DE102021207626A1 - Gepulste Laserlichtquelle und Verfahren zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften - Google Patents

Gepulste Laserlichtquelle und Verfahren zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften Download PDF

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Abstract

Eine erfindungsgemäße gepulste Laserlichtquelle (1) zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls (2) mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls (2) an einen vorgegebenen Ort (3), umfasst einen Ultrakurzpulslaser (4) zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls (5), eine gasgefüllte optische Hohlfaser (6), in die der gepulste Laserstrahl (5) einenends eingekoppelt wird und die derart ausgebildet ist, dass die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls (5) bei der Propagation durch die gasgefüllte optische Hohlfaser (6) über nichtlineare optische Effekte spektral verbreitert werden, eine Modulationseinrichtung (7) zur Modulation der spektralen Phase und/oder der spektralen Amplitude des anderenends aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser (6) ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahls (9), und eine optische Transportfaser (8), in die der modulierte Laserstrahl (13) einenends eingekoppelt und anderenends am vorgegebenen Ort (3) als gepulster Ausgangslaserstrahl (2) ausgekoppelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine gepulste Laserlichtquelle sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls an einen vorgegebenen Ort.
  • Zahlreiche Anwendungen in der Chemie, Physik und den Lebenswissenschaften, einschließlich der Biotechnologie, Medizin und Pharmazie, benötigen gepulste Laserstrahlung mit einer über einen breiten Spektralbereich durchstimmbaren Wellenlänge und mit hohen spektralen Intensitäten. Bei spektroskopischen Anwendungen ist regelmäßig eine Einstellbarkeit der Bandbreite und Zentralwellenlänge der Laserpulse und gegebenenfalls des Verlaufs der spektralen Intensitäten, teilweise auch in schnellem zeitlichen Wechsel, erforderlich. Bei Anwendungen in der nichtlinearen Bildgebung ist neben der Zentralwellenlänge und Bandbreite der Laserpulse auch die Pulsdauer einzustellen. Bei fortgeschrittenen spektroskopischen Anwendungen, beispielsweise der zweidimensionalen Fourier-Transformation-Infrarotspektroskopie, ist auch die zeitliche Abfolge von Laserpulsen mit unterschiedlichen Spektren relevant.
  • Aus WO 2007/145702 A2 ist bereits ein Lasermaterialbearbeitungssystem bekannt, bei dem Laserpulse einen Puls-Shaper durchlaufen und dann in einem hohlen Wellenleiter geführt werden, um die Bandbreite der Pulse zu verbreitern.
  • Aus WO 2018/218031 A1 ist ein über einen weiten Spektralbereich durchstimmbares Lasersystem mit zwei Lasern und einer Cross-Phase-Modulation bekannt.
  • Aus WO 2011/151209 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen bekannt, deren Eigenschaften (Amplitude, Phase, Polarisation) mithilfe eines Puls-Shapers und eines Regelkreises eingestellt werden können.
  • Aus EP 2 802 043 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen/Solitonen bekannt, wobei Laserpulse eines Pumplasers durch nichtlineare optische Effekte in einem Wellenleiter spektral verändert werden.
  • Aus WO 2018/127266A1 sind eine breitbandige Lichtquelle und ein Verfahren zur spektralen Verbreiterung von Laserpulsen über nichtlineare Effekte in gasgefüllten optischen Hohlfaser (Kagome, Revolver) bekannt.
  • EP 2 942 847 A1 offenbart ein Verfahren zum spektralen Verbreitern von Laserpulsen mittels eines hohlen optischen Wellenleiters, der ein Raman-aktives Pulsführungsmedium aufweist.
  • Aus WO 2017/160653 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zur Pulsformung mittels eines spektralen Shapers bekannt.
  • DE 102 03 864 A1 offenbart ein Verfahren zur Amplituden- und/oder Phasenmodulation breitbandiger Laserpulse bekannt. Durch Strahlteilung erfolgt eine Transformation der im Laserstrahl enthaltenen Spektralanteile in mehrere örtlich getrennte Fourierebenen. Dort werden die Spektralanteile in ihren Eigenschaften jeweils unabhängig voneinander beeinflusst und anschließend wieder zu einem gemeinsamen Laserstrahl vereinigt.
