DE102021127314A1 - Device and method for spectral broadening of a laser pulse - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (2) zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses (100) eines Laserstrahls (10) eines Lasers (1), wobei der Laserstrahl (10) in einen Resonator (22) eingekoppelt wird, der Laserstrahl (10) den Resonator (22) mehrfach durchläuft, der Laserpuls (100) des Laserstrahls (10) bei Durchgang durch den Resonator (22) durch nichtlineare Wechselwirkung mit einem nichtlinearen Medium spektral verbreitert wird, der Laserstrahl (10) bei mindestens einem Durchgang durch den Resonator (22) fokussiert wird, und der Laserstrahl (10) aus dem Resonator (22) ausgekoppelt wird, wobei der Strahlquerschnitt des Laserstrahls (10) im Fokus (30) elongiert ist, wobei der Fokus (30) bevorzugt ein Linienfokus ist.The present invention relates to a method and a device (2) for spectrally broadening a laser pulse (100) of a laser beam (10) of a laser (1), the laser beam (10) being coupled into a resonator (22), the laser beam (10 ) passes through the resonator (22) several times, the laser pulse (100) of the laser beam (10) is spectrally broadened when passing through the resonator (22) by nonlinear interaction with a nonlinear medium, the laser beam (10) passes through the resonator at least once (22) is focused, and the laser beam (10) is coupled out of the resonator (22), the beam cross section of the laser beam (10) being elongated in the focus (30), the focus (30) preferably being a line focus.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses eines Laserstrahls eines Lasers.The present invention relates to a device and a method for spectrally broadening a laser pulse of a laser beam of a laser.
Stand der TechnikState of the art
Es ist bekannt, Herriott-Zellen zur spektralen Pulsverbreiterung eines ultrakurzen Laserpulses eines Laserstrahls mittels Selbstphasenmodulation einzusetzen, siehe etwa T. Nagy et al. (2021) „Highenergy few-cycle pulses: post-compression techniques“, Advances in Physics: X, 6:1, 1845795 oder
Die maximal einsetzbare Pulsspitzenleistung des Laserstrahls wird hierbei jedoch begrenzt durch die lonisationsschwelle des Gases. Bei konventionellen Herriott-Zellen wird diese lonisationsschwelle des Gases recht schnell durch die hohe Intensität im Bereich der Fokuspunkte entlang der Rayleigh Länge erreicht.However, the maximum usable pulse peak power of the laser beam is limited by the ionization threshold of the gas. With conventional Herriott cells, this ionization threshold of the gas is reached very quickly due to the high intensity in the area of the focus points along the Rayleigh length.
Die maximal einsetzbare Leistung des Laserstrahls wird ferner begrenzt von der laserinduzierten Zerstörungsschwelle der eingesetzten Optik.The maximum power of the laser beam that can be used is also limited by the laser-induced destruction threshold of the optics used.
Zudem wird die Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung von einem weiteren nichtlinearen Effekt, der ebenfalls bei hohen Pulsspitzenleistungen im Bereich der Fokuspunkte entlang der Rayleigh Länge auftreten kann, nämlich die Bildung einer Kerr-Linse, die zu einer katastrophalen Selbstfokussierung führen kann, der ebenfalls bei hohen Intensitäten im Bereich der Fokuspunkte entlang der Rayleigh Länge auftritt, begrenzt.In addition, the strength of the nonlinear interaction is influenced by another nonlinear effect that can also occur at high pulse peak powers in the region of the focus points along the Rayleigh length, namely the formation of a Kerr lens, which can lead to catastrophic self-focusing, which can also occur at high intensities in the area of focus points along the Rayleigh length.
Eine Möglichkeit die Intensität des Laserstrahls im Bereich der Fokuspunkte zu reduzieren besteht darin, den Durchmesser der Fokuspunkte zu vergrößern. Dies kann beispielsweise durch einen kleineren Öffnungswinkel des Laserstrahls erreicht werden, was bei gleichbleibender Laserleistung zu einer Reduktion der Intensität in den Fokuspunkten führen würde. Jedoch wird ein kleinerer Öffnungswinkel des Laserstrahls durch eine längere Bauweise, beziehungsweise eine längere Brennweite der verwendeten Optiken der Herriott-Zelle erkauft, so dass die Intensität des Lasers unterhalb der Zerstörschwelle der verwendeten Optik gehalten werden kann. Dadurch können solche Herriott-Zellen für hohe Pulsenergien sehr groß werden. Beispielsweise können konventionelle Herriott-Zellen für Pulsenergien von über einem Joule mehr als 40m lang sein.One way to reduce the intensity of the laser beam in the area of the focus points is to increase the diameter of the focus points. This can be achieved, for example, by a smaller aperture angle of the laser beam, which would lead to a reduction in intensity in the focus points if the laser power remained the same. However, a smaller opening angle of the laser beam is bought at the expense of a longer design or a longer focal length of the optics used in the Herriott cell, so that the intensity of the laser can be kept below the damage threshold of the optics used. As a result, such Herriott cells can become very large for high pulse energies. For example, conventional Herriott cells for pulse energies greater than one joule can be more than 40m long.
Herriott-Zelle sind daher für hohe Pulsenergien kaum noch technisch effizient zu realisieren.Herriott cells can therefore hardly be realized technically efficiently for high pulse energies.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses eines Laserstrahls eines Lasers, sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.Proceeding from the known prior art, it is an object of the present invention to provide an improved device for spectrally broadening a laser pulse of a laser beam of a laser, and a corresponding method.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses eines Laserstrahls eines Lasers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.The object is achieved by a method for spectrally broadening a laser pulse of a laser beam of a laser having the features of
Entsprechend wird ein Verfahren zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses eines Laserstrahls eines Lasers vorgeschlagen, wobei der Laserstrahl in einen Resonator eingekoppelt wird, der Laserstrahl den Resonator mehrfach durchläuft, der Laserpuls des Laserstrahls beim Durchgang durch den Resonator durch nichtlineare Wechselwirkung mit einem nichtlinearen Medium spektral verbreitert wird, der Laserstrahl bei mindestens einem, bevorzugt bei mehreren oder bei jedem, Durchgang durch den Resonator fokussiert wird, und der Laserstrahl aus dem Resonator ausgekoppelt wird. Erfindungsgemäß ist der Strahlquerschnitt im Fokus elongiert, wobei der Fokus bevorzugt ein Linienfokus ist.Accordingly, a method for the spectral broadening of a laser pulse of a laser beam of a laser is proposed, the laser beam being coupled into a resonator, the laser beam passing through the resonator several times, the laser pulse of the laser beam being spectrally broadened as it passes through the resonator by nonlinear interaction with a nonlinear medium , the laser beam is focused in at least one, preferably in several or in each passage through the resonator, and the laser beam is coupled out of the resonator. According to the invention, the beam cross section is elongated in the focus, with the focus preferably being a line focus.
Der Ultrakurzpulslaser stellt hierbei die ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls zur Verfügung, wobei die einzelnen Laserpulse den Laserstrahl in der Strahlausbreitungsrichtung ausbilden. Die Strahlausbreitungsrichtung ist hier definitionsgemäß die z-Richtung.The ultra-short pulse laser makes the ultra-short laser pulses of the laser beam available, with the individual laser pulses forming the laser beam in the beam propagation direction. By definition, the beam propagation direction is the z-direction.
Einkoppeln kann bedeuten, dass der Laserstrahl von seiner ursprünglichen Trajektorie auf eine Trajektorie umgelenkt wird, auf dem der Laserstrahl den Resonator durchlaufen kann. Das Einkoppeln kann beispielsweise mittels einer Einkoppeloptik erreicht werden. Beispielsweise kann ein Spiegel als Einkoppeloptik den Laserstrahl ablenken. Es ist insbesondere möglich, dass der Resonator die Einkoppeloptik umfasst, oder ein optisches Element des Resonators als Einkoppeloptik wirkt. Insbesondere kann das Einkoppeln auch bereits eine Fokussierung des Laserstrahls umfassen. Die Einkoppeloptik kann aber auch in Form einer entsprechenden Durchgangsöffnung in einem Spiegel des Resonators vorgesehen sein.Coupling can mean that the laser beam is deflected from its original trajectory to a trajectory on which the laser beam can pass through the resonator. The coupling can be achieved, for example, by means of coupling optics. For example, a mirror as coupling optics can deflect the laser beam. In particular, it is possible for the resonator to include the in-coupling optics, or for an optical element of the resonator to act as in-coupling optics. In particular the coupling can also already include a focusing of the laser beam. However, the coupling optics can also be provided in the form of a corresponding passage opening in a mirror of the resonator.
Ein Resonator kann allgemein verstanden werden als eine Vorrichtung, in der der Laserstrahl für eine bestimmte Zeitdauer propagiert. Diese Zeitdauer ist über die Lichtgeschwindigkeit mit der optischen Weglänge des Resonators verknüpft. Eine solche zeitliche Speicherung des Laserstrahls wird typischerweise dadurch erreicht, dass der Laserstrahl zwischen dem Resonatoreingang und dem Resonatorausgang mehrfach reflektiert wird. Eine Reflexion findet hierbei bevorzugt an mindestens zwei Resonatorspiegeln mit einer reflektierenden Schicht statt, die den Laserstrahl zu beispielsweise mehr als 95%, bevorzugt mehr als 99% reflektiert, so dass durch die Reflexionen im Resonator nur geringe Energieverluste, oder bevorzugt keine Energieverluste, entstehen. Ein Durchgang des Laserstrahls durch den Resonator bezeichnet hierbei das Zurücklegen einer Wegstrecke im Resonator zwischen zwei Reflexionen.A resonator can be generally understood as a device in which the laser beam propagates for a certain period of time. This length of time is linked to the optical path length of the resonator via the speed of light. Such a temporal storage of the laser beam is typically achieved in that the laser beam is reflected multiple times between the resonator inlet and the resonator outlet. In this case, reflection preferably takes place on at least two resonator mirrors with a reflective layer that reflects the laser beam by more than 95%, preferably more than 99%, for example, so that the reflections in the resonator result in only low energy losses, or preferably no energy losses. A passage of the laser beam through the resonator describes the covering of a distance in the resonator between two reflections.
