DE102020201693A1

DE102020201693A1 - Verfahren zum Verstärken eines ultrakurzen Laserpulses und Verfahren zum Auslegen eines Verstärkungssystems

Info

Publication number: DE102020201693A1
Application number: DE102020201693.3A
Authority: DE
Inventors: Aleksander Budnicki; Raphael Scelle
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2020-02-11
Filing date: 2020-02-11
Publication date: 2021-08-12
Also published as: WO2021160621A1; US20220385019A1; EP4104261A1; KR20220121909A; CN115088144A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verstärken eines ultrakurzen Laserpulses, mit folgenden Schritten:a) zeitliches Strecken eines ultrakurzen Laserpulses und Erhalten eines zeitlich gestreckten Laserpulses;b) Verstärken des zeitlich gestreckten Laserpulses und Erhalten eines verstärkten zeitlich gestreckten Laserpulses;c) Komprimieren des verstärkten zeitlich gestreckten Laserpulses und Erhalten eines verstärkten ultrakurzen Laserpulses, wobeiein Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag des Laserpulses, der als Änderung der nichtlinearen Phase aufgrund einer Verstärkungsdynamik in Schritt b) resultiert, kompensiert wird, indemd) dem Laserpuls vor dem Schritt c) ein zusätzlicher Phasenbeitrag derart vermittelt wird, und/oder indeme) ein Spektrum des Laserpulses vor dem Schritt b) so verändert wird,dass der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag nach dem Schritt c) kompensiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verstärken eines ultrakurzen Laserpulses sowie ein Verfahren zum Auslegen eines Verstärkungssystems.
Ultrakurze Laserpulse werden typischerweise mithilfe der sogenannten CPA-Technologie (Chirped Pulse Amplification) verstärkt, wobei ein insbesondere von einer Laserpulsquelle, insbesondere einem Ultrakurzpulslaser, auch als Seed-Laser bezeichnet, erzeugter ultrakurzer Laserpuls zeitlich gestreckt wird, wobei ein zeitlich gestreckter Laserpuls erhalten wird. Dieser zeitlich gestreckte Laserpuls wird dann - insbesondere in wenigstens einer Verstärkerstufe oder einer Verstärkungskette aus einer Mehrzahl von Verstärkungsstufen - verstärkt, wobei ein verstärkter zeitlich gestreckter Laserpuls erhalten wird. Die zeitliche Streckung des Laserpulses dient dabei insbesondere der Vermeidung des Überschreitens einer Beschädigungs- oder Zerstörschwelle der wenigstens einen Verstärkerstufe durch die Pulsleistung des Laserpulses und zur Reduktion ungewünschter nichtlinearer Prozesse/Effekte. Anschließend wird der verstärkte zeitlich gestreckte Laserpuls wiederum zeitlich komprimiert, woraus schließlich ein verstärkter ultrakurzer Laserpuls erhalten wird. Dabei kann sich in der wenigstens einen Verstärkerstufe insbesondere beim Abrufen eines nicht unerheblichen Bruchteils der in der Verstärkerstufe gespeicherten Energie eine Verstärkungs-Dynamik ergeben, auch als Gain-Dynamik bezeichnet, die - insbesondere aufgrund von Sättigung der Verstärkung - zu einer Pulsformveränderung des Laserpulses führen kann. Insbesondere ergibt sich diese Problematik dann, wenn die wenigstens eine Verstärkungsstufe ausreichend nahe oder oberhalb ihrer Sättigung betrieben wird. Die Erfinder haben erkannt, dass zudem in der wenigstens einen Verstärkerstufe oder Verstärkerkette, allgemein auch als Verstärkungssystem bezeichnet, sich eine durch nichtlineare Effekte akkumulierte Phase, im Folgenden als nichtlineare Phase bezeichnet, aufgrund der Verstärkungs-Dynamik ändert. Diese Änderung der nichtlinearen Phase, im Folgenden als Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag bezeichnet, beeinträchtigt die Pulsqualität des Laserpuls nach dem Komprimieren, das heißt letztlich die Qualität des erhaltenen Nutzstrahls.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verstärken eines ultrakurzen Laserpulses sowie ein Verfahren zum Auslegen eines Verstärkungssystems zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest vermindert sind.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Verstärken eines ultrakurzen Laserpulses geschaffen wird, bei welchem der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag des Laserpulses kompensiert wird, indem dem Laserpuls vor dem Komprimieren ein zusätzlicher Phasenbeitrag derart vermittelt wird, dass der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag nach dem Komprimieren, das im Folgenden auch als Kompression bezeichnet wird, kompensiert ist. Alternativ oder zusätzlich wird ein Spektrum des Laserpulses vor dem Verstärken so verändert, dass der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag nach der Kompression kompensiert ist. Das hier vorgeschlagene Verfahren ermöglicht über den zusätzlichen Phasenbeitrag und/oder die Veränderung des Spektrums des Laserpulses eine Kompensation des Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrags derart, dass eine Verschlechterung der Pulsqualität nach der Kompression verringert, vorzugsweise vermieden ist. Es kann so ein qualitativ hochwertiger, ultrakurzer, verstärkter Laserpuls erhalten werden, der für einen angestrebten Einsatzzweck, sei es Materialbearbeitung, beispielsweise Laserschneiden, Laserschweißen oder Laserpolieren, insbesondere Mikromaterialbearbeitung, Frequenzkonversion, oder ein wissenschaftlicher Zweck, wie beispielsweise Pumpen von OPCPA, oder Spektroskopie, in verbesserter Weise, vorzugsweise ohne Einschränkung, verwendet werden kann.
