WO2014108333A1 - Optical rotation device and associated method - Google Patents

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WO2014108333A1
WO2014108333A1 PCT/EP2014/000026 EP2014000026W WO2014108333A1 WO 2014108333 A1 WO2014108333 A1 WO 2014108333A1 EP 2014000026 W EP2014000026 W EP 2014000026W WO 2014108333 A1 WO2014108333 A1 WO 2014108333A1
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WO
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laser beam
optical
circulation device
circulating device
laser
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PCT/EP2014/000026
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Inventor
Johannes Früchtenicht
Original Assignee
Universität Stuttgart
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005Optical 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
    • H01S3/0057Temporal shaping, e.g. pulse compression, frequency chirping
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005Optical 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
    • H01S3/0071Beam steering, e.g. whereby a mirror outside the cavity is present to change the beam direction

Definitions

  • the invention relates to an optical circulating device for receiving a laser beam coupled into the optical circulating device and to a method for adjusting at least one beam property of a laser beam.
  • the laser pulse duration and the q-parameter of a laser beam have a significant influence on the interaction of the laser beam with matter.
  • material processing by means of laser radiation e.g. different Pulse duration regimes from each other, the differences in the types of interaction with the workpiece, the quality of the produced workpiece, the achievable machining geometries, the efficiency and the damage of the material have.
  • the different interaction regimes are each for each material to be processed at different pulse durations of the laser pulse.
  • the different interaction regimes are each for each material to be processed at different pulse durations of the laser pulse.
  • pulse duration regime applies not only to laser material processing in production, but also generally in research, metrology and various applications in fields such as materials processing, physics, chemistry, biology and medicine.
  • the invention is based on the object to provide a way to individually set at least one essential beam property of a laser beam independently of a preceding and a subsequent laser pulse.
  • One aspect relates to an optical circulating device for receiving a coupled into the optical circulating laser beam with deflection devices, between which the coupled laser beam circulates in the optical circulating device performs.
  • the circulating device has an optical element with which the coupled-in laser beam interacts during at least one revolution such that at least one beam property of the laser beam is changed, in particular the pulse duration of the laser beam and / or the q parameter of the laser beam.
  • a decoupling device is provided for decoupling the laser beam after a predetermined number of circulations have been carried out in interaction with the optical element in the circulating device.
  • Such a circulating device is designed as a resonator-external optical structure and may be similar to the structure of a laser resonator.
  • the circulating device is designed and provided to receive a laser beam of a conventional laser, wherein the laser beam may be formed in particular as a pulsed laser beam and / or pulsed maritime light.
  • the circulating device can, for example, as a ring resonator, as a Fabry-Perot resonator or be constructed resonator similar.
  • One or more deflection devices serve to guide the laser beam in the circulating device.
  • deflection devices for example, mirrors, reflectors, prisms or the like may be provided. After a predetermined number of revolutions of the laser beam in the circulating device, the laser beam is decoupled from the circulating device.
  • the optical element interacts with the laser beam.
  • a beam property of the laser beam is gradually modified per revolution in interaction with the optical element.
  • the optical element can be designed so that the pulse duration, the spectral composition, the chirp and / or the q-parameter of the laser beam is modified by the interaction.
  • the optical element may e.g. GTI mirrors, chirped mirrors, gratings, waveguides, prism pairs, free air propagation (e.g., to alter the q parameter), a nonlinear element, particularly a self-phase modulation (SPM) element, and / or dispersive transmission bodies.
  • the optical element may in particular comprise a plurality of components.
  • the optical element can be designed to set the diameter, the focal distance, the focus diameter and / or the divergence of the laser beam.
  • the circulating device thus serves to vary and set a beam property of the laser beam, in particular of a laser pulse. This can be used either to adjust the jet property directly or to compensate for fluctuations elsewhere in this jet property.
  • the optical element can be designed to influence the q-parameter of the laser beam.
  • the optical element may be formed, for example, as a lens or as a curved mirror.
  • a jet property of the laser beam can be controlled / adjusted in accordance with the number of revolutions performed in the circulating device in interaction with the optical element.
  • the thus adjustable or adjustable beam properties are thus discrete values.
  • the number of different selectable beam property values corresponds to the number of maximum predetermined rotations that the laser beam can make in the orbiting device in interaction with the optical element.
  • the decoupling mechanism is designed so switchable that when switching or activating the Auskoppelmechnismus the laser beam is coupled out of the circulating device.
  • the switching time at which the coupling-out mechanism is switched determines or determines after how many revolutions the laser beam is coupled out. If the coupled-in laser beam interacts with the optical element, for example during each revolution, the switching of the coupling-out mechanism makes it possible to regulate or control how much the beam property of the laser beam is changed by interaction with the optical element.
  • the decoupling mechanism may comprise, for example, an electro-optic modulator (EOM) (eg a Pockels and / or Kerr cell) and / or an acousto-optic modulator (AOM), and / or realized by mechanical movement of an optical component such as a glass or crystal body.
  • EOM electro-optic modulator
  • AOM acousto-optic modulator
  • the circulating device is designed so that a laser beam performs a specific, specifically for each laser pulse independently of the preceding and the subsequent laser pulse individually adjustable number of cycles under interaction with the optical element in the circulating device.
  • the laser beam is decoupled from the circulating device. This makes it possible that a beam property of the laser beam can be adjusted specifically.
  • the circulating device can in particular for modifying ultra short or short-pulsed laser radiation in the ns, ps, and / or fs range can be used.
  • the circulating device may be completely static, so be formed without moving components and optics. As a result, a high switching speed can be achieved.
  • the optical element is arranged in the optical circulating device in such a way that the coupled-in laser beam interacts with the optical element during each rotation, whereby a beam property of the laser beam is changed.
  • the total number of rotations that the laser beam makes in the optical circulator determines how much the beam property of the laser beam is changed in this embodiment.
  • an adjusting device of the optical circulating device is designed to set the number of revolutions at which the coupled-in laser beam interacts with the optical element.
  • the setting device can be adjusted how many rotations the laser beam performs in interaction with the optical element and how many rotations the laser beam without interacting with the optical element performs.
  • the interaction can be switched on and / or off for each circulation.
  • the adjustment device can have, for example, an EOM and / or AOM with which the activation and / or deactivation of the interaction can be controlled.
  • the interaction can take place, for example, as a function of the polarization of the laser beam, which can be influenced by the adjustment device.
  • the portion of the circulating device in which the optical element is located may be formed as a polarization-dependent section of the circulating device.
  • the decoupling device of the optical circulating device has a Pockels cell and a polarization beam splitter.
  • the polarization of the laser beam can be adjusted be that the laser beam is coupled out via the polarization beam splitter from the circulating device.
  • a Pockels cell as a switching element has the advantage that it has a high switching speed and the beam quality has little effect.
  • a circuit of the Pockels cell takes place at a pre-definable or predetermined switching time, which corresponds to a predeterminable / predetermined number of revolutions in the circulating device.
  • a Pockels cell is an electro-optical switch that is usually based on the Pockels effect, which is an electro-optic effect. If an electric field is applied to such a Pockels cell, it has different refractive indices for the E field components of the radiation flowing through it (birefringence).
  • Pockels cells regularly have a birefringent crystal.
  • a Pockels cell in the sense of the present application may be based on a linear or non-linear electro-optical effect.
  • Pockels cells are electrically switchable very quickly, so that for decoupling, for example, the polarization of the laser beam in the circulating device can be modified so that the laser beam is coupled out at a polarization beam splitter after a predetermined number of cycles from the circulating device.
  • the decoupling device can be switched with a frequency in the MHz range.
  • the circulating device can be used for setting and influencing beam properties of laser pulses, which are generated, for example, with high pulse repetition rates in the range between 10 Hz to 100 MHz. Even beam properties of such fast successive laser pulses can be set with the circulating device with single pulse precision.
  • the time between repetitions, in which the laser beams are coupled as laser pulses in the circulating device be greater than the orbital period of a Laser beam in the circulating device multiplied by the maximum number of cycles provided in order to separate the individual laser beams well.
  • the pulse duration of the laser beam and / or the q-parameter of the laser beam are variable in dependence on the number of cycles performed in the circulating device in interaction with the optical element.
  • These beam properties can be further changed per cycle.
  • the circulating device as many adjustment levels of the beam properties of the laser beam can be provided as circulations are individually adjustable. With a high number of adjustable circulations, the adjustment of the beam properties is thus quasi-continuous, preferably with about 20 to 100, about 80 to 300, about 280 to about 500 or about 20 to about 500 different adjustment stages.
  • the circulating device should be designed as low loss. If no compensation of the losses by an amplifier integrated in the circulation device (eg a gain medium) takes place, a maximum number of revolutions of 100 to be carried out in the circulation device should generally not be exceeded.
  • the optical element is designed as a dispersive element for compressing and / or extending the laser pulse duration of the laser beam.
  • a laser pulse can be individually changed, in particular stretched and / or compressed, to obtain different selectable laser pulses, e.g. can be used for laser material processing.
  • the laser pulse can thus be brought to a desired pulse length.
  • the optical element is designed as a nonlinear medium, in particular as a component for self-phase modulation (SPM).
  • SPM self-phase modulation
  • the deflecting devices are arranged so that the beam axis of the laser beam coincides with the orbital axis of the laser beam in the previous circulation during each revolution.
  • the deflection devices are adjusted in such a way (exactly) that the beam axes of the laser beams coincide with each revolution.
  • the geometric beam position, and in particular the propagation axis is maintained at each revolution, while only the tunable beam property of the laser beam changes.
  • the circulating device is designed to influence a secondary light pulse for a laser amplifier.
  • the seed pulse can thus be brought or changed to a desired pulse length.
  • the pre-circuit of the circulating device in front of the amplifier resonator of the laser amplifier has the advantage that caused by the circulating device losses occur on the laser beam before the power build-up in the laser. Thus, these losses can be compensated in the construction of the laser power in a downstream laser amplifier.
  • This embodiment may comprise the circulating device and a downstream in the beam path laser amplifier, in which the decoupled from the circulating device laser pulse is coupled as a seed light.
  • the circulating device may be configured to receive a laser beam that has been decoupled from a laser resonator.
  • the circulating device for adjusting a laser beam is used, which is coupled out of a laser amplifier.
  • This embodiment may comprise the circulating device and a laser amplifier arranged upstream in the beam path, wherein the laser pulse coupled out of the laser amplifier is coupled into the circulating device.
  • the decoupling device is also designed as a coupling device for coupling the laser pulse, which can be realized, for example, by the decoupling mechanism having a thin-film polarizer (TFP) beam splitter.
  • the deflection device has two, three or four mirrors and / or prisms.
  • the circulating device can be linearly stretched, triangular or square.
