WO2023285030A1 - Pulsmodifikationsvorrichtung mit mindestens einer pulsstreckungs- und/oder pulskompressionseinrichtung - Google Patents

Pulsmodifikationsvorrichtung mit mindestens einer pulsstreckungs- und/oder pulskompressionseinrichtung Download PDF

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WO2023285030A1
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pulse
dispersion
devices
stretching
laser pulses
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PCT/EP2022/065418
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Raphael SCELLE
Holger Diekamp
Aleksander BUDNICKI
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Trumpf Laser Gmbh
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10053—Phase control

Definitions

  • Pulse modification device with at least one pulse stretching and / or
  • the invention relates to a pulse modification device, comprising one or more pulse stretching devices for dispersive stretching of laser pulses and/or one or more pulse compression devices for dispersive compression of laser pulses.
  • the invention also relates to a pulse modification device comprising one or more pulse stretching devices for dispersive stretching of laser pulses and/or one or more pulse compression devices for dispersive compression of laser pulses and a modulation device for dispersive modulation of the laser pulses.
  • Laser pulses in particular ultra-short laser pulses, ie laser pulses with pulse durations in the picosecond range and below, are used in numerous areas of technology, for example in material processing including laser welding and laser cutting.
  • spectral phase An important variable in the description of laser pulses is the phase of the electrical field of the laser pulses in the frequency domain, the so-called spectral phase.
  • spectral phase A distinction can thus be made between unchirped laser pulses, which have a spectral phase that is constant or linearly dependent on the frequency, and chirped laser pulses, whose spectral phase has a more complex frequency dependency.
  • certain spectral components for example lower-frequency ones, precede other spectral components, for example higher-frequency ones.
  • Unchirped laser pulses are characterized by a minimal pulse duration for a given spectral width.
  • the properties of laser pulses can be influenced in a targeted manner by means of devices that have different effects on the individual spectral components of the laser pulses, that is, that are dispersive, in particular by means of devices that change the spectral phase.
  • High pulse qualities, short pulse durations and high pulse intensities are generally desirable.
  • pulse stretching devices for dispersive stretching of laser pulses
  • pulse compression devices for dispersive compression of laser pulses.
  • Unchirped and chirped laser pulses can be time-stretched using pulse stretching devices. The resulting time-stretched laser pulses are then chirped or more chirped. Chirped laser pulses can be temporally compressed using pulse compression devices. The resulting time-compressed laser pulses are then chirped or unchirped to a lesser extent.
  • Pulse stretching and pulse compression devices are often used in combination with a seed laser and an amplification device to generate ultra-short laser pulses with the highest pulse intensities.
  • the principle is known under the name of chirped pulse amplification.
  • Laser pulses from the seed laser for example a fiber laser, are first stretched in time by means of at least one pulse stretching device.
  • the stretched laser pulses are which is then amplified in the amplifying device, for example in a fiber amplifier.
  • the amplified laser pulses are time-compressed again by means of at least one pulse compression device. Without the time stretching before the amplification, the amplifier medium of the amplification device would be damaged or destroyed and the pulse properties would be impaired as a result of the high intensity and the associated non-linear effects.
  • a pulse modification device refers to a device for specifically influencing the properties of laser pulses.
  • a pulse modification device can include at least one pulse stretching device and/or at least one pulse compression device.
  • the pulse modification device then comprises only a pulse stretching device or only a pulse compression device.
  • a pulse modification device can also be an amplifier system for chirped pulse amplification of laser pulses, which includes both at least one pulse stretching device and at least one pulse compression device.
  • Pulse stretching and pulse compression devices can be implemented as free-radiating devices. These include grating and prism stretchers or grating and prism compressors, in which at least one grating or prism is used to separate and combine the individual spectral components. The separated spectral components have different propagation times in the stretchers or compressors before they are recombined, which leads to the desired temporal stretching or compression.
  • pulse stretching and pulse compression devices can also be implemented on the basis of a Bragg grating with a locally varying grating constant.
  • the Bragg grating can be inscribed in an optical fiber, for example. In this case one speaks of a fiber Bragg grating.
  • the dispersion of a pulse stretching or pulse compression device can be described mathematically via the accumulated spectral phase, f(w), of the laser pulses during propagation through the pulse stretching or pulse compression device will.
  • the pulse stretching or pulse compression device is typically characterized via the coefficients ⁇ of a Taylor expansion in the angular frequency, w, around the center frequency, w 0 , of the laser pulses.
  • ⁇ 2 group delay dispersion
  • ß 3 describes the temporal divergence and convergence of the laser pulses in the lowest order.
  • the higher orders, in particular third-order dispersion, ⁇ 3 also play a role.
  • Devices for adjusting the dispersion of a pulse stretching and/or pulse compression device or a device with a pulse stretching and/or a pulse compression device are also known in the prior art. Accurate adjustment of the dispersion is important in order to achieve the highest possible pulse quality, in particular the shortest possible pulse duration.
  • a laser system with a laser pulse source and a dispersion adjustment unit for pulse stretching or pulse compression of laser pulses with an arrangement with at least one dispersive element for generating angular dispersion and an optical unit arranged in the angular dispersion range is known from EP 3578287 A1.
  • the optical unit comprises a plane-parallel optical plate that transmits the laser pulses and causes a parallel offset of the individual spectral components of the laser pulses that depends on the angle of incidence.
  • a rotation of the optical disk affects the dispersion properties of the dispersion adjustment unit.
  • the pulse duration of the laser pulses in an output beam of the laser system can be adjusted by rotating the optical disk.
  • the known laser system further includes a pulse duration measuring device and a control unit.
  • the pulse duration measuring device is used to output a pulse duration-dependent measurement signal to the control unit.
  • the control device is used to control an angle setting device for setting an angular position of the optical disk as a function of the pulse duration measurement.
  • US Pat. No. 7,822,347 B1 discloses a chirped pulse amplification system with a pulse generator, a pulse stretcher, a pulse amplifier and a pulse compressor, as well as an adjustment element and a pulse measuring device.
  • the setting element is suitable for setting the group velocity dispersion of the chirped pulse amplification system and for regulating the pulse duration of the compressed pulses.
  • the adjustment element can either be used to adjust the dispersion of one of the existing elements of the chirped pulse amplification system, for example the pulse stretcher or the pulse compressor, or it is an additional dispersive element in the chirped pulse amplification system.
  • the pulse measuring device is suitable for measuring at least one pulse property of the compressed pulses, for example via multiphoton detection, an autocorrela tor or via a FROG (Frequency-Resolved Optical Gating) system.
  • the setting element is also designed to react to an output signal from the pulse measuring device.
  • the adjustment element serves to compensate for changes in dispersion that are due to changes in the environment or the optical path length of free-space elements.
  • the adjustment element is designed to apply a temperature gradient or an elongation gradient to a fiber Bragg grating.
  • known heart rate measuring devices including those mentioned above, usually have a relatively complex structure and are relatively expensive.
  • the object of the invention was to provide a pulse modification device with a pulse stretching device and/or a pulse compression device, in which the exiting laser pulses have constant pulse properties independently of at least one environmental parameter and which is also characterized by a simple and inexpensive design.
  • a pulse modification device comprising one or more pulse stretching devices for dispersive stretching of laser pulses and/or one or more pulse compression devices for dispersive compression of laser pulses, an adjusting device for adjusting the dispersion of the one or at least one the plurality of pulse stretching devices and/or the dispersion of one or at least one of the several pulse compression devices via at least one manipulated variable, as well as a control device for controlling the actuating device depending on a measurement signal and an environmental sensor device for detecting at least one environmental parameter, of which the dispersion of the one or at least one of the multiple pulse stretching devices and/or the dispersion of the one or at least one of the several pulse compression devices depends, as a measurement signal.
  • the environmental sensor device, the control device and the adjustment device serve to compensate for changes in the dispersion of the one or at least one of the multiple pulse stretching devices and/or the dispersion of the one or at least one of the multiple pulse compression devices that result from changes in the at least one environmental parameter.
  • the compensation can be complete or partial. If the pulse modification device has a plurality of pulse stretching devices and/or a plurality of pulse compression devices or both a pulse stretching device and a pulse compression device, the control device is preferably designed to compensate for the cumulative change in the dispersion.
  • the dispersion of at least one pulse stretching device and/or at least one pulse compression device can be adjusted by means of the adjusting device, which shows a change in the dispersion as a result of a change in the at least one environmental parameter.
  • the dispersion of at least one pulse stretching device and/or at least one pulse compression device can also be adjustable by means of the adjusting device, the dispersion of which does not depend on the at least one environmental parameter.
  • the pulse properties remain constant regardless of the ambient parameters. If the change in dispersion is not compensated for, this can lead to an undesired change in pulse duration, for example.
  • Changes in the dispersion arise in particular in pulse stretching and pulse compression devices that are designed as free-radiation devices, ie in pulse stretching and pulse compression devices in which the laser pulses propagate at least partially through air or another gas atmosphere.
  • a change in the at least one environmental parameter typically leads to a change in the refractive index of the air or the gas atmosphere, which in turn causes a change in the dispersion.
  • the pulse stretching device and the pulse compression device(s) in a pulse modification device are equally affected by a change in the refractive index, this does not affect the pulse duration. If these are not equally affected, e.g. in the case of a fiber-optic pulse stretching device and a free-beam pulse compression device or if the phases of the pulse stretching device(s) and the pulse compression device(s) do not compensate each other, the phase difference between the pulse stretching devices can change due to the change in refractive index - and pulse compression devices and thus change the pulse duration. This is the case in particular with highly dispersive (i.e. large phase components in orders higher than the second) pulse stretching and pulse compression devices.
  • the group delay dispersion of the pulse stretching and/or pulse compression device can be adjusted by means of the actuating device via the actuating variable.
  • the adjusting device can also be designed to set higher dispersion orders.
