DE60037600T2

DE60037600T2 - Holographische volumen-gitterstruktur mit hoher dispersion

Info

Publication number: DE60037600T2
Application number: DE60037600T
Authority: DE
Inventors: Bertrand Morbieu; Jean-Jacques Laborie
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1999-12-30
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2020-12-29
Also published as: FR2803443A1; WO2001050554A1; JP2003519813A; DE60037600D1; US6956680B2; EP1245062B1; ATE382198T1; FR2803443B1; EP1245062A1; US20030002097A1

Description

Die Erfindung betrifft eine holographische Volumengitterstruktur mit hoher Dispersion. Sie wird insbesondere in Impulsverdichtungs- oder -dehnungsvorrichtungen angewendet, zum Beispiel zur Erzeugung von ultrakurzen Laserimpulsen mit sehr hoher Energie. Sie wird auch auf dem Gebiet der optischen Telekommunikationen angewendet, zum Beispiel für Wellenlängenteilungs- oder Wellenlängensperrfilter-Multiplexvorrichtungen.
Auf den Gebieten der Physik oder der Chemie erfordern zahlreiche Behandlungen die Anwendung von sehr kurzen und sehr starken Laserimpulsen. Auf dem Gebiet der Plasmaphysik ist es zum Beispiel notwendig, sehr starke Laserimpulse zu erzeugen. Impulse mit sehr hoher Spitzenleistung werden auch in der Materialbearbeitung benötigt, wo sie ermöglichen, Konturen herzustellen, die sauberer und genauer sind, da die Erwärmung der bearbeiteten Materialien geringer ist.
Gegenwärtig wendet man zur Erzeugung von Laserimpulsen mit einer sehr hohen Spitzenleistung (Terawatt oder Petawatt) die CPA-Technik (Chirped Pulse Amplification) an. Diese Technik besteht darin:

– einen niederenergetischen Femtosekundenimpuls zu dehnen, um aus ihm einen Nanosekundenimpuls zu machen,
– seine Energie zu verstärken,
– den erhaltenen hochenergetischen Impuls zu einem Femtosekundenimpuls zu verdichten.

Auf diese Weise erhält man einen ultrakurzen hochenergetischen Impuls, das heißt mit einer sehr hohen Spitzenleistung.
Klassischerweise realisiert man die Impulsdehn- und -verdichtungsoperationen mit Hilfe von Beugungsgittern nach einem durch Treacy empfohlenen Aufbau (IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-5 Nr. 9, Sept. 19969, S. 454–458), von dem ein vereinfachtes Schema in der 1 dargestellt ist. Der in der 1 dargestellte Aufbau, zum Beispiel ein Impulsverdichter, umfasst insbesondere zwei zueinander parallele Beugungsgitter 11, 12. Das erste Gitter 11 empfängt gemäß einem Einfallwinkel θ, bezogen auf die Normale, einen eintreffenden Laserimpuls F_IN (mit einem einfachen Pfeil dargestellt), dessen Wellenlängenkomponenten um eine mittlere zentrale Wellenlänge λ₀ herum variabel sind. Der gebeugte Strahl wird dann seinerseits durch das parallel angeordnete zweite Gitter 12 gebeugt, woraus ein zum einfallenden Strahl paralleler Strahl resultiert. Dieser Strahl wird durch Rücksendeeinrichtungen 13 zum zweiten Gitter 12 zurückgesandt (mit Doppelpfeil gekennzeichneter Strahl), wobei der Rückweg mit dem Hinweg identisch ist, woraus ab dem ersten Gitter 11 der Austrittsstrahl F_OUT resultiert. Man benutzt die Eigenschaft von Beugungsgittern, Komponenten verschiedener Wellenlängen gemäß einem von der Wellenlänge abhängigen Winkel unterschiedlich zu beugen. So stellt die 1 den optischen Weg von zwei Komponenten mit der Wellenlänge λ (gestrichelte Linie) und λ' (durchgezogene Linie), wobei λ' größer ist als λ. Der optische Weg und folglich die Durchlaufzeit der λ'-Komponente ist größer als die der λ-Komponente, so dass die Energie des Impulses für alle Wellenlängen in dem Ausgangsstrahl F_OUT in einem sehr kurzen Zeitraum konzentriert ist.
