DE102012021168B4 - Multipasslasersystem mit gekoppelten Multipasszellen - Google Patents

Abstract

Multipasslasersystem (1) mit einer Strahleinkopplungsoptik (2) und einer Strahlauskopplungsoptik (3) zur Führung eines einfallenden (4) und ausfallenden (5) Strahlungsfeldes sowie mit wenigstens einer ersten Multipasszelle und einer zweiten Multipasszelle (6), wobei jede Multipasszelle (6) zum Führen eines Multipassstrahlungsfeldes (11) wenigstens zwei Fokussieroptiken (7), sowie eine Rückkopplungsoptik (8, 9) und eine gemeinsame Kopplungsoptik (10) zum Kopplen der zwei Multipassstrahlungsfelder (11) der beiden Multipasszellen (6) aufweist, wobei das Multipassstrahlungsfeld (11) aus einer Vielzahl an Strahlungsästen (12) besteht, die in einem von den zwei Fokussieroptiken (7) begrenzten Zwischenbereich (13) parallel zueinander verlaufen und über eine der Fokussieroptiken (7) auf die Rückkopplungsoptik (8, 9) geführt werden, und über die andere der Fokussieroptiken (7) auf die gemeinsame Kopplungsoptik (10) geführt werden, wobei sich die Vielzahl von Strahlungsästen auf der Rückkopplungsoptik und der gemeinsamen Kopplungsoptik jeweils überlagern und dabei eine vor der gemeinsamen Kopplungsoptik (10) angeordnete Festkörperscheibe (14) in einem aktiven Bereich überlagernd durchsetzen, und wobei die Strahlungsäste derart gekoppelt sind, dass ausgehend vom einfallenden (4) zum ausfallenden (5) Strahlungsfeld alle Strahlungsäste (12) nacheinander durchlaufen werden, wobei die Rückkopplungsoptik (8, 9) der ersten Multipasszelle als phasenfrontkorrigierendes Element zur Kompensation von durch die Festkörperscheibe (14) hervorgerufenen Phasenfrontveränderungen ausgebildet ist, wobei die Rückkopplungsoptik (8, 9) der zweiten Multipasszelle als Rückkopplungsoptik (8, 9) mit konstanter Brechkraft ausgebildet ist, und wobei die Ein- und Auskopplungsoptik (2, 3) in dieser Multipasszelle angeordnet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Multipasslasersystem mit einer Strahleinkopplungsoptik und einer Strahlauskopplungsoptik zur Führung eines einfallenden und ausfallenden Strahlungsfeldes mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Multipasszelle, wobei jede Multipasszelle zum Führen eines Multipassstrahlungsfeldes wenigstens zwei Fokussieroptiken, sowie eine Rückkopplungsoptik und eine gemeinsame Kopplungsoptik zum Koppeln der zwei Multipassstrahlungsfelder der beiden Multipasszellen aufweist, wobei das Multipassstrahlungsfeld aus einer Vielzahl von Strahlungssästen besteht, die in einem von den beiden Fokussieroptiken begrenzten Zwischenbereich parallel zueinander verlaufen und über eine der Fokussieroptiken auf die Rückkopplungsoptik geführt werden, und über die andere der Fokussieroptiken auf die gemeinsame Kopplungsoptik geführt werden, wobei sich die Vielzahl von Strahlungsästen auf der Rückkopplungsoptik und der gemeinsamen Kopplungsoptik jeweils überlagern und dabei eine vor der gemeinsamen Kopplungsoptik angeordnete Festkörperscheibe in einem aktiven Bereich überlagernd durchsetzen, und wobei die Strahlungsäste derart gekoppelt sind, dass ausgehend vom einfallenden zum ausfallenden Strahlungsfeld alle Strahlungsäste nacheinander durchlaufen werden.
• Multipasslasersysteme mit Multipasszellen haben den Vorteil, dass sie zur Realisierung von zahlreichen Übergängen über ein optisches Element eine nur geringe Anzahl an Optiken, wie z.B. Fokussieroptiken, benötigen, sich besonders einfach justieren lassen, die Abstände zwischen verschiedenen Strahlungsästen des Multipassstrahlungsfelds im Gegensatz zu solchen von über einzelne Optiken geführten Strahlungsästen minimiert werden können und die Anzahl der Strahlungsäste sehr einfach variiert werden kann.
• Die Fläche der bei herkömmlichen Multipasslasersystemen üblicherweise als Fokussieroptik verwendeten kreisförmigen Elemente (z.B. Linsen oder Spiegel) skaliert quadratisch mit der Anzahl an Strahlungsästen, da die Strahlungsäste nebeneinander angeordnet sind und mit zunehmender Anzahl an Strahlungsästen ein größerer Durchmesser des Fokussierelements benötigt wird. Eine Verdoppelung der Strahlungsäste hat somit eine Vervierfachung der Fläche auf dem fokussierenden Element zur Folge. Die optische Fläche der bei herkömmlichen Multipasslasersystemen meist kreisförmigen Fokussieroptiken wird dort nur zu einem Bruchteil benutzt.
• Bei besonders vielen nebeneinander geführten Strahlungsästen ergibt sich insbesondere das Problem, dass die außen geführten Strahlungsäste einen großen Abstand zum Mittelpunkt der Fokussieroptiken aufweisen. Zur optimalen Führung der Strahlungsäste auf einen gemeinsamen Punkt auf der Kopplungsoptik ist es notwendig, kostenintensive Paraboloptiken zu verwenden. Bei der Verwendung von Paraboloptiken können selbst bei weit außen liegenden Strahlungsfeldern leichte Abweichungen von einer bei einem solchen Aufbau gewünschten, optimalen telezentrischen Anordnung entstehen.
• Ein Multipasslasersystem mit nur einer Multipasszelle, ist bekannt aus der Offenlegungsschrift EP 1286434 A1 . Dort werden die in dem Zwischenbereich zwischen zwei Fokussieroptiken parallel verlaufenden Strahlungsäste des Multipassstrahlungsfeldes in einer Ebene geführt. Die zwei Rückkopplungsoptiken sind dabei so angeordnet, dass sie jeweils unterschiedliche Paare an Strahlungsästen aneinander koppeln, und so das Multipassstrahlungsfeld mit sich selbst koppeln, derart dass alle Strahlungsäste nacheinander durchlaufen werden. Die Kopplung von Strahlungsästen erfolgt beispielsweise durch eine Verkippung einer Rückkopplungsoptik um eine zu der von den Strahlungsästen aufgespannten Ebene senkrechten Achse, oder durch einen Versatz zwischen den optischen Achsen der Fokussier- und/oder Kopplungsoptiken, wobei der Versatz parallel zu der von den Strahlungsästen aufgespannten Ebene erfolgt.
• Ein anderes Multipasslasersystem mit zwei Multipasszellen ohne gemeinsame Rückkopplungsoptik, aber stattdessen einem zwischen den Multipasszellen angeordneten transmissiven Festkörperelement wird in der EP 1 192 690 B1 beschrieben. Dort ist der Einkoppelspiegel in der Ebene des Relay-Bildes des Festkörperelements angeordnet. Die Strahlen sind auf den Fokussierspiegeln soweit voneinander beabstandet, dass sie sich trennen lassen. Bei einem kollimierten Strahl auf dem Festkörperelement ist der Reflektionsbereich auf den Fokussierspiegeln entsprechend groß.
• Ferner wird in der US 6 392 791 B1 ein Multipasslasersystem beschrieben bei dem anstatt gemeinsamer Fokussier- und Kopplungsoptiken einzelne Spiegel zur Umlenkung und Kopplung einzelner Strahlungsäste eingesetzt werden. Eine Überlagerung von Strahlen auf den entsprechenden Optiken ist so nicht möglich.
• Ein Multipasslasersystem mit mehreren einzelnen Spiegeln wird ebenfalls in der US 2010/0 316 085 A1 offenbart.
• Bei hohen Pumpleistungen erzeugen thermische Effekte in der Festkörperscheibe Aberrationen, die sich in einer Veränderung der Phasenfront des Strahlungsfeldes bemerkbar machen. Bei mehrfachen Übergängen über die Festkörperscheibe addieren sich diese Aberrationen kontinuierlich auf und sorgen für eine erhebliche Verschlechterung der Strahlqualität.
• Eine Lösung bietet der Einsatz eines phasenfrontkorrigierenden Elements zur Kompensation der Phasenfrontveränderungen, wie z.B. eines adaptiven Spiegels.
