DE102017003139A1

DE102017003139A1 - Anordnungen zur Verstärkung von räumlich und zeitlich adressierbaren Strahlungsfeldern

Info

Publication number: DE102017003139A1
Application number: DE102017003139.8A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2018-10-04
Anticipated expiration: 2037-04-01
Also published as: DE102017003139B4

Abstract

In dieser vorliegenden Anmeldung werden Anordnungen zur Verstärkung von räumlich und zeitlich adressierbarer Strahlungsfelder angegeben. Die zentrale Idee der Erfindung besteht darin, dass zu einem zu verstärkenden Strahlungsfeld ein komplimentäres Strahlungsfeld erzeugt wird, wobei die räumliche Verteilung der Intensität oder der Energiedichte vom komplimentären Strahlungsfeld räumlich so eingestellt wird, dass die Summe der Intensität oder der Energiedichte von dem zu verstärkenden Strahlungsfeld und von dem komplimentären Strahlungsfeld einer vordefinierten ortsabhängigen Funktion entspricht. Eine bevorzugte Funktion ist eine Konstante. Dies entspricht einer top-hat-Verteilung der Intensität oder Energiedichte. Darüber hinaus wird die Leistung oder die Pulsenergie des komplimentären Strahlungsfeldes zeitlich so eingestellt, dass die Summe der Leistung oder der Energie von dem zu verstärkenden Strahlungsfeld und von dem komplimentären Strahlungsfeld einer vondefinierten Funktion entspricht. Eine bevorzugte Situation ergibt sich, wenn die Summe eine Konstante ist.