Erfindungsgemäß ist insbesondere erkannt worden, dass die Verstärkungs-Dynamik und die nichtlinearen Effekte, die in dem Verstärkungssystem auftreten, durch geeignete, quasi komplementäre Beeinflussung des Laserpulses neutralisiert werden können, insbesondere derart, dass letztlich die durch den Verstärkungsvorgang erzeugte Deformation im Ergebnis eine Pulsform erzeugt, die trotz der auftretenden Nichtlinearitäten gut komprimierbar ist. Dies kann durch den zusätzlichen Phasenbeitrag und/oder durch Veränderung des Spektrums des Laserpulses erzielt werden. Insbesondere kann der zusätzliche Phasenbeitrag so ausgelegt werden, dass der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag durch die auftretenden Nichtlinearitäten vorkompensiert wird. Alternativ oder zusätzlich kann insbesondere eine spektrale Filterung derart erfolgen, dass dann durch die Pulsform eine nichtlineare Phase erzeugt wird, die sich zusammen mit den übrigen Phasenbeiträgen gut komprimieren lässt. Die Veränderung des Spektrums des Laserpulses erlaubt - im Vergleich zu dem zusätzlichen Phasenbeitrag - eine verbesserte Pulsqualität in einem größeren Pulsenergiebereich, da der zusätzliche Phasenbeitrag nichtlineare Effekte benötigt, um die Kompensation zu bewirken. Diese treten aber nur bei hohen Pulsenergien auf. Demnach hätte ein komprimierter Laserpuls, dem der zusätzliche Phasenbeitrag vermittelt wurde, bei dem die Pulsenergie aber zu gering ist, um in ausreichendem Maß nichtlineare Effekte zu erzeugen, nach der Kompression eine verschlechterte Pulsqualität. Die Veränderung des Spektrums benötigt demgegenüber nicht zwingend das Auftreten nichtlinearer Effekte zur Kompensation des Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrags, sodass diese Vorgehensweise auch bei geringeren Pulsenergien funktioniert.
Unter einem ultrakurzen Laserpuls wird hier insbesondere ein Laserpuls verstanden, dessen zeitliche Breite im ps- bis fs-Bereich liegt. Vorzugsweise beträgt die zeitliche Pulsbreite des komprimierten ultrakurzen Laserpulses höchstens 10 ps, bevorzugt wenige 100 fs, oder kleiner.
Unter einem Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag wird insbesondere eine Veränderung der nichtlinearen Phase des Laserpulses verstanden, die sich während der Verstärkung, insbesondere in der wenigstens einen Verstärkerstufe oder in der Verstärkerkette, durch die Verstärkungs-Dynamik und die nichtlinearen Effekte ergibt. Dabei kann es sich um einen zeitlichen Phasenbeitrag und/oder um einen spektralen Phasenbeitrag handeln.
Entsprechend wird unter einem zusätzlichen Phasenbeitrag insbesondere eine mit dem Ziel der Kompensation des Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrags gezielt herbeigeführte Veränderungen der Phase des Laserpulses verstanden. Bei dem zusätzlichen Phasenbeitrag kann es sich um einen zeitlichen und/oder eine spektralen Phasenbeitrag handeln.
Unter nichtlinearen Effekten werden hier insbesondere Effekte verstanden, die sich in Abhängigkeit von der Intensität des Laserpulses, insbesondere bei hoher Intensität, ergeben. Diese Effekte werden als nichtlinear bezeichnet, da die elektrische Feldstärke des Laserpulses quadratisch eingeht.
Unter einer Verstärkungs-Dynamik wird insbesondere verstanden, dass - insbesondere bei hohen zu extrahierenden Pulsenergien, das heißt bei hohen, aus der wenigstens einen Verstärkerstufe abzurufenden Energien - der zeitlich gestreckte, zu verstärkende Laserpuls und damit zugleich dessen Frequenzanteile am zeitlichen Pulsanfang eine andere Verstärkung erfahren als am zeitlichen Pulsende, da sich die Inversion des Verstärkungsmediums durch Energieextraktion am zeitlichen Pulsanfang ändert. Da der zeitlich gestreckte Puls durch einen sogenannten Chirp gestreckt ist, weist er am zeitlichen Pulsanfang andere Frequenzanteile auf als am zeitlichen Pulsende. Somit werden insbesondere die Frequenzanteile am zeitlichen Pulsanfang stärker verstärkt als am zeitlichen Pulsende, wodurch der Puls verformt wird. Die Verformung des zeitlich gestreckten Pulses wirkt sich über nichtlineare Effekt auch auf die Pulsform nach der Kompression aus und führt letztlich zu einer verschlechterten Komprimierung, das heißt einer Pulsverformung und/oder Pulsdauerverlängerung im Vergleich zur zeitlichen Breite eines ungestörten komprimierten Laserpulses.
Dass der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag kompensiert ist, bedeutet insbesondere, dass ein Strehl-Verhältnis des Laserpulses aufgrund eines gegebenenfalls noch verbleibenden Restanteils des Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrags höchstens um 5 % kleiner ist als bei vollständiger Vermeidung oder vollständiger Kompensation des Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrags. Der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag - oder der Einfluss oder Effekt des Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrags - muss also insbesondere nicht zu 100 % kompensiert werden, sondern es genügt vielmehr eine Kompensation in dem genannten Umfang. Vorteilhaft wird allerdings der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag in höherem Umfang kompensiert, sodass entsprechend das Strehl-Verhältnis um weniger als 5 % kleiner ist als ohne den Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag, insbesondere um weniger als 2 %, vorzugsweise um weniger als 1 %. In dieser Anmeldung wird unter dem Strehl-Verhältnis, auch als Strehl-Zahl bezeichnet, das Verhältnis der Pulsspitzenleistung zur theoretischen Pulsspitzenleistung eines Fourier-limitierten, also perfekt komprimierten Pulses verstanden. Damit hätte ein perfekt komprimierendes System ein Strehl-Verhältnis von 1.
Dass der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag kompensiert wird, bedeutet also insbesondere, dass der Einfluss oder Effekt des Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrags auf den verstärkten ultrakurzen Laserpuls kompensiert wird, insbesondere indem das Strehl-Verhältnis optimiert wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Schritt, ausgewählt aus dem Vermitteln des zusätzlichen Phasenbeitrags und dem Verändern des Spektrums des Laserpulses, beim zeitlichen Strecken des ultrakurzen Laserpulses durchgeführt wird. Alternativ oder zusätzlich wird der wenigstens eine Schritt vor dem Strecken des ultrakurzen Laserpulses durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich wird der wenigstens eine Schritt nach dem Strecken des ultrakurzen Laserpulses und vor dem Verstärken des zeitlich gestreckten Laserpulses durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich wird der wenigstens eine Schritt beim Verstärken des zeitlich gestreckten Laserpulses durchgeführt. Dies ermöglicht eine Beeinflussung des Laserpulses in gewünschter Weise vor dessen Kompression, sodass spätestens nach der Kompression oder bereits vor der Kompression, gegebenenfalls auch durch die Kompression, der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag aufgrund der entsprechenden Beeinflussung durch den wenigstens einen Schritt kompensiert ist.
