WO2024259468A1 - Vorrichtung und verfahren zum manipulieren von gepulster laser- strahlung - Google Patents

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Andrius Baltuska
Paolo A. CARPEGGIANI
Aref IMANI
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    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for manipulating pulsed laser radiation.
  • HCF hollow core fibers
  • SPM self-phase modulation
  • External pulse compression using MPC is an extremely powerful technique for shortening the duration of sub-ps laser pulses (cf. M. Hanna, X. Deien, L. Lavenu, F. Guichard, Y. Zaouter, F. Druon, and Patrick Georges, "Nonlinear temporal compression in multipass cells : theory" J. Opt. Soc. Am. B 34, 1340-1347 (2017)).
  • MPC method faces the challenge of dealing with high energy because of unfavorable geometric scaling requiring a rapid increase in the distance between the concave mirrors and the corresponding size of the vacuum chamber.
  • MPCs are therefore limited in terms of pulse energy and the corresponding pulse intensity due to the destruction threshold of the optics and the ionization limit of the gas in the cell. Consequently, the energy scaling of the laser pulses also requires a spatial scaling of the MPC, i.e. larger MPCs are required for higher pulse energies.
  • the object of the invention is to alleviate or eliminate one or more of the disadvantages of the prior art.
  • the object of the invention is to propose a device and a method for providing pulsed laser radiation, preferably for pulse compression, in particular for the amplification of chirped pulses (chirped pulse amplification, CPA) and/or for CPA, which allow higher pulse energies and/or enable a smaller size of the MPC.
  • CPA chirped pulse amplification
  • a device for manipulating pulsed laser radiation comprising:
  • a separation element for spatially separating the frequencies of the pulsed laser radiation to a first predetermined extent in a direction perpendicular to a propagation direction of the pulsed laser radiation;
  • a multiple-pass gas cell for increasing the spectral bandwidth of the pulsed laser radiation for temporal pulse compression of the pulsed laser radiation, wherein the multiple-pass cell is arranged in the optical path of the pulsed laser radiation behind the separation element.
  • the intensity in the laser focus exceeds the threshold of the optimal range .
  • the size of the collimated beam in the multipass gas cell is increased.
  • the size of the beam in focus is maintained.
  • the Intensity on the mirrors decreases even faster than the fluence because the effective pulse duration on the mirrors changes due to the monochromatizing effect of spatial chirping. This is important because the damage mechanism advantageously changes from an avalanche dominated effect (for fs pulses) to a thermally dominated effect (>>ps), allowing the use of higher fluences.
  • the pulse duration of the collimated beam is increased, whereas the original pulse duration is restored when the beam is focused.
  • the maximum pulse energy limit for example, is increased. by a factor of between 1.4 and 2 for a fixed length of the multi-pass gas cell.
  • the length of the multi-pass gas cell can be reduced by a factor of 1.4 to 2, for example.
  • the multiple-pass gas cell is filled in particular with a filling gas, for example argon, which has an optical non-linearity.
  • the multiple-pass gas cell contains in particular in particular a medium with non-linear optical properties, in which the pulsed laser radiation is given a non-linear phase by self-phase modulation.
  • the MPC preferably has at least two mirror elements, between which the pulsed laser radiation is reflected several times.
  • the multiple-pass gas cell has two opposing mirrors which form a concentric resonator through which the pulsed laser radiation passes several times.
  • the non-linear medium, in particular argon is preferably provided between the mirrors. Of course, several non-linear elements can also be arranged as a non-linear medium between the mirrors.
  • the pulsed laser radiation is injected in particular into the multiple-pass cell.
  • the MPC preferably has two spherical mirrors, in particular those with low dispersion (e.g. Optoman).
  • the device has a laser radiation source for providing the pulsed laser radiation.
  • the pulsed laser radiation is in particular ultrashort pulses.
  • the pulsed laser radiation (originally provided (i.e. before carrying out the remaining steps of the method), in particular by the laser radiation source) comprises laser pulses with pulse energies in the range from 0.5 mJ to 25 mJ, preferably 1 mJ to 14 mJ, in particular 2.5 mJ, and pulse durations in the range from 10 fs to 5 ps, preferably 100 fs to 500 fs, in particular 250 fs.
  • the extent of the broadening refers in particular to the factor between the beam waist before the broadening and after the broadening (in the direction perpendicular to the direction of propagation). It is advantageous if, during spatial separation of the frequency components of the pulsed laser radiation in the first predetermined extent, a broadening of the pulsed laser radiation in the direction perpendicular to the direction of propagation of the pulsed laser radiation takes place to at least 1.5 times, preferably at least twice, particularly preferably at least 3 times.
  • a dispersion arrangement which has at least two dispersive elements, in particular optical gratings, which are designed to spatially separate the frequency components of the pulsed laser radiation by a second predetermined extent and, after propagation over an optical path length which differs depending on the frequency, to combine the frequency components of the pulsed laser radiation according to the second extent, so that temporal pulse compression of the pulsed laser radiation is effected.
  • This can be temporal pulse compression as carried out in CPA.
  • a collimated, laterally expanded (widened) beam is obtained by breaking the symmetry between an incoming and an outgoing pass through the dispersion arrangement, in particular the at least two dispersive elements.
  • the frequency components of the pulsed laser radiation are diffracted into different angles using a first of the at least two dispersive elements and the frequency components of the pulsed laser radiation diffracted into different angles are collimated using a second of the at least two dispersive elements; and for spatially combining the frequency components of the pulsed laser radiation according to the second amount, the frequency components of the pulsed laser radiation are diffracted into different angles using the second of the at least two dispersive elements and the frequency components of the pulsed laser radiation diffracted into different angles are collimated using the first of the at least two dispersive elements.
  • the dispersion arrangement can have a Treacy pair compressor (optionally additionally with a separation element, see below).
  • the spatial separation of the frequency components of the pulsed laser radiation takes place to the first predetermined extent in the direction perpendicular to the direction of propagation of the pulsed laser radiation in that a first optical path length of the pulsed laser radiation between the first of the at least two dispersive elements and the second of the at least two dispersive elements during spatial separation of the frequency components of the pulsed laser radiation differs by the second predetermined extent from a second optical path length of the pulsed laser radiation between the second of the at least two dispersive elements and the first of the at least two dispersive elements during spatial merging of the frequency components of the pulsed laser radiation in accordance with the second extent.
  • This allows a controlled extent of spatial chirp to be introduced into the resulting beam.
  • the spatial separation of the frequency components of the pulsed laser radiation to the first predetermined extent in the direction perpendicular to the direction of propagation of the pulsed laser radiation is effected during the temporal pulse compression of the pulsed laser radiation with a separation element in the dispersion arrangement.
  • the already available dispersive elements can thus be used to achieve of the spatial chirp in the first dimension .
  • the spatial separation in the first dimension ( in contrast to the spatial separation in the second dimension , which serves for temporal pulse compression ) is not reversed .
  • the separation element thereby causes in particular the difference in the optical path length described above .
  • the pulsed laser radiation is reflected in the dispersion arrangement with a mirror, wherein the pulsed laser radiation is propagated in the dispersion arrangement (from an input of the dispersion order) along a first optical path to the mirror and, after reflection at the mirror, is propagated along a second optical path (to an output of the dispersion order), wherein the at least two dispersive elements are located in the first optical path and in the second optical path, wherein the separation element is located only in the first optical path or only in the second optical path.
  • the separation element has four mirrors. This makes it easy to achieve a controlled degree of spatial chirp.
  • the method is a method for CPA.
  • the method further comprises the following steps, which are carried out before spatially separating the frequency components of the pulsed laser radiation to the first predetermined extent:
  • a dispersion arrangement preferably a grating pair pulse compressor, in particular a Treacy pair pulse compressor, for temporal pulse compression of the pulsed laser radiation with at least two dispersive elements, in particular optical gratings.
  • the dispersive elements are in particular designed to spatially separate the frequency components the pulsed laser radiation by a second predetermined amount and, after propagation over an optical path length that differs depending on the frequency, to bring about a merging of the frequency components of the pulsed laser radiation in accordance with the second amount, so that a temporal pulse compression of the pulsed laser radiation is brought about.
