spectral broadening of a laser pulse (100) of a laser beam (10), the laser beam (10) being coupled into at least one nonlinear optics with a lens effect (224) by a coupling optics (20), the laser beam (10) being the nonlinear optics with a lens effect (22), the laser pulse (100) of the laser beam (10) being spectrally broadened by a nonlinear interaction with the nonlinear optics with a lens effect (224, 224'), and the laser beam (10) after passing through the at least one nonlinear optics is coupled out with a lens effect (224, 224') by a coupling-out optics (26), the laser beam (10) being focused by the coupling-in optics (20) and/or at least one non-linear optics with a lens effect (224, 224'), characterized in that that the beam cross-section is elongated in the focus (30), the focus (30) preferably being a line focus. Method according to Claim 12, characterized in that the elongated focus (30) is between the coupling optics (20) and the non-linear optics with a lens effect (224, 224') and/or between at least two non-linear optics with a lens effect (224, 224') and /or is formed between non-linear optics with a lens effect (224, 224') and the decoupling optics (26) in a liquid or gaseous medium, preferably air, and the intensity of the laser beam (10) in the focus (30) is less than the ionization threshold of the is a liquid or gaseous 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 (Pent) 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. Method according to Claim 12 or 13, 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. Method according to one of Claims 12 to 14, characterized in that the laser pulses (100) of the laser beam (10) are provided with a pulse peak power greater than 3 MW and less than 2 TW, preferably greater than 30 MW and particularly preferably at 50 MW to 500GW.
PCT/EP2022/079092 2021-10-21 2022-10-19 Device and method for spectrally broadening a laser pulse WO2023066995A1 (en)

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014007159A1 (en) * 2014-05-15 2015-11-19 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Method and arrangement for the spectral broadening of laser pulses for non-linear pulse compression

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2892938B2 (en) 1994-06-20 1999-05-17 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレイション Wavelength converter
DE502005005756D1 (en) 2005-05-12 2008-12-04 Innovavent Gmbh Use of a disk laser for the crystallization of silicon layers
EP2202569B1 (en) 2007-10-01 2012-04-25 Panasonic Corporation Wavelength conversion laser device and image display device using the same
EP4111553A1 (en) 2020-02-26 2023-01-04 Trumpf Scientific Lasers GmbH & Co. KG Laser system comprising an optical system for the spectral broadening of pulsed laser radiation and method for the spectral broadening of pulsed laser radiation
DE102020004501B3 (en) 2020-07-26 2021-10-21 Keming Du Optical arrangements for increasing spectral bandwidths and shortening ultra-short pulses through non-linear self-phase modulation
DE102020004664A1 (en) 2020-08-01 2022-02-03 Keming Du Multistage spatial filter arrays using multipass cells and irises

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014007159A1 (en) * 2014-05-15 2015-11-19 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Method and arrangement for the spectral broadening of laser pulses for non-linear pulse compression

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
T. NAGY ET AL.: "Highenergy few-cycle pulses: post-compression techniques", ADVANCES IN PHYSICS: X, vol. 6, no. 1, 2021, pages 1845795, XP055849730, DOI: 10.1080/23746149.2020.1845795

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