EP4111554A1 - Optisches system zur kontrasterhöhung von gepulster laser-strahlung, lasersystem und verfahren zur kontrasterhöhung von gepulster laserstrahlung - Google Patents

Optisches system zur kontrasterhöhung von gepulster laser-strahlung, lasersystem und verfahren zur kontrasterhöhung von gepulster laserstrahlung

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EP4111554A1
EP4111554A1 EP21708638.8A EP21708638A EP4111554A1 EP 4111554 A1 EP4111554 A1 EP 4111554A1 EP 21708638 A EP21708638 A EP 21708638A EP 4111554 A1 EP4111554 A1 EP 4111554A1
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EP
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laser radiation
pulsed laser
intermediate focus
optical system
cell
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Application number
EP21708638.8A
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English (en)
French (fr)
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Thomas Metzger
Sebastian Stark
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Trumpf Scientific Lasers GmbH and Co KG
Original Assignee
Trumpf Scientific Lasers GmbH and Co KG
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Publication date
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    • H01S3/10061—Polarization control

Definitions

  • the present invention relates to optical systems for increasing the contrast of pulsed laser radiation and laser systems, in particular ultra-short pulse (USP) laser systems for delivering pulsed laser radiation with high power and / or high pulse energy.
  • the invention also relates to a method for increasing the contrast of pulsed laser radiation, in particular special ultra-short pulse trains.
  • the contrast between primary laser pulses with a high peak intensity and the background is an essential parameter.
  • the laser radiation that forms the subsurface consists of a radiation platform that goes back to ASE and / or laser pulses that arrive before or after the primary laser pulses and whose peak intensity is significantly lower than the peak intensity of the primary laser pulses.
  • the aim is to largely remove the ASE background and the pre- and post-laser pulses from the pulsed laser radiation and thus largely limit the intensity contribution to the interaction to the primary laser pulses.
  • HCF hollow core fiber gas-filled hollow core fiber
  • NER nonlinear elliptical polarization rotation
  • HCF gas-filled hollow core fiber
  • NER nonlinear ellipse rotation
  • NER nonlinear ellipse rotation
  • a constant gas condition can be provided along the HCF.
  • differential pumping can reduce the gas density along the fiber in order to avoid undesired non-linear effects or ionization.
  • NER used to improve the contrast of sub-4 fs laser pulses using an HCF filled with argon gas.
  • DE 102014007159 A1 discloses a method for the spectral broadening of laser pulses for non-linear pulse compression using a multipass cell, which is constructed, for example, in the form of a so-called Herriott cell.
  • the aim is a spectral broadening of laser pulses, which can also be carried out with a pulse power that is greater than the critical power of the non-linear medium used for the spectral broadening.
  • One object of the invention is to propose systems and methods which can also and in particular at high pulse energies and high average powers for a contrast increase of pulsed laser radiation, for example ultrashort pulse trains.
  • non-linear effects are to be used to influence the polarization of laser pulses and their propagation.
  • At least one of these objects is achieved by an optical system for increasing the contrast of pulsed laser radiation according to claim 1, a laser system according to claim 12 and a method for increasing the contrast of pulsed laser radiation according to claim 14. Further developments are given in the dependent claims.
  • an optical system for increasing the contrast of pulsed laser radiation using a non-linear elliptical polarization rotation comprises:
  • An optical beam splitting system for splitting the beam components with differently directed elliptical polarization states.
  • a laser system in particular an ultra-short pulse (USP) laser system, for emitting pulsed laser radiation (9)
  • USP ultra-short pulse
  • a laser radiation source that emits pulsed laser radiation that includes primary laser pulses, in particular with pulse energies pulse durations in the range of a few hundred femtoseconds and less,
  • a pulse duration setting system for setting the pulse duration of the primary laser pulses
  • the laser system can comprise an optical pulse duration compressor system for compensating for a dispersive contribution of the at least one optical system and optionally for temporally compressing the primary laser pulses of the laser radiation if they have experienced a nonlinear spectral broadening in at least one of the intermediate focus zones.
  • a method for increasing the contrast of pulsed laser radiation using a non-linear elliptical polarization rotation comprises the following steps:
  • At least one of the following parameters of the optical system can be set or adjustable for a rotation of the alignment of one of the elliptical polarization states, in particular for setting a rotation angle of 90 °:
  • the optical system being designed as a gas-filled cell and the optical system having a pressure setting device for setting the gas pressure in the gas-filled cell, and / or
  • At least one of the following parameters of the optical system can also be set or adjustable:
  • the first polarization adjustment optics comprise a first wave plate, optionally a 1/4 wave plate and / or a 1/2 wave plate.
  • the optical system can also include at least one of the following optical components:
  • a pulse duration setting system for setting a pulse duration of primary laser pulses of the ge pulsed laser radiation
  • a first optical telescope arrangement which is set to image the pulsed laser radiation in a predetermined mode in the multi-passage cell and which is optionally arranged downstream of the first polarization setting optics,
  • the multiple passage cell can be designed:
  • a non-linear gaseous medium in particular a noble gas such as helium or argon, the same gas pressure being present in each of the intermediate focus zones,
  • At least one of the mirrors of the multiple passage cell can be designed as a convex mirror, the radii of curvature in particular matching and / or the distance between the mirrors being in a range of 95% to 105% of the sum of the radii of curvature.
  • at least one of the mirrors can be designed as a dispersive mirror, the dispersion contribution of which compensates for a dispersive contribution of at least one passage of a primary laser pulse of the pulsed laser radiation through the multiple passage cell.
  • at least one of the mirrors can comprise at least one mirror segment which the pulsed laser radiation strikes at least once when the pulsed laser radiation circulates through the multiple passage cell.
  • the multiple passage cell can be designed in such a way that a primary laser pulse of the pulsed laser radiation, its contrast in optical system is to be increased, experiences essentially no change in the pulse duration and / or pulse energy in the intermediate focus zones.
  • the beam components with differently oriented elliptical polarization states can comprise a useful beam component with primary laser pulses and a residual beam component with low-intensity laser radiation.
  • the remaining beam portion forms a background from a radiation platform originating from ASE and / or from laser pulses that arrive before or after the primary laser pulses and whose peak intensity is significantly lower than the peak intensity of the primary laser pulses.
  • the radiation background can have low-intensity laser pulses preceding the high-intensity laser pulses and / or subsequent low-intensity laser pulses.
  • the optical beam splitting system for splitting the beam components with differently oriented elliptical polarization states can include:
  • a second polarization setting optics for returning each of the differently aligned elliptical polarization states to a linear polarization state, in particular the beam components output by the multi-passage cell with differently oriented elliptical polarization states being converted into a useful beam component and a remaining beam component with differently oriented linear polarization states be, and
  • - a beam splitter that outputs the useful beam portion and the remaining beam portion on different beam paths.
  • the second polarization adjustment optics can comprise a second wave plate, optionally a 1/4 wave plate and / or a 1/2 wave plate.
  • the optical system can also include a control system that is designed to rotate the alignment of one of the elliptical polarization states, in particular to set a rotation angle of 90 °, at least to set one of the following parameters:
  • gas conditions, in particular gas type and / or gas pressure, in a first optical system can differ from corresponding gas conditions in a second optical system.
  • this can also include the step:
  • a pulse spectrum of the pulsed laser radiation assigned to the primary pulses in particular from intermediate focus zone to intermediate focus zone, can also widen due to a non-linear spectral broadening in the multiple passage cell, while the contrast increase takes place at the same time.
  • a gas-filled multiple passage cell for example a Herriott cell
  • contrast enhancement of pulsed laser radiation which can optionally be done together with a spectral pulse broadening and a subsequent pulse duration compression.
  • the concepts proposed here have the advantages that the increase in pulse contrast at high average powers (greater than a few 100 W up to the kW range) and very high pulse energies (up to the J range) and can be implemented in a very efficient and easy to implement.
  • an elliptical polarization state is understood to mean a polarization state in which an ellipse of polarization is present, as can be achieved, for example, by setting an angle in a range between 0 ° and 45 ° or in a range between 45 ° and 90 ° (analogously in a range between 45 ° and 135 ° or in a range between 135 ° and 180 °) a fast axis of a 1/4 wave plate and a polarization plane of an incident linearly polarized laser beam can be effected.
  • a polarization ellipse of the E-field is formed in these angular ranges.
  • an elliptical polarization state 90% of the laser beam can be in an s-polarization state and 10% in a p-polarization state.
  • an elliptical polarization state differs from a linear polarization state (with only one component in the s or p polarization state) and from a circular polarization state (angle of 45 ° of the 1/4 wave plate or identical components in the s polarization state and in the p-polarization state).
  • FIG. 1 shows an exemplary schematic representation of a laser system with an optical system for contrast enhancement
  • 2A to 2C are exemplary sketches for explaining a Herriott cell as an example of a multi-pass cell and
  • FIG. 3 shows a schematic flow diagram to explain an exemplary procedure for contrast enhancement.
  • aspects described here are based in part on the knowledge that, due to an intensity-dependent phase rotation, a non-linear intensity-dependent rotation of an alignment of an elliptical polarization can be brought about (self-induced ellipse rotation).
  • the intensity dependence of the elliptical Polarization rotation has the effect that the polarization of a pulse close to its peak experiences a different rotation than the low-intensity areas. This makes it possible to separate high-intensity beam components (formed by the primary laser pulses intended for an application) from low-intensity laser radiation (for example formed by the pre- and post-pulses accompanying the primary laser pulses).
  • the implementation of the NER as part of a multi-pass cell provides a wide range of setting parameters and control parameters, so that contrast enhancement in an optical system is made possible for a wide variety of parameter constellations in a laser system.
  • pulsed laser radiation when used in a Herriott cell, pulsed laser radiation can be freed from low-energy laser radiation (e.g. pre- or post-laser pulses) by only using laser pulses with a high intensity (the primary laser pulses mentioned ) can be influenced in their polarization with a view to the subsequent beam path.
  • the influence takes place through the non-linearity of the refractive index of the gas in the intermediate focus zones of the Herriott cell in such a way that the primary laser pulses can pass through an optical beam splitting system with as little loss as possible.
  • the alignment of the polarization ellipse of the low-energy laser radiation component within the Herriott cell does not change, so that this low-energy laser radiation component can be removed from the laser radiation with the optical beam splitting system after leaving the Herriott cell.
  • pre- and / or post-laser pulses can be removed from the laser beam if the rotation of the polarization ellipse is only set for the primary laser pulses due to their high intensity so that only the primary laser pulses can pass through a preset beam splitter, for example.
  • the laser system 1 shows a laser system 1 which has an optical system 3 to increase the contrast.
  • the optical system 3 is based on the use of a multiple passage cell 5 filled with gas 4 (for example a Herriott cell), the gas 4 serving as a non-linear Kerr medium.
  • gas 4 for example a Herriott cell
  • helium can be used in the multi-pass cell 5 at very high intensities.
  • argon or another noble gas can be used as the non-linear medium.
  • the laser system 1 generally comprises a laser radiation source 7 which emits laser radiation 9.
  • the laser radiation 9 comprises primary laser pulses 11 with a pulse energy in the range of, for example, a few hundred millijoules and a pulse duration ⁇ t in the range of a few hundred femoseconds and less, which, for example, form an ultra-short pulse train.
  • the laser radiation 9 also includes low-energy laser radiation 13, which is indicated by way of example in FIG. 1 as prepulse 13A or postpulse 13B.
  • the laser radiation source 7 can optionally have a pulse duration setting system 15 for setting the pulse duration of the primary laser pulses 11, wherein the pulse duration setting system 15 can also be assigned to the optical system 3, as indicated in FIG. 1.
  • the laser radiation 9 with a linear polarization 17A is present at the output of the pulse duration setting system 15 or at the output of the laser radiation source 7, the polarization vector of which is indicated in FIG. 1 as an example orthogonal to the plane of the characters. That is, both the primary laser pulses 11 and the low-energy laser radiation 13 are linearly polarized, generally in the same direction.
  • the optical system 3 has first polarization adjustment optics 19.
