DE10203864A1 - Verfahren zur Amplituden- und/oder Phasenmodulation breitbandiger Laserimpulse sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Aufgabe war es, mit möglichst geringem Aufwand für eine programmierbare Laserimpulsformung sowohl eine Phasen- als auch eine Amplitudenmodulation ultrakurzer Laserimpulse im Spektralbereich mindestens vom VUV bis IR zu ermöglichen. DOLLAR A Der zu realisierende Laserimpulsformer soll hochauflösend, möglichst schnell und kompakt (miniaturisierbar) sein, eine hohe Zerstörschwelle aufweisen und die Möglichkeit der Realisierung von Phasensprüngen bieten. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird das im Laserstrahl (1) enthaltene Laserimpulsspektrum in mindestens zwei Teilstrahlbündel aufgeteilt, die in örtlich getrennte Fourierebenen mit jeweils räumlicher Verteilung der enthaltenen spaktralen Komponenten abgebildet werden. Jedes Teilstrahlbündel kann in der entsprechenden Fourierebene jeweils durch Beeinflussung seiner spektralen Bestandteile unabhängig moduliert werden. Nach jeweiliger Phasenmodulation der Teilstrahlbündel werden diese wieder überlagert und zu einem gemeinsamen Laserstrahl (18) kollimiert, dessen Impulse auf diese Weise je nach Art der Spektralmodulationen der Teilstrahlbündel phasen- und/oder auch amplitudenmoduliert sein können. DOLLAR A Die Erfindung dient zur Impulsmodulation von Laserlicht zur Beobachtung und Steuerung sehr schneller Vorgänge, wie beispielsweise molekularer Dynamik oder Plasmadynamik.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur variablen Amplituden- und/oder Phasenmodulation breitbandiger Laserimpulse, insbesondere von Femto- und Pikosekundenlaserimpulsen in den Spektralbereichen von VUV (vakuum-ultraviolett) bis IR (infrarot) sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
• Mit ultrakurzen Laserimpulsen ist es möglich, sehr schnelle Vorgänge, wie molekulare Dynamik, zu verfolgen und auch zu steuern. Die meisten photochemischen Reaktionen und auch die Dynamik von Ladungsträgern in Festkörpern laufen im Femtosekundenbereich ab. Nur Laserimpulse, die eine kürzere oder zumindest eine ähnliche Impulsdauer wie die zu untersuchenden oder zu beeinflussenden Vorgänge haben, eignen sich zur Beobachtung und Steuerung solcher Prozesse (J. Manz, L. Wöste: Femtosecond Chemistry, VCH, Weinheim, 1994).
• Ein Vorteil dieser ultrakurzen Laserimpulse besteht auch darin, dass es mit ihnen möglich ist, sehr hohe Spitzenintensitäten bei vertretbaren Impulsenergien zur Verfügung zu stellen. Hohe Lichtintensitäten werden beispielsweise zur Anregung nichtlinearer optischer Prozesse benötigt. Ihre Verfügbarkeit ist daher eine Grundvoraussetzung für die Forschung auf dem Gebiet der nichtlinearen Optik (R. W. Boyd: Nonlinear Optics, Academic Press, Boston, 1992 oder J. C. Diels, W. Rudolph: Ultrashort Laser Pulse Phenomena, Academic Press, Boston, 1996).
• Mit Hilfe höchster Lichtintensitäten, wie sie ultrakurze Laserimpulse bereitstellen, ist es sogar möglich, Materie teilweise oder vollständig zu ionisieren, d. h. Plasmen zu erzeugen und zu untersuchen. Diese Möglichkeit wird in der Hochintensitätslaserphysik genutzt. Dabei kann Materie auch so hohen Lichtintensitäten ausgesetzt werden, wie sie sonst unter irdischen Bedingungen nicht auftreten.
• Ultrakurze Laserimpulse finden zunehmend auch Anwendung beispielsweise zur Informationsübertragung (A. M. Weiner et. al.: "Encoding and decoding of femtosecond pulses", Optics Letters 13, 1988, 300), im Bereich der nichtlinearen Mikroskopie (US 5,034,613 oder J. A. Squier et. al.: "Third harmonic generation microscopy", Optics Express 3, 1998, 315), sowie zur Materialbearbeitung (F. Korte et. al.: "Sub-diffraction limited structuring of solid targets with femtosecond laser pulses", Optics Express 7, 2000, 41).
