DE102021207809A1

DE102021207809A1 - Vorrichtung zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen und Lasersystem

Info

Publication number: DE102021207809A1
Application number: DE102021207809.5A
Authority: DE
Inventors: Aleksander Budnicki; Florian Jansen; Maike Prossotowicz
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2021-07-21
Filing date: 2021-07-21
Publication date: 2023-01-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (5) zur Kombination einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N), umfassend: eine Aufteilungseinrichtung (4) zur Aufteilung eines Eingangs-Laserstrahls (9) auf die Mehrzahl (N) von kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N), eine Mehrzahl von Phasen-Einstelleinrichtungen (6.1, ... , 6.N) zur Einstellung einer jeweiligen Phase (δφa+ Δφa) eines der kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N), sowie eine Strahlkombinationseinrichtung (10) zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N) zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl (12). Die Vorrichtung (5) weist eine Mehrzahl von Hohlkernfasern (21.1, ..., 21.N; 25.1, ..., 25.N) auf, die zur Strahlführung jeweils eines der kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N) zwischen der Aufteilungseinrichtung (4) und der Strahlkombinationseinrichtung (10) dienen. Die Erfindung betrifft auch ein Lasersystem (1), umfassend: eine Seed-Laserquelle (2) zur Erzeugung eines Seed-Laserstrahls (2a), sowie eine Vorrichtung (5), die wie weiter oben beschrieben ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kombination einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen, umfassend: eine Aufteilungseinrichtung zur Aufteilung eines Eingangs-Laserstrahls auf die Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen, eine Mehrzahl von Phasen-Einstelleinrichtungen zur Einstellung einer jeweiligen Phase eines der kohärenten Laserstrahlen, sowie eine Strahlkombinationseinrichtung zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl. Die Erfindung betrifft auch ein Lasersystem, umfassend: eine Seed-Laserquelle zur Erzeugung eines Seed-Laserstrahls, sowie eine Vorrichtung, die wie weiter oben beschrieben ausgebildet ist, wobei der Seed-Laserstrahl bevorzugt den Eingangs-Laserstrahl der Aufteilungseinrichtung der Vorrichtung bildet.
Unter „kohärenten Laserstrahlen“ wird im Sinne dieser Anmeldung eine zeitliche Kohärenz der Laserstrahlen zueinander verstanden. Im Allgemeinen können die Laserstrahlen einen verminderten Grad an räumlicher Kohärenz aufweisen, d.h. die Laserstrahlen können räumlich partiell kohärent sein, d.h. es handelt sich nicht zwingend um Single-Mode-Laserstrahlen. Beispielsweise können die Laserstahlen von Multimode-Quellen erzeugt werden und z.B. einen höhermodigen Gauß-Mode, z.B. ein Laguerre-Gauß-Mode, eine Hermite-Gauß-Mode oder Superpositionen davon bilden. Bevorzugt sind die Laserstrahlen jedoch sowohl zeitlich als auch räumlich kohärent.
Bei einer kohärenten Strahlkombination („Coherent Beam Combining“, CBC) wird eine Mehrzahl von Laserstrahlen, die beispielsweise von einer Mehrzahl von Raster-Positionen einer Rasteranordnung ausgehen, zu einem kombinierten Laserstrahl überlagert, der eine entsprechend höhere Leistung aufweist. Eine solche Strahlkombination kann - annähernd ohne Verlust an Strahlqualität - diffraktiv, reflektiv, beispielsweise über einen Segment-Spiegel, interferometrisch oder über eine Polarisationskopplung erfolgen.
In der DE 10 2018 211 971 A1 bzw. in der WO 2020/016336 A1 ist eine Strahlkombinationseinrichtung zur Bildung mindestens einen kombinierten Laserstrahls beschrieben, die eine Mikrolinsenanordnung mit mindestens zwei Mikrolinsen-Arrays aufweist. Die Strahlkombination mit den mindestens zwei Mikrolinsen-Arrays beruht auf dem Prinzip eines abbildenden (zweistufigen) Homogenisierers. Dort ist auch angegeben, wie eine solche Mikrolinsenanordnung im Hinblick auf ihre Parameter (Rasterabstand (pitch) der Mikrolinsen, Brennweite der Mikrolinsen bzw. der Mikrolinsenanordnung, Abstand der Mikrolinsen-Arrays, ...) optimiert werden sollte, um einen kombinierten Laserstrahl mit optimierter, hoher Strahlqualität (> 90% Kombinationseffizienz) zu erzeugen, vgl. auch den Artikel „Coherent beam combining with microlens arrays“, M. Prosssotowicz et al., Optics Letters Vol. 45, Issue 24, pp. 6728-6731 (2020).
Auch eine dynamische Strahlablenkung unter Verwendung einer solchen Mikrolinsenanordnung ist möglich, vgl. den Artikel „Dynamic coherent beam combining based on a setup of microlens arrays“, M. Prossotowicz et al., Proc. SPIE 11266, 1126612 (2 March 2020), vgl. auch die DE 10 2020 200 444 A1 bzw. die PCT/ EP2021/050461 . In der DE 10 2020 201 161.3 bzw. in der PCT/ EP2021/051467 ist beschrieben, dass eine Mikrolinsenanordnung mit einem Mikrolinsenarray für die kohärente Strahlkombination ausreichend ist.
Verschiedenste Laser-Anwendungsprozesse, z.B. additive Fertigung, Markieren, sowie Schweißen (sowohl mikro als auch makro) oder Laserschaltprozesse in Lasernetzwerken benötigen eine schnelle Ablenkung einer Fokusposition eines Laserstrahls (Scannen) und/oder das Aufteilen eines Laserstrahls zur Ausrichtung auf mehrere Fokuspositionen (Strahlteilen). Bei manchen Laser-Materialbearbeitungsprozessen, z.B. beim Trennen von transparenten Materialien, werden ggf. hohe mittlere Laserleistungen (im Bereich von kW) und hohe Pulsenergien (im Bereich von mJ) benötigt. In diesem Fall kann die so genannte „Chirped Pulse Amplification (CPA)“ angewendet werden, bei der die Pulse zunächst in einem Puls-Strecker spektral verbreitert und anschießend in einem Kompressor zeitlich komprimiert werden. Bei einem CBC-Aufbau erfolgt die Kompression nach der Kombination der kohärenten Laserstrahlen in der Strahlkombinationseinrichtung. Mit zunehmender Anzahl der Kanäle bzw. der kohärenten Laserstrahlen wird die Kompression jedoch immer komplexer, da die Gesamtfluenz bzw. die Laserleistung zunimmt und damit der Kompressor immer größer und damit teurer wird.
In der CN108448374 A ist eine Vorrichtung zur Kombination einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen beschrieben, die eine Hohlkernfaser aufweist, die als Kompressor für einen bei der Kombination der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen gebildeten kombinierten Laserstrahl dient.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sowie ein Lasersystem mit einer solchen Vorrichtung in einer möglichst kompakten Bauweise zu realisieren und insbesondere nichtlineare Effekte zu reduzieren.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die eine Mehrzahl von Hohlkernfasern aufweist, die zur Strahlführung jeweils eines der kohärenten Laserstrahlen zwischen der Aufteilungseinrichtung und der Strahlkombinationseinrichtung dienen.
Die Erfinder haben erkannt, dass zur Realisierung einer möglichst kompakten Vorrichtung zur kohärenten Kombination einer Mehrzahl von Laserstrahlen ein faserbasierter Aufbau günstig ist, bei dem zumindest ein Teil der Strahlführung eines jeweiligen kohärenten Laserstrahls zwischen der Aufteilungseinrichtung und der Strahlkombinationseinrichtung in mindestens einer optischen Faser erfolgt. Durch die verschiedenen optischen Komponenten (die Aufteilungseinrichtung, die Phasen-Einstelleinrichtungen, sowie einen ggf. vorhandenen Isolator bzw. Abschwächer) resultieren jedoch lange Faserlängen in einem jeweiligen Kanal, die in der Größenordnung von 5 Metern oder darüber liegen können. Die langen Faserlängen können zu unerwünschten Effekten führen, beispielsweise zu nichtlinearen Effekten oder zu Polarisationsverlusten. Eine Hohlkernfaser führt typischerweise zu keinen bzw. nur zu sehr geringen nichtlinearen Effekten, da die Laser-Mode im Wesentlichen im Hohlkern der Faser propagiert.
In der weiter oben beschriebenen Vorrichtung ist typischerweise für die Strahlführung jeweils eines kohärenten Laserstrahls (d.h. für jeden Kanal) mindestens eine Hohlkernfaser vorgesehen. Es versteht sich aber, dass grundsätzlich auch zwei oder mehr Hohlkernfasern in einem jeweiligen Kanal vorgesehen sein können, die im Strahlweg hintereinander angeordnet sind, um einen jeweiligen kohärenten Laserstrahl von der Aufteilungseinrichtung zur Strahlkombinationseinrichtung zu führen. Es ist nicht zwingend erforderlich, dass ein jeweiliger Laserstrahl entlang des gesamten Strahlwegs von der Aufteilungseinrichtung zur Strahlkombinationseinrichtung in einer bzw. in mehreren Hohlkernfasern geführt wird, beispielsweise kann ein jeweiliger kohärenter Laserstrahl einen Teil seines Strahlwegs auch in Freistrahlpropagation oder ggf. in einer herkömmlichen optischen Faser geführt werden.
Im Sinne dieser Anmeldung gehören zur Strahlführung zwischen der Aufteilungseinrichtung und der Strahlkombinationseinrichtung auch die Ausgänge der Aufteilungseinrichtung sowie die Eingänge der Strahlkombinationseinrichtung, die ebenfalls als Hohlkernfasern ausgebildet sein können (aber nicht ausgebildet sein müssen). Es ist auch möglich, dass zur Strahlführung des Eingangs-Laserstrahls eine oder mehrere Hohlkernfasern verwendet werden. Insbesondere kann der Eingang der Aufteilungseinrichtung als Hohlkernfaser ausgebildet sein.
