DE102022103418A1

DE102022103418A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen, Lasersystem

Info

Publication number: DE102022103418A1
Application number: DE102022103418.6A
Authority: DE
Inventors: Malte Kumkar; Aleksander Budnicki; Daniel Großmann
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser Se De
Priority date: 2022-02-14
Filing date: 2022-02-14
Publication date: 2023-08-17
Also published as: WO2023152161A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen (102) zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl (104), umfassend eine Phaseneinstelleinrichtung (112) zur Einstellung einer jeweiligen Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen (102), eine Verstärkungseinrichtung (120) zur Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen (102), wobei aus der Verstärkungseinrichtung (120) verstärkte kohärente Laserstrahlen (124) ausgekoppelt werden, eine Steuerungseinrichtung (168) zur Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung (112) auf Grundlage einer vorgegebenen Zuordnungsvorschrift, um die jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) auf vorgegebene Soll-Phasendifferenzwerte (Δφsoll) einzustellen, eine Messeinrichtung (138) zur Ermittlung der jeweiligen Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124), wobei mittels der Messeinrichtung (138) Ist-Phasendifferenzwerte (Δφ) zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) ermittelt werden, eine der Steuerungseinrichtung (168) zugeordnete Optimierungseinheit (172) zur Optimierung der Zuordnungsvorschrift auf Grundlage der mittels der Messeinrichtung (138) ermittelten Ist-Phasendifferenzwerte (Δφ).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl.
Ferner betrifft die Erfindung ein Lasersystem.
Aus der DE 10 2020 201 161 A1 ist eine Vorrichtung zur Kombination einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen bekannt, 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, die von einer Mehrzahl von Raster-Positionen einer Rasteranordnung ausgehen, zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl, wobei die Strahlkombinationseinrichtung eine Mikrolinsenanordnung mit genau einem Mikrolinsen-Array zur Bildung des mindestens einen kombinierten Laserstrahls aufweist.
Aus der US 9,134,538 B1 ist ein System zum kohärenten Kombinieren einer Vielzahl von optischen Strahlen bekannt, umfassend einen Resonanzhohlraum, eine Vielzahl von Verstärkungselementen, die innerhalb des Resonanzhohlraums angeordnet sind, ein strahlkombinierendes Element in optischer Kommunikation mit den Verstärkungselementen, um die optischen Strahlen kohärent zu einem kohärenten Ausgangsstrahl zu kombinieren, einen Sensor, der in optischer Kommunikation mit dem Strahlkombinationselement steht, um mindestens einen Teil des kohärenten Ausgangsstrahls zu erfassen und ein Rückkopplungssignal bereitzustellen, das für den mindestens einen Teil des kohärenten Ausgangsstrahls repräsentativ ist, und eine mit dem Sensor gekoppelte Phasensteuerung, um eine Phase von mindestens einem der optischen Strahlen basierend auf dem Rückkopplungssignal einzustellen.
Aus der WO 2017/125345 A1 ist ein Phasenreglungssystem zur Regelung der Relativphase zweier kohärent zu kombinierender Laserstrahlen eines Lasersystems, das zum Bereitstellen eines phasengeregelten Summenlaserstrahls vorgesehen ist, bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung und ein eingangs genanntes Verfahren bereitzustellen, mittels welchen sich eine Kombination von kohärenten Laserstrahlen bei hoher zeitlicher und/oder räumlicher Dynamik mit einer erhöhten Zuverlässigkeit realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine Phaseneinstelleinrichtung zur Einstellung einer jeweiligen Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen umfasst, eine Verstärkungseinrichtung zur Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen, wobei aus der Verstärkungseinrichtung verstärkte kohärente Laserstrahlen ausgekoppelt werden, eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung auf Grundlage einer vorgegebenen Zuordnungsvorschrift, um die jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen auf vorgegebene Soll-Phasendifferenzwerte einzustellen, eine Messeinrichtung zur Ermittlung der jeweiligen Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen, wobei mittels der Messeinrichtung Ist-Phasendifferenzwerte zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen ermittelt werden, und eine der Steuerungseinrichtung zugeordnete Optimierungseinheit zur Optimierung der Zuordnungsvorschrift auf Grundlage der mittels der Messeinrichtung ermittelten Ist-Phasendifferenzwerte.
