CN116368699A - 用于脉冲激光束的脉冲压缩的光学器件及激光*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于脉冲激光束(6)的脉冲压缩的光学器件(1)，该光学器件包括：具有至少一个衍射光栅(3，4)的光栅器件(2)。光学器件(1)包括射束扩展装置、特别是至少一个射束扩展光学元件(7)，用于形成发散的脉冲激光束(6)，该脉冲激光束发散地进入光栅器件(2)并通常发散地穿过该光栅器件(2)。本发明还涉及一种激光***，该激光***具有用于产生脉冲激光束(6)的激光源和如上所述设计的用于脉冲压缩的光学器件(1)。

Description

用于脉冲激光束的脉冲压缩的光学器件及激光***

技术领域

本发明涉及一种用于脉冲激光束的脉冲压缩的光学器件(optische Anordnung)，该光学器件包括：具有至少一个衍射光栅的光栅器件。本发明还涉及一种具有这种光学器件的激光***。

背景技术

具有带有一个或多个衍射光栅的光栅压缩器的光学器件被用于例如啁啾脉冲放大(CPA)***中的脉冲压缩。在CPA***中，脉冲激光束的激光脉冲在展宽器中被展宽，在放大器中被放大并且在压缩器中被压缩。光栅压缩器常用作CPA***中的压缩器。由于CPA***中的高脉冲峰值功率，在压缩器中需要大射束直径的脉冲激光束，以便防止不需要的非线性效应(克尔透镜)，或者防止在最坏情况下破坏光栅压缩器的衍射光栅。大射束直径需要大衍射光栅，即具有大光栅面积的衍射光栅，这导致生产成本高。

US 5,847,863已经披露了一种用于放大超短光脉冲的***，该***尤其可以用于啁啾脉冲放大。在这种***中，光纤展宽器与光栅压缩器相结合。望远镜布置在准直射束的射束路径中，并且用于补偿光纤展宽器与光栅压缩器之间的相位失配。作为示例，光栅压缩器可以是Treacy型光栅压缩器，并且具有用于射束扩展的第一衍射光栅和用于射束准直的第二衍射光栅。

发明内容

发明目的

本发明基于的目的是提供一种用于脉冲压缩的光学器件和一种具有这种光学器件的激光***，即使在高脉冲峰值功率的情况下，这两者也可以用紧凑的结构来实现。

发明任务

根据本发明，该目的通过一种开篇提出类型的光学器件来实现，该光学器件具有射束扩展装置、特别是至少一个射束扩展光学元件，用于形成发散的脉冲激光束，为了脉冲压缩，该脉冲激光束发散地进入光栅器件并通常发散地穿过(Durchlaufen)光栅器件。激光束通常在穿过光栅器件时保持其发散的射束形状，也就是说，激光束通常既不在光栅器件内准直也不在光栅器件内聚焦。

根据本发明，提出将脉冲激光束不以准直方式而是发散地(准确地说，以由射束扩展装置预给定的发散角)辐照到(通常是非成像的)光栅器件中。射束扩展装置可以具有一个或多个射束扩展光学元件，例如，透射式光学元件的形式(例如，透镜的形式)和/或反射式光学元件的形式(例如，(弯曲的)反射镜的形式)。

在进入光栅器件时，也就是说，当激光束照射到射束路径中的第一衍射光栅上时，脉冲激光束的脉冲持续时间仍然长，并因此脉冲峰值功率或峰值强度相对较低，结果，在光栅器件的正确设计的情况下，即使在相对较小的射束直径的情况下，也可以避免非线性效应，并且不会损坏光学单元。因此，发散激光束在进入光栅器件时通常具有小射束直径，并且在第一衍射光栅处仅需要小光栅面积。

当激光束传播通过光栅器件时，即在第一衍射光栅处的衍射之后，脉冲持续时间减小并且脉冲峰值功率增加。然而，在发散激光束充分扩展的情况下，借助于增加激光束照射到其上的光栅面积可以补偿峰值强度的对应增加，结果避免了上述非线性效应，并且不会损坏光学单元。在受限的情况下，光栅器件的一个或多个衍射光栅所需的光栅面积可以以这种方式减小50％。以这种方式，可以实现具有紧凑结构的节省成本的光栅器件。

在用于脉冲压缩的光栅器件中，激光束通常在衍射光栅结构处(准确地说，沿着衍射平面或沿着多个平行的衍射平面)衍射四次。在相应的衍射平面中存在脉冲激光束的光谱分量的光谱***和光谱合并。为了产生四重衍射，光栅器件可以具有四个衍射光栅，每个衍射光栅仅被激光束穿过一次。在这种情况下，从射束路径中的第一衍射光栅到射束路径中的第四衍射光栅，衍射光栅的光栅面积在垂直于衍射平面延伸的方向上增加，因为发散激光束的射束直径在传播通过光栅器件时也增加。需要较大光栅面积的较大射束直径允许避免非线性效应，并且可以防止由于脉冲峰值功率增加而导致的光学单元的损坏。

通过发散地进入光栅器件的激光束，与激光束以准直方式进入其中的光栅器件相比，光栅面积、特别是前三个衍射光栅的光栅面积可以在垂直于衍射平面的方向上减小。光栅面积的减小对于第一衍射光栅是最大的，并且对于第二衍射光栅和第三衍射光栅降低。在第四衍射光栅处，垂直于衍射平面的光栅尺寸总体上对应于激光束以准直方式进入光栅器件的光栅器件的光栅尺寸。

一般来说，激光束至少两次穿过光栅器件的衍射光栅中的至少一个，以便减少光栅器件中衍射光栅的数量。在这种情况下，激光束在衍射光栅的不同面区域多次照射到衍射光栅(更准确地说，衍射光栅的衍射光栅结构)上。

在一种实施方式中，光栅器件具有至少一个偏转装置，用于偏转穿过至少一个衍射光栅之后的激光束，该偏转装置构造用于使激光束转向回到已经被穿过的该至少一个衍射光栅。偏转装置优选地具有至少两个反射面用于偏转该激光束。借助于偏转装置对激光束的偏转使得可以多次穿过同一个衍射光栅。

