TRUMPF Laser GmbH Aichhalder Str. 39 D-78713 Schramberg

Pulsmodifikationsvorrichtung mit mindestens einer Pulsstreckungs- und/oder

Pulskompressionseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Pulsmodifikationsvorrichtung, umfassend eine oder meh rere Pulsstreckungseinrichtungen zur dispersiven Streckung von Laserpulsen und/oder eine oder mehrere Pulskompressionseinrichtungen zur dispersiven Kom pression von Laserpulsen. Die Erfindung betrifft ferner eine Pulsmodifikationsvorrich tung, umfassend eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen zur dispersiven Streckung von Laserpulsen und/oder eine oder mehrere Pulskompressionseinrich tungen zur dispersiven Kompression von Laserpulsen sowie eine Modulationseinrich tung zur dispersiven Modulation der Laserpulse. Laserpulse, insbesondere ultrakurze Laserpulse, also Laserpulse mit Pulsdauern im Pikosekundenbereich und darunter, finden auf zahlreichen Gebieten der Technik An wendung, beispielsweise in der Materialbearbeitung einschließlich dem Laserschwei ßen und dem Laserschneiden. Eine wichtige Größe in der Beschreibung von Laser pulsen ist die Phase des elektrischen Feldes der Laserpulse im Frequenzraum, die sogenannte spektrale Phase. Unterschieden werden kann damit zwischen unge- chirpten Laserpulsen, die eine spektrale Phase aufweisen, die konstant ist oder li near von der Frequenz abhängt, und gechirpten Laserpulsen, deren spektrale Phase eine komplexere Frequenzabhängigkeit aufweist. Vereinfacht gesagt eilen in einem gechirpten Laserpuls bestimmte Spektralanteile, beispielsweise niederfrequentere, anderen Spektralanteilen, beispielsweise höherfrequenteren, voraus. Ungechirpte Laserpulse zeichnen sich durch eine minimale Pulsdauer bei gegebener spektraler Breite aus.

Die Eigenschaften von Laserpulsen können mittels Einrichtungen, die sich auf die einzelnen Spektralanteile der Laserpulse unterschiedlich auswirken, die also disper- siv sind, insbesondere mittels Einrichtungen, welche die spektrale Phase verändern, gezielt beeinflusst werden. Im Allgemeinen erwünscht sind hohe Pulsqualitäten, kurze Pulsdauern und hohe Pulsintensitäten. Von besonderer Bedeutung sind Puls streckungseinrichtungen zur dispersiven Streckung von Laserpulsen und Pulskom pressionseinrichtungen zur dispersiven Kompression von Laserpulsen. Mittels Puls streckungseinrichtungen können ungechirpte und gechirpte Laserpulse zeitlich ge streckt werden. Die resultierenden zeitlich gestreckten Laserpulse sind dann gechirpt bzw. stärker gechirpt. Mittels Pulskompressionseinrichtungen können gechirpte La serpulse zeitlich komprimiert werden. Die resultierenden zeitlich komprimierten La serpulse sind dann weniger stark gechirpt oder ungechirpt.

Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen werden häufig gemeinsam in Kombination mit einem Seed-Laser und einer Verstärkungseinrichtung zum Erzeu gung ultrakurzer Laserpulse mit höchsten Pulsintensitäten eingesetzt. Das Prinzip ist unter dem Namen Chirped-Pulse-Amplification bekannt. Laserpulse des Seed-La- sers, beispielsweise eines Faserlasers, werden dabei zunächst mittels mindestens einer Pulsstreckungseinrichtung zeitlich gestreckt. Die gestreckten Laserpulse wer- den anschließend in der Verstärkungseinrichtung, beispielsweise in einem Faserver stärker, verstärkt. Nach der Verstärkung werden die verstärkten Laserpulse mittels mindestens einer Pulskompressionseinrichtung zeitlich wieder komprimiert. Ohne die zeitliche Streckung vor der Verstärkung würde in Folge der hohen Intensität und da mit einhergehender nichtlinearer Effekte das Verstärkermedium der Verstärkungsein richtung beschädigt oder zerstört und die Pulseigenschaften beeinträchtigt werden.

Verallgemeinernd bezeichnet im Sinne dieser Anmeldung eine Pulsmodifikationsvor richtung eine Vorrichtung zur gezielten Beeinflussung der Eigenschaften von Laser pulsen. Insbesondere kann eine Pulsmodifikationsvorrichtung mindestens eine Puls streckungseinrichtung und/oder mindestens eine Pulskompressionseinrichtung um fassen. Im einfachsten Fall umfasst die Pulsmodifikationsvorrichtung dann lediglich eine Pulsstreckungseinrichtung oder lediglich eine Pulskompressionseinrichtung. Al ternativ kann es sich bei einer Pulsmodifikationsvorrichtung aber auch um ein Ver stärkersystem zur Chirped-Pulse-Amplification von Laserpulsen handeln, das sowohl mindestens eine Pulsstreckungseinrichtung als auch mindestens eine Pulskompres sionseinrichtung umfasst.

Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen können zum einen als Frei strahleinrichtungen realisiert werden. Dazu zählen Gitter- und Prismenstrecker bzw. Gitter- und Prismenkompressoren, in welchen mindestens ein Gitter bzw. Prisma zur Auftrennung und Zusammenführung der einzelnen Spektralkomponenten dient. Die aufgetrennten Spektralkomponenten weisen unterschiedliche Laufzeiten in den Stre ckern bzw. Kompressoren auf, bevor diese erneut zusammengeführt werden, was zur gewünschten zeitlichen Streckung bzw. Komprimierung führt. Alternativ können Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen auch auf Basis eines Bragg- Gitters mit örtlich variierender Gitterkonstante realisiert werden. Das Bragg-Gitter kann beispielsweise in eine optische Faser eingeschrieben sein. In diesem Fall spricht man von einem Faser-Bragg-Gitter.