Der wenigstens eine Schritt ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung insbesondere die Veränderung des Spektrums des Laserpulses.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist der wenigstens eine Schritt die Vermittlung des zusätzlichen Phasenbeitrags. Der zusätzliche Phasenbeitrag wird dem Laserpuls bevorzugt beim zeitlichen Strecken, oder während des Verstärkens, insbesondere mittels eines in der Verstärkerkette angeordneten elektrooptischen Modulators, vorzugsweise einer Pockels-Zelle, vermittelt. Es ist aber auch eine bevorzugte Ausgestaltung möglich, bei welcher der zusätzliche Phasenbeitrag dem Laserpuls nach dem Verstärken, insbesondere mittels eines Volumengitters (VBG - Volume Bragg Grating) vermittelt wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Laserpuls der zusätzliche Phasenbeitrag vermittelt wird, indem zum zeitlichen Strecken des Laserpulses ein Strecker verwendet wird, dem ein geeignet angepasster Laufzeitverlauf in Abhängigkeit der Wellenlänge für den ultrakurzen Laserpuls eingeschrieben oder aufgeprägt ist. Somit kann in einfacher Weise dem Laserpuls der zusätzliche Phasenbeitrag zugleich mit dem zeitlichen Strecken in dem Strecker vermittelt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der geeignete angepasste Laufzeitverlauf in Abhängigkeit der Wellenlänge dem Strecker statisch eingeschrieben oder dynamisch aufgeprägt wird. Der entsprechend geeignet ausgebildete Strecker kann also bevorzugt statisch auf den zusätzlichen Phasenbeitrag abgestimmt sein, insbesondere durch entsprechend eingeschriebene Gitterabstände. Es ist aber auch möglich, dass ein variabel anpassbarer Strecker verwendet wird, insbesondere ein thermisch veränderbarer Strecker, oder ein zugabhängig in Abhängigkeit von einer auf den Strecker wirkenden mechanischen Zugkraft, veränderbarer Strecker. Bei letzterem kann insbesondere das Material des Streckers gestreckt werden, indem eine Zugspannung aufgebracht und vorzugsweise parameterabhängig, insbesondere abhängig von dem zu vermittelnden zusätzlichen Phasenbeitrag, variiert wird. Insbesondere kann als Strecker eine Glasfaser verwendet werden, die mechanisch in entsprechender Weise gestreckt werden kann. Bei einem thermisch veränderbaren Strecker kann vorzugsweise ein Temperaturprofil angelegt werden, insbesondere über wenigstens ein Peltier-Element, vorzugsweise über eine Mehrzahl von Peltier-Elemente, die insbesondere über eine Länge des Streckers verteilt angeordnet sein können. Dabei kann ein Abstand verschiedener Bragg-Elemente des Streckers relativ zueinander durch geeignete lokale Temperaturvariationen variiert werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Spektrum des Laserpulses verändert wird, indem zum zeitlichen Strecken des ultrakurzen Laserpulses ein Strecker verwendet wird, dem ein spektraler Filter eingeschrieben oder aufgeprägt ist. Insbesondere kann als Strecker eine Faser verwendet werden, der ein Reflexionsgitter mit Reflexionsverlauf eingeschrieben ist. Somit kann die Veränderung des Spektrums in besonders kompakter und bauraumsparender Weise gemeinsam mit dem zeitlichen Strecken durchgeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich wird das Spektrum des Laserpulses bevorzugt verändert, indem der ultrakurze Laserpuls über einen spektralen Filter gefiltert wird, der- in Propagationsrichtung des Laserpulses - vor dem Strecker oder hinter dem Strecker angeordnet ist. Dies stellt eine besonders einfache und flexibel anpassbare Ausgestaltung der spektralen Veränderung dar.
Alternativ oder zusätzlich wird das Spektrum des Laserpulses bevorzugt verändert, indem der ultrakurze Laserpuls - in Propagationsrichtung des Laserpulses - vor dem Strecker oder hinter dem Strecker durch eine Faser geführt wird, wobei der Faser ein spektraler Filter eingeschrieben ist. So kann insbesondere eine ohnehin zur Strahlführung genutzte Faser zusätzlich genutzt werden, um das Spektrum des Laserpulses zu verändern.
Insbesondere wird das Spektrum des Laserpulses bevorzugt durch komplementär oder negativ zu der Verstärkungs-Dynamik angepasste Filterung verändert. Insbesondere kann hierzu ein separater oder in eine Faser eingeschriebener Transmissionsfilter verwendet werden. Es ist auch möglich, dass in einem in Reflexion arbeitenden Strecker die Reflektivität bereichsweise entsprechend der gewünschten spektralen Filterung angepasst ist. Entsprechend kann bei einem in Transmission arbeitenden Strecker die Transmissivität entsprechend angepasst werden. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung wird alternativ oder zusätzlich zur spektralen Veränderung des Laserpulses ein zeitlich eingestellter Pulsabschwächer, insbesondere ein akustooptischer Modulator oder ein elektrooptischer Modulator, insbesondere eine Pockels-Zelle, verwendet. Auch hierdurch ist eine spektrale Beeinflussung möglich, da der Laserpuls bevorzugt gechirped ist, sodass die verschiedenen Frequenz- oder Wellenlängenanteile des Laserpulses zeitlich separat adressiert werden können.
