DE102015116752B4

DE102015116752B4 - Lasersystem und verfahren zum steuern der wellenfront eines laserstrahls

Info

Publication number: DE102015116752B4
Application number: DE102015116752.2A
Authority: DE
Inventors: Wade Lawrence Klennert
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2014-10-10
Filing date: 2015-10-02
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2035-10-03
Also published as: CN105514765A; CN105514765B; US10008822B2; US20160104996A1; IL240806B; DE102015116752A1; CA2898530C; FR3027123B1; JP2016082228A; IL240806A0; FR3027123A1; CA2898530A1; JP6467323B2

Abstract

Lasersystem (10), mit:
einem Lasermedium (12), das dazu ausgebildet ist, einen Primärlaserstrahl zu erzeugen; mindestens einem optischen Element (14), das dazu ausgebildet ist, den Primärlaserstrahl aufzunehmen;
einer Sekundärlaserquelle (16), die dazu ausgebildet ist, einen Sekundärlaserstrahl zu erzeugen; und
einem räumlichen Lichtmodulator (18), der dazu ausgebildet ist, den Sekundärlaserstrahl aufzunehmen und den Sekundärlaserstrahl räumlich zu modulieren, um einen räumlich modulierten Sekundärlaserstrahl zu erzeugen, der ein räumliches Intensitätsmuster aufweist,
wobei das Lasersystem derart ausgebildet ist, dass der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl auf das Lasermedium (12) und/oder das mindestens eine optische Element (14) auftrifft, um jeweilige Abschnitte von dem Lasermedium (12) und/oder dem mindestens einen optischen Element (14), auf die der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl auftrifft, dazu zu bringen, sich thermisch zu kontrahieren oder zu expandieren, wodurch steuerbar die Wellenfront des Primärlaserstrahls geändert wird,
wobei das Lasermedium (12) und/oder das mindestens eine optische Element (14), auf das der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl auftrifft, mindestens eine Dotiersubstanz aufweist, die in Antwort auf die Wellenlänge des Sekundärlaserstrahls angeregt ist.

Description

TECHNOLOGISCHES GEBIET
Eine beispielhafte Ausführungsform betrifft im Allgemeinen ein Lasersystem und ein zugehöriges Verfahren zum Steuern der Wellenfront eines Laserstrahls und, insbesondere, ein Lasersystem und ein dazugehöriges Verfahren zum Einführen eines Sekundärlaserstrahls, der dazu dient, die Wellenfront des Primärlaserstrahls zu steuern.
HINTERGRUND
Lasersysteme erzeugen vorzugsweise eine Wellenfront einer vordefinierten Form, so dass ein resultierender Laserstrahl eine gewünschte Strahlqualität aufweist. Manchmal können optische Aberrationen in die Wellenfront durch optische Elemente eines Lasersystems eingeführt werden, einschließlich optischer Aberrationen, die durch das Lasermedium, ein Laserverstärker oder andere optische Komponenten eingeführt werden. Die optischen Aberrationen können durch die Struktur und die Materialzusammensetzung der optischen Elemente und/oder durch thermische Gradienten in den optischen Elementen eingeführt werden, die optische Wegdifferenzen erzeugen. Zum Beispiel kann ein optisches Element gleichmäßig erwärmt werden, aber kann einige Abschnitte aufweisen, die um ein größeres Maß als andere Abschnitte durch den Laser erwärmt sind, wodurch ein thermischer Gradient erzeugt wird. Als Resultat des thermischen Gradienten über das optische Element wird das optische Element optische Aberrationen in den Laserstrahl aufgrund von optischen Wegdifferenzen einführen, die durch den thermischen Gradienten hervorgerufen sind. Die optische Aberrationen werden, wiederum, die Effizienz und Wirksamkeit des Lasersystems reduzieren, indem Wellenfrontfehler eingeführt werden und die das Lasersystem erzeugte Strahlqualität reduziert wird.
In dem Bemühen, die optischen Aberrationen auszulöschen oder auszugleichen, wurden verschiedene komplexe optische Systeme entwickelt. Zum Beispiel wurden Wärmeübertragungs- und/oder Kühlsysteme zusammen mit Lasersystemen verwendet, in dem Bemühen, thermische Gradienten zu reduzieren und, entsprechend, die resultierenden optischen Aberrationen zu vermindern. Zum Beispiel können radial symmetrische Verstärkungsstangen radial gekühlt werden in dem Bemühen, thermische Gradienten zu verringern. Zusätzlich wurden feste Korrekturplatten oder komplexe adaptive optische Systeme in dem Bemühen benutzt, die optischen Aberrationen, die durch thermische Gradienten eingeführt werden, auszulöschen. Obwohl die voranstehenden Techniken die optischen Gradienten reduzieren können, sind die resultierenden Lasersysteme komplexer und als Ergebnis, im Allgemeinen teurer. Eine Art von optischem Element, das einen thermischen Gradienten erfahren kann, ist ein optisches Element aus photothermalrefraktiven (PTR) Glas. Ein optisches Element aus PTR-Glas kann genutzt werden, zum Beispiel, um Spektralstrahlen in einem Lasersystem zu kombinieren. Die durch ein PTR optisches Element hindurchtretenden Laserstrahl(en) erhöht/erhöhen im Allgemeinen die Temperatur des PTR optischen Elements. Da die Temperatur des optischen Elements aus PTR-Glas sich erhöht, ändert sich der Brechungsindex des optischen Elements aus PTR-Glas, was wiederum die Wellenlänge des Lichts ändert, das von dem optischen Element aus PTR-Glas ausgegeben wird. Zum Beispiel kann ein PTR optisches Element als ein Gitter betrieben werden, so dass die erhöhte Temperatur des PTR optischen Elements den Brechungsindex des PTR optischen Elements ändert, was wiederum die Wellenlänge des von dem Gitter emittierten Licht ändert, was die Effizienz des Gitters nachteilig beeinflussen kann.
In dem Bemühen, den Temperaturanstieg zu verringern, der durch ein PTR optisches Element erfahren wird, kann ein PTR optisches Element von seiner Außenkante geheizt oder gekühlt werden mit einem thermischen Steuerungssystem. Diese Technik kann Temperaturgradienten durch das Volumen des PTR optischen Elements einführen, was, wiederum, bewirken kann, dass verschiedene Abschnitte des PTR optischen Elements verschieden von anderen Abschnitten des PTR optischen Elements wirken, basierend auf den thermischen Gradienten, wodurch ebenfalls die Gesamteffizienz des PTR optischen Elements nachteilig beeinflusst wird. Darüber hinaus können die thermischen Systeme, die in dem Bemühen genutzt werden, die Temperatur eines PTR optischen Elements zu steuern, relativ großräumig sein, und, als Ergebnis, ungeeignet sein, in einem kleinen Laserresonator verwendet zu werden. Zum Beispiel können die thermischen Systeme, die in Verbindung mit einem PTR optischen Element zum Zwecke einer thermischen Stabilisierung verwendet werden, Befestigungen aufweisen, die dazu benötigt werden, einen relativ großen thermoelektrischen Kühler (TEC), relativ große Kühlungsplatten, die Kühlungswasser benötigen und entsprechende elektrische Kabel zum Zuführen von Leistung zu beherbergen. In gewissen Anwendungen des Lasersystems, in denen das Lasersystem mit dem thermischen Steuerungssystem in einer Vakuumkammer angeordnet werden muss, kann die Infrastruktur zum Stützen der Befestigung des thermischen Systems Herausforderungen erzeugen.
