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Die Erfindung betrifft ein optisches System mit
- - einer Laserquelle, die gepulste Laserstrahlung bestehend aus einer zeitlichen Abfolge von Laserpulsen in einem Eingangslaserstrahl erzeugt,
- - einem der Laserquelle im Strahlverlauf nachfolgenden Aufteilungselement, das die Laserpulse jeweils in räumlich und/oder zeitlich voneinander getrennte Laserpulsreplikate aufteilt,
- - einem dem Aufteilungselement im Strahlverlauf nachfolgenden Kombinationselement, das die Laserpulsreplikate in jeweils einem Laserpuls in einem Ausgangslaserstrahl überlagert.
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Lasersysteme zur Erzeugung ultrakurzer Laserpulse im Piko- und Femtosekundenbereich erfahren seit Jahren hohe Aufmerksamkeit.
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Eine Vielzahl von Anwendungen derartiger Systeme erfordern eine kürzere Pulsdauer als sie vom Verstärkungsmedium des Lasersystems unterstützt wird. Darüber hinaus können Effekte im optischen Verstärker, wie Sättigung oder spektrale Einengung (engl. „gain narrowing“), zu einer Abnahme der spektralen Bandbreite der Laserstrahlung führen, was sich am Ausgang des Lasersystems in einer unerwünschten Verlängerung der Pulsdauer äußert.
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Ein bekannter Ansatz zur Verkürzung der Pulsdauer ist die Ausnutzung von nichtlinearen Effekten zur kohärenten Erzeugung neuer spektraler Anteile. Die entsprechenden nichtlinearen Wechselwirkungen können im Verstärkungsmedium auftreten (nichtlineare Verstärkung) oder auch in separaten Komponenten, die dem optischen Verstärker im Strahlverlauf nachgeschaltet sind (nichtlineare Pulskompression). Die am häufigsten ausgenutzte nichtlineare Wechselwirkung von Laserstrahlung mit einem Medium zur Vergrößerung der spektralen Bandbreite ist die Selbstphasenmodulation (SPM). Die SPM-induzierte spektrale Verbreiterung kann in Medien verschiedenster Geometrien realisiert werden, z.B. in optischen Wellenleitern (z.B. in lichtleitenden Fasern).
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SPM ist ein intensitätsabhängiger Effekt, was bedeutet, dass in Wechselwirkungsbereichen höherer Intensität eine stärkere spektrale Verbreiterung stattfindet als in Bereichen niedrigerer Intensität. Demzufolge erfährt ein Laserstrahl mit typischem Gauß-förmigem Strahlprofil während der Propagation durch ein nichtlineares Medium, z.B. eine Glasplatte, eine räumlich inhomogene spektrale Verbreiterung. Die spektrale Verbreiterung ist nahe der Strahlachse stärker ausgeprägt als in den von der Strahlachse weiter entfernten Randbereichen. Viele Anwendungen verlangen allerdings eine über das Strahlprofil homogene spektrale Bandbreite der Laserpulse.
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Ein bekannter Ansatz, um eine räumlich homogene spektrale Verbreiterung zu erzielen, ist die Propagation der Laserpulse in Wellenleitern. Dies können zum Beispiel konventionelle Glasfasern, photonische Kristallfasern oder auch Hohlkernfasern sein. In Hohlkernfasern werden dabei typischerweise Gase (Edelgase, Stickstoff oder andere) als nichtlineares Medium genutzt. In diesen Fasern wird der propagierenden Eigenlösung der Laserstrahlung (Transversalmode, vorzugsweise die transversale Grundmode) in ihrer Gesamtheit die nichtlineare Phase und damit die spektrale Verbreiterung aufgeprägt (siehe S. Hädrich, H. Carstens, J. Rothhardt, J. Limpert, and A. Tünnermann, „Multi-gigawatt ultrashort pulses at high repetition rate and average power from two-stage nonlinear compression," Opt. Express 19, 7546-7552, 2011).
