DE102014118880A1

DE102014118880A1 - Optische Einrichtung zur Modulation der spektralen Phase von Laserpulsen

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Publication number: DE102014118880A1
Application number: DE102014118880.2A
Authority: DE
Inventors: Jan Kaster
Original assignee: Rofin Baasel Lasertech GmbH and Co KG
Current assignee: Rofin Baasel Lasertech GmbH and Co KG
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Eine optische Einrichtung (1) zur Modulation der spektralen Phase von Laserpulsen, insbesondere zur zeitlichen Verbreiterung oder zum Komprimieren der Dauer eines Laserpulses bei der Chirped-Puls-Amplification bzw. der Verstärkung zeitlich gestreckter Laserpulsen mit anschließender Komprimierung, umfasst zumindest ein in einem vorgebbaren Wellenlängenbereich Winkeldispersion aufweisendes Beugungsgitter (2) und eine Faltungsoptik (4, 7) zur derartigen Faltung des Strahlenwegs, dass mehrere Beugungen des Laserpulses an dem zumindest einen Beugungsgitter (2) erzeugbar sind. Erfindungsgemäß ist die Faltungsoptik (4, 7) derart ausgebildet, dass zumindest acht Beugungen an dem zumindest einen Beugungsgitter (2) oder an einer mehrere Beugungsgitter (2) umfassenden Anordnung erzeugbar sind, um bei gleicher chromatischer Dispersion im Vergleich zum herkömmlichen Konzept (vgl. z. B. B. E. B. Treacy „Optical pulse compression with diffraction gratings“ IEEE J. Quantum Electron. QE-5, 454 (1969)) eine kompaktere Baugröße zu ermöglichen, bzw. bei gleicher Baugröße eine vielfache chromatische Dispersion zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Einrichtung zur Modulation der spektralen Phase von Laserpulsen; insbesondere zur zeitlichen Verbreiterung oder zum Komprimieren der Dauer eines Laserpulses bei der Chirped-Puls-Amplification, z. B. zur Verstärkung zeitlich verbreiteter, sog. gestreckter Pulse (engl. Chirped Pulse Amplification, CPA), mit zumindest einem in einem vorgebbaren Wellenlängenbereich Winkeldispersion aufweisenden Beugungsgitter und einer Faltungsoptik zur derartigen Faltung des Strahlenwegs, dass mehrere Beugungen des Laserpulses an dem zumindest einen Beugungsgitter erzeugbar sind.
Aus dem Stand der Technik sind Lasersysteme bekannt, bei denen eine Verstärkung eines von einer Laserquelle bereitgestellten Laserpulses mittels der sogenannten CPA-Methodik erfolgt. Bei derartig ausgebildeten Lasersystemen wird die spektrale Phase der Laserpulse vor und nach der Verstärkung in einem optisch aktiven Verstärkermedium mittels optischer Einrichtungen, welche chromatisch dispersiven Filtern entsprechen, moduliert, um die auftretende Spitzenintensität während der Verstärkung zu reduzieren und damit einer möglichen nichtlinearen Störung der Pulsform oder gar einer Beschädigung des Verstärkermediums entgegenzuwirken. Üblich ist eine Reduktion der Spitzenintensität um einen Faktor von 500 bis 10000, durch eine Streckung / Verbreiterung der Pulsdauer um eben diesen Faktor. Das chromatisch dispersive Filter wird üblicherweise als Laserpulsstrecker bezeichnet. Nach der Verstärkung kompensiert üblicherweise ein Laserpulskompressor derart die zuvor vom Laserpulsstrecker und von den transmittierten optischen Medien aufgeprägte chromatische Dispersion, dass Pulsform, -dauer und -kontrast idealer Weise jener vor der Verstärkung oder einer gewünschten definierten Art, z. B. zeitlich verkürzt oder verlängert, entsprechen.