Die Druckschrift US 2010/0232007 A1 , gemäß ihrer Zusammenfassung, gibt ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen eines wellenfrontkorrigierten Hochenergiestrahls von elektromagnetischer Energie an.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Es werden ein Lasersystem und ein dazugehöriges Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zum Steuern der Wellenfront eines Primärlaserstrahls bereitgestellt. In diesem Zusammenhang können das Lasersystem und das Verfahren einer beispielhaften Ausführungsform selektiv bewirken, dass Abschnitte eines Lasermediums oder eines anderen optischen Elements sich thermisch kontrahieren oder expandieren, um entsprechend die Wellenfront des Primärlaserstrahls zu ändern. Zum Beispiel kann das Lasermedium oder das andere optische Element sich selektiv thermisch kontrahieren oder expandieren, um optische Aberrationen zu verringern, die andernfalls durch das Lasersystem eingeführt werden, so dass die resultierende Wellenfront des Primärlaserstrahls eine gewünschte Form und Strahlqualität aufweist. In einer beispielhaften Ausführungsform kann ein optisches Element aus PTR-Glas eine Dotiersubstanz aufweisen, die auf einen Sekundärlaserstrahl reagiert, so dass das Aussetzen des optischen Elements aus dem PTR-Glas zu dem Sekundärlaserstrahl dazu genutzt werden kann, die Temperatur des optischen Elements aus dotiertem PTR-Glas zu modifizieren, wodurch die Leistung des Lasersystems mit dem optischen Element aus PTR-Glas verbessert wird.
In einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Lasersystem bereitgestellt, das ein Lasermedium aufweist, das dazu ausgebildet ist, einen Primärlaserstrahl zu erzeugen und mindestens ein optisches Element aufweist, das dazu ausgebildet ist, den Primärlaserstrahl aufzunehmen. Das Lasersystem weist des Weiteren eine Sekundärlaserquelle auf, die dazu ausgebildet ist, einen Sekundärlaserstrahl zu erzeugen. Das Lasersystem weist des Weiteren einen räumlichen Lichtmodulator auf, der dazu ausgebildet ist, den Sekundärlaserstrahl aufzunehmen und den Sekundärlaserstrahl räumlich zu modulieren, um einen räumlich modulierten Sekundärlaserstrahl zu erzeugen, der ein räumliches Intensitätsmuster aufweist. Das Lasersystem dieser beispielhaften Ausführungsform ist derart konfiguriert, dass der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl auf das Lasermedium und/oder das mindestens eine optische Element auftrifft, um jeweilige Abschnitte des Lasermediums und/oder dem mindestens einen optischen Element, auf das der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl auftrifft, dazu zu bringen, sich thermisch zu kontrahieren oder zu expandieren. Als Ergebnis wird die Wellenfront des Primärlaserstrahls steuerbar geändert.
Das mindestens eine von dem Lasermedium und/oder dem mindestens einen optischen Element, auf das der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl auftrifft, weist mindestens eine Dotiersubstanz auf, die in Reaktion auf die Wellenlänge des Sekundärlaserstrahls angeregt wird. Der Sekundärlaserstrahl kann eine von dem Primärlaserstrahl verschiedene Wellenlänge aufweisen. Das Lasersystem einer beispielhaften Ausführungsform kann ebenfalls einen Wellenfrontsensor aufweisen, der dazu ausgebildet ist, die Wellenfront des Primärlaserstrahls zu messen, und eine Steuerungseinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, die räumliche Modulation des Sekundärlaserstrahls zu steuern, der durch den räumlichen Lichtmodulator breitgestellt ist, basierend auf der Wellenfront des Primärlaserstrahls, wie sie durch den Wellenfrontsensor gemessen ist, bereitzustellen. Der Wellenfrontsensor einer beispielhaften Ausführungsform ist dazu ausgebildet, wiederholt die Wellenfront des Primärlaserstrahls über der Zeit zu messen. In dieser Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung des Weiteren dazu ausgebildet, den räumlichen Lichtmodulator zu modifizieren, um das räumliche Intensitätsmuster des Sekundärlaserstrahls zu modifizieren, so dass der Sekundärlaserstrahl steuerbar die thermische Energie in einem Volumen des optischen Elements regelt, basierend auf Änderungen in der Wellenfront des Primärlaserstrahls, die durch den Wellenfrontsensor über der Zeit gemessen werden, um dadurch die thermische Expansion und Kontraktion in dem optischen Element zu steuern, um Aberrationen oder optische Wegdifferenzen in der Wellenfront des Primärlaserstrahls zu minimieren. Der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl kann mit dem Primärlaserstrahl kopropagieren.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist ein Verfahren zum Steuern einer Wellenfront eines Primärlaserstrahls bereitgestellt, das das Erzeugen des Primärlaserstrahls mit einem Lasermedium aufweist. Das Verfahren dieser beispielhaften Ausführungsform richtet den Primärlaserstrahl auf mindestens ein optisches Element. Das Verfahren in dieser beispielhaften Ausführungsform erzeugt des Weiteren ein Sekundärlaserstrahl und moduliert den Sekundärlaserstrahl räumlich, um einen räumlich modulierten Sekundärlaserstrahl zu erzeugen, der ein räumliches Intensitätsmuster aufweist. In dieser beispielhaften Ausführungsform richtet das Verfahren des Weiteren den räumlich modulierten Sekundärlaserstrahl zum Auftreffen auf das Lasermedium und/oder das mindestens eine optische Element, um jeweilige Abschnitte von mindestens einem von dem Lasermedium oder dem mindestens einen optischen Element, auf das der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl trifft, dazu zu bringen, sich thermisch zu kontrahieren oder zu expandieren. Sodann ist die Wellenfront des Primärlaserstrahls steuerbar geändert.
In dieser Ausführungsform weist das mindestens eine Lasermedium und/oder das mindestens eine optische Element, auf das der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl auftrifft, mindestens eine Dotiersubstanz auf, die in Antwort auf die Wellenlänge des Sekundärlaserstrahls angeregt wird. Das Verfahren einer beispielhaften Ausführungsform erzeugt den Sekundärlaserstrahl, so dass dieser eine von dem Primärlaserstrahl verschiedene Wellenlänge aufweist. Das Verfahren einer beispielhaften Ausführungsform weist des Weiteren das Messen der Wellenfront des Primärlaserstrahls und das Steuern der räumlichen Modulation des Sekundärlaserstrahls basierend auf der Wellenfront des Primärlaserstrahls auf, der gemessen worden ist. Das Verfahren dieser beispielhaften Ausführungsform kann des Weiteren das wiederholte Messen der Wellenfront des Primärlaserstrahls über der Zeit und das Modifizieren des räumlichen Intensitätsmusters des Sekundärlaserstrahls aufweisen, so dass der Sekundärlaserstrahl steuerbar die thermische Energie in einem Volumen des optischen Elements regelt, basierend auf Änderungen in der Wellenfront des Primärlaserstrahls, die über der Zeit gemessen wurden, um dadurch die thermische Expansion und Kontraktion in dem optischen Element zu steuern, um Aberrationen oder optische Wegdifferenzen in der Wellenfront des Primärlaserstrahls zu minimieren. In einer beispielhaften Ausführungsform kopropagiert der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl mit dem Primärlaserstrahl.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist ein Lasersystem bereitgestellt, das ein Lasermedium aufweist, das dazu ausgebildet ist, einen Primärlaserstrahl zu erzeugen, und ein optisches Element aus dotiertem photothermalrefraktivem (PTR) Glas aufweist, das dazu ausgebildet ist, den Primärlaserstrahl aufzunehmen. Das Lasersystem dieser beispielhaften Ausführungsform weist des Weiteren eine Sekundärlaserquelle auf, die dazu ausgebildet ist, einen Sekundärlaserstrahl zu erzeugen, der eine Wellenlänge verschieden von dem Primärlaserstrahl aufweist. Das Lasersystem ist derart ausgebildet, dass der Sekundärlaserstrahl auf das optische Element aus dotiertem PTR-Glas auftrifft, um die Temperatur des optischen Elements aus dotiertem PTR-Glas zu modifizieren. Das optische Element aus dotiertem PTR-Glas weist ein oder mehrere Dotiersubstanzen auf, die Neodym (Nd), Thulium (Th) oder Ytterbium (Yb) aufweisen, auf diese aber nicht beschränkt sind, die durch den Sekundärlaserstrahl angeregt werden. Die Dotiersubstanz einer beispielhaften Ausführungsform ist einheitlich bzw. gleichmäßig über das optische Element aus dotiertem PTR-Glas verteilt. In einer beispielhaften Ausführungsform absorbiert die Dotiersubstanz Licht der Wellenlänge des Sekundärlaserstrahls bevorzugt relativ zu Licht von der Wellenlänge des Primärlaserstrahls. Das Lasermedium kann eine Mehrzahl von Laserquellen aufweisen und das optische Element aus dotiertem PTR-Glas kann dazu ausgebildet sein, die Primärlaserstrahlen zu kombinieren, die durch die Mehrzahl von Laserquellen erzeugt sind. Das optische Element aus dotiertem PTR-Glas kann als ein optisches Gitter funktionieren. Das optische Element aus PTR-Glas einer beispielhaften Ausführungsform weist eine reflektierende Beschichtung auf, die dazu ausgebildet ist, Licht der Wellenlänge des Sekundärlaserstrahls bevorzugt relativ zu Licht der Wellenlänge des Primärlaserstrahls zu reflektieren.
