Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Pulskompression eines gepulsten Laserstrahls, umfassend: eine Gitter-Anordnung, die mindestens ein Beugungsgitter aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Lasersystem mit einer solchen optischen Anordnung.

Optische Anordnungen, die einen Gitter-Kompressor mit einem oder mehreren Beugungsgittern (diffraktiven Gittern) aufweisen, werden beispielsweise zur Pulskompression in Chirped-Pulse-Amplification (CPA)-Systemen eingesetzt. In einem CPA-System werden die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls in einem Strecker gestreckt, in einem Verstärker verstärkt und in einem Kompressor komprimiert. Als Kompressoren in einem CPA-System werden häufig Gitter- Kompressoren verwendet. Aufgrund der hohen Puls-Spitzenleistung in CPA- Systemen ist ein großer Strahldurchmesser des gepulsten Laserstrahls im Kompressor erforderlich, um unerwünschte nichtlineare Effekte (Kerrlinse) oder im schlimmsten Fall eine Zerstörung der Beugungsgitter des Gitter-Kompressors zu verhindern. Der große Strahldurchmesser erfordert große Beugungsgitter, d.h. Beugungsgitter mit einer großen Gitterfläche, die zu hohen Herstellungskosten führen.

Aus der US 5,847,863 ist ein System zur Verstärkung von ultrakurzen optischen Pulsen bekannt geworden, das insbesondere zur Chirped-Pulse-Amplification eingesetzt werden kann. In einem solchen System wird ein Faser-Strecker mit einem Gitter-Kompressor kombiniert. Zur Kompensation einer Phasen-Fehlanpassung zwischen dem Faser-Strecker und dem Gitter-Kompressor wird ein Teleskop im Strahlweg des kollimierten Strahls angeordnet. Der Gitter-Kompressor kann z.B. vom Treacy-Typ sein und ein erstes Beugungsgitter zur Strahlaufweitung und ein zweites Beugungsgitter zur Strahlkollimation aufweisen.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung zur Pulskompression und ein Lasersystem mit einer solchen optischen Anordnung bereitzustellen, die sich auch bei hohen Puls-Spitzenleistungen in einer kompakten Bauform realisieren lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Anordnung der eingangs genannten Art gelöst, die eine strahlaufweitende Einrichtung, insbesondere mindestens ein strahlaufweitendes optisches Element, zur Bildung eines divergenten gepulsten Laserstrahls aufweist, der zur Pulskompression divergent in die Gitter- Anordnung eintritt und die Gitter-Anordnung typischerweise divergent durchläuft. Der Laserstrahl behält beim Durchlaufen der Gitter-Anordnung typischerweise seine divergente Strahlform bei, d.h. der Laserstrahl wird in der Gitter-Anordnung typischerweise weder kollim iert noch fokussiert.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der gepulste Laserstrahl nicht kollim iert in die (typischerweise nicht-abbildende) Gitter-Anordnung eingestrahlt wird, sondern divergent, und zwar mit einem von der strahlaufweitenden Einrichtung vorgegebenen Divergenzwinkel. Die strahlaufweitende Einrichtung kann eines oder mehrere strahlaufweitende optische Elemente z.B. in Form von transmittierenden optischen Elementen, beispielsweise in Form von Linsen, und/oder in Form von reflektierenden optischen Elementen, beispielsweise in Form von (gekrümmten) Spiegeln, aufweisen.

Beim Eintritt in die Gitter-Anordnung, d.h. wenn der Laserstrahl auf das erste Beugungsgitter im Strahlweg trifft, ist die Pulsdauer des gepulsten Laserstrahls noch lang und damit die Pulsspitzenleistung bzw. die Spitzenintensität vergleichsweise gering, so dass bei korrekter Auslegung der Gitter-Anordnung auch bei einem vergleichsweise kleinen Strahldurchmesser nichtlineare Effekte vermieden und keine Optiken beschädigt werden. Beim Eintritt in die Gitter-Anordnung weist der divergente Laserstrahl daher typischerweise einen kleinen Strahldurchmesser auf und benötigt nur wenig Gitterfläche am ersten Beugungsgitter.

Während der Propagation des Laserstrahls durch die Gitter-Anordnung, d.h. nach der Beugung am ersten Beugungsgitter, wird die Pulsdauer reduziert und die Pulsspitzenleistung nimmt zu. Der entsprechende Anstieg der Spitzenintensität kann aber bei ausreichender Aufweitung des divergenten Laserstrahls kompensiert werden, indem die Gitterfläche erhöht wird, auf die der Laserstrahl trifft, so dass die oben beschriebenen nichtlinearen Effekte vermieden und keine Optiken beschädigt werden. Im Grenzfall kann auf diese Weise die benötigte Gitterfläche des bzw. der Beugungsgitter der Gitter-Anordnung um 50% reduziert werden. Auf diese Weise kann eine kostengünstige Gitter-Anordnung in einer kompakten Bauform realisiert werden.

In einer Gitter-Anordnung zur Pulskompression wird der Laserstrahl typischerweise vier Mal an einer beugenden Gitterstruktur gebeugt, und zwar entlang einer Beugungsebene bzw. entlang von mehreren parallelen Beugungsebenen. In einer jeweiligen Beugungsebene erfolgt eine spektrale Aufspaltung und eine spektrale Zusammenführung der Spektralkomponenten des gepulsten Laserstrahls. Um die viermalige Beugung zu erzeugen, kann die Gitter-Anordnung vier Beugungsgitter aufweisen, die jeweils nur einmal vom Laserstrahl durchlaufen werden. In diesem Fall nimmt die Gitterfläche der Beugungsgitter vom im Strahlweg ersten Beugungsgitter zum im Strahlweg vierten Beugungsgitter in einer Richtung zu, die senkrecht zur Beugungsebene verläuft, da auch der Strahldurchmesser des divergenten Laserstrahls bei der Propagation durch die Gitter-Anordnung zunimmt. Durch den größeren Strahldurchmesser, der eine größere Gitterfläche erfordert, können nichtlineare Effekte vermieden werden bzw. die Zerstörung der Optiken durch die zunehmende Puls-Spitzenleistung kann verhindert werden.

Durch den divergent in die Gitter-Anordnung eintretenden Laserstrahl kann die insbesondere Gitterfläche der ersten drei Beugungsgitter in einer Richtung senkrecht zur Beugungsebene im Vergleich zu einer Gitter-Anordnung reduziert werden, in die der Laserstrahl kollim iert eintritt. Die Reduktion der Gitterfläche ist beim ersten Beugungsgitter am größten und nimmt beim zweiten und beim dritten Beugungsgitter ab. Am vierten Beugungsgitter entspricht die Gittergröße senkrecht zur Beugungsebene in der Regel der Gittergröße einer Gitter-Anordnung mit einem kollimiert in die Gitter-Anordnung eintretenden Laserstrahl.

In der Regel wird mindestens eines der Beugungsgitter der Gitter-Anordnung von dem Laserstrahl mindestens zwei Mal durchlaufen, um die Anzahl der Beugungsgitter der Gitter-Anordnung zu reduzieren. In diesem Fall trifft der Laserstrahl das Beugungsgitter, genauer gesagt die beugende Gitterstruktur des Beugungsgitters, mehrmals in unterschiedlichen Flächenbereichen.

Bei einer Ausführungsform weist die Gitter-Anordnung mindestens eine Umlenkeinrichtung zur Umlenkung des Laserstrahls nach dem Durchlaufen mindestens eines Beugungsgitters auf, wobei die Umlenkeinrichtung ausgebildet ist, den Laserstrahl zu dem mindestens einen bereits durchlaufenen Beugungsgitter zurückzulenken. Die Umlenkeinrichtung weist für die Umlenkung des Laserstrahls bevorzugt mindestens zwei Reflexionsflächen auf. Die Umlenkung des Laserstrahls mit Hilfe der Umlenkeinrichtung ermöglicht es, ein- und dasselbe Beugungsgitter mehrmals zu durchlaufen.