Für den Fall, dass die Strahlkombinationseinrichtung eine Mikrolinsenanordnung mit einem oder mehreren Mikrolinsenarrays aufweist, wie dies in den weiter oben zitierten Dokumenten, insbesondere in der DE 10 2020 200 444 A1 bzw. in der der DE 10 2020 201 161.3 beschrieben ist, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht werden, erfolgt die Strahlkombination der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen in Freistrahlpropagation. Zumindest in diesem Fall gehen die kohärenten Laserstrahlen für die Strahlkombination zu dem mindestens einen kombinierten Laserstrahl von einer Mehrzahl von Raster-Positionen einer Rasteranordnung aus.
Grundsätzlich können die Raster-Positionen der Rasteranordnung entlang einer Geraden oder einer Kurve (eindimensionale Rasteranordnung) oder entlang einer Ebene oder einer gekrümmten Fläche (zweidimensionale Rasteranordnung) gebildet sein. Entlang der Rasteranordnung sind die kohärenten Laserstrahlen so weit separiert bzw. voneinander beabstandet, dass der gewünschte Füllfaktor erreicht wird. Die Raster-Positionen der Rasteranordnung können an den Stirnseiten von Fasern (Emissionsflächen), insbesondere von Hohlkernfasern, oder von anderen Emittern gebildet sein, an denen ein jeweiliger kohärenter Laserstrahl emittiert wird. In diesem Fall sind die Fasern, genauer gesagt deren Stirnseiten, in einer Rasteranordnung angeordnet und die Raster-Positionen entsprechen den Emissionsflächen an den Stirnseiten der Fasern. Die Raster-Positionen bzw. die Rasteranordnung kann aber auch dem Nahfeld bzw. dem Fernfeld der Emissionsflächen entsprechen, d.h. die Raster-Positionen können entlang einer Kurve bzw. einer Fläche im Raum angeordnet sein, auf welche die Emissionsflächen abgebildet werden, so dass die Ortsverteilung der Raster-Positionen der - ggf. skalierten - Ortsverteilung der Emissionsflächen entspricht.
Bei einer Ausführungsform sind die Hohlkernfasern ausgewählt aus der Gruppe umfassend: HC-PCF (Hollow Core Photonic Crystal Fiber)-Fasern, HC-PBGF (Hollow Core Photonic Bandgap Fiber)-Fasern und HC-ARF(Hollow Core Anti-Resonant Fiber)-Fasern (ggf. mit Tubes). Derartige Hohlkernfasern, insbesondere HC-PBGF-Fasern, eignen sich für hohe Leistungen und führen zu geringen nichtlinearen Effekten. HC-PCF-Fasern werden beispielsweise zur Puls-Kompression und zur Puls-Streckung in Chriped-Pulse-Amplification (CPA)-Systemen verwendet, vgl. beispielsweise die US 2005/0105865 A1 . Es versteht sich, dass als Hohlkernfasern auch Multikernfasern oder andere Typen von Hohlkernfasern verwendet werden können, beispielsweise Fasern mit negativer Krümmung („Negative curvature fibers“), z.B. vom Kagome-Typ.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Hohlkernfaser einen Mode-Field-Diameter von weniger als 60 µm, bevorzugt von weniger als 50 µm auf. Der Mode-Field-Diameter hängt von den Eigenschaften der Hohlkernfaser ab. Bei einer Hohlkernfaser vom Kagome-Typ (s.u.) gilt für den Mode-Field Diameter (MFD), dass dieser näherungsweise dem Durchmesser des (zentralen) Hohlkerns, in dem die Mode geführt wird, multipliziert mit π / 4 entspricht. Es ist günstig, wenn der Hohlkern-Durchmesser der Hohlkernfaser nicht zu groß ist, da ein zu großer Durchmesser des Hohlkerns dazu führt, dass die Hohlkernfaser gegenüber Druck von außen empfindlicher wird. Dies ist für die weiter unten beschriebene Anwendung ungünstig, bei der mittels eines Faser-Streckers gezielt eine mechanische Spannung auf die Hohlkernfaser ausgeübt wird, um diese zu dehnen, da auch das Biegen der Faser z.B. mittels eines Aktuators einen mechanischen Druck auf die Hohlkernfaser verursachen kann. Zudem sind für einen kleinen Durchmesser des Hohlkerns der Hohlkernfaser und damit einhergehend einem kleinen Mode-Field-Diameter die Biegeverluste geringer, so dass ein kleinerer minimaler Biegeradius erreicht werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform weisen die Hohlkernfasern einen minimalen Biegeradius von weniger als 5 cm, bevorzugt von weniger als 3 cm, insbesondere von weniger als 2 cm auf. Der minimale Biegeradius gibt den Radius an, bei dem die optischen Eigenschaften der gebogenen Faser noch identisch zur ungebogenen Faser sind und bis zu 10% Verluste der in der Faser transportieren (Laser-)Leistung gegenüber der ungebogenen (losen) Faser auftreten. Bei Standardfasern (ohne Hohlkern) liegt der minimale Biegeradius typischerweise in der Größenordnung von ca. 5 cm oder ist ggf. geringfügig kleiner. Die Verwendung von Hohlkernfasern mit minimalen Biegeradien im oben genannten Wertebereich ist insbesondere bei der weiter unten beschriebenen Anwendung günstig, bei der mittels eines Faser-Streckers gezielt eine mechanische Spannung auf die Hohlkernfaser ausgeübt wird.
Für den Fall, dass die Hohlkernfaser nicht in einem Faser-Strecker eingesetzt werden soll, kann diese auch einen deutlich größeren Biegeradius von z.B. ca. 20 cm aufweisen.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst eine jeweilige Phasen-Einstelleinrichtung einen Faser-Strecker mit einem Grundkörper, um den ein Faserabschnitt einer der Mehrzahl von Hohlkernfasern gewickelt ist, sowie mit mindestens einem Aktuator, der ausgebildet ist, den Grundkörper in Abhängigkeit von mindestens einem Steuersignal zu deformieren.
Aus dem Stand der Technik bekannte Faser-Strecker verwenden Standardfasern, z.B. polarisationserhaltende Fasern vom PANDA-Typ, beispielsweise vom Typ PM980 der Fa. Corning. Derartige Fasern weisen einen massiven und keinen hohlen Kern auf und können in der Regel nicht bei hohen Leistungen eingesetzt werden. Zudem führen diese Standardfasern bei den für einen ausreichenden Phasenhub notwendigen Faserlängen von typischerweise mehr als ca. 3 Metern zu nichtlinearen Effekten, die bei vielen Anwendungen unerwünscht sind.
Aufgrund des Hohlkerns verringert sich jedoch die Auswirkung der Längenänderung auf die optische Weglänge, die der in der Hohlkernfaser propagierende Laserstrahl zurücklegt, da der Brechungsindex des Hohlkerns bei ca. n = 1,0 liegt, während der Brechungsindex eines massiven Kerns z.B. bei ca. n = 1,4 liegt. Die geringere Änderung der optischen Weglänge bei der Deformation kann dadurch kompensiert werden, dass eine längere Hohlkernfaser bzw. ein längerer Faserabschnitt verwendet wird, der um den Grundkörper gewickelt wird. Der Faserabschnitt kann beispielsweise eine Länge von mehr als 5 Metern, bevorzugt von mehr als 8 Metern, aufweisen. Bei dem Material der Hohlkernfaser handelt es sich in der Regel um Quarzglas, grundsätzlich kann die Hohlkernfaser aber auch aus anderen Arten von Materialien gebildet werden.
Der mindestens eine Aktuator ist bevorzugt als Piezo-Aktuator ausgebildet. Zwischen der Ausdehnung bzw. der Längenänderung der optischen Faser und der Spannung, die an den Piezo-Aktuator angelegt wird, besteht in der Regel ein linearer Zusammenhang, so dass mit Hilfe eines Steuersignals in Form eines SpannungsSignals, das an den Piezo-Aktuator angelegt wird, auf einfache Weise eine gezielte Einstellung der Phasen-Verschiebung möglich ist.
Bei einer Weiterbildung bildet der Aktuator den Grundkörper des Faser-Streckers. In diesem Fall kann der Grundkörper beispielsweise als Piezo-Aktuator mit einem z.B. kreisförmigen Querschnitt ausgebildet sein. Der Aktuator kann aus einem einzigen Piezoelement bestehen oder aus mehreren Piezoelementen zusammengesetzt sein. Durch das Anlegen einer Spannung dehnt sich der im Wesentlichen zylindrische Aktuator gleichmäßig entlang seiner Mantelfläche und bringt hierbei eine mechanische Spannung auf den Faserabschnitt auf, mit dem der Grundkörper umwickelt ist.
Bei einer alternativen Weiterbildung wirkt der mindestens eine Aktuator auf den Grundkörper ein und ist bevorzugt innerhalb des Grundkörpers angeordnet. Für die Einwirkung von (z.B. linearen) Aktuatoren, speziell von Piezo-Aktuatoren, auf einen Grundkörper besteht eine Vielzahl von Möglichkeiten. Beispielhaft sei diesbezüglich auf die US 7,382,962 B1 verwiesen, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Der mindestens eine Aktuator wirkt in diesem Fall in der Regel auf die Innenseite einer nicht zwingend vollständig umlaufenden Umfangsfläche des Grundkörpers ein. Insbesondere kann der Aktuator dazu dienen, zwei Teilbereiche des Grundkörpers, um welche die Hohlkernfaser gewickelt ist, in einer Richtung aufeinander zu bzw. voneinander weg zu verschieben.