Figurenliste
Nachdem dadurch Aspekte der vorliegenden Offenbarung in allgemeinen Begriffen beschrieben wurden, wird nun Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind, und worin:

1 zeigt ein Blockdiagramm eines Lasersystems, das einen räumlichen Lichtmodulator aufweist, um einen räumlich modulierten Sekundärlaserstrahl zu erzeugen, um selektive thermischen Kontraktion oder Expansion eines optischen Elements bereitzustellen, um die Wellenfront eines Primärlaserstrahls zu ändern gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 ist ein Flussdiagramm der ausgeführten Operationen, wie etwa durch das Lasersystem der 1, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3 zeigt eine Darstellung der Art und Weise, in der Abschnitte eines optischen Elements selektiv thermisch expandiert oder kontrahiert werden können durch einen räumlich modulierten Sekundärlaserstrahl basierend auf optischen Wegdifferenzen in dem Lasersystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
4 zeigt ein Blockdiagramm eines Lasersystems mit einem optischen Element aus dotiertem photothermalrefraktivem (PTR) Glas und einem Laserkühlungssystem, das dazu ausgebildet ist, die Temperatur des optischen Elements aus dotiertem PTR-Glas zu modifizieren, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
5 zeigt eine Seitenansicht eines optischen Elements aus dotiertem PTR-Glas, durch das ein Sekundärlaserstrahl, der durch ein Laserkühlungssystem bereitgestellt ist, auf Zick-Zack-Weise propagiert, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung wird nun im nachfolgenden vollständiger mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige, aber nicht alle Aspekte gezeigt sind. Tatsächlich kann die Offenbarung in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden und soll nicht als einschränkend auf die hierin dargelegten Aspekte ausgelegt werden. Stattdessen sind diese Aspekte bereitgestellt, so dass diese Offenbarung den anzuwendenden rechtlichen Anforderungen genügt. Durchgehend bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
Ein Lasersystem 10 und ein Verfahren werden bereitgestellt gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, um die thermische Expansion oder Kontraktion eines optischen Elements zu steuern. Zum Beispiel können jeweilige Abschnitte eines Lasermediums 12 oder eines anderen optischen Elements 14 dazu gebracht werden, sich thermisch zu kontrahieren oder zu expandieren mit einem räumlich modulierten Laserstrahl, um entsprechend die Wellenfront eines Primärlaserstrahls zu ändern. Dadurch können optische Aberrationen verringert werden, wenn nicht sogar eliminiert werden, so dass das Lasersystem einen Primärlaserstrahl erzeugt, der eine gewünschte Wellenfront und eine verbesserte Strahlqualität aufweist. Das Lasersystem und das Verfahren einer weiteren beispielhaften Ausführungsform können die Temperatur eines optischen Elements aus dotiertem photothermalrefraktivem (PTR) Glas mit einem Sekundärlaserstrahl modifizieren, um die Temperatur zu stabilisieren, um thermische Gradienten in dem optischen Element aus PTR-Glas zu verringern, wenn nicht zu eliminieren, so dass die Leistung des optischen Elements aus PTR-Glas verbessert ist.
Ein Lasersystem 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist in der 1 gezeigt. Das Lasersystem weist ein Lasermedium 12 auf, das dazu ausgebildet ist, einen Primärlaserstrahl zu erzeugen, wie in Block 30 der 2 gezeigt ist. Das Lasermedium kann auf verschiedene Weisen ausgebildet sein, einschließlich durch einen oder mehreren Festkörperlaser, einen oder mehreren Halbleiter oder Diodenlaser oder Ähnliches. Das Lasersystem kann ebenfalls ein oder mehrere optische Elemente aufweisen, die allgemein als optisches Element 14 gezeigt sind. Das optische Element kann ein Laserverstärker, ein oder mehrere Linsen, ein oder mehrere Spiegel oder andere optische Komponenten aufweisen. Der Primärlaserstrahl ist von dem Lasermedium zu dem optischen Element gerichtet und der Primärlaserstrahl kann dann durch das optische Element propagieren oder von dem optischen Element reflektiert werden, oder auf andere Weise von dem optischen Element umgerichtet sein. Vergleiche hierzu Block 32 in 2.
Verschiedene Abschnitte des Primärlaserstrahls können optischen Wegdifferenzen während ihres Propagierens durch das Lasersystem 10 ausgesetzt sein. Während optische Wegdifferenzen während der Herstellung des Lasermediums 12 und/oder von den ein oder mehreren optischen Elementen 14 eingeführt werden können, können optische Wegdifferenzen ebenfalls durch thermische Gradienten über das Lasermedium und/oder die ein oder mehreren optischen Elemente eingeführt werden. Obwohl verschiedene Arten von Laserstrahlen genutzt werden können, einschließlich Flachseitenlaserstrahlen oder ringförmigen Laserstrahlen, kann in einer Anwendung eines Gaußschen Laserstrahls, bei dem die Intensität in der Mitte des Laserstrahls größer ist, optische Elemente heißer werden, wo die Mitte des Laserstrahls auf ein optisches Element trifft, was einen Temperaturgradienten in dem optischen Element erzeugt. Der Temperaturgradient in dem optischen Element kann in einem ursprünglich erzeugten Laserstrahl, in denen Photonen in Phase sind, bewirken, dass diese außer Phase kommen oder optische Wegdifferenzen aufweisen. Als ein Ergebnis der optischen Wegdifferenzen, die von verschiedenen Abschnitten des Primärlaserstrahls erfahren werden, kann die Wellenfront des Primärlaserstrahls in Phase, Form, usw. von der gewünschten Wellenfront abweichen, wodurch die resultierende Strahlqualität des Primärlaserstrahls herabgesetzt wird. Um die optischen Wegdifferenzen und die schädliche Wirkung auf die Wellenfront und die Strahlqualität zu adressieren, kann das Lasersystem 10 des Weiteren eine Sekundärlaserquelle 16 aufweisen, die dazu ausgebildet ist, einen Sekundärlaserstrahl zu erzeugen, wie in Block 34 der 2 gezeigt ist. Die Sekundärlaserquelle kann auf verschiedene Weisen ausgebildet sein, einschließlich durch ein oder mehreren Festkörperlaser, ein oder mehrere Halbleiter- oder Diodenlaser oder Ähnliches. Während das Lasermedium 12 und die Sekundärlaserquelle 16 durch dieselbe Art von Laser ausgeführt sein können, können das Lasermedium und die Sekundärlaserquelle durch verschiedene Arten von Lasern in einigen Ausführungsformen ausgeführt sein.