Description

Zur Bebilderung oder zur flexiblen und parallelen Bearbeitung von Materialien werden Strahlungsfelder räumlich und zeitlich einstellbarer Amplitude, Intensität oder Energie erforderlich. Solche Strahlungsfelder können z. B. mittels räumlicher Modulatoren, Modulator-Arrays generiert werden. Beispiele für räumlichen Modulatoren sind LCD-Matrix oder Mikrospiegel-Matrix. Allerdings ist die Belastbarkeit solcher Modulatoren sehr limitiert. Damit sind sie nur für Strahlungsfelder geringer bis mittleren Leistung verwendbar.
In dieser vorliegenden Erfindung werden Anordnungen zur Verstärkung von räumlich und zeitlich adressierbarer Strahlungsfelder angegeben.
Die zentrale Idee der Erfindung besteht darin, dass zu einem zu verstärkenden Strahlungsfeld ein komplimentäres Strahlungsfeld erzeugt wird, wobei die räumliche Verteilung der Intensität oder der Energiedichte vom komplimentären Strahlungsfeld räumlich so eingestellt wird, dass die Summe der Intensität oder der Energiedichte von dem zu verstärkenden Strahlungsfeld und von dem komplimentären Strahlungsfeld einer vordefinierten ortsabhängigen Funktion entspricht. Eine bevorzugte Funktion ist eine Konstante. Dies entspricht einer top-hat-Verteilung der Intensität oder Energiedichte. Darüber hinaus wird die Leistung oder die Pulsenergie des komplimentären Strahlungsfeldes zeitlich so eingestellt, dass die Summe der Leistung oder der Energie von dem zu verstärkenden Strahlungsfeld und dem komplimentären Strahlungsfeld einer vondefinierten Funktion entspricht. Eine bevorzugte Situation ergibt sich, wenn die Summe eine Konstante ist.
Ein Strahlungsfeld kann z. B. ein Wärmestrahlungsfeld, ein magnetisches Strahlungsfeld oder ein Laserstrahlungsfeld, etc. sein. Im Folgenden werden die Anordnungen zur Verstärkung von räumlich und zeitlich adressierbaren Strahlungsfeldern am Beispiel von Verstärkung von Laserstrahlungsfeldern erläutert.
Das zu verstärkende Laserstrahlungsfeld kann mittels Laserstrahlen generiert werden, indem die Intensitäts- oder Energiedichteverteilung durch ein Array von Modulatoren, eine LCD-Matrix oder eine Mikrospiegel-Matrix räumlich und/oder zeitlich moduliert wird.
zeigt eine beispielhafte Ausführung der Anordnungen zur Verstärkung von räumlich und zeitlich adressierbarer Strahlungsfeldern. Dabei stellt (11) die Intensitätsverteilung oder die Energiedichteverteilung des zu verstärkenden Laserstrahlungsfeldes zu einem bestimmten Zeitpunkt dar. Zu diesem Strahlungsfeld wird zuerst ein komplementäres Strahlungsfeld (99) erzeugt. In dem dargestellten Fall wird das komplementäre Strahlungsfeld so definiert, dass die Summe der Intensität oder der Energiedichte ortsunabängig ist. Die optische Komponente (31) ist ein Strahlkombinierer. Er überlagert die beiden Strahlungsfelder (11) und (99). Als Strahlkombinierer kann eine teildurchlässige Optik verwendet werden. Für den Fall, dass die beiden Strahlungsfelder polarisiert sind, kann ein Polarisator in Verbindung mit geeigneter Verzögerungsplatte als Strahlkombinierer verwendet werden. Dabei werden die beiden Strahlungsfelder mit Verzögerungsplatte(n) so konditioniert, dass deren Polarisationen senkrecht zueinanderstehen. Anschließend können die beiden Strahlungsfelder durch einen Polarisator koaxial überlagert werden. Eine Abbildungsoptik (61) wird verwendet. Sie wird so ausgelegt, dass die überlagerten Strahlungsfelder an das Verstärkungsmedium (81) abgebildet werden. Daraus ergibt sich ein Summenstrahlungsfeld (100) mit einer örtlich konstanten Intensität oder Energiedichte am Eingang des Verstärkungsmediums. Das Summenstrahlungsfeld (100) wird durch eine örtlich gleichmäßige Verstärkung verstärkt. Hinter dem Verstärkungsmedium ergibt sich ein gleichmäßiges Summenstrahlungsfeld (1000) mit einer erhöhten Intensität oder Energie. Eine weitere Abbildungsoptik (63) wird verwendet, um das verstärkte Summenstrahlungsfeld auf einem Strahlteiler (33) abzubilden. Nach dem Strahlteiler ergibt sich das verstärkte Strahlungsfeld (111), das die gleiche Intensitäts- oder Energieverteilung wie die vom zu verstärkenden Strahlungsfeld (11) aufweist, und das verstärkte komplimnetäre Strahlungsfeld (999), dessen Intensitäts- oder Energieverteilung gleich wie die vom komplimentären Strahlungsfeld (99) ist. Damit wird das Strahlungsfeld (11) ohne Verzerrung der Intensitäts- oder Energieverteilung verstärkt.
