LASERIMPULSES UND LASERSYSTEM

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spektralen Verbreiterung eines Laserimpulses, ein Lasersystem und eine Verwendung einer Multipass- Anordnung zur spektralen Verbreiterung eines Laserimpulses. Die Erfindung liegt somit insbesondere auf dem Gebiet der Lasertechnik.

Multipass-Anordnungen sind Vorrichtungen, in welchen ein Laserstrahl bzw. Laserimpuls eine vorbestimmte Zahl von Umläufen propagiert und anschließend ausgekoppelt wird. Multipass-Anordnungen finden häufig bei der Anwendung von nicht-linearen optischen Prozessen Anwendung, wie etwa bei der Anwendung von nichtlinearer optischer spektraler Verbreiterung von Laserimpulsen, bei welchen ein nichtlineares optisches Medium in Festkörperform und/oder in Gasform in der Multipass-Anordnung angeordnet ist und während der Propagation des Laserimpulses bzw. Laserstrahls in der Multipass-Anordnung von diesem mehrmals durchlaufen wird. In Multipass-Anordnungen propagiert der Laserstrahl ungeführt durch den freien Raum, d.h. es findet keine geführte Ausbreitung des Strahls statt, wie dies beispielsweise in optischen Fasern der Fall ist. Auch für andere nichtlineare optische Prozesse sind Multipass-Anordnungen verwendbar, wie etwa für Selbstfrequenzverschiebung und Selbstkompression.

Nichtlineare Impulskompression mittels spektraler Verbreiterung unter Verwendung der Selbstphasenmodulation (SPM) und einer anschließenden zeitlichen Kompression der Laserimpulse, beispielsweise mittels dispersiver Spiegel oder mittels Gitter-Kompressoren, ist eine bekannte Technologie und findet häufig in Femtosekundenlasersystemen Anwendung. Dabei wird oftmals die Kerr-Nichtlinearität von festkörperförmigen nichtlinearen optischen Medien ausgenutzt, welche eine Intensitätsabhängigkeit des Brechungsindex des nichtlinearen optischen Mediums bezeichnet. Der Brechungsindex n kann dabei wie folgt mathematisch ausgedrückt werden: n = n ₀ + n ₂ I.

Dabei bezeichnet no den intensitätsunabhängigen Brechungsindex, r\ ₂ den nichtlinearen Brechungsindex und I die Intensität des Laserimpulses. Die Kerr- Nichtlinearität, welche bei Propagation eines Laserimpulses mit hoher Spitzenintensität durch das nichtlineare Medium auftritt, verursacht dabei eine schnelle Modulation der zeitlichen Phase O(t), die sich wie folgt ausdrücken lässt:

O(t) = k _n AnL = fc _n n ₂ /(t)L

Dabei indiziert k _n die Wellenzahl und L die Propagationslänge des Laserimpulses im nichtlinearen Medium. Diese zeitliche Phase kann auch als longitudinale zeitliche Phase bezeichnet werden, um ihrer Abhängigkeit von der Propagationslänge L zum Ausdruck zu bringen. Die schnelle Modulation der zeitlichen Phase führt zu einer Entstehung neuer spektraler Komponenten im Frequenzspektrum des Laserimpulses, da die Frequenz die zeitliche Ableitung der zeitlichen Phase darstellt. Dies ist durch w = d/d(t)<P(t) mathematisch dargestellt, wobei w die Kreisfrequenz bezeichnet. Im Allgemeinen hängt die Intensität eines Laserimpulses von der radialen Position im Strahl (als r bezeichnet) ab, was zu einer radialen bzw. räumlichen Abhängigkeit der optischen Pfadlänge OPL(t,r) = (no+ri2l(t,r))d führt. Dies führt in den meisten festkörperförmigen nichtlinearen Medien zusammen mit einem üblichen Intensitätsprofil des Laserimpulses gemäß einer Gauss'schen radialen Intensitätsverteilung zur Selbstfokussierung des Laserstrahls bei ausreichend hohen Intensitäten, womit eine Verschlechterung des Laserstrahlprofils einher gehen kann. Aufgrund der zeitlichen und räumlichen Abhängigkeit der Intensität des Laserimpulses kann auch die spektrale Verteilung der Frequenzen des Laserimpulses nach der SPM eine unerwünschte radiale Ortsabhängigkeit aufweisen. Allerdings wurde im Jahr 1994 experimentell gezeigt, dass mittels einer Multipass-Propagation des Laserimpulses in einer regenerativen Verstärker-Kavität die unerwünschte Selbstfokussierung bzw. die radiale, räumliche Akkumulation der SPM, unterdrückt werden kann, während die erwünschte longitudinale Phase der SPM vergrößert werden kann (Li Yan, Yuan- Qun Liu, and C. H. Lee, “Pulse temporal and spatial chirping by a bulk Kerr medium in a regenerative amplifier,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 30, no. 9, pp. 2194-2202, 1994). Impulskompression unter Verwendung von ungeführter Propagation des Laserimpulses wird typischerweise in Multipass Anordnungen durchgeführt, welche als Herriott-Zellen (engl.: Herriott Cell, HC) ausgebildet sind, wobei ein nichtlineares optisches Medium in der HC angeordnet ist.

Die Stärke von nichtlinearen Effekten und/oder akkumulierten Phasenverschiebungen werden typischerweise hinsichtlich ihrer Stärke durch das sogenannte B-Integral charakterisiert bzw. angegeben. Das B-Integral wird typischerweise lediglich für die Position des Laserimpulses auf der optischen Achse, d.h. in der Mitte des Pulses bei r = 0, angegeben und wird wie folgt mathematisch ausgedrückt:

B — f n ₂ I(z)dz

Dabei indiziert l die Zentralwellenlänge des Laserimpulses. Das B-Integral ist im Wesentlichen proportional zur Intensität des Laserimpulses und zur Propagationsstrecke im nichtlinearen Medium. Für eine gewünschte starke Spektrale Verbreiterung und ein hohes Maß an Impulskompression ist ein hohes B-Integral wünschenswert.

Allerdings bringen stark ausgeprägte nichtlineare Effekte auch andere unerwünschte Nebeneffekte mit sich, welche nicht immer vermieden werden können und zu verschiedenen Problemen führen können. So kann beispielsweise das Vorliegen hoher Spitzenintensitäten im Laserimpuls bzw. von Hohen bei der Propagation durch das nichtlineare Medium die Schwelle der kritischen Selbstfokussierung erreicht oder überschritten werden, bei welcher aufgrund der Kerr-Nichtlinearität eine Selbstfokussierung auftritt und den Laserimpuls derart im nichtlinearen Medium fokussiert, dass das nichtlineare Medium Schaden nimmt und zerstört wird. Dies kann beispielsweise durch eine Zerstörung eines festkörperförmigen nichtlinearen Mediums erfolgen und/oder durch eine Ionisierung eines gasförmigen nichtlinearen Mediums. Beispielsweise liegt die lonisationsschwelle für Argon bei etwa 10 ¹⁴ W/cm ² . Auch andere Gase weisen ähnliche lonisationsschwellen auf. Überschreitet die Intensität des Laserimpulses in solch einem nichtlinearen Medium diese lonisationsschwelle, wird das nichtlineare Medium ionisiert, wodurch der Laserimpuls zumindest teilweise dissipiert wird und das Strahlprofil des Laserimpulses dramatisch verschlechtert wird. Die Zerstörung eines festkörperförmigen nichtlinearen Mediums kann beispielsweise in Form einer Trübung oder gar der mechanischen Zerstörung des nichtlinearen Mediums vorliegen. Daher ist die spektrale Verbreiterung durch eine kontinuierliche Propagation des Laserstrahls durch das nichtlineare optische Medium für solche Spitzenleistungen von Laserimpulsen nicht zugänglich, bei denen die Zerstörschwelle erreicht wird oder die Zerstörschwelle durch eine kritische Selbstfokussierung zu erwarten wäre. Um wenigstens die Beschränkungen durch die kritische Selbstfokussierung bei der spektralen Verbreiterung von Laserimpulsen zumindest teilweise zu umgehen oder zu reduzieren, ist im Stand der Technik ein Ansatz bekannt, bei welchem die spektrale Verbreiterung durch mehrere Propagationen des Laserimpulses durch ein kurz gehaltenes nichtlineares optisches Medium erfolgt (siehe DE 102014007 159 A1). Dabei ist das nichtlineare Medium derart kurzgehalten, dass der Laserimpuls dieses wieder verlässt, bevor es zu einer erheblichen Selbstfokussierung und insbesondere zur kritischen Selbstfokussierung kommt. Um dennoch ein für die spektrale Verbreiterung ausreichendes B-Integral zu erhalten, wird der Laserimpuls mehrmals, d.h. in mehreren Durchläufen, durch das nichtlineare optische Medium propagiert. Da nach jedem Durchtritt des Laserimpulses durch das nichtlineare optische Medium eine erneute Fokussierung des Laserimpulses durch einen konkaven Spiegel stattfindet, kann der Effekt der Selbstfokussierung zumindest teilweise reduziert oder eliminiert werden.