Beispielsweise im Spektralbereich um 1030 nm, der insbesondere aufgrund der Skalierbarkeit der Durchschnittsleistung sowie der Pulsenergie in Yb-dotierten Medien zunehmend Interesse im Bereich der Laser-Materialbearbeitung findet, betragen gängige Beugungsgitterfrequenzen 1600 Linien pro mm oder 1740 Linien pro mm. Bei ebenfalls üblichen spektralen Bandbreiten von 2 nm bis 6 nm (bezogen auf die Halbwertsbreite, Full Width at Half Maximum, FWHM) und zeitlichen Streckfaktoren von ca. 1000 beträgt der Weg zwischen zwei Beugungen an jenen Beugungsgittern, welche eine Modulation der spektralen Phase der Laserpulse mittels Winkeldispersion bewirken, in typischen Anwendungen ein bis zwei Meter.
Laserpulskompressoren bzw. Laserpulsstrecker, welche auf Winkeldispersion basieren, bei denen also die dispersiven optischen Elemente beispielsweise als Prismen und Beugungsgitter ausgebildet sind, benötigen bei steigendem Betrag der geforderten Dispersion zweiter Ordnung zunehmend Bauraum, da die verursachte Dispersion proportional zum propagierten Weg unter dem Einfluss der Winkeldispersion ist. In jedem Fall ist die vom dispersiven optischen Element verursachte Winkeldispersion begrenzt: Bei Prismen ist die Winkeldispersion auf Grund des maximalen Brechungsindexunterschieds zwischen dem Prismenmaterial und dessen Umgebung limitiert. Bei Beugungsgittern ist die Begrenzung durch die minimale Gitterperiode verursacht. Letztere muss größer als die halbe Wellenlänge der zu modulierenden Strahlung sein, da ansonsten der gewünschte Effekt in üblichen Konfigurationen ausbleibt. Weiterhin ist die Gitterperiode dadurch begrenzt, dass die Justierempfindlichkeit nichtlinear mit abnehmender Periodenlänge wächst.
In jüngster Zeit sind dielektrische Beugungsgitter vorgestellt worden, die als Reflexionsgitter ausgebildet sind und eine Beugungseffizienz von mehr als 99% aufweisen (vgl. Optics Letters, Vol. 39, No. 2, Seiten 323–326). Diese Reflexionsgitter stehen kurz vor einer industriellen Verfügbarkeit. Erste Laborversuche mit einem zwei Reflexionsgittern umfassenden Laserpulskompressor, wobei pro Durchgang insgesamt vier Beugungen erzeugt werden (sogenannter Vier-Pass-Laserpulskompressor), wurden im Rahmen der oben genannten Publikation demonstriert.
Aus "Aberration-free stretcher design for ultrashort-pulse amplification", G. Cheriaux, et al., Optics Letters, Vol. 21, Issue 6, pp. 414–416 (1996), ist beispielsweise eine aberrationsarme bzw. -freie Streckerkonfiguration, als Öffner-Strecker bezeichnet, bekannt. Der Aufbau basiert auf einer ursprünglichen Konfiguration von A. Öffner (vgl. US 3,748,015 ).
Der Laserpulsstrecker vom Öffner-Typ wird ferner von Zhang et al. in „Compact and material-dispersion Offner stretcher for chirped pulse amplifications", Optics Communications 206 (2002) 7–12, 15 Mai 2002, behandelt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Einrichtung anzugeben, die eine besonders kompakte Bauform aufweist und eine zur Laserverstärkung hinreichend große chromatische Dispersion bewirkt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine optische Einrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einer optischen Einrichtung zur Modulation der spektralen Phase von Laserpulsen, insbesondere zur zeitlichen Verbreiterung oder zum Komprimieren der Dauer eines Laserpulses bei der Chirped-Puls-Amplification, ist zumindest ein in einem vorgebbaren Wellenlängenbereich Winkeldispersion aufweisendes Beugungsgitter und eine Faltungsoptik zur Faltung des Strahlenwegs vorgesehen. Die Faltungsoptik ist derart ausgebildet, dass mehrere Beugungen des Laserpulses an dem zumindest einen dispersiven Beugungsgitter erzeugbar sind. Erfindungsgemäß ist die Faltungsoptik derart ausgebildet, dass zumindest acht Beugungen an dem zumindest einen dispersiven Beugungsgitter oder an einer mehrere dispersive Beugungsgitter umfassenden Anordnung erzeugbar sind.