Die Dispersion einer Pulsstreckungs- bzw. Pulskompressionseinrichtung kann ma thematisch über die akkumulierte spektrale Phase, f(w), der Laserpulse bei der Pro pagation durch die Pulsstreckungs- bzw. Pulskompressionseinrichtung beschrieben werden. Die Charakterisierung der Pulsstreckungs- bzw. Pulskompressionseinrich tung erfolgt dabei typischerweise über die Koeffizienten, ß einer Taylor-Entwicklung in der Kreisfrequenz, w, um die Zentralfrequenz, w ₀ , der Laserpulse. Von Bedeutung ist insbesondere die Gruppenverzögerungsdispersion, ß ₂ , die das zeitliche Auseinan derlaufen bzw. Zusammenlaufen der Laserpulse in niedrigster Ordnung beschreibt. Bei hochdispersiven Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen spielen aber auch die höheren Ordnungen, insbesondere die Dispersion dritter Ordnung, ß ₃ , eine Rolle.

Im Stand der Technik sind ferner Einrichtungen zur Einstellung der Dispersion einer Pulsstreckungs- und/oder Pulskompressionseinrichtung oder einer Vorrichtung mit einer Pulsstreckungs- und/oder einer Pulskompressionseinrichtung bekannt. Eine ge naue Einstellung der Dispersion ist wichtig, um eine möglichst hohe Pulsqualität, ins besondere eine möglichst kurze Pulsdauer, zu erzielen.

So ist aus der EP 3578287 A1 ein Lasersystem mit einer Laserpulsquelle und einer Dispersionsanpassungseinheit zur Pulsstreckung oder Pulskompression von Laser pulsen mit einer Anordnung mit mindestens einem dispersiven Element zur Erzeu gung von Winkeldispersion und einer im Winkeldispersionsbereich angeordneten op tischen Einheit bekannt. Die optische Einheit umfasst eine die Laserpulse transmittie- rende, planparallele optische Platte, die einen eintrittswinkelabhängigen Parallelver satz der einzelnen Spektralkomponenten der Laserpulse bewirkt. Eine Drehung der optischen Platte beeinflusst die Dispersionseigenschaften der Dispersionsanpas sungseinheit. Insbesondere kann durch eine Drehung der optischen Platte die Puls dauer der Laserpulse in einem Ausgangsstrahl des Lasersystems eingestellt werden. In einem Beispiel umfasst das bekannte Lasersystem ferner eine Pulsdauermessvor richtung und eine Steuerungseinheit. Die Pulsdauermessvorrichtung dient der Aus gabe eines pulsdauerabhängigen Messsignals an die Steuerungseinheit. Die Steue rungseinrichtung dient der Ansteuerung einer Winkeleinstellvorrichtung zur Einstel lung einer Winkelstellung der optischen Platte in Abhängigkeit der Pulsdauermes sung. In der US 7,822,347 B1 ist weiter ein Chirped-Pulse-Amplification-System mit einem Pulserzeuger, einem Pulsstrecker, einem Pulsverstärker und einem Pulskompressor, sowie einem Einstellelement und einer Pulsmesseinrichtung offenbart. Das Einstell element ist geeignet, die Gruppengeschwindigkeitsdispersion des Chirped-Pulse- Amplification-Systems einzustellen und die Pulsdauer der komprimierten Pulse zu re geln. Mittels des Einstellelements kann entweder die Dispersion eines der bereits vorhandenen Elemente des Chirped-Pulse-Amplification-Systems, beispielsweise des Pulsstreckers oder des Pulskompressors, eingestellt werden oder es handelt sich um ein zusätzliches dispersives Element im Chirped-Pulse-Amplification-Sys- tem. Die Pulsmesseinrichtung ist geeignet, mindestens eine Pulseigenschaft der komprimierten Pulse beispielsweise über Multiphotonendetektion, einen Autokorrela tor oder über ein FROG- (Frequency-Resolved Optical Gating) System zu messen. Das Einstellelement ist ferner ausgebildet, auf ein Ausgangssignal der Pulsmessein richtung zu reagieren. In einem Beispiel dient das Einstellelement dazu, Veränderun gen der Dispersion zu kompensieren, die auf Veränderungen der Umgebung oder der optischen Weglänge von Freistrahlelementen zurückzuführen sind. In weiteren Beispielen ist das Einstellelement ausgebildet, ein Faser-Bragg-Gitter mit einem Temperaturgradienten oder einem Dehnungsgradienten zu beaufschlagen.

Bekannte Pulsmesseinrichtungen, einschließlich der oben genannten, haben jedoch in der Regel einen relativ komplexen Aufbau und sind verhältnismäßig teuer.

Demgegenüber war es Aufgabe der Erfindung, eine Pulsmodifikationsvorrichtung mit einer Pulsstreckungseinrichtung und/oder einer Pulskompressionseinrichtung bereit zustellen, bei der die austretenden Laserpulse unabhängig von mindestens einem Umgebungsparameter gleichbleibende Pulseigenschaften aufweisen und die sich gleichzeitig durch einen einfachen und kostengünstigen Aufbau auszeichnet.

Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch eine Pulsmodifikations vorrichtung, umfassend eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen zur dispersi- ven Streckung von Laserpulsen und/oder eine oder mehrere Pulskompressionsein richtungen zur dispersiven Kompression von Laserpulsen, eine Stelleinrichtung zur Einstellung der Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulsstre ckungseinrichtungen und/oder der Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulskompressionseinrichtungen über mindestens eine Stellgröße, sowie eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Stelleinrichtung in Abhängigkeit ei nes Messsignals und eine Umgebungssensoreinrichtung zur Erfassung mindestens eines Umgebungsparameters, von dem die Dispersion der einen oder mindestens ei ner der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen und/oder die Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulskompressionseinrichtungen abhängt, als Messsignal.

Die Umgebungssensoreinrichtung, die Steuerungseinrichtung und die Stelleinrich tung dienen dazu, Veränderungen der Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen und/oder der Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulskompressionseinrichtungen zu kompensieren, die aus Veränderungen des mindestens einen Umgebungsparameters resultieren. Die Kompensation kann dabei vollständig oder teilweise erfolgen. Weist die Pulsmo difikationsvorrichtung mehrere Pulsstreckungseinrichtungen und/oder mehrere Puls kompressionseinrichtungen oder aber sowohl eine Pulsstreckungs- als auch eine Pulskompressionseinrichtung auf, so ist die Steuerungseinrichtung bevorzugt ausge bildet, die kumulierte Veränderung der Dispersion zu kompensieren.

Mittels der Stelleinrichtung kann beispielsweise die Dispersion mindestens einer Pulsstreckungs- und/oder mindestens einer Pulskompressionseinrichtung einstellbar sein, die eine Veränderung der Dispersion in Folge einer Veränderung des mindes tens einen Umgebungsparameters zeigt. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Dispersion mindestens einer Pulsstreckungs- und/oder mindestens einer Pulskom pressionseinrichtung mittels der Stelleinrichtung einstellbar sein, deren Dispersion nicht von dem mindestens einen Umgebungsparameter abhängt.

In Folge der Kompensation bleiben die Pulseigenschaften unabhängig vom Umge bungsparameter konstant. Wird die Veränderung der Dispersion nicht kompensiert, so kann dies beispielsweise zu einer ungewollten Pulsdaueränderung führen.

Veränderungen der Dispersion ergeben sich insbesondere in Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen, die als Freistrahleinrichtungen ausgebildet sind, also in Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen, in welchen die Laser pulse zumindest teilweise durch Luft oder eine andere Gasatmosphäre propagieren. Hier führt eine Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters typischer weise zu einer Veränderung des Brechungsindex der Luft oder der Gasatmosphäre, welche wiederum eine Veränderung der Dispersion bedingt.

Sind in einer Pulsmodifikationsvorrichtung die Pulsstreckungs- und die Pulskompres- sionseinrichtung(en) gleichermaßen von einer Brechungsindexänderung betroffen, wirkt sich diese nicht auf die Pulsdauer aus. Sind diese nicht gleichermaßen betrof fen, z.B. im Fall einer faseroptischen Pulsstreckungseinrichtung und einer Freistrahl- Pulskompressionseinrichtung oder falls sich die Phasen der Pulsstreckungseinrich- tung(en) und der Pulskompressionseinrichtung(en) nicht gegenseitig kompensieren, kann sich durch die Brechungsindexänderung die Phasendifferenz zwischen den Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen und damit die Pulsdauer än dern. Dies ist insbesondere bei hochdispersiven (d.h. große Phasenanteile in Ord nungen höher als der zweiten) Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen der Fall.

Mittels der Stelleinrichtung ist über die Stellgröße insbesondere die Gruppenverzöge rungsdispersion der Pulsstreckungs- und/oder Pulskompressionseinrichtung einstell bar. Die Stelleinrichtung kann aber auch ausgebildet sein, höhere Dispersionsord nungen einzustellen.

Die Steuerungseinrichtung ist beispielsweise eine elektronische Einrichtung, insbe sondere eine Computer- oder mikrocontrollerbasierte Einrichtung. Das Messsignal ist in diesem Fall ein elektronisches Signal und die Ansteuerung der Stelleinrichtung er folgt elektronisch. Um die Dispersion mittels der Stelleinrichtung so einstellen zu kön nen, dass die Veränderung der Dispersion kompensiert wird, kann der Zusammen hang zwischen der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters und der Veränderung der Dispersion bzw. der entsprechenden Anpassung der Stellgröße auch in der Steuerungseinrichtung hinterlegt sein, insbesondere kann die Steue rungseinrichtung entsprechend programmierbar sein. Alternativ ist die Steuerungs einrichtung beispielweise eine mechanische Einrichtung, insbesondere eine passive mechanische Einrichtung. In diesem Fall kann das Messsignal auch ein mechani sches Signal sein, zum Beispiel eine Verschiebung oder eine Drehung.

Die Umgebungssensoreinrichtung ist bevorzugt geeignet, den mindestens einen Um gebungsparameter innerhalb oder in der Umgebung der Pulsstreckungseinrichtung und/oder innerhalb oder in der Umgebung der Pulskompressionseinrichtung zu erfas sen.

Die Pulsmodifikationsvorrichtung kann beispielsweise sowohl eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen als auch eine oder mehrere Pulskompressionseinrich tungen umfassen. Alternativ kann die Pulsmodifikationseinrichtung auch eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen aber keine Pulskompressionseinrichtung um fassen. Schließlich kann die Pulsmodifikationseinrichtung eine oder mehrere Puls kompressionseinrichtungen aber keine Pulsstreckungseinrichtung umfassen.