Wie in der 1 gezeigt ist, weist das Lasersystem 10 einer beispielhaften Ausführungsform des Weiteren einen räumlichen Lichtmodulator 18 auf. Der räumliche Lichtmodulator ist dazu ausgebildet, den Sekundärlaserstrahl aufzunehmen und den Sekundärlaserstrahl räumlich zu modulieren, um einen räumlich modulierten Sekundärlaserstrahl zu erzeugen, der ein räumliches Intensitätsmuster aufweist, wie in Block 36 der 2 gezeigt ist. Durch räumliches Modulieren des Sekundärlaserstrahls, können verschiedene Abschnitte des Sekundärlaserstrahls entsprechend verschiedene Intensitäten aufweisen. Zum Beispiel können einige Abschnitte des Sekundärlaserstrahls eine größere Intensität als andere Abschnitte des Sekundärlaserstrahls aufweisen, die eine geringere Intensität aufweisen. Der Sekundärlaserstrahl kann räumlich moduliert oder verzerrt sein, durch Verwenden ein deformierbaren Spiegels zum Beispiel, um das Intensitätsmuster des Sekundärlaserstrahls zu ändern, so dass der Sekundärlaserstrahl steuerbar die lokale Intensität von thermischer Energie über das Volumen, in dem der Laserstrahl auf ein optisches Element auftrifft, zu regeln, um dadurch die thermische Expansion und Kontraktion des optischen Elements zu steuern. Dadurch wird durch räumliches Modulieren oder Verzerren des räumlichen Intensitätsmusters des Sekundärlaserstrahls, um die thermische Energie in dem optischen Elementvolumen, auf das Laserstrahl auftrifft, oder außerhalb des Volumens, auf das der Laserstrahl auftrifft, zu regeln, thermische Expansion und Kontraktion in dem optischen Element gesteuert, um die Ausgabe der Wellenfront des Primärlaserstrahls basierend auf der gemessenen Wellenfront zu ändern, um dadurch Wellenfrontaberrationen oder optische Wegdifferenzen zu korrigieren, z.B. zu minimieren, die durch thermische Gradienten in den optischen Elementen hervorgerufen werden. Wie nachstehend beschrieben wird, kann die räumliche Modulation durchgeführt werden, so dass das Auftreffen des Sekundärlaserstrahls auf das Lasermedium 12 oder ein anderes optisches Element 14 die Wellenfront des Primärlaserstrahls ändert, um zumindest teilweise optische Aberrationen innerhalb des Lasersystems auszugleichen. Der räumliche Lichtmodulator kann auf verschiedene Weisen ausgeführt sein, einschließlich, zum Beispiel, einem transmissiven oder reflektiven optischen Element, wie etwa einem deformierbaren Spiegel, um das Intensitätsprofil des Sekundärlaserstrahls räumlich zu formen.
Die Sekundärlaserquelle 16 und der räumliche Lichtmodulator 18 können mit dem Laserresonator angeordnet sein. Alternativ können die Sekundärlaserquelle und der räumliche Lichtmodulator ein zusätzliches Resonatorsystem sein, das dazu ausgebildet ist, eine gesteuerte thermische Kontraktion oder Expansion von optischen Elementen innerhalb oder außerhalb des Laserresonators bereitzustellen. In einer Ausführungsform, in der der räumliche Lichtmodulator als ein deformierbarer Spiegel ausgeführt ist, und in dem die Sekundärlaserquelle und der räumliche Lichtmodulator ein zusätzliches Resonatorsystem sind, muss der Laserresonator nicht den deformierbaren Spiegel aufweisen, wodurch der Aufwand und die Komplexität des Lasersystems 10 reduziert werden, wie etwa durch Eliminieren eines Strahlausdehnungssystems, das andernfalls benötigt sein könnte, falls der deformierbare Spiegel innerhalb des Laserresonators angeordnet wäre. Wie in Block 38 gezeigt ist, ist der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl so gerichtet, dass er auf das Lasermedium 12 und/oder mindestens ein optisches Element 14 auftrifft, um jeweilige Abschnitte des Lasermediums und/oder des optischen Elements, auf das der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl auftrifft, dazu zu bringen, thermisch zu expandieren oder zu kontrahieren. Der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl trifft auf ein optisches Element in dem Lasersystem der 1 auf. Alternativ kann der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl auf das Lasermedium auftreffen, zusätzlich zu oder anstatt des Auftreffens auf ein weiteres optisches Element. Das Lasermedium oder ein anderes optisches Element, auf das der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl auftrifft, weist eine Dotiersubstanz auf, die durch Licht der Wellenlänge des Sekundärlaserstrahls angeregt wird. Obwohl die Wellenlängen des Primärlaserstrahls und des Sekundärlaserstrahls dieselben sein können, kann der Sekundärlaserstrahl einer beispielhaften Ausführungsform eine Wellenlänge verschieden von der Wellenlänge des Primärlaserstrahls aufweisen, wobei die Wellenlänge des Sekundärlaserstrahls zusammen mit der Dotiersubstanz definiert wird, so dass die Dotiersubstanz durch Licht angeregt wird, das die Wellenlänge des Sekundärlaserstrahls aufweist, aber nicht durch Licht angeregt wird, das die Wellenlänge des Primärlaserstrahls aufweist. In diesem Bezug ist die Dotiersubstanz so ausgewählt, dass das Lasermedium und/oder das optische Element bzw. die optischen Elemente, das/die die Dotiersubstanz aufweist/aufweisen zumindest einen Teil der Energie des Sekundärlaserstrahls absorbieren und die Energie in der Form eines Lichts einer anderen, z.B. höheren, Wellenlänge emittieren. Zum Beispiel kann die Dotiersubstanz Ytterbium (Yb) in einer Anwendung sein, in der das optische Element aus KPb₂Cl₅ ausgebildet ist und der Sekundärlaserstrahl eine Wellenlänge von 986 nm aufweist. Als weiteres Beispiel kann Yb als Dotiersubstanz in einer Anwendung dienen, in der das optische Element aus Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) ausgebildet ist und der Sekundärlaserstrahl eine Wellenlänge von 1 µm aufweist.
Als Ergebnis der räumlichen Modulation des Sekundärlaserstrahls weisen verschiedene Abschnitte des Sekundärlaserstrahls verschiedene Intensitäten auf. Daher bewirkt der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl, dass verschiedene Abschnitte des Lasermediums 12 oder des anderen optischen Elements 14, auf die der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl auftrifft, auf andere Art thermisch kontrahiert oder expandiert werden. In der dargestellten Ausführungsform, in der der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl auf ein optisches Element auftrifft, so dass thermische Kontraktion bewirkt wird, werden solche Abschnitte des optischen Elements, die durch die Abschnitte des räumlich modulierten Sekundärlaserstrahl, der eine größere Intensität aufweist, beleuchtet werden, dazu gebracht, sich mehr thermisch zu kontrahieren, als solche Abschnitte des optischen Elements, die durch andere Abschnitte des räumlich modulierten Sekundärlaserstrahls beleuchtet werden, die eine geringere Intensität aufweisen. Die verschiedenartige thermische Kontraktion oder Expansion des optischen Elements in Antwort auf den räumlich modulierten Sekundärlaserstrahl modifiziert entsprechend unterschiedlich die optische Wegdifferenz durch das optische Element, wobei die Abschnitte des optischen Elements, die um ein größeres Maß thermisch kontrahiert werden, einen verringerten optischen Weg relativ zu anderen Abschnitten des optischen Elements aufweisen, die thermisch um ein geringeres Maß kontrahiert werden (oder thermisch expandiert werden) durch den räumlich modulierten Sekundärlaserstrahl.