Die Verstärkung des Lasermediums basiert auf Inversion, die durch Pumpen generiert wird. Die Inversion hat materialabhängige Lebensdauer. Für den Fall, dass die charakteristische Zeitkonstante für die Änderung der Leistung oder Energie kleiner als die Lebensdauer der Inversion ist, hat das Verstärkungsmedium eine Art Gedächtnis. In diesem ist es erforderlich die Inversion im Verstärkungsmedium so zu konditionieren, dass eine definierte Verstärkung zu relevanten Zeitpunkten des Strahlungsfeldes vorfindet, um das Strahlungsfeld gemäß einer Vorgabe zu verstärken.
Aufgrund gutes thermischen Verhaltens ist es vorteilhaft, dass das Strahlungsfeld linienförmig ist und das Verstärkungsmedium mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet wird.
Zur Erzeugung von Strahlungsfeldern können eine addressierbare Flüssigkristall-Matrix verwendet werden. Die Funktion von Flüssigkristall beruht darauf, dass Flüssigkristalle die Polarisationsrichtung von Licht beeinflussen, wenn ein bestimmtes Maß an elektrischer Spannung angelegt wird. Eine addressierbare Flüssigkristall-Matrix besteht aus Segmenten, die unabhängig voneinander die Polarisation von Licht ändern können. Dazu wird mit elektrischer Spannung in jedem Segment die Ausrichtung der Flüssigkristalle gesteuert. Wird ein linear polarisiertes Licht in die addressierbare Flüssigkeitskristall-Matrix eingestrahlt und wird das Licht nach der addressierbare Flüssigkeitskristall-Matrix in zwei Komponenten, die senkrecht zueinanderstehende Polarisationen aufweisen, zerlegt, so entstehen zwei Strahlungsfelder, die in Bezug auf der Verteilung der Intensität oder Energiedichte komplimentär zueinander sind.
zeigt eine Ausfürhung zur Erzeugung zwei komplimentäre Strahlungsfelder. Dabei wird eine addressierbare Flüssigkristall-Matrix (73) verwendet. Die addressierbare Flüssigkristall-Matrix (73) weist eine Reflexionsfläche (76) auf. Ein Strahlungsfeld mit einer Top-hat-Verteilung der Intensität oder der Energiedichte wird in die addressierbare Flüssigkristall-Matrix (73). Nach dem Zweifachdurchgang entsteht ein Strahlungsfeld, dessen Polarisation jenach der segmentweise angelegten Spannung ortsabhängig ist. Das Strahlungsfeld kann in zwei Strahlungsfelder (11) und (99), die bezüglich Verteilung der Intensität oder der Energiedichte zuenander komlimentär sind, und die senkrecht zueinanderstehende Polarisation aufweisen, zerlegt werden. Dabei kann das Strahlungsfeld (11) als das zu verstärkende Strahlungsfeld konfiguriert werden. Das Strahlungsfeld (99) bildet dann das komplimentäre Strahlungsfeld.
Eine einfache Realisierung wird erreicht, wenn eine transmisssive und addressierbare Flüssigkristall-Matrix verwendet wird. Dies Beispiel zeigt . Dabei durchläuft ein homogenes Strahlungsfeld (101) durch eine Flüssigkristall-Matrix (71). Nach dem Durchgang entstehen das zu verstärkende Strahlungsfeld (11) und das komplimentäre Strahlungsfeld (99), deren Polarisationen senkrecht zueinander stehen.
zeigt eine Anordnung zur Verstärkung von räumlich und zeitlich adressierbarer Strahlungsfelder, wobei eine transmisssive und addressierbare Flüssigkristall-Matrix (71) verwendet wird. Mit der transmisssiven und addressierbaren Flüssigkristall-Matrix (71) das zu verstärkende Strahlungsfeld (11) und das komplimentäre Strahlungsfeld (99) erzeugt werden. Die beiden Strahlungsfelder werden mit einer Abbildungsoptik (61) gemeinsam in das Verstärkungsmedium (81) abgebildet und dort verstärkt. Hierbei ist es vorteilhaft, ein Verstärkungemdium, dessen Verstärkung unabhängig von der Polarisation ist und die Polarsation auch nicht ändert, zu verwenden. Nach dem Verstärker wird ein Polarisator (33) verwendet. Mit dem Polarisator werden das Strahlungsfeld (111), das verstärkte Strahlungsfeld (11) darstellt und das Strahlungsfeld (999), das das verstärkte komplimentäre Strahlungsfeld (99) ist getrennt. Eine danach folgte Optik (63) bildet das Strahlungsfeld (111) auf einer Nutzebene mit einer skalierten Verteilung (178) ab.
Für weitere Skalierung der Leistung bzw. Energie kann eine zweite Verstärkerstufe nach geschaltet werden. Dabei werden die beiden von ersten verstärkten Strahlungsfelder zusammen mittels einer Optik in das Verstärkungsmedium der zweiten Verstärker abgebildet und dort verstärkt. Noch höhrere Leistung bzw. Energie kann durch eine Verkettung von weiteren Verstärkerstufen erzielt werden.