Im Betrieb der Vorrichtung können sich Abweichungen zwischen den auf Grundlage der Zuordnungsvorschrift eingestellten Soll-Phasendifferenzwerten und den tatsächlich vorliegenden Ist-Phasendifferenzwerten ergeben. Ursächlich hierfür kann beispielsweise eine Erwärmung von Komponenten der Vorrichtung sein, wie beispielsweise der Phaseneinstelleinrichtung und/oder der Verstärkungseinrichtung. Diese Erwärmung kann die tatsächliche Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen beeinflussen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird daher die Zuordnungsvorschrift im Betrieb der Vorrichtung auf Grundlage der mittels der Messeinrichtung ermittelten Ist-Phasendifferenzwerte optimiert. Es lassen sich dadurch Abweichungen zwischen den einzustellenden Soll-Phasendifferenzwerten und den tatsächlich vorliegenden Ist-Phasendifferenzwerten minimieren. Es lässt sich dadurch ein zuverlässiger Betrieb der Vorrichtung gewährleisten.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass im Betrieb der Vorrichtung mittels des mindestens einen kombinierten Laserstrahls ein Laserbearbeitungsvorgang an einem Werkstück durchgeführt wird. Insbesondere wird die Zuordnungsvorschrift im Betrieb der Vorrichtung während des Laserbearbeitungsvorgangs an einem Werkstück optimiert oder ist während des Laserbearbeitungsvorgangs an einem Werkstück optimierbar.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Zuordnungsvorschrift mittels der Optimierungseinheit in Zeitabständen aktualisiert wird. Insbesondere erfolgt eine Aktualisierung der Zuordnungsvorschrift in regelmäßigen Zeitabständen. Es ist allerdings grundsätzlich auch möglich, dass die Aktualisierung in unregelmäßigen oder zufälligen Zeitabständen erfolgt.
Unter einer Aktualisierung der Zuordnungsvorschrift in Zeitabständen ist zu verstehen, dass die Zuordnungsvorschrift in diesen Zeitabständen durch die Optimierungseinheit grundsätzlich geändert werden kann oder änderbar ist. Dies setzt nicht voraus, dass die Zuordnungsvorschrift tatsächlich bei jeder Aktualisierung inhaltlich geändert wird. Es ist grundsätzlich möglich, dass die Zuordnungsvorschrift bei einer oder mehreren Aktualisierungen inhaltlich gleich bleibt.
Durch die genannte Aktualisierung der Zuordnungsvorschrift lässt sich eine minimierte Abweichung zwischen Soll-Phasendifferenzwerten und Ist-Phasendifferenzwerten im laufenden Betrieb der Vorrichtung sicherstellen.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Zuordnungsvorschrift mittels der Optimierungseinheit derart geändert und/oder angepasst wird, dass eine Abweichung zwischen mittels der Steuerungseinrichtung gemäß der Zuordnungsvorschrift eingestellten Soll-Phasendifferenzwerten und mittels der Messeinrichtung gemessenen Ist-Phasendifferenzwerten minimiert wird. Die Zuordnungsvorschrift muss hierbei nicht notwendigerweise vollständig geändert werden, sondern kann beispielsweise auch teilweise und/oder abschnittsweise geändert werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung mittels der Steuerungseinrichtung mit einer Phaseneinstellfrequenz erfolgt, und wenn eine Aktualisierung der Zuordnungsvorschrift mit einer Optimierungsfrequenz erfolgt. Insbesondere kann es dann vorgesehen sein, dass die Phaseneinstellfrequenz größer als die Optimierungsfrequenz ist.
Unter der Phaseneinstellfrequenz ist insbesondere eine Frequenz bzw. ein sich aus der Frequenz ergebender Zeitabstand zu verstehen, mit welcher bzw. welchem eine Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung durch die Steuerungseinrichtung im Betrieb der Vorrichtung erfolgen kann oder erfolgt.
Unter der Optimierungsfrequenz ist insbesondere eine Frequenz bzw. ein sich aus der Frequenz ergebender Zeitabstand zu verstehen, mit welcher bzw. welchem eine Aktualisierung der Zuordnungsvorschrift im Betrieb der Vorrichtung erfolgen kann oder erfolgt.
Die Phaseneinstellfrequenz und/oder die Optimierungsfrequenz sind im Betrieb der Vorrichtung nicht notwendigerweise konstant, sondern können im Betrieb variieren. Insbesondere ist unter der Phaseneinstellfrequenz bzw. der Optimierungsfrequenz eine momentane Phaseneinstellfrequenz bzw. Optimierungsfrequenz im Betrieb der Vorrichtung zu verstehen.
Insbesondere beträgt die Phaseneinstellfrequenz bzw. eine momentane Phaseneinstellfrequenz im Betrieb der Vorrichtung mindestens 1 MHz und/oder höchstens 1 GHz und vorzugsweise mindestens 10 MHz und/oder höchstens 50 MHz. Es lassen sich dadurch die kohärenten Laserstrahlen mit einer hohen zeitlichen und/oder räumlichen Auflösung zu unterschiedlichen kombinierten Laserstrahlen kombinieren. Dies ermöglicht beispielsweise eine schnelle Variation von Strahlverteilungen und/oder Pulsparametern, was beispielsweise wiederum eine Bearbeitung von Werkstücken mit einer erhöhten Geschwindigkeit sowie einer erhöhten zeitlichen und/oder räumlichen Auflösung ermöglicht.