• Beispielsweise wurde in der EP 1 192 690 B1 ein Multipasslasersystem beschrieben, bei der jeweils eine korrigierende Optik mit zum Festkörperelement exakt entgegengesetzer Brechkraft in der ersten und der zweiten Multipasszelle angeordnet ist. Da das Festkörperelement doppelt so häufig vom Strahlungsfeld durchsetzt wird, wie jedes einzelne korrigierende Element, ist eine solche Anordnung mit zwei korrigierenden Optiken mit zum Festkörperelement exakt entgegengesetzter Brechkraft in den äußeren Multipasszellen notwendig.
• Ein solcher korrigierender Spiegel, eingesetzt in einem Laserresonator, wurde z.B. auch in der WO 2009 095 311 A1 beschrieben. Allerdings wurde dort nur von einem einfachen Übergang über die Festkörperscheibe und dem adaptiven Spiegel berichtet.
• Ein Multipasslasersystem mit mehreren Multipasszellen, sowie phasenfrontkorrigierendem Element wird auch in der Offenlegungsschrift US 2011/0 157 689 A1 und US 2011/0 122 483 A1 beschrieben. Der ein- und ausfallende Strahlungsast wird durch eine Aus-nehmung in den Fokussieroptiken mit dem Multipassstrahlungsfeld gekoppelt. Die Strahlen auf den Fokussieroptiken müssen dabei entsprechend voneinander beabstandet sein und nehmen einen entsprechend großen Bereich auf den Fokussieroptiken ein. Das phasenfrontkorrigierende Element ist in einer Multipasszelle angeordnet, in der die Strahlein- und Auskopplung in das Multipassstrahlungsfeld erfolgt. Die Strahlein- und Auskopplung erfolgt über Prismen, die zwischen den Fokussierspiegeln angeordnet sind und auf diese Weise mehrere Multipasszellen miteinander koppeln, wobei sich diese Multipasszellen den Fokussierspiegel miteinander teilen. Etwaige Fokii zwischen den Fokussieroptiken können bei dieser Anordnung bei entsprechenden Brechkraftänderungen der Festkörperscheibe auf die Optiken verschoben werden.
• Ein Problem, das durch die Aberrationen der Festkörperscheibe hervorgerufen wird, ist eine mögliche starke Verschiebung bestehender Fokusse. Bei einer ungünstigen Positionierung von z.B. Ein- und Auskopplungsoptiken kann dies zu Leistungsverlusten und/oder zur Zerstörung der Optiken durch zu hohe Leistungsdichten führen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Multipasslasersystem bereitzustellen, das die zur Führung des Multipassstrahlungsfeldes genutzte Fläche der Fokussierelemente optimal ausnutzt, Aberrationen durch zu große Abstände vom Zentrum der Fokussieroptik verhindert und Zerstörungen der Ein- und Auskopplungsoptiken durch Verschieben von Foki verhindert.
• Die Aufgabe wird gelöst durch ein Eingangs beschriebenes Laserverstärkungssystem, wobei die Rückkopplungsoptik (8, 9) der ersten Multipasszelle als phasenfrontkorrigierendes Element zur Kompensation von durch die Festkörperscheibe (14) hervorgerufenen Phasenfrontveränderungen ausgebildet ist, wobei die Rückkopplungsoptik (8, 9) der zweiten Multipasszelle als Rückkopplungsoptik (8, 9) mit konstanter Brechkraft ausgebildet ist, und wobei die Ein- und Auskopplungsoptik (2, 3) in dieser Multipasszelle angeordnet ist.
• Dabei werden – auch im Folgenden – unter Aberrationen sowohl sphärische Aberrationen als auch Aberrationen höherer Ordnung verstanden.
• Die Verwendung einer Rückkopplungsoptik mit konstanter Brechkraft in der zweiten Multipasszelle hat den Vorteil, dass etwaige Aberrationen, die durch die Festkörperscheibe hervorgerufen werden, durch das phasenfrontkorrigierende Element korrigiert werden, so dass die Entwicklung der Durchmesser der Strahlungsfelder in der „äußeren Multipasszelle“ mit hinsichtlich der Brechkraft konstanter Rückkopplungsoptik invariant gegenüber Aberrationen der Festkörperscheibe ist. So kann eine Zerstörung von dort angeordenten Ein- und Auskopplungsoptiken verhindert werden.
• Die Ausführung mit erster und zweiter Multipasszelle hat den Vorteil, dass die über das gemeinsame Kopplungselement geführten Strahlungsäste gegenüber einer einzigen Multipasszelle verdoppelt werden, die benötigte Fläche auf den Fokussieroptiken dann zwar ebenfalls verdoppelt, aber nicht wie bei einer einzigen Multipasszelle mit entsprechend verdoppelter Zahl an Strahlungsästen aufgrund deren Anordnung in einer Ebene vervierfacht werden muss.
• Auch bleibt in diesem Falle der maximale Abstand der Strahlungsäste vom Zentrum der jeweiligen Fokussieroptik unverändert.
• Zweckmässigerweise ist die Ein- und Auskopplungsoptik dannim Zwischenbereich der zweiten Multipasszelle so angeordnet, dass die ein- und ausfallenden Strahlungsfelder dort mit dem Multipassstrahlungsfeld gekoppelt sind.
• Dies hat den Vorteil, dass zur optimalen Ausnutzung der Fläche auf den Fokussieroptiken der Abstand der einzelnen zueinander parallel verlaufenden Strahlungsäste so gewählt werden kann, dass sich die Strahlungsfelder auf den Fokussieroptiken überlagern und im Bereich der Ein- und Auskopplungsoptiken gerade noch voneinander getrennt sind.
• Das Multipasslasersystem kann auch mehr als zwei Multipasszellen umfassen. Eine Multipasszelle mit einer Rückkopplungsoptik und einer „gemeinsamen Kopplungsoptik“ wird dann im Folgenden auch als „äußere Multipasszelle“ bezeichnet, während eine Multipasszelle mit zwei „gemeinsamen Kopplungsoptiken“ als „innere Multipasszelle“ bezeichnet wird. Die als phasenfrontkorrigierendes Element ausgebildete Rückkopplungsoptik der ersten Multpasszelle kann in diesem Fall auch als gemeinsame Kopplungsoptik ausgebildet sein.
• Anders als bei der „gemeinsamen Kopplungsoptik“, die die Multipassstrahlungsfelder zweier Multipasszellen miteinander koppelt, dienen also die Rückkopplungsoptiken zur Kopplung von Strahlungsästen aus einer einzigen Multipasszelle. Dabei sind die Rückkopplungsoptiken in dem erfindungsgemäßen Multipasslasersystem nicht wie bei herkömmlichen Multipasslasersystemen üblich in einer einzigen Multipasszelle angeordnet, sondern auf zwei Multipasszellen verteilt.
• Eine „äußere Multipasszelle“ kann dabei auch so ausgebildet sein, dass sie nur eine einzige Fokussieroptik umfasst. Dabei ist eine der Rückkopplungsoptiken direkt im Zwischenbereich angeordnet, in dem die Strahlungsäste parallel zueinander geführt werden und ist so ausgebildet, dass die Strahlungsäste des Multipassstrahlungsfeldes paarweise aneinander gekoppelt werden. Eine solche Rückkopplungsoptik kann beispielsweise durch ein Trippelprisma gebildet werden.
• Vergleichbar mit der unterschiedlichen Kopplung der Strahlungsastpaare durch die zwei Rückkopplungsoptiken in einer einzelnen herkömmlichen Multipasszelle, unterscheidet sich die Kopplung von Strahlungsastpaaren in den zwei „äußeren Multipasszellen“ über die dort angeordneten Rückkopplungsoptiken. Wie bereits zuvor beschrieben, wird diese unterschiedliche Kopplung der Strahlungsastpaare beispielsweise bewirkt, indem die erste Rückkopplungsoptik um eine zu der durch die Strahlungsastpaare aufgespannten Ebene senkrechten Achse verkippt ist, oder indem die optischen Achsen der Fokussieroptiken und/oder Rückkopplungsoptiken der ersten Multipasszelle zueinander versetzt angeordnet sind, wobei der Versatz parallel zu der durch die Strahlungsastpaare aufgespannten Ebene erfolgt. Aufgrund der so realisierten Kopplung durch die beiden Rückkopplungsoptiken und die „gemeinsame“ Kopplungsoptik werden ausgehend vom einfallenden Strahlungsfeld hin zum ausfallenden Strahlungsfeld alle Strahlungsäste aller Multipasszellen nacheinander durchlaufen.