  • the dispersive elements are in particular designed so that, in order to spatially separate the frequency components of the pulsed laser radiation by the second predetermined amount, the frequency components of the pulsed laser radiation are diffracted at different angles using a first of the at least two dispersive elements and the frequency components of the pulsed laser radiation diffracted at different angles are collimated using a second of the at least two dispersive elements; and for spatially combining the frequency components of the pulsed laser radiation according to the second extent, the frequency components of the pulsed laser radiation are diffracted into different angles with the second of the at least two dispersive elements and the frequency components of the pulsed laser radiation diffracted into different angles are collimated with the first of the at least two dispersive elements.
  • the dispersion arrangement has a mirror which is arranged such that the pulsed laser radiation in the dispersion arrangement is propagated along a first optical path to the mirror and, after reflection at the mirror, is propagated along a second optical path, wherein the at least two dispersive elements are located in the first optical path and in the second optical path, wherein the separation element is provided only in the first optical path or only in the second optical path.
  • the separation element has four mirrors which in particular achieve an extension of the optical path.
  • the amplification device can have one or more amplification stages.
  • the device for providing pulsed laser radiation may comprise a laser beam source.
  • the device for providing pulsed laser radiation comprises: the laser beam source, the broadening device, the amplification device and optionally the dispersion arrangement.
  • the MPC preferably serves as a post-compressor.
  • the post-compression effect i.e. the spectral broadening
  • Fig. 1 shows schematically a preferred embodiment of a device for manipulating pulsed laser radiation.
  • Fig. 2 shows schematically a preferred embodiment of a known dispersion arrangement.
  • Fig. 3 shows schematically a preferred embodiment of a dispersion arrangement of the device for manipulating pulsed laser radiation, with a separation element.
  • Fig. 4 shows schematically a preferred embodiment of a multi-pass gas cell of the device for manipulating pulsed laser radiation.
  • Fig. 5 shows the fluence and the beam waist as a function of the extent of spatial separation.
  • Fig. 6a shows the peak power and Fig. 6b the spot size on the way to the focus.
  • Fig. 7a shows normalized intensity as a function of wavelength and Fig. 7b shows the normalized intensity as a function of pulse duration.
  • Fig. 1 shows schematically a preferred embodiment of a device 1 for manipulating pulsed laser radiation 2.
  • the device 1 is set up for CPA.
  • the device 1 has a device 3 for providing pulsed laser radiation 2, in particular a laser beam source.
  • the pulsed laser radiation 2 is guided to a broadening device 4 for temporally stretching the pulsed laser radiation 2.
  • the temporally broadened laser radiation 2 is amplified in an amplification device 5.
  • the temporal pulse compression of the amplified pulsed laser radiation 2 takes place in a dispersion arrangement 6.
  • the dispersion arrangement 6 also has a separation element 7 for spatially separating the frequencies of the pulsed laser radiation 2 to a first predetermined extent in a direction perpendicular to a propagation direction of the pulsed laser radiation 2.
  • the separation element 7 can be provided independently (outside) the dispersion arrangement 6.
  • the pulsed laser radiation 2 which is (again) temporally compressed and spatially broadened to the first extent is led to a multi-pass gas cell 8 which is designed to increase the spectral bandwidth of the pulsed laser radiation 2 for the (further) temporal pulse compression of the pulsed laser radiation 2.
  • the spatial broadening to the first extent increases the size of the collimated beam in the multiple-pass gas cell 8.
  • the size of the beam in the focus of the MPC 8 is maintained.
  • the pulse duration of the collimated beam is increased, whereas the original pulse duration is restored when the beam is focused. As a result, it is thus possible to increase the laser energy in the optics without changing the properties of the laser pulse (duration) and the beam (spot size) in the focus.
  • the device 1 can also comprise only the device 3 for providing the pulsed laser radiation 2, the separation element 7 and the multi-pass gas cell 8.
  • Fig. 2 shows schematically a preferred embodiment of a known dispersion arrangement 6, which can also be used in the device 1 for manipulating pulsed laser radiation 2 (this is particularly preferred if the dispersion ons arrangement 6 and the separation element 7 are designed separately).
  • the dispersion arrangement 6 is in particular a Treacy pair pulse compressor.
  • the dispersion arrangement 6 has an input mirror IM, a center mirror RM and an output mirror OM.
  • An upper level of the dispersion arrangement 6, which represents a first optical path 9 of the pulsed laser radiation 2 in the dispersion arrangement 6 from the input mirror IM to the center mirror RM, is shown in partial figure (a).
  • a lower level of the dispersion arrangement 6, which represents a second optical path 10 of the pulsed laser radiation 2 in the dispersion arrangement 6 from the center mirror RM to the output mirror OM, is shown in partial figure (b).
  • the dispersion arrangement 6 has a first optical grating G1 and a second optical grating G2, both of which lie in the first optical path 9 and the second optical path 10.
  • the pulsed laser radiation 2 is coupled into the dispersion arrangement via the input mirror IM.
  • the first optical grating G1 causes the frequency components of the pulsed laser radiation 2 to be fanned out at different angles (angular chirp).
  • two frequency components of the pulsed laser radiation 2 are shown in Fig. 2, namely an exemplary low-frequency (e.g. red) frequency component as a dashed line 2a and an exemplary high-frequency (e.g. blue) frequency component 2b as a dotted line.
  • the second optical grating G2 causes a precisely opposite fanning out of the frequency components of the pulsed laser radiation 2 (angular chirp), so that the pulsed laser radiation 2 is collimated again.
  • the pulsed laser radiation 2 is then reflected back at the center mirror RM and then runs along the second optical path 10 in the lower plane of the dispersion arrangement 6. This means that in total the two optical gratings G1, G2 in the first optical path 9 cause a spatial separation of the frequency components of the pulsed laser radiation 2 by a second predetermined amount (spatial chirp).
  • the second optical grating G2 and the first optical grating G1 act in exactly the opposite way to the first optical path 9.
  • the second optical grating G2 causes a spreading out of the frequency components of the pulsed laser beam. lation 2 at different angles (angular chirp).
  • the first optical grating G1 causes a precisely opposite fanning out of the frequency components of the pulsed laser radiation 2 (angular chirp), so that the pulsed laser radiation 2 is collimated again.
  • the second optical grating G2 and the first optical grating G1 cause the frequency components of the pulsed laser radiation 2 to be brought together according to the second extent, so that the spatial chirp is canceled again. Since the frequency components 2 of the pulsed laser radiation travel different optical path lengths, a temporal chirp is thus caused or canceled, in particular a temporal pulse compression is caused.
  • the pulsed laser radiation 2 leaves the dispersion arrangement 6 at the output mirror OM.
  • Fig. 3 shows schematically a preferred embodiment of a dispersion arrangement 6 of the device 1 for manipulating pulsed laser radiation 2.
  • the spatial separation of the frequency components of the pulsed laser radiation 2 to the first predetermined extent in the direction perpendicular to the propagation effect of the pulsed laser radiation 2 during the temporal pulse compression of the pulsed laser radiation 2 is brought about by a separation element 7 which is provided in the dispersion arrangement 6. Otherwise (i.e. apart from the separation element), the dispersion arrangement is designed as described in connection with Fig. 2, so that the same reference numerals as in Fig. 2 are used and reference is made to the above description.
  • the spatial separation to the first extent is brought about by breaking the symmetry between the incoming beam (first optical path 9) and the outgoing beam (second optical path 10).
  • the separation element 7 is only provided in the first optical path, but not in the second optical path. While the first optical grating G1 and the second optical grating G2 in the first optical path 9 cause a spatial separation to the second extent, and the second optical grating G2 and the first optical grating G1 in the second optical path 10 cause a spatial merging of the frequency components to the second extent, the separation element 7 causes a spatial separation to the first extent. The fact that the separation element 7 is only provided in the first optical path 9 does not prevent the spatial separation to the first extent. so that the pulsed laser radiation 2 leaving the dispersion arrangement 6 is also spatially separated to the second extent (spatial chirp).
  • the separation element 7 is provided between the first optical grating G1 and the second optical grating G2 in the first optical path 9, and there causes an extension of the path length between the first optical grating G1 and the second optical grating G2 compared to the path length between the second optical grating G2 and the first optical grating G1 in the second optical path 10.