In Pulsmodifikationsvorrichtungen, umfassend sowohl mindestens eine Pulskompres sionseinrichtung als auch mindestens eine Pulsstreckungseinrichtung ist bevorzugt lediglich die mindestens eine Pulskompressionseinrichtung als Freistrahleinrichtung ausgebildet, während die mindestens eine Pulsstreckungseinrichtung beispielsweise faseroptisch realisiert ist. Während faseroptische Einrichtungen typischerweise eine Vielzahl von Vorteilen haben, einschließlich der Vermeidung einer aufwendigen Jus tage, können Freistrahleinrichtungen bei hohen Intensitäten eingesetzt werden. Flohe Intensitäten treten beispielsweise in Pulskompressionseinrichtungen auf, die Teil ei ner Pulsmodifikationseinrichtung zur Chirped-Pulse-Amplification sind. Eine Verände rung des mindestens einen Umgebungsparameters kann zu einer Veränderung des Brechungsindex führen, die wiederum eine Veränderung der Dispersion der mindes tens einen als Freistrahleinrichtung ausgebildeten Pulskompressionseinrichtung be dingt. Diese ist über die Umgebungssensoreinrichtung, die Steuerungseinrichtung und die Stelleinrichtung kompensierbar.

Alternativ zur Kompensation der Veränderung der Dispersion über die Umgebungs sensoreinrichtung, Steuerungseinrichtung und Stelleinrichtung können die Umge bungsbedingungen (und damit in Freistrahleinrichtungen der Brechungsindex) auch konstant gehalten werden. Beispielsweise können die Pulsstreckungs- und/oder Pulskompressionseinrichtungen gekapselt und damit (passiv) von Umgebungsein flüssen isoliert werden. Auch kann der Umgebungsparameter in den Pulsstreckungs und/oder Pulskompressionseinrichtungen aktiv konstant gehalten werden. Für den Umgebungsdruck kann hier beispielsweise eine Pumpe verwendet werden.

In einer Ausführungsform umfasst die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, und/oder die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulskompressionsein richtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, mindestens ein dispersives optisches Element zur Winkelseparation und Zusammenführung von Spektralkomponenten der Laserpulse. Bei dem mindestens einen dispersiven opti schen Element handelt es sich beispielsweise um mindestens ein Beugungsgitter oder mindestens ein Prisma. Die Streckung beziehungsweise Kompression der La serpulse ist auf unterschiedliche Laufzeiten der Spektralkomponenten zurückzufüh ren. Die Einstellung der Dispersion erfolgt über eine Beeinflussung der einzelnen Spektralkomponenten mittels der Stelleinrichtung.

In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform weist die Stelleinrichtung ein planpa ralleles transmissives optisches Element auf, das so angeordnet ist, dass die winkel separierten Spektralkomponenten der Laserpulse durch dieses hindurchtreten und einen einfallswinkelabhängigen Parallelversatz erfahren, wobei ein Drehwinkel des planparallelen transmissiven optischen Elements die Stellgröße bildet. Durch eine Drehung um den Drehwinkel verändert sich der Strahlengang der Spektralkompo nenten, was sich auf die Dispersion der Pulsstreckungseinrichtung und/oder der Pulskompressionseinrichtung auswirkt. Details zur Einstellung der Dispersion mittels einer Drehung des planparallelen transmissiven optischen Elements finden sich in der EP 3578287 A1 , deren Inhalt hiermit vollumfänglich in die vorliegende Anmel dung aufgenommen wird. Insbesondere ist dort der genaue Zusammenhang zwi schen dem Drehwinkel und der Gruppenverzögerungsdispersion dargelegt. Zur Dre hung kann die Stelleinrichtung beispielsweise einen Schrittmotor aufweisen.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, und/oder die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulskom pressionseinrichtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, zwei dispersive optische Elemente und die Stelleinrichtung ist ausgebildet, einen als Stellgröße dienenden Abstand zwischen den zwei dispersiven optischen Elementen zu verändern. Bei den dispersiven optischen Elementen handelt es sich zum Beispiel um Beugungsgitter, die bevorzugt parallel zueinander angeordnet sind, oder um Pris men. Beispielsweise können die Spektralkomponenten der Laserpulse mittels des ersten dispersiven optischen Elements aufgetrennt, mittels des zweiten dispersiven optischen Elements parallelisiert, mittels eines reflektiven optischen Elements zu rückreflektiert und mittels der dispersiven optischen Elemente wieder zusammenge führt werden. Typischerweise ist die Gruppenverzögerungsdispersion proportional zum oder linear abhängig vom Abstand zwischen den zwei dispersiven optischen Elementen. Notwendig ist jedoch lediglich, dass die Dispersion, insbesondere die Gruppenverzögerungsdispersion, über eine Anpassung des Abstands einstellbar ist. Zur Anpassung des Abstands kann die Stelleinrichtung beispielsweise einen Linea raktuator aufweisen.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, und/oder die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulskom pressionseinrichtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, ein dispersives optisches Element und eine Umlenkeinrichtung und die Stelleinrichtung ist ausgebildet, einen als Stellgröße dienenden Abstand zwischen dem dispersiven optischen Element und der Umlenkeinrichtung zu verändern. Bei der Umlenkeinrich tung handelt es sich beispielsweise um ein Umlenkprisma. Weitere Details zu derarti gen Pulskompressions- beziehungsweise Pulsstreckungseinrichtungen finden sich in der EP 3578287 A1.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, ein Bragg-Gitter in einem transparenten Material. Bei dem Bragg-Gitter handelt es sich um ein gechirptes Bragg-Gitter, also ein Bragg-Gitter mit örtlich vari ierender Gitterkonstante. Die Reflexion der unterschiedlichen Spektralkomponenten der Laserpulse erfolgt in unterschiedlichen Tiefen im Bragg-Gitter, wodurch die Spektralkomponenten unterschiedliche optische Wege zurücklegen, was letztlich zur erwünschten zeitlichen Streckung führt. Das transparente Material liegt beispiels weise in Form einer optischen Faser vor. In diesem Fall ist das Bragg-Gitter ein Fa- ser-Bragg-Gitter. Mittels der Stelleinrichtung ist das Bragg-Gitter gezielt so beein flussbar, dass sich die Dispersion der Pulsstreckungseinrichtung im gewünschten Maße verändert.