Eine weitere Limitierung bei der Verwendung von nichtlinearen Effekten im Allgemeinen und der nichtlinearen spektralen Verbreiterung und Impulskompression im Besonderen liegt allerdings in der Zerstörschwelle der eingesetzten optischen Elemente. Typischerweise werden in HC zwei gegenüberliegende konkave Spiegel verwendet, durch welche eine Multipass- Anordnung mittels mehrfacher Reflexion der Laserimpulse zwischen den Spiegeln erzeugt wird. Der Laserimpuls bzw. Laserstrahl wird dabei durch die konkaven Spiegel fokussiert, sodass in den Bereichen mit geringerem Strahldurchmesser und insbesondere im Fokus sehr hohe Intensitäten auftreten können, die die Zerstörschwelle der verwendeten Optiken deutlich überschreiten können. Aus diesem Grund ist bei solchen Multipass-Anordnungen, welche zwei konkave Spiegel verwenden, stets sicherzustellen, dass an den Stellen, an welchen der Laserimpuls auf die optischen Elemente trifft, der Strahldurchmesser ausreichend groß und entsprechend die Intensität ausreichend klein ist, um ein Überschreiten der Zerstörschwelle und eine damit einhergehende Zerstörung der optischen Elemente zu vermeiden. Um mit solch einer Anordnung Impulse mit hoher Impulsenergie spektral zu verbreitern, ist daher ein entsprechendes Upscaling erforderlich, d.h. dass die optischen Weglängen und die Durchmesser der verwendeten optischen Elemente derart groß gewählt werden müssen, dass ausreichend große Strahldurchmesser verwendet werden können, um das Erreichen und Überschreiten der Zerstörschwelle zu vermeiden. So ist im Stand der Technik beispielsweise eine HC mit zwei konkaven Spiegeln bekannt, welche zur Kompression von Laserimpulsen mit einer Pulsenergie von 40 mJ eine beachtliche Länge von 8 m aufweist (veröffentlicht in M. Kaumanns et al., Eds., Multipass spectral broadening with tens ofmillijoule pulse energy. Optical Society of America, 2019). Erschwerend kommt hinzu, dass die Zerstörschwelle von dielektrischen Spiegeln, welche bevorzugt als dispersive optische Elemente zur Dispersionskontrolle verwendet werden, in manchen Fällen um einen Faktor 2 bis 3 niedriger liegt, als die Zerstörschwelle von metallischen, hochreflektiven Spiegel. Daher sind bei der beabsichtigten Verwendung solcher dielektrischer Spiegel die maximale Impulsenergie noch kleiner und/oder die Durchmesser der Optiken und die optischen Pfadlängen noch größer zu wählen. Auch eine Faltung der Multipass-Anordnung, bei welcher etwa konkave Spiegel zusammen mit einem planen Spiegel verwendet wird, bringt den Nachteil mit sich, dass an dem planen Spiegel deutlich höhere Intensitäten aufgrund eines kleineren Strahldurchmessers zu erwarten sind und daher die Limitierung für die Pulsenergie bzw. Spitzenintensität die Verwendung mit hochintensiven Laserimpulsen verbieten würde.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur spektralen Verbreiterung eines Laserimpulses bereitzustellen, welche für Laserimpulse mit hoher Spitzenintensität geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung, ein Lasersystem und eine Verwendung mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche. Optionale Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und in der Beschreibung angegeben.

In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur spektralen Verbreiterung eines Laserimpulses. Die Vorrichtung weist eine Multipass- Anordnung mit einem konvexen Spiegel und einem konkaven Spiegel auf, wobei der konvexe Spiegel und der konkave Spiegel derart zueinander angeordnet sind, dass ein in die Multipass-Anordnung eingekoppelter Laserimpuls zumindest einmal von dem konkaven Spiegel zu dem konvexen Spiegel und zumindest einmal von dem konvexen Spiegel zu dem konkaven Spiegel reflektiert wird. Zudem weist die Vorrichtung ein nichtlineares optisches Medium auf, welches zumindest teilweise innerhalb der Multipass-Anordnung derart angeordnet ist, dass das nichtlineare optische Medium von dem in die Multipass-Anordnung eingekoppelten Laserimpuls mehrmals durchlaufen wird. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Lasersystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur spektralen Verbreiterung eines Laserimpulses.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung einer Multipass- Anordnung mit einem konvexen Spiegel und einem konkaven Spiegel zur spektralen Verbreiterung eines Laserimpulses, bei welcher der konvexe Spiegel und der konkave Spiegel derart zueinander angeordnet sind, dass ein in die Multipass-Anordnung eingekoppelter Laserimpuls zumindest einmal von dem konkaven Spiegel zu dem konvexen Spiegel und zumindest einmal von dem konvexen Spiegel zu dem konkaven Spiegel reflektiert wird und der Laserimpuls zur spektralen Verbreiterung durch ein in der Multipass-Anordnung angeordnetes nichtlinearen optischen Medium propagiert.

Die Begriffe Laserstrahl und Laserimpuls werden als Synonyme verwendet, da auch gepulste Laserstrahlung in Form eines Laserstrahls hinsichtlich des optischen Pfades zu beschreiben ist. Auch werden die Begriffe Laserimpuls und Laserpuls als Synonyme verwendet.

Eine Multipass-Anordnung ist dabei eine Anordnung von optischen Elementen, welche einen in die Multipass-Anordnung eingekoppelten Laserimpuls bzw. Laserstrahl derart umlenkt, dass dieser mehrere Umläufe in der Multipass- Anordnung propagiert, bevor der Laserimpuls bzw. Laserstrahl wieder aus der Multipass-Anordnung ausgekoppelt wird. Das Umlenken des Laserstrahls erfolgt dabei optional durch Reflexionen des Laserstrahls bzw. Laserimpulses, sodass der Laserstrahl bzw. Laserimpuls seine Propagationsrichtung in der Multipass- Anordnung ändert. Im Gegensatz zu Anordnungen, welche den Strahl mittels optischer Fasern durch totale interne Reflexion leiten, erfolgt in der Multipass- Anordnung eine Propagation des Laserstrahls im freien Raum, ohne dass die Strahlmode an jedem Punkt entlang des optischen Pfades des Laserstrahls bzw. Laserimpulses durch eine optische Faser eingeschränkt ist.

Ein konkaver Spiegel ist dabei ein gekrümmter Spiegel, dessen reflektierende Oberfläche nach innen gekrümmt ist, d.h. dass der Mittelpunkt des konkaven Spiegels weiter zurückgesetzt angeordnet ist, als die Ränder des Spiegels. Der konkave Spiegel kann optional eine sphärische oder asphärische Krümmung aufweisen. Eine asphärische Krümmung kann beispielsweise als eine parabolische Krümmung ausgebildet sein, wobei auch andere Krümmungsformen möglich sind. Der konkave Spiegel ist dabei derart ausgebildet, dass ein kollimiert auf den konkaven Spiegel auftreffender Laserstrahl durch den konkaven Spiegel fokussiert wird. In dieser Beschreibung wird der Krümmungsradius eines konkaven Spiegels typischerweise mit einem negativen Wert angegeben, wenngleich das Vorzeichen des Krümmungswertes keine Aussage über die Richtung der Krümmung trifft. Ein konkaver Spiegel ist auch dann ein konkaver Spiegel, wenn dessen Krümmungsradius mit positivem oder ohne Vorzeichen angegeben ist.

Ein konvexer Spiegel ist dabei ein gekrümmter Spiegel, dessen reflektierende Oberfläche nach außen gekrümmt ist, d.h. dass die Ränder des konkaven Spiegels weiter zurückgesetzt angeordnet sind, als der Mittelpunkt des Spiegels. Der konvexe Spiegel kann optional eine sphärische oder asphärische Krümmung aufweisen. Eine asphärische Krümmung kann beispielsweise als eine parabolische Krümmung ausgebildet sein, wobei auch andere Krümmungsformen möglich sind. Der konvexe Spiegel ist dabei derart ausgebildet, dass ein kollimiert auf den konkaven Spiegel auftreffender Laserstrahl durch den konvexen Spiegel aufgeweitet bzw. zerstreut wird. In dieser Beschreibung wird der Krümmungsradius eines konvexen Spiegels typischerweise mit einem positiven Wert angegeben, wenngleich das Vorzeichen oder das Fehlen eins Vorzeichens des Krümmungswertes keine Aussage über die Richtung der Krümmung trifft. Ein konvexer Spiegel ist auch dann ein konvexer Spiegel, wenn dessen Krümmungsradius mit negativem Vorzeichen angegeben ist.

Dass das nichtlineare optische Medium, welches in der vorliegenden Erfindung mit dem gleichbedeutenden Begriff „nichtlineares Medium“ bezeichnet wird, zumindest teilweise innerhalb der Multipass-Anordnung angeordnet ist, bedeutet dabei, dass zumindest ein Teil des nichtlinearen Mediums innerhalb der Multipass-Anordnung angeordnet ist. Optional ist das nichtlineare Medium vollständig innerhalb der Multipass-Anordnung angeordnet. Jedoch kann insbesondere bei der Verwendung eines gasförmigen nichtlinearen Mediums ein Teil des gasförmigen nichtlinearen Mediums auch außerhalb der Multipass-Anordnung angeordnet sein. Zur spektralen Verbreiterung eines Laserimpulses ist es jedoch erforderlich, dass der Laserimpuls durch das nichtlineare Medium hindurchtritt bzw. propagiert. Das nichtlineare Medium ist daher derart in der Multipass-Anordnung anzuordnen, dass eine solche Propagation des Laserimpulses im nichtlinearen Medium zumindest teilweise während der Umläufe in der Multipass-Anordnung ermöglicht wird.

Dass die Multipass-Anordnung mehrmals von dem Laserimpuls durchlaufen wird, bedeutet dabei, dass der Laserimpuls mehrere Umläufe in der Multipass- Anordnung propagiert. Ein Umlauf kann dabei optional durch zweifaches Reflektieren des Laserimpulses in der Multipass-Anordnung realisiert werden, sodass der Laserimpuls zweimal seine Ausbreitungsrichtung ändert und sich nach zweifacher Reflexion in etwa wieder in die gleiche Richtung ausbreitet, wie vor der zweifachen Reflexion.

Einkoppeln eines Laserimpulses in die Multipass-Anordnung bedeutet dabei, dass ein von außerhalb der Multipass-Anordnung kommender Laserimpuls bzw. Laserstrahl der Multipass-Anordnung zugeführt wird und sodann durch die Multipass-Anordnung mehrfach umgelenkt wird, um mehrere Umläufe in der Multipass-Anordnung zu propagieren. Auskoppeln des Laserimpulses aus der Multipass-Anordnung bedeutet dabei, dass der Laserimpuls nach einer Propagation mehrerer Umläufe durch die Multipass-Anordnung diese wieder verlässt.

