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    • 专利摘要:
    Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungserhöhung von optischen Strahlformern mit einer Strahlungsquelle, vorzugsweise einem Laser mit ultrakurzer Pulsdauer, mindestens einem strahlformenden Element, das den Lichtstrahl in einen Strahl mit einer Bessel- oder Pseudo-Bessel-Intensitätsverteilung formt, und einem Auskopplungselement, das nur den zentralen Bereich des Besselstrahls reflektiert oder transmittiert, sowie einen entsprechenden Strahlformer. DOLLAR A Vorgeschlagen wird, dass der außerhalb des zentralen Bereichs des Besselstrahls vorhandene Strahlungsbereich mittels eines Resonators nach ein- oder mehrfacher Umlenkung in den zentralen Bereich des Besselstrahls eingekoppelt wird.
    公开号:DE102004011190A1
    申请号:DE200410011190
    申请日:2004-03-04
    公开日:2005-09-22
    发明作者:Thomas Prof. Elsässer；Rüdiger Dr. Grunwald；Uwe Neumann
    申请人:Forschungsverbund Berlin eV；
    IPC主号:G02B27-09
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungserhöhung vonoptischen Strahlformern mit einer Strahlungsquelle, vorzugsweiseeinem Laser mit ultrakurzer Pulsdauer, mindestens einem strahlformendenElement, das den Lichtstrahl in einen Strahl mit einer Bessel- oderPseudo-Bessel-Intensitätsverteilungformt, und einem Auskopplungselement, das nur den zentralen Bereichdes Besselstrahls reflektiert oder transmittiert. Die Erfindungbetrifft weiter eine geeignete Anordnung zur Durchführung des Verfahrensin Form eines optischen Strahlformers.
    [0002] OptischeStrahlformer mit einer Intensitätsverteilungdes erzeugten Strahls, die einer Bessel-Funktion entspricht, erhaltenneben den klassischen Strahlformern mit einer Gaußschen Intensitätsverteilungeine zunehmende Bedeutung.
    [0003] DieMöglichkeitenzur Erzeugung von Besselstrahlen oder Pseudo-Besselstrahlen sowieihre Eigenschaften werden zum Beispiel in Kebbel, Untersuchungenzur Erzeugung und Propagation ultrakurzer optischer Bessel-Impulse,Dissertation an der UniversitätBremen, 2003 beschrieben.
    [0004] Besselstrahlenlassen sich beispielsweise mit einer Anordnung realisieren, wiesie in DE 102 38 078C1 füreine Anordnung zur orts- und winkelaufgelösten Reflexionsmessung an Objektengezeigt ist. Mittels eines strahlformenden Elements wie einem Axiconwird ein kollimierter Strahl einer Lichtquelle in einen solchenmit einer Intensitätsverteilungnach einer Bessel-Funktionumgeformt. Durch Einsatz einer strahlbegrenzenden Blende passiertnur der zentrale Bereich des Besselstrahls das Loch der Blende.Alle ringförmigenMaxima höhereOrdnung werden abgeschattet. Füreinen solchen Lichtstrahl hat sich die Bezeichnung „truncatedBessel beam" eingebürgert. DurchVerwendung eines Axicons mit extrem geringen konischen Winkeln,beispielsweise mit einem Dünnschicht-Mikroaxicon,und einer vom Kegel in geeigneter Weise abweichenden Axicon-Form,zum Beispiel einem solchen mit Gauß-Profil wie nach DE 102 38 078 C1 , lassensich hinter der abschattenden Blende ausgedehnte Foki mit einemhohen Tiefen/Durchmesser-Verhältniserreichen. Da am Blendenrand Beugung stattfindet, wird die Lageder Blende zweckmäßig so gewählt, dassihre Ränderim ersten ringförmigenMinimum der Besselverteilung liegen, wo keine Intensität zur Beugungbeiträgt,das heißt,die Blende apodisierend wirkt. In Experimenten ist eine nichtdiffraktive,das heißtpropagationsinvariante Strahlung mit sehr kleinen Winkeln gegenüber deroptischen Achse und einem Tiefen/Durchmesser-Verhältnis vonbis zu 1000:1 nachgewiesen worden, siehe die geplante VeröffentlichungGrunwald et al.,Spatio-temporal Control of Laser Beams with Thin-filmShapers in Proc. SPIE 5333-1 (2004).