In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform umfasst die Stelleinrichtung eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung und bewirkt einen als Stellgröße dienenden Tempe raturverlauf im transparenten Material. Mittels des Temperaturverlaufs können die optischen Eigenschaften des Bragg-Gitters gezielt eingestellt werden; insbesondere verändert sich dadurch die Dispersion der Pulsstreckungseinrichtung. Die Heiz- und/oder Kühleinrichtung kann beispielsweise über ein oder mehrere Peltier-Ele mente realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann das transparente Material beispielsweise über die Abwärme eines elektrischen Widerstands geheizt werden.

In einer alternativen Weiterbildung ist die Stelleinrichtung dazu ausgebildet, einen als Stellgröße dienenden Verlauf einer mechanischen Spannung im transparenten Mate rial, insbesondere eine auf das transparente Material wirkende Zugspannung zu be wirken. Insbesondere kann eine optische Faser mit einem eingeschriebenen Faser- Bragg-Gitter mittels einer Zugspannung gedehnt und damit eine geeignete Anpas sung der Dispersion erzielt werden.

Die eingangs genannte Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt gelöst durch eine Pulsmodifikationsvorrichtung, umfassend eine oder mehrere Pulsstreckungsein richtungen zur dispersiven Streckung von Laserpulsen und/oder eine oder mehrere Pulskompressionseinrichtungen zur dispersiven Kompression von Laserpulsen, eine Modulationseinrichtung zur dispersiven Modulation der Laserpulse, eine Stelleinrich tung zur Einstellung der Dispersion der Modulationseinrichtung, eine Steuerungsein richtung zur Ansteuerung der Stelleinrichtung in Abhängigkeit eines Messsignals und eine Umgebungssensoreinrichtung zur Erfassung mindestens eines Umgebungspa- rameters, von dem die Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen und/oder die Dispersion der einen oder mindestens ei ner der mehreren Pulskompressionseinrichtungen abhängt, als Messsignal. Die Modulationseinrichtung umfasst beispielsweise mindestens ein dispersives Ele ment zum Separieren und Zusammenführen der Spektralkomponenten der Laser pulse. Die Modulationseinrichtung kann weiter einen räumlichen Lichtmodulator, auch Spatial Light Modulator (SLM) genannt, oder eine ähnliche Einrichtung aufwei sen, um für die Spektralkomponenten einzeln und unabhängig voneinander einen Phasenunterschied zu bewirken und damit die spektrale Phase der Laserpulse zu beeinflussen. Der Phasenunterschied wird in räumlichen Lichtmodulatoren über eine einstellbare Ausrichtung von Flüssigkristallen einer Flüssigkristallschicht in einem Pi- xelarray erzielt. Die Ausrichtung der Flüssigkristalle erfolgt über elektrische Felder, zu deren Erzeugung die Stelleinrichtung beispielsweise geeignete Elektroden auf weist. Die Stelleinrichtung ist in diesem Fall Teil des räumlichen Lichtmodulators. Be züglich der Steuerungseinrichtung und der Umgebungssensoreinrichtung wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.

Vorzugsweise ist der mindestens eine Umgebungsparameter eine Temperatur und/ oder ein Umgebungsdruck. Die Umgebungssensoreinrichtung weist dann mindes tens einen Druck- und/oder mindestens einen Temperatursensor auf. Bei dem Druck sensor kann es sich beispielsweise um eine Absolutdruckmessdose oder einen pie zoresistiven oder piezoelektrischen Drucksensor, bei dem Temperatursensor um ei nen temperaturabhängigen Messwiderstand oder einen Halbleiter-Temperatursensor handeln. Temperatur- und Druckänderungen wirken sich insbesondere auf die Dis persion von Pulstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen aus, die als Frei strahleinrichtungen ausgebildet sind. Hier bedingt eine Veränderung des Drucks und/oder der Temperatur eine Veränderung des Brechungsindex der Luft bzw. der Gasatmosphäre. Hintergrund ist, dass die akkumulierte spektrale Phase keine Funk tion der Frequenz, sondern der Wellenlänge ist, die in der Beugungsbedingung und der optischen Weglänge auftaucht. Damit ändert sich die akkumulierte spektrale Phase, wenn sich die Wellenlänge durch eine Änderung des Brechungsindex ändert (die Frequenz ändert sich hingegen nicht). Die Abhängigkeit zwischen der Tempera tur und dem Umgebungsdruck auf der einen Seite und dem Brechungsindex auf der anderen Seite ergibt sich für Luft beispielsweise aus der sogenannten Edlen-Formel. Der Umgebungsdruck ist insbesondere weiter- und höhenabhängig. Bei dem min destens einen Umgebungsparameter kann es sich aber auch um eine Feuchtigkeit, beispielsweise eine Luftfeuchtigkeit handeln.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet, die Stelleinrichtung in Abhängigkeit des Messsignals anhand einer experimentell be stimmten Kalibrationskurve anzusteuern, welche die Abhängigkeit der Dispersion der einen oder der mindestens einen der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen und/oder der Dispersion der einen oder der mindestens einen der mehreren Puls kompressionseinrichtungen von dem mindestens einen Umgebungsparameter be schreibt. Für die Kompensation der Veränderung der Dispersion muss der Zusam menhang zwischen dem mindestens einen Umgebungsparameter und der Disper sion bekannt sein. Dieser kann experimentell als Kalibrationskurve bestimmt werden, welche beispielweise in der Steuerungseinrichtung hinterlegt bzw. gespeichert ist.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet, die Stelleinrichtung in Abhängigkeit des Messsignals anhand einer mathematischen Be ziehung der Form dß ₂ = F (ß ₃ , ß ₄ ß _m , w ₀ , dn) zwischen einer Veränderung, dn, eines Brechungsindex, n, innerhalb der einen oder der mindestens einen der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen und/oder innerhalb der einen oder der mindestens einen der mehreren Pulskompressionseinrichtungen, welche aus der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters resul tiert, der dadurch bedingten Veränderung, dß ₂ , der Gruppenverzögerungsdispersion, ß ₂ , sowie der Dispersion höherer Ordnung, ß ₃ ,ß ₄ ß _m , und der Zentralfrequenz, w ₀ , der Laserpulse anzusteuern. Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich bei Puls- streckungs- und Pulskompressionseinrichtungen in Form von Freistrahleinrichtungen die Veränderung der Gruppenverzögerungsdispersion über mathematische Bezie hungen der angegebenen Form beschreiben lässt. Ist zusätzlich zu einer solchen mathematischen Beziehung der Zusammenhang zwischen dem mindestens einen Umgebungsparameter und dem Brechungsindex bekannt, wie im Fall von Luft über die Edlen-Formel, so ergibt sich daraus eine Beziehung zwischen der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters und der Veränderung der Gruppen- Verzögerungsdispersion. Eine entsprechende Ansteuerung erlaubt eine Kompensa tion der Veränderung der Dispersion, ohne dass die Pulsdauer oder eine andere Pul seigenschaft gemessen werden muss. Die mathematische Beziehung ist beispiels weise in der Steuerungseinrichtung hinterlegt bzw. gespeichert.