Die Erfindung bietet den Vorteil, dass eine Vorrichtung zur spektralen Verbreiterung von Laserimpulsen bereitgestellt werden kann, in welcher nicht notwendigerweise eine Fokussierung des Laserstrahls erfolgen muss. Dadurch, dass die Multipass-Anordnung im Wesentlichen einen konvexen und einen konkaven Spiegel aufweist, ist es nicht erforderlich, den Laserstrahl zwischen den beiden Spiegeln zu fokussieren, wie dies insbesondere bei herkömmlichen Herriott-Zellen mit zwei konkaven Spiegeln der Fall ist. Dadurch können in der Vorrichtung bzw. in der Multipass-Anordnung kleine Strahldurchmesser und entsprechend hohe Intensitäten vermieden werden. Dies bietet wiederum den Vorteil, dass nachteilhafte Effekte vermieden werden können, welche typischerweise mit kleinen Strahldurchmessern einhergehen, wie etwa Beschädigungen von optischen Elementen durch Überschreiten der (laserinduzierten) Zerstörschwelle (engl.: Laser Induced Damage Threshold, LIDT) und/oder das ungewollte Auftreten von Selbstfokussierung, etwa in einem gasförmigen nichtlinearen optischen Medium, und/oder das unerwünschte Auftreten von Ionisierung eines Gasmediums in der Multipass-Anordnung, wie etwa Luft und/oder ein gasförmiges nichtlineares optisches Medium.

Auch bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Vorrichtung und insbesondere die Multipass-Anordnung besonders kompakt aufgebaut werden kann, d.h. dass die räumlichen Abmessungen der Vorrichtung bzw. der Multipass-Anordnung besonders klein gewählt werden können, im Gegensatz zu herkömmlichen Herriott-Zellen, welche auf zwei konkaven Spiegeln basieren. Dadurch, dass in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und Multipass-Anordnung nicht notwendigerweise eine Fokussierung des Laserstrahls erforderlich ist, ist es auch nicht erforderlich, bei der Wahl des Abstands der beiden Spiegel der Multipass- Anordnung die Strahldurchmessergröße zu berücksichtigen, um eine Zerstörung oder Beschädigung der Spiegel zu vermeiden. Dadurch, dass erfindungsgemäß nicht notwendigerweise eine Fokussierung in der Multipass-Anordnung erfolgt, kann der Strahldurchmesser an jedem Punkt entlang des optischen Pfades in der Multipass-Anordnung derart groß gewählt werden, dass die zu erwartende Intensität eines eingekoppelten Laserstrahls bzw. eines Laserimpulses (deutlich) unterhalb der Zerstörschwelle der optischen Elemente, insbesondere des konvexen und des konkaven Spielgels, liegt. Somit bietet die Erfindung den Vorteil, dass verschiedene Lasersysteme mit einer kompakten Vorrichtung zur spektralen Verbreiterung eines Laserimpulses ausgestattet werden können.

Auch bietet die Erfindung den Vorteil, dass eine erfindungsgemäße Multipass- Anordnung optional gefaltet werden kann, d.h. dass der Strahlengang des Laserstrahls in der Multipass-Anordnung durch einen oder mehrere Umlenkspiegel umgelenkt werden kann und auf diese Weise die räumlichen Abmessungen noch weiter verringert werden können. Dies stellt einen weiteren Vorteil gegenüber herkömmlichen Herriott-Zellen basierend auf zwei konkaven Spiegeln dar, da in diesen das Einbringen eines Umlenkspiegels zwischen den beiden konkaven Spiegel unweigerlich bedeuten würde, dass der Umlenkspiegel in einem Bereich mit kleineren Strahldurchmessern (im Vergleich zu den konkaven Spiegeln) anzuordnen wäre und entsprechend entweder die maximale Impulsenergie bzw. Spitzenintensität von Laserimpulsen, die zerstörungsfrei in die Multipass- Anordnung eingekoppelt werden können, erheblich reduziert werden würde, oder aber die Intensität der Laserimpulse am Ort des Umlenkspiegels dessen Zerstörschwelle überschreiten würde. io

Auch bietet die Erfindung den Vorteil, dass durch die Möglichkeit des kompakten Aufbaus der Multipass-Anordnung die optische Weglänge der Laserimpulse in der Multipass-Anordnung im Vergleich zu herkömmlichen Herriott-Zellen geringgehalten werden können. Dies ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, dass die Zeitverzögerung, welche die Laserimpulse bei der Propagation durch die Multipass-Anordnung ansammeln, geringgehalten werden kann und auf diese Weise eine optional erforderliche Kompensation dieser Zeitverzögerung zu einem abgespaltenen Laserimpuls, beispielsweise für Pump-Probe-Anwendungen, vereinfacht werden kann.

Ferner bietet die Erfindung den Vorteil, dass das Volumen einer erfindungsgemäßen Multipass-Anordnung und Vorrichtung geringgehalten werden kann. Dies kann insbesondere dahingehend Vorteile bieten, dass das Bereitstellen einer Hochdruck-Atmosphäre in der Multipass-Anordnung vereinfacht oder ermöglicht wird. Entsprechend kann dies die Verwendung eines gasförmigen nichtlinearen Mediums ermöglichen oder vereinfachen. Durch die geringeren räumlichen Abmessungen, die eine erfindungsgemäße Multipass-Anordnung ermöglicht, kann die Bereitstellung eines abgedichteten Volumens, welches hohen Druckunterschieden standhält, erheblich vereinfacht werden.

Zudem bietet die Erfindung den überraschenden Effekt, dass bei der Verwendung einer Multipass-Anordnung mit einem konkaven und einem konvexen Spiegel für die spektrale Verbreiterung von Laserimpulsen auch eine ausreichende und für die weitere Verwendung der Laserimpulse geeignete Strahlqualität beibehalten werden kann, wie in der folgenden Erläuterung der optionalen Ausführungsformen und Beispiele gezeigt wird. Insbesondere ist die Strahlqualität als der Strahlqualität bei Verwendung einer herkömmlichen HC gleichwertig zu beurteilen. Dies widerspricht der bisweilen vorherrschenden Meinung in der Fachwelt, dass Multipass-Anordnungen mit einem konkaven und einem konvexen Spiegel einen negativen Einfluss auf die spektrale Homogenität der Laserimpulse und auf das Strahlprofil hätten und daher nicht für die Verwendung als Multipass-Anordnung für die spektrale Verbreiterung von Laserimpulsen geeignet seien (siehe M. Hanna et al., “Nonlinear temporal compression in multipass cells: theory,” J. Opt. Soc.

Am. B, vol. 34, no. 7, p. 1340, 2017). Entgegen dieser in der Fachwelt etablierten Ansicht konnten die Erfinder jedoch zeigen, dass eine nutzbringende Verwendung einer Multipass-Anordnung mit einem konkaven und einem konvexen Spiegel für die spektrale Verbreiterung von Laserimpulsen möglich und vorteilhaft ist. Das nichtlineare optische Element ist optional passiv ausgebildet. Dies bedeutet, dass das nichtlineare optische Medium nicht dazu ausgelegt ist, einen durchlaufenden Laserimpuls aktiv zu verstärken. Entsprechend ist das nichtlineare optische Medium dazu ausgelegt, nicht gepumpt zu werden und/oder keine Laser- Aktivität aufzuweisen. Optional ist das nichtlineare optische Element dazu ausgelegt, lediglich aufgrund des nichtlinearen Brechungsindizes einen oder mehrere nichtlineare optische Effekte bei Hindurchtreten eines Laserimpulses herbeizuführen, welche zur spektralen Verbreiterung des Laserimpulses führen oder dazu geeignet sind. Insbesondere kann sich das nichtlineare optische Medium dadurch von einem aktiven Lasermedium unterscheiden, dass das nichtlineare optische Medium kein aktives Element aufweist, welches zur Herbeiführung einer Besetzungsinversion für eine Laser-Aktivität geeignet und/oder ausgebildet ist.

Optional ist die gesamte Vorrichtung passiv ausgebildet. Mit anderen Worten weist die Vorrichtung kein aktives Element und/oder aktives Lasermedium auf. Mit anderen Worten ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass das nichtlineare optische Element passiv ist und die Vorrichtung zudem auch kein anderweitiges, aktives Element bzw. aktives Lasermedium aufweist.

Optional ist die Multipass-Anordnung derart ausgebildet, dass der in die Multipass- Anordnung eingekoppelte Laserimpuls mehrmals, optional mehr als zehn Mal, von dem konkaven Spiegel zu dem konvexen Spiegel und mehrmals, optional mehr als zehn Mal, von dem konvexen Spiegel zu dem konkaven Spiegel reflektiert wird. Dies bietet den Vorteil, dass ein mehrfacher Durchtritt des eingekoppelten Laserimpulses durch das in der Multipass-Anordnung angeordnete nichtlineare optische Medium erzielt werden kann.

Optional ist die Multipass-Anordnung derart ausgebildet, dass der in die Multipass- Anordnung eingekoppelte Laserimpuls von dem konkaven Spiegel direkt zu dem konvexen Spiegel und von dem konvexen Spiegel direkt zu dem konkaven Spiegel reflektiert wird. Mit anderen Worten ist optional zwischen dem konkaven Spiegel und dem konvexen Spiegel kein weiterer Umlenkspiegel in der Multipass- Anordnung angeordnet. Dies bietet den Vorteil, dass ein besonders einfacher Aufbau der Multipass-Anordnung ermöglicht wird und etwaige negative Auswirkungen auf das Strahlprofil vermieden werden können. Optional weist die Multipass-Anordnung ferner einen oder mehrere Umlenkspiegel auf. Dies bietet den Vorteil, dass eine Strahlfaltung in der Multipass-Anordnung erreicht werden kann und dadurch die Multipass-Anordnung besonders kompakt aufgebaut werden kann.