Die optische Wegdifferenz, die durch das optische Element 14 in Antwort auf das Auftreffen des räumlich modulierten Sekundärlaserstrahls erzeugt wird, ändert die Wellenfront des Primärlaserstrahls. Durch Berücksichtigung der Aberrationen, die auf andere Weise durch das Lasersystem 10 in Abwesenheit des Sekundärlaserstrahls auf die Propagation des Primärlaserstrahls durch dieses eingeführt werden, können optische Wegdifferenzen in ein optisches Element durch den räumlich modulierten Sekundärlaserstrahl eingeführt werden, um zumindest teilweise, wenn nicht vollständig, die optische Aberrationen auszugleichen, wodurch die Wellenfront und die Strahlqualität des Primärlaserstrahls verbessert wird.
Als Beispiel zeigt das Gitter 50 der 3 die relative optische Wegdifferenz, die verschiedene Abschnitte des Primärlaserstrahls während seiner Propagation durch das Lasersystem 10 in Abwesenheit des Sekundärlaserstrahls erfahren. Wie gezeigt ist, erfährt eine Anzahl von Abschnitten des Primärlaserstrahls größere optische Wegdifferenzen als andere Abschnitte des Primärlaserstrahls, die kleinere optische Wegdifferenzen erfahren. Zum Beispiel ist der obere linke Abschnitt 50a der Wellenfront des Primärlaserstrahls einer größeren optischen Wegdifferenz ausgesetzt, während der untere linke Abschnitt 50b der Wellenfront des Primärlaserstrahls einer kleineren optischen Wegdifferenz ausgesetzt ist. Wie voranstehend bemerkt wurde, können diese optischen Wegdifferenzen aufgrund einer Vielzahl von Faktoren vorhanden sein, einschließlich der Herstellung des Lasermediums 12 und der optischen Elemente 14, thermischer Gradienten innerhalb der optischen Elemente, usw.
Um die Wellenfront des Primärlaserstrahls auf eine Weise zu ändern, die die ansonsten durch die optischen Wegdifferenzen innerhalb des Lasersystems 10 eingeführten Aberrationen ausgleicht, kann der Sekundärlaserstrahl räumlich moduliert werden, so dass solche Abschnitte des optischen Elements 14, durch die Abschnitte des Primärlaserstrahls treten, die große optische Wegdifferenzen erfahren, einem Sekundärlaserstrahl größerer Intensität ausgesetzt werden, was wiederum dazu dient, zu bewirken, dass die jeweiligen Abschnitte des optischen Elements sich thermisch kontrahieren, wenn der Laserstrahl dazu genutzt wird, das optische Element zu kühlen, wodurch die Länge des optischen Wegs durch das optische Element reduziert wird, den die jeweiligen Abschnitte des Primärlaserstrahls erfahren. Vergleiche zum Beispiel das Gitter 52 der 3, das die verschiedenen Abschnitte des räumlich modulierten Sekundärlaserstrahls dazu definiert, entweder eine hohe Intensität oder eine geringe Intensität aufzuweisen. Wie dargestellt ist, korrespondieren die Abschnitte des räumlich modulierten Sekundärlaserstrahls, die eine hohe Intensität aufweisen, wie etwa der obere linke Abschnitt 52a, in der Position mit den Abschnitten des Primärlaserstrahls, die die großen optischen Wegdifferenzen erfahren haben, wie etwa der obere linke Abschnitt 50a des Gitters 50.
Weiter mit dem voranstehenden Beispiel kann der Sekundärlaserstrahl des Weiteren räumlich moduliert sein, so dass die Abschnitte des optischen Elements 14 durch die die Abschnitte des Primärlaserstrahls propagieren, die kleinere optische Wegdifferenzen erfahren, einem Sekundärlaserstrahl von geringerer Intensität ausgesetzt sind, was, wiederum dazu dient zu bewirken, dass die jeweiligen Abschnitte des optischen Elements sich thermisch kontrahieren, so dass die Länge des optischen Wegs durch das optische Element, den die jeweiligen Abschnitte des Primärlaserstrahls erfahren, reduziert ist, wenn auch um eine wesentlich geringere Menge als die Reduktion in der Länge des optischen Wegs, die durch die Abschnitte größerer Intensität des Sekundärlaserstrahls erzeugt wird. Vergleiche zum Beispiel den unteren linken Abschnitt 52b des Gitters 52 der 3, der darstellt, dass der jeweilige Abschnitt des räumlich modulierten Sekundärlaserstrahls eine geringe Intensität aufweist. Wie dargestellt ist korrespondieren die Abschnitte des räumlich modulierten Sekundärlaserstrahls, die eine geringe Intensität aufweisen, wie etwa der untere linke Abschnitt 52b, in der Position mit den Abschnitten des Primärlaserstrahls, die die kleineren optischen Wegdifferenzen erfahren haben, wie etwa der untere linke Abschnitt 50b des Gitters 50. Daher ändert der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl effektiv den optischen Weg durch verschiedene Abschnitte des jeweiligen optischen Elements auf eine Weise, die entweder teilweise oder ganz, die optischen Wegdifferenzen ausgleicht, die andernfalls von dem Primärlaserstrahl innerhalb des Lasersystems 10 erfahren werden. Der resultierende Primärlaserstrahl kann dann wie in Block 40 der 2 gezeig, ausgegeben werden.
Der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl ist in dem voranstehenden Beispiel beschrieben, dass er bewirkt, dass jeweilige Abschnitte des optischen Elements 14 sich thermisch kontrahieren. Alternativ kann der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl dazu ausgebildet sein, wie etwa als Ergebnis der Nutzung einer anderen Wellenlänge, zu bewirken, dass sich jeweilige Abschnitte des optischen Elements thermisch expandieren. In dieser alternativen Ausführungsform kann die thermische Expansion der jeweiligen Abschnitte des optischen Elements gesteuert werden, um die optischen Wegdifferenzen auszugleichen, die andernfalls von dem Primärlaserstrahl innerhalb des Lasersystems 10 erfahren werden.
Als Beispiel ist ein Astigmatismus eine optische Operation, die durch Zernike-Polynome von m=-1 und n=2 definiert wird. Als Ergebnis des Astigmatismus kann die Wellenfront des Primärlaserstrahls einen Kartoffelchip-profil in Abwesenheit der Sekundärlaserquelle 16 aufweisen. Durch steuerbares Einführen eines thermischen Kontrahierens eines optischen Elements 14 auf eine Weise, das den Astigmatismus ausgleicht durch Modifizieren der optischen Wegdifferenzen als Inverse des Kartoffelchip-Profils, kann der resultierende Primärlaserstrahl eine verbesserte Strahlqualität mit einer flacheren Wellenfront aufweisen.