  • the control device is, for example, an electronic device, in particular a computer or microcontroller-based device.
  • the measurement signal is an electronic signal and the actuating device is actuated electronically.
  • the relationship between the change in the at least one environmental parameter and the change in the dispersion or the corresponding adjustment of the manipulated variable can also be stored in the control device, in particular, the control device can be correspondingly programmable.
  • the control device is, for example, a mechanical device, in particular a passive one mechanical setup.
  • the measurement signal can also be a mechanical signal, for example a displacement or a rotation.
  • the environmental sensor device is preferably suitable for detecting the at least one environmental parameter inside or in the vicinity of the pulse stretching device and/or inside or in the vicinity of the pulse compression device.
  • the pulse modification device can, for example, comprise both one or more pulse stretching devices and one or more pulse compression devices.
  • the pulse modification device can also include one or more pulse stretching devices but no pulse compression device.
  • the pulse modification device can comprise one or more pulse compression devices but no pulse stretching device.
  • pulse modification devices comprising both at least one pulse compression device and at least one pulse stretching device
  • the at least one pulse compression device is designed as a free-radiation device
  • the at least one pulse stretching device is implemented, for example, in fiber optics.
  • fiber optic devices typically have a number of advantages, including avoiding costly alignment
  • free-space devices can be used at high intensities.
  • Flea intensities occur, for example, in pulse compression devices that are part of a pulse modification device for chirped pulse amplification.
  • a change in the at least one environmental parameter can lead to a change in the refractive index, which in turn causes a change in the dispersion of the at least one pulse compression device designed as a free-radiation device. This can be compensated for via the environmental sensor device, the control device and the actuating device.
  • the environmental conditions can also be kept constant.
  • the pulse stretching and / or Pulse compression devices are encapsulated and thus (passively) isolated from environmental influences.
  • the environmental parameter can also be actively kept constant in the pulse stretching and/or pulse compression devices.
  • a pump can be used here for the ambient pressure.
  • the one or at least one of the multiple pulse stretching devices, the dispersion of which can be adjusted via the adjusting device, and/or the one or the at least one of the multiple pulse compression devices, the dispersion of which can be adjusted via the adjusting device comprises at least one dispersive optical element for Angular separation and merging of spectral components of the laser pulses.
  • the at least one dispersive optical element is, for example, at least one diffraction grating or at least one prism.
  • the stretching or compression of the laser pulses is due to the different propagation times of the spectral components.
  • the dispersion is adjusted by influencing the individual spectral components using the adjusting device.
  • the adjusting device has a plane-parallel transmissive optical element, which is arranged in such a way that the angularly separated spectral components of the laser pulses pass through it and experience a parallel offset dependent on the angle of incidence, with a rotation angle of the plane-parallel transmissive optical element forming the manipulated variable.
  • a rotation by the angle of rotation changes the beam path of the spectral components, which affects the dispersion of the pulse stretching device and/or the pulse compression device.
  • Details on setting the dispersion by means of a rotation of the plane-parallel transmissive optical element can be found in EP 3578287 A1, the content of which is hereby fully incorporated into the present application.
  • the precise relationship between the angle of rotation and the group delay dispersion is set out there.
  • the actuating device can have a stepping motor, for example.
  • the one or the at least one of the multiple pulse stretching devices includes their dispersion via the adjusting device is adjustable, and/or the one or at least one of the several pulse compression devices whose dispersion can be adjusted via the adjustment device, two dispersive optical elements and the adjustment device is designed to change a distance between the two dispersive optical elements that serves as an adjustment variable.
  • the dispersive optical elements are, for example, diffraction gratings, which are preferably arranged parallel to one another, or prisms.
  • the spectral components of the laser pulses can be separated using the first dispersive optical element, parallelized using the second dispersive optical element, reflected back using a reflective optical element and recombined using the dispersive optical elements.
  • the group delay dispersion is proportional to or linearly dependent on the distance between the two dispersive optical elements. All that is necessary, however, is that the dispersion, in particular the group delay dispersion, can be adjusted by adjusting the distance. To adjust the distance, the adjusting device can have a linear actuator, for example.
  • the one or at least one of the several pulse stretching devices, the dispersion of which can be adjusted via the adjusting device, and/or the one or the at least one of the several pulse compression devices, the dispersion of which can be adjusted via the adjusting device comprises a dispersive optical element and a deflection device and the adjustment device is designed to change a distance between the dispersive optical element and the deflection device that serves as an adjustment variable.
  • the deflection device is, for example, a deflection prism. Further details on such pulse compression or pulse stretching devices can be found in EP 3578287 A1.
  • the one or at least one of the multiple pulse stretching devices comprises a Bragg grating in a transparent material.
  • the Bragg grating is a chirped Bragg grating, ie a Bragg grating with a locally varying grating constant.
  • the different spectral components of the laser pulses are reflected at different depths in the Bragg grating Spectral components cover different optical paths, which ultimately leads to the desired time stretching.
  • the transparent material is in the form of an optical fiber, for example.
  • the Bragg grating is a fiber Bragg grating.
  • the Bragg grating can be influenced in a targeted manner by means of the adjusting device in such a way that the dispersion of the pulse stretching device changes to the desired extent.
  • the adjusting device comprises a heating and/or cooling device and causes a temperature profile in the transparent material that serves as a manipulated variable.
  • the optical properties of the Bragg grating can be specifically adjusted by means of the temperature curve; in particular, this changes the dispersion of the pulse stretching device.
  • the heating and/or cooling device can be implemented using one or more Peltier elements, for example.
  • the transparent material can be heated, for example, via the waste heat of an electrical resistor.
  • the actuating device is designed to cause a course of mechanical stress in the transparent material, in particular a tensile stress acting on the transparent material, that serves as a manipulated variable.
  • a tensile stress acting on the transparent material that serves as a manipulated variable.
  • an optical fiber with an inscribed fiber Bragg grating can be stretched by means of a tensile stress and a suitable adaptation of the dispersion can thus be achieved.
  • a pulse modification device comprising one or more pulse stretching devices for dispersive stretching of laser pulses and/or one or more pulse compression devices for dispersive compression of laser pulses, a modulation device for dispersive modulation of the laser pulses, a control device for Adjusting the dispersion of the modulation device, a control device for controlling the actuating device depending on a measurement signal, and an environmental sensor device for detecting at least one environmental parameter, from which the dispersion of the one or at least one of the several pulse stretching devices and/or the dispersion of the one or at least ei ner of the multiple pulse compression devices depends as a measurement signal.
  • the modulation device comprises, for example, at least one dispersive element for separating and combining the spectral components of the laser pulse.
  • the modulation device can also have a spatial light modulator, also known as a spatial light modulator (SLM), or a similar device, in order to bring about a phase difference for the spectral components individually and independently of one another and thus to influence the spectral phase of the laser pulses.
  • SLM spatial light modulator
  • the phase difference is achieved in spatial light modulators via an adjustable alignment of liquid crystals in a liquid crystal layer in a pixel array.
  • the alignment of the liquid crystals takes place via electrical fields, for the generation of which the actuating device has, for example, suitable electrodes.
  • the adjusting device is part of the spatial light modulator.
  • the at least one environmental parameter is preferably a temperature and/or an environmental pressure.
  • the environmental sensor device then has at least one pressure sensor and/or at least one temperature sensor.
  • the pressure sensor can be, for example, an absolute pressure cell or a piezoresistive or piezoelectric pressure sensor, and the temperature sensor can be a temperature-dependent measuring resistor or a semiconductor temperature sensor.
  • Temperature and pressure changes have a particular effect on the dispersion of pulse stretching and pulse compression devices that are designed as free-radiating devices.
  • a change in pressure and/or temperature causes a change in the refractive index of the air or gas atmosphere.
  • the background is that the accumulated spectral phase is not a function of frequency but of wavelength, which appears in the diffraction condition and the optical path length.
  • the accumulated spectral phase changes when the wavelength changes due to a change in the refractive index (whereas the frequency does not change).
  • the dependency between the temperature and the ambient pressure on the one hand and the refractive index on the other hand results for air, for example, from the so-called Edlen formula.
  • the ambient pressure is particularly dependent on distance and altitude.
  • the at least one environmental parameter can also be moisture, for example air humidity.
  • control device is designed to control the actuating device as a function of the measurement signal using an experimentally determined calibration curve, which shows the dependency of the dispersion of the one or at least one of the multiple pulse stretching devices and/or the dispersion of the one or the at least one of the multiple Pulse compression devices from the at least one environmental parameter be written.
  • an experimentally determined calibration curve which shows the dependency of the dispersion of the one or at least one of the multiple pulse stretching devices and/or the dispersion of the one or the at least one of the multiple Pulse compression devices from the at least one environmental parameter be written.
  • the relationship between the at least one environmental parameter and the dispersion must be known. This can be determined experimentally as a calibration curve, which is stored in the control device, for example.
  • the change in the group delay dispersion can be described using mathematical relationships of the specified form. If, in addition to such a mathematical relationship, the connection between the at least one environmental parameter and the refractive index is known, as in the case of air via the Edlen formula, then this results in a relationship between the change in the at least one environmental parameter and the change in the group delay dispersion. Appropriate control allows the change in dispersion to be compensated for without having to measure the pulse duration or any other pulse property.
  • the mathematical relationship is stored or stored in the control device, for example.
  • the mathematical relationship given describes, to at least a good approximation, the change in group delay dispersion for a given change in refractive index in many cases. Of the higher orders of dispersion, only the third-order dispersion, ß 3 , is included in the mathematical relationship.
  • the change in the dispersion, in particular the change in the pulse duration, due to a change in the refractive index is relevant above all in the case of highly dispersive pulse stretching and pulse compression devices.
  • this problem can subsequently be solved by using less dispersive pulse stretching and pulse compression devices.
  • these require very long distances and therefore a very large installation space or many folds in the beam path, which makes them more complex and expensive.