Optional weist das nichtlineare optische Medium ein festkörperförmiges Medium auf. Dies bietet den Vorteil, dass das nichtlineare optische Medium an definierter Position in der Multipass-Anordnung angeordnet werden kann und zudem eine definierte Propagationslänge des Laserimpulses durch das nichtlineare optische Medium festlegbar ist. Auch bietet dies den Vorteil, dass das festkörperförmige nichtlineare optische Medium einen stark ausgeprägten nichtlinearen Brechungsindex aufweisen kann. Außerdem unterliegt ein festkörperförmiges nichtlineares Medium zumeist keinen oder nur sehr geringen Abhängigkeiten vom Umgebungsdruck und nur sehr geringen Änderungen bei Temperaturschwankungen. Optional ist das festkörperförmige nichtlineare optische Medium zumindest teilweise aus Saphir und/oder SiC und/oder Diamant und/oder Quarzglas (fused silica) ausgebildet. Diese weisen einen stark ausgeprägten nichtlinearen Brechungsindex und eine vergleichsweise hohe Zerstörschwelle auf. Alternativ oder zusätzlich kann ein nichtlineares Medium ZnS und/oder ZnSe aufweisen oder daraus bestehen, was vorteilhaft für Wellenlängen im mittleren Infrarot ist. Alternativ oder zusätzlich kann das nichtlineare optische Medium YAG und/oder Edelgase und/oder Raman-aktive Gase, wie etwa H2, N2, 02 und/oder C02, und/oder Fluoridgläser, wie etwa MgF und/oder CaF umfassen. Optional können auch andere nicht explizit genannte Materialien für das nichtlineare Medium verwendet werden, die einen ausgeprägten nichtlinearen Brechungsindex und optional eine hohe Zerstörschwelle aufweisen.

Optional weist das nichtlineare Medium ein gasförmiges Medium auf oder ist als solches ausgebildet. Dies ermöglicht besonders lange Propagationslängen des Laserimpulses durch das nichtlineare optische Medium, da optional die Multipass- Anordnung vollständig mit dem gasförmigen nichtlinearen Medium befüllt werden kann. Ferner bietet ein nichtlineares optisches Medium Freiheitsgrade hinsichtlich der vorherrschenden Nichtlinearität durch die Einsteilbarkeit des Gasdrucks. Ferner bietet ein gasförmiges nichtlineares Medium den Vorteil, dass die lonisationsschwelle typischerweise höher liegt, als die Zerstörschwelle von festkörperförmigen nichtlinearen optischen Medien und demnach Laserimpulsen mit höherer Intensität standhält, als festkörperförmige nichtlineare Medien.

Optional ist die Vorrichtung in einer Druckkammer angeordnet und/oder als eine Druckkammer ausgebildet, wobei das gasförmige Medium in der Druckkammer bereitgestellt wird. Dies vereinfacht die Bereitstellung des gasförmigen nichtlinearen Mediums in der Multipass-Anordnung.

Optional weist die Vorrichtung und/oder die Multipass-Anordnung zumindest ein dispersives optisches Element auf, welches dazu ausgelegt ist, eine im nichtlinearen optischen Medium verursachte spektrale Dispersion zumindest teilweise zu kompensieren und/oder zu überkompensieren. Für die Komprimierung von Laserimpulsen ist neben einer spektralen Verbreiterung typischerweise auch die Dispersionskontrolle entscheidend, um einen kurzen Laserimpuls, idealerweise nahe am Fourier-Limit, zu erhalten. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Dispersionskontrolle zumindest teilweise bereits in der Multipass-Anordnung erfolgt, was durch entsprechende dispersive optische Elemente in der Multipass- Anordnung erreicht werden kann. Außerdem bietet eine zumindest teilweise Dispersionskontrolle innerhalb der Multipass-Anordnung den Vorteil, dass der Laserimpuls seinen zeitlichen Intensitätsverlauf nur geringfügig ändert, wodurch eine hohe Effizienz und Effektivität der Verbreiterung erzielt werden können.

Vorzugsweise ist das dispersive optische Element als eine dispersive Beschichtung des konkaven Spiegels und/oder des konvexen Spiegels ausgebildet, welche dazu ausgelegt ist, eine im nichtlinearen optischen Medium verursachte spektrale Dispersion zumindest teilweise zu kompensieren oder zu überkompensieren. Dies bietet den Vorteil, dass keine weiteren optischen Elemente bereitgestellt werden müssen und entsprechend der Aufbau der Vorrichtung und/oder des Lasersystems vereinfacht werden kann und/oder weitere Leistungsverluste durch zusätzliche Reflexionen an etwaigen zusätzlichen dispersiven optischen Elementen vermieden werden können. Die dispersiven optischen Elemente und/oder Beschichtungen können dabei insbesondere dazu ausgelegt sein, die Dispersion zweiter Ordnung (engl.: Group Delay Dispersion, GDD) und/oder die Dispersion dritter Ordnung (engl.: Third Order Dispersion, TOD), welche durch die Propagation durch das nichtlineare Medium auf den Laserimpuls wirken, zumindest teilweise zu kompensieren.

Optional weisen der konkave Spiegel und/oder der konvexe Spiegel eine Ausnehmung zur Einkopplung des Laserimpulses in die Multipass-Anordnung und/oder zur Auskopplung des Laserimpulses aus der Multipass-Anordnung auf. Dies ermöglicht eine einfache Ein- und Auskopplung von Laserimpulsen in die bzw. aus der Multipass-Anordnung.

Optional weist die Multipass-Anordnung eine Herriott-Zelle auf oder ist als solche ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, dass die Vorteile einer Herriott-Zelle und die Vorteile der Multipass-Anordnung auf Basis eines konvexen und eines konkaven Spiegels vereint werden können.

Optional kann die nichtlineare Phase, welche ein Laserpuls pro Umlauf in der Multipass-Anordnung aufsammelt, bei Verwendung eines nichtlinearen optischen Mediums in Festkörperform in einem Bereich von etwa 0,2 rad bis 2 rad liegen, optional in einem Bereich von etwa 0,2 rad bis 0,6 rad. Bei Verwendung eines gasförmigen nichtlinearen Mediums kann die aufgesammelte nichtlineare Phase pro Umlauf optional in einem Bereich von etwa 0,2 rad bis 6,0 rad, optional von etwa 0,2 rad bis 3,0 rad liegen. Bei der Wahl der aufzusammelnden nichtlinearen Phase kann dabei optional die gewünschte spektrale Verbreiterung Berücksichtigung finden, welche eine ausgeprägte nichtlineare Phase benötigt, und andererseits die resultierende Strahlqualität des spektral verbreiterten Laserpulses, für welche ein zu großes Maß an nichtlineare Phase nachteilhaft sein kann, sofern die beabsichtige Anwendung der Laserpulse bestimmte Anforderungen an das Strahlprofil stellt.

Die Anzahl der Umläufe eines Laserpulses in der Multipass-Anordnung liegt optional in einem Bereich von 2 bis 100, optional in einem Bereich von 10 bis 29. Die obere Grenze der Anzahl der Umläufe kann dabei beispielsweise aus der dazu erforderlichen räumlichen Größe der Multipass-Anordnung und der Herstellungskosten resultieren, da bei einer größeren Anzahl von Umläufen typischerweise auch größere Spiegel verwendet werden müssen.

Die oben genannten und im Folgenden erläuterten Merkmale und Ausführungsformen sind dabei nicht nur als in den jeweils explizit genannten Kombinationen offenbart anzusehen, sondern sind auch in anderen technisch sinnhaften Kombinationen und Ausführungsformen vom Offenbarungsgehalt umfasst. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand der folgenden Beispiele und bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden.

Kurzbeschreibung der Figuren:

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine herkömmliche Vorrichtung zur spektralen Verbreiterung eines Laserimpulses mit einer herkömmlichen Multipass-Anordnung 20 gemäß Stand der Technik.

Figur 2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zur spektralen Verbreiterung eines Laserimpulses gemäß einer optionalen Ausführungsform der Erfindung.

Figur 3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Multipass-Anordnung gemäß einerweiteren optionalen Ausführungsform.

Figur 4A zeigt eine schematische Erläuterung für die Stabilitätskriterien einer konkav-konvexen Multipass-Anordnung.

Die Figuren 4B bis 4E zeigen beispielhafte Verläufe von Reflexionspunktverläufen auf einer Spiegeloberfläche für verschiedene Werte von Parametern.

Figur 5 zeigt in einem Diagramm den Verlauf des Strahlradius entlang der Propagationslänge durch die Herriott-Zelle bzw. Multipass-Anordnung.

Figur 6 zeigt in einem Graphen den Strahlradius und das kumulative B- Integral gegenüber der Propagationslänge durch die Multipass-Anordnung.

Figur 7 zeigt den zeitlichen Leistungsverlauf des simulierten Laserimpulses nach der spektralen Verbreiterung und Kompression und das simulierte Spektrum nach spektraler Verbreiterung und Kompression.

Figur 8 zeigt das gemessene Spektrum und das mittels einer FROG Messung ermittelte Ausgangsspektrum nach der spektralen Verbreiterung mit der konkav-konvexen Vorrichtung gemäß der optionalen Ausführungsform.

Figur 9 zeigt das gemessene Spektrum und das mittels einer FROG Messung ermittelte Ausgangsspektrum nach der spektralen Verbreiterung mit einer herkömmlichen konkav-konkaven Herriott-Zelle.

Figur 10 zeigt den berechneten spektralen Überlapp für beide Achsen nach einer Verbreiterung mit der konkav-konvexen Vorrichtung gemäß der optionalen Ausführungsform.

Figur 11 zeigt den berechneten spektralen Überlapp für beide Achsen nach einer Verbreiterung mit der herkömmlichen konkav-konkaven Herriott-Zelle.

Figur 12 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Lasersystem 200 gemäß einer optionalen Ausführungsform.