Diese bisher verwendeten Beugungsgitter sind geätzte Gitter, das heißt Gitter, die an der Oberfläche geätzte Striche mit einer gleichmäßigen Teilung umfassen. Jedoch befriedigen sie nicht vollständig. Ein Nachteil der geätzten Gitter ist nämlich, dass ihr Leistungsgrad von ungefähr 90% nur eine geringe Verdichtungseffizienz von ungefähr 65% liefert. Ein anderer Nachteil dieser geätzten Gitter besteht darin, dass ihre Laserfestigkeit (tenue au flux laser) gering ist. Zum Beispiel haben die geätzten Gitter aus Gold bei einem Impuls der Wellenlänge 1053 nm und einer Dauer von 250 Femtosekunden eine Laserfestigkeit (tenue au flux laser) unter 1 J/cm².
Folglich können die Benutzer von Installationen, die viel Energie liefern, in der Praxis nicht die volle Leistung ausnutzen wie bei einer effizienten Verdichtungs- oder Dehnvorrichtung.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen.
Dazu besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine holographische Volumengitterstruktur mit hoher Dispersion zu tiefem, die insbesondere ihre Integration in einen Aufbau des Treacy-Typs ermöglicht und die außerdem eine sehr große Dehnungs- und/oder Verdichungseffizienz sowie eine bessere Laserfestigkeit (tenue au flux laser) als die Beugungsgitter nach dem Stand der Technik aufweist.
Folgende Dokumente betreffen bekannte holographische Volumengitterstrukturen mit hoher Dispersion:

US-A-4 834 474 ;
LOISEAUX B ET AL: 'Phase volume holographic grating for high energy lasers' SOLID STATE LASERS FOR APPLICATION TO INERTIAL CONFINEMENT FUSION: SECOND ANNUAL INTERNATIONAL CONFERENCE, PARISS, FRANCE, 22.–25. OKT. 1996, Vol. 3047, Seiten 957–962, Proceedings of the SPIE – The International Society for Optical Engineering, 1997, SPIE-Int. Soc. Opt. Eng. USA;
JUNE-KOO RHEE ET AL: 'CHIRPED-PULSE AMPLIFICATION OF 85-FS PULSES AT 250 KHZ WITH THIRD-ORDER DISPERSION COMPENSATION BY USE OF HOLOGRAPHIC TRANSMISSION GRATINGS' OPTIC LETTERS, US, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, WASHINGTON, Vol. 19, Nr. 19, 1. Oktober 1994, Seiten 1550–1552;
TSUNG-YUAN YANG ET AL: 'Femtosecond laser pulse compression using volume Phase transmission holograms' APPLIED OPTICS, 1. Juli 1985, USA, Vol. 24, Nr. 13, Seiten 2021–2023; und
LOISEAUX B ET AL: 'CHARACTERIZATION OF PERPENDICULAR CHIRPED PHASE VOLUME GRATING PAIRS FOR LASER PULSE STRECHING' OPTICS LETTERS, US, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, WASHINGTON, Vol. 21, Nr. 11, 1. Juni 1996, Seiten 806–808.

Die Erfindung betrifft eine holographische Volumengitterstruktur mit hoher Dispersion, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein holographisches Transmissionsvolumengitter umfasst, realisiert auf einem Reflexionsträger, wobei das genannte Gitter durch bezüglich der Ebene des Trägers geneigte Schichten gebildet wird, der Neigungswinkel dieser Gitterschichten, definiert in Bezug auf die Normale zum Träger, und die Teilung dieser Gitterschichten so gewählt sind, dass ein Lichtstrahl von gegebener mittlerer Wellenlänge, der in die genannte Struktur unter einem gegebenen Einfallwinkel einfällt, das Gitter ein erstes Mal durchquert, durch den Reflexionsträger reflektiert wird, das Gitter ein zweites Mal durchquert und durch das Gitter nur bei einer dieser beiden Durchquerungen gebeugt wird.
Außer diesen Anwendungen auf dem Gebiet der Verdichtung und/oder Dehnung von Impulsen ermöglicht der stark streuende Charakter der erfindungsgemäßen Struktur weitere Anwendungen, vor allem auf dem Gebiet der optischen Telekommunikationen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung des Typs Wellenlängenteilungs-Multiplexing (oder WDM für 'Wavelengths Division Multiplexing') oder eine Wellenlängensperrfiltervorrichtung, welche die erfindungsgemäße Gitterstruktur anwenden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen klarer aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die sich auf die beigefügten Figuren bezieht:
die 1 zeigt ein vereinfachtes Schema eines sogenannten Treacy-Aufbaus (schon beschrieben);
die 2 zeigt eine erste Realisierungsart der erfindungsgemäßen Gitterstruktur mit einem Transmissionsgitter mit geneigten Schichten über einem dielektrischen oder holographischen Spiegel;
die 3 zeigt eine zweite Realisierungsart der erfindungsgemäßen Gitterstruktur mit einem Transmissionsgitter mit senkrechten Schichten über einem holographischen Spiegel mit geneigten Schichten;
die 4 zeigt das Schema eines Beispiels einer Vorrichtung des WDM-Typs mit der erfindungsgemäßen Gitterstruktur.