Insbesondere beträgt die Optimierungsfrequenz bzw. eine momentane Optimierungsfrequenz im Betrieb der Vorrichtung mindestens 0,5 kHz und/oder höchstens 5 kHz und vorzugsweise mindestens 2 kHz und/oder höchstens 5 kHz.
Durch die gegenüber der Phaseneinstellfrequenz verringerte Optimierungsfrequenz lassen sich die Phasendifferenzen zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen deutlich schneller einstellen, als eine Aktualisierung der Zuordnungsvorschrift erfolgt. Es ergibt sich dadurch eine Verringerung einer zur Optimierung der Zuordnungsvorschrift benötigten Datenübertragungsrate und/oder Rechenleistung bei zugleich sehr schneller Einstellbarkeit der Phasendifferenzen.
Als dem gleichen Grund kann es vorteilhaft sein, wenn die Ermittlung der Ist-Phasendifferenzwerte zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen mittels der Messeinrichtung mit einer Messabstandsfrequenz erfolgt, wobei die Phaseneinstellfrequenz größer als die Messabstandsfrequenz ist.
Insbesondere beträgt die Messabstandsfrequenz mindestens 0,5 kHz und/oder höchstens 5 kHz.
Beispielsweise entspricht die Messabstandsfrequenz zumindest näherungsweise der Optimierungsfrequenz.
Günstig kann es sein, wenn die Ermittlung der Ist-Phasendifferenzwerte zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen mittels der Messeinrichtung mit einer Messgenauigkeitsfrequenz erfolgt, welche größer als oder gleich der Phaseneinstellfrequenz ist. Es lässt sich dadurch eine hinreichend genaue Messung der jeweiligen Phasendifferenzen sicherstellen.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Messgenauigkeitsfrequenz um maximal einen Faktor 5 kleiner ist als die Phaseneinstellfrequenz.
Die Messgenauigkeitsfrequenz ist im Betrieb der Vorrichtung nicht notwendigerweise konstant, sondern kann im Betrieb variieren. Insbesondere ist unter der Messgenauigkeitsfrequenz eine momentane Messgenauigkeitsfrequenz im Betrieb der Vorrichtung zu verstehen.
Insbesondere beträgt die Messgenauigkeitsfrequenz mindestens 1 MHz und/oder höchstens 50 MHz.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Zuordnungsvorschrift eine Zuordnung von Ansteuerwerten, mit welchen die Steuerungseinrichtung die Phaseneinstelleinrichtung ansteuert, zu Soll-Phasendifferenzwerten der jeweiligen verstärkten kohärenten Laserstrahlen aufweist, und/oder dass die Zuordnungsvorschrift eine Zuordnungstabelle ist oder umfasst.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Zuordnungsvorschrift eine mathematische Funktion ist oder umfasst.
Insbesondere ist der Steuerungseinrichtung eine Speichereinrichtung zugeordnet, in welcher die Zuordnungsvorschrift gespeichert ist. Beispielsweise umfasst die Steuerungseinrichtung die Speichereinrichtung.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung mindestens eine Zusatz-Messeinrichtung zur Ermittlung der jeweiligen Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen, wobei mittels der mindestens einen Zusatz-Messeinrichtung Ist-Phasendifferenzwerte zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen ermittelt werden. Insbesondere ist die mindestens eine Zusatz-Messeinrichtung nach Messeinrichtung angeordnet. Mittels der mindestens einen Zusatz-Messeinrichtung lassen sich insbesondere zusätzliche Messwerte für die Ist-Phasendifferenzwerte erfassen, wodurch sich die jeweilige Phasendifferenz mit einer erhöhten Genauigkeit ermitteln lässt. Beispielsweise lassen sich mittels der Zusatz-Messeinrichtung Abweichungen der Soll-Phasendifferenzwerte, welche aus der Messung mittels der Messeinrichtung resultieren können, zumindest teilweise ausgleichen. Es ergibt sich dadurch insbesondere eine verbesserte Optimierung der Zuordnungsvorschrift und/oder eine verringerte Abweichung zwischen Soll- und Ist-Phasendifferenzwerten.
Mittels der mindestens einen Zusatz-Messeinrichtung lassen sich insbesondere Zusatzmessungen an einer Messposition im Strahlengang durchführen, welche von einer Messposition der Messeinrichtung verschieden ist. Beispielsweise kann die Messposition der Zusatz-Messeinrichtung in einem Bereich eines Werkstücks liegen, welches mittels des mindestens einen kombinierten Laserstrahls bearbeitet wird. Dadurch lassen sich die Soll-Phasendifferenzwerte bzw. Ist-Phasendifferenzwerte gezielt an einer für die Anwendung der Vorrichtung besonders relevanten Position einstellen bzw. messen.
