DE102014118880A1 - Optical device for modulating the spectral phase of laser pulses - Google Patents
Optical device for modulating the spectral phase of laser pulses Download PDFInfo
- Publication number
- DE102014118880A1 DE102014118880A1 DE102014118880.2A DE102014118880A DE102014118880A1 DE 102014118880 A1 DE102014118880 A1 DE 102014118880A1 DE 102014118880 A DE102014118880 A DE 102014118880A DE 102014118880 A1 DE102014118880 A1 DE 102014118880A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- optical device
- laser pulse
- laser
- diffraction grating
- diffractions
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
- G02B27/4272—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path
- G02B27/4277—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path being separated by an air space
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
- H01S3/0057—Temporal shaping, e.g. pulse compression, frequency chirping
Abstract
Eine optische Einrichtung (1) zur Modulation der spektralen Phase von Laserpulsen, insbesondere zur zeitlichen Verbreiterung oder zum Komprimieren der Dauer eines Laserpulses bei der Chirped-Puls-Amplification bzw. der Verstärkung zeitlich gestreckter Laserpulsen mit anschließender Komprimierung, umfasst zumindest ein in einem vorgebbaren Wellenlängenbereich Winkeldispersion aufweisendes Beugungsgitter (2) und eine Faltungsoptik (4, 7) zur derartigen Faltung des Strahlenwegs, dass mehrere Beugungen des Laserpulses an dem zumindest einen Beugungsgitter (2) erzeugbar sind. Erfindungsgemäß ist die Faltungsoptik (4, 7) derart ausgebildet, dass zumindest acht Beugungen an dem zumindest einen Beugungsgitter (2) oder an einer mehrere Beugungsgitter (2) umfassenden Anordnung erzeugbar sind, um bei gleicher chromatischer Dispersion im Vergleich zum herkömmlichen Konzept (vgl. z. B. B. E. B. Treacy „Optical pulse compression with diffraction gratings“ IEEE J. Quantum Electron. QE-5, 454 (1969)) eine kompaktere Baugröße zu ermöglichen, bzw. bei gleicher Baugröße eine vielfache chromatische Dispersion zu erzeugen.An optical device (1) for modulating the spectral phase of laser pulses, in particular for temporal broadening or compressing the duration of a laser pulse in the chirped pulse amplification or the amplification of time-stretched laser pulses with subsequent compression comprises at least one in a predeterminable wavelength range An angle grating diffraction grating (2) and a folding optics (4, 7) for such a convolution of the beam path that multiple diffractions of the laser pulse at the at least one diffraction grating (2) can be generated. According to the invention, the folding optics (4, 7) are designed in such a way that at least eight diffractions can be generated on the at least one diffraction grating (2) or on an array comprising several diffraction gratings (2) in order to achieve the same chromatic dispersion in comparison to the conventional concept (cf. For example, BBEB Treacy "IEEE J. Quantum Electron., QE-5, 454 (1969)) allows for a more compact size or, for the same size, to produce multiple chromatic dispersion.
Description
Die Erfindung betrifft eine optische Einrichtung zur Modulation der spektralen Phase von Laserpulsen; insbesondere zur zeitlichen Verbreiterung oder zum Komprimieren der Dauer eines Laserpulses bei der Chirped-Puls-Amplification, z. B. zur Verstärkung zeitlich verbreiteter, sog. gestreckter Pulse (engl. Chirped Pulse Amplification, CPA), mit zumindest einem in einem vorgebbaren Wellenlängenbereich Winkeldispersion aufweisenden Beugungsgitter und einer Faltungsoptik zur derartigen Faltung des Strahlenwegs, dass mehrere Beugungen des Laserpulses an dem zumindest einen Beugungsgitter erzeugbar sind.The invention relates to an optical device for modulating the spectral phase of laser pulses; in particular for time broadening or for compressing the duration of a laser pulse in the case of chirped pulse amplification, z. B. for amplifying time-spread, so-called stretched pulses (English: Chirped Pulse Amplification, CPA), with at least one in a predetermined wavelength range angular dispersion having diffraction gratings and a folding optics for such folding of the beam path that multiple diffractions of the laser pulse to the at least one diffraction grating can be generated.