作为示例，使激光束转向回到(至少一个)衍射光栅的偏转装置可以是棱镜、特别是屋顶棱镜，或多个棱镜或棱镜组。偏转装置还可以是一个或多个反射镜，例如屋顶反射镜的形式。在这种情况下，反射面总体上是平面，在这些平面处，脉冲激光束通过全内反射的方式被反射。一般来说，需要至少两个反射面来将激光束反射回到该至少一个衍射光栅。

在所述实施方式的一种扩展方案中，偏转装置构造用于在至少一个射束偏移方向上产生射束偏移。在偏转装置处偏转的激光束通常平行于进入偏转装置的激光束并沿与进入偏转装置的激光束相反的方向延伸，并且在至少一个射束偏移方向上以预给定的射束偏移相对于进入的激光束偏移。射束偏移能够实现，在再次穿越的情况下，偏转的激光束可以在与第一次穿越衍射光栅的情况相比的不同面区域中照射或穿过已经被穿过的衍射光栅。

在偏转装置的情况下或者在偏转装置中的至少一个的情况下，激光束的射束偏移总体上在垂直于衍射平面延伸的射束偏移方向上延伸，在该衍射平面中，激光束被衍射光栅通过衍射扩展并再次组合。然而，偏转装置中的至少一个也能够产生在平行于衍射平面的平面中延伸的、激光束的射束偏移。

在进一步的扩展方案中，偏转装置构造用于在两个射束偏移方向上产生射束偏移并具有至少三个反射面用于偏转该激光束。偏转装置可以具有包括(至少)三个反射面的单个偏转元件。这种偏转元件通常实现回射器(Retroreflektor)的功能。这种偏转元件的反射面的几何形状不一定需要是正方形的，如常规的立方体回射器的情况。然而，三个反射面也可以分布在偏转装置的多个偏转元件之中，例如分布在两个或更多棱镜之中，这两个或更多棱镜通常共同地同样实现回射器的功能。借助于这种偏转装置，可以在垂直于衍射平面并且另外平行于衍射平面的射束偏移方向上存在对激光束的组合偏转。作为示例，如果光栅器件仅具有单个衍射光栅，则这种偏转是有利的。

在光栅压缩器的情况下或者在光栅器件的情况下，激光束通常上在第一方向上(例如，竖直地)偏转，在偶数次在先的衍射之后具有第一射束偏移，并且在垂直于第一方向的第二方向上(例如，水平地)偏转，在奇数次在先的衍射的情况下具有第二射束偏移。例如，在Treacy型光栅压缩器中，在两次衍射之后或在两个衍射光栅之后存在竖直偏转。在仅具有单个衍射光栅的光栅压缩器的情况下，水平偏转总体上在第一衍射和第三衍射之后实施，并且竖直偏转总体上在第二衍射之后实施。然而，原则上，当在光栅器件中偏转的激光束时，其他配置也是可能的。

在一种扩展方案中，光栅器件具有第一衍射光栅和第二衍射光栅，由激光束相继地穿过该第一衍射光栅和该第二衍射光栅，并且偏转装置构造用于使激光束以射束偏移转向回到第二衍射光栅(以及还有第一衍射光栅)，该射束偏移优选地在垂直于衍射平面定向的射束偏移方向上延伸。在这种情况下，激光束第一次穿过第一衍射光栅和第二衍射光栅，并且随后，在偏转装置处被偏转的激光束沿相反的方向在平行偏移下(并且射束横截面较大)第二次穿过第一衍射光栅和第二衍射光栅，通常在该第一衍射光栅与该第二衍射光栅之间没有布置成像光学元件。

偏转装置通常布置在距第二衍射光栅相对较小的距离处，使得在第一次穿过第二衍射光栅情况下的激光束的射束横截面和在偏转装置处偏转之后第二次穿过第二衍射光栅情况下的激光束的射束横截面具有实际上几乎相同的尺寸。因此，第二衍射光栅上由激光束和偏转的激光束填充或需要的面区域具有大致相同的尺寸。因此，由偏转装置产生的射束偏移通常对应于第二衍射光栅在射束偏移方向上的高度的大致一半。在这里描述的光学装置中，两个衍射光栅、更准确地说是其衍射式光栅结构总体上彼此平行地定向，但这不是一定必须的。

在进一步的扩展方案中，第一衍射光栅和第二衍射光栅布置成沿射束偏移方向以侧向偏移彼此偏移，该射束偏移方向垂直于光栅器件的衍射平面延伸。对于没有光学元件布置在两个衍射光栅之间的情况，发散激光束或发散焦散总体上要求第一衍射光栅和第二衍射光栅在射束偏移方向上彼此偏移，以便确保激光束的射束横截面的中心和偏转的激光束的射束横截面的中心各自居中地照射在两个衍射光栅的为相应衍射设置的面区域上。在相应衍射光栅上为相应衍射设置的面区域在射束偏移方向上的延伸随着射束横截面在射束偏移方向上的延伸的增加而增加。

在一种扩展方案中，在第一衍射光栅与第二衍射光栅之间布置至少一个另外的偏转装置，所述至少一个另外的偏转装置产生激光束沿射束偏移方向的侧向偏移，该射束偏移方向垂直于光栅器件的衍射平面延伸。与上述偏转装置相比，另外的偏转装置不使激光束转向回到已经被穿过的衍射光栅。另外的偏转装置可以仅产生激光束的侧向(平行)偏移，使得在穿过该另外的偏转装置之后保持激光束的传播方向。例如，当另外的偏转装置构造为棱镜或平面平行板时，就是这种情况，该平面平行板布置成相对于激光束的传播方向成角度倾斜，以便产生射束偏移。然而，另外的偏转装置还能够构造用于不仅侧向地偏移激光束，而且还例如使激光束在衍射平面中偏转预给定的角度。在这种情况下，两个衍射光栅通常未彼此平行地定向，而是同样在衍射平面中彼此成角度地定向。

另外的偏转装置可以用来产生侧向偏移，使得允许激光束的射束横截面的中心和偏转的激光束的射束横截面的中心在射束偏移方向上居中地照射到两个衍射光栅的为相应衍射设置的面区域上，而两个衍射光栅不必为此目的必须在垂直于衍射平面的射束偏移方向上偏移。在该实施例中，两个衍射光栅因此可以在射束偏移方向上以相同的高度定位。然而，也可以将由至少一个另外的偏转装置产生的侧向偏移与由衍射光栅在射束偏移方向上的偏移产生的侧向偏移相组合。