Es kann auch vorgesehen sein, dass mittels der mindestens einen Zusatz-Messeinrichtung Kalibrationsmessungen durchgeführt werden, um eine Startversion der Zuordnungsvorschrift zu definieren.
Darunter, dass eine erste Einrichtung und/oder ein erstes Element der Vorrichtung bezüglich der Haupt-Propagationsrichtung nach einer zweiten Einrichtung und/oder einem zweiten Element der Vorrichtung angeordnet ist, ist vorliegend zu verstehen, dass die kohärenten Laserstrahlen bzw. verstärkten kohärenten Laserstrahlen zeitlich zuerst auf die zweite Einrichtung und/oder das zweite Element treffen und anschließend auf die erste Einrichtung und/oder das erste Element. Die zweite Einrichtung und/oder das zweite Element ist dann vor der ersten Einrichtung und/oder dem ersten Element angeordnet.
Eine Messgenauigkeitsfrequenz und/oder eine Messabstandsfrequenz der mindestens einen Zusatz-Messeinrichtung kann grundsätzlich einer Messgenauigkeitsfrequenz bzw. einer Messabstandsfrequenz der Messeinrichtung zumindest näherungsweise entsprechen.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass eine Messgenauigkeitsfrequenz und/oder eine Messabstandsfrequenz der mindestens einen Zusatz-Messeinrichtung geringer ist als eine Messgenauigkeitsfrequenz bzw. Messabstandsfrequenz der Messeinrichtung.
Beispielsweise beträgt die Messgenauigkeitsfrequenz der mindestens einen Zusatz-Messeinrichtung mindestens 0,5 kHz und/oder höchstens 500 kHz.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung mindestens ein Sensorelement zur Messung eines die jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen beeinflussenden Parameters, wobei mittels des mindestens einen Sensorelements ermittelte Messwerte an die Steuerungseinrichtung und/oder an die Optimierungseinheit übermittelt werden.
Insbesondere kann es dann vorgesehen sein, dass die mittels des mindestens einen Sensorelements ermittelten Messwerte zur Optimierung der Zuordnungsvorschrift herangezogen werden. Es ergibt sich dadurch insbesondere eine verbesserte Optimierung der Zuordnungsvorschrift und/oder eine verringerte Abweichung zwischen Soll- und Ist-Phasendifferenzwerten.
Insbesondere werden mittels der Messeinrichtung bzw. der mindestens einen Zusatz-Messeinrichtung die Ist-Phasendifferenzwerte zwischen allen vorhandenen verstärkten kohärenten Laserstrahlen und/oder paarweise zwischen allen vorhandenen verstärkten kohärenten Laserstrahlen ermittelt. Insbesondere werden mittels der Messeinrichtung die Ist-Phasendifferenzwerte für alle möglichen Kombinationen der vorhandenen verstärkten kohärenten Laserstrahlen ermittelt.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass mittels der Messeinrichtung bzw. der mindestens einen Zusatz-Messeinrichtung eine jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen vor deren Kombination zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl gemessen wird.
Die Messeinrichtung umfasst beispielsweise mehrere Messeinheiten, wobei in eine Messeinheit jeweils einer der verstärkten kohärenten Laserstrahlen und ein weiterer der verstärkten kohärenten Laserstrahlen eingekoppelt wird.
Eine Messeinheit der Messeinrichtung umfasst mindestens ein Messelement zur Intensitätsmessung einer räumlichen Überlagerung der beiden verstärkten kohärenten Laserstrahlen. Das Messelement ist beispielsweise als Photodetektor ausgebildet oder umfasst einen Photodetektor. Der Photodetektor kann beispielsweise ein schneller Photodetektor und/oder ein getakteter Photodetektor und/oder eine Photodiode sein.
Die kohärenten Laserstrahlen können gepulste Laserstrahlen oder Dauerstrichlaserstrahlen sein. Insbesondere sind die kohärenten Laserstrahlen Ultrakurzpulslaserstrahlen.
Die Vorrichtung ist insbesondere eingerichtet, um die verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu dem mindestens einen kohärenten Laserstrahl zu kombinieren. Die kohärenten Laserstrahlen und/oder die verstärkten kohärenten Laserstrahlen sind insbesondere jeweils Laserstrahlen mit dem Zweck, zu dem mindesten einen kombinierten Laserstrahl kombiniert zu werden.
Die Verstärkungseinrichtung kann beispielsweise Faserverstärker, Slabverstärker, Stabverstärker oder Scheibenverstärker umfassen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Verstärkungseinrichtung eine Frequenzkonversionsstufe aufweist oder der Verstärkungseinrichtung eine Frequenzkonversionsstufe der Vorrichtung zugeordnet ist.
