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Die Erfindung betrifft ein Lasersystem
zur Erzeugung von Laserpulsen, umfassend einen Seed-Laser und einen
regenerativen Verstärker,
in welchem ein aus einem Seed-Laserpuls des Seed-Lasers erzeugter
Verstärkerlaserpuls
durch mehrfache Umläufe
verstärkbar
ist, wobei der regenerative Verstärker einen Resonator und ein
in im Resonator angeordnetes steuerbares Kopplungselement sowie
eine im Resonator angeordnete Festkörperscheibe mit laseraktivem
Medium umfaßt.
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Bei derartigen Lasersystemen besteht
das Problem, daß aufgrund
von Komponenten mit positiver Dispersion Seed-Laserpulse im Pikosekunden- oder
Subpikosekundenbereich nicht zu ausgekoppelten Laserpulsen im Pikosekunden- oder Subpikosekundenbereich
führen,
sondern aufgrund der pulsdauervergrößernden positiven Dispersion
der Komponenten die aus dem regenerativen Verstärker ausgekoppelten Laserpulse
Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden und gegebenenfalls mehr aufweisen, die
nur durch ein zusätzliches
Element mit starker negativer Dispersion in den Pikosekunden- oder
Subpikosekundenbereich zurückgeführt werden
können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Lasersystem der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern,
daß ausgekoppelte
Laserpulse im Pikosekunden- oder Subpikosekundenbereich möglichst
einfach erzeugbar sind.
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Diese Aufgabe wird bei einem Lasersystem der
eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erzeugung
von ausgekoppelten Laserpulsen im Bereich von weniger als fünf Pikosekunden
in dem Resonator mindestens ein von dem mehrfach umlaufenden Verstärkerlaserpuls
bei jedem Umlauf durchsetztes Dispersionskompensationselement mit
negativer Dispersion vorgesehen ist, welches einer pulsdauervergrößernden
durch positive Dispersion von Komponenten des regenerativen Verstärkers entgegenwirkt.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist
somit darin zu sehen, daß durch
das mindestens eine unmittelbar in dem Resonator vorgesehene Dispersionskompensationselement
bei jedem Umlauf des Verstärkerlaserpulses
eine Kompensation der die pulsdauervergrößernden oder -verlängernden Wirkung
der positiven Dispersion möglich
ist, so daß der
ausgekoppelte Laserpuls selbst bereits im Pikosekunden- oder Subpikosekundenbereich
vorliegt und somit die gewünschte
kurze Pulsdauer hat.
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Selbst wenn bei den bekannten Lösungen eine
nachfolgende Kompensation der Pulsdauervergrößerung des ausgekoppelten Laserpulses
möglich ist,
so ist diese Pulsdauerkompensation hinsichtlich der erforderlichen
optischen Elemente und insbesondere auch der Justierung derselben äußerst aufwendig
und empfindlich.
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Im übrigen besteht bei einer Kompensation der
gesamten, sich im Zuge der Vielzahl der Umläufe des Verstärkerlaserpulses
akkumulierten Pulsdauervergrößerung durch
positive Dispersion das Problem, daß diese von ausgekoppeltem
Laserpuls zu ausgekoppeltem Laserpuls schwanken kann, insbesondere
wenn die Zahl der Umläufe
der einzelnen Laserpulse nicht konstant ist.
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Dagegen besteht bei der erfindungsgemäßen Lösung der
Vorteil, daß die
bei jedem Umlauf eine Pulsdauervergrößerung des Verstärkerlaserpulses
bewirkende positive Dispersion bei dem Umlauf selbst auch kompensiert
werden kann, so daß bei
jedem Umlauf auch der bei diesem Umlauf eintretenden Pulsdauervergrößerung durch
positive Dispersion entgegengewirkt werden kann und somit die erforderliche
negative Dispersion des mindestens einen Dispersionskompensationselements
nicht so groß sein
muß, daß sie die
Summe der bei allen Umläufen aufgetretenen
Pulsdauervergrößerungen
kompensiert, sondern nur so groß sein
muß, daß sie der
bei jedem einzelnen Umlauf auftretenden Pulsdauervergrößerung durch
positive Dispersion des Verstärkerlaserpulses
entgegenwirkt.