    [0005] Durchdie Verwendung von polarisierenden Elementen und durchstimmbarenLichtquellen könnenmit der Anordnung nach DE102 38 078 C1 auch ellipsometrische Messungen durchgeführt werden.
    [0006] Nebender Messtechnik lassen sich derartige nichtdiffraktive Strahlformerauf allen Gebieten der nichtlinearen Optik, der Materialbearbeitung,zur Fluoreszenz- und Absorptionsspektroskopie, zur Stoffwandlung,zur Laserionisation von Funkenstrecken, in der Telekommunikationund Datenverarbeitung u.v.a.m. einsetzen.
    [0007] AndereAnordnungen zur Erzeugung eines „truncated Bessel Beam" arbeiten statt miteinem Axicon mit einer Hohlfaser, aus der die Strahlung an einemEnde ringförmigemittiert wird. Durch die Interferenz der am Ende des Faserringsaustretenden konischen Strahlungsanteile ergibt sich ebenfalls eineIntensitätsverteilungnach einer Bessel-Funktion, siehe hierzu Nisoli et al., High BrightnessHigh Order Harmonic Generation by Truncated Bessel Beams in the Sub-10-fs-Regime,Physical Review Letters, Vol. 88, No. 3, 033902-1 bis 033902-4 oderAltucci et al., Phase-matching Analysis of High-order HarmonicsGenerated by Truncated Bessel Beams in the Sub-10-fs-Regime, ICOMPIX, 18.-23. Oct. 2002. Eine abschattende Blende wird bei diesenAnordnungen ebenfalls eingesetzt.
    [0008] AlsgroßerNachteil wird von der Fachwelt empfunden, dass mit dem Abschattender das zentrale Strahlungsmaximum ringförmig umgebenden Strahlung mitMaxima höhererOrdnung auch die nutzbare Leistung des Strahlformers sinkt. Beispielsweisewurde der Leistungsverlust anhand einer SHG-Anordnung (second harmonicgeneration) untersucht, indem ein Vergleich eines Bessel-Strahlformersmit einer fokussierten Strahlung mit Gaußscher Intensitätsverteilungdurchgeführtwurde, siehe Arlt et al., Efficiency of Second-harmonics Generation withBessel Beams, Physical Review A, Vol. 60, No 3 (September 1999),2438 bis 2441. Bei einem idealen Besselstrahl ist die Energie für jedenRing gleich, so dass der Gesamtverlust proportional zur Anzahl der Bessel-Ringeist. Es wurde von Arlt et al. füreine reale Anordnung, die sich sicher etwas anders verhält als einidealer Besselstrahl, festgestellt, dass bei gleicher SHG-Ausgangsleistungdie Lichtleistung einer Bessel-Anordnung gegenüber einer herkömmlichen Anordnungnur etwa die Hälftebeträgt.Für SHG-Anordnungenwurde deshalb der Vorteil einer nichtdiffraktiven Ausdehnung desStrahls wegen der verminderten Strahlungsleistung in Frage gestellt.
    [0009] DerErfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und entsprechendeAnordnungen anzugeben, mit denen die Leistung eines optischen Strahlformersder eingangs beschriebenen Art, bezogen auf seine Eingangsleistungsignifikant erhöht werdenkann.
    [0010] Erfindungsgemäß wird dieAufgabe gelöst durchdie Merkmale der Ansprüche1 und 5. Zweckmäßige Ausgestaltungensind Gegenstand der Unteransprüche.
    [0011] Danachwird der außerhalbdes zentralen Bereichs des Besselstrahls vorhandene Strahlungsbereichmittels eines Resonators nach ein- oder mehrfacher Umlenkung inden zentralen Bereich des Besselstrahls eingekoppelt. Der Resonatorkann ein stabiler oder unstabiler Resonator sein.
    [0012] DasVerfahren hat den Vorteil, dass mit dem Resonator die in die Nebenringeeingestrahlte Energie in den zentralen Bereich des Besselstrahlszurückgeführt wirdund damit mehr Photonen in den gewünschten Raumwinkel gelenktwerden.