In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die mathematische Beziehung die Folgende: dß ₂ = b ₃ w ₀ άh. Die angegebene mathematische Beziehung beschreibt die Veränderung der Gruppenverzögerungsdispersion bei einer gegebenen Veränderung des Brechungsindex in vielen Fällen in zumindest guter Näherung. Von den höheren Ordnungen der Dispersion geht lediglich die Dispersion dritter Ordnung, ß ₃ , in die mathematische Beziehung ein.

Die Veränderung der Dispersion, insbesondere die Veränderung der Pulsdauer, durch eine Veränderung des Brechungsindex ist vor allem bei hochdispersiven Puls- streckungs- und Pulskompressionseinrichtungen relevant. Alternativ kann dieses Problem in der Folge gelöst werden, indem weniger dispersive Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen eingesetzt werden. Diese benötigen aber sehr große Wegstrecken und damit einen sehr großen Bauraum oder viele Faltungen im Strah lengang, was sie komplexer und teurer macht. Bei Pulskompressionseinrichtungen auf Basis eines Volumen-Bragg-Gitters tritt das Problem nicht auf. Diese erlauben derzeit allerdings kleinere Streckfaktoren als Freistrahl-Pulskompressionseinrichtun- gen und damit niedrigere Pulsenergien.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Pulsmodifikationsvorrichtung eine Verstärkungseinrichtung und dient zur Verstärkung der Laserpulse nach dem Prinzip der Chirped-Pulse-Amplification. Eine solche Pulsmodifikationsvorrichtung kann bei spielweise Teil eines Ultrakurzpulslasers sein.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein. Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Pulsmodifikationsvorrichtung, um fassend eine Pulskompressionsvorrichtung mit zwei dispersiven opti schen Elementen in Form von Beugungsgittern, eine Stelleinrichtung mit einem planparallelen transmissiven optischen Element, eine Steue rungseinrichtung und eine Umgebungssensoreinrichtung zur Erfassung mindestens eines Umgebungsparameters, von dem die Dispersion der Pulskompressionseinrichtung abhängt;

Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Pulsmodifikationsvor richtung, umfassend eine Pulsstreckungseinrichtung und eine Pulskom pressionseinrichtung, eine Stelleinrichtung, eine Steuerungseinrichtung und eine Umgebungssensoreinrichtung, wobei die Stelleinrichtung zur Einstellung der Dispersion der Pulsstreckungseinrichtung ausgebildet ist;

Fig. 3 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Pulsmodifikationsvor richtung, umfassend eine Pulsstreckungseinrichtung und eine Pulskom pressionseinrichtung, eine Modulationseinrichtung, eine Stelleinrich tung, eine Steuerungseinrichtung und eine Umgebungssensoreinrich tung, wobei die Stelleinrichtung zur Einstellung der Dispersion der Mo dulationseinrichtung ausgebildet ist; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Pulsmodifikationsvorrichtung, um fassend eine Pulskompressionsvorrichtung mit einem dispersiven opti schen Element und einer Umlenkeinrichtung.

Fig. 1 zeigt eine schematisch eine Pulsmodifikationsvorrichtung 1 mit einer Pulskom pressionseinrichtung 2 zur dispersiven Kompression von Laserpulsen 3, eine Stel leinrichtung 4 zur Einstellung der Dispersion der Pulskompressionseinrichtung 2 über mindestens eine Stellgröße S sowie eine Steuerungseinrichtung 5 zur Ansteuerung der Stelleinrichtung 4 in Abhängigkeit eines Messsignals M. Die Pulsmodifikations vorrichtung 1 umfasst weiter eine Umgebungssensoreinrichtung 6 zur Erfassung ei nes Umgebungsparameters U, von dem die Dispersion der Pulskompressionseinrich tung 2 abhängt, als Messsignal M. Die dargestellte Pulskompressionseinrichtung 2 ist in Form eines Gitterkompressors ausgeführt. Sie weist zwei dispersive optische Elemente 7,7‘ in Form von Beugungs gittern zur Winkelseparation und Zusammenführung der Spektralkomponenten 8 der Laserpulse 3 auf. Die Pulskompressionseinrichtung 2 kann alternativ aber auch nur ein oder mehr als zwei dispersive optische Elemente 7,7‘aufweisen. Auch muss es sich bei den dispersiven optischen Elementen 7,7' nicht um Beugungsgitter handeln. Beispielsweise können die dispersiven optischen Elemente 7,7' auch Prismen sein.