Auf der Wegstrecke zwischen zwei Reflexionen wird im vorliegenden Fall eine nichtlineare Wechselwirkung des Laserpulses des Laserstrahls mit dem nichtlinearen Medium erzeugt. Zu diesem Zweck liegt in dem Resonator beispielsweise als nichtlineares Medium eine Gasatmosphäre mit einem Gas vor. Das Gas kann beispielsweise Umgebungsluft oder gereinigte oder getrocknete Luft sein oder als Edelgas, beispielsweise Helium, Argon oder Krypton, vorliegen.In the present case, a non-linear interaction of the laser pulse of the laser beam with the non-linear medium is generated on the path between two reflections. For this purpose, for example, a gas atmosphere with a gas is present in the resonator as a non-linear medium. The gas can be, for example, ambient air or cleaned or dried air, or it can be in the form of an inert gas, for example helium, argon or krypton.
Als nichtlineares Medium kann auch ein flüssiges Medium verwendet werden.A liquid medium can also be used as the non-linear medium.
Zur Ausbildung einer das nichtlineare Medium ausbildenden Gasatmosphäre kann das Volumen des Resonators entsprechend gegenüber der Umgebung abgedichtet vorliegen, um Gas aufnehmen und speichern zu können oder über eine Zuleitung oder Ableitung oder ein anderes Mittel einen gewissen Gasdruck aufrecht gehalten werden kann.In order to form a gas atmosphere forming the non-linear medium, the volume of the resonator can be sealed off from the environment in order to be able to absorb and store gas or to be able to maintain a certain gas pressure via a supply line or discharge line or some other means.
Wird Umgebungsluft als das das nichtlineare Medium ausbildende Gas verwendet, so kann auf eine gasdichte Abdichtung der Vorrichtung gegenüber der Umgebung verzichtet werden.If ambient air is used as the gas forming the non-linear medium, there is no need for a gas-tight sealing of the device with respect to the environment.
Anteilsmäßig findet die größte spektrale Verbreiterung im Fokus und insbesondere im Bereich des Fokus entlang der Rayleigh Länge statt, da hier die Intensitäten am höchsten sind. Beim Durchlaufen des Gases in der Gasatmosphäre findet aber im Prinzip entlang des gesamten Laufwegs des Laserpulses durch das Gas eine spektrale Verbreiterung statt, die aber nur im Bereich der hohen Intensitäten nennenswert ist, wie nachfolgend dargelegt.Proportionally, the greatest spectral broadening takes place in the focus and in particular in the area of the focus along the Rayleigh length, since the intensities are highest here. When passing through the gas in the gas atmosphere, a spectral broadening takes place in principle along the entire path of the laser pulse through the gas, but this is only worth mentioning in the high-intensity range, as explained below.
Beispielsweise können der erste Resonatorspiegel und der zweite Resonatorspiegel rund sein und sich gegenüberstehen. Beispielsweise können der erste und der zweite Resonatorspiegel zwei Stirnseiten einer eine Gasatmosphäre abdichtenden Umhüllung bilden. Beispielsweise kann eine die Gasatmosphäre abdichtende Umhüllung zylindrisch sein, so dass um die zwei Resonatorseiten lediglich ein Zylindermantel gelegt werden muss. Es kann aber auch sein, dass die Umhüllung kubisch ist oder anders geformt ist und zwischen den verspiegelten Resonatorseiten ausgebildet ist. Es sind jedoch auch andere Geometrien denkbar.For example, the first resonator mirror and the second resonator mirror can be round and face each other. For example, the first and second resonator mirrors can form two end faces of an enclosure that seals off a gas atmosphere. For example, a cover that seals off the gas atmosphere can be cylindrical, so that only a cylinder jacket needs to be placed around the two sides of the resonator. However, it can also be the case that the cladding is cubic or has a different shape and is formed between the mirrored sides of the resonator. However, other geometries are also conceivable.
Um eine nennenswerte nichtlineare Wechselwirkung zwischen dem Laserpuls und dem nichtlinearen Medium herbeizuführen, sind hohe Intensitäten notwendig. Daher wird der Laserstrahl bei jedem Durchgang durch den Resonator fokussiert, wobei der Fokus bei den Durchgängen durch den Resonator mindestens einmal, bevorzugt immer, in dem nichtlinearen Medium liegt.In order to bring about a significant nonlinear interaction between the laser pulse and the nonlinear medium, high intensities are necessary. The laser beam is therefore focused on each passage through the resonator, with the focus being in the non-linear medium at least once, preferably always, during passages through the resonator.
Eine Fokussierung ist hierbei eine gezielte herbeigeführte Intensitätsüberhöhung des Laserstrahls, wobei die Intensität des Laserstrahls über die Laserenergie pro Querschnittsfläche definiert ist. Der Fokus des Laserstrahls ist der Punkt entlang der Strahlausbreitungsrichtung, in dem die Querschnittsfläche des Laserstrahls minimiert wird. Analog hierzu ist der Fokus des Laserstrahls der Punkt entlang der Strahlausbreitungsrichtung, in dem die Intensität maximal ist.In this case, focusing is a deliberately brought about increase in intensity of the laser beam, the intensity of the laser beam being defined by the laser energy per cross-sectional area. The focus of the laser beam is the point along the beam propagation direction where the cross-sectional area of the laser beam is minimized. Analogous to this, the focus of the laser beam is the point along the beam propagation direction where the intensity is maximum.
Die Querschnittsfläche des Laserstrahls wird in der x-y-Ebene gemessen, die orthogonal zur z-Achse steht. Der Strahldurchmesser ist definiert als der Durchmesser der Querschnittsfläche entlang der x-Achse beziehungsweise der y-Achse. Die x- und y-Achsen stehen hierbei nicht notwendigerweise senkrecht zueinander. Vielmehr können sie auch einen anderen Winkel miteinander einschließen, um die Symmetrie des Querschnitts des Laserstrahls besonders einfach abzubilden.The cross-sectional area of the laser beam is measured in the x-y plane, which is orthogonal to the z-axis. The beam diameter is defined as the diameter of the cross-sectional area along the x-axis and the y-axis, respectively. In this case, the x and y axes are not necessarily perpendicular to one another. Rather, they can also enclose a different angle with one another in order to depict the symmetry of the cross section of the laser beam in a particularly simple manner.
Alternativ und/oder ergänzend kann der Fokus auch darüber definiert werden, dass der Strahldurchmesser bezüglich einer Strahlebene minimiert wird. Eine Strahlebene ist jede Ebene in der die Strahlausbreitungsrichtung liegt. Beispielsweise sind die x-z-Ebene und die y-z-Ebene Strahlebenen. Wenn der Laserstrahl fokussiert wird, dann wird auch der Strahldurchmesser bezüglich der x-z-Ebene und/oder der y-z-Ebene minimiert.Alternatively and/or additionally, the focus can also be defined by minimizing the beam diameter with respect to a beam plane. A ray plane is any plane in which the direction of ray propagation lies. For example, the x-z plane and the y-z plane are beam planes. When the laser beam is focused, then the beam diameter is also minimized with respect to the x-z plane and/or the y-z plane.
Ursache für die nichtlineare Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem nichtlinearen Medium kann hierbei der Kerr-Effekt sein, nach dem die optischen Eigenschaften, beziehungsweise der Brechungsindex n, des nichtlinearen Mediums durch Anlegen eines elektrischen Feldes variiert werden können. Insbesondere kann hierbei ein Laserpuls das elektrische Feld darstellen, wobei hochenergetische Laserpulse, oder Laserpulse mit besonders großer Leistung, besonders große elektrische Felder bereitstellen. Dieser Effekt wird durch die Fokussierung des Laserpulses noch verstärkt.The reason for the non-linear interaction of the laser beam with the non-linear medium can be the Kerr effect, according to which the optical properties, or the refractive index n, of the non-linear medium can be varied by applying an electric field. In particular, a laser pulse can represent the electrical field, with high-energy laser pulses or laser pulses with particularly high power providing particularly large electrical fields. This effect is intensified by focusing the laser pulse.
In dem nichtlinearen Medium, beispielsweise dem Gas, wird durch die hohe Laserintensität im Fokus eine Variation des Brechungsindex erzeugt:
Der lineare Brechungsindex ist hierbei durch n0 gegeben und der nichtlineare Brechungsindex ist durch n2 gegeben. Die Intensität I hängt hierbei ab von der Strahlausbreitungsrichtung z, sowie von der Zeit t durch die veränderliche Intensität des Laserpulses. Beispielsweise ist bei Argon der nichtlineare Brechungsindex n2,Ar = 1,1×10-24 m2/W bei einem Gasdruck von 100mbar.The linear refractive index is given here by n 0 and the non-linear refractive index is given by n 2 . In this case, the intensity I depends on the beam propagation direction z and on the time t due to the variable intensity of the laser pulse. For example, in the case of argon, the non-linear refractive index is n 2,Ar = 1.1×10 -24 m 2 /W at a gas pressure of 100 mbar.