• Die Kopplung der Multipasszellen mithilfe der „gemeinsamen Kopplungsoptik“ kann dabei erfolgen, indem jeder von einer Fokussieroptik auf eine „gemeinsame Kopplungsoptik“ geführte Strahlungsast aus dem Multipassstrahlungsfeld der einen Multipasszelle mit jeweils einem Strahlungsast des Multipassstrahlungsfeldes der anderen Multipasszelle gekoppelt ist.
• Als „gemeinsame Kopplungsoptik“ kann beispielsweise ein Reflektor verstanden werden, wobei dann die zwei miteinander gekoppelten Multipasszellen zweckmäßigerweise symmetrisch um die optische Achse des Reflektors angeordnet sind. Dabei ist die „optische Achse des Reflektors“ diejenige, die durch den Punkt verläuft, zu dem die Strahlungsäste mithilfe der Fokussieroptik überlagernd geführt werden, und die dabei senkrecht auf der Reflexionsfläche des Reflektors steht. Die Kopplung zweier Strahlungsäste erfolgt dabei durch Reflexion der zugehörigen Strahlungsfelder auf dem Reflektor.
• Erfindungsgemäß wird unter „einer Fokussieroptik“ nicht unbedingt ein einzelnes mechanisch unabhängiges optisches Element verstanden, sondern beispielsweise auch ein bestimmter Bereich bzw. eine bestimmte Fläche auf einem fokussierenden optischen Element, wie z.B. auf einem Parabolspiegel, einem sphärischen Spiegel oder einer Linse. Demnach können mehrere von einem Multipasslasersystem umfasste Fokussieroptiken erfindungsgemäß auch durch ein einzelnes entsprechend größeres fokussierendes Element gebildet werden, wobei mehrere voneinander getrennte Bereiche auf dem fokussierenden Element die mehreren Fokussieroptiken ausmachen.
• Zweckmäßigerweise werden daher in einer Ausführungsform die zum Führen der Multipassstrahlungsfelder auf die „gemeinsame Kopplungsoptik“ notwendigen Fokussieroptiken durch verschiedene Bereiche auf einem einzelnen optischen Element gebildet, so dass die zur Bildung der Fokussieroptiken notwendige optisch ungenutzte Fläche noch weiter minimiert werden kann. In diesem Fall verlaufen die im jeweiligen Zwischenbereich parallel verlaufenden Strahlungsäste eines Multipassstrahlungsfeldes ebenfalls parallel zu den Strahlungsästen des Multipassstrahlungsfeldes der anderen Multipasszellen.
• Zweckmäßigerweise ist jede Multipasszelle so ausgelegt, dass die Anordnung von Kopplungsoptiken (als „Kopplungsoptik“ ist im Folgenden eine Rückkopplungsoptiken oder eine „gemeinsame Kopplungsoptik“ gemeint) und Fokussieroptiken grundsätzlich einem „4f-Aufbau“ entspricht. Dabei ist der Abstand zwischen Kopplungsoptik und dazugehöriger Fokussieroptik zur Führung der Strahlungsäste auf die Kopplungsoptik gleich der Brennweite der Fokussieroptik. Der Fokus des Strahlungsfeldes innerhalb eines solchen „4f-Aufbaus“ kann entweder im Wesentlichen auf den Kopplungsoptiken oder aber auch im Zwischenbereich zwischen den Fokussieroptiken liegen.
• Der Abstand zweier Fokussieroptiken, die über einen Zwischenbereich voneinander getrennt sind, ist bei einem „4f-Aufbau“ gleich der Summe aus der Brennweite der einzelnen Fokussieroptiken. Bei vorliegendem Multipasslasersystem ist eine Abweichung von einem gewöhnlichen „4f-Aufbau“ innerhalb der einzelnen Multipasszellen denkbar. Falls die Festkörperscheibe oder die adaptive Optik bereits eine Brechkraft (sphärische Aberration) aufweist, oder andere Abbildungsfehler für Abweichungen sorgen, so muss der Abstand zwischen den Fokussieroptiken entsprechend dieser Brechkraft korrigiert werden, so dass das einfallende Strahlungsfeld auch nach mehreren Durchgängen durch die Multipassstrahlführungsoptik mit identischen Strahlparametern abgebildet wird.
• Das Multipasslasersystem kann zum einen so ausgebildet sein, dass ein Laserstrahlungsfeld vom einfallenden zum ausfallenden Strahlungsast geführt wird, wobei dieses beim Durchlaufen des Multipasslasersystems verstärkt wird. Dann ist das Multipasslasersystem beispielsweise als linearer Verstärker oder aber auch als Oszillator ausgebildet, wobei im letzteren Fall das einfallende und ausfallende Strahlungsfeld außerhalb des Multipasslasersystems zusätzlich miteinander gekoppelt sind. Andererseits ist auch denkbar, dass ein Pumpstrahlungsfeld über den einfallenden zum ausfallenden Strahlungsast durch das Multipasslasersystem geführt wird, wobei dann das Pumpstrahlungsfeld als Multipassstrahlungsfeld wenigstens teilweise in der Festkörperscheibe absorbiert wird. Es ist auch möglich, zwei erfindungsgemäße Multipasslasersysteme derart zu kombinieren, dass das Pumpstrahlungsfeld über das eine erfindungsgemäße Multipasslasersystem und das Laserstrahlungsfeld über das andere erfindungsgemäße Multipasslasersystem auf die Festkörperscheibe geführt wird.
• Günstig ist es, wenn die Festkörperscheibe vor einer „gemeinsamen Kopplungsoptik“ angeordnet ist. Die Zahl der Durchgänge der Strahlungsäste durch die Festkörperscheibe und die damit mögliche Verstärkung bzw. Absorption eines Laserstrahlungsfeldes bzw. Pumpstrahlungsfeldes beim Durchlaufen vom einfallenden zum ausfallenden Strahlungsfeld können so maximiert werden.
• In einer anderen Ausführungsform des Multipasslasersystems sind mehrere Festkörperscheiben vor verschiedenen „gemeinsamen Kopplungsoptiken“ angeordnet.
• In einer weiteren vorteilhaften Variante des Multipasslasersystems werden die Strahlungsäste im Multipassstrahlungsfeld der Multipasszellen in zwei Ebenen geführt. Bei einer solchen Multipasszelle sind die Ebenen jeweils von der optischen Achse der Fokussieroptiken der Multipasszellen beabstandet.
• Die Rückkopplungsoptiken, über die jeweils das Multipassstrahlungsfeld einer einzigen Multipasszelle mit sich selbst gekoppelt wird, sind dabei so ausgelegt, dass jeweils zwei in unterschiedlichen Ebenen liegende Strahlungsäste miteinander gekoppelt werden.
• Eine besonders vorteilhafte Variante des Multipasslasersystems umfasst mindestens drei Multipasszellen.
• In diesem Fall gibt es wenigstens eine „innere Multipasszelle“ und genau zwei „äußere Multipasszellen“. Die „äußeren Multipasszellen“ umfassen dabei jeweils eine der beiden Rückkopplungsoptiken zur Kopplung der Multipassstrahlungsfelder mit sich selbst. Die „inneren Multipasszellen“ hingegen umfassen zwei „gemeinsame Kopplungsoptiken“ zur Kopplung des Multipassstrahlungsfeldes der „inneren Multipasszelle“ mit dem Multipassstrahlungsfeld von jeweils zwei benachbarten Multipasszellen, sowie zwei Fokussieroptiken zur Führung des Multipassstrahlungsfeldes auf jeweils eine der zwei „gemeinsamen Kopplungsoptiken“. Die Kopplung zwischen „inneren“ und „äußeren Multipasszellen erfolgt dabei derart, dass ausgehend vom einfallenden Strahlungsfeld alle Strahlungsäste sämtlicher Multipasszellen nacheinander durchlaufen werden.
• Es ist dabei ferner vorteilhaft, wenn die Zahl der „inneren Multipasszellen“ ungerade ist, da in diesem Fall die Anzahl der auf die jeweils „gemeinsame Kopplungsoptik“ geführten Strahlungsäste gleich ist.
• Bei zahlreichen gekoppelte Multipasszellen ist es vorteilhaft, die Fokussieroptiken zur Führung des Multipassstrahlungsfeldes auf eine „gemeinsame Kopplungsoptik“ kreisförmig mit im Wesentlichen gleichem Winkelabstand um die optische Achse der „gemeinsamen Kopplungsoptik“ anzuordnen.
• Bei Verwendung eines Reflektors als Kopplungsoptik sind dann zweckmäßigerweise jeweils zwei Fokussieroptiken auf gegenüberliegenden Seiten in gleichem Abstand zur optischen Achse des Reflektors angeordnet.
• Durch eine im Wesentlichen über einen Kreis verteilte gleichmäßige Anordnung der Fokussieroptiken kann ein bei Verwendung von z.B. sphärischen Spiegeln auftretender Astigmatismus weitgehend kompensiert werden.