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Je nach verwendetem Fasertyp, Glasfaser oder Hohlkernfaser, ergeben sich unterschiedliche Grenzen in Bezug auf die propagierbare und damit komprimierbare Pulsenergie. In Fasern mit Glaskern ist die Pulsspitzenleistung durch die Selbstfokussierung begrenzt, in gasgefüllten Hohlkernfasern bestimmen typischerweise Ionisationseffekte die einkoppelbare Pulsenergie.
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Glasfasern eignen sich daher für die nichtlineare Pulskompression bis in den Bereich von einigen µJ Pulsenergie, Hohlkernfasern erlauben dagegen die nachgeschaltete Pulskompression bei Pulsenergien im mJ-Bereich. Aufgrund der vernachlässigbaren Dispersion eignen sich die Hohlkernfaser-basierten Ansätze zur Pulskompression bis in den Bereich weniger Schwingungszyklen des elektromagnetischen Feldes der Laserstrahlung, was einer Pulsdauer entspricht, die nur von einer enormen spektralen Bandbreite unterstützt wird. Konventionelle Hohlkernfasern weisen Kerndurchmesser von wenigen 100µm auf und Faserlängen im Bereich von einem Meter oder weniger. Die Begrenzung durch Ionisationseffekte kann durch sogenannte gestreckte Hohlkernfasern um ein gewisses Maß angehoben werden. Die Vergrößerung des Kerndurchmessers (bis zu 1 mm) erlaubt die Einkopplung höherer Pulsenergien ohne störende Ionisation sowie eine Reduktion der intrinsischen Propagationsverluste. Mit einer Verlängerung der Faserlänge (bis zu >10m) kann eine ausreichend starke nichtlineare Wechselwirkung realisiert werden. Um Biegeverluste zu minimieren, werden die langen Fasern gestreckt gehaltert (siehe
DE 10 2007 048 769 B3 ). Aktuelle Rekordwerte hinsichtlich der spektral verbreiterten Pulsenergie liegt im Bereich von 20mJ (siehe
Vincent Cardin, Nicolas Thire, Samuel Beaulieu, Vincent Wanie, Frangois Legare, and Bruno E. Schmidt, „0.42 TW 2-cycle pulses at 1.8 µm via hollow-core fiber compression," Appl. Phys. Lett. 107, 181101, 2015).
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Ein weiterer bekannter Ansatz zur räumlich homogenen spektralen Verbreiterung von gepulster Laserstrahlung (siehe Nenad Milosevic, Gabriel Tempea, and Thomas Brabec, „Optical pulse compression: bulk media versus hollow waveguides," Opt. Lett. 25, 672-674, 2000) nutzt aus, dass sich die spektrale Verbeiterung in einem Medium, das sich in einer abbildenden Spiegelanordnung, einer sogenannten Multipasszelle, die als stabiler Resonator ausgebildet ist, räumlich homogenisiert.
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Eine Multipasszelle umfasst eine Anordnung aus fokussierenden Spiegeln, die einen in die Multipasszelle eingekoppelten Laserstrahl an jedem Reflexionspunkt umleiten, so dass die Strahlausbreitung auf ein vordefiniertes Volumen entlang eines kontrollierten Propagationspfades in der Multipasszelle begrenzt wird, und zwar bis der Laserstrahl nach einer Mehrzahl von Reflexionen und damit Durchläufen durch das Volumen der Multipasszelle diese wieder verlässt.
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Bekannte Ausgestaltungen von Multipasszellen werden z.B. als White-Zellen oder Herriott-Zellen bezeichnet.
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Die Nutzung einer Multipasszelle zur räumlich homogenen spektralen Verbreiterung setzt voraus, dass die Spiegel der Multipasszelle so geformt und angeordnet sind, dass die Multipasszelle einen stabilen optischen Resonator bildet, der dadurch charakterisiert ist, dass Gauß'sche Strahlen als transversale Eigenlösung des Resonators existieren, welche die gewünschte räumliche Homogenisierung der spektralen Verbreiterung ebenso erfahren, wie transversale Eigenlösungen in nichtlinearen Wellenleitern.
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Als nichtlineares Medium, das sich in der Multipasszelle befindet, kann ein dielektrisches Material (z.B. eine Glasplatte) oder auch ein Gas (z.B. ein Edelgas) verwendet werden.