在进一步实施方式中，两个衍射光栅之间在射束偏移方向上的侧向偏移或由至少一个另外的偏转装置产生的侧向偏移(或可选地组合侧向偏移)由下式给出：

ΔH＝1/4H_G(H_A-H_E)/(H_A+H_E)，

其中，H_G表示第一衍射光栅在射束偏移方向上的延伸，H_E表示在第一次穿过第一衍射光栅时激光束的射束横截面在射束偏移方向上的延伸，并且H_A表示在第二次穿过第一衍射光栅时已偏转的激光束的射束横截面在射束偏移方向上的延伸。

如果在两个衍射光栅之间没有布置偏转装置或没有布置产生射束偏移的另外的光学元件，则需要以上预给定的两个衍射光栅的侧向偏移ΔH，以确保激光束的射束横截面的中心和偏转的激光束的射束横截面的中心在射束偏移方向上居中地照射到两个衍射光栅的为衍射设置的面区域上。在两个衍射光栅彼此以相同的高度布置的情况下，前述侧向偏移ΔH由(至少一个)另外的偏转装置产生，以便确保两个射束横截面在射束偏移方向上居中地照射到衍射光栅的为衍射提供的相应面区域上。为此目的，可以使用两个另外的偏转装置：第一另外的偏转装置使从第一衍射光栅向第二衍射光栅传播的激光束产生侧向偏移+ΔH，并且第二另外的偏转装置使从第二衍射光栅向第一衍射光栅传播的偏转的激光束产生在量值方面相等但相反的侧向偏移-ΔH。然而，为此也可以使用单个另外的偏转装置，所述另外的偏转装置例如构造成平面平行板的形式，激光束与面法线成角度穿过该平面平行板。原则上，可以借助于另外的偏转装置产生侧向偏移ΔH的第一分量，并且通过两个衍射光栅相对于彼此的侧向偏移产生侧向偏移ΔH的第二分量。

在所述实施方式的一种扩展方案中，该至少一个另外的偏转装置构造用于除了产生侧向偏移之外还在射束偏移方向上产生射束偏移，该射束偏移对应于偏转装置的射束偏移。在这种情况下，例如，除了在为衍射设置的面区域中在射束偏移方向上居中地布置射束横截面的相应中心所需的侧向偏移之外，可以由另外的偏转装置产生在量值方面相应于由偏转装置产生的射束偏移的、附加射束偏移。在这种情况下，可以使用两个另外的偏转装置，这两个另外的偏转装置在射束偏移方向上平行地偏移激光束和在偏转装置处偏转的激光束，所述激光束分别具有由偏转装置产生的射束偏移的量值。然而，为此能够使用例如呈棱镜等的形式的单个另外的偏转装置，所述单个另外的偏转装置除了射束偏移或在射束偏移方向上的侧向偏移之外，还使激光束垂直于射束偏移方向(即在衍射平面内)偏转。

在一种替代的实施方式中，光栅器件具有单个衍射光栅和用于在第一射束偏移方向上产生射束偏移的第一偏转装置以及用于在第二射束偏移方向上并优选地在第一射束偏移方向上产生射束偏移的第二偏转装置，其中，该第一偏转装置和该第二偏转装置优选地布置在衍射光栅的相对置的侧上。在该实施方式中，激光束穿过光栅器件的单个衍射光栅四次。两个偏转装置允许激光束在衍射光栅的四个不同面区域照射到衍射光栅上。第二偏转装置可以具有一个或多个偏转元件，用于在第一射束偏移方向上和在第二射束偏移方向上产生射束偏移。

在所述实施方式的一种扩展方案中，第二偏转装置构造用于优选地除了产生与第一偏转装置在第一射束偏移方向上的射束偏移的量值对应的射束偏移之外，还在第一射束偏移方向上产生侧向偏移，该侧向偏移由下式给出：

ΔH＝1/4H_G(H_A-H_E)/(H_A+H_E)，

其中，H_G表示衍射光栅在第一射束偏移方向上的延伸，H_E表示在第一次穿过衍射光栅的情况下激光束的射束横截面在第一射束偏移方向上的延伸，并且H_A表示在最后一次穿过衍射光栅的情况下偏转的激光束的射束横截面在第一射束偏移方向上的延伸。

以与具有上述两个衍射光栅的实施例类似的方式，需要在第一射束偏移方向上的侧向偏移，以便确保射束横截面在第一射束偏移方向上居中地照射在衍射光栅的为衍射设置的面区域上。为了确保这一点，例如，可以使(第一偏转装置的两个反射面在其上彼此邻接的)边缘相对于(第二偏转装置的三个反射面中的两个在其上彼此邻接的)边缘偏移一半的侧向偏移(ΔH/2)。第二偏转装置可以构造用于在第一射束偏移方向上产生射束偏移，并且另外在第一射束偏移方向上产生侧向偏移。然而，第二偏转装置也可以仅在第一射束偏移方向上产生侧向偏移，而不产生射束偏移，如以上关于具有两个衍射光栅的实施例中的(多个)另外的偏转装置所描述的。

在进一步实施方式中，从光栅器件出射的激光束的射束横截面在垂直于光栅器件的衍射平面的方向上的延伸是进入光栅器件的激光束的射束横截面在垂直于衍射平面的方向上的延伸的至少1.5倍、优选地为至少1.7倍、特别优选为至少2.0倍。在圆形射束横截面的情况下，射束横截面在射束偏移方向上的延伸对应于射束横截面的直径或激光束的射束直径。

在射束路径中的光栅器件的第一衍射光栅处(更准确地说，在其衍射光栅结构处)针对进入的激光束测量射束横截面、或其在垂直于衍射平面的方向(其通常对应于射束偏移方向)上的延伸。相应地，在射束路径中的光栅器件的最后一个衍射光栅处针对出射激光束测量射束横截面或其在垂直于衍射平面的方向上的延伸，该最后一个衍射光栅可以可选地对应于第一衍射光栅(见上文)。由于激光束的发散焦散，激光束的射束横截面在穿越光栅器件时连续增加。尽管发散角相对较小(见下文)，但如果衍射光栅彼此之间具有相对较大的距离(其可以可选地是米的量级)，则光栅器件中射束横截面的延伸总体上在垂直于衍射平面的方向上显著增加，这对应于圆形射束横截面的情况下的射束直径。