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Somit baut sich bei der Vielzahl
von Umläufen
des Verstärkerlaserpulses
in dem regenerativen Verstärker
eine gravierende Pulsdauervergrößerung durch positive
Dispersion gar nicht auf, die dann – selbst wenn sie kompensierbar
ist – auch
nicht mit aufwendigen Maßnahmen
kompensiert werden muß.
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Bislang wurde davon ausgegangen,
daß das erfindungsgemäße Lasersystem
im Bereich von weniger als fünf
Pikosekunden arbeitet. Besonders deutlich treten die Vorteile des
erfindungsgemäßen Systems
dann zu Tage, wenn dieses zur Erzeugung von Laserpulsen im Subpikosekundenbereich
vorgesehen ist, da gerade im Subpikosekundenbereich jede auch geringe
Dispersion bei einer Vielzahl von Umläufen eines zu verstärkenden
Laserpulses im Resonator zu einer zeitlichen Verbreiterung der Laserpulse
führen,
die diese aus dem Subpikosekundenbereich herausführt.
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Besonders günstig ist es bei der erfindungsgemäßen Lösung, wenn
das mindestens eine Dispersionskompensationselement bei jedem Umlauf des
Verstärkerlaserpulses
im Resonator eine positive Dispersion von optischen Resonatorkomponenten
im wesentlichen kompensiert, so daß bei jedem einzelnen Umlauf
eine Pulsdauervergrößerung im
wesentlichen vermieden werden kann und somit die Pulsdauervergrößerung des
ausgekoppelten Laserpulses im wesentlichen unabhängig von der Zahl der Umläufe im Resonator
des regenerativen Verstärkers
ist.
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Damit kann selbst bei einer Variation
der Energie der ausgekoppelten Laserpulse davon ausgegangen werden,
daß diese
im wesentlichen dieselbe Pulsdauer aufweisen.
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Besonders vorteilhaft ist es bei
der erfindungsgemäßen Lösung, wenn
das mindestens eine Dispersionskompensationselement im wesentlichen eine
positive Dispersion des steuerbaren Kopplungselements kompensiert.
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Hinsichtlich der Ausbildung des Dispersionskompensationselements
selbst wurden bislang keine näheren
Angaben gemacht.
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So wäre es beispielsweise denkbar,
als Dispersionskompensationselemente Gitterpaare zu verwenden.
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Insbesondere Gitterpaare haben jedoch hohe
optische Verluste.
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Aus diesem Grund ist es besonders
vorteilhaft, wenn das mindestens eine Dispersionskompensationselement
als Interferometer ausgebildet ist.
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Derartige Interferometer sind vorzugsweise Gires
Tournois Interferometer, die aus der Literatur bekannt sind.
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Besonders günstig ist es, insbesondere
um die notwendige Resonatorlänge
mit günstiger
kompakter Bauweise des Resonators zu erreichen, wenn das mindestens
eine Dispersionskompensationselement in Reflexion arbeitet.
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Alternativ zum Vorsehen eines Interferometers
als Dispersionskompensationselement ist es ebenfalls möglich, ein
Prismenpaar als Dispersionskompensationselement einzusetzen.
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Vorzugsweise ist dabei das Prismenpaar
aus Brewsterprismen gebildet, welche besonders geringe optische
Verluste aufweisen.
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Im Rahmen der Erfindung ist es insbesondere
bei mehreren Dispersionskompensationselementen auch möglich, sowohl
Interferometer als auch Prismenpaare als Dispersionskompensationselemente
in demselben regenerativen Verstärker
einzusetzen.
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Um die Dispersionskompensationselemente möglichst
einfach herstellen und einsetzen zu können, ist vorzugsweise vorgesehen,
daß die
Dispersionskompensationselemente an mehreren Stellen des Strahlungsverlaufs
im Resonator angeordnet sind.
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Dies hat den Vorteil, daß bei der
Herstellung der Dispersionskompensationselemente deren negative
Dispersion nicht exakt auf die im Resonator auftretende positive
Dispersion abgestimmt sein muß, sondern
eine Abstimmung durch die Verwendung mehrerer Dispersionskompensationselemente
mit entweder identischer oder auch unterschiedlicher negativer Dispersion
in Abstimmung auf die positive Dispersion der übrigen Resonatorkomponenten
erreichbar ist.
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Somit ist die Abstimmung beispielsweise durch
Auswahl der Zahl und der entsprechenden negativen Dispersion der
Dispersionskompensationselemente, beispielsweise anstelle üblicher
Reflektoren, einstellbar, wobei die ohnehin im Resonator vorhandenen
Reflektoren, beispielsweise solche ohne Dispersion, gegebenenfalls
durch Reflektoren mit geeigneter negativer Dispersion, die in diesem
Fall dann als Dispersionskompensationselemente wirken, ersetzt werden
können.
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Üblicherweise
ist es bei Lasersystemen zur Erzeugung von Laserpulsen im Pikosekunden-
und Subpikosekundenbereich, insbesondere bei der Erzeugung von Laserpulsen
mit hoher Energie im Subpikosekundenbereich, erforderlich, bereits
vor dem Resonator pulsdauervergrößernde Elemente
mit positiver Dispersion vorzusehen, um hohe Intensitätsmaxima
zu vermeiden, welche zu Beschädigungen der
optischen Komponenten führen
könnten.
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Aufgrund der Verwendung einer gekühlten Festkörperscheibe
lassen sich Durchmesser des Strahlungsfeldes im Resonator realisieren,
welche es erlauben, daß das
Lasersystem im wesentlichen frei von vor dem Resonator angeordneten
zur Pulsdauervergrößerung vorgesehenen
Elementen mit positiver Dispersion ist, so daß die in dem Resonator umlaufenden
Laserverstärkerpulse
ebenfalls Pulsdauern aufweisen, die in der Größenordnung des eingekoppelten
Seed-Laserpulses sind, insbesondere im wesentlichen mit diesem identisch
sind.
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Als steuerbares Kopplungselement
wird insbesondere ein polarisationsdrehendes Kopplungselement, vorzugsweise
eine Pockelszelle vorgesehen.
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Um zu verhindern, daß der ausgekoppelte Laserpuls
auf den Seed-Laser zurückwirkt,
ist vorzugsweise auf den Seed-Laser folgend, insbesondere zwischen
dem Seed-Laser und dem regenerativen Verstärker, ein optischer Isolator
vorgesehen.
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Ferner ist vorzugsweise vorgesehen,
daß zwischen
dem Seed-Laser und dem regenerativen Verstärker eine Modenanpassungseinheit
angeordnet ist, welche es erlaubt, die Mode des Seed-Lasers an die
Mode des regenerativen Verstärkers,
insbesondere des Resonators desselben, anzupassen.
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Um den ausgekoppelten Laserpuls vorteilhaft
auskoppeln zu können
und insbesondere eine Rückwirkung
auf den Seed-Laser weitgehend vermeiden zu können, ist vorzugsweise zwischen
dem Seed-Laser und dem regenerativen Verstärker ein Pulsseparator vorgesehen.
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Ein derartiger Pulsseparator läßt sich
besonders günstig
zwischen der Modenanpassungseinrichtung und dem regenerativen Verstärker anordnen,
so daß der
ausgekoppelte Laserpuls unmittelbar mit der Mode des Verstärkerlaserpulses
im Resonator austritt und nicht mehr über die Modenanpassungseinrichtung
läuft und
in dieser eine Veränderung
erfährt.