Aus dem Stand der Technik sind Lasersysteme bekannt, bei denen eine Verstärkung eines von einer Laserquelle bereitgestellten Laserpulses mittels der sogenannten CPA-Methodik erfolgt. Bei derartig ausgebildeten Lasersystemen wird die spektrale Phase der Laserpulse vor und nach der Verstärkung in einem optisch aktiven Verstärkermedium mittels optischer Einrichtungen, welche chromatisch dispersiven Filtern entsprechen, moduliert, um die auftretende Spitzenintensität während der Verstärkung zu reduzieren und damit einer möglichen nichtlinearen Störung der Pulsform oder gar einer Beschädigung des Verstärkermediums entgegenzuwirken. Üblich ist eine Reduktion der Spitzenintensität um einen Faktor von 500 bis 10000, durch eine Streckung / Verbreiterung der Pulsdauer um eben diesen Faktor. Das chromatisch dispersive Filter wird üblicherweise als Laserpulsstrecker bezeichnet. Nach der Verstärkung kompensiert üblicherweise ein Laserpulskompressor derart die zuvor vom Laserpulsstrecker und von den transmittierten optischen Medien aufgeprägte chromatische Dispersion, dass Pulsform, -dauer und -kontrast idealer Weise jener vor der Verstärkung oder einer gewünschten definierten Art, z. B. zeitlich verkürzt oder verlängert, entsprechen. Laser systems are known from the prior art, in which an amplification of a laser pulse provided by a laser source takes place by means of the so-called CPA methodology. In laser systems designed in this way, the spectral phase of the laser pulses before and after amplification in an optically active amplifier medium is modulated by means of optical devices which correspond to chromatic dispersive filters in order to reduce the peak intensity occurring during amplification and thus a possible non-linear disturbance of the pulse shape or even to counteract damage to the amplifier medium. It is customary to reduce the peak intensity by a factor of 500 to 10,000 by extending / broadening the pulse duration by just this factor. The chromatically dispersive filter is commonly referred to as laser pulse stretcher. After amplification, a laser pulse compressor typically compensates for the chromatic dispersion previously imposed by the laser pulse expander and the transmitted optical media such that the pulse shape, duration, and contrast ideally equal those before amplification or a desired defined manner, e.g. B. shortened or extended, correspond.
Beispielsweise im Spektralbereich um 1030 nm, der insbesondere aufgrund der Skalierbarkeit der Durchschnittsleistung sowie der Pulsenergie in Yb-dotierten Medien zunehmend Interesse im Bereich der Laser-Materialbearbeitung findet, betragen gängige Beugungsgitterfrequenzen 1600 Linien pro mm oder 1740 Linien pro mm. Bei ebenfalls üblichen spektralen Bandbreiten von 2 nm bis 6 nm (bezogen auf die Halbwertsbreite, Full Width at Half Maximum, FWHM) und zeitlichen Streckfaktoren von ca. 1000 beträgt der Weg zwischen zwei Beugungen an jenen Beugungsgittern, welche eine Modulation der spektralen Phase der Laserpulse mittels Winkeldispersion bewirken, in typischen Anwendungen ein bis zwei Meter. For example, in the spectral range around 1030 nm, which finds increasing interest in the field of laser material processing, in particular due to the scalability of the average power and the pulse energy in Yb-doped media, common diffraction grating frequencies are 1600 lines per mm or 1740 lines per mm. With likewise customary spectral bandwidths of 2 nm to 6 nm (based on the half-width, Full Width at Half Maximum, FWHM) and time stretching factors of about 1000, the path between two diffractions at those diffraction gratings, which is a modulation of the spectral phase of the laser pulses by means of angular dispersion, in typical applications one to two meters.
Laserpulskompressoren bzw. Laserpulsstrecker, welche auf Winkeldispersion basieren, bei denen also die dispersiven optischen Elemente beispielsweise als Prismen und Beugungsgitter ausgebildet sind, benötigen bei steigendem Betrag der geforderten Dispersion zweiter Ordnung zunehmend Bauraum, da die verursachte Dispersion proportional zum propagierten Weg unter dem Einfluss der Winkeldispersion ist. In jedem Fall ist die vom dispersiven optischen Element verursachte Winkeldispersion begrenzt: Bei Prismen ist die Winkeldispersion auf Grund des maximalen Brechungsindexunterschieds zwischen dem Prismenmaterial und dessen Umgebung limitiert. Bei Beugungsgittern ist die Begrenzung durch die minimale Gitterperiode verursacht. Letztere muss größer als die halbe Wellenlänge der zu modulierenden Strahlung sein, da ansonsten der gewünschte Effekt in üblichen Konfigurationen ausbleibt. Weiterhin ist die Gitterperiode dadurch begrenzt, dass die Justierempfindlichkeit nichtlinear mit abnehmender Periodenlänge wächst. Laser pulse compressors or laser pulse stretchers, which are based on angular dispersion, in which therefore the dispersive optical elements are formed for example as prisms and diffraction gratings, require increasing space with increasing amount of the required second order dispersion, since the dispersion caused proportional to the propagated path under the influence of the angular dispersion is. In any case, the angular dispersion caused by the dispersive optical element is limited: in prisms, the angular dispersion is limited due to the maximum refractive index difference between the prism material and its surroundings. For diffraction gratings, the limitation is caused by the minimum grating period. The latter must be greater than half the wavelength of the radiation to be modulated, since otherwise the desired effect in conventional configurations is absent. Furthermore, the grating period is limited by the fact that the adjustment sensitivity increases non-linearly with decreasing period length.