Gemäß einer Weitebildung der Erfindung ist vorgesehen, dass beim Verstärken des zeitlich gestreckten Laserpulses mindestens 30 %, vorzugsweise mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 70 %, vorzugsweise mindestens 90 %, vorzugsweise mehr als 90 %, der in einem Verstärker, mittels dem der zeitlich gestreckte Laserpuls verstärkt wird, gespeicherten Energie abgerufen wird. Insbesondere in diesem Bereich der Verstärkung ergeben sich die zuvor beschriebenen Effekte der Verstärkungs-Dynamik. In dem Verstärker, insbesondere der wenigstens einen Verstärkerstufe oder der Verstärkerkette, wird Energie insbesondere in Form einer Besetzungsinversion durch optisches Pumpen, insbesondere mittels Pumplampen, Pumpdioden oder Pumplaserquellen, gespeichert, wobei die Besetzungsinversion durch den Laserpuls, der den Verstärker durchläuft, abgeräumt und damit die gespeicherte Energie abgerufen wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein B-Integral für den Laserpuls nach der Verstärkung größer als 3 rad ist. Insbesondere in diesem Bereich des B-Integrals ergeben sich die hier beschriebenen Effekte. Insbesondere ist das B-Integral für den Laserpuls nach Durchlaufen der wenigstens einen Verstärkerstufe, insbesondere der Verstärkerkette, insbesondere der vollständigen Verstärkerkette, größer als 3 rad. Das B-Integral ist dabei ein Maß für die nichtlineare Phasenverschiebung des Laserpulses in dem Verstärkungssystem. Es ist definiert als $B = \frac{2 π}{λ} \int n_{2} I (z) d z,$
wobei I(z) die optische Intensität entlang der Strahlachse des Laserstrahls (z-Richtung) ist, wobei hierfür die Spitzenintensität in transversaler Richtung, beispielsweise von einem Gauß-Strahl, angenommen wird; z ist die Position in Strahlausbreitungsrichtung, mithin Propagationsrichtung, und n₂ ist der nichtlineare Brechungsindex, der die Kerr-Nichtlinearität quantifiziert. Somit ist n₂I(z) die nichtlineare Veränderung im Brechungsindex, wobei man unschwer erkennt, dass das B-Integral die gesamte axiale nichtlineare Phasenverschiebung angibt, die beim Passieren einer Propagationsstrecke, hier insbesondere der Verstärkerkette, akkumuliert wird.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Auslegen eines Verstärkungssystems zum Verstärken eines ultrakurzen Laserpulses geschaffen wird, welches folgende Schritte aufweist: Es wird ein Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag ermittelt, der sich in dem Verstärkungssystem für einen das Verstärkungssystem durchlaufenden ultrakurzen Laserpuls als Änderung der nichtlinearen Phase aufgrund einer Verstärkungs-Dynamik des Verstärkungssystems ergibt, und es wird wenigstens ein Kompensationselement bereitgestellt, das eingerichtet ist, um den ermittelten Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag zu kompensieren. Insbesondere wird das wenigstens eine Kompensationselement auf den ermittelten Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag - quasi in seiner Wirkung komplementär oder negativ - abgestimmt. Insbesondere wird das Kompensationselement so gewählt und eingerichtet, dass es dem Laserpuls einen zusätzlichen Phasenbeitrag vermittelt und/oder das Spektrum des Laserpulses verändert, sodass der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag und/oder dessen Einfluss auf den verstärkten ultrakurzen Laserpuls kompensiert wird. Insbesondere ist das Kompensationselement eingerichtet zur Verwendung für die Kompensation des Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrags in einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verstärken eines ultrakurzen Laserpulses oder in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens zum Verstärken eines ultrakurzen Laserpulses. In Zusammenhang mit dem Verfahren zum Auslegen des Verstärkungssystems ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren zum Verstärken des ultrakurzen Laserpulses erläutert wurden.
Dass der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag ermittelt wird, bedeutet insbesondere, dass der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag unmittelbar oder mittelbar erfasst wird. Wird der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag unmittelbar erfasst, wird direkt ein Wert für den Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag erhalten, insbesondere durch Bestimmung oder Messung des Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrags, Berechnung des Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrags aus wenigstens einer anderen Messgröße, oder durch Simulation. Wird der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag mittelbar erfasst, wird ein Einfluss des Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrags auf den verstärkten ultrakurzen Laserpuls ermittelt, wobei dieser Einfluss insbesondere indirekt als Maß für den Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag verwendet wird. Dabei wird insbesondere kein Wert für den Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag selbst erhalten.
Das Kompensationselement ist bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Strecker zum zeitlichen Strecken des Laserpulses, einer Faser zum Durchleiten des Laserpulses, einem Filter, insbesondere einem spektralen Filter, insbesondere einem Reflexionsfilter oder einem Transmissionsfilter, einem Spiegel, einem Gitter, insbesondere einem Volumengitter, einem elektrooptischen Modulator (EOM), einer Pockels-Zelle, einem akustooptischen Modulator (AOM), und einer Kombination von wenigstens zwei der genannten Elemente.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der sich in dem Verstärkungssystem ergebende Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag ermittelt wird, indem er durch Phasenmessung - insbesondere frequenzaufgelöste optische Verknüpfung (Frequency Resolved Optical Gating - FROG), spektrale Phasen-Interferometrie zur direkten Rekonstruktion des elektrischen Felds (Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction - SPIDER) - bestimmt, vorzugsweise gemessen wird. Alternativ oder zusätzlich wird der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag bevorzugt aus einem gemessenen Spektrum berechnet. Alternativ oder zusätzlich wird der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag bevorzugt aus einer zeitlichen Messung, insbesondere einer gemessenen zeitlichen Pulsform, berechnet. Der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag oder die Gaindynamik lässt sich relativ einfach zeitlich vermessen. Insbesondere bei zeitlich gestreckten Pulsen (z.B. auf der ns-Skala) kann man die zeitliche Pulsform beispielsweise mit einer Photodiode vermessen und bevorzugt über den bekannten Streckfaktor und/oder Kenntnis des CPA-Systems daraus das Spektrum oder die nichtlineare Phase berechnen. Alternativ oder zusätzlich wird der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag bevorzugt durch Simulation, insbesondere numerische Simulation, ermittelt, insbesondere berechnet. Die hier genannten Methoden ermöglichen eine besonders präzise und aussagekräftige Ermittlung des Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrags.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kompensationselement ausgelegt wird, indem wenigstens ein zusätzlicher Phasenbeitrag für den Laserpuls und/oder ein Spektrum des Laserpulses dynamisch, insbesondere mittels eines ansteuerbaren Modulators, insbesondere eines ansteuerbaren räumlichen Lichtmodulators (Spatial Light Modulator - SLM), eines akustooptischen Modulators, eines elektrooptischen Modulators, und/oder eines ansteuerbaren Streckers, eingestellt wird, wobei wenigstens eine Messgröße an dem verstärkten ultrakurzen Laserpuls gemessen wird. Sodann wird dieser Schritt unter Veränderung des zusätzlichen Phasenbeitrags und/oder des Spektrums des Laserpulses wiederholt, wobei die wenigstens eine Messgröße in Abhängigkeit von dem zusätzlichen Phasenbeitrag und/oder dem Spektrum des Laserpulses optimiert wird. Die Veränderung des zusätzlichen Phasenbeitrags und/oder des Spektrums des Laserpulses wird insbesondere iterativ wiederholt, bis ein Optimum der wenigstens einen Messgröße aufgefunden ist. Somit wird insbesondere das Optimum der wenigstens einen Messgröße in Abhängigkeit von dem zusätzlichen Phasenbeitrag und/oder dem Spektrum des Laserpulses aufgesucht, und die entsprechend zugeordnete Einstellung oder Ansteuerung des ansteuerbaren Modulators und/oder des ansteuerbaren Streckers wird gemerkt, insbesondere gespeichert. Unter einem Optimum der wenigstens einen Messgröße wird insbesondere verstanden, dass das entsprechende, zu der wenigstens einen Messgröße korrelierte Strehl-Verhältnis des verstärkten ultrakurzen Laserpulses um weniger als 5 % kleiner ist als ohne den Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag. Eine optische Ausgestaltung für das Kompensationselement wird durch die Optimierung der wenigstens einen Messgröße ermittelt, insbesondere derart, dass das Kompensationselement den zusätzlichen Phasenbeitrag und/oder das Spektrum liefert, der/das dem Optimum der wenigstens einen Messgröße zugeordnet ist. Insbesondere entspricht dann die optische Ausgestaltung für das Kompensationselement der gemerkten, insbesondere gespeicherten, Einstellung oder Ansteuerung des ansteuerbaren Modulators und/oder des ansteuerbaren Streckers.