Bei der Umlenkeinrichtung, welche den Laserstrahl zu dem (mindestens einen) Beugungsgitter zurücklenkt, kann es sich beispielsweise um ein Prisma, insbesondere um ein Dachprisma, oder um mehrere Prismen oder Prismen-Gruppen handeln. Bei der Umlenkeinrichtung kann es sich auch um einen oder um mehrere Spiegel, beispielsweise in Form von Dachspiegeln, handeln. Bei den Reflexionsflächen handelt es sich in diesem Fall in der Regel um plane Flächen, an denen der gepulste Laserstrahl durch Totalreflexion reflektiert wird. Für die Reflexion des Laserstrahls zurück zu dem mindestens einen Beugungsgitter werden der Regel mindestens zwei Reflexionsflächen benötigt.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die Umlenkeinrichtung zur Erzeugung eines Strahlversatzes in mindestens einer Strahlversatzrichtung ausgebildet. Der an der Umlenkeinrichtung umgelenkte Laserstrahl verläuft typischerweise parallel und in entgegengesetzter Richtung zu dem in die Umlenkeinrichtung eintretenden Laserstrahl und ist in mindestens einer Strahlversatzrichtung um einen vorgegebenen Strahlversatz zu dem eintretenden Laserstrahl versetzt. Der Strahlversatz ermöglicht es, dass der umgelenkte Laserstrahl das bereits durchlaufene Beugungsgitter beim erneuten Durchtritt in einem anderen Flächenbereich trifft bzw. durchläuft, als dies beim ersten Durchtritt durch das Beugungsgitter der Fall war.

Bei der Umlenkeinrichtung bzw. bei mindestens einer der Umlenkeinrichtungen verläuft der Strahlversatz des Laserstrahls in der Regel in einer Strahlversatzrichtung, die senkrecht zur Beugungsebene verläuft, in welcher der Laserstrahl von den Beugungsgittern durch die Beugung aufgeweitet und wieder zusammengeführt wird. Es ist aber auch möglich, dass mindestens eine der Umlenkeinrichtungen einen Strahlversatz des Laserstrahls erzeugt, der in einer Ebene parallel zur Beugungsebene verläuft.

Bei einer weiteren Weiterbildung ist die Umlenkeinrichtung zur Erzeugung eines Strahlversatzes in zwei Strahlversatzrichtungen ausgebildet und weist für die Umlenkung des Laserstrahls mindestens drei Reflexionsflächen auf. Die Umlenkeinrichtung kann ein einzelnes Umlenkelement aufweisen, welches die (mindestens) drei Reflexionsflächen umfasst. Ein solches Umlenkelement erfüllt typischerweise die Funktion eines Retroreflektors. Die Geometrie der Reflexionsflächen eines solchen Umlenkelements ist nicht zwingend quadratisch, wie dies bei einem herkömmlichen, würfelförmigen Retroreflektor der Fall ist. Es ist aber auch möglich, dass die drei Reflexionsflächen auf mehrere Umlenkelemente der Umlenkeinrichtung verteilt sind, beispielsweise auf zwei oder mehr Prismen, die typischerweise gemeinsam ebenfalls die Funktion eines Retroreflektors erfüllen. Mit Hilfe einer solchen Umlenkeinrichtung kann eine kombinierte Umlenkung des Laserstrahls in einer Strahlversatzrichtung senkrecht zur Beugungsebene und zusätzlich parallel zur Beugungsebene erfolgen. Eine solche Umlenkung ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die Gitter-Anordnung nur ein einziges Beugungsgitter aufweist.

In der Regel wird bei einem Gitter-Kompressor bzw. bei einer Gitter-Anordnung der Laserstrahl nach einer geraden Anzahl von vorangegangenen Beugungen in einer ersten Richtung (z.B. vertikal) mit einem ersten Strahlversatz umgelenkt und bei einer ungeraden Anzahl von vorangegangenen Beugungen in einer zweiten, zur ersten senkrechten Richtung (z.B. horizontal) mit einem zweiten Strahlversatz. Bei einem Gitter-Kompressor vom Treacy-Typ erfolgt z.B. eine vertikale Umlenkung nach zwei Beugungen bzw. nach zwei Beugungsgittern. Bei einem Gitter-Kompressor mit nur einem einzigen Beugungsgitter erfolgt in der Regel eine horizontale Umlenkung nach der ersten und dritten Beugung und eine vertikale Umlenkung nach der zweiten Beugung. Grundsätzlich sind aber auch andere Konfigurationen bei der Umlenkung des Laserstrahls in der Gitter-Anordnung möglich.

Bei einer Weiterbildung weist die Gitter-Anordnung ein erstes und ein zweites Beugungsgitter auf, die nacheinander von dem Laserstrahl durchlaufen werden, und die Umlenkeinrichtung ist ausgebildet, den Laserstrahl mit einem Strahlversatz, der bevorzugt in einer Strahlversatzrichtung verläuft, die senkrecht zu einer Beugungsebene ausgerichtet ist, zu dem zweiten Beugungsgitter (und auch zum ersten Beugungsgitter) zurückzulenken. In diesem Fall werden das erste und das zweite Beugungsgitter, zwischen denen typischerweise keine abbildenden optischen Elemente angeordnet sind, ein erstes Mal von dem Laserstrahl durchlaufen und nachfolgend (mit größerem Strahlquerschnitt) ein zweites Mal - parallel versetzt - in umgekehrter Richtung von dem an der Umlenkeinrichtung umgelenkten Laserstrahl durchlaufen. Die Umlenkeinrichtung ist typischerweise in einem vergleichsweise kleinen Abstand vom zweiten Beugungsgitter angeordnet, so dass der Strahlquerschnitt des Laserstrahls beim ersten Durchtritt durch das zweite Beugungsgitter und beim zweiten Durchtritt durch das zweite Beugungsgitter nach der Umlenkung an der Umlenkeinrichtung praktisch nahezu gleich groß sind. Die Flächenbereiche am zweiten Beugungsgitter, die von dem Laserstrahl bzw. von dem umgelenkten Laserstrahl gefüllt bzw. benötigt werden, sind daher annähernd gleich groß. Der Stahlversatz, der von der Umlenkeinrichtung erzeugt wird, entspricht daher typischerweise ungefähr der Hälfte der Höhe des zweiten Beugungsgitters in Strahlversatzrichtung. Die beiden Beugungsgitter, genauer gesagt deren beugende Gitterstrukturen, sind bei der hier beschriebenen optischen Einrichtung in der Regel parallel ausgerichtet, dies ist aber nicht zwingend erforderlich.

Bei einer weiteren Weiterbildung sind das erste Beugungsgitter und das zweite Beugungsgitter entlang einer Strahlversatzrichtung, die senkrecht zu einer Beugungsebene der Gitter-Anordnung verläuft, um einen lateralen Versatz zueinander versetzt angeordnet. Für den Fall, dass keine optischen Elemente zwischen den beiden Beugungsgittern angeordnet sind, ist es bei einem divergenten Laserstrahl bzw. bei einer divergenten Kaustik in der Regel erforderlich, das erste Beugungsgitter und das zweite Beugungsgitter in Strahlversatzrichtung zueinander zu versetzen, um zu gewährleisten, dass das Zentrum des Strahlquerschnitts des Laserstrahls und das Zentrum des Strahlquerschnitts des umgelenkten Laserstrahls jeweils mittig auf den für die jeweilige Beugung vorgesehenen Flächenbereich der beiden Beugungsgitter treffen. Die Erstreckung des für die jeweilige Beugung vorgesehenen Flächenbereichs in Strahlversatzrichtung auf einem jeweiligen Beugungsgitter nimmt mit zunehmender Erstreckung des Strahlquerschnitts in Strahlversatzrichtung zu.

Bei einer Weiterbildung ist zwischen dem ersten Beugungsgitter und dem zweiten Beugungsgitter mindestens eine weitere Umlenkeinrichtung angeordnet, die einen lateralen Versatz des Laserstrahls entlang einer Strahlversatzrichtung erzeugt, die senkrecht zu einer Beugungsebene der Gitter-Anordnung verläuft. Im Gegensatz zu der weiter oben beschriebenen Umlenkeinrichtung lenkt die weitere Umlenkeinrichtung den Laserstrahl nicht zu dem bereits durchlaufenen Beugungsgitter zurück. Die weitere Umlenkeinrichtung kann lediglich einen lateralen (Parallel-)Versatz des Laserstrahls erzeugen, der nach dem Durchlaufen der weiteren Umlenkeinrichtung seine Propagationsrichtung beibehält. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die weitere Umlenkeinrichtung als Prisma oder als planparallele Platte ausgebildet ist, die in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls unter einem Winkel geneigt angeordnet ist, um den Strahlversatz zu erzeugen. Es ist aber auch möglich, dass die weitere Umlenkeinrichtung ausgebildet ist, den Laserstrahl nicht nur lateral zu versetzen, sondern beispielsweise in der Beugungsebene unter einem vorgegebenen Winkel umzulenken. In diesem Fall sind die beiden Beugungsgitter typischerweise nicht parallel ausgerichtet, sondern ebenfalls in der Beugungsebene unter einem Winkel zueinander ausgerichtet.