  • the spatial chirp caused in the first optical path 9 is not completely reversed in the second optical path 10 (but only to the second extent), so that the resulting pulsed laser radiation 2 has a spatial chirp to the first extent when it leaves the dispersion arrangement 6 at the output mirror OM, as can be seen from the distance between the two exemplary frequency components 2a, 2b (dotted and dashed lines).
  • the separation element 7 has four mirrors M1, M2, M3, M4.
  • Fig. 4 shows schematically a preferred embodiment of a multiple-pass gas cell 8 of the device 1 for manipulating pulsed laser radiation 2.
  • the pulsed laser radiation 2 after it has been spatially broadened to the first extent, is focused with a mirror 11 and injected into the multiple-pass gas cell 8.
  • the multiple-pass gas cell 8 has two opposing mirrors CM1, CM2, which form a concentric resonator through which the pulsed laser radiation 2 passes several times.
  • the size of the beam in the focus is maintained. This means that a round beam is present in the focus, whereas the beam spots on the mirrors CM1, CM2 are elongated.
  • Figure 5 shows the fluence and the beam waist as a function of the extent of the spatial separation
  • Figure 6a shows the peak power and Figure 6b the spot size on the way to the focus
  • Fig. 7a shows normalized intensity as a function of wavelength
  • Fig. 7b shows the normalized intensity as a function of pulse duration.
  • the 1-D beam spot extension is periodically repeated by the 2f-2f imaging condition so that the output plane of the spatial chirp is not tilted.
  • This flexible adjustment of the spot size allows easy control of the fluence (cf. Fig. 5) on the mirror while maintaining the peak intensity in the beam waist (Fig. 6a, 6b).
  • Fig. 5 shows in particular the experimental SPM broadening of 2.5 mJ pulses in 1 bar Ar and Fig. 7b the Fourier limit of the pulse. The spectral and temporal input intensities are shown.
  • Fig. 7a and 7b show our experimentally determined spectral broadening of 2.5-mJ 250-fs pulses that were spatially chirped to stretch the beam spot by ⁇ x2, which was the maximum expansion technically limited by the aperture of the optics installed in the setup.
  • the spatial chirp remaining in the beam after spectral broadening and pulse recompression is not critical in many applications.
  • By focusing the spatial chirp is converted into an angular chirp, allowing the development of a phase-matched bandwidth in frequency conversion (cf. BA Richman, SE Bisson, R. Trebino, MG Mitchell, E. Sidick, and A. Jacobson. "Achromatic phase matching for tunable second harmonic generation using a grating" Opt. Lett. 22, 1223-1225 (1997) ) and wavefront manipulation (H. Vincenti, and F. Quere. "At- tosecond lighthouse: how to use spatiotemporally coupled light fields to generate isolated as pulses” Phys. Rev. Lett. 108, 113904 (2012) ), while in processes such as higher-order harmonic generation in a gas cell confined to a tiny fraction of the Rayleigh length of the driver beam, both the angular and the spatial chirp can be canceled within the short interaction distance.

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Abstract

Verfahren zum Manipulieren von gepulster Laserstrahlung (2) auf- weisend die Schritte: - Bereitstellen gepulster Laserstrahlung (2); - räumliches Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung (2) in einem ersten vorbestimmten Ausmaß in eine Richtung senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung der gepulsten Laserstrahlung (2); - Führen der im ersten vorbestimmten Ausmaß räumlich sepa rierten gepulsten Laserstrahlung (2) zu einer Mehrfachdurch- gangsgaszelle (8); - Erhöhen der spektralen Bandbreite der gepulsten Laser- strahlung (2) in der Mehrfachdurchgangsgaszelle (8) zur zeitli- chen Pulskompression der gepulsten Laserstrahlung (2). Weiters eine entsprechende Vorrichtung (1).

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Manipulieren von gepulster Laserstrahlung
Die Erfindung betri f ft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Manipulieren von gepulster Laserstrahlung .
In den letzten zwei Jahrzehnten wurden Hohlkernfasern (HCF) für die Pulskompression verwendet , da sie eine spektrale Verbreiterung bewirken und eine Wellenleitergeometrie aufweisen, mit der die Länge der nichtlinearen optischen Wechselwirkung bei vernachlässigbarer Dispersion auf mehrere Meter verlängert werden kann . Mehrfachdurchgangsgas zellen (Multipass-Gas zelle (MPC ) ) haben sich j edoch als praktische Alternative zu HCF erwiesen, um eine spektrale Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation ( SPM) in Gasen zu bewirken . Im Vergleich zu HCF bieten MPC kompaktere Aufbauten und weniger anspruchsvolle Einschränkungen in Bezug auf die Stabilität der Strahlausrichtung . Dennoch leiden beide Lösungen unter einer ungünstigen räumlichen Skalierung der Aufbauten, wenn Pulse mit höheren Energien behandelt werden .
Die externe Pulskompression mit Hil fe einer MPC ist eine äußerst leistungs fähige Technik zur Verkürzung der Dauer von Sub-ps- Laserpulsen (vgl . M . Hanna, X . Deien, L . Lavenu, F . Guichard, Y . Zaouter, F . Druon, und Patrick Georges , "Nonlinear temporal compression in multipass cells : theory" J . Opt . Soc . Am . B 34 , 1340-1347 ( 2017 ) ) . Trotz ihres enormen Erfolgs und ihrer Vielseitigkeit steht die MPC-Methode vor der Heraus forderung, mit hoher Energie umzugehen, da eine ungünstige geometrische Skalierung eine rasche Vergrößerung des Abstands zwischen den Hohlspiegeln und der entsprechenden Größe der Vakuumkammer erfordert .
Zwei Materialparameter - die lonisationsschwelle des als Selbstphasenmodulation- ( SPM- ) Medium verwendeten Gases ( typischerweise Ar für höhere Pulsenergien) und die Zerstörungsschwelle der dielektrischen Beschichtung auf den Zellenspiegeln - bestimmen die Längenskalierung der MPC in Abhängigkeit von der Pulsenergie . Während die Stärke der SPM durch Einstellung des Edelgasdrucks kontrolliert werden kann, gilt dies nicht für die Plasmaverlus- te . Letztere können nur durch eine ausreichend große Strahltaille unterdrückt werden, um die Spitzenintensität des Pulses auf einem sicheren niedrigen Niveau zu halten . Wegen der losen Fokussierung ist eine lange Propagationsdistanz zum Spiegel erforderlich, um die Strahlgröße zu vergrößern und die Fluenz auf ein sicheres Niveau zu senken, das bei den derzeit verfügbaren Beschichtungen bei ~ 0 , 5- 0 , 6 J/cm2 für sub-ps-Pulse liegt . In M . Kaumanns , D . Kormin, T . Nubbemeyer, V . Pervak, und S . Karsch, " Spectral broadening of 112 mJ, 1 . 3 ps pulses at 5 kHz in a LG10 multipass cell with compressibility to 37 fs" Opt . Lett . 46 , 929- 932 ( 2021 ) wurde ein Versuch unternommen, die Fluenz zu reduzieren, indem die grundlegende räumliche Mode des Laserstrahls in eine Mode höherer Ordnung umgewandelt wurde , die eine deutlich größere Spotgröße ermöglicht .
MPC sind also in der Pulsenergie und der entsprechenden Pulsintensität aufgrund der Zerstörungsschwelle der Optik und der lo- nisationsgrenze des Gases in der Zelle begrenzt . Folglich erfordert die Energieskalierung der Laserpulse auch eine räumliche Skalierung der MPC, d . h . für höhere Pulsenergien werden größere MPC benötigt .
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen oder mehrere der Nachteile des Stands der Technik zu lindern oder zu beseitigen . Insbesondere liegt die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung gepulster Laserstrahlung, bevorzugt zur Pulskompression insbesondere bei der Verstärkung gechirpter Pulse ( Chirped Pulse Ampli fication, CPA) und/oder zur CPA, vorzuschlagen, die höhere Pulsenergien erlauben und/oder eine geringere Größe des MPCs ermöglichen .