In den folgenden Figuren werden gleiche oder ähnliche Elemente in den verschiedenen Ausführungsformen der Einfachheit halber mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Begriffe Laserstrahl und Laserimpuls werden als Synonyme verwendet, da auch gepulste Laserstrahlung in Form eines Laserstrahls hinsichtlich des optischen Pfades zu beschreiben ist.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine herkömmliche Vorrichtung 10 zur spektralen Verbreiterung eines Laserimpulses mit einer herkömmlichen konkav-konkaven Multipass-Anordnung 20 gemäß Stand der Technik, welche als eine Herriott-Zelle (HC) ausgebildet ist. Diese herkömmlichen Multipass- Anordnung 20 weist dabei zwei konkave Spiegel 21 und 22 auf, welche derart zueinander angeordnet sind, dass ein eingekoppelter Laserstrahl zwischen den beiden konkaven Spiegeln 21 und 22 reflektiert wird. Aufgrund der konkaven Form der Reflexionsflächen der Spiegel 21 und 22 wir der Laserstrahl fokussiert, wobei die Fokalebene mittig zwischen den beiden Spiegeln 21 und 22 angeordnet ist. Entsprechend weist der Laserstrahl 40 an den Reflexionsflächen der Spiegel 21 und 22 den größten Strahldurchmesser auf und in der Fokalebene den kleinsten Strahldurchmesser. Ferner weist die Vorrichtung 10 ein nichtlineares optisches Medium 30 auf, welches in Festkörperform ausgebildet ist. Das nichtlineare Medium 30 ist dabei in der Fokalebene angeordnet, da dort der kleinste Strahldurchmesser und damit einhergehend die größte Intensität der Laserimpulse vorherrscht, welche für die nichtlinearen optischen Effekte und insbesondere für die spektrale Verbreiterung maßgeblich ist.

Zudem weist die Vorrichtung 10 einen Ein- und Auskoppelspiegel 23 auf, mittels welchem ein Laserstahl 40 in die Multipass-Anordnung 20 einkoppelbar und aus der Multipass-Anordnung 20 auskoppelbar ist.

Der optische Pfad des Laserstrahls 40 ist dabei beispielhaft mittels einer Linie eingezeichnet und lässt erkennen, dass der Laserstrahl 40 nach dem Einkoppeln in die Multipass-Anordnung 20 mehrere Umläufe in der Multipass-Anordnung 20 umherläuft, bevor der Laserstrahl 40 durch den Ein- und Auskoppelspiegel 23 wieder ausgekoppelt wird. Dabei durchläuft der Laserimpuls nach jeder Reflexion an den Spiegeln 21 und 22, also zweimal pro vollständigem Umlauf, das nichtlineare Medium 30 in der Fokalebene, in welchem die gewünschten nichtlinearen optischen Prozesse zur spektralen Verbreiterung stattfinden.

Während im nichtlinearen optischen Medium 30 in der Fokalebene hohe Intensitäten erforderlich sind, muss an den Reflexionsflächen der Spiegel 21 und 22 die Intensität der Laserimpulse deutlich niedriger sein, um sicherzustellen, dass die Zerstörschwelle der Spiegel 21 und 22 nicht überschritten wird. Dazu muss an den Reflexionsflächen der Spiegel 21 und 22 der Laserstrahl einen ausreichend großen Strahldurchmesser aufweisen, was durch einen ausreichend großen Abstand der Spiegel von der Fokalebene und eine entsprechend große Brennweite der Spiegel 21 und 22 erzielt wird. Damit geht einher, dass auch die Durchmesser der konkaven Spiegel 21 und 22 entsprecht groß gewählt werden müssen. In der gezeigten Darstellung entspricht der Spiegelabstand do der Summe der Brennweiten der Spiegel 21 und 22, welche in dem gezeigten Beispiel jeweils do/2 beträgt.

Da typischerweise in der Fokalebene ein großer Fokus gewünscht ist, um hochintensive Laserimpulse spektral verbreitern zu können, sind konkave Spiegel mit langer Brennweite erforderlich. Kleinere Brennweiten hätten eine kleinere Modengröße im Fokus zur Folge, wodurch unerwünschte Effekte im nichtlinearen optischen Medium 30 zunehmen würden. Die demnach zu wählenden großen Brennweiten haben zur Folge, dass der Abstand do entsprechend groß gewählt werden muss, um einen ausreichenden Strahldurchmesser auf den Reflexionsflächen der Spiegel 21 und 22 zu gewährleisten. Dies bringt den Nachteil mit sich, dass die Multipass-Anordnungen 20 gemäß dem Stand der Technik zumeist sehr große räumliche Abmessungen, insbesondere eine große Länge aufweisen, welche nicht selten mehrere Meter aufweist. Dies kann für den Einsatz und Lasersystemen, insbesondere für die Industrie, eine große Herausforderung hinsichtlich des Platzbedarfs des Lasersystems darstellen.

Figur 2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung 100 zur spektralen Verbreiterung eines Laserimpulses gemäß einer optionalen Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 100 weist eine Multipass- Anordnung 120 auf, welche einen konkaven Spiegel 121 und einen konvexen Spiegel 122 umfasst. Der konkave und der konvexe Spiegel 121, 122 sind dabei derart relativ zueinander angeordnet, dass ein in die Multipass-Anordnung 120 eingekoppelter Laserstrahl 140 mehrmals zwischen den beiden Spiegeln 121, 122 reflektiert wird, bevor der Laserstrahl wieder aus der Multipass-Anordnung 120 ausgekoppelt wird. Zur ein- und Auskopplung des Laserstrahls 140 in bzw. aus der Multipass-Anordnung 120 weist der konkave Spiegel 121 eine Ein- und Auskopplungsöffnung 123 auf, durch welcher der Laserstrahl 140 beim Ein- und Auskoppeln hindurchtreten kann, um entsprechend in die Multipass-Anordnung 120 einzutreten oder diese zu verlassen.

Außerdem weist die Vorrichtung 100 ein nichtlineares optisches Medium 130 auf, welches in der Multipass-Anordnung 120 angeordnet ist. Das nichtlineare optische Element ist dabei abseits der Mitte der Multipass-Anordnung 120 angeordnet und befindet sich nahe am konvexen Spiegel 122, da dort der Laserstrahl 140 einen kleineren Durchmesser aufweist, als an anderen Positionen in der Multipass- Anordnung 120, welche näher am konkaven Spiegel 121 liegen. Das nichtlineare optische Medium 130 ist dabei derart angeordnet und ausgebildet, dass der Laserstrahl 140 nach jeder Reflexion, d.h. zweimal pro Umlauf in der Multipass- Anordnung 120, durch das nichtlineare optische Medium 130 hindurchtritt. Dazu kann es vorteilhaft sein, wenn das nichtlineare Medium 130 in etwa eine ähnliche laterale Ausdehnung aufweist wie der konvexe Spiegel 122, um sicherzustellen, dass der Laserstrahl bei allen Umläufen durch das nichtlineare optische Medium 130 hindurchtritt. Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist das nichtlineare Medium 130 in Festkörperform ausgebildet. Gemäß anderen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 100 zusätzlich oder alternativ ein gasförmiges nichtlineares Medium aufweisen. Dazu kann beispielsweise die Multipass-Anordnung 120 bzw. die Vorrichtung 100 als eine Druckkammer ausgebildet sein, welche mit einem geeigneten Gas unter dem gewünschten Druck befüllbar ist.

Wie in Figur 1 zu sehen ist, weichen der Abstand do der beiden Spiegel 121 und 122 von der Brennweite f1 zumindest des konkaven Spiegels 121 und optional auch von der Brennweite f2 (siehe Figur 4A) des konvexen Spiegels 122 ab.

Dabei ist die Brennweite f1 des konkaven Spiegels 121 länger als der Abstand des konkaven Spiegels 121 vom konvexen Spiegel, sodass die Fokalebene F1 des konkaven Spiegels 121 außerhalb der Multipass-Anordnung 120 liegt. Da der konvexe Spiegel 122 ein Zerstreuspiegel ist, liegt dessen Fokalebene bzw. Fokus (nicht gezeigt) außerhalb der Multipass-Anordnung 120. Dies hat zur Folge, dass der Laserstrahl innerhalb der Multipass-Anordnung 120 nicht fokussiert wird und demnach unerwünschte Effekte, wie etwa das Überschreiten der Zerstörschwelle der Spiegel 121 und 122, die Ionisierung von Luft oder anderen Gasen in der Multipass-Anordnung 120 und eine kritische Selbstfokussierung auf einfache Weise vermieden werden können. Um dennoch ein ausreichend hohes B-Integral und eine damit einhergehende gewünschte spektrale Verbreiterung des Laserimpulses zu erzielen, kann das nichtlineare optische Medium 130 hinsichtlich seines nichtlinearen Brechungsindex und/oder seiner Dicke angepasst werden und/oder die Anzahl der Umläufe des Laserstrahls 140 in der Multipass- Anordnung 120 im Vergleich zu herkömmlichen konkaven-konkaven Multipass- Anordnungen 20 erhöht werden.

Um eine Kontrolle der Dispersion des Laserimpulses bereits in der Multipass- Anordnung 120 zu erzielen, können die Spiegel 121 und 122 jeweils an ihrer Reflexionsfläche mit einer optionalen dispersiven, dielektrischen Beschichtung 150 versehen sein. Diese kann derart ausgebildet sein, dass die Dispersion, welche der Laserimpuls bei der Propagation durch das nichtlineare optische Medium 130 aufsammelt, zumindest teilweise kompensiert wird. Optional kann die Dispersion auch überkompensiert werden, um etwa eine Selbstkompression des Laserpulses zu erreichen. Beispielsweise kann die dispersive Beschichtung 150 bzw. die dispersiven Beschichtungen 150 derart ausgebildet sein, dass zumindest die GDD und TOD, welche der Laserimpuls in dem nichtlinearen optischen Medium 130 aufsammelt zumindest teilweise kompensiert werden. In anderen Ausführungsformen kann auch nur einer der beiden Spiegel 121 und 122 eine solche dispersive Beschichtung 150 aufweisen. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann auch keiner der beiden Spiegel 121 und 122 eine dispersive Beschichtung aufweisen. Optional kann die Vorrichtung 100 oder ein Lasersystem, welches die Vorrichtung 100 nutzt, dispersive optische Elemente (nicht gezeigt), wie etwa dispersive, dielektrische Spiegel, aufweisen, um die Dispersion an anderer Stelle zu kontrollieren und/oderzu kompensieren.