Zur Charakterisierung einer nichtlinearen Wechselwirkung kann auf das sogenannte B-Integral zurückgegriffen werden, welches ein Maß für einen nichtlinearen Phasenschub des Laserstrahls beim Durchgang durch das Gas ist. Das B-Integral ist definiert als:
Angenommen der nichtlineare Brechungsindex n2 ist konstant und der Laserstrahl wird fokussiert, dann ergeben sich nennenswerte Beiträge zum B-Integral lediglich in den Regionen des Laserstrahls, in denen er eine hohe Intensität aufweist, sprich im und um den Fokus herum, insbesondere im Bereich der Rayleigh Länge. Dies kann beispielsweise in dem Intervall der Fall sein, in dem die Intensität des Laserstrahls größer als 1/e der Intensität im Fokus ist.Assuming the nonlinear refractive index n 2 is constant and the laser beam is focused, then significant contributions to the B-integral arise only in the regions of the laser beam where it has a high intensity, i.e. in and around the focus, especially in the area of the Rayleigh length. This can be the case, for example, in the interval in which the intensity of the laser beam is greater than 1/e of the intensity at the focus.
Die Intensität des Laserpulses weist hierbei typischerweise eine starke Zeitabhängigkeit auf, da der Laser innerhalb der Pulsdauer von einer verschwindenden Intensität auf eine maximale Spitzenintensität ansteigt und wieder auf eine verschwindende Intensität abfällt. Aus der zeitlichen Abhängigkeit der Laserenergie, sprich dem zeitlichen Verlauf der Laserpulse, ergibt sich eine zeitliche Änderung des Brechungsindex:
Der Phasenschub des Laserstrahls lässt sich nun mittels
Hieraus ergibt sich nach dem Durchlaufen einer Strecke L durch das nichtlineare Medium ein nichtlinearer Phasenschub von
Hieraus ist unmittelbar ersichtlich, dass dies eine Frequenzänderung bewirkt, die durch den nichtlinearen Brechungsindex n2 verursacht wird:
Die steigende Flanke des Laserpulses führt wegen der positiven Zeitableitung zu einer Verringerung der Frequenz und somit zu einer Rotverschiebung des Laserpulses. Die abfallende Flanke am Pulsende hingegen führt wegen der negativen Zeitableitung zu einer Erhöhung der Frequenz und somit zu einer Blauverschiebung.Due to the positive time derivative, the rising edge of the laser pulse leads to a reduction in frequency and thus to a red shift of the laser pulse. The falling edge at the end of the pulse, on the other hand, leads to an increase in frequency due to the negative time derivative and thus to a blue shift.
Der Laserpuls wird somit durch die Propagation in dem nichtlinearen Medium spektral verbreitert. Den zugehörigen Prozess nennt man Selbstphasenmodulation. Es sei insbesondere darauf hingewiesen, dass die Selbstphasenmodulation auch von der Länge der durchlaufenen Strecke abhängt. Dementsprechend skaliert die Selbstphasenmodulation auch mit der Anzahl an Durchgängen durch den Resonator.The laser pulse is thus spectrally broadened by propagation in the non-linear medium. The associated process is called self-phase modulation. It should be noted in particular that the self-phase modulation also depends on the length of the route traversed. Accordingly, the self-phase modulation also scales with the number of passes through the resonator.
Ein weiterer wichtiger nichtlinearer Effekt ist die sogenannte Selbstfokussierung. Wie bereits gezeigt, ist der Brechungsindex n intensitätsabhängig. Bei einem beispielsweise Gauß'schen Laserstrahl, dessen Querschnitt stets die Form einer Gauß'schen Glockenkurve hat, ist die Intensität in der Strahlmitte am größten. Dadurch stellt das nichtlineare Medium für den Laserstrahl ab einer gewissen Leistung eine Linsenwirkung bereit.Another important non-linear effect is the so-called self-focusing. As already shown, the refractive index n depends on the intensity. In the case of a Gaussian laser beam, for example, whose cross section always has the shape of a Gaussian bell curve, the intensity is greatest in the center of the beam. As a result, the non-linear medium provides a lens effect for the laser beam above a certain power.
Eine katastrophale Selbstfokussierung tritt hierbei ab einer kritischen Pulsspitzenleistung Pcrit auf, wobei die Leistung P des Lasers proportional zur Laserintensität I und zur Querschnittsfläche A ist:
Die kritische Pulsspitzenleistung ist ein materialabhängiger Parameter und hängt von der Wellenlänge und dem nichtlinearen Brechungsindex n2 ab. Die katastrophale Selbstfokussierung zerstört hierbei gewissermaßen die Strahlform des in den Resonator eintretenden Laserstrahls und ist bestenfalls zu vermeiden. Mit anderen Worten kommt es durch die katastrophale Selbstfokussierung zu einem Strahlkollaps.The critical pulse peak power is a material-dependent parameter and depends on the wavelength and the non-linear refractive index n 2 . The catastrophic self-focusing destroys the beam shape of the laser beam entering the resonator to a certain extent and is to be avoided at best. In other words, catastrophic self-focusing results in beam collapse.
Bei unterhalb der kritischen Pulsspitzenleistung Pcrit liegenden Pulsspitzenleistungen kann bereits eine leichte Selbstfokussierung auftreten, die aber noch nicht zu einem Strahlkollaps führt.In the case of pulse peak powers lying below the critical pulse peak power P crit , slight self-focusing can already occur, but this does not yet lead to a beam collapse.
Der in den Resonator eintretende Laserstrahl kann ein Gauß-Profil aufweisen. Es sind aber auch andere Strahlprofile denkbar, wie beispielsweise Top-Hat Strahlprofile,The laser beam entering the resonator can have a Gaussian profile. However, other beam profiles are also conceivable, such as top-hat beam profiles,
Erfindungsgemäß ist der Strahlquerschnitt im Fokus elongiert.According to the invention, the beam cross section is elongated in the focus.
Das kann bedeuten, dass der Strahldurchmesser bezüglich einer ersten Strahlebene größer ist als bezüglich einer zweiten Strahlebene. Beispielsweise ist der Laserstrahl elongiert, wenn das Verhältnis der Strahldurchmesser bezüglich der x-Achse und der y-Achse größer als 1:2, bevorzugt größer als 1:3, bevorzugt größer als 1:5, besonders bevorzugt größer als 1:10 ist. Beispielsweise kann ein Laserstrahl im Fokus entlang der x-Achse einen Durchmesser von 1 cm aufweisen und entlang der y-Achse einen Durchmesser von 5cm aufweisen. Dann ist der Strahlquerschnitt elongiert.This can mean that the beam diameter is larger with respect to a first beam plane than with respect to a second beam plane. For example, the laser beam is elongated when the ratio of the beam diameters with respect to the x-axis and the y-axis is greater than 1:2, preferably greater than 1:3, preferably greater than 1:5, particularly preferably greater than 1:10. For example, a focused laser beam may have a diameter of 1 cm along the x-axis and a diameter of 5 cm along the y-axis. Then the beam cross-section is elongated.
Dadurch kann erreicht werden, dass die Intensität des Laserstrahls im Fokus herabgesetzt wird, da sich die Laserenergie auf eine größere Fläche als bei einem punktförmigen Fokus verteilt. Durch die herabgesetzte Intensität im Fokus können insbesondere auch Laserpulse mit größeren Pulsspitzenleistungen spektral verbreitert werden, bevor eine katastrophale Selbstfokussierung eintritt. Gleichzeitig kann durch die geringe Intensität des Laserstrahls im Fokus ein Überschreiten der lonisationsschwelle des Gases vermieden werden. Dadurch wird eine kürzere Bauweise des Resonators ermöglicht, da größere Öffnungswinkel eingesetzt werden können. Kurzum erlaubt der elongierte Strahlfokus die spektrale Verbreiterung von hochenergetischen Laserpulsen.In this way it can be achieved that the intensity of the laser beam is reduced in the focus, since the laser energy is distributed over a larger area than with a punctiform focus. Due to the reduced intensity in the focus, in particular, laser pulses with larger pulse peak powers can also be spectrally broadened before catastrophic self-focusing occurs. At the same time, the low intensity of the laser beam in the focus avoids exceeding the ionization threshold of the gas. This enables a shorter construction of the resonator, since larger opening angles can be used. In short, the elongated beam focus allows the spectral broadening of high-energy laser pulses.
Der Fokus kann ein Linienfokus sein.The focus can be a line focus.
Ein Linienfokus kann hierbei von einer Optik erzeugt werden, die den Laserstrahl lediglich bezüglich einer Strahlebene fokussiert. Insbesondere kann eine Zylinderoptik den Laserstrahl lediglich entlang einer Strahlebene fokussieren.A line focus can be generated by optics that only focus the laser beam with respect to one beam plane. In particular, cylinder optics can only focus the laser beam along one beam plane.
Durch eine Optik, die den Laserstrahl lediglich bezüglich einer Achse fokussiert, wird somit definitionsgemäß ein Linienfokus erzeugt. Ein Fokus ist im allgemeinen jedoch ein Linienfokus, wenn das Verhältnis der Strahldurchmesser bezüglich der x-Achse und der y-Achse größer als 1:10, bevorzugt größer als 1:100, ist.By definition, a line focus is generated by an optic that only focuses the laser beam with respect to one axis. However, a focus is generally a line focus if the ratio of the beam diameters with respect to the x-axis and the y-axis is greater than 1:10, preferably greater than 1:100.