  • the problem does not arise in the case of pulse compression devices based on a volume Bragg grating.
  • the pulse modification device comprises an amplification device and is used to amplify the laser pulses according to the principle of chirped pulse amplification.
  • a pulse modification device can be part of an ultrashort pulse laser, for example.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a pulse modification device, comprising a pulse compression device with two dispersive optical elements in the form of diffraction gratings, an actuating device with a plane-parallel transmissive optical element, a control device and an environmental sensor device for detecting at least one environmental parameter, from which the dispersion of the pulse compression device depends;
  • FIG. 2 shows a simplified schematic representation of a pulse modification device, comprising a pulse stretching device and a pulse compression device, an adjusting device, a control device and an environment sensor device, the adjusting device being designed to adjust the dispersion of the pulse stretching device;
  • FIG. 3 shows a simplified schematic representation of a pulse modification device, comprising a pulse stretching device and a pulse compression device, a modulation device, an adjustment device, a control device and an environmental sensor device, the adjustment device being designed to adjust the dispersion of the modulation device;
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a pulse modification device, comprising a pulse compression device with a dispersive optical element and a deflection device.
  • Fig. 1 shows a schematic of a pulse modification device 1 with a pulse compression device 2 for the dispersive compression of laser pulses 3, a control device 4 for setting the dispersion of the pulse compression device 2 via at least one control variable S, and a control device 5 for controlling the control device 4 as a function of a measurement signal M.
  • the pulse modification device 1 further comprises an environmental sensor device 6 for detecting an environmental parameter U, on which the dispersion of the pulse compression device 2 depends, as a measurement signal M.
  • the pulse compression device 2 shown is designed in the form of a lattice compressor. It has two dispersive optical elements 7,7' in the form of diffraction gratings for angular separation and combination of the spectral components 8 of the laser pulses 3.
  • the pulse compression device 2 can also have only one or more than two dispersive optical elements 7, 7′.
  • the dispersive optical elements 7, 7' also do not have to be diffraction gratings.
  • the dispersive optical elements 7,7' can also be prisms.
  • the spectral components 8 are parallelized by the second dispersive optical element 7 ′ and then reflected back by a reflective optical element 9 d.
  • the reflective optical element 9 can be a deflection prism, for example.
  • the spectral components 8 that are reflected back are offset in height, so that the exiting laser pulses 3 ′ can be separated off with a separating mirror 10 .
  • the individual spectral components 8 have different transit times in the pulse compression device 2, which leads to the desired temporal compression.
  • the actuating device 4 shown comprises a plane-parallel transmissive optical element 11, which is arranged in such a way that the angularly separated spectral components 8 pass through it and experience a parallel offset that is dependent on the angle of incidence.
  • the dispersion of the pulse compression device 2, in particular its group delay dispersion, can be adjusted by rotating the optical element 11 by a rotation angle d serving as the manipulated variable S.
  • the actuating device can have, for example, a stepping motor, which is not shown here.
  • the adjusting device 4 can also be implemented differently.
  • a distance L between the dispersive optical elements 7, 7′ can serve as the correcting variable S, and the adjusting device 4 can be designed to change this distance L.
  • the actuating device 4 can have a linear actuator, for example. Changes in the dispersion of the pulse compression device 2, which result from a change in the environmental parameter U, are compensated for via the environmental sensor device 6, the control device 5 and the adjusting device 4. As a result, the pulse properties of the exiting laser pulses 3' remain constant regardless of the ambient parameter U.
  • the ambient parameter U is the ambient pressure.
  • the environmental sensor device 6 has a pressure sensor, not shown here.
  • another environmental parameter U can also be recorded, for example the temperature.
  • a number of environmental parameters U can also be detected and dispersion changes can be compensated for by changes in the number of environmental parameters U.
  • the pulse compression device 2 is a free beam device in which the laser pulses 3 or their spectral components 8 propagate at least partially through air.
  • a change in the ambient parameter U e.g change in dispersion.
  • the control device 5 can also be designed to control the actuating device 4 depending on the Measurement signal M based on an experimentally determined calibration curve to drive, which describes the dependence of the dispersion of the pulse compression device 2 on the ambient parameter U.
  • the pulse modification device 1 can also include a pulse stretching device.
  • the pulse stretching device can have two lenses, for example, in addition to the two dispersive optical elements 7,7'.
  • Pulse modification devices 1 comprising a pulse stretching device 12 for the dispersive stretching of laser pulses 3 and a pulse compression device 2 for the dispersive compression of the laser pulses 3 are shown in simplified schematic form in FIG. 2 and FIG. 3 .
  • the pulse modification devices 1 further include, for example, an amplification device 13 and are used to amplify the laser pulse 3 according to the principle of chirped pulse amplification.
  • the pulse modification devices 1 have an actuating device 4 and a control device 5 for actuating the actuating device 4 as a function of a measurement signal M and an environmental sensor device 6 for detecting an environmental parameter U, on which the dispersion of the pulse compression device 2 depends, as a measurement signal M.
  • the pulse compression devices 2 In this example, it is a matter of free jet devices and the ambient parameter U is the ambient pressure. A change in the ambient pressure leads to a change in the refractive index n and thus in the dispersion of the pulse compression devices 2.
  • the adjustment device 4 is used to adjust the dispersion of the pulse stretching device 12.
  • the change in the dispersion of the pulse compression device 2 is compensated for by adjusting the dispersion of the pulse stretching device 12, so that the pulse properties of the exiting laser pulses 3 'Remain constant regardless of the ambient parameter U.
  • the pulse stretching device 12 has a Bragg grating, not shown here, in a transparent material in the form of an optical one fiber up.
  • the Bragg grating is a fiber Bragg grating.
  • the adjusting device 4 comprises a heating and/or cooling device with Peltier elements, which is used to bring about a temperature curve T in the optical fiber that serves as a manipulated variable S, so that the dispersion of the pulse stretching device 12 changes in such a way that the change in the dispersion of the pulse compression device 2 is compensated.
  • the actuating device 4 can also be constructed differently.
  • the adjusting device can bring about a tensile stress, which serves as the adjusting variable S, in the optical fiber.
  • the transparent material need not be in the form of an optical fiber.
  • the pulse modification device 1 shown in FIG. 3 has a modulation device 14 for the dispersive modulation of the laser pulses 3 .
  • the change in the dispersion of the pulse compression device 2 is compensated for by adjusting the dispersion of the modulation device 14, so that the pulse properties of the exiting laser pulses 3' remain constant regardless of the ambient parameter U.
  • the modulation device 14 can, for example, comprise two diffraction gratings for splitting up and combining the spectral components 8 of the laser pulses 3 and a spatial light modulator, also known as a spatial light modulator (SLM), in order to bring about a phase difference for the spectral components 8 individually and independently of one another and thus to influence the spectral phase of the laser pulses 3 to be.
  • a spatial light modulator also known as a spatial light modulator (SLM)
  • the phase difference is achieved via an adjustable alignment of liquid crystals of a liquid crystal layer.
  • the setting device 4 has suitable electrodes for this purpose.
  • the modulation device 14 need not be based on a spatial light modulator. In principle, any device with which the spectral phase of the laser pulses 3 can be adjusted can be used here.
  • the modulation device 14 shown is arranged in the beam path of the laser pulses 3 in front of the amplification device 13 . Deviating from this, the modulation device 14 can also be arranged at other positions in the beam path, for example in front of the pulse stretching device 12 .
  • FIG. 4 shows a variant of the pulse modification device 1 shown in FIG. 1. Unlike in FIG. The setting device 4 is designed here, for example, to change the distance L, which is used as the setting variable S, between the dispersive optical element 7 and the deflection device 15 .
  • the deflection device 15 is, for example, but not necessarily a deflection prism.
  • the pulse modification device 1 can also comprise more than one pulse stretching device 12 and/or more than one pulse compression device 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pulsmodifikationsvorrichtung (1), umfassend eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen zur dispersiven Streckung von Laserpulsen (3) und/oder eine oder mehrere Pulskompressionseinrichtungen (2) zur dispersiven Kompression von Laserpulsen (3), eine Stelleinrichtung (4) zur Einstellung der Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulsstreckungseinrichtungenund/oder der Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulskompressionseinrichtungen (2) über mindestens eine Stellgröße (S), sowie eine Steuerungseinrichtung (5) zur Ansteuerung der Stelleinrichtung (4) in Abhängigkeit eines Messsignals (M). Die Pulsmodifikationsvorrichtung (1) umfasst erfindungsgemäßeine Umgebungssensoreinrichtung (6) zur Erfassung mindestens eines Umgebungsparameters (U), von dem die Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen und/oder die Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulskompressionseinrichtungen (2) abhängt, als Messsignal (M).

Description

Anmelder:
TRUMPF Laser GmbH Aichhalder Str. 39 D-78713 Schramberg
Pulsmodifikationsvorrichtung mit mindestens einer Pulsstreckungs- und/oder
Pulskompressionseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Pulsmodifikationsvorrichtung, umfassend eine oder meh rere Pulsstreckungseinrichtungen zur dispersiven Streckung von Laserpulsen und/oder eine oder mehrere Pulskompressionseinrichtungen zur dispersiven Kom pression von Laserpulsen. Die Erfindung betrifft ferner eine Pulsmodifikationsvorrich tung, umfassend eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen zur dispersiven Streckung von Laserpulsen und/oder eine oder mehrere Pulskompressionseinrich tungen zur dispersiven Kompression von Laserpulsen sowie eine Modulationseinrich tung zur dispersiven Modulation der Laserpulse. Laserpulse, insbesondere ultrakurze Laserpulse, also Laserpulse mit Pulsdauern im Pikosekundenbereich und darunter, finden auf zahlreichen Gebieten der Technik An wendung, beispielsweise in der Materialbearbeitung einschließlich dem Laserschwei ßen und dem Laserschneiden. Eine wichtige Größe in der Beschreibung von Laser pulsen ist die Phase des elektrischen Feldes der Laserpulse im Frequenzraum, die sogenannte spektrale Phase. Unterschieden werden kann damit zwischen unge- chirpten Laserpulsen, die eine spektrale Phase aufweisen, die konstant ist oder li near von der Frequenz abhängt, und gechirpten Laserpulsen, deren spektrale Phase eine komplexere Frequenzabhängigkeit aufweist. Vereinfacht gesagt eilen in einem gechirpten Laserpuls bestimmte Spektralanteile, beispielsweise niederfrequentere, anderen Spektralanteilen, beispielsweise höherfrequenteren, voraus. Ungechirpte Laserpulse zeichnen sich durch eine minimale Pulsdauer bei gegebener spektraler Breite aus.