Die eintretenden Laserpulse 3, die gechirpt sind, treffen zunächst auf das erste dis persive optische Element 7, wodurch diese in ihre Spektralkomponenten 8 separiert werden und in unterschiedliche Richtungen propagieren. Durch das zweite dispersive optische Element 7' werden die Spektralkomponenten 8 parallelisiert und anschlie ßend von einem reflektiven optischen Element 9 zurückreflektiert. Bei dem reflektiven optischen Element 9 kann es sich beispielsweise um ein Umlenkprisma handeln. Die zurückreflektierten Spektralkomponenten 8 sind in diesem Fall in der Höhe versetzt, sodass die austretenden Laserpulse 3' mit einem Abtrennspiegel 10 abgetrennt wer den können. Die einzelnen Spektralkomponenten 8 weisen in der Pulskompressions einrichtung 2 unterschiedliche Laufzeiten auf, was zur gewünschten zeitlichen Kom pression führt.

Die dargestellte Stelleinrichtung 4 umfasst ein planparalleles transmissives optisches Element 11, das so angeordnet ist, dass die winkelseparierten Spektralkomponenten 8 durch dieses hindurchtreten und einen einfallswinkelabhängigen Parallelversatz er fahren. Durch eine Drehung des optischen Elements 11 um einen als Stellgröße S dienenden Drehwinkel d ist die Dispersion der Pulskompressionseinrichtung 2, insbe sondere deren Gruppenverzögerungsdispersion, einstellbar. Zur Drehung des opti schen Elements 11 kann die Stelleinrichtung beispielsweise einen hier nicht darge stellten Schrittmotor aufweisen.

Die Stelleinrichtung 4 kann aber auch anders realisiert werden. Beispielsweise kann ein Abstand L zwischen den dispersiven optischen Elementen 7,7' als Stellgröße S dienen, und die Stelleinrichtung 4 kann ausgebildet sein, diesen Abstand L zu verän dern. Die Stelleinrichtung 4 kann dazu beispielweise einen Linearaktuator aufweisen. Über die Umgebungssensoreinrichtung 6, die Steuerungseinrichtung 5 und die Stell einrichtung 4 werden Veränderungen der Dispersion der Pulskompressionseinrich tung 2, die aus einer Veränderung des Umgebungsparameters U kompensiert. Die Pulseigenschaften der austretenden Laserpulse 3‘ bleiben dadurch unabhängig vom Umgebungsparameter U konstant.

Im dargestellten Beispiel handelt es sich bei dem Umgebungsparameter U um den Umgebungsdruck. Die Umgebungssensoreinrichtung 6 weist einen hier nicht darge stellten Drucksensor auf. Es kann aber auch ein anderer Umgebungsparameter U er fasst werden, beispielsweise die Temperatur. Auch können mehrere Umgebungspa rameter U erfasst und Dispersionsänderungen durch Veränderungen der mehreren Umgebungsparameter U kompensiert werden.

Die Pulskompressionseinrichtung 2 ist eine Freistrahleinrichtung, in der die Laser pulse 3 bzw. deren Spektralkomponenten 8 zumindest teilweise durch Luft propagie ren. Eine Veränderung des Umgebungsparameters U, z.B. des Umgebungsdrucks, führt nun zu einer Veränderung d n des Brechungsindex n der Luft, die wiederum eine Veränderung der Dispersion bedingt. Die Steuerungseinrichtung 5 ist nun aus gebildet, die Stelleinrichtung 4 in Abhängigkeit des Messsignals M anhand einer ma thematischen Beziehung der Form dß ₂ =F (ß ₃ , ß ₄ ß _m , w ₀ , dn) zwischen der Veränderung dn des Brechungsindex n in nerhalb der Pulskompressionseinrichtung 2 und der dadurch bedingten Veränderung dß ₂ der Gruppenverzögerungsdispersion ß ₂ der Pulskompressionseinrichtung 2 so wie der Zentralfrequenz w ₀ der Laserpulse 3 und der Dispersion höherer Ordnung ß ₃ , ß ₄ ß _m der Pulskompressionseinrichtung 2 anzusteuern. Genauer ist die Steue rungseinrichtung 5 beispielhaft ausgebildet, die Stelleinrichtung 4 in Abhängigkeit des Messsignals M anhand der mathematischen Beziehung dß ₂ = b ₃ w ₀ dn anzusteuern. Abweichungen von dieser mathematischen Beziehung, insbesondere kleinere Abweichungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Alternativ kann die Steue rungseinrichtung 5 auch ausgebildet sein, die Stelleinrichtung 4 in Abhängigkeit des Messsignals M anhand einer experimentell bestimmten Kalibrationskurve anzusteu ern, welche die Abhängigkeit der Dispersion der Pulskompressionseinrichtung 2 von dem Umgebungsparameter U beschreibt.

Anstelle einer Pulskompressionseinrichtung 2 kann die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 auch eine Pulsstreckungseinrichtung umfassen. Zur Erzielung einer positiven Dis persion kann die Pulsstreckungseinrichtung zusätzlich zu den zwei dispersiven opti schen Elementen 7,7' beispielsweise zwei Linsen aufweisen.