Durch einen Linienfokus kann das Verfahren besonders gut kontrolliert werden, da die Wechselwirkungszonen zwischen dem Laserstrahl und dem Gas besonders gleichförmig sind und lediglich bezüglich einer Strahlebene kontrolliert und überwacht werden muss.The method can be controlled particularly well by means of a line focus, since the interaction zones between the laser beam and the gas are particularly uniform and only have to be controlled and monitored with respect to one beam plane.
Die Intensität des Laserstrahls kann kleiner als die lonisationsschwelle eines als nichtlineares Medium verwendeten Gases sein.The intensity of the laser beam can be smaller than the ionization threshold of a gas used as non-linear medium.
Kleiner als die lonisationsschwelle kann hierbei bedeuten, dass in dem Fokusvolumen, in dem beispielsweise mehr als 50%, bevorzugt mehr als 75%, besonders bevorzugt mehr als 90%, der spektralen Verbreiterung aufgesammelt werden, weniger als 50%, bevorzugt weniger als 25%, besonders bevorzugt weniger als 10% des dort vorhandenen Gases ionisiert werden.Smaller than the ionization threshold can mean that in the focus volume in which, for example, more than 50%, preferably more than 75%, particularly preferably more than 90%, of the spectral broadening is collected, less than 50%, preferably less than 25% , more preferably less than 10% of the gas present there are ionized.
Durch eine Ionisierung des Gases ändert sich der Brechungsindex und der nichtlineare Brechungsindex, da sich die Verteilung der elektrischen Ladungsträger in dem Gas ändert. Eine Ionisierung des Gases führt schließlich dazu, dass die spektrale Verbreiterung des Laserpulses nicht mehr kontrolliert werden kann oder unkontrolliert verläuft.Ionization of the gas changes the refractive index and the non-linear refractive index, since the distribution of the electrical charge carriers in the gas changes. Eventually, ionization of the gas means that the spectral broadening of the laser pulse can no longer be controlled or is uncontrolled.
Die Pulsleistung des Laserpulses des Laserstrahls kann kleiner als die kritische Pulsspitzenleistung sein.The pulse power of the laser pulse of the laser beam can be less than the critical pulse peak power.
Dadurch wird eine katastrophale Selbstfokussierung und damit ein Strahlkollaps vermeiden.This avoids catastrophic self-focusing and hence beam collapse.
Die nichtlineare Phasenverschiebung, gegeben durch das B-Integral, kann pro Durchgang zwischen π/20und 4π, bevorzugt zwischen π/10 und 2π betragen.The non-linear phase shift, given by the B integral, can be between π/20 and 4π, preferably between π/10 and 2π, per pass.
Dadurch ist der gesamte Wechselwirkungsprozess zwischen dem Laser und dem Gas gut kontrollierbar.As a result, the entire interaction process between the laser and the gas can be easily controlled.
Der Laserstrahl kann in zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen durch den Resonator so fokussiert werden dass die elongierten Strahlquerschnitte der Foki in unterschiedlichen Strahlebenen oder in derselben Strahlebene liegen.The laser beam can be passed through the resonator in two consecutive passes are focused so that the elongated beam cross-sections of the foci are in different beam planes or in the same beam plane.
Beispielsweise kann der Laserstrahl in einem ersten Durchgang durch den Resonator so fokussiert werden, dass der elongierte Strahlquerschnitt im Fokus in der x-z-Ebene liegt und in einem zweiten Durchgang so, dass er in der y-z-Ebene liegt. Es kann aber auch sein, dass der Laserstrahl in zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen beispielsweise in der x-z-Ebene fokussiert wird.For example, the laser beam can be focused in a first pass through the resonator so that the elongated beam cross-section is in focus in the x-z plane and in a second pass so that it is in the y-z plane. However, it can also be the case that the laser beam is focused in two consecutive passes, for example in the x-z plane.
Dies hat den Vorteil, dass der Resonator und die Einkoppeloptik auf unterschiedliche Weisen konstruiert und konfiguriert werden können, um eine möglichst einfache und kostengünstige Justage zu ermöglichen.This has the advantage that the resonator and the in-coupling optics can be constructed and configured in different ways in order to enable adjustment that is as simple and inexpensive as possible.
Entsprechende Ausführungsformen werden weiter unten vorgestellt.Corresponding embodiments are presented further below.
Der Laserstrahl kann den Resonator und somit insbesondere das nichtlineare Medium mehr als 4 mal, bevorzugt mehr als 8 mal, besonders bevorzugt mehr als 10 mal durchlaufen.The laser beam can pass through the resonator and thus in particular the non-linear medium more than 4 times, preferably more than 8 times, particularly preferably more than 10 times.
Dadurch kann einerseits die zu erzielende spektrale Verbreiterung auf mehrere Durchgänge durch den Resonator aufgeteilt werden, so dass die Intensität des Laserstrahls sicher unter der kritischen Pulsspitzenleistung gehalten werden kann. Der Laserstrahl muss dementsprechend nicht zu stark fokussiert werden, um die gewünschte spektrale Verbreiterung zu erzielen.As a result, on the one hand, the spectral broadening to be achieved can be divided over several passages through the resonator, so that the intensity of the laser beam can be kept safely below the critical pulse peak power. Accordingly, the laser beam does not have to be focused too much in order to achieve the desired spectral broadening.
Andererseits hängt die spektrale Verbreiterung, wie oben gezeigt, von der Länge L ab, in der der Laserpuls mit dem nichtlinearen Medium wechselwirkt. Wenn der Laserstrahl das nichtlineare Medium beispielsweise mehr als 4 mal durchläuft, dann kann der Laserstrahl auch ein 4 mal größeres B-Integral aufsammeln. Somit können auch besonders große spektrale Verbreiterungen der Laserpulse erzielt werden.On the other hand, as shown above, the spectral broadening depends on the length L in which the laser pulse interacts with the nonlinear medium. For example, if the laser beam traverses the nonlinear medium more than 4 times, then the laser beam can also collect a B integral that is 4 times larger. In this way, particularly large spectral broadening of the laser pulses can also be achieved.
Durch die spektrale Verbreiterung des Laserpulses kann die Laserpulsdauer dann in einem nachfolgenden Kompressor (beispielsweise Gitterkompressor) auf weniger als das 0,9-fache, bevorzugt auf weniger als das 0,7-fache der ursprünglichen Pulsdauer komprimiert werden.Due to the spectral broadening of the laser pulse, the laser pulse duration can then be compressed in a subsequent compressor (for example a lattice compressor) to less than 0.9 times, preferably to less than 0.7 times, the original pulse duration.
Dies liegt anschaulich darin begründet, dass der Frequenzraum und der Zeitraum durch eine Fourier-Transformation miteinander verknüpft sind. Beispielsweise ist eine Bandbreite Δf im Frequenzraum umgekehrt proportional zur Dauer des Signals Δt im Zeitraum:
Beispielsweise kann ein Laserpuls ursprünglich eine Pulsdauer von 1ps aufweisen und nach der spektralen Verbreiterung dann eine Fourier-limitierte Pulsdauer von 0,7ps aufweisen, die durch eine nachfolgende Pulskompression erreicht werden kann.For example, a laser pulse can originally have a pulse duration of 1 ps and then, after spectral broadening, have a Fourier-limited pulse duration of 0.7 ps, which can be achieved by subsequent pulse compression.
Durch die spektrale Verbreiterung des Laserpulses kann somit insbesondere durch einen nachgeschalteten Pulskompressor eine Verkürzung der Laserpulsdauer herbeigeführt werden. Eine entsprechende Pulskompression kann ebenfalls durch mindestens einen gechirpten Spiegel erzielt werden, der insbesondere auch ein Teil einer Auskoppeloptik sein kann.Due to the spectral broadening of the laser pulse, a shortening of the laser pulse duration can thus be brought about, in particular by a downstream pulse compressor. A corresponding pulse compression can also be achieved by at least one chirped mirror, which in particular can also be part of a decoupling optics.
Die Pulsspitzenleistung Pp der Laserpulse des Laserstahls kann von 80 Megawatt (MW) bis 1 Petawatt (PW) liegen. Die Pulsspitzenleistung bestimmt sich als Quotient aus der Pulsenergie EP des Laserpulses des Laserstrahls durch die Pulsdauer tp des Laserpulses multipliziert mit einem Faktor s für die Pulsform:
Beispielsweise für einen gaussförmigen Puls ist der Faktor s ≈ 0,94.For example, for a Gaussian pulse, the factor s is ≈ 0.94.
Dadurch lassen sich Laserpulse mit einer besonders großen Bandbreite erzeugen.As a result, laser pulses with a particularly large bandwidth can be generated.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses eines Laserstrahls eines Lasers mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.The object set above is also achieved by a device for spectrally broadening a laser pulse of a laser beam of a laser having the features of claim 8. Advantageous developments of the method result from the dependent claims and the present description and the figures.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum spektralen Verbreiten eines Laserpulses eines Laserstrahls vorgeschlagen, umfassend einen Resonator, in dem ein nichtlineares Medium vorliegt, und eine Auskoppeloptik, wobei die Einkoppeloptik dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl in den Resonator einzukoppeln, wobei der Resonator dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl mehrfach durch das nichtlineare Medium zu führen, wobei der Laserpuls des Laserstrahls durch eine nichtlineare Wechselwirkung mit dem nichtlinearen Medium spektral verbreitert wird, wobei der Resonator und/oder die Einkoppeloptik dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl zu fokussieren, wobei der Laserstrahl bei mindestens einem, bevorzugt bei mehreren oder bei jedem, Durchgang durch den Resonator fokussiert ist, wobei die Auskoppeloptik dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl aus dem Resonator auszukoppeln. Erfindungsgemäß ist der Strahlquerschnitt im Fokus elongiert. Hierbei kann der Fokus insbesondere ein Linienfokus sein.Accordingly, a device for spectrally spreading a laser pulse of a laser beam is proposed, comprising a resonator in which a nonlinear medium is present, and coupling-out optics, the coupling-in optics being set up to couple the laser beam into the resonator, the resonator being set up to Leading the laser beam multiple times through the non-linear medium, the laser pulse of the laser beam being spectrally broadened by a non-linear interaction with the non-linear medium, the resonator and/or the coupling optics being set up to focus the laser beam, the laser beam being at least one preferably at several or at each, passage through the resonator is focused, the off coupling optics is set up to decouple the laser beam from the resonator. According to the invention, the beam cross section is elongated in the focus. In this case, the focus can in particular be a line focus.