Bei einer Weiterbildung weist der Faser-Strecker mindestens zwei Aktuatoren auf, die bevorzugt in unterschiedlichen Richtungen, insbesondere in zwei zueinander senkrechten Richtungen, auf den Grundkörper einwirken. Die beiden Aktuatoren, bei denen es sich in der Regel um lineare Aktuatoren handelt, können beispielsweise in Längsrichtung des Grundkörpers versetzt zueinander angeordnet sein. Ein jeweiliger Aktuator wirkt typischerweise an zwei einander diametral gegenüberliegenden Seiten auf die Umfangsfläche des Grundkörpers ein. Ein erster Aktuator und ein zweiter Aktuator können hierbei in zwei senkrecht verlaufenden Richtungen auf die Umfangsfläche des Grundkörpers einwirken, dies ist aber nicht zwingend erforderlich, da die Aktuatoren eine Dehnung bzw. eine Längenänderung des Faserabschnitts bewirken, die nicht von der Richtung der Einwirkung des jeweiligen Aktuators auf den Grundkörper abhängig ist.
Die beiden Aktuatoren können mit unterschiedlichen Steuersignalen beaufschlagt werden, beispielsweise um eine Phasen-Einstellung auf unterschiedlichen Zeitskalen oder zu unterschiedlichen Zwecken zu realisieren. So kann beispielsweise eine langsame Phasen-Einstellung mittels des ersten Aktuators und eine schnelle Phasen-Einstellung mit Hilfe des zweiten Aktuators erfolgen. Es ist auch möglich, dass der erste Aktuator einen Teil eines Regelkreises bildet, der eine aktive Phasenanpassung bewirkt, während zweite Aktuator zur freien Einstellung bzw. Vorgabe einer Phase bzw. eines Anteils einer Gesamt-Phase verwendet wird, die z.B. von einem Bediener vorgegeben werden kann, wie dies weiter unten näher beschrieben wird. Eine langsame Phasen-Einstellung kann beispielsweise auf einer Zeitskala im Bereich von Millisekunden bis Sekunden erfolgen, während eine schnelle Phasen-Einstellung auf einer Zeitskala im Bereich von Nanosekunden bis Mikrosekunden erfolgen kann.
Bei einer weiteren Weiterbildung umfasst der Faser-Strecker einen weiteren Grundkörper, um den ein weiterer Faserabschnitt der Hohlkernfaser gewickelt ist, sowie mindestens einen weiteren Aktuator, der ausgebildet ist, den weiteren Grundkörper in Abhängigkeit von mindestens einem weiteren Steuersignal zu deformieren. Auch bei einem solchen Faser-Strecker können zwei oder ggf. mehr Phasen-Anteile eines durch die Hohlkernfaser propagierenden Laserstrahls unabhängig voneinander eingestellt werden, indem das Steuersignal und das weitere Steuersignal geeignet gewählt werden. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann eine solche Einstellung beispielsweise für den Fall sinnvoll sein, dass ein Anteil der Gesamt-Phase, die mit dem Faser-Strecker eingestellt wird, geregelt wird, während ein anderer Anteil der Gesamt-Phase von außen vorgegeben bzw. eingestellt wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zusätzlich: mindestens eine Steuerungseinrichtung zur Erzeugung des mindestens einen Steuersignals zur Ansteuerung des mindestens einen Aktuators des Faser-Streckers sowie bevorzugt zur Erzeugung des mindestens einen weiteren Steuersignals zur Ansteuerung des mindestens einen weiteren Aktuators des Faser-Streckers. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann eine solche Ansteuerung mit Hilfe von zwei oder mehr Steuersignalen beispielsweise für den Fall sinnvoll sein, dass ein Anteil der Gesamt-Phase, die mit dem Faser-Strecker eingestellt wird, geregelt wird, während ein anderer Anteil der Gesamt-Phase von außen vorgegeben bzw. eingestellt wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung zur Einstellung einer jeweiligen Gesamt-Phase eines der kohärenten Laserstrahlen ausgebildet, die sich aus einem ersten Phasenanteil und aus einem zweiten Phasenanteil zusammensetzt, wobei die Steuerungseinrichtung bevorzugt ausgebildet ist, den ersten Phasenanteil und den zweiten Phasenanteil durch die Ansteuerung von zwei unterschiedlichen Aktuatoren oder von einem Aktuator und von einem weiteren Aktuator des Faser-Streckers einzustellen. Ein Vorteil der Aufteilung der Gesamt-Phase auf zwei getrennt einstellbare Phasenanteile besteht darin, dass der Phasenhub, d.h. die für die Einstellung erforderliche Phasendifferenz, für die beiden Phasenanteile unterschiedlich ausfallen kann. Eine Aufteilung der Gesamt-Phase auf einen ersten Phasenanteil, der z.B. langsam und mit großem Phasenhub eingestellt wird, und einen zweiten Phasenanteil, der z.B. schnell und mit geringem Phasenhub eingestellt wird (oder umgekehrt), kann daher vorteilhaft sein.
Wie weiter oben beschrieben wurde, kann es sich bei dem ersten Phasenanteil beispielsweise um einen Phasenanteil handeln, der aktiv geregelt werden muss, während der zweite Phasenanteil z.B. von einem Bediener vorgegeben bzw. eingestellt werden kann. Bei der hier beschriebenen kohärenten Überlagerung kann der erste Phasenanteil beispielsweise zur aktiven Stabilisierung der gewünschten Gruppen-Phasendifferenz bzw. der Gruppenlaufzeit der Mehrzahl von Laserstrahlen verwendet werden, während der zweite Phasenanteil zur Anpassung der individuellen Phase eines jeweiligen kohärenten Laserstrahls dient, die typischerweise dynamischer erfolgen muss als die Anpassung der Gruppen-Phasendifferenz bzw. der Gruppenlaufzeit.
Bei einer weiteren Ausführungsform bildet der erste Phasenanteil eine Grund-Phase eines jeweiligen kohärenten Laserstrahls, bei der die Strahlkombinationseinrichtung die kohärenten Laserstrahlen zu einem in genau eine Beugungsordnung gebeugten Laserstrahl kombiniert, und der zweite Phasenanteil bildet eine zusätzliche Phase. In der DE 10 2018 211 971 A1 ist beschrieben, wie die Phasen bzw. die Phasenunterschiede (Grund-Phasen) zwischen den kohärenten Laserstrahlen bei einer Mikrolinsenanordnung als Strahlkombinationseinrichtung gewählt werden sollten, um einen kombinierten Laserstrahl mit einer optimierten, hohen Strahlqualität zu erzeugen. Dort ist auch angegeben, wie die Mikrolinsenanordnung im Hinblick auf ihre Parameter (Rasterabstand (pitch) der Mikrolinsen, Brennweite der Mikrolinsen bzw. der Mikrolinsenanordnung, Abstand der Mikrolinsen-Arrays, ...) optimiert werden sollte, um einen kombinierten Laserstrahl mit optimierter Strahlqualität zu erzeugen. Mittels der zusätzlichen Phasen wird von den Grund-Phasen für die im Hinblick auf die Strahlqualität optimierte Kombination zur Beugung in die nullte (oder ggf. höhere) Beugungsordnung hinsichtlich der Phasen bzw. der Phasenunterschiede der kohärenten Laserstrahlen gezielt abzuweichen, um eine kontrollierte Strahlablenkung bzw. eine kontrollierte Strahlteilung vorzunehmen, wie dies in der eingangs zitierten DE 10 2020 200 444 A1 , der DE 10 2020 201 161.3 sowie in dem eingangs zitierten Artikel „Dynamic coherent beam combining based on a setup of microlens arrays“ von M. Prossotowicz et al. beschrieben ist, der durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