Das Lasersystem 10 kann in einem statischen Modus betrieben werden, in dem der Sekundärlaserstrahl auf eine vordefinierte festgelegte Weise räumlich moduliert wird. In dieser Ausführungsform kann der räumliche Lichtmodulator 18 als eine Korrekturplatte ausgeführt sein, die eine feste Auslegung aufweist. Alternativ kann das Lasersystem auf eine zeitabhängige Weise betrieben sein, in der der Sekundärlaserstrahl auf vordefinierte Weise räumlich moduliert wird, die über die Zeit variiert. Zum Beispiel kann der Sekundärlaserstrahl auf eine zeitabhängige Weise räumlich moduliert werden, wobei die räumliche Modulation auf eine vorbestimmte Weise folgend dem Hochfahren des Lasersystems variiert, bis das Lasersystem einen Betrieb in stabilem Zustand erreicht, an welchem Punkt in der Zeit die räumliche Modulation des Sekundärlaserstrahls fest sein kann. Noch weiter kann das Lasersystem 10 auf eine adaptive Weise betrieben werden. In dieser beispielhaften Ausführungsform kann das Lasersystem einen Wellenfrontsensor 20 aufweisen, der dazu ausgebildet ist, die Wellenfront des Primärlaserstrahls zu messen. Das Lasersystem in dieser beispielhaften Ausführungsform weist des Weiteren eine Steuerungseinrichtung 22, wie etwa einen Computer, einen Prozessor oder etwas Ähnliches, auf, der auf den Wellenfrontsensor reagiert und, insbesondere, auf die Wellenfront des Primärlaserstrahls reagiert, die durch den Wellenfrontsensor gemessen ist. Die Steuerungseinrichtung ist dazu ausgebildet, die räumliche Modulation des Sekundärlaserstrahls zu steuern, die durch den räumlichen Lichtmodulator 18 bereitgestellt wird, basierend auf der Wellenfront des Primärlaserstrahls, wie er von dem Wellenfrontsensor gemessen ist. Daher ist die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet, aus der Wellenfront des Primärlaserstrahls, die von dem Wellenfrontsensor gemessen wurde, diejenigen Abschnitte der Wellenfront zu bestimmen, die größere optische Wegdifferenzen erfahren als andere Abschnitte der Wellenfront. Die Steuerungseinrichtung dieser Ausführungsform steuert dann entsprechend den räumlichen Lichtmodulator dazu, den Sekundärlaserstrahl zu modulieren, um einen räumlich modulierten Sekundärlaserstrahl zu erzeugen, der ein räumliches Intensitätsmuster aufweist, der dazu ausgebildet ist, die optischen Wegdifferenzen in der Wellenfront des Primärlaserstrahls auszugleichen. Wie in 1 gezeigt ist, kann die Steuerungseinrichtung des Weiteren in Verbindung mit der Sekundärlaserquelle 16 stehen, um den Betrieb der Sekundärlaserquelle zu steuern, wie etwa durch Steuern der Wellenlänge und/oder Leistung des Sekundärlaserstrahls, Steuern, ob der Sekundärlaserstrahl eine kontinuierliche Welle oder gepulst ist, usw.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Wellenfrontsensor 20 dazu ausgebildet, wiederholt die Wellenfront des Primärlaserstrahls über der Zeit zu messen, wie etwa mit einer vorbestimmten Frequenz. In dieser beispielhaften Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung 22 des Weiteren dazu ausgebildet, die räumliche Modulation des Sekundärlaserstrahls, die durch den räumlichen Lichtmodulator 18 bereitgestellt ist, basierend auf Änderungen in der Wellenfront des Primärlaserstrahls wie gemessenen durch den Wellenfrontsensor über der Zeit, zu modifizieren. Daher kann das Lasersystem 10 Änderungen in den optischen Aberrationen Rechnung tragen, die durch die optischen Komponenten des Lasersystems eingeführt werden und kann den Sekundärlaserstrahl verschieden räumlich modulieren, um die optischen Aberrationen auszugleichen, sogar wenn sich die optischen Aberrationen ändern.
Der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl kann dazu ausgebildet sein, auf das Lasermedium 12 oder ein anderes optisches Element 14 auf verschiedene Weisen aufzutreffen. In einer beispielhaften Ausführungsform kopropagiert der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl mit dem Primärlaserstrahl durch eines oder mehrere optische Komponenten des Lasersystems 10. In diesem Bezug propagiert der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl durch eine Vielzahl von Komponenten des Lasersystems, wobei der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl nur das optische Element beeinflusst, das mit einer Dotiersubstanz dotiert ist, die durch Licht angeregt wird, die die Wellenlänge des Sekundärlaserstrahls aufweist. Anstatt eines Kopropagierens mit dem Primärlaserstrahl durch eine Anzahl von optischen Komponenten des Lasersystems, kann der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl in eine einzelne Komponente eingegeben werden, wie etwa ein Spiegel, eine Linse oder Ähnliches, die eine Beschichtung aufweist, die/der/das eine Beschichtung aufweist, die für Licht reflektierend ist, das die Wellenlänge des Sekundärlaserstrahls aufweist, aber nicht für Licht, das die Wellenlänge des Primärlaserstrahls aufweist. Stattdessen kann die reflektierende Beschichtung der optischen Komponente transparent für Licht sein, das die Wellenlänge des Primärlaserstrahls aufweist. Daher kann der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl in die optische Komponente eingegeben werden und dann aus dem Lasersystem 10 durch die reflektierende Oberfläche heraus reflektiert werden, so dass er nur durch die jeweilige optische Komponente propagiert, ohne durch die anderen optischen Komponenten des Lasersystems zu propagieren.
Wie beschrieben bewirkt das Lasersystem und das Verfahren einer beispielhaften Ausführungsform, dass jeweilige Abschnitte eines Lasermediums 12 oder eines anderen optischen Elements 14 sich thermisch kontrahieren oder expandieren, um entsprechend die Wellenfront des Primärlaserstrahls zu ändern. Zum Beispiel können jeweilige Abschnitte des Lasermediums oder eines anderen optischen Elements dazu gebracht werden, thermisch zu expandieren oder kontrahieren, um optische Wegdifferenzen einzuführen, die optische Aberrationen ausgleichen, die andernfalls durch das Lasersystem 10 eingeführt werden, so dass die resultierende Wellenfront des Primärlaserstrahls eine gewünschte Form und Strahlqualität aufweist, wie etwa durch Entfernen von sowohl achssymmetrischen als auch nicht achssymmetrischen Wellenfrontfehlern. Zusätzlich zum Ausgleichen optischer Aberrationen und einem entsprechenden Verbessern der Wellenfront und Strahlqualität des Primärlaserstrahls, kann das Lasersystem des Weiteren oder alternativ dazu ausgebildet sein, Massenwärme aus dem System zu entfernen oder dem System Massenwärme zuzuführen.
Obwohl die voranstehend beschriebene Ausführungsform eine einzelne Sekundärlaserquelle 16 aufweist, kann das Lasersystem 10 von anderen Ausführungsformen zwei oder mehr Sekundärlaserquellen zum Erzeugen von zwei oder mehr Sekundärlaserstrahlen aufweisen, die dieselbe oder verschiedene Wellenlängen aufweisen. Zum Beispiel können die zwei oder mehr Sekundärlaserquellen dazu ausgebildet sein, zu bewirken, dass verschiedene Abschnitte des Lasermediums 12 oder eines anderen optischen Elements 14 sich thermisch kontrahieren oder expandieren. Lediglich als Beispiel, aber nicht als Einschränkung, kann eine der Sekundärlaserquellen dazu ausgebildet sein, zu bewirken, dass Kantenabschnitte des optischen Elements thermisch expandieren und eine weitere Sekundärlaserquelle kann dazu ausgebildet sein, zu bewirken, dass der Zentralabschnitt des optischen Elements sich thermisch kontrahiert. Zusätzlich oder alternativ kann das Lasersystem zwei oder mehr Lasermedien zum Erzeugen von zwei oder mehr Primärlaserstrahlen aufweisen, die dieselbe oder verschiedene Wellenlängen aufweisen. Das Lasersystem einer beispielhaften Ausführungsform kann des Weiteren zwei oder mehr Steuerungseinrichtungen 22 und/oder zwei oder mehr räumliche Lichtmodulatoren 18 aufweisen.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform ist in der 4 gezeigt. Zusätzlich zu dem Lasermedium 62, wie voranstehend beschrieben, weist das Lasersystem 60 in dieser beispielhaften Ausführungsform ein optisches Element 64 in der Form eines optischen Elements aus dotiertem PTR-Glas auf. Das optische Element aus PTR-Glas ist dazu ausgebildet, den Primärlaserstrahl von dem Lasermedium aufzunehmen, entweder direkt oder nachfolgend in einer Propagation durch ein oder mehrere andere optische Komponenten. Das optische Element aus PTR-Glas kann verschiedenen Zwecken dienen. Zum Beispiel kann, in einer Ausführungsform, in der das Lasermedium eine Mehrzahl von Laserquellen aufweist, das optische Element aus PTR-Glas dazu ausgebildet sein, die Primärlaserstrahlen von den Laserquellen in einen einzigen Primärlaserstrahl zu kombinieren. In diesem Fall kann das optische Element aus PTR-Glas als ein optisches Gitter dienen.