In einem ersten Ausführungsbeispiel kann die Einkoppeloptik ein nicht-rotationssymmetrischer Spiegel sein, bevorzugt ein Zylinderspiegel sein, und der Resonator kann mindestens zwei gegenüberliegende rotationssymmetrische Resonatorspiegel aufweisen, bevorzugt sphärische Resonatorspiegel aufweisen, wobei bevorzugt die Auskoppeloptik ein nicht rotationssymmetrischer Spiegel, bevorzugt ein Zylinderspiegel ist.In a first exemplary embodiment, the coupling-in optics can be a non-rotationally symmetrical mirror, preferably a cylinder mirror, and the resonator can have at least two opposing, rotationally symmetric resonator mirrors, preferably spherical resonator mirrors, with the decoupling optics preferably being a non-rotationally symmetrical mirror, preferably a cylinder mirror.
Ein Spiegel ist hierbei nicht-rotationssymmetrisch, wenn die Oberfläche keine Rotationssymmetrie aufweist. Insbesondere ist ein nicht-rotationssymmetrischer Spiegel kein sphärischer Spiegel. Beispielsweise ist ein Zylinderspiegel ein nicht-rotationssymmetrischer Spiegel. Wenn der Spiegel einen parabolischen Querschnitt (anstatt einen zylindrischen) und eine Längsachse aufweist, dann ist er ebenfalls nicht-rotationssymmetrisch. Auch eine sogenannte Asphäre kann ein nicht-rotationssymmetrischer Spiegel sein. Neben einem sphärischen Spiegel ist auch ein parabolischer Spiegel rotationssymmetrisch.A mirror is non-rotationally symmetrical if the surface has no rotational symmetry. In particular, a non-rotationally symmetrical mirror is not a spherical mirror. For example, a cylindrical mirror is a non-rotationally symmetrical mirror. If the mirror has a parabolic cross-section (rather than cylindrical) and a longitudinal axis, then it is also non-rotationally symmetrical. A so-called asphere can also be a non-rotationally symmetrical mirror. In addition to a spherical mirror, a parabolic mirror is also rotationally symmetrical.
Im folgenden Beispiel wird stellvertretend für einen nicht-rotationssymmetrischen Spiegel ein Zylinderspiegel verwendet und für einen rotationssymmetrischen Resonatorspiegel ein sphärischer Spiegel.In the following example, a cylindrical mirror is used as a representative of a non-rotationally symmetrical mirror and a spherical mirror is used for a rotationally symmetrical resonator mirror.
Beispielsweise fällt ein kollimierter Laserstrahl in der z-Richtung auf einen konvexen Zylinderspiegel, die die Einkoppeloptik ist, wobei die Zylinderachse parallel zur x-Achse steht. Dann ergeben sich aus der Zylindersymmetrie zwei relevante Strahlebenen in denen die Propagation und Fokussierung des Laserstrahls beschrieben werden kann, nämlich die x-z-Ebene und die y-z-Ebene.For example, a collimated laser beam falls in the z-direction onto a convex cylinder mirror, which is the launching optics, with the cylinder axis parallel to the x-axis. The cylindrical symmetry then results in two relevant beam planes in which the propagation and focusing of the laser beam can be described, namely the x-z plane and the y-z plane.
Zum einen wird der Laserstrahl in der x-z-Ebene ohne Modifikation der Strahlpropagation reflektiert (Merke: „x wie ohne Modifikation“), da der Zylinderspiegel in dieser Ebene keine Krümmung aufweist. Sprich der Strahldurchmesser bleibt in der x-z-Ebene gleich groß, beziehungsweise der Laserstrahl bleibt bezüglich der x-z-Ebene kollimiert.On the one hand, the laser beam is reflected in the x-z plane without modification of the beam propagation (note: "x as without modification"), since the cylindrical mirror has no curvature in this plane. In other words, the beam diameter remains the same in the x-z plane, or the laser beam remains collimated with respect to the x-z plane.
Zum anderen wird der Laserstrahl in der y-z-Ebene fokussiert (Merke: „y wie in Zylinder“), da der Zylinderspiegel in dieser Ebene die Zylinderkrümmung aufweist. Trägt man den Strahldurchmesser bezüglich der y-z-Ebene als Funktion der z-Koordinate auf, so nimmt der Strahldurchmesser bezüglich der y-z-Ebene stetig ab, bis er ein Minimum im Fokuspunkt erreicht. Anschließend nimmt der Strahldurchmesser bezüglich der y-z-Ebene wieder zu. Mit anderen Worten konvergiert der Laserstrahl in der y-z-Ebene zum Fokus hin und divergiert anschließend vom Fokus weg.On the other hand, the laser beam is focused in the y-z plane (note: "y as in cylinder"), since the cylinder mirror has the cylinder curvature in this plane. If the beam diameter in the y-z plane is plotted as a function of the z coordinate, the beam diameter in the y-z plane steadily decreases until it reaches a minimum at the focal point. The beam diameter then increases again with respect to the y-z plane. In other words, the laser beam converges in the y-z plane towards the focus and then diverges away from the focus.
Indem der Strahldurchmesser in x-z-Ebene konstant ist und der Strahldurchmesser bezüglich der y-z-Ebene minimiert wird, wird auch die Querschnittsfläche des Laserstrahls minimiert. In dem Minimum des Strahldurchmessers bezüglich der y-z-Ebene erreicht der Laserstrahl somit ein Intensitätsmaximum.By keeping the beam diameter constant in the x-z plane and minimizing the beam diameter with respect to the y-z plane, the cross-sectional area of the laser beam is also minimized. In the minimum of the beam diameter with respect to the y-z plane, the laser beam thus reaches an intensity maximum.
Der Laserstrahl kann somit zwischen der Einkoppeloptik und dem ersten Resonatorspiegel einen Fokus aufweisen, der auch bereits in dem nichtlinearen Medium liegen kann.The laser beam can thus have a focus between the in-coupling optics and the first resonator mirror, which can also already be in the non-linear medium.
Nach dem Durchlaufen des Fokus divergiert der Laserstrahl in der y-z-Ebene. Anschließend trifft der Laserstrahl auf den ersten Resonatorspiegel, wo der Laserstrahl bezüglich der y-z-Ebene kollimert wird, wohingegen der Laserstrahl nun durch die Wechselwirkung mit dem ersten sphärischen Resonatorspiegel in der x-z-Ebene fokussiert wird. Gewissermaßen wird durch die Kombination von nicht-rotationssymmetrischer (zylindrischer) Einkoppeloptik und rotationssymmetrischem (sphärischem) Resonatorspiegel ein Wechsel der Fokusebene vorgenommen.After passing through the focus, the laser beam diverges in the y-z plane. Subsequently, the laser beam impinges on the first resonator mirror where the laser beam is collimated with respect to the y-z plane, whereas the laser beam is now focused in the x-z plane by interaction with the first spherical resonator mirror. To a certain extent, the focal plane is changed by the combination of non-rotationally symmetrical (cylindrical) coupling optics and a rotationally symmetrical (spherical) resonator mirror.
Dementsprechend weist der Laserstrahl zwischen dem ersten und dem zweiten sphärischen Resonatorspiegel, beziehungsweise beim ersten Durchgang durch den Resonator einen Fokus in der x-z-Ebene auf. Der Fokus erstreckt sich hierbei in die y-z-Ebene und ist somit elongiert, beziehungsweise ein Linienfokus.Accordingly, the laser beam has a focus in the x-z plane between the first and the second spherical resonator mirror, or during the first passage through the resonator. The focus here extends into the y-z plane and is therefore elongated, or a line focus.
Nach dem ersten Durchgang trifft der Laserstrahl auf den zweiten sphärischen Resonatorspiegel, wo der Laserstrahl bezüglich der x-z-Ebene wieder kollimiert wird und bezüglich der y-z-Ebene fokussiert wird.After the first pass, the laser beam hits the second spherical resonator mirror where the laser beam is re-collimated with respect to the x-z plane and is focused with respect to the y-z plane.
Dementsprechend wechselt sich eine Fokussierung des Laserstrahls zwischen der x-z-Ebene und der y-z-Ebene bei aufeinanderfolgenden Durchgängen durch den Resonator ab. Insbesondere wird in dieser Ausführungsform der Laserstrahl bei jedem Durchgang nur einmal fokussiert. Mit anderen Worten wird eine gleiche Ausrichtung des Strahlquerschnitts nur bei jedem zweiten Durchgang erreicht, was einer sogenannten 4f-Abbildung entspricht.Accordingly, focusing of the laser beam alternates between the x-z plane and the y-z plane on successive passes through the resonator. In particular, in this embodiment the laser beam is focused only once in each pass. In other words, the same alignment of the beam cross section is only achieved with every second pass, which corresponds to a so-called 4f image.