Die wird gelöst durch ein Verfahren zum Manipulieren von gepulster Laserstrahlung aufweisend die Schritte :
- Bereitstellen gepulster Laserstrahlung;
- räumliches Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung in einem ersten vorbestimmten Ausmaß in eine Richtung senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung der gepulsten Laser Strahlung ;
- Führen der im ersten vorbestimmten Ausmaß räumlich separierten gepulsten Laserstrahlung zu einer Mehrfachdurchgangsgas- zelle ;
- Erhöhen der spektralen Bandbreite der gepulsten Laserstrahlung in der Mehrfachdurchgangsgas zelle zur zeitlichen Pulskompression der gepulsten Laserstrahlung .
Dies wird weiters gelöst durch eine Vorrichtung zum Manipulieren von gepulster Laserstrahlung, aufweisend :
- eine Vorrichtung zum Bereitstellen gepulster Laserstrahlung;
- ein Separationselement zum räumlichen Separieren der Frequenzen der gepulsten Laserstrahlung in einem ersten vorbestimmten Ausmaß in eine Richtung senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung der gepulsten Laserstrahlung;
- eine Mehrfachdurchgangsgas zelle zur Erhöhung der spektralen Bandbreite der gepulsten Laserstrahlung zur zeitlichen Pulskompression der gepulsten Laserstrahlung, wobei die Mehrfachdurchgangs zelle im optischen Pfad der gepulsten Laserstrahlung hinter dem Separationselement angeordnet ist .
Wenn die Energie des Laserpulses erhöht wird, überschreitet die Intensität im Laserfokus die Schwelle des optimalen Bereichs . Um den Anstieg der Intensität bei gleichzeitiger Erhöhung der Energie zu vermeiden, ist es erforderlich, die Größe des Laserfokus zu erhöhen . mit I=Intensität ,
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des Laserfokus , i=Laserpulsdauer . Die Größe des Laserfokus r [ r oc f/a, r=Radius des Laserfokus , f=Abstand des Fokus , a=Radius des Laserspots auf dem Spiegel ] kann in der MPC vergrößert werden :
- durch Verkleinerung der Größe ( a ) des Lasers auf den Spiegeln => begrenzt durch Laserschäden auf den Spiegeln
- durch Vergrößerung des Abstands ( f ) zwischen den Spiegeln und dem Fokus => begrenzt durch die Beschränkungen für die maximal zulässige Größe der MPC .
Durch das räumliche Separieren vor dem Zuführen zur Mehrfachdurchgangsgas zelle wird die Größe des kollimierten Strahls in der Mehrfachdurchgangsgas zelle ( insbesondere an den Spiegeln der Mehrfachdurchgangsgas zelle ) erhöht . Gleichzeitig bleibt die Größe des Strahls im Fokus erhalten . Bemerkenswert ist , dass die Intensität auf den Spiegeln sogar noch schneller abnimmt als die Fluenz , da sich die effektive Pulsdauer auf den Spiegeln aufgrund des monochromatisierenden Ef fekts des räumlichen Chirpings ändert . Dies ist insofern von Bedeutung, als sich der Schädigungsmechanismus vorteilhafterweise von einem Lawinendominierten Ef fekt ( für fs-Pulse ) zu einem thermisch dominierten Ef fekt ( >>ps ) ändert , was die Verwendung höherer Fluenzen ermöglicht . Es wird also die Pulsdauer des kollimierten Strahls erhöht , wohingegen die ursprüngliche Pulsdauer beim Fokussieren des Strahls wiederhergestellt wird . Im Ergebnis ist es somit möglich, die Laserenergie in der Optik zu erhöhen, ohne die Eigenschaften des Laserpulses ( Dauer ) und des Strahls ( Spotgröße ) im Fokus zu ändern, wo die gewünschte spektrale Bandbreitenerhöhung normalerweise statt findet . Durch die Reduktion der Fluenz auf den optischen Elementen der Mehrfachdurchgangsgas zelle wird das maximale Pulsenergielimit bspw . um einen Faktor von zwischen 1 , 4 und 2 bei feststehender Länge der Mehrfachdurchgangsgas zelle erhöht . Für eine feststehende Pulsenergie kann die Länge der Mehrfachdurchgangsgas zelle bspw . um einen Faktor von 1 , 4 bis 2 verringert werden .
Unter zeitlichem Verbreitern wird zeitliches Strecken der Frequenzanteile verstanden, also das Einführen eines temporal chirps ( synonym verwendet zu spectral chirps ) . Zeitliches Verbreitern bezeichnet den umgekehrten Prozess zur zeitlichen Kompression . Unter dem räumlichen Separieren wird das Einführen eines spatial chirps verstanden . Unter der Beugung in unterschiedliche Winkel wird das Einführen eines angular chirps verstanden . Bevorzugt wird das räumliche Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung im ersten vorbestimmten Ausmaß vor dem Führen der gepulsten Laserstrahlung zur MPC nicht rückgängig gemacht . Bevorzugt ist die gepulste Laserstrahlung beim Inj i zieren in die MPC gegenüber der ursprünglich bereitgestellten gepulsten Laserstrahlung um den Faktor verbreitert , um den die gepulste Laserstrahlung beim räumlichen Separieren im ersten vorbestimmten Ausmaß verbreitert wurde .
Die Mehrfachdurchgangsgas zelle ist insbesondere mit einem Füllgas , beispielsweise Argon, gefüllt , das eine optische Nichtlinearität aufweist . Die Mehrfachdurchgangsgas zelle enthält insbe- sondere ein Medium mit nichtlinearen optischen Eigenschaften, in dem die gepulste Laserstrahlung durch Selbstphasenmodulation eine nichtlineare Phase erhalten . Die MPC weist bevorzugt zumindest zwei Spiegelelemente auf , zwischen denen die gepulste Laserstrahlung mehrfach reflektiert wird . Insbesondere weist die Mehrfachdurchgangsgas zelle zwei gegenüberliegende Spiegel auf , die einen konzentrischen Resonator ausbilden, der mehrfach von der gepulsten Laserstrahlung durchlaufen wird . Bevorzugt ist das nichtlineare Medium, insbesondere Argon, zwischen den Spiegeln vorgesehen . Es können selbstverständlich auch mehrere nichtlineare Elemente als nichtlineares Medium zwischen den Spiegeln angeordnet sein . Die gepulste Laserstrahlung wird insbesondere in die Mehrfachdurchgangszelle inj i ziert . Die MPC weist vorzugsweise zwei sphärische Spiegel auf , insbesondere solche mit niedriger Dispersion ( z . B . Optoman) .
Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Laserstrahlungsquelle zur Bereitstellung der gepulsten Laserstrahlung auf . Die gepulste Laserstrahlung sind insbesondere Ultrakurzpuls folgen . Die (ursprünglich ( d . h . vor Durchführung der restlichen Schritte des Verfahrens ) , insbesondere von der Laserstrahlungsquelle ) bereitgestellte gepulste Laserstrahlung umfasst Laserpulse mit Pulsenergien im Bereich von 0 , 5 mJ bis 25 mJ, bevorzugt 1 mJ bis 14 mJ, insbesondere mit 2 , 5 mJ, und Pulsdauern im Bereich von 10 fs bis 5 ps , bevorzugt 100 fs bis 500 fs , insbesondere von 250 fs .
Das Ausmaß der Verbreiterung bezeichnet insbesondere den Faktor zwischen der Strahlentaille vor der Verbreiterung und nach der Verbreiterung ( in die Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung) . Es ist vorteilhaft , wenn beim räumlichen Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung im ersten vorbestimmten Ausmaß eine Verbreiterung der gepulste Laserstrahlung in die Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der gepulsten Laserstrahlung auf zumindest das 1 , 5-Fache , bevorzugt zumindest das Doppelte , besonders bevorzugt zumindest das 3-Fache , erfolgt .