Insbesondere ist mittels der Phaseneinstelleinrichtung eine jeweilige Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen und/oder zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen einstellbar.
Insbesondere bewirkt eine mittels der Phaseneinstelleinrichtung durchgeführte Änderung der Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen eine Änderung der Phasendifferenz zwischen den entsprechenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Kombinationseinrichtung zur Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu dem mindestens einen kombinierten Laserstrahl. Die Kombinationseinrichtung umfasst beispielsweise mindestens ein Mikrolinsen-Array und/oder mindestens ein diffraktives optisches Element und/oder mindestens ein Interferometer-Optiksystem und/oder mindestens ein polarisationsbeeinflussendes Element.
Beispielsweise umfasst die Kombinationseinrichtung mindestens ein diffraktives optisches Element, wobei das mindestens eine diffraktive optisches Element beispielsweise eine Gitterstruktur mit periodischem Muster umfasst. Es lässt sich dadurch beispielsweise eine Kombination der kohärenten Laserstrahlen nach dem „filled-aperture“-Prinzip realisieren.
Es kann vorgesehen sein, dass die Kombinationseinrichtung mindestens ein Mikrolinsen-Array zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen umfasst. Es lässt sich dadurch beispielsweise eine Kombination der kohärenten Laserstrahlen nach dem „mixed-aperture“-Prinzip realisieren.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die verstärkten kohärenten Laserstrahlen ohne Kombinationseinrichtung zu dem mindestens einen kombinierten Laserstrahl kombiniert werden. Beispielsweise werden dann die verstärkten kohärenten Laserstrahlen durch Propagation im Fernfeld zu dem mindestens einen kombinierten Laserstrahl kombiniert („tiled-aperture“-Prinzip).
Beispielsweise kann mindestens ein Linsenelement zur Abbildung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen in mindestens einen kombinierten Laserstrahl vorgesehen sein. Es lässt sich dadurch beispielsweise eine Kombination der kohärenten Laserstrahlen nach dem „tiled-aperture“-Prinzip realisieren.
Es kann vorgesehen sein, dass die Kombinationseinrichtung eine Frequenzkonversionsstufe aufweist oder der Kombinationseinrichtung eine Frequenzkonversionsstufe der Vorrichtung zugeordnet ist. Insbesondere ist die Frequenzkonversionsstufe der Kombinationseinrichtung vorgeschaltet.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Vorrichtung mindestens eine Laserquelle zur Bereitstellung der kohärenten Laserstrahlen umfasst.
Erfindungsgemäß umfasst das eingangs genannte Lasersystem mindestens eine Laserquelle zur Bereitstellung von kohärenten Laserstrahlen und eine vorstehend beschriebene Vorrichtung zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen.
Insbesondere können eine einzige oder mehrere Laserquellen vorgesehen sein, um die kohärenten Laserstrahlen bereitzustellen. Im Fall einer einzigen Laserquelle werden mehrere kohärente Laserstrahlen durch Aufteilung eines mittels dieser Laserquelle bereitgestellten Eingangslaserstrahls erzeugt. Im Fall mehrerer Laserquellen wird beispielsweise mittels einer der Laserquellen jeweils mindestens ein kohärenter Laserstrahl bereitgestellt.
Erfindungsgemäß ist es bei dem eingangs genannten Verfahren zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen vorgesehen, dass eine jeweilige Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen mittels einer Phaseneinstelleinrichtung eingestellt wird, die kohärenten Laserstrahlen mittels einer Verstärkungseinrichtung verstärkt werden, wobei aus der Verstärkungseinrichtung verstärkte kohärente Laserstrahlen ausgekoppelt werden, die Phaseneinstelleinrichtung mittels einer Steuerungseinrichtung auf Grundlage einer vorgegebenen Zuordnungsvorschrift angesteuert wird, um eine jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen auf vorgegebene Soll-Phasendifferenzwerte einzustellen, die jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen mittels einer Messeinrichtung ermittelt wird, wobei mittels der Messeinrichtung Ist-Phasendifferenzwerte zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen ermittelt werden, und dass die Zuordnungsvorschrift mittels einer der Steuerungseinrichtung zugeordneten Optimierungseinheit auf Grundlage der mittels der Messeinrichtung ermittelten Ist-Phasendifferenzwerte optimiert wird.