Wie dort beschrieben ist, wird die zusätzliche Phase eines jeweiligen kohärenten Laserstrahls individuell in Abhängigkeit von der Anordnung der dem jeweiligen kohärenten Laserstrahl zugeordneten Raster-Position der Rasteranordnung mit Hilfe der Steuerungseinrichtung so eingestellt, dass die kohärenten Laserstrahlen nicht mehr zu einem einzigen bzw. einzelnen Laserstrahl kombiniert werden, sondern in zwei oder mehr wohldefinierte Bündel bzw. in zwei oder mehre kombinierte Laserstrahlen, die mit definierter Leistungsverteilung bzw. Leistungs-Aufteilung in unterschiedliche Beugungsordnungen gebeugt werden (Strahlteilung) oder in einen einzigen Laserstrahl, der in eine von der nullten Beugungsordnung verschiedene Beugungsordnung gebeugt wird (Strahlablenkung). Die Grund-Phasen können hierbei vergleichsweise langsam auf einer Zeitskala im Bereich von Millisekunden bis Sekunden eingestellt bzw. geregelt werden, während bei dem zweite Phasenanteil, d.h. bei der zusätzlichen Phase, eine schnelle Phasen-Einstellung auf einer Zeitskala im Bereich von Nanosekunden bis Mikrosekunden erfolgen kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von optischen Verstärkern, insbesondere eine Mehrzahl von Verstärker-Fasern, zum Verstärken der kohärenten Laserstrahlen. Ein jeweiliger Verstärker der Mehrzahl von Verstärkern dient zur Verstärkung eines der kohärenten Laserstrahlen. Für den Fall, dass es sich bei den Verstärkern um Verstärker-Fasern handelt, können diese als Emissionsflächen dienen und die weiter oben beschriebenen Raster-Positionen bilden, an denen die kohärenten Laserstrahlen emittiert werden. Die Verstärker in Form der Verstärker-Fasern können insbesondere auch als Hohlkernfasern ausgebildet sein, vgl. beispielsweise den Artikel „Intense Brillouin amplification in gas using hollow-core waveguides“ von F. Yang et al., Nat. Photonics 14, 700-708 (2020) und den Artikel „Hollow core fibers for optical amplification“, W. Belardi et al., Optics Letters, Vol. 44, Issue 17, pp. 4127-4130 (2019). Die Auslegung der Verstärker-Fasern als Hohlkernfasern ist aber nicht zwingend erforderlich. Die Phasen-Einstelleinrichtungen können im Strahlweg vor den Verstärkern bzw. den Verstärker-Fasern angeordnet sein, es ist aber auch möglich, dass die Phasen-Einstelleinrichtungen im Strahlweg nach den Verstärkern angeordnet sind. Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die hier beschriebene Vorrichtung eine Mehrzahl von Verstärkern aufweist, es ist vielmehr alternativ möglich, dass der Eingangs-Laserstrahl, der in die Vorrichtung eintritt, durch die Verstärkung eines Seed-Laserstrahls erzeugt wird, wie dies beispielsweise in der weiter oben zitierten DE 10 2020 200 444 A1 oder in der DE 10 2020 201 161.3 beschrieben ist.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die Mehrzahl von Hohlkernfasern vor einem jeweiligen optischen Verstärker angeordnet, d.h. auf der Low-Power-Seite. Dies ist günstig, da mit Hilfe der vor den jeweiligen optischen Verstärkern angeordneten Hohlkernfasern in Abhängigkeit von der Auslegung des jeweiligen Verstärkers ggf. auf eine Streckung der Laserpulse verzichtet werden kann, da vor den Verstärkern in diesem Fall kaum nichtlineare Effekte auftreten. Im Idealfall wird daher im Strahlweg nach der Strahlkombinationseinrichtung kein Kompressor mehr benötigt. Zudem haben die in dem weiter oben zitierten Artikel „Dynamic coherent beam combining based on a setup of microlens arrays“, von M. Prossotowicz et al. beschriebenen Versuche für die kohärente Kopplung gezeigt, dass mit Hilfe einer geeigneten Einstellung der Phasen der kohärenten Laserstrahlen eine Strahlablenkung bzw. eine Strahlformung z.B. in Form einer Aufteilung des kombinierten Laserstrahls möglich ist. Wird ein Kompressor bei einer solchen Anwendung verwendet, ist es erforderlich, dass der Kompressor den gesamten dynamischen Bereich abdeckt. Bei einer solchen Anwendung wird der Kompressor zunehmend größer und ist im schlechtesten Fall nicht mehr realisierbar, da dieser nicht nur den hohen resultierenden Gesamtfluenzen standhalten muss, sondern auch zusätzlich den dynamischen Bereich abdecken muss. Dies, d.h. der Einsatz eines Kompressors, kann ebenfalls durch die Verwendung von Hohlkernfasern auf der Low-power-Seite umgangen werden oder der Kompressor kann deutlich kleiner ausgelegt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Mehrzahl von Hohlkernfasern nach einem jeweiligen Verstärker angeordnet. In diesem Fall ist die Mehrzahl von Hohlkernfasern auf der High-Power-Seite angeordnet, wobei die Mehrzahl von Hohlkernfasern insbesondere einen gasgefüllten Hohlkern aufweisen. In diesem Fall, genauer gesagt wenn die Hohlkernfasern einen mit einem Gas, bevorzugt mit einem Edelgas, z.B. mit Argon, gefüllten Hohlkern aufweisen (Prinzip der Herriot-Zelle), kann die jeweilige Hohlkernfaser zur spektralen Verbreiterung eingesetzt werden. Aufgrund der Ionisierung des Gases in einem Hohlkern ist die spektrale Verbreiterung bei hohen Pulsenergien in der Regel problematisch. Die kohärente Kopplung, bei der die Gesamtleistung bzw. die Gesamtfluenz auf eine Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen bzw. Kanälen aufgeteilt wird, ermöglicht es jdeoch, einen jeweiligen Laserstrahl mit einer auf die Kanäle aufgeteilten, entsprechend geringeren Leistung spektral zu verbreitern. Auf diese Weise kann auch ein (gepulster) Eingangs-Laserstrahl mit einer hohen Gesamtfluenz bzw. Leistung in den jeweiligen Kanälen spektral verbreitert werden, um die kohärenten Laserstrahlen in der Strahlkombinationseinrichtung zu kombinieren und den hierbei gebildeten kombinierten Laserstrahl anschließend in einem Kompressor zu komprimieren. Bei der Verwendung einer Hohlkernfaser mit einem gasgefüllten Hohlkern lässt sich zudem die Dispersion über den Druck in dem Hohlkern steuern, so dass gezielt anormale oder normale Dispersion eingestellt werden kann.
Die vor bzw. nach der Mehrzahl von Verstärkern angeordneten Hohlkernfasern können jeweils einen Faserabschnitt aufweisen, der um einen Grundkörper eines Faser-Streckers gewickelt ist, sowie ggf. einen weiteren Faserabschnitt, der um einen weiteren Grundkörper desselben Faser-Streckers gewickelt wird. Grundsätzlich ist es möglich, dass die gesamte Strahlführung eines jeweiligen kohärenten Laserstrahls zwischen der Aufteilungseinrichtung und der Strahlkombinationseinrichtung in einer einzigen Hohlkernfaser erfolgt. Bei der Verwendung einer Strahlkombinationseinrichtung in Form einer Mikrolinsenanordnung ist es typischerweise erforderlich, dass die zu überlagernden kohärenten Laserstrahlen an einer Mehrzahl von Raster-Positionen aus den jeweiligen (Hohlkern-)Fasern austreten, d.h. ein Teil der Strahlführung erfolgt in Freistrahlpropagation.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Lasersystem, umfassend: eine Seed-Laserquelle zur Erzeugung eines Seed-Laserstrahls, sowie eine Vorrichtung, die wie weiter oben beschreiben ausgebildet ist, wobei der Seed-Laserstrahl bevorzugt den Eingangs-Laserstrahl der Aufteilungseinrichtung der Vorrichtung bildet. Die Seed-Laserquelle ist bevorzugt ausgebildet, den Seed-Laserstrahl mit einer spektralen Bandbreite von weniger als 100 nm, besonders bevorzugt von weniger als 50 nm, insbesondere von weniger als 10 nm sowie bevorzugt mit einem räumlichen Grundmode (Single-Mode-Laserstrahl) zu erzeugen. Der Seed-Laserstahl kann der Vorrichtung direkt bzw. über geeignete strahlführende optische Elemente zugeführt werden. Der Seed-Laserstrahl kann vor dem Eintritt in die weiter oben beschriebene Vorrichtung in mindestens einem optischen Verstärker verstärkt werden. Insbesondere in diesem Fall kann auf das Vorsehen von Verstärkern, z.B. in Form von Verstärker-Fasern, zur Verstärkung der einzelnen kohärenten Laserstrahlen in der Vorrichtung ggf. vollständig verzichtet werden. Durch die Verstärkung des Seed-Laserstrahls vor dem Eintritt in die Vorrichtung kann ggf. auf eine aktive Regelung der Phasen der einzelnen kohärenten Laserstrahlen verzichtet werden. In diesem Fall kann an den jeweiligen Phasen-Einstelleinrichtungen eine statische - bzw. zur gezielten Veränderung der jeweiligen Beugungsordnung variierende - Phase eingestellt werden, die nicht nachgeregelt werden muss. Alternativ ist es möglich, dass es sich bei dem Eingangs-Laserstrahl selbst um einen kombinierten Laserstrahl handelt, wie dies beispielsweise in der DE 10 2020 200 444 A1 bzw. in der DE 10 2020 201 161.3 beschrieben ist, und/oder um einen komprimierten Laserstrahl, d.h. um einen Laserstrahl mit extrem kurzen (komprimierten) Pulsen. Insbesondere kann es sich bei dem kombinierten Laserstrahl um einen komprimierten Laserstrahl handeln. Insbesondere im letzteren Fall ist es günstig, wenn der Eingangs-Laserstrahl in einer oder in mehreren Hohlkernfasern zum Eingang der Aufteilungseinrichtung geführt wird, um diesen in der weiter oben beschriebenen Vorrichtung zu formen und abzulenken. Insbesondere für den Fall, dass bei einem solchen Lasersystem nur Hohlkernfasern und keine anderen Fasern verwendet werden, kann ggf. auf die Verwendung eines Kompressors verzichtet werden, der bei dieser Anwendung sehr groß dimensioniert werden müsste.