  • the circulating device can also comprise significantly more mirrors, lenses and / or curved mirrors and / or have irregular geometries.
  • One aspect relates to a method for adjusting at least one beam property of a laser beam with the steps:
  • Decoupling the laser beam from the circulating device after a predetermined number of circulations in the circulating device in interaction with the optical element Decoupling the laser beam from the circulating device after a predetermined number of circulations in the circulating device in interaction with the optical element.
  • the method can be carried out in particular with a previously described optical circulating device.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an optical circulating device which is similar to a ring resonator
  • FIG. 2 shows in a diagram the dependence of the pulse duration on the number of cycles performed in the circulating device
  • 3A shows a diagram of the temporal pulse progression of a laser pulse when coupled into a circulating device
  • FIG. 3B shows a diagram of the temporal pulse progression of a laser pulse after the first circulation in the circulating device
  • FIG. 3C shows a diagram of the temporal pulse progression of a laser pulse after the hundredth revolution in the circulating device
  • FIGS. 4A and 4B are diagrams showing the beam radius in focus and the focal position of a light beam when using recirculating devices for setting the q-parameter of the light beam.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an optical circulating device 0, as an optical structure, which is externally formed by a laser resonator as an independent module.
  • the optical circulating device 10 is designed substantially as a quadrangular optical structure that can be traversed by a laser beam.
  • the quadrangular structure may e.g. be arranged horizontally and has at its four Umlaufeckticianen three deflection devices 11, 12 and 13, which may be formed as a deflection mirror or deflection prism, and a coupling-out device 14, which, for. as a polarization beam splitter, e.g.
  • TFP thin film polarizer
  • the circulating device 10 shown in Figure 1 is an exemplary embodiment.
  • Other circulating devices according to the invention may additionally or alternatively comprise lenses and / or curved mirrors and be arranged in different geometries (for example a substantially triangular, pentagonal or linear structure).
  • the decoupling device 14 further comprises a switching element 14 ', which is formed, for example, as a Pockels cell.
  • a switching element 14 ' which is formed, for example, as a Pockels cell.
  • the combination of a Pockels cell as a switching element 14 'together with a thin film polarizer (TFP) as decoupling device 14 serves as a switching element for coupling out a laser beam from the circulating device.
  • TFP thin film polarizer
  • an optical element 15 is further arranged, which interacts with a coupled into the circulating device 10 laser beam at each revolution.
  • the optical element 15 may be formed, for example, as a GTI mirror (with anomalous dispersion), as a chirped mirror (with anomalous dispersion), as a lattice, as a prism pair, as a non-linear element or as a dispersive transmission element.
  • the optical element 15 may further comprise a medium of normal chromatic dispersion, such as an undoped YAG rod with Brewster ends or AR coatings on its facets. By grid pairs as the optical element 15, a high dispersion can be achieved.
  • the optical element 15 may alternatively or additionally be designed such that it interacts with the coupled-in laser beam with each revolution in such a way that it alters and / or influences the q-parameter of the laser beam.
  • a plurality of different or identical optical elements 15 of the aforementioned type can be arranged.
  • a laser beam S can be coupled into the circulating device 10.
  • the decoupling device 14 is thus at the same time formed as a coupling device. If the decoupling device 14 is designed as a polarization beam splitter, only laser radiation of a first polarization is coupled into the circulating device.
  • the coupled laser beam S 'passes through the circulating device 10, wherein it is deflected at the highly reflective deflecting devices 11, 12 and 13 in each case by 90 °.
  • the Pockels cell can be switched to a ⁇ / 2 voltage, so that the coupled-in laser beam S 'at the Pockels cell is repolarized to a second polarization.
  • the re-polarized laser beam S ' is reflected at the thin-film polarizer and remains in the circulating device 10.
  • the Pockel cell is turned off and causes no polarization change in the following rounds of the coupled laser beam S'.
  • the mechanism for coupling and uncoupling the laser beam into and out of the optical circulating device is similar to the coupling mechanism of a regenerative laser amplifier.
  • the laser beam S ' is caused to interact with the optical element 15 by e.g. added a different degrees of dispersion.
  • the circulating device 10 may incorporate other optical components, such as e.g. a compensation gain medium for compensating for a loss when circulating in the circulating device 10.
  • the circulating device 10 may be formed in particular also gain medium free.
  • the run length through a Pockels cell should be kept as short as possible to minimize nonlinear effects and pulse broadening.
  • the optical element 15 may alternatively or additionally be designed to influence the q parameter of the coupled-in laser beam S '.
  • the coupled-in laser beam S ' interacts with the optical element 15 with each rotation in such a way that two decoupled laser beams S ", which have performed a different number of revolutions in the circulating device 10, have traveled two different optical distances
  • the different optical paths mean that the real part of the q-parameter changes depending on the cycles traveled in the circulating device.
  • the influence on the q parameter can be significantly enhanced and / or mitigated by the use of lenses and / or curved mirrors as the optical element 15.
  • the imaginary part of the q-parameter can additionally be adjusted and controlled by switching the circulating device.
  • the optical circulating device 10 shown in FIG. 1 represents an embodiment in which the coupled-in laser beam S 'interacts with the optical element 15 during each revolution.
  • FIG. 2 shows the operation of a circulating device with a dispersive element as the optical element 15 in a diagram. The dependency of the pulse duration on the number of round trips carried out in the circulating device is shown, wherein FIG. 2 shows the result of a numerical simulation for the pulse development.
  • the boundary conditions for the simulation were a seed laser with a pulse length of 100 fs and the pulse shape of a soliton (sech 2 pulse) with time-bandwidth limitation used.
  • the pulse energy is 40 nJ.
  • the laser beam has a pulse length of 127 ps. From the start pulse length to the target pulse length at 127 ps, the pulse duration changes almost linearly as the number of revolutions increases. The spectrum and the pulse shape experience almost no change.
  • FIGS. 3A to 3C The associated pulse shapes are shown in FIGS. 3A to 3C.
  • FIG. 3A shows in a diagram the temporal pulse progression of a laser pulse S during coupling into a circulating device, as it were as pulse # 0.
  • FIG. 3B shows in a diagram the temporal pulse progression of a laser pulse S- after the first circulation in the circulating device as pulse # 1
  • FIG. 3C shows in a diagram the temporal pulse progression of a laser pulse Sioo 'after the hundredth circulation in the circulating device as pulse # 100.
  • the pulse # 0 shown in FIG. 3A has a pulse duration of 100 fs with a pulse peak power of 353 kW (40 nJ).
  • FIG. 3B has a duration of 1.29 ps with a pulse peak power of 27.3 kW (39.8 nJ).
  • the pulse # 100 shown in Figure 3C has a duration of 127 ps with a pulse peak power of 169 W (24.2 nJ).
  • the two diagram axes were rescaled in comparison to the diagram axes of FIGS. 3A and 3B.
  • timing jitter arises because the laser pulses are no longer forwarded in a precisely constant repetition. This results from the different optical path length of the speed of light Revolutions of the individual laser beams. While this variation is very small, for some applications the timing jitter may be critical and compensated for by a second circulating device downstream of the first circulating device. This second circulating device does not have to have an optical element but only serves to compensate the path difference by a corresponding number of further circulations. In this case, the two circulating devices are controlled such that each laser beam has traveled the same optical path length after passing through the first and second circulating device.
  • an optical path difference between laser beams can be compensated by a corresponding number of cycles performed without interaction with the optical element.
  • a second circulating device a fine adjustment of the laser radiation can be carried out by, for example, an optical element with a lower dispersion compared to the first circulating device is arranged in the second circulating device.
  • a second circulating device may alternatively or additionally be used to compensate for a cycle number dependent power loss.
  • a circulation device for setting the q-parameter can be used, for example, within a telescope structure according to Kepler or Galileo.
  • the circulating device is introduced between lenses and / or curved mirrors of a telescope.
  • the circulating device can be arranged, for example, after or in front of a beam guide with a machining position-dependent variable length.
  • the circulating device can be arranged, for example, before or after a focusing lens of the telescope.
  • Figures 4A and 4B show in a diagram the result of an application example of two circulating devices in a Kepler telescope.
  • the propagation length is varied in the range of 1000 mm to 3000 mm between the two telescope lenses by means of a first circulating device, which is plotted on the y-axis in the three-dimensional diagram shown in Figure 4A.
  • a second orbital adjustable propagation length of 0 to 1500 mm after the telescope assembly, shown on the x-axis, the beam radius for an input beam having a predetermined q-parameter passes through a focus plotted on the z-axis.
  • the result is shown in the form of a diagram in FIG. 4B:
  • the position of the focus f (in mm) shifts in this example between about 545 mm and 950 mm, while the beam radius Rs (in pm) in focus f changes less than 10% experiences.
  • the beam radius varies between 365 pm and 405 pm.
  • the size of the beam radius Rs in the focus f varies relatively little, although the position of the focus f shifts comparatively far by several centimeters.

Abstract

The invention relates to an optical rotation device for receiving an injected laser beam in the optical rotation device, comprising deflection devices (11, 12, 13) between which the injected laser beams (S') rotate in the optical rotation device (10), an optical element (15) with which the injected laser beam (S') interacts during at least one rotation such that a beam property of the laser beam (S') is modified and an extraction device (14, 14') for extracting the laser beam (S') after carrying out a predetermined number of rotations with the interaction with the optical element (15) in the rotation device (10).