Mithilfe des hier beschriebenen Verfahrens kann in sicherer und zugleich einfacher Weise die optische Ausgestaltung für das Kompensationselement ermittelt werden. Dies kann sowohl im realen Experiment als auch durch Simulation, insbesondere numerische Simulation, durchgeführt werden.
Um den Einfluss des eingestellten zusätzlichen Phasenbeitrags und/oder des eingestellten Spektrums zu ermitteln, wird bevorzugt der verstärkte ultrakurze Laserpuls oder die Phase des verstärkten ultrakurzen Laserpulses gemessen. Hierbei wird insbesondere der verstärkte ultrakurze Laserpuls nach der Kompression mit Hilfe der wenigstens einen Messgröße quantifiziert. Bei den zugehörigen Messungen kann es sich insbesondere um eine Messung zur Rekonstruktion des elektrischen Feldes, eine Autokorrelationsmessung, oder eine Leistungsmessung nach einer Frequenzkonversion handeln. Aus der wenigstens einen Messgröße lassen sich dann insbesondere Rückschlüsse auf das Strehl-Verhältnis schließen.
Als ansteuerbarer räumlicher Lichtmodulator wird bevorzugt ein LCD (Liquid Crystal Display) oder eine ähnliche Vorrichtung verwendet. Als ansteuerbarer Strecker wird bevorzugt ein thermisch variabler Strecker oder ein durch variable Zugbelastung einstellbarer Strecker verwendet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kompensationselement bereitgestellt wird, indem die ermittelte optische Ausgestaltung für das Kompensationselement auf eine dauerhafte optische Struktur übertragen wird. Auf diese Weise kann ein einfach einsetzbares und dauerhaft haltbares Kompensationselement erhalten werden, das passgenau auf den Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag abgestimmt ist. Insbesondere kann die Einstellung oder Ansteuerung des ansteuerbaren Modulators, die als der optimalen Messgröße zugeordnet gemerkt, insbesondere gespeichert, wurde, auf eine feste, dauerhafte Struktur, beispielsweise einen Spiegel, ein Gitter, oder ein anderes optisches Element, beispielsweise eine Faser oder dergleichen, übertragen werden. Insbesondere wird dieses optische Element so ausgebildet, dass es dieselbe Wirkung auf den Laserpuls erzielt, wie die gemerkte, insbesondere gespeicherte, Einstellung oder Ansteuerung des ansteuerbaren Modulators.
Entsprechend kann ein statischer Strecker so ausgelegt werden, dass seine Wirkung auf den Laserpuls der Wirkung der entsprechend gemerkten, insbesondere gespeicherten Einstellung oder Ansteuerung des ansteuerbaren Streckers entspricht. Beispielsweise kann eine entsprechende Struktur in einen Strecker statisch eingeschrieben werden.
Zur Erfindung gehört auch ein Verstärkungssystem, das eingerichtet ist zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verstärken eines ultrakurzen Laserpulses, oder einer der zuvor offenbarten bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens zum Verstärken eines ultrakurzen Laserpulses. Das Verstärkungssystem weist dabei insbesondere einen Strecker zum zeitlichen Strecken eines ultrakurzen Laserpulses auf, außerdem wenigstens eine Verstärkerstufe zum Verstärken des zeitlich gestreckten Laserpulses, außerdem wenigstens einen Kompressor zum Komprimieren des verstärkten zeitlich gestreckten Laserpulses. Das Verstärkungssystem weist außerdem wenigstens ein Kompensationselement auf, das eingerichtet und angeordnet ist, um dem Laserpuls einen zusätzlichen Phasenbeitrag derart zu vermitteln, und/oder ein Spektrum des Laserpulses so zu verändern, dass der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag - in Propagationsrichtung - hinter dem Kompressor kompensiert ist. In Zusammenhang mit dem Verstärkungssystem ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
Typischerweise werden Lasersysteme zur Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen so ausgelegt, dass nennenswerte Nichtlinearitäten am Ende einer finalen Verstärkerstufe auftreten, also dann, wenn die Pulsenergie maximal ist. Durch die Nichtlinearitäten erhält der Puls eine zusätzliche Phase, deren Form durch die Pulsform gegeben ist, die ihrerseits wiederum durch die Streckung und das Spektrum des Laserpulses bestimmt wird. Eine gute Pulsqualität lässt sich erreichen, wenn sich die gesamte Phase des Laserpulses - durch Streckung, Dispersion und Nichtlinearitäten - im Kompressor des Lasersystems kompensieren lässt. Insbesondere muss auch die sich durch die Nichtlinearitäten ergebende Phase kompensiert werden, die unter anderem aufgrund der Verstärkungs-Dynamik einen Verlauf annehmen kann, der sich nur schlecht mit einem Kompressor kompensieren lässt. Eine gute Pulsqualität lässt sich dann nur erreichen, wenn entweder die Phasen im Lasersystem - insbesondere für den Strecker - so ausgelegt sind, dass die Phase durch die Nichtlinearitäten vorkompensiert wird, oder das Lasersystem beispielsweise durch spektrale Filter so ausgelegt wird, dass durch die Pulsform eine nichtlineare Phase erzeugt wird, die sich zusammen mit den übrigen Phasenbeiträgen gut komprimieren lässt.