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Vorzugsweise ist bei dieser Lösung noch zwischen
der Modenanpassungseinrichtung und dem Seed-Laser der optische Isolator
vorgesehen, der einen zusätzlichen
Schutz für
den Seed-Laser gegenüber
jeglichen rückwirkenden
Laserpulsen darstellt.
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Insbesondere ist der Pulsseparator
so aufgebaut, daß er
einen Polarisator und einen optischen Rotator aufweist.
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Dabei ist der Polarisator vorzugsweise
als Dünnfilmpolarisator
ausgebildet.
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Hinsichtlich der Repetitionsrate
der ausgekoppelten Laserpulse wurden im Zusammenhang mit den bisherigen
Ausführungsbeispielen
keine näheren
Angaben gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß das Lasersystem
ausgekoppelte Laserpulse mit einer Repetitionsrate von mehreren
Kilohertz erzeugt.
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Besonders vorteilhaft ist dieses
Lasersystem dann, wenn es ausgekoppelte Laserpulse mit einer Repetitionsrate
von mehr als fünf
Kilohertz erzeugt.
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Hinsichtlich der Zahl der Umläufe der
Verstärker-Laserpulse
in dem Resonator wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
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Das erfindungsgemäße Lasersystem ist insbesondere
für all
diejenigen Anwendungen geeignet, bei welchen eine hohe Zahl von
Umläufen
im Resonator zur Verstärkung
erforderlich ist.
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Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Lasersystem
vorgesehen, daß das
Auskoppelelement durch eine Ansteuerung derart ansteuerbar ist,
daß die
Verstärkerlaserpulse
erst nach mindestens zwanzig Umläufen,
noch besser erst nach mindestens fünfzig Umläufen, und noch besser erst
nach mehr als einhundert Umläufen,
aus dem Resonator ausgekoppelt werden.
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Im Zusammenhang mit der bisherigen
Erläuterung
der einzelnen Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Lasersystems
wurde nicht auf die weitere Spezifikation des laseraktiven Mediums
eingegangen.
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So hat es sich als besonders vorteilhaft
erwiesen, wenn als laseraktives Medium für die Festkörperscheibe Materialien vorgesehen
sind, die bei einer maximalen Dicke der Festkörperscheibe von 0,5 mm eine
Verstärkung
von mindestens 5% pro zweifachem Durchgang durch die Festkörperscheibe aufweisen
und deren optische Bandbreite die Erzeugung von Verstärkerlaserpulsen
kürzer
als zehn Pikosekunden erlaubt.
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Um keine Zerstörung im laseraktiven Medium
zu erreichen, ist vorzugsweise bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Lösung vorgesehen,
daß im
laseraktiven Medium die maximale Energiedichte pro Verstärkerlaserpuls
kleiner als einhundert Millijoule pro Quadratzentimeter, noch besser
kleiner als fünfzig
Millijoule pro Quadratzentimeter und noch besser kleiner als dreißig Millijoule pro
Quadratzentimeter ist, so daß hohe
Leistungen zur Konsequenz haben, daß diese auf einen großen Querschnitt
eines Verstärkerstrahlungsfeldes
zu verteilen sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der
zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
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In der Zeichnung zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lasersystems
in Draufsicht und
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2 eine
schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Lasersystems ähnlich 1.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lasersystems,
dargestellt in 1 umfaßt einen
Seed-Laser 10, welcher vorzugsweise als diodengepumpter
Ytterbium-Glas-Laseroszillator oder Ytterbium-Wolframat-Laseroszillator
ausgebildet und passiv modengekoppelt ist.
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Vorzugsweise erfolgt die Modenkopplung durch
einen sättigbaren
Halbleiterabsorberspiegel.