    [0013] Beinichtlinear-optischen Anwendungen wird der durch die Intensitätserhöhung erzielteEffekt über dieOrdnung (Exponent) der Nichtlinearität noch weiter verstärkt. Beispielsweisesteigt die Effizienz der Erzeugung der Zweiten Harmonischen (SHG)proportional zum Quadrat der Intensität, so daß eine Intensitätsverdopplungder Fundamentalen bereits zur vierfachen SHG-Ausbeute führt.
    [0014] BeiVerwendung eines Lasers mit kurzer Pulsdauer als Lichtquelle können unerwünschte Mehrfachpulseerzeugt werden. Der Spiegelabstand des Resonators muss bei kurzenPulsen deshalb der Frequenz der Pulse bzw. ganzzahligen Vielfachen davonangepasst sein, um die umlaufenden Pulse mit den eingekoppeltenPulsen zu synchronisieren. Der Feedback erfolgt zweckmäßig miteinem adaptiven Resonator, das heißt, dass – bei Verwendung von Spiegeln – mindestenseiner der Resonatorspiegel bezüglichdes Abstandes beider Spiegel verstellbar ist. Die in die gewünschte Richtungabgestrahlten Pulse erreichen dann die maximal mögliche Leistung. Zusätzlich istes auch möglich,die Reflexionswinkel zu verstellen, indem zum Beispiel die Krümmung derSpiegel verstellbar gestaltet wird, um eine optimale Formung derdurch Überlagerungund Interferenz der direkt durchgehenden Anteile mit den umgelenktenAnteilen des Besselstrahls zu erreichen.
    [0015] Zweckmäßig weisteine auskoppelnde Blende oder ein als Blende wirkender Spiegel desResonators eine Apertur auf, deren Durchmesser mit dem ersten ringförmigen Minimumder Intensitätsverteilungdes Besselstrahls übereinstimmt.Auf diese Weise wird die Beugung am Blendenrand minimiert und derStrahl behältseine nichtdiffraktive Form.
    [0016] Stattmit einer Blende kann die Auskopplung auch über einen Lichtwellenleitererfolgen.
    [0017] EinResonator zur Durchführungdes Verfahrens kann so aufgebaut sein, dass er aus einem optischenSystem besteht, bei dem ein Element als Auskopplungslement und mindestensein weiteres Element fürdie Umlenkung des den zentralen Bereich des Besselstrahl umgebenden äußeren Strahlbereichsund Einkopplung in den zentralen Bereich des Besselstrahls ausgebildetist.
    [0018] Nacheiner ersten Variante kann das Auskopplungselement aus einem dieaußerhalbdes zentralen Bereichs des Besselstrahls vorhandene Strahlung reflektierenden,eine Apertur fürden zentralen Bereich des Besselstrahls aufweisenden ersten Spiegelbestehen und das weitere optische Element aus mindestens einem weiterenSpiegel, wobei der im Strahlengang letzte dieser Spiegel das denStrahl in den zentralen Bereich des Besselstrahls einkoppelnde Elementist.
    [0019] Nacheiner zweiten Variante kann der Resonator aus einem einen Strahlungsdurchlassdurch Phasenanpassung erlaubenden ersten Spiegel, einem zweitenSpiegel und einem zwischen diesen Spiegeln positionierten, winkligzum Strahlverlauf angeordneten, teilreflektierenden dritten Spiegelbestehen. Nach dem Auskoppelelement kann ein SHG-Kristall in denStrahlengang des Besselstrahls eingebracht sein.
    [0020] Nacheiner weiteren Variante kann der Resonator auch aus einem optischenSystem von mehreren ringförmigangeordneten, hochreflektiven Spiegeln bestehen, wobei einer derSpiegel zur Lichteinkopplung schwach teildurchlässig ist, zwei der Spiegeleine reflektive Axicon-Form mit einer gemeinsamen Besselzone aufweisen,zwischen ihnen ein nichtlineares Medium, zum Beispiel ein SHG-Kristall, angeordnetist und die Auskopplung überden zentralen Bereich eines der konfokalen Spiegel erfolgt.