Der Erfindung liegt die Beobachtung zu Grunde, dass der zur Erzeugung einer zur Laserverstärkung hinreichend großen Dispersion erforderliche Bauraum dadurch verkleinert werden kann, dass der Laserpuls mehrfach durch die optische Einrichtung, welche insbesondere als Laserpulskompressor oder -strecker ausgebildet sein kann, geführt wird. Die optische Einrichtung weist ein oder mehrere dispersive Beugungsgitter auf, wobei an jedem Beugungsgitter mehrfache Beugungen erzeugbar sind. Dazu weist die Faltungsoptik ein oder mehrere optische Elemente zur Faltung des Strahlenwegs auf, so dass der geführte Laserpuls an jedem Beugungsgitter mehrfach gebeugt wird. Pro Durchgang sind so mindestens acht Beugungen an dem oder den Beugungsgittern erzeugbar, so dass der Streck- bzw. Kompressionsfaktor im Vergleich zu bekannten 4-Pass-Laserpulsstreckern bzw. 4-Pass-Laserpulskompressoren um einen Faktor von mindestens zwei erhöht ist, ohne den dazu benötigten Bauraum merklich zu vergrößern. Umgekehrt bedeutet das, dass der zur Erzeugung einer vorgegebenen Dispersion zweiter Ordnung erforderliche Bauraum durch Faltung des Strahlwegs um einen Faktor von zumindest zwei reduziert werden kann. Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dementsprechend durch eine besonders kompakte Anordnung aus, die gleichzeitig dazu ausgebildet ist, eine vergleichsweis hohe Dispersion zu erzeugen.
Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Strahlweg derartig gefaltet, dass insgesamt mehr als acht Beugungen, insbesondere 8 bis 40 Beugungen, jeweils in Vierersätzen, erzeugbar sind. Mit steigender Anzahl der an dem oder den Beugungsgittern erzeugten Beugungen ist jedoch die Beugungseffizienz der verwendeten Beugungsgitter und die Beeinflussung der Strahlqualität (Rundheit, Astigmatismus, M²-Wert, etc.) durch die Anordnung durch akkumulierte Wellenfrontfehler, hervorgerufen durch die verwendeten Optiken, von Bedeutung, da die auftretenden Verluste sowie die Störung der Strahlqualität für einen effizienten Einsatz der optischen Einrichtung bei der Laserpulsverstärkung unter einem bestimmten Schwellwert verbleiben müssen. Dieser Schwellwert hängt vom Anwendungsfall ab und kann entsprechend beliebig variieren. Ist beispielsweise eine Gesamteffizienz von 50% tolerabel, dann wären bei einer exemplarischen Einzelbeugungseffizienz von 99% 64 bis 68 Beugungen akzeptabel, sofern die Strahlqualität dann noch den jeweiligen Anforderungen genügt.
Das zumindest eine Beugungsgitter der optischen Einrichtung ist als Transmissionsgitter oder als Reflexionsgitter ausgebildet. Bei Ausführungsformen, die Anordnungen von mehreren Beugungsgittern vorsehen, können auch Kombinationen von Transmissions- und Reflexionsgittern zum Einsatz kommen. In jedem Fall ist es vorteilhaft, Beugungsgitter mit hoher Beugungseffizienz vorzusehen. Bevorzugt liegt die Beugungseffizienz der Beugungsgitter im Bereich größer als 92%, besonders bevorzugt im Bereich größer als 98% oder 99%.