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Der Seed-Laser 10 arbeitet
beispielsweise mit einer Repetitionsrate von mehr als 20 MHz, und erzeugt
durch die zeitliche Bandbreite begrenzte Seed-Laserpulse 20 mit
einer Pulsdauer von ungefähr
300 Femtosekunden.
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Die Wellenlängen des Seed-Lasers 10 liegen dabei
im Bereich von beispielsweise 1000 bis 1100 Nanometer mit Pulsenergien
in der Größenordnung von
1 Nanojoule.
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Auf den Seed-Laser 10 folgend
ist ein als Ganzes mit 12 bezeichneter optischer Isolator
vorgesehen, welcher als Faraday Isolator 14 ausgebildet ist,
der verhindert, daß reflektierte
Laserpulse auf den Seed-Laser 10 zurückwirken und diesen stören.
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Zusätzlich ist ein λ/2-Plättchen 16 zur
Polarisationsdrehung vorgesehen.
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Vorzugsweise wird der den Seed-Laser 10 verlassende
Seed-Laserpuls 20 durch Umlenkspiegel 22 und 24 in
den optischen Isolator 12 eingekoppelt und durchsetzt diesen.
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Zusätzlich sind zur Überwachung
der Funktion des Seed-Lasers 10 noch eine Fotodiode 26 und ein
Spektrometer 28 vorgesehen, mit welchen ein parasitär zum Seed-Laserpuls 20 ausgekoppelter
Laserpuls 30 analysierbar ist.
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Vorzugsweise erfolgt ein Triggern
des Lasersystems mittels der Fotodiode 26.
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Um aus der Vielzahl von von dem Seed-Laser 10 erzeugten
Seed-Laserpulsen 20 die tatsächlich zur Verstärkung verwendeten
Seed-Laserpulse 20 zu selektieren und die anderen Seed-Laserpulse 20 zu
unterdrücken,
ist vorzugsweise ein Pulsselektor 32 vorgesehen, welcher
insbesondere eine Pockelszelle 34 mit einem Polarisator 36 umfaßt, wobei die
Pockelszelle zur Pulsselektion entsprechend angesteuert wird.
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Der aus dem Seed-Laser 10 ausgekoppelte Seed-Laserpuls 20 durchsetzt
nach Durchlaufen des optischen Isolators 12 eine Modenanpassungseinheit 40,
vorzugsweise ausgebildet als Teleskop mit beispielsweise drei Teleskopspiegeln 42, 44, 46,
mit welcher eine Anpassung an einen Mode eines nachfolgend noch
im einzelnen beschriebenen Resonators 50 erfolgt.
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Vor Eintritt in den Resonator durchsetzt
der Seed-Laserpuls 20 einen Pulsseparator 52,
umfassend einen Dünnfilmpolarisator 54,
einen Faraday Rotator 56 und ein λ/2-Plättchen 58, welche
dazu dienen, den in den Resonator 50 eintretenden Seed-Laser
Puls 20 von einem aus dem Resonator 50 ausgekoppelten
Laserpuls 70 später
zu trennen, wie nachfolgend im einzelnen beschrieben.
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Nach Durchlaufen des Pulsseparators 52 wird
der Seed-Laserpuls 20 über
eine Justiereinheit 66, umfassend beispielsweise zwei Spiegel 62 und 64,
in den Resonator 50 eingekoppelt, und zwar unter Durchsetzten
eines zum Resonator 50 gehörenden Dünnfilmpolarisators 68, über welchen
eine Einkopplung des Seed-Laserpulses 20 in den Resonator 50 erfolgt,
wobei der Seed-Laserpuls 20 als Verstärker-Laserpuls 60 in
dem Resonator 50 mehrfach umläuft und dabei so lange verstärkt wird,
bis eine Auskopplung des Verstärker-Laserpulses 60 als
Laserpuls 70 aus dem Resonator 50 erfolgt.
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Der Resonator 50 umfaßt einen
ersten Endspiegel 72, einen zweiten Endspiegel 74 und
ein laseraktives Medium 76 in Form einer dünnen Scheibe, welche
durch eine Kühleinrichtung 78 kühlbar ist,
wie beispielsweise im europäischen
Patent 0 632 551 beschrieben, auf welches hiermit Bezug genommen wird.