Figur 3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Multipass-Anordnung 120 gemäß einerweiteren optionalen Ausführungsform. Diese Multipass-Anordnung 120 unterscheidet sich unter anderem darin von der in Figur 2 gezeigten Multipass-Anordnung 120, dass sie zusätzlich zum konkaven Spiegel 121 und zum konvexen Spiegel 122 einen Umlenkspiegel 124 aufweist. Die Multipass- Anordnung 120 ist dabei derart aufgebaut, dass der Laserstrahl 140 von dem konkaven Spiegel 121 zum Umlenkspiegel 124 reflektiert wird und überden Umlenkspiegel 124 zum konvexen Spiegel 122. Auf dem Rückweg des Umlaufs des Laserstrahls 140 vom konvexen Spiegel 122 zum konkaven Spiegel erfolgt ebenfalls eine Umlenkung durch den Umlenkspeigel 124. Gemäß der gezeigten Ausführungsform weist der konkave Spiegel einen deutlich größeren Durchmesser auf, als der konvexe Spiegel und weist zudem eine Ausnehmung 125 auf, durch welchen der Laserstrahl 140 durch den konkaven Spiegel 121 hindurchtreten kann. Der konvexe Spiegel 122 ist dabei hinter dem konkaven Spiegel 121 angeordnet, sodass der durch die Ausnehmung 125 hindurchtretende Laserstahl 140 auf den konvexen Spiegel trifft und von diesem durch die Ausnehmung 125 hindurch zurückreflektiert werden kann. Gemäß anderen optionalen Ausführungsformen (nicht gezeigt) kann der konvexe Spiegel auch vor dem konkaven Spiegel angeordnet sein.

Die Multipass-Anordnung 120 gemäß dieser optionalen Ausführungsform ist ähnlich zu einem Cassegrain Teleskop ausgebildet. Der gezeigte Aufbau der Multipass-Anordnung 120 bietet den Vorteil, dass durch die Umlenkung des Laserstrahls 140 die räumliche Ausdehnung der Multipass-Anordnung 120, insbesondere deren Länge, reduziert werden kann und die Multipass-Anordnung 120 demnach platzsparend ausgebildet werden kann. Dies kann insbesondere für die Verwendung in Lasersystemen vorteilhaft sein, welche ein stark begrenztes Platzangebot aufweisen. Ferner bietet dies den Vorteil, dass trotz der reduzierten räumlichen Abmessungen die Weglänge des optischen Pfades des Laserstrahls in der Multipass-Anordnung 120 beibehalten oder sogar vergrößert werden kann. Außerdem bietet die Ausführungsform den Vorteil, insbesondere gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten konkav-konkaven Herriott-Zellen, dass der Strahldurchmesser des Laserstrahls 140 am Umlenkspiegel eine ausreichende Größe aufweist und insbesondere größer als auf dem konvexen Spiegel 122 ist und daher kein Überschreiten der Zerstörschwelle des Umlenkspiegels zur befürchten ist.

Figur 4A zeigt eine schematische Erläuterung für die Stabilitätskriterien einer konkav-konvexen Multipass-Anordnung 120, wie diese aus der geometrischen Optik bekannt sind. Die in Figur 4A dargestellte Multipass-Anordnung 120 weist einen konkaven Spiegel 121 auf, dessen Reflexionsfläche einen Krümmungsradius Ri aufweist, welcher mittels eines Pfeils und einem entsprechenden Kreisumfang 1001 dargestellt ist. Ferner weist die Multipass- Anordnung 120 einen konvexen Spiegel 121 auf, dessen Reflexionsfläche einen Krümmungsradius R2 aufweist. Da die Reflexionsfläche des konvexen Spiegels 122 nach außen gewölbt ist, ist der Kreismittelpunkts des Umfangskreises 1002 mit Krümmungsradius R2 hinter dem konvexen Spiegel 122 angeordnet. Die konkav-konvexe Multipass-Anordnung 120 wird dann als stabil erachtet, im Sinne eines stabilen Resonators, welcher eine Vielzahl von Umläufen eines Laserstrahls zwischen den Spiegeln erlaubt, bevor der Laserstrahl aus dem Resonator bzw. aus der Multipass-Anordnung 120 ausgekoppelt wird, wenn der konkave Spiegel 121 und der konvexe Spiegel 122 derart voneinander beabstandet sind, dass sich die durch deren Krümmungsradien Ri und R2 aufgespannten Umfangskreise 1001 und 1002 schneiden und einen Überlapp bilden. Dies ist in der gezeigten Konfiguration der Fall, da sich die beiden Umfangskreise 1001 und 1002 in den Punkten 1003 schneiden. In voller dreidimensionaler Betrachtung handelt es sich dabei nicht lediglich um Schnittpunkte, sondern vielmehr um einen entsprechenden Schnittkreis, welcher jedoch in der gezeigten zweidimensionalen Projektion lediglich als zwei Schnittpunkte zu sehen ist. Die gestrichelte Linie 1004 kennzeichnet dabei das Modenvolumen des Resonators bzw. der Multipass- Anordnung 120, in welchem sich die in der Multipass-Anordnung 120 resonanten Strahlenverläufe ausbreiten. Außerhalb des Modenvolumens befindliche Strahlen verlassen die Multipass-Anordnung 120 und breiten sich daher nicht resonant in der Multipass-Anordnung 120 aus. Im Folgenden werden konkrete Beispiele für Vorrichtung zur spektralen Verbreiterung eines Laserimpulses gemäß optionalen Ausführungsformen der Erfindung und insbesondre konkav-konvexe Multipass-Anordnungen erläutert, ohne dass die Erfindung jedoch auf diese Beispiele beschränkt ist. Die beispielhaften Ausführungen werden zum Teil auch charakterisiert und mit einer herkömmlichen konkav-konkaven Herriott-Zelle gemäß Stand der Technik verglichen.

Beispiel 1

Im Folgenden wird ein konkretes Beispiel für eine Vorrichtung 100 zur spektralen Verbreiterung eines Laserimpulses mit einer Multipass-Anordnung 120 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform im Detail erläutert und mit einer herkömmlichen Herriott-Zelle gemäß Stand der Technik verglichen.

Zum Vergleich mit dem Stand der Technik wird eine herkömmliche Herriott-Zelle herangezogen, welche im Stand der Technik bekannt und beschrieben ist (M. Kaumanns et al., "Multipass spectral broadening of 18 mJ pulses compressible from 1.3 ps to 41 fe,”Optics letters, vol. 43, no. 23, pp. 5877-5880, 2018, doi: 10.1364/OL.43.005877). Diese weist eine Multipass-Anordnung mit zwei sphärischen konkaven Spiegeln auf, welche jeweils einen Krümmungsradius von - 1 ,5 m aufweisen und in einem Abstand von do = 2,98 m voneinander angeordnet sind. Diese Multipass-Anordnung ist derart ausgestaltet, dass ein eingekoppelter Laserimpuls N = 23 volle Umläufe in der Multipass-Anordnung durchläuft, eher der Laserstrahl wieder aus der Multipass-Anordnung ausgekoppelt wird und dabei 45 Durchläufe durch das nichtlineare optische Medium absolviert. Gemäß dem gezeigten Beispiel weist der Parameter M den Wert M = 22 auf.

Die Multipass-Anordnung ist dabei nach Art einer Herriott-Zelle aufgebaut, d.h. dass die Reflexionspunkte, an welchen der Laserstrahl auf den Zellenspiegeln reflektiert wird, auf einem Kreis oder einer Ellipse liegen. Dabei sind für eine gegebene Anzahl N von Reflexionen auf dem Zellenspiegel mehrere verschiedene Zellenkonfigurationen möglich, die sich in der Reihenfolge der Reflexionen unterscheiden. Der Parameter M-1 gibt dabei an, wie viele benachbarte Reflexionspunkte zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Reflexionspunkten liegen, d.h. wie viele Reflexionspunkte „übersprungen“ werden. Eine alternative Betrachtung ist, wie viele volle Kreise/Ellipsen vom Reflexionspunktmuster auf den Zellenspiegeln beschrieben werden. Das Verhältnis aus M und N gibt die Stabilität und damit do sowie die Modengröße in der Herriott Zelle an.

In den Figuren 4B bis 4E sind beispielhaft Reflexionsmuster für verschiedene Werte der Parameter N und M auf einer Spiegeloberfläche gezeigt und manche Winkel der der Reflexionspunkte benannt. Dabei sind die Kurven der Reflexionspunkte für N = 6 und N = 7 gezeigt, wobei die Reflexionsmuster in den Figuren 4B bis 4E sich in den Werten des Parameters M unterscheiden, welcher M = 1 (Figur 4B), M = 2 (Figur 4C), M = 3 (Figur 4D) bzw. M = 4 (Figur 4E) beträgt. Dabei ist erkennbar, dass sich trotz gleicher Anzahl an Umläufen (Parameter N) die Anordnung der Reflexionspunkte auf den Spiegeln für verschiedene Parameter M deutlich voneinander unterscheiden können. Die gestrichelte Linie stellt dabei das Umlaufsmuster für N = 6 dar, während die durchgezogene Linie das Umlaufsmuster für N = 7 darstellt. Die Winkelangaben beziehen sich dabei auf eine 0°-Position an dem äußerst rechten Punkt auf der 3-Uhr-Position.

Diese herkömmliche Vorrichtung weist dabei als einen limitierenden Faktor die Zerstörschwelle der optischen Beschichtung der konkaven Spiegel auf, die zu 0,25 J/cm ² bestimmt wurde. Um den verlässlichen Betrieb dieser herkömmlichen Vorrichtung sicherzustellen, wurde die Fluenz auf Laserstrahlung auf 66% der Zerstörschwelle festgesetzt, d.h. auf 0,17 J/cm ² . Die Eigenmode der herkömmlichen Herriott-Zelle hat dabei einen Durchmesser von 5,4 mm, was demnach eine maximale Pulsenergie von E _max = (0.27 cm) ² n 1 = 18.6 mj ermöglicht.

Als weiterer limitierender Faktor ist dabei die Gasionisierung zu berücksichtigen, welche bei Argon als verwendetem nichtlinearen optischen Medium bei einem Gasdruck von 600 mbar bei einer Impulsenergie von ca. 18,3 mJ auftritt. Bei einer Impulsdauer von 1.3 ps entspricht dies einer Intensität im Fokus von ca. 2 ·

10 ¹³ Der Proportionalitätsfaktor der lonisationsschwelle zum Gasdruck wurde

_ durch Messungen zu etwa ~ p £s bestimmt, wobei p den Gasdruck von Argon bezeichnet.