  • the laser radiation 9 is elliptically polarized.
  • FIG. 1 an E-field vector revolving around a polarization ellipse to illustrate an elliptical polarization state 17B is indicated by way of example at the output of the first polarization adjustment lens 19, the long semiaxis of the polarization ellipse running in the plane of the drawing as an example.
  • the first polarization setting optics 19 comprise a wave plate (for example a 1/4 wave plate or a 1/8 wave plate, etc.).
  • the first polarization adjustment optics 19 comprise a first 1/4 wave plate 19A.
  • the first polarization adjustment optics 19 can optionally have a 1 ⁇ 2 wave plate 19B, for example arranged in front of the first 1 ⁇ 4 wave plate 19A, for aligning the orientation of the elliptical polarization state.
  • the setting of the polarization in the first polarization setting optics 19 is independent of the intensity, because the wave plates work with an anisotropic refractive index, for example with a birefringent crystal.
  • the 1/4 wave plate with respect to the polarization plane of the laser radiation 9 is set in such a way that an angle between a fast axis of the 1/4 wave plate and the plane of polarization is not 0 °, 45 °, 90 ° or 135 °.
  • Corresponding angular ranges can be other wave plates or combinations of Waveplates can be assigned to generate elliptical polarization.
  • an ellipticity of the polarization ellipse can be set.
  • the polarization ellipse can also be aligned.
  • 1 also shows a telescope arrangement 21 for adapting the mode (generally of beam parameters such as beam diameter and beam divergence) of the pulsed laser radiation 9 prior to coupling into the multiple passage cell 5 with a coupling mirror 23.
  • mode generally of beam parameters such as beam diameter and beam divergence
  • the multiple passage cell 5 for example designed as a Herriott cell, comprises two concavely curved mirrors 25A, 25B which, in a gas-filled environment, form a multiple beam path 5A running back and forth between the mirrors 25A, 25B.
  • the multi-passage cell 5 can - for example in the geometry of a Herriott cell - be formed by two concave mirrors which, for example, in a concentric or confocal resonator arrangement, generally also in a different resonator configuration along a common optical axis 27 (given by the concentric arrangement ) are aligned.
  • the mirrors 25A, 25B are also referred to as Herriott mirrors. If the laser radiation 9 is introduced into the multiple passage cell 5 offset from the optical axis 27, the laser radiation 9 is circulated several times back and forth on a predetermined, usually elliptical (circular) pattern.
  • FIG. 2A illustrates schematically the beam path between the mirrors 25A, 25B with the formation of an intermediate focus zone 29, assuming a correspondingly adapted mode of the coupled laser radiation 9.
  • the intermediate focus zone 29 has, for example, a focus diameter d and a Rayleigh length Lr and lies in the region of a plane of symmetry 31 of the resonator arrangement, which is embodied concentrically in the example in FIG. 1.
  • Figures 2B and 2C show plan views of the mirrors 25A, 25B, in which circularly arranged impact areas 33 on the mirror surfaces are indicated schematically. In the impingement areas 33, the laser radiation 9 strikes as centrally as possible before it is reflected back from there, as in the direction of the center of the multiple passage cell (here the resonator arrangement).
  • FIGS. 2B and 2C one can also see a coupling-in opening 35A and a coupling-out opening 35B.
  • the areas ready for reflection on the surface of the mirrors 25A, 25B are circular surface sections with a diameter D.
  • the number of revolutions (intermediate focus zones 29) can in principle be as large as desired; for example, 5 to 100 intermediate focus zones can be traversed; that is, several intermediate focal zones are traversed in the multi-pass cell.
  • at least one of the mirrors 25A, 25B can also be built up from individual discrete mirror elements, wherein a reflection can preferably take place on a single mirror element. For example, twelve intermediate focus zones 29 are passed through.
  • smaller mirror elements that engage in the Herriott cell can be used and positioned, for example, at the positions of the openings 35A, 35B.
  • the pulsed Laserstrah treatment 9 is repeatedly ge leads through intermediate focus zones in the center of the multiple passage cell 5. Due to the focusing of the primary laser pulses during the pulse duration At of the primary laser pulses 11, high intensities develop in the intermediate focus zones, which lead to a non-linear behavior of the refractive index of the gas 4.
  • the non-linear behavior of the refractive index of the gas 4 leads, as explained below, to beam components of the laser radiation 9 with different polarization states and can thus be used to increase the contrast of the pulsed laser radiation 9.
  • the optical system 3 also has an optical beam splitting system 41 for splitting the beam components of the laser radiation 9 with different polarization states.
  • the optical beam splitting system 41 comprises a second wave plate 43 and a beam splitter 45.
  • the second wave plate 43 is generally set such that the elliptical polarization state is converted back into a linear polarization. Further structures for dividing beam components with different elliptical polarization states are known from the prior art.
  • the orientation of the polarization ellipse of the low-energy laser radiation 13 results from the ordinary refractive index of the gas 4 and remains essentially unchanged.
  • the elliptical polarization states of the primary laser pulses 11 and the low-energy laser radiation 13 thus change their relative alignment to one another with each passage through an intermediate focus zone 29.
  • the beam splitter 45 distributes the primary laser pulses 11 and the low-intensity laser radiation 13 to two different beam paths for a useful beam portion 9A and a residual beam portion 9B, which correspond to the orthogonal linear polarization states 47A, 47B.
  • a primary laser pulse 1G of the useful beam portion 9A is indicated by way of example, which has been freed from pre- and post-pulses.
  • the pre- and post-pulses form the remaining beam portion. Even if the resulting beam components are not completely orthogonal to one another are polarized, substantial portions of the pre- and post-pulses can be removed from the useful beam entrance.
  • the primary laser pulses 1 G can be added to a compressor 49, for example.
  • the compressor 49 is shown in Figure 1 for example as a chirped mirror compressor.
  • a useful laser radiation 9A ′ can thus be output at an output of the laser system 1 which comprises a sequence of compressed primary laser pulses 11 ′′, the compressed primary laser pulses 11 ′′ having an increased contrast.
  • the configuration proposed herein can enable a predetermined / adjustable number of intermediate focus zones 29 to be traversed, for example using a Herriott cell.
  • a beam diameter d can be adjusted in the intermediate focus zones and can also be adjusted to the laser power, pulse duration, etc. and the gas 4, for example, via the radius of curvature Rm of the mirrors 25A, 25B.
  • the radius of curvature Rm is, for example, identical for both mirrors or is at least of the same order of magnitude.
  • the gas pressure can be adjusted with regard to the non-linearity. It is noted that due to the high spatial proximity of the various continuous intermediate focus zones in the multiple passage cell, the same gas pressure is present in each of the intermediate focus zones.
  • the optical beam parameters and beam properties are preferably very similar in the various intermediate focus zones, so that similar non-linear effects are also present.
  • the intermediate focus zones 29 essentially all have the same diameter d and accordingly have the same Rayleigh lengths Lr.
  • the distance between the mirrors 25A, 25B is in a range from 95% to 105% of the sum of the radii of curvature.
  • the optical system 3 can, for example, have a control system 61, which via control connections 63 with the pulse duration setting system 15, the polarization setting optics 19 (in particular for setting the angular positions of the first 1/4 wave plate 19A and optionally the 1/2 -Wave plate 19B), the telescope assemblies 21, 39 (especially for adjusting the distance between telescopic lenses 21 A, 21B), a Druckeinstellvorrich device 65 for adjusting the gas pressure (see Fig. 1) and / or the optical beam splitting system 41 (especially for setting the angular position of the second l / 4 wave plate 43) is a related party.
  • a control system 61 which via control connections 63 with the pulse duration setting system 15, the polarization setting optics 19 (in particular for setting the angular positions of the first 1/4 wave plate 19A and optionally the 1/2 -Wave plate 19B), the telescope assemblies 21, 39 (especially for adjusting the distance between telescopic lenses 21 A, 21B), a Druckeinstellvorrich device 65 for adjusting the gas pressure
  • the laser radiation 9 strikes the mirrors 25A, 25B repeatedly (multiple times in each case).
  • the mirrors can be used to adjust the dispersion by designing them as dispersive mirrors. If the mirrors 25A, 25B have a dispersive effect in at least one of the reflections, the dispersion and thus the pulse duration of the primary laser pulses 11 can be acted upon directly.
  • one or more of the impingement areas 33 can be provided with a dispersive layer.
  • a dispersive coating 51 is indicated by dashed lines in FIG. 2A for the mirror 25B.
  • each of the mirrors 25A, 25B can be constructed from a plurality of mirror segments with predetermined dispersive properties, with each of the mirror segments in its dispersion for a desired pulse duration as it passes through the Multi-pass cell 5 is adapted.
  • the dispersion present in the multiple passage cell 5 is composed of a dispersion contribution from the dispersive mirror and a dispersion contribution in the gas-filled volume along the beam path 5A.
  • An exemplary mirror segment 53 is indicated in FIG. 1.
  • the laser radiation (depending on the size of the mirror segment) hits the mirror segment at least once, which usually has at least an extent the size of the beam diameter D on the mirror surface.
  • the concepts proposed here allow a dispersion that is accumulated when passing through the gas-filled volume to be at least partially compensated for by suitable dispersive mirror coatings (chirped mirrors) in order, for example, to maintain comparable pulse durations in the intermediate focus zones or to selectively adjust the pulse durations vary.
  • suitable dispersive mirror coatings chirped mirrors
  • the multi-pass cell 5 enables the high-intensity primary laser pulses in the intermediate focus zones to be spectrally broadened step-by-step.
  • the non-linear spectral broadening is caused by the high intensity present in an intermediate focus zone and by the non-linearity of the refractive index of the gaseous medium in the multiple passage cell 5.
  • the pulse spectrum can change from intermediate focus zone to intermediate focus zone, namely essentially while the pulse duration and pulse energy remain the same. If the multiple passage cell 5 is built up by means of chirped mirrors, the pulse duration can moreover be adjusted. For example, the pulse duration can change (shorten or lengthen) from run to run. Accordingly, even with a non-linear spectral broadening, the peak intensities in the intermediate focus zones remain essentially the same.
  • Another advantage can arise in connection with the non-linear spectral broadening if laser radiation with elliptical polarization is used in the multiple passage cell for this purpose. So the spectral broadening can possibly be smoother about in itself across the frequency spectrum, so that a less structured spectrum can result. This can have a positive effect on the subsequent pulse shaping and / or pulse compression.
  • Fig. 2A shows the formation of an intermediate focus zone in a Herriott cell under the assumption of curved Herriott mirrors.
  • geometric parameters for the implementation of a multi-pass cell are considered within the framework of the concepts presented here.
  • the laser-induced damage to the mirrors 25A, 25B requires a minimum diameter of the laser radiation 9 on the curved mirror 25A, 25B.
  • the ionization threshold determines the smallest possible focus diameter d in the intermediate focus zones 29 with a view to avoiding ionization of the gas 4. Both parameters together define a necessary length of the multi-passage cell 5, that is, the distance between the mirrors that build up the concentric resonator, for example their radius of curvature.
  • the electrical field strength required for ionization for circular / elliptically polarized light is increased compared to linearly polarized light, so that with a comparable beam diameter D on the mirrors 25A, 25B, the possible focus diameter d in the intermediate focus zones 29 can be selected smaller ge.
  • the mirrors For the use of high-intensity laser radiation it may be necessary for the mirrors to withstand pulse energies of a few 100 mJ with pulse durations of a few 100 fs, for example 500 fs or less.
  • the mirrors are also broadband, for example, to a wavelength range from 700 nm to 1100 nm, for example, for ultra-short pulses from a titanium-sapphire laser or 900 nm to 1100 nm for ultra-short pulses from lasers that emit around 1000 nm, such as Nd: YAG or Yb: YAG.
  • the mirrors can make a contribution or no contribution to dispersion, so that dispersive coatings may also have to be taken into account.
  • a laser-induced damage threshold of approx. 0.5 J / cm2 with a pulse duration of approx. 500 fs can be measured.
  • This threshold value is usually assigned to the center of the beam.