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Ferner ist in dem Resonator 50 zwischen dem
Dünnfilmpolarisator 68 und
dem ersten Endspiegel 72 als Kopplungselement eine Pockelszelle 80 angeordnet,
die durch eine Ansteuerung 82, beispielsweise eine sogenannte
Push/Pull-Schaltung, ansteuerbar
ist, wobei die Ansteuerung 82 ein Triggersignal von einer
dem Endspiegel 74 zugeordneten Fotodiode 75 und
vorzugsweise auch der Fotodiode 26 erhält.
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Die Pockelszelle 80 ist
ferner noch mit einem sogenannten λ/4-Plättchen 84 kombiniert.
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Ein über das Ein/Auskopplungselement 68 des
Resonators 50 eingekoppelter Seed-Laserpuls 20 breitet
sich in dem Resonator 50 als Verstärker-Laserpuls 60 aus
und durchsetzt zunächst
das λ/4-Plättchen 84 und
die Pockelszelle 80, bis er auf den ersten Endspiegel 72 trifft,
welcher als reflektierender Endspiegel des Resonators 50 ausgebildet ist.
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Somit wird der Verstärker-Laserpuls 60 am ersten
Endspiegel 72 reflektiert, durchsetzt erneut die Pockelszelle 80 und
das λ/4-Plättchen 84 und wird
dabei, wenn dieser Verstärker-Laserpuls 60 in dem
Resonator 50 verstärkt
werden soll, von dem Ein/Auskoppelelement 68 nicht erneut
als ausgekoppelter Laserpuls 70 in Richtung des Pulsseparators 52 durchgelassen,
sondern reflektiert zu einem Umlenkspiegel 86, von diesem
reflektiert zu einem Umlenkspiegel 88 und durchsetzt anschließend beispielsweise
ein zur Polarisationsdrehung vorgesehenes λ/2-Plättchen 90.
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Nach Durchsetzen des λ/2-Plättchens 90 trifft
der Verstärker-Laserpuls 60 auf
das laseraktive Medium 76, welches seinerseits rückseitig
mit einem Reflektor 92 versehen ist, der den Verstärker-Laserpuls 60 erneut
auf einen Umlenkspiegel 94 weiter auf einen Umlenkspiegel 96 und
dieser wiederum auf einen Umlenkspiegel 98 umlenkt, von
welchem aus dann der Verstärker-Laserpuls 60 auf
dem zweiten Endspiegel 74 auftrifft und von diesem wieder
zurückreflektiert
wird.
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Der Verstärker-Laserpuls 60 wurde
dabei aufgrund der Wirkung des Reflektors 92 zweimal durch
das laseraktive Medium 76 verstärkt, bevor er den zweiten Endspiegel 74 erreicht
hat.
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Bei einer erneuten Zurückreflexion
erfolgt eine erneute Reflexion an den Umlenkspiegeln 98, 96 und 94 bis
der Verstärker-Laserpuls 60 erneut
das laseraktive Medium 76 zweimal durchsetzt, dann wieder über das
polarisationsdrehende Element 90 auf die Umlenkspiegel 88 und 86 trifft
und dann auf das Ein/Auskoppelelement 68, welches den nun
insgesamt bei den Durchläufen
vierfach durch das laseraktive Medium 76 verstärkten Verstärker-Laserpuls 60 zurückreflektiert
zu dem λ/4-Plättchen 84 und
der Pockelszelle 80, bis dieser Verstärker-Laserpuls 60 auf
dem ersten Endspiegel 72 wieder auftrifft.
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Damit wirkt der Resonator 50 zusammen
mit dem laseraktiven Medium 76 insgesamt als regenerativer
Verstärker 100 zur
Verstärkung
des eintretenden Seed-Laserpulses 20.
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Die Pockelszelle 80 wird
nun durch die Ansteuereinheit 82 derart angesteuert, daß der ursprünglich eingekoppelte
Seed-Laserpuls 20 mehr als ungefähr 100 mal, noch besser mehr
als ungefähr 150
mal und mehr, den Resonator 50 durchläuft und dabei verstärkt wird.