  • US 7,576,907 B1 offenbart die gleichzeitige Amplituden- und Phasenregelung von ultrakurzen Laserpulsen mittels eines räumlichen Lichtmodulators in Form eines linearen Flüssigkristalls.
  • DE 10 2011 012 768 B4 offenbart weiter ein Lasersystem mit einem Pulsformer, der eine unerwünschte Verzerrung in einem Laserpuls durch Vergleichen detektierter Phasenwerte, die den Übertragungen der spektralen Referenz- und abgetasteter Abschnitte zugeordnet sind, zu messen und zu korrigieren.
  • WO 2015/130651 A1 offenbart schließlich ein Verfahren zum Erzeugen von ultrakurzen Laserpulsen mit mehrfachen Wellenlängen für die Multi-Photonen-Mikroskopie.
  • Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine möglichst universelle gepulste Laserlichtquelle zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls an einen vorgegebenen Ort anzugeben und ein zugehöriges Verfahren bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine gepulste Laserlichtquelle zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls an einen vorgegebenen Ort, aufweisend einen Ultrakurzpulslaser zum Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls, eine gasgefüllte optische Hohlfaser, in die der gepulste Laserstrahl einenends eingekoppelt wird und die derart ausgebildet ist, dass die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls bei der Propagation durch die gasgefüllte optische Hohlfaser über nichtlineare optische Effekte spektral verbreitert werden, eine Modulationseinrichtung zur Modulation der spektralen Phase und/oder der spektralen Amplitude des anderenends aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahls, und eine optische Transportfaser, in die der modulierte Laserstrahl einenends eingekoppelt und anderenends am vorgegebenen Ort als gepulster Ausgangslaserstrahl ausgekoppelt wird.
  • Ultrakurzpulslaser sind Laser, die Laserlicht in Form von Laserpulsen mit Pulsdauern im Piko- oder Femtosekundenbereich oder darunter emittieren. Beispiele für Ultrakurzpulslaser sind modengekoppelte Faserlaser oder Hybridlaser, bei welchen ein modengekoppelter Faserlaser in Kombination mit einem Festkörperverstärker zum Einsatz kommt.
  • Optische Hohlfasern sind optische Fasern, die sich durch einen hohlen Faserkern auszeichnen. Beispiele für optische Hohlfasern sind Photonischer-Kristall Fasern, bei welchen der Mechanismus der Lichtleitung auf einer photonischen Bandlücke beruht, Revolver-Hohlfasern und Kagome-Fasern. Bei der Propagation der Laserpulse des gepulsten Laserstrahls durch die gasgefüllte optische Hohlfaser kommt es durch nichtlineare optische Effekte zu einer spektralen Verbreiterung. Die nichtlinearen optischen Effekte umfassen den Kerr-Effekt, der zu einer Selbstphasenmodulation führt, sowie die stimulierte Raman-Streuung. Für die spektrale Verbreiterung spielen außerdem die Dispersionseigenschaften der gasgefüllten optischen Hohlfaser eine wesentliche Rolle.
  • Zweck der spektralen Verbreiterung ist es, die Laserpulse der gepulsten Laserlichtquelle so zu verändern, dass nachfolgend ihre Eigenschaften weitgehend frei einstellbar sind oder bestimmte Spektren, die für die jeweilige Anwendung besonders interessant sind, wie beispielweise einen Frequenzkamm, zu erzeugen. Zum Beispiel sind ausgehend von den Laserpulsen der gepulsten Laserlichtquelle, die eine bestimmte Zentralwellenlänge aufweisen, nach der spektralen Verbreiterung Laserpulse mit einer aus einem großen Wellenlängenbereich selektierbaren Zentralwellenlänge erzeugbar.