• Denkbar ist auch, dass bei zahlreichen miteinander gekoppelten Multipasszellen die einzelnen Fokussieroptiken zur Führung der Strahlungsäste auf eine „gemeinsames Kopplungsoptik“ in mehreren Kreisen mit unterschiedlichen Radien angeordnet sind.
• Sind besonders große Durchmesser der Strahlungsfelder auf den Kopplungsoptiken gewünscht, so ist es günstig, wenn die Einkopplungsoptik zur Formung eines stark konvergenten oder divergenten Strahlungsfeldes ausgelegt ist, derart, dass der Fokus der Multipassstrahlungsfelder innerhalb des Zwischenbereichs zwischen den Fokussieroptiken liegt, und das Strahlungsfeld der einzelnen Strahlungsäste beim Übergang über die Fokussieroptik weitgehend kollimiert wird.
• Denkbar als Ein- und Auskopplungsoptik ist beispielsweise ein Spiegel, über den durch Reflexion das ein- und/oder ausfallende Strahlungsfeld mit einem der Strahlungsäste des Multipassstrahlungsfeldes gekoppelt wird.
• Andererseits ist aber auch eine Faltungsoptik mit Ausnehmungen für das ein- und ausfallende Strahlungsfeld als Ein- und Auskopplungsoptik denkbar. Dabei wird die Faltungsoptik zur Trennung des ein- und ausfallenden Strahlungsfeldes vom Multipassstrahlungsfeld im Zwischenbereich einer Multipasszelle angeordnet. Zweckmäßigerweise ist die Faltungsoptik dann an einer Stelle positioniert, an der die Durchmesser der entlang der Strahlungsäste geführten Strahlungsfelder kleiner ist, als der Abstand der einzelnen Strahlungsäste zueinander. Dabei werden das ein- und ausfallende Strahlungsfeld an der Faltungsoptik vorbei geführt, so dass in einem solchen Fall keine Ein- und Auskopplungsoptiken im Zwischenbereich der Multipasszelle angeordnet werden müssen.
• Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass beim Einkoppeln eines zur Verstärkung gedachten Laserstrahlungsfeldes in das Multipasslasersystem der mit dem ausfallenden Strahlungsfeld gekoppelte Strahlungsast, der aufgrund der Verstärkung durch die Festkörperscheibe die stärkste Leistung aufweist, nicht über eine Auskopplungsoptik im Zwischenbereich geführt wird.
• Andererseits ist auch ein Betrieb des Multipasslasersystems zur Führung eines Pumpstrahlungsfeldes für die Festkörperscheibe denkbar. In einem solchen Fall weist das einfallende Strahlungsfeld die größte Leistung auf. Auch dieses wird bei einer solchen Anordnung in das Multipasslasersystem eingekoppelt, ohne dabei notwendigerweise eine Einkopplungsoptik mit sehr hoher Zerstörschwelle benutzen zu müssen. Erst nach einem vollständigen Durchlauf durch sämtliche Multipasszellen und damit erheblicher Leistungsabschwächung wird das Multipassstrahlungsfeld auf die Faltungsoptik geführt.
• Etwaige durch die Festkörperscheibe hervorgerufene Aberrationen können zu einer Verschiebung des Fokus innerhalb des Zwischenbereichs der Fokussieroptiken führen und damit unter Umständen zu einer Zerstörung der jeweiligen Optiken in den Multipasszellen. Insbesondere eine im Zwischenbereich angeordnete Faltungsoptik ist dann mit der Zerstörung durch eine zu hohe Leistungsdichte bedroht.
• Besonders günstig ist es daher, wenn die Ein- und Auskopplungsoptik oder die Faltungsoptik in einer „äußeren Multipasszelle“ angeordnet ist, deren Fokussieroptiken eine größere Brennweite aufweisen als die übrigen Fokussieroptiken des Multipasslasersystems.
• In einem solchen Fall ist der Fokus im Zwischenbereich der Fokussieroptiken der „äußeren Multipasszelle“ größer als der Fokus in den übrigen Multipasszellen. Die maximale Leistungsdichte bei einer Verschiebung des Fokus ist in diesem Fall daher begrenzt. Die Ein- und Auskopplungsoptiken bzw. die Faltungsoptik wird vor einer möglichen Zerstörung besser geschützt.
• In einer anderen Ausführungsform des Multipasslasersystems weist der Fokussierspiegel einer „äußeren Multipasszelle“ eine geringere Brennweite auf als diejenigen Fokussierspiegel, die das Multipassstrahlungsfeldes auf die „gemeinsame Kopplungsoptik“ führen. Ferner verfügt er über Ausnehmungen, über die die ein- und ausfallenden Strahlungsfelder mit dem Multipassstrahlungsfeld gekoppelt werden.
• Wird für die „äußere Multipasszelle“ eine Fokussieroptik mit kleinerer Brennweite verwendet, so verringern sich die Abstände zwischen den Fokussieroptiken entsprechend der kleineren Brennweite. In einem solchen Fall verringern sich auch die Durchmesser der Strahlungsfelder auf dieser Fokussieroptik, so dass die Strahlungsfelder der einzelnen Strahlungsäste voneinander getrennt sind. Dies hat den Vorteil, dass durch entsprechende Ausnehmungen in dieser Fokussieroptik die Strahlungsäste ohne zusätzliche im Zwischenbereich angeordnete Ein- und Auskopplungsoptiken ein- und ausgekoppelt werden können und so zu große Leistungsdichten auf den Ein- und/oder Auskopplungsoptiken verhindert werden können.
• Eine besonders vorteilhafte Variante des Multipasslasersystems umfasst wenigstens drei Multipasszellen, die über genau zwei „gemeinsame Kopplungsoptiken“ miteinander gekoppelt sind.
• Denkbar ist aber auch eine andere Ausführungsform des Multipasslasersystems mit „äußeren“ und „inneren Multipasszellen“, bei der die „inneren Multipasszellen“ über genau eine einzelne „gemeinsame Kopplungsoptik“ miteinander gekoppelt sind. Dabei umfassen die „inneren Multipasszellen“ wenigstens ein Umlenkelement, welches im Zwischenbereich der „inneren Multipasszelle“ angeordnet ist, um die dort parallel geführten Strahlungsäste über die zweite Fokussieroptik erneut auf die eine „gemeinsame Kopplungsoptik“ zu führen.
• Das phasenfrontkorrigierende Element ist zweckmäßigerweise so ausgelegt, dass es zur Kompensation der von der Festkörperscheibe in das Strahlungsfeld eingebrachten Aberrationen veränderbar angesteuert werden kann. Sind mehrere Festkörperscheiben, aber nur ein phasenfrontkorrigierendes Element in der Multipassstrahlführungsoptik angeordnet, so ist das phasenfrontkorrigierende Element zweckmäßigerweise zur Kompensation der Aberrationen sämtlicher Festkörperscheiben ausgelegt. Realisieren lässt sich dies beispielsweise über ein Feedbacksignal, dass das Strahlungsfeld eines beliebigen Strahlungsastes überwacht und entsprechend diesem Feedbacksignal das phasenfrontkorrigierende Element ansteuert.
• Denkbar sind auch mehrere in dem Multipasslasersystem angeordnete phasenfrontkorrigierende Elemente, wobei diese dann jeweils die durch die Festkörperscheibe bzw. Festkörperscheiben hervorgerufenen Aberrationen nur anteilig kompensieren.
• Die Ein- und Auskopplung kann wie zuvor beschrieben beispielsweise durch eine im Zwischenbereich angeordnete Ein- und Auskopplungsoptik erfolgen, durch Ausnehmungen in einer dort angeordneten Faltungsoptik oder durch Ausnehmungen in der entsprechenden Fokussieroptik mit geringerer Brennweite.
• In einer anderen Variante des Multipasslasersystems mit phasenfrontkorrigierendem Element sind die Ein- und Auskopplungsoptiken in einer Multipasszelle angeordnet, in der die Brechkraft der Kopplungsoptik nicht konstant ist, beispielsweise wenn eine Festkörperscheibe vor der jeweiligen Kopplungsoptik angeordnet ist oder die Kopplungsoptik als adaptiver Spiegel ausgebildet ist. In diesem Fall sind die Multipasszellen zweckmäßigerweise als Multipasszellen mit in zwei Ebenen geführten Strahlungsästen ausgebildet. Die Ein- und Auskopplungsoptiken sind dann in einer der beiden Ebenen angeordnet.