    [0021] Ausder Literatur sind Laserresonatoren an sich bekannt, allerdingsnicht im Zusammenhang mit der Auskopplung des zentralen Teils derBesselverteilung, siehe z.B. die EP0 725 307 oder EP 0843 198 sowie P. Muys et al., Resonators supporting Besselbeams, IEEE/LEOS 2002, www.leosbenelux.org/symp0l/s01p241.pdf; Muyset al., Appl. Opt. 41, 6375, 2002. (Bei den folgenden Ausführungsbeispielenwird noch auf weitere Literaturbeispiele verwiesen).
    [0022] DieErfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werdenIn den zugehörigenZeichnungen zeigen
    [0023] 1 einSchema zur Erklärungdes Verfahrens,
    [0024] 2 eine schematische Darstellung einer erstenVariante eines Strahlerzeugers zur Durchführung des Verfahrens,
    [0025] 3 einezweite Variante mit einem SHG-Ausgang,
    [0026] 4 einedritte Variante eines Strahlerzeugers und
    [0027] 5 eineweitere Variante mit einem SHG-Ausgang.
    [0028] 1 zeigtdas Verfahren zur Erzeugung eines „truncated Bessel beam" gemäß der Erfindung schematischin vier Schritten. Im Schritt a wird mit Hilfe einer Lichtquelleund einem strahlformenden Element, z.B. einem Axicon, ein Besselstrahl 1 erzeugt. (Inden 2 bis 4 sind derartigeAxicons 6, 7, 8 in schematischen Darstellungengezeigt). Charakteristisch fürden Besselstrahl 1 sind ein zentraler Strahlbereich 2 miteinem hohen Intensitätsmaximum undein Strahlbereich 3 mit den zentralen Strahlbereich 2 ringförmig umgebendenMaxima, die in ihrer Intensitätnach außenabnehmen. Der äußere Strahlbereich 3 lässt sich,wie Schritt b zeigt, durch eine Lochblende 4 abschatten.Wie zum Schritt c dargestellt ist, kann man eine Selbstapodisationerreichen, wenn die Lochblende 4 eine Größe einnimmt,bei der das Loch mit seinem Rand im ersten Minimum des Besselverteilungliegt.
    [0029] Diein den äußeren Strahlbereich 3 abgestrahlteEnergie ist hinter der Lochblende 4 verloren. Erfindungsgemäß wird der äußere Strahlbereich 3 desBesselstrahls 1 deshalb so umgelenkt, dass er in den zentralenStrahlbereich 2 eingekoppelt werden kann. Das geschiehtnach diesem ersten Ausführungsbeispiel,indem die Lochblende 4 verspiegelt und im Bereich der Strahlerzeugungein weiterer Spiegel 5 angeordnet wird. Der Abstand derverspiegelten Lochblende 4 zum Spiegel 5 ist so eingerichtet,dass diese eine resonante Struktur einnehmen und ein Photonenrecyclingmit einer Resonanzüberhöhung stattfindet.Die Photonen werden in den zentralen Strahlbereich 2 eingekoppelt.
    [0030] 2 zeigt schematisch die Anordnung einesentsprechenden Strahlformers ohne (a) und mit (b) dem Resonator.Die Darstellung in 2a dient nur zur Illustrationwesentlicher Voraussetzungen für dieBeschreibung der erfindungsgemäßen Anordnungenin den 2b und folgenden.
    [0031] Voneiner hier nicht dargestellten Lichtquelle wird ein Axicon 6 mitkollimierter Strahlung beleuchtet. Die Strahlformung zu einem Besselstrahl 1 erfolgt durchweitere Axicons 7 und 8, die in ihrem Abstand zumAxicon 6 verstellbar sind, so dass der Strahldurchmesserverändertwerden kann. Statt mit refraktiven Axicons könnte eine solche Anordnung auchmit reflektiven Axicons aufgebaut werden. Wird ein ringförmiger,konvergenter Strahl mit einer Anordnung aus refraktiven Axicons(Axicons 6, 7, 8) erzeugt und durch räumlicheund zeitliche Überlagerungderart zur Interferenz gebracht, daß in einer axial ausgedehntenZone, (nachfolgend Besselzone 10a genannt) ein Besselstrahl 1 oderein Pseudo-Besselstrahl entsteht, und das zentrale Maximum der Bessel-Verteilungdurch eine Lochblende 9 ausgekoppelt, erhält man einenin der Fachliteratur als "truncatedBessel beam" bezeichneteBesselzone l0b mit nur einem einzigen Maximum. Die Besselzone 10b erfährt minimaleBeugung, wenn der Blendendurchmesser mit dem ersten Minimum derBesselverteilung zusammenfällt.Diese Anordnung wirkt somit vorteilhafterweise selbst-apodisierend.