  • Vorteile der Verwendung von gasgefüllten optischen Hohlfasern liegen unter anderem darin, dass durch den Einschluss auf einen kleinen Strahlquerschnitt und relativ lange Propagationslängen relativ geringe Teilchendichten für die Anregung der nichtlinearen optischen Effekte ausreichen. Durch die Wahl der eingesetzten Gase (z.B. atomar Ne, Ar, Kr, Xe oder molekular H2, N2, N2O, C2H2F4, C2H4F2) oder Gasgemische (insbesondere aus einem oder mehreren der genannten Gase), den Gasdruck und die Parameter der gepulsten Laserlichtquelle kann außerdem eine Vielzahl von Spektren kontrolliert erzeugt werden. Im Vergleich zu Festkörpern, die seit langem als nichtlinear-optische Medien eingesetzt werden, ist in gasgefüllten optischen Hohlfasern die unerwünschte Absorption deutlich reduziert, und die Zerstörungsschwellen liegen wesentlich höher.
  • Über die Modulationseinrichtung ist die spektrale Phase und/oder die spektrale Amplitude des aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahls modulierbar. Damit können die Eigenschaften der Laserpulse für jeden Laserpuls einzeln eingestellt werden. Diese Eigenschaften umfassen die Pulsdauer, die Pulsform und die Zentralwellenlänge der Laserpulse. Über eine geeignete Einstellung der Pulseigenschaften kann zum Beispiel eine Pulsverbreiterung durch Dispersion aufgrund einer Propagation des gepulsten Ausgangslaserstrahls durch ein oder mehrere optische Elemente, beispielsweise durch ein Mikroskop, vorkompensiert werden.
  • Die Zuführung an den vorgegebenen Ort, an welchem der gepulste Ausgangslaserstrahl eingesetzt wird, beispielsweise ein optischer Messaufbau oder ein Mikroskop, über die optische Transportfaser führt zu einer besonders hohen Flexibilität in der Anwendung und einer Zeit- und Kostenersparnis und eröffnet neue Einsatzmöglichkeiten. Verglichen mit der Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls über ein oder mehrere Spiegel, beispielsweise dielektrische Spiegel, wie derzeit üblich, kann auf einen komplexen Aufbau und eine aufwendige Justage des Strahlengangs verzichtet werden. Der Einsatz des gepulsten Ausgangslaserstrahls in Anwendungen, in denen die Zugänglichkeit stark eingeschränkt ist, beispielsweise der Einsatz an lebenden Tieren oder in großen Anlagen in industrieller Umgebung, wird damit erst ermöglicht.
  • Die erfindungsgemäße gepulste Laserlichtquelle kann beispielsweise für die Multiphotonen-Spektroskopie oder für die auf kohärenter Anti-Stokes-Raman-Streuung basierende Laserspektroskopie eingesetzt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die gasgefüllte optische Hohlfaser eine gasgefüllte Kagome-Faser. Kagome-Fasern sind spezielle optische Hohlfasern, die in ihrem Querschnitt eine Kagome-Struktur aufweisen. Der Einsatz von Kagome-Fasern ist besonders vorteilhaft, da diese das Laserlicht besonders gut im Hohlkern konzentrieren und damit besonders hohe Laserleistungen zulassen.
  • Bevorzugt ist die gasgefüllte optische Hohlfaser ausgebildet, die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls spektral zu einem Superkontinuum zu verbreitern. Je ausgeprägter die spektrale Verbreiterung ist, desto größer sind die Einstellmöglichkeiten der Eigenschaften der Laserpulse des Ausgangslaserstrahls. Eine spektrale Verbreiterung zu einem Superkontinuum ist daher besonders vorteilhaft.