Description

OPTISCHE UMLAUFVORRICHTUNG UND ZUGEHÖRIGES VERFAHREN  OPTICAL ROTATING DEVICE AND ASSOCIATED METHOD
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft eine optische Umlaufvorrichtung zur Aufnahme eines in die optische Umlaufvorrichtung eingekoppelten Laserstrahls sowie ein Verfahren zum Einstellen zumindest einer Strahleigenschaft eines Laserstrahls. Die Laserpulsdauer und der q-Parameter eines Laserstrahls haben einen signifikanten Einfluss auf die Wechselwirkung des Laserstrahls mit Materie. Bei der Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung werden z.B. unterschiedliche Pulsdauerregime voneinander unterschieden, die Unterschiede bezüglich der Arten der Wechselwirkung mit dem Werkstück, der Qualität des erzeugten Werkstücks, den erzielbaren Bearbeitungsgeometrien, der Effizienz und der Schädigung des Materials aufweisen. Die unterschiedlichen Wechselwirkungsregime liegen jeweils für jedes zu bearbeitende Material bei unterschiedlichen Pulsdauern des Laserpulses. So sind z.B. beim Bohren bzw. Herstellen von feinen Löchern in Metallen mit Laserpulsen, die eine Dauer von wenigen Pikosekunden aufweisen, sehr genaue Bearbeitungsgeometrien erzeugbar (sogenannte kalte Ablation). Mit Laserpulsen mit einer Dauer von einigen Nanosekunden ist die Bearbeitung effizienter und schneller, es wird aber ein qualitativ ungenaueres Ergebnis erzielt. Es gibt Bestrebungen in der Industrie, im Sinne der Produktivität unterschiedliche Wechselwirkungsregime zur Bearbeitung derselben Stelle des Werkstücks zeitlich gestaffelt zu benutzen, um die jeweiligen Vorteile miteinander zu verbinden. Dazu ist ein Laser mit wechselnder Laserpulsdauer notwendig. The invention relates to an optical circulating device for receiving a laser beam coupled into the optical circulating device and to a method for adjusting at least one beam property of a laser beam. The laser pulse duration and the q-parameter of a laser beam have a significant influence on the interaction of the laser beam with matter. In material processing by means of laser radiation, e.g. different Pulse duration regimes from each other, the differences in the types of interaction with the workpiece, the quality of the produced workpiece, the achievable machining geometries, the efficiency and the damage of the material have. The different interaction regimes are each for each material to be processed at different pulse durations of the laser pulse. Thus, e.g. When drilling or producing fine holes in metals with laser pulses that have a duration of a few picoseconds, very precise machining geometries can be generated (so-called cold ablation). With laser pulses lasting a few nanoseconds, processing is more efficient and faster, but results are less accurate. There are efforts in the industry to use, in terms of productivity, different interaction regimes for processing the same location of the workpiece, staggered in time, in order to combine the respective advantages. This requires a laser with changing laser pulse duration.
Alternativ können mehrere unterschiedliche Lasersysteme mit unterschiedlichen Wellenlängen, Strahleigenschaften, Bearbeitungsoptiken und Prozesstechniken verwendet werden. Neben der Notwendigkeit mehrere Lasersysteme bereitstellen zu müssen, haben alle vorgenannten Parameter einen signifikanten Einfluss auf den Wechselwirkungsprozess und das Prozessergebnis. Eine qualitativ hochwertige Materialbearbeitung kann somit nur über langwierige Vergleiche der unterschiedlichen Lasersysteme ungefähr bestimmt und somit sichergestellt werden. Alternatively, several different laser systems with different wavelengths, beam characteristics, processing optics, and process techniques may be used. In addition to the need to provide multiple laser systems, all the above parameters have a significant impact on the interaction process and the process result. A high quality Material processing can thus be determined approximately only over lengthy comparisons of different laser systems and thus ensured.
Die Unterschiede hinsichtlich der Pulsdauerregime gelten nicht nur für die Lasermaterialbearbeitung in der Produktion, sondern auch allgemein in der Forschung, Messtechnik und diversen Anwendungen in Fachgebieten, wie der Materialbearbeitung, Physik, Chemie, Biologie und Medizin. The differences in pulse duration regime apply not only to laser material processing in production, but also generally in research, metrology and various applications in fields such as materials processing, physics, chemistry, biology and medicine.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit bereitzustellen, zumindest eine wesentliche Strahleigenschaft eines Laserstrahls unabhängig von einem vorhergehenden und einem nachfolgenden Laserpuls individuell einzustellen. The invention is based on the object to provide a way to individually set at least one essential beam property of a laser beam independently of a preceding and a subsequent laser pulse.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche. This object is solved by the subject matters of the independent claims. Preferred embodiments are subject matters of the dependent claims.
Ein Aspekt betrifft eine optische Umlaufvorrichtung zur Aufnahme eines in die optische Umlaufvorrichtung eingekoppelten Laserstrahls mit Umlenkvorrichtungen, zwischen denen der eingekoppelte Laserstrahl Umläufe in der optischen Umlaufvorrichtung durchführt. Die Umlaufvorrichtung weist ein optisches Element auf, mit dem der eingekoppelte Laserstrahl bei zumindest einem Umlauf so wechselwirkt, dass zumindest eine Strahleigenschaft des Laserstrahls verändert wird, insbesondere die Pulsdauer des Laserstrahls und/oder der q-Parameter des Laserstrahls. Weiterhin ist eine Auskoppelvorrichtung zum Auskoppeln des Laserstrahls nach Durchführung einer vorbestimmten Anzahl von Umläufen unter Wechselwirkung mit dem optischen Element in der Umlaufvorrichtung vorgesehen. One aspect relates to an optical circulating device for receiving a coupled into the optical circulating laser beam with deflection devices, between which the coupled laser beam circulates in the optical circulating device performs. The circulating device has an optical element with which the coupled-in laser beam interacts during at least one revolution such that at least one beam property of the laser beam is changed, in particular the pulse duration of the laser beam and / or the q parameter of the laser beam. Furthermore, a decoupling device is provided for decoupling the laser beam after a predetermined number of circulations have been carried out in interaction with the optical element in the circulating device.
Eine solche Umlaufvorrichtung ist als Resonator-externer optischer Aufbau ausgebildet und kann dem Aufbau eines Laserresonators ähneln. Die Umlaufvorrichtung ist dazu ausgebildet und vorgesehen, einen Laserstrahl eines herkömmlichen Lasers aufzunehmen, wobei der Laserstrahl insbesondere als gepulster Laserstrahl und/oder gepulstes Seedlicht ausgebildet sein kann. Die Umlaufvorrichtung kann z.B. als Ringresonator, als Fabry-Perot-Resonator oder resonatorähnlich aufgebaut sein. Such a circulating device is designed as a resonator-external optical structure and may be similar to the structure of a laser resonator. The circulating device is designed and provided to receive a laser beam of a conventional laser, wherein the laser beam may be formed in particular as a pulsed laser beam and / or pulsed maritime light. The circulating device can, for example, as a ring resonator, as a Fabry-Perot resonator or be constructed resonator similar.
Eine oder mehrere Umlenkvorrichtungen dienen dabei dazu, den Laserstrahl in der Umlaufvorrichtung zu führen. Als Umlenkvorrichtungen können zum Beispiel Spiegel, Reflektoren, Prismen oder ähnliches vorgesehen sein. Nach einer vorbestimmten Anzahl von Umläufen des Laserstrahls in der Umlaufvorrichtung wird der Laserstrahl aus der Umlaufvorrichtung ausgekoppelt. One or more deflection devices serve to guide the laser beam in the circulating device. As deflection devices, for example, mirrors, reflectors, prisms or the like may be provided. After a predetermined number of revolutions of the laser beam in the circulating device, the laser beam is decoupled from the circulating device.
Bei zumindest einem Umlauf des eingekoppelten Laserstrahls in der Umlaufvorrichtung wechselwirkt das optische Element mit dem Laserstrahl. Damit wird pro Umlauf unter Wechselwirkung mit dem optischen Element eine Strahleigenschaft des Laserstrahls schrittweise modifiziert. Dabei kann das optische Element so ausgebildet sein, dass durch die Wechselwirkung die Pulsdauer, die spektrale Zusammensetzung, der Chirp und/oder der q-Parameter des Laserstrahls modifiziert wird. Das optisches Element kann z.B. GTI-Spiegel, gechirpte Spiegel, Gitter, Wellenleiter, Prismenpaare, freie Propagation durch die Luft (z.B. zur Änderung des q-Parameters), ein nichtlineares Element, insbesondere ein Selbstphasenmodulations(SPM)-Element, und/oder dispersive Transmissionskörper aufweisen. Das optische Element kann insbesondere mehrere Bauteile umfassen. In at least one revolution of the coupled-in laser beam in the circulating device, the optical element interacts with the laser beam. Thus, a beam property of the laser beam is gradually modified per revolution in interaction with the optical element. In this case, the optical element can be designed so that the pulse duration, the spectral composition, the chirp and / or the q-parameter of the laser beam is modified by the interaction. The optical element may e.g. GTI mirrors, chirped mirrors, gratings, waveguides, prism pairs, free air propagation (e.g., to alter the q parameter), a nonlinear element, particularly a self-phase modulation (SPM) element, and / or dispersive transmission bodies. The optical element may in particular comprise a plurality of components.
Das optische Element kann zum Einstellen des Durchmessers, des Fokusabstands, des Fokusdurchmessers und/oder der Divergenz des Laserstrahls ausgebildet sein. The optical element can be designed to set the diameter, the focal distance, the focus diameter and / or the divergence of the laser beam.
Die Umlaufvorrichtung dient somit zur Variation und zum Einstellen einer Strahleigenschaft des Laserstrahls, insbesondere eines Laserpulses. Dies kann entweder zur direkten Einstellung der Strahleigenschaft verwendet werden, oder zum Ausgleich an anderer Stelle entstandener Fluktuationen dieser Strahleigenschaft. The circulating device thus serves to vary and set a beam property of the laser beam, in particular of a laser pulse. This can be used either to adjust the jet property directly or to compensate for fluctuations elsewhere in this jet property.
Das optische Element kann dazu ausgebildet sein, den q-Parameter des Laserstrahls zu beeinflussen. Dazu kann das optische Element z.B. als Linse oder als gekrümmter Spiegel ausgebildet sein. Mit der Umlaufvorrichtung kann eine Strahleigenschaft des Laserstrahls in Abhängigkeit von der Anzahl der in der Umlaufvorrichtung unter Wechselwirkung mit dem optischen Element durchgeführten Umläufe geregelt/gesteuert und eingestellt werden. Die damit regelbaren bzw. einstellbaren Strahleigenschaften sind somit diskrete Werte. Die Anzahl der verschiedenen anwählbaren Strahleigenschaftswerte entspricht der Anzahl der maximal vorbestimmten Umläufe, die der Laserstrahl in der Umlaufvorrichtung unter Wechselwirkung mit dem optischen Element durchführen kann. Der Auskoppelmechanismus ist derart schaltbar ausgebildet, dass beim Schalten bzw. Aktivieren des Auskoppelmechnismus der Laserstrahl aus der Umlaufvorrichtung ausgekoppelt wird. Dabei wird durch den Schaltzeitpunkt, zu dem der Auskoppelmechanismus geschaltet wird, bestimmt bzw. festgelegt, nach wie vielen Umläufen der Laserstrahl ausgekoppelt wird. Wechselwirkt der eingekoppelte Laserstrahl z.B. bei jedem Umlauf mit dem optischen Element, so ist durch das Schalten des Auskoppelmechanismus regelbar bzw. steuerbar, wie stark die Strahleigenschaft des Laserstrahls durch Wechselwirkung mit dem optischen Element verändert wird. Der Auskoppelmechanismus kann beispielsweise einen elektrooptischen Modulator (EOM) (z.B. eine Pockels- und/oder Kerrzelle) und/oder einen akustooptischen Modulator (AOM) aufweisen, und/oder durch mechanische Bewegung einer optischen Komponente wie eines Glas- oder Kristallkörpers realisiert werden. The optical element can be designed to influence the q-parameter of the laser beam. For this purpose, the optical element may be formed, for example, as a lens or as a curved mirror. With the circulating device, a jet property of the laser beam can be controlled / adjusted in accordance with the number of revolutions performed in the circulating device in interaction with the optical element. The thus adjustable or adjustable beam properties are thus discrete values. The number of different selectable beam property values corresponds to the number of maximum predetermined rotations that the laser beam can make in the orbiting device in interaction with the optical element. The decoupling mechanism is designed so switchable that when switching or activating the Auskoppelmechnismus the laser beam is coupled out of the circulating device. In this case, the switching time at which the coupling-out mechanism is switched determines or determines after how many revolutions the laser beam is coupled out. If the coupled-in laser beam interacts with the optical element, for example during each revolution, the switching of the coupling-out mechanism makes it possible to regulate or control how much the beam property of the laser beam is changed by interaction with the optical element. The decoupling mechanism may comprise, for example, an electro-optic modulator (EOM) (eg a Pockels and / or Kerr cell) and / or an acousto-optic modulator (AOM), and / or realized by mechanical movement of an optical component such as a glass or crystal body.
Die Umlaufvorrichtung ist so ausgebildet, dass ein Laserstrahl eine bestimmte, gezielt für jeden Laserpuls unabhängig von dem vorhergehenden und dem nachfolgenden Laserpuls individuell einstellbare Anzahl von Umläufen unter Wechselwirkung mit dem optischen Element in der Umlaufvorrichtung durchführt. Zu einem festlegbaren, steuerbaren Zeitpunkt wird der Laserstrahl aus der Umlaufvorrichtung ausgekoppelt. Damit wird ermöglicht, dass eine Strahleigenschaft des Laserstrahls gezielt eingestellt werden kann. The circulating device is designed so that a laser beam performs a specific, specifically for each laser pulse independently of the preceding and the subsequent laser pulse individually adjustable number of cycles under interaction with the optical element in the circulating device. At a definable, controllable time, the laser beam is decoupled from the circulating device. This makes it possible that a beam property of the laser beam can be adjusted specifically.
Die Umlaufvorrichtung kann insbesondere zur Modifikation ultrakurz- oder kurzgepulster Laserstrahlung im ns-, ps-, und/oder fs-Bereich verwendet werden. Die Umlaufvorrichtung kann komplett statisch ausgebildet sein, also ohne bewegliche Bauteile und Optiken ausgebildet sein. Dadurch kann eine hohe Schaltgeschwindigkeit erzielt werden. The circulating device can in particular for modifying ultra short or short-pulsed laser radiation in the ns, ps, and / or fs range can be used. The circulating device may be completely static, so be formed without moving components and optics. As a result, a high switching speed can be achieved.
Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Element so in der optischen Umlaufvorrichtung angeordnet, dass der eingekoppelte Laserstrahl bei jedem Umlauf mit dem optischen Element wechselwirkt, wobei eine Strahleigenschaft des Laserstrahls verändert wird. Die Gesamtanzahl der Umläufe, die der Laserstrahl in der optischen Umlaufvorrichtung durchführt, bestimmt bei dieser Ausführungsform, wie stark die Strahleigenschaft des Laserstrahls verändert wird. According to an embodiment, the optical element is arranged in the optical circulating device in such a way that the coupled-in laser beam interacts with the optical element during each rotation, whereby a beam property of the laser beam is changed. The total number of rotations that the laser beam makes in the optical circulator determines how much the beam property of the laser beam is changed in this embodiment.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Einstellvorrichtung der optischen Umlaufvorrichtung dazu ausgebildet, die Anzahl der Umläufe einzustellen, bei denen der eingekoppelte Laserstrahl mit dem optischen Element wechselwirkt. Durch Ansteuerung der Einstellvorrichtung kann eingestellt werden, wie viele Umläufe der Laserstrahl unter Wechselwirkung mit dem optischen Element durchführt und wie viele Umläufe der Laserstrahl ohne Wechselwirkung mit dem optischen Element durchführt. Die Wechselwirkung kann dabei für jeden Umlauf zu- und/oder abschaltbar sein. Die Einstellvorrichtung kann z.B. einen EOM und/oder AOM aufweisen, mit dem das Zu- und/oder Abschalten der Wechselwirkung angesteuert werden kann. Die Wechselwirkung kann dabei z.B. in Abhängigkeit von der Polarisation des Laserstrahls erfolgen, die von der Einstellvorrichtung beeinflusst werden kann. Dazu kann der Abschnitt der Umlaufvorrichtung, in dem sich das optische Element befindet, als ein polarisationsabhängiger Abschnitt der Umlaufvorrichtung ausgebildet sein. Insbesondere kann mit der Einstellvorrichtung eingestellt werden, dass der eingekoppelte Laserstrahl bei jedem Umlauf mit dem optischen Element wechselwirkt. Gemäß einer Ausführungsform weist die Auskoppelvorrichtung der optischen Umlaufvorrichtung eine Pockelszelle und einen Polarisationsstrahlteiler auf. Durch Ansteuerung der Pockelszelle kann die Polarisation des Laserstrahls so eingestellt werden, dass der Laserstrahl über den Polarisationsstrahlteiler aus der Umlaufvorrichtung ausgekoppelt wird. Eine Pockelszelle als Schaltelement hat den Vorteil, dass sie eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweist und die Strahlqualität wenig beeinflusst. Damit lässt sich die Anzahl der Umläufe, die der Laserstrahl in der Umlaufvorrichtung durchführt, schnell und genau einstellen. Eine Schaltung der Pockelszelle erfolgt dabei bei einem vorbestimmbaren bzw. vorbestimmten Schaltzeitpunkt, der einer vorbestimmbaren / vorbestimmten Anzahl von Umläufen in der Umlaufvorrichtung entspricht. Eine Pockelszelle ist ein elektrooptischer Schalter, der üblicherweise auf dem Pockelseffekt, der ein elektrooptischer Effekt ist, beruht. Wird an eine solche Pockelszelle ein elektrisches Feld angelegt, weist sie für die E-Feldkomponenten der sie durchströmenden Strahlung unterschiedliche Brechzahlen auf (Doppelbrechung). Durch Ansteuerung einer Pockelszelle kann somit die Polarisation des sie durchströmenden Lichts beeinflusst bzw. eingestellt werden, insbesondere die Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht kann so geschaltet werden. Pockelszellen weisen regelmäßig einen doppelbrechenden Kristall auf. Eine Pockelszelle im Sinne der vorliegenden Anmeldung kann auf einem linearen oder nicht linearen elektrooptischen Effekt beruhen. Pockelszellen sind elektrisch sehr schnell schaltbar, so dass zum Auskoppeln zum Beispiel die Polarisation des Laserstrahls in der Umlaufvorrichtung so abgeändert werden kann, dass der Laserstrahl an einem Polarisationsstrahlteiler nach einer vorbestimmten Anzahl von Umläufen aus der Umlaufvorrichtung ausgekoppelt wird. Gemäß einer Ausführungsform ist die Auskoppelvorrichtung mit einer Frequenz im MHz-Bereich schaltbar. Damit kann die Umlaufvorrichtung zur Einstellung und Beeinflussung von Strahleigenschaften von Laserpulsen verwendet werden, die z.B. mit hohen Pulswiederholraten im Bereich zwischen 10 Hz bis 100 MHz erzeugt werden. Selbst Strahleigenschaften solcher schnell aufeinanderfolgender Laserpulse können mit der Umlaufvorrichtung einzelpulsgenau eingestellt werden. Insbesondere kann die Zeit zwischen Wiederholungen, bei denen die Laserstrahlen als Laserpulse in die Umlaufvorrichtung eingekoppelt werden, größer sein als die Umlaufzeit eines Laserstrahls in der Umlaufvorrichtung multipliziert mit der maximal vorgesehenen Anzahl an Umläufen, um die einzelnen Laserstrahlen gut voneinander trennen zu können. Gemäß einer Ausführungsform ist durch Wechselwirkung mit dem optischen Element die Pulsdauer des Laserstrahls und/oder der q-Parameter des Laserstrahls in Abhängigkeit von der Anzahl der in der Umlaufvorrichtung unter Wechselwirkung mit dem optischen Element durchgeführten Umläufe veränderbar. Diese Strahleigenschaften lassen sich pro Umlauf weiter verändern. Je nach Bauart der Umlaufvorrichtung können so viele Einstellstufen der Strahleigenschaften des Laserstrahls vorgesehen sein, wie Umläufe individuell einstellbar sind. Bei einer hohen Anzahl von einstellbaren Umläufen erfolgt die Einstellung der Strahleigenschaften somit quasikontinuierlich, bevorzugt mit etwa 20 bis 100, etwa 80 bis 300, etwa 280 bis etwa 500 oder etwa 20 bis etwa 500 unterschiedlichen Einstellstufen. Um eine hohe Anzahl an Umläufen zu ermöglichen, sollte die Umlaufvorrichtung möglichst verlustarm ausgeführt sein. Sofern kein Ausgleich der Verluste durch einen in die Umlaufvorrichtung integrierten Verstärker (z.B. ein Verstärkungsmedium) erfolgt, sollte in der Regel eine Maximalanzahl der in der Umlaufvorrichtung durchzuführenden Umläufe von 100 nicht überschritten werden. According to one embodiment, an adjusting device of the optical circulating device is designed to set the number of revolutions at which the coupled-in laser beam interacts with the optical element. By controlling the setting device can be adjusted how many rotations the laser beam performs in interaction with the optical element and how many rotations the laser beam without interacting with the optical element performs. The interaction can be switched on and / or off for each circulation. The adjustment device can have, for example, an EOM and / or AOM with which the activation and / or deactivation of the interaction can be controlled. The interaction can take place, for example, as a function of the polarization of the laser beam, which can be influenced by the adjustment device. For this purpose, the portion of the circulating device in which the optical element is located may be formed as a polarization-dependent section of the circulating device. In particular, it can be adjusted with the adjusting device that the coupled-in laser beam interacts with the optical element during each revolution. According to one embodiment, the decoupling device of the optical circulating device has a Pockels cell and a polarization beam splitter. By controlling the Pockels cell, the polarization of the laser beam can be adjusted be that the laser beam is coupled out via the polarization beam splitter from the circulating device. A Pockels cell as a switching element has the advantage that it has a high switching speed and the beam quality has little effect. Thus, the number of revolutions, which performs the laser beam in the circulating device, can be adjusted quickly and accurately. A circuit of the Pockels cell takes place at a pre-definable or predetermined switching time, which corresponds to a predeterminable / predetermined number of revolutions in the circulating device. A Pockels cell is an electro-optical switch that is usually based on the Pockels effect, which is an electro-optic effect. If an electric field is applied to such a Pockels cell, it has different refractive indices for the E field components of the radiation flowing through it (birefringence). By controlling a Pockels cell thus the polarization of the light flowing through them can be influenced or adjusted, in particular the polarization direction of linearly polarized light can be switched so. Pockels cells regularly have a birefringent crystal. A Pockels cell in the sense of the present application may be based on a linear or non-linear electro-optical effect. Pockels cells are electrically switchable very quickly, so that for decoupling, for example, the polarization of the laser beam in the circulating device can be modified so that the laser beam is coupled out at a polarization beam splitter after a predetermined number of cycles from the circulating device. According to one embodiment, the decoupling device can be switched with a frequency in the MHz range. Thus, the circulating device can be used for setting and influencing beam properties of laser pulses, which are generated, for example, with high pulse repetition rates in the range between 10 Hz to 100 MHz. Even beam properties of such fast successive laser pulses can be set with the circulating device with single pulse precision. In particular, the time between repetitions, in which the laser beams are coupled as laser pulses in the circulating device, be greater than the orbital period of a Laser beam in the circulating device multiplied by the maximum number of cycles provided in order to separate the individual laser beams well. According to one embodiment, by interaction with the optical element, the pulse duration of the laser beam and / or the q-parameter of the laser beam are variable in dependence on the number of cycles performed in the circulating device in interaction with the optical element. These beam properties can be further changed per cycle. Depending on the design of the circulating device as many adjustment levels of the beam properties of the laser beam can be provided as circulations are individually adjustable. With a high number of adjustable circulations, the adjustment of the beam properties is thus quasi-continuous, preferably with about 20 to 100, about 80 to 300, about 280 to about 500 or about 20 to about 500 different adjustment stages. To allow a high number of cycles, the circulating device should be designed as low loss. If no compensation of the losses by an amplifier integrated in the circulation device (eg a gain medium) takes place, a maximum number of revolutions of 100 to be carried out in the circulation device should generally not be exceeded.
Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Element als dispersives Element zur Komprimierung und/oder zur Streckung der Laserpulsdauer des Laserstrahls ausgebildet. Damit kann ein Laserpuls individuell verändert, insbesondere gestreckt und/oder komprimiert werden, um verschieden anwählbare Laserpulse zu erhalten, die z.B. für die Lasermaterialbearbeitung genutzt werden können. Der Laserpuls kann somit auf eine gewünschte Pulslänge gebracht werden. According to one embodiment, the optical element is designed as a dispersive element for compressing and / or extending the laser pulse duration of the laser beam. Thus, a laser pulse can be individually changed, in particular stretched and / or compressed, to obtain different selectable laser pulses, e.g. can be used for laser material processing. The laser pulse can thus be brought to a desired pulse length.
Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Element als nichtlineares Medium ausgebildet, insbesondere als ein Bauelement zur Selbstphasenmodulation (SPM). Durch Wechselwirkung mit einem SPM wird der Laserstrahl spektral symmetrisch um neue Frequenzkomponenten erweitert. Gemäß einer Ausführungsform sind die Umlenkvorrichtungen so angeordnet, dass die Strahlachse des Laserstrahls bei jedem Umlauf mit der Strahlachse des Laserstrahls beim vorangegangenen Umlauf zusammenfällt. Die Umlenkvorrichtungen sind derart (exakt so) justiert, dass die Strahlachsen der Laserstrahlen bei jedem Umlauf zusammenfallen. Damit bleibt die geometrische Strahlposition und insbesondere die Propagationsachse bei jedem Umlauf erhalten, während sich lediglich die einstellbare Strahleigenschaft des Laserstrahls ändert. According to one embodiment, the optical element is designed as a nonlinear medium, in particular as a component for self-phase modulation (SPM). By interacting with an SPM, the laser beam is spectrally symmetrically extended by new frequency components. According to one embodiment, the deflecting devices are arranged so that the beam axis of the laser beam coincides with the orbital axis of the laser beam in the previous circulation during each revolution. The deflection devices are adjusted in such a way (exactly) that the beam axes of the laser beams coincide with each revolution. Thus, the geometric beam position, and in particular the propagation axis, is maintained at each revolution, while only the tunable beam property of the laser beam changes.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Umlaufvorrichtung zur Beeinflussung eines Seedlichtpulses für einen Laserverstärker ausgebildet. Besonders bei einstellbarer Pulsdauer kann somit der Seedpuls auf eine gewünschte Pulslänge gebracht bzw. verändert werden. Die Vorschaltung der Umlaufvorrichtung vor den Verstärkerresonator des Laserverstärkers weist den Vorteil auf, dass durch die Umlaufvorrichtung verursachte Verluste am Laserstrahl vor dem Leistungsaufbau im Laser erfolgen. Somit können diese Verluste beim Aufbau der Laserleistung in einem nachgeschalteten Laserverstärker kompensiert werden. Diese Ausführungsform kann die Umlaufvorrichtung umfassen sowie einen im Strahlverlauf nachgeschalteten Laserverstärker, in den der aus der Umlaufvorrichtung ausgekoppelte Laserpuls als Seedlicht eingekoppelt wird. According to one embodiment, the circulating device is designed to influence a secondary light pulse for a laser amplifier. Thus, with an adjustable pulse duration, the seed pulse can thus be brought or changed to a desired pulse length. The pre-circuit of the circulating device in front of the amplifier resonator of the laser amplifier has the advantage that caused by the circulating device losses occur on the laser beam before the power build-up in the laser. Thus, these losses can be compensated in the construction of the laser power in a downstream laser amplifier. This embodiment may comprise the circulating device and a downstream in the beam path laser amplifier, in which the decoupled from the circulating device laser pulse is coupled as a seed light.
Alternativ kann die Umlaufvorrichtung zum Aufnehmen eines Laserstrahls ausgebildet sein, der aus einem Laserresonator ausgekoppelt wurde. Damit ist die Umlaufvorrichtung zur Nacheinstellung eines Laserstrahls verwendbar, der aus einem Laserverstärker ausgekoppelt ist. Diese Ausführungsform kann die Umlaufvorrichtung umfassen sowie einen im Strahlverlauf vorgeschalteten Laserverstärker, wobei der aus dem Laserverstärker ausgekoppelte Laserpuls in die Umlaufvorrichtung eingekoppelt wird. Alternatively, the circulating device may be configured to receive a laser beam that has been decoupled from a laser resonator. Thus, the circulating device for adjusting a laser beam is used, which is coupled out of a laser amplifier. This embodiment may comprise the circulating device and a laser amplifier arranged upstream in the beam path, wherein the laser pulse coupled out of the laser amplifier is coupled into the circulating device.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Auskoppelvorrichtung zugleich als Einkoppelvorrichtung zum Einkoppeln des Laserpulses ausgebildet, was z.B. dadurch realisierbar ist, dass der Auskoppelmechanismus einen Dünnschichtpolarisator (TFP)-Strahlteiler aufweist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Umlenkvorrichtung zwei, drei oder vier Spiegel und/oder Prismen auf. Damit kann die Umlaufvorrichtung linear gestreckt, dreieckig oder viereckig aufgebaut sein. Alternativ kann die Umlaufvorrichtung auch deutlich mehr Spiegel, Linsen und/oder gekrümmte Spiegel umfassen und/oder unregelmäßige Geometrien aufweisen. According to one embodiment, the decoupling device is also designed as a coupling device for coupling the laser pulse, which can be realized, for example, by the decoupling mechanism having a thin-film polarizer (TFP) beam splitter. According to one embodiment, the deflection device has two, three or four mirrors and / or prisms. Thus, the circulating device can be linearly stretched, triangular or square. Alternatively, the circulating device can also comprise significantly more mirrors, lenses and / or curved mirrors and / or have irregular geometries.
Ein Aspekt betrifft ein Verfahren zum Einstellen zumindest einer Strahleigenschaft eines Laserstrahls mit den Schritten: One aspect relates to a method for adjusting at least one beam property of a laser beam with the steps:
Einkoppeln eines Laserstrahls in eine Umlaufvorrichtung,  Coupling a laser beam into a circulating device,
Umlenken des eingekoppelten Laserstrahls für eine vorbestimmte Anzahl von Umläufen in der optischen Umlaufvorrichtung,  Deflecting the coupled-in laser beam for a predetermined number of revolutions in the optical circulating device,
Wechselwirken des eingekoppelten Laserstrahls bei zumindest einem Umlauf mit einem optischen Element derart, dass zumindest eine Strahleigenschaft des Laserstrahls verändert wird und  Interaction of the coupled laser beam in at least one circulation with an optical element such that at least one beam property of the laser beam is changed and
Auskoppeln des Laserstrahls aus der Umlaufvorrichtung nach Durchführung einer vorbestimmten Anzahl von Umläufen in der Umlaufvorrichtung unter Wechselwirkung mit dem optischen Element. Das Verfahren kann dabei insbesondere mit einer vorbeschriebenen optischen Umlaufvorrichtung durchgeführt werden.  Decoupling the laser beam from the circulating device after a predetermined number of circulations in the circulating device in interaction with the optical element. The method can be carried out in particular with a previously described optical circulating device.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. The invention will be described in more detail with reference to embodiments shown in FIGS.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer optischen Umlaufvorrichtung, die einem Ringresonator ähnelt, FIG. 1 is a schematic representation of an optical circulating device which is similar to a ring resonator;
Figur 2 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Pulsdauer von der Anzahl der in der Umlaufvorrichtung durchgeführten Umläufe, Figur 3A in einem Diagramm den zeitlichen Pulsverlauf eines Laserpulses beim Einkoppeln in eine Umlaufvorrichtung, Figur 3B in einem Diagramm den zeitlichen Pulsverlauf eines Laserpulses nach dem ersten Umlauf in der Umlaufvorrichtung, FIG. 2 shows in a diagram the dependence of the pulse duration on the number of cycles performed in the circulating device, 3A shows a diagram of the temporal pulse progression of a laser pulse when coupled into a circulating device, FIG. 3B shows a diagram of the temporal pulse progression of a laser pulse after the first circulation in the circulating device,
Figur 3C in einem Diagramm den zeitlichen Pulsverlauf eines Laserpulses nach dem hundertsten Umlauf in der Umlaufvorrichtung und FIG. 3C shows a diagram of the temporal pulse progression of a laser pulse after the hundredth revolution in the circulating device and FIG
Figuren 4A und 4B in Diagrammen den Strahlradius im Fokus und die Fokuslage eines Lichtstrahls bei Verwendung von Umlaufvorrichtungen zur Einstellung des q-Parameters des Lichtstrahls. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Umlaufvorrichtung 0, als optischen Aufbau, der extern von einem Laserresonator als eigenständige Baugruppe ausgebildet ist. Die optische Umlaufvorrichtung 10 ist im Wesentlichen als ein viereckiger optischer Aufbau gestaltet, der von einem Laserstrahl durchlaufen werden kann. Der viereckige Aufbau kann z.B. horizontal angeordnet sein und weist an seinen vier Umlaufeckpunkten drei Umlenkvorrichtungen 11 , 12 und 13 auf, die als Umlenkspiegel oder Umlenkprisma ausgebildet sein können, sowie eine Auskoppelvorrichtung 14, die z.B. als Polarisationsstrahlteiler, z.B. als ein TFP (Dünnschichtpolarisator) ausgebildet sein kann. Die in Figur 1 gezeigte Umlaufvorrichtung 10 ist eine beispielhafte Ausführungsform. Andere erfindungsgemäße Umlaufvorrichtungen können zusätzlich oder alternativ Linsen und/oder gekrümmte Spiegel aufweisen sowie in unterschiedlichen Geometrien (z.B. einen im Wesentlichen dreieckigen, fünfeckigen oder linearen Aufbau) angeordnet sein. FIGS. 4A and 4B are diagrams showing the beam radius in focus and the focal position of a light beam when using recirculating devices for setting the q-parameter of the light beam. Figure 1 shows a schematic representation of an optical circulating device 0, as an optical structure, which is externally formed by a laser resonator as an independent module. The optical circulating device 10 is designed substantially as a quadrangular optical structure that can be traversed by a laser beam. The quadrangular structure may e.g. be arranged horizontally and has at its four Umlaufeckpunkten three deflection devices 11, 12 and 13, which may be formed as a deflection mirror or deflection prism, and a coupling-out device 14, which, for. as a polarization beam splitter, e.g. as a TFP (thin film polarizer) may be formed. The circulating device 10 shown in Figure 1 is an exemplary embodiment. Other circulating devices according to the invention may additionally or alternatively comprise lenses and / or curved mirrors and be arranged in different geometries (for example a substantially triangular, pentagonal or linear structure).
Die Auskoppelvorrichtung 14 weist weiterhin ein Schaltelement 14' auf, das z.B. als Pockelszelle ausgebildet ist. Die Kombination einer Pockelszelle als Schaltelement 14' zusammen mit einem Dünnschichtpolarisator (TFP) als Auskoppelvorrichtung 14 dient als Schaltelement zum Auskoppeln eines Laserstrahls aus der Umlaufvorrichtung. Im Strahlengang der optischen Umlaufvorrichtung 10 ist weiterhin ein optisches Element 15 angeordnet, das mit einem in die Umlaufvorrichtung 10 eingekoppelten Laserstrahl bei jedem Umlauf wechselwirkt. Das optische Element 15 kann z.B. als GTI Spiegel (mit anomaler Dispersion), als gechirpter Spiegel (mit anomaler Dispersion), als Gitter, als Prismenpaar, als nichtlineares Element oder als dispersives Transmissionselement ausgebildet sein oder ein solches aufweisen. Das optische Element 15 kann weiterhin ein Medium mit normaler chromatischer Dispersion aufweisen, wie z.B. einen undotierten YAG-Stab mit Brewsterenden oder AR-Coatings auf seinen Facetten. Durch Gitterpaare als optisches Element 15 kann eine hohe Dispersion erzielt werden. Das optische Element 15 kann alternativ oder zusätzlich so ausgebildet sein, dass es mit dem eingekoppelten Laserstrahl bei jedem Umlauf so wechselwirkt, dass es den q-Parameters des Laserstrahl ändert und/oder beeinflusst. The decoupling device 14 further comprises a switching element 14 ', which is formed, for example, as a Pockels cell. The combination of a Pockels cell as a switching element 14 'together with a thin film polarizer (TFP) as decoupling device 14 serves as a switching element for coupling out a laser beam from the circulating device. In the beam path of the optical circulating device 10, an optical element 15 is further arranged, which interacts with a coupled into the circulating device 10 laser beam at each revolution. The optical element 15 may be formed, for example, as a GTI mirror (with anomalous dispersion), as a chirped mirror (with anomalous dispersion), as a lattice, as a prism pair, as a non-linear element or as a dispersive transmission element. The optical element 15 may further comprise a medium of normal chromatic dispersion, such as an undoped YAG rod with Brewster ends or AR coatings on its facets. By grid pairs as the optical element 15, a high dispersion can be achieved. The optical element 15 may alternatively or additionally be designed such that it interacts with the coupled-in laser beam with each revolution in such a way that it alters and / or influences the q-parameter of the laser beam.
Im Strahlengang der Umlaufvorrichtung 10 kann eine Mehrzahl von unterschiedlichen oder baugleichen optischen Elementen 15 der vorgenannten Art angeordnet sein.  In the beam path of the circulating device 10, a plurality of different or identical optical elements 15 of the aforementioned type can be arranged.
An der Auskoppelvorrichtung 14 kann ein Laserstrahl S in die Umlaufvorrichtung 10 eingekoppelt werden. Die Auskoppelvorrichtung 14 ist somit zugleich als Einkoppelvorrichtung ausgebildet. Ist die Auskoppelvorrichtung 14 als Polarisationsstrahlteiler ausgebildet, so wird nur Laserstrahlung einer ersten Polarisation in die Umlaufvorrichtung eingekoppelt. Der eingekoppelte Laserstrahl S' durchläuft die Umlaufvorrichtung 10, wobei er an den hochreflektierenden Umlenkvorrichtungen 11 , 12 und 13 jeweils um 90° umgelenkt wird. Durch Ansteuerung einer Pockelszelle als Schaltelement 14' wird gesteuert, ob der eingekoppelte Laserstrahl S' am Auskoppelmechanismus 14 für einen weiteren Umlauf in die Umlaufvorrichtung 10 zurückreflektiert wird oder am Auskoppelmechanismus 14 aus der Umlaufvorrichtung als ausgekoppelter Laserstrahl S" ausgekoppelt wird. At the decoupling device 14, a laser beam S can be coupled into the circulating device 10. The decoupling device 14 is thus at the same time formed as a coupling device. If the decoupling device 14 is designed as a polarization beam splitter, only laser radiation of a first polarization is coupled into the circulating device. The coupled laser beam S 'passes through the circulating device 10, wherein it is deflected at the highly reflective deflecting devices 11, 12 and 13 in each case by 90 °. By controlling a Pockels cell as a switching element 14 'is controlled whether the injected laser beam S' is reflected back on the Auskoppelmechanismus 14 for another circulation in the circulating device 10 or on Auskoppelmechanismus 14 from the circulating device as decoupled Laser beam S "is decoupled.
Beim ersten Umlauf kann die Pockelszelle auf eine λ/2-Spannung geschaltet sein, so dass der eingekoppelte Laserstrahl S' an der Pockelszelle zu einer zweiten Polarisation umpolarisiert wird. Der umpolarisierte Laserstrahl S' wird am Dünnschichtpolarisator reflektiert und verbleibt in der Umlaufvorrichtung 10. Nach dem ersten Umlauf wird die Pockelzelle abgeschaltet und bewirkt bei den folgenden Umläufen des eingekoppelten Laserstrahls S' keine Polarisationsänderung. Der eingekoppelte Laserstrahl S' umläuft die Umlaufvorrichtung 10 nun so lange, bis an die Pockelszelle wieder eine λ/2-Spannung angelegt wird und der Laserstrahl S' am Dünnschichtpolarisator 14 aus der Umlaufvorrichtung 10 ausgekoppelt wird. Der Mechanismus zum Ein- und Auskoppeln des Laserstrahls in die und aus der optischen Umlaufvorrichtung ähnelt dabei dem Koppelmechanismus eines regenerativen Laserverstärkers. During the first revolution, the Pockels cell can be switched to a λ / 2 voltage, so that the coupled-in laser beam S 'at the Pockels cell is repolarized to a second polarization. The re-polarized laser beam S 'is reflected at the thin-film polarizer and remains in the circulating device 10. After the first revolution, the Pockel cell is turned off and causes no polarization change in the following rounds of the coupled laser beam S'. The coupled laser beam S 'now circulates the circulating device 10 until a λ / 2 voltage is again applied to the Pockels cell and the laser beam S' is coupled out of the circulating device 10 at the thin-film polarizer 14. The mechanism for coupling and uncoupling the laser beam into and out of the optical circulating device is similar to the coupling mechanism of a regenerative laser amplifier.
Dadurch kann durch das Schalten des Schaltelements die Anzahl der Umläufe gesteuert werden, die der eingekoppelte Laserstrahl S' in der Umlaufvorrichtung 10 verbleibt. Je nach Anzahl der in der Umlaufvorrichtung 10 durchgeführten Umläufe wird dem Laserstrahl S' durch Wechselwirkung mit dem optischen Element 15 z.B. eine unterschiedlich stark ausgeprägte Dispersion zugefügt. This can be controlled by the switching of the switching element, the number of revolutions, which remains the coupled laser beam S 'in the circulating device 10. Depending on the number of revolutions performed in the circulating device 10, the laser beam S 'is caused to interact with the optical element 15 by e.g. added a different degrees of dispersion.
In die Umlaufvorrichtung 10 können weitere optische Komponenten integriert sein, wie -z.B. ein Kompensationsverstärkungsmedium zur Kompensation eines Verlusts beim Umlaufen in der Umlaufvorrichtung 10. Die Umlaufvorrichtung 10 kann insbesondere auch verstärkungsmediumsfrei ausgebildet sein. The circulating device 10 may incorporate other optical components, such as e.g. a compensation gain medium for compensating for a loss when circulating in the circulating device 10. The circulating device 10 may be formed in particular also gain medium free.
Bei vielen anderen Anwendungen sollte die Lauflänge durch eine Pockelszelle so kurz wie möglich gehalten werden, um nichtlineare Effekte und Pulsverbreiterungen zu minimieren. In der Umlaufvorrichtung 10 können solche Nebeneffekte beim Durchlaufen der Pockelszelle zum Erzielen einer Verstärkungswirkung der Dispersion ausgenutzt werden. Das optische Element 15 kann alternativ oder zusätzlich zur Beeinflussung des q- Parameters des eingekoppelten Laserstrahls S' ausgebildet sein. Dabei wechselwirkt der eingekoppelte Laserstrahl S' mit dem optischen Element 15 bei jedem Umlauf derart, dass zwei ausgekoppelte Laserstrahlen S", die in der Umlaufvorrichtung 10 eine unterschiedliche Anzahl von Umläufen durchgeführt haben, zwei unterschiedliche optische Distanzen zurückgelegt haben. Dies erfolgt schon allein durch den optischen Weg bei Durchführung einer unterschiedlichen Anzahl von Umläufen. Durch die unterschiedlichen optischen Weglängen ändert sich der Realteil des q-Parameters in Abhängigkeit von den in der Umlaufvorrichtung zurückgelegten Umläufen. For many other applications, the run length through a Pockels cell should be kept as short as possible to minimize nonlinear effects and pulse broadening. In the circulating device 10, such side effects as passing through the Pockels cell can be exploited to obtain a reinforcing effect of the dispersion. The optical element 15 may alternatively or additionally be designed to influence the q parameter of the coupled-in laser beam S '. In this case, the coupled-in laser beam S 'interacts with the optical element 15 with each rotation in such a way that two decoupled laser beams S ", which have performed a different number of revolutions in the circulating device 10, have traveled two different optical distances The different optical paths mean that the real part of the q-parameter changes depending on the cycles traveled in the circulating device.