Die Eigenschaften von Laserpulsen können mittels Einrichtungen, die sich auf die einzelnen Spektralanteile der Laserpulse unterschiedlich auswirken, die also disper- siv sind, insbesondere mittels Einrichtungen, welche die spektrale Phase verändern, gezielt beeinflusst werden. Im Allgemeinen erwünscht sind hohe Pulsqualitäten, kurze Pulsdauern und hohe Pulsintensitäten. Von besonderer Bedeutung sind Puls streckungseinrichtungen zur dispersiven Streckung von Laserpulsen und Pulskom pressionseinrichtungen zur dispersiven Kompression von Laserpulsen. Mittels Puls streckungseinrichtungen können ungechirpte und gechirpte Laserpulse zeitlich ge streckt werden. Die resultierenden zeitlich gestreckten Laserpulse sind dann gechirpt bzw. stärker gechirpt. Mittels Pulskompressionseinrichtungen können gechirpte La serpulse zeitlich komprimiert werden. Die resultierenden zeitlich komprimierten La serpulse sind dann weniger stark gechirpt oder ungechirpt.
Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen werden häufig gemeinsam in Kombination mit einem Seed-Laser und einer Verstärkungseinrichtung zum Erzeu gung ultrakurzer Laserpulse mit höchsten Pulsintensitäten eingesetzt. Das Prinzip ist unter dem Namen Chirped-Pulse-Amplification bekannt. Laserpulse des Seed-La- sers, beispielsweise eines Faserlasers, werden dabei zunächst mittels mindestens einer Pulsstreckungseinrichtung zeitlich gestreckt. Die gestreckten Laserpulse wer- den anschließend in der Verstärkungseinrichtung, beispielsweise in einem Faserver stärker, verstärkt. Nach der Verstärkung werden die verstärkten Laserpulse mittels mindestens einer Pulskompressionseinrichtung zeitlich wieder komprimiert. Ohne die zeitliche Streckung vor der Verstärkung würde in Folge der hohen Intensität und da mit einhergehender nichtlinearer Effekte das Verstärkermedium der Verstärkungsein richtung beschädigt oder zerstört und die Pulseigenschaften beeinträchtigt werden.
Verallgemeinernd bezeichnet im Sinne dieser Anmeldung eine Pulsmodifikationsvor richtung eine Vorrichtung zur gezielten Beeinflussung der Eigenschaften von Laser pulsen. Insbesondere kann eine Pulsmodifikationsvorrichtung mindestens eine Puls streckungseinrichtung und/oder mindestens eine Pulskompressionseinrichtung um fassen. Im einfachsten Fall umfasst die Pulsmodifikationsvorrichtung dann lediglich eine Pulsstreckungseinrichtung oder lediglich eine Pulskompressionseinrichtung. Al ternativ kann es sich bei einer Pulsmodifikationsvorrichtung aber auch um ein Ver stärkersystem zur Chirped-Pulse-Amplification von Laserpulsen handeln, das sowohl mindestens eine Pulsstreckungseinrichtung als auch mindestens eine Pulskompres sionseinrichtung umfasst.
Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen können zum einen als Frei strahleinrichtungen realisiert werden. Dazu zählen Gitter- und Prismenstrecker bzw. Gitter- und Prismenkompressoren, in welchen mindestens ein Gitter bzw. Prisma zur Auftrennung und Zusammenführung der einzelnen Spektralkomponenten dient. Die aufgetrennten Spektralkomponenten weisen unterschiedliche Laufzeiten in den Stre ckern bzw. Kompressoren auf, bevor diese erneut zusammengeführt werden, was zur gewünschten zeitlichen Streckung bzw. Komprimierung führt. Alternativ können Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen auch auf Basis eines Bragg- Gitters mit örtlich variierender Gitterkonstante realisiert werden. Das Bragg-Gitter kann beispielsweise in eine optische Faser eingeschrieben sein. In diesem Fall spricht man von einem Faser-Bragg-Gitter.
Die Dispersion einer Pulsstreckungs- bzw. Pulskompressionseinrichtung kann ma thematisch über die akkumulierte spektrale Phase, f(w), der Laserpulse bei der Pro pagation durch die Pulsstreckungs- bzw. Pulskompressionseinrichtung beschrieben werden. Die Charakterisierung der Pulsstreckungs- bzw. Pulskompressionseinrich tung erfolgt dabei typischerweise über die Koeffizienten, ß einer Taylor-Entwicklung
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in der Kreisfrequenz, w, um die Zentralfrequenz, w0, der Laserpulse. Von Bedeutung ist insbesondere die Gruppenverzögerungsdispersion, ß2, die das zeitliche Auseinan derlaufen bzw. Zusammenlaufen der Laserpulse in niedrigster Ordnung beschreibt. Bei hochdispersiven Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen spielen aber auch die höheren Ordnungen, insbesondere die Dispersion dritter Ordnung, ß3, eine Rolle.
Im Stand der Technik sind ferner Einrichtungen zur Einstellung der Dispersion einer Pulsstreckungs- und/oder Pulskompressionseinrichtung oder einer Vorrichtung mit einer Pulsstreckungs- und/oder einer Pulskompressionseinrichtung bekannt. Eine ge naue Einstellung der Dispersion ist wichtig, um eine möglichst hohe Pulsqualität, ins besondere eine möglichst kurze Pulsdauer, zu erzielen.
So ist aus der EP 3578287 A1 ein Lasersystem mit einer Laserpulsquelle und einer Dispersionsanpassungseinheit zur Pulsstreckung oder Pulskompression von Laser pulsen mit einer Anordnung mit mindestens einem dispersiven Element zur Erzeu gung von Winkeldispersion und einer im Winkeldispersionsbereich angeordneten op tischen Einheit bekannt. Die optische Einheit umfasst eine die Laserpulse transmittie- rende, planparallele optische Platte, die einen eintrittswinkelabhängigen Parallelver satz der einzelnen Spektralkomponenten der Laserpulse bewirkt. Eine Drehung der optischen Platte beeinflusst die Dispersionseigenschaften der Dispersionsanpas sungseinheit. Insbesondere kann durch eine Drehung der optischen Platte die Puls dauer der Laserpulse in einem Ausgangsstrahl des Lasersystems eingestellt werden. In einem Beispiel umfasst das bekannte Lasersystem ferner eine Pulsdauermessvor richtung und eine Steuerungseinheit. Die Pulsdauermessvorrichtung dient der Aus gabe eines pulsdauerabhängigen Messsignals an die Steuerungseinheit. Die Steue rungseinrichtung dient der Ansteuerung einer Winkeleinstellvorrichtung zur Einstel lung einer Winkelstellung der optischen Platte in Abhängigkeit der Pulsdauermes sung. In der US 7,822,347 B1 ist weiter ein Chirped-Pulse-Amplification-System mit einem Pulserzeuger, einem Pulsstrecker, einem Pulsverstärker und einem Pulskompressor, sowie einem Einstellelement und einer Pulsmesseinrichtung offenbart. Das Einstell element ist geeignet, die Gruppengeschwindigkeitsdispersion des Chirped-Pulse- Amplification-Systems einzustellen und die Pulsdauer der komprimierten Pulse zu re geln. Mittels des Einstellelements kann entweder die Dispersion eines der bereits vorhandenen Elemente des Chirped-Pulse-Amplification-Systems, beispielsweise des Pulsstreckers oder des Pulskompressors, eingestellt werden oder es handelt sich um ein zusätzliches dispersives Element im Chirped-Pulse-Amplification-Sys- tem. Die Pulsmesseinrichtung ist geeignet, mindestens eine Pulseigenschaft der komprimierten Pulse beispielsweise über Multiphotonendetektion, einen Autokorrela tor oder über ein FROG- (Frequency-Resolved Optical Gating) System zu messen. Das Einstellelement ist ferner ausgebildet, auf ein Ausgangssignal der Pulsmessein richtung zu reagieren. In einem Beispiel dient das Einstellelement dazu, Veränderun gen der Dispersion zu kompensieren, die auf Veränderungen der Umgebung oder der optischen Weglänge von Freistrahlelementen zurückzuführen sind. In weiteren Beispielen ist das Einstellelement ausgebildet, ein Faser-Bragg-Gitter mit einem Temperaturgradienten oder einem Dehnungsgradienten zu beaufschlagen.
Bekannte Pulsmesseinrichtungen, einschließlich der oben genannten, haben jedoch in der Regel einen relativ komplexen Aufbau und sind verhältnismäßig teuer.
Demgegenüber war es Aufgabe der Erfindung, eine Pulsmodifikationsvorrichtung mit einer Pulsstreckungseinrichtung und/oder einer Pulskompressionseinrichtung bereit zustellen, bei der die austretenden Laserpulse unabhängig von mindestens einem Umgebungsparameter gleichbleibende Pulseigenschaften aufweisen und die sich gleichzeitig durch einen einfachen und kostengünstigen Aufbau auszeichnet.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch eine Pulsmodifikations vorrichtung, umfassend eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen zur dispersi- ven Streckung von Laserpulsen und/oder eine oder mehrere Pulskompressionsein richtungen zur dispersiven Kompression von Laserpulsen, eine Stelleinrichtung zur Einstellung der Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulsstre ckungseinrichtungen und/oder der Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulskompressionseinrichtungen über mindestens eine Stellgröße, sowie eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Stelleinrichtung in Abhängigkeit ei nes Messsignals und eine Umgebungssensoreinrichtung zur Erfassung mindestens eines Umgebungsparameters, von dem die Dispersion der einen oder mindestens ei ner der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen und/oder die Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulskompressionseinrichtungen abhängt, als Messsignal.