• Die große Bandbreite ultrakurzer Laserimpulse bietet darüber hinaus die Möglichkeit der Laserimpulsformung mittels Amplituden- und Phasenmodulation durch räumliche Modulation der Spektralanteile in einer Fourierebene (US 4,655,547 oder A. M. Weiner: "Femtosecond pulse shaping using spatial light modulators", Review of Scientific Instruments, 71, 2000, 1929). Abgesehen davon, existiert auch die Möglichkeit, Laserimpulse zu formen, indem man diese mittels einer Anzahl von Strahlteilern in mehrere Anteile aufteilt, diese unterschiedlich verzögert und anschließend wieder rekombiniert (US 5,148,318). Dieser Ansatz, ohne Verwendung einer Fouriertransformation und ohne direkte Beeinflussung spektraler Anteile, hat aber den wesentlichen Nachteil, keine hochauflösende, programmierbare Laserimpulsformung zu erlauben und insbesondere keine unabhängige Amplituden- und Phasenmodulation zu ermöglichen. Die Phasenmodulation findet derzeit hauptsächlich Anwendung zur Dispersionskontrolle kurzer Laserimpulse. Dies ist insbesondere zur Erzeugung kürzester Laserimpulse im Bereich unterhalb 10 fs erforderlich, wozu, bis auf wenige Ausnahmen (N. Karasawa et. al.: "Optical pulse compression to 5.0 fs by use of only a spatial light modulator for phase compensation", Journal of the Optical Society of America B, 18, 2001, 1742), meist unveränderliche, phasenmodulierende dielektrische Laserspiegel verwendet werden (US 5,734,503).
• Bei Lasern, Laserverstärkern und anderen Einrichtungen, in denen ultrakurze Laserimpulse Anwendung finden, werden zunehmend auch variable Amplituden- und Phasenmodulatoren eingesetzt, um die spektrale und zeitliche Struktur an die gewünschte Aufgabenstellung anzupassen (DE 199 30 532 A1 oder A. Efimov et. al.: "Minimization of dispersion in an ultrafast chirped pulse amplifier using adaptive learning", Applied Physics B 70, 2000, 133).
• Die Kontrollierbarkeit der zeitlichen Struktur ultrakurzer Laserimpulse kann zur Steuerung und Vergrößerung physikalischer Effekte genutzt werden, wie beispielsweise zur Erhöhung der Ausbeute weicher Röntgenstrahlen aus lasererzeugten Plasmen (T. Feurer: "Feedback-controlled optimization of soft-X-ray radiation from femtosecond laserproduced plasmas", Applied Physics B 68, 1999, 55).
• Eine an Bedeutung zunehmende Anwendung der Amplituden- und Phasenmodulation ultrakurzer Laserimpulse besteht in der Kontrolle schneller Molekülreaktionen mittels speziell geformter Laserimpulse (D. Meshulach, Y. Silberberg: "Coherent quantum control of multiphoton transitions by shaped ultrashort optical pulses", Physical Review A, 60, 1999, 1287). Da die Zusammenhänge zwischen der Laserimpulsanregung und Molekülreaktion sehr komplex sind, kommen dabei vorrangig variable Amplituden- und Phasenmodulatoren in Kombination mit selbstlernenden Algorithmen zum Einsatz (US 6,327,068 oder T. Hornung et. al.: "Optimal control of one- and two-photon transitions with shaped femtosecond pulses and feedback", Applied Physics B 71, 2000, 277). Diese Kombination erlaubt es, selbstständig eine optimale Laserimpulsform zu ermitteln, um eine gestellte Aufgabe zu lösen, wie z. B. die Erzeugung eines bestimmten Produkts bei einer photochemischen Reaktion. Zur Kontrolle von Molekülreaktionen sind besonders die gezielte Anregung elektronischer Übergänge mittels UV- und VUV- Laserimpulsen oder Molekülschwingungsmoden mittels IR-Laserimpulsen geeignet.
• Konventionelle variable Laserimpulsformer auf der Basis von Flüssigkristallmatrizen (M. Wefers, K. Nelson: "Analysis of programmable ultrashort waveform generation using liquid-crystal spatial light modulators", Journal of the Optical Society of America B, 12, 1995, 1343) oder akustooptischen Kristallen (US 5,526,171, US 6,072,813) erlauben zwar Phasen- und/oder Amplitudenmodulationen, bieten jedoch nur einen sehr beschränkten Transparenzbereich, der im VIS (sichtbarerer Spektralbereich) bis NIR (naher Infrarotbereich) liegt. Sie sind deshalb beispielsweise für die angestrebten Molekülanregungen ungeeignet.
• Diese konventionellen, variablen Laserimpulsformer besitzen aber noch weitere Nachteile. Beispielsweise tritt bei diesen transmissiven räumlichen Lichtmodulatoren immer eine unerwünschte Phasenmodulation infolge der Materialdispersion auf, die kompensiert werden muss. Konventionelle Flüssigkristallmatrizen erlauben höchstens Repetionsraten im Bereich von etwa 100 Hz und sind daher nicht optimal für den Einsatz mit Lasern mit Repetitionsraten beispielsweise im kHz-Bereich geeignet. Akustooptische Kristalle als Modulatoren sind zwar schneller, bieten aber im Vergleich mit Flüssigkristallmatrizen wiederum nur eine geringe Effizienz (typisch 30%), eine niedrige Zerstörschwelle (typisch 100 MW), einen sehr eingeschränkten nutzbaren Spektralbereich (typisch 480 nm bis 1 µm) und benötigen eine aufwendige Erzeugung geformter Hochspannungsimpulse zur Ansteuerung des Kristalls.
• Um den für die Anregung mit modulierten Laserimpulsen zugänglichen Spektralbereich zu erweitern, wurden auch Anstrengungen unternommen, mit konventionell geformten Laserimpulsen Frequenzkonversionen durchzuführen. Dies erfolgte durch Summen- und Differenzfrequenzmischverfahren (M. Hacker et. al.: "Programmable femtosecond laser pulses in the ultraviolet", Journal of the Optical Society of America B, 18, 2001, 866 oder T. Witte et. al.: "Programmable amplitude- and phase-modulated femtosecond laser pulses in the mid-infrared", Optics Letters 27, 2002, 131), die jedoch sehr aufwendig und uneffizient sind. Diese Verfahren beschränken auch deutlich den Bereich der erzielbaren Laserimpulsformung, da Verluste von Modulationsinformationen während der Mischprozesse unvermeidbar sind. Es wurde auch versucht, durch Ausnutzung molekularer Effekte (M. Wittmann et. al.: "Synthesis of periodic femtosecond pulse trains in the ultraviolet by phase-locked Raman sideband generation", Optics Letters 26, 2001, 298) oder speziell hergestellter nichtlinearer Kristalle (G. Imeshev: "Ultrashort-pulse second-harmonic generation with longitudinally nonuniform quasi-phasematching gratings: pulse compression and shaping", Journal of the Optical Society of America B, 17, 2000, 304), modulierte Lichtimpulse im UV-Bereich direkt zu erzeugen, was aber sehr aufwendig ist und nicht die Erzeugung variabler, sondern nur ganz bestimmter Laserimpulsformen erlaubt.
• Die einzigen bekannten Ansätze zu einer direkten Formung ultrakurzer Laserimpulse, die in allen Spektralbereichen vom VUV bis in das IR anwendbar sind, bestehen in der Phasenmodulation unter Anwendung deformierbarer Spiegel (E. Zeek et. al.: "Pulse compression by use of deformable mirrors", Optics Letters 24, 1999, 493) oder einer Anordnung verkippbarer Quarzplättchen (A. Suda et. al.: "A spatial light modulator based on fused-silica plates for adaptive feedback control of intense femtosecond laser pulses", Optics Express 9, 2001, 2) als räumliche Lichtmodulatoren.
• Beiden Ansätzen ist gemein, dass sie ausschließlich Phasenmodulationen erlauben und keine Möglichkeit zur Amplitudenmodulation bieten. Außerdem besitzen sie im Vergleich zu phasenretardierenden Flüssigkristallmatrizen, mit derzeit bis zu 640 Streifen (G. Stobrawa et. al.: "A new high-resolution femtosecond pulse shaper", Applied Physics B 72, 2001, 627), nur eine sehr geringe räumliche Auflösung (10 bis 20 Streifen). Dies verursacht eine starke Einschränkung der erzielbaren Laserimpulsmodulationen.
• Die Anordnung unter Verwendung verkippbarer Quarzplättchen ist mechanisch sehr aufwendig und erlaubt nur Repetitionsraten im Bereich von 10 Hz.
• Bei den deformierbaren Spiegeln übernimmt eine reflektierende Membran die Aufgabe, die Oberflächenform zwischen den einzelnen Stützpunkten zu glätten. Deshalb können mit dieser Art von Modulatoren zwar gleichmäßige Phasemodulationen erzeugt werden, aber keine Phasensprünge dargestellt werden. Dies ist von Nachteil, da unter Verwendung von Phasensprüngen auf Grund der 2π-Periodizität von Phasenfunktionen auch Phasenmodulationen mit sehr großen Anstiegen darstellbar sind, die ansonsten den Maximalphasenhub des Modulators übersteigen würden. Der Bereich der darstellbaren Phasenfunktionen ist deshalb weiter beschränkt.
• Wegen großer Probleme bei der direkten und indirekten Laserimpulsformung in den Spektralbereichen UV und IR konnten daher variable elektronische Anregungen von Molekülen und Atomen mit geformten Laserimpulsen bisher nur über Mehrphotonenprozesse erzielt werden (D. Meshulach, Y. Silberberg: Coherent quantum control of two- photon transitions by a femtosecond laser pulse", Nature 396, 1998, 239), die allerdings sehr hohe Laserimpulsintensitäten benötigen und ebenfalls nicht effektiv sind. Die mit den hohen Lichtintensitäten verbundenen, sehr hohen Feldstärken bewirken zudem auch störende Effekte, wie die Verschiebung von Absorptionslinien infolge des Stark-Effektes.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, mit möglichst geringem Aufwand für eine programmierbare Laserimpulsformung unabhängig voneinander, sowohl eine Phasen- als auch eine Amplitudenmodulation ultrakurzer Laserimpulse im Spektralbereich mindestens vom VUV bis IR zu ermöglichen.
• Der zu realisierende Laserimpulsformer soll hochauflösend, möglichst schnell und kompakt (miniaturisierbar) sein, eine hohe Zerstörschwelle aufweisen und die Möglichkeit der Realisierung von Phasensprüngen bieten.
• Erfindungsgemäß wird das im Laserstrahl enthaltene Laserimpulsspektrum in mindestens zwei Teilstrahlbündel aufgeteilt, die in örtlich getrennte Fourierebenen mit jeweils räumlicher Verteilung der enthaltenen spektralen Bestandteile abgebildet werden. Jedes Teilstrahlbündel kann in der entsprechenden Fourierebene jeweils durch Beeinflussung seiner spektralen Bestandteile unabhängig moduliert werden. Diese Modulation wird in der Regel, insbesondere in Anbetracht des in der Aufgabe zur Erfindung festgelegten großen Spektralbereiches, jeweils eine Phasenmodulation sein. Zumindest für einzelne Spektralbereiche (beispielsweise im VIS und NIR) ist aber auch mit dem heutigen Stand der Technik eine Amplitudenmodulation bzw. eine gleichzeitige Phasen- und Amplitudenmodulation realisierbar und somit nicht auszuschließen. Nach jeweiliger Modulation der Teilstrahlbündel werden diese wieder überlagert und zu einem gemeinsamen Laserstrahl kollimiert, dessen Impulse auf diese Weise infolge der interferometrischen Überlagerung der getrennt modulierten Teilstrahlbündel (je nach Art der einzelnen Modulationen) phasen- und/oder amplitudenmoduliert sein können. Dabei ist es von großem Vorteil, dass durch geeignete und schon mit gegenwärtig verfügbaren reflektiven Modulatoren aufwandgering zu realisierende Phasenmodulationen in den örtlich getrennten Fourierebenen nach Überlagerung der unabhängig phasenmodulierten Spektralanteile ein kollimierter Laserstrahl erhalten wird, dessen Spektralkomponenten amplitudenmoduliert sind.
• Zur Abbildung der im Laserstrahl enthaltenen spektralen Bestandteile in die örtlich getrennten Fourierebenen und zur Kollimierung der Spektralbestandteile zum ausgangsseitigen Laserstrahl können Kombinationen an sich bekannter dispersiver optischer Elemente, wie Beugungsgitter oder Prismen, und fokussierender optischer Elemente, wie Linsen oder Hohlspiegel, Verwendung finden. Zur Strahltrennung und Vereinigung der Teilstrahlen werden ebenfalls an sich bekannte optische Elemente, wie teildurchlässige Spiegel (beispielsweise Substrate mit teildurchlässiger Beschichtung) eingesetzt, die vorzugsweise für Strahltrennungs- und -vereinigungsfunktion gemeinsam nutzbar sind. Auch die funktionelle Reihenfolge in der Anordnung dieser besagten optischen Elemente zur Abbildung der Spektralkomponenten von separierten Teilstrahlbündeln in örtlich getrennte Fourierebenen sowie zur ausgangsseitigen Überlagerung und Kollimierung zu einem vereinigten spektral modulierten Laserstrahl kann im speziellen konstruktiven Aufbau einer solchen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens unterschiedlich realisiert sein.