    [0032] TypischeIntensitätsverteilungenI1(x) und I2(x)der Besselzonen 10a und 10b sind schematisch inden angefügtenKästenals radiale Schnittfunktionen dargestellt.
    [0033] DerNachteil dieser Anordnung ist, daß die Energie der Ringe außerhalbdes zentralen Maximums nicht genutzt wird, sofern entsprechend der Winkelund Wellenlängemehrere Ringe entstehen.
    [0034] Wiebereits zu 1d erklärt, wird dieses Problem, wiein 2b dargestellt, dadurch gelöst, daß ein Besselstrahl 1 ineinem teleskopartigen optischen System mit den Spiegeln 4a, 4b derartumgeformt wird, daß dienicht dem zentralen Maximum zugehörigen Anteile der Strahlung(Strahlbereich 3) in den zentralen Bereich 2 derBesselzone 10a umgelenkt und ebenfalls ausgekoppelt werdenund so eine bezüglichIntensitätsverteilungund (bei gepulsten Lichtquellen) Pulsenergie modifizierte Besselzone (Überlagerungder Besselzonen l0b und 10c) erzeugen. Durch geeigneteWahl der Anordnung werden bei der Überlagerung kleine Winkel eingestellt,was die Erzeugung extrem ausgedehnter Bessel-Zonen (Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis) erlaubt.Nach 2b ist die Lochblende 4 als ein Spiegel 4a miteinem mittigen Loch und einer Krümmungf1(x) ausgebildet, so dass die Strahlendes Strahlbereichs 3 reflektiert werden und dann von einemweiteren Spiegel 4b mit der Krümmung f2(x)nach erneuter Reflexion in den zentralen Strahlbereich 2 desBesselstrahls 1 eingekoppelt werden. Dieser passiert dasLoch des Spiegels 4a. Eine der beiden vorzugsweise reflektivenTeleskopkomponenten (Spiegel 4a und 4b) oder beideKomponenten zugleich sind als adaptive Elemente ausgelegt (in derZeichnung beide Elemente), was überdie Veränderungdes oder der ortsabhängigenKrümmungsradienf1(x) und f2(x)des Wellenfeldes eine Optimierung der Strahltransformation und damiteine Maximierung der Effizienz des Strahlungsrecyclings erlaubt.Die in zwei Richtungen weisenden Pfeile an den Spiegeln 4a und 4b symbolisierendie Variation der axialen Positionen, wozu beispielsweise Piezotranslatoreneingesetzt werden können.Dadurch kann die Laufzeit zwischen den Spiegeln 4a und 4b soeingestellt werden, daß imFalle von Zügen ausvielen aufeinanderfolgenden ultrakurzen Impulsen bei verschiedenenPulsabständeneine Phasensynchronisation der zur Überlagerung gebrachten Impulseerreicht wird.
    [0035] Dieangedeuteten Intensitätsverteilungen I3(x) und I4(x) sollenveranschaulichen, daß imVergleich zur in 2a dargestellten Anordnung wesentlichhöhereIntensitätenerreicht werden.
