Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine optische Umlaufvorrichtung zur Aufnahme eines in die optische Umlaufvorrichtung eingekoppelten Laserstrahls sowie ein Verfahren zum Einstellen zumindest einer Strahleigenschaft eines Laserstrahls. Die Laserpulsdauer und der q-Parameter eines Laserstrahls haben einen signifikanten Einfluss auf die Wechselwirkung des Laserstrahls mit Materie. Bei der Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung werden z.B. unterschiedliche Pulsdauerregime voneinander unterschieden, die Unterschiede bezüglich der Arten der Wechselwirkung mit dem Werkstück, der Qualität des erzeugten Werkstücks, den erzielbaren Bearbeitungsgeometrien, der Effizienz und der Schädigung des Materials aufweisen. Die unterschiedlichen Wechselwirkungsregime liegen jeweils für jedes zu bearbeitende Material bei unterschiedlichen Pulsdauern des Laserpulses. So sind z.B. beim Bohren bzw. Herstellen von feinen Löchern in Metallen mit Laserpulsen, die eine Dauer von wenigen Pikosekunden aufweisen, sehr genaue Bearbeitungsgeometrien erzeugbar (sogenannte kalte Ablation). Mit Laserpulsen mit einer Dauer von einigen Nanosekunden ist die Bearbeitung effizienter und schneller, es wird aber ein qualitativ ungenaueres Ergebnis erzielt. Es gibt Bestrebungen in der Industrie, im Sinne der Produktivität unterschiedliche Wechselwirkungsregime zur Bearbeitung derselben Stelle des Werkstücks zeitlich gestaffelt zu benutzen, um die jeweiligen Vorteile miteinander zu verbinden. Dazu ist ein Laser mit wechselnder Laserpulsdauer notwendig.

Alternativ können mehrere unterschiedliche Lasersysteme mit unterschiedlichen Wellenlängen, Strahleigenschaften, Bearbeitungsoptiken und Prozesstechniken verwendet werden. Neben der Notwendigkeit mehrere Lasersysteme bereitstellen zu müssen, haben alle vorgenannten Parameter einen signifikanten Einfluss auf den Wechselwirkungsprozess und das Prozessergebnis. Eine qualitativ hochwertige Materialbearbeitung kann somit nur über langwierige Vergleiche der unterschiedlichen Lasersysteme ungefähr bestimmt und somit sichergestellt werden.

Die Unterschiede hinsichtlich der Pulsdauerregime gelten nicht nur für die Lasermaterialbearbeitung in der Produktion, sondern auch allgemein in der Forschung, Messtechnik und diversen Anwendungen in Fachgebieten, wie der Materialbearbeitung, Physik, Chemie, Biologie und Medizin.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit bereitzustellen, zumindest eine wesentliche Strahleigenschaft eines Laserstrahls unabhängig von einem vorhergehenden und einem nachfolgenden Laserpuls individuell einzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.

Ein Aspekt betrifft eine optische Umlaufvorrichtung zur Aufnahme eines in die optische Umlaufvorrichtung eingekoppelten Laserstrahls mit Umlenkvorrichtungen, zwischen denen der eingekoppelte Laserstrahl Umläufe in der optischen Umlaufvorrichtung durchführt. Die Umlaufvorrichtung weist ein optisches Element auf, mit dem der eingekoppelte Laserstrahl bei zumindest einem Umlauf so wechselwirkt, dass zumindest eine Strahleigenschaft des Laserstrahls verändert wird, insbesondere die Pulsdauer des Laserstrahls und/oder der q-Parameter des Laserstrahls. Weiterhin ist eine Auskoppelvorrichtung zum Auskoppeln des Laserstrahls nach Durchführung einer vorbestimmten Anzahl von Umläufen unter Wechselwirkung mit dem optischen Element in der Umlaufvorrichtung vorgesehen.

Eine solche Umlaufvorrichtung ist als Resonator-externer optischer Aufbau ausgebildet und kann dem Aufbau eines Laserresonators ähneln. Die Umlaufvorrichtung ist dazu ausgebildet und vorgesehen, einen Laserstrahl eines herkömmlichen Lasers aufzunehmen, wobei der Laserstrahl insbesondere als gepulster Laserstrahl und/oder gepulstes Seedlicht ausgebildet sein kann. Die Umlaufvorrichtung kann z.B. als Ringresonator, als Fabry-Perot-Resonator oder resonatorähnlich aufgebaut sein.

Eine oder mehrere Umlenkvorrichtungen dienen dabei dazu, den Laserstrahl in der Umlaufvorrichtung zu führen. Als Umlenkvorrichtungen können zum Beispiel Spiegel, Reflektoren, Prismen oder ähnliches vorgesehen sein. Nach einer vorbestimmten Anzahl von Umläufen des Laserstrahls in der Umlaufvorrichtung wird der Laserstrahl aus der Umlaufvorrichtung ausgekoppelt.

Bei zumindest einem Umlauf des eingekoppelten Laserstrahls in der Umlaufvorrichtung wechselwirkt das optische Element mit dem Laserstrahl. Damit wird pro Umlauf unter Wechselwirkung mit dem optischen Element eine Strahleigenschaft des Laserstrahls schrittweise modifiziert. Dabei kann das optische Element so ausgebildet sein, dass durch die Wechselwirkung die Pulsdauer, die spektrale Zusammensetzung, der Chirp und/oder der q-Parameter des Laserstrahls modifiziert wird. Das optisches Element kann z.B. GTI-Spiegel, gechirpte Spiegel, Gitter, Wellenleiter, Prismenpaare, freie Propagation durch die Luft (z.B. zur Änderung des q-Parameters), ein nichtlineares Element, insbesondere ein Selbstphasenmodulations(SPM)-Element, und/oder dispersive Transmissionskörper aufweisen. Das optische Element kann insbesondere mehrere Bauteile umfassen.

Das optische Element kann zum Einstellen des Durchmessers, des Fokusabstands, des Fokusdurchmessers und/oder der Divergenz des Laserstrahls ausgebildet sein.

Die Umlaufvorrichtung dient somit zur Variation und zum Einstellen einer Strahleigenschaft des Laserstrahls, insbesondere eines Laserpulses. Dies kann entweder zur direkten Einstellung der Strahleigenschaft verwendet werden, oder zum Ausgleich an anderer Stelle entstandener Fluktuationen dieser Strahleigenschaft.

Das optische Element kann dazu ausgebildet sein, den q-Parameter des Laserstrahls zu beeinflussen. Dazu kann das optische Element z.B. als Linse oder als gekrümmter Spiegel ausgebildet sein. Mit der Umlaufvorrichtung kann eine Strahleigenschaft des Laserstrahls in Abhängigkeit von der Anzahl der in der Umlaufvorrichtung unter Wechselwirkung mit dem optischen Element durchgeführten Umläufe geregelt/gesteuert und eingestellt werden. Die damit regelbaren bzw. einstellbaren Strahleigenschaften sind somit diskrete Werte. Die Anzahl der verschiedenen anwählbaren Strahleigenschaftswerte entspricht der Anzahl der maximal vorbestimmten Umläufe, die der Laserstrahl in der Umlaufvorrichtung unter Wechselwirkung mit dem optischen Element durchführen kann. Der Auskoppelmechanismus ist derart schaltbar ausgebildet, dass beim Schalten bzw. Aktivieren des Auskoppelmechnismus der Laserstrahl aus der Umlaufvorrichtung ausgekoppelt wird. Dabei wird durch den Schaltzeitpunkt, zu dem der Auskoppelmechanismus geschaltet wird, bestimmt bzw. festgelegt, nach wie vielen Umläufen der Laserstrahl ausgekoppelt wird. Wechselwirkt der eingekoppelte Laserstrahl z.B. bei jedem Umlauf mit dem optischen Element, so ist durch das Schalten des Auskoppelmechanismus regelbar bzw. steuerbar, wie stark die Strahleigenschaft des Laserstrahls durch Wechselwirkung mit dem optischen Element verändert wird. Der Auskoppelmechanismus kann beispielsweise einen elektrooptischen Modulator (EOM) (z.B. eine Pockels- und/oder Kerrzelle) und/oder einen akustooptischen Modulator (AOM) aufweisen, und/oder durch mechanische Bewegung einer optischen Komponente wie eines Glas- oder Kristallkörpers realisiert werden.

Die Umlaufvorrichtung ist so ausgebildet, dass ein Laserstrahl eine bestimmte, gezielt für jeden Laserpuls unabhängig von dem vorhergehenden und dem nachfolgenden Laserpuls individuell einstellbare Anzahl von Umläufen unter Wechselwirkung mit dem optischen Element in der Umlaufvorrichtung durchführt. Zu einem festlegbaren, steuerbaren Zeitpunkt wird der Laserstrahl aus der Umlaufvorrichtung ausgekoppelt. Damit wird ermöglicht, dass eine Strahleigenschaft des Laserstrahls gezielt eingestellt werden kann.

Die Umlaufvorrichtung kann insbesondere zur Modifikation ultrakurz- oder kurzgepulster Laserstrahlung im ns-, ps-, und/oder fs-Bereich verwendet werden. Die Umlaufvorrichtung kann komplett statisch ausgebildet sein, also ohne bewegliche Bauteile und Optiken ausgebildet sein. Dadurch kann eine hohe Schaltgeschwindigkeit erzielt werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Element so in der optischen Umlaufvorrichtung angeordnet, dass der eingekoppelte Laserstrahl bei jedem Umlauf mit dem optischen Element wechselwirkt, wobei eine Strahleigenschaft des Laserstrahls verändert wird. Die Gesamtanzahl der Umläufe, die der Laserstrahl in der optischen Umlaufvorrichtung durchführt, bestimmt bei dieser Ausführungsform, wie stark die Strahleigenschaft des Laserstrahls verändert wird.

Gemäß einer Ausführungsform ist eine Einstellvorrichtung der optischen Umlaufvorrichtung dazu ausgebildet, die Anzahl der Umläufe einzustellen, bei denen der eingekoppelte Laserstrahl mit dem optischen Element wechselwirkt. Durch Ansteuerung der Einstellvorrichtung kann eingestellt werden, wie viele Umläufe der Laserstrahl unter Wechselwirkung mit dem optischen Element durchführt und wie viele Umläufe der Laserstrahl ohne Wechselwirkung mit dem optischen Element durchführt. Die Wechselwirkung kann dabei für jeden Umlauf zu- und/oder abschaltbar sein. Die Einstellvorrichtung kann z.B. einen EOM und/oder AOM aufweisen, mit dem das Zu- und/oder Abschalten der Wechselwirkung angesteuert werden kann. Die Wechselwirkung kann dabei z.B. in Abhängigkeit von der Polarisation des Laserstrahls erfolgen, die von der Einstellvorrichtung beeinflusst werden kann. Dazu kann der Abschnitt der Umlaufvorrichtung, in dem sich das optische Element befindet, als ein polarisationsabhängiger Abschnitt der Umlaufvorrichtung ausgebildet sein. Insbesondere kann mit der Einstellvorrichtung eingestellt werden, dass der eingekoppelte Laserstrahl bei jedem Umlauf mit dem optischen Element wechselwirkt. Gemäß einer Ausführungsform weist die Auskoppelvorrichtung der optischen Umlaufvorrichtung eine Pockelszelle und einen Polarisationsstrahlteiler auf. Durch Ansteuerung der Pockelszelle kann die Polarisation des Laserstrahls so eingestellt werden, dass der Laserstrahl über den Polarisationsstrahlteiler aus der Umlaufvorrichtung ausgekoppelt wird. Eine Pockelszelle als Schaltelement hat den Vorteil, dass sie eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweist und die Strahlqualität wenig beeinflusst. Damit lässt sich die Anzahl der Umläufe, die der Laserstrahl in der Umlaufvorrichtung durchführt, schnell und genau einstellen. Eine Schaltung der Pockelszelle erfolgt dabei bei einem vorbestimmbaren bzw. vorbestimmten Schaltzeitpunkt, der einer vorbestimmbaren / vorbestimmten Anzahl von Umläufen in der Umlaufvorrichtung entspricht. Eine Pockelszelle ist ein elektrooptischer Schalter, der üblicherweise auf dem Pockelseffekt, der ein elektrooptischer Effekt ist, beruht. Wird an eine solche Pockelszelle ein elektrisches Feld angelegt, weist sie für die E-Feldkomponenten der sie durchströmenden Strahlung unterschiedliche Brechzahlen auf (Doppelbrechung). Durch Ansteuerung einer Pockelszelle kann somit die Polarisation des sie durchströmenden Lichts beeinflusst bzw. eingestellt werden, insbesondere die Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht kann so geschaltet werden. Pockelszellen weisen regelmäßig einen doppelbrechenden Kristall auf. Eine Pockelszelle im Sinne der vorliegenden Anmeldung kann auf einem linearen oder nicht linearen elektrooptischen Effekt beruhen. Pockelszellen sind elektrisch sehr schnell schaltbar, so dass zum Auskoppeln zum Beispiel die Polarisation des Laserstrahls in der Umlaufvorrichtung so abgeändert werden kann, dass der Laserstrahl an einem Polarisationsstrahlteiler nach einer vorbestimmten Anzahl von Umläufen aus der Umlaufvorrichtung ausgekoppelt wird. Gemäß einer Ausführungsform ist die Auskoppelvorrichtung mit einer Frequenz im MHz-Bereich schaltbar. Damit kann die Umlaufvorrichtung zur Einstellung und Beeinflussung von Strahleigenschaften von Laserpulsen verwendet werden, die z.B. mit hohen Pulswiederholraten im Bereich zwischen 10 Hz bis 100 MHz erzeugt werden. Selbst Strahleigenschaften solcher schnell aufeinanderfolgender Laserpulse können mit der Umlaufvorrichtung einzelpulsgenau eingestellt werden. Insbesondere kann die Zeit zwischen Wiederholungen, bei denen die Laserstrahlen als Laserpulse in die Umlaufvorrichtung eingekoppelt werden, größer sein als die Umlaufzeit eines Laserstrahls in der Umlaufvorrichtung multipliziert mit der maximal vorgesehenen Anzahl an Umläufen, um die einzelnen Laserstrahlen gut voneinander trennen zu können. Gemäß einer Ausführungsform ist durch Wechselwirkung mit dem optischen Element die Pulsdauer des Laserstrahls und/oder der q-Parameter des Laserstrahls in Abhängigkeit von der Anzahl der in der Umlaufvorrichtung unter Wechselwirkung mit dem optischen Element durchgeführten Umläufe veränderbar. Diese Strahleigenschaften lassen sich pro Umlauf weiter verändern. Je nach Bauart der Umlaufvorrichtung können so viele Einstellstufen der Strahleigenschaften des Laserstrahls vorgesehen sein, wie Umläufe individuell einstellbar sind. Bei einer hohen Anzahl von einstellbaren Umläufen erfolgt die Einstellung der Strahleigenschaften somit quasikontinuierlich, bevorzugt mit etwa 20 bis 100, etwa 80 bis 300, etwa 280 bis etwa 500 oder etwa 20 bis etwa 500 unterschiedlichen Einstellstufen. Um eine hohe Anzahl an Umläufen zu ermöglichen, sollte die Umlaufvorrichtung möglichst verlustarm ausgeführt sein. Sofern kein Ausgleich der Verluste durch einen in die Umlaufvorrichtung integrierten Verstärker (z.B. ein Verstärkungsmedium) erfolgt, sollte in der Regel eine Maximalanzahl der in der Umlaufvorrichtung durchzuführenden Umläufe von 100 nicht überschritten werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Element als dispersives Element zur Komprimierung und/oder zur Streckung der Laserpulsdauer des Laserstrahls ausgebildet. Damit kann ein Laserpuls individuell verändert, insbesondere gestreckt und/oder komprimiert werden, um verschieden anwählbare Laserpulse zu erhalten, die z.B. für die Lasermaterialbearbeitung genutzt werden können. Der Laserpuls kann somit auf eine gewünschte Pulslänge gebracht werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Element als nichtlineares Medium ausgebildet, insbesondere als ein Bauelement zur Selbstphasenmodulation (SPM). Durch Wechselwirkung mit einem SPM wird der Laserstrahl spektral symmetrisch um neue Frequenzkomponenten erweitert. Gemäß einer Ausführungsform sind die Umlenkvorrichtungen so angeordnet, dass die Strahlachse des Laserstrahls bei jedem Umlauf mit der Strahlachse des Laserstrahls beim vorangegangenen Umlauf zusammenfällt. Die Umlenkvorrichtungen sind derart (exakt so) justiert, dass die Strahlachsen der Laserstrahlen bei jedem Umlauf zusammenfallen. Damit bleibt die geometrische Strahlposition und insbesondere die Propagationsachse bei jedem Umlauf erhalten, während sich lediglich die einstellbare Strahleigenschaft des Laserstrahls ändert.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Umlaufvorrichtung zur Beeinflussung eines Seedlichtpulses für einen Laserverstärker ausgebildet. Besonders bei einstellbarer Pulsdauer kann somit der Seedpuls auf eine gewünschte Pulslänge gebracht bzw. verändert werden. Die Vorschaltung der Umlaufvorrichtung vor den Verstärkerresonator des Laserverstärkers weist den Vorteil auf, dass durch die Umlaufvorrichtung verursachte Verluste am Laserstrahl vor dem Leistungsaufbau im Laser erfolgen. Somit können diese Verluste beim Aufbau der Laserleistung in einem nachgeschalteten Laserverstärker kompensiert werden. Diese Ausführungsform kann die Umlaufvorrichtung umfassen sowie einen im Strahlverlauf nachgeschalteten Laserverstärker, in den der aus der Umlaufvorrichtung ausgekoppelte Laserpuls als Seedlicht eingekoppelt wird.

Alternativ kann die Umlaufvorrichtung zum Aufnehmen eines Laserstrahls ausgebildet sein, der aus einem Laserresonator ausgekoppelt wurde. Damit ist die Umlaufvorrichtung zur Nacheinstellung eines Laserstrahls verwendbar, der aus einem Laserverstärker ausgekoppelt ist. Diese Ausführungsform kann die Umlaufvorrichtung umfassen sowie einen im Strahlverlauf vorgeschalteten Laserverstärker, wobei der aus dem Laserverstärker ausgekoppelte Laserpuls in die Umlaufvorrichtung eingekoppelt wird.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Auskoppelvorrichtung zugleich als Einkoppelvorrichtung zum Einkoppeln des Laserpulses ausgebildet, was z.B. dadurch realisierbar ist, dass der Auskoppelmechanismus einen Dünnschichtpolarisator (TFP)-Strahlteiler aufweist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Umlenkvorrichtung zwei, drei oder vier Spiegel und/oder Prismen auf. Damit kann die Umlaufvorrichtung linear gestreckt, dreieckig oder viereckig aufgebaut sein. Alternativ kann die Umlaufvorrichtung auch deutlich mehr Spiegel, Linsen und/oder gekrümmte Spiegel umfassen und/oder unregelmäßige Geometrien aufweisen.

Ein Aspekt betrifft ein Verfahren zum Einstellen zumindest einer Strahleigenschaft eines Laserstrahls mit den Schritten:

Einkoppeln eines Laserstrahls in eine Umlaufvorrichtung,

Umlenken des eingekoppelten Laserstrahls für eine vorbestimmte Anzahl von Umläufen in der optischen Umlaufvorrichtung,

Wechselwirken des eingekoppelten Laserstrahls bei zumindest einem Umlauf mit einem optischen Element derart, dass zumindest eine Strahleigenschaft des Laserstrahls verändert wird und

Auskoppeln des Laserstrahls aus der Umlaufvorrichtung nach Durchführung einer vorbestimmten Anzahl von Umläufen in der Umlaufvorrichtung unter Wechselwirkung mit dem optischen Element. Das Verfahren kann dabei insbesondere mit einer vorbeschriebenen optischen Umlaufvorrichtung durchgeführt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer optischen Umlaufvorrichtung, die einem Ringresonator ähnelt,

Figur 2 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Pulsdauer von der Anzahl der in der Umlaufvorrichtung durchgeführten Umläufe, Figur 3A in einem Diagramm den zeitlichen Pulsverlauf eines Laserpulses beim Einkoppeln in eine Umlaufvorrichtung, Figur 3B in einem Diagramm den zeitlichen Pulsverlauf eines Laserpulses nach dem ersten Umlauf in der Umlaufvorrichtung,

Figur 3C in einem Diagramm den zeitlichen Pulsverlauf eines Laserpulses nach dem hundertsten Umlauf in der Umlaufvorrichtung und

Figuren 4A und 4B in Diagrammen den Strahlradius im Fokus und die Fokuslage eines Lichtstrahls bei Verwendung von Umlaufvorrichtungen zur Einstellung des q-Parameters des Lichtstrahls. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Umlaufvorrichtung 0, als optischen Aufbau, der extern von einem Laserresonator als eigenständige Baugruppe ausgebildet ist. Die optische Umlaufvorrichtung 10 ist im Wesentlichen als ein viereckiger optischer Aufbau gestaltet, der von einem Laserstrahl durchlaufen werden kann. Der viereckige Aufbau kann z.B. horizontal angeordnet sein und weist an seinen vier Umlaufeckpunkten drei Umlenkvorrichtungen 11 , 12 und 13 auf, die als Umlenkspiegel oder Umlenkprisma ausgebildet sein können, sowie eine Auskoppelvorrichtung 14, die z.B. als Polarisationsstrahlteiler, z.B. als ein TFP (Dünnschichtpolarisator) ausgebildet sein kann. Die in Figur 1 gezeigte Umlaufvorrichtung 10 ist eine beispielhafte Ausführungsform. Andere erfindungsgemäße Umlaufvorrichtungen können zusätzlich oder alternativ Linsen und/oder gekrümmte Spiegel aufweisen sowie in unterschiedlichen Geometrien (z.B. einen im Wesentlichen dreieckigen, fünfeckigen oder linearen Aufbau) angeordnet sein.

Die Auskoppelvorrichtung 14 weist weiterhin ein Schaltelement 14' auf, das z.B. als Pockelszelle ausgebildet ist. Die Kombination einer Pockelszelle als Schaltelement 14' zusammen mit einem Dünnschichtpolarisator (TFP) als Auskoppelvorrichtung 14 dient als Schaltelement zum Auskoppeln eines Laserstrahls aus der Umlaufvorrichtung. Im Strahlengang der optischen Umlaufvorrichtung 10 ist weiterhin ein optisches Element 15 angeordnet, das mit einem in die Umlaufvorrichtung 10 eingekoppelten Laserstrahl bei jedem Umlauf wechselwirkt. Das optische Element 15 kann z.B. als GTI Spiegel (mit anomaler Dispersion), als gechirpter Spiegel (mit anomaler Dispersion), als Gitter, als Prismenpaar, als nichtlineares Element oder als dispersives Transmissionselement ausgebildet sein oder ein solches aufweisen. Das optische Element 15 kann weiterhin ein Medium mit normaler chromatischer Dispersion aufweisen, wie z.B. einen undotierten YAG-Stab mit Brewsterenden oder AR-Coatings auf seinen Facetten. Durch Gitterpaare als optisches Element 15 kann eine hohe Dispersion erzielt werden. Das optische Element 15 kann alternativ oder zusätzlich so ausgebildet sein, dass es mit dem eingekoppelten Laserstrahl bei jedem Umlauf so wechselwirkt, dass es den q-Parameters des Laserstrahl ändert und/oder beeinflusst.

Im Strahlengang der Umlaufvorrichtung 10 kann eine Mehrzahl von unterschiedlichen oder baugleichen optischen Elementen 15 der vorgenannten Art angeordnet sein.

An der Auskoppelvorrichtung 14 kann ein Laserstrahl S in die Umlaufvorrichtung 10 eingekoppelt werden. Die Auskoppelvorrichtung 14 ist somit zugleich als Einkoppelvorrichtung ausgebildet. Ist die Auskoppelvorrichtung 14 als Polarisationsstrahlteiler ausgebildet, so wird nur Laserstrahlung einer ersten Polarisation in die Umlaufvorrichtung eingekoppelt. Der eingekoppelte Laserstrahl S' durchläuft die Umlaufvorrichtung 10, wobei er an den hochreflektierenden Umlenkvorrichtungen 11 , 12 und 13 jeweils um 90° umgelenkt wird. Durch Ansteuerung einer Pockelszelle als Schaltelement 14' wird gesteuert, ob der eingekoppelte Laserstrahl S' am Auskoppelmechanismus 14 für einen weiteren Umlauf in die Umlaufvorrichtung 10 zurückreflektiert wird oder am Auskoppelmechanismus 14 aus der Umlaufvorrichtung als ausgekoppelter Laserstrahl S" ausgekoppelt wird.

Beim ersten Umlauf kann die Pockelszelle auf eine λ/2-Spannung geschaltet sein, so dass der eingekoppelte Laserstrahl S' an der Pockelszelle zu einer zweiten Polarisation umpolarisiert wird. Der umpolarisierte Laserstrahl S' wird am Dünnschichtpolarisator reflektiert und verbleibt in der Umlaufvorrichtung 10. Nach dem ersten Umlauf wird die Pockelzelle abgeschaltet und bewirkt bei den folgenden Umläufen des eingekoppelten Laserstrahls S' keine Polarisationsänderung. Der eingekoppelte Laserstrahl S' umläuft die Umlaufvorrichtung 10 nun so lange, bis an die Pockelszelle wieder eine λ/2-Spannung angelegt wird und der Laserstrahl S' am Dünnschichtpolarisator 14 aus der Umlaufvorrichtung 10 ausgekoppelt wird. Der Mechanismus zum Ein- und Auskoppeln des Laserstrahls in die und aus der optischen Umlaufvorrichtung ähnelt dabei dem Koppelmechanismus eines regenerativen Laserverstärkers.

Dadurch kann durch das Schalten des Schaltelements die Anzahl der Umläufe gesteuert werden, die der eingekoppelte Laserstrahl S' in der Umlaufvorrichtung 10 verbleibt. Je nach Anzahl der in der Umlaufvorrichtung 10 durchgeführten Umläufe wird dem Laserstrahl S' durch Wechselwirkung mit dem optischen Element 15 z.B. eine unterschiedlich stark ausgeprägte Dispersion zugefügt.

In die Umlaufvorrichtung 10 können weitere optische Komponenten integriert sein, wie -z.B. ein Kompensationsverstärkungsmedium zur Kompensation eines Verlusts beim Umlaufen in der Umlaufvorrichtung 10. Die Umlaufvorrichtung 10 kann insbesondere auch verstärkungsmediumsfrei ausgebildet sein.

Bei vielen anderen Anwendungen sollte die Lauflänge durch eine Pockelszelle so kurz wie möglich gehalten werden, um nichtlineare Effekte und Pulsverbreiterungen zu minimieren. In der Umlaufvorrichtung 10 können solche Nebeneffekte beim Durchlaufen der Pockelszelle zum Erzielen einer Verstärkungswirkung der Dispersion ausgenutzt werden. Das optische Element 15 kann alternativ oder zusätzlich zur Beeinflussung des q- Parameters des eingekoppelten Laserstrahls S' ausgebildet sein. Dabei wechselwirkt der eingekoppelte Laserstrahl S' mit dem optischen Element 15 bei jedem Umlauf derart, dass zwei ausgekoppelte Laserstrahlen S", die in der Umlaufvorrichtung 10 eine unterschiedliche Anzahl von Umläufen durchgeführt haben, zwei unterschiedliche optische Distanzen zurückgelegt haben. Dies erfolgt schon allein durch den optischen Weg bei Durchführung einer unterschiedlichen Anzahl von Umläufen. Durch die unterschiedlichen optischen Weglängen ändert sich der Realteil des q-Parameters in Abhängigkeit von den in der Umlaufvorrichtung zurückgelegten Umläufen.

Der Einfluss auf den q-Parameter kann wesentlich durch die Verwendung von Linsen und/oder gekrümmten Spiegeln als optisches Element 15 verstärkt und/oder abgeschwächt werden. Durch den Einsatz von optischen Komponenten kann zusätzlich der Imaginärteil des q-Parameters eingestellt werden und durch das Schalten der Um lauf Vorrichtung gesteuert werden.

Die in Figur 1 gezeigte optische Umlaufvorrichtung 10 stellt eine Ausführungsform dar, bei der der eingekoppelte Laserstrahl S' bei jedem Umlauf mit dem optischen Element 15 wechselwirkt. In einer alternativen Ausführungsform einer Umlaufvorrichtung ist durch eine in der Umlaufvorrichtung angeordnete Einsteilvorrichtung einstellbar, ob ein oder mehrere Umläufe des Laserstrahls unter Wechselwirkung oder ohne Wechselwirkung mit dem optischen Element 15 durchgeführt werden.

Figur 2 zeigt die Wirkungsweise einer Umlaufvorrichtung mit einem dispersiven Element als optischem Element 15 in einem Diagramm. Dargestellt ist die Abhängigkeit der Pulsdauer von der Anzahl der in der Umlaufvorrichtung durchgeführten Umläufe („Roundtrips"). Figur 2 zeigt dabei das Ergebnis einer numerischen Simulation für die Pulsentwicklung.

Als Randbedingungen für die Simulation wurde ein Seedlaser mit einer Pulslänge von 100 fs und der Pulsform eines Solitons (sech ² -Puls) mit Zeit- Bandbreitebegrenzung verwendet. Die Pulsenergie beträgt 40 nJ. In einer Umlaufvorrichtung mit der Form eines linearen Resonators sind pro Richtung 16 Bounces (also 32 Bounces pro Umlauf, was einem Umlauf auf der x-Achse entspricht) auf der Oberfläche eines GTI mit D2=2000 fs ² vorgesehen. Pro Umlauf ergibt sich ein Energieverlust von 0,5 %. Nach dem 100sten Umlauf weist der Laserstrahl eine Pulslänge von 127 ps auf. Von der Startpulslänge bis zur Zielpulslänge bei 127 ps hin verändert sich die Pulsdauer nahezu linear mit steigender Anzahl der Umläufe. Das Spektrum und die Pulsform erfahren nahezu keine Veränderung.

Die zugehörigen Pulsformen sind in Figuren 3A bis 3C gezeigt. Figur 3A zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Pulsverlauf eines Laserpulses S beim Einkoppeln in eine Umlaufvorrichtung, sozusagen als Puls #0. Figur 3B zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Pulsverlauf eines Laserpulses S- nach dem ersten Umlauf in der Umlaufvorrichtung als Puls #1 und Figur 3C zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Pulsverlauf eines Laserpulses Sioo' nach dem hundertsten Umlauf in der Umlaufvorrichtung als Puls #100. Dabei weist der in Figur 3A gezeigte Puls #0 eine Pulsdauer von 100 fs mit einer Pulsspitzenleistung von 353 kW (40 nJ) auf. Der in Figur 3B gezeigte Puls #1 weist eine Dauer von 1 ,29 ps mit einer Pulsspitzenleistung von 27,3 kW (39,8 nJ) auf. Der in Figur 3C gezeigte Puls #100 weist eine Dauer von 127 ps mit einer Pulsspitzenleistung von 169 W (24,2 nJ) auf. In Figur 3C wurden die beiden Diagrammachsen im Vergleich zu den Diagrammachsen der Figuren 3A und 3B umskaliert.

Es kann nachteilig dazu kommen, dass bei aufeinanderfolgenden Laserpulsen durch die unterschiedlichen Anzahlen von in der Umlaufvorrichtung durchgeführten Umläufe ein Timing-Jitter entsteht, da die Laserpulse nicht mehr in einer exakt gleich bleibenden Repetitionsrate weitergeleitet werden. Dies resultiert aus der unterschiedlichen optischen Weglänge der mit Lichtgeschwindigkeit durchgeführten Umläufe der einzelnen Laserstrahlen. Zwar ist diese Schwankung sehr gering, doch für manche Anwendungen kann der Timing-Jitter entscheidend sein und durch eine zweite Umlaufvorrichtung kompensiert werden, die der ersten Umlaufvorrichtung nachgeschaltet ist. Diese zweite Umlaufvorrichtung muss kein optisches Element aufweisen sondern dient lediglich dazu, den Wegunterschied durch eine entsprechende Anzahl von weiteren Umläufen auszugleichen. Dabei werden die beiden Umlaufvorrichtungen derart angesteuert, dass jeder Laserstrahl nach Durchlaufen der ersten und zweiten Umlaufvorrichtung dieselbe optische Weglänge zurückgelegt hat. Bei einer optischen Umlaufvorrichtung mit einer Einstellvorrichtung, mit der die Wechselwirkung mit dem optischen Element für die einzelnen Umläufe zu- und/oder abschaltbar ist, kann ein optischer Wegunterschied zwischen Laserstrahlen durch eine entsprechende Anzahl von ohne Wechselwirkung mit dem optischen Element durchgeführten Umläufen ausgeglichen werden. Durch eine zweite Umlaufvorrichtung kann auch eine Feineinstellung der Laserstrahlung erfolgen, indem in die zweite Umlaufvorrichtung z.B. ein optisches Element mit einer im Vergleich zur ersten Umlaufvorrichtung geringeren Dispersion angeordnet wird. Eine zweite Umlaufvorrichtung kann alternativ oder zusätzlich zur Kompensation eines umlaufzahlabhängigen Leistungsverlusts verwendet werden. Dies kann z.B. dadurch bewirkt werden, dass die zweite Umlaufvorrichtung den gleichen Verlust pro Umlauf aufweist wie die erste Umlaufvorrichtung, wobei jeder Laserstrahl eine entsprechende Ausgleichsanzahl von Umläufen in der zweiten Umlaufvorrichtung derart ausführt, dass nach Durchlaufen der ersten und zweiten Um lauf Vorrichtung alle Laserstrahlen denselben Verlust erfahren haben.

Eine Umlaufvorrichtung zur Einstellung des q-Parameters kann z.B. innerhalb eines Teleskopaufbaus nach Kepler oder Galileo verwendet werden. Dazu wird die Umlaufvorrichtung zwischen Linsen und/oder gekrümmten Spiegeln eines Teleskops eingebracht. Dabei kann die Umlaufvorrichtung z.B. nach oder vor einer Strahlführung mit bearbeitungspositionsabhängiger variabler Länge angeordnet sein. Die Umlaufvorrichtung kann z.B. vor oder nach einer Fokussierlinse des Teleskops angeordnet sein.

Die Figuren 4A und 4B zeigen in einem Diagramm das Ergebnis eines Einsatzbeispiels zweier Umlaufvorrichtungen in einem Keplerteleskop. Dabei wird zwischen den zwei Teleskoplinsen mittels einer ersten Umlaufvorrichtung die Propagationslänge im Bereich von 1000 mm bis 3000 mm variiert, was in dem in Figur 4A gezeigten dreidimensionalen Diagramm auf der y-Achse aufgetragen ist. Bei mittels einer zweiten Umlaufvorrichtung einstellbaren Propagationslänge von 0 bis 1500 mm nach dem Teleskopaufbau, gezeigt an der x-Achse, verläuft der Strahlradius für einen Eingangsstrahl mit vorbestimmtem q-Parameter durch einen Fokus, der an der z-Achse aufgetragen ist.

Das Ergebnis ist in Form eines Diagramms in Figur 4B gezeigt: Die Lage des Fokus f (in mm) verschiebt sich bei diesem Beispiel zwischen ca. 545 mm und 950 mm, während der Strahlradius Rs (in pm) im Fokus f eine Änderung von weniger als 10% erfährt. Der Strahlradius variiert dabei zwischen 365 pm und 405 pm. Somit variiert die Größe des Strahlradius Rs im Fokus f vergleichsweise wenig, obwohl sich die Position des Fokus f vergleichsweise weit um mehrere Zentimeter verschiebt.

Bezugszeichenliste

10 Umlaufvorrichtung

11 Umlenkvorrichtung

12 Umlenkvorrichtung

13 Umlenkvorrichtung

14 Auskoppelvorrichtung

14' Schaltelement

15 optisches Element

S externer Laserstrahl

S' eingekoppelter Laserstrahl

S" ausgekoppelter Laserstrahl Fokusposition Strahlradius