Die Umgebungssensoreinrichtung, die Steuerungseinrichtung und die Stelleinrich tung dienen dazu, Veränderungen der Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen und/oder der Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulskompressionseinrichtungen zu kompensieren, die aus Veränderungen des mindestens einen Umgebungsparameters resultieren. Die Kompensation kann dabei vollständig oder teilweise erfolgen. Weist die Pulsmo difikationsvorrichtung mehrere Pulsstreckungseinrichtungen und/oder mehrere Puls kompressionseinrichtungen oder aber sowohl eine Pulsstreckungs- als auch eine Pulskompressionseinrichtung auf, so ist die Steuerungseinrichtung bevorzugt ausge bildet, die kumulierte Veränderung der Dispersion zu kompensieren.
Mittels der Stelleinrichtung kann beispielsweise die Dispersion mindestens einer Pulsstreckungs- und/oder mindestens einer Pulskompressionseinrichtung einstellbar sein, die eine Veränderung der Dispersion in Folge einer Veränderung des mindes tens einen Umgebungsparameters zeigt. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Dispersion mindestens einer Pulsstreckungs- und/oder mindestens einer Pulskom pressionseinrichtung mittels der Stelleinrichtung einstellbar sein, deren Dispersion nicht von dem mindestens einen Umgebungsparameter abhängt.
In Folge der Kompensation bleiben die Pulseigenschaften unabhängig vom Umge bungsparameter konstant. Wird die Veränderung der Dispersion nicht kompensiert, so kann dies beispielsweise zu einer ungewollten Pulsdaueränderung führen.
Veränderungen der Dispersion ergeben sich insbesondere in Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen, die als Freistrahleinrichtungen ausgebildet sind, also in Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen, in welchen die Laser pulse zumindest teilweise durch Luft oder eine andere Gasatmosphäre propagieren. Hier führt eine Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters typischer weise zu einer Veränderung des Brechungsindex der Luft oder der Gasatmosphäre, welche wiederum eine Veränderung der Dispersion bedingt.
Sind in einer Pulsmodifikationsvorrichtung die Pulsstreckungs- und die Pulskompres- sionseinrichtung(en) gleichermaßen von einer Brechungsindexänderung betroffen, wirkt sich diese nicht auf die Pulsdauer aus. Sind diese nicht gleichermaßen betrof fen, z.B. im Fall einer faseroptischen Pulsstreckungseinrichtung und einer Freistrahl- Pulskompressionseinrichtung oder falls sich die Phasen der Pulsstreckungseinrich- tung(en) und der Pulskompressionseinrichtung(en) nicht gegenseitig kompensieren, kann sich durch die Brechungsindexänderung die Phasendifferenz zwischen den Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen und damit die Pulsdauer än dern. Dies ist insbesondere bei hochdispersiven (d.h. große Phasenanteile in Ord nungen höher als der zweiten) Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen der Fall.
Mittels der Stelleinrichtung ist über die Stellgröße insbesondere die Gruppenverzöge rungsdispersion der Pulsstreckungs- und/oder Pulskompressionseinrichtung einstell bar. Die Stelleinrichtung kann aber auch ausgebildet sein, höhere Dispersionsord nungen einzustellen.
Die Steuerungseinrichtung ist beispielsweise eine elektronische Einrichtung, insbe sondere eine Computer- oder mikrocontrollerbasierte Einrichtung. Das Messsignal ist in diesem Fall ein elektronisches Signal und die Ansteuerung der Stelleinrichtung er folgt elektronisch. Um die Dispersion mittels der Stelleinrichtung so einstellen zu kön nen, dass die Veränderung der Dispersion kompensiert wird, kann der Zusammen hang zwischen der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters und der Veränderung der Dispersion bzw. der entsprechenden Anpassung der Stellgröße auch in der Steuerungseinrichtung hinterlegt sein, insbesondere kann die Steue rungseinrichtung entsprechend programmierbar sein. Alternativ ist die Steuerungs einrichtung beispielweise eine mechanische Einrichtung, insbesondere eine passive mechanische Einrichtung. In diesem Fall kann das Messsignal auch ein mechani sches Signal sein, zum Beispiel eine Verschiebung oder eine Drehung.
Die Umgebungssensoreinrichtung ist bevorzugt geeignet, den mindestens einen Um gebungsparameter innerhalb oder in der Umgebung der Pulsstreckungseinrichtung und/oder innerhalb oder in der Umgebung der Pulskompressionseinrichtung zu erfas sen.
Die Pulsmodifikationsvorrichtung kann beispielsweise sowohl eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen als auch eine oder mehrere Pulskompressionseinrich tungen umfassen. Alternativ kann die Pulsmodifikationseinrichtung auch eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen aber keine Pulskompressionseinrichtung um fassen. Schließlich kann die Pulsmodifikationseinrichtung eine oder mehrere Puls kompressionseinrichtungen aber keine Pulsstreckungseinrichtung umfassen.
In Pulsmodifikationsvorrichtungen, umfassend sowohl mindestens eine Pulskompres sionseinrichtung als auch mindestens eine Pulsstreckungseinrichtung ist bevorzugt lediglich die mindestens eine Pulskompressionseinrichtung als Freistrahleinrichtung ausgebildet, während die mindestens eine Pulsstreckungseinrichtung beispielsweise faseroptisch realisiert ist. Während faseroptische Einrichtungen typischerweise eine Vielzahl von Vorteilen haben, einschließlich der Vermeidung einer aufwendigen Jus tage, können Freistrahleinrichtungen bei hohen Intensitäten eingesetzt werden. Flohe Intensitäten treten beispielsweise in Pulskompressionseinrichtungen auf, die Teil ei ner Pulsmodifikationseinrichtung zur Chirped-Pulse-Amplification sind. Eine Verände rung des mindestens einen Umgebungsparameters kann zu einer Veränderung des Brechungsindex führen, die wiederum eine Veränderung der Dispersion der mindes tens einen als Freistrahleinrichtung ausgebildeten Pulskompressionseinrichtung be dingt. Diese ist über die Umgebungssensoreinrichtung, die Steuerungseinrichtung und die Stelleinrichtung kompensierbar.
Alternativ zur Kompensation der Veränderung der Dispersion über die Umgebungs sensoreinrichtung, Steuerungseinrichtung und Stelleinrichtung können die Umge bungsbedingungen (und damit in Freistrahleinrichtungen der Brechungsindex) auch konstant gehalten werden. Beispielsweise können die Pulsstreckungs- und/oder Pulskompressionseinrichtungen gekapselt und damit (passiv) von Umgebungsein flüssen isoliert werden. Auch kann der Umgebungsparameter in den Pulsstreckungs und/oder Pulskompressionseinrichtungen aktiv konstant gehalten werden. Für den Umgebungsdruck kann hier beispielsweise eine Pumpe verwendet werden.
In einer Ausführungsform umfasst die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, und/oder die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulskompressionsein richtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, mindestens ein dispersives optisches Element zur Winkelseparation und Zusammenführung von Spektralkomponenten der Laserpulse. Bei dem mindestens einen dispersiven opti schen Element handelt es sich beispielsweise um mindestens ein Beugungsgitter oder mindestens ein Prisma. Die Streckung beziehungsweise Kompression der La serpulse ist auf unterschiedliche Laufzeiten der Spektralkomponenten zurückzufüh ren. Die Einstellung der Dispersion erfolgt über eine Beeinflussung der einzelnen Spektralkomponenten mittels der Stelleinrichtung.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform weist die Stelleinrichtung ein planpa ralleles transmissives optisches Element auf, das so angeordnet ist, dass die winkel separierten Spektralkomponenten der Laserpulse durch dieses hindurchtreten und einen einfallswinkelabhängigen Parallelversatz erfahren, wobei ein Drehwinkel des planparallelen transmissiven optischen Elements die Stellgröße bildet. Durch eine Drehung um den Drehwinkel verändert sich der Strahlengang der Spektralkompo nenten, was sich auf die Dispersion der Pulsstreckungseinrichtung und/oder der Pulskompressionseinrichtung auswirkt. Details zur Einstellung der Dispersion mittels einer Drehung des planparallelen transmissiven optischen Elements finden sich in der EP 3578287 A1 , deren Inhalt hiermit vollumfänglich in die vorliegende Anmel dung aufgenommen wird. Insbesondere ist dort der genaue Zusammenhang zwi schen dem Drehwinkel und der Gruppenverzögerungsdispersion dargelegt. Zur Dre hung kann die Stelleinrichtung beispielsweise einen Schrittmotor aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, und/oder die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulskom pressionseinrichtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, zwei dispersive optische Elemente und die Stelleinrichtung ist ausgebildet, einen als Stellgröße dienenden Abstand zwischen den zwei dispersiven optischen Elementen zu verändern. Bei den dispersiven optischen Elementen handelt es sich zum Beispiel um Beugungsgitter, die bevorzugt parallel zueinander angeordnet sind, oder um Pris men. Beispielsweise können die Spektralkomponenten der Laserpulse mittels des ersten dispersiven optischen Elements aufgetrennt, mittels des zweiten dispersiven optischen Elements parallelisiert, mittels eines reflektiven optischen Elements zu rückreflektiert und mittels der dispersiven optischen Elemente wieder zusammenge führt werden. Typischerweise ist die Gruppenverzögerungsdispersion proportional zum oder linear abhängig vom Abstand zwischen den zwei dispersiven optischen Elementen. Notwendig ist jedoch lediglich, dass die Dispersion, insbesondere die Gruppenverzögerungsdispersion, über eine Anpassung des Abstands einstellbar ist. Zur Anpassung des Abstands kann die Stelleinrichtung beispielsweise einen Linea raktuator aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, und/oder die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulskom pressionseinrichtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, ein dispersives optisches Element und eine Umlenkeinrichtung und die Stelleinrichtung ist ausgebildet, einen als Stellgröße dienenden Abstand zwischen dem dispersiven optischen Element und der Umlenkeinrichtung zu verändern. Bei der Umlenkeinrich tung handelt es sich beispielsweise um ein Umlenkprisma. Weitere Details zu derarti gen Pulskompressions- beziehungsweise Pulsstreckungseinrichtungen finden sich in der EP 3578287 A1.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, ein Bragg-Gitter in einem transparenten Material. Bei dem Bragg-Gitter handelt es sich um ein gechirptes Bragg-Gitter, also ein Bragg-Gitter mit örtlich vari ierender Gitterkonstante. Die Reflexion der unterschiedlichen Spektralkomponenten der Laserpulse erfolgt in unterschiedlichen Tiefen im Bragg-Gitter, wodurch die Spektralkomponenten unterschiedliche optische Wege zurücklegen, was letztlich zur erwünschten zeitlichen Streckung führt. Das transparente Material liegt beispiels weise in Form einer optischen Faser vor. In diesem Fall ist das Bragg-Gitter ein Fa- ser-Bragg-Gitter. Mittels der Stelleinrichtung ist das Bragg-Gitter gezielt so beein flussbar, dass sich die Dispersion der Pulsstreckungseinrichtung im gewünschten Maße verändert.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform umfasst die Stelleinrichtung eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung und bewirkt einen als Stellgröße dienenden Tempe raturverlauf im transparenten Material. Mittels des Temperaturverlaufs können die optischen Eigenschaften des Bragg-Gitters gezielt eingestellt werden; insbesondere verändert sich dadurch die Dispersion der Pulsstreckungseinrichtung. Die Heiz- und/oder Kühleinrichtung kann beispielsweise über ein oder mehrere Peltier-Ele mente realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann das transparente Material beispielsweise über die Abwärme eines elektrischen Widerstands geheizt werden.