  • Weiter bevorzugt ist die gasgefüllte optische Hohlfaser ausgebildet, die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls spektral zu einem Raman-Kamm zu verbreitern. Über stimulierte Raman-Streuung in der gasgefüllten optischen Hohlfaser kann beispielsweise auch ein Raman-Kamm erzeugt werden. Mittels einer Variation der Pulsdauer der Laserpulse des gepulsten Laserstrahls ist auch ein flexibles, kontinuierliches Umschalten zwischen einem Superkontinuum und einem Raman-Kamm möglich. Raman-Kämme finden insbesondere in der Spektroskopie Anwendung.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die gasgefüllte optische Hohlfaser mit einem Gas aus einer ersten Gruppe, umfassend: Ne, Ar, Kr, Xe, oder einem Gas aus einer zweiten Gruppe, umfassend: H2, N2, N2O, C2H2F4, C2H4F2, oder mit einer Gasmischung, umfassend zwei oder mehrere der Gase aus der ersten und/oder der zweiten Gruppe, gefüllt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Modulationseinrichtung ein oder zwei dispersive optische Elemente und eine Einrichtung zur ortsabhängigen Phasen- und/oder Amplitudenmodulation auf. Für die Modulation der spektralen Phase und/oder der spektralen Amplitude ist es zweckmäßig, die verschiedenen Wellenlängenkomponenten des gepulsten Laserstrahls zunächst mittels eines dispersiven optischen Elements räumlich aufzutrennen, den einzelnen Wellenlängenkomponenten dann mittels einer Einrichtung zur ortsabhängigen Phasen- und/oder Amplitudenmodulation jeweils die gewünschte spektrale Phase und/oder spektrale Phase aufzuprägen und schließlich die verschiedenen Wellenlängenkomponenten mittels desselben oder eines zweiten dispersiven optischen Elements wieder zusammenzuführen. Die dispersiven optischen Elemente sind beispielsweise Prismen. Die Aufteilung beziehungsweise Zusammenführung der verschiedenen Wellenlängenkomponenten ergibt sich in diesem Fall aus der Wellenlängenabhängigkeit der Brechungswinkel, welche eine Konsequenz der Wellenlängenabhängigkeit der Brechungsindices der Prismen ist.
  • In einer alternativen Weiterbildung dieser Ausführungsform ist das dispersive optische Element ein Beugungsgitter oder sind beide dispersive optische Elemente Beugungsgitter. Die dispersiven optische Elemente können auch Beugungsgitter sein. Die Aufteilung beziehungsweise Zusammenführung der verschiedenen Wellenlängenkomponenten ergibt sich in diesem Fall aus der Wellenlängenabhängigkeit der zur Beugung führenden Interferenzeffekte. Es können auch Beugungsgitter, bei welchen das Licht nahezu vollständig in eine bestimmte Beugungsordnung gebeugt wird, beispielsweise Blazegitter, eingesetzt werden.
  • Die Einrichtung zur Einrichtung zur ortsabhängigen Phasen- und/oder Amplitudenmodulation basiert beispielsweise auf einem räumlichen Lichtmodulator, gemeinhin als SLM bezeichnet. Räumliche Lichtmodulatoren weisen häufig eine dünne Flüssigkristallschicht auf. Die ortsabhängige Phasen- und/oder Amplitudenmodulation wird in diesem Fall über die einstellbare Ausrichtung der Flüssigkristalle in einem Pixelarray erzielt. Vorzugsweise weist die Einrichtung zur ortsabhängigen Phasen- und/oder Amplitudenmodulation ein Liquid-Crystal-on-Silicon Element auf. Liquid-Crystal-on-Silicon Elemente sind spezielle räumliche Lichtmodulatoren, die für die Benutzung in Reflexion gebaut sind. Diese Bauweise hat gegenüber anderen räumlichen Lichtmodulatoren den Vorteil, dass die Platzierung von Leiterbahnen im Strahlengang vermieden werden kann. Bei Liquid-Crystal-on-Silicon Elementen ist eine dünne Flüssigkristallschicht auf ein Siliziumsubstrat aufgebracht. Die Flüssigkristallschicht dient zur Modulation des reflektierten Lichts, während auf dem Siliziumsubstrat in CMOS-Technologie eine Ansteuerungselektronik realisiert ist. In einem Pixel-Array kann nun ein elektrisches Feld in der Flüssigkristallschicht eingestellt werden. Damit kann die Ausrichtung der Flüssigkristalle in der Flüssigkristallschicht und damit die Phasendifferenz des reflektierten Lichts für jedes Pixel unabhängig kontrolliert werden.