Der Einfluss auf den q-Parameter kann wesentlich durch die Verwendung von Linsen und/oder gekrümmten Spiegeln als optisches Element 15 verstärkt und/oder abgeschwächt werden. Durch den Einsatz von optischen Komponenten kann zusätzlich der Imaginärteil des q-Parameters eingestellt werden und durch das Schalten der Um lauf Vorrichtung gesteuert werden. The influence on the q parameter can be significantly enhanced and / or mitigated by the use of lenses and / or curved mirrors as the optical element 15. Through the use of optical components, the imaginary part of the q-parameter can additionally be adjusted and controlled by switching the circulating device.
Die in Figur 1 gezeigte optische Umlaufvorrichtung 10 stellt eine Ausführungsform dar, bei der der eingekoppelte Laserstrahl S' bei jedem Umlauf mit dem optischen Element 15 wechselwirkt. In einer alternativen Ausführungsform einer Umlaufvorrichtung ist durch eine in der Umlaufvorrichtung angeordnete Einsteilvorrichtung einstellbar, ob ein oder mehrere Umläufe des Laserstrahls unter Wechselwirkung oder ohne Wechselwirkung mit dem optischen Element 15 durchgeführt werden. The optical circulating device 10 shown in FIG. 1 represents an embodiment in which the coupled-in laser beam S 'interacts with the optical element 15 during each revolution. In an alternative embodiment of a circulating device, it is possible to set by means of an adjusting device arranged in the circulating device whether one or more revolutions of the laser beam are carried out under interaction or without interaction with the optical element 15.
Figur 2 zeigt die Wirkungsweise einer Umlaufvorrichtung mit einem dispersiven Element als optischem Element 15 in einem Diagramm. Dargestellt ist die Abhängigkeit der Pulsdauer von der Anzahl der in der Umlaufvorrichtung durchgeführten Umläufe („Roundtrips"). Figur 2 zeigt dabei das Ergebnis einer numerischen Simulation für die Pulsentwicklung. Figure 2 shows the operation of a circulating device with a dispersive element as the optical element 15 in a diagram. The dependency of the pulse duration on the number of round trips carried out in the circulating device is shown, wherein FIG. 2 shows the result of a numerical simulation for the pulse development.
Als Randbedingungen für die Simulation wurde ein Seedlaser mit einer Pulslänge von 100 fs und der Pulsform eines Solitons (sech2-Puls) mit Zeit- Bandbreitebegrenzung verwendet. Die Pulsenergie beträgt 40 nJ. In einer Umlaufvorrichtung mit der Form eines linearen Resonators sind pro Richtung 16 Bounces (also 32 Bounces pro Umlauf, was einem Umlauf auf der x-Achse entspricht) auf der Oberfläche eines GTI mit D2=2000 fs2 vorgesehen. Pro Umlauf ergibt sich ein Energieverlust von 0,5 %. Nach dem 100sten Umlauf weist der Laserstrahl eine Pulslänge von 127 ps auf. Von der Startpulslänge bis zur Zielpulslänge bei 127 ps hin verändert sich die Pulsdauer nahezu linear mit steigender Anzahl der Umläufe. Das Spektrum und die Pulsform erfahren nahezu keine Veränderung. The boundary conditions for the simulation were a seed laser with a pulse length of 100 fs and the pulse shape of a soliton (sech 2 pulse) with time-bandwidth limitation used. The pulse energy is 40 nJ. In a circulating device in the form of a linear resonator 16 bounces per direction (ie 32 bounces per revolution, which corresponds to a circulation on the x-axis) are provided on the surface of a GTI with D2 = 2000 fs 2 . Per circulation results in an energy loss of 0.5%. After the 100th round, the laser beam has a pulse length of 127 ps. From the start pulse length to the target pulse length at 127 ps, the pulse duration changes almost linearly as the number of revolutions increases. The spectrum and the pulse shape experience almost no change.
Die zugehörigen Pulsformen sind in Figuren 3A bis 3C gezeigt. Figur 3A zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Pulsverlauf eines Laserpulses S beim Einkoppeln in eine Umlaufvorrichtung, sozusagen als Puls #0. Figur 3B zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Pulsverlauf eines Laserpulses S- nach dem ersten Umlauf in der Umlaufvorrichtung als Puls #1 und Figur 3C zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Pulsverlauf eines Laserpulses Sioo' nach dem hundertsten Umlauf in der Umlaufvorrichtung als Puls #100. Dabei weist der in Figur 3A gezeigte Puls #0 eine Pulsdauer von 100 fs mit einer Pulsspitzenleistung von 353 kW (40 nJ) auf. Der in Figur 3B gezeigte Puls #1 weist eine Dauer von 1 ,29 ps mit einer Pulsspitzenleistung von 27,3 kW (39,8 nJ) auf. Der in Figur 3C gezeigte Puls #100 weist eine Dauer von 127 ps mit einer Pulsspitzenleistung von 169 W (24,2 nJ) auf. In Figur 3C wurden die beiden Diagrammachsen im Vergleich zu den Diagrammachsen der Figuren 3A und 3B umskaliert. The associated pulse shapes are shown in FIGS. 3A to 3C. FIG. 3A shows in a diagram the temporal pulse progression of a laser pulse S during coupling into a circulating device, as it were as pulse # 0. FIG. 3B shows in a diagram the temporal pulse progression of a laser pulse S- after the first circulation in the circulating device as pulse # 1 and FIG. 3C shows in a diagram the temporal pulse progression of a laser pulse Sioo 'after the hundredth circulation in the circulating device as pulse # 100. In this case, the pulse # 0 shown in FIG. 3A has a pulse duration of 100 fs with a pulse peak power of 353 kW (40 nJ). The pulse # 1 shown in FIG. 3B has a duration of 1.29 ps with a pulse peak power of 27.3 kW (39.8 nJ). The pulse # 100 shown in Figure 3C has a duration of 127 ps with a pulse peak power of 169 W (24.2 nJ). In FIG. 3C, the two diagram axes were rescaled in comparison to the diagram axes of FIGS. 3A and 3B.
Es kann nachteilig dazu kommen, dass bei aufeinanderfolgenden Laserpulsen durch die unterschiedlichen Anzahlen von in der Umlaufvorrichtung durchgeführten Umläufe ein Timing-Jitter entsteht, da die Laserpulse nicht mehr in einer exakt gleich bleibenden Repetitionsrate weitergeleitet werden. Dies resultiert aus der unterschiedlichen optischen Weglänge der mit Lichtgeschwindigkeit durchgeführten Umläufe der einzelnen Laserstrahlen. Zwar ist diese Schwankung sehr gering, doch für manche Anwendungen kann der Timing-Jitter entscheidend sein und durch eine zweite Umlaufvorrichtung kompensiert werden, die der ersten Umlaufvorrichtung nachgeschaltet ist. Diese zweite Umlaufvorrichtung muss kein optisches Element aufweisen sondern dient lediglich dazu, den Wegunterschied durch eine entsprechende Anzahl von weiteren Umläufen auszugleichen. Dabei werden die beiden Umlaufvorrichtungen derart angesteuert, dass jeder Laserstrahl nach Durchlaufen der ersten und zweiten Umlaufvorrichtung dieselbe optische Weglänge zurückgelegt hat. Bei einer optischen Umlaufvorrichtung mit einer Einstellvorrichtung, mit der die Wechselwirkung mit dem optischen Element für die einzelnen Umläufe zu- und/oder abschaltbar ist, kann ein optischer Wegunterschied zwischen Laserstrahlen durch eine entsprechende Anzahl von ohne Wechselwirkung mit dem optischen Element durchgeführten Umläufen ausgeglichen werden. Durch eine zweite Umlaufvorrichtung kann auch eine Feineinstellung der Laserstrahlung erfolgen, indem in die zweite Umlaufvorrichtung z.B. ein optisches Element mit einer im Vergleich zur ersten Umlaufvorrichtung geringeren Dispersion angeordnet wird. Eine zweite Umlaufvorrichtung kann alternativ oder zusätzlich zur Kompensation eines umlaufzahlabhängigen Leistungsverlusts verwendet werden. Dies kann z.B. dadurch bewirkt werden, dass die zweite Umlaufvorrichtung den gleichen Verlust pro Umlauf aufweist wie die erste Umlaufvorrichtung, wobei jeder Laserstrahl eine entsprechende Ausgleichsanzahl von Umläufen in der zweiten Umlaufvorrichtung derart ausführt, dass nach Durchlaufen der ersten und zweiten Um lauf Vorrichtung alle Laserstrahlen denselben Verlust erfahren haben. It may be disadvantageous that in successive laser pulses by the different numbers of cycles performed in the circulating device, a timing jitter arises because the laser pulses are no longer forwarded in a precisely constant repetition. This results from the different optical path length of the speed of light Revolutions of the individual laser beams. While this variation is very small, for some applications the timing jitter may be critical and compensated for by a second circulating device downstream of the first circulating device. This second circulating device does not have to have an optical element but only serves to compensate the path difference by a corresponding number of further circulations. In this case, the two circulating devices are controlled such that each laser beam has traveled the same optical path length after passing through the first and second circulating device. In an optical circulating device with an adjusting device, with which the interaction with the optical element for the individual revolutions is switched on and / or off, an optical path difference between laser beams can be compensated by a corresponding number of cycles performed without interaction with the optical element. By a second circulating device, a fine adjustment of the laser radiation can be carried out by, for example, an optical element with a lower dispersion compared to the first circulating device is arranged in the second circulating device. A second circulating device may alternatively or additionally be used to compensate for a cycle number dependent power loss. This can be effected, for example, in that the second circulating device has the same loss per revolution as the first circulating device, each laser beam executing a corresponding compensation number of circulations in the second circulating device such that after passing through the first and second circulating devices, all the laser beams are the same Have experienced loss.