Die Beschreibung der Verfahren einerseits und des Verstärkungssystems andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Merkmale des Verstärkungssystems, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit den Verfahren erläutert wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Verstärkungssystems. Das Verstärkungssystem weist bevorzugt wenigstens ein Merkmal auf, welches durch wenigstens einen Schritt eines der erfindungsgemäßen Verfahren oder einer Ausführungsform eines der Verfahren bedingt ist. Analog sind Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verstärkungssystem beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform eines der Verfahren. Diese zeichnen sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Verstärkungssystems bedingt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verstärkungssystems zur Durchführung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Verstärken eines ultrakurzen Laserpulses, und
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Systems zur Durchführung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Auslegen eines Verstärkungssystems.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verstärkungssystems 100, das eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens zum Verstärken eines ultrakurzen Laserpulses. Das Verstärkungssystem 100 weist eine Laserpulsquelle 200 auf, die insbesondere als Ultrakurzpulslaser ausgebildet ist und eingerichtet ist zur Erzeugung von Laserpulsen, vorzugsweise mit einer zeitlichen Breite im Bereich von ps bis fs.
Das Verstärkungssystem 100 weist außerdem einen Strecker 120 auf, der eingerichtet ist, um einen von der Laserpulsquelle 200 erzeugten Laserpuls zeitlich zu strecken, sodass ein zeitlich gestreckter Laserpuls erhalten wird. Außerdem weist das Verstärkungssystem 100 wenigstens eine Verstärkerstufe, hier eine Verstärkerkette mit zwei Verstärkerstufen, nämlich einem Vorverstärker 140 und einem Hauptverstärker 150 auf, wobei die Verstärkerkette eingerichtet ist, um den zeitlich gestreckten Laserpuls zu verstärken und so einen verstärkten und zeitlich gestreckten Laserpuls zu erhalten. Schließlich weist das Verstärkersystem 100 einen Kompressor 160 auf, der eingerichtet ist, um den verstärkten und zeitlich gestreckten Laserpuls zu komprimieren, woraus schließlich ein verstärkter ultrakurzer Laserpuls erhalten wird.
In dem Verstärkungssystem 100, insbesondere in der Verstärkerkette, hier dem Vorverstärker 140 und dem Hauptverstärker 150, tritt insbesondere dann, wenn ein hoher Anteil der in den Verstärkerstufen gespeicherten Energie abgerufen wird, eine Verstärkungs-Dynamik auf, die zu einer Pulsverformung des Laserpulses führt. Diese Pulsverformung führt wiederum in Kombination mit nichtlinearen Effekten, die in den Verstärkerstufen auftreten, zu einem Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag, der im Ergebnis die Qualität des komprimierten, verstärkten ultrakurzen Laserpulses beeinträchtigt.
Um diesen negativen Effekt zu lindern, vorzugsweise ganz zu unterdrücken, weist das Verstärkungssystem 100 hier wenigstens ein Kompensationselement 130 auf, welches eingerichtet ist, um den Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag, das heißt insbesondere einen Einfluss des Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrags, zu kompensieren. Insbesondere wird dabei dem Laserpuls in Propagationsrichtung vor dem Kompressor 160 ein zusätzlicher Phasenbeitrag derart vermittelt, und/oder ein Spektrum des Laserpulses wird - insbesondere in Propagationsrichtung vor dem Vorverstärker 140 oder vor dem Hauptverstärker 150 - so verändert, dass der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag hinter dem Kompressor 160 kompensiert ist. Dadurch kann ein qualitativ hochwertiger komprimierter Laserpuls erhalten werden. Das Kompensationselement 130 ist insbesondere so ausgelegt, dass ein Strehl-Verhältnis des Laserpulses höchstens um 5 % kleiner ist, als unter Hinwegdenkung des Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrags, das heißt wenn der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag nicht auftreten würde.
Das Kompensationselement 130 ist hier schematisch und beispielhaft an verschiedenen Stellen der Propagationsstrecke eingezeichnet. Es kann insbesondere unmittelbar vor dem Strecker 120, unmittelbar hinter dem Strecker 120, unmittelbar vor dem Vorverstärker 140, oder zwischen dem Vorverstärker 140 und dem Hauptverstärker 150, das heißt insbesondere in der Verstärkerkette, angeordnet sein. Auch eine Anordnung hinter dem Hauptverstärker 150, oder hinter dem Kompressor 160, oder in dem Kompressor 160, ist möglich. Eine Anpassung des Spektrums wird aber bevorzugt vor dem Hauptverstärker 150 durchgeführt. Es ist auch möglich, dass eine Mehrzahl von Kompensationselementen 130 vorgesehen sind, die insbesondere an den hier entsprechend schematisch angedeuteten Orten vorgesehen sein können.
Auch der Strecker 120 kann selbst als Kompensationselement 130 ausgebildet sein, insbesondere indem er variabel ausgestaltet ist oder indem ihm eine Kompensationseigenschaft statisch eingeschrieben ist.
Das Kompensationselement 130 ist insbesondere ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus dem Strecker 120, einer Faser 110, insbesondere mit eingeschriebenem Fiber-Bragg-Grating (FBG), einem Filter, insbesondere einem spektralen Filter, insbesondere einem Reflexionsfilter oder einem Transmissionsfilter, einem Spiegel, einem elektrooptischen Modulator (EOM), einer Pockels-Zelle, einem akustooptischen Modulator (AOM), einem Gitter, insbesondere einem Volumengitter, und einer Kombination von wenigstens zwei der genannten Elemente.
Insbesondere kann das Vermitteln des zusätzlichen Phasenbeitrags und/oder die Veränderung des Spektrums beim Strecken des ultrakurzen Laserpulses durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann dies vor dem Strecken des ultrakurzen Laserpulses geschehen. Alternativ oder zusätzlich kann dies nach dem Strecken des ultrakurzen Laserpulses und vor dem Verstärken des zeitlich gestreckten Laserpulses geschehen. Alternativ oder zusätzlich kann dies beim Verstärken des zeitlich gestreckten Laserpulses geschehen.