• Da die jeweils in einer Ebene verlaufenden Strahlungsäste, vom einfallenden Strahlungsfeld ausgehend, jeweils in der gleicher Richtung durchlaufen werden, ist das Verhältnis von Durchläufen durch die in dem Multipasslasersystem angeordneten Festkörperscheiben zu Übergängen über als phasenfrontkorrigierende Elemente ausgebildete Kopplungsoptik gleich. Bei entsprechender Ansteuerung des phasenfrontkorrigierenden Elements zur Korrektur der durch die Festkörperscheibe hervorgerufenen Phasenfrontveränderungen ist die Entwicklung der Durchmesser der Strahlungsfelder entlang dieser Strahlungsäste gleich und bei entsprechender Ansteuerung des adaptiven Spiegels auch invariant gegenüber diesen Aberrationen. Eine Ein- und Auskopplung des ein- bzw. ausfallenden Strahlungsfeldes mit Strahlungsästen in dieser Ebene kann demnach ohne die Gefahr erfolgen, dass die Durchmesser der Strahlungsfelder aufgrund von Aberrationen der Festkörperscheibe zu klein oder zu groß werden.
• In einer Variante des Multipasslasersystems kann die Festkörperscheibe vor einer „gemeinsamen Kopplungsoptik“, angeordnet sein, während die Rückkopplungsoptik einer „äußeren Multipasszelle“ als phasenfrontkorrigierendes Element ausgebildet ist. In diesem Fall ist es zweckmäßig, dass das phasenfrontkorrigierende Element im Vergleich zur Anzahl der vermehrten Übergänge über die Festkörperscheibe zum Einbringen größerer Aberrationskorrekturen ausgelegt ist.
• Andererseits ist es auch denkbar, dass in einem solchen Fall die Positionen des phasenfrontkorrigierenden Elements und der Festkörperscheibe vertauscht sind. Es ist dann günstig, wenn das phasenfrontkorrigierende Element für entsprechend geringere Aberrationskorrekturen ausgelegt ist.
• Eine weitere Variante sieht vor, dass mehrere Kopplungsoptiken als phasenfrontkorrigierende Elemente ausgelegt sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein phasenfrontkorrigierendes Element zur Korrektur von sphärischen Aberrationen und ein anderes phasenfrontkorrigierendes Element zur Korrektur von Aberrationen höherer Ordnung ausgelegt ist.
• Bei einem Multipasslasersystem mit genau zwei „gemeinsamen Kopplungsoptiken“ ist zweckmäßigerweise eine der beiden als phasenfrontkorrigierendes Element ausgebildet, während vor der anderen eine Festkörperscheibe angeordnet ist.
• Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Rückkopplungsoptiken in den „äußeren Multipasszellen“ eine konstante Brechkraft, vorzugsweise gar keine Brechkraft aufweisen.
• Bei entsprechender Ansteuerung des phasenfrontkorrigierenden Elements sind die Strahlungsfelder in den „äußeren Multipasszellen“ dann invariant gegenüber etwaigen Aberrationen durch die Festkörperscheibe.
• Es ist dann insbesondere zweckmäßig, wenn die Ein- und Auskopplungsoptiken in dem Zwischenbereich einer „äußeren Multipasszelle“ angeordnet sind.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multipasslasersystems wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Aufsicht eines herkömmlichen Multipasslasersystems gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 mit genau einer Multipasszelle, bei der alle Strahlungsäste in einer Ebene angeordnet sind und das Strahlungsfeld beim Durchlaufen durch das Multipasslasersystem in sich selbst zurückgeworfen wird,
• 2 eine schematische dreidimensionale Darstellung des erfindungsgemäßen Multipasslasersystems mit zwei Multipasszellen, jeweils drei in einer Ebene geführten Strahlungsästen wobei das Strahlungsfeld beim Durchlaufen durch das Multipasslasersystem in sich selbst zurückgeworfen wird,
• 3 eine schematische zweidimensionale Seitenansicht des erfindungsgemäßen Multipasslasersystems entsprechend dem Ausführungsbeispiel aus 2,
• 4 eine schematische zweidimensionale Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Multipasslasersystem, ähnlich zu dem aus 3, jedoch mit in zwei Ebenen angeordneten Strahlungsästen,
• 5 eine schematische Zeichnung des erfindungsgemäßen Multipasslasersystems in der Seitenansicht mit drei Multipasszellen und zwei „gemeinsamen Kopplungsoptiken“,
• 6 eine schematische Zeichnung des erfindungsgemäßen Multipasslasersystems in der Seitenansicht mit fünf Multipasszellen und zwei „gemeinsamen Kopplungsoptiken“,
• 7 eine schematische dreidimensionale Zeichnung eines erfindungsgemäßen Multipasslasersystems ähnlich dem aus 6, jedoch mit kreisförmiger Anordnung der einzelnen Multipasszellen, wobei hier zur Vereinfachung jeweils nur ein Strahlungsast innerhalb desjeweiligen Multipassstrahlungsfeldes dargestellt ist,
• 8 ein schematische Ansicht einer Multipasszelle mit Faltungsspiegel zum Ein- und Auskoppeln eines ein- und ausfallenden Strahlungsfeldes,
• 9 eine schematische Darstellung der Auftreffpunkte verschiedener Strahlungsäste auf kreisförmig angeordneten Fokussieroptiken entsprechend zwei verschiedenen Ausführungsformen und zum Vergleich entsprechend eines herkömmlichen Multipasslasersystems,
• 10 eine dreidimensionale Darstellung eines Ausführungsbeispiels mit drei Multipasszellen aber nur einer einzigen „gemeinsamen Kopplungsoptik“, wobei das Multipassstrahlungsfeld einer Multipasszelle über einen Umlenkspiegel umgelenkt wird, wobei zur Vereinfachung jeweils nur ein Strahlungsast innerhalb eines Multipassstrahlungsfeldes dargestellt ist und
• 11 eine dreidimensionale Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 10 wiedergegeben ist, wobei hier die vier Fokussieroptiken zur Führung der Multipassstrahlungsfelder auf die „gemeinsame Kopplungsoptik“ durch entsprechende Bereiche auf einem einzigen Fokussierelement bereitgestellt werden.
• In 1 ist eine schematische Darstellung eines herkömmliches Multipasslasersystems (1) mit nur einer Multipasszelle (6) dargestellt. Das durch das Multipasslasersystem (1) zu führende Strahlungsfeld wird als einfallendes Strahlungsfeld (4) über eine Fokussierlinse (15) zur Formung des Strahlungsfeldes in ein Multipassstrahlungsfeld (11) über Ein- und Auskopplungsoptiken (2, 3) eingekoppelt. Die verschiedenen in einem Zwischenraum (13) zueinander parallel geführten Strahlungsäste (12) werden über zwei Fokussieroptiken (7a, 7b) auf jeweils eine erste und zweite Rückkopplungsoptik (8, 9) geführt. Die Strahlungsäste (12) überlagern sich auf den Rückkopplungsoptiken (8, 9) und durchsetzen eine vor der ersten Rückkopplungsoptik (8) angeordnete Festkörperscheibe (14).
• Indem die beiden Fokussieroptiken (7a, 7b) leicht zueinander versetzt angeordnet sind, erfolgt eine jeweils unterschiedliche Kopplung von Strahlungsastpaaren (12) über die Rückkopplungsoptiken (8, 9). Das Multipassstrahlungsfeld (11) wird daher vom einfallenden Strahlungsfeld (4) bis zum ausfallenden Strahlungsfeld (5) vollständig durchlaufen. Da die Strahlungsäste (12) im Multipassstrahlungsfeld (11) in einer Ebene angeordnet sind, wird das Strahlungsfeld (11) beim Durchlaufen durch das Multipasslasersystem (1) in sich selbst zurückgeworfen. Das einfallende Strahlungsfeld wird genauso wie das ausfallende Strahlungsfeld über dieselben Ein- und Auskopplungsoptiken (2, 3) aus dem Multipasslasersystem (1) heraus geführt.
• Bei diesem herkömmlichen Multipasslasersystem (1) sind die Auftreffpunkte der verschiedenen Strahlungsäste (12) auf den Fokussieroptiken (7a, 7b) – hier als Linsen dargestellt – in einer Linie auf der jeweiligen Fokussieroptik (7a, 7b) angeordnet. Die Auftreffpunkte sind schematisch in dem gestrichelten Kreis, der den Umriss der Linsen zeigen soll, wiedergegeben. Die Fläche auf den verwendeten Linsen (7a, 7b) wird nur zu einem Bruchteil ausgenutzt. Ferner sind bei einer solchen Anordnung sowohl Strahlungsäste (12) vorhanden, die sehr nah zur optischen Achse der Fokussieroptiken (7a, 7b) verlaufen, als auch solche, die bereits einen sehr großen Abstand zur optischen Achse aufweisen. Die optischen Achsen der beiden Fokussieroptiken (7a, 7b) sind in der Darstellung als gestrichelte Linie wiedergegeben.