Die Einkoppeloptik kann auch in Form einer Durchgangsöffnung in einem der Spiegel des Resonators ausgebildet sein, so dass auf diese Weise ein Einkoppeln des Laserstrahls in den Resonator erreicht werden kann.The coupling optics can also be designed in the form of a passage opening in one of the mirrors of the resonator, so that in this way a Coupling of the laser beam can be achieved in the resonator.
Es kann aber auch sein, dass die Einkoppeloptik ein astigmatischer Spiegel ist, der in zwei verschiedenen typischerweise orthogonalen Spiegelebenen, der Sagittalebene und der Meridionalebene, zwei verschiedene Brennweiten aufweist. Beispielsweise kann die Sagittalebene mit der x-y-Ebene zusammenfallen und die y-z-Ebene mit der Meridionalebene zusammenfallen. Beispielsweise kann der Spiegel in der Sagittalebene eine größere Brennweite aufweisen als in der Meridionalebene. Dann ergeben sich aus den zwei Spiegelebenen zwei relevante Strahlebenen in denen die Propagation und Fokussierung des Laserstrahls beschrieben werden können:
- In der Meridionalebene wird der Laserstrahl dank der kleineren Brennweite in Strahlausbreitungsrichtung zuerst fokussiert, sprich der Strahldurchmesser bezüglich der Meridionalebene des Laserstrahls wird in dem ersten Fokus minimiert. Entsprechend ist der Strahldurchmesser bezüglich der Meridionalebene im Fokus kleiner als in der Sagittalebene. Es ergibt sich somit bei einem astigmatischen Spiegel ein Linienfokus, der sich in der Sagittalebene erstreckt.
- Thanks to the smaller focal length in the direction of beam propagation, the laser beam is first focused in the meridional plane, i.e. the beam diameter in relation to the meridional plane of the laser beam is minimized in the first focus. Accordingly, the beam diameter in relation to the meridional plane is smaller in the focus than in the sagittal plane. With an astigmatic mirror, this results in a line focus that extends in the sagittal plane.
Anschließend wächst der Strahldurchmesser bezüglich der Meridionalebene wieder an, wohingegen der Strahldurchmesser in der Sagittalebene weiter reduziert wird, bis dieser im Fokus der Sagittalebene minimal ist. Es ergibt sich somit bei einem astigmatischen Spiegel ein weiterer Linienfokus, der sich in die Meridionalebene erstreckt.The beam diameter then increases again with respect to the meridional plane, while the beam diameter in the sagittal plane is further reduced until it is minimal in the focus of the sagittal plane. In the case of an astigmatic mirror, this results in a further line focus that extends into the meridional plane.
Bei beiden ausgeführten Einkoppeloptiken ist der Linienfokus dazu geeignet, eine nichtlineare Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem nichtlinearen Medium durch die Intensitätsüberhöhung herbeizuführen. Jedoch ist die Intensität durch den elongierten Fokus gering genug, um eine kritische Selbstfokussierung zu vermeiden. Durch die nichtlineare Wechselwirkung mit dem nichtlinearen Medium erfährt der Laserpuls wie oben beschrieben eine spektrale Verbreiterung.In both of the coupling optics designed, the line focus is suitable for bringing about a non-linear interaction of the laser beam with the non-linear medium by increasing the intensity. However, due to the elongated focus, the intensity is low enough to avoid critical self-focusing. Due to the non-linear interaction with the non-linear medium, the laser pulse experiences a spectral broadening, as described above.
Nachdem der Laserstrahl genügend stark spektral verbreitert wurde, kann der Laserstrahl durch eine Auskoppeloptik aus dem Resonator ausgekoppelt werden. Die Auskoppeloptik kann hierbei den Laserstrahl erneut kollimieren. Hierzu kann die Auskoppeloptik nicht-rotationssymmetrisch ausgebildet sein, insbesondere zylinderförmig ausgebildet sein, um die entsprechende Konvergenz des Laserstrahls zu beseitigen.After the laser beam has been broadened spectrally to a sufficient extent, the laser beam can be coupled out of the resonator by means of a coupling optic. The decoupling optics can collimate the laser beam again. For this purpose, the decoupling optics can be non-rotationally symmetrical, in particular cylindrical, in order to eliminate the corresponding convergence of the laser beam.
Die Auskoppeloptik kann hierbei beispielsweise mindestens einen gechirpten Spiegel aufweisen oder ein gechripter Spiegel sein, um eine zeitliche Pulskompression des spektral verbreiterten Laserpulses zu erreichen.The decoupling optics can have, for example, at least one chirped mirror or be a chirped mirror in order to achieve temporal pulse compression of the spectrally broadened laser pulse.
Die Auskoppeloptik kann auch in Form einer Durchgangsöffnung in einem der Resonatorspiegel ausgebildet sein, so dass auf diese Weise ein Auskoppeln des Laserstrahls aus dem Resonator erreicht werden kann.The decoupling optics can also be designed in the form of a passage opening in one of the resonator mirrors, so that the laser beam can be decoupled from the resonator in this way.
Der Resonator kann hierbei mindestens zwei Resonatorspiegel aufweisen. Das kann bedeuten, dass der Resonator beispielsweise genau zwei monolithische Spiegel aufweist. Insbesondere kann bei der vorliegenden Ausführungsform jedes Spiegelsegment ein sphärischer Spiegel sein. Der Resonator kann dementsprechend eine modifizierte Herriott-Zelle sein. Dadurch wird eine besonders hohe mechanische Stabilität erreicht.In this case, the resonator can have at least two resonator mirrors. This can mean that the resonator has, for example, exactly two monolithic mirrors. In particular, in the present embodiment, each mirror segment can be a spherical mirror. Accordingly, the resonator can be a modified Herriott cell. This achieves a particularly high level of mechanical stability.
Es kann aber auch sein, dass sich jeder Resonatorspiegel aus mehreren Spiegelsegmenten zusammensetzt. Dadurch kann ein höherer Justagefreiheitsgrad erreicht werden.However, it can also be the case that each resonator mirror is composed of several mirror segments. As a result, a higher degree of freedom of adjustment can be achieved.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel kann die Einkoppeloptik ein nicht-rotationssymmetrischer Spiegel, bevorzugt ein Zylinderspiegel sein, und der Resonator kann mindestens zwei gegenüberliegende nicht-rotationssymmetrische Resonatorspiegel, bevorzugt Zylinderspiegel aufweisen, wobei die Auskoppeloptik bevorzugt ein Zylinderspiegel ist.In a second exemplary embodiment, the coupling-in optics can be a non-rotationally symmetrical mirror, preferably a cylinder mirror, and the resonator can have at least two opposing non-rotationally symmetrical resonator mirrors, preferably cylinder mirrors, with the decoupling optics preferably being a cylinder mirror.
Analog zu der ersten Ausführungsform bekommt der kollimierte Laserstrahl durch die nicht-rotationssymmetrische Einkoppeloptik eine Konvergenz beispielsweise in der y-z-Ebene aufgeprägt.Analogously to the first embodiment, the collimated laser beam is given a convergence, for example in the y-z plane, by the non-rotationally symmetrical in-coupling optics.
Wenn der Fokus durch die Einkoppeloptik beispielsweise vor dem ersten Zylinderspiegel des Resonators liegt, dann kann durch entsprechende Wahl der Brennweite des Zylinderspiegels des Resonators eine weitere Fokuszone während des ersten Durchgangs erzeugt werden. Die Fokuszone kann hierbei ebenfalls in der y-z-Ebene liegen. Durch den zweiten Zylinderspiegel des Resonators kann wiederum ein Fokus beim zweiten Durchgang erzeugt werden. Wenn die Zylinderachsen von Einkoppeloptik und Resonatoroptik parallel verlaufen, dann wird der Laserstrahl immer in der y-z-Ebene fokussiert. Gewissermaßen wird somit eine gleiche Ausrichtung des Strahlquerschnitts bei jedem Durchgang erreicht, was einer sogenannten 2f-Abbildung entspricht.If the focus through the in-coupling optics is, for example, in front of the first cylinder mirror of the resonator, then a further focus zone can be generated during the first pass by appropriately selecting the focal length of the cylinder mirror of the resonator. The focus zone can also be in the y-z plane. The second cylinder mirror of the resonator can in turn produce a focus during the second pass. If the cylinder axes of the in-coupling optics and resonator optics run parallel, then the laser beam is always focused in the y-z plane. To a certain extent, the same alignment of the beam cross section is thus achieved with each pass, which corresponds to a so-called 2f image.
Es kann aber auch sein, dass die Zylinderachsen des Resonators orthogonal zueinanderstehen. Dann kann durch eine geeignete Wahl der Brennweite der Resonatorspiegel eine abwechselnde Fokussierung in der Ebene der Zylinderkrümmung und der Ebene der Zylinderachse herbeigeführt werden. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die Divergenz des Laserstrahls nach einem Fokus so klein gehalten wird, dass die Aufweitung des Laserstrahls kleiner ist als die Abmessung des Zylinderspiegels des Resonators. Gewissermaßen wird somit eine gleiche Ausrichtung des Strahlquerschnitts bei jedem zweiten Durchgang erreicht, was einer sogenannten 4f-Abbildung entspricht.However, it can also be the case that the cylinder axes of the resonator are orthogonal to one another. Then, by a suitable choice of the focal length of the resonator mirror, an alternating focusing in the plane of the cylinder curvature tion and the plane of the cylinder axis. However, it should be noted here that the divergence of the laser beam after a focus is kept so small that the widening of the laser beam is smaller than the dimensions of the cylinder mirror of the resonator. To a certain extent, the same alignment of the beam cross section is thus achieved with every second pass, which corresponds to a so-called 4f image.