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Die Zerstörschwelle der Spiegel, welche zur Realisierung der Multipasszelle eingesetzt werden, limitiert die komprimierbare Pulsenergie bzw. die in die Zelle einkoppelbare Pulsspitzenleistung. Die Zerstörschwelle hängt von der Intensität der Laserstrahlung ab. Die Intensität auf den Spiegeloberflächen lässt sich prinzipiell durch Vergrößerung der Spiegelabstände reduzieren. Weiterhin kann nahe einer konzentrischen Spiegelkonfiguration gearbeitet werden, wodurch sich unter allen symmetrischen Anordnungen die größten Strahlradien auf den Spiegeloberflächen ergeben. Allerdings führt diese Konfiguration zu kleinen Fokussen der Laserstrahlung, was wiederum bei der Auslegung hinsichtlich der nichtlinearen Wechselwirkung im Medium beachtet werden muss. Einerseits ist auch hier eine Zerstörung des Mediums bzw. eine exzessive Ionisation zu vermeiden und andererseits darf die akkumulierte nichtlineare Phase pro Umlauf einen gewissen Grenzwert nicht überschreiten, um eine Verschlechterung der Strahlqualität sowie wiederum inhomogene spektrale Verbreiterung zu vermeiden.
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Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, intensitätsbedingte Limitierungen in Lasersystemen zu umgehen, indem eine Aufteilung jedes Laserpulses eines Eingangslaserstrahls in räumlich voneinander getrennt propagierende Laserpulsreplikate erfolgt, wonach die räumlich getrennten Teilstrahlen, von denen jeder eine entsprechend geringere Leistung aufweist als der Eingangslaserstrahl, durch intensitätslimitierte Komponenten des Lasersystems propagieren. Anschließend erfolgt eine kohärente oder inkohärente Kombination der räumlich getrennten Teilstrahlen in einem Ausgangslaserstrahl hoher Leistung. In optischen Verstärkersystemen, insbesondere in faserbasierten Verstärkersystemen, konnte durch die räumlich getrennte Verstärkung in neue Parameterbereiche vorgedrungen werden (siehe Marco Kienel, Michael Müller, Arno Klenke, Jens Limpert, and Andreas Tünnermann, „12 mJ kW-class ultrafast fiber laser system using multidimensional coherent pulse addition," Opt. Lett. 41, 3343-3346, 2016). Analog kann ein einzelner Laserpuls in zeitlich voneinander getrennte Laserpulsreplikate aufgeteilt werden, zeitlich getrennt durch intensitätslimitierte Komponenten des Lasersystems propagieren und anschließend wieder zu einem Laserpuls im Ausgangslaserstrahl kohärent überlagert werden. Beide Ansätze sind auch kombinierbar.
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Die
DE 10 2018 125 356 A1 beschreibt ein optisches System mit einem Aufteilungselement, das einen Eingangslaserstrahl in eine Anzahl von räumlich getrennten Teilstrahlen aufteilt, wenigstens einem optischen Verstärker, durch den die räumlich getrennten Teilstrahlen propagieren, wenigstens einem Weglängen-Stellelement, das die Weglänge wenigstens eines der Teilstrahlen verstellt, und einem Kombinationselement, das die Teilstrahlen in einem Ausgangslaserstrahl kohärent überlagert. Dabei ist wenigstens ein im Strahlverlauf hinter dem wenigstens einen optischen Verstärker angeordnetes optisches Funktionselement aus der Gruppe Transportelement, spektrales Verbreiterungselement, Strahlablenkungselement, optischer Isolator, optischer Modulator und Pulskompressor, vorgesehen, durch das die räumlich getrennten Teilstrahlen propagieren. Dadurch soll eine hohe Strahlqualität im Ausgangslaserstrahl erzielt werden, wobei die Anforderungen an die Oberflächenqualität der verwendeten optischen Komponenten gegenüber dem Stand der Technik reduziert sind.
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Es ist vor diesem Hintergrund Aufgabe der Erfindung, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes optisches System bereitzustellen. Insbesondere sollen besonders kurze und damit spektral breitbandige Laserpulse hoher Leistung und Pulsenergie mit dem optischen System erzeugbar sein.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem optischen System der eingangs angegebenen Art dadurch, dass wenigstens eine im Strahlverlauf zwischen dem Aufteilungselement und dem Kombinationselement angeordnete Multipasszelle vorgesehen ist, durch welche die Laserpulsreplikate propagieren, wobei die Multipasszelle ein Medium enthält, in dem die Laserpulsreplikate eine nichtlineare spektrale Verbreiterung erfahren.
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Unter nichtlinearer spektraler Verbreiterung versteht die Erfindung allgemein die Erzeugung optischer Leistung in neuen Spektralbereichen durch nichtlineare Wechselwirkung.
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Die Erfindung basiert auf der Grundidee, das Konzept der Strahlaufteilung, d.h. der Erzeugung von räumlich und/oder zeitlich getrennt propagierenden Laserpulsreplikaten in Kombination mit einer homogenen spektralen Verbreiterung in einer Multipasszelle anzuwenden.
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Um die Erreichung der Zerstörschwelle der Spiegel der Multipasszelle zu vermeiden, und zwar ohne ausufernde Vergrößerung des Spiegelabstandes und damit der Baugröße des zur spektralen Verbreiterung verwendeten Elementes, wird erfindungsgemäß jeder Laserpuls in eine Mehrzahl (zwei oder mehr) von Laserpulsreplikaten umgewandelt, die dann räumlich und/oder zeitlich voneinander getrennt in die Multipasszelle eingekoppelt werden, durch das darin enthaltene Medium (mehrfach) propagieren und dabei eine spektrale Verbreiterung erfahren. Anschließend werden die einem ursprünglichen Laserpuls zugeordneten Laserpulsreplikate wieder zu einem Laserpuls im Ausgangslaserstrahl überlagert.
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Bei der kohärenten Überlagerung der Laserpulsreplikate ist die Phasenlage der einzelnen Laserpulsreplikate von entscheidender Bedeutung. Am Ort der Überlagerung muss die Phasenlage jeweils so sein, dass es zu einer zeitlich weitgehend unveränderlichen und weitgehend konstruktiven Interferenz kommt, dabei kann die Phasenlage passiv stabil sein oder aktiv stabilisiert werden. Hier sind bekannte Ansätze anwendbar, zum Beispiel durch Verwendung eines Sagnac-Interferometers (siehe Florent Guichard, Yoann Zaouter, Marc Hanna, Franck Morin, Clemens Hönninger, Eric Mottay, Frederic Druon, and Patrick Georges, „Energy scaling of a nonlinear compression setup using passive coherent combining," Opt. Lett. 38, 4437-4440, 2013) zur passiv stabilisierten Überlagerung, oder ein Mehrkanal-Mach-Zehnder Interferometer zu hinsichtlich der Zahl der Laserpulsreplikate skalierbaren, aktiv stabilisierten kohärenten Überlagerung (siehe Arno Klenke, Marco Kienel, Tino Eidam, Steffen Hädrich, Jens Limpert, and Andreas Tünnermann, „Divided-pulse nonlinear compression," Opt. Lett. 38, 4593-4596, 2013, und Arno Klenke, Steffen Hädrich, Marco Kienel, Tino Eidam, Jens Limpert, and Andreas Tünnermann, „Coherent combination of spectrally broadened femtosecond pulses for nonlinear compression," Opt. Lett. 39, 3520-3522. 2014).
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Vorzugsweise propagieren die räumlich und/oder zeitlich getrennten Laserpulsreplikate durch eine einzige Multipass-Zelle. Ebenso ist vorstellbar, dass die räumlich getrennten Teilstrahlen durch räumlich getrennte Multipasszellen propagieren, wobei diese dort jeweils eine (nahezu) identische spektrale Verbeiterung erfahren und anschließend im Ausgangslaserstrahl räumlich überlagert werden.
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Ein auf die Laserpulse aufgeprägter Chirp kann durch geeignete dispersive Elemente (z.B gechirpte Spiegel) weitestgehend entfernt werden, wodurch sich schließlich die gewünschte Pulsdauerverkürzung ergibt.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung sind das Aufteilungselement und/oder das Kombinationselement jeweils als diffraktiver Strahlteiler ausgebildet.
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Das Aufteilungselement und/oder das Kombinationselement umfassen bevorzugt jeweils ein reflektives Element mit Zonen unterschiedlicher Reflektivität. Besonders bevorzugt weisen das Aufteilungselement und das Kombinationselement jeweils zwei Element-Paare, jeweils bestehend aus einem durchgehend reflektiven Element und einem reflektiven Element mit Zonen unterschiedlicher Reflektivität auf, an denen die Laserstrahlung nacheinander mehrfach reflektiert wird, wobei die Teilstrahlen in einer Ebene senkrecht zur Propagationsrichtung ein zweidimensionales Array bilden. Damit lässt sich ein kompakter paralleler Strahlverlauf der räumlich getrennten Teilstrahlen realisieren, in denen die Laserpulsreplikate propagieren. Dabei muss die Anzahl der Teilstrahlen nicht mit der Anzahl der Zonen unterschiedlicher Reflektivität übereinstimmen. Zweckmäßig sind das Aufteilungselement und das Kombinationselement identisch aufgebaut, so dass sich optische Weglängenunterschiede bei der Aufteilung und Kombination ausgleichen.
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Zur Erzeugung zeitlich separater Laserpulsreplikate kann zweckmäßig vorgesehen sein, dass das Aufteilungselement und das Kombinationselement jeweils zumindest einen Strahlteiler und zumindest eine optische Verzögerungsstrecke aufweisen. Die Laserpulse werden dabei über unterschiedlich lange optische Verzögerungsstrecken geführt, so dass sich entsprechend unterschiedliche zeitliche Verzögerungen der Laserpulsreplikate ergeben.
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Bei einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist ein Fehlersignaldetektor vorgesehen, der aus der Laserstrahlung ein Fehlersignal ableitet, und ein Regler, der aus dem Fehlersignal wenigstens ein Stellsignal zur Ansteuerung wenigstens eines im Strahlverlauf angeordneten optischen Modulators ableitet. Dieser Regelkreis kann vorteilhaft zur aktiven Steuerung der kohärenten Überlagerung im Ausgangslaserstrahl verwendet werden. Die Regelung kann z.B. nach dem bekannten LOCSET-Prinzip erfolgen oder durch eine sequentielle Phasenstabilisierung (siehe A. Klenke, M. Müller, H. Stark, A. Tünnermann, and J. Limpert, „Sequential phase locking scheme for a filled aperture intensitiy coherent combination of beam arrays", Opt. Express 9, 12072-12080, 2018). Dabei kann der optische Modulator z.B. ein zu dem Array der räumlich getrennten Teilstrahlen korrespondierendes Array aus Phasenmodulatoren aufweisen, wobei jedem der Teilstrahlen ein Phasenmodulator zugeordnet ist. Es müssen dabei nicht zwingend alle Elemente des Arrays angesteuert werden. Durch die geregelte Phasenstellung der Teilstrahlen können auftretende und ggf. aufgrund äußerer Einflüsse fluktuierende optische Weglängenunterschiede der Teilstrahlen aktiv ausgeglichen werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist im Strahlverlauf eine Anordnung aus Leistungsstellelementen vorgesehen, wobei jedem Teilstrahl ein Leistungsstellelement zugeordnet ist, das die Leistung der Laserpulse in diesem Teilstrahl beeinflusst. Aufgrund von Imperfektionen bei der Aufteilung der Laserpulse können die einzelnen Teilstrahlen unterschiedliche Intensitäten aufweisen. Dies kann durch die Leistungsstellelemente (z.B. optische Abschwächer) ausgeglichen werden.
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Zweckmäßig weist die Multipasszelle wenigstens zwei Spiegel auf, deren Form und Anordnung so gewählt sind, dass die Multipasszelle einen stabilen optischen Resonator bildet. Wie oben erläutert, findet sich bei einem stabilen optischen Resonator eine Gauß-Mode als transversale Eigenlösung, so dass es zu der gewünschten räumlichen Homogenisierung der spektralen Verbreiterung kommt. Die Spiegel der Zelle können dielektrische Schichten aufweisen, die über eine vorzugsweise große spektrale Bandbreite eine minimale Dispersion aufweisen. Alternativ können metallische Spiegel die Multipasszelle bilden, um die Reflexionsbandbreite zu vergrößern sowie die Dispersion über einen noch größeren Bereich möglichst gering zu gestalten. Möglich ist aber auch, dass die Multipasszelle dielektrische Spiegel aufweist, wobei das Medium und die dielektrischen Spiegel insgesamt eine anomale Gesamtdispersion aufweisen. Auf diese Weise kann die Multipasszelle die spektrale Verbreiterung und gleichzeitig eine zeitliche Kompression (Soliton-Selbst-Kompression) der Laserpulsreplikate erzeugen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Systems als Blockdiagramm;
- 2 auf mehrfacher Reflexion basierendes Aufteilungs- bzw. Kombinationselement;
- 3 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Systems in einer zweiten Ausgestaltung als Blockdiagramm;
- 4 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Systems in einer dritten Ausgestaltung als Blockdiagramm.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 wird ein Eingangslaserstrahl aus gepulster Laserstrahlung von einer Laserquelle 1 (z.B. umfassend einen modengekoppelten Oszillator mit nachgeschaltetem Verstärker) kommend mittels eines Aufteilungselementes 2 in eine Anzahl von räumlich getrennten (und vorzugsweise parallelen) Teilstrahlen aufgeteilt. Die Funktion des Aufteilungselementes 2 basiert dabei zweckmäßig auf einer Anordnung aus teilreflektiven Spiegeln oder polarisierenden Strahlteilern in einer kaskadierten Anordnung, diffraktiven Elementen oder einer Anordnung aus Spiegeln mit Zonen unterschiedlicher Reflektivität (s.u.). Die räumlich getrennten Teilstrahlen werden in eine Multipasszelle 3 eingekoppelt. Diese weist mindestens zwei Spiegel auf, deren Abstand und Form entsprechend einer stabilen Resonatorkonfiguration gewählt sind. In der Multipasszelle befindet sich ein nichtlineares Medium (z.B. ein transparenter Festkörper oder ein Gas), das (vorwiegend) durch SPM den in den Teilstrahlen propagierenden Laserpulsreplikaten eine Phase aufprägt und folglich eine spektrale Verbreiterung bewirkt. Ebenso können auch andere nichtlineare Prozesse neue Spektralkomponenten erzeugen. Dabei wird allen Laserpulsreplikaten annähernd eine identische nichtlineare Phase aufgeprägt. Die räumlich getrennten Teilstrahlen weisen keine optischen Wegunterschiede auf, die größer sind als die Kohärenzlänge der spektral verbreiterten Laserpulsreplikate. Die spektral verbreiterten Laserpulsreplikate werden aus der Multipasszelle 3 (z.B. durch ein Loch in einem der Spiegel) ausgekoppelt, und nachfolgend durch ein Kombinationselement 4 überlagert und räumlich kohärent kombiniert. Anschließend kann eine Pulskompressionsstufe 5, z.B. mit geeigneten gechirpten Spiegeln folgen. Ebenso können die Spiegel der Multipasszelle 3 sowie das darin enthaltene nichtlineare Medium in Summe eine anomale Gesamtdispersion aufweisen und so eine weitgehend identische Soliton-Selbst-Kompression aller Teilstrahlen bzw. Laserpulsreplikate in der Multipasszelle 3 bewirken.
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Die 2 zeigt ein auf mehrfacher Reflexion basierendes Aufteilungs- bzw. Kombinationselement, wie es in dem erfindungsgemäßen System zum Einsatz kommen kann. Das Element besteht aus vier Unterelementen A, B, C, D. Bei dem ersten Unterelement A handelt es sich um einen Spiegel mit möglichst hoher Reflektivität. Das zweite Unterelement B umfasst (bei dem dargestellten Beispiel) beispielhaft vier Zonen mit unterschiedlicher Reflektivität. Die Laserstrahlen nehmen den in der 2 dargestellten Weg. Die Reflektivitäten der Zonen des Unterelementes B können so gewählt werden, dass der einfallende Eingangslaserstrahl EL in einem bestimmten Verhältnis auf Teilstrahlen aufgeteilt wird. Ein Beispiel ist eine Aufteilung in gleichen Teilen auf alle Teilstrahlen. Dies wird durch die Wahl der Reflektivitäten der vier Zonen zu 75%, 66%, 50% und 0% erreicht. Die ausgehenden vier Teilstrahlen fallen dann auf planparallele Oberflächen der beiden Unterelemente C und D, die zu den Unterelementen A, B verkippt sind. Das Unterelement C ist wiederum hoch reflektiv. Das Unterelement D weist wiederum vier Zonen unterschiedlicher Reflektivität (wie vor) auf. Im Ergebnis wird, wie dargestellt, in einer Ebene senkrecht zum Strahlverlauf ein zweidimensionales Array aus 16 Teilstrahlen erzeugt. Die Zahl der Zonen unterschiedlicher Reflektivität bei den Unterelementen B und D kann jeweils beliebig sein, entsprechend der gewünschten Zahl von Teilstrahlen, d.h. entsprechend dem Teilungsverhältnis. Anzumerken ist, dass die Anzahl der Zonen nicht zwingend gleich der Anzahl der Teilstrahlen sein muss. Eine Zone kann auch mehrfach den Strahl reflektieren. Das Aufteilungselement 2 und das Kombinationselement 4 können identisch ausgeführt sein und in der Weise angeordnet sein, dass sich die entstehenden Weglängenunterschiede der 16 Teilstrahlen nahezu (idealerweise innerhalb der Kohärenzlänge) aufheben.
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Zu beachten ist, dass sich die Fokusse der parallelen Teilstrahlen in der Multipasszelle 3 überlappen können. Dies kann zu unerwünschten nichtlinearen Wechselwirkungen der Teilstrahlen führen. Die Besonderheit des in 2 gezeigten Aufteilungs-/Kombinationselementes ist, dass die Laserpulsreplikate der parallelen Teilstrahlen zueinander zeitlich versetzt sind, so dass Wechselwirkungen der Laserpulsreplikate untereinander vermieden werden. Der zeitliche Versatz wird durch die Abstände der hochreflektierenden zu den segmentierten Spiegeln bestimmt und kann entsprechend der Laserpulsdauer im Eingangslaserstrahl gewählt werden. Falls nötig, können aufgeprägte Winkel zwischen den räumlich getrennten Teilstrahlen einen Überlapp der Fokusse reduzieren oder vermeiden.
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Die Aufteilung in Teilstrahlen möglichst identischer Leistung ist von Bedeutung, da alle Teilstrahlen in der Multipasszelle 3 eine nahezu identische nichtlineare Wechselwirkung erfahren sollen, wodurch eine nahezu identische Pulsdauerverkürzung erfolgt und darüber hinaus dies die Grundlage für eine hohe Kombinationseffizienz bei der nachgeschalteten kohärenten Überlagerung im Kombinationselement 4 zur Erzeugung des Ausgangslaserstrahls ist. Hierzu kann, wie in 3 dargestellt, ein an das Teilstrahlenarray angepasstes Array aus Leistungsstellelementen 6 vorgesehen sein. Im einfachsten Fall kann dies z.B. durch ein Array von regulierbaren Abschwächern realisiert werden.