Besonders bevorzugt ist das zumindest eine Beugungsgitter der optischen Einrichtung als Reflexionsgitter ausgebildet. Reflexionsgitter bieten insbesondere höchste Skalierungsreserven bezüglich der verwendeten Durchschnitts- und Spitzenleistung. Bevorzugte Reflexionsgitter hoher Güte weisen eine Vielzahl von auf einem Substrat übereinanderliegend angeordnete dielektrische Schichten auf, die beispielsweise mittels eines Beschichtungsverfahrens, insbesondere mittels einer Ionenstrahlsputterung (Ion Beam Sputtering, IBS) aufgebracht sind.
Alternativ, vor allem im Fall niedriger Durchschnittsleistungen von beispielsweise weniger als 2 W bei 1030 nm Schwerpunktswellenlänge des Lasers, sind metallisch beschichtete Beugungsgitter bevorzugt. Als Metalle sind besonders Gold und Silber geeignet.
Vorzugsweise besteht das Multischichtsystemaus Schichten, die alternierend aufgebracht sind und aus Materialien bestehen, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, vgl. dielektrische Multischichtspiegel. Eine derartige alternierende Schichtfolge mit fein abgestimmten, variierenden Dicken der einzelnen Lagen bewirkt einen besonders hohen Reflexionsgrad des so gebildeten Reflexionsgitters.
Besonders bevorzugt umfassen die Materialien der Schichten Ti₂O₅, Ta₂O₅, HfO₂, AlF₃, Al₂O₃, Nb₂O₅, Sc₂O₃, TiO₂, Y₂O₃, ZrO₂ und/oder SiO₂. Je nach Laserwellenlänge weisen die dielektrischen Schichten des Reflexionsgitters, unter Berücksichtigung des Einfallswinkels, effektiv eine Dicke in der Größenordnung eines Viertels der Wellenlänge auf (vgl. „Quarter-Wave-Stacks“), bei 1 μm Laserwellenlänge also bis zu wenigen 100 nm. Die Dicke der Schichten kann variieren, insbesondere können die nahe der Oberfläche liegenden Schichten eine erhöhte oder eine verminderte Dicke aufweisen, was die Beugungseffizienz unter einem vorgegebenen Winkel mitunter stark beeinflusst und es entsprechend ermöglicht, abseits des Littrow-Winkels für spezielle Laserparameter hohe Beugungseffizienzen zu erzielen (vgl. hierzu Optics Letters, Vol. 39, No. 2, Seiten 323–326).
Die Faltungsoptik umfasst vorzugsweise eine Anordnung von ein oder mehreren optischen Elementen, die als Spiegel, Linsen, Retroreflektorprismen und/oder Stufenspiegeln ausgebildet sind. Die einzelnen optischen Elemente der Faltungsoptik sind so angeordnet, dass der Strahlenweg mehrfach durch die optische Einrichtung geführt ist und der Strahl eine gewünschte Form erhält oder beibehält.
Vorzugsweise ist mittels der Faltungsoptik der Strahlenweg derart gefaltet, dass an den vorgesehenen Beugungsgittern bzw. an dem vorgesehenen Beugungsgitter ein ganzzahliges Vielfaches von vier Beugungen erzeugbar ist. Dabei sind in jedem Fall weniger als vier einzelne Beugungsgitter vorgesehen. Mit anderen Worten ist vorgesehen, ein Beugungsgitter mehrfach zu bestrahlen.
Die optische Einrichtung mit einem derartig gefalteten Strahlenweg zeichnet sich durch eine besonders kompakte Bauart aus.