    [0036] 3 zeigtein zweites Ausführungsbeispiel. DerBesselstrahl 1 wird in einen externen Resonator hoher Güte, bestehendaus den konischen Elementen 4c und 4d, derarteingekoppelt, daß durchResonanzüberhöhung ("resonance enhancement") eine hochintensiveBesselzone 10a erzeugt wird. Die Einkopplung erfolgt durchgeeignete Phasenanpassung wie aus entsprechenden Anordnungen bekanntist (Jurdik et al., JOSA B 19, 1660, 2002 und dort zitierte Literatur).Dazu müssendie Positionen der Elemente 4c oder 4d oder beiderElemente mittels eines oder mehrerer Phasensteller (vorzugsweisePiezotranslatoren) und eines (nicht dargestellten) passenden Detektionssystems(wie einer Hänsch-Couillaud-Anordnung,Hänschet al., Opt. Commun. 35, 441, 1980) optimal positioniert werden.Die Komponenten bilden einen Resonator für die Fundamentalwellenlänge. DieAuskopplung des zentralen Maximums erfolgt am teilreflektierendenoder hochreflektierenden zentralen Teil eines schräg in dieBesselzone 10a eingebrachten Spiegels 4e. ÄhnlicheAuskoppelanordnungen sind von selbstfilternden instabilen Resonatoren ("self-filtering unstableresonators", SFURbzw. "generalizedself-filtering unstable resonators", GSFUR) bekannt, wobei dort typischerweisein umgekehrter Geometrie eine Ringauskopplung an einem sogenannten "Scraper Mirror" erfolgt, während derGrundmode durch ein Loch geführtwird und im Resonatorinneren verbleibt (s. z.B. Bollanti et al.,Opt. Commun. 209, 383-389, 2002 und dort zitierte Literatur, F. D'Amato et al., Opt.Commun. 76, 121, 1990). In den ausgekoppelten Teil des Besselstrahls 1,Besselzone 10b, wird ein SHG-Kristall 9 gebracht,der (wie in der Zeichnung angedeutet) vorteilhafterweise zur Reflexverminderungan seiner Ein- und Austrittsflächeim Brewsterwinkel angeschliffen ist.
    [0037] Über denAbstand der Elemente 4c, 4d kann auch die Formder Besselzonen 10a und 10b beeinflusst werden.Die Elemente 4c, 4d können ferner als adaptive Spiegelwie flexible (deformierbare) oder facettierte Reflektoren ausgebildetsein, was eine feinere Strahloptimierung erlaubt. Die Außenbereiche desSpiegels 4e sind mit einer hochwertigen Antireflexionsschichtfür dieFundamentalwellenlängeversehen. Der Durchmesser des auskoppelnden zentralen Spiegelteilsist dem ersten Minimum der Besselverteilung angepasst und entsprechendder Schrägstellungdes Spiegels 4e (vorzugsweise 45°) von elliptischer Form.
    [0038] In 4 istein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt.Die Anordnung in 4 ist in der Funktionsweise ähnlich deraus dem Ausführungsbeispiel gemäß 3,wobei der Aufbau wesentlich einfacher gestaltet ist.
    [0039] DerResonator wird von drei Elementen gebildet. Erstes Element ist einebener Spiegel 4h mit Loch zum Auskoppeln. Die Elemente 4f und 4g können adaptivgeformt werden und sind ebenfalls mittels Piezotranslatoren positionierbar.Der Rand des auskoppelnden zentralen Strahlbereichs 2,Besselzone 10a, kann zusätzlich mit einer ortsvariablenReflexions- bzw. Transmissionsfunktion versehen sein (dielektrischerSpiegel bzw. Blende mit Ortsverlauf zur weiteren Apodisation).
    [0040] DieAnordnung gemäß 5 arbeitetebenfalls mit Resonanzüberhöhung. Dargestelltist ein sogenannter Bow-tie-Resonator,bei dem zwei Spiegel 4k, 4l als Axicon-Spiegelausgelegt sind, die "konfokal" angeordnet sind.Das bedeutet hier eine gemeinsame Besselzone 10 (in Analogiezu einem gemeinsamen Fokus bei echt konfokalen Anordnungen mit Gaußstrahlen).In der Besselzone 10 wird ein entspiegelter SHG-Kristall 11 angeordnet.Der erzeugte SHG-Strahl (second harmonic generation) wird über diezentrale Zone des dichroitischen Spiegels 4l ausgekoppelt,welche eine hohe Ref lexion fürdie Fundamentalwellenlänge,jedoch eine hohe Transmission fürdie SHG-Wellenlängeaufweist. Die äußeren Strahlbereiche 3 desBesselstrahls 1 werden am Spiegel 4l reflektiertund weiter überdie Spiegel 4i, 4j so umgelenkt, dass sie denzentralen Bereich verstärken.Spiegel 4j wird durch einen Piezotranslator in Verbindungmit einer phasenempfindlichen Detektoranordnung und einer Regelschleife(nicht dargestellt) bezüglichder Phasenlage geregelt (Hänschet al., Opt. Commun. 35, 441, 1980). In einer speziellen Auslegungder Anordnung könnendie Spiegel 4i, 4j und 4k ebenso für die SHG-Wellenlänge hochreflektierendsein.