在进一步实施方式中，射束扩展光学元件构造用于产生激光束进入光栅器件的发散角，所述发散角在0.5mrad与100mrad之间。激光束进入光栅器件的合适发散角的选择取决于多个参数，例如衍射光栅之间的距离。发散角不应被选择为太大，以便防止像差或相位误差在穿过光栅器件时变得太大，因为这可能导致激光束的射束质量的劣化，尤其是如果光学器件或光栅压缩器在衍射条件的非线性转变附近运行。光栅压缩器或光栅器件通常可以如此设计，使得实现射束质量的可接受的降低或劣化，而不必采取附加措施来改善射束质量。

在进一步实施方式中，光学器件具有至少一个校正装置、特别是相位校正装置，用于至少部分地补偿激光束的射束质量的劣化，所述劣化能够归因于激光束在进入所述光栅器件时的发散。

如上所述，在常规光栅压缩器的情况下，激光束以准直方式进入光栅器件。与以准直方式进入光栅器件的激光束的射束质量相比，激光束发散地进入光栅器件通常导致激光束在穿过光栅器件之后的射束质量的劣化。在本申请的意义上，激光束的射束质量被理解为K因子，对于该K因子以下适用：K＝1/M²，其中，M²表示射束质量因子。校正装置通常是相位校正装置，因为激光束的相位校正允许改善激光束的射束质量而没有光损失。然而，原则上也可以使用在空间域中校正相位误差的其他类型的校正装置，例如呈中性密度滤波器的形式、例如呈光阑的形式等。

在一种扩展方案中，校正装置布置在光栅器件前方的射束路径中或光栅器件后方的射束路径中。针对射束质量劣化的至少部分补偿的校正可以在穿过光栅器件之前或之后实施。特别地，还可以在光栅器件前方的激光束的射束路径中布置第一校正装置，并且在光栅器件后方的激光束的射束路径中布置第二校正装置。校正装置也可以布置在光栅器件内。在补偿装置布置在准直射束路径内的情况下，所述补偿装置原则上可以定位在其中的任何位置。在校正装置布置在发散射束路径中并构造用于相位校正装置的情况下，所述校正装置布置在要补偿的相位误差最大的位置处原则上是有利的。在校正装置校正空间域中的相位误差并且构造用于例如中性密度滤波器、例如呈光阑的形式的情况下，校正装置应当布置在相位误差最小的位置处。

在一种扩展方案中，相位校正装置构造为衍射式光学元件。原则上，相位校正装置也可以不同地实施，例如呈具有空间相依变化的相移或延迟的延迟板的形式。然而，衍射式光学元件形式的相位校正装置可以特别容易地集成到光栅器件中。

在一种扩展方案中，相位校正装置被集成到光栅器件的衍射光栅中，也就是说，被集成到衍射结构(光栅结构)中。在这种情况下，衍射光栅的衍射结构(光栅结构)如此设计，使得衍射光栅附加地产生相位校正，以便抵消激光束的射束质量的劣化。原则上，可以通过集成到所述衍射光栅中的相位校正装置来几乎完全校正激光束的射束质量的劣化，该劣化可以归因于激光束进入光栅器件时的发散并且可以归因于相应的衍射光栅。使用这种相位校正装置可以来部分地补偿可以归因于先前的或后续的衍射或衍射光栅的相位误差。因此，两个或更多相位校正装置也可以集成到两个或更多衍射光栅中。在激光束在不同面区域至少两次穿过同一个衍射光栅的情况下，在相应面区域中适当地匹配相位校正。特别地，衍射式光学元件可以集成到射束路径中的光栅器件的第一衍射光栅中。

如果在给定的发散角下应抵消射束质量的劣化，如果在光栅器件的前方不具有最佳射束质量的情况下应提高射束质量，或者如果从光栅器件出射的激光束的射束横截面在较高脉冲峰值功率的情况下必须被提高、并且进入光栅器件的激光束的射束横截面需要相应地被减小以便不增加所需的光栅面积，则需要补偿装置。

特别地，补偿装置可以构造用于部分地补偿在衍射方向或衍射平面中的射束质量K的劣化，以这种方式使得在穿越光栅器件时，射束质量K不会以高于0.1下降。

在进一步实施例中，光学器件具有准直装置、特别是至少一个准直光学元件，用于准直穿过光栅器件之后的激光束。已证明有利的是，将光栅器件集成到由射束扩展装置和准直装置形成的射束望远镜中。通过射束望远镜增加了照射在射束扩展装置上的准直激光束的射束横截面，也就是说，激光束在穿过光栅器件时被扩展。作为示例，准直装置可以具有一个或多个透射式光学元件(例如，呈透镜形式)和/或一个或多个反射式光学元件(例如，呈(弯曲的)反射镜形式)。

原则上，光栅器件的一个或多个衍射光栅可以透射式或反射式地构造。在这两种情况下，通过发散地进入光栅器件的激光束，所需的光栅面积总体上可以显著减小。

本发明的进一步方面涉及一种激光***，该激光***具有用于产生脉冲激光束的激光源和如上所述构造的光学器件，该光学器件用于脉冲激光束的脉冲压缩。作为示例，激光***可以是超短脉冲***，其包括用于产生光谱宽激光脉冲的激光源。作为示例，激光源可以是激光振荡器，但是激光源也可以是激光振荡器/放大器组合的形式。这种激光源具有用于产生激光脉冲的振荡器(例如，光纤振荡器)和用于放大激光脉冲或脉冲激光束的放大器器件，所述放大器器件具有一个或多个光学放大器。激光源可以具有脉冲展宽器，用于展宽激光脉冲的脉冲持续时间。脉冲展宽器可以位于放大器器件前方或放大器器件内。作为示例，激光源可以构造用于产生具有例如1nm以上的光谱宽度和例如1mJ以上的脉冲能量的激光脉冲。在这种激光***的情况下，上述光学器件(更确切地说，光栅器件)可以用作脉冲持续时间压缩的色散匹配单元(也称为脉冲压缩器)。

本发明的进一步优点从描述和附图中得出。同样，上述特征和还将呈现的特征可以分别独立使用或以任何期望的组合作为多个来使用。所示出和描述的实施方式不应被理解为穷举，而是具有用于概述本发明的示例性特性。