In jüngster Zeit sind dielektrische Beugungsgitter vorgestellt worden, die als Reflexionsgitter ausgebildet sind und eine Beugungseffizienz von mehr als 99% aufweisen (vgl.
Aus
Der Laserpulsstrecker vom Öffner-Typ wird ferner von
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Einrichtung anzugeben, die eine besonders kompakte Bauform aufweist und eine zur Laserverstärkung hinreichend große chromatische Dispersion bewirkt.Based on this prior art, it is an object of the present invention to provide an optical device which has a particularly compact design and causes a laser amplification sufficiently large chromatic dispersion.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine optische Einrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.According to the invention the object is achieved by an optical device of the type mentioned above with the characterizing features of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Bei einer optischen Einrichtung zur Modulation der spektralen Phase von Laserpulsen, insbesondere zur zeitlichen Verbreiterung oder zum Komprimieren der Dauer eines Laserpulses bei der Chirped-Puls-Amplification, ist zumindest ein in einem vorgebbaren Wellenlängenbereich Winkeldispersion aufweisendes Beugungsgitter und eine Faltungsoptik zur Faltung des Strahlenwegs vorgesehen. Die Faltungsoptik ist derart ausgebildet, dass mehrere Beugungen des Laserpulses an dem zumindest einen dispersiven Beugungsgitter erzeugbar sind. Erfindungsgemäß ist die Faltungsoptik derart ausgebildet, dass zumindest acht Beugungen an dem zumindest einen dispersiven Beugungsgitter oder an einer mehrere dispersive Beugungsgitter umfassenden Anordnung erzeugbar sind.In an optical device for modulating the spectral phase of laser pulses, in particular for time broadening or compressing the duration of a laser pulse in the chirped pulse amplification, at least one in a predetermined wavelength range angular dispersion exhibiting diffraction grating and a folding optics for folding the beam path is provided. The folding optical system is designed such that a plurality of diffractions of the laser pulse can be generated at the at least one dispersive diffraction grating. According to the invention, the folding optical system is designed such that at least eight diffractions can be generated on the at least one dispersive diffraction grating or on an arrangement comprising a plurality of dispersive diffraction gratings.
Der Erfindung liegt die Beobachtung zu Grunde, dass der zur Erzeugung einer zur Laserverstärkung hinreichend großen Dispersion erforderliche Bauraum dadurch verkleinert werden kann, dass der Laserpuls mehrfach durch die optische Einrichtung, welche insbesondere als Laserpulskompressor oder -strecker ausgebildet sein kann, geführt wird. Die optische Einrichtung weist ein oder mehrere dispersive Beugungsgitter auf, wobei an jedem Beugungsgitter mehrfache Beugungen erzeugbar sind. Dazu weist die Faltungsoptik ein oder mehrere optische Elemente zur Faltung des Strahlenwegs auf, so dass der geführte Laserpuls an jedem Beugungsgitter mehrfach gebeugt wird. Pro Durchgang sind so mindestens acht Beugungen an dem oder den Beugungsgittern erzeugbar, so dass der Streck- bzw. Kompressionsfaktor im Vergleich zu bekannten 4-Pass-Laserpulsstreckern bzw. 4-Pass-Laserpulskompressoren um einen Faktor von mindestens zwei erhöht ist, ohne den dazu benötigten Bauraum merklich zu vergrößern. Umgekehrt bedeutet das, dass der zur Erzeugung einer vorgegebenen Dispersion zweiter Ordnung erforderliche Bauraum durch Faltung des Strahlwegs um einen Faktor von zumindest zwei reduziert werden kann. Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dementsprechend durch eine besonders kompakte Anordnung aus, die gleichzeitig dazu ausgebildet ist, eine vergleichsweis hohe Dispersion zu erzeugen.The invention is based on the observation that the space required to produce a sufficiently large dispersion for laser amplification can be reduced in that the laser pulse is guided several times through the optical device, which can be designed in particular as a laser pulse compressor or expander. The optical device has one or more dispersive diffraction gratings, wherein multiple diffractions can be generated at each diffraction grating. For this purpose, the folding optical system has one or more optical elements for folding the beam path, so that the guided laser pulse is diffracted several times at each diffraction grating. Thus, at least eight diffractions can be generated per pass on the diffraction grating (s), so that the stretching or compression factor is increased by a factor of at least two compared to known 4-pass laser pulse recompressors or 4-pass laser pulse compressors required space to increase significantly. Conversely, this means that the space required to produce a given second order dispersion can be reduced by folding the beam path by a factor of at least two. Accordingly, the present invention is characterized by a particularly compact arrangement, which is simultaneously designed to produce a comparatively high dispersion.
Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Strahlweg derartig gefaltet, dass insgesamt mehr als acht Beugungen, insbesondere 8 bis 40 Beugungen, jeweils in Vierersätzen, erzeugbar sind. Mit steigender Anzahl der an dem oder den Beugungsgittern erzeugten Beugungen ist jedoch die Beugungseffizienz der verwendeten Beugungsgitter und die Beeinflussung der Strahlqualität (Rundheit, Astigmatismus, M2-Wert, etc.) durch die Anordnung durch akkumulierte Wellenfrontfehler, hervorgerufen durch die verwendeten Optiken, von Bedeutung, da die auftretenden Verluste sowie die Störung der Strahlqualität für einen effizienten Einsatz der optischen Einrichtung bei der Laserpulsverstärkung unter einem bestimmten Schwellwert verbleiben müssen. Dieser Schwellwert hängt vom Anwendungsfall ab und kann entsprechend beliebig variieren. Ist beispielsweise eine Gesamteffizienz von 50% tolerabel, dann wären bei einer exemplarischen Einzelbeugungseffizienz von 99% 64 bis 68 Beugungen akzeptabel, sofern die Strahlqualität dann noch den jeweiligen Anforderungen genügt.According to preferred embodiments, the beam path is folded such that a total of more than eight diffractions, in particular 8 to 40 diffractions, in each case in sets of four, can be generated. However, as the number of diffractions produced on the diffraction grating increases, the diffraction efficiency of the diffraction gratings used and the influence of the beam quality (roundness, astigmatism, M 2 value, etc.) by the arrangement of accumulated wavefront errors caused by the optics used are Significance, since the losses occurring and the disturbance of the beam quality for an efficient use of the optical device in the laser pulse amplification must remain below a certain threshold. This threshold depends on the application and can vary accordingly. For example, if a total efficiency of 50% is tolerable, then 64 to 68 inflections would be acceptable for an exemplary single diffraction efficiency of 99%, provided that the beam quality still meets the respective requirements.
Das zumindest eine Beugungsgitter der optischen Einrichtung ist als Transmissionsgitter oder als Reflexionsgitter ausgebildet. Bei Ausführungsformen, die Anordnungen von mehreren Beugungsgittern vorsehen, können auch Kombinationen von Transmissions- und Reflexionsgittern zum Einsatz kommen. In jedem Fall ist es vorteilhaft, Beugungsgitter mit hoher Beugungseffizienz vorzusehen. Bevorzugt liegt die Beugungseffizienz der Beugungsgitter im Bereich größer als 92%, besonders bevorzugt im Bereich größer als 98% oder 99%. The at least one diffraction grating of the optical device is designed as a transmission grating or as a reflection grating. In embodiments that provide arrangements of multiple diffraction gratings, combinations of transmission and reflection gratings may also be used. In any case, it is advantageous to provide diffraction gratings with high diffraction efficiency. The diffraction efficiency of the diffraction gratings is preferably greater than 92%, particularly preferably greater than 98% or 99%.
Besonders bevorzugt ist das zumindest eine Beugungsgitter der optischen Einrichtung als Reflexionsgitter ausgebildet. Reflexionsgitter bieten insbesondere höchste Skalierungsreserven bezüglich der verwendeten Durchschnitts- und Spitzenleistung. Bevorzugte Reflexionsgitter hoher Güte weisen eine Vielzahl von auf einem Substrat übereinanderliegend angeordnete dielektrische Schichten auf, die beispielsweise mittels eines Beschichtungsverfahrens, insbesondere mittels einer Ionenstrahlsputterung (Ion Beam Sputtering, IBS) aufgebracht sind.Particularly preferably, the at least one diffraction grating of the optical device is designed as a reflection grating. Reflection gratings in particular offer the highest scaling reserves with regard to the average and peak power used. Preferred high-quality reflection gratings have a multiplicity of dielectric layers which are arranged one above the other on a substrate and are applied, for example, by means of a coating method, in particular by means of ion beam sputtering (IBS).
Alternativ, vor allem im Fall niedriger Durchschnittsleistungen von beispielsweise weniger als 2 W bei 1030 nm Schwerpunktswellenlänge des Lasers, sind metallisch beschichtete Beugungsgitter bevorzugt. Als Metalle sind besonders Gold und Silber geeignet.Alternatively, especially in the case of low average powers of, for example, less than 2 W at 1030 nm centroid wavelength of the laser, metallically coated diffraction gratings are preferred. As metals are particularly suitable for gold and silver.
Vorzugsweise besteht das Multischichtsystemaus Schichten, die alternierend aufgebracht sind und aus Materialien bestehen, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, vgl. dielektrische Multischichtspiegel. Eine derartige alternierende Schichtfolge mit fein abgestimmten, variierenden Dicken der einzelnen Lagen bewirkt einen besonders hohen Reflexionsgrad des so gebildeten Reflexionsgitters.Preferably, the multi-layer system consists of layers that are applied alternately and consist of materials that have different refractive indices, cf. dielectric multilayer mirror. Such an alternating layer sequence with finely tuned, varying thicknesses of the individual layers causes a particularly high degree of reflection of the reflection grating thus formed.