  • Für eine weitgehende Freiheit bei der Einstellung der Eigenschaften der Laserpulse des Ausgangslaserstrahls, insbesondere für die gleichzeitige Einstellung von Pulsdauer, Pulsform und Zentralwellenlänge der Laserpulse, ist die gleichzeitige und unabhängige Modulation von spektraler Phase und spektraler Amplitude notwendig. Eine solche wird beispielsweise durch die Verwendung eines Liquid-Crystal-on-Silicon Elements mit einem zweidimensionalen Pixelarray in Kombination mit der Einkopplung des vom Liquid-Crystal-on-Silicon Element reflektierten Lichts in eine optische Faser, beispielsweise die optische Transportfaser, erreicht. Eine Achse des zweidimensionalen Pixelarrays ist entlang der räumlichen Aufspaltungsrichtung der verschiedenen Wellenlängenkomponenten ausgerichtet. Die spektrale Phase ist über die Einstellung einer Phasendifferenz entlang dieser Achse modulierbar. Zusätzlich kann jetzt über das Liquid-Crystal-on-Silicon Element wellenlängenabhängig die Einkoppeleffizienz in die optische Transportfaser eingestellt und damit die spektrale Amplitude moduliert werden.
  • Wesentliche Vorteile des Einsatzes einer optischen Hohlfaser als Transportfaser liegen in der geringen Absorption über einen großen Spektralbereich, auch im Ultraviolett-, Infrarot- und fernen Infrarotbereich, hohen Zerstörungsschwellen, der schwachen Ausprägung von nichtlinearen Effekten und der im Vergleich zu konventionellen optischen Fasern schwachen beziehungsweise einstellbaren Dispersion. Vorzugsweise ist die optische Transportfaser eine optische Hohlfaser, bevorzugt eine Kagome-Faser. In einer Weiterbildung treten in der optischen Transportfaser keine oder nur schwache nichtlineare optische Effekte auf, wobei bevorzugt in der optischen Transportfaser ein Vakuum oder ein Druck von weniger als 200 mbar, besonders bevorzugt weniger als 100 mbar, insbesondere weniger als 10 mbar vorherrscht und/oder die optische Transportfaser mit einem Gas mit einer besonders niedrigen Nichtlinearität, insbesondere mit He, oder einer Gasmischung umfassend He gefüllt ist. Der Druck in der optischen Transportfaser ist dann typischerweise geringer als in der gasgefüllten optischen Hohlfaser. Unter schwachen nichtlinearen optischen Effekten werden insbesondere solche verstanden, die zu einer Verlängerung der Pulsdauer von weniger als 50 fs oder einem B-Integral von weniger als 0,1 rad führen.
  • Die oben genannte Aufgabe wird in einem weiteren Aspekt der Erfindung auch gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen eines gepulsten Ausgangslaserstrahls mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls an einen vorgegebenen Ort, das folgende Verfahrensschritte umfasst: Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls, Einkoppeln des gepulsten Laserstrahls in eine gasgefüllte optische Hohlfaser, in der die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls über nichtlineare optische Effekte spektral verbreitert werden, Modulieren der spektralen Phase und/oder der spektralen Amplitude des aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahls und Einkoppeln des modulierten Laserstrahls in eine optische Faser und Auskoppeln des modulierten Laserstrahls als gepulster Ausgangslaserstrahl am vorgegebenen Ort.
  • Vorzugsweise wird die spektrale Phase und/oder die spektrale Amplitude des ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahls mittels des zweidimensionalen Pixelarrays eines Liquid-Crystal-on-Silicon Elements eingestellt, das dem ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahl für jedes Pixel einzeln eine gewünschte Phase und/oder Amplitude aufprägt.
  • Die mit dem Verfahren erzielten Vorteile ergeben sich analog zu den oben aufgeführten Vorteilen der gepulsten Laserlichtquelle.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer gepulsten Laserlichtquelle zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls an einen vorgegebenen Ort.