Eine Umlaufvorrichtung zur Einstellung des q-Parameters kann z.B. innerhalb eines Teleskopaufbaus nach Kepler oder Galileo verwendet werden. Dazu wird die Umlaufvorrichtung zwischen Linsen und/oder gekrümmten Spiegeln eines Teleskops eingebracht. Dabei kann die Umlaufvorrichtung z.B. nach oder vor einer Strahlführung mit bearbeitungspositionsabhängiger variabler Länge angeordnet sein. Die Umlaufvorrichtung kann z.B. vor oder nach einer Fokussierlinse des Teleskops angeordnet sein. A circulation device for setting the q-parameter can be used, for example, within a telescope structure according to Kepler or Galileo. For this purpose, the circulating device is introduced between lenses and / or curved mirrors of a telescope. In this case, the circulating device can be arranged, for example, after or in front of a beam guide with a machining position-dependent variable length. The circulating device can be arranged, for example, before or after a focusing lens of the telescope.
Die Figuren 4A und 4B zeigen in einem Diagramm das Ergebnis eines Einsatzbeispiels zweier Umlaufvorrichtungen in einem Keplerteleskop. Dabei wird zwischen den zwei Teleskoplinsen mittels einer ersten Umlaufvorrichtung die Propagationslänge im Bereich von 1000 mm bis 3000 mm variiert, was in dem in Figur 4A gezeigten dreidimensionalen Diagramm auf der y-Achse aufgetragen ist. Bei mittels einer zweiten Umlaufvorrichtung einstellbaren Propagationslänge von 0 bis 1500 mm nach dem Teleskopaufbau, gezeigt an der x-Achse, verläuft der Strahlradius für einen Eingangsstrahl mit vorbestimmtem q-Parameter durch einen Fokus, der an der z-Achse aufgetragen ist. Figures 4A and 4B show in a diagram the result of an application example of two circulating devices in a Kepler telescope. In this case, the propagation length is varied in the range of 1000 mm to 3000 mm between the two telescope lenses by means of a first circulating device, which is plotted on the y-axis in the three-dimensional diagram shown in Figure 4A. For a second orbital adjustable propagation length of 0 to 1500 mm after the telescope assembly, shown on the x-axis, the beam radius for an input beam having a predetermined q-parameter passes through a focus plotted on the z-axis.
Das Ergebnis ist in Form eines Diagramms in Figur 4B gezeigt: Die Lage des Fokus f (in mm) verschiebt sich bei diesem Beispiel zwischen ca. 545 mm und 950 mm, während der Strahlradius Rs (in pm) im Fokus f eine Änderung von weniger als 10% erfährt. Der Strahlradius variiert dabei zwischen 365 pm und 405 pm. Somit variiert die Größe des Strahlradius Rs im Fokus f vergleichsweise wenig, obwohl sich die Position des Fokus f vergleichsweise weit um mehrere Zentimeter verschiebt. The result is shown in the form of a diagram in FIG. 4B: The position of the focus f (in mm) shifts in this example between about 545 mm and 950 mm, while the beam radius Rs (in pm) in focus f changes less than 10% experiences. The beam radius varies between 365 pm and 405 pm. Thus, the size of the beam radius Rs in the focus f varies relatively little, although the position of the focus f shifts comparatively far by several centimeters.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Umlaufvorrichtung 10 circulating device
11 Umlenkvorrichtung  11 deflection device
12 Umlenkvorrichtung 12 deflection device
13 Umlenkvorrichtung  13 deflection device
14 Auskoppelvorrichtung  14 decoupling device
14' Schaltelement 14 'switching element
15 optisches Element  15 optical element
S externer Laserstrahl S external laser beam
S' eingekoppelter Laserstrahl  S 'coupled laser beam
S" ausgekoppelter Laserstrahl Fokusposition Strahlradius S "decoupled laser beam Focus position beam radius

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Optische Umlaufvorrichtung zur Aufnahme eines in die optische Umlaufvorrichtung (10) eingekoppelten Laserstrahls, mit 1. Optical circulation device for receiving a laser beam coupled into the optical circulation device (10).
Umlenkvorrichtungen (11 , 12, 13), zwischen denen der eingekoppelte Laserstrahl (S') Umläufe in der optischen Umlaufvorrichtung (10) durchführt, Deflection devices (11, 12, 13), between which the coupled laser beam (S') carries out revolutions in the optical circulation device (10),
einem optischen Element (15), mit dem der eingekoppelte Laserstrahl (S') bei zumindest einem Umlauf so wechselwirkt, dass zumindest eine Strahleigenschaft des Laserstrahl (S') verändert wird und an optical element (15) with which the coupled laser beam (S') interacts during at least one revolution in such a way that at least one beam property of the laser beam (S') is changed and
einer Auskoppelvorrichtung (14, 14') zum Auskoppeln des Laserstrahls (S') nach Durchführung einer vorbestimmten Anzahl von Umläufen unter Wechselwirkung mit dem optischen Element (15) in der Umlaufvorrichtung (10). a decoupling device (14, 14') for decoupling the laser beam (S') after carrying out a predetermined number of revolutions while interacting with the optical element (15) in the circulation device (10).
2. Optische Umlaufvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei das optische Element (15) so in der optischen Umlaufvorrichtung (10) angeordnet ist, dass der eingekoppelte Laserstrahl (S') bei jedem Umlauf mit dem optischen Element (15) wechselwirkt. 2. Optical circulation device according to claim 1, wherein the optical element (15) is arranged in the optical circulation device (10) such that the coupled laser beam (S ') interacts with the optical element (15) during each revolution.
3. Optische Umlaufvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Einsteilvorrichtung der optischen Umlaufvorrichtung (10) dazu ausgebildet ist, die3. Optical circulation device according to claim 1 or 2, wherein an adjusting device of the optical circulation device (10) is designed to
Anzahl der Umläufe einzustellen, bei denen der eingekoppelte Laserstrahl (S') mit dem optischen Element (15) wechselwirkt. Set the number of revolutions during which the coupled laser beam (S ') interacts with the optical element (15).
4. Optische Umlaufvorrichtung nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Auskoppelvorrichtung (14, 14') eine Pockelszelle (14') und einen Polarisationsstrahlteiler (14) aufweist. 4. Optical circulation device according to at least one of the preceding claims, wherein the decoupling device (14, 14 ') has a Pockels cell (14') and a polarization beam splitter (14).
5. Optische Umlaufvorrichtung nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Auskoppelvorrichtung (14, 14') mit einer Frequenz im MHz- Bereich schaltbar ist. 5. Optical circulation device according to at least one of the previous ones Claims, wherein the decoupling device (14, 14 ') can be switched with a frequency in the MHz range.
6. Optische Umlaufvorrichtung nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei durch Wechselwirkung mit dem optischen Element (15) die6. Optical circulation device according to at least one of the preceding claims, wherein by interaction with the optical element (15).
Pulsdauer des Laserstrahls (S') und/oder der q-Parameter des Laserstrahl (S') in Abhängigkeit von der Anzahl der in der Umlaufvorrichtung (10) unter Wechselwirkung mit dem optischen Element (15) durchgeführten Umläufe veränderbar ist. Pulse duration of the laser beam (S ') and / or the q parameter of the laser beam (S') can be changed depending on the number of revolutions carried out in the circulation device (10) in interaction with the optical element (15).
7. Optische Umlaufvorrichtung nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das optische Element (15) als dispersives Element zur Komprimierung und/oder zur Streckung der Laserpulsdauer des Laserstrahls (S') ausgebildet ist. 7. Optical circulation device according to at least one of the preceding claims, wherein the optical element (15) is designed as a dispersive element for compressing and / or stretching the laser pulse duration of the laser beam (S ').
8. Optische Umlaufvorrichtung nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das optische Element (15) als nichtlineares Medium, insbesondere als SPM, ausgebildet ist. 8. Optical circulation device according to at least one of the preceding claims, wherein the optical element (15) is designed as a non-linear medium, in particular as SPM.
9. Optische Umlaufvorrichtung nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Umlenkvorrichtungen (11 , 12, 13) so angeordnet sind, dass die Strahlachse des Laserstrahls (S') bei jedem Umlauf mit der Strahlachse des Laserstrahls (S') des vorangegangenen Umlaufs zusammenfällt. 0. Optische Umlaufvorrichtung nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Umlaufvorrichtung 9. Optical circulation device according to at least one of the preceding claims, wherein the deflection devices (11, 12, 13) are arranged so that the beam axis of the laser beam (S ') during each revolution coincides with the beam axis of the laser beam (S') of the previous revolution . 0. Optical circulation device according to at least one of the preceding claims, wherein the circulation device
(10) zur Beeinflussung eines Seedlichtpulses für einen Laserverstärker ausgebildet und vorgesehen ist. (10) is designed and provided for influencing a seed light pulse for a laser amplifier.
11. Optische Umlaufvorrichtung nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Auskoppelvorrichtung zugleich als Einkoppelvorrichtung zum Einkoppeln des Laserpulses ausgebildet ist. 11. Optical circulation device according to at least one of the preceding claims, wherein the decoupling device is also designed as a coupling device for coupling in the laser pulse.
Optische Umlaufvorrichtung nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Umlenkvorrichtung zwei, drei oder vier Spiegel und/oder Prismen aufweist Optical circulation device according to at least one of the preceding Claims, wherein the deflection device has two, three or four mirrors and / or prisms
13. Verfahren zum Einstellen zumindest einer Strahleigenschaft eines Laserstrahls mit den Schritten: 13. Method for adjusting at least one beam property of a laser beam with the steps:
Einkoppeln eines Laserstrahls (S) in eine Umlaufvorrichtung (10), Umlenken des eingekoppelten Laserstrahls (S1) für eine vorbestimmte Anzahl von Umläufen in der optischen Umlaufvorrichtung (10), Wechselwirken des eingekoppelten Laserstrahls (S') bei zumindest einem Umlauf mit einem optischen Element (15) derart, dass zumindest eine Strahleigenschaft des Laserstrahls (S') verändert wird und Auskoppeln des Laserstrahls (S') aus der Umlaufvorrichtung (10) nach Durchführung einer vorbestimmten Anzahl von Umläufen in der Umlaufvorrichtung (10) unter Wechselwirkung mit dem optischen Element (15). Coupling a laser beam (S) into a circulation device (10), deflecting the coupled laser beam (S 1 ) for a predetermined number of revolutions in the optical circulation device (10), interaction of the coupled laser beam (S ') with an optical one during at least one revolution Element (15) in such a way that at least one beam property of the laser beam (S') is changed and coupling out the laser beam (S') from the circulation device (10) after carrying out a predetermined number of revolutions in the circulation device (10) with interaction with the optical Element (15).
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