  • the result for the approx. 500 fs laser pulse is, for example, a threshold value of approx. 0.1 J / cm2, so that with a safety factor of, for example 3, the maximum permissible fluence is approx. 0.03 J / cm2 would.
  • a reduced mirror spacing / a shortened multiple passage cell length / resonator length L can be implemented with a correspondingly smaller radius of curvature of the mirrors 25A, 25B, provided the same Beam diameter is on the mirror.
  • step 71 an elliptical polarization state 17A of the pulsed laser radiation 9 is set.
  • the pulsed laser radiation 9 is coupled into a multiple passage cell 5, which is formed from two concave mirrors 25A, 25B which, for example, form a concentric or confocal resonator.
  • the multi-pass cell 5 e.g. a concentric or confocal resonator
  • the multi-pass cell 5 is passed through several times with the formation of a plurality of intermediate focus zones 29, the multi-pass cell 5 being filled with a gas 4 which has an optical nonlinearity which is an intensity-dependent rotation of an alignment of the elliptical polarization state 17B of the pulsed laser radiation 9 in the intermediate focus zones 29. Accordingly, beam portions with differently aligned elliptical polarization states in the multi-passage cell 5 are generated.
  • step 75 the beam portions with differently aligned elliptical polarizations are decoupled from the multiple passage cell 5 and in step 77 the decoupled beam portions are separated into a useful beam portion 9A with primary laser pulses 1G and a remaining beam portion 9B with low-intensity laser radiation.
  • At least one of the following parameters for rotating the alignment of one of the elliptical polarization states in the multi-pass cell 5 can optionally be set in a step 79 preceding or accompanying the operation:
  • an angle of rotation DQ of 90 ° for primary laser pulses 11 of the pulsed laser radiation 9 can be set
  • the necessary non-linear conditions for a NER for cleaning the laser radiation from low-energy contributions can be set in a multi-pass cell designed as a Herriott cell.
  • the optical systems proposed here allow essentially very similar (comparable) conditions of the non-linearity to be provided in the intermediate focus zones of the multi-pass cell, for example due to the comparable gas pressure and the comparable pulse durations and pulse energies (and thus pulse peak intensities) in the intermediate focus zones.
  • the pulse durations and pulse peak intensities can also be set with the mentioned dispersive mirrors / mirror segments to compensate for (often only small) pulse duration lengthening effects in the individual passes through the multi-pass cell.
  • additional freedom can be gained for a dispersion compensation and thus for an adjustment of the intensity in the intermediate focus zones.
  • the laser radiation can run through a sequence of successive multiple pass cells one after the other. This allows gas conditions to be differentiated according to the groups of intermediate focus zones present in the individual multiple passage cells.

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Abstract

Ein optisches System (3) zur Kontrasterhöhung von gepulster Laserstrahlung (9) unter Verwendung einer nichtlinearen elliptischen Polarisationsrotation umfasst - eine erste Polarisationseinstelloptik (19) zum Einstellen eines elliptischen Polarisationszustands (17B) der gepulsten Laserstrahlung (9), - eine Mehrfachdurchgangszelle (5) mit zwei gegenüberliegenden Spiegeln (25A, 25B), die einen konzentrischen Resonator ausbilden, der mehrfach unter Ausbildung von einer Mehrzahl von Zwischenfokuszonen (29) von der gepulsten Laserstrahlung (9) durchlaufen wird, wobei die Mehrfachdurchgangszelle (5) mit einem Gas (5A) gefüllt ist, das eine optische Nichtlinearität aufweist, die eine intensitätsabhängige Rotation einer Ausrichtung des elliptischen Polarisationszustands (17B) der gepulsten Laserstrahlung (9) bewirkt, sodass die Mehrfachdurchgangszelle (5) aufgrund der intensitätsabhängigen Rotation Strahlanteile mit unterschiedlich ausgerichteten elliptischen Polarisationszuständen ausgibt, und - ein optisches Strahlteilungssystem (41) zum Aufteilen der Strahlanteile mit unterschiedlich ausgerichteten elliptischen Polarisationszuständen.

Description

OPTISCHES SYSTEM ZUR KONTRASTERHÖHUNG VON GEPULSTER LASER STRAHLUNG, LASERSYSTEM UND VERFAHREN ZUR KONTRASTERHÖHUNG
VON GEPULSTER LASERSTRAHLUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft optische Systeme zur Kontrasterhöhung von gepulster La serstrahlung sowie Lasersysteme, insbesondere Ultrakurzpuls (UKP)-Lasersysteme zur Ab gabe von gepulster Laserstrahlung mit hoher Leistung und/oder hoher Pulsenergie. Ferner be trifft die Erfindung ein Verfahren zur Kontrasterhöhung von gepulster Laserstrahlung, insbe sondere von Ultrakurzpulsfolgen.
Bei der Verwendung von gepulster Laserstrahlung ist der Kontrast zwischen Primärlaserpul sen mit einer hohen Spitzenintensität und dem Untergrund ein wesentlicher Parameter. Übli cherweise besteht die Laserstrahlung, die den Untergrund bildet, aus einem auf ASE zurück gehenden Strahlungspodest und/oder aus Laserpulsen, die zeitlich vor oder nach den Primärla serpulsen eintreffen und deren Spitzenintensität wesentlich niedriger ist als die Spitzenintensi tät der Primärlaserpulse.
Um eine Wechselwirkung des Untergrunds beispielsweise bei einem Experiment oder bei ei ner Materialbearbeitung zu reduzieren, wird üblicherweise eine Kontrasterhöhung durchge führt. Ziel ist es dabei, den ASE-Untergrund und die Vor- und Nachlaserpulse aus der gepuls ten Laserstrahlung weitgehend zu entfernen und so den Intensitätsbeitrag für die Wechselwir kung weitgehend auf die Primärlaserpulse zu beschränken.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Kontrastverbesserung bekannt, bei denen ein Laserstrahl in einer mit Gas gefüllten Hohlkemfaser (HCF hollow core fiber) geführt wird, um beispielsweise eine Rotation einer elliptischen Polarisation aufgrund nichtlinearer Effekte zu bewirken. Dies ist als Nonlinear Elliptical polarization Rotation (auch Nonlinear Ellipse Rota tion, NER) bekannt. In der HCF erfolgt neben der NER eine nichtlineare spektrale Verbreite rung der intensiven Laserpulse. Insbesondere kann eine konstante Gasbedingung entlang der HCF vorgesehen werden. Alternativ kann durch differentielles Pumpen die Gasdichte entlang der Faser abnehmen, um die Entstehung von ungewünschten nichtlinearen Effekten oder Ioni sation zu vermeiden. Die Verwendung von NER in Verbindung mit einem HCF wird zum Beispiel offenbart in “Generation of high-fidelity few-cycle pulses via nonlinear ellipse rota- tion in stretched hollow-fiber compressor" von N. Khodakovskij, CLEO 2018, OSA 2018. Ferner wird in “Contrast improvement of sub-4 fs laser pulses using nonlinear elliptical polarization rotation” von N. Smijesh et al., Optics Letters, Vol. 44, Nr. 16, August 15, 2019, NER zur Verbesserung des Kontrasts von sub-4 fs Laserpulsen unter Verwendung einer mit Argongas gefüllten HCF verwendet.
Des Weiteren offenbart DE 102014007159 Al ein Verfahren zur spektralen Verbreiterung von Laserpulsen für die nichtlineare Pulskompression unter Verwendung einer Multipass- Zelle, die beispielsweise in Form einer so genannten Herriott-Zelle aufgebaut ist. Ziel ist dabei eine spektrale Verbreiterung von Laserpulsen, die auch bei einer Pulsleistung durchgeführt werden kann, die größer ist als die kritische Leistung des für die spektrale Verbreiterung ein gesetzten nichtlinearen Mediums.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, Systeme und Verfahren vorzuschlagen, die auch und insbesondere bei hohen Pulsenergien und hohen mittleren Leistungen für eine Kontrasterhö hung von gepulster Laserstrahlung, beispielsweise von Ultrakurzpulsfolgen eingesetzt werden können. Insbesondere sollen dabei nichtlineare Effekte zur Beeinflussung der Polarisation von Laserpulsen und deren Ausbreitung genutzt werden.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein optisches System zur Kontrasterhöhung von gepulster Laserstrahlung nach Anspruch 1, ein Lasersystem nach Anspruch 12 und ein Verfahren zur Kontrasterhöhung gepulster Laserstrahlung nach Anspruch 14. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einem Aspekt weist ein optisches System zur Kontrasterhöhung von gepulster Laserstrah lung unter Verwendung einer nichtlinearen elliptischen Polarisationsrotation auf:
- eine erste Polarisationseinstelloptik zum Einstellen eines elliptischen Polarisationszustands der gepulsten Laserstrahlung,
- eine Mehrfachdurchgangszelle mit zwei gegenüberliegenden Spiegeln, die insbesondere ei nen konzentrischen oder konfokalen Resonator ausbilden, wobei die Mehrfachdurchgangs zelle, insbesondere der Resonator mehrfach, unter Ausbildung von einer Mehrzahl von Zwi schenfokuszonen von der gepulsten Laserstrahlung durchlaufen wird, wobei die Mehrfach durchgangszelle mit einem Gas gefüllt ist, das eine optische Nichtlinearität aufweist, die eine intensitätsabhängige Rotation einer Ausrichtung des elliptischen Polarisationszustands der ge pulsten Laserstrahlung bewirkt, sodass die Mehrfachdurchgangszelle aufgrund der intensitätsabhängigen Rotation Strahlanteile mit unterschiedlich ausgerichteten elliptischen Polarisationszuständen ausgibt, und
- ein optisches Strahlteilungssystem zum Aufteilen der Strahlanteile mit unterschiedlich aus gerichteten elliptischen Polarisationszuständen.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein Lasersystem, insbesondere Ultrakurzpuls (UKP)-Laser- system, zur Abgabe von gepulster Laserstrahlung (9)
- eine Laserstrahlungsquelle, die gepulste Laserstrahlung ausgibt, die Primärlaserpulse, insbe sondere mit Pulsenergien Pulsdauem im Bereich von einigen Hundert Femtosekunden und weniger, umfasst,
- optional ein Pulsdauereinstellsystem zum Einstellen der Pulsdauer der Primärlaserpulse,
- mindestens ein wie hierin offenbartes optisches System zur Kontrasterhöhung der gepulsten Laserstrahlung unter Verwendung einer nichtlinearen elliptischen Polarisationsrotation in ei ner Mehrzahl von Zwischenfokuszone einer Mehrfachdurchgangszelle. Optional kann das La sersystem ein optisches Pulsdauer-Kompressorsystem zum Kompensieren eines dispersiven Beitrags des mindestens einen optischen Systems und optional zum zeitlichen Komprimieren der Primärlaserpulse der Laserstrahlung umfassen, falls diese eine nichtlineare spektrale Ver breiterung in mindestens einer der Zwischenfokuszonen erfahren haben.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zur Kontrasterhöhung gepulster Laserstrah lung unter Verwendung einer nichtlinearen elliptischen Polarisationsrotation die folgenden Schritte:
- Einstellen eines elliptischen Polarisationszustands der gepulsten Laserstrahlung,
- Einkoppeln der gepulsten Laserstrahlung in eine Mehrfachdurchgangszelle mit zwei Spie geln, die insbesondere einen konzentrischen oder konfokalen Resonator ausbilden, wobei die Mehrfachdurchgangszelle, insbesondere der Resonator mehrfach, unter Ausbildung einer Mehrzahl von Zwischenfokuszonen durchlaufen wird, wobei die Mehrfachdurchgangszelle mit einem Gas gefüllt ist, das eine optische Nichtlinearität aufweist, die eine intensitätsabhän gige Rotation einer Ausrichtung des elliptischen Polarisationszustands der gepulsten Laser strahlung in den Zwischenfokuszonen bewirkt, wodurch Strahlanteile mit unterschiedlich aus gerichteten elliptischen Polarisationszuständen in der Mehrfachdurchgangszelle erzeugt wer den,
- Auskoppeln der Strahlanteile mit unterschiedlich ausgerichteten elliptischen Polarisationen aus der Mehrfachdurchgangszelle und - Separieren der ausgekoppelten Strahlanteile in einen Nutz-Strahlanteil mit Primärlaserpulsen und einen Rest-Strahlanteil mit niederintensiver Laserstrahlung.