Besonders bevorzugt ist die Faltungsoptik insbesondere im Falle des Laserpulskompressors derart angeordnet, dass 8 bis 40 Beugungen an dem zumindest einen Beugungsgitter oder an der mehrere Beugungsgitter umfassenden Anordnung einstellbar sind. Als Limitierung der Beugungen wird in der Anwendung als Laserpulskompressor eine Gesamttransmission von mehr als 75% angesehen, wobei diese Festlegung willkürlich ist und vom jeweiligen Kontext abhängt. In einem anderen Kontext könnten auch höhere oder geringere Gesamttransmissionen festgelegt werden.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind vier Beugungsgitter vorgesehen, so dass die Erzeugung von 8 bis 24 Beugungen einer zweifachen bis sechsfachen Faltung des Strahlenwegs innerhalb der optischen Einrichtung entspricht. Es ist aus wirtschaftlicher Sicht und bezüglich der Strahlqualität vorteilhaft, dass dazu Beugungsgitter mit hoher Beugungseffizienz zum Einsatz kommen, denn je höher die Beugungseffizienz, desto weniger Faltungen sind notwendig und desto geringer sind Störungen der Strahlqualität in der Regel. Insbesondere ist vorgesehen, 8 bis 12 Beugungen zu erzeugen, falls die Beugungseffizienz des oder der eingesetzten Beugungsgitter 97% bis 98% beträgt. Liegt die Beugungseffizienz jedoch bei 99%, so können 24 Beugungen eingestellt werden, um eine Gesamteffizienz von mehr als 75% erzielen zu können.
In einem möglichen Ausführungsbeispiel ist genau ein dispersives Beugungsgitter vorgesehen. Es wird somit definiert, die zumindest acht Beugungen an demselben Beugungsgitter zu erzeugen. In einem dazu alternativen Ausführungsbeispiel sind lediglich zwei Beugungsgitter zur Realisierung der Anordnung vorgesehen. In jedem Fall zeichnet sich die optische Einrichtung durch eine besonders kompakte Bauweise und reduzierte Herstellungskosten aus.
Die optische Einrichtung ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als Laserpulsstrecker zur zeitlichen Verbreiterung der Dauer des Laserpulses ausgebildet. Der zeitlich gestreckte bzw. „gechirpte“ Laserpuls weist somit nach dem Durchgang durch die optische Einrichtung eine verlängerte Dauer durch die positive oder negative Dispersion des Laserpulsstreckers auf.
In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die optische Einrichtung als Laserpulskompressor zum zeitlichen Komprimieren der Dauer des Laserpulses ausgebildet. Insbesondere ist vorgesehen, mittels des so ausgebildeten Laserkompressors eine Dispersion eines gechirpten Laserpuls zu kompensieren, nachdem dieser ein Verstärkermedium passiert hat.
Bei einem Lasersystem, umfassend eine Laserquelle zur Bereitstellung eines Laserpulses, einen Laserpulsstrecker zur zeitlichen Verbreiterung der Dauer des Laserpulses, ein optisches Verstärkermedium zum Verstärken des zeitlich gestreckten Laserpulses und einen Laserpulskompressor zum zeitlichen Komprimieren der Dauer des gestreckten und verstärkten Laserpulses, ist vorzugsweise der Laserpulsstrecker und/oder der Laserpulskompressor von einer vorstehend beschriebenen optischen Einrichtung gebildet. Dabei kann insbesondere die durch Mehrfachdurchgänge innerhalb der optischen Einrichtung verursachte und dadurch vergrößerte Dispersion auch dazu genutzt werden, um Laserpulse mit erhöhter Laserpulsenergie bei gleichbleibender Laserpulsqualität zu erzeugen. Die vergrößerte Dispersion zweiter Ordnung ermöglicht die Erhöhung der Laserpulsenergie derart, dass die Energiedichte bzw. Spitzenintensität im Verstärkermedium unterhalb eines kritischen Schwellwerts verbleibt, so dass das Auftreten von störenden nichtlinearen Effekten vermieden werden kann. Der kritische Schwellwert kann insbesondere mittels des bekannten B-Integrals festgelegt werden.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine optische Einrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit vier Reflexionsgittern zur Erzeugung einer chromatischen Dispersion in einer Draufsicht;
2 die optische Einrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht;
3 eine optische Einrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit zwei dispersiven Reflexionsgittern in einer Draufsicht;
4 die optische Einrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht;
5 eine optische Einrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel mit einem dispersiven Reflexionsgitter in einer Draufsicht;
6 die optische Einrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht;
7 eine als Laserstrecker ausgebildete optische Einrichtung mit zwei Reflexionsgittern gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht;
8 die optische Einrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht;
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Insbesondere ist die Mitte eines vier Beugungen umfassenden Einzeldurchgangs ist in allen Zeichnungen mit einem kleinen Kreuz markiert.