Besonders bevorzugt umfassen die Materialien der Schichten Ti2O5, Ta2O5, HfO2, AlF3, Al2O3, Nb2O5, Sc2O3, TiO2, Y2O3, ZrO2 und/oder SiO2. Je nach Laserwellenlänge weisen die dielektrischen Schichten des Reflexionsgitters, unter Berücksichtigung des Einfallswinkels, effektiv eine Dicke in der Größenordnung eines Viertels der Wellenlänge auf (vgl. „Quarter-Wave-Stacks“), bei 1 μm Laserwellenlänge also bis zu wenigen 100 nm. Die Dicke der Schichten kann variieren, insbesondere können die nahe der Oberfläche liegenden Schichten eine erhöhte oder eine verminderte Dicke aufweisen, was die Beugungseffizienz unter einem vorgegebenen Winkel mitunter stark beeinflusst und es entsprechend ermöglicht, abseits des Littrow-Winkels für spezielle Laserparameter hohe Beugungseffizienzen zu erzielen (vgl. hierzu
Die Faltungsoptik umfasst vorzugsweise eine Anordnung von ein oder mehreren optischen Elementen, die als Spiegel, Linsen, Retroreflektorprismen und/oder Stufenspiegeln ausgebildet sind. Die einzelnen optischen Elemente der Faltungsoptik sind so angeordnet, dass der Strahlenweg mehrfach durch die optische Einrichtung geführt ist und der Strahl eine gewünschte Form erhält oder beibehält.The folding optics preferably comprise an arrangement of one or more optical elements, which are designed as mirrors, lenses, retroreflector prisms and / or step mirrors. The individual optical elements of the folding optics are arranged such that the beam path is passed through the optical device several times and the beam acquires or retains a desired shape.
Vorzugsweise ist mittels der Faltungsoptik der Strahlenweg derart gefaltet, dass an den vorgesehenen Beugungsgittern bzw. an dem vorgesehenen Beugungsgitter ein ganzzahliges Vielfaches von vier Beugungen erzeugbar ist. Dabei sind in jedem Fall weniger als vier einzelne Beugungsgitter vorgesehen. Mit anderen Worten ist vorgesehen, ein Beugungsgitter mehrfach zu bestrahlen. Preferably, the beam path is folded in such a way by means of the folding optics that an integer multiple of four diffractions can be generated at the intended diffraction gratings or at the provided diffraction grating. In each case less than four individual diffraction gratings are provided. In other words, it is intended to irradiate a diffraction grating multiple times.
Die optische Einrichtung mit einem derartig gefalteten Strahlenweg zeichnet sich durch eine besonders kompakte Bauart aus.The optical device with such a folded beam path is characterized by a particularly compact design.
Besonders bevorzugt ist die Faltungsoptik insbesondere im Falle des Laserpulskompressors derart angeordnet, dass 8 bis 40 Beugungen an dem zumindest einen Beugungsgitter oder an der mehrere Beugungsgitter umfassenden Anordnung einstellbar sind. Als Limitierung der Beugungen wird in der Anwendung als Laserpulskompressor eine Gesamttransmission von mehr als 75% angesehen, wobei diese Festlegung willkürlich ist und vom jeweiligen Kontext abhängt. In einem anderen Kontext könnten auch höhere oder geringere Gesamttransmissionen festgelegt werden.Particularly preferably, the folding optics is arranged in particular in the case of the laser pulse compressor such that 8 to 40 diffractions can be set on the at least one diffraction grating or on the arrangement comprising a plurality of diffraction gratings. In the application as a laser pulse compressor, a limitation of the diffractions is considered to be a total transmission of more than 75%, whereby this definition is arbitrary and depends on the respective context. In another context, higher or lower total emissions could also be set.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind vier Beugungsgitter vorgesehen, so dass die Erzeugung von 8 bis 24 Beugungen einer zweifachen bis sechsfachen Faltung des Strahlenwegs innerhalb der optischen Einrichtung entspricht. Es ist aus wirtschaftlicher Sicht und bezüglich der Strahlqualität vorteilhaft, dass dazu Beugungsgitter mit hoher Beugungseffizienz zum Einsatz kommen, denn je höher die Beugungseffizienz, desto weniger Faltungen sind notwendig und desto geringer sind Störungen der Strahlqualität in der Regel. Insbesondere ist vorgesehen, 8 bis 12 Beugungen zu erzeugen, falls die Beugungseffizienz des oder der eingesetzten Beugungsgitter 97% bis 98% beträgt. Liegt die Beugungseffizienz jedoch bei 99%, so können 24 Beugungen eingestellt werden, um eine Gesamteffizienz von mehr als 75% erzielen zu können.In one embodiment of the invention, four diffraction gratings are provided so that the generation of 8 to 24 diffractions corresponds to a two to six fold convolution of the beam path within the optical device. It is advantageous from an economic point of view and with respect to the beam quality that diffraction gratings with high diffraction efficiency are used for this, because the higher the diffraction efficiency, the fewer folds are necessary and the lower are disturbances of the beam quality as a rule. In particular, it is intended to produce 8 to 12 diffractions if the diffraction efficiency of the grating (s) used is 97% to 98%. However, if the diffraction efficiency is 99%, then 24 diffractions can be adjusted to achieve a total efficiency of more than 75%.