  • 1 zeigt eine gepulste Laserlichtquelle 1 zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls 2 mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls 2 an einen vorgegebenen Ort 3. Die gepulste Laserlichtquelle 1 weist einen Ultrakurzpulslaser 4 zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls 5, eine gasgefüllte optische Hohlfaser 6, eine Modulationseinrichtung 7 und eine optische Transportfaser 8 auf. Der gepulste Laserstrahl 5 wird einenends in die gasgefüllte optische Hohlfaser 6 eingekoppelt und propagiert durch diese. Die gasgefüllte optische Hohlfaser 6 ist so ausgebildet, dass bei der Propagation die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls 5 an dem Gas der gasgefüllten optischen Hohlfaser 6 über nichtlineare optische Effekte spektral verbreitert werden. Die spektrale Phase und/oder die spektrale Amplitude des anderenends aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser 6 ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahls 9 werden mittels der Modulationseinrichtung 7 moduliert.
  • Die gezeigte Modulationseinrichtung 7 weist ein optisches Element 10 in Form eines dispersiven Beugungsgitters, einen zylindrischen Spiegel 11 und ein Liquid-Crystal-on-Silicon Element 12 mit einem zweidimensionalen Pixelarray auf. Der aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser 6 ausgekoppelte, gepulste Laserstrahl 9 trifft über den zylindrischen Spiegel 11 auf das Beugungsgitter 10 und wird in seine unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten 9', 9" aufgespaltet. Die Zylinderachse des zylindrischen Spiegels 11 steht senkrecht zur Aufspaltungsrichtung der unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten 9`, 9". Die unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten 9`, 9" treffen über den zylindrischen Spiegel 11 auf das Liquid-Crystal-on-Silicon Element 12, mit dem ihnen eine für jedes Pixel einzeln einstellbare, gewünschte Phasendifferenz aufgeprägt wird, und werden daran reflektiert.
  • Die so modulierten Wellenlängenkomponenten 13', 13" treffen nun über den zylindrischen Spiegel 11 erneut auf das Beugungsgitter 10 und werden zum modulierten Laserstrahl 13 zusammengeführt. Der modulierte Laserstrahl 13 wird über den zylindrischen Spiegel 11 in die optische Transportfaser 8 eingekoppelt. Eine Achse des zweidimensionalen Pixelarrays des Liquid-Crystal-on-Silicon Elements 12 ist entlang der räumlichen Aufspaltungsrichtung der unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten 9`, 9" ausgerichtet. Die spektrale Phase ist über die Einstellung der Phasendifferenz entlang dieser Achse modulierbar. Zusätzlich ist über die mit dem Liquid-Crystal-on-Silicon Element 12 aufgeprägte, für jedes Pixel einzeln einstellbare Phasendifferenz wellenlängenabhängig die Einkoppeleffizienz in die optische Transportfaser 8 einstellbar und damit die spektrale Amplitude modulierbar und kann wie gewünscht eingestellt werden.
  • Der einenends in die optische Transportfaser 8 eingekoppelte modulierte Laserstrahl 13 wird anderenends am vorgegebenen Ort 3 als gepulster Ausgangslaserstrahl 2 ausgekoppelt. Streng genommen ist im gezeigten Ausführungsbeispiel die Apertur der optischen Transportfaser 8 Teil der Modulationseinrichtung 7; die spektrale Amplitude des Laserstrahls ist erst dann moduliert, wenn er bereits in die optische Transportfaser 8 eingekoppelt ist.
  • Die erfindungsgemäße gepulste Laserlichtquelle 1 kann beispielsweise für die Multiphotonen-Spektroskopie oder für die auf kohärenter Anti-Stokes-Raman-Streuung basierende Laserspektroskopie eingesetzt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2007145702 A2 [0003]
    • WO 2018218031 A1 [0004]
    • WO 2011151209 A1 [0005]
    • EP 2802043 A1 [0006]
    • WO 2018127266 A1 [0007]
    • EP 2942847 A1 [0008]
    • WO 2017160653 A1 [0009]
    • DE 10203864 A1 [0010]
    • US 7576907 B1 [0011]
    • DE 102011012768 B4 [0012]
    • WO 2015130651 A1 [0013]

Claims (12)

  1. Gepulste Laserlichtquelle (1) zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls (2) mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls (2) an einen vorgegebenen Ort (3), aufweisend - einen Ultrakurzpulslaser (4) zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls (5), - eine gasgefüllte optische Hohlfaser (6), in die der gepulste Laserstrahl (5) einenends eingekoppelt wird und die derart ausgebildet ist, dass die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls (5) bei der Propagation durch die gasgefüllte optische Hohlfaser (6) über nichtlineare optische Effekte spektral verbreitert werden, - eine Modulationseinrichtung (7) zur Modulation der spektralen Phase und/oder der spektralen Amplitude des anderenends aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser (6) ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahls (9), und - eine optische Transportfaser (8), in die der modulierte Laserstrahl (13) einenends eingekoppelt und anderenends am vorgegebenen Ort (3) als gepulster Ausgangslaserstrahl (2) ausgekoppelt wird.