Insbesondere weist das erfindungsgemäße Verfahren ein oder mehrere weitere Merkmale und/oder Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass Soll-Phasendifferenzwerte vorgegeben werden und dass die Steuerungseinrichtung die Phaseneinstelleinrichtung mit Ansteuerwerten gemäß der Zuordnungsvorschrift ansteuert, um die jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen auf die vorgegebenen Soll-Phasendifferenzwerte einzustellen.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass zur Optimierung der Zuordnungsvorschrift mittels der Steuerungseinrichtung gemäß der Zuordnungsvorschrift eingestellte Soll-Phasendifferenzwerte mit mittels der Messeinrichtung gemessenen Ist-Phasendifferenzwerten verglichen werden. Insbesondere wird dann die Zuordnungsvorschrift derart geändert und/oder angepasst, dass eine Differenz zwischen den Soll-Phasendifferenzwerten und Ist-Phasendifferenzwerten minimiert wird.
Insbesondere ist unter den Angaben „zumindest näherungsweise“ oder „näherungsweise“ im Allgemeinen eine Abweichung von höchstens 10 % zu verstehen. Falls nicht anders angegeben, ist unter den Angaben „zumindest näherungsweise“ oder „näherungsweise“ insbesondere zu verstehen, dass ein tatsächlicher Wert und/oder Abstand und/oder Winkel um höchstens 10 % von einem idealen Wert und/oder Abstand und/oder Winkel abweicht.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Kombination von mehreren kohärenten Laserstrahlen;
2a ein als diffraktives optisches Element ausgeführtes Kombinationselement zur Kombination von verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu einem kombinierten Laserstrahl;
2b ein als Mikrolinsenarray ausgeführtes Kombinationselement zur Kombination von verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu einem kombinierten Laserstrahl;
2c ein Linsenelement zur Fokussierung von verstärkten kohärenten Laserstrahlen;
3 eine schematische Darstellung einer Auskopplungseinrichtung zur anteiligen Auskopplung von verstärkten kohärenten Laserstrahlen, um diese einer Messeinrichtung;
4 eine schematische Darstellung von Messeinheiten der Messeinrichtung, wobei mittels den Messeinheiten jeweils eine Phasendifferenz zwischen Paaren aus zueinander benachbarten verstärkten kohärenten Laserstrahlen gemessen wird;
5 eine schematische Darstellung von Messeinheiten der Messeinrichtung, wobei mittels den Messeinheiten jeweils eine Phasendifferenz zwischen Paaren aus demselben ersten und einem weiteren der kohärenten Laserstrahlen gemessen wird;
6 eine schematische Darstellung einer weiteren Konfiguration von Messeinheiten der Messeinrichtung;
7a eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Messeinheit, wobei die Messeinheit drei Messstrecken mit jeweils einem Messelement aufweist;
7b,c,d schematische Darstellungen von Laserpulsen der verstärkten kohärenten Laserstrahlen, welche jeweils auf die unterschiedlichen Messelemente der Messeinheit gemäß 7a treffen, wobei Paare von Laserpulsen mit jeweils unterschiedlichem zeitlichen Versatz auf die jeweiligen Messelemente treffen;
8 eine schematische Darstellung eines mittels eines Messelements gemessenen Intensitätsverlaufs in Abhängigkeit einer Phasendifferenz jeweiliger Laserpulsen zweier unterschiedlicher verstärkter kohärenter Laserstrahlen.
9a eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Messeinheit, welche ein einziges Messelement aufweist;
9b eine schematische Darstellung von Laserpulsen der verstärkten kohärenten Laserstrahlen, wobei Paare von Laserpulsen mit jeweils unterschiedlichem zeitlichen Versatz auf das Messelement treffen und wobei unterschiedliche Paare mit zeitlichem Versatz auf das Messelement treffen;
10 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Messeinheit, welche ein einziges Messelement aufweist;
11 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Messeinheit mit einem Messelement, wobei Verzögerungselemente vorgesehen sind, um eine Offset-Phasendifferenz von mehr als 2*Pi zu erzeugen;
12a ein Beispiel eines zeitlichen Verlauf eingestellter Soll-Phasendifferenzwerte zwischen zwei verstärkten kohärenten Laserstrahlen;
12b ein Beispiel einer zeitlichen Abfolge von mittels einer Messeinrichtung durchgeführten Messungen zur Messung von Ist-Phasendifferenzwerten zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen;
12c ein Beispiel eines zeitlichen Verlaufs einer Abweichung zwischen Soll-Phasendifferenzwerten und Ist-Phasendifferenzwerten; und
12d ein Beispiel eines zeitlichen Ablaufs einer Optimierung einer Zuordnungsvorschrift, auf deren Grundlage eine Einstellung der Soll-Phasendifferenzwerte erfolgt.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen ist in 1 schematisch gezeigt und dort mit 100 bezeichnet. Mittels der Vorrichtung 100 lässt sich eine Kombination der kohärenten Laserstrahlen 102 durchführen (coherent beam combining), wobei ein oder mehrere kombinierte Laserstrahlen 104 ausgebildet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist es vorgesehen, dass mittels einer Laserquelle 106 ein Eingangslaserstrahl 108 bereitgestellt wird und durch Aufteilung des Eingangslaserstrahls 108 mehrere kohärente Laserstrahlen 102 ausgebildet werden.