Die Vorrichtung bzw. das Lasersystem kann zum Betrieb mit einem gepulsten Eingangs-Laserstrahl bzw. mit einem gepulsten Seed-Laserstrahl ausgebildet sein. Es ist aber grundsätzlich auch möglich, dass das Lasersystem bzw. die Vorrichtung für den cw-Betrieb ausgebildet ist. In diesem Fall wirkt sich günstig aus, dass mit Hohlkernfasern keine Stimulierte Brillouin Streuung (SBS) entsteht, so dass der weiter oben beschriebene faserbasierte Aufbau der Vorrichtung bzw. des Lasersystems auch für den cw-Betrieb geeignet ist. Zu diesem Zweck ist es günstig, aber nicht zwingend erforderlich, dass es sich bei allen verwendeten Fasern um Hohlkernfasern handelt. Der weiter oben beschriebene faserbasierte Aufbau der Vorrichtung ist kompakt und kann insbesondere monolithisch ausgebildet sein, wodurch eine hohe optomechanische Stabilität sichergestellt werden kann.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Lasersystems mit einer Vorrichtung zur Kombination einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen, die in einer Mehrzahl von Verstärker-Fasern verstärkt werden,
2a-d schematische Darstellungen einer Phasen-Einstelleinrichtung bzw. eines Faser-Streckers, der einen mit einer Hohlkernfaser umwickelten Grundkörper und einen bzw. zwei Piezo-Aktuatoren aufweist,
3 eine schematische Darstellung der Dehnung der Hohlkernfaser von 2b in Abhängigkeit von einer an den Piezo-Aktuator angelegten Spannung,
4 eine schematische Schnittdarstellung einer Hohlkernfaser für den Faser-Strecker von 2a-d, sowie
5a,b schematische Darstellungen von Phasen-Einstelleinrichtungen zur unabhängigen Einstellung von zwei Phasenanteilen einer Gesamt-Phase.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines Lasersystems 1, welches eine Laserquelle 2 zur Erzeugung eines Seed-Laserstrahls 2a aufweist. Die Laserquelle 2 weist zu diesem Zweck einen modengekoppelten Faser-Master-Oszillator auf, der den Seed-Laserstrahl 2a mit einer Laserwellenlänge λ_L erzeugt. Der Seed-Laserstrahl 2a der Laserquelle 2 wird als Eingangs-Laserstrahl 9 einer Vorrichtung 5 zur Kombination einer Anzahl N von kohärenten Laserstrahlen 3.1, 3.2, ..., 3.N zugeführt. Die Vorrichtung 5 weist eine herkömmliche 1-zu-N-Aufteilungseinrichtung 4, beispielsweise in Form eines Faser-Splitters, auf, um den Eingangs-Laserstrahl 9, welcher dem Seed-Laserstrahl 2a entspricht, in die Anzahl N von kohärenten Laserstrahlen 3.1,..., 3.N aufzuteilen. Der Eingang der Aufteilungseinrichtung 4 und/oder ein Teil der Strahlführung des Eingangs-Laserstrahls 9 können als Hohlkernfasern ausgebildet sein. Die kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N durchlaufen eine entsprechende Anzahl N von Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1, ..., 6.N, welche die Einstellung einer jeweiligen individuellen Phase δφ_a + Δφ_a der kohärenten Laserstahlen 3.1, ..., 3.N (a = 1, ..., N) ermöglichen, indem sie eine geeignete Phasen-Verzögerung bewirken. Die Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1, ..., 6.N können beispielsweise als Elektro-optische Modulatoren oder Deflektoren, z.B. unter Verwendung von Flüssigkristallen, als akusto-optische Modulatoren oder Deflektoren, als elektro-mechanische Modulatoren oder Deflektoren, z.B. in Form von aktuierbaren Piezo-Spiegeln etc. ausgebildet sein. Im gezeigten Beispiel sind die Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1, ..., 6.N als Faser-Strecker ausgebildet, wie weiter unten näher beschrieben ist.
Nach den Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1, ..., 6.N durchlaufen die kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N eine entsprechende Anzahl N von Verstärker-Fasern 7.1, ... , 7.N, um die kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N zu verstärken. Die Stirnseiten der Verstärker-Fasern 7.1, ..., 7.N dienen als Emissionsflächen bzw. diese bilden Raster-Positionen 8.1, ..., 8.N, an denen die kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N emittiert werden. Die Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1, ..., 6.N können auch hinter den Verstärker-Fasern 7.1, ..., 7.N angeordnet sein oder direkt auf die Verstärker-Fasern 7.1, ..., 7.N einwirken, beispielsweise indem diese eine einstellbare mechanische Spannung auf die Verstärker-Fasern 7.1, ..., 7.N erzeugen. In diesem Fall sind die Verstärker-Fasern 7.1, ..., 7.N typischerweise als Hohlkernfasern ausgebildet (s.u.).
Die kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N können an einer nicht bildlich dargestellten Umlenkeinrichtung, die eine Mehrzahl von Umlenkspiegeln aufweist, umgelenkt werden, um den Füllfaktor zu erhöhen, d.h. um den Abstand zwischen benachbarten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N bzw. Raster-Positionen 8.1, ..., 8.N zu verringern. Es versteht sich, dass die Umlenkeinrichtung nicht zwingend erforderlich ist. Die kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N treten im gezeigten Beispiel parallel zueinander ausgerichtet in eine Strahlkombinationseinrichtung 10 ein, die eine Mikrolinsenanordnung bzw. einen abbildenden Homogenisierer mit zwei Mikrolinsen-Arrays oder mit einem Mikrolinsen-Array zur kohärenten Kombination der Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N für die Bildung eines kombinierten Laserstrahls 12 oder von mehreren kombinierten Laserstrahlen aufweist (letzteres ist in 1 nicht gezeigt). Es versteht sich, dass die Strahlkombinationseinrichtung 10 nicht zwingend in Form einer Mikrolinsenanordnung ausgebildet sein muss, sondern auch auf andere Weise ausgebildet sein kann.
Wie in 1 zu erkennen ist, wird ein Anteil 12a des kombinierten Laserstrahls 12 über eine Auskoppeleinrichtung in Form eines teiltransmissiven Spiegels 13 ausgekoppelt und trifft auf einen ortsauflösenden Detektor 14, z.B. in Form eines Sensor-Arrays oder einer Kamera. Der Detektor 14 steht mit einer Steuerungseinrichtung 15 des Lasersystems 1 in signaltechnischer Verbindung, welche die Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1, ..., 6.N ansteuert, um die individuellen Phasen δφ_a + Δφ_a der Laserstahlen 3.1, ..., 3.N in Abhängigkeit von den Eigenschaften des detektierten Anteils 12a des kombinierten Laserstrahls 12 anzupassen. Die Steuerungseinrichtung 15 kann insbesondere eine Regelung der Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1, ..., 6.N zur Erzeugung von gewünschten (Soll-)Phasen δφ_a + Δφ_a der Laserstahlen 3.1, ..., 3.N in Abhängigkeit von den Eigenschaften des detektierten Anteils 12a des kombinierten Laserstrahls 12 ermöglichen.
Obgleich im gezeigten Beispiel die Anzahl N von Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1, ..., 6.N der Mehrzahl N von Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N entspricht, ist in der Regel eine Anzahl von N - 1 Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1, ..., 6.N-1 ausreichend. Bei dem in 1a gezeigten Lasersystem 1 kann einerseits eine hohe Strahlqualität von z.B. M = 1,3 des kombinierten Laserstrahls 12 erreicht werden, andererseits kann durch die Verstärkung in den Verstärker-Fasern 7.1, ..., 7.N eine deutliche Erhöhung der Leistung der Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N erreicht werden.
Um die in 1 gezeigte Vorrichtung 5 in einer möglichst kompakten Bauweise zu realisieren, ist ein faseroptischer Aufbau günstig. Zur Realisierung eines kompakten Aufbaus ist es günstig, wenn die Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1, ..., 6.N in Form von Faser-Streckern ausgebildet sind. Wie in 1 zu erkennen ist, wirkt ein jeweiliger Phasen-Strecker 6.1, ..., 6.N auf eine einer Mehrzahl von Hohlkernfasern 21.1, ..., 21.N ein, welche die Aufteilungseinrichtung 4 mit einer jeweiligen Verstärker-Faser 7.1, ..., 7.N verbinden.
2a-d zeigen beispielhaft eine der Phasen-Einstelleinrichtungen in Form eines Faser-Streckers, genauer gesagt des ersten Phasen-Streckers 6.1 von 1. Der Faser-Strecker 6.1 weist einen zylindrischen Grundkörper 20 mit einer umlaufenden Mantelfläche 20a auf, um die ein Faserabschnitt 21 a einer optischen Faser in Form der ersten Hohlkernfaser 21.1 von 1 gewickelt ist. An Stelle der in 2a-d dargestellten kreiszylindrischen Geometrie kann der Grundkörper 20 auch eine Geometrie aufweisen, die von einer (kreis-)zylindrischen Form abweicht.
Bei der in 2b gezeigten Schnittdarstellung bildet der gesamte Grundkörper 20 einen Piezo-Aktuator 22. Der Piezo-Aktuator 22, der aus einem oder aus mehreren Piezo-Elementen zusammengesetzt sein kann, ist ausgebildet, in Abhängigkeit von einem Steuersignal 23, das von der Steuereinrichtung 15 bereitgestellt wird (vgl. auch 1), sich selbst und damit den Grundkörper 20 zu deformieren. Bei der Deformation nimmt ein Durchmesser D_G des Piezo-Aktuators 22 bzw. des Grundkörpers 20 im Wesentlichen gleichförmig in radialer Richtung zu oder ab. Durch die Deformation und die damit einhergehende Vergrößerung oder Verkleinerung des Durchmessers D_G wird eine mechanische Spannung auf den Faserabschnitt 21 a der Hohlkernfaser 21.1 ausgeübt, mit welcher der Grundkörper 20 umwickelt ist. Hierdurch vergrößert oder verkleinert sich die Länge der Hohlkernfaser 21.1 und es kommt zu einer (vorzeichenbehafteten) optischen Weglängenänderung ΔOPD, die zu einer Phasen-Verschiebung Δφ des in der Hohlkernfaser 21.1 geführten Laserstrahls 3.1. führt. Für die optische Weglängenänderung gilt: ΔOPD = n d, wobei n der Brechungsindex der Hohlkernfaser 21.1, genauer gesagt des Hohlkerns (Luft, d.h. n ca. 1,0) und d die Weglängenänderung bezeichnen. Der Faser-Strecker 6.1 ermöglicht es, den Betrag (und auch das Vorzeichen) einer Phasen-Verschiebung Δcp des in der Hohlkernfaser 20 geführten Laserstrahls 3.1 einzustellen.