In einem möglichen Ausführungsbeispiel ist genau ein dispersives Beugungsgitter vorgesehen. Es wird somit definiert, die zumindest acht Beugungen an demselben Beugungsgitter zu erzeugen. In einem dazu alternativen Ausführungsbeispiel sind lediglich zwei Beugungsgitter zur Realisierung der Anordnung vorgesehen. In jedem Fall zeichnet sich die optische Einrichtung durch eine besonders kompakte Bauweise und reduzierte Herstellungskosten aus.In one possible embodiment, exactly one dispersive diffraction grating is provided. It is thus defined to generate the at least eight diffractions on the same diffraction grating. In an alternative embodiment, only two diffraction gratings are provided for realizing the arrangement. In any case, the optical device is characterized by a particularly compact design and reduced manufacturing costs.
Die optische Einrichtung ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als Laserpulsstrecker zur zeitlichen Verbreiterung der Dauer des Laserpulses ausgebildet. Der zeitlich gestreckte bzw. „gechirpte“ Laserpuls weist somit nach dem Durchgang durch die optische Einrichtung eine verlängerte Dauer durch die positive oder negative Dispersion des Laserpulsstreckers auf.The optical device is formed in a preferred embodiment as a laser pulse expander for temporally broadening the duration of the laser pulse. The time-stretched or "chirped" laser pulse thus has, after passing through the optical device, an extended duration due to the positive or negative dispersion of the laser pulse stretcher.
In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die optische Einrichtung als Laserpulskompressor zum zeitlichen Komprimieren der Dauer des Laserpulses ausgebildet. Insbesondere ist vorgesehen, mittels des so ausgebildeten Laserkompressors eine Dispersion eines gechirpten Laserpuls zu kompensieren, nachdem dieser ein Verstärkermedium passiert hat.In another preferred embodiment, the optical device is designed as a laser pulse compressor for temporally compressing the duration of the laser pulse. In particular, it is provided to compensate for a dispersion of a chirped laser pulse by means of the laser compressor thus formed after it has passed an amplifier medium.
Bei einem Lasersystem, umfassend eine Laserquelle zur Bereitstellung eines Laserpulses, einen Laserpulsstrecker zur zeitlichen Verbreiterung der Dauer des Laserpulses, ein optisches Verstärkermedium zum Verstärken des zeitlich gestreckten Laserpulses und einen Laserpulskompressor zum zeitlichen Komprimieren der Dauer des gestreckten und verstärkten Laserpulses, ist vorzugsweise der Laserpulsstrecker und/oder der Laserpulskompressor von einer vorstehend beschriebenen optischen Einrichtung gebildet. Dabei kann insbesondere die durch Mehrfachdurchgänge innerhalb der optischen Einrichtung verursachte und dadurch vergrößerte Dispersion auch dazu genutzt werden, um Laserpulse mit erhöhter Laserpulsenergie bei gleichbleibender Laserpulsqualität zu erzeugen. Die vergrößerte Dispersion zweiter Ordnung ermöglicht die Erhöhung der Laserpulsenergie derart, dass die Energiedichte bzw. Spitzenintensität im Verstärkermedium unterhalb eines kritischen Schwellwerts verbleibt, so dass das Auftreten von störenden nichtlinearen Effekten vermieden werden kann. Der kritische Schwellwert kann insbesondere mittels des bekannten B-Integrals festgelegt werden.In a laser system comprising a laser source for providing a laser pulse, a laser pulse expander for temporally broadening the duration of the laser pulse, an optical amplifier medium for amplifying the time-stretched laser pulse, and a laser pulse compressor for temporally compressing the duration of the stretched and amplified laser pulse, the laser pulse expander and or the laser pulse compressor formed by an optical device described above. In particular, the dispersion caused by multiple passages within the optical device and thereby increased in size can also be used to generate laser pulses with increased laser pulse energy while maintaining the same laser pulse quality. The increased second-order dispersion allows the increase of the laser pulse energy such that the energy density or peak intensity in the amplifier medium remains below a critical threshold, so that the occurrence of disturbing nonlinear effects can be avoided. The critical threshold can be determined in particular by means of the known B integral.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigenThe invention will be described below with regard to further features and advantages with reference to the Description of exemplary embodiments and with reference to the accompanying schematic drawings explained in more detail. Show
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Insbesondere ist die Mitte eines vier Beugungen umfassenden Einzeldurchgangs ist in allen Zeichnungen mit einem kleinen Kreuz markiert.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals. In particular, the center of a four-pass single pass is marked with a small cross in all drawings.