附图说明

附图示出：

图1a、图1b分别以平面图示出了用于脉冲激光束的脉冲压缩的光学器件的示意性图示，所述光学器件具有Treacy型光栅器件，该光栅器件具有两个透射式或反射式衍射光栅和棱镜形式的偏转装置，

图2a、图2b示出图1a、图1b中的光学器件的示意性侧视图，具有发散的脉冲激光束的脉冲形状，该脉冲激光束由射束扩展元件产生并穿过具有透射式或反射式衍射光栅的光栅器件，

图3a至图3c示出在穿过光栅器件时发散激光束在两个衍射光栅上的射束横截面的示意性图示，并且还示出两个衍射光栅的侧向偏移的示意性图示或被两个另外的偏转装置侧向偏移的激光束的平行偏移的示意性图示，

图4示出激光束的射束质量的劣化与最小射束直径的相关性的示意性图示，

图5示出用于脉冲压缩的光学器件的示意性图示，该光学器件具有单个衍射光栅和两个偏转装置，以及

图6示出激光***的示意性图示，该激光***具有用于产生脉冲激光束的激光源和用于脉冲激光束的脉冲压缩的光学器件。

在以下对附图的描述中，相同的附图标记用于相同的或功能相同的部件。

具体实施方式

图1a和图2a示出了光学器件1，该光学器件具有Treacy型光栅器件2，该光栅器件具有透射式运行的第一衍射光栅3和透射式运行的第二衍射光栅4并且还具有呈屋顶棱镜形式的偏转装置5。两个衍射光栅3、4彼此平行地定向，并且沿着XYZ坐标系的YZ平面使穿过光栅器件2的脉冲激光束6衍射，所述平面在下面也被称为衍射平面。激光束6在衍射平面YZ中(或在平行于衍射平面YZ的平面中)被光谱扩展和光谱合并，如图1a中使用虚线所指示。在穿过第一衍射光栅3和第二衍射光栅4之后，激光束6穿过偏转装置5并被该偏转装置偏转(更准确地说，被偏转装置回射)，偏转装置5在XYZ坐标系的、垂直于衍射平面YZ定向的射束偏移方向X上产生射束偏移ΔX。

图1a和图2a中的光学器件1用于激光束6的脉冲压缩，如基于激光束6进入光栅器件2时的脉冲形状P_E和从光栅器件2发出时的脉冲形状P_A可以看出。如图2a中可以看出，激光束6发散地进入光栅器件2并在穿过光栅器件2时(即，在穿过第一衍射光栅3和第二衍射光栅4时以及在穿过偏转装置5时)保持其发散的射束形状。

为了产生发散的脉冲激光束6，光学器件1具有射束扩展装置，在所示的示例中，该射束扩展装置构造成第一透镜7的形式，该第一透镜布置在光栅器件2前方的射束路径中。第二透镜8形式的准直装置布置在光栅器件2后方的射束路径中。第一透镜7和第二透镜8形成用于激光束6的射束望远镜，该激光束由这里未描绘的激光源产生并以准直方式照射到第一透镜7上。在所示的示例中，第一透镜7和第二透镜8是球面透镜，但是也可以使用柱面透镜。

图1b和图2b示出了以下光学器件1：在该光学器件中，光栅器件2具有两个反射式衍射光栅3、4，而不是两个透射式衍射光栅3、4。如图1a和图2a中所示的光学器件1，图1b和图2b中所示的光学器件1中的激光束6在衍射平面YZ中相对于光栅法线成角度照射到第一衍射光栅3上。在图2b展示的侧视图中，激光束6照射到第一衍射光栅3上的角度和出射激光束6在第一衍射光栅3处反射的角度没有在衍射平面YZ中示出，而是与衍射平面ZY成角度定向地示出，以便提高激光束6在两个衍射光栅3、4之间传播的表示的清晰度。在其他方面，图1b和图2b所示的光学器件1的结构对应于图1a和图2a所示的具有透射式衍射光栅3、4的光学器件1。

如基于以平面图示出了两个衍射光栅3、4的图3a至图3c可以看出，激光束6的射束横截面的尺寸在穿过光栅器件2时增加，确切地说，从在第一次穿过第一衍射光栅3时第一射束横截面S1a在射束偏移方向X上的最小延伸H_E，通过在穿过第二衍射光栅4时(几乎相同尺寸的)第二射束横截面S2a和第三射束横截面S2b，增加到在第二次穿过第一衍射光栅3时在射束偏移方向X上具有最大延伸H_A的第四射束横截面S1b。在图3a和图3b中以圆形方式表示相应射束横截面S1a、S1b、S2a、S2b，因为为了清楚起见，省去了激光束6在衍射平面YZ中的光谱分量的光谱扇形化和组合的表示。

以下适用于从光栅器件2出射的激光束6的射束横截面S1b在射束偏移方向X上的延伸H_A与进入光栅器件2的激光束6的射束横截面S1a在射束偏移方向X上的延伸H_E之间的比率：H_A/H_E≥1.5，优选地≥1.7，尤其≥2.0。在穿过光栅器件2时，激光束6的射束横截面在射束偏移方向X上的延伸的增加对于光学器件1的激光阻力是有利的，因为在光栅器件2中传播时，激光束6的脉冲的脉冲持续时间缩短，并且脉冲峰值功率在该过程中增加。

如从图3a至图3c可以看出，在所示的示例中，第一衍射光栅3和第二衍射光栅4在射束偏移方向X上具有相同的延伸H_G。在所示的示例中，由偏转装置5产生的射束偏移ΔX对应于第二衍射光栅4在射束偏移方向X上的延伸H_G的一半。

如从图3a至图3c同样可以看出，由于激光束6的发散射束焦散在射束偏移方向X上需要侧向偏移ΔH，以便将在第一次穿过第一衍射光栅3和第二衍射光栅4时的第一射束横截面S1a和第二射束横截面S2a的中心以及在沿相反方向穿过第二衍射光栅4和第一衍射光栅3时的第三射束横截面S2b和第四射束横截面S1b的中心相对于射束偏移方向X居中地定位在为相应衍射设置的面区域中。

在图3a所示的示例中，出于产生侧向偏移ΔH的目的，第一衍射光栅3和第二衍射光栅4在射束偏移方向X上相对于彼此偏移。以下适用于能够实现射束横截面S1a、S1b、S2a、S2b的中心居中定位的侧向偏移ΔH：