In einer alternativen Weiterbildung ist die Stelleinrichtung dazu ausgebildet, einen als Stellgröße dienenden Verlauf einer mechanischen Spannung im transparenten Mate rial, insbesondere eine auf das transparente Material wirkende Zugspannung zu be wirken. Insbesondere kann eine optische Faser mit einem eingeschriebenen Faser- Bragg-Gitter mittels einer Zugspannung gedehnt und damit eine geeignete Anpas sung der Dispersion erzielt werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt gelöst durch eine Pulsmodifikationsvorrichtung, umfassend eine oder mehrere Pulsstreckungsein richtungen zur dispersiven Streckung von Laserpulsen und/oder eine oder mehrere Pulskompressionseinrichtungen zur dispersiven Kompression von Laserpulsen, eine Modulationseinrichtung zur dispersiven Modulation der Laserpulse, eine Stelleinrich tung zur Einstellung der Dispersion der Modulationseinrichtung, eine Steuerungsein richtung zur Ansteuerung der Stelleinrichtung in Abhängigkeit eines Messsignals und eine Umgebungssensoreinrichtung zur Erfassung mindestens eines Umgebungspa- rameters, von dem die Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen und/oder die Dispersion der einen oder mindestens ei ner der mehreren Pulskompressionseinrichtungen abhängt, als Messsignal. Die Modulationseinrichtung umfasst beispielsweise mindestens ein dispersives Ele ment zum Separieren und Zusammenführen der Spektralkomponenten der Laser pulse. Die Modulationseinrichtung kann weiter einen räumlichen Lichtmodulator, auch Spatial Light Modulator (SLM) genannt, oder eine ähnliche Einrichtung aufwei sen, um für die Spektralkomponenten einzeln und unabhängig voneinander einen Phasenunterschied zu bewirken und damit die spektrale Phase der Laserpulse zu beeinflussen. Der Phasenunterschied wird in räumlichen Lichtmodulatoren über eine einstellbare Ausrichtung von Flüssigkristallen einer Flüssigkristallschicht in einem Pi- xelarray erzielt. Die Ausrichtung der Flüssigkristalle erfolgt über elektrische Felder, zu deren Erzeugung die Stelleinrichtung beispielsweise geeignete Elektroden auf weist. Die Stelleinrichtung ist in diesem Fall Teil des räumlichen Lichtmodulators. Be züglich der Steuerungseinrichtung und der Umgebungssensoreinrichtung wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Umgebungsparameter eine Temperatur und/ oder ein Umgebungsdruck. Die Umgebungssensoreinrichtung weist dann mindes tens einen Druck- und/oder mindestens einen Temperatursensor auf. Bei dem Druck sensor kann es sich beispielsweise um eine Absolutdruckmessdose oder einen pie zoresistiven oder piezoelektrischen Drucksensor, bei dem Temperatursensor um ei nen temperaturabhängigen Messwiderstand oder einen Halbleiter-Temperatursensor handeln. Temperatur- und Druckänderungen wirken sich insbesondere auf die Dis persion von Pulstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen aus, die als Frei strahleinrichtungen ausgebildet sind. Hier bedingt eine Veränderung des Drucks und/oder der Temperatur eine Veränderung des Brechungsindex der Luft bzw. der Gasatmosphäre. Hintergrund ist, dass die akkumulierte spektrale Phase keine Funk tion der Frequenz, sondern der Wellenlänge ist, die in der Beugungsbedingung und der optischen Weglänge auftaucht. Damit ändert sich die akkumulierte spektrale Phase, wenn sich die Wellenlänge durch eine Änderung des Brechungsindex ändert (die Frequenz ändert sich hingegen nicht). Die Abhängigkeit zwischen der Tempera tur und dem Umgebungsdruck auf der einen Seite und dem Brechungsindex auf der anderen Seite ergibt sich für Luft beispielsweise aus der sogenannten Edlen-Formel. Der Umgebungsdruck ist insbesondere weiter- und höhenabhängig. Bei dem min destens einen Umgebungsparameter kann es sich aber auch um eine Feuchtigkeit, beispielsweise eine Luftfeuchtigkeit handeln.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet, die Stelleinrichtung in Abhängigkeit des Messsignals anhand einer experimentell be stimmten Kalibrationskurve anzusteuern, welche die Abhängigkeit der Dispersion der einen oder der mindestens einen der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen und/oder der Dispersion der einen oder der mindestens einen der mehreren Puls kompressionseinrichtungen von dem mindestens einen Umgebungsparameter be schreibt. Für die Kompensation der Veränderung der Dispersion muss der Zusam menhang zwischen dem mindestens einen Umgebungsparameter und der Disper sion bekannt sein. Dieser kann experimentell als Kalibrationskurve bestimmt werden, welche beispielweise in der Steuerungseinrichtung hinterlegt bzw. gespeichert ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet, die Stelleinrichtung in Abhängigkeit des Messsignals anhand einer mathematischen Be ziehung der Form dß2 = F (ß3, ß4 ßm, w0, dn) zwischen einer Veränderung, dn, eines Brechungsindex, n, innerhalb der einen oder der mindestens einen der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen und/oder innerhalb der einen oder der mindestens einen der mehreren Pulskompressionseinrichtungen, welche aus der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters resul tiert, der dadurch bedingten Veränderung, dß2, der Gruppenverzögerungsdispersion, ß2 , sowie der Dispersion höherer Ordnung, ß3,ß4 ßm, und der Zentralfrequenz, w0, der Laserpulse anzusteuern. Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich bei Puls- streckungs- und Pulskompressionseinrichtungen in Form von Freistrahleinrichtungen die Veränderung der Gruppenverzögerungsdispersion über mathematische Bezie hungen der angegebenen Form beschreiben lässt. Ist zusätzlich zu einer solchen mathematischen Beziehung der Zusammenhang zwischen dem mindestens einen Umgebungsparameter und dem Brechungsindex bekannt, wie im Fall von Luft über die Edlen-Formel, so ergibt sich daraus eine Beziehung zwischen der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters und der Veränderung der Gruppen- Verzögerungsdispersion. Eine entsprechende Ansteuerung erlaubt eine Kompensa tion der Veränderung der Dispersion, ohne dass die Pulsdauer oder eine andere Pul seigenschaft gemessen werden muss. Die mathematische Beziehung ist beispiels weise in der Steuerungseinrichtung hinterlegt bzw. gespeichert.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die mathematische Beziehung die Folgende: dß2 = b3w0άh. Die angegebene mathematische Beziehung beschreibt die Veränderung der Gruppenverzögerungsdispersion bei einer gegebenen Veränderung des Brechungsindex in vielen Fällen in zumindest guter Näherung. Von den höheren Ordnungen der Dispersion geht lediglich die Dispersion dritter Ordnung, ß3, in die mathematische Beziehung ein.