Vorzugsweise weist das Verfahren den folgenden Schritt , der vor dem Erhöhen der spektralen Bandbreite der gepulsten Laserstrahlung in der Mehrfachdurchgangsgas zelle durchgeführt wird (und vor dem Führen der im ersten vorbestimmten Ausmaß räumlich separierten gepulsten Laserstrahlung zu einer Mehrfachdurchgangsgaszelle ) , auf :
- zeitliche Pulskompression ( der Frequenzanteile ) der gepulsten Laserstrahlung in einer Dispersionsanordnung, die zumindest zwei dispersive Elemente , insbesondere optische Gitter, aufweist , die dazu eingerichtet sind, ein räumliches Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung um ein zweites vorbestimmtes Ausmaß zu bewirken und nach einer Propagation über eine frequenzabhängig unterschiedliche optische Pfadlänge ein Zusammenführen der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung entsprechend dem zweiten Ausmaß zu bewirken, sodass eine zeitliche Pulskompression der gepulsten Laserstrahlung bewirkt wird . Dabei kann es sich um eine zeitliche Pulskompression handeln, wie diese bei der CPA durchgeführt wird . Vorzugsweise wird ein kollimierter , lateral expandierter (verbreiterter ) Strahl erhalten, indem die Symmetrie zwischen einem eingehenden und einem ausgehenden Durchlauf der Dispersionsanordnung, insbesondere der zumindest zwei dispersiven Elemente , gebrochen wird . Es ist vorteilhaft , wenn beim räumlichen Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung im zweiten vorbestimmten Ausmaß eine Verbreiterung der gepulste Laserstrahlung in die Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der gepulsten Laserstrahlung auf zumindest das 1 , 5-Fache , bevorzugt zumindest das Doppelte , besonders bevorzugt zumindest das 3-Fache , erfolgt . Vorzugsweise erfolgt beim räumlichen Zusammenführen zumindest eine entsprechende Verschmälerung . Es ist vorteilhaft , wenn beim räumlichen Zusammenführen der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung im zweiten vorbestimmten Ausmaß eine Verschmälerung der gepulste Laserstrahlung in die Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der gepulsten Laserstrahlung auf gleich oder weniger als das 2 / 3-Fache , bevorzugt gleich oder weniger als das Halbe , besonders bevorzugt gleich oder weniger als das 1 / 3-Fache , erfolgt . Insbesondere werden beim räumlichen Zusammenführen der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung im zweiten vorbestimmten Ausmaß die ursprüngliche Spotgröße und die ursprüngliche Überlappung der verschiedenen Frequenzanteile wiederhergestellt .
Es ist vorteilhaft , wenn zum räumlichen Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung um das zweite vorbestimmte Ausmaß mit einem ersten der zumindest zwei dispersiven Elemente die Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung in unterschiedliche Winkel gebeugt werden und mit einem zweiten der zumindest zwei dispersiven Elemente die in unterschiedliche Winkel gebeugten Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung kollimiert werden; und zum räumlichen Zusammenführen der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung entsprechend dem zweiten Ausmaß mit dem zweiten der zumindest zwei dispersiven Elemente die Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung in unterschiedliche Winkel gebeugt werden und mit dem ersten der zumindest zwei dispersiven Elemente die in unterschiedliche Winkel gebeugten Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung kollimiert werden . Die Dispersionsanordnung kann einen Treacy-Paar-Kompressor ( ggf . zusätzlich mit einem Separationselement , s . u . ) aufweisen .
Es ist vorteilhaft , wenn das räumliche Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung in dem ersten vorbestimmten Ausmaß in die Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der gepulsten Laserstrahlung erfolgt , indem sich eine erste optische Pfadlänge der gepulsten Laserstrahlung zwischen dem ersten der zumindest zwei dispersiven Elemente und dem zweiten der zumindest zwei dispersiven Elemente beim räumlichen Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung um das zweite vorbestimmte Ausmaß unterscheidet von einer zweiten optischen Pfadlänge der gepulsten Laserstrahlung zwischen dem zweiten der zumindest zwei dispersiven Elemente und dem ersten der zumindest zwei dispersiven Elemente beim räumlichen Zusammenführen der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung entsprechend dem zweiten Ausmaß . Damit kann ein kontrolliertes Ausmaß an spatial chirp in den resultierenden Strahl eingeführt werden .
Es ist bevorzugt , wenn das räumliche Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung in dem ersten vorbestimmten Ausmaß in die Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der gepulsten Laserstrahlung bei der zeitlichen Pulskompression der gepulsten Laserstrahlung mit einem Separationselement in der Dispersionsanordnung bewirkt wird . Vorteilhafterweise können damit die bereits verfügbaren dispersiven Elemente zum Erzielen des spatial Chirps im ersten Ausmaß verwendet werden . Vorzugsweise wird das räumliche Separieren im ersten Ausmaß ( im Unterschied zum räumlichen Separieren im zweiten Ausmaß , das der zeitlichen Pulskompression dient ) nicht umgekehrt . Das Separationselement bewirkt dabei insbesondere den oben beschriebenen Unterschied in der optischen Pfadlänge .
Es ist bevorzugt , wenn die gepulste Laserstrahlung in der Dispersionsanordnung mit einem Spiegel reflektiert wird, wobei die gepulste Laserstrahlung in der Dispersionsanordnung (von einem Eingang der Dispersionsordnung) entlang eines ersten optischen Pfads zum Spiegel propagiert wird und nach der Reflektion am Spiegel entlang eines zweiten optischen Pfads ( zu einem Ausgang der Dispersionsordnung) propagiert wird, wobei die zumindest zwei dispersiven Elemente im ersten optischen Pfad und im zweiten optischen Pfad liegen, wobei das Separationselement nur im ersten optischen Pfad oder nur im zweiten optischen Pfad liegt .
Es ist vorteilhaft , wenn das Separationselement vier Spiegel aufweist . Damit kann auf einfache Weise ein kontrolliertes Ausmaß an spatial chirp bewirkt werden .
Vorzugsweise ist das Verfahren ein Verfahren zur CPA. Vorzugsweise weist das Verfahren weiter die folgenden Schritte auf , die vor dem räumlichen Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung im ersten vorbestimmten Ausmaß durchgeführt werden :
- zeitliches Verbreitern/Strecken der gepulsten Laserstrahlung (vorzugsweise im umgekehrten Ausmaß zur zeitlichen Pulskompression mit der Dispersionsanordnung) ;
- Verstärken der zeitlich verbreiterten gepulsten Laserstrahlung .
Bezugnehmend auf die Vorrichtung ist es vorteilhaft , wenn diese eine Dispersionsanordnung, bevorzugt einen Gitterpaar- Pulskompressor, insbesondere einen Treacy-Paar-Pulskompressor , zur zeitlichen Pulskompression der gepulsten Laserstrahlung mit zumindest zwei dispersiven Elementen, insbesondere optischen Gittern, aufweist . Die dispersiven Elemente sind insbesondere dazu eingerichtet , ein räumliches Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung um ein zweites vorbestimmtes Ausmaß zu bewirken und nach einer Propagation über eine frequenzabhängig unterschiedliche optische Pfadlänge ein Zusammenführen der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung entsprechend dem zweiten Ausmaß zu bewirken, sodass eine zeitliche Pulskompression der gepulsten Laserstrahlung bewirkt wird . Die dispersiven Elemente sind insbesondere dazu eingerichtet , dass zum räumlichen Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung um das zweite vorbestimmte Ausmaß mit einem ersten der zumindest zwei dispersiven Elemente die Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung in unterschiedliche Winkel gebeugt werden und mit einem zweiten der zumindest zwei dispersiven Elemente die in unterschiedliche Winkel gebeugten Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung kollimiert werden; und zum räumlichen Zusammenführen der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung entsprechend dem zweiten Ausmaß mit dem zweiten der zumindest zwei dispersiven Elemente die Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung in unterschiedliche Winkel gebeugt werden und mit dem ersten der zumindest zwei dispersiven Elemente die in unterschiedliche Winkel gebeugten Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung kollimiert werden .
Es ist vorteilhaft , wenn die Dispersionsanordnung einen Spiegel aufweist , der angeordnet ist , sodass die gepulste Laserstrahlung in der Dispersionsanordnung entlang eines ersten optischen Pfads zum Spiegel propagiert wird und nach der Reflektion am Spiegel entlang eines zweiten optischen Pfads propagiert wird, wobei die zumindest zwei dispersiven Elemente im ersten optischen Pfad und im zweiten optischen Pfad liegen, wobei das Separationselement nur im ersten optischen Pfad oder nur im zweiten optischen Pfad vorgesehen ist .
Es ist bevorzugt , wenn das Separationselement vier Spiegel aufweist , die insbesondere eine Verlängerung des optischen Pfads erzielen .