Die weitere Umlenkeinrichtung kann dazu dienen, einen lateralen Versatz zu erzeugen, der es ermöglicht, dass das Zentrum des Strahlquerschnitts des Laserstrahls und das Zentrum des Strahlquerschnitts des umgelenkten Laserstrahls den für die jeweilige Beugung vorgesehenen Flächenbereich der beiden Beugungsgitter in Strahlversatzrichtung mittig treffen, ohne dass zu diesem Zweck die beiden Beugungsgitter in der Strahlversatzrichtung senkrecht zur Beugungsebene versetzt werden müssen. Bei dieser Ausführungsform können die beiden Beugungsgitter somit in Strahlversatzrichtung auf gleicher Höhe positioniert werden. Es ist aber auch möglich, einen lateralen Versatz, der durch die mindestens eine weitere Umlenkeinrichtung erzeugt wird, mit einem lateralen Versatz zu kombinieren, der durch einen Versatz der Beugungsgitter in Strahlversatzrichtung erzeugt wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein lateraler Versatz zwischen den beiden Beugungsgittern in Strahlversatzrichtung oder ein von der mindestens einen weiteren Umlenkeinrichtung erzeugter lateraler Versatz (oder ggf. ein kombinierter lateraler Versatz) gegeben durch:

AH = 1/ 4 HG (HA - HE) / (HA + HE), wobei HG die Erstreckung des ersten Beugungsgitters in Strahlversatzrichtung, HE die Erstreckung des Strahlquerschnitts des Laserstrahls in Strahlversatzrichtung beim ersten Durchlaufen des ersten Beugungsgitters und HA die Erstreckung des Strahlquerschnitts des umgelenkten Laserstrahls in Strahlversatzrichtung beim zweiten Durchlaufen des ersten Beugungsgitters bezeichnen.

Der oben angegebene laterale Versatz AH der beiden Beugungsgitter wird benötigt, um zu erreichen, dass das Zentrum des Strahlquerschnitts des Laserstrahls und das Zentrum des Strahlquerschnitts des umgelenkten Laserstrahls die beiden Beugungsgitter in Strahlversatzrichtung mittig in einem jeweiligen für die Beugung vorgesehenen Flächenbereich treffen, falls keine Umlenkeinrichtung bzw. keine weiteren optischen Elemente zwischen den beiden Beugungsgittern angeordnet sind, die einen Strahlversatz erzeugen. Für den Fall, dass die beiden Beugungsgitter auf gleicher Höhe angeordnet sind, wird der oben angegebene laterale Versatz AH von der (mindestens einen) weiteren Umlenkeinrichtung erzeugt, um zu erreichen, dass die beiden Strahlquerschnitte in Strahlversatzrichtung mittig auf einen jeweiligen für die Beugung vorgesehenen Flächenbereich des Beugungsgitters treffen. Zu diesem Zweck können zwei weitere Umlenkeinrichtungen verwendet werden: Eine erste weitere Umlenkeinrichtung erzeugt einen lateralen Versatz +AH des Laserstrahls, der vom ersten Beugungsgitter zum zweiten Beugungsgitter propagiert, und eine zweite weitere Umlenkeinrichtung erzeugt einen betragsmäßig gleichen, entgegen gerichteten lateralen Versatz -AH des umgelenkten Laserstrahls, der vom zweiten Beugungsgitter zum ersten Beugungsgitter propagiert. Es ist aber auch möglich, zu diesem Zweck eine einzige weitere Umlenkeinrichtung zu verwenden, die z.B. in Form einer planparallelen Platte ausgebildet ist, die von dem Laserstrahl unter einem Winkel zur Flächennormalen durchlaufen wird. Grundsätzlich ist es möglich, einen ersten Anteil des lateralen Versatzes AH mittels der weiteren Umlenkeinrichtung zu erzeugen und einen zweiten Anteil des lateralen Versatzes AH durch das laterale Versetzen der beiden Beugungsgitter relativ zueinander.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die mindestens eine weitere Umlenkeinrichtung ausgebildet, zusätzlich zu dem lateralen Versatz einen Strahlversatz in Strahlversatzrichtung zu erzeugen, der dem Strahlversatz der Umlenkeinrichtung entspricht. In diesem Fall kann z.B. zusätzlich zu dem lateralen Versatz, der benötigt wird, um das jeweilige Zentrum der Strahlquerschnitte in Strahlversatzrichtung mittig in einem für die Beugung vorgesehenen Flächenbereich anzuordnen, von der weiteren Umlenkeinrichtung ein zusätzlicher Strahlversatz erzeugt werden, der dem von der Umlenkeinrichtung erzeugten Strahlversatz betragsmäßig entspricht. In diesem Fall können zwei weitere Umlenkeinrichtungen verwendet werden, die den Laserstrahl und den an der Umlenkeinrichtung umgelenkten Laserstrahl jeweils mit dem von der Umlenkeinrichtung erzeugten Betrag des Strahlversatzes in Strahlversatzrichtung parallel versetzen. Es ist aber auch möglich, eine einzige weitere Umlenkeinrichtung z.B. in der Art eines Prismas oder dergleichen zu diesem Zweck zu verwenden, die den Laserstrahl zusätzlich zu dem Strahlversatz bzw. dem lateralen Versatz in Strahlversatzrichtung auch senkrecht zur Strahlversatzrichtung, d.h. innerhalb der Beugungsebene, umlenkt.

Bei einer alternativen Ausführungsform weist die Gitter-Anordnung eine einziges Beugungsgitter sowie eine erste Umlenkeinrichtung zur Erzeugung eines Strahlversatzes in einer ersten Strahlversatzrichtung und eine zweite Umlenkeinrichtung zur Erzeugung eines Strahlversatzes in der zweiten Strahlversatzrichtung und bevorzugt in der ersten Strahlversatzrichtung auf, wobei die erste und zweite Umlenkeinrichtung bevorzugt auf gegenüberliegenden Seiten des Beugungsgitters angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform wird das einzige Beugungsgitter der Gitter-Anordnung vier Mal von dem Laserstrahl durchlaufen. Die beiden Umlenkeinrichtungen ermöglichen es, dass der Laserstrahl an vier unterschiedlichen Flächenbereichen auf das Beugungsgitter trifft. Die zweite Umlenkeinrichtung kann eines oder mehrere Umlenkelemente aufweisen, um den Strahlversatz in der ersten Strahlversatzrichtung und in der zweiten Strahlversatzrichtung zu erzeugen.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die zweite Umlenkeinrichtung ausgebildet, in der ersten Strahlversatzrichtung, bevorzugt zusätzlich zu einem Strahlversatz, der dem Betrag des Strahlversatzes der ersten Umlenkeinrichtung in der ersten Strahlversatzrichtung entspricht, einen lateralen Versatz zu erzeugen, der gegeben ist durch

AH = 1/ 4 HG (HA - HE) / (HA + HE), wobei HG die Erstreckung des Beugungsgitters in der ersten Strahlversatzrichtung, HE die Erstreckung des Strahlquerschnitts des Laserstrahls in der ersten Strahlversatzrichtung beim ersten Durchlaufen des Beugungsgitters und HA die Erstreckung des Strahlquerschnitts des umgelenkten Laserstrahls in der ersten Strahlversatzrichtung beim letzten Durchlaufen des Beugungsgitters bezeichnen.