Die Veränderung der Dispersion, insbesondere die Veränderung der Pulsdauer, durch eine Veränderung des Brechungsindex ist vor allem bei hochdispersiven Puls- streckungs- und Pulskompressionseinrichtungen relevant. Alternativ kann dieses Problem in der Folge gelöst werden, indem weniger dispersive Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen eingesetzt werden. Diese benötigen aber sehr große Wegstrecken und damit einen sehr großen Bauraum oder viele Faltungen im Strah lengang, was sie komplexer und teurer macht. Bei Pulskompressionseinrichtungen auf Basis eines Volumen-Bragg-Gitters tritt das Problem nicht auf. Diese erlauben derzeit allerdings kleinere Streckfaktoren als Freistrahl-Pulskompressionseinrichtun- gen und damit niedrigere Pulsenergien.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Pulsmodifikationsvorrichtung eine Verstärkungseinrichtung und dient zur Verstärkung der Laserpulse nach dem Prinzip der Chirped-Pulse-Amplification. Eine solche Pulsmodifikationsvorrichtung kann bei spielweise Teil eines Ultrakurzpulslasers sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein. Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Pulsmodifikationsvorrichtung, um fassend eine Pulskompressionsvorrichtung mit zwei dispersiven opti schen Elementen in Form von Beugungsgittern, eine Stelleinrichtung mit einem planparallelen transmissiven optischen Element, eine Steue rungseinrichtung und eine Umgebungssensoreinrichtung zur Erfassung mindestens eines Umgebungsparameters, von dem die Dispersion der Pulskompressionseinrichtung abhängt;
Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Pulsmodifikationsvor richtung, umfassend eine Pulsstreckungseinrichtung und eine Pulskom pressionseinrichtung, eine Stelleinrichtung, eine Steuerungseinrichtung und eine Umgebungssensoreinrichtung, wobei die Stelleinrichtung zur Einstellung der Dispersion der Pulsstreckungseinrichtung ausgebildet ist;
Fig. 3 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Pulsmodifikationsvor richtung, umfassend eine Pulsstreckungseinrichtung und eine Pulskom pressionseinrichtung, eine Modulationseinrichtung, eine Stelleinrich tung, eine Steuerungseinrichtung und eine Umgebungssensoreinrich tung, wobei die Stelleinrichtung zur Einstellung der Dispersion der Mo dulationseinrichtung ausgebildet ist; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Pulsmodifikationsvorrichtung, um fassend eine Pulskompressionsvorrichtung mit einem dispersiven opti schen Element und einer Umlenkeinrichtung.
Fig. 1 zeigt eine schematisch eine Pulsmodifikationsvorrichtung 1 mit einer Pulskom pressionseinrichtung 2 zur dispersiven Kompression von Laserpulsen 3, eine Stel leinrichtung 4 zur Einstellung der Dispersion der Pulskompressionseinrichtung 2 über mindestens eine Stellgröße S sowie eine Steuerungseinrichtung 5 zur Ansteuerung der Stelleinrichtung 4 in Abhängigkeit eines Messsignals M. Die Pulsmodifikations vorrichtung 1 umfasst weiter eine Umgebungssensoreinrichtung 6 zur Erfassung ei nes Umgebungsparameters U, von dem die Dispersion der Pulskompressionseinrich tung 2 abhängt, als Messsignal M. Die dargestellte Pulskompressionseinrichtung 2 ist in Form eines Gitterkompressors ausgeführt. Sie weist zwei dispersive optische Elemente 7,7‘ in Form von Beugungs gittern zur Winkelseparation und Zusammenführung der Spektralkomponenten 8 der Laserpulse 3 auf. Die Pulskompressionseinrichtung 2 kann alternativ aber auch nur ein oder mehr als zwei dispersive optische Elemente 7,7‘aufweisen. Auch muss es sich bei den dispersiven optischen Elementen 7,7' nicht um Beugungsgitter handeln. Beispielsweise können die dispersiven optischen Elemente 7,7' auch Prismen sein.
Die eintretenden Laserpulse 3, die gechirpt sind, treffen zunächst auf das erste dis persive optische Element 7, wodurch diese in ihre Spektralkomponenten 8 separiert werden und in unterschiedliche Richtungen propagieren. Durch das zweite dispersive optische Element 7' werden die Spektralkomponenten 8 parallelisiert und anschlie ßend von einem reflektiven optischen Element 9 zurückreflektiert. Bei dem reflektiven optischen Element 9 kann es sich beispielsweise um ein Umlenkprisma handeln. Die zurückreflektierten Spektralkomponenten 8 sind in diesem Fall in der Höhe versetzt, sodass die austretenden Laserpulse 3' mit einem Abtrennspiegel 10 abgetrennt wer den können. Die einzelnen Spektralkomponenten 8 weisen in der Pulskompressions einrichtung 2 unterschiedliche Laufzeiten auf, was zur gewünschten zeitlichen Kom pression führt.
Die dargestellte Stelleinrichtung 4 umfasst ein planparalleles transmissives optisches Element 11, das so angeordnet ist, dass die winkelseparierten Spektralkomponenten 8 durch dieses hindurchtreten und einen einfallswinkelabhängigen Parallelversatz er fahren. Durch eine Drehung des optischen Elements 11 um einen als Stellgröße S dienenden Drehwinkel d ist die Dispersion der Pulskompressionseinrichtung 2, insbe sondere deren Gruppenverzögerungsdispersion, einstellbar. Zur Drehung des opti schen Elements 11 kann die Stelleinrichtung beispielsweise einen hier nicht darge stellten Schrittmotor aufweisen.
Die Stelleinrichtung 4 kann aber auch anders realisiert werden. Beispielsweise kann ein Abstand L zwischen den dispersiven optischen Elementen 7,7' als Stellgröße S dienen, und die Stelleinrichtung 4 kann ausgebildet sein, diesen Abstand L zu verän dern. Die Stelleinrichtung 4 kann dazu beispielweise einen Linearaktuator aufweisen. Über die Umgebungssensoreinrichtung 6, die Steuerungseinrichtung 5 und die Stell einrichtung 4 werden Veränderungen der Dispersion der Pulskompressionseinrich tung 2, die aus einer Veränderung des Umgebungsparameters U kompensiert. Die Pulseigenschaften der austretenden Laserpulse 3‘ bleiben dadurch unabhängig vom Umgebungsparameter U konstant.
Im dargestellten Beispiel handelt es sich bei dem Umgebungsparameter U um den Umgebungsdruck. Die Umgebungssensoreinrichtung 6 weist einen hier nicht darge stellten Drucksensor auf. Es kann aber auch ein anderer Umgebungsparameter U er fasst werden, beispielsweise die Temperatur. Auch können mehrere Umgebungspa rameter U erfasst und Dispersionsänderungen durch Veränderungen der mehreren Umgebungsparameter U kompensiert werden.
Die Pulskompressionseinrichtung 2 ist eine Freistrahleinrichtung, in der die Laser pulse 3 bzw. deren Spektralkomponenten 8 zumindest teilweise durch Luft propagie ren. Eine Veränderung des Umgebungsparameters U, z.B. des Umgebungsdrucks, führt nun zu einer Veränderung d n des Brechungsindex n der Luft, die wiederum eine Veränderung der Dispersion bedingt. Die Steuerungseinrichtung 5 ist nun aus gebildet, die Stelleinrichtung 4 in Abhängigkeit des Messsignals M anhand einer ma thematischen Beziehung der Form dß2=F (ß3, ß4 ßm, w0, dn) zwischen der Veränderung dn des Brechungsindex n in nerhalb der Pulskompressionseinrichtung 2 und der dadurch bedingten Veränderung dß2 der Gruppenverzögerungsdispersion ß2 der Pulskompressionseinrichtung 2 so wie der Zentralfrequenz w0 der Laserpulse 3 und der Dispersion höherer Ordnung ß3, ß4 ßm der Pulskompressionseinrichtung 2 anzusteuern. Genauer ist die Steue rungseinrichtung 5 beispielhaft ausgebildet, die Stelleinrichtung 4 in Abhängigkeit des Messsignals M anhand der mathematischen Beziehung dß2 = b3w0 dn anzusteuern. Abweichungen von dieser mathematischen Beziehung, insbesondere kleinere Abweichungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Alternativ kann die Steue rungseinrichtung 5 auch ausgebildet sein, die Stelleinrichtung 4 in Abhängigkeit des Messsignals M anhand einer experimentell bestimmten Kalibrationskurve anzusteu ern, welche die Abhängigkeit der Dispersion der Pulskompressionseinrichtung 2 von dem Umgebungsparameter U beschreibt.
Anstelle einer Pulskompressionseinrichtung 2 kann die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 auch eine Pulsstreckungseinrichtung umfassen. Zur Erzielung einer positiven Dis persion kann die Pulsstreckungseinrichtung zusätzlich zu den zwei dispersiven opti schen Elementen 7,7' beispielsweise zwei Linsen aufweisen.
In Fig. 2 und Fig. 3 sind Pulsmodifikationsvorrichtungen 1 umfassend eine Pulsstre ckungseinrichtung 12 zur dispersiven Streckung von Laserpulsen 3 und eine Puls kompressionseinrichtung 2 zur dispersiven Kompression der Laserpulse 3 verein facht schematisch dargestellt. Die Pulsmodifikationsvorrichtungen 1 umfassen weiter beispielhaft eine Verstärkungseinrichtung 13 und dienen zur Verstärkung der Laser pulse 3 nach dem Prinzip der Chirped-Pulse-Amplification.