Gemäß einer ersten beispielhaften, optionalen Ausführungsform der Erfindung, welche mit dem Stand der Technik verglichen wird, weist die Multipass-Anordnung der Vorrichtung einen sphärischen konkaven Spiegel mit einem Krümmungsradius von Ri = -11 ,0 m und einen sphärischen konvexen Spiegel mit einem Krümmungsradius von R2 = 8,5 m auf, welche in einem Abstand von do = 3,07 m voneinander angeordnet sind. Die Multipass-Anordnung ist dabei derart ausgestaltet, dass ein eingekoppelter Laserstrahl N = 23 volle Umläufe in der Multipass-Anordnung propagiert, eher der Laserstrahl wieder ausgekoppelt wird.

Figur 5 zeigt in einem Diagramm den Verlauf des Strahlradius in mhi (vertikale Achse) entlang der Propagationslänge durch die herkömmliche Herriott-Zelle bzw. Multipass-Anordnung in mm (horizontale Achse). Die durchgezogene Linie stellt dabei den Verlauf für die herkömmliche, konkave-konkave Herriott-Zelle dar, während die gestrichelte Linie den Verlauf des Strahlradius für die konkave- konvexe Multipass-Anordnung gemäß der optionalen Ausführungsform darstellt. Dabei ist zu erkennen, dass nur die herkömmliche HC eine stark fokussierte Eigenmode aufweist, welche zu einem Strahlradius von weniger als 500 mΐti bei etwa 1.500 mm Propagationslänge führt. Dies kann zur unerwünschten Ionisierung der vorhandenen Gas-Atmosphäre führen. In der konkav-konvexen Multipass-Anordnung gemäß der optionalen Ausführungsform findet hingegen keine starke Fokussierung innerhalb der Multipass-Anordnung statt, sodass der mit der gestrichelten Linie dargestellte Verlauf des Strahlradius stets größer als 2.000 mhh ist und daher keine unerwünschte Ionisation zu befürchten ist.

Wenngleich die konkav-konvexe Multipass-Anordnung in etwa die gleiche Länge aufweist, wie die herkömmliche konkav-konkave HC (der Längenunterschied beträgt lediglich 3%) und auf dem konvexen Spiegel einen Strahldurchmesser aufweist, der etwa 15% kleiner ist, als auf dem konkaven Spiegel, was zu einer um ca. 33% erhöhten Fluenz führt, wird dennoch eine Ionisierung von Gas in der Multipass-Anordnung vollständig unterbunden, da sich in der Multipass-Anordnung kein Fokus des Laserstrahls befindet. Die geringere Intensität des Laserstrahls in der konkav-konvexen Multipass-Anordnung verglichen mit dem Fokus in der herkömmlichen konkav-konkaven HC bietet den Vorteil, dass die konkav-konvexe Vorrichtung für die spektrale Verbreiterung und Komprimierung von Laserimpulsen mit deutlich größeren Impulsenergien verwendet werden kann, insbesondere für Laserimpulse solcher Intensitäten, welche aufgrund der oben beschriebenen Limitationen nicht in einer herkömmlichen konkav-konkaven HC verbreitert und komprimiert werden können. Um mit einer konkav-konvexen Multipass-Anordnung ein entsprechendes B-Integral zu erzielen, welches wie oben erläutert von der Intensität des Laserimpulses abhängt, kann für Laserimpulse mit moderateren Energien das nichtlineare Medium angepasst werden, um einen entsprechend höheren nichtlinearen Brechungsindex aufzuweisen. Dazu kann beispielsweise bei Verwendung eines gasförmigen nichtlinearen optischen Mediums, wie etwa Argon, der Gasdruck erhöht werden und zusätzlich oder alternativ ein festkörperförmiges nichtlineares optisches Medium mit deutlich höherem nichtlinearen Brechungsindex verwendet werden.

Beispiel 2

Im Folgenden wird eine Vorrichtung gemäß einerweiteren Ausführungsform der Erfindung beschrieben, welche für die spektrale Verbreiterung und Kompression von Laserimpulsen mit einer Pulsenergie von 0,5 J und einer Pulsdauer von 1 ,3 ps (FWHM) ausgelegt ist.

Herkömmliche konkav-konkave HCs sind für solch eine Anwendung per se ungeeignet, da dafür eine Längenskalierung erfolgen müsste, die solch eine HC wegen der erheblichen räumlichen Länge nicht für die praktische Verwendung zugänglich machen würde.

Die Vorrichtung gemäß der weiteren Ausführungsform weist eine konkav-konvexe Multipass-Anordnung mit einem sphärischen konkaven Spiegel mit Krümmungsradius Ri = -50,0 m, einem konvexen Spiegel mit einem Krümmungsradius von R2 = 32 m und einem Spiegelabstand von do = 18,35 m auf. Die Multipass-Anordnung ist dabei derart ausgebildet, dass ein eingekoppelter Laserstrahl für N = 49 Umläufe und M = 1 in der Multipass-Anordnung verbleibt.

Da eine konkav-konvexe Multipass-Anordnung genutzt wird, kann die Multipass- Anordnung bzw. der optische Pfad in der Multipass-Anordnung mittels eines Umlenkspiegels gefaltet werden, wie beispielsweise in Figur 3 dargestellt. Die Länge der Multipass-Anordnung kann dadurch auf deutlich unter 8 m reduziert werden. Die Impulsenergie der zu verbreiternden Laserimpulse ist ausreichend hoch, um als nichtlineares optisches Medium Argon-Gas bei einem Druck von 1 bar für die Verbreiterung zu verwenden, womit ein kumuliertes B-Integral pro Durchtritt durch das nichtlineare optische Medium von ca. 2,8 erzielt werden kann.

Figur 6 zeigt in einem Graphen mit der durchgezogenen Linie den Strahlradius in mhh (linke vertikale Achse) und mit der gestrichelten Linie das kumulative B- Integral in beliebigen Einheiten (rechte vertikale Linie) gegenüber der Propagationslänge durch die Multipass-Anordnung. Da die Multipass-Anordnung vollständig mit Argon befüllt ist, entspricht die Propagationslänge des Laserimpulses durch die Multipass-Anordnung der Propagationslänge durch das nichtlineare optische Medium.

Die berechneten Ausgangspulse nach der spektralen Verbreiterung und Komprimierung in der Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform ist in Figur 7 dargestellt. Mit der Vorrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist das Spektrum des Pulses gemäß den Berechnungen auf eine Bandbreite von ca.

60 nm (FWHM) verbreiterbar, was auf eine Pulsdauer von weniger als 50 fs komprimierbar ist mittels einer Kompensation der GDD in Höhe von -35.000 fs ² . Dabei wurden nicht-dispersive Optiken in der Multipass-Anordnung angenommen. Die Performance der Vorrichtung kann ferner durch eine Kompensation des GDD von 300 fs ² von Argon pro Umlauf verbessert werden. Die Spitzenintensität und die Spitzenfluenz in der Vorrichtung treten dabei am konvexen Spiegel auf mit etwa 4-10 ¹¹ W/cm ² bzw. 0,5 J/cm ² . Beide Werte liegen deutlich unterhalb der Zerstörschwelle der optischen Elemente und der lonisierungsschwelle von Argon.

Figur 7 zeigt im oberen Graphen den Zeitlichen Leistungsverlauf des simulierten Laserimpulses nach der spektralen Verbreiterung und Kompression und im unteren Graphen das simulierte Spektrum nach spektraler Verbreiterung und Kompression.

Beispiel 3

Im Folgenden wir ein Beispiel einer Vorrichtung zur spektralen Verbreiterung eines Laserimpulses gemäß einer weiteren Ausführungsform erläutert und mit einem weiteren herkömmlichen konkav-konkaven System verglichen.

Die Vorrichtung gemäß der Ausführungsform weist eine konkav-konvexe Multipass-Anordnung auf mit N = 19, M = 1, Ri = -0,5 m, R2= 0,25 m und do= 0,26 m.

Zum Vergleich wurde eine herkömmliche Herriott-Zelle mit N = 19, M = 18,/? _! = -0.3 m, R ₂ = -0.3 m, d ₀ ~0.596 m herangezogen. Bei der Verwendung zur spektralen Verbreiterung von Laserimpulsen des kommerziell erhältlichen Lasersystems vom Typ PHAROS des Herstellers LIGHT CONVERSION mit einer Ausgangs Pulsenergie von 200 J und einer Pulsdauer von 270 fs kann typischerweise eine Quarzglasplatte mit einer Dicke von 6,35 mm als nichtlineares optisches Medium etwa 50 mm beabstandet von einem der Spiegel angeordnet werden, um ein B-Integral von etwa 0,6 bei einer Propagation durch die Quarzglasplatte zu bewirken. Der Laserimpuls hat dabei eine genügend hohe Spitzenleistung, um erhebliche nichtlineare Effekte in der Umgebungsluft zu bewirken. Das B-Integral aufgrund der Propagation des Laserimpulses durch die Luft ist daher etwa 0,7.

Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform kann die 6,35 mm dicke Quarzglasplatte in einem Abstand von 56 mm vom konkaven Spiegel entfernt angeordnet werden und resultiert dabei in einem B- Integral von 0,6. Das B-Integral aufgrund der freien Propagation durch Luft ist aufgrund der kürzeren optischen Pfade und der größeren Strahldurchmesser hingegen deutlich kleiner als bei der herkömmlichen Herriott-Zelle und beträgt lediglich 0,04.

Daher kann mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auf Basis einer konkavkonvexen Multipass-Anordnung die Selbstphasenmodulation in Luft dramatisch reduziert und nahe ganz vermieden werden.

Beispiel 4

In einem weiteren experimentellen Vergleich wurde die spektrale Verbreiterung von Laserimpulsen mit einer weiteren Vorrichtung auf Basis einer konkavkonvexen Multipass-Anordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform und einer herkömmlichen konkav-konkaven Herriott-Zelle dargestellt.