Der laterale Versatz in der ersten Strahlversatzrichtung wird analog zur weiter oben beschriebenen Ausführungsform mit den beiden Beugungsgittern benötigt, um zu erreichen, dass der Strahlquerschnitt in der ersten Strahlversatzrichtung mittig auf einen jeweiligen für die Beugung vorgesehenen Flächenbereich des Beugungsgitters auftrifft. Um dies zu erreichen, kann beispielsweise eine Kante, an der die beiden Reflexionsflächen der ersten Umlenkeinrichtung aneinander angrenzen, um die Hälfte des lateralen Versatzes (AH / 2) zu einer Kante versetzt sein, an der zwei der drei Reflexionsflächen der zweiten Umlenkeinrichtung aneinander angrenzen. Die zweite Umlenkeinrichtung kann ausgebildet sein, einen Strahlversatz in der ersten Strahlversatzrichtung und zusätzlich einen lateralen Versatz in der ersten Strahlversatzrichtung zu erzeugen. Es ist aber auch möglich, dass die zweite Umlenkeinrichtung lediglich einen lateralen Versatz, aber keinen Strahlversatz in der ersten Strahlversatzrichtung erzeugt, wie dies weiter oben in Bezug auf die weitere(n) Umlenkeinrichtung(en) bei der Ausführungsform mit den beiden Beugungsgittern beschrieben ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine Erstreckung des Stahlquerschnitts des aus der Gitter-Anordnung austretenden Laserstrahls in einer zu einer Beugungsebene der Gitter-Anordnung senkrechten Richtung mindestens um einen Faktor 1 ,5, bevorzugt mindestens um einen Faktor 1 ,7, besonders bevorzugt um mindestens einen Faktor 2,0 größer als eine Erstreckung des Strahlquerschnitts des in die Gitter-Anordnung eintretenden Laserstrahls in der zu der Beugungsebene senkrechten Richtung. Für den Fall eines runden Strahlquerschnitts entspricht die Erstreckung des Strahlquerschnitts in Strahlversatzrichtung dem Durchmesser des Strahlquerschnitts bzw. dem Strahldurchmesser des Laserstrahls.

Der Strahlquerschnitt bzw. dessen Erstreckung in der zur Beugungsebene senkrechten Richtung, die typischerweise der bzw. einer Strahlversatzrichtung entspricht, wird für den eintretenden Laserstrahl am im Strahlweg ersten Beugungsgitter der Gitter-Anordnung, genauer gesagt an dessen beugender Gitterstruktur, gemessen. Entsprechend wird der Strahlquerschnitt bzw. dessen Erstreckung in der zur Beugungsebene senkrechten Richtung für den austretenden Laserstrahl am im Strahlweg letzten Beugungsgitter der Gitter-Anordnung gemessen, das ggf. mit dem ersten Beugungsgitter übereinstimmen kann (s.o.). Aufgrund der divergenten Kaustik des Laserstrahls nimmt der Strahlquerschnitt des Laserstrahls beim Durchtritt durch die Gitter-Anordnung kontinulierlich zu. Trotz eines vergleichsweise geringen Divergenzwinkels (s.u.) erhöht sich die Erstreckung des Strahlquerschnitts in der zur Beugungsebene senkrechten Richtung, die im Fall eines kreisförmigen Strahlquerschnitts dem Strahldurchmesser entspricht, in der Gitter- Anordnung in der Regel deutlich, wenn die Beugungsgitter einen vergleichsweise großen Abstand zueinander aufweisen, der ggf. in der Größenordnung von Metern liegen kann.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist das strahlaufweitende optische Element ausgebildet, einen Divergenzwinkel des in die Gitter-Anordnung eintretenden Laserstrahls zu erzeugen, der zwischen 0,5 mrad und 100 mrad liegt. Die Wahl eines geeigneten Divergenzwinkels, mit dem der Laserstrahl in die Gitter-Anordnung eintritt, hängt von mehreren Parametern ab, beispielsweise vom Abstand zwischen den Beugungsgittern. Der Divergenzwinkel sollte nicht zu groß gewählt werden, um zu vermeiden, dass die Aberrationen bzw. die Phasenfehler beim Durchlaufen der Gitter-Anordnung zu groß werden, da dies zu einer Verschlechterung der Strahlqualität des Laserstrahls führen kann, insbesondere wenn die optische Anordnung bzw. der Gitter-Kompressor in der Nähe des Übergangs zur Nichtlinearität der Beugungsbedingung betrieben wird. Der Gitter-Kompressor bzw. die Gitter-Anordnung kann häufig so ausgelegt werden, dass eine akzeptable Abnahme bzw. Verschlechterung der Strahlqualität erfolgt, ohne dass zusätzliche Maßnahmen zur Verbesserung der Strahlqualität vorgenommen werden müssen.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist die optische Anordnung mindestens eine Korrektureinrichtung, insbesondere eine Phasen-Korrektureinrichtung, zur zumindest teilweisen Kompensation einer auf die Divergenz des Laserstrahls beim Eintreten in die Gitter-Anordnung zurückzuführenden Verschlechterung einer Strahlqualität des Laserstrahls auf. Wie weiter oben beschrieben wurde, tritt der Laserstrahl bei herkömmlichen Gitter- Kompressoren kollim iert in die Gitter-Anordnung ein. Der divergente Eintritt des Laserstrahls in die Gitter-Anordnung führt üblicherweise zu einer Verschlechterung der Strahlqualität des Laserstrahls nach dem Durchlaufen der Gitter-Anordnung im Vergleich zur Strahlqualität eines Laserstrahls, der kollim iert in die Gitter-Anordnung eintritt. Unter der Strahlqualität des Laserstrahls wird im Sinne dieser Anmeldung der K-Faktor verstanden, für den gilt: K = 1/ M ² , wobei M ² die Beugungsmaßzahl bezeichnet. Bei der Korrektureinrichtung handelt es sich typischerweise um eine Phasen-Korrektureinrichtung, da die Korrektur der Phase des Laserstrahls eine Verbesserung der Strahlqualität des Laserstrahls ohne Lichtverluste ermöglicht. Es ist aber grundsätzlich auch möglich, andere Arten von Korrektureinrichtungen zu verwenden, die den Phasenfehler im Ortsraum korrigieren, beispielsweise in Form von Graufiltern, beispielsweise in Form von Blenden, oder dergleichen.

Bei einer Weiterbildung ist die Korrektureinrichtung im Strahlweg vor der Gitter- Anordnung oder im Strahlweg nach der Gitter-Anordnung angeordnet. Die Korrektur zur zumindest teilweisen Kompensation der Verschlechterung der Strahlqualität kann vor oder nach dem Durchlaufen der Gitter-Anordnung erfolgen. Es ist insbesondere auch möglich, dass eine erste Korrektureinrichtung im Strahlweg des Laserstrahls vor der Gitter-Anordnung und eine zweite Korrektureinrichtung im Strahlweg des Laserstrahls nach der Gitter-Anordnung angeordnet wird. Die Korrektureinrichtung kann auch innerhalb der Gitter-Anordnung angeordnet sein. Für den Fall, dass die Kompensationseinrichtung im kollim ierten Strahlengang angeordnet ist, ist deren Position grundsätzlich beliebig. Für den Fall, dass die Korrektureinrichtung im divergenten Strahlengang angeordnet und als Phasen-Korrektureinrichtung ausgebildet ist, ist es grundsätzlich günstig, wenn diese an einer Position angeordnet wird, an welcher der zu kompensierende Phasenfehler maximal ist. Für den Fall, dass die Korrektureinrichtung den Phasenfehler im Ortsraum korrigiert und z.B. als Graufilter, beispielsweise in Form einer Blende, ausgebildet ist, sollte die Korrektureinrichtung an einer Position angeordnet werden, an welcher der Phasenfehler minimal ist.

Bei einer Weiterbildung ist die Phasen-Korrektureinrichtung als diffraktives optisches Element ausgebildet. Grundsätzlich kann die Phasen-Korrektureinrichtung auch auf andere Weise ausgebildet sein, beispielsweise in Form einer Verzögerungsplatte mit ortsabhängig variierender Phasenverschiebung bzw. Verzögerung. Ein Phasen- Korrektureinrichtung in Form eines diffraktiven optischen Elements lässt sich aber besonders einfach in die Gitter-Anordnung integrieren.

Bei einer Weiterbildung ist die Phasen-Korrektureinrichtung in ein Beugungsgitter der Gitter-Anordnung, d.h. in die beugende Struktur (Gitterstruktur), integriert. In diesem Fall wird die beugende Struktur (Gitterstruktur) des Beugungsgitters so ausgelegt, dass diese zusätzlich eine Phasen-Korrektur erzeugt, um einer Verschlechterung der Strahlqualität des Laserstrahls entgegenzuwirken. Grundsätzlich kann die Verschlechterung der Strahlqualität des Laserstrahls, die auf die Divergenz beim Eintritt des Laserstrahls in die Gitter-Anordnung zurückzuführen ist und die auf ein jeweiliges Beugungsgitter zurückzuführen ist, von einer Phasen-Korrektureinrichtung nahezu vollständig korrigiert werden, die in dieses Beugungsgitter integriert ist. Phasenfehler, die auf vorangegangene oder nachfolgende Beugungen bzw. Beugungsgitter zurückzuführen sind, können mit einer solchen Phasen- Korrektureinrichtung teilweise kompensiert werden. Es ist daher auch möglich, dass zwei oder mehr Phasen-Korrektureinrichtungen in zwei oder mehr Beugungsgitter integriert werden. Für den Fall, dass ein- und dasselbe Beugungsgitter mindestens zwei Mal an unterschiedlichen Flächenbereichen von dem Laserstrahl durchlaufen wird, wird die Phasen-Korrektur in dem jeweiligen Flächenbereich geeignet angepasst. Das diffraktive optische Element kann insbesondere in das im Strahlweg erste Beugungsgitter der Gitter-Anordnung integriert werden.

Die Kompensationseinrichtung wird benötigt, wenn bei gegebenem Divergenzwinkel einer Verschlechterung der Strahlqualität entgegengewirkt werden soll, die Strahlqualität erhöht werden soll, falls diese vor der Gitter-Anordnung nicht optimal war, oder wenn bei höheren Puls-Spitzenleistungen der Strahlquerschnitt des aus der Gitter-Anordnung austretenden Laserstrahls vergrößert werden muss und der Strahlquerschnitt des in die Gitter-Anordnung eintretenden Laserstrahls entsprechend verkleinert werden muss, um die benötigte Gitterfläche nicht zu erhöhen. Die Kompensationseinrichtung kann insbesondere ausgebildet sein, die Verschlechterung der Strahlqualität K in Beugungsrichtung bzw. in der Beugungsebene teilweise zu kompensieren, so dass die Strahlqualität K beim Durchtritt durch die Gitter-Anordnung um nicht mehr als 0,1 abnimmt.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist die optische Anordnung eine kollimierende Einrichtung, insbesondere mindestens ein kollimierendes optisches Element, zur Kollimation des Laserstrahls nach dem Durchlaufen der Gitter-Anordnung auf. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Gitter-Anordnung in ein Strahlteleskop integriert ist, das durch die strahlaufweitende Einrichtung und durch die kollimierende Einrichtung gebildet ist. Durch das Strahlteleskop wird der Strahlquerschnitt des kollimierten Laserstrahls, der auf die strahlaufweitende Einrichtung trifft, vergrößert, d.h. der Laserstrahl wird beim Durchlaufen der Gitter-Anordnung aufgeweitet. Die kollimierende Einrichtung kann beispielsweise eines oder mehrere transmittierende optische Elemente, z.B.in Form von Linsen, und/oder eines oder mehrere reflektierende optische Elemente, z.B. in Form von (gekrümmten) Spiegeln, aufweisen.

Das bzw. die Beugungsgitter der Gitter-Anordnung können grundsätzlich transmittierend oder reflektierend ausgebildet sein. In beiden Fällen kann durch den divergent in die Gitter-Anordnung eintretenden Laserstrahl die benötigte Gitterfläche in der Regel deutlich reduziert werden.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Lasersystem, welches eine Laserquelle zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls sowie eine optische Anordnung zur Pulskompression des gepulsten Laserstrahls aufweist, die wie weiter oben beschreiben ausgebildet ist. Bei dem Lasersystem kann es sich beispielweise um ein Ultrakurzpulssystem handeln, welches eine Laserquelle zum Erzeugen von spektral breiten Laserpulsen umfasst Bei der Laserquelle kann es sich beispielsweise um einen Laseroszillator handeln, die Laserquelle kann aber auch als Laseroszillator- Verstärker-Kombination ausgebildet sein. Eine solche Laserquelle weist einen Oszillator, beispielsweise einen Faseroszillator, zur Erzeugung von Laserpulsen sowie eine Verstärkeranordnung zur Verstärkung der Laserpulse bzw. des gepulsten Laserstrahls auf, die einen oder mehrere optische Verstärker aufweist. Die Laserquelle kann einen Puls-Strecker zur Streckung der Pulsdauern der Laserpulse aufweisen. Der Puls-Strecker kann vor oder innerhalb der Verstärkeranordnung positioniert sein. Die Laserquelle kann beispielsweise zur Erzeugung von Laserpulsen mit spektralen Breiten von z.B. 1 nm oder mehr und Pulsenergien von z.B. 1 mJ oder mehr ausgebildet sein. Die weiter oben beschriebene optische Anordnung, genauer gesagt die Gitter-Anordnung, kann bei einem solchen Lasersystem als Dispersionsanpassungseinheit zur Pulsdauerkomprimierung (auch Puls-Kompressor genannt) dienen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 a,b schematische Darstellungen einer optischen Anordnung zur Pulskompression eines gepulsten Laserstrahls, die eine Gitter-Anordnung vom Treacy-Typ mit zwei transmittierenden bzw. reflektierenden Beugungsgittern und eine Umlenkeinrichtung in Form eines Prismas aufweist, jeweils in einer Draufsicht,

Fig. 2a, b schematische Seitenansichten der optischen Anordnungen von Fig. 1 a,b mit einer Pulsform eines divergenten, gepulsten Laserstrahls, die von einem strahlaufweitenden Element erzeugt wird und die Gitter-Anordnung mit den transmittierenden bzw. mit den reflektierenden Beugungsgittern durchläuft,

Fig. 3a-c schematische Darstellungen von Strahlquerschnitten des divergenten Laserstrahls auf den beiden Beugungsgittern beim Durchlaufen der Gitter- Anordnung sowie eines lateralen Versatzes der beiden Beugungsgitter bzw. eines Parallel-Versatzes des Laserstrahls, der von zwei weiteren Umlenkeinrichtungen lateral versetzt wird,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Verschlechterung der Strahlqualität des Laserstrahls in Abhängigkeit vom minimalen Strahldurchmesser,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung zur Pulskompression, die ein einziges Beugungsgitter und zwei Umlenkeinrichtungen aufweist, sowie

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Lasersystems, das eine Laserquelle zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls und eine optische Anordnung zur Pulskompression des gepulsten Laserstrahls aufweist.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.

Fig. 1a und Fig. 2a zeigen eine optische Anordnung 1 , die eine Gitter-Anordnung 2 vom Treacy-Typ mit einem ersten in Transmission betriebenen Beugungsgitter 3 und einem zweiten in Transmission betriebenen Beugungsgitter 4 sowie eine Umlenkeinrichtung 5 in Form eines Dachprismas aufweist. Die beiden Beugungsgitter 3, 4 sind parallel zueinander ausgerichtet und beugen einen gepulsten Laserstrahl 6, der die Gitter-Anordnung 2 durchläuft, entlang einer YZ- Ebene eines XYZ-Koordinatensystems, die nachfolgend auch als Beugungsebene bezeichnet wird. In der Beugungsebene YZ (bzw. in einer Ebene parallel zur Beugungsebene YZ) wird der Laserstrahl 6 spektral aufgeweitet und spektral zusammengeführt, wie dies in Fig. 1a gestrichelt angedeutet ist. Nach dem Durchlaufen des ersten und zweiten Beugungsgitters 3, 4 durchläuft der Laserstrahl 6 die Umlenkeinrichtung 5 und wird von dieser umgelenkt, genauer gesagt retroreflektiert, wobei die Umlenkeinrichtung 5 einen Strahlversatz AX in einer Strahlversatzrichtung X des XYZ-Koordinatensystems erzeugt, die senkrecht zur Beugungsebene YZ ausgerichtet ist. Die optische Anordnung 1 von Fig. 1a und Fig. 2a dient zur Pulskompression des Laserstrahls 6, wie anhand der Pulsform PE des Laserstrahls 6 beim Eintritt in die Gitter-Anordnung 2 und der Pulsform PA beim Austritt aus der Gitter-Anordnung 2 ersichtlich ist. Wie dies in Fig. 2a zu erkennen ist, tritt der Laserstrahl 6 divergent in die Gitter-Anordnung 2 ein und behält beim Durchlaufen der Gitter-Anordnung 2, d.h. beim Durchlaufen des ersten und des zweiten Beugungsgitters 3, 4 sowie beim Durchlaufen der Umlenkeinrichtung 5 seine divergente Strahlform bei.

Zur Erzeugung der Divergenz des gepulsten Laserstrahls 6 weist die optische Anordnung 1 eine strahlaufweitende Einrichtung auf, die beim gezeigten Beispiel in Form einer ersten Linse 7 ausgebildet ist, die im Strahlweg vor der Gitter-Anordnung 2 angeordnet ist. Im Strahlweg nach der Gitter-Anordnung 2 ist eine kollimierende Einrichtung in Form einer zweiten Linse 8 angeordnet. Die erste und die zweite Linse 7, 8 bilden ein Strahlteleskop für den Laserstrahl 6, der von einer nicht bildlich dargestellten Laserquelle erzeugt wird und der kollim iert auf die erste Linse 7 auftrifft. Bei der ersten und zweiten Linse 7, 8 handelt es sich im gezeigten Beispiel um sphärische Linsen, es ist aber auch die Verwendung von Zylinderlinsen möglich.

Fig. 1b und Fig. 2b zeigen eine optische Anordnung 1 , bei welcher die Gitter- Anordnung 2 an Stelle von zwei transmittierenden Beugungsgittern 3, 4 zwei reflektierende Beugungsgitter 3, 4 aufweist. Bei der in Fig. 1 b und in Fig. 2b gezeigten optischen Anordnung 1 trifft der Laserstrahl 6 wie in der in Fig. 1a und in Fig. 2a gezeigten optischen Anordnung 1 unter einem Winkel zur Gitternormalen in der Beugungsebene YZ auf das erste Beugungsgitter 3 auf. Bei der in Fig. 2b dargestellten Seitenansicht sind der Winkel, unter dem der Laserstrahl 6 auf das erste Beugungsgitter 3 trifft sowie der Winkel, unter dem der austretende Laserstrahl 6 an dem ersten Beugungsgitter 3 reflektiert wird, nicht in der Beugungsebene YZ, sondern unter einem Winkel zur Beugungsebene ZY ausgerichtet dargestellt, um die Übersichtlichkeit der Darstellung des zwischen den beiden Beugungsgittern 3, 4 propagierenden Laserstrahls 6 zu erhöhen. Ansonsten entspricht der Aufbau der in Fig. 1 b und in Fig. 2b gezeigten optischen Anordnung 1 dem in Fig. 1a und in Fig. 2a gezeigten optischen Anordnung 1 mit den transmittierenden Beugungsgittern 3, 4. Wie anhand von Fig. 3a-c zu erkennen ist, welche die beiden Beugungsgitter 3, 4 in einer Draufschicht zeigen, nimmt die Größe des Strahlquerschnitts des Laserstrahls 6 beim Durchlauf durch die Gitter-Anordnung 2 zu, und zwar von einer minimalen Erstreckung HE eines ersten Strahlquerschnitts S1a in Strahlversatzrichtung X beim ersten Durchlauf durch das erste Beugungsgitter 3 über einen - praktisch gleich großen - zweiten und dritten Strahlquerschnitt S2a, S2b beim Durchlaufen des zweiten Beugungsgitters 4 auf einen vierten Strahlquerschnitt S1 b mit einer maximalen Erstreckung HA in Strahlversatzrichtung X beim zweiten Durchlauf durch das erste Beugungsgitter s. Die jeweiligen Strahlquerschnitte S1a, S1 b, S2a, S2b sind in Fig. 3a, b kreisförmig dargestellt, weil auf die Darstellung der spektralen Auffächerung und Zusammenführung der Spektralkomponenten des Laserstrahls 6 in der Beugungsebene YZ aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet wurde.

Für das Verhältnis zwischen der Erstreckung HA des Stahlquerschnitts S1b des aus der Gitter-Anordnung 2 austretenden Laserstrahls 6 in Strahlversatzrichtung X zur Erstreckung HE des Strahlquerschnitts S1a des in die Gitter-Anordnung 2 eintretenden Laserstrahls 6 in Strahlversatzrichtung X gilt: HA / HE > 1 ,5, bevorzugt > 1 ,7, insbesondere > 2,0. Die Vergrößerung der Erstreckung des Strahlquerschnitts des Laserstrahls 6 in Strahlversatzrichtung X beim Durchlaufen der Gitter-Anordnung 2 ist für die Laserbeständigkeit der optischen Anordnung 1 günstig, da bei der Propagation in der Gitter-Anordnung 2 die Pulsdauern der Pulse des Laserstrahls 6 verkürzt werden und hierbei die Pulsspitzenleistung erhöht wird.

Wie in Fig. 3a-c zu erkennen ist, weisen das erste Beugungsgitter 3 und das zweite Beugungsgitter 4 in Strahlversatzrichtung X im gezeigten Beispiel die gleiche Erstreckung HG auf. Der Strahlversatz AX, der von der Umlenkeinrichtung 5 erzeugt wird, entspricht im gezeigten Beispiel der halben Erstreckung HG des zweiten Beugungsgitters 4 in Strahlversatzrichtung X.

Wie anhand von Fig. 3a-c ebenfalls zu erkennen ist, wird aufgrund der divergenten Strahlkaustik des Laserstrahls 6 ein lateraler Versatz AH in Strahlversatzrichtung X benötigt, um das Zentrum des ersten und zweiten Strahlquerschnitts S1a, S2a beim ersten Durchlaufen des ersten und zweiten Beugungsgitters 3, 4 sowie das Zentrum des dritten und vierten Strahlquerschnitts S1b, S2b beim Durchlaufen des ersten und zweiten Beugungsgitters 3, 4 in umgekehrter Richtung in Bezug auf die Strahlversatzrichtung X mittig in einem für die jeweilige Beugung vorgesehenen Flächenbereich zu positionieren.

Bei dem in Fig. 3a gezeigten Beispiel werden zur Erzeugung des lateralen Versatzes AH das ersten Beugungsgitter 3 und das zweite Beugungsgitter 4 in Strahlversatzrichtung X zueinander versetzt. Für den lateralen Versatz AH, der die mittige Positionierung der Zentren der Strahlquerschnitte S1a, S1 b, S2a, S2b ermöglicht, gilt:

AH = 1/ 4 HG (HA - HE) / (HA + HE), wobei HE die Erstreckung des (ersten) Strahlquerschnitts S1a des Laserstrahls 6 in Strahlversatzrichtung X beim ersten Durchlaufen des ersten Beugungsgitters 3 und HA die Erstreckung des (vierten) Strahlquerschnitts S1 b des umgelenkten Laserstrahls 6 in Strahlversatzrichtung X beim zweiten Durchlaufen des ersten Beugungsgitters 3 bezeichnen.

Bei dem in Fig. 3b gezeigten Beispiel sind die beiden Beugungsgitter 3, 4 in Strahlversatzrichtung X auf gleicher Höhe angeordnet. Der laterale Versatz AH wird in diesem Fall durch eine Umlenkeinrichtung 10 in Form einer planparallelen Platte erzeugt, die zwischen dem ersten Beugungsgitter 3 und dem zweiten Beugungsgitter 4 angeordnet ist und unter einem Winkel zur Beugungsebene YZ bzw. zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 6 geneigt ist, um den lateralen Versatz AH zu erzeugen. Von der weiteren Umlenkeinrichtung 10 wird bei der Propagation vom ersten Beugungsgitter 3 zum zweiten Beugungsgitter 4 ein lateraler Versatz +AH des Laserstrahls 6 mit im gezeigten Beispiel positivem Vorzeichen erzeugt. Entsprechend wird von der weiteren Umlenkeinrichtung 10 ein betragsmäßig gleich großer lateraler Versatz -AH des um gelenkten Laserstrahls 6 mit negativem Vorzeichen erzeugt.

Bei dem in Fig. 3c gezeigten Beispiel sind eine erste und zweite weitere Umlenkeinrichtung 10a, 10b zwischen dem ersten Beugungsgitter s und dem zweiten Beugungsgitter 4 angeordnet. Die beiden weiteren Umlenkeinrichtungen 10a, 10b sind als Prismen ausgebildet und unterscheiden sich von den in Fig. 3b gezeigten weiteren Umlenkeinrichtungen 10 dadurch, dass diese zusätzlich zu dem lateralen Versatz +AH, -AH einen Strahlversatz in Strahlversatzrichtung X erzeugen, der dem Betrag des Strahlversatzes AX der Umlenkeinrichtung 5 entspricht, aber das umgekehrte Vorzeichen aufweist.

Nach dem Durchlaufen der ersten weiteren Umlenkeinrichtung 10a trifft der Laserstrahl 6 daher nicht mit einem lateralen Versatz mit dem Betrag AH, sondern mit einem lateralen Versatz von AH + AX mit dem Zentrum des zweiten Strahlquerschnitts S2a auf das zweite Beugungsgitter 4. Der Laserstrahl 6 wird von der in Fig. 3c nicht dargestellten Umlenkeinrichtung 5 in negativer Strahlversatzrichtung X um einen Strahlversatz -AX parallel versetzt (vgl. den dritten Strahlquerschnitt S2b), bevor der umgelenkte Laserstrahl 6 an der zweiten weiteren Umlenkeinrichtung 10b mit einem lateralen Versatz von -AH + AX lateral versetzt wird. Es versteht sich, dass die in Fig. 3c gezeigten weiteren Umlenkeinrichtungen 10a, 10b nicht zwingend den lateralen Versatz +AH, -AH erzeugen müssen, sondern dass vielmehr der Stahlversatz AX der Umlenkeinrichtung 5 ausreichend ist, falls die beiden Beugungsgitter 3, 4 um den lateralen Versatz AH zueinander versetzt sind, wie dies in Fig. 3a dargestellt ist.

Das strahlaufweitende optische Element 7 ist im gezeigten Beispiel ausgebildet, einen Divergenzwinkel a des Laserstrahls 6 beim Eintritt in die Gitter-Anordnung 2 zu erzeugen, der zwischen 0,5 mrad und 100 mrad liegt. Der Divergenzwinkel a sollte nicht zu groß gewählt werden, da eine zu große Divergenz des Laserstrahls 6 zu einer Verringerung der Strahlqualität K (bzw. von deren Kehrwehrt 1/M ² ) führt, wie dies anhand von Fig. 4 zu erkennen ist, welche die Verschlechterung der Beugungsmaßzahl M ² in Abhängigkeit vom minimalen Strahldurchmesser zeigt. Bei dem strahlaufweitenden optischen Element 7 handelt es sich im gezeigten Beispiel um eine sphärische Linse, es kann sich aber auch um eine Zylinderlinse handeln, die in einer Richtung senkrecht zur Beugungsebene YZ wirkt.

Für den minimalen Strahlradius wo (bzw. den minimalen Strahldurchmesser 2 wo), den halben Divergenzwinkel a / 2 und die Beugungsmaßzahl M ² gilt folgende Beziehung: a / 2 wo = M ² X / TT, wobei X die Wellenlänge des Laserstrahls 6 bezeichnet.

Um die Verschlechterung der Strahlqualität K bzw. 1/M ² des divergenten Laserstrahls 6 beim Durchtritt durch die Gitter-Anordnung 2 zumindest teilweise zu kompensieren, weist die optische Anordnung 1 im gezeigten Beispiel eine erste und zweite Phasen- Korrektureinrichtung 9a, 9b auf. Die erste Phasen-Korrektureinrichtung 9a ist im Strahlweg vor der Gitter-Anordnung 2, genauer gesagt im Strahlweg vor dem strahlaufweitenden optischen Element in Form der ersten Linse 7 angeordnet. Bei der ersten Phasen-Korrektureinrichtung 9a handelt es sich um ein diffraktives optisches Element, diese kann aber auch z.B. als Verzögerungsplatte oder auf andere Weise ausgebildet sein. Die zweite Phasen-Korrektureinrichtung 9b bildet ebenfalls ein diffraktives optisches Element, das in das erste Beugungsgitter 3 integriert ist, d.h. die Gitterstruktur des ersten Beugungsgitters 3 wird derart modifiziert, dass bei der Beugung des Laserstahls 6 am ersten Beugungsgitter 3 zusätzlich eine Phasen-Korrektur erfolgt, welche einer Verschlechterung der Strahlqualität K des Laserstahls 6 entgegenwirkt.

Durch die beiden Phasen-Korrektureinrichtungen 9a, 9b kann die Verschlechterung der Strahlqualität K des Laserstrahls 6 in der Beugungsebene YZ bzw. in Beugungsrichtung Y teilweise kompensiert werden, so dass die Strahlqualität K beim Durchtritt durch die Gitter-Anordnung um nicht mehr als 0,1 abnimmt.

Grundsätzlich kann für die Phasen-Korrektur zur Kompensation der Verschlechterung der Strahlqualität K des Laserstrahls 6 um den oben angegebenen Betrag eine einzige Phasen-Korrektureinrichtung ausreichend sein. Diese kann beispielsweise in das erste Beugungsgitter 3 integriert sein, wie dies in Fig. 2a, b dargestellt ist. Es ist auch möglich, dass das zweite Beugungsgitter 4 die bzw. eine weitere Phasen-Korrektureinrichtung aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die bzw. eine weitere Phasen-Korrektureinrichtung im Strahlweg nach der Gitter- Anordnung 2 angeordnet werden. Es versteht sich, dass die Phasen-Korrektureinrichtung nicht zwingend im kollimierten Strahlengang angeordnet werden muss, sondern auch im divergenten Strahlengang zwischen der strahlaufweitenden Einrichtung bzw. Optik 7 und der kollimierenden Einrichtung 8 bzw. Optik angeordnet werden kann, beispielsweise im Strahlweg außerhalb der Gitter-Anordnung 2, z.B. zwischen der strahlaufweitenden Einrichtung 7 und dem ersten Beugungsgitter 3 oder im Strahlweg zwischen dem ersten Beugungsgitter s und der kollimierenden Einrichtung 8. Die Phasen- Korrektureinrichtung oder eine andere Art von Korrektureinrichtung zur Kompensation der Verschlechterung der Strahlqualität K kann auch im Strahlweg zwischen den beiden Beugungsgittern 3, 4 oder im Strahlweg zwischen dem zweiten Beugungsgitter 4 und der Umlenkeinrichtung 5 angeordnet werden.

Es versteht sich, dass die optische Anordnung 1 nicht zwingend zwei Beugungsgitter 3, 4 aufweisen muss, sondern auch eine größere oder kleinere Anzahl von Beugungsgittern aufweisen kann, die ein- oder mehrmals von dem Laserstrahl 6 durchlaufen werden.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel für eine solche optische Anordnung 1 mit einer Gitter- Anordnung 2, die nur ein einziges Beugungsgitter 3 aufweist. Die Gitter-Anordnung 2 weist zusätzlich zu einer ersten Umlenkeinrichtung 5, die wie die in Fig. 1a,b bzw. wie die in Fig. 2a, b gezeigte Umlenkeinrichtung 5 ausgebildet ist, eine zweite Umlenkeinrichtung 11 auf, die zur Erzeugung eines ersten Strahlversatzes AX in einer ersten Strahlversatzrichtung X senkrecht zur Beugungsebene YZ ausgebildet ist, der dem Betrag des Strahlversatzes AX in der ersten Strahlversatzrichtung X der ersten Umlenkeinrichtung 5 mit umgekehrtem Vorzeichen entspricht. Die zweite Umlenkeinrichtung 11 ist auch zur Erzeugung eines zusätzlichen lateralen Versatzes +AH, -AH in der ersten Strahlversatzrichtung X ausgebildet, wie weiter unten näher beschrieben ist.

Die zweite Umlenkeinrichtung 11 ist zusätzlich ausgebildet, den Laserstrahl 6 in einer zweiten Strahlversatzrichtung Y um einen zweiten Strahlversatz AY zu versetzen, wobei die zweite Strahlversatzrichtung Y in der Beugungsebene YZ bzw. parallel zur Beugungsebene YZ verläuft. Um einen Strahlversatz AX, AY in zwei zueinander senkrechten Strahlversatzrichtungen X, Y zu ermöglichen, weist die zweite Umlenkeinrichtung 11 , die als Prismen-Gruppe ausgebildet ist, drei

Reflexionsflächen 11 a-c auf.