In den Figuren tragen gleiche Elemente dieselben Bezugszeichen.
Die 2 und 3 zeigen zwei Realisierungsbeispiele einer erfindungsgemäßen holographischen Volumengitterstruktur.
Die erfindungsgemäße Gitterstruktur umfasst vor allem ein holographisches Transmissionsvolumengitter, realisiert auf einem Reflexionsträger. Das Volumengitter wird gebildet durch eine dicke Schicht (einige 10 μm) aus einem holographischen Material, die Gitterschichten mit einer bestimmten Teilung Λ umfasst, die in Bezug auf die Ebene des Trägers der Schicht um einen bestimmten Winkel ϕ geneigt sind, definiert in Bezug auf die Normale des Trägers. Der Neigungswinkel ϕ und die Gitterschichtenteilung Λ werden so gewählt, dass ein Lichtstrahl mit einer bestimmten mittleren zentralen Wellenlänge λ₀, der die Struktur unter einem bestimmten Einfallwinkel θ erreicht, das Gitter ein erstes Mal durchquert, durch den Reflexionsträger reflektiert wird, das Gitter ein zweites Mal durchquert und durch das Gitter nur bei einer der beiden Durchquerungen gebeugt wird. In der Praxis, wenn der Einfallwinkel des Strahls gegeben ist (vorteilhafterweise ähnlich dem Brewster-Winkel, um die Grenzflächenreflexionen zu vermeiden), bestimmt man die Teilung der Gitterschichten in Abhängigkeit von der mittleren zentralen Wellenlänge. Der Neigungswinkel der Gitterschichten wird in Abhängigkeit von der Art des verwendeten Reflexionsträgers gewählt, um bei der ersten und der zweiten Durchquerung eine Dissymmetrie einzuführen in die Ausbreitungsrichtung des Strahls in Bezug auf die Richtung der Schichten, was die Beugung bei einer einzigen der genannten Durchquerungen ermöglicht.
Dank dieser Struktur tritt der gebeugte Strahl gemäß einem Winkel ähnlich dem Neigungswinkel θ aus. Die so realisierte Gitterstruktur hat eine sehr hohe Dispersion, was sie geeignet macht für einen Aufbau des Typs Treacy wie oben beschrieben. Die realisierte Vorrichtung ist also sehr effizient. Die Effizienz eines Volumengitters liegt tatsächlich über 98 %, was ermöglicht, eine Verdichtungseffizienz von ungefähr gleich 92% zu erreichen, also einen Gewinn in der Größenordnung von 40% in Bezug auf die geätzten Gitter. Zudem haben die holographischen Materialien gute Laserfestigkeiten von zum Beispiel ungefähr 23 J/cm² und 4 J/cm² pro Impuls der Wellenlänge 1053 nm und der Dauer 250 Femtosekunden.
Bei der erfindungsgemäßen Gitterstruktur benutzt man anstatt eines mit direkter Beugung arbeitenden Reflexionsgitters erfindungsgemäß ein Transmissionsvolumengitter, das zum Beispiel den einfallenden Strahl, ohne ihn zu beugen, passieren lässt bis zu dem Reflexionsträger, und das dann anschließend den reflektierten Strahl beugt (mit einem von der Wellenlänge abhängigen Beugungswinkel). Man ersetzt also die direkte Beugung durch eine Sequenz "Transmission ohne Beugung-Reflexion-Transmission mit Beugung" oder "Transmission mit Beugung-Reflexion-Transmission ohne Beugung", wobei die Transmission ohne Beugung und die Transmission mit Beugung durch dieselbe, das holographische Transmissionsvolumengitter enthaltende Schicht realisiert wird. Außer einer besseren Laserfestigkeit in Bezug auf die geätzten Gitter nach dem Stand der Technik, hat diese Struktur zum Beispiel in Bezug auf holographische Reflexionsgitter den Vorteil, in technischer Hinsicht sehr viel leichte herstellbar zu sein. Um die gleiche Dispersion zu erreichen, hat der Anmelder nämlich gezeigt, dass die Teilung der Schichten in einem Reflexionsgitter kleiner sein muss und der Neigungswinkel der Schichten groß (einige zehn Grad), was das Einschreiben des Gitters mit den üblichen zum Einschreiben in die klassischen holographischen Materialien benutzten Wellenlängen in der Praxis sehr schwierig macht.