3 zeigt beispielhaft die Weglängenänderung d der Hohlkernfaser 20.1 (in µm), die im vorliegenden Fall der optischen Weglängenänderung ΔOPD entspricht, in Abhängigkeit von einem Steuersignal 23 in Form einer Steuer-Spannung U (in V), die an den Piezo-Aktuator 22 angelegt wird. Die durchgezogene Linie stellt eine Näherungsgerade für die in 3 gezeigten Messpunkte dar, die an einer HC-PBF-Faser gemessen wurden, die gestrichelte Linie zeigt den theoretischen Zusammenhang zwischen dem Verschiebung d und der Steuer-Spannung U. Wie sich aus 3 ergibt, besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Weglängenänderung d und der Steuer-Spannung U (Proportionalitätskonstante bei der verwendeten Faserlänge ca. 0,101 µm /V), so dass die zur Weglängenänderung d proportionale Phasen-Verschiebung Δcp mit Hilfe der Phasen-Einstelleinrichtung 6.1 auf einfache Weise eingestellt werden kann. Die Proportionalitätskonstante des in 3 gezeigten linearen Zusammenhangs hängt von der Faserlänge ab und nimmt mit zunehmender Faserlänge zu.
2c zeigt eine Schnittdarstellung eines Grundkörpers 20 einen Faser-Streckers 6.1, in den ein linearer Piezo-Aktuator 22 integriert ist. Wie in 2c durch zwei Pfeile angedeutet ist, dehnt sich der Piezo-Aktuator 22 beim Anlegen eines Steuersignals 23 in Form einer Steuerspannung U entlang der positiven und negativen X-Richtung eines XY-Koordinatensystems aus. Der Piezo-Aktuator 22 drückt hierbei gegen zwei in X-Richtung diametral gegenüberliegende Seitenteile des Grundkörpers 20, die in 2c in Form von Kreissegmenten dargestellt sind und um die der Faserabschnitt 21 a der Hohlkernfaser 21.1 gewickelt ist. Die beiden Seitenteile bilden an ihrer Außenseite die Umfangsfläche 20a des Grundkörpers 20 und werden durch die Wirkung des Piezo-Aktuators 22 in X-Richtung auseinandergedrückt, so dass die Form des Grundkörpers 20 sich verändert und dieser deformiert wird. Der in 2c gezeigte Aufbau des Faser-Streckers 6.1 hat gegenüber der in 2b gezeigten Variante den Vorteil, dass für die Ansteuerung des Piezo-Aktuators 22 typischerweise geringere Spannungen erforderlich sind. Der Grundkörper 20 besteht in diesem Fall nur aus den beiden Seitenteilen, die über den Piezo-Aktuator 22 sowie ggf. zusätzlich über eine Linearführung miteinander verbunden sind.
Bei dem in 2d dargestellten Beispiel weist der Grundkörper 20 zwei Piezo-Aktuatoren 22a, 22b auf, die sich in zwei zueinander senkrechten Richtungen X, Y ausdehnen und in den beiden unterschiedlichen Richtungen X, Y auf den Grundkörper 2 einwirken. Der erste Piezo-Aktuator 22a drückt hierbei wie der in 2c gezeigte Piezo-Aktuator 22 gegen zwei in X-Richtung diametral gegenüberliegende Seitenteile des Grundkörpers 20, die in 2d als Kreissegmente dargestellt sind. Der zweite Piezo-Aktuator 22b drückt hierbei gegen zwei sich in Y-Richtung diametral gegenüberliegende Seitenteile des Grundkörpers 20 an, die in 2d ebenfalls als Kreissegmente dargestellt sind. Die beiden Piezo-Aktuatoren 22a, 22b können unabhängig voneinander mit Hilfe eines ersten und eines zweiten Steuersignals 23a, 23b angesteuert werden, die von der in 1 dargestellten Steuereinrichtung 15 bereitgestellt werden. Auf diese Weise können zwei Anteile der Gesamt-Phasen-Verschiebung Δcp unabhängig voneinander eingestellt werden, wie weiter unten näher beschrieben wird. Der Grundkörper 20 setzt sich bei dem in 2d gezeigten Beispiel aus den vier Seitenteilen zusammen.
Die beiden Piezo-Aktuatoren 22a, 22b sind in einem Hohlraum des Grundkörpers 20 angeordnet.
Der Grundkörper 20 weist einen vergleichsweise geringen Durchmesser in der Größenordnung von wenigen Zentimetern auf, um den Faser-Strecker 6.1 platzsparend aufbauen zu können. Um eine Hohlkernfaser 21.1 in dem Faser-Strecker 6.1 nutzen zu können, ist es erforderlich, dass der Faserabschnitt 21 a um den Grundkörper 20 bzw. um dessen Seitenteile (s.o.) gewickelt werden kann, möglichst ohne dass hierbei die Hohlkernfaser 21.1 beschädigt wird oder die Spezifikation der Hohlkernfaser 21.1 negativ beeinflusst wird. Um dies zu ermöglichen, sollte ein minimaler Biegeradius R_MIN der Hohlkernfaser 21.1 nicht unterschritten werden, der bei weniger als 5 cm, bevorzugt bei weniger als 3 cm, insbesondere bei weniger als 2 cm liegt. Der Biegeradius der Hohlkernfaser 21.1 sollte andererseits möglichst klein sein, damit der Faser-Strecker 6.1 kompakt realisiert werden kann. Der Durchmesser D_G des Grundkörpers 20 ist an den minimalen Biegeradius R_MIN angepasst, d.h. der halbe Durchmesser D_G / 2 des Grundkörpers 20 ist im gezeigten Beispiel so groß wie der minimale Biegeradius R_MIN der Hohlkernfaser 21.1. Der Radius bzw. der halbe Durchmesser D_G / 2 der Hohlkernfaser 21.1 sollte daher bei mindestens 1 cm, bei mindestens 1,5 cm bzw. bei mindestens 2,5 cm liegen, je nachdem, wie groß der minimale Biegeradius R_MIN der Hohlkernfaser 21.1 ist. Grundsätzlich ist es auch möglich, beim Umwickeln des Grundkörpers 20 den minimalen Biegeradius R_MIN der Hohlkernfaser 21.1 zu unterschreiten, in diesem Fall müssen aber größere optische Verluste in Kauf genommen werden.
Grundsätzlich können unterschiedliche Arten von Hohlkernfasern 21.1 in dem in 2a-d gezeigten Faser-Strecker 6.1 verwendet werden, sofern diese einen ausreichend kleinen minimalen Biegeradius R_MIN aufweisen. Beispielsweise kann es sich bei der Hohlkernfaser 21.1 um eine HC-PCF Faser, um eine HC-PBGF-Faser oder um eine HC-ARF-Faser handeln. 4 zeigt beispielhaft und stark schematisch eine HC-PCF-Faser vom Kagome-Typ. Der zentrale Hohlkern 24a der Hohlkernfaser 21.1 weist einen Mode-Field-Diameter Dc von ca. 60 µm auf, welcher ungefähr dem Durchmesser des in eine Kagome-Struktur 24b eingeschriebenen Kreises multipliziert mit π / 4 entspricht. Für die Verwendung in einem Faser-Strecker 6.1 haben sich Hohlkernfasern 21.1 mit einem Mode-Field-Diameter Dc von weniger als 50 µm als günstig erwiesen. Wie in 4 ebenfalls zu erkennen ist, ist die Kagome-Struktur 24b von einem Cladding 24c aus Quarzglas umgeben. Es versteht sich, dass das in 4 gezeigte Cladding 24c noch von weiteren, nicht bildlich dargestellten Claddings umgeben sein kann.
Da der Laserstrahl 3.1 bzw. die Lasermode in dem Hohlkern 24a der Hohlkernfaser 21.1 geführt wird, ist die Phasen-Verschiebung Δcp, die der Laserstrahl 3.1 beim Durchlaufen der Hohlkernfaser 21.1 erfährt, geringer als dies bei einer herkömmlichen optischen Faser mit einem massiven Kern der Fall ist. Um eine ausreichende Phasen-Verschiebung Δφ, zu erzeugen, liegt die Länge des Faserabschnitts 21 a, der um den Grundkörper 20 gewickelt wird, in Abhängigkeit von der Anwendung des Faser-Streckers 6.1 bzw. der Phasen-Einstelleinrichtung in der Regel bei mehr als 5 Metern oder bei mehr als 8 Metern.
Wie weiter oben in Zusammenhang mit 1 beschrieben wurde, setzen sich die individuellen Gesamt-Phasen δφ_a + Δφ_a der Laserstahlen 3.1, ..., 3.N aus einem ersten Phasenanteil δφ_a und aus einem zweiten Phasenanteil Δφ_a zusammen. Der erste Phasenanteil bildet im gezeigten Beispiel eine Grund-Phase δφ_a eines jeweiligen kohärenten Laserstrahls 3.1, ..., 3.N, bei der die Strahlkombinationseinrichtung 10 die kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N zu einem in genau eine Beugungsordnung gebeugten Laserstrahl 12 kombiniert. Der zweite Phasenanteil bildet eine zusätzliche Phase Δφ_a. Wie dies im Detail in der DE 10 2020 200 444 A1 bzw. in der DE 10 2020 201 161.3 sowie in dem Artikel „Dynamic coherent beam combining based on a setup of microlens arrays“ von M. Prossotowicz et al. beschrieben ist, wird die zusätzliche Phase Δφ_a. eines jeweiligen kohärenten Laserstrahls 3.1, ..., 3.N individuell in Abhängigkeit von der Anordnung der dem jeweiligen kohärenten Laserstrahl 3.1, ..., 3.N zugeordneten Raster-Position 8.1, ..., 8.N mit Hilfe der Steuerungseinrichtung 15 so eingestellt, dass die kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N nicht mehr zu einem einzigen bzw. einzelnen Laserstrahl 12 kombiniert werden, sondern in zwei oder mehr wohldefinierte Bündel bzw. in zwei oder mehre kombinierte Laserstrahlen, die mit definierter Leistungsverteilung bzw. Leistungs-Aufteilung in unterschiedliche Beugungsordnungen gebeugt werden (Strahlteilung) oder in einen einzigen Laserstrahl, der in eine von der nullten Beugungsordnung verschiedene Beugungsordnung gebeugt wird (Strahlablenkung). Die Grund-Phase δφ_a können hierbei vergleichsweise langsam auf einer Zeitskala im Bereich von Millisekunden bis Sekunden (z.B. mit Frequenzen von weniger als 1 kHz) eingestellt bzw. geregelt werden, während bei dem zweiten Phasenanteil, d.h. bei der zusätzlichen Phase Δφ_a, eine schnelle Phasen-Einstellung auf einer Zeitskala im Bereich von Nanosekunden bis Mikrosekunden (z.B. mit Frequenzen von mehr als 1 MHz) erfolgen kann. Die Grund-Phase δφ_a soll zudem eine vergleichsweise große Phasen-Verschiebung bewirken, während die zusätzliche Phase Δφ_a einen vergleichsweise kleinen Phasenhub ermöglichen soll.