Es kann auch sein, dass der Resonator eine Multipasszelle ist, wobei die Multipasszelle mindestens drei Spiegel aufweist, wobei der erste Spiegel der Multipasszelle auf die der Laserstrahl trifft eine Einkoppeloptik ist und der letzte Spiegel der Multipasszelle aus die der Laserstrahl trifft die Auskoppeloptik ist.It is also possible that the resonator is a multi-pass cell, with the multi-pass cell having at least three mirrors, with the first mirror of the multi-pass cell on which the laser beam hits being coupling optics and the last mirror of the multi-pass cell on which the laser beam hits being the coupling-out optics.
Eine Multipasszelle ist hierbei insbesondere eine zweidimensionale Anordnung von Spiegeln. Die Funktionsweise ist jedoch analog zur der der Herriott-Zelle, beziehungsweise zu den weiter oben beschriebenen Resonatoren.In this case, a multipass cell is in particular a two-dimensional arrangement of mirrors. However, the mode of operation is analogous to that of the Herriott cell or to the resonators described above.
Ein Vorteil der Multipasszelle liegt in der einfacheren Justage und der einfacheren mechanischen Ausführung. Dadurch kann eine Multipasszelle kostengünstig hergestellt werden.An advantage of the multi-pass cell is the simpler adjustment and the simpler mechanical design. As a result, a multipass cell can be produced inexpensively.
Der Abstand zweier nacheinander vom Laserstrahl angelaufene Spiegel des Resonators kann zwischen dem 0,8-fachen und dem 1,2-fachen der Summe oder der doppelten Summe der Brennweiten der beiden Spiegel betragen.The distance between two resonator mirrors hit by the laser beam one after the other can be between 0.8 times and 1.2 times the sum or twice the sum of the focal lengths of the two mirrors.
Beispielsweise kann der erste sphärische Spiegel des Resonators eine Brennweite von 30cm aufweisen und der zweite sphärische Spiegel des Resonators kann eine Brennweite von 70cm aufweisen. Dann können die Spiegel in einem Abstand von 80cm bis hin zu 120cm voneinander aufgestellt werden.For example, the first spherical mirror of the resonator can have a focal length of 30 cm and the second spherical mirror of the resonator can have a focal length of 70 cm. Then the mirrors can be placed at a distance of 80cm to 120cm from each other.
Beispielsweise kann der erste Zylinderspiegel des Resonators eine Brennweite von 100cm aufweisen und der zweite Zylinderspiegel des Resonators kann eine Brennweite von 100cm aufweisen. Dann können die Spiegel auch in einem Abstand von 80 bis 120 aufgestellt werden. In diesem Fall kann in jedem zweiten Durchgang dieselbe Ausrichtung des Querschnitts des Fokus erreicht werden.For example, the first cylindrical mirror of the resonator can have a focal length of 100 cm and the second cylindrical mirror of the resonator can have a focal length of 100 cm. Then the mirrors can also be set up at a distance of 80 to 120. In this case, the same orientation of the cross-section of the focus can be achieved in every second pass.
Insbesondere können die Spiegel des Resonators dieselbe Brennweite aufweisen.In particular, the mirrors of the resonator can have the same focal length.
Dies erlaubt eine einfachere geometrische Anordnung der Spiegel und eine einfachere Justage.This allows for a simpler geometric arrangement of the mirrors and simpler adjustment.
Insgesamt kann die Gesamttransmission der Vorrichtung größer als 50% sein. Dadurch können insbesondere Leistungsverluste reduziert werden. Zudem kann eine hohe Laserleistung erreicht werden.Overall, the overall transmission of the device can be greater than 50%. As a result, power losses in particular can be reduced. In addition, a high laser power can be achieved.
Insbesondere kann sich die Gesamttransmission auf den Spektralbereich beziehen, der mit der spektralen Verbreiterung erreicht werden soll. Daher kann die Transmission bei jeder Frequenz des Spektralbereichs des verbreiterten Pulses des Gesamtsystems bei mehr als 50% liegen.In particular, the total transmission can relate to the spectral range that is to be achieved with the spectral broadening. Therefore, the transmission at any frequency of the spectral range of the broadened pulse of the overall system can be more than 50%.
Für die Auslegung einer entsprechenden Vorrichtung können die verschiedenen weiter oben aufgeführten Parameter berücksichtigt werden.The various parameters listed above can be taken into account for the design of a corresponding device.
Hierfür kann zunächst aus der Pulsspitzenleistung der Querschnitt des Laserstrahls berechnet werden, bei der die Intensität im Fokus die lonisationsschwelle erreicht. Der Querschnitt (beziehungsweise Durchmesser) ist wie weiter oben gezeigt mit dem Öffnungswinkel des Laserstrahls über das Strahlparameterprodukt verknüpft.For this purpose, the cross-section of the laser beam at which the intensity in the focus reaches the ionization threshold can first be calculated from the pulse peak power. The cross-section (or diameter) is related to the beam angle of the laser beam via the beam parameter product, as shown above.
Zusätzlich sollte die maximale Intensität oder die Fluenz des Laserstrahls auf den Spiegeln kleiner als die laserinduzierte Zerstörschwelle (LIDT) sein, so dass die Spiegel nicht durch den Laserstrahl zerstört werden. Die laserinduzierte Zerstörschwelle wird hierbei unterschritten, wenn die Querschnittsfläche des Laserstrahls auf dem Spiegel eine gewisse kritische Querschnittsfläche übersteigt. Aus der Querschnittsfläche auf den Spiegeln, der Querschnittsfläche im Fokus und dem Öffnungswinkel lässt sich somit die Brennweite der Spiegel ableiten.In addition, the maximum intensity or fluence of the laser beam on the mirrors should be less than the laser-induced damage threshold (LIDT) so that the mirrors are not destroyed by the laser beam. The laser-induced damage threshold is not reached when the cross-sectional area of the laser beam on the mirror exceeds a certain critical cross-sectional area. The focal length of the mirror can thus be derived from the cross-sectional area on the mirrors, the cross-sectional area in the focus and the opening angle.
Schließlich lässt sich über die Auswahl des nichtlinearen Mediums und insbesondere über den Gasdruck und über die Gasart der nichtlineare Phasenschub durch das B-Integral pro Durchgang durch das nichtlineare Medium einstellen.Finally, the nonlinear phase shift can be adjusted by the B integral per pass through the nonlinear medium via the selection of the nonlinear medium and in particular via the gas pressure and the type of gas.
Bei den oben genannten Berechnungen können insbesondere Sicherheitsfaktoren berücksichtigt werden, um ein Ionisieren oder ein Zerstören der Spiegel sicher zu umgehen.In particular, safety factors can be taken into account in the calculations mentioned above in order to reliably avoid ionization or destruction of the mirror.
Figurenlistecharacter list
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung; -
2 eine schematische Darstellung der Ortsabhängigkeit verschiedener Strahleigenschaften gemäß Stand der Technik; -
3A, B ,C eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Ortsabhängigkeit verschiedener Strahleigenschaften; -
4A, B ,C ,D schematische Darstellungen unterschiedlicher Einkoppeloptiken; -
5 eine weitere schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Ortsabhängigkeit verschiedener Strahleigenschaften; -
6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; -
7 eine weitere schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; -
8 eine weitere schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; -
9 eine weitere schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und -
10 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Multipasszelle.
-
1 a schematic representation of the device; -
2 a schematic representation of the spatial dependence of different beam properties according to the prior art; -
3A, B ,C a schematic representation of the spatial dependence of different beam properties according to the invention; -
4A, B ,C ,D schematic representations of different coupling optics; -
5 a further schematic representation of the spatial dependence of different beam properties according to the invention; -
6 a schematic representation of a device according to the invention; -
7 a further schematic representation of a device according to the invention; -
8th a further schematic representation of a device according to the invention; -
9 a further schematic representation of a device according to the invention; and -
10 a schematic representation of a multipass cell according to the invention.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter AusführungsbeispieleDetailed description of preferred embodiments
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.Preferred exemplary embodiments are described below with reference to the figures. Elements that are the same, similar or have the same effect are provided with identical reference symbols in the different figures, and a repeated description of these elements is sometimes dispensed with in order to avoid redundancies.