Die zweite Umlenkeinrichtung 11 erzeugt zusätzlich einen lateralen Versatz +AH, - AH in der ersten Strahlversatzrichtung X, um zu erreichen, dass ein für eine jeweilige Beugung vorgesehener Flächenbereich des Beugungsgitters 3 mittig von dem Laserstrahl 6 getroffen wird. Die Funktion der beiden weiteren Umlenkeinrichtungen 10a, b von Fig. 3c wird hierbei von der zweiten Umlenkeinrichtung 11 übernommen:

Nach der ersten Beugung an dem Beugungsgitter 3 wird von der zweiten Umlenkeinrichtung 11 ein Strahlversatz +AX und ein lateraler Versatz + AH erzeugt, mit dem der Laserstrahl 6 bei der zweiten Beugung auf das Beugungsgitter 3 auftrifft. Die erste Umlenkeinrichtung 5 erzeugt einen Strahlversatz von -AX in der ersten Strahlversatzrichtung X, so dass der Laserstrahl 6 bei der dritten Beugung mit dem lateralen Versatz +AH bezogen auf den einfallenden Laserstrahl 6 erneut auf das Beugungsgitter 3 trifft. Beim zweiten Durchlaufen der zweiten Umlenkeinrichtung 11 erzeugt diese einen Strahlversatz +AX und einen lateralen Versatz -AH mit negativem Vorzeichen, so dass der Laserstrahl 6 nach der vierten Beugung an dem Beugungsgitter 3 die Gitter-Anordnung 2 mit dem Strahlversatz +AX bezogen auf den einfallenden Laserstrahl 6 verlässt.

Um die oben beschriebene Art der Umlenkung zu erreichen, ist eine Kante zwischen der ersten und zweiten Reflexionsfläche 11a, 11 b der zweiten Umlenkeinrichtung 11 in Bezug auf eine Kante zwischen den beiden Reflexionsflächen 5a, 5b der ersten Umlenkeinrichtung 5 in der ersten Strahlversatzrichtung X um -AH/2 versetzt positioniert. Es versteht sich aber, dass eine solche Positionierung der Kanten nicht zwingend erforderlich ist, um die oben beschriebene Art der Umlenkung zu ermöglichen.

Die erste Umlenkeinrichtung 5 ist in einem vergleichsweise geringen Abstand vom Beugungsgitter 3 angeordnet, um sicherzustellen, dass der Strahlquerschnitt des Laserstrahls 6 zwischen der zweiten und dritten Beugung annähernd gleich bleibt. Die zweite Umlenkeinrichtung 11 ist demgegenüber in einem vergleichsweise großen Abstand vom Beugungsgitter 3 angeordnet. Anders als in Fig. 5 dargestellt, kann die zweite Umlenkeinrichtung 11 ausgebildet sein, einen lateralen Versatz +AH, -AH mit dem oben angegebenen Betrag, aber keinen Strahlversatz AX in der ersten Strahlversatzrichtung X zu erzeugen. Die zweite Umlenkeinrichtung 11 erzeugt in diesem Fall einen Strahlversatz AY in der zweiten Strahlversatzrichtung Y, der dem in Fig. 5 gezeigten Strahlversatz AY entspricht. Auch in diesem Fall kann das Beugungsgitter 3 vier Mal in unterschiedlichen Flächenbereichen von dem Laserstrahl 6 durchlaufen werden.

Für den Fall, dass auf die dritte Reflexionsfläche 11 c verzichtet wird, kann die in Fig. 5 gezeigte zweite Umlenkeinrichtung 11 die beiden in Fig. 3c gezeigten weiteren Umlenkeinrichtungen 10a, b ersetzen, denn die zweite Umlenkeinrichtung 11 erfüllt im Hinblick auf die erste Stahlversatzrichtung X dieselbe Funktion wie die beiden weiteren Umlenkeinrichtungen 10a, b. Werden die beiden in Fig. 5 gezeigten Reflexionsflächen 11a,b als weitere Umlenkeinrichtung 10 verwendet, sind die beiden Beugungsgitter 3, 4 nicht parallel, sondern unter einem Winkel zueinander ausgerichtet, der in der Beugungsebene YZ verläuft. Die beiden Reflexionsflächen 11a, 11 b, die z.B. an einer weiteren Umlenkeinrichtung in Form eines Prismas gebildet sein können, ermöglichen eine Strahlfaltung des Laserstrahls 6 in der Beugungsebene YZ und somit einen besonders kompakten Aufbau der optischen Anordnung 1 .

In Fig. 5 ist wie in Fig. 1a,b die Auffächerung des Laserstrahls 6 in der Beugungsebene YZ, genauer gesagt sind die Randstrahlen der Auffächerung, gestrichelt dargestellt. Durch die weitere Umlenkeinrichtung 11 kann erreicht werden, dass der Laserstrahl 6 das Beugungsgitter 3 an vier unterschiedlichen, zueinander versetzten Flächenbereichen durchläuft und hierbei vier Mal gebeugt wird. Wie in Fig. 1a,b wurde auch in Fig. 5 auf die Darstellung des strahlaufweitenden Elements 7 und des kollimierenden Elements 8 der optischen Anordnung 1 verzichtet.

Die weiter oben beschriebene optische Anordnung 1 weist eine kompakte Bauform auf und kann beispielsweise als Kompressor in einem Chirped-Pulse-Amplification- Lasersystem 20 eingesetzt werden, welches nachfolgend in Zusammenhang mit Fig. 6 näher beschrieben wird. Es versteht sich aber, dass die Verwendung der optischen Anordnung 1 nicht auf ein Chirped-Pulse-Amplification-System beschränkt ist.

Bei dem in Fig. 6 gezeigten Lasersystem 20 handelt es sich um ein Ultrakurzpulssystem, das eine Laserpulsquelle 21 zum Erzeugen eines Laserstrahls 6 mit spektral breiten Laserpulsen sowie die weiter oben beschriebene optische Anordnung 1 zur Dispersionsanpassung, genauer gesagt zur Pulsdauerkomprimierung (auch Puls-Kompressor genannt) aufweist. Die Laserpulsquelle 21 kann beispielsweise als Laseroszillator oder wie in Fig. 6 gezeigt als Laseroszillator-Verstärker-Kombination ausgebildet sein.

In der Laserquelle 21 ist bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel ein Faser-Oszillator 22 integriert, an den sich eine ähnlich zum oben beschriebenen Puls-Kompressor aufgebaute Dispersionsanpassungseinheit 23 zur Erzeugung einer Pulsstreckung (Auch Puls-Strecker genannt) integriert. Alternativ kann die Dispersionsanpassungseinheit 23 zur Pulsstreckung auch als Faser Bragg Gitter (FBG) ausgebildet sein. Die Laserquelle 21 weist auch eine Verstärkerkette mit einer Anzahl n von Verstärkern 25a-n auf. Bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel ist noch ein Modul zur Amplituden- und/oder Phasenanpassung 24 vor der Verstärkerkette 25a, ... , 25n angeordnet, das auch in die Verstärkerkette 25a, ... , 25n integriert sein kann.

Ein optischer Modulator 26 zur Auswahl von Pulsen oder zur Anpassung der Amplitude der Laserpulse ist nach der Verstärkerkette 25a, ... , 25n und vor der optischen Anordnung 1 angeordnet, welche die Puls-Kompression bewirkt. Eine Freistrahloptik 27 weist mindestens ein strahlaufweitendes optisches Element 7 auf, das wie oben erläutert zur Erzeugung eines divergenten Eingangsstrahls für die Gitter-Anordnung 2 dient. Bei dem in Fig. 6 dargestellten Lasersystem 20 werden der optischen Anordnung 1 , die als Dispersionsanpassungseinheit dient, Laserpulse mit spektralen Breiten PE von z.B. 1 nm und größer und Pulsenergien von z.B. 1mJ und größer als Eingangs-Laserstrahl 6 zugeführt.

Bei dem in Fig. 6 dargestellten Lasersystem 20 kann, wie dies in der DE 10 2016 110 947 A1 der Anmelderin beschrieben ist, eine Dispersionsanpassung des Strahlengangs vorgenommen werden, um eine Feineinstellung der Pulsdauer vorzunehmen. Auf diese Weise kann ein Intensitätsverlauf der Laserpulse mit einer gewünschten, beispielsweise der kürzest möglichen oder einer an ein Bearbeitungsverfahren angepassten Pulsdauer bereitgestellt werden.