1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der als Multi-Pass Dispersionsfilter ausgebildeten optischen Einrichtung 1 in einer Draufsicht und in einer Seitenansicht. Zur Erzeugung einer hinreichend großen Dispersion sind bei dem ersten Ausführungsbeispiel insgesamt vier dispersive Beugungsgitter 2 vorgesehen, die als Reflexionsgitter ausgeführt sind. Entsprechend sind vier Beugungen pro Durchgang des Laserstrahls 3 an den vier Beugungsgittern 2 erzeugbar.
Faltungsoptiken 4 zur Faltung des Strahlenwegs des Laserstrahls 3 sind randseitig angeordnet. Jede Faltungsoptik 4 umfasst mehrere optische Elemente, nämlich Spiegel 5 und Linsen 6. Wie in der Seitenansicht der 2 gut zu erkennen, wird mittels der randseitig angeordneten Faltungsoptik 4 ein Höhenversatz bewirkt, so dass der Laserstrahl 3 mehrfach an den Beugungsgittern 2 gebeugt wird. Jede durch die Faltungsoptik 4 bewirkte Faltung führt dementsprechend zu weiteren vier Beugungen an den vier Beugungsgittern 3 des ersten Ausführungsbeispiels.
Es ist vorgesehen, mehrere Durchgänge zu bewirken, um eine hinreichend große Dispersion im Laserstrahl 3 zu erzeugen. In jedem Fall ist so mittels der Faltungsoptiken 4 ein ganzzahliges Vielfaches von vier Beugungen an den vorgesehenen Beugungsgittern 2 erzeugbar.
Die als Reflexionsgitter ausgeführten Beugungsgitter 2 beugen hocheffizient und umfassen eine Vielzahl von auf einem Substrat übereinanderliegend angeordneten dielektrischen Schichten, die aus Ti₂O₅, Ta₂O₅, HfO₂, AlF₃, Al₂O₃, Nb₂O₅, Sc₂O₃, TiO₂, Y₂O₃, ZrO₂, SiO₂ oder ähnlichem bestehen können. Schichten aus unterschiedlichen Materialien sind alternierend übereinanderliegend angeordnet.
Alternativ zu diesen dielektrischen Beugungsgittern 2 sind Beugungsgitter 2 mit Goldbeschichtung bevorzugt.
Die Linsen 6 der Faltungsoptiken 4 dienen zur Anpassung der Divergenz/Konvergenz des Laserstrahls 3, damit dieser am Ausgang des chromatisch dispersiven Filters beispielsweise den gleichen Durchmesser und die gleiche Divergenz/Konvergenz aufweisen kann, wie am Eingang bzw. der Strahl eine gewünschte Form erhalten kann.
Bei gaußförmigen Strahlquerschnitten sind die Linsen 6 und gegebenenfalls weitere nicht näher dargestellte, strahlformende Elemente derart angeordnet, dass die Strahltaille des Laserstrahls 3 in der Mitte eines einzelnen Durchgangs oder in der Mitte aller von den Faltungsoptiken 4 bewirkten Durchgängen liegt.
3 und 4 zeigen die optische Einrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, die lediglich zwei als Reflexionsgitter ausgeführte Beugungsgitter 2 umfasst. Zur Erzeugung von vier Beugungen pro Durchgang ist eine interne Faltungsoptik 7 vorgesehen, die randseitig angeordnet ist und mittels weiteren Spiegeln 8 einen Höhenversatz des Strahlenwegs bewirkt.
Die Anzahl der vorgesehenen Faltungsoptiken 4 bestimmt, wie im ersten Ausführungsbeispiel, die Anzahl der Durchgänge, die entsprechend der Größe der zu erzeugenden Dispersion und der maximalen Baugröße der Anordnung gewählt wird.