Nach einer ersten Realisierungsart der Erfindung, dargestellt in der 2, ist das Transmissionsvolumengitter ein Gitter mit in Bezug auf die Ebene des Trägers geneigten aber zu diesem nicht senkrechten Schichten, realisiert auf einem Reflexionsträger, der gemäß einem Beispiel ein dielektrischer Spiegel oder ein holographischer Spiegel mit nicht geneigten Schichten ist. Der Anmelder hat gezeigt, dass man bei einem Strahl, der wie vorhergehend unter einem Winkel θ von ungefähr 60,5° in die Struktur einfällt, mit einem Neigungswinkel der Schichten des Reflexionsgitters von ungefähr 89° in Bezug auf die Normale des Trägers den gewünschten Effekt erzielt.
Nun werden die Realisierungsbeispiele der 2 und 3 detaillierter beschrieben, die Baukomponenten mit erfindungsgemäßen Gitterstrukturen, angepasst an Impulsverdichtungs- oder -dehnungseinrichtungen, umfassen, zum Beispiel eine Vorrichtung zur Erzeugung ultrakurzer hochenergetischer Impulse gemäß eines Aufbaus des Treacy-Typs. Die unten dargestellten Strukturen sind an YAG:Neodym-Laser-Impulse angepasst (mittlere zentrale Wellenlänge von ungefähr 1,053 μm).
Die beschriebenen Komponenten funktionieren bei einer sogenannten parallelen (oder transversal magnetischen TM) Polarisation, so dass das elektrische Feld sich in der durch die Normale der Baukomponente und dem Vektor des einfallenden Strahls definierten Ebene befindet. Der Einfallwinkel entspricht ungefähr dem Brewster-Winkel, was ermöglicht, die Reflexion an der Grenzfläche zwischen dem äußeren Medium und der Struktur zu reduzieren. Er wird festgelegt in Abhängigkeit von der vorgesehenen Anwendung. In dem Beispiel der 2 und 3 ermöglicht ein gemäß einem Winkel θ von ungefähr 60,5° in Bezug auf die Normale des Trägers einfallender Strahl, den Zwängen des Treacy-Aufbaus zu entsprechen.
Das in der 2 dargestellte Bauelement umfasst einen Träger 20, der aus Glas sein kann, zum Beispiel des Typs BK7. Der Träger 20 ist mit einem Spiegel 21 überzogen, der den Reflexionsträger bildet. Der Spiegel 21 ist zum Beispiel ein multidielektrischer Spiegel. Nach einer Realisierungsart der Erfindung kann er durch einen Stapel von SiO₂-HfO₂-Schichtpaaren gebildet werden. Zum Beispiel kann die äußere Schicht eine SiO₂-Schicht sein. Nach einer Variante kann es sich auch um ein Reflexionsvolumengitter mit nicht geneigten Schichten handeln (holographischer Spiegel), angepasst an die Wellenlänge des einfallenden Strahls.
Gemäß diesem Beispiel ist der Spiegel 21 mit einer laserfesten Pufferschicht 22 überzogen, die ihrerseits selbst mit einem holographischen Material 23 überzogen ist (einige 10 μm) und das holographische Transmissionsvolumengitter bildet. Die Pufferschicht 22 kann zum Beispiel aus einem transparenten Material wie SiO₂ sein, vorzugsweise abgeschieden mittels einem Sol-Gel-Verfahren. Sie hat vorteilhafterweise eine Brechzahl, die ungefähr derjenigen des holographischen Materials 23 entspricht, und eine Dicke, die so ist, dass das holographische Gitter für die Wellenlänge des betreffenden Laserimpulses nicht mehr der Sitz von Interferenzen zwischen der einfallenden Welle und der reflektierten Welle ist. Das holographische Material ist zum Beispiel vom Typ bichromatische Gelatine, Fotopolymer oder ein durch ein Sol-Gel-Verfahren realisiertes Material. Laserfestigkeitsversuche im Femtosekundenbetrieb haben nämlich ein gutes Verhalten der genannten Materialien gezeigt (zum Beispiel 4 bis 5 J/cm² für die bichromatische Gelatine und 2 J/cm² bei einem Fotopolymer).