• In 2 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Multipasslasersystems (1) mit einer ersten und einer zweiten Multipasszelle (6a, 6b) dargestellt. Das einfallende Strahlungsfeld wird über eine Ein- und Auskoppeloptik (2, 3) in das Multipassstrahlungsfeld (11b) der zweiten Multipasszelle (6b) eingekoppelt.
• Die zweite Multipasszelle (6b) umfasst zwei Fokussieroptiken (7a, 7c), sowie zwei Kopplungsoptiken (9, 10). Die erste Kopplungsoptik (9) ist eine Rückkopplungsoptik, die das Multipassstrahlungsfeld (11b) der zweiten Multipasszelle (6b) in sich selbst zurückwirft bzw. mit sich selber koppelt. Dabei ist die Rückkopplungsoptik (9) als planer Spiegel ausgebildet, der die einzelnen Strahlungsäste (12a) durch Reflexion miteinander koppelt.
• Entsprechend symmetrisch ist die ersten Multipasszelle (6a) ausgebildet. Zwar umfasst diese keine Ein- und Auskoppeloptiken, aber auch die dort angeordnete zweite Kopplungsoptik (8) ist eine Rückkopplungsoptik, die das Multipassstrahlungsfeld (11a) der zweiten Multipasszelle (6a) mit sich selber koppelt. Eine dieser beiden Rückkopplungsoptiken (8, 9) ist leicht verkippt, so dass in beiden Multipasszellen (6a, 6b) jeweils unterschiedliche Strahlungsastpaare (12a, 12b) miteinander gekoppelt werden.
• Die dritte „gemeinsame Kopplungsoptik“ (10), koppelt die beiden Multipassstrahlungsfelder (11a, 11b) der beiden Multipasszellen (6a, 6b) aneinander. Vor dieser „gemeinsamen Kopplungsoptik“ (10) ist eine Festkörperscheibe (14) angeordnet. Sämtliche Strahlungsäste (12a, 12b) aus beiden Multipasszellen (6a, 6b) durchsetzten so die Festkörperscheibe (14).
• In der Darstellung sind die einzelnen Fokussieroptiken (7a) beider Multipasszellen (6a, 6b) zur Führung der jeweiligen Multipassstrahlungsfelder (11a, 11b) auf die „gemeinsame Kopplungsoptik“ (10) als voneinander separate Bereiche auf einem gekrümmten Spiegel (7a) ausgebildet. Dies hat den Vorzug, dass die optische Fläche auf diesem gekrümmten Spiegel (7a) besonders effektiv genutzt werden kann. Sämtliche Strahlungsäste (12a, 12b) der beiden Multipassstrahlungsfelder (11a, 11b) verlaufen in diesem Fall parallel zueinander.
• Jeweils unmittelbar neben den in der 1 dargestellten Fokussieroptiken (7a, 7b, 7c) ist eine Rückansicht des jeweiligen Spiegels wiedergegeben, wobei dort die Auftreffpunkte der einzelnen Strahlungsäste (12a, 12b) der Multipassstrahlungsfelder (11a, 11b) schematisch gezeigt sind.
• Die Rückkopplungsoptik (8) der ersten Multipasszelle (6a) ist in diesem Ausführungsbeispiel als adaptiver Spiegel (18) zur Korrektur von etwaigen Phasenfrontveränderungen, die durch Aberrationen auf der Festkörperscheibe (14) hervorgerufen werden ausgebildet. Der adaptive Spiegel (18) ist dabei so ausgelegt, dass er bei entsprechender Ansteuerung jeweils die Phasenfrontveränderungen ausgleicht, die bei zwei Übergängen über die „gemeinsame Kopplungsoptik“ (10), bzw. vier Durchläufen durch die Festkörperscheibe (14), auftreten.
• Auch in der in 2 dargestellten Ausführungsform wird das Strahlungsfeld in sich selbst zurückgeworfen und wird somit über den Strahlungsweg des einfallenden Strahlungsfeldes (4) als ausfallendes Strahlungsfeld (5) ausgekoppelt.
• Bei dem Ausführungsbeispiel in 1 wird jeder Strahlungsast zweimal in jeweils verschiedenen Richtungen durchlaufen. Wird bei diesem herkömmlichen Multipasslasersystem (1) die Kopplungsoptik (9) als adaptiver Spiegel ausgebildet, so sollte dieser adaptive Spiegel erfindungsgemäß so ausgebildet sein, dass bei entsprechender Ansteuerung des adaptiven Spiegels jeweils die Aberrationen der Scheibe bei zwei Durchgängen durch die Festkörperscheibe (14) ausgeglichen werden. Bei dem Richtungswechsel, bei dem das Multipassstrahlungsfeld (11) über die Kopplungsoptik (9) in sich selbst zurückgeworfen wird, ändert sich das Verhältnis der Übergänge über die adaptive Optik (18) zu den Durchläufen durch die Festkörperscheibe (14). Alle Strahlungsäste, die in der selben Richtung durchlaufen werden, wie der mit dem einfallenden Strahlungsfeld (4) gekoppelte Strahlungsast (12), weisen ein Strahlungsfeld auf, das invariant gegenüber Veränderungen der Aberrationen der Festkörperscheibe (14) sind. Da nun aber der mit dem Ein- und Ausfallenden Strahlungsfeld gekoppelte Strahlungsast aufgrund des Richtungswechsels auf der Rückkopplungsoptik (9) in zwei Richtungen durchlaufen wird, ist das Strahlungsfeld (11) dort nicht invariant gegenüber Aberrationen der Scheibe. Eine Auskopplung ist bei starken Aberrationen der Festkörperscheibe (14) nur bei sehr großen Abständen zwischen den Strahlungsästen (12) möglich, da die Durchmesser der Strahlungsfelder im Multipassstrahlungsfeld (11) sehr große Werte annehmen können.
• Anders ist es bei dem erfindungsgemäßen Multipasslasersystem (1), wie es in 2 dargestellt ist. Da die Rückkopplungsoptik (9) in der zweiten Multipasszelle (6b), in der die Ein- und Auskopplungsoptiken (2, 3) angeordnet sind eine konstante Brechkraft aufweist und der adaptive Spiegel (18) in der ersten Multipasszelle (6a) angeordnet ist, sind die Durchmesser der Strahlungsfelder in der zweiten Multipasszelle (6b) mit Ein- und Auskopplungsoptiken (2, 3) bei entsprechender Ansteuerung des adaptiven Spiegels (18) invariant gegenüber Aberrationen der Festkörperscheibe (14).
• Während in 2 eine dreidimensionale Darstellung zu sehen ist, ist dieselbe Ausführungsform in 3 von der Seite wiedergegeben. Die einzelnen zueinander parallel verlaufenden Strahlungsäste (12a, 12b) innerhalb einer einzelnen Multipasszelle (6a, 6b) sind in dieser Darstellungsform nicht mehr voneinander getrennt erkennbar. Lediglich die schematisch darstellte Rückansicht der jeweiligen Fokussieroptiken (7a, 7b, 7c) mit den ebenso wiedergegebenen Auftreffpunkten der Strahlungsäste (12) lässt die in 2 sichtbaren hintereinander angeordneten einzelnen Strahlungsäste (12a, 12b) dieser Ausführungsform erkennen.
• Dieselbe Darstellungsform wird in den folgenden 4, 5 und 6 verwendet.
• In 4 ist eine leichte Abwandlung der Ausführungsform aus den 3 und 4 dargestellt. Und zwar handelt es sich hier wiederum um zwei Multipasszellen (6a, 6b), allerdings verlaufen die einzelnen Strahlungsäste (12a, 12b) in den jeweiligen Multipassstrahlungsfeldern (11a, 11b) in zwei Ebenen.
• In einer solchen Ausführungsform wird das Strahlungsfeld beim Durchlaufen des Multipasslasersystems (1) vom einfallenden Strahlungsfeld (2) aus nicht mehr in sich selbst zurückgeworfen. Stattdessen wird das ausfallende Strahlungsfeld (5) über eine separate Auskoppeloptik (3) aus dem Multipassstrahlungsfeld (11b) der zweiten Multipasszelle (6b) ausgekoppelt.
• Neben den schematisch Dargestellten Auftreffpunkten auf den Fokussieroptiken (7a, 7b, 7c), ist zusätzlich eine Nummerierung angegeben, die die Reihenfolge angibt in der die einzelnen Strahlungsäste (12) beim Durchlaufen des Multipasslasersystems (1) vom einfallenden Strahlungsfeld (4) aus, wiedergibt.