5 und 6 zeigen ein weiteres, viertes Ausführungsbeispiel der optischen Einrichtung 1 mit lediglich einem dispersiven Beugungsgitter 2, das – wie in den bereits zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen – als Reflexionsgitter ausgeführt ist.
Zur Erzeugung von vier Beugungen pro Durchgang bewirken die vorgesehenen internen Faltungsoptiken 7 im Vergleich zu dem in den 3 und 4 gezeigtem Ausführungsbeispiele eine weitere Faltung. Dies wird im vierten Ausführungsbeispiel durch einen zusätzlichen Stufenspiegel 9 erreicht.
Die in den 1 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispiele umfassen Reflexionsgitter als dispersive Elemente. Ausführungsbeispiele, bei denen die Beugungsgitter 2 als Transmissionsgitter ausgebildet sind, sind ebenso umsetzbar und vorgesehen. Dies gilt sowohl für die in den 1 bis 6 exemplarisch gezeigten optischen Einrichtungen 1, die als Laserpulskompressoren ausgebildet sind, als auch für als Laserpulsstrecker ausgebildete optische Einrichtungen 1.
7 und 8 zeigen eine derartige als Multi-Pass Dispersionsfilter ausgebildete optische Einrichtung 1 in einer Seitenansicht und in einer Draufsicht. Im Strahlenweg des Laserstrahls 3 sind zusätzliche Abbildungsoptiken 10 vorgesehen, die in dem gezeigten Beispiel als sphärische Linsen mit positiver Brechkraft und Brennweite f ausgeführt sind. Eine der beiden vorgesehenen Abbildungsoptiken 10 ist von einem der beiden Beugungsgitter 2 im Abstand X angeordnet. Die übrigen Abstände sind fest vorgegeben und entsprechen der Brennweite f bzw. 2f. Je nach dem, welcher Wert für den Abstand X bezüglich der Brennweite f gewählt wird, kann eine positive oder eine negative Dispersion zweiter Ordnung erzeugt werden. Insofern kann die in den 7 und 8 gezeigte optische Einrichtung 1 leicht dahingehend angepasst werden, Dispersionen mit entgegengesetzten Vorzeichen zu generieren und ist somit sowohl zur Ausbildung von Laserpulsstreckern als auch zur Ausbildung von Laserpulskompressoren geeignet. Die Faltungsoptiken 4 und die internen Faltungsoptiken 7 bewirken dazu – wie in den Ausführungsbeispielen der 1 bis 6 – eine hinreichende Anzahl von Durchgängen bzw. Beugungen an den Beugungsgittern 2.
Neben sphärischen Linsen können auch asphärische oder zylinderförmige Linsen 6, 10 Verwendung finden, je nach Optimierungsziel und Auslegung der Anordnung.
In einem anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Abbildungsoptiken 10 als sphärisch konkave Spiegel und die Beugungsgitter 2 als Transmissionsgitter ausgebildet. Diese optischen Elemente können beispielsweise in der an sich bekannten Öffner-Strecker-Konfiguration zur Erzeugung von vier einzelnen Beugungen angeordnet werden, wobei hierzu auch eine Umsetzung mit lediglich einem Beugungsgitter 2 denkbar ist. In jedem Fall sind die externen Faltungsoptiken 4 vorgesehen, um eine hinreichende Anzahl von Durchgängen und damit eine hinreichende Dispersion an den Beugungsgittern 2 zu erzeugen.