In dem Beispiel der 2 ist das verwendete Material zum Beispiel ein fotopolymeres Material, das Schichten mit einer Teilung Λ (einige hundert Nanometer) aufweist, die um einen Winkel ϕ von im Wesentlichen gleich 2° geneigt sind in Bezug auf die Normale des Trägers. Entsprechend dem Einfallwinkel α des Laserstrahls in Bezug auf diese Schichten beträgt die Teilung für den sich ausbreitenden Strahl Λ/cosα. Es gibt einen kritischen Einfallwinkel des Laserstrahls in Bezug auf diese Schichten, für den die Teilung der Wellenlänge des Lasers (oder einem Vielfachen oder einem Divisor dieser Wellenlänge) entspricht. Bei diesem kritischen Winkel α_cr ist das Gitter stark beugend und sendet den Strahl unter einem Winkel zurück, der von der Wellenlänge abhängt. Wenn man sich von diesem Winkel auch nur um 1 oder 2° entfernt, ist das Gitter nicht mehr beugend, so dass der Laserstrahl es unmodifiziert durchquert.
Um Reflexionsverluste zu vermeiden, kann man zwischen dem äußeren Medium und dem genannten holographischen Volumengitter eine Antireflexschicht 24 vorsehen, insbesondere wenn der einfallende Strahl senkrecht polarisiert ist.
Es folgt ein Zahlenbeispiel für diese Realisierungsart.
Die Dicke des Spiegels 21 beträgt ungefähr 10 μm, die der Pufferschicht 22 ungefähr 25 μm, das holographische Material 23 hat eine Indexmodulation von 0,04 und eine Dicke von ungefähr 30 μm. Die Schichten sind mit einem Winkel ϕ von ungefähr 2° zur Normalen des Trägers geneigt und die Teilung Λ der Schichten beträgt ungefähr 630 nm für die gewählte mittlere Wellenlänge (1,053 μm). Die Indizes der Antireflexschicht 24, der Pufferschicht 22 und der Spiegelschicht 21 sind im Wesentlichen gleich.
Nach der in der 2 dargestellten Realisierungsart ist die eintreffende Welle Einwirkungen wie folgt ausgesetzt. Sie durchquert die Grenzfläche zwischen der Luft und der Antireflexschicht 24. Die Reflexionsverluste sind aufgrund des Zustands der Polarisation und des Einfallwinkels minimal. Sie durchquert dann die Antireflexschicht bis zu der Grenzfläche mit der holographischen Schicht und dann die holographische Schicht. Der Einfallwinkel des Strahls in Bezug auf die Gitterschichten der holographischen Schicht ist ausreichend verschieden von dem kritischen Winkel α_cr, um die holographische Schicht durchlässig bleiben zu lassen für den Strahl. Dies ist dem Winkel ϕ (Neigungswinkel der Gitterschichten) geschuldet, der ungefähr 2° beträgt. Die Einfallwelle durchquert anschließend die Pufferschicht, wird in dem dielektrischen Spiegel reflektiert und durchquert wieder die Pufferschicht in Richtung holographisches Gitter der Schicht 23. Aber auf dem Rückweg ist der Eintrittswinkel in die Gitterschichten anders: er entspricht beinahe dem kritischen Winkel. Dies bewirkt eine sehr starken Beugung durch das holographische Gitter, was zu einer Modifizierung des Austrittswinkels in Abhängigkeit von der Wellenlänge führt. Die austretenden Strahlen durchqueren dann die Grenzfläche zwischen der holographischen Schicht und der Luft. Die Reflexionsverluste sind minimal aufgrund des Polarisationszustands und Winkeln um 60°.
Ein Strahl einer mittleren Wellenlänge von 1053 nm mit einem Einfallwinkel von 60,5° hat also einen Austrittswinkel von 51,9°, wobei der Austrittwinkel mit der Wellenlänge variiert. Man kann also zum Beispiel ein Transmissionsgitter realisieren, dessen Kennwerte so sind, dass im Wesentlichen 100% der unter 60,5° einfallenden Welle das Transmissionsgitter durchqueren, und im Wesentlichen 100% der vorher transmittierten und dann durch den Reflexionsträger reflektierten Welle durch das Gitter gebeugt werden, um dann unter durchschnittliche 51.9° auszutreten. Gitter mit hoher Beugungseffizienz und großer Dimension (Durchmesser im Wesentlichen gleich 150 mm) sind gemäß der Erfindung auf dielektrischen Spiegeln realisiert worden. Selbstverständlich, nach dem Prinzip der umgekehrten Ausbreitung des Lichts, kann man auch mit einem Stahl arbeiten, der unter einem Winkel θ von ungefähr 52° in die Struktur einfällt. Dieser wird bei der ersten Durchquerung der holographischen Schicht 23 gemäß einem von der Wellenlänge abhängigen Winkel gebeugt. Die derart gebeugten Strahlen werden durch den Spiegel 21 reflektiert, dann ohne Beugung durch das holographische Gitter transmittiert, um unter einem Winkel von ungefähr 60° aus der Struktur auszutreten.
Mit Bezug auf die 3 wird nun eine zweite Realisierungsart einer erfindungsgemäßen Gitterstruktur für einen YAG:Neodym-Laser mit einer mittleren Wellenlänge von 1053 nm beschrieben.
Die in der 3 dargestellte Baukomponente umfasst einen Träger 30, der bedeckt ist von einem holographischen Spiegel 31 mit in Bezug auf die Schicht schwach geneigten Gitterschichten (ϕ_m = 89° in Bezug auf die Normale der Schicht), der den erfindungsgemäßen Reflexionsträger bildet. Der holographische Spiegel hat in diesem Beispiel ebenfalls einen Wellenlängenstreuungseffekt, der aber gering ist aufgrund der schwachen Neigung der Schichten in Bezug auf den Träger. Eine Pufferschicht 32, die laserfest ist und ähnliche bzw. gleiche Eigenschaften wie die in Verbindung mit der ersten Realisierungsart beschriebene hat, bedeckt den holographischen Spiegel 31. Ein holographisches Material 33 desselben Typs wie das oben beschriebene ist derart auf der Schicht 32 abgeschieden, dass es das holographische Transmissionsvolumengitter bildet. Jedoch sind die Gitterschichten in diesem Beispiel im Wesentlichen senkrecht zu der Schicht (ϕ = 0°). Der Einfallwinkel beträgt im Wesentlichen 60,5° und der Beugungswinkel ist im Wesentlichen gleich 51,9° für die mittlere Wellenlänge 1053. Eine Antireflexschicht 34 kann ebenfalls vorgesehen werden.
In diesem Beispiel erzielt man die Dissymmetrie bei der ersten und zweiten Durchquerung dank der Neigung der Gitterschichten des holographischen Reflexionsvolumengitters, das den Reflexionsträger 31 bildet. Die dargestellten Beispiele sind nicht erschöpfend, und diese Dissymmetrie, welche die Beugung durch das Transmissionsgitter nur bei einer der Durchquerungen ermöglicht, kann auch mit anderen Ausführungskonfigurationen des Transmissionsgitters und des Reflexionsträgers realisiert werden. Unter den Vorteilen der in den 2 und 3 dargestellten Beispielen kann man die Realisierung einer Multischichtstruktur nennen, die dünn und sehr laserfest ist, insbesondere weil es nicht notwendig ist, zwischen den das Transmissionshologramm und den Reflexionsträger bildenden Schichten zusätzliche Schichten, zum Beispiel aus Glas, einzufügen, die eventuell keine sehr hohen Energien aushalten würden.
Die in den 2 und 3 beschriebenen Baukomponenten betreffen insbesondere Impulsverdichtungs- und -dehnungseinrichtungen sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung von Impulsen mit sehr hoher Spitzenleistung, die solche Impulsverdichtungs- und/oder -dehnungseinrichtungen umfassen.
Weitere Anwendungen der erfindungsgemäßen Gitterstruktur – zum Beispiel auf dem Gebiet der optischen Telekommunikationen – können vorgesehen werden, die von ihrer hohen Beugungsleistung und ihrer großen Effizienz profitieren.
Die 4 beschreibt einem auf dem Gebiet der optischen Telekommunikationen klassischen Aufbau für das Wellenlängenteilungsmultiplexing (oder WDM für "Wavelengths Division Multiplexing"). Dieser Aufbau umfasst eine Kollimationsoptik 41 und ein Beugungselement 42. Die Optik 41 bildet aus einem aus einer optischen Faser 43 stammenden Lichtstrahl einer bestimmten mittleren Wellenlänge einen auf das Beugungselement 42 gerichteten parallelen Strahl F_IN, um die Komponenten des Strahls (oder Kanals) mit den verschiedenen Wellenlängen zu trennen. In dem Schema der 4 sind zwei Komponenten mit den Wellenlängen λ und λ' dargestellt.
Die Erfindung schlägt eine Multiplexvorrichtung vor, welche die erfindungsgemäße holographische Volumengitterstruktur, gebildet durch das Beugungselement 42, anwendet. Nach der Erfindung wird es durch ein Transmissionsvolumengitter 421 gebildet, realisiert auf einem Reflexionsträger 422. Seine hohe Dispersionsfähigkeit ermöglicht, Wellenlängen aufzulösen, die nur durch einige Nanometerbruchteile getrennt sind (0,2 bis 0,5 nm), was sehr vorteilhaft sein kann, insbesondere dann, wenn man mit vielen Kanälen arbeiten will. Die Teilung der Gitterschichten des Volumengitters 421 wird in Abhängigkeit von der mittleren zentralen Wellenlänge des einfallenden Strahls bestimmt (zum Beispiel um 1,5 μm herum).
Die Erfindung schlägt auch eine Wellenlängenspenfiltervorrichtung für optische Telekommunikationen vor, die ermöglicht, eine bestimmte Wellenlänge von einem Wellenlängenpaket zu trennen. Erfindungsgemäß umfasst sie eine holographische Volumengitterstruktur mit hoher Dispersion wie oben beschrieben. Die Charakteristika der Struktur werden gewählt, um die Struktur an die zu sperrende Wellenlänge anzupassen, was die Beugung der Komponente mit der genannten Wellenlänge des einfallenden Strahls bei einer der Durchquerungen des Transmissionsgitters ermöglicht. Die Komponenten mit den anderen Wellenlängen werden von der Struktur ohne Beugung reflektiert und verlassen daher die Struktur mit einer anderen Richtung als die der Beugung ausgesetzte Komponente, was ermöglicht, sie zu trennen.
IN DER BESCHREIBUNG GENANNTE REFERENZEN
Diese Liste der durch den Anmelder genannten Referenzen dient nur dazu, dem Leser zu helfen und ist nicht Teil der europäischen Patentschrift. Obwohl sie mit einem Höchstmaß an Sorgfalt erstellt worden ist, können Fehler oder Weglassungen nicht ausgeschlossen werden und das EPA lehnt in dieser Hinsicht jede Verantwortung ab.
In der Beschreibung genannte Patentschriften

• US 4834474 A

In der Beschreibung genannte Nichtpatentliteratur

• TREACY. IEEE Journal of Quantum Electronics, September 1969, Vol. QE-5(9), 454–458
• LOISEAUX B et al. Phase volume holographic grating for high energy lasers. SOLID STATE LASERS FOR APPLICATION TO INERTIAL CONFINEMENT FUSION: SECOND ANNUAL INTERNATIONAL CONFERENCE, 22. Oktober 1996, Vol. 3047, 957–962
• Proceedings of the SPIE – The International Society for Optical Engineering. SPIE-Int. Opt. Eng., 1997
• JUNE-KOO RHEE et al. CHIRPED-PULSE AMPLIFICATION OF 85-FS PULSES AT 250 KHZ WITH THIRD-ORDER DISPERSION COMPENSATION BY USE OF HOLOGRAPHIC TRANSMISSION GRATINGS: OPTIC LEITERS, US, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, 1. Oktober 1994, Seiten 1550–1552
• TSUNG-YUAN YANG et al. Femtosecond laser pulse compression using volume Phase transmission holograms. APPLIED OPTICS, 1. Juli 1985, Vol. 24, (13), 2021–2023
• LOISEAUX B et al. CHARACTERIZATION OF PERPENDICULAR CHIRPED PHASE VOLUME GRATING PAIRS FOR LASER PULSE STRECHING. OPTICS LEITERS, US, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, 1. Juni 1996, Vol. 21 (11), 806–808.

Claims

Holographische Volumengitterstruktur mit hoher Dispersion, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein holographisches Transmissionsvolumengitter (23, 33) umfasst, realisiert auf einem reflektierenden Träger (21; 31), wobei das genannte Gitter durch bezüglich der Ebene des Trägers geneigte Schichten gebildet wird, der Neigungswinkel ϕ der Schichten, definiert in Bezug auf die Normale zum Träger, und die Teilung Λ der Schichten so gewählt sind, dass ein Lichtstrahl von gegebener mittlerer Wellenlänge λ₀, der in die genannte Struktur unter einem gegebenen Einfallwinkel θ einfällt, das Gitter ein erstes Mal durchquert, durch den reflektierenden Träger reflektiert wird, das Gitter ein zweites Mal durchquert und durch das Gitter nur bei einer der beiden Durchquerungen gebeugt wird.
Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Grenzfläche zwischen dem Außenmedium und dem genannten holographischen Volumengitter eine Antireflexschicht (24, 34) vorgesehen ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Transmissionsvolumengitter einerseits ein Gitter (23) mit geneigten, bezüglich der Ebene des Trägers nicht-senkrechten Schichten ist, und dass andererseits der genannte reflektierende Träger (21) ein holographischer Spiegel (21) mit bezüglich der Ebene des Trägers nicht-geneigten Schichten ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Transmissionsvolumengitter einerseits ein Gitter (23) mit geneigten, bezüglich der Ebene des Trägers nicht-senkrechten Schichten ist, und dass andererseits der genannte reflektierende Träger (21) ein dielektrischer Spiegel (21) ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel ϕ der Schichten in Bezug auf die Normale zum Träger ungefähr 2° beträgt.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits das Transmissionsvolumengitter ein Gitter (33) mit senkrechten Schichten ist, und dass andererseits der reflektierende Träger (31) ein holographischer Spiegel (31) mit bezüglich der Ebene des Trägers geneigten Flächen ist.
Struktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel ϕ_m der Schichten des holographischen Spiegels (31) in Bezug auf die Normale zum Träger ungefähr 89° beträgt.
Struktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Transmissionsvolumengitter durch holographische Materialien gebildet wird, wobei wenigstens eines der genannten Materialien zu der Gruppe gehört, die umfasst: – bichromatische Gelatine – Photopolymer – Sol-Gel-Material.
Struktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte reflektierende Träger und das genannte holographische Volumengitter durch eine Pufferschicht (22, 32) getrennt sind.
Einrichtungen zum Verdichten oder Dehnen eines Laserimpulses, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine holographische Volumengitterstruktur mit hoher Dispersion nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst.
Einrichtungen zum Verdichten oder Dehnen eines Laserimpulses nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Wellenlänge λ₀ des genannten Impulses im Wesentlichen 1053 nm beträgt, der Einfallwinkel des Impulses in die genannte Struktur im Wesentlichen 60° beträgt, der reflektierende Träger (21) durch einen dielektrischen Spiegel oder einen holographischen Spiegel (21) mit nicht-geneigten Schichten gebildet wird, die Teilung der Schichten des genannten holographischen Transmissionsvolumengitters ungefähr 630 nm beträgt, und der Neigungswinkel ϕ in Bezug auf die Normale zum Träger ungefähr 2° beträgt.
Einrichtungen zum Verdichten oder Dehnen eines Laserimpulses nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Wellenlänge λ₀ des genannten Impulses im Wesentlichen 1053 nm beträgt, der Einfallwinkel des Impulses in die genannte Struktur im Wesentlichen 60° beträgt, das Transmissionsgitter im Wesentlichen senkrechte Schichten umfasst, deren Teilung ungefähr 630 nm beträgt und der reflektierende Träger (31) durch einen holographischen Spiegel (31) mit geneigten Schichten gebildet wird, wobei der Neigungswinkel ϕ_m der Schichten des holographischen Spiegels in Bezug auf die Normale zum Träger ungefähr 89° beträgt.
Vorrichtung zur Erzeugung von Laserimpulsen mit sehr hoher Spitzenleistung, dadurch gekennzeichnet, dass sie Einrichtungen zum Verdichten und/oder Dehnen der genannten Impulse nach einem der Ansprüche 10 bis 12 umfasst.
Wellenlängenteilungs-Multiplexvorrichtung für optische Telekommunikationen, eine Kollimationsoptik (41) und ein Beugungselement (42) umfassend, wobei die genannte Optik aus einem aus einer Faser (43) austretenden Lichtstrahl von gegebener mittlerer Wellenlänge einen für das genannte Beugungselement bestimmten, im Wesentlichen parallelen Strahl (F_IN) formt, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Beugungselement durch die holographische Volumengitterstruktur mit hoher Dispersion nach einem der Ansprüche 1 bis 9 gebildet wird, angepasst an die genannte Wellenlänge.
Wellenlängenunterdrückungs-Filtervorrichtung für optische Kommunikationen, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine holographische Volumengitterstruktur mit hoher Dispersion nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst, wobei die Charakteristiken der genannten Struktur so gewählt werden, dass bei einer der Durchquerungen des Transmissionsgitters die Komponente mit der zu unterdrückenden Wellenlänge gebeugt wird und die Komponenten mit den anderen Wellenlängen durch die genannte Struktur ohne Beugung reflektiert werden.