Der zusätzliche Phasenbeitrag kann dem Laserpuls insbesondere vermittelt werden, indem ein Strecker 120 verwendet wird, dem ein geeignet angepasster Laufzeitverlauf in Abhängigkeit der Wellenlänge für den ultrakurzen Laserpuls eingeschrieben oder aufgeprägt ist. Die Eigenschaften des Streckers 120 können insbesondere thermisch oder durch Anlegen einer Zugspannung variabel ausgebildet sein.
Insbesondere wird bevorzugt ein Strecker 120 verwendet, dem der geeignet angepasste Laufzeitverlauf in Abhängigkeit der Wellenlänge statisch eingeschrieben ist oder dynamisch aufgeprägt wird.
Die Veränderung des Spektrums wird bevorzugt vorgenommen, indem ein Strecker 120 verwendet wird, dem ein spektraler Filter eingeschrieben oder aufgeprägt ist. Alternativ oder zusätzlich wird das Spektrum verändert, indem der ultrakurze Laserpuls über ein spektraler Filter vor oder hinter dem Strecker gefiltert wird. Das Kompensationselement 130 kann also insbesondere als spektraler Filter ausgebildet sein, vorzugsweise als reflektiver spektraler Filter, das heißt als wellenlängenabhängiger Spiegel, oder als Transmissionsfilter.
Alternativ oder zusätzlich wird das Spektrum des Laserpulses bevorzugt verändert, indem der ultrakurze Laserpuls vor dem Strecker 120 oder hinter dem Strecker 120 durch eine Faser 110 geführt wird, welcher ein spektraler Filter eingeschrieben ist.
Bevorzugt werden mindestens 30 % der in dem Vorverstärker 140 und/oder in dem Hauptverstärker 150, insbesondere in einem dieser Verstärker, vorzugsweise jeweils in beiden Verstärkerstufen, gespeicherten Energie abgerufen.
Der Vorverstärker 140 und der Hauptverstärker 150 sind bevorzugt so ausgelegt - gegebenenfalls unter Berücksichtigung eines dazwischen angeordneten Kompensationselements 130 -, dass ein B-Integral für den Laserpuls nach der Verstärkung, also in Propagationsrichtung hinter dem Hauptverstärker 150, größer als 3 rad ist.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens zum Auslegen des Verstärkersystems 100. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Hier ist nun an derjenigen Stelle, an der später das Kompensationselement 130 in dem fertig ausgelegten Verstärkungssystem 100 vorgesehen sein soll, ein ansteuerbarer Modulator 300 oder ein ansteuerbarer Strecker 120 vorgesehen, der durch eine Recheneinrichtung 500 angesteuert werden kann. Der ansteuerbare Modulator 300 ist vorzugsweise ein ansteuerbarer räumlicher Lichtmodulator (Spatial Light Modulator - SML), bevorzugt ausgestaltet als LCD. Alternativ kann der ansteuerbare Modulator 300 auch ein akustooptischer Modulator oder ein elektrooptischer Modulator sein. Auch hier - analog zu 1 - muss nicht überall, wo ein solcher Modulator 300 gestrichelt eingezeichnet ist, auch tatsächlich ein solches Element vorgesehen sein, vielmehr bezeichnen die gestrichelt dargestellten Positionen solche Stellen innerhalb der Vorrichtung, an denen ein solcher Modulator 300 angeordnet sein kann. Anstelle eines solchen Lichtmodulators 300 oder zusätzlich zu einem solchen Modulator 300 kann auch ein ansteuerbarer Strecker 120 zum zeitlichen Strecken des ultrakurzen Laserpulses verwendet werden. Insofern ist hier auch der Strecker 120 mit der Recheneinrichtung 500 zu seiner Ansteuerung wirkverbunden. Es ist also eine Ausgestaltung möglich, bei welcher nur der Strecker 120 ansteuerbar eingerichtet ist, wobei darüber hinaus kein Modulator 300 vorgesehen ist. Weiterhin ist eine Ausgestaltung möglich, bei der der Strecker 120 nicht ansteuerbar ausgebildet ist, und genau ein Modulator 300 vorgesehen ist, insbesondere an einer der hier bezeichneten Stellen. Es ist aber auch möglich, dass eine Mehrzahl von Lichtmodulatoren 300 vorgesehen sind, wobei der Strecker 120 nicht ansteuerbar ausgebildet ist. Schließlich ist auch eine Kombination eines ansteuerbares Streckers 120 mit wenigstens einem Modulator 300, insbesondere auch mit einer Mehrzahl von Modulatoren 300, möglich.
Allgemein wird das Verstärkungssystem 100 bevorzugt ausgelegt, indem der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag für den verstärkten ultrakurzen Laserpuls ermittelt wird, wobei wenigstens ein Kompensationselement 130 - was auch ein entsprechender angepasster Strecker 120 sein kann, bereitgestellt wird, das eingerichtet ist, um den ermittelten Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag zu kompensieren.
Der sich in dem Verstärkungssystem 100 ergebende Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag wird bevorzugt durch Phasenmessung bestimmt, insbesondere durch frequenzaufgelöste optische Verknüpfung, und/oder aus einer spektrometrischen Messung oder zeitlichen Messung berechnet, und/oder durch Simulation, insbesondere numerische Simulation, ermittelt, insbesondere berechnet.
Das Kompensationselement 130 wird insbesondere ausgelegt, indem wenigstens ein zusätzlicher Phasenbeitrag für den Laserpuls, und/oder ein Spektrum des Laserpulses, dynamisch, insbesondere mittels des wenigstens einen ansteuerbaren Modulators 300 und/oder des ansteuerbaren Streckers 120, eingestellt wird. Dabei wird wenigstens eine Messgröße an dem verstärkten ultrakurzen Laserpuls gemessen. Dies wird unter Veränderung des zusätzlichen Phasenbeitrags und/oder des Spektrums des Laserpulses - gegebenenfalls mehrfach - wiederholt, wobei die wenigstens eine Messgröße in Abhängigkeit von dem ein zusätzlichen Phasenbeitrag für den Laserpuls und/oder in Abhängigkeit von dem Spektrum des Laserpulses optimiert wird. Dabei erfolgt bevorzugt die Ermittlung der wenigstens einen Messgröße wie auch die Ansteuerung des ansteuerbaren Modulators 300 und/oder des ansteuerbaren Streckers 120, mithin also die Einstellung des zusätzlichen Phasenbeitrags, durch die Recheneinrichtung 500. Ebenso wird die Optimierung bevorzugt durch die Recheneinrichtung 500 durchgeführt. Unter einem Optimum der wenigstens einen Messgröße wird insbesondere verstanden, dass das entsprechende Strehl-Verhältnis des verstärkten ultrakurzen Laserpulses zumindest um weniger als 5 % kleiner ist als ohne den Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag. Diese Ermittlung des Optimums kann auch in nur einer Iteration erfolgen wie dies beispielsweise bei der FROG-Messung möglich ist.
Auf diese Weise wird schließlich eine Einstellung für den ansteuerbaren Modulator 300 und/oder den ansteuerbaren Strecker 120 ermittelt, bei welcher die wenigstens eine Messgröße optimal ist. Dies entspricht dann der gesuchten optischen Ausgestaltung für das Kompensationselement 130, die auf diese Weise ermittelt wird.
Schließlich wird dann das Kompensationselement 130 bevorzugt bereitgestellt, indem die so ermittelte optische Ausgestaltung für das Kompensationselement 130 auf eine dauerhafte optische Struktur übertragen wird. Beispielsweise kann diese in einem entsprechend ausgestalteten spektralen Filter, einem Volumengitter oder auch dem Strecker 120 manifestiert werden, insbesondere statisch eingeschrieben werden; oder ein variabel ansteuerbarer Strecker, oder ein optischer Modulator, insbesondere elektrooptischer Modulator oder akustooptischer Modulator, kann entsprechend angesteuert werden.

Claims

Verfahren zum Verstärken eines ultrakurzen Laserpulses, mit folgenden Schritten: a) zeitliches Strecken eines ultrakurzen Laserpulses und Erhalten eines zeitlich gestreckten Laserpulses; b) Verstärken des zeitlich gestreckten Laserpulses und Erhalten eines verstärkten zeitlich gestreckten Laserpulses; c) Komprimieren des verstärkten zeitlich gestreckten Laserpulses und Erhalten eines verstärkten ultrakurzen Laserpulses, wobei ein Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag des Laserpulses, der als Änderung der nichtlinearen Phase aufgrund einer Verstärkungsdynamik in Schritt b) resultiert, kompensiert wird, indem d) dem Laserpuls vor dem Schritt c) ein zusätzlicher Phasenbeitrag derart vermittelt wird, und/oder indem e) ein Spektrum des Laserpulses vor dem Schritt b) so verändert wird, dass der Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag nach dem Schritt c) kompensiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schritt, ausgewählt aus den Schritten d) und e), - beim Strecken des ultrakurzen Laserpulses gemäß Schritt a), und/oder - vor dem Strecken des ultrakurzen Laserpulses gemäß Schritt a), und/oder - nach dem Strecken des ultrakurzen Laserpulses gemäß Schritt a) und vor dem Verstärken des zeitlich gestreckten Laserpulses gemäß Schritt b), und/oder - beim Verstärken des zeitlich gestreckten Laserpulses gemäß Schritt b) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt d) durchgeführt wird, indem in Schritt a) ein Strecker (120) zum Strecken des ultrakurzen Laserpulses verwendet wird, dem ein geeignet angepasster Laufzeitverlauf in Abhängigkeit der Wellenlänge für den ultrakurzen Laserpuls eingeschrieben oder aufgeprägt ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der geeignet angepasste Laufzeitverlauf in Abhängigkeit der Wellenlänge dem Strecker (120) statisch eingeschrieben ist oder dynamisch aufgeprägt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt e) durchgeführt wird, indem - ein Strecker (120) in Schritt a) zum Strecken des ultrakurzen Laserpulses verwendet wird, dem ein spektraler Filter eingeschrieben oder aufgeprägt ist, und/oder - der ultrakurze Laserpuls über ein spektraler Filter vor oder hinter dem Strecker (120) gefiltert wird, und/oder - der ultrakurze Laserpuls vor oder hinter dem Strecker (120) durch eine Faser (110) geführt wird, welcher ein spektraler Filter eingeschrieben ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) mindestens 30 % der in einem Verstärker, mittels dem der zeitlich gestreckte Laserpuls verstärkt wird, gespeicherten Energie abgerufen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein B-Integral für den Laserpuls nach der Verstärkung in Schritt b) größer als 3 rad ist.
Verfahren zum Auslegen eines Verstärkungssystems (100) zum Verstärken eines ultrakurzen Laserpulses, mit folgenden Schritten: - Ermitteln eines Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrags, der sich in dem Verstärkungssystem (100) für einen das Verstärkungssystem (100) durchlaufenden ultrakurzen Laserpuls als Änderung der nichtlinearen Phase aufgrund einer Verstärkungs-Dynamik des Verstärkungssystems (100) ergibt, und - Bereitstellen wenigstens eines Kompensationselements (130), das eingerichtet ist, um den ermittelten Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag zu kompensieren, insbesondere durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der sich in dem Verstärkungssystem (100) ergebende Verstärkungsdynamik-Phasenbeitrag - durch Phasenmessung bestimmt, und/oder - aus einer spektrometrischen Messung berechnet, und/oder - aus einer zeitlichen Messung berechnet, und/oder - durch Simulation ermittelt, insbesondere berechnet, wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (130) ausgelegt wird, indem f) wenigstens ein zusätzlicher Phasenbeitrag für den Laserpuls und/oder ein Spektrum des Laserpulses dynamisch, insbesondere mittels eines ansteuerbaren räumlichen Lichtmodulators (300) und/oder eines ansteuerbaren Streckers (120), eingestellt wird, wobei wenigstens eine Messgröße an dem verstärkten ultrakurzen Laserpuls ermittelt wird, wobei g) Schritt f) unter Veränderung des zusätzlichen Phasenbeitrags und/oder des Spektrums des Laserpulses wiederholt wird, wobei die wenigstens eine Messgröße in Abhängigkeit von dem zusätzlichen Phasenbeitrag für den Laserpuls und/oder dem Spektrum des Laserpulses optimiert wird, wobei h) eine optische Ausgestaltung für das Kompensationselement (130) durch Optimierung der wenigstens einen Messgröße in dem Schritt g) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (130) bereitgestellt wird, indem die in Schritt h) ermittelte optische Ausgestaltung für das Kompensationselement (130) auf eine dauerhafte optische Struktur übertragen wird.