Die Erfindung wurde vorstehend mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die konkrete Ausgestaltung der gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, vielmehr kann der zuständige Fachmann anhand der Beschreibung Variationen ableiten, ohne von dem wesentlichen Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: optische Einrichtung
2: Beugungsgitter
3: Laserstrahl
4: Faltungsoptik
5: Spiegel
6: Linse
7: Faltungsoptik
8: Spiegel
9: Stufenspiegel
10: Abbildungsoptik
X: Abstand
f: Brennweite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3748015 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Optics Letters, Vol. 39, No. 2, Seiten 323–326 [0005]
“Aberration-free stretcher design for ultrashort-pulse amplification”, G. Cheriaux, et al., Optics Letters, Vol. 21, Issue 6, pp. 414–416 (1996) [0006]
Zhang et al. in „Compact and material-dispersion Offner stretcher for chirped pulse amplifications“, Optics Communications 206 (2002) 7–12, 15 Mai 2002 [0007]
Optics Letters, Vol. 39, No. 2, Seiten 323–326 [0018]

Claims

Optische Einrichtung (1) zur Modulation der spektralen Phase von Laserpulsen, insbesondere zur zeitlichen Verbreiterung oder zum zeitlichen Komprimieren der Dauer eines Laserpulses bei der Chirped-Puls-Amplification, mit zumindest einem in einem vorgebbaren Wellenlängenbereich Winkeldispersion aufweisenden Beugungsgitter (2) und einer Faltungsoptik (4, 7) zur derartigen Faltung des Strahlenwegs, dass mehrere Beugungen des Laserpulses an dem zumindest einen Beugungsgitter (2) erzeugbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Faltungsoptik (4, 7) derart ausgebildet ist, dass zumindest acht Beugungen an dem zumindest einen Beugungsgitter (2) oder an einer mehrere Beugungsgitter (2) umfassenden Anordnung erzeugbar sind.
Optische Einrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (2) als Transmissionsgitter oder als Reflexionsgitter ausgebildet ist.
Optische Einrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wobei das Reflexionsgitter eine Vielzahl von auf einem Substrat übereinanderliegend angeordnete dielektrische Schichten aufweist.
Optische Einrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten aus zwei unterschiedliche Brechungsindizes aufweisende Materialien bestehen, wobei Schichten aus jeweils unterschiedlichen Materialien alternierend übereinanderliegend angeordnet sind.
Optische Einrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien der Schichten Ti₂O₅, Ta₂O₅, HfO₂, AlF₃, Al₂O₃, Nb₂O₅, Sc₂O₃, TiO₂, Y₂O₃, ZrO₂ und/oder SiO₂ umfassen.
Optische Einrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (2) eine metallische Beschichtung aufweist.
Optische Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faltungsoptik (4, 7) eine Anordnung von ein oder mehreren Spiegeln (6, 8), Linsen (6, 10), Retroreflektorprismen und/oder Stufenspiegeln (9) umfasst.
Optische Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faltungsoptik (4, 7) derart angeordnet ist, dass ein ganzzahliges Vielfaches von vier Beugungen an dem zumindest einen Beugungsgitter (2) oder an der mehrere Beugungsgitter (2) umfassenden Anordnung erzeugbar sind.
Optische Einrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Faltungsoptik (4, 7) derart angeordnet ist, dass 8 bis 40 Beugungen an dem zumindest einen Beugungsgitter (2) oder an der mehrere Beugungsgitter (2) umfassenden Anordnung erzeugbar sind.
Optische Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass genau ein Beugungsgitter (2) vorgesehen ist.
Optische Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Beugungsgitter (2) vorgesehen ist.
Optische Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (1) als Laserpulsstrecker zur zeitlichen Verbreiterung der Dauer eines Laserpulses ausgebildet ist.
Optische Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (1) als Laserpulskompressor zum zeitlichen Komprimieren der Dauer eines Laserpulses ausgebildet ist.
Lasersystem, umfassend eine Laserquelle zur Bereitstellung eines Laserpulses, einen Laserpulsstrecker zur zeitlichen Verbreiterung der Dauer eines Laserpulses, ein optisches Verstärkermedium zum Verstärken des zeitlich gestreckten Laserpulses und einen Laserpulskompressor zum zeitlichen Komprimieren der Dauer des gestreckten und verstärkten Laserpulses, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserpulsstrecker und/oder der Laserpulskompressor von einer optischen Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 gebildet ist.