ΔH＝1/4H_G(H_A-H_E)/(H_A+H_E)，

其中，H_E表示在第一次穿过第一衍射光栅3时激光束6的(第一)射束横截面S1a在射束偏移方向X上的延伸，并且H_A表示在第二次穿过第一衍射光栅3时已偏转的激光束6的(第四)射束横截面S1b在射束偏移方向X上的延伸。

在图3b所示的示例中，两个衍射光栅3、4在射束偏移方向X上以相同的高度布置。在这种情况下，侧向偏移ΔH由平面平行板形式的偏转装置10产生，该偏转装置布置在第一衍射光栅3与第二衍射光栅4之间并相对于衍射平面YZ或相对于激光束6的传播方向成角度倾斜，以便产生侧向偏移ΔH。在从第一衍射光栅3向第二衍射光栅4传播时，另外的偏转装置10在所示的示例中产生具有正号的激光束6的侧向偏移+ΔH。相应地，另外的偏转装置10产生具有相同量值但负号的偏转的激光束6的侧向偏移-ΔH。

在图3c所示的示例中，第一另外的偏转装置10a和第二另外的偏转装置10b布置在第一衍射光栅3与第二衍射光栅4之间。两个另外的偏转装置10a、10b是棱镜的形式，并且与图3b所示的另外的偏转装置10的不同之处在于，除了侧向偏移+ΔH、-ΔH之外，这些另外的偏转装置还在射束偏移方向X上产生射束偏移，该射束偏移在量值方面对应于偏转装置5的射束偏移ΔX，但具有相反的符号。

在穿过第一另外的偏转装置10a之后，激光束6因此照射到第二衍射光栅4上，所述激光束不是与第二射束横截面S2a的中心具有量值为ΔH的侧向偏移，而是与第二射束横截面S2a的中心具有ΔH+ΔX的侧向偏移。在偏转的激光束6在第二另外的偏转装置10b处以-ΔH+ΔX的侧向偏移被侧向偏移，激光束6在偏转装置5(未在图3c中展示)中在负射束偏移方向X上以射束偏移-ΔX(参见第三射束横截面S2b)被平行偏移。应理解，图3c中所示的另外的偏转装置10a、10b不一定需要产生侧向偏移+ΔH、-ΔH，而是如果两个衍射光栅3、4以侧向偏移ΔH(如图3a中展示)彼此偏移，则偏转装置5的射束偏移ΔX是足够的。

在所示的示例中，射束扩展光学元件7构造用于产生激光束6在进入光栅器件2时的发散角α，所述发散角在0.5mrad与100mrad之间。发散角α不应被选择为太大，因为太大的激光束6的发散导致射束质量K(或其倒数1/M²)降低，如在图4(示出了射束质量因子M²的劣化与最小射束直径的相关性)的基础上可以看出。在所示的示例中，射束扩展光学元件7是球面透镜，但是其也可以是在垂直于衍射平面YZ的方向上作用的柱面透镜。

以下关系适用于最小射束半径w₀(或最小射束直径2w₀)、半发散角α/2与射束质量因子M²：

α/2w₀＝M²λ/π，

其中，λ表示激光束6的波长。

为了至少部分地补偿发散激光束6在穿过光栅器件2时射束质量K或1/M²的劣化，在所示的示例中，光学器件1具有第一相位校正装置9a和第二相位校正装置9b。第一相位校正装置9a布置在光栅器件2前方的射束路径中，更准确地说，布置在第一透镜7形式的射束扩展光学元件前方的射束路径中。第一相位校正装置9a是衍射式光学元件，但是其也可以例如构造为延迟板或以任何其他方式构造。第二相位校正装置9b同样形成衍射式光学元件，该衍射式光学元件集成在第一衍射光栅3中，也就是说，第一衍射光栅3的光栅结构以这样的方式被修改，即，在激光束6在第一衍射光栅3处衍射时存在附加相位校正，该附加相位校正抵消了激光束6的射束质量K的劣化。

通过两个相位校正装置9a、9b，可以部分地补偿激光束6在衍射平面YZ中或在衍射方向Y上的射束质量K的劣化，使得在穿过光栅器件时，射束质量K不会以高于0.1下降。

原则上，单个相位校正装置可以足以进行相位校正，以便以上面预给定的量值对激光束6的射束质量K的劣化进行补偿。作为示例，其可以集成在第一衍射光栅3中，如图2a、图2b中展示。第二衍射光栅4也可以具有相位校正装置或另外的相位校正装置。替代地或附加地，相位校正装置或另外的相位校正装置可以布置在光栅器件2后方的射束路径中。

应理解，相位校正装置不一定需要布置在准直射束路径中；相反，相位校正装置还可以布置在射束扩展装置或光学单元7与准直装置8或光学单元之间的发散射束路径中，例如在光栅器件2外部的射束路径中(例如在射束扩展装置7与第一衍射光栅3之间)或在第一衍射光栅3与准直装置8之间的射束路径中。用于补偿射束质量K的劣化的相位校正装置或任何其他类型的校正装置还可以布置在两个衍射光栅3、4之间的射束路径中、或者布置在第二衍射光栅4与偏转装置5之间的射束路径中。

应理解，光学器件1不一定需要具有两个衍射光栅3、4；代替地，光学器件还可以具有更多或更少数量的衍射光栅，这些衍射光栅被激光束6穿过一次或多次。

图5示出了具有光栅器件2的光学器件1的示例，该光栅器件仅具有单个衍射光栅3。除了与图1a、图1b或图2a、图2b所示的偏转装置5类似设计的第一偏转装置5之外，光栅器件2具有构造成在垂直于衍射平面YZ的第一射束偏移方向X上产生第一射束偏移ΔX的第二偏转装置11，所述第一射束偏移对应于第一偏转装置5在第一射束偏移方向X上的射束偏移ΔX的量值，但是具有相反的符号。第二偏转装置11还构造用于在第一射束偏移方向X上产生附加侧向偏移+ΔH、-ΔH，如下面更详细描述的。