• Als programmierbare, räumliche Phasenmodulatoren können vorzugsweise reflektierende Mikrospiegelarrays verwendet werden, die jeweils einstellbare optische Reflexionswege für die einzelnen Spektralbereiche der Teilstrahlen realisieren (US 6,259,550 oder US 6,329,738). Derartige Mikrospiegelarrays sind hochauflösend (gegenwärtig mindestens 256 Reflektorelemente) und mit geeigneten reflektiven Beschichtungen (dielektrisch und/oder metallisch) über einen weiten Spektralbereich einsetzbar. Sie sind sehr schnell (bis zu 30 kHz) und bieten die Möglichkeit der Realisierung von Phasensprüngen, da sich die einzelnen Mikrospiegel unabhängig einstellen lassen. Werden stetige, möglichst glatte Phasenmodulationen mit vergleichsweise geringen maximalen Phasenverschiebungen benötigt, können aber auch konventionelle deformierbare Spiegel mit einer beschichteten Membran verwendet werden. Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sind somit relativ aufwandgering realisierbar.
• Prinzipiell werden mit dem Verfahren gleichzeitig eine Vielzahl von Interferometern realisiert, in denen spektrale Komponenten einzeln interferometrisch mit sich selbst überlagert werden können. In jedem dieser Interferometer sind die Interferometerarmlängen unabhängig voneinander einstellbar.
• Wird nun in einem dieser Interferometer eine optische Wegdifferenz zwischen den Interferometerarmen eingeführt, so kann eine damit verbundene destruktive oder konstruktive Interferenz am Ausgang der Vorrichtung dazu genutzt werden, die spektrale Intensität derjenigen spektralen Komponente zu variieren, welche dieses Teilspektrometer durchsetzt. Damit ist eine Amplitudenmodulation der Spektralkomponenten möglich.
• Eine Variation des Mittelwertes der optischen Armlängen eines einzelnen Interferometers, insbesondere auch unter Beibehaltung der optischen Wegdifferenz zwischen den Interferometerarmen, führt zu einer Phasenverschiebung der dieses Teilspektrometer durchsetzenden spektralen Komponente. Damit ist eine Phasenmodulation der Spektralkomponenten möglich.
• Somit ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl eine Amplituden- als auch Phasenmodulation bereits unter Verwendung von reflektiven und extrem breitbandigen räumlichen Lichtmodulatoren möglich, wobei der nutzbare Spektralbereich mindestens vom IR bis zum VUV reicht und nur durch die verfügbaren reflektiven Beschichtungen begrenzt wird. Die Beschichtungen begrenzen mit ihren Zerstörschwellen auch den nutzbaren Intensitätsbereich, da eine Amplitudenmodulation ausschließlich über einen interferometrischen Effekt erzeugt wird und außer infolge von Restabsorption keine Energiedissipation bei diesem Verfahren auftritt.
• Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
• Es zeigen:
• Fig. 1 schematische Prinzipausführung des Verfahrens
• Fig. 2 beispielhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
• Fig. 1 zeigt eine schematische Prinzipausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein Laserstrahl 1 wird mittels eines dispersiven optischen Elementes 2 in ein winkelverteiltes Spektrum 3 zerlegt. Dieses wird durch ein abbildendes optisches Element 4 in ein Strahlbündel 5 mit räumlicher Verteilung der Spektralbestandteile transformiert, welches eine Abbildung des Spektrums in einer Fourier-Ebene erzeugen würde. Das Strahlbündel 5 wird aber noch vor dieser Abbildung mittels eines Strahlteilers 6 in zwei Teilstrahlbündel 7 und 8 aufgetrennt, so dass separate Abbildungen des Spektrums in zwei räumlich getrennten Fourier-Ebenen erzeugt werden. In diesen Fourier-Ebenen befinden sich nun zwei räumliche Lichtmodulatoren 9 und 10, die einzelne Spektralkomponenten zumindest phasenmodulieren können. Die derart unabhängig modulierten Spektren werden als Teilstrahlbündel 11 und 12 nun zu einem optischen Element zur Strahlüberlagerung 13 gelenkt und interferometrisch zu einem resultierenden Strahlbündel 14 überlagert. Dieses Strahlbündel 14, welches noch immer räumlich separierte Spektralanteile aufweist, wird anschließend durch ein abbildendes optisches Element 15 in ein winkelverteiltes Spektrum 16 und durch ein dispersives optisches Element 17 wieder zu einem Laserstrahl 18 kollimiert. Dieser kollimierte ausgangsseitige Laserstrahl 18 beinhaltet nunmehr die aus der interferometrischen Überlagerung zweier getrennt zumindest phasenmodulierter Spektren resultierenden amplituden- und/oder phasenmodulierten Spektralanteile.
• Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Der Laserstrahl 1 wird auf ein Beugungsgitter 19 (vgl. dispersives optisches Element 2 in Fig. 1) gelenkt, durch welches der Laserstrahl 1 in das winkelverteilte Spektrum 3 zerlegt wird. Eine Sammellinse 20 wandelt dieses winkelverteilte Spektrum 3 in ein paralleles Strahlenbündel mit räumlicher Verteilung der Spektralkomponenten um, welches durch einen teildurchlässigen Spiegel 21 (vgl. Strahlteiler 6 aus Fig. 1) in die beiden Teilstrahlbündel (vgl. Teilstrahlbündel 7 und 8 in Fig. 1) zur Abbildung in zwei örtlich getrennte Fourierebenen geteilt wird. Der teildurchlässige Spiegel 21 kann beispielsweise durch ein Substrat mit einer für das Laserlicht halbdurchlässigen Beschichtung realisiert werden. Zur Kompensation des Strahlversatzes des am teildurchlässigen Spiegel 21 transmittierten Teilstrahlbündels wird eine Kompensationsplatte 21a in das reflektierte Teilstrahlbündel eingebracht, welche aus einem unbeschichteten Substrat besteht, dessen Material und Dicke denjenigen des teildurchlässigen Spiegels 21 entsprechen. In den beiden örtlich getrennten Fourierebenen sind zwei reflektive räumliche Lichtmodulatoren 22, 23 angeordnet, welche die auftreffenden Spektralbestandteile der durch den teildurchlässigen Spiegel 21 separierten Teilstrahlbündel, mittels einzeln in ihrer Position variabel einstellbarer Reflektorelemente 22a und 23a nach unterschiedlichen optischen Weglängen reflektieren. Als räumliche Lichtmodulatoren 22, 23 eigenen sich Spiegelarrays mit jeweils für die Spektralanteile einzeln programmierbaren Reflektorelementen 22a bzw. 23a. In Fig. 2 sind räumliche Lichtmodulatoren 22, 23 mit aus Übersichtsgründen beispielhaft jeweils acht solcher einzeln in der optischen Weglänge programmierbaren Reflektorelementen 22a bzw. 23a (symbolisierende Pfeildarstellung) angedeutet. Das von diesen Lichtmodulatoren 22, 23 somit spektral phasenmodulierbar reflektierte Licht (vgl. Teilstrahlbündel 11, 12 in Fig. 1) gelangt infolge der Reflexion wiederum zum teildurchlässigen Spiegel 21 (vgl. optisches Element zur Strahlvereinigung 13 in Fig. 1) zurück, durch welchen die Teilstrahlbündel (vgl. Teilstrahlbündel 11, 12 in Fig. 1) interferometrisch zu dem resultierenden Strahlbündel (vgl. Teilstrahlbündel 14 in Fig. 1) überlagert werden. Die Umwandlung in das winkelverteilte Spektrum 16 erfolgt durch eine zweite Sammellinse 24, in deren Fokus ein weiteres Beugungsgitter 25 als dispersives optisches Element angeordnet ist, welches die Spektralanteile des winkelverteilten Spektrums 16 zu dem ausgangsseitigen Laserstrahl 18 kollimiert.
• Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht auf die Ausführungsform der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung beschränkt. So können beispielsweise als dispersive optische Elemente (2, 25) für die spektrale Aufsplittung in das winkelverteilte Spektrum 3 sowie für die Kollimierung des winkelverteilten Spektrums 16 zu dem Laserstrahl 18 statt der Beugungsgitter (19, 25) Prismen Verwendung finden. Auch die funktionelle Reihenfolge in der Anordnung der optischen Elemente zur Abbildung der Spektralkomponenten in die örtlich getrennten Fourierebenen sowie der optischen Elemente zur ausgangsseitigen Überlagerung und Kollimierung zu dem Laserstrahl 18 kann im speziellen konstruktiven Aufbau unterschiedlich realisiert sein. Beispielsweise könnte (nicht in der Zeichnung dargestellt) der Laserstrahl 1 auch zunächst in zwei (oder mehrere) Teilstrahlen getrennt werden, die anschließend jeweils in Teilstrahlbündel mit räumlicher Verteilung der spektralen Komponenten zur Abbildung in den örtlich getrennten Fourierebenen gewandelt werden. Entsprechend werden dann die von den räumlichen Lichtmodulatoren kommenden Teilstrahlbündel, im Gegensatz zur Darstellung in den gezeigten Ausführungsbeispielen, zunächst jeweils in winkelverteilte Spektren transformiert, jeweils zu Teilstrahlen kollimiert und diese anschließend überlagert.
• Es ist auch möglich (ebenfalls nicht in der Zeichnung dargestellt), dass der eingangsseitige Laserstrahl 1 zunächst durch ein dispersives Element in ein winkelverteiltes Spektrum transformiert wird. Dieses wird mittels eines Strahlteilers getrennt und anschließend durch zwei separate optische Elemente auf die örtlich getrennten Fourierebenen abgebildet. Nach modulierender Reflexion an den Lichtmodulatoren werden die Teilstrahlbündel wieder überlagert und zum ausgangsseitigen Laserstrahl 18 kollimiert.
• Die reflektiven Lichtmodulatoren (22, 23) sind nicht auf ausschließlich phasenmodulierende Ausführungen beschränkt, sondern können neben der Phasenmodulation auch eine amplitudenmodulierende Funktion bewirken.
• Ebenfalls können in geeigneten Spektralbereichen, insbesondere im nahen Infrarotbereich (NIR), räumliche Flüssigkristallmodulatoren zur Phasenmodulation verwendet werden. Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1, 18 Laserstrahl
  2, 17 dispersives optisches Element
  3, 16 winkelverteiltes Spektrum
  4, 15 abbildendes optisches Element
  5, 14 Strahlbündel
  6 Strahlteiler
  7, 8, 11, 12 Teilstrahlbündel
  9, 10, 22, 23 räumlicher Lichtmodulator
  13 optisches Element zur Strahlvereinigung
  19, 25 Beugungsgitter
  20, 24 Sammellinse
  21 teildurchlässiger Spiegel
  21a Kompensatorplatte für den teildurchlässigen Spiegel 21
  22a, 23a Reflektorelement
  

Claims (22)

1. Verfahren zur Amplituden- und/oder Phasenmodulation breitbandiger Laserimpulse, bei dem die im Laserlicht enthaltenen Spektralanteile in eine räumliche Lichtintensitätsverteilung fouriertransformiert werden, diese moduliert und anschließend wieder rücktransformiert sowie zu einem Laserstrahl kollimiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch Strahlteilung eine Transformation der im Laserstrahl enthaltenen Spektralanteile in mehrere örtlich getrennte Fourierebenen erfolgt und dass die Spektralanteile dort in ihren Eigenschaften jeweils unabhängig voneinander durch Modulation beeinflusst, sowie anschließend wieder vereinigt, interferometrisch überlagert und zu einem gemeinsamen Laserstrahl kollimiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beeinflussung der Eigenschaften der Spektralanteile in den örtlich getrennten Fourierebenen jeweils durch Phasenmodulation erfolgt.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Phasenmodulationen in den örtlich getrennten Fourierebenen nach Überlagerung der separat modulierten Spektralanteile eine Amplitudenmodulation der Spektraleigenschaften des kollimierten Laserstrahls bewirkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteilung in Teilstrahlbündel gleicher Strahlungsintensität erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteilung in Teilstrahlbündel unterschiedlicher Strahlungsintensität erfolgt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass optische Elemente (2, 4, 6) vorgesehen sind zur Abbildung von aus dem eingangsseitigen Laserstrahl (1) unter Fouriertransformation und Strahltrennung gebildeten Teilstrahlbündeln (7, 8) mit räumlich verteilten Spektralkomponenten auf örtlich getrennt angeordnete und jeweils einzeln programmierbare räumliche Lichtmodulatoren (9, 10, 22, 23) und dass weiterhin optische Elemente (13, 15, 17) vorgesehen sind zur unter interferometrischer Überlagerung und Kollimierung bzw. in umgekehrter Reihenfolge wirkenden Vereinigung der in den einzelnen Spektralkomponenten modulierbaren Teilstrahlbündel (11, 12) zu einem gemeinsamen ausgangsseitigen Laserstrahl (18).