• Eine weitere Ausführungsform ist in 5 dargestellt. Dort sind drei Multipasszellen (6a, 6b, 6c) miteinander gekoppelt, eine erste (6b), zweite (6c) und dritte (6a) Multipasszelle. Statt wie in den vorherigen Ausführungsformen sind hier zwei „gemeinsame Kopplungsoptiken“ (10a, 10b) vorhanden. Die Zahl der Übergänge über die beiden „gemeinsamen Kopplungsoptiken“ (10a, 10b) ist gleich. Die als adaptiver Spiegel (18) ausgebildete „gemeinsame Kopplungsoptik“ (10b) der ersten Multipasszelle (6b) kann daher zur Kompensation von Aberrationen der Festkörperscheibe (14) angesteuert werden, die bereits bei zwei Durchgängen durch die Festkörperscheibe (14) bzw. einem Übergang über die Kopplungsoptik (10a) entstehen.
• Insbesondere ist in der 5 eine Ausführungsform mit zwei adaptiven Spiegeln (18a, 18b) wiedergeben. Der erste adaptive Spiegel (18a) ist dabei ausgelegt um einfache sphärische Aberrationen der Festkörperscheibe (14) auszugleichen, während der zweite adaptive Spiegel (18b) zur Kompensation von Phasenfrontveränderungen höherer Ordnung angesteuert werden kann.
• Bei einer weiteren Ausführungsform, die in 6 zu sehen ist, ist das Multipasslasersystem (1) um zwei weitere Multipasszellen (6a, 6b, 6c, 6d, 6e) erweitert. Während in 6 eine Ausführungsform dargestellt ist, bei der alle auf der gleichen Seite der jeweils „gemeinsamen Kopplungsoptik“ (10a, 10b) angeordneten Fokussieroptiken (7a–7j) in einer Linie angeordnet sind, sind in dem Ausführungsbeispiel entsprechend 7 die Fokussieroptiken zur Führung der Multipassstrahlungsfelder (12a–12e) auf die jeweils „gemeinsame Kopplungsoptik“ (10a, 10b) in einem Kreis um die optische Achse der jeweils „gemeinsamen Kopplungsoptik“ (10a, 10b) angeordnet. In 7 sind zur Vereinfachung jeweils nur ein Strahlungsast (12) innerhalb eines Multipassstrahlungsfeldes (11) dargestellt.
• In 8 ist die Multipasszelle (6a) einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Multipasslasersystems (1) wiedergeben, in der das ein- und ausfallende Strahlungsfeld mit dem Multipassstrahlungsfeld (11) der zweiten Multipasszelle gekoppelt ist. Alle weiteren mit dieser Multipasszelle (6a) über die „gemeinsame Kopplungsoptik“ (10a) gekoppelten Multipasszellen (6b, ...) sind in der Figur der Einfachheit halber nicht dargestellt.
• In der Ausführungsform wie sie in 8 darstellt ist, erfolgt die Ein- und Auskopplung des ein- und ausfallenden Strahlungsfeldes dadurch, dass alle anderen Strahlungsäste (12) des Multipassstrahlungsfeldes (11) durch einen Faltungsspiegel (17) umgelenkt werden. Dies erfolgt an einer Stelle, an der die Strahlungsfelder der einzelnen Strahlungsäste (12) einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist, als der Abstand der jeweiligen Strahlungsäste (12). Das dort einfallende und ausfallende Strahlungsfeld kann daher an dem Faltungsspiegel (17) vorbeigeführt werden.
• Während das einfallende Strahlungsfeld im Betrieb als Laserverstärkersystem eine noch sehr geringe Leistung aufweist, wird die Leistung der einzelnen Strahlungsäste (12) von Durchgang zu Durchgang durch das Multipasslasersystem (1) größer. Insbesondere wird der Unterschied in der Leistung der einzelnen Strahlungsäste (12) der ersten Multipasszelle (6a) bei mehreren miteinander gekoppelten Multipasszellen (6) in dem Multipasslasersystem (1) und damit zunehmender Anzahl an Durchläufe durch eine Festkörperscheibe (14) zur Verstärkung des Strahlungsfeldes größer.
• Die in der 8 dargestellte Ausführungsform ermöglicht die Auskopplung eines Strahlungsfeldes (5) mit einer an der Stelle des Faltungsspiegels (17) höheren Leistung, als die Zerstörschwelle des Faltungsspiegels (17) bei einem Übergang über den Faltungspiegel (17) erlauben würde. Die Leistungsdichte kann umso höher als die Zerstörschwelle des Faltungsspiegels (17) gewählt werden, umso mehr Multipasszellen (6) in dem Multipasslasersystem (1) mit jeweils einer in diesen Multipasszellen (6) angeordneten Festkörperscheibe (14) angeordnet sind, da mit zunehmender Anzahl an Multipasszellen (6b...) der Unterschied in der Leistungsdichte der einzelnen Strahlungsäste (12) in der ersten Multipasszelle (6a) steigt und der jeweils zuvor durchlaufende Strahlungsast (12) in der ersten Multipasszelle (6a) eine entsprechend geringere Leistungsdichte beim Übergang über den Faltungsspiegel (17) erzeugt.
• Die Zahl der Multipasszellen (6), die ähnlich zu dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiels um zwei „gemeinsamen Kopplungsoptiken“ (10a, 10b) angeordnet werden können ist letztlich beliebig. Während in 7 nur vier Multipasszellen mit ihren jeweils vier Fokussieroptiken (7) pro Kopplungsoptik (10a, 10b) auf einem Kreis um die optische Achse der „gemeinsamen Kopplungsoptiken“ (10a, 10b) angeordnet sind, kann die Zahl der entsprechenden Fokussieroptiken (7) wie schematisch in 9 gezeigt auf beispielsweise sechs oder 18 erweitert werden.
• In 9 sind zum Vergleich ferner die Auftreffpunkte auf einen Fokussierspiegel von Strahlungsästen (12) entsprechend eines herkömmlichen Multipasslasersystems (1) dargestellt. Es wird dadurch deutlich, dass sich die Zahl der Strahlungsäste (12) bei gleichbleibender Fläche auf dem Fokussieroptik (7) und gleichbleibendem Abstand der Strahlungsäste (12) zueinander annähernd verdoppeln lässt.
• Eine weitere Ausführungsform des Multipasslasersystems (1) ist in 10 dargestellt, wobei hier, ähnlich zur Darstellung in 7 zur Vereinfachung jeweils nur ein Strahlungsast innerhalb eines Multipassstrahlungsfeldes dargestellt ist. In dieser Ausführungsform sind drei Multipasszellen (6a, 6b, 6c) miteinander über genau eine einzelne „gemeinsame Kopplungsoptik“ (10a) miteinander gekoppelt. Dazu sind die Fokussieroptiken (7c, 7e, 7b, 7d) kreisförmig um die optische Achse der „gemeinsamen Kopplungsoptik“ (10a) angeordnet. Während die erste und dritte Multipasszelle (6a, 6c) jeweils als „äußere Multipasszelle“ (6a, 6c) ausgebildet ist, derart, dass dort jeweils eine Rückkopplungsoptik (8, 9) das Multipassstrahlungsfeld (12a, 12c) der einzelnen Multipasszelle (6a, 6c) mit sich selbst koppelt, ist die zweite Multipasszelle (6b) eine „innere Multipasszelle“ (6b). Diese „innere Multipasszelle“ (6b) wird über einen Umlenkspiegel (16) im Zwischenbereich zwischen den Fokussieroptiken (7d, 7c) umgelenkt, so dass das Multipassstrahlungsfeld (12b) dieser „inneren Multipasszelle“ (6b) sich überlagernd auf die „gemeinsame Kopplungsoptik“ (10a) geführt wird.
• Eine solche Anordnung ist beispielsweise als Pumpanordnung denkbar, bei der die Festkörperscheibe (14) durch das Multipassstrahlungsfeld (12) des Multipasslasersystems gepumpt wird.
• Die Ausführungsform aus 10 ist etwas verändert in 11 dargestellt. Dort werden die vier Fokussieroptiken (7b, 7c, 7d, 7e) zur Führung der Multipassstrahlungsfelder auf die „gemeinsame Kopplungsoptik“ durch entsprechende Bereiche (7b, 7c, 7d, 7e) auf einer einzigen Fokussieroptik bereitgestellt. Um zu gewährleisten, dass sich in diesem Fall auch alle Strahlungsäste in einem gemeinsamen Punkt auf der „gemeinsamen Kopplungsoptik“ (10a) überlagern, muss das Umlenkelement (16) durch zwei Spiegel gebildet werden, so dass sämtliche aus dem Zwischenbereich (13) auf die „gemeinsame Fokussieroptik“ (7b, 7c, 7d, 7e) verlaufenden Strahlungsäste der Multipassstrahlungsfelder (11a, 11b) parallel zueinander verlaufen.
• In 11 ist ferner der Auskoppelspiegel (3) so ausgebildet, dass er das Strahlungsfeld in sich selbst zurückwirft. Wird das Laserverstärkersystem (1) in dieser Ausführungsform als Pumpkonzept verwendet, so lassen sich so 48 Übergänge über die Festkörperscheibe (14) realisieren.
• Bezugszeichenliste