Es ist vorteilhaft , wenn die Vorrichtung aufweist :
- eine Verbreiterungsvorrichtung zum zeitlichen Verbreitern der gepulsten Laserstrahlung;
- eine Verstärkungsvorrichtung zur Verstärkung der zeitlich verbreiterten gepulsten Laserstrahlung; wobei das Separationselement und die Mehrfachdurchgangs zelle im optischen Pfad der gepulsten Laserstrahlung nach der Verbreiterungsvorrichtung und der Verstärkungsvorrichtung vorgesehen sind . Die Verstärkungsvorrichtung kann eine oder mehrere Verstärkungsstufen aufweisen .
Die Vorrichtung zum Bereitstellen gepulster Laserstrahlung kann eine Laserstrahlenquelle umfassen . Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung zum Bereitstellen gepulster Laserstrahlung : die Laserstrahlenquelle , die Verbreiterungsvorrichtung, die Verstärkungsvorrichtung und optional die Dispersionsanordnung . Die MPC dient vorzugsweise als Postkompressor . Vorteilhafterweise tritt der Postkompressionsef fekt ( d . h . die spektrale Verbreiterung) hauptsächlich im Laserfokus in der Mitte des Postkompressors auf .
Fig . 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Aus führungs form einer Vorrichtung zum Manipulieren von gepulster Laserstrahlung .
Fig . 2 zeigt schematisch eine bevorzugt Aus führungs form einer bekannten Dispersionsanordnung .
Fig . 3 zeigt schematisch eine bevorzugte Aus führungs form einer Dispersionsanordnung der Vorrichtung zum Manipulieren von gepulster Laserstrahlung, mit einem Separationselement .
Fig . 4 zeigt schematisch eine bevorzugte Aus führungs form einer Mehrfachdurchgangsgas zelle der Vorrichtung zum Manipulieren von gepulster Laserstrahlung .
Fig . 5 zeigt die Fluenz und die Strahltaille in Abhängigkeit vom Ausmaß der räumlichen Separation .
Fig . 6a zeigt die Spitzenleistung und Fig . 6b die Spotgröße am Weg zum Fokus .
Fig . 7a zeigt normierte Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge und Fig . 7b die normierte Intensität in Abhängigkeit von der Pulsdauer . l l
Fig . 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Aus führungs form einer Vorrichtung 1 zum Manipulieren von gepulster Laserstrahlung 2 . In dieser Aus führungs form ist die Vorrichtung 1 zur CPA eingerichtet . Die Vorrichtung 1 weist eine Vorrichtung 3 zum Bereitstellen gepulster Laserstrahlung 2 auf , insbesondere eine Laserstrahlenquelle , auf . Die gepulste Laserstrahlung 2 wird zu einer Verbreiterungsvorrichtung 4 zum zeitlichen Strecken der gepulsten Laserstrahlung 2 geführt . Die zeitlich verbreiterte Laserstrahlung 2 wird wir in einer Verstärkungsvorrichtung 5 verstärkt . In einer Dispersionsanordnung 6 erfolgt die zeitliche Pulskompression der verstärkten gepulsten Laserstrahlung 2 . Die Dispersionsanordnung 6 weist auch ein Separationselement 7 zum räumlichen Separieren der Frequenzen der gepulsten Laserstrahlung 2 in einem ersten vorbestimmten Ausmaß in eine Richtung senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung der gepulsten Laserstrahlung 2 auf . Alternativ kann das Separationselement 7 unabhängig ( außerhalb ) von der Dispersionsanordnung 6 vorgesehen sein . Die (wieder ) zeitlich komprimierte , im ersten Ausmaß räumlich verbreiterte gepulste Laserstrahlung 2 wird zu einer Mehrfachdurchgangsgas zelle 8 geführt , die zur Erhöhung der spektralen Bandbreite der gepulsten Laserstrahlung 2 zur (weiteren) zeitlichen Pulskompression der gepulsten Laserstrahlung 2 eingerichtet ist . Durch die räumliche Verbreiterung im ersten Ausmaß wird die Größe des kollimierten Strahls in der Mehrfachdurchgangsgas zelle 8 erhöht . Gleichzeitig bleibt die Größe des Strahls im Fokus der MPC 8 erhalten . Es wird die Pulsdauer des kollimierten Strahls erhöht , wohingegen die ursprüngliche Pulsdauer beim Fokussieren des Strahls wiederhergestellt wird . Im Ergebnis ist es somit möglich, die Laserenergie in der Optik zu erhöhen, ohne die Eigenschaften des Laserpulses ( Dauer ) und des Strahls ( Spotgröße ) im Fokus zu ändern .
Die Vorrichtung 1 kann auch lediglich die Vorrichtung 3 zum Bereitstellen der gepulsten Laserstrahlung 2 , das Separationselement 7 und die Mehrfachdurchgangsgas zelle 8 aufweisen .
Fig . 2 zeigt schematisch eine bevorzugt Aus führungs form einer bekannten Dispersionsanordnung 6 , die auch bei der Vorrichtung 1 zum Manipulieren von gepulster Laserstrahlung 2 zur Anwendung kommen kann ( dies ist insbesondere bevorzugt , wenn die Dispersi onsanordnung 6 und das Separationselement 7 getrennt ausgeführt sind) . In dieser Aus führungs form ist der Dispersionsanordnung 6 insbesondere ein Treacy-Paar-Pulskompressor . Die Dispersionsanordnung 6 weist einen Eingangsspiegel IM, einen Mittelspiegel . RM und einen Ausgangsspiegel OM auf . Eine obere Ebene der Dispersionsanordnung 6 , die einen ersten optischen Pfad 9 der gepulsten Laserstrahlung 2 in der Dispersionsanordnung 6 vom Eingangsspiegel IM zum Mittelspiegel RM darstellt , ist in Teil figur ( a ) dargestellt . Eine untere Ebene der Dispersionsanordnung 6 , die einen zweiten optischen Pfad 10 der gepulsten Laserstrahlung 2 in der Dispersionsanordnung 6 vom Mittelspiegel RM zum Ausgangsspiegel OM darstellt , ist in Teil figur (b ) dargestellt .
Die Dispersionsanordnung 6 weist ein erstes optisches Gitter Gl und ein zweites optisches Gitter G2 auf , die beide im ersten optischen Pfad 9 und im zweiten optischen Pfad 10 liegen . Die gepulste Laserstrahlung 2 wird über den Eingangsspiegel IM in die Dispersionsanordnung gekoppelt . Das erste optische Gitter Gl bewirkt eine Auf fächerung der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung 2 in unterschiedliche Winkel ( angular chirp ) . Beispielhaft sind in Fig . 2 zwei Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung 2 dargestellt , nämlich ein beispielhafter niederfrequenter (bspw . roter ) Frequenzanteil als strichlierte Linie 2a und ein beispielhafter hochfrequenter (bspw . blauer ) Frequenzanteil 2b als gepunktete Linie . Das zweite optische Gitter G2 bewirkt eine genau entgegengesetzte Zusammenfächerung der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung 2 ( angular chirp ) , sodass die gepulste Laserstrahlung 2 wieder kollimiert ist . Anschließend wird die gepulste Laserstrahlung 2 am Mittelspiegel RM zurückreflektiert , und verläuft anschließend entlang des zweiten optischen Pfades 10 in der unteren Ebene der Dispersionsanordnung 6 . D . h . , in Summe bewirken die beiden optischen Gitter Gl , G2 im ersten optischen Pfad 9 ein räumliches Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung 2 um ein zweites vorbestimmtes Ausmaß ( spatial chirp ) .
Im zweiten optischen Pfad 10 wirken das zweite optische Gitter G2 und das erste optische Gitter Gl genau umgekehrt zum ersten optischen Pfad 9 . D . h . , das zweite optische Gitter G2 bewirkt eine Auf fächerung der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrah- lung 2 in unterschiedliche Winkel ( angular chirp ) . Das erste optische Gitter Gl bewirkt eine genau entgegengesetzte Zusammenfächerung der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung 2 ( angular chirp ) , sodass die gepulste Laserstrahlung 2 wieder kolli- miert ist . Gleichzeitig bewirken das zweite optische Gitter G2 und das ersten optische Gitter Gl ein Zusammenführen der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung 2 entsprechend dem zweiten Ausmaß , sodass der spatial chirp wieder aufgehoben wird . Da die Frequenzanteile 2 der gepulsten Laserstrahlung unterschiedliche optische Pfadlängen zurücklegten, wird somit ein temporal chirp bewirkt oder aufgehoben, insbesondere eine zeitliche Pulskompression bewirkt . Am Ausgangsspiegel OM verlässt die gepulste Laserstrahlung 2 die Dispersionsanordnung 6 .