第二偏转装置11另外构造用于在第二射束偏移方向Y上将激光束6偏移第二射束偏移ΔY，其中第二射束偏移方向Y在衍射平面YZ中延伸或平行于衍射平面YZ延伸。为了在两个相互垂直的射束偏移方向X、Y上实现射束偏移ΔX、ΔY，构造成棱镜组的第二偏转装置11具有三个反射面11a-c。

第二偏转装置11另外在第一射束偏移方向X上产生侧向偏移+ΔH、-ΔH，以便确保衍射光栅3的为相应衍射设置的面区域被激光束6居中地照射。

在此，第二偏转装置11接管图3c中的两个另外的偏转装置10a、b的功能：

在衍射光栅3处的第一衍射之后，由第二偏转装置11产生射束偏移+ΔX和侧向偏移+ΔH，激光束6借助该射束偏移和该侧向偏移在第二衍射时照射到衍射光栅3上。第一偏转装置5在第一射束偏移方向X上产生–ΔX的射束偏移，使得激光束6在第三衍射时以相对于照射激光束6的侧向偏移+ΔH再次照射到衍射光栅3。在第二次穿过第二偏转装置11时，第二偏转装置产生射束偏移+ΔX和具有负号的侧向偏移–ΔH，使得激光束6在衍射光栅3处的第四衍射之后以相对于照射激光束6的射束偏移+ΔX离开光栅器件2。

为了获得上述类型的偏转，第二偏转装置11的第一反射面11a与第二反射面11b之间的边缘相对于第一偏转装置5的两个反射面5a、5b之间的边缘在第一射束偏移方向X上以-ΔH/2的偏移定位。然而，应理解，为了允许上述类型的偏转，边缘的这种定位不是一定必须的。

第一偏转装置5布置在距衍射光栅3相对较短的距离处，以便确保激光束6的射束横截面在第二衍射与第三衍射之间保持大致相同。相比之下，第二偏转装置11布置在距衍射光栅3相对较长的距离处。

与图5所展示的不同，第二偏转装置11可以构造用于产生具有上述量值的侧向偏移+ΔH、-ΔH，但是在第一射束偏移方向X上不产生射束偏移ΔX。在这种情况下，第二偏转装置11在第二射束偏移方向Y上产生射束偏移ΔY，其对应于图5所示的射束偏移ΔY。在这种情况下，激光束6也可以在衍射光栅的不同面区域中穿过衍射光栅3四次。

在省去第三反射面11c的情况下，图5中所示的第二偏转装置11可以代替图3c所示的两个另外的偏转装置10a、b，因为从第一射束偏移方向X来看，第二偏转装置11实现与两个另外的偏转装置10a、b相同的功能。如果图5所示的两个反射面11a、b用作另外的偏转装置10，则两个衍射光栅3、4不是彼此平行地定向，而是相对于彼此成角度地定向，所述角度在衍射平面YZ中延伸。例如在呈棱镜的形式的另外的偏转装置上能够形成的两个反射面11a、11b例如允许激光束6的在衍射平面YZ中的射束折叠(Strahlfaltung)，并因此允许光学器件1特别紧凑的结构。

在图5中，与图1a、图1b类似，使用虚线描绘了激光束6在衍射平面YZ中的扇形化(更准确地说，扇形化的边缘射束)。通过另外的偏转装置11可以确保激光束6在四个不同的相互偏移的面区域中穿过衍射光栅3，并且在该过程中衍射四次。在图5中，与图1a、图1b类似，省去了光学器件1的射束扩展元件7和准直元件8的表示。

上述光学器件1具有紧凑的结构，并且可以用作例如啁啾脉冲放大激光***20(其将在下面结合图6进行更详细的描述)中的压缩器。然而，应理解，光学器件1的使用不限于啁啾脉冲放大***。

图6所示的激光***20是超短脉冲***，其具有用于产生具有光谱宽激光脉冲的激光束6的激光脉冲源21、以及用于色散匹配(更准确地说，用于脉冲持续时间压缩)的上述光学器件1(也称为脉冲压缩器)。作为示例，激光脉冲源21可以构造为激光振荡器，或者如图6所示，构造为激光振荡器/放大器组合。

在图6所示的示例中，光纤振荡器22集成在激光源21中，用于产生脉冲展宽的色散匹配单元23(也称为脉冲展宽器)集成在所述光纤振荡器中，该色散匹配单元的结构与上述脉冲压缩器的结构类似。替代地，用于脉冲展宽的色散匹配单元23还可以构造成光纤布拉格光栅(FBG)的形式。激光源21还具有放大器链，该放大器链具有数量为n的放大器25a-n。在图6所示的示例中，还有用于幅度匹配和/或相位匹配的模块24布置在放大器链25a、……、25n的前方，所述模块也可以被集成在放大器链25a、……、25n中。

用于选择脉冲或用于匹配激光脉冲的幅度的光学调制器26布置在放大器链25a、……、25n的后方和实现脉冲压缩的光学器件1的前方。自由射束光学单元27具有至少一个射束扩展光学元件7，如上所说明的，其用于产生用于光栅器件2的发散的输入射束。在图6所展示的激光***20中，具有例如1nm以上的光谱宽度P_E和例如1mJ以上的脉冲能量的激光脉冲作为输入激光束6被提供给用作色散调整单元的光学器件1。

在图6所展示的激光***20中，可以进行射束路径的色散匹配，以便进行脉冲持续时间的精细调整，如在申请人的DE 10 2016 110 947 A1中所描述的。以这种方式，可以提供具有期望脉冲持续时间(例如，具有最短可能脉冲持续时间或适合于处理方法的脉冲持续时间)的激光脉冲的强度分布。

Claims (19)

1.一种用于脉冲激光束(6)的脉冲压缩的光学器件(1)，所述光学器件包括：

光栅器件(2)，所述光栅器件具有至少一个衍射光栅(3，4)，以及

射束扩展装置、尤其是至少一个射束扩展光学元件(7)，用于形成发散的脉冲激光束(6)，所述脉冲激光束发散地进入所述光栅器件(2)。

2.根据权利要求1所述的光学器件，所述光学器件具有至少一个偏转装置(5，11)，用于偏转穿过至少一个衍射光栅(3，4)之后的激光束(6)，其中，所述偏转装置(5)构造用于使所述激光束(6)转向回到已经被穿过的所述至少一个衍射光栅(3，4)，所述偏转装置优选地具有至少两个反射面(5a，b；11a-c)用于偏转所述激光束(6)。