  2. Gepulste Laserlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gasgefüllte optische Hohlfaser (6) eine gasgefüllte Kagome-Faser ist.
  3. Gepulste Laserlichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gasgefüllte optische Hohlfaser (6) ausgebildet ist, die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls (5) spektral zu einem Superkontinuum zu verbreitern.
  4. Gepulste Laserlichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gasgefüllte optische Hohlfaser (6) ausgebildet ist, die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls (5) spektral zu einem Raman-Kamm zu verbreitern.
  5. Gepulste Laserlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gasgefüllte optische Hohlfaser (6) mit einem Gas aus einer ersten Gruppe, umfassend: Ne, Ar, Kr, Xe, oder einem Gas aus einer zweiten Gruppe, umfassend: H2, N2, N2O, C2H2F4, C2H4F2, oder mit einer Gasmischung, umfassend zwei oder mehrere der Gase aus der ersten und/oder der zweiten Gruppe, gefüllt ist.
  6. Gepulste Laserlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinrichtung (7) ein oder zwei dispersive optische Elemente (10) und eine Einrichtung (12) zur ortsabhängigen Phasen- und/oder Amplitudenmodulation aufweist.
  7. Gepulste Laserlichtquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das eine dispersive optische Element (10) ein Beugungsgitter ist oder die beiden dispersiven optischen Elemente (10) Beugungsgitter sind.
  8. Gepulste Laserlichtquelle nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur ortsabhängigen Phasen- und/oder Amplitudenmodulation ein Liquid-Crystal-on-Silicon Element (12) aufweist.
  9. Gepulste Laserlichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Transportfaser (8) eine optische Hohlfaser, bevorzugt eine Kagome-Faser, ist.
  10. Gepulste Laserlichtquelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der optischen Transportfaser (8) keine oder nur schwache nichtlineare optische Effekte auftreten, wobei bevorzugt in der optischen Transportfaser (8) ein Vakuum oder ein Druck von weniger als 200 mbar, besonders bevorzugt weniger als 100 mbar, insbesondere weniger als 10 mbar, vorherrscht und/oder die optische Transportfaser (8) mit einem Gas mit einer besonders niedrigen Nichtlinearität, insbesondere mit He oder einer Gasmischung umfassend He, gefüllt ist.
  11. Verfahren zum Erzeugen eines gepulsten Ausgangslaserstrahls (2) mit Laserpulsen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Zuführung des gepulsten Ausgangslaserstrahls (2) an einen vorgegebenen Ort (3), mit folgenden Verfahrensschritten: - Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls (5), - Einkoppeln des gepulsten Laserstrahls (5) in eine gasgefüllte optische Hohlfaser (6), in der die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls (5) über nichtlineare optische Effekte spektral verbreitert werden, - Modulieren der spektralen Phase und/oder der spektralen Amplitude des aus der gasgefüllten optischen Hohlfaser (6) ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahls (9), und - Einkoppeln des modulierten Laserstrahls (13) in eine optische Transportfaser (8) und Auskoppeln des modulierten Laserstrahls (13) als gepulster Ausgangslaserstrahl (2) am vorgegebenen Ort (3).
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Phase und/oder die spektrale Amplitude des ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahls (9) mittels des zweidimensionalen Pixelarrays eines Liquid-Crystal-on-Silicon Elements (12) eingestellt wird, indem dem ausgekoppelten, gepulsten Laserstrahl (9) für jedes Pixel einzeln eine gewünschte Phasen und/oder Amplitude eingestellt wird.
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