Fig . 3 zeigt schematisch eine bevorzugte Aus führungs form einer Dispersionsanordnung 6 der Vorrichtung 1 zum Manipulieren von gepulster Laserstrahlung 2 . Dabei wird das räumliche Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung 2 in dem ersten vorbestimmten Ausmaß in die Richtung senkrecht zur Ausbreitungswirkung der gepulsten Laserstrahlung 2 bei der zeitlichen Pulskompression der gepulsten Laserstrahlung 2 mit einem Separationselement 7 bewirkt wird, das in der Dispersionsanordnung 6 vorgesehen ist . Ansonsten ( d . h . bis auf das Separationselement ) ist die Dispersionsanordnung ausgeführt , wie im Zusammenhang mit Fig . 2 beschrieben, sodass die gleichen Bezugs zeichen wie in Fig . 2 verwendet werden sowie auf die obige Beschreibung verwiesen wird . Dabei wird das räumliche Separieren im ersten Ausmaß bewirkt , indem die Symmetrie zwischen dem eingehenden Strahl ( erster optischer Pfad 9 ) und dem ausgehenden Strahl ( zweiter optischer Pfad 10 ) gebrochen wird . Dafür ist das Separationselement 7 nur im ersten optischen Pfad, nicht j edoch im zweiten optischen Pfad vorgesehen . Während das erste optische Gitter Gl und das zweite optische Gitter G2 im ersten optischen Pfad 9 ein räumliches Separieren im zweiten Ausmaß bewirken, und das zweite optische Gitter G2 und das erste optische Gitter Gl im zweiten optischen Pfad 10 ein räumliches Zusammenführen der Frequenzanteile im zweiten Ausmaß bewirken, bewirkt das Separationselement 7 ein räumliches Separieren im ersten Ausmaß . Dass das Separationselement 7 lediglich im ersten optischen Pfad 9 vorgesehen ist, wird das räumliche Separieren im ersten Ausmaß nicht umge- kehrt , sodass die die Dispersionsanordnung 6 verlassende gepulste Laserstrahlung 2 auch im zweiten Ausmaß räumlich separiert ist ( spatial chirp ) .
Insbesondere ist das Separationselement 7 zwischen dem ersten optischen Gitter Gl und dem zweiten optischen Gitter G2 im ersten optischen Pfad 9 vorgesehen, und bewirkt dort eine Verlängerung der Pfadlänge zwischen dem ersten optischen Gl und dem zweiten optischen Gitter G2 gegenüber der Pfadlänge zwischen dem zweiten optischen Gitter G2 und dem ersten optischen Gitter Gl im zweiten optischen Pfad 10 . Dadurch wird der im ersten optischen Pfad 9 bewirkte spatial chirp im zweiten optischen Pfad 10 nicht vollständig ( sondern nur entsprechend dem zweiten Ausmaß ) umgekehrt , sodass die resultierte gepulste Laserstrahlung 2 beim Verlassen der Dispersionsanordnung 6 beim Ausgangsspiegel OM einen spatial chirp im ersten Ausmaß aufweist , wie aus dem Abstand zwischen den beiden beispielhaften Frequenzanteilen 2a, 2b ( gepunktete und strichlierte Linie ) erkennbar ist . Zur Verlängerung der Pfadlänge weist das Separationselement 7 vier Spiegel Ml , M2 , M3 , M4 auf .
Fig . 4 zeigt schematisch eine bevorzugte Aus führungs form einer Mehrfachdurchgangsgas zelle 8 der Vorrichtung 1 zum Manipulieren von gepulster Laserstrahlung 2 . Die gepulste Laserstrahlung 2 wird, nachdem sie im ersten Ausmaß räumlich verbreitert wurde , mit einem Spiegel 11 fokussiert und in die Mehrfachdurchgangsgaszelle 8 inj i ziert . Die Mehrfachdurchgangsgas zelle 8 weist zwei gegenüberliegende Spiegel CM1 , CM2 auf , die einen konzentrischen Resonator ausbilden, der mehrfach von der gepulsten Laserstrahlung 2 durchlaufen wird . Wie zu erkennen ist , bleibt die Größe des Strahls im Fokus erhalten . D . h . im Fokus liegt ein runder Strahl vor, wohingegen die Strahlenspots an den Spiegeln CM1 , CM2 elongiert sind .
Im Zusammenhang mit den Figuren 4 bis 7b werden die erzielten Werte einer beispielhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw . der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt . Im Konkreten zeigt Fig . 5 die Fluenz und die Strahltaille in Abhängigkeit vom Ausmaß der räumlichen Separation ; Fig . 6a zeigt die Spitzenleistung und Fig . 6b die Spotgröße am Weg zum Fokus ; Fig. 7a zeigt normierte Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge und Fig. 7b die normierte Intensität in Abhängigkeit von der Pulsdauer.
Dabei wurde ein Yb CPA-Gitterkompressor (wie in Fig. 3) dargestellt mit einem 4-Spiegel-Bypass verwendet, um das räumliche Chirpen einzuführen und der räumlich verbreiterte Strahl in eine Standard-MPC injiziert, die zwei r=-300 niedrig-dispersion sphärische Spiegel (Optoman) aufweist, die ~590 mm voneinander beab- standet sind. Wie in Fig. 4 zu sehen, wird die 1-D- Strahlf leckverlängerung periodisch durch die 2f-2f- Abbildungsbedingung wiederholt, so dass die Ausgangsebene des räumlichen Chirp nicht gekippt wird. Diese flexible Einstellung der Spotgröße ermöglicht eine einfache Kontrolle der Fluenz (vgl. Fig. 5) auf dem Spiegel bei gleichzeitiger Beibehaltung der Spitzenintensität in der Strahltaille (Fig. 6a, 6b) .
In Fig. 5 ist insbesondere die Verringerung der Spit zenf luenz auf den Spiegeln CM1, CM2 ersichtlich. Fig. 7a zeigt insbesondere die experimentelle SPM-Verbreiterung von 2,5 mJ-Pulsen in 1 bar Ar und Fig. 7b die Fourier-Grenze des Pulses. Die spektralen und zeitlichen Eingangsintensitäten sind dargestellt.
Bemerkenswert ist, dass die Intensität auf den Spiegeln CM1, CM2 sogar noch schneller abnimmt als die Fluenz, da sich die effektive Pulsdauer für die Beschichtung der Spiegel CM1, CM2 aufgrund des monochromatisierenden Effekts des räumlichen Chirpings ändert. Dies ist insofern von Bedeutung, als sich der Schädigungsmechanismus von einem Lawinen-dominierten Effekt (für fs- Pulse) zu einem thermisch dominierten Effekt (für >>ps-Pulse) ändert, was die Verwendung höherer Fluenzen ermöglicht. Fig. 7a und 7b zeigen die von uns experimentell ermittelte spektrale Verbreiterung von 2,5-mJ 250-fs Pulsen, die räumlich gechirpt wurden, um den Strahlfleck um ~x2 zu dehnen, was die maximale Ausdehnung war, die technisch durch die Apertur der im Aufbau installierten Optik begrenzt war.