Wie nachfolgend anhand von 5a,b erläutert wird, ist es in diesem Fall günstig, wenn die Gesamt-Phase δφ_a + Δφ_a eines durch eine jeweilige Hohlkernfaser 21.1, ..., 21.N propagierenden Laserstrahls 6.1, ..., 6.N nicht durch einen einzigen Piezo-Aktuator 22 eingestellt wird, sondern wenn die Grund-Phase δφ_a und die zusätzliche Phase Δφ_a unabhängig voneinander eingestellt werden können.
Zu diesem Zweck weist die in 5a beispielhaft gezeigte erste Phasen-Einstelleinrichtung in Form eines Faser-Streckers 6.1 zusätzlich zu dem in 2a-d gezeigten Grundkörper 20 einen weiteren Grundkörper 20' auf, der mit einem weiteren Faserabschnitt 21a' der ersten Hohlkernfaser 21.1 umwickelt ist, welcher von dem Faserabschnitt 21a beabstandet ist, der um den Grundkörper 20 gewickelt ist. In dem weiteren Grundkörper 20' ist ein weiterer Piezo-Aktuator 22' angeordnet, der mit einem weiteren Steuersignal 23' angesteuert wird. Für die Ansteuerung dient die in 1 gezeigte Steuereinrichtung 15, die in 5a zur Vereinfachung der Darstellung in zwei voneinander getrennten Teilen 15a, 15b dargestellt ist. Es versteht sich, dass die Dehnung in den jeweiligen Faserabschnitten 21a, 21a' mittels der Piezo-Aktuatoren 22, 22' nicht zwingend in derselben Richtung (X-Richtung) erfolgen muss, wie dies in 5a dargestellt ist, sondern in unterschiedliche Richtungen erfolgen kann.
Bei der in 5a gezeigten Phasen-Einstelleinrichtung 6.1 dient der erste Teil 15a der Steuerungseinrichtung 15 zur aktiven Phasenregelung, wie sie in Zusammenhang mit 1 beschrieben ist. Zu diesem Zweck wird ein Feedback-Signal S, das von dem Detektor 14 erzeugt wird, einer Phasen-Detektionseinheit 25a der Steuerungseinrichtung 15 zugeführt, um ein Ist-Phase zu messen. In Abhängigkeit von der gemessenen Ist-Phase wird in dem ersten Teil 15a der Steuerungseinrichtung 15 die Phasen-Korrektur in Form des Grund-Phase δφ_a bestimmt und mit Hilfe eines ersten Spannungs-Generators 26a, der einen Phasen-Regler bildet, wird das Steuersignal 23 erzeugt, das dem Aktuator 22 zugeführt wird. Der Spannungs-Generator 26a kann beispielsweise ausgebildet sein, eine Spannung in der Größenordnung zwischen ±100 V und ± 500 V mit einer Frequenz in der Größenordnung von ca. 1 kHz zu erzeugen. Die Phasen-Verschiebung, die von der Auslegung des Faser-Streckers 6.1 und insbesondere von der Länge des umwickelten Faserabschnitts 21a abhängig ist, liegt bei einem typischen Faser-Strecker 6.1 bei der oben angegebenen Größenordnung der Spannung in einem Wertebereich zwischen ca. ±10 λ (±20 π) bis ca. ±50 λ (±100 π), wobei λ die Wellenlänge des Laserstrahls 3.1, ..., 3.N bezeichnet. Die Frequenz hängt vom Design des Aktuators 22 ab und kann auch größer als 1 kHz sein, beispielsweise ca. 10 kHz. Um eine Spannung in der oben angegebenen Größenordnung zu erzeugen, kann der Spannungs-Generator 26a einen Hochspannungs-Verstärker aufweisen oder dem Spannungs-Generator 26a kann ein Hochspannungs-Verstärker nachgeschaltet sein.
Der zweite Teil 15b der Steuereinrichtung 15 dient der Einstellung der in Abhängigkeit von der Anwendung, beispielsweise von einem Bediener, vorgegebenen zusätzlichen Phase Δφ_a. Der zweite Teil 15b der Steuereinrichtung 15, bei der es sich um eine geeignet angepasst Hard- und/oder Software handelt, weist einen Phasen-Rechner 25b auf, der dazu dient, die für die jeweilige Anwendung benötigte zusätzliche Phase Δφ_a zu bestimmen. Ein zweiter Spannungs-Generator 26b dient zur Erzeugung des weiteren Steuersignals 23`, das zur Erzeugung des zusätzlichen Phase Δφ_a auf den weiteren Aktuator 23' des weiteren Grundkörpers 20' einwirkt.
Der zweite Spannungs-Generator 26b kann beispielsweise ausgebildet sein, eine Spannung in der Größenordnung von ±10 V (beispielsweise entsprechend einer Phasen-Verschiebung von ±π bzw. von ± λ /2) mit einer Frequenz in der Größenordnung von MHz zu erzeugen. Auf diese Weise kann in der Vorrichtung 5 eine hochdynamische Strahlformung und/oder Strahlablenkung erfolgen.
Bei der in 5a gezeigten Phasen-Einstelleinrichtung in Form des Faser-Streckers 6.1 werden die beiden Anteile δφ_a, Δφ_a der Gesamt-Phase δφ_a + Δφ_a unabhängig voneinander eingestellt, indem auf zwei unterschiedliche, voneinander beabstandete Faserabschnitte 21a, 21a' der Hohlkernfaser 21.1 eingewirkt wird. Bei dem in 5b gezeigten Beispiel erfolgt die Einstellung der beiden Anteile δφ_a, Δφ_a der Gesamtphase δφ_a + Δφ_a mit Hilfe des in 2d dargestellten Faser-Streckers, der die beiden unabhängig ansteuerbaren Piezo-Aktoren 22a, 22b aufweist, die auf ein- und denselben Faserabschnitt 21 a der Hohlkernfaser21.1 einwirken. Die in 5b dargestellte Phasen-Einstelleinrichtung 6.1 ermöglicht die Einstellung der Gesamt-Phasenverschiebung δφ_a + Δφ_a mit einer geringeren Länge der Hohlkernfaser 21.1 als dies bei der in 5a gezeigten Phasen-Einstelleinrichtung 6.1 der Fall ist. Dies ermöglicht eine kompakte Realisierung der Phasen-Einstelleinrichtung in Form des Faser-Streckers 6.1, bei der Faserlänge eingespart werden kann. Von diesem Unterschied abgesehen entspricht die in 5b dargestellte Phasen-Einstelleinrichtung 6.1 der in 5a dargestellten Phasen-Einstelleinrichtung 6.1.
Die Einstellung der Grund-Phase δφ_a der Gesamt-Phase δφ_a + Δφ_a kann beispielsweise in vorgegebenen Zeitintervallen in der Größenordnung von 1 ms erfolgen. In den Zeiträumen zwischen der Einstellung der Grund-Phase δφ_a kann die Einstellung der zusätzlichen Phase Δφ_a der Gesamt-Phase δφ_a + Δφ_a erfolgen. Die Einstellung der Grund-Phase δφ_a und der zusätzlichen Phase Δφ_a kann aber auch zum selben Zeitpunkt erfolgen, so dass die Gesamt-Phase δφ_a + Δφ_a die Summe aus der Grund-Phase δφ_a und der zusätzlichen Phase Δφ_a bildet.
Es versteht sich, dass die in 5a,b gezeigten Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1 nicht auf die Einstellung der Grund-Phase δφ_a und der zusätzlichen Phase Δφ_a der Gesamt-Phase δφ_a + Δφ_a beschränkt sind. Es ist beispielsweise auch möglich, die Gesamt-Phase δφ_a + Δφ_a auf mehr als zwei Phasen-Anteile aufzuteilen, um bei niedrigeren Spannungen des bzw. der Steuersignale 23,23' bzw. 23a,b eine größere Ausdehnung der Hohlkernfaser 21.1 zu ermöglichen. Abweichend von dem oben beschriebenen Vorgehen kann es sich bei dem ersten Phasenanteil, der aktiv stabilisiert werden soll, um die Gruppen-Phasendifferenz δφ_G aller kohärent überlagerter Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N handeln (vgl. 1), während es sich bei dem zweiten Phasenanteil um die individuelle Phase Δϕ_a eines jeweiligen Laserstrahls 3.1, ..., 3.N handelt. Die individuelle Phase Δϕ_a kann wie weiter oben beschrieben aus der Grund-Phase δφ_a und der zusätzlichen Phase Δφ_a zusammengesetzt sein. Die hier beschriebene Aufteilung in die Gruppen-Phasendifferenz δϕ_G und die individuelle Phase Δϕ_a ist jedoch insbesondere in dem den Fall günstig, wenn keine zusätzliche Phase Δφ_a vorhanden ist, d.h. wenn die individuelle Phase Δϕ_a der Grund-Phase δφ_a entspricht.