In einigen Weiterbildungen des optischen Systems kann für eine Drehung der Ausrichtung ei nes der elliptischen Polarisationszustände, insbesondere zur Einstellung eines Drehwinkels von 90°, mindestens einer der folgenden Parameter des optischen Systems eingestellt oder ein stellbar sein:
- ein Gasdruck in den Zwischenfokuszonen, wobei das optische System als Gas gefüllte Zelle ausgebildet ist und das optische System eine Druckeinstellvorrichtung zur Einstellung des Gasdrucks in der mit dem Gas gefüllten Zelle aufweist, und/oder
- eine in der Mehrfachdurchgangszelle vorliegende Dispersion.
Optional kann ferner mindestens einer der folgenden Parameter des optischen Systems einge stellt oder einstellbar sein:
- eine Elliptizität der eingestellten elliptischen Polarisation der gepulsten Laserstrahlung,
- eine Anzahl von Zwischenfokuszonen in der Mehrfachdurchgangszelle,
- Fokusdurchmesser in den Zwischenfokuszonen und
- Rayleigh-Längen der Zwischenfokuszonen.
In einigen Weiterbildungen umfasst die erste Polarisationseinstelloptik eine erste Wellen platte, optional eine l/4-Wellenplatte und/oder eine l/2-Wellenplatte.
In einigen Weiterbildungen kann das optische System ferner mindestens eine der folgenden optischen Komponenten umfassen:
- ein Pulsdauereinstellsystem zum Einstellen einer Pulsdauer von Primärlaserpulsen der ge pulsten Laserstrahlung,
- eine erste optische Teleskopanordnung, die dazu eingestellt ist, die gepulste Laserstrahlung auf eine vorgegebene Mode in der Mehrfachdurchgangszelle abzubilden und die optional strahlabwärts der ersten Polarisationseinstelloptik angeordnet ist,
- einen Einkoppelspiegel zum Einkoppeln der gepulsten Laserstrahlung in die Mehrfachdurch gangszelle,
- einen Auskoppelspiegel zum Weiterleiten der aus der Mehrfachdurchgangszelle austretenden gepulsten Laserstrahlung und - eine zweite optische Teleskopanordnung, die dazu eingestellt ist, die aus der Mehrfachdurch gangszelle austretende gepulste Laserstrahlung zu kollimieren.
In einigen Weiterbildungen des optischen Systems kann die Mehrfachdurchgangszelle ausge bildet sein:
- mit einer vorbestimmten oder einstellbaren Anzahl von Zwischenfokuszonen, die mit den gegenüberliegenden Spiegeln beispielsweise in einem Resonator- Aufbau mit, insbesondere gleichen, Krümmungsradien der Spiegel erzeugt werden, wobei die Zwischenfokuszonen im Wesentlichen einen gleichen Durchmesser und eine gleiche Rayleigh-Länge aufweisen,
- zur Formung von Zwischenfokuszonen, die nebeneinander und optional sich teilweise über lagernd angeordnet sind,
- als mit einem nichtlinearen gasförmigen Medium, insbesondere einem Edelgas wie Helium oder Argon, gefüllte Zelle, wobei in jeder der Zwischenfokuszonen der gleiche Gasdruck vor liegt,
- mit einer in den Zwischenfokuszonen vorliegenden im Wesentlichen gleichbleibenden Puls dauer und im Wesentlichen gleichbleibenden Pulsenergie der durchlaufenden gepulsten Laser strahlung und/oder
- zur schrittweisen nichtlinearen spektralen Verbreiterung der durchlaufenden gepulsten La serstrahlung in den Zwischenfokuszonen.
In einigen Weiterbildungen des optischen Systems kann mindestens einer der Spiegel der Mehrfachdurchgangszelle als konvexer Spiegel ausgebildet sein, wobei die Krümmungsradien insbesondere übereinstimmen und/oder ein Abstand der Spiegel in einem Bereich von 95% bis 105% der Summe der Krümmungsradien liegt. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ei ner der Spiegel als ein dispersiver Spiegel ausgebildet sein, dessen Dispersionsbeitrag einen dispersiven Beitrag mindestens eines Durchgangs eines Primärlaserpulses der gepulsten La serstrahlung durch die Mehrfachdurchgangszelle kompensiert. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens einer der Spiegel mindestens ein Spiegelsegment umfassen, auf das die gepulste Laserstrahlung beim Umlauf der gepulsten Laserstrahlung durch die Mehrfachdurchgangs zelle mindestens einmal trifft.
In einigen Weiterbildungen des optischen Systems kann die Mehrfachdurchgangszelle derart ausgebildet sein, dass ein Primärlaserpuls der gepulsten Laserstrahlung, dessen Kontrast im optischen System erhöht werden soll, in den Zwischenfokuszonen im Wesentlichen keine Veränderung in der Pulsdauer und/oder Pulsenergie erfährt.
In einigen Weiterbildungen des optischen Systems kann die Strahlanteile mit unterschiedlich ausgerichteten elliptischen Polarisationszuständen einen Nutz-Strahlanteil mit Primärlaserpul sen und einen Rest-Strahlanteil mit niederintensiver Laserstrahlung umfassen. Der Rest- Strahlanteil bildet einen Untergrund aus einem auf ASE zurückgehenden Strahlungspodest und/oder aus Laserpulsen, die zeitlich vor oder nach den Primärlaserpulsen eintreffen und de ren Spitzenintensität wesentlich niedriger ist als die Spitzenintensität der Primärlaserpulse. So kann der Strahlungsuntergrund insbesondere den hochintensiven Laserpulsen vorausgehende niederintensive Laserpulse und/oder nachfolgende niederintensive Laserpulse aufweisen.
In einigen Weiterbildungen des optischen Systems kann das optische Strahlteilungssystem zum Aufteilen der Strahlanteile mit unterschiedlich ausgerichteten elliptischen Polarisations zuständen umfassen:
- eine zweite Polarisationseinstelloptik zum Rückführen eines jeden der unterschiedlich ausge richteten elliptischen Polarisationszustände in einen linearen Polarisationszustand, wobei ins besondere die von der Mehrfachdurchgangszelle ausgegebenen Strahlanteile mit unterschied lich ausgerichteten elliptischen Polarisationszuständen in einen Nutz-Strahlanteil und einen Rest-Strahlanteil mit unterschiedlich ausgerichteten linearen Polarisationszuständen überführt werden, und
- einen Strahlteiler, der den Nutz-Strahlanteil und den Rest-Strahlanteil auf unterschiedlichen Strahlwegen ausgibt.
Insbesondere kann die zweite Polarisationseinstelloptik eine zweite Wellenplatte, optional eine l/4-Wellenplatte und/oder eine l/2-Wellenplatte, umfassen.
In einigen Weiterbildungen kann das optische System ferner ein Steuerungssystem umfassen, das für eine Drehung der Ausrichtung eines der elliptischen Polarisationszustände, insbeson dere zur Einstellung eines Drehwinkels von 90°, mindestens zur Einstellung eines der folgen den Parameter ausgebildet ist:
- eine Pulsdauer von Primärlaserpulsen der gepulsten Laserstrahlung,
- einer Pulsenergie von Primärlaserpulsen der gepulsten Laserstrahlung,
- eine Elliptizität der eingestellten elliptischen Polarisation der gepulsten Laserstrahlung, - Fokusdurchmesser in den Zwischenfokuszonen,
- Rayleigh-Längen der Zwischenfokuszonen und
- ein Gasdruck des Gases in den Zwischenfokuszonen.
In einigen Weiterbildungen des Lasersystems können sich Gasbedingungen, insbesondere Gassorte und/oder Gasdruck, in einem ersten optischen System von entsprechenden Gasbedin gungen in einem zweiten optischen System unterscheiden.
In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann dieses ferner den Schritt umfassen:
- Einstellen mindestens eines der folgenden Parameter zum Drehen der Ausrichtung eines der elliptischen Polarisationszustände in der Mehrfachdurchgangszelle, insbesondere zur Einstel lung eines Drehwinkels von 90° für Primärlaserpulse der gepulsten Laserstrahlung:
- ein Gasdruck in den Zwischenfokuszonen und/oder
- eine in der Mehrfachdurchgangszelle akkumulierte Dispersion der Primärlaserpulse.
Optional kann ferner eingestellt werden:
- eine Pulsdauer der Primärlaserpulse der gepulsten Laserstrahlung,
- einer Pulsenergie der Primärlaserpulse der gepulsten Laserstrahlung,
- eine Elliptizität des eingestellten elliptischen Polarisationszustands der gepulsten Laserstrah lung,
- Fokusdurchmesser in den Zwischenfokuszonen und/oder
- Rayleigh-Längen der Zwischenfokuszonen.
In einigen Weiterbildungen des Verfahrens kann sich ferner ein den Primärpulsen zugeordne tes Pulsspektrum der gepulsten Laserstrahlung, insbesondere von Zwischenfokuszone zu Zwi schenfokuszone, aufgrund einer nichtlinearen spektralen Verbreiterung in der Mehrfachdurch gangszelle verbreitern, während gleichzeitig die Kontrasterhöhung stattfindet.
Erfindungsgemäß wird allgemein vorgeschlagen, den Ansatz der NER unter Verwendung ei ner gasgefüllten Mehrfachdurchgangszelle, beispielsweise einer Herriott-Zelle, zur Kontrast verstärkung von gepulster Laserstrahlung einzusetzen, wobei dies optional zusammen mit ei ner spektralen Pulsverbreiterung und einer nachfolgenden Pulsdauer-Kompression erfolgen kann. Die hierin vorgeschlagenen Konzepte weisen die Vorteile auf, dass die Erhöhung des Pulskontrasts bei hohen mittleren Leistungen (größer einige 100 W bis in den kW-Bereich) und sehr hohen Pulsenergien (bis in den J-Bereich) durchgeführt werden kann und sich auf eine einfach zu realisierende und sehr effiziente Art und Weise umsetzen lässt.
Im Rahmen des hierin betrachteten Ansatzes der NER unter Verwendung einer gasgefüllten Mehrfachdurchgangszelle wird unter einem elliptischen Polarisationszustand ein Polarisati onszustand verstanden, bei dem ein Polarisationsellipse vorliegt, wie sie zum Beispiel durch Einstellen eines Winkels in einem Bereich zwischen 0° und 45° oder in einem Bereich zwi schen 45° und 90° (analog in einem Bereich zwischen 45° und 135° oder in einem Bereich zwischen 135° und 180°) einer schnellen Achse einer l/4-Wellenplatte und einer Polarisati onsebene eines einfallenden linearpolarisierten Laserstrahls bewirkt werden kann. In diesen Winkelbereichen bildet sich eine Polarisationsellipse des E-Felds aus. In einem beispielhaften elliptischen Polarisationszustand können 90% des Laserstrahls in einem s-Polarisationszu- stand und 10% in einem p-Polarisationszustand vorliegen. Somit unterscheidet sich ein ellipti scher Polarisationszustand von einem linearen Polarisationszustand (mit nur einem Anteil im s- oder p-Polarisationszustand) als auch von einem zirkularen Polarisationszustand (Winkel von 45° der l/4-Wellenplatte bzw. identische Anteile im s-Polarisationszustand und im p-Po larisationszustand).
Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figu ren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine beispielhafte schematische Darstellung eines Lasersystems mit einem optischen System zur Kontrastverbesserung,
Fig. 2A bis 2C beispielhafte Skizzen zur Erläuterung einer Herriott-Zelle als Beispiel einer Mehrfachdurchgangszelle und
Fig. 3 ein schematisches Flussdiagramm zur Erläuterung einer beispielhaften Vorgehensweise zur Kontrastverstärkung.
Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass aufgrund einer inten sitätsabhängigen Phasenrotation eine nichtlinear von der Intensität abhängige Rotation einer Ausrichtung einer elliptischen Polarisation bewirkt werden kann (selbst induzierte Ellipsen- Rotation, „self-induced ellipse rotation“). Die Intensitätsabhängigkeit der elliptischen Polarisationsrotation bewirkt, dass die Polarisation eines Pulses nahe an seinem Peak eine an dere Rotation erfährt als die niederintensiven Bereiche. Dadurch wird es möglich, hochinten sive Strahlanteile (gebildet von den für eine Anwendung vorgesehenen Primärlaserpulsen) von niederintensiver Laserstrahlung (beispielsweise gebildet von den die Primärlaserpulse be gleitenden Vor- und Nachpulsen) zu trennen. Die Implementierung der NER im Rahmen einer Mehrfachdurchgangszelle stellt vielfältige Einstellparameter und Kontrollparameter zur Ver fügung, sodass die Kontrastverstärkung in einem optischen System für unterschiedlichste Pa rameterkonstellationen eines Lasersystems ermöglich wird.
Ferner haben die Erfinder erkannt, dass mit der Hilfe der hierin offenbarten Konzepte zur NER bei Verwendung in einer Herriott-Zelle gepulste Laserstrahlung von niederenergetischer Laserstrahlung (z.B. Vor- oder Nachlaserpulsen) befreit werden kann, indem nur Laserpulse mit einer hohen Intensität (die angesprochenen Primärlaserpulse) in ihrer Polarisation mit Blick auf den nachfolgenden Strahlengang beeinflusst werden. Die Beeinflussung erfolgt durch die Nichtlinearität des Brechungsindexes des Gases in Zwischenfokuszonen der Herri ott-Zelle derart, dass die Primärlaserpulse ein optisches Strahlteilungssystem möglichst ohne Verlust passieren können. Im Unterschied zu den Primärlaserpulsen verändert sich die Aus richtung der Polarisationsellipse des nieder energetischen Laserstrahlungsanteils innerhalb der Herriott-Zelle nicht, sodass dieser nieder energetische Laserstrahlungsanteil nach dem Verlas sen der Herriott-Zelle mit dem optischen Strahlteilungssystem aus der Laserstrahlung entfernt werden kann. Mit anderen Worten können Vor- und/oder Nachlaserpulse aus der Laserstrah lung entfernt werden, wenn die Rotation der Polarisationsellipse nur für die Primärlaserpulse aufgrund ihrer hohen Intensität derart eingestellt ist, sodass nur die Primärlaserpulse beispiels weise einen voreingestellten Strahlteiler passieren können.
Fig. 1 zeigt ein Lasersystem 1, das zur Kontrasterhöhung ein optisches System 3 aufweist. Das optische System 3 basiert auf der Verwendung einer mit Gas 4 gefüllten Mehrfachdurch gangszelle 5 (beispielsweise eine Herriott-Zelle), wobei das Gas 4 als nichtlineares Kerr-Me- dium dient. Beispielsweise kann Helium bei sehr hohen Intensitäten in der Mehrfachdurch gangszelle 5 verwendet werden. Bei niedrigeren aber immer noch hohen Intensitäten in der Mehrfachdurchgangszelle 5 kann beispielsweise Argon oder ein anderes Edelgas als nichtline ares Medium eingesetzt werden. Das Lasersystem 1 umfasst allgemein eine Laserstrahlungsquelle 7, die Laserstrahlung 9 aus gibt. Die Laserstrahlung 9 umfasst Primärlaserpulse 11 mit einer Pulsenergie im Bereich von z.B. einigen Hundert Millijoule und einer Pulsdauer At im Bereich von einigen Hundert Fem- tosekunden und weniger, die beispielsweise eine Ultrakurzpulsfolge ausbilden. In Abhängig keit von der Laserstrahlungsquelle 7 umfasst die Laserstrahlung 9 ferner niederenergetische Laserstrahlung 13, die in Fig. 1 als Vorpulse 13 A oder Nachpulse 13B beispielhaft angedeutet ist. Ferner kann die Laserstrahlungsquelle 7 optional ein Pulsdauereinstellsystem 15 zum Ein stellen der Pulsdauer der Primärlaserpulse 11 aufweisen, wobei das Pulsdauereinstellsystem 15 wie in Fig. 1 angedeutet auch dem optischen System 3 zugeordnet werden kann.
Im vorliegenden Beispiel wird angenommen, dass am Ausgang des Pulsdauereinstellsystems 15 bzw. am Ausgang der Laserstrahlungsquelle 7 die Laserstrahlung 9 mit einer linearen Pola risation 17A vorliegt, deren Polarisationsvektor in Fig. 1 beispielhaft orthogonal zur Zeichen ebene angedeutet ist. D.h., sowohl die Primärlaserpulse 11 als auch die niederenergetische La serstrahlung 13 sind linear polarisiert und zwar allgemein in der gleichen Richtung.
Für die Kontrasterhöhung weist das optische System 3 eine erste Polarisationseinstelloptik 19 auf. In dieser wird die Laserstrahlung 9 elliptisch polarisiert. In Fig. 1 ist hierzu am Ausgang der ersten Polarisationseinstelloptik 19 ein auf einer Polarisationsellipse umlaufender E-Feld- vektor zur Verdeutlichung eines elliptischen Polarisationszustands 17B beispielhaft angedeu tet, wobei die lange Halbachse der Polarisationsellipse beispielhaft in der Zeichenebene ver läuft. Zum Einstellen dieses elliptischen Polarisationszustands der Laserstrahlung 9 umfasst die erste Polarisationseinstelloptik 19 eine Wellenplatte (z.B. eine l/4-Wellenplatte oder eine l/8-Wellenplatte etc.). Im Beispiel der Fig. 1 umfasst die erste Polarisationseinstelloptik 19 eine erste l/4-Wellenplatte 19A. Ferner kann die erste Polarisationseinstelloptik 19 optional eine beispielsweise der ersten l/4-Wellenplatte 19A vorgelagerte l/2-Wellenplatte 19B zum Ausrichten der Orientierung des elliptischen Polarisationszustands aufweisen. Hierzu ist die Einstellung der Polarisation in der ersten Polarisationseinstelloptik 19 unabhängig von der In tensität, denn die Wellenplatten arbeiten mit einem anisotropen Brechungsindex, beispiels weise mit einem doppelbrechenden Kristall. Zum Einstellen des elliptischen Polarisationszu stands der Laserstrahlung 9 wird beispielsweise die l/4-Wellenplatte bezüglich der Polarisati onsebene der Laserstrahlung 9 derart eingestellt, dass ein Winkel zwischen einer schnellen Achse der l/4-Wellenplatte und der Polarisationsebene nicht 0°, 45°, 90° oder 135° beträgt. Entsprechende Winkelbereiche können anderen Wellenplatten oder Kombinationen von Wellenplatten für die Erzeugung elliptischer Polarisation zugeordnet werden. Durch Einstel len des Winkels der Wellenplatte kann eine Elliptizität der Polarisationsellipse eingestellt wer den. In Kombination mit der vorgelagerten l/2-Wellenplatte 19B kann ferner eine Ausrich tung der Polarisationsellipse vorgenommen werden.
Aufgrund der am Eingang der ersten Polarisationseinstelloptik 19 identisch vorliegenden line aren Polarisation für die Primärlaserpulse 11 und die nieder energetische Laserstrahlung 13 weisen diese beiden Strahlanteile beim Verlassen der ersten Polarisationseinstelloptik 19 auch den gleichen elliptischen Polarisationszustand 17B auf.
Fig. 1 zeigt ferner eine Teleskopanordnung 21 zum Anpassen der Mode (allgemein von Strahlparametern wie Strahldurchmesser und Strahldivergenz) der gepulsten Laserstrahlung 9 vor der Einkopplung in die Mehrfachdurchgangszelle 5 mit einem Einkoppelspiegel 23.
Die beispielsweise als Herriott-Zelle ausgeführte Mehrfachdurchgangszelle 5 umfasst zwei konkav gekrümmte Spiegel 25 A, 25B, die in einer gasgefüllten Umgebung einen mehrfach zwischen den Spiegeln 25A, 25B hin und her verlaufenden Strahlengang 5A ausbilden.
Die Mehrfachdurchgangszelle 5 kann - beispielsweise in der Geometrie einer Herriott-Zelle - durch zwei konkave Spiegel gebildet werden, die zum Beispiel in einer konzentrischen oder konfokalen Resonatoranordnung, allgemein auch in einer anderen Resonatorkonfiguration ent lang einer gemeinsamen optischen Achse 27 (gegeben durch die konzentrische Anordnung) aufeinander ausgerichtet sind. In diesem Fall werden die Spiegel 25A, 25B auch als Herriott- Spiegel bezeichnet. Wird die Laserstrahlung 9 versetzt zur optischen Achse 27 in die Mehr fachdurchgangszelle 5 eingebracht, wird die Laserstrahlung 9 mehrfach hin und zurück auf ei nem vorgegebenen üblicherweise elliptischen (kreisförmigen) Muster umlaufen.
Fig. 2A verdeutlicht schematisch den Strahlengang zwischen den Spiegeln 25A, 25B unter Ausbildung einer Zwischenfokuszone 29, eine entsprechend angepasste Mode der eingekop pelten Laserstrahlung 9 vorausgesetzt. Die Zwischenfokuszone 29 weist beispielsweise einen Fokusdurchmesser d und eine Rayleigh-Länge Lr auf und liegt im Bereich einer Symmetrie ebene 31 der, im Beispiel der Fig. 1 konzentrisch ausgebildeten, Resonatoranordnung. Die Figuren 2B und 2C zeigen Aufsichten auf die Spiegel 25A, 25B, in denen kreisförmig an geordnete Auftreffbereiche 33 auf den Spiegeloberflächen schematisch angedeutet sind. In den Auftreffbereichen 33 trifft die Laserstrahlung 9 möglichst mittig, bevor sie von dort wie der in Richtung des Zentrums der Mehrfachdurchgangszelle (hier der Resonatoranordnung) zurückreflektiert wird. In den Figuren 2B und 2C erkennt man ferner eine Einkopplungsöff- nung 35 A sowie eine Auskopplungsöffnung 35B. Die für die Reflexion bereitstehenden Berei che auf der Oberfläche der Spiegel 25A, 25B sind kreisförmige Flächenabschnitte mit einem Durchmesser D. Die Anzahl der Umläufe (Zwischenfokuszonen 29) kann im Prinzip beliebig groß sein; beispielsweise können 5 bis 100 Zwischenfokuszonen durchlaufen werden; d.h., in der Mehrfachdurchgangszelle werden mehrere Zwischenfokuszonen durchlaufen. Ferner kann mindestens einer der Spiegel 25A, 25B auch aus einzelnen diskreten Spiegelelementen aufge baut sein, wobei eine Reflektion bevorzugt auf einem einzelnen Spiegelelement stattfinden kann. Beispielsweise werden zwölf Zwischenfokuszonen 29 durchlaufen.
Alternativ zur Strahleinkopplung und Strahlauskopplung durch Öffnungen in den Spiegeln können kleinere Spiegelelemente, die in die Herriott-Zelle eingreifen, verwendet und bei spielsweise an den Positionen der Öffnungen 35A, 35B positioniert werden.
Bezugnehmend auf den in Fig. 1 angedeuteten Strahlengang 5A wird die gepulste Laserstrah lung 9 wiederholt durch Zwischenfokuszonen im Zentrum der Mehrfachdurchgangszelle 5 ge führt. In den Zwischenfokuszonen bilden sich aufgrund der Fokussierung der Primärlaserpulse während der Pulsdauer At der Primärlaserpulse 11 hohe Intensitäten aus, die zu einem nichtli nearen Verhalten des Brechungsindexes des Gases 4 führen. Das nichtlineare Verhalten des Brechungsindexes des Gases 4 führt wie nachfolgend erläutert zu Strahlanteilen der Laser strahlung 9 mit unterschiedlichen Polarisationszuständen und kann so zur Kontrasterhöhung der gepulsten Laserstrahlung 9 genutzt werden.