Alternativ ist es auch möglich, dass zur Bereitstellung der kohärenten Laserstrahlen 102 mehrere Laserquellen 106 vorgesehen sind. Beispielsweise werden dann mittels einer jeweiligen Laserquelle 106 ein oder mehrere kohärente Laserstrahlen 102 bereitgestellt.
Zur Aufteilung des Eingangslaserstrahls 108 in mehrere kohärente Laserstrahlen 102 ist eine Aufteilungseinrichtung 110 vorgesehen. In 1 sind beispielsweise drei kohärente Laserstrahlen 102 gezeigt, welche durch Aufteilung des Eingangslaserstrahls 108 mittels der Aufteilungseinrichtung 110 ausgebildet werden.
Der Eingangslaserstrahl 108 und/oder die kohärenten Laserstrahlen 102 sind beispielsweise gepulste Laserstrahlen und insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahlen.
Die kohärenten Laserstrahlen 102 weisen insbesondere gleiche Eigenschaften auf, wie z.B. die gleiche Wellenlänge und/oder das gleiche Spektrum.
Zur Einstellung einer jeweiligen Phasendifferenz zwischen den einzelnen kohärenten Laserstrahlen 102 ist eine Phaseneinstelleinrichtung 112 vorgesehen. Die Phaseneinstelleinrichtung 112 umfasst insbesondere mehrere Phaseneinstellelemente 114, wobei mittels eines bestimmten Phaseneinstellelements 114 eine Phase eines zugeordneten kohärenten Laserstrahls 102 einstellbar ist. Beispielsweise ist mehreren oder allen der kohärenten Laserstrahlen 102 jeweils ein Phaseneinstellelement 114 zugeordnet.
Im Fall von N kohärenten Laserstrahlen 102 umfasst die Phaseneinstelleinrichtung 112 beispielsweise N-1 oder N Phaseneinstellelemente 114.
Hinsichtlich der technischen Details zur Kombination kohärenter Laserstrahlen wird auf die wissenschaftlichen Veröffentlichungen „Coherent combination of ultrafast fiber amplifiers“, Hanna, et al, Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 49(6) (2016), 062004; „Performance scaling of laser amplifiers via coherent combination of ultrashort pulses“, Klenke, Mensch und Buch Verlag; „Coherent beam combining with an ultrafast multicore Yb-doped fiber amplifier“, Ramirez, et al., Optics Express 23(5), (2015), 5406-5416; und „Highly scalable femtosecond coherent beam combining demonstrated with 19 fibers“, Le Dortz, et al., Optics Letters 42(10), (2017), 1887-1890, verwiesen.
Zur Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen 102 umfasst die Vorrichtung 100 eine Verstärkungseinrichtung 120. Insbesondere umfasst die Verstärkungseinrichtung 120 mehrere Verstärkungselemente 122, wobei beispielsweise ein Verstärkungselement 122 jeweils einem der kohärenten Laserstrahlen 102 zugeordnet ist.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel werden die kohärenten Laserstrahlen 102 in die Verstärkungseinrichtung 120 bzw. in die jeweiligen Verstärkungselemente 122 der Verstärkungseinrichtung 120 eingekoppelt. Insbesondere werden vor Einkopplung der kohärenten Laserstrahlen 102 in die Verstärkungseinrichtung 120 mittels der Phaseneinstelleinrichtung 112 die jeweiligen Phasendifferenzen zwischen den kohärenten Laserstrahlen 102 eingestellt.
Die kohärenten Laserstrahlen 102, welche mittels der Verstärkungseinrichtung 120 verstärkt wurden, werden nachfolgend als verstärkte kohärente Laserstrahlen 124 bezeichnet. Eine Anzahl vorhandener kohärenter Laserstrahlen 102 entspricht bei dem gezeigten Beispiel einer Anzahl vorhandener verstärkter kohärenter Laserstrahlen 124.
Zur Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 ist insbesondere eine Kombinationseinrichtung 126 vorgesehen, mittels welcher durch Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 der kombinierte Laserstrahl 104 ausgebildet wird.
Beispielsweise werden aus der Verstärkungseinrichtung 120 ausgekoppelte verstärkte kohärente Laserstrahlen 124 in die Kombinationseinrichtung 126 eingekoppelt.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Kombinationseinrichtung 126 ein diffraktives optisches Element 128 zur Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 (2a). Zur Fokussierung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 auf das diffraktive optische Element 128 ist beispielsweise ein Linsenelement 130 vorgesehen (in den 2a, 2b und 2c ist jeweils eine Einhüllende 132 der auf die Kombinationseinrichtung 126 bzw. auf das Linsenelement 130 einfallenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 angedeutet).