3.根据权利要求2所述的光学器件，其中，所述偏转装置(5，11)构造用于在至少一个射束偏移方向(X，Y)上产生射束偏移(ΔX；ΔX，ΔY)。

4.根据权利要求3所述的光学器件，其中，所述偏转装置(11)构造用于在两个射束偏移方向(X，Y)上产生射束偏移(ΔX，ΔY)，所述偏转装置具有至少三个反射面(11a-c)用于偏转所述激光束(6)。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的光学器件，其中，所述光栅器件(2)具有第一衍射光栅和第二衍射光栅(3，4)，由所述激光束(6)相继地穿过所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅，其中，所述偏转装置(5)构造用于使所述激光束(6)以射束偏移(ΔX)转向回到所述第二衍射光栅(3)，所述射束偏移优选地在垂直于所述光栅器件(2)的衍射平面(YZ)定向的射束偏移方向(X)上延伸。

6.根据权利要求5所述的光学器件，其中，所述第一衍射光栅(3)和所述第二衍射光栅(4)布置成沿射束偏移方向(X)以侧向偏移(ΔH)彼此偏移，所述射束偏移方向垂直于所述光栅器件(2)的衍射平面(YZ)延伸。

7.根据权利要求5或6所述的光学器件，其中，至少一个另外的偏转装置(10；10a，10b)布置在所述第一衍射光栅(3)与所述第二衍射光栅(4)之间，所述至少一个另外的偏转装置产生所述激光束(6)沿射束偏移方向(X)的侧向偏移(+ΔH，-ΔH)，所述射束偏移方向垂直于所述光栅器件(2)的衍射平面(YZ)延伸。

8.根据权利要求6或7中任一项所述的光学器件，其中，在两个衍射光栅(3，4)之间的、在射束偏移方向(X)上的侧向偏移(ΔH)或由所述至少一个另外的偏转装置(10a，10b)产生的侧向偏移(+ΔH，-ΔH)由以下给出：

ΔH＝1/4H_G(H_A-H_E)/(H_A+H_E)，

其中，H_G表示所述第一衍射光栅(3)在射束偏移方向(X)上的延伸，H_E表示在第一次穿过所述第一衍射光栅(3)时所述激光束(6)的射束横截面(S1a)在射束偏移方向(X)上的延伸，H_A表示在第二次穿过所述第一衍射光栅(3)时已偏转的激光束(6)的射束横截面(S1b)在射束偏移方向(X)上的延伸。

9.根据权利要求7或8所述的光学器件，其中，所述至少一个另外的偏转装置(10a，10b)构造用于，除了所述侧向偏移(+ΔH，-ΔH)之外，还在射束偏移方向(X)上产生以下射束偏移(+ΔX)：所述射束偏移对应于所述偏转装置(5)在射束偏移方向(X)上的射束偏移(ΔX)的量值。

10.根据权利要求3或4所述的光学器件，其中，所述光栅器件具有单个衍射光栅(3)、用于在第一射束偏移方向(X)上产生射束偏移(ΔX)的第一偏转装置(5)、以及用于在第二射束偏移方向(Y)上产生射束偏移(ΔY)并优选地用于在所述第一射束偏移方向(X)上产生射束偏移(ΔX)的第二偏转装置(11)，其中，所述第一偏转装置和所述第二偏转装置(5，11)优选地布置在所述衍射光栅(3)的相对置的侧上。

11.根据权利要求10所述的光学器件，其中，所述第二偏转装置(11)构造用于，在所述第一射束偏移方向(X)上，优选地除了产生与所述第一偏转装置(5)在所述第一射束偏移方向(X)上的射束偏移(ΔX)对应的射束偏移(ΔX)之外，还产生侧向偏移(+ΔH，-ΔH)，所述侧向偏移由以下给出：

ΔH＝1/4H_G(H_A-H_E)/(H_A+H_E)，

其中，H_G表示所述衍射光栅(3)在所述第一射束偏移方向(X)上的延伸，H_E表示在第一次穿过所述衍射光栅(3)时所述激光束(6)的射束横截面(S1a)在所述第一射束偏移方向(X)上的延伸，H_A表示在最后一次穿过所述衍射光栅(3)时已偏转的激光束(6)的射束横截面(S1b)在所述第一射束偏移方向(X)上的延伸。

12.根据前述权利要求中任一项所述的光学器件，其中，从所述光栅器件(2)出射的激光束(6)的射束横截面(S1b)在垂直于所述衍射平面(Y，Z)的方向(X)上的延伸(H_A)是进入所述光栅器件(2)的激光束(6)的射束横截面(S1a)在垂直于所述衍射平面(Y，Z)的方向(X)上的延伸(H_E)的至少1.5倍、优选地至少1.7倍、尤其至少2倍。

13.根据前述权利要求中任一项所述的光学器件，其中，所述射束扩展装置(7)构造用于产生所述激光束(6)在进入所述光栅器件(2)时的发散角(α)，所述发散角在0.5mrad与100mrad之间。

14.根据前述权利要求中任一项所述的光学器件，进一步包括：至少一个校正装置、尤其至少一个相位校正装置(9a，9b)，所述至少一个校正装置、尤其至少一个相位校正装置用于至少部分地补偿所述激光束(6)在穿过所述光栅器件(2)时射束质量(K)的劣化，所述射束质量的劣化归因于所述激光束(6)在进入所述光栅器件(2)时的发散。

15.根据权利要求14所述的光学器件，其中，所述校正装置(9a)布置在所述光栅器件(2)前方的射束路径中或所述光栅器件(2)后方的射束路径中。

16.根据权利要求14或15所述的光学器件，其中，所述相位校正装置是衍射式光学元件(9b)。

17.根据权利要求16所述的光学器件，其中，所述相位校正装置(9b)集成在所述光栅器件(2)的衍射光栅(3)中。

18.根据前述权利要求中任一项所述的光学器件，进一步包括：

准直装置、特别是至少一个准直光学元件(8)，用于准直穿过所述光栅器件(2)之后的激光束(6)。

19.一种激光***(20)，包括：

激光源(21)，所述激光源用于产生脉冲激光束(6)，以及

根据前述权利要求中任一项所述的、用于所述脉冲激光束(6)的脉冲压缩的光学器件(1)。

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