Man beachte, dass der räumliche Chirp, der nach der spektralen Verbreiterung und Pulsrekompression im Strahl verbleibt, bei vielen Anwendungen nicht kritisch ist. Durch die Fokussierung wird der räumliche Chirp in einen winkligen Chirp umgewandelt, was die Entwicklung einer phasenangepassten Bandbreite bei der Frequenzumwandlung (vgl. B.A. Richman, S.E. Bisson, R. Trebino, M.G. Mitchell, E. Sidick, und A. Jacobson. "Achromatische Phasenanpassung für die abstimmbare Erzeugung der zweiten Harmonischen mit Hilfe eines Gitters" Opt. Lett. 22, 1223-1225 (1997) ) und der Wellenfrontmanipulation (H. Vincenti, und F. Quere. "At- tosecond lighthouse: how to use spatiotemporally coupled light fields to generate isolated as pulses" Phys. Rev. Lett. 108, 113904 (2012) ) ermöglicht, während bei Prozessen wie der Erzeugung von Oberwellen höherer Ordnung (higher-order harmonic generation) in einer Gaszelle, die auf einen winzigen Bruchteil der Rayleigh- Länge des Treiberstrahls beschränkt ist, sowohl der winklige als auch der räumliche Chirp innerhalb des kurzen Interaktionsabstands aufgehoben werden.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zum Manipulieren von gepulster Laserstrahlung (2) aufweisend die Schritte:
- Bereitstellen gepulster Laserstrahlung (2) ;
- räumliches Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung (2) in einem ersten vorbestimmten Ausmaß in eine Richtung senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung der gepulsten Laserstrahlung (2) ;
- Führen der im ersten vorbestimmten Ausmaß räumlich separierten gepulsten Laserstrahlung (2) zu einer Mehrfachdurchgangsgaszelle (8) ;
- Erhöhen der spektralen Bandbreite der gepulsten Laserstrahlung (2) in der Mehrfachdurchgangsgaszelle (8) zur zeitlichen Pulskompression der gepulsten Laserstrahlung (2) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim räumlichen Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung (2) im ersten vorbestimmten Ausmaß eine Verbreiterung der gepulste Laserstrahlung (2) in die Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der gepulsten Laserstrahlung (2) auf zumindest das 1,5-Fache, bevorzugt zumindest das Doppelte, besonders bevorzugt zumindest das 3-Fache, erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend den folgenden Schritt, der vor dem Erhöhen der spektralen Bandbreite der gepulsten Laserstrahlung (2) in der Mehrfachdurchgangsgaszelle (8) durchgeführt wird:
- zeitliche Pulskompression der gepulsten Laserstrahlung (2) in einer Dispersionsanordnung (6) , die zumindest zwei dispersive Elemente (Gl, G2 ) , insbesondere optische Gitter, aufweist, die dazu eingerichtet sind, ein räumliches Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung (2) um ein zweites vorbestimmtes Ausmaß zu bewirken und nach einer Propagation über eine frequenzabhängig unterschiedliche optische Pfadlänge ein Zusammenführen der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung (2) entsprechend dem zweiten Ausmaß zu bewirken, sodass eine zeitliche Pulskompression der gepulsten Laserstrahlung (2) bewirkt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei zum räumlichen Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung (2) um das zweite vorbestimmte Ausmaß mit einem ersten (Gl) der zumindest zwei dispersiven Elemente (Gl, G2 ) die Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung (2) in unterschiedliche Winkel gebeugt werden und mit einem zweiten (G2) der zumindest zwei dispersiven Elemente (Gl, G2 ) die in unterschiedliche Winkel gebeugten Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung (2) kollimiert werden; und zum räumlichen Zusammenführen der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung (2) entsprechend dem zweiten Ausmaß mit dem zweiten (G2) der zumindest zwei dispersiven Elemente (Gl, G2 ) die Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung (2) in unterschiedliche Winkel gebeugt werden und mit dem ersten (Gl) der zumindest zwei dispersiven Elemente (Gl, G2 ) die in unterschiedliche Winkel gebeugten Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung (2) kollimiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das räumliche Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung (2) in dem ersten vorbestimmten Ausmaß in die Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der gepulsten Laserstrahlung (2) erfolgt, indem sich eine erste optische Pfadlänge der gepulsten Laserstrahlung (2) zwischen dem ersten (Gl) der zumindest zwei dispersiven Elemente (Gl, G2 ) und dem zweiten (G2) der zumindest zwei dispersiven Elemente (Gl, G2 ) beim räumlichen Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung (2) um das zweite vorbestimmte Ausmaß unterscheidet von einer zweiten optischen Pfadlänge der gepulsten Laserstrahlung (2) zwischen dem zweiten (G2) der zumindest zwei dispersiven Elemente (Gl, G2 ) und dem ersten (Gl) der zumindest zwei dispersiven Elemente (Gl, G2 ) beim räumlichen Zusammenführen der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung (2) entsprechend dem zweiten Ausmaß.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das räumliche Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung (2) in dem ersten vorbestimmten Ausmaß in die Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der gepulsten Laserstrahlung (2) bei der zeitlichen Pulskompression der gepulsten Laserstrahlung (2) mit einem Separationselement (7) in der Dispersionsanordnung (6) bewirkt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die gepulste Laserstrahlung (2) in der Dispersionsanordnung (6) mit einem Spiegel (RM) reflektiert wird, wobei die gepulste Laserstrahlung (2) in der Dispersionsanordnung (6) entlang eines ersten optischen Pfads
(9) zum Spiegel propagiert wird und nach der Reflektion am Spiegel entlang eines zweiten optischen Pfads (10) propagiert wird, wobei die zumindest zwei dispersiven Elemente (Gl, G2 ) im ersten optischen Pfad (9) und im zweiten optischen Pfad (10) liegen, wobei das Separationselement (7) nur im ersten optischen Pfad
(9) oder nur im zweiten optischen Pfad (10) liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei das Separationselement (7) vier Spiegel (Ml, M2, M3, M4 ) aufweist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend die folgenden Schritte, die vor dem räumlichen Separieren der Frequenzanteile der gepulsten Laserstrahlung (2) im ersten vorbestimmten Ausmaß durchgeführt werden:
- zeitliches Verbreitern der gepulsten Laserstrahlung (2) ;
- Verstärken der zeitlich verbreiterten gepulsten Laserstrahlung ( 2 ) .
10. Vorrichtung zum Manipulieren von gepulster Laserstrahlung ( 2 ) , aufweisend :
- eine Vorrichtung (3) zum Bereitstellen gepulster Laserstrahlung ( 2 ) ;
- ein Separationselement (7) zum räumlichen Separieren der Frequenzen der gepulsten Laserstrahlung (2) in einem ersten vorbestimmten Ausmaß in eine Richtung senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung der gepulsten Laserstrahlung (2) ;
- eine Mehrfachdurchgangsgaszelle (8) zur Erhöhung der spektralen Bandbreite der im ersten vorbestimmten Ausmaß räumlich separierten gepulsten Laserstrahlung (2) zur zeitlichen Pulskompression der gepulsten Laserstrahlung (2) , wobei die Mehrfachdurchgangsgaszelle (8) im optischen Pfad der gepulsten Laserstrahlung (2) nach dem Separationselement (7) angeordnet ist und die Mehrfachdurchgangsgaszelle (8) angeordnet ist, um die im ersten vorbestimmten Ausmaß räumlich separierte gepulste Laserstrahlung zu empfangen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, aufweisend eine Dispersionsanordnung (6) , bevorzugt einen Gitterpaar-Pulskompressor, insbesondere einen Treacy-Paar-Pulskompressor , zur zeitlichen Pulskompression der gepulsten Laserstrahlung (2) mit zumindest zwei dispersiven Elementen (Gl, G2) , insbesondere optischen Gittern.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Dispersionsanordnung (6) einen Spiegel (RM) aufweist, der angeordnet ist, sodass die gepulste Laserstrahlung (2) in der Dispersionsanordnung (6) entlang eines ersten optischen Pfads (9) zum Spiegel (RM) propagiert wird und nach der Reflektion am Spiegel (RM) entlang eines zweiten optischen Pfads (10) propagiert wird, wobei die zumindest zwei dispersiven Elemente (Gl, G2 ) im ersten optischen Pfad (9) und im zweiten optischen Pfad (10) liegen, wobei das Separationselement nur im ersten optischen Pfad (9) oder nur im zweiten optischen Pfad (10) vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Separationselement (7) vier Spiegel (Ml, M2, M3, M4 ) aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, aufweisend:
- eine Verbreiterungsvorrichtung (4) zum zeitlichen Verbreitern der gepulsten Laserstrahlung (2) ;
- eine Verstärkungsvorrichtung (5) zur Verstärkung der zeitlich verbreiterten gepulsten Laserstrahlung (2) ; wobei das Separationselement (7) und die Mehrfachdurchgangsgaszelle (8) im optischen Pfad der gepulsten Laserstrahlung (2) nach der Verbreiterungsvorrichtung (4) und der Verstärkungsvorrichtung (5) vorgesehen sind.
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