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente ein oder mehrere Beugungsgitter (19, 25) enthalten.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente ein oder mehrere Prismen enthalten.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strahlteilung des Laserstrahls (1) oder eines aus diesem gebildeten Strahlenbündels mit räumlicher Verteilung der Spektralanteile ein teildurchlässiger Spiegel (21) Verwendung findet.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahltrennung des Laserstrahls (1) in Teilstrahlbündel (7, 8) durch Nutzung verschiedener Beugungsordnungen des Beugungsgitters erfolgt.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abbildung der spektralen Komponenten der Teilstrahlbündel (7, 8) auf örtlich getrennte Fourierebenen, in denen die räumlichen Lichtmodulatoren (9, 10, 22, 23) angeordnet sind, ein Hohlspiegel vorgesehen ist.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abbildung der spektralen Komponenten der Teilstrahlbündel (7, 8) auf örtlich getrennte Fourierebenen, in denen die räumlichen Lichtmodulatoren (9, 10, 22, 23) angeordnet sind, eine Sammellinse (20) vorgesehen ist.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abbildung der spektralen Komponenten der Teilstrahlbündel (7, 8) auf örtlich getrennte Fourierebenen, in denen die räumlichen Lichtmodulatoren (9, 10, 22, 23) angeordnet sind, ein Zylinderspiegel vorgesehen ist.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abbildung der spektralen Komponenten der Teilstrahlbündel (7, 8) auf örtlich getrennte Fourierebenen, in denen die räumlichen Lichtmodulatoren (9, 10, 22, 23) angeordnet sind, eine Zylinderlinse vorgesehen ist.

15. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strahlvereinigung und Überlagerung der durch die räumlichen Lichtmodulatoren (9, 10, 22, 23) beeinflussten Teilstrahlbündel (11, 12) ebenfalls ein teildurchlässiger Spiegel (21), vorzugsweise derselbe teildurchlässige Spiegel (21) zur besagten Strahltrennung, Verwendung findet.

16. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlspiegel vorgesehen ist, zur Umwandlung der durch die räumlichen Lichtmodulatoren (9, 10, 22, 23) beeinflussten Teilstrahlbündel (11, 12) mit räumlicher Verteilung der Spektralkomponenten in ein winkelverteiltes Spektrum (16).

17. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sammellinse (24) vorgesehen ist, zur Umwandlung der durch die räumlichen Lichtmodulatoren (9, 10, 22, 23) beeinflussten Teilstrahlbündel (11, 12) mit räumlicher Verteilung der Spektralkomponenten in ein winkelverteiltes Spektrum (16).

18. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 sowie einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zylinderspiegel vorgesehen ist, zur Umwandlung der durch die räumlichen Lichtmodulatoren (9, 10, 22, 23) beeinflussten Teilstrahlbündel (11, 12) mit räumlicher Verteilung der Spektralkomponenten in ein winkelverteiltes Spektrum (16).

19. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 sowie einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zylinderlinse vorgesehen ist, zur Umwandlung der durch die räumlichen Lichtmodulatoren (9, 10, 22, 23) beeinflussten Teilstrahlbündel (11, 12) mit räumlicher Verteilung der Spektralkomponenten in ein winkelverteiltes Spektrum (16).

20. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass reflektive räumliche Lichtmodulatoren (22, 23) eingesetzt werden, beispielsweise Mikrospiegelarrays mit für die Spektralanteile der Teilstrahlbündel (7 bzw. 8) jeweils einzeln programmierbaren, d. h. in der optischen Weglänge beeinflussbaren, Reflektorelementen (22a, 23a).

21. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in geeigneten Spektralbereichen, insbesondere im nahen Infrarotbereich (NIR), räumliche Flüssigkristallmodulatoren zur Phasenmodulation verwendet werden.

22. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 sowie einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur räumlich aufgelösten Amplituden- und Phasenmodulation als reflektive räumliche Lichtmodulatoren (22, 23) jeweils zweidimensionale Mikrospiegelarrays vorgesehen sind.