    [0041] Für eine Anordnungfür extremkurze Impulse eines Titan-Saphir-Laserswird zur periodischen Auskopplung der Fundamentalen zweckmäßig zusätzlich einStrahldumper wie eine Bragg-Zelle oder weitere optische Komponentenzur Strahlmodulation benutzt. Hierbei kann sich der SHG-Kristall 11 auch außerhalbdes Resonators befinden.
    [0042] Beiultrakurzen Impulsen müssendie Spiegelschichten bezüglichder Fundamentalwellenlänge sehrbreitbandig sein.
    [0043] Ineiner Variante dieses Ausführungsbeispiels(nicht gezeigt) erfolgt eine ortsabhängige Spektralformung mit zusätzlichendispersiven Elementen, vorzugsweise ortsvariablen Multilayer-Spiegeln, derart,daß ineinem nichtlinearen Medium wie einem SHG-Kristall X-Pulse entstehen(analog zu Piché etal., Proc. SPIE 3611, 332, 1999) und als Solitonen durch diesesMedium hindurch propagieren. Dadurch werden dispersionsbedingte Verlusteminimiert. Die Spektralformung muss an das ortsabhängige Winkelspektrumim Resonator und die Materialdispersion des Kristalls genau angepasstsein.
    [0044] Beieiner weiteren Variante zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 (ohneZeichnung) könnennichtlineare Konversionsprozesse höherer als zweiter Ordnung verwendetwerden. Vorzugsweise wird dabei die ringförmige Abstrahlung einer Hohlfaserzur Erzeugung der Besselzone benutzt und ein geeignetes Gas in einerGaszelle (z.B. Argon) über Multiphotonenprozessezur kurzwelligen Emission angeregt.
    1 Besselstrahl 2 ZentralerStrahlbereich 3 Äußerer Strahlbereich 4 Lochblende 5 Spiegel 6 Axicon 7 Axicon 8 Axicon 9 SHG-Kristall 10 Besselzone 10a Besselzone l0b Besselzone 11 SHG-Kristall 4a, bSpiegel 4c, dkonisches Element 4e Spiegel 4f, gElement 4h Spiegel 4i, jSpiegel 4k, lSpiegel
    权利要求:
    Claims (19)
    [1] Verfahren zur Leistungserhöhung von optischen Strahlformernmit einer Strahlungsquelle, vorzugsweise einem Laser mit ultrakurzerPulsdauer, mindestens einem strahlformenden Element, das den Lichtstrahlin einen Strahl mit einer Bessel- oder Pseudo-Bessel-Intensitätsverteilungformt, und einem Auskopplungselement, das nur den zentralen Bereichdes Besselstrahls reflektiert oder transmittiert, dadurch gekennzeichnet,dass der außerhalb deszentralen Bereichs des Besselstrahls vorhandene Strahlungsbereichmittels eines Resonators nach ein- oder mehrfacher Umlenkung inden zentralen Bereich des Besselstrahls eingekoppelt wird.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Längedes Strahlweges im Resonator der Folgefrequenz oder ganzzahligenVielfachen der Folgefrequenz der Impulse des Strahlungsquelle angepasstwird.
    [3] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass der Winkel des umgelenkten Strahlbereichs verstellt wird.
    [4] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass der Besselstrahl innerhalb oder außerhalb des Resonators durchein nichtlineares Medium in seiner Frequenz konvertiert wird.
    [5] Optischer Strahlformer mit einer Strahlungsquelle,vorzugsweise einem Laser mit ultrakurzer Pulsdauer, mindestens einemstrahlformenden Element (6, 7, 8, 9, 11),das den Lichtstrahl in einen Strahl (1) mit einer Bessel-oder Pseudo-Bessel-Intensitätsverteilungformt, und einem Auskopplungselement (4, 4e, 4h, 4l),das nur den zentralen Bereich des Besselstrahls reflektiert odertransmittiert, zur Durchführungdes Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass im Strahlengang des Strahlformers ein Resonator angeordnetist, bestehend aus einem optischen System, bei dem ein Element alsAuskopplungslement (4a, 4e, 4h, 4l)und mindestens ein weiteres Element (4b, 4c, 4d, 4f, 4g, 4i, 4j, 4k)für dieUmlenkung des den zentralen Bereich (2) des Besselstrahl(1) umgebenden äußeren Strahlbereichs(3) und Einkopplung in den zentralen Bereich (2)des Besselstrahls (1) ausgebildet ist.