1

Multipasslasersystem

2

Strahleinkopplungsoptik

3

Strahlauskopplungsoptik

4

einfallendes Strahlungsfeld

5

ausfallendes Strahlungsfeld

6

Multipasszelle

7

Fokussieroptik

8

erste Rückkopplungsoptik

9

zweite Rückkopplungsoptik

10

„gemeinsame Kopplungsoptik“

11

Multipassstrahlungsfeld

12

Strahlungsäste

13

Zwischenbereich

14

Festkörperscheibe

15

Fokussierlinse zur Formung des einfallendes Strahlungsfeldes

16

Umlenkspiegel

17

Faltungsspiegel

18

Adaptive Optik

Claims (7)

1. Multipasslasersystem (1) mit einer Strahleinkopplungsoptik (2) und einer Strahlauskopplungsoptik (3) zur Führung eines einfallenden (4) und ausfallenden (5) Strahlungsfeldes sowie mit wenigstens einer ersten Multipasszelle und einer zweiten Multipasszelle (6), wobei jede Multipasszelle (6) zum Führen eines Multipassstrahlungsfeldes (11) wenigstens zwei Fokussieroptiken (7), sowie eine Rückkopplungsoptik (8, 9) und eine gemeinsame Kopplungsoptik (10) zum Kopplen der zwei Multipassstrahlungsfelder (11) der beiden Multipasszellen (6) aufweist, wobei das Multipassstrahlungsfeld (11) aus einer Vielzahl an Strahlungsästen (12) besteht, die in einem von den zwei Fokussieroptiken (7) begrenzten Zwischenbereich (13) parallel zueinander verlaufen und über eine der Fokussieroptiken (7) auf die Rückkopplungsoptik (8, 9) geführt werden, und über die andere der Fokussieroptiken (7) auf die gemeinsame Kopplungsoptik (10) geführt werden, wobei sich die Vielzahl von Strahlungsästen auf der Rückkopplungsoptik und der gemeinsamen Kopplungsoptik jeweils überlagern und dabei eine vor der gemeinsamen Kopplungsoptik (10) angeordnete Festkörperscheibe (14) in einem aktiven Bereich überlagernd durchsetzen, und wobei die Strahlungsäste derart gekoppelt sind, dass ausgehend vom einfallenden (4) zum ausfallenden (5) Strahlungsfeld alle Strahlungsäste (12) nacheinander durchlaufen werden, wobei die Rückkopplungsoptik (8, 9) der ersten Multipasszelle als phasenfrontkorrigierendes Element zur Kompensation von durch die Festkörperscheibe (14) hervorgerufenen Phasenfrontveränderungen ausgebildet ist, wobei die Rückkopplungsoptik (8, 9) der zweiten Multipasszelle als Rückkopplungsoptik (8, 9) mit konstanter Brechkraft ausgebildet ist, und wobei die Ein- und Auskopplungsoptik (2, 3) in dieser Multipasszelle angeordnet ist.
2. Multipasslasersystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahleinkopplungsoptik (2) zur Formung eines stark konvergenten oder divergenten Strahlungsfeldes ausgelegt und im Zwischenbereich (13) einer Multipasszelle (6) angeordnet ist.
3. Multipasslasersystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Multipasslasersystem (1) wenigstens eine weitere Multipasszelle (6) umfasst, bei denen genau zwei Multipasszellen (6) als äußere Multipasszellen mit jeweils einer Rückkopplungsoptik (8, 9) und einer gemeinsamen Kopplungsoptik (10) und die übrigen Multipasszellen (6) als innere Multipasszellen mit jeweils zwei gemeinsamen Kopplungsoptiken (10) ausgebildet sind.
4. Multipasslasersystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptiken (7) zur Führung des Multipassstrahlungsfeldes (11) auf die gemeinsame Kopplungsoptik (10) kreisförmig mit im Wesentlichen gleichem Winkelabstand um die optische Achse der gemeinsamen Kopplungsoptik (10) angeordnet sind.
5. Multipasslasersystem (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptiken (7) einer äußeren Multipasszelle (6) eine größere Brennweite aufweisen, als die Brennweite der übrigen Fokussieroptiken (7) des Multipasslasersystems und die Ein- und/oder Auskoppeloptiken (2, 3) in dieser äußeren Multipasszelle (6) angeordnet sind.
6. Multipasslasersystem (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine innere Multipasszelle (6) über genau eine einzelne gemeinsame Kopplungsoptik (10) mit den anderen Multipasszellen (6) gekoppelt ist und dabei eine Umlenkoptik (16) umfasst, welche im Zwischenbereich (13) der inneren Multipasszelle (6) angeordnet ist, um die dort parallel geführten Strahlungsäste (12) über die beiden Fokussieroptiken (7) auf die eine gemeinsame Kopplungsoptik (10) zu führen.
7. Multipasslasersystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Multipasslasersystem (1) genau zwei gemeinsame Kopplungsoptiken (10) aufweist und eine der zwei gemeinsamen Kopplungsoptiken (10) als phasenfrontkorrigierendes Element ausgebildet ist, während vor der anderen gemeinsamen Kopplungsoptik (10) die Festkörperscheibe (14) angeordnet ist.

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