Die Pulsmodifikationsvorrichtungen 1 weisen eine Stelleinrichtung 4 sowie eine Steu erungseinrichtung 5 zur Ansteuerung der Stelleinrichtung 4 in Abhängigkeit eines Messsignals M und eine Umgebungssensoreinrichtung 6 zur Erfassung eines Umge bungsparameters U, von welchem die Dispersion der Pulskompressionseinrichtung 2 abhängt, als Messsignal M. Bei den Pulskompressionseinrichtungen 2 handelt es sich in diesem Beispiel um Freistrahleinrichtungen und bei dem Umgebungsparame ter U um den Umgebungsdruck. Eine Veränderung des Umgebungsdrucks führt zu einer Veränderung des Brechungsindex n und damit der Dispersion der Pulskom pressionseinrichtungen 2.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Pulsmodifikationsvorrichtung 1 dient die Stelleinrichtung 4 zur Einstellung der Dispersion der Pulsstreckungseinrichtung 12. Die Veränderung der Dispersion der Pulskompressionseinrichtung 2 wird in diesem Fall über die Ein stellung der Dispersion der Pulsstreckungseinrichtung 12 kompensiert, sodass die Pulseigenschaften der austretenden Laserpulse 3' unabhängig vom Umgebungspa rameter U konstant bleiben. Die Pulsstreckungseinrichtung 12 weist ein hier nicht dargestelltes Bragg-Gitter in einem transparenten Material in Form einer optischen Faser auf. Bei dem Bragg-Gitter handelt es sich in diesem Beispiel also um ein Fa- ser-Bragg-Gitter. Die Stelleinrichtung 4 umfasst eine Heiz und/oder Kühleinrichtung mit Peltierelementen, welche dazu dient, einen als Stellgröße S dienenden Tempera turverlauf T in der optischen Faser zu bewirken, sodass sich die Dispersion der Puls streckungseinrichtung 12 so verändert, dass die Dispersionsänderung der Pulskom pressionseinrichtung 2 kompensiert wird. Die Stelleinrichtung 4 kann aber auch an ders aufgebaut sein. Beispielsweise kann die Stelleinrichtung eine als Stellgröße S dienende Zugspannung in der optischen Faser bewirken. Das transparente Material muss außerdem nicht in Form einer optischen Faser vorliegen.
Die in Fig. 3 gezeigte Pulsmodifikationsvorrichtung 1 weist eine Modulationseinrich tung 14 zur dispersiven Modulation der Laserpulse 3 auf. Die Veränderung der Dis persion der Pulskompressionseinrichtung 2 wird in diesem Fall über die Einstellung der Dispersion der Modulationseinrichtung 14 kompensiert, sodass die Pulseigen schaften der austretenden Laserpulse 3‘ unabhängig vom Umgebungsparameter U konstant bleiben.
Die Modulationseinrichtung 14 kann beispielsweise zwei Beugungsgitter zur Aufspal tung und Zusammenführung der Spektralkomponenten 8 der Laserpulse 3 und einen räumlichen Lichtmodulator, auch Spatial Light Modulator (SLM) genannt, umfassen, um für die Spektralkomponenten 8 einzeln und unabhängig voneinander einen Pha senunterschied zu bewirken und damit die spektrale Phase der Laserpulse 3 zu be einflussen. Im räumlichen Lichtmodulator wird der Phasenunterschied über eine ein stellbare Ausrichtung von Flüssigkristallen einer Flüssigkristallschicht erzielt. Die Stelleinrichtung 4 weist dazu geeignete Elektroden auf. Die Modulationseinrichtung 14 muss aber nicht auf einem räumlichen Lichtmodulator basieren. Grundsätzlich kann hier jede Einrichtung zum Einsatz kommen, mit der die spektrale Phase der La serpulse 3 einstellbar ist.
Die dargestellte Modulationseinrichtung 14 ist im Strahlengang der Laserpulse 3 vor der Verstärkungseinrichtung 13 angeordnet. Abweichend davon kann die Modulati onseinrichtung 14 auch an anderen Positionen im Strahlengang, beispielsweise vor der Pulsstreckungseinrichtung 12, angeordnet sein. Die Fig. 4 zeigt eine Variante der in Fig.1 dargestellten Pulsmodifikationsvorrichtung 1. Anders als in Fig. 1 weist die Pulskompressionseinrichtung 2 eine Umlenkeinrich tung 15 und nur ein dispersives optisches Element 7 auf. Die Stelleinrichtung 4 ist hier beispielhaft dazu ausgebildet, den als Stellgröße S dienenden Abstand L zwi- sehen dem dispersiven optischen Element 7 und der Umlenkeinrichtung 15 zu verän dern. Bei der Umlenkeinrichtung 15 handelt es sich hier beispielhaft, jedoch nicht notwendigerweise um ein Umlenkprisma.
Anders als in den Fign. 1-4 dargestellt kann die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 auch mehr als eine Pulsstreckungseinrichtung 12 und/oder mehr als eine Pulskompressi onseinrichtung 2 umfassen.

Claims

Patentansprüche
1. Pulsmodifikationsvorrichtung (1), umfassend:
- eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen (12) zur dispersiven Stre ckung von Laserpulsen (3) und/oder eine oder mehrere Pulskompressions einrichtungen (2) zur dispersiven Kompression von Laserpulsen (3),
- eine Stelleinrichtung (4) zur Einstellung der Dispersion der einen oder min destens einer der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen (12) und/oder der Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulskom pressionseinrichtungen (2) über mindestens eine Stellgröße (S), sowie
- eine Steuerungseinrichtung (5) zur Ansteuerung der Stelleinrichtung (4) in Abhängigkeit eines Messsignals (M), gekennzeichnet durch eine Umgebungssensoreinrichtung (6) zur Erfassung mindestens eines Umgebungsparameters (U), von dem die Dispersion der ei nen oder mindestens einer der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen (12) und/oder die Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Puls kompressionseinrichtungen (2) abhängt, als Messsignal (M).
2. Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen (12), deren Dispersion über die Stelleinrichtung (4) einstellbar ist, und/oder die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulskompressionseinrichtungen (2), deren Dispersion über die Stelleinrichtung (4) einstellbar ist, mindestens ein dispersives optisches Element (7,7‘) zur Winkelseparation und Zusam menführung von Spektralkomponenten (8) der Laserpulse (3) umfasst.
3. Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (4) ein planparalleles transmissives optisches Element (11) aufweist, das so angeordnet ist, dass die winkelseparierten Spektralkom- ponenten (8) der Laserpulse (3) durch dieses hindurchtreten und einen ein fallswinkelabhängigen Parallelversatz erfahren, wobei ein Drehwinkel (d) des planparallelen transmissiven optischen Elements (11) die Stellgröße (S) bildet.
4. Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen (12), deren Dispersion über die Stelleinrichtung (4) einstellbar ist, und/oder die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulskompressionseinrichtungen (2), deren Dispersion über die Stelleinrichtung (4) einstellbar ist, zwei disper- sive optische Elemente (7,7‘) umfasst und die Stelleinrichtung (4) ausgebildet ist, einen als Stellgröße (S) dienenden Abstand (L) zwischen den zwei disper- siven optischen Elementen (7,7‘) zu verändern.
5. Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen (12), deren Dispersion über die Stelleinrichtung (4) einstellbar ist, und/oder die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulskompressionseinrichtungen (2), deren Dispersion über die Stelleinrichtung (4) einstellbar ist, ein dispersi- ves optisches Element (7) und eine Umlenkeinrichtung (15) umfasst und die Stelleinrichtung (4) ausgebildet ist, einen als Stellgröße (S) dienenden Ab stand (L) zwischen dem dispersiven optischen Element (7) und der Umlenk einrichtung (15) zu verändern.
6. Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mindestens eine der mehre ren Pulsstreckungseinrichtungen (12), deren Dispersion über die Stelleinrich tung (4) einstellbar ist, ein Bragg-Gitter in einem transparenten Material um fasst.
7. Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (4) eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung umfasst und einen als Stellgröße (S) dienenden Temperaturverlauf (T) im transparenten Material bewirkt.
8. Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (4) dazu ausgebildet ist, einen als Stellgröße (S) dienen den Verlauf einer mechanischen Spannung im transparenten Material, insbe sondere eine auf das transparente Material wirkende Zugspannung zu bewir ken.
9. Pulsmodifikationsvorrichtung (1), umfassend:
- eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen (12) zur dispersiven Stre ckung von Laserpulsen (3) und/oder eine oder mehrere Pulskompressions einrichtungen (2) zur dispersiven Kompression von Laserpulsen (3),
- eine Modulationseinrichtung (14) zur dispersiven Modulation der Laserpulse
(3),
- eine Stelleinrichtung (4) zur Einstellung der Dispersion der Modulationsein richtung (14) und
- eine Steuerungseinrichtung (5) zur Ansteuerung der Stelleinrichtung (4) in Abhängigkeit eines Messsignals (M), gekennzeichnet durch eine Umgebungssensoreinrichtung (6) zur Erfassung mindestens eines Umgebungsparameters (U), von dem die Dispersion der ei nen oder mindestens einer der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen (12) und/oder die Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Puls kompressionseinrichtungen (2) abhängt, als Messsignal (M).
10. Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Umgebungsparameter (U) eine Temperatur und/oder ein Umgebungsdruck ist.
11. Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (5) ausgebildet ist, die Stelleinrichtung (4) in Abhängigkeit des Messsignals (M) anhand einer ex perimentell bestimmten Kalibrationskurve anzusteuern, welche die Abhängig keit der Dispersion der einen oder der mindestens einen der mehreren Puls streckungseinrichtungen (12) und/oder der Dispersion der einen oder der min destens einen der mehreren Pulskompressionseinrichtungen (2) von dem min destens einen Umgebungsparameter (U) beschreibt.
12. Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (5) ausgebildet ist, die Stellein richtung (4) in Abhängigkeit des Messsignals (M) anhand einer mathemati schen Beziehung der Form dß2 = F (ß3, ß4 ßm, w0, dn) zwischen einer Veränderung (dn) eines Brechungsindex (n) innerhalb der ei nen oder der mindestens einen der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen (12) und/oder innerhalb der einen oder der mindestens einen der mehreren Pulskompressionseinrichtungen (2), welche aus der Veränderung des mindes tens einen Umgebungsparameters (U) resultiert, der dadurch bedingten Ver änderung ( dß2 ) der Gruppenverzögerungsdispersion ( ß2 ) sowie der Disper sion höherer Ordnung ( ß3,ß4 ßm) und der Zentralfrequenz (w0) der Laser pulse (3) anzusteuern.
13. Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mathematische Beziehung die Folgende ist: dß2 = ßsa)odn.
14. Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsmodifikationsvorrichtung (1) eine Ver stärkungseinrichtung (13) umfasst und zur Verstärkung der Laserpulse (3) nach dem Prinzip der Chirped-Pulse-Amplification dient.
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