    [6] Optischer Strahlformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,dass das Auskopplungselement ein Spiegel (4a, 4h)mit einer Apertur ist.
    [7] Optischer Strahlformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,dass der Rand der Apertur in das erste Intensitätsminimum des Besselstrahls(1) fällt.
    [8] Optischer Strahlformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,dass das Auskopplungselement ein winklig in den Strahlengang desBesselstrahls (1) gestellter, nur dessen zentralen Strahlbereich(2) reflektierender Spiegel (4e) ist.
    [9] Optischer Strahlformer nach einem der Ansprüche 5 bis8, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskoppelelement ein Lichtwellenleiterist.
    [10] Optischer Strahlformer nach einem der Ansprüche 5 bis9, dadurch gekennzeichnet, dass das Element für die Umlenkung des äußeren Strahlbereichs(3) des Besselstrahls (1) ein Spiegel (4a, 4b, 4c, 4d, 4f, 4g, 4h, 4i, 4j, 4k, 4l)ist.
    [11] Optischer Strahlformer nach Anspruch 5, dadurchgekennzeichnet, dass der Resonator aus einem den außerhalbdes zentralen Bereichs (2) des Besselstrahls (1)vorhandenen Strahlbereich (3) reflektierenden, eine Aperturfür denzentralen Bereich (2) des Besselstrahls (1) aufweisendenersten Spiegel (4a) und mindestens einem weiteren Spiegel(4b) besteht, wobei der im Strahlengang letzte dieser Spiegel(4b) das den Strahl in den zentralen Bereich (2)des Besselstrahls (1) einkoppelnde Element ist.
    [12] Optischer Strahlformer nach Anspruch 5, dadurchgekennzeichnet, dass der Resonator aus einem einen Strahlungsdurchlassdurch Phasenanpassung erlaubenden ersten Spiegel (4d),einem zweiten Spiegel (4c) und einem zwischen diesen Spiegeln(4d; 4c) positionierten, winklig zum Strahlverlauf angeordneten,teilreflektierenden dritten Spiegel (4e) besteht.
    [13] Optischer Strahlformer nach Anspruch 11 oder 12,dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Auskoppelelement ein SHG-Kristall (9)in den Strahlengang des Besselstrahls (1) eingebracht ist.
    [14] Optischer Strahlformer nach Anspruch 5, dadurchgekennzeichnet, dass der Resonator aus einem optischen System vonmehreren ringförmigangeordneten, hochreflektiven Spiegeln (4i, 4j, 4k, 4l) besteht,einer der Spiegel (4i) zur Lichteinkopplung schwach teildurchlässig ist,zwei der Spiegel (4k, 4l) eine reflektive Axicon-Formaufweisen, zwischen denen ein nichtlineares Medium angeordnet istund die Auskopplung überden zentralen Bereich eines der Axicon-Spiegel (4l) erfolgt.
    [15] Strahlformer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,dass das nichtlineare Medium ein SHG-Kristall (11) ist.
    [16] Strahlformer nach einem der Ansprüche 5 bis 15,dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Spiegel (4a, 4b, 4c, 4d)des Resonators bezüglichdes Abstandes der Spiegel (4a, 4b, 4c, 4d)zueinander verstellbar ist.
    [17] Strahlformer nach einem der Ansprüche 5 bis 16,dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Spiegel (4a, 4b)des Resonators zur Einstellung des Reflexionswinkels deformierbarist.
    [18] Strahlformer nach einem der Ansprüche 5 bis 16,dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Spiegel facettiertist.
    [19] Strahlformer nach einem der Ansprüche 5 bis 17,dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Besselstrahls (1)zusätzlichortsvariable Multilayer-Spiegel zur ortsabhängigen Spektralformung angeordnetsind.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004011190B4|2006-11-16|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-09-22| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2007-05-16| 8364| No opposition during term of opposition|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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