Um die Temperatur des optischen Elements 64 aus PTR-Glas zu modifizieren, kann das Lasersystem 60 dieser Ausführungsform des Weiteren eine Sekundärlaserquelle 66 aufweisen, wie etwa ein Diodenlaser, die dazu ausgebildet ist, einen Sekundärlaserstrahl zu erzeugen. Obwohl die Primär- und Sekundärlaserstrahlen dieselbe Wellenlänge haben können, weist der Sekundärlaserstrahl einer beispielhaften Ausführungsform eine Wellenlänge verschieden von der Wellenlänge des Primärlaserstrahls auf. Daher sind die Wellenlängen der Primär- und Sekundärlaserstrahlen in dieser beispielhaften Ausführungsform voneinander getrennt. Das Lasersystem dieser beispielhaften Ausführungsform ist derart ausgebildet, dass der Sekundärlaserstrahl auf das optische Element aus PTR-Glas trifft. Als Ergebnis des Dotierens des optischen Elements aus PTR-Glas mit einem oder mehreren Dotiersubstanzen, die durch den Sekundärlaserstrahl angeregt werden, das heißt, durch Licht, das eine Wellenlänge des Sekundärlaserstrahls aufweist, kann die Temperatur des optischen Elements aus dotiertem PTR-Glas modifiziert werden, wie etwa indem es stabilisiert wird. Die Dotiersubstanz mit der das optische Element aus PTR-Glas dotiert ist, wird nicht nur durch den Sekundärlaserstrahl angeregt, aber absorbiert bevorzugt Licht der Wellenlänge des Sekundärlaserstrahls relativ zu Licht der Wellenlänge des Primärlaserstrahls. Während das optische Element aus PTR-Glas verschiedene Arten von Dotiersubstanzen abhängig von den relativen Wellenlängen der Primär- und Sekundärlaserstrahlen aufweisen kann, kann das optische Element aus PTR-Glas einer beispielhaften Ausführungsform eine Neodym (Nd)-Dotiersubstanz, eine Thulium (Th)-Dotiersubstanz oder eine Ytterbium (Yb)-Dotiersubstanz aufweisen, ist auf diese aber nicht beschränkt.
Das optische Element 64 aus PTR-Glas kann gleichmäßig mit der Dotiersubstanz dotiert sein. In einer Ausführungsform, in der das optische Element aus PTR-Glas von dem Sekundärlaserstrahl von einer Seite bestrahlt wird, so dass der Sekundärlaserstrahl durch das optische Element aus PTR-Glas auf eine Weise propagiert, dass die Energie des Sekundärlaserstrahls zunehmend durch das optische Element aus PTR-Glas hindurch dissipiert wird, kann das Dotiersubstanzprofil innerhalb des optischen Elements aus PTR-Glas dazu ausgebildet sein, nicht gleichmäßig zu sein, aber ein Profil aufzuweisen, das auf eine Weise variiert, das die Unterschiede in der Energie des Sekundärlaserstrahls ausgleicht. Zum Beispiel kann das optische Element aus PTR-Glas in dieser beispielhaften Ausführungsform einen geringeren Prozentsatz einer Dotiersubstanz in den Abschnitten aufweisen, die einen Sekundärlaserstrahl von größerer Energie erfahren, und einen größeren Prozentsatz einer Dotiersubstanz in den Abschnitten aufweisen, die einen Sekundärlaserstrahl mit geringerer Energie erfahren.
In Reaktion auf das Auftreffen des Sekundärlaserstrahls kann das optische Element 64 aus PTR-Glas relativ gleichmäßig geheizt oder gekühlt werden durch die Anregung der Dotiersubstanz durch Licht, das die Wellenlänge des Sekundärlaserstrahls aufweist. Jegliches zusätzliche Erwärmen oder Kühlen des optischen Elements aus PTR-Glas, das erzeugt ist durch die Propagation des Primärlaserstrahls durch dieses kann einen relativ geringen Umfang aufweisen, verglichen zu dem Erwärmen, das durch den Sekundärlaserstrahl eingeführt wird. Daher wird der Primärlaserstrahl nicht einen thermischen Gradienten erzeugen, zumindest nicht näherungsweise zu demselben Maß, wie es innerhalb eines optischen Elements aus PTR-Glas erzeugt werden kann in Abwesenheit der thermischen Stabilisierung durch den Sekundärlaserstrahl. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Sekundärlaserstrahl dazu genutzt werden, das optische Element aus PTR-Glas vor dem Einführen des Primärlaserstrahls vorzuheizen. Wenn der Primärlaserstrahl einmal eingeführt ist, kann die Intensität des Sekundärlaserstrahls verringert werden und/oder der Sekundärlaserstrahl kann nicht fortgesetzt werden. Jedoch, als Ergebnis der Vorheizung, kann sich die Leistung des optischen Elements aus PTR-Glas nicht ändern oder zumindest nicht so viel ändern nach dem Einführen des Primärlaserstrahls.
Der Sekundärlaserstrahl kann auf das optische Element 64 aus PTR-Glas auf verschiedene Weisen auftreffen. In einer beispielhaften Ausführungsform trifft der Sekundärlaserstrahl auf das optische Element aus PTR-Glas in einer relativ gleichmäßigen Weise auf, so dass alle Abschnitte des optischen Elements aus PTR-Glas gleichmäßig bestrahlt werden. Zum Beispiel können ein oder mehrere Oberflächen des optischen Elements aus PTR-Glas mit einer reflektierenden Oberfläche 68 wie in 5 gezeigt, beschichtet sein. In diesem Bezug ist die reflektierende Oberfläche dazu ausgelegt, für Licht reflektierend zu sein, das die Wellenlänge des Sekundärlaserstrahls aufweist, aber transparent für Licht zu sein, das die Wellenlänge des Primärlaserstrahls aufweist. Daher kann der Sekundärlaserstrahl in das optische Element aus PTR-Glas dieser beispielhaften Ausführungsform in einem Winkel eingeführt werden, so dass ein Zick-Zack-Muster des Sekundärlaserstrahls innerhalb des optischen Elements aus PTR-Glas eingerichtet ist, wodurch die Dotiersubstanz innerhalb des optischen Elements auf PTR-Glas gleichmäßig angeregt wird.
Ein Lasersystem 60 mit einem optischen Element 64 aus PTR-Glas und ein zugehöriges Verfahren werden daher bereitgestellt um die Wellenfront eines Primärlaserstrahls zu reduzieren oder eliminieren, optische Aberrationen zu verbessern, die andernfalls durch einen thermischen Gradienten in dem optischen Element aus PTR-Glas eingeführt sind. Wie voranstehend beschrieben wurde, kann ein optisches Element aus PTR-Glas eine Dotiersubstanz aufweisen, die auf einen Sekundärlaserstrahl reagiert, so dass ein Aussetzen des optischen Elements aus PTR-Glas zu dem Sekundärlaserstrahl zum Modifizieren der Temperatur des optischen Elements aus dotiertem PTR-Glas dient, wie etwa durch Stabilisieren der Temperatur des optischen Elements aus dotiertem PTR-Glas, wodurch die Leistung des Lasersystems mit dem optischen Element aus PTR-Glas verbessert wird.
Viele Modifikationen und andere Aspekte der Offenbarung, die hier dargelegt ist, werden dem Fachmann bewusst, den diese Offenbarung betrifft, die Vorteile der vorgestellten Lehren und der voranstehenden Beschreibungen und dazugehörigen Zeichnungen aufweisend. Daher soll verstanden werden, dass die Offenbarung nicht auf die spezifischen offenbarten Aspekte beschränkt ist und dass Modifikationen und andere Aspekte dazu vorgesehen sind, innerhalb des Schutzbereichs der anliegenden Ansprüche eingeschlossen zu sein. Obwohl spezifische Begriffe hier verwendet werden, werden sie nur auf eine generische und beschreibende Weise verwendet und nicht zum Zwecke der Einschränkung.