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Eine Detektion von Weglängenunterschieden im sub-Wellenlängenbereich erfolgt in dem Ausführungsbeispiel der 3 mittels eines Fehlersignaldetektors 7. Hierzu können bekannte Anordnungen verwendet werden (siehe z.B. Arno Klenke, Michael Müller, Henning Stark, Andreas Tünnermann, and Jens Limpert, „Sequential phase locking scheme for a filled aperture intensity coherent combination of beam arrays," Opt. Express 26, 12072-12080, 2018). Die Korrektur bzw. die Stabilisierung der interferometrischen Überlagerung in dem Kombinationslement 4 kann durch ein Array von Phasenmodulatoren 8 (z.B. Spiegelarray mit Piezoaktoren) erfolgen, welches in seiner Geometrie wiederum an das Teilstrahlenarray angepasst ist. Der hierzu verwendete elektronische Regelkreis ist in 3 nicht dargestellt. Alternativ zu der beschriebenen aktiven Stabilisierung können auch passive Ansätze verfolgt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 erfolgt im Aufteilungselement 2 die Aufteilung der Eingangslaserpulse in mindestens zwei zeitlich getrennte Laserpulsreplikate mit idealerweise identischer Pulsenergie, in dem Beispiel feinangepasst durch eine pulsselektive Leistungsregelung 9. In der Multipasszelle 3 erfolgt die entsprechend zeitlich getrennte spektrale Verbreiterung der Laserpulsreplikate mit anschließender kohärenter Kombination bei 4 zur Erzeugung des Ausgangslaserstrahls. Auch bei der zeitlichen Aufteilung der Laserpulse ist die relative Phasenlage der Laserpulsreplikate und deren Stabilität essentiell für eine stabile Emission, bei der der Großteil der Pulsenergie im Ausgangslaserstrahl enthalten ist. Bekannte Ansätze zur Detektion und aktiven Stabilisierung können auch hier zum Einsatz kommen. Bei dem Ausführungsbeispiel sind dazu Elemente zur Detektion der relativen Phasenlage 10 und zur entsprechenden aktiven Regelung 11 im Aufbau enthalten. Die elektronischen Regelungskomponenten sind in 4 wiederum nicht gezeigt. Insbesondere bei der zeitlich getrennten spektralen Verbreiterung der Laserpulsreplikate sind passive Ansätze (d.h. Ansätze, die ohne eine Regelungselektronik auskommen) zur Einstellung der richtigen relativen Phasenlage der Laserpulsreplikate bei der Kombination anwendbar.
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Zur Aufteilung der einzelnen Laserpulse des Eingangslaserstrahls in eine zeitliche Abfolge von Laserpulsreplikaten bei 2 können z.B. teilreflektierende Spiegel, polarisierende Elemente (z.B. Dünnschichtpolarisator oder Polarisationsstrahlteiler) eingesetzt werden, oder auch Kristalle mit verschiedenen Laufzeiten bei verschiedenen Polarisationen (doppelbrechende Kristalle) verwendet werden. Eine entsprechend invertierte Anordnung erlaubt die kohärente Kombination bei 4.
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Alternativ (nicht dargestellt) kann am Ausgang des Systems, d.h. nach Durchgang durch die Multipasszelle 3 eine Strahlumkehr erfolgen, z.B. mittels eines Faraday-Rotators in Kombination mit einem hochreflektierenden Spiegel. Nach der Reflexion propagieren die Laserpulsreplikate in Rückrichtung durch die Multipasszelle 3, wobei das Aufteilungselement 2 in Rückrichtung zur Kombination genutzt wird.
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Wichtig ist, dass insbesondere am Ausgang des Systems die verwendeten optischen Komponenten die spektrale Bandbreite der nichtlinear verbreiterten Laserpulse unterstützen.
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Anzumerken ist, dass eine mehrdimensionale Aufteilung, d.h. in sowohl räumlich als auch zeitlich voneinander getrennte Laserpulsreplikate möglich ist. Dies entspricht z.B. einer Kombination der Ausführungsbeispiele der 3 und 4.
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Zur Überwindung von Problemen, die sich aus der Dispersion der Spiegel der Multipasszelle 3 ergeben können, und den damit verbundenen Einschränkungen bei der Erzeugung extrem breitbandiger (few-cycle) Laserpulse können in der Multipasszelle 3 mit Vorteil metallische Spiegel verwendet werden, ggf. bestehend aus einer metallischen Schicht auf einem Substrat, welches durch eine gute Wärmeleitung gekennzeichnet ist (z.B. Kupfer oder Saphir).