Claims

Anordnungen zur Verstärkung von räumlich und zeitlich adressierbarer Strahlungsfelder, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem zu verstärkenden Strahlungsfeld (11) ein komplimentäres Strahlungsfeld (99) zur Konditionierung der Inversion im Verstärkungsmedium erzeugt wird, wobei die räumliche Verteilung der Intensität oder der Energiedichte vom komplimentären Strahlungsfeld (99) so eingestellt wird, dass die Summe der Intensität oder der Energiedichte von dem zu verstärkenden Strahlungsfeld (11) und von dem komplimentären Strahlungsfeld (99) einer vordefinierten ortsabhängigen Funktion entspricht, wobei das zu verstärkendende Strahlungsfeld (11) und das komplimentäre Strahlungsfeld durch einen Strahlkombinierer (31) zusammen durch das Verstärkungsmedium (81) laufen und verstärkt werden, wobei nach dem Verstärkungsmedium (81) das verstärkte Strahlungsfeld (111) von dem verstärkten komplimentären Strahlungfeld (999) durch Verwendung eines Strahlteilers (33) getrennt wird.
Anordnungen zur Verstärkung von räumlich und zeitlich adressierbarer Strahlungsfelder nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Intensität oder Energiedichte ortunabhängig ist.
Anordnungen zur Verstärkung von räumlich und zeitlich adressierbarer Strahlungsfelder nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung oder die Pulsenergie des komplimentären Strahlungsfeldes zeitlich so eingestellt wird, dass die Summe der Leistung oder der Energie von dem zu verstärkenden Strahlungsfeld (11) und dem komplimentären Strahlungsfeld (99) einer vondefinierten Funktion entspricht.
Anordnungen zur Verstärkung von räumlich und zeitlich adressierbarer Strahlungsfelder nach dem Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Leistung oder der Energie von dem zu verstärkenden Strahlungsfeld und von dem komplimentären Strahlungsfeld eine Konstante ist.
Anordnungen zur Verstärkung von räumlich und zeitlich adressierbarer Strahlungsfelder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verstärkende Strahlungsfeld und das komplimentäre Strahlungsfeld (99) durch ein Modulator-Array, durch eine LCD-Matrix, oder durch eine Mikrospiegel-Matrix erzeugt wird.
Anordnungen zur Verstärkung von räumlich und zeitlich adressierbarer Strahlungsfelder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verstärkende Strahlungsfeld (11) und das komplimentäre Strahlungsfeld (99) aus einer Strahlquelle (101) durch eine transmissive und addressierbare Flüssigkeitskristall-Matrix (71) erzeugt werden.
Anordnungen zur Verstärkung von räumlich und zeitlich adressierbarer Strahlungsfelder nach dem Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abbildungsoptik (61) verwendet wird, mit der die beiden überlagerten Strahlungsfelder gemeinsam in das Verstärkungsmedium abgebildet werden.
Anordnungen zur Verstärkung von räumlich und zeitlich adressierbarer Strahlungsfelder nach dem Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abbildungsoptik (63) verwendet wird, durch die das verstärkte Strahlungsfeld (111) in der Verwendungszone abgebildet wird.
Anordnungen zur Verstärkung von räumlich und zeitlich adressierbarer Strahlungsfelder nach dem Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strahlungsfelder (11) und (99) linear polarisiert sind, wobei ein Polarisator zur koaxialen Überlagerung der beiden Strahlungsfelder verwendet wird, wobei ein Verstärkungsmedium verwendet wird, dessen Verstärkung von der Polarisation unabhängig ist und es keine Polarisationsänderung verursacht.
Anordnungen zur Verstärkung von räumlich und zeitlich adressierbarer Strahlungsfelder nach dem Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verstärkende Strahlungsfeld linienförmig ist und das Verstärkungsmedium einen rechteckigen Querschnitt aufweist.