Faltungsoptiken
Es ist vorgesehen, mehrere Durchgänge zu bewirken, um eine hinreichend große Dispersion im Laserstrahl
Die als Reflexionsgitter ausgeführten Beugungsgitter
Alternativ zu diesen dielektrischen Beugungsgittern
Die Linsen
Bei gaußförmigen Strahlquerschnitten sind die Linsen
Die Anzahl der vorgesehenen Faltungsoptiken
Zur Erzeugung von vier Beugungen pro Durchgang bewirken die vorgesehenen internen Faltungsoptiken
Die in den
Neben sphärischen Linsen können auch asphärische oder zylinderförmige Linsen
In einem anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Abbildungsoptiken
Die Erfindung wurde vorstehend mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die konkrete Ausgestaltung der gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, vielmehr kann der zuständige Fachmann anhand der Beschreibung Variationen ableiten, ohne von dem wesentlichen Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.The invention has been described above with reference to preferred embodiments. It is understood, however, that the invention is not limited to the specific embodiment of the exemplary embodiments shown, but rather the person skilled in the art can derive variations from the description without departing from the essential basic idea of the invention.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- optische Einrichtung optical device
- 22
- Beugungsgitter diffraction grating
- 33
- Laserstrahl laser beam
- 44
- Faltungsoptik folding optics
- 55
- Spiegel mirror
- 66
- Linse lens
- 77
- Faltungsoptik folding optics
- 88th
- Spiegel mirror
- 99
- Stufenspiegel stepped mirror
- 1010
- Abbildungsoptik imaging optics
- XX
- Abstand distance
- ff
- Brennweite focal length
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 3748015 [0006] US 3748015 [0006]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Optics Letters, Vol. 39, No. 2, Seiten 323–326 [0005] Optics Letters, Vol. 2, pages 323-326 [0005]
-
“Aberration-free stretcher design for ultrashort-pulse amplification”, G. Cheriaux, et al., Optics Letters, Vol. 21, Issue 6, pp. 414–416 (1996) [0006] "Aberration-free stretcher design for ultrashort-pulse amplification", G. Cheriaux, et al., Optics Letters, Vol. 21,
Issue 6, pp. 414-416 (1996) [0006] - Zhang et al. in „Compact and material-dispersion Offner stretcher for chirped pulse amplifications“, Optics Communications 206 (2002) 7–12, 15 Mai 2002 [0007] Zhang et al. in "Compact and Material-Dispersion Offer stretcher for chirped pulse amplifications", Optics Communications 206 (2002) 7-12, 15 May 2002 [0007]
- Optics Letters, Vol. 39, No. 2, Seiten 323–326 [0018] Optics Letters, Vol. 2, pages 323-326 [0018]
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102014118880.2A DE102014118880A1 (en) | 2014-12-17 | 2014-12-17 | Optical device for modulating the spectral phase of laser pulses |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102014118880.2A DE102014118880A1 (en) | 2014-12-17 | 2014-12-17 | Optical device for modulating the spectral phase of laser pulses |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102014118880A1 true DE102014118880A1 (en) | 2016-06-23 |
Family
ID=56099768
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102014118880.2A Withdrawn DE102014118880A1 (en) | 2014-12-17 | 2014-12-17 | Optical device for modulating the spectral phase of laser pulses |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102014118880A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107482432A (en) * | 2017-08-16 | 2017-12-15 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | Annular multi-pass laser amplification device |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3748015A (en) | 1971-06-21 | 1973-07-24 | Perkin Elmer Corp | Unit power imaging catoptric anastigmat |
US4655547A (en) * | 1985-04-09 | 1987-04-07 | Bell Communications Research, Inc. | Shaping optical pulses by amplitude and phase masking |
US4928316A (en) * | 1988-02-04 | 1990-05-22 | Bell Communications Research, Inc. | Optical systems and methods based upon temporal stretching, modulation and recompression of ultrashort pulses |
US5329398A (en) * | 1992-11-05 | 1994-07-12 | Novatec Laser Systems, Inc. | Single grating laser pulse stretcher and compressor |
DE102006029035A1 (en) * | 2006-06-15 | 2008-01-03 | Freie Universität Berlin | Apparatus and method for the production and detection in amplitude, phase and polarization of shaped laser pulses |
US20110170567A1 (en) * | 2009-03-23 | 2011-07-14 | Armstrong James P | Laser bandwidth interlock capable of single pulse detection and rejection |