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Da die einzelnen Elemente des Resonators 50,
insbesondere die Pockelszelle 80 eine positive Dispersion
hinsichtlich der Gruppengeschwindigkeit aufweisen, erfolgt bei jedem
Durchlauf des Verstärker-Laserpulses
durch den Resonator 50 eine zeitliche Verbreiterung des
Verstärker-Laserpulses 60, die
insgesamt bis zum endgültigen
Auskoppeln des Verstärker-Laserpulses
ein Vielfaches der Pulsdauer des Seed-Laserpulses 20 betragen
kann. Beispielsweise können
insgesamt Verbreiterungen der Pulsdauer um einen Faktor 10 oder
mehr erfolgen.
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Aus diesem Grund sind unmittelbar
im Resonator 50 von dem umlaufenden Verstärker-Laserpuls 60 durchsetzte
Dispersionskompensationselemente vorgesehen, welche eine eine positive
Dispersion der einzelnen Elemente des Resonators 50, insbesondere
eine Dispersion des Pockelszelle 80, kompensierende negative
Dispersion aufweisen. Derartige Dispersionskompensationselemente
sind beispielsweise der erste Endspiegel 72, das Umlenkelement 86 und
das Umlenkelement 98, welche als sogenannte Gires Tournois-Interferometerspiegel
ausgebildet sind, welche zusammen eine Kompensation der von der
Pockelszelle erzeugten positiven Dispersion erlauben.
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Derartige Gires Tournois-Interferometerspiegel
sind beispielsweise aus dem Artikel von F. Gires und P. Tournois,
Comt. Rend. Acad. Sci. (Paris) 258, 6112 (1964) bekannt.
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Je nach Dispersion der übrigen Komponenten
des Resonators 50 besteht nun die Möglichkeit, Dispersionskompensationselemente
in entsprechender Zahl und mit entsprechender Dispersion vorzusehen,
die es erlauben, die Dispersion des im Resonator 50 umlaufenden
Verstärker-Laserpulses 60 unmittelbar
bei jedem Umlauf zu kompensieren, so daß im wesentlichen die Pulsdauer
des Seed-Laserpulses 20 aufrecht erhalten werden kann.
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Nach mehrfachem Durchlauf des Resonators 50 erfolgt über das
entsprechende Ansteuern der Pockelszelle 80 über das
Ein/Auskoppelelement 68 das Auskoppeln des Verstärker-Laserpulses 60 in Form
des ausgekoppelten Laserpulses 70, welcher dann die Justiereinrichtung 66 und
den Pulsseparator 52 durchläuft und durch den Dünnschichtpolarisator 54 desselben
reflektiert wird und somit auf ein Substrat 110 beispielsweise
zur Materialbearbeitung, auftrifft.
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Vorzugsweise erfolgt ein Betrieb
der Pockelszelle 80 mit Zyklen deren Frequenz mehrere Kilohertz,
vorzugsweise zwischen 1 und 10 kHz oder sogar gegebenenfalls noch
mehr beträgt,
um eine hohe Repetitionsrate des ausgekoppelten Laserpulses 70 zu
erhalten.
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Als laseraktives Medium für die Festkörperscheibe 76 sind
grundsätzlich
alle Materialien geeignet, die bei einer maximalen Dicke der Festkörperscheibe
von 0,5 mm eine Verstärkung
von mindestens 5% pro zweifachem Durchgang durch das Verstärkermaterial,
das heißt
durch die Festkörperscheibe,
aufweisen und deren Bandbreite die Erzeugung von Laserpulsen kürzer als
10 Pikosekunden erlaubt.
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Das laseraktive Medium 76 in
Form einer weniger als 0,5 mm dicken Scheibe ist vorzugsweise Yb:KYW,
es sind aber auch ähnliche
Materialien, wie beispielsweise Yb:KGW oder Yb:YAG oder Yb dotierte
Sesquioxide z.B. Lutetiumoxid, oder auch Halbleitermaterialien geeignet.
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Die Dicke der Scheibe des laseraktiven
Mediums liegt dabei beispielsweise ungefähr in der Größenordnung
von weniger als 300 μm
und liegt insbesondere in der Größenordnung
von ungefähr
100 μm und
die Dotierung des laseraktiven Mediums beträgt beispielsweise weniger als
20%, vorzugsweise in der Größenordnung
von ungefähr
10%.
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Um eine Zerstörung des laseraktiven Mediums
zu verhindern, ist vorteilhafterweise die Energiedichte pro Verstärkerlaserpuls
im regenerativen Verstärker 100 kleiner
als 100 Millijoule pro Quadratzentimeter, noch besser kleiner als
50 Millijoule pro Quadratzentimeter.
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Hinsichtlich des Modes, in welchem
der Resonator 50 betrieben wird, wurde bislang nichts im Detail
ausgeführt.
Vorzugsweise arbeitet der Resonator 50 im TEM00-Mode
und die Modenanpassungseinrichtung 40 ist so eingestellt,
daß sie
ein Strahlungsfeld des Seed-Laserpulses 20 auf ein der TEM00-Mode des Resonators 50 entsprechendes Strahlungsfeld
umformt.
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Im Gegensatz zu klassischen Femtosekunden-Lasersystemen
umfassend ein vor dem regenerativen Verstärker angeordnetes pulsdauerverbreiterndes
Element und ein nach Durchlaufen des regenerativen Verstärkers vorgesehenes
pulsdauerkomprimierendes Element, insbesondere ein Gitter, wobei
eine Pulsdauervergrößerung und
eine nachfolgende Pulsdauerkompression jeweils um einen Faktor von
ungefähr
104 erfolgt, liefert das erfindungsgemäße Lasersystem
Pikosekundenpulse ohne die Integration pulsdauervergrößernder
Elemente. Somit kann auf diese das Strahlungsfeld destabilisierende und
das Lasersystem verteuernde Technik verzichtet werden.
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Bei einem zweiten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Lasersystems,
dargestellt in 2 sind
all diejenigen Elemente, die mit dem ersten Lasersystem identisch
sind mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß hinsichtlich der Beschreibung
derselben vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel
Bezug genommen wird.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist als Dispersionskompensationselement 120 ein
Prismenpaar, umfassend zwei Prismen 122 und 124,
vorgesehen, wobei das Prismenpaar 120 vorzugsweise zwischen
dem Umlenkspiegel 94 und dem Endspiegel 74 angeordnet
ist.
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Das Prismenpaar 120 kann
dabei so konzipiert sein, daß es
selbst eine derart große
negative Dispersion aufweist, daß die positive Dispersion der Pockelszelle 80 im
wesentlichen bei jedem Umlauf kompensiert wird, so daß es nicht
notwendig ist, auch den ersten Endspiegel 72 und das Umlenkelement 86 als
Dispersionskompensationselemente auszubilden. Vielmehr können diese
als übliche
optische Komponenten ausgebildet sein.
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Es ist aber auch denkbar, zusätzlich zu
dem Prismenpaar 120 noch zusätzliche Dispersionskompensationselemente
vorzusehen, sofern die negative Dispersion des Prismenpaars 120 nicht
ausreichend ist, um die positive Dispersion des Pockelszelle 80 zu kompensieren.
In diesem Fall kann ein weiteres Prismenpaar vorgesehen sein oder
es können
auch der Endspiegel 72 oder das Umlenkelement 86 als
Gires Tournois Interferometerspiegel mit negativer Dispersion eingesetzt
werden.
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Im übrigen funktioniert das zweite
Ausführungsbeispiel
gemäß 2 in gleicher Weise wie
das erste Ausführungsbeispiel,
so daß hinsichtlich
dessen Funktion ebenfalls vollinhaltlich auf das erste Ausführungsbeispiel
gemäß 1 Bezug genommen wird.