Claims

Lasersystem (10), mit: einem Lasermedium (12), das dazu ausgebildet ist, einen Primärlaserstrahl zu erzeugen; mindestens einem optischen Element (14), das dazu ausgebildet ist, den Primärlaserstrahl aufzunehmen; einer Sekundärlaserquelle (16), die dazu ausgebildet ist, einen Sekundärlaserstrahl zu erzeugen; und einem räumlichen Lichtmodulator (18), der dazu ausgebildet ist, den Sekundärlaserstrahl aufzunehmen und den Sekundärlaserstrahl räumlich zu modulieren, um einen räumlich modulierten Sekundärlaserstrahl zu erzeugen, der ein räumliches Intensitätsmuster aufweist, wobei das Lasersystem derart ausgebildet ist, dass der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl auf das Lasermedium (12) und/oder das mindestens eine optische Element (14) auftrifft, um jeweilige Abschnitte von dem Lasermedium (12) und/oder dem mindestens einen optischen Element (14), auf die der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl auftrifft, dazu zu bringen, sich thermisch zu kontrahieren oder zu expandieren, wodurch steuerbar die Wellenfront des Primärlaserstrahls geändert wird, wobei das Lasermedium (12) und/oder das mindestens eine optische Element (14), auf das der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl auftrifft, mindestens eine Dotiersubstanz aufweist, die in Antwort auf die Wellenlänge des Sekundärlaserstrahls angeregt ist.
Lasersystem (10) nach Anspruch 1, wobei der Sekundärlaserstrahl eine von dem Primärlaserstrahl verschiedene Wellenlänge aufweist.
Lasersystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, des Weiteren mit: einem Wellenfrontsensor (20), der dazu ausgebildet ist, die Wellenfront des Primärlaserstrahls zu messen; und einer Steuerungseinrichtung (22), die dazu ausgebildet ist, die räumliche Modulation des Sekundärlaserstrahls, die durch den räumlichen Lichtmodulator bereitgestellt ist, basierend auf der Wellenfront des Primärlaserstrahls, die durch den Wellenfrontsensor gemessen ist, zu steuern.
Lasersystem (10) nach Anspruch 3, wobei der Wellenfrontsensor (20) dazu ausgebildet ist, wiederholt die Wellenfront des Primärlaserstrahls über der Zeit zu messen, und wobei die Steuerungseinrichtung (22) des Weiteren dazu ausgebildet ist, den räumlichen Lichtmodulator (18) zu steuern, um das räumliche Intensitätsmuster des Sekundärlaserstrahls so zu modifizieren, dass der Sekundärlaserstrahl steuerbar thermische Energie in einem Volumen des optischen Elements (14) regelt, basierend auf Änderungen in der Wellenfront des Primärlaserstrahls, die durch den Wellenfrontsensor (20) über der Zeit gemessen sind, um dadurch die thermische Expansion und Kontraktion in dem optischen Element (14) zu steuern, um Aberrationen oder optische Wegdifferenzen in der Wellenfront des Primärlaserstrahls zu minimieren.
Lasersystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, des Weiteren mit: einem Wellenfrontsensor (20), der dazu ausgebildet ist, die Wellenfront des Primärlaserstrahls zu messen; und einer Steuerungseinrichtung (22), die dazu ausgebildet ist, den Betrieb der Sekundärlaserquelle (16) basierend auf der Wellenfront des Primärlaserstrahls, die gemessen worden ist, zu steuern.
Verfahren zum Steuern einer Wellenfront eines Primärlaserstrahls, mit den folgenden Schritten: Erzeugen des Primärlaserstrahls mit einem Lasermedium (12); Richten des Primärlaserstrahls auf mindestens ein optisches Element (14); Erzeugen eines Sekundärlaserstrahls; räumliches Modulieren des Sekundärlaserstrahls, um einen räumlich modulierten Sekundärlaserstrahl zu erzeugen, der ein räumliches Intensitätsmuster aufweist; und Richten des räumlich modulierten Sekundärlaserstrahl zum Auftreffen auf das Lasermedium (12) und/oder das mindestens eine optische Element (14), um jeweilige Abschnitte von dem Lasermedium (12) und/oder dem mindestens einen optischen Element (14), auf die der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl auftrifft, dazu zu bringen, sich thermisch zu kontrahieren oder zu expandieren, wodurch die Wellenfront des Primärlaserstrahls steuerbar geändert wird, wobei das Lasermedium (12) und/oder das mindestens eine optische Element (14), auf das der räumlich modulierte Sekundärlaserstrahl trifft, mindestens eine Dotiersubstanz aufweist, die in Antwort auf die Wellenlänge des Sekundärlaserstrahls angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Erzeugen des Sekundärlaserstrahls das Erzeugen des Sekundärlaserstrahls mit einer von dem Primärlaserstrahl verschiedenen Wellenlänge aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, des Weiteren mit: Messen der Wellenfront des Primärlaserstrahls; und Steuern der räumlichen Modulation des Sekundärlaserstrahls basierend auf der Wellenfront des Primärlaserstrahls, die gemessen worden ist.
Verfahren nach Anspruch 8, des Weiteren mit den folgenden Schritten: wiederholtes Messen der Wellenfront des Primärlaserstrahls über der Zeit, und Modifizieren des räumlichen Intensitätsmusters des Sekundärlaserstrahls, so dass der Sekundärlaserstrahl steuerbar eine thermische Energie in einem Volumen des optischen Elements (14) regelt, basierend auf Änderungen in der Wellenfront des Primärlaserstrahls, die über der Zeit gemessen wurden, um dadurch die thermische Expansion und Kontraktion in dem optischen Element (14) zu steuern, um Aberrationen oder optische Wegdifferenzen in der Wellenfront des Primärlaserstrahls zu minimieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, des Weiteren mit den folgenden Schritten: Messen der Wellenfront des Primärlaserstrahls; und Steuern des Betriebs der Sekundärlaserquelle (16) basierend auf der Wellenfront des Primärlaserstrahls, die gemessen worden ist.
Lasersystem (10) mit: einem Lasermedium (12), das dazu ausgebildet ist, einen Primärlaserstrahl zu erzeugen; einem optisches Element (14) aus dotiertem photothermalrefraktiven Glas, das dazu ausgebildet ist, den Primärlaserstrahl aufzunehmen; und einer Sekundärlaserquelle (16), die dazu ausgebildet ist, einen Sekundärlaserstrahl zu erzeugen, der eine von dem Primärlaserstrahl verschiedene Wellenlänge aufweist, wobei das Lasersystem derart ausgebildet ist, dass der Sekundärlaserstrahl auf das optische Element aus dotiertem photothermalrefraktivem Glas auftrifft, um eine Temperatur des optischen Elements aus dotiertem photothermalrefraktivem Glas zu modifizieren.
Lasersystem nach Anspruch 11, wobei das optische Element (14) aus dotiertem photothermalrefraktiven Glas eine Dotiersubstanz aufweist, die durch den Sekundärlaserstrahl angeregt ist.
Lasersystem nach Anspruch 12, wobei die Dotiersubstanz über das optische Element (14) aus dotiertem photothermalrefraktiven Glas einheitlich ist.
Lasersystem nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Dotiersubstanz bezogen auf Licht der Wellenlänge des Primärlaserstrahls bevorzugt Licht der Wellenlänge des Sekundärlaserstrahls absorbiert.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Dotiersubstanz Neodym (Nd), Thulium (Th) oder Ytterbium (Yb) aufweist.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das optische Element aus dotiertem photothermalrefraktiven Glas ein photothermalrefraktives optisches Gitter aufweist.