In Fig. 2 und Fig. 3 sind Pulsmodifikationsvorrichtungen 1 umfassend eine Pulsstre ckungseinrichtung 12 zur dispersiven Streckung von Laserpulsen 3 und eine Puls kompressionseinrichtung 2 zur dispersiven Kompression der Laserpulse 3 verein facht schematisch dargestellt. Die Pulsmodifikationsvorrichtungen 1 umfassen weiter beispielhaft eine Verstärkungseinrichtung 13 und dienen zur Verstärkung der Laser pulse 3 nach dem Prinzip der Chirped-Pulse-Amplification.

Die Pulsmodifikationsvorrichtungen 1 weisen eine Stelleinrichtung 4 sowie eine Steu erungseinrichtung 5 zur Ansteuerung der Stelleinrichtung 4 in Abhängigkeit eines Messsignals M und eine Umgebungssensoreinrichtung 6 zur Erfassung eines Umge bungsparameters U, von welchem die Dispersion der Pulskompressionseinrichtung 2 abhängt, als Messsignal M. Bei den Pulskompressionseinrichtungen 2 handelt es sich in diesem Beispiel um Freistrahleinrichtungen und bei dem Umgebungsparame ter U um den Umgebungsdruck. Eine Veränderung des Umgebungsdrucks führt zu einer Veränderung des Brechungsindex n und damit der Dispersion der Pulskom pressionseinrichtungen 2.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Pulsmodifikationsvorrichtung 1 dient die Stelleinrichtung 4 zur Einstellung der Dispersion der Pulsstreckungseinrichtung 12. Die Veränderung der Dispersion der Pulskompressionseinrichtung 2 wird in diesem Fall über die Ein stellung der Dispersion der Pulsstreckungseinrichtung 12 kompensiert, sodass die Pulseigenschaften der austretenden Laserpulse 3' unabhängig vom Umgebungspa rameter U konstant bleiben. Die Pulsstreckungseinrichtung 12 weist ein hier nicht dargestelltes Bragg-Gitter in einem transparenten Material in Form einer optischen Faser auf. Bei dem Bragg-Gitter handelt es sich in diesem Beispiel also um ein Fa- ser-Bragg-Gitter. Die Stelleinrichtung 4 umfasst eine Heiz und/oder Kühleinrichtung mit Peltierelementen, welche dazu dient, einen als Stellgröße S dienenden Tempera turverlauf T in der optischen Faser zu bewirken, sodass sich die Dispersion der Puls streckungseinrichtung 12 so verändert, dass die Dispersionsänderung der Pulskom pressionseinrichtung 2 kompensiert wird. Die Stelleinrichtung 4 kann aber auch an ders aufgebaut sein. Beispielsweise kann die Stelleinrichtung eine als Stellgröße S dienende Zugspannung in der optischen Faser bewirken. Das transparente Material muss außerdem nicht in Form einer optischen Faser vorliegen.

Die in Fig. 3 gezeigte Pulsmodifikationsvorrichtung 1 weist eine Modulationseinrich tung 14 zur dispersiven Modulation der Laserpulse 3 auf. Die Veränderung der Dis persion der Pulskompressionseinrichtung 2 wird in diesem Fall über die Einstellung der Dispersion der Modulationseinrichtung 14 kompensiert, sodass die Pulseigen schaften der austretenden Laserpulse 3‘ unabhängig vom Umgebungsparameter U konstant bleiben.

Die Modulationseinrichtung 14 kann beispielsweise zwei Beugungsgitter zur Aufspal tung und Zusammenführung der Spektralkomponenten 8 der Laserpulse 3 und einen räumlichen Lichtmodulator, auch Spatial Light Modulator (SLM) genannt, umfassen, um für die Spektralkomponenten 8 einzeln und unabhängig voneinander einen Pha senunterschied zu bewirken und damit die spektrale Phase der Laserpulse 3 zu be einflussen. Im räumlichen Lichtmodulator wird der Phasenunterschied über eine ein stellbare Ausrichtung von Flüssigkristallen einer Flüssigkristallschicht erzielt. Die Stelleinrichtung 4 weist dazu geeignete Elektroden auf. Die Modulationseinrichtung 14 muss aber nicht auf einem räumlichen Lichtmodulator basieren. Grundsätzlich kann hier jede Einrichtung zum Einsatz kommen, mit der die spektrale Phase der La serpulse 3 einstellbar ist.

Die dargestellte Modulationseinrichtung 14 ist im Strahlengang der Laserpulse 3 vor der Verstärkungseinrichtung 13 angeordnet. Abweichend davon kann die Modulati onseinrichtung 14 auch an anderen Positionen im Strahlengang, beispielsweise vor der Pulsstreckungseinrichtung 12, angeordnet sein. Die Fig. 4 zeigt eine Variante der in Fig.1 dargestellten Pulsmodifikationsvorrichtung 1. Anders als in Fig. 1 weist die Pulskompressionseinrichtung 2 eine Umlenkeinrich tung 15 und nur ein dispersives optisches Element 7 auf. Die Stelleinrichtung 4 ist hier beispielhaft dazu ausgebildet, den als Stellgröße S dienenden Abstand L zwi- sehen dem dispersiven optischen Element 7 und der Umlenkeinrichtung 15 zu verän dern. Bei der Umlenkeinrichtung 15 handelt es sich hier beispielhaft, jedoch nicht notwendigerweise um ein Umlenkprisma.

Anders als in den Fign. 1-4 dargestellt kann die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 auch mehr als eine Pulsstreckungseinrichtung 12 und/oder mehr als eine Pulskompressi onseinrichtung 2 umfassen.