Nach der vorbestimmten Anzahl von Durchläufen durch die Mehrfachdurchgangszelle 5 ver lässt die Laserstrahlung 9 die Mehrfachdurchgangszelle 5 und trifft auf einen die ausgekop pelte Laserstrahlung reflektierenden Ausgangsspiegel 37. Der Ausgangsspiegel 37 lenkt die Laserstrahlung 9 durch eine zweite Teleskopanordnung 39, die die Laserstrahlung 9 rekolli- miert. Zum Aufteilen der Strahlanteile der Laserstrahlung 9 mit unterschiedlichen Polarisationszu ständen weist das optische System 3 ferner ein optisches Strahlteilungssystem 41 auf. In der in Fig. 1 beispielhaft gezeigten Ausführungsform umfasst das optische Strahlteilungssystem 41 eine zweite Wellenplatte 43 und einen Strahlteiler 45. Die zweite Wellenplatte 43 ist allge mein derart eingestellt, dass der elliptische Polarisationszustand wieder in eine lineare Polari sation übergeführt wird. Weitere Aufbauten zur Aufteilung von Strahlanteilen mit unter schiedlichen elliptischen Polarisationszuständen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Aufgrund der Nichtlinearität des Brechungsindexes n des gasförmigen Kerr-Mediums in der Mehrfachdurchgangszelle 5 - d.h. für einen intensitätsabhängigen Brechungsindex n = n_0 + n_2 * I(r; t) mit den gasspezifischen Brechungsindexparametern n_0 und n_2 und dem Intensi tätsverlauf I(r; t) in der Zwischenfokuszone - ergibt sich nur für die Primärlaserpulse 11 eine Rotation der Polarisationsellipse um einen Drehwinkel DQ, wobei der Drehwinkel DQ propor tional zur Intensität I(r; t) und n_2 ist. Eine um DQ-gedrehte Polarisationsellipse ist beispielhaft in Fig. 1 als elliptischer Polarisationszustand 17C angedeutet.
Die Orientierung der Polarisationsellipse der nieder energetische Laserstrahlung 13 ergibt sich durch den ordentlichen Brechungsindex das Gases 4 und verbleibt im Wesentlichen unverän dert. Die elliptischen Polarisationszustände der Primärlaserpulse 11 und der nieder energeti schen Laserstrahlung 13 ändern somit bei jedem Durchgang durch eine Zwischenfokuszone 29 ihre relative Ausrichtung zueinander.
Unterscheiden sich die Ausrichtungen der beiden Polarisationsellipsen nach der Mehrfach durchgangszelle 5 zum Beispiel um 90°, ergeben sich nach Durchlaufen der Wellenplatte 43 zwei orthogonal zueinander ausgerichtete lineare Polarisationszustände 47A, 47B für die Pri märlaserpulse 11 und die niederintensive Laserstrahlung 13. Wird der Strahlteiler 45 entspre chend ausgerichtet, verteilt der Strahlteiler 45 die Primärlaserpulse 11 und die niederintensive Laserstrahlung 13 auf zwei unterschiedliche Strahlwege für einen Nutz-Strahlanteil 9A und einen Rest-Strahlanteil 9B, die den orthogonalen linearen Polarisationszuständen 47A, 47B entsprechen.
In Fig 1 ist beispielhaft ein Primärlaserpuls 1 G des Nutz-Strahlanteils 9A angedeutet, der von Vor- und Nachpulsen befreit wurde. Die Vor- und Nachpulse bilden den Rest-Strahlanteil. Auch wenn die sich ergebenden Strahlanteile nicht vollständig orthogonal zueinander polarisiert sind, können wesentliche Anteile der Vor- oder Nachpulse aus dem Nutz- Strahl en- gang entfernt werden.
Für die nachfolgende Verwendung der Primärlaserpulse 1 G, die bezüglich der niederintensi ven Laserstrahlung in ihrem Kontrast erhöht wurden, können die Primärlaserpulse 1 G bei spielsweise einem Kompressor 49 zugefügt werden. Der Kompressor 49 ist in Figur 1 bei spielhaft als Chirped-Mirror-Kompressor dargestellt. An einem Ausgang des Lasersystems 1 kann so eine Nutz-Laserstrahlung 9A' ausgegeben werden, die eine Folge komprimierter Pri märlaserpulse 11" umfasst, wobei die komprimierten Primärlaserpulse 11" einen erhöhten Kontrast aufweisen.
Im Unterschied zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau, der eine HCF verwen det, kann es die hierin vorgeschlagene Konfiguration z.B. unter Verwendung einer Herriott- Zelle ermögichen, dass eine vorbestimmte/einstellbare Anzahl von Zwischenfokuszone 29 durchlaufen wird. Überdies ist ein Strahldurchmesser d in den Zwischenfokuszonen einstell bar und kann beispielsweise auch über den Krümmungsradius Rm der Spiegel 25A, 25B auf die Laserleistung, Pulsdauer etc. und das Gas 4 abgestimmt werden. Der Krümmungsradius Rm ist beispielsweise für beide Spiegel identisch bzw. liegt zumindest in der gleichen Grö ßenordnung.
Neben einer Einsteilbarkeit der Größe der Zwischenfokuszone 29 z.B. durch die Krümmungs radien der Spiegel 25A, 25B sowie durch eine entsprechende Teleskopanordnung zur Moden anpassung, die der Mehrfachdurchgangszelle vorgeschaltet werden kann, kann hinsichtlich der Nichtlinearität der Gasdruck eingestellt werden. Es wird angemerkt, dass aufgrund der hohen räumlichen Nähe der verschiedenen durchlaufenden Zwischenfokuszonen in der Mehrfach durchgangszelle in jeder der Zwischenfokuszone der gleiche Gasdruck vorliegt. Bevorzugt sind die optischen Strahlparameter und Strahleigenschaften in den verschiedenen Zwischenfo kuszonen sehr ähnlich, sodass auch ähnliche nichtlineare Effekte vorliegen.
Bilden die Spiegel 25 A, 25B z.B. einen konzentrischen Resonator (Spiegel ab stand ca. 2*Rm bei identischen Krümmungsradien Rm), haben die Zwischenfokuszonen 29 im Wesentlichen alle den gleichen Durchmesser d und weisen entsprechend gleiche Rayleigh-Längen Lr auf. Allgemein liegt der Abstand der Spiegel 25 A, 25B in einem Bereich von 95% bis 105% der Summe der Krümmungsradien. Ein intensiver Primärlaserpuls 11 propagiert durch diese Zwischenfokuszonen 29 sequenziell und wechselwirkt dabei wiederholt mit dem Gas 4 bei elektrischen Feldstärken, die nichtlineare Effekte auf den Brechungsindex n und damit auf den Polarisationszustand des Primärlaserpulses 11 hervorrufen können.
Die Verwendung des hierin beschriebenen Herriott-Aufbaus stellt verschiedene im Voraus fest legbare und/oder während des Betriebs einstellbare Parameter bei der Auslegung der Zwischen fokuszonen und der darin vorliegenden nichtlinearen Bedingungen bereit. Für die Einstellung der Parameter kann das optische System 3 beispielsweise ein Steuerungssystem 61 aufweisen, das über Steuerungsverbindungen 63 mit der Pulsdauereinstellsystem 15, der Polarisationsein stelloptik 19 (insbesondere zur Einstellung der Winkel Stellungen der ersten l/4- Wellenplatte 19A und optional der l/2-Wellenplatte 19B), den Teleskopanordnungen 21, 39 (insbesondere zur Einstellung des Abstands zwischen Teleskoplinsen 21 A, 21B), einer Druckeinstellvorrich tung 65 zur Einstellung des Gasdrucks (siehe Fig. 1) und/oder dem optischen Strahlteilungssys tem 41 (insbesondere zur Einstellung der Winkelstellung der zweiten l/4- Wellenplatte 43) ver bunden ist.
Mithilfe des Steuerungssystems 3 können beispielsweise eingestellt werden:
- die Pulsdauer At der Primärlaserpulse 11 der gepulsten Laserstrahlung 9,
- die Pulsenergie der Primärlaserpulse 11 der gepulsten Laserstrahlung 9,
- eine Elliptizität der eingestellten elliptischen Polarisation der gepulsten Laserstrahlung 9,
- die Fokusdurchmesser d in den Zwischenfokuszonen 29,
- die Rayleigh-Längen Lr der Zwischenfokuszonen 29 und
- ein Gasdruck des Gases 4 in den Zwischenfokuszonen 29.
Wie in Fig. 2B und Fig. 2C gezeigt trifft die Laserstrahlung 9 wiederholt auf die Spiegel 25A, 25B (jeweils mehrfach). Ergänzend können die Spiegel zur Dispersionsanpassung genutzt werden, indem sie als dispersive Spiegel ausgeführt werden. Weisen die Spiegel 25A, 25B zu mindest bei einer der Reflexionen eine dispersive Wirkung auf, kann direkt auf die Dispersion und damit die Pulsdauer der Primärlaserpulse 11 eingewirkt werden. Beispielsweise können eine oder mehrere der Auftreffbereiche 33 mit einer dispersiven Schicht versehen werden.
Eine dispersive Beschichtung 51 ist beispielhaft in Figur 2A für den Spiegel 25B gestrichelt angedeutet. Überdies kann jeder der Spiegel 25 A, 25B aus mehreren Spiegelsegmenten mit vorbestimmten dispersiven Eigenschaften aufgeb aut werden, wobei jedes der Spiegelsegmente in seiner Dispersion auf eine gewünschte Pulsdauer im Durchlauf durch die Mehrfachdurchgangszelle 5 angepasst wird. Entsprechend setzt sich die in der Mehrfach durchgangszelle 5 vorliegende Dispersion aus einem Dispersionsbeitrag der dispersiven Spie gel und einem Dispersionsbeitrag im gasgefüllten Volumen entlang des Strahlengangs 5A zu sammen.
In Fig. 1 ist ein beispielhaftes Spiegelsegment 53 angedeutet. Beim Umlauf der gepulsten La serstrahlung durch die Mehrfachdurchgangszelle trifft die Laserstrahlung (je nach Größe des Spiegelsegments) mindestens einmal auf das Spiegelsegment, das üblicherweise mindestens ein Ausmaß in der Größe des Strahldurchmessers D auf der Spiegeloberfläche aufweist.
Mit anderen Worten erlauben es die hierin vorgeschlagenen Konzepte, eine Dispersion, die beim Durchgang durch das gasgefüllte Volumen akkumuliert wird, durch geeignete dispersive Spiegelbeschichtungen (gechirpte Spiegel) zumindest teilweise zu kompensieren, um bei spielsweise vergleichbare Pulsdauem in den Zwischenfokuszonen beizubehalten oder die Pulsdauern gezielt zu variieren.
Zusätzlich zu der hierin vorausgehend diskutierten Verwendung der NER ermöglicht es die Mehrfachdurchgangszelle 5, die hochintensiven Primärlaserpulse in den Zwischenfokuszonen schrittweise spektral zu verbreitern. Die nichtlineare spektrale Verbreiterung wird durch die jeweils in einer Zwischenfokuszone vorliegende hohe Intensität und durch die Nichtlinearität des Brechungsindexes des gasförmigen Mediums in der Mehrfachdurchgangszelle 5 hervorge rufen.
Aufgrund der nichtlinearen spektralen Verbreiterung kann sich das Pulsspektrum von Zwi schenfokuszone zu Zwischenfokuszone ändern, und zwar im Wesentlichen bei gleichbleiben der Pulsdauer und gleichbleibender Pulsenergie. Wird die Mehrfachdurchgangszelle 5 mittels gechirpter Spiegel aufgebaut, kann die Pulsdauer überdies eingestellt werden. Beispielsweise kann sich die Pulsdauer von Durchgang zu Durchgang ändern (verkürzen oder verlängern). Entsprechend bleiben auch bei einer nichtlinearen spektralen Verbreiterung die Spitzenintensi täten in den Zwischenfokuszonen im Wesentlichen gleich.
Ein weiterer Vorteil kann sich im Zusammenhang mit der nichtlinearen spektralen Verbreite rung ergeben, wenn hierzu Laserstrahlung mit elliptischer Polarisation in der Mehrfachdurch gangszelle eingesetzt wird. So kann die spektrale Verbreiterung eventuell in sich glatter über das Frequenzspektrum hinweg erfolgen, sodass sich ein weniger strukturiertes Spektrum erge ben kann. Dies kann sich auf die anschließende Pulsformung und/oder Pulskompression posi tiv auswirken.
Fig. 2A zeigt die Ausbildung einer Zwischenfokuszone in einer Herriott-Zelle unter der An nahme von gekrümmten Herriott-Spiegeln. Nachfolgend werden geometrische Parameter für die Umsetzung einer Mehrfachdurchgangszelle im Rahmen der hierin vorgestellten Konzepte betrachtet.
Die Begrenzung der Pulsenergien von Primärlaserpulsen, die mit einer Mehrfachdurchgangs zelle im Kontrast erhöht (und optional spektral verbreitert) werden können, ergibt sich aus ei ner Vermeidung einer Laser-induzierten Beschädigung der (Herriott-)Spiegel und aus dem Io nisationsschwellwert des verwendeten Gases. Ein möglichst hoher Ionisationsschwellwert liegt bei der Verwendung von Helium als Gas 4 in der Mehrfachdurchgangszelle 5 bei ca. 3,42 10L14 W/cm2.
Die Laser-induzierte Beschädigung der Spiegel 25 A, 25B bedingt einen Mindestdurchmesser der Laserstrahlung 9 auf den gekrümmten Spiegel 25A, 25B. Der Ionisationsschwellwert be stimmt den kleinstmöglichen Fokusdurchmesser d in den Zwischenfokuszonen 29 mit Blick auf die Vermeidung einer Ionisation des Gases 4. Beide Parameter definieren gemeinsam eine notwendige Länge der Mehrfachdurchgangszelle 5, d.h., den Abstand der Spiegel, die bei spielsweise den konzentrischen Resonator aufbauen, sowie deren Krümmungsradius.
Hinsichtlich der Begrenzung durch die Multiphotonenionisation sei erwähnt, dass diese im Wesentlichen unabhängig vom Gasdruck in der Mehrfachdurchgangszelle ist.
In diesem Zusammenhang ist auch von Bedeutung, dass die für eine Ionisation benötigte elektrisches Feldstärke für zirkular/elliptisch polarisiertes Licht im Vergleich zu linear polari siertem Licht erhöht ist, sodass bei einem vergleichbaren Strahldurchmesser D auf den Spie geln 25A, 25B der mögliche Fokusdurchmesser d in den Zwischenfokuszonen 29 kleiner ge wählt werden kann. Dadurch ergibt sich allgemein eine Reduzierung des Spiegelabstands (bei spielsweise ein um mindestens einen Faktor 2 verkürzter Abstand der Spiegel 25A, 25B) im Vergleich zu einer mit linearer Polarisation betriebenen Mehrfachdurchgangszelle. Somit kann die Verwendung einer Mehrfachdurchgangszelle zur NER den positiven Nebeneffekt ha ben, dass die Mehrfachdurchgangszelle kompakter aufgebaut werden kann.
Für die Anwendung von hochintensiver Laserstrahlung kann es erforderlich sein, dass die Spiegel Pulsenergien von einigen 100 mJ bei Pulsdauern von einigen 100 fs, beispielsweise 500 fs oder kürzer aushalten. Für Ultrakurzpulse sind die Spiegel ferner breitbandig, z.B. auf einen Wellenlängenbereich auszulegen von z.B. 700 nm bis beispielsweise 1100 nm für Ultra kurzpulse aus einem Titan-Saphir-Laser oder 900 nm bis 1100 nm für Ultrakurzpulse aus La sern, die um 1000 nm emittieren, wie Nd:YAG oder Yb:YAG. Ferner können die Spiegel ei nen oder keinen Dispersionsbeitrag liefern, sodass evtl auch dispersive Beschichtungen zu be rücksichtigen sind.
Beispielhafte Parameter für eine Mehrfachdurchgangszelle und der ihr zugrunde liegenden Spiegel werden nachfolgend mit Verweis auf die Figuren 2A bis 2C erläutert. Für beschichtete Spiegel kann ein Laser induzierter Beschädigungsschwellwert von ca. 0,5 J/cm2 bei einer Pulsdauer von ca. 500 fs gemessen werden. Dieser Schwellwert wird üblicherweise dem Strahlzentrum zugeordnet. Unter Annahme eines Gauß-Strahls ergibt sich so für den ca. 500 fs-Laserpuls z.B. ein Schwellwert von ungefähr 0,1 J/cm2, sodass bei einem Sicherheitsfaktor von z.B. 3 die maximal zulässige Fluenz bei ca. 0,03 J/cm2 liegen würde.
Davon ausgehend ergibt sich z.B. ein Strahlradius von ungefähr 9 mm für 200 mJ-Pulseoder ein umgesetzter l/e2-Strahldurchmessers von ungefähr 13 mm auf den Spiegeln 25 A, 25B für die Mehrfachdurchgangszelle 5 mit eine erforderliche Brennweite f der Spiegel 25A, 25B (Krümmungsradius Rm) und entsprechend einer Länge der Mehrfachdurchgangszelle 5 (Spie gelabstand).
Für zirkular polarisiertes Licht (mit einer im Vergleich zu linear polarisiertem Licht reduzier ten (maximalen) elektrischen Feldstärke) kann ein reduzierter Spiegelabstand/ eine verkürzte Mehrfachdurchgangszellenlänge/Resonatorlänge L bei einem entsprechend kleineren Krüm mungsradius der Spiegel 25 A, 25B umgesetzt werden, vorausgesetzt der gleiche Strahldurch messer liegt auf den Spiegel vor. Mit Verweis auf das in Fig. 3 gezeigte Flussdiagramm werden die Schritte bei der hierin vor geschlagenen Vorgehensweise zur Kontrasterhöhung gepulster Laserstrahlung unter Verwen dung einer nichtlinearen elliptischen Polarisationsrotation erläutert.
Im Schritt 71 erfolgt ein Einstellen eines elliptischen Polarisationszustands 17A der gepulsten Laserstrahlung 9.
Im Schritt 73 erfolgt ein Einkoppeln der gepulsten Laserstrahlung 9 in eine Mehrfachdurch gangszelle 5, die aus zwei konkaven Spiegeln 25 A, 25B, die z.B. einen konzentrischen oder konfokalen Resonator ausbilden, gebildet wird. Die Mehrfachdurchgangszelle 5 (z.B. ein kon zentrische oder konfokaler Resonator) wird mehrfach unter Ausbildung einer Mehrzahl von Zwischenfokuszonen 29 durchlaufen, wobei die Mehrfachdurchgangszelle 5 mit einem Gas 4 gefüllt ist, das eine optische Nichtlinearität aufweist, die eine intensitätsabhängige Rotation einer Ausrichtung des elliptischen Polarisationszustands 17B der gepulsten Laserstrahlung 9 in den Zwischenfokuszonen 29 bewirkt. Entsprechend werden Strahlanteile mit unterschied lich ausgerichteten elliptischen Polarisationszuständen in der Mehrfachdurchgangszelle 5 er zeugt.
Im Schritt 75 erfolgt ein Auskoppeln der Strahlanteile mit unterschiedlich ausgerichteten ellip tischen Polarisationen aus der Mehrfachdurchgangszelle 5 und im Schritt 77 erfolgt ein Sepa rieren der ausgekoppelten Strahlanteile in einen Nutz-Strahlanteil 9A mit Primärlaserpulsen 1 G und einen Rest-Strahlanteil 9B mit niederintensiver Laserstrahlung.
Ferner kann gemäß der hierin offenbarten Vorgehensweise optional mindestens einer der fol genden Parameter zum Drehen der Ausrichtung eines der elliptischen Polarisationszustände in der Mehrfachdurchgangszelle 5 in einem vorausgehenden oder den Betrieb begleitenden Schritt 79 eingestellt werden:
- eine Pulsdauer At der Primärlaserpulse 11 der gepulsten Laserstrahlung 9,
- einer Pulsenergie der Primärlaserpulse 11 der gepulsten Laserstrahlung 9,
- eine Elliptizität des eingestellten elliptischen Polarisationszustands der gepulsten Laserstrah lung 9,
- Fokusdurchmesser d in den Zwischenfokuszonen 29,
- Rayleigh-Längen Lr der Zwischenfokuszonen 29,
- ein Gasdruck in den Zwischenfokuszonen 29 und - eine in der Mehrfachdurchgangszelle 5 akkumulierte Dispersion der Primärlaserpulse (11).
So kann beispielsweise ein Drehwinkel DQ von 90° für Primärlaserpulse 11 der gepulsten La serstrahlung 9 eingestellt werden
Zusammenfassend können die notwendigen nichtlinearen Bedingungen für eine NER zur Rei nigung der Laserstrahlung von niederenergetischen Beiträgen in einer als Herriott-Zelle aus gebildeten Mehrfachdurchgangszelle eingestellt werden. Wie erläutert erlauben es die hierin vorgeschlagenen optischen Systeme, dass im Wesentlichen sehr ähnliche (vergleichbare) Be dingungen der Nichtlinearität in den Zwischenfokuszonen der Mehrfachdurchlaufzelle vorge sehen werden können, beispielsweise aufgrund des vergleichbaren Gasdrucks und der ver gleichbaren Pulsdauern und Pulsenergien (und damit Pulsspitzenintensitäten) in den Zwi schenfokuszonen.
Überdies können die Pulsdauern und Pulsspitzenintensitäten ferner mit den angesprochenen dispersiven Spiegeln/Spiegelsegmenten zur Kompensation von (oft nur geringen) Pulsdauer verlängerungseffekten bei den einzelnen Durchläufen durch die Mehrfachdurchgangszelle ein gestellt werden. Insbesondere können bei der Verwendung von unterschiedlichen dispersiven Spiegelsegmenten zusätzliche Freiheiten für eine Dispersionskompensation und damit für eine Einstellung der Intensität in den Zwischenfokuszonen gewonnen werden.
Ferner ist es möglich, eine Sequenz von aufeinanderfolgenden Mehrfachdurchgangszellen nacheinander mit der Laserstrahlung zu durchlaufen. Dies erlaubt es, Gasbedingungen an die jeweils in den einzelnen Mehrfachdurchgangszellen vorliegenden Gruppen von Zwischenfo kuszonen differenziert einzustellen.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenba rung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der bean spruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.

Claims

Patentansprüche
1. Optisches System (3) zur Kontrasterhöhung von gepulster Laserstrahlung (9) unter Ver wendung einer nichtlinearen elliptischen Polarisationsrotation umfassend:
- eine erste Polarisationseinstelloptik (19) zum Einstellen eines elliptischen Polarisationszu stands (17B) der gepulsten Laserstrahlung (9),
- eine Mehrfachdurchgangszelle (5) mit mindestens zwei gegenüberliegenden Spiegeln (25A, 25B), die unter Ausbildung einer Mehrzahl von Zwischenfokuszonen (29) von der gepulsten Laserstrahlung (9) durchlaufen wird, wobei die Mehrfachdurchgangszelle (5) mit einem Gas (5A) gefüllt ist, das eine optische Nichtlinearität aufweist, die eine intensitätsabhängige Rota tion einer Ausrichtung des elliptischen Polarisationszustands (17B) der gepulsten Laserstrah lung (9) bewirkt, sodass die Mehrfachdurchgangszelle (5) aufgrund der intensitätsabhängigen Rotation Strahlanteile mit unterschiedlich ausgerichteten elliptischen Polarisationszuständen ausgibt, und
- ein optisches Strahlteilungssystem (41) zum Aufteilen der Strahlanteile mit unterschiedlich ausgerichteten elliptischen Polarisationszuständen.