-
2014
- 2014-12-17 DE DE102014118880.2A patent/DE102014118880A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3748015A (en) | 1971-06-21 | 1973-07-24 | Perkin Elmer Corp | Unit power imaging catoptric anastigmat |
US4655547A (en) * | 1985-04-09 | 1987-04-07 | Bell Communications Research, Inc. | Shaping optical pulses by amplitude and phase masking |
US4928316A (en) * | 1988-02-04 | 1990-05-22 | Bell Communications Research, Inc. | Optical systems and methods based upon temporal stretching, modulation and recompression of ultrashort pulses |
US5329398A (en) * | 1992-11-05 | 1994-07-12 | Novatec Laser Systems, Inc. | Single grating laser pulse stretcher and compressor |
DE102006029035A1 (en) * | 2006-06-15 | 2008-01-03 | Freie Universität Berlin | Apparatus and method for the production and detection in amplitude, phase and polarization of shaped laser pulses |
US20110170567A1 (en) * | 2009-03-23 | 2011-07-14 | Armstrong James P | Laser bandwidth interlock capable of single pulse detection and rejection |
Non-Patent Citations (5)
Title |
---|
"Aberration-free stretcher design for ultrashort-pulse amplification", G. Cheriaux, et al., Optics Letters, Vol. 21, Issue 6, pp. 414–416 (1996) |
G. Cheriaux, P. Rousseau, F. Salin, J .P. Cambaret, B. Walker, L. F. Dimauro: Aberration-free stretcher design for ultrashort-pulse amplification. In: Optics Letters, 21, 1996, 6, 414-416. * |
M. Rumpel, M. Moeller, C. Moormann, T. Graf, M. A. Ahmed: Broadband pulse compression gratings with measured 99.7% diffraction efficiency. In: Optics Letters, 39, 2014, 2, 323-326. * |
Zhang et al. in „Compact and material-dispersion Offner stretcher for chirped pulse amplifications", Optics Communications 206 (2002) 7–12, 15 Mai 2002 |
Zhigang Zhang, Yanrong Song, Darui Sun, Lu Chai, Hong Sun, Ching-yue Wang: Compact and material-dispersion Offner stretcher for chirped pulse amplifications. In: Optics Communications, 206, 2002, 7-12. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107482432A (en) * | 2017-08-16 | 2017-12-15 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | Annular multi-pass laser amplification device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE3523641C1 (en) | Device for selecting rotationally symmetrical polarization components of a light bundle and use of such a device | |
DE112008003385T5 (en) | Spectral beam combination with broadband lasers | |
EP3955049A1 (en) | Assembly for generating a bessel beam | |
EP2384526B1 (en) | Device for amplifying light impulses | |
EP2324543A1 (en) | Device for amplifying light pulses | |
DE102016110947A1 (en) | Dispersion matching unit | |
DE2713362A1 (en) | DEVICE FOR THE FORMATION OF A COMPOSITE LIGHT BEAM BY DEFLECTING INCOMING LIGHT | |
DE102014118880A1 (en) | Optical device for modulating the spectral phase of laser pulses | |
EP2664220B1 (en) | Optical resonator with direct geometric access to the optical axis | |
DE112013003558B4 (en) | Zoomable beam expansion system for an ultraviolet laser and laser processing device | |
EP1316821A2 (en) | Optical arrangement, Littrow grating for use in an optical arrangement and use of a Littrow grating | |
DE102009031688A1 (en) | Optical arrangement, use of an optical arrangement and method for determining a diffraction grating | |
EP0497260B2 (en) | Laser device | |
EP3652570B1 (en) | Polariser arrangement and euv radiation generating device comprising a polariser arrangement | |
WO2009132375A1 (en) | Arrangement for the optical amplification of light pulses | |
DE102015117828B4 (en) | Dielectric multilayer mirror, laser device and method for generating laser radiation | |
DE102014105064A1 (en) | Optical polarizer and optical system with such a polarizer | |
WO2013152781A1 (en) | Arrangement for measuring laser pulses | |
DE102011003142A1 (en) | Diode laser arrangement has dispersive optical device that diffracts laser beams collimated by collimator lens, and focusing device focuses laser beam on entry-side end of fiber | |
DE102022110651B4 (en) | Compact optical spectrometer | |
DE102017126453A1 (en) | Method for laser amplification | |
DE102015118790A1 (en) | Arrangement for spectrally selective filtering or beam splitting with a gradient color filter | |
DE102021127314A1 (en) | Device and method for spectral broadening of a laser pulse | |
WO2023066995A1 (en) | Device and method for spectrally broadening a laser pulse | |
DE112012005996B4 (en) | lens |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |