WO2006089681A2 - Verfahren zur erhöhung der laserzerstörschwelle von beugungsgittern - Google Patents

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    • H01S3/08009—Construction or shape of optical resonators or components thereof incorporating a dispersive element, e.g. a prism for wavelength selection using a diffraction grating

Definitions

  • the invention relates to a method for increasing the laser damage threshold (LDT) of optical components, in particular of dielectric multilayer dielectric (MLD) diffraction gratings, and correspondingly improved optical components.
  • LDT laser damage threshold
  • MLD dielectric multilayer dielectric
  • ultraintensive laser pulses For the investigation of nuclear fusion and fundamental processes, for example in plasma, astro and atomic physics, high-energy lasers in the tera- and petawatt range are used today to generate ultraintensive laser pulses.
  • the achievable power of ultraintensive laser pulses is essentially limited by the properties of the optical components used and in particular by their laser damage threshold.
  • CPA Complementary Pulse Amplification
  • the stress on the optical components can be reduced in the generation of ultra-intense pulses.
  • an optical pulse of high spectral bandwidth is first time stretched, amplified and compressed again after amplification.
  • the intensity of a high energy laser during amplification can typically be reduced by several orders of magnitude.
  • the risk of destruction of optical components at the output of the optical compressor can not be eliminated by the CPA method
  • These critical optical components include, in particular, the diffraction gratings used in the compressor.
  • Diffraction gratings with the highest laser damage thresholds are now fabricated by holographic imaging on photoresist and subsequent etching of the top layer of a multilayer dielectric (MLD) stack to obtain a highly efficient reflection grating.
  • MLD multilayer dielectric
  • the disclosure of the cited articles is incorporated by reference into the disclosure of this patent application.
  • the diffraction gratings described in the cited articles can achieve a laser damage threshold for pulse durations of 10 ps, which are almost ten times that of conventional gold lattices. At pulse durations of 500 fs, a factor of 2 improvement over gold lattices with a maximum laser damage threshold of 0.6 J / cm 2 is achieved. Efforts are being made worldwide to further improve the laser damage threshold of MLD gratings as it is considered one of the largest technological
  • HEPW high energy petawatt
  • NIF National Ignition Facility
  • the beam is typically expanded prior to compression.
  • StrahlaufWeitung but disadvantageously increase the required
  • US Pat. No. 6,620,333 discloses a method with which propagation through laser irradiation of destroyed surface regions of optical components by local material removal, for example by plasma treatment, can be prevented.
  • US Pat. No. 6,518,539 B2 describes a method for treating quartz glass optical components, laser irradiation Destroy points are generated, whose propagation is limited by another laser irradiation.
  • Laser irradiation known, wherein the laser irradiation takes place at the same wavelength for which the laser damage threshold is to be reduced.
  • the invention is therefore based on the object to show a way how the quality and in particular the Laserzerstör threshold of diffraction gratings, in particular of MLD gratings, can be improved.
  • a method of treating a diffraction grating for use in a high energy laser device including a first laser includes providing the diffraction grating, providing a second treatment laser, and irradiating the diffraction grating
  • the laser damage threshold of a diffraction grating is increased by placing the grating with an intense laser beam of a treatment laser near and below the laser damage threshold, or by ramping up the output power of the laser
  • irradiating the diffraction grating advantageously comprises ramping the output power of the second treatment laser beyond the laser damage threshold for the second treatment laser.
  • the output power of the second treatment laser is ramped from less than 80% up to at least 120% of the Laserzerstörschwelle increased.
  • the method according to the invention is particularly advantageous for increasing the laser damage threshold for femtosecond and picosecond laser pulses of MLD diffraction gratings, as used in terawatt (TW) and petawatt (PW) pulse compressors.
  • a laser irradiation by the second treatment laser with a Repeat rate between 1 and 1000 Hz and for a period of at least 10 seconds proved.
  • the diffraction grating is designed for use in a terawatt or petawatt high-energy laser device.
  • the high energy laser device in which the diffraction grating is used is preferably suitable for generating laser light in the visible or infrared frequency range.
  • the diffraction grating is preferably for use in a
  • High energy laser device formed with a laser wavelength of 1054 nm +/- 30%. Furthermore, the high-energy laser device is preferably suitable for generating ultrashort laser pulses, in particular with a pulse duration below 20 ps.
  • the preferred wavelength of the second treatment laser which differs from the high energy laser device typically designed as a terawatt or petawatt laser, in the UV range, preferably at 355nm, 308nm, 248nm, 193nm or 157 nm.
  • Suitable wavelengths of the second treatment laser further include wavelengths of 1064 nm, 557 nm and 532 nm, and other wavelengths below 550 nm.
  • An example of a suitable treatment laser is an excimer laser, but other laser embodiments are also within the scope of the invention ,
  • Invention selected as the material of the multilayer stack and the substrate of the MLD diffraction grating a material with low absorption at the wavelength of the treatment laser, for example quartz glass as Substrate material when using a treatment laser in the UV range.
  • a material with low absorption at the wavelength of the treatment laser for example quartz glass as Substrate material when using a treatment laser in the UV range.
  • UV light is suitable for changing the material properties of different materials.
  • the laser irradiation with the second treatment laser is carried out with a fluence which is below 90% of the UV Zerstörfluez the diffraction grating.
  • the second treatment laser has a different wavelength than the laser radiation generated by the high-energy laser device.
  • a diffraction grating may also be irradiated with laser radiation of a wavelength other than the output wavelength of the high energy laser device when, for example, frequency multipliers are provided in the high energy laser device.
  • the second treatment laser advantageously also has a different wavelength than the laser radiation with which the diffraction grating is irradiated in use. Since the method according to the invention is sensitive to environmental contaminants, the irradiation of the diffraction grating is advantageously carried out in vacuo.
  • the diffraction grating is preferably a multilayer dielectric (MLD) diffraction grating (MLD).
  • MLD multilayer dielectric
  • a particularly preferred embodiment of the method according to the invention provides for such a diffraction grating to irradiate a mirror of the diffraction grating with the treatment laser in a first step before the diffraction grating is etched and etch the grating of the diffraction grating in a second step.
  • the MLD diffraction grating may be provided in a third step, a re-irradiation with the second treatment laser.
  • the diffraction grating is arranged in the beam path of a laser system which comprises the high-energy laser device, wherein the high-energy laser device is arranged in a position such that laser pulses generated by it are steerable onto the diffraction grating to move from the diffraction grating into another direction for further use to be reflected.
  • the invention further includes a diffraction grating treated by the described method.
  • a diffraction grating according to the invention preferably has a laser damage threshold for a 500 fs laser pulse of at least 0.7 J / cm 2 .
  • a diffraction grating according to the invention is also particularly advantageously designed as an etched MLD diffraction grating.
  • the grid of the Diffraction grating advantageously has 1740 lines / mm +/- 50%.
  • a laser system according to the invention comprises a high-energy laser device, a beam guide
  • FIG. 2 is a schematic representation of a
  • Fig. 1 schematically shows a high energy laser device for generating a high energy laser pulse based on the CPA method.
  • the pulse of one Laser oscillator 210 with a pulse duration of, for example, 100 fs and with energies of a few nanojoules and sufficiently large spectral bandwidth is initially stretched in time by means of an optical delay path.
  • the optical delay path has two anti-parallel MLD diffraction gratings 10. The beam guidance takes place with the aid of mirrors 230 and 240.
  • the first grating is imaged in reverse behind the second grating, so that the individual wavelengths, from which the short pulse is composed, travel different distances between the grids and thus pass the pulse stretcher in times of different lengths.
  • the time-stretched pulse is then amplified by a power amplifier 220 by several orders of magnitude before it is recompressed by means of a grid consisting of two parallel grating 10 grid pair.
  • the diffraction gratings 10 used in the optical compressor are exposed to a particularly high laser power.
  • the Laserzerstörschwelle particular such diffraction grating is increased by the method according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of such a diffraction grating 10, which comprises a substrate 140 on which a dielectric multilayer system 100 having layers 120 and 130 with different refractive indices is arranged.
  • a grid is etched in the uppermost layer 110.
  • the lattice parameters, exemplified by a, b, and h, can be used for maximum efficiency optimal Laserzerstörschwelle be adjusted.
  • the shape of the grid, in particular the grooves and elevations, according to the invention may also differ from the illustrated rectangular shape.
  • the invention provides to increase the laser damage threshold of such MLD diffraction gratings by irradiating the grating surface and the multilayer stack with a laser beam.
  • the inventors assume that laser-irradiation removes, inter alia, residues originating from the production process of the grid, as well as dust and other, destruction-causing, absorbing defects. It is also believed that sharp edges with lower laser damage threshold are also removed.
  • the wavelength of the treatment laser is chosen so that a minimum absorption in the multi-layer system and the underlying substrate of the diffraction grating is achieved.
  • FIG. 3 a shows a first preferred embodiment of the invention, in which the diffraction grating 10 is irradiated with a treatment laser 300, for example formed as a UV laser.
  • a treatment laser 300 for example formed as a UV laser.
  • a further preferred embodiment of the method according to the invention envisages, in a first step, irradiating the MLD diffraction grating 10 'with the treatment laser 300 before etching the grid, as shown in FIG. 3b, and then the grating in the uppermost layer of the MLD Etching grating.
  • a further irradiation with the treatment laser can advantageously take place after the etching process.
  • 4 shows results of measurements of the laser damage threshold of a diffraction grating treated according to the invention.
  • a KrF excimer laser with a wavelength of 248 nm at 70% of its UV-destroying fluence was used to estimate the laser-breakdown threshold of a 1740 MLD diffraction grating
  • the aim was to increase the laser collapse threshold of the laser pulse diffraction grating with a pulse duration of 500 fs at a wavelength of 1054 nm.
  • the maximum measured laser damage threshold without laser treatment according to the invention was about 0.4 J / cm 2 .
  • the laser damage threshold was measured at 500 fs with a 300 ⁇ m diameter test beam.
  • the results for the irradiated areas 1, 2, 3 and 4 within the area 410 of the diffraction grating 400 are shown in FIG. 4.
  • the beam of the KrF excimer laser used as the treatment laser was homogenized by means of a beam homogenizer and irradiation was preferably carried out at a repetition rate of 50 Hz for about one minute.
  • the value in the first line indicates the "non-destructive" flux on the grating surface in J / cm 2 at which a "beam imprint" on the grating surface can be seen after a few laser shots with this fluence in the third row, the maximum destructive fluence on the grating surface is given in J / cm 2 , and the value in the second row indicates the number of laser shots from which destruction occurs with the fluence indicated in the corresponding third row , From Fig.
  • laser arc damage threshold measurements are approximately 0.8 J / cm 2 (reference numeral 440), about 0.7 J / cm 2 (reference numeral 430) and about 0, 6 J / cm 2 (reference numeral 420). 4 shows the clear effect of increasing the laser damage threshold for the method according to the invention. Shown are the results of initial measurements, which can be further optimized in terms of statistical significance and homogeneity.

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Abstract

Zur Erhöhung der Laserzerstörschwelle (Laser Damage Threshold; LDT) von Beugungsgittern, insbesondere von dielektrisch beschichteten (Multi-Layer Dielectric; MLD) Beugungsgittern, sieht die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung eines Beugungsgitters zum Einsatz in einer einen ersten Laser aufweisenden Hochenergielaservorrichtung vor, mit den Schritten des Bereitstellens des Beugungsgitters, des Bereitstellens eines zweiten Behandlungs-Lasers und des Bestrahlens des Beugungsgitters mit Laserlicht des zweiten Behandlungs-Lasers bis sich die Laserzerstörschwelle des Beugungsgitters erhöht hat. Die Erfindung sieht weiterhin ein verfahrensgemäß behandeltes Beugungsgitter vor, sowie ein Lasersystem, welches ein solches Beugungsgitter umfasst.

Description

Verfahren zur Erhöhung der Laserzerstörschwelle von
Beugungsgittern
Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Laserzerstörschwelle (Laser Damage Threshold; LDT) optischer Komponenten, insbesondere von dielektrisch beschichteten (Multi-Layer Dielectric; MLD) Beugungsgittern, sowie entsprechend verbesserte optische Komponenten.
Zur Erforschung der Kernfusion sowie fundamentaler Prozesse beispielsweise in der Plasma-, Astro- und Atomphysik werden heute Hochenergie-Laser im Tera- und Petawatt-Bereich zur Erzeugung ultraintensiver Laserpulse eingesetzt. Die erreichbare Leistung ultraintensiver Laserpulse ist im wesentlichen durch die Eigenschaften der verwendeten optischen Komponenten und insbesondere durch deren Laserzerstörschwelle begrenzt.
Durch eine als CPA-Verfahren (Chirped Pulse Amplification; CPA) bekannte Methode kann die Belastung der optischen Komponenten bei der Erzeugung ultraintensiver Pulse reduziert werden. Beim CPA-Verfahren wird ein optischer Puls großer spektraler Bandbreite zunächst zeitlich gestreckt, verstärkt und nach Verstärkung wieder komprimiert. Dadurch kann die Intensität eines Hochenergie- Lasers während der Verstärkung typischerweise um mehrere Größenordnungen reduziert werden. Das Risiko der Zerstörung optischer Komponenten am Ausgang des optischen Kompressors kann durch das CPA-Verfahren jedoch nicht eliminiert
BESTÄTIGUNGSKOPfE werden. Zu diesen kritischen optischen Komponenten gehören insbesondere die im Kompressor verwendeten Beugungsgitter.
Beugungsgitter mit den höchsten Laserzerstörschwellen werden heute durch holographische Abbildung auf Fotolack und nachfolgendes Ätzen der obersten Schicht eines dielektrischen Mehrschichtstapels (Multi-Layer Dielectric; MLD) hergestellt, um ein hocheffizientes Reflexionsgitter zu erhalten.
Dies wird beispielsweise beschrieben in Optics Letters, 20, S. 1349 ff, 1995 (L. Li and J. Hirsh, "All-dielectric, high-efficiency reflection gratings made with multilayer thin-film coatings") , J. Opt . Soc. Am. A 14, 1124 (1997) (B. W. Shore, M. D. Perry, J. A. Britten, R. D. Boyd, M. D.
Feit, H. T. Nguyen, R. Chow, G. E. Loomis and L. Li "Design of High-Efficiency Dielectric Reflection Gratings") , Applied Optics, October 20, 1999 (K. Hehl, et.al., "High- efficiency dielectric reflection gratings: design, fabrication, and analysis") , Proc. SPIE V5273, 1, (2004) ( J.A. Britten, W.A. Molander, A. M. Komashko and C. P. J. Barty) und Nucl . Fusion 44 S266 (2004) ( C. P. J. Barty, M. Key, J. Britten, R. Beach, G. Beer, C. Brown, S. Bryan, J. Caird, T. Carlson, J. Crane, J. Dawson, A.C. Erlandson, D. Fittinghoff, M. Hermann, C. Hoaglan, A. Iyer, L. Jones II, I. Jovanovic, A. Komashko, O. Landen, Z. Liao, W. Molander, S. Mitchell, E. Moses, N. Nielsen, H-H. Nguyen, J. Nissen, S. Payne, D. Pennington, L. Risinger, M. Rushford, K. Skulina, M. Spaeth, B. Stuart, G. Tietbohl and B. Wattellier) .
Der Offenbarungsgehalt der zitierten Artikel wird durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt dieser Patentanmeldung inkorporiert . Die in den zitierten Artikeln beschriebenen Beugungsgitter können eine Laserzerstörschwelle für Pulsdauern von 10 ps- erreichen, die fast zehnmal so hoch sind, wie die von konventionellen Goldgittern. Bei Pulsdauern von 500 fs wird eine Verbesserung um den Faktor 2 gegenüber Goldgittern mit einer maximalen Laserzerstörschwelle von 0,6 J/cm2 erreicht. Weltweit werden Anstrengungen unternommen, die Laserzerstörschwelle von MLD-Gittern weiter zu verbessern, da diese als eine der größten technologischen
Herausforderungen und kritischen Komponenten im Design von Hochenergie Petawatt (HEPW) -Lasersystemen, wie beispielsweise der am Lawrence Livermore National Laboratory im Bau befindlichen NIF (National Ignition Facility) -Anlage, angesehen wird.
Um eine Zerstörung der Kompressionsgitter in einem CPA- System zu vermeiden, wird der Strahl vor der Kompression typischerweise aufgeweitet. Durch die StrahlaufWeitung erhöhen sich jedoch nachteiligerweise die erforderlichen
Abmessungen der eingesetzten optischen Komponenten. Mit den Abmessungen steigen jedoch auch die Kosten in erheblichem Maße und zudem lassen sich optische Komponenten schon allein aus Erwägungen der mechanischen Stabilität nicht in beliebiger Größe herstellen.
Aus US 6,620,333 ist ein Verfahren bekannt, mit dem ein Ausbreiten durch Lasereinstrahlung zerstörter Oberflächenbereiche optischer Komponenten durch lokalen Materialabtrag, beispielsweise durch Plasmabehandlung, verhindert werden kann. In US 6,518,539 B2 wird ein Verfahren zur Behandlung optischer Komponenten aus Quarzglas beschrieben, wobei durch Laserbestrahlung Zerstörstellen generiert werden, deren Ausbreitung durch eine weitere Laserbestrahlung begrenzt wird.
US 6,705,125 B2 beschreibt ein Verfahren zur Behandlung von Quarzglas-Optiken zum Einsatz bei Wellenlängen von 360 nm und darunter, bei dem die Optiken durch Laserbestrahlung steigender Fluenz behandelt werden, um eine Zerstörung der Optiken im späteren Einsatz zu reduzieren. Ferner ist aus US 5,472,748 ein Verfahren zur Erhöhung der Laserzerstörschwelle dünner optischer Schichten durch
Laserbestrahlung bekannt, wobei die Laserbestrahlung bei der gleichen Wellenlänge erfolgt, für die die Laserzerstörschwelle reduziert werden soll.
Der Offenbarungsgehalt der Patentschriften US 5,472,748, US 6,518,539, US 6,620,333 und US 6,705,125 wird durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt dieser Patentanmeldung inkorporiert .
Keine der zitierten Patentschriften betrifft die Behandlung von Beugungsgittern zur Erhöhung der Laserzerstörschwelle.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie die Qualität und insbesondere die Laserzerstörschwelle von Beugungsgittern, insbesondere von MLD-Gittern, verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ein Beugungsgitter gemäß Anspruch 21, sowie ein Lasersystem gemäß Anspruch 25 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben. Dementsprechend umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Behandlung eines Beugungsgitters zum Einsatz in einer einen ersten Laser aufweisenden Hochenergielaservorrichtung das Bereitstellen des Beugungsgitters, das Bereitstellen eines zweiten Behandlungs-Lasers, und das Bestrahlen des
Beugungsgitters mit Laserlicht des zweiten Behandlungs- Lasers, bis sich die Laserzerstörschwelle des Beugungsgitters erhöht hat.
Die Erfinder haben festgestellt, dass die Laserzerstörschwelle eines Beugungsgitters, insbesondere eines MLD- Beugungsgitters, dadurch erhöht wird, dass das Gitter mit einem intensiven Laserstrahl eines Behandlungslasers in der Nähe und unterhalb der Laserzerstörschwelle, oder bei rampenfÖrmigen Erhöhung der Ausgangsleistung des
Behandlungslasers sogar über die Laserzerstörschwelle des Behandlungslasers hinaus, bestrahlt wird.
Dementsprechend umfasst das Bestrahlen des Beugungsgitters vorteilhaft ein rampenförmiges Erhöhen der Ausgangsleistung des zweiten Behandlungs-Lasers über die Laserzerstörschwelle für den zweiten Behandlungs-Laser hinaus. Besonders vorteilhaft wird die Ausgangsleistung des zweiten Behandlungs-Lasers rampenförmig von unter 80% auf bis zu wenigstens 120% der Laserzerstörschwelle erhöht.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft zur Erhöhung der Laserzerstörschwelle für Femto- und Pikosekunden-Laserpulse von MLD-Beugungsgittern, wie sie in Terawatt (TW) - und Petawatt (PW) -Pulskompressoren eingesetzt werden.
Als besonders vorteilhaft hat sich eine Laserbestrahlung durch den zweiten Behandlungs-Lasers mit einer Wiederholrate zwischen 1 und 1000 Hz und für eine Dauer von wenigstens 10 Sekunden erwiesen.
Mit besonderem Vorteil ist das Beugungsgitter zum Einsatz in einer Terawatt- oder Petawatt-Hochenergielaser- vorrichtung ausgebildet. Die Hochenergielaservorrichtung, in welcher das Beugungsgitter eingesetzt wird, ist vorzugsweise zur Erzeugung von Laserlicht im sichtbaren oder infraroten Frequenzbereich geeignet. Insbesondere ist das Beugungsgitter vorzugsweise zum Einsatz in einer
Hochenergielaservorrichtung mit einer Laserwellenlänge von 1054 nm +/- 30% ausgebildet. Ferner ist die Hochenergielaservorrichtung bevorzugt dazu geeignet, ultrakurze Laserpulse, insbesondere mit einer Pulsdauer unterhalb von 20 ps, zu erzeugen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt die bevorzugte Wellenlänge des zweiten Behandlungs-Lasers, welcher sich von dem typischerweise als Terawatt- oder Petawatt-Laser ausgebildeten Hochenergielaservorrichtung unterscheidet, im UV-Bereich, vorzugsweise bei 355nm, 308nm, 248nm, 193nm oder 157 nm. Geeignete Wellenlängen des zweiten Behandlungs-Lasers umfassen ferner Wellenlängen von 1064 nm, 557 nm und 532 nm, sowie andere Wellenlängen unterhalb von 550 nm. Ein Beispiel eines geeigneten Behandlungs-Lasers ist ein Excimer-Laser, andere Laserausführungen liegen aber ebenso im Rahmen der Erfindung.
Ferner wird in einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung als Material des Mehrschicht-Stapels und des Substrates des MLD-Beugungsgitters ein Material mit niedriger Absorption bei der Wellenlänge des Behandlungs- Lasers gewählt, beispielsweise Quarzglas als Substratmaterial bei Verwendung eines Behandlungs-Lasers im UV-Bereich. Die Verwendung von Material mit niedriger Absorption erlaubt eine maximale Auftreff-Fluenz des Behandlungs-Lasers, ohne bereits durch die Laserbehandlung eine Zerstörung zu verursachen, wodurch die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht wird.
Insbesondere ist bekannt, dass UV-Licht geeignet ist, die Materialeigenschaften verschiedener Materialien zu verändern. Insofern ist davon auszugehen, dass durch UV- Bestrahlung nicht nur die Oberflächenqualität des Beugungsgitters beeinflusst werden, sondern auch das Schichtsystem des MLD-Stapels und das darunter liegende Material .
Vorzugsweise erfolgt die Laserbestrahlung mit dem zweiten Behandlungs-Laser mit einer Fluenz, welche unterhalb von 90% der UV-Zerstörfluez des Beugungsgitters liegt.
Mit besonderem Vorteil weist der zweite Behandlungs-Laser eine andere Wellenlänge als die von der Hochenergielaservorrichtung erzeugte Laserstrahlung auf. Innerhalb einer Hochenergielaservorrichtung kann ein Beugungsgitter auch mit Laserstrahlung einer anderen Wellenlänge als der Ausgangswellenlänge der Hochenergielaservorrichtung bestrahlt werden, wenn beispielsweise Frequenzvervielfacher in der Hochenergielaservorrichtung vorgesehen sind. Dementsprechend weist der zweite Behandlungs-Laser ferner vorteilhaft eine andere Wellenlänge auf als die Laserstrahlung, mit der das Beugungsgitter im Einsatz bestrahlt wird. Da das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber Verunreinigungen aus der Umgebung sensitiv ist, erfolgt das Bestrahlen des Beugungsgitters vorteilhaft im Vakuum.
Bei dem Beugungsgitter handelt es sich vorzugsweise um ein dielektrisches Mehrschicht (MLD) -Beugungsgitter (Multi- layer dielectric; MLD) . Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht für ein solches Beugungsgitter vor, in einem ersten Schritt ein Spiegel des Beugungsgitters mit dem Behandlungs-Laser zu bestrahlen, bevor das Beugungsgitter geätzt wird und in einem zweiten Schritt das Gitterraster des Beugungsgitters zu ätzen. Vorteilhaft kann zusätzlich nach dem Ätzen des Gitterrasters das MLD-Beugungsgitters in einem dritten Schritt ein erneutes Bestrahlen mit dem zweiten Behandlungs-Laser vorgesehen sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Beugungsgitter im Strahlengang eines Lasersystems angeordnet, welches die Hochenergielaservorrichtung umfasst, wobei die Hochenergielaservorrichtung in einer Position angeordnet ist, so dass von ihr erzeugte Laserpulse auf das Beugungsgitter lenkbar sind, um vom Beugungsgitter zur weiteren Verwendung in eine andere Richtung reflektiert zu werden.
Die Erfindung umfasst ferner ein Beugungsgitter, welches mit dem beschriebenen Verfahren behandelt wurde. Ein erfindungsgemäßes Beugungsgitter weist vorzugsweise eine Laserzerstörschwelle für einen 500 fs Laserpuls von wenigstens 0,7 J/cm2 auf. Besonders vorteilhaft ist ein erfindungsgemäßes Beugungsgitter ferner als geätztes MLD- Beugungsgitter ausgebildet. Das Gitterraster des Beugungsgitters weist vorteilhaft 1740 Linien/mm +/- 50% auf .
Ein erfindungsgemäßes Lasersystem umfasst eine Hochenergielaservorrichtung, eine Strahlführung, um
Laserlicht von der Hochenergielaservorrichtung zu einer Zielvorrichtung zu führen, und wenigstens ein oben beschriebenes Beugungsgitter, wobei Laserlicht von der Hochenergielaservorrichtung zum Beugungsgitter geführt und vom Beugungsgitter so reflektiert wird, dass es zu der Zielvorrichtung geführt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen gleiche oder ähnliche Teile.
Es zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung zum Durchführen eines CPA-
Verfahrens, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines
Beugungsgitters,
Fig. 3a eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 3b eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 4 Ergebnisse von Messungen der Laserzerstörschwelle eines erfindungsgemäß behandelten Beugungsgitters.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Hochenergielaservorrichtung zum Erzeugen eines hochenergetischen Laserpulses auf der Grundlage des CPA-Verfahrens . Der Puls eines Laseroszillators 210 mit einer Pulsdauer von beispielsweise 100 fs und mit Energien von wenigen Nanojoule und ausreichend großer spektraler Bandbreite wird zunächst mittels einer optischen Verzögerungsstrecke zeitlich gestreckt. Die optische Verzögerungsstrecke weist zwei antiparallel angeordnete MLD-Beugungsgitter 10 auf. Die Strahlführung erfolgt mit Hilfe von Spiegeln 230 und 240.
Mittels entsprechender Optiken wird das erste Gitter invertiert hinter das zweite Gitter abgebildet, so dass die einzelnen Wellenlängen, aus der sich der kurze Puls zusammensetzt, zwischen den Gittern verschieden lange Wegstrecken zurücklegen und den Pulsstrecker somit in unterschiedlich langen Zeiten passieren.
Der zeitlich gestreckte Puls wird nun mittels eines Leistungsverstärkers 220 um mehrere Größenordnungen verstärkt, bevor er mit Hilfe eines aus zwei parallel angeordneten Beugungsgittern 10 bestehenden Gitterpaares rekomprimiert wird.
Insbesondere die im optischen Kompressor eingesetzten Beugungsgitter 10 sind einer besonders hohen Laserleistung ausgesetzt. Die Laserzerstörschwelle insbesondere solcher Beugungsgitter wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines solchen Beugungsgitters 10, welches ein Substrat 140 umfasst, auf dem ein dielektrisches Mehrschichtsystem 100 angeordnet ist, das Schichten 120 und 130 mit unterschiedlichem Brechungsindex aufweist. In die oberste Schicht 110 ist ein Gitterraster geätzt. Die Gitterparameter, beispielhaft mit a, b und h bezeichnet, können für maximale Effizienz und optimale Laserzerstörschwelle angepasst werden. Die Form des Gitterrasters, insbesondere der Nuten und Erhöhungen, kann erfindungsgemäß auch von der dargestellten Rechteckform abweichen.
Die Erfindung sieht vor, die Laserzerstörschwelle solcher MLD-Beugungsgitter durch Bestrahlen der Gitteroberfläche und des Mehrschichtstapels mit einem Laserstrahl zu erhöhen. Die Erfinder gehen davon aus, dass durch die Laserbestrahlung unter anderem vom Herstellungsprozess des Gitters stammende Rückstände, sowie Staub und andere, eine Zerstörung verursachende, absorbierende Defekte entfernt werden. Ferner wird angenommen, dass scharfe Kanten mit geringerer Laserzerstörschwelle ebenfalls entfernt werden.
Vorteilhaft wird die Wellenlänge des Behandlungs-Lasers so gewählt, dass eine minimale Absorption im Mehrschicht- System und dem darunter liegenden Substrat des Beugungsgitters erzielt wird.
Fig. 3a zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, in der das Beugungsgitter 10 mit einem Behandlungs-Laser 300, beispielsweise als UV-Laser ausgebildet, bestrahlt wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, in einem ersten Schritt das MLD-Beugungsgitter 10' vor Ätzen des Gitterrasters mit dem Behandlungs-Laser 300 zu bestrahlen, wie in Fig. 3b dargestellt, und anschließend das Gitterraster in die oberste Schicht des MLD-Beugungsgitters zu ätzen. Hierbei kann nach dem Ätzvorgang vorteilhaft eine weitere Bestrahlung mit dem Behandlungs-Laser erfolgen. Fig. 4 zeigt Ergebnisse von Messungen der Laserzerstörschwelle eines erfindungsgemäß behandelten Beugungsgitters . Dabei wurde ein KrF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm bei 70% seiner UV-Zerstör-Fluenz verwendet, um die Laseerzerstörschwelle eines MLD-Beugungsgitters mit 1740
Linien/mm auf einem Quarzglas-Substrat zu erhöhen. Das Ziel war, die Laserzerstörschwelle des Beugungsgitters für Laserpulse mit einer Pulsdauer von 500 fs bei einer Wellenlänge von 1054 nm zu erhöhen.
Die maximale gemessene Laserzerstörschwelle ohne erfindungsgemäße Laserbehandlung lag bei etwa 0,4 J/cm2. Nach UV-Laserbestrahlung wurde die Laserzerstörschwelle bei 500 fs mit einem Teststrahl mit 300 μm Durchmesser gemessen. Die Ergebnisse für die bestrahlten Gebiete 1, 2,3 und 4 innerhalb des Bereiches 410 des Beugungsgitters 400 sind in Fig. 4 dargestellt.
Der Strahl des als Behandlungs-Laser eingesetzten KrF- Excimerlasers wurde mittels eines Strahlhomogenisierers homogenisiert und die Bestrahlung erfolgte bevorzugt bei einer Wiederholrate von 50 Hz für etwa eine Minute.
In Fig. 4 gibt jeweils der Wert in der ersten Zeile die „Nicht-Zerstör^-Fluenz auf der Gitteroberfläche in J/cm2 an, bei der nach einigen Laserschüssen mit dieser Fluenz ein „Strahlabdruck" auf der Gitteroberfläche erkennbar ist. Der Wert in der dritten Zeile gibt jeweils die maximale Zerstör-Fluenz auf der Gitteroberfläche in J/cm2 an, und der Wert in der zweiten Zeile gibt jeweils die Anzahl der Laserschüsse an, ab der eine Zerstörung mit der in der entsprechenden dritten Zeile angegebenen Fluenz auftritt. Aus Fig. 4 sind für die bestrahlten Gebiete 1,2,3 und 4 Meßergebnisse für die Laserzerstörschwelle von etwa 0,8 J/cm2 (Bezugszeichen 440), etwa 0,7 J/cm2 (Bezugszeichen 430) und etwa 0,6 J/cm2 (Bezugszeichen 420) zu entnehmen. Damit zeigt Fig. 4 den klaren Effekt einer Erhöhung der Laserzerstörschwelle für das erfindungsgemäße Verfahren. Dargestellt sind die Ergebnisse erster Messungen, die bezüglich der statistischen Signifikanz und der Homogenität noch weiter optimiert werden können.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur Behandlung eines Beugungsgitters zum Einsatz in einer einen ersten Laser aufweisenden Hochenergielaservorrichtung, umfassend die Schritte:
- Bereitstellen des Beugungsgitters,
- Bereitstellen eines zweiten Behandlungs-Lasers,
- Bestrahlen des Beugungsgitters mit Laserlicht des zweiten Behandlungs-Lasers bis sich die Laserzerstörschwelle des Beugungsgitters erhöht hat.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestrahlen des Beugungsgitters ein rampenförmiges Erhöhen der Ausgangsleistung des zweiten Behandlungs-Lasers über die Laserzerstörschwelle für den zweiten Behandlungs-Laser hinaus umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Ausgangsleistung des zweiten Behandlungs-Lasers rampenförmig von unter 80% auf bis zu wenigstens 120% der Laserzerstörschwelle erhöht wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestrahlen mit Laserlicht des zweiten Behandlungs- Lasers unterhalb und in der Nähe der Laserzerstörschwelle für den zweiten Behandlungs-Laser erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Laserbestrahlung durch den zweiten Behandlungs-Lasers mit einer Wiederholrate zwischen 1 und 1000 Hz und für eine Dauer von wenigstens 10 Sekunden erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Beugungsgitter zum Einsatz in einer Hochenergielaser- Vorrichtung ausgebildet ist, die zur Erzeugung von Laserlicht im sichtbaren oder infraroten Frequenzbereich geeignet ist.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Beugungsgitter zum Einsatz in einer Hochenergielaservorrichtung mit einer Laserwellenlänge von 1054 nm +/- 30% ausgebildet ist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Beugungsgitter zum Einsatz in einer Terawatt- oder Petawatt-Hochenergielaservorrichtung ausgebildet ist.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Beugungsgitter zum Einsatz in einer Hochenergielaservorrichtung ausgebildet ist, die ultrakurze Laserpulse erzeugt .
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Beugungsgitter zum Einsatz in einer Hochenergielaservorrichtung ausgebildet ist, die Laserpulse mit einer Pulsdauer unterhalb von 20 ps erzeugt.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Behandlungs-Laser ein UV-Laser ist.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Laserbestrahlung mit dem zweiten Behandlungs-Laser mit einer Fluenz erfolgt, welche unterhalb von 90% der UV- Zerstörfluez des Beugungsgitters liegt.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Behandlungs-Laser eine Wellenlänge von 1064 nm, 557 nm, 532 nm, 353 nm, 308 nm, 248 nm 193 nm oder 157 nm aufweist .
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Behandlungs-Laser eine Wellenlänge von unterhalb 550 nm aufweist.
15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestrahlen des Beugungsgitters in Vakuum erfolgt.
16. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Behandlungs-Laser eine andere Wellenlänge aufweist als die Hochenergielaservorrichtung.
17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als zweiter Behandlungs-Laser ein Excimer-Laser eingesetzt wird.
18. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Beugungsgitter ein dielektrisches Mehrschicht (MLD)-
Beugungsgitter (Multi-layer dielectric; MLD) ist und
- in einem ersten Schritt ein Spiegel des Beugungsgitters mit dem Behandlungs-Laser bestrahlt wird, bevor das Beugungsgitter geätzt wird und - in einem zweiten Schritt das Gitterraster geätzt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei
- in einem dritten Schritt nach dem Ätzen des Gitterrasters das MLD-Beugungsgitter erneut mit dem zweiten Behandlungs- Laser bestrahlt wird.
20. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Beugungsgitter im Strahlengang eines Lasersystems angeordnet ist, welches die Hochenergielaservorrichtung umfasst, wobei die Hochenergielaservorrichtung in einer Position angeordnet ist, dass von ihr erzeugte Laserpulse auf das Beugungsgitter lenkbar sind, um vom Beugungsgitter zur weiteren Verwendung in eine andere Richtung reflektiert zu werden.
21. Beugungsgitter zum Einsatz in einer Hochenergielaservorrichtung, welches mit einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche behandelt wurde.
22. Beugungsgitter nach Anspruch 21 mit einer Laserzerstörschwelle für einen 500 fs Laserpuls von wenigstens
0,7 J/cm2.
23. Beugungsgitter nach einem der vorstehenden Ansprüche, ausgebildet als geätztes MLD-Beugungsgitter .
24. Beugungsgitter nach einem der vorstehenden Ansprüche mit 1740 Linien/mm +/- 50%.
25. Lasersystem, umfassend
- eine Hochenergielaservorrichtung,
- eine Strahlführung, um Laserlicht von der Hochenergielaservorrichtung zu einer Zielvorrichtung zu führen, und - wenigstens ein Beugungsgitter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Laserlicht von der Hochenergielaservorrichtung zum Beugungsgitter geführt und vom Beugungsgitter so reflektiert wird, dass es zu der Zielvorrichtung geführt wird.
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