Dabei wurden Pulse eines kommerziell erhältlichen Lasersystems vom Typ PHAROS des Herstellers LIGHT CONVERSION spektral verbreitert und zu komprimiert. Die Ausgangspulse des genannten Lasersystems vor der spektralen Verbreiterung und Komprimierung weisen eine durchschnittliche Pulsenergie von 15 mϋ und eine Pulsdauer (FWHM) von 266 fs auf mit einer resultierenden Pulsspitzenleistung von 56,4 MW.

Die Vorrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist dabei eine als Herriott-Zelle ausgebildete Multipass-Anordnung 120 mit einem konkaven Spiegel 121 und einem konvexen Spiegel 122 auf, wie in Figur 2 gezeigt. Der konkave Spiegel weist einen Krümmungsradius Ri = -250 mm auf und der konvexe Spiegel einen Krümmungsradius von R2 = 200 mm. Die Spiegel waren derart Beschichtet, dass nahezu die gesamte GDD der Multipassanordnung kompensiert wird. Dabei hat der konvexe Spiegel eine dispersive Beschichtung mit einer Wirkung von -140 fs ² und der konkave Spiegel lediglich eine hochreflektive Beschichtung. Der Abstand zwischen den Spiegeln der Multipassanordnung weist do = 114 mm auf und ermöglicht 19 Reflexionen pro Spiegel und entsprechend 38 Propagationen durch das nichtlineare Medium, welches durch eine 3 mm dicke, beidseitig mit Antireflexionsbeschichtung versehene Quarzglasplatte mit einem Durchmesser von 25,4 mm gebildet wird. Die Ein- und Auskopplung in die Multipass-Anordnung erfolgt mittels eines Scarper-Spiegels. Die Modenanpassung erfolgt durch einen Galileischen Strahlaufweiter. Die Eigenmode der Multipass- Anordnung ist durch einen Gauss'schen Strahl mit einem Durchmesser von wi = 336 mhh auf dem konkaven Spiegel bzw. W2 = 182 pm auf dem konvexen Spiegel charakterisiert. Das nichtlineare optische Medium befindet sich in einem Abstand von d = 110 mm vom konkaven Spiegel, wo der Strahl einen Durchmesser von w = 193 mhi aufweist.

Figur 8 zeigt das gemessene Spektrum (grau) und das mittels einer FROG Messung ermittelte Ausgangsspektrum (schwarze Linie) nach der spektralen Verbreiterung mit der konkav-konvexen Vorrichtung gemäß der optionalen Ausführungsform, wobei für die FROG Messung eine Pulsenergie von 15 pJ verwendet wurde. Der Fehler der FROG-Messung beträgt 7 ^c 10 ³ auf einem 256 x 256 Gitter. Im unteren Graphen zeigt Figur 8 das aus der FROG Messung ermittelte zeitliche Profil (schwarze Linie), das zeitliche Phasenprofil (gestrichelt) und als Referenz das Fourierlimit (FTL) (grau), sowie die integrierte Intensität im Hauptpuls (gepunktet).

Das Ausgangsspektrum weist demnach eine Bandbreite von mehr als 50 nm bei 1/e ² der spektralen Strahlleistung auf. Das Fourierlimit des Spektrums beträgt ca. 49 fs. Die Impulskompression erfolgt mittels sechs dispersiven Spiegeln mit jeweils -400 fs ² GDD. Die Transmission durch die Vorrichtung und die Kompressionsstufe wurde zu 91 % bestimmt. Dabei wurde eine Pulsverkürzung um den Faktor 5 ermittelt, was in einer Pulsdauer von 53 fs (FWHM) resultiert, wie in Figur 8 gezeigt. Die FROG Messungen ergaben, dass ein Anteil von 80% der Energie im Hauptpuls enthalten ist. Mit dieser Vorrichtung wurde ferner eine nichtlineare Phase von ca. 0,5 rad erzielt, was zu einem hochqualitativen Strahlprofil nach Durchlauf durch die Vorrichtung führt. Um dies zu bestätigen, wurde die spektrale Homogenität des komprimierten Strahls mittels Scans über zwei Achsen des Strahls gemessen. Das sagittale und das tangentiale Spektrum wurden in 0,2 mm Schritten gemessen. Für jedes aufgenommene Spektrum I _x (X) wurde der überlappende Anteil mit dem zentralen Intensitätsspektrum / _l (L) gemäß der folgenden Formel berechnet:

Der berechnete spektrale Überlapp ist für beide Achsen in Figur 10 dargestellt. Zur Quantifizierung der insgesamten spektralen Homogenität wurde ein gewichteter Überlapp mit der Intensität berechnet mit der Formel was zu den Werten of V _x = 98.9% und V _y = 98.2% führte.

Zum Vergleich dazu sind die Ergebnisse der äquivalenten Messungen, welche für die konkav-konvexe Vorrichtung in den Figuren 8 und 10 dargestellt sind, auch für eine herkömmliche Herriott-Zelle in den Figuren 9 und 11 dargestellt.

Die vermessene herkömmliche konkav-konkave HC weist dabei einen ersten konkaven Spiegel mit einem Krümmungsradius von -250 mm und einer hochreflektiven Beschichtung auf. Der zweite konkave Spiegel weist einen Krümmungsradius von -200 mm und einer dispersiven Beschichtung mit einem GDD Wert von -140 fs ² . Die beiden konkaven Spiegel sind 378 mm voneinander beabstandet und ermöglichen 19 Reflexionen pro Spiegel und 38 Umläufe durch das nichtlineare optische Medium, welches als ein beidseitig antireflexionsbeschichtete Quarzglasplatte mit einer Dicke von 3 mm ausgebildet ist. Das nichtlineare optische Medium ist dabei in einem Abstand von 110 mm vom zweiten konkaven Spiegel angeordnet. Die Eigenmode der HC ist durch einen Gauss’schen Strahl mit einem Durchmesser von wi = 358 miti bzw. W2 = 471 miti auf den konkaven Spiegeln und w = 195 miti im nichtlinearen Medium charakterisiert. Figur 9 zeigt das gemessene Spektrum (grau) und das mittels einer FROG Messung ermittelte Ausgangsspektrum (schwarze Linie) nach der spektralen Verbreiterung mit der herkömmlichen konkav-konkaven Vorrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform, wobei für die FROG Messung eine Pulsenergie von 15 mϋ verwendet wurde. Der Fehler der FROG-Messung beträgt 6 * 10 ³ auf einem 256 * 256 Gitter. Im rechten Graphen zeigt Figur 9 das aus der FROG Messung ermittelte zeitliche Profil (schwarze Linie), das zeitliche Phasenprofil (gestrichelt) und als Referenz das Fourierlimit (FTL) (grau), sowie die integrierte Intensität im Hauptpuls (gepunktet). Eine spektrale Verbreiterung von mehr als 50 nm beim 1/e ² Wert der spektralen Leistung wurde erzielt. Das entsprechende Fourier-Transformierte Zeitlimit (FTL) dieses Spektrums beträgt etwa 53 fs (FWHM). Der Puls wurde zu einer Pulsdauer von 57 fs (FWHM) komprimiert, wobei eine Kompressoranordnung mit einer insgesamten Kompensation von - 2.400 fs ² verwendet wurde. Die Transmittanz der HC wurde zu einem Wert von 90% bestimmt. Eine Pulsverkürzung um einen Faktor 5 wurde erreicht und mit den in Figur 9 dargestellten FROG-Messungen bestätigt.

Der berechnete spektrale Überlapp ist für beide Achsen in Figur 11 dargestellt und zeigt, dass für die herkömmliche konkav-konkave HC die Werte V _x = 99.1% und V _y = 98.9% ermittelt wurden.

Somit ist festzustellen, dass die spektrale Verbreiterung, sowie die Komprimierbarkeit und die spektrale Homogenität des mit einer konkav-konvexen Vorrichtung verbreiterten Spektrums einer konventionellen konkav-konkaven HC in nichts nachstehen. Entgegen der in der Fachwelt vorherrschenden Annahme, dass sich konkav- konvexe Multipass-Anordnungen in diesen Punkten nachteilhaft seien, können die Erfinder damit widerlegen.

Figur 12 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Lasersystem 200 gemäß einer optionalen Ausführungsform, welches eine Vorrichtung 100 gemäß einer optionalen Ausführungsform der Erfindung zur spektralen Verbreiterung eines Laserimpulses aufweist. Die Vorrichtung 100 kann dabei in das Lasersystem 200 integriert sein oder separat von diesem ausgebildet sein. Die von dem Lasersystem 200 bereitgestellten Laserimpulse können dabei vor der weiteren Verwendung der Vorrichtung 100 zugeführt werden, in welcher sie die konkavkonvexe Multipass-Anordnung durchlaufen und in dieser spektral verbreitert werden. Außerdem kann in der Vorrichtung 100 oder an anderer Stelle im Lasersystem der durch die Vorrichtung 100 verbreiterte Laserimpuls mittels einer oder mehrerer dispersiver Optiken komprimiert werden.

Bezugszeichenliste

10 Vorrichtung zur spektralen Verbreiterung gemäß Stand der Technik

20 Multipass-Anordnung gemäß Stand der Technik

21 konkaver Spiegel

22 konkaver Spiegel

23 Ein- und Auskoppelspiegel

30 nichtlineares optisches Medium

40 Laserstrahl

100 Vorrichtung zur spektralen Verbreiterung

120 Multipass-Anordnung

121 konkaver Spiegel

122 konvexer Spiegel

123 Ein- und Auskopplungsöffnung

124 Umlenkspiegel

125 Ausnehmung

130 nichtlineares optisches Medium

140 Laserstrahl

150 dispersive Beschichtung

1001 Kreisumfang mit Krümmungsradius R1

1002 Kreisumfang mit Krümmungsradius R2

1003 Schnittpunkte der Krümmungsradien

1004 Modenvolumen der Multipass-Anordnung do Spiegelabstand der Multipass-Anordnung fi Brennweite des konkaven Spiegels

Fi Fokalebene des konkaven Spiegels f2 Brennweite des konvexen Spiegels

Ri Krümmungsradius des ersten Spiegels

R2 Krümmungsradius des zweiten Spiegels