2. Optisches System (3) nach Anspruch 1, wobei für eine Drehung der Ausrichtung eines der elliptischen Polarisationszustände, insbesondere zur Einstellung eines Drehwinkels (DQ) von 90°, mindestens einer der folgenden Parameter des optischen Systems (3) eingestellt ist oder einstellbar ist:
- ein Gasdruck in den Zwischenfokuszonen (29), wobei das optische System (3) als Gas ge füllte Zelle ausgebildet ist und das optische System (3) eine Druckeinstellvorrichtung (65) zur Einstellung des Gasdrucks in der mit dem Gas gefüllten Zelle aufweist, und/oder
- eine in der Mehrfachdurchgangszelle (5) vorliegende Dispersion, wobei optional mindestens einer der folgenden Parameter des optischen Systems (3) einge stellt ist oder einstellbar ist:
- eine Elliptizität der eingestellten elliptischen Polarisation der gepulsten Laserstrahlung (9),
- eine Anzahl von Zwischenfokuszonen (29) in der Mehrfachdurchgangszelle (5),
- Fokusdurchmesser (d) in den Zwischenfokuszonen (29) und
- Rayleigh-Längen (Lr) der Zwischenfokuszonen (29).
3. Optisches System (3) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Polarisationseinstelloptik (19) eine erste Wellenplatte (19A), optional eine l/4-Wellenplatte (19A) und/oder eine l/2- Wellenplatte (19B), umfasst.
4. Optisches System (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische System (3) ferner mindestens eine der folgenden optischen Komponenten umfasst:
- ein Pulsdauereinstellsystem (15) zum Einstellen einer Pulsdauer (At) von Primärlaserpulsen (11) der gepulsten Laserstrahlung (9),
- eine erste optische Teleskopanordnung (21), die dazu eingestellt ist, die gepulste Laserstrah lung (9) auf eine vorgegebene Mode in der Mehrfachdurchgangszelle (5) abzubilden und die optional strahlabwärts der ersten Polarisationseinstelloptik (19) angeordnet ist,
- einen Einkoppelspiegel (23) zum Einkoppeln der gepulsten Laserstrahlung (9) in die Mehr fachdurchgangszelle (5),
- einen Auskoppelspiegel (37) zum Weiterleiten der aus der Mehrfachdurchgangszelle (5) aus tretenden gepulsten Laserstrahlung (9) und
- eine zweite optische Teleskopanordnung (39), die dazu eingestellt ist, die aus der Mehrfach durchgangszelle (5) austretende gepulste Laserstrahlung (9) zu kollimieren.
5. Optisches System (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrfach durchgangszelle (5) ausgebildet ist
- mit einer vorbestimmten oder einstellbaren Anzahl von Zwischenfokuszonen (29), die mit den gegenüberliegenden Spiegeln (25A, 25B) in einem Resonator-Aufbau mit, insbesondere gleichen, Krümmungsradien der Spiegel (25A, 25B) erzeugt werden, wobei die Zwischenfo kuszonen (29) im Wesentlichen einen gleichen Durchmesser (d) und eine gleiche Rayleigh- Länge (Lr) aufweisen,
- zur Formung von Zwischenfokuszonen (29), die nebeneinander und optional sich teilweise überlagernd angeordnet sind,
- als mit einem nichtlinearen gasförmigen Medium, insbesondere einem Edelgas wie Helium oder Argon, gefüllte Zelle, wobei in jeder der Zwischenfokuszonen (29) der gleiche Gasdruck vorliegt,
- mit einer in den Zwischenfokuszonen (29) vorliegenden im Wesentlichen gleichbleibenden Pulsdauer (At) und im Wesentlichen gleichbleibenden Pulsenergie der durchlaufenden gepuls ten Laserstrahlung (9) und/oder - zur schrittweisen nichtlinearen spektralen Verbreiterung der durchlaufenden gepulsten La serstrahlung (9) in den Zwischenfokuszonen (29).
6. Optisches System (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ei ner der Spiegel (25 A, 25B) der Mehrfachdurchgangszelle (5)
- als konvexer Spiegel ausgebildet ist, wobei die Krümmungsradien insbesondere übereinstim men und/oder ein Abstand der Spiegel in einem Bereich von 95% bis 105% der Summe der Krümmungsradien liegt, und/oder
- als ein dispersiver Spiegel ausgebildet ist, dessen Dispersionsbeitrag einen dispersiven Bei trag mindestens eines Durchgangs eines Primärlaserpulses (11) der gepulsten Laserstrahlung (9) durch die Mehrfachdurchgangszelle kompensiert, und/oder
- mindestens ein Spiegelsegment (53) umfasst, auf das die gepulste Laserstrahlung (9) beim Umlauf der gepulsten Laserstrahlung durch die Mehrfachdurchgangszelle mindestens einmal trifft.
7. Optisches System (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrfach durchgangszelle (5) derart ausgebildet ist, dass ein Primärlaserpuls (11) der gepulsten Laser strahlung (9), dessen Kontrast im optischen System (3) erhöht werden soll, in den Zwischen fokuszonen (29) im Wesentlichen keine Veränderung in der Pulsdauer (At) und/oder Pulsener gie erfährt, und/oder
, wobei die Mehrfachdurchgangszelle (5) als, insbesondere konzentrischer oder konfokaler, Resonator ausgebildet ist.
8. Optisches System (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlan teile mit unterschiedlich ausgerichteten elliptischen Polarisationszuständen einen Nutz-Strahl- anteil mit Primärlaserpulsen (11) und einen Rest-Strahlanteil mit niederintensiver Laserstrah lung, die insbesondere ein Strahlungspodest und/oder den hochintensiven Laserpulsen (11) vorausgehende niederintensive Laserpulse (13A) und/oder nachfolgende niederintensive La serpulse (13B) aufweist, umfassen.
9. Optisches System (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Strahlteilungssystem (41) zum Aufteilen der Strahlanteile mit unterschiedlich ausgerichteten elliptischen Polarisationszuständen umfasst: - eine zweite Polarisationseinstelloptik zum Rückführen eines jeden der unterschiedlich ausge richteten elliptischen Polarisationszustände in einen linearen Polarisationszustand (47 A, 47B), wobei insbesondere die von der Mehrfachdurchgangszelle (5) ausgegebenen Strahlanteile mit unterschiedlich ausgerichteten elliptischen Polarisationszuständen in einen Nutz-Strahlanteil (9A) und einen Rest-Strahlanteil (9B) mit unterschiedlich ausgerichteten linearen Polarisati onszuständen (47A, 47B) überführt werden, und
- einen Strahlteiler (45), der den Nutz-Strahlanteil (9A) und den Rest-Strahlanteil (9B) auf un terschiedlichen Strahlwegen ausgibt.
10. Optisches System (3) nach Anspruch 9, wobei die zweite Polarisationseinstelloptik eine zweite Wellenplatte (43), optional eine l/4-Wellenplatte (43) und/oder eine l/2-Wellenplatte, umfasst.
11. Optisches System (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem Steuerungssystem (61), das für eine Drehung der Ausrichtung eines der elliptischen Polarisati onszustände, insbesondere zur Einstellung eines Drehwinkels (DQ) von 90°, mindestens zur Einstellung eines der folgenden Parameter ausgebildet ist:
- eine Pulsdauer (At) von Primärlaserpulsen (11) der gepulsten Laserstrahlung (9),
- einer Pulsenergie von Primärlaserpulsen (11) der gepulsten Laserstrahlung (9),
- eine Elliptizität der eingestellten elliptischen Polarisation der gepulsten Laserstrahlung (9),
- Fokusdurchmesser (d) in den Zwischenfokuszonen (29),
- Rayleigh-Längen (Lr) der Zwischenfokuszonen (29) und
- ein Gasdruck des Gases (4) in den Zwischenfokuszonen (29).
12. Lasersystem (1), insbesondere Ultrakurzpuls (UKP)-Lasersystem, zur Abgabe von ge pulster Laserstrahlung (9) umfassend
- eine Laserstrahlungsquelle (7), die gepulste Laserstrahlung (9) ausgibt, die Primärlaserpulse (11), insbesondere mit Pulsenergien Pulsdauem (At) im Bereich von einigen Hundert Fem- tosekunden und weniger, umfasst,
- optional ein Pulsdauereinstellsystem (15) zum Einstellen der Pulsdauer (At) der Primärlaser pulse (11),
- mindestens ein optisches System (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Kon trasterhöhung der gepulsten Laserstrahlung (9) unter Verwendung einer nichtlinearen elliptischen Polarisationsrotation in einer Mehrzahl von Zwischenfokuszone (29) einer Mehr fachdurchgangszelle (5), und
- optional ein optisches Pulsdauer-Kompressorsystem (49) zum Kompensieren eines dispersi- ven Beitrags des mindestens einen optischen Systems (9) und optional zum zeitlichen Kom primieren der Primärlaserpulse (11) der Laserstrahlung, falls diese eine nichtlineare spektrale Verbreiterung in mindestens einer der Zwischenfokuszonen (29) erfahren haben.
13. Lasersystem (1) nach Anspruch 12, wobei sich Gasbedingungen, insbesondere Gassorte und/oder Gasdruck, in einem ersten optischen System nach einem der vorhergehenden An sprüche von entsprechenden Gasbedingungen in einem zweiten optischen System nach einem der vorhergehenden Ansprüche unterscheiden.
14. Verfahren zur Kontrasterhöhung gepulster Laserstrahlung (9) unter Verwendung einer nichtlinearen elliptischen Polarisationsrotation, mit den Schritten:
- Einstellen eines elliptischen Polarisationszustands (17A) der gepulsten Laserstrahlung (9),
- Einkoppeln der gepulsten Laserstrahlung (9) in eine Mehrfachdurchgangszelle (5) mit min destens zwei Spiegeln (25A, 25B), die unter Ausbildung einer Mehrzahl von Zwischenfokus zonen (29) durchlaufen wird, wobei die Mehrfachdurchgangszelle (5) mit einem Gas (4) ge füllt ist, das eine optische Nichtlinearität aufweist, die eine intensitätsabhängige Rotation einer Ausrichtung des elliptischen Polarisationszustands (17B) der gepulsten Laserstrahlung (9) in den Zwischenfokuszonen (29) bewirkt, wodurch Strahlanteile mit unterschiedlich ausgerichte ten elliptischen Polarisationszuständen in der Mehrfachdurchgangszelle (5) erzeugt werden,
- Auskoppeln der Strahlanteile mit unterschiedlich ausgerichteten elliptischen Polarisationen aus der Mehrfachdurchgangszelle (5) und
- Separieren der ausgekoppelten Strahlanteile in einen Nutz-Strahlanteil (9A) mit Primärlaser pulsen (11’) und einen Re st- Strahl anteil (9B) mit niederintensiver Laserstrahlung.
15. Verfahren nach Anspruch 14, ferner mit
- Einstellen mindestens eines der folgenden Parameter zum Drehen der Ausrichtung eines der elliptischen Polarisationszustände in der Mehrfachdurchgangszelle (5), insbesondere zur Ein stellung eines Drehwinkels (DQ) von 90° für Primärlaserpulse (11) der gepulsten Laserstrah lung (9):
- ein Gasdruck in den Zwischenfokuszonen (29) und/oder - eine in der Mehrfachdurchgangszelle (5) akkumulierte Dispersion der Primärlaserpulse (11) und optional
- eine Pulsdauer (At) der Primärlaserpulse (11) der gepulsten Laserstrahlung (9),
- einer Pulsenergie der Primärlaserpulse (11) der gepulsten Laserstrahlung (9), - eine Elliptizität des eingestellten elliptischen Polarisationszustands der gepulsten Laserstrah lung (9),
- Fokusdurchmesser (d) in den Zwischenfokuszonen (29) und/oder
- Rayleigh-Längen (Lr) der Zwischenfokuszonen (29).
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei sich ferner ein den Primärpulsen (11) zuge ordnetes Pulsspektrum der gepulsten Laserstrahlung (9), insbesondere von Zwischenfokus zone zu Zwischenfokuszone, aufgrund einer nichtlinearen spektralen Verbreiterung in der Mehrfachdurchgangszelle (5) verbreitert, während gleichzeitig die Kontrasterhöhung stattfin- det.
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