In
Die Laserpulse 100 weisen hierbei ein Frequenzbandbreite auf, die durch die Vorrichtung 2 verbreitert werden soll. Beispielsweise kann die Pulsspitzenleistung Pp der Laserpulse des Laserstahls von 80 Megawatt (MW) bis 1 Petawatt (PW), bevorzugt zwischen 500 Megawatt (MW) und 100 Terawatt (TW), liegen.In this case, the
Die Vorrichtung 2 weist hierbei eine Einkoppeloptik 20, einen Resonator 22, ein zumindest im Resonator 22 vorliegendes nichtlineares Medium 240, sowie eine Auskoppeloptik 26 auf. Der Laserstrahl 100 trifft in einem kollimierten Zustand auf die Einkoppeloptik 20 und wird von dieser in den Resonator 22 geleitet. In dem Resonator 22 wird der Laserstrahl 10 mehrfach von den Resonatorseiten 220, 222 reflektiert und dabei durch das nichtlineare Medium 240 geleitet.In this case, the
Bei jedem Durchgang durch den Resonator 22 wird der Laserstrahl 10 fokussiert, so dass der Laserpuls 100 nach jeder Reflektion an einer der Resonatorseiten 220, 222 mit dem nichtlinearen Medium 240 wechselwirken und dadurch spektral verbreitert werden kann. Nach der letzten Reflektion des Laserstrahls 10 an einer Resonatorseite 222 wird der Laserstrahl 10 von der Auskoppeloptik 26 ausgekoppelt. Der ausgekoppelte Laserpuls 100' ist gegenüber dem ursprünglichen Laserpuls 100 spektral verbreitert. Die Auskopplungsoptik kann hierbei den Laserstrahl 10 erneut kollimieren und/oder eine Pulskompression durchführen und/oder den Laserstrahl 10 zu einem nachgeschalteten Pulskompressor führen.With each passage through the
Das nichtlinearen Medium 240 kann beispielsweise Umgebungsluft, gefilterte Luft oder ein spezifisch ausgewähltes Gas, beispielsweise ein Edelgas, sein. Liegt das nichtlineare Medium 240 lediglich als Umgebungsluft vor, so kann auf einen gasdichten Abschluss der Vorrichtung 2 gegenüber der Umgebung verzichtet werden. Soll als nichtlineare Medium 240 jedoch etwas Anderes als Umgebungsluft verwendet werden, so muss die Vorrichtung 2 einen gasdichten Abschluss gegenüber der Umgebung bereitstellen oder ein ständiges Durchströmen zumindest des Resonators 22 mit dem gewünschten Gas ermöglichen. Das als nichtlineares Medium bereitgestellte Gas kann beispielsweise ein Edelgas sein, beispielsweise Helium, Argon oder Krypton.The
Anstelle der in der
Verschiedene Strahleigenschaften in einem Resonator nach dem Stand der Technik sind in
Der Laserstrahl 10 ist zunächst kollimiert, bevor er auf die Einkoppeloptik 20 fällt. Dies ist daran zu erkennen, dass der Strahldurchmesser vor der Einkoppeloptik 20 sowohl in der x-z-Ebene als auch in der y-z-Ebene konstant ist.The
Durch die sphärische Einkoppeloptik 20 wird der Laserstrahl 10 reflektiert und fokussiert. Insbesondere findet dadurch eine Fokussierung des Laserstrahls 10 in der x-z-Ebene und der y-z-Ebene statt. Die gesamte Energie des Laserstrahls 10 wird dementsprechend auf eine quasi punktförmige Fläche konzentriert, so dass es lokal im Fokuspunkt 3 zu einem Ansteigen der Intensität I kommt. Dies ist ebenfalls in
Nachdem der Laserstrahl 10 ein Minimum des Strahldurchmessers D durchlaufen hat, divergiert der Laserstrahl 10 zum zweiten Spiegel 222 des Resonators 22, von wo aus er erneut reflektiert und fokussiert wird, und so weiter.After the
Wie weiter oben beschrieben, kann es aufgrund der hohen Intensität und der nichtlinearen Wechselwirkung mit dem Gas in dem quasi punktförmigen Fokus 3 zu einer Selbstfokussierung des Laserstrahls 10 oder einer Ionisierung des Gases kommen. Ersteres ist insbesondere der Fall, wenn die Leistung des Lasers die kritische Pulsspitzenleistung Pcrit überschreitet. Da die kritische Pulsspitzenleistung Pcrit über den Strahldurchmesser D mit der Intensität I verknüpft ist, kann dementsprechend ein Fokussieren des Laserstrahls 10 zu einer sogenannten katastrophalen Selbstfokussierung führen.As described above, due to the high intensity and the non-linear interaction with the gas in the
Um dieses Problem zu beheben ist der Resonator 22 und/oder die Einkoppeloptik 20 gemäß der hier vorgeschlagenen Vorrichtung 2 dazu eingerichtet, den Laserstrahl 10 zu fokussieren, wobei der Strahlquerschnitt im Fokus elongiert ist.In order to solve this problem, the
In
Durch die ausreichend hohe Intensität im Linienfokus 30 kann jedoch eine spektrale Verbreiterung des Laserpulses 100 beim Durchgang durch das nichtlineare Medium 240 bewirkt werden. Dieses Verhalten lässt sich an dem aufgetragenen B-Integral ablesen. Das B-Integral, also der nichtlineare Phasenschub, vergrößert sich stets im Bereich des Linienfokus 30. Relevante Beiträge erfährt das B-Integral jedoch bloß um den Fokus 30 herum, so dass das B-Integral gewissermaßen einer Stufenfunktion folgt.However, due to the sufficiently high intensity in the
Ein solcher Linienfokus 30 kann auf unterschiedliche Weisen erzeugt werden. Eine Möglichkeit ist es, eine nicht-rotationssymmetrische Einkoppeloptik 20 mit rotationssymmetrischen Resonatorspiegeln 220, 222 zu kombinieren.Such a
In
In
Beispielsweise ist in
Als nächstes wird der in der in der Seitenansicht fokussierte Laserstrahl 100 auf den ersten Resonatorspiegel 220 geleitet, wie in
Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass mit der hier vorgeschlagenen Vorrichtung 2 die Strahldurchmesser und Intensitätsverläufe der
In
In
Der kollimierte Laserstrahl 10 fällt auf die Einkoppeloptik 20 und wird von dort aus zum ersten Resonatorspiegel 220 reflektiert, wobei der Laserstrahl einen ersten Fokus durchläuft. Nach der ersten Reflexion an der ersten Resonatorseite 220 durchläuft der Laserstrahl 10 einen Linienfokus 30, der in dem als nichtlineares Medium 240 vorliegenden Gases liegt, so dass der Laserpuls 100 mit dem nichtlinearen Medium wechselwirken kann, so dass der Laserpuls 100 spektral verbreitert wird. Da die zweite Resonatorseite 222 ebenfalls nicht-rotationssymmetrisch ist und wie die erste Resonatorseite 220 ausgerichtet ist, wird der Laserstrahl 10 immer in derselben Strahlebene fokussiert. Der Laserstrahl 10 durchläuft den Resonator 22 hierbei beispielsweise 5 mal.The collimated
Weitere Ausführungsformen der Vorrichtung 2 sind in
In
In
In
Prinzipiell kann in den
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.As far as applicable, all individual features that are presented in the exemplary embodiments can be combined with one another and/or exchanged without departing from the scope of the invention.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- LaserLaser
- 1010
- Laserstrahllaser beam
- 100100
- Laserpulslaser pulse
- 22
- Vorrichtungcontraption
- 2020
- Einkoppeloptikcoupling optics
- 2222
- Resonatorresonator
- 220220
- erste Resonatorseitefirst resonator side
- 222222
- zweite Resonatorseitesecond resonator side
- 224224
- SpiegelMirror
- 240240
- nichtlineares Mediumnonlinear medium
- 2626
- Auskoppeloptikdecoupling optics
- 33
- Fokusfocus
- 3030
- Linienfokusline focus
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102014007159 B4 [0002]DE 102014007159 B4 [0002]
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Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5592326A (en) | 1994-06-20 | 1997-01-07 | International Business Machines Corporation | Device and method for wavelength conversion |
EP1722449A1 (en) | 2005-05-12 | 2006-11-15 | Innovavent GmbH | Anamorphic laser and use of the same |
US20110170172A1 (en) | 2007-10-01 | 2011-07-14 | Tetsuro Mizushima | Wavelength conversion laser device and image display device using the same |
DE102014007159B4 (en) | 2014-05-15 | 2017-04-13 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method and arrangement for the spectral broadening of laser pulses for non-linear pulse compression |
WO2021170814A1 (en) | 2020-02-26 | 2021-09-02 | Trumpf Scientific Lasers Gmbh + Co. Kg | Laser system comprising an optical system for the spectral broadening of pulsed laser radiation and method for the spectral broadening of pulsed laser radiation |
DE102020004501B3 (en) | 2020-07-26 | 2021-10-21 | Keming Du | Optical arrangements for increasing spectral bandwidths and shortening ultra-short pulses through non-linear self-phase modulation |
DE102020004664A1 (en) | 2020-08-01 | 2022-02-03 | Keming Du | Multistage spatial filter arrays using multipass cells and irises |
-
2021
- 2021-10-21 DE DE102021127314.5A patent/DE102021127314A1/en active Pending
-
2022
- 2022-10-19 WO PCT/EP2022/079032 patent/WO2023066964A1/en active Application Filing
- 2022-10-19 EP EP22802990.6A patent/EP4419963A1/en active Pending
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5592326A (en) | 1994-06-20 | 1997-01-07 | International Business Machines Corporation | Device and method for wavelength conversion |
EP1722449A1 (en) | 2005-05-12 | 2006-11-15 | Innovavent GmbH | Anamorphic laser and use of the same |
US20110170172A1 (en) | 2007-10-01 | 2011-07-14 | Tetsuro Mizushima | Wavelength conversion laser device and image display device using the same |
DE102014007159B4 (en) | 2014-05-15 | 2017-04-13 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method and arrangement for the spectral broadening of laser pulses for non-linear pulse compression |
WO2021170814A1 (en) | 2020-02-26 | 2021-09-02 | Trumpf Scientific Lasers Gmbh + Co. Kg | Laser system comprising an optical system for the spectral broadening of pulsed laser radiation and method for the spectral broadening of pulsed laser radiation |
DE102020004501B3 (en) | 2020-07-26 | 2021-10-21 | Keming Du | Optical arrangements for increasing spectral bandwidths and shortening ultra-short pulses through non-linear self-phase modulation |
DE102020004664A1 (en) | 2020-08-01 | 2022-02-03 | Keming Du | Multistage spatial filter arrays using multipass cells and irises |
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