Es versteht sich, dass die in 2a-c gezeigten Faser-Strecker 6.1 in einem zweidimensionalen oder ggf. in einem dreidimensionalen Raster (Array) angeordnet werden können, um eine jeweilige Phasen-Verschiebung Δcp bei einer Mehrzahl von Hohlkernfasern 21.1, ..., 21.N und einer Mehrzahl von in diesen geführten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N zu erzeugen.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist die Mehrzahl von Hohlkernfasern 21.1, ..., 21.N auf der Low-Power-Seite, d.h. vor einem jeweiligen Verstärker 7.1, ..., 7.N angeordnet. In Abhängigkeit von der Auslegung des jeweiligen Verstärkers 7.1, ..., 7.N kann auch bei hohen Leistungen der Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N in diesem Fall ggf. auf eine Puls-Streckung bzw. auf eine spektrale Aufweitung verzichtet werden. Daher kann auch bei hohen Leistungen der Laserstahlen 3.1, ..., 3.N ggf. auf einen Kompressor verzichtet werden.
Es ist grundsätzlich aber ebenfalls möglich, dass die bzw. eine Mehrzahl von Holkernfasern 25.1, ..., 25.N auf der High-Power-Seite, d.h. im Strahlweg nach den Verstärkern 7.1, ..., 7.N angeordnet ist, wie dies in 1 dargestellt ist. Bei dem in 1 gezeigten Fall verbinden die Hohlkernfasern 25.1, ..., 25.N den Ausgang der Verstärker 7.1, ..., 7.N mit der Strahlkombinationseinrichtung 10.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel weist die Mehrzahl von Hohlkernfasern 25.1, ..., 25.N, die nach den Verstärkern 7.1, ..., 7.N angeordnet ist, einen gasgefüllten Hohlkern 24a auf, der mit einem Gas, im gezeigten Beispiel mit Argon, gefüllt ist, um eine spektrale Verbreiterung der jeweiligen Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N zu bewirken.
Aufgrund der Ionisierung des Gases in dem Hohlkern 24a ist die spektrale Verbreiterung bei hohen Pulsenergien in der Regel problematisch, wird aber durch die Aufteilung der Gesamtleistung auf die Mehrzahl N von kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N reduziert. Der aus den kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N gebildete kombinierte Laserstrahl 12 bzw. die entsprechenden Laserpulse können in diesem Fall in einem nach der Vorrichtung 5 angeordneten Kompressor 17 komprimiert werden. Bei der Verwendung einer Hohlkernfaser 25.1, ..., 25.N mit einem gasgefüllten Hohlkern 24a lässt sich die Dispersion über den Druck in dem Hohlkern 24a steuern, so dass gezielt anormale oder normale Dispersion eingestellt werden kann, sofern dies gewünscht ist.
Die Verwendung von Hohlkernfasern 21.1, ..., 21.N; 25.1, ..., 25.N in der Vorrichtung 5 von 1 ist auch günstig, da diese keine Stimulierte Brillouin Streuung (SBS) erzeugen. Die Vorrichtung 5 bzw. das Lasersystem 1 von 1 ist daher auch für den cw-Betrieb geeignet. Für den cw-Betrieb ist es günstig, aber ggf. nicht zwingend erforderlich, dass es sich bei allen in der Vorrichtung 5 verwendeten Fasern, d.h. ggf. auch bei den Faser-Verstärkern 7.1, ..., 7.N, um Hohlkernfasern handelt. Die weiter oben beschriebene Vorrichtung 5 kann insbesondere auch monolithisch aufgebaut sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018211971 A1 [0004, 0031]
WO 2020016336 A1 [0004]
DE 102020200444 A1 [0005, 0013, 0031, 0033, 0037, 0057]
EP 2021050461 [0005]
EP 2021051467 [0005]
CN 108448374 A [0007]
US 20050105865 A1 [0015]
US 7382962 B1 [0024]

Claims

Vorrichtung (5) zur Kombination einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3 N), umfassend: eine Aufteilungseinrichtung (4) zur Aufteilung eines Eingangs-Laserstrahls (9) auf die Mehrzahl (N) von kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N), eine Mehrzahl von Phasen-Einstelleinrichtungen (6.1, ..., 6.N) zur Einstellung einer jeweiligen Phase (δφ_a + Δφ_a) eines der kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N), sowie eine Strahlkombinationseinrichtung (10) zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N) zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl (12), gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Hohlkernfasern (21.1, ..., 21. N; 25.1, ..., 25. N), die zur Strahlführung jeweils eines der kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N) zwischen der Aufteilungseinrichtung (4) und der Strahlkombinationseinrichtung (10) dienen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Hohlkernfasern (21.1, ..., 21. N; 25.1, ..., 25.N) ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend: HC-PCF Fasern, HC-PBGF-Fasern und HC-ARF-Fasern.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Hohlkernfasern (21.1, ..., 21.N; 25.1, ..., 25.N) einen Mode-Field-Diameter (Dc) von weniger als 65 µm, bevorzugt von weniger als 50 µm aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Hohlkernfasern (21.1, ..., 21.N; 25.1, ..., 25.N) einen minimalen Biegeradius (R_MIN) von weniger als 5 cm, bevorzugt von weniger als 3 cm, insbesondere von weniger als 2 cm aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Phasen-Einstelleinrichtungen jeweils umfassen: einen Faser-Strecker (6.1, ..., 6.N) mit einem Grundkörper (20), um den ein Faserabschnitt (21a) einer der Mehrzahl von Hohlkernfasern (21.1, ..., 21.N) gewickelt ist, sowie mit mindestens einem Aktuator (22, 22a,b) der ausgebildet ist, den Grundkörper (20) in Abhängigkeit von mindestens einem Steuersignal (23) zu deformieren.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher der Aktuator (22) den Grundkörper bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher der mindestens eine Aktuator (22, 22a,b) auf den Grundkörper (20) einwirkt und bevorzugt innerhalb des Grundkörpers (20) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher der Faser-Strecker (6.1) mindestens zwei Aktuatoren (22a, 22b) aufweist, die bevorzugt in unterschiedlichen Richtungen, insbesondere in zwei zueinander senkrechten Richtungen (X, Y), auf den Grundkörper (20) einwirken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei welcher der Faser-Strecker (6.1) einen weiteren Grundkörper (20`) umfasst, um den ein weiterer Faserabschnitt (21a') der Hohlkernfaser (21.1) gewickelt ist, sowie mindestens einen weiteren Aktuator (22`), der ausgebildet ist, den weiteren Grundkörper (20') in Abhängigkeit von mindestens einem weiteren Steuersignal (23') zu deformieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, weiter umfassend: mindestens eine Steuerungseinrichtung (15) zur Erzeugung des mindestens einen Steuersignals (23) zur Ansteuerung des mindestens einen Aktuators (22, 22a,b) des Faser-Streckers (6.1) sowie bevorzugt zur Erzeugung des mindestens einen weiteren Steuersignals (23') zur Ansteuerung des mindestens einen weiteren Aktuators (22') des Faser-Streckers (6.1).
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher die Steuerungseinrichtung (15) zur Einstellung einer jeweiligen Gesamt-Phase (δφ_a + Δφ_a; δϕ_G + Δϕ_a) eines der kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N) ausgebildet ist, die sich aus einem ersten Phasenanteil (δφ_a; δϕ_G) und aus einem zweiten Phasenanteil (Δφ_a; Δϕ_a) zusammensetzt, wobei die Steuerungseinrichtung (15) bevorzugt ausgebildet ist, den ersten Phasenanteil (δφ_a; δϕ_G) und den zweiten Phasenanteil (Δφ_a; Δϕ_a) durch die Ansteuerung von zwei unterschiedlichen Aktuatoren (22a, 22b) oder von einem Aktuator (22) und von einem weiteren Aktuator (22') des Faser-Streckers (6.1, ... 6.N) einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher der erste Phasenanteil eine Grund-Phase (δφ_a) eines jeweiligen kohärenten Laserstrahls (3.1, ..., 3.N) bildet, bei der die Strahlkombinationseinrichtung (10) die kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N) zu einem in genau eine Beugungsordnung gebeugten Laserstrahl (12) kombiniert, und bei welcher der zweite Phasenanteil eine zusätzliche Phase (Δφ_a) bildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Mehrzahl von optischen Verstärkern (7.1, ..., 7.N), insbesondere eine Mehrzahl von Verstärker-Fasern, zum Verstärken der kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N).
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei dem die Mehrzahl von Hohlkernfasern (21.1, ..., 21.N) vor einem jeweiligen Verstärker (7.1, ..., 7.N) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die Mehrzahl von Hohlkernfasern (25.1, ..., 25.N) nach einem jeweiligen Verstärker (7.1, ..., 7.N) angeordnet ist, wobei die Mehrzahl von Hohlkernfasern (25.1, ..., 25.N) insbesondere jeweils einen gasgefüllten Hohlkern (24a) aufweist.
Lasersystem (1), umfassend: eine Seed-Laserquelle (2) zur Erzeugung eines Seed-Laserstrahls (2a), sowie eine Vorrichtung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Seed-Laserstrahl (2a) bevorzugt den Eingangs-Laserstrahl (9) der Aufteilungseinrichtung (4) der Vorrichtung (5) bildet.