Beispielsweise ist oder umfasst das diffraktive optische Element 128 eine Gitterstruktur mit periodischem Muster.
Hinsichtlich der technischen Details zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen mittels diffraktiven optischen Elementen wird auf die wissenschaftlichen Veröffentlichungen „Coherent combination of ultrashort pulse beams using two diffractive optics“, Zhou et al., Opt. Lett. 42, 4422-4425 (2017) und „Diffractive-optics-based beam combination of a phase-locked fiber laser array“, Cheung et al., Opt. Lett. 33, 354-356 (2008) verwiesen.
Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass die Kombinationseinrichtung 126 ein Mikrolinsen-Array 134 zur Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 aufweist (2b).
Hinsichtlich der technischen Details zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen mittels einem oder mehreren Mikrolinsen-Arrays wird auf die WO 2020/016336 A1 und auf die DE 10 2020 201 161 A1 der gleichen Anmelderin verwiesen.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 ohne Kombinationseinrichtung 126 erfolgt. Beispielsweise wird dann der kombinierte Laserstrahl 104 durch Überlagerung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 im Fernfeld ausgebildet.
Insbesondere kann dann ein Linsenelement 136 zur Fokussierung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 vorgesehen sein (2c).
Zur Messung der jeweiligen Phasendifferenz Δφ zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 umfasst die Vorrichtung 100 eine Messeinrichtung 138, welche beispielsweise bezüglich einer Haupt-Propagationsrichtung 140 der kohärenten Laserstrahlen 102 und/oder der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 nach der Verstärkungseinrichtung 120 angeordnet ist. Insbesondere ist die Messeinrichtung 138 zwischen der Verstärkungseinrichtung 120 und der Kombinationseinrichtung 126 positioniert.
Die verschiedenen verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 weisen zueinander jeweils eine bestimmte Phasendifferenz Δφ auf (angedeutet in 3), welche mittels der Messeinrichtung 138 ermittelt werden soll. Unter den Phasendifferenzen Δφ sind mittels der Messeinrichtung 138 ermittelte Ist-Phasendifferenzen und/oder Ist-Phasendifferenzwerte zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 zu verstehen.
Um der Messeinrichtung 138 die verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 anteilig zuzuführen kann eine Auskopplungseinrichtung 142 vorgesehen sein (3). Diese Auskopplungseinrichtung 142 ist bezüglich der Haupt-Propagationsrichtung 140 insbesondere nach der Verstärkungseinrichtung 120 und/oder vor der Kombinationseinrichtung 126 angeordnet.
Beispielsweise ist die Auskopplungseinrichtung 142 in einem Strahlengang 144 der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 angeordnet. Mittels der Auskopplungseinrichtung 142 werden Strahlanteile der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 ausgekoppelt, um diese in die Messeinrichtung 138 einzukoppeln.
Auf die Auskopplungseinrichtung 142 einfallende verstärkte kohärente Laserstrahlen 124-ei werden mittels der Auskopplungseinrichtung 142 in ausgekoppelte verstärkte kohärente Laserstrahlen 124-ak und transmittierte verstärkte kohärente Laserstrahlen 124-tr aufgeteilt.
Die ausgekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-ak sind jeweils Strahlanteile der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124. Die verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 werden mittels der Auskopplungseinrichtung 142 somit anteilig der Messeinrichtung 138 zugeleitet.
Insbesondere ist eine Leistung und/oder eine Intensität der ausgekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-ak kleiner als 10 % und insbesondere kleiner als 5 % einer Leistung bzw. Intensität der einfallenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-ei.
Die Messeinrichtung 138 weist einen Eingang 146 zur Einkopplung der Strahlanteile der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 in die Messeinrichtung 138 auf. Insbesondere werden die jeweiligen Strahlanteile der verstärkten kohärenten Laserstrahlen separat und/oder räumlich getrennt in die Messeinrichtung 138 eingekoppelt.
Die Messeinrichtung 138 umfasst eine oder mehrere Messeinheiten 148. Beispielsweise umfasst die Messeinrichtung im Fall von N verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 N oder N-1 Messeinheiten.
Bei dem in den 3 und 4 gezeigten Beispiel sind vier verstärkte kohärente Laserstrahlen 124 vorgesehen, deren Strahlanteile jeweils in die Messeinrichtung 138 eingekoppelt werden. Diese beispielsweise vier verstärkten kohärenten Laserstrahlen sind nachfolgend mit 124-1, 124-2, 124-3 und 124-4 bezeichnet.
Mittels den Messeinheiten 148 werden jeweils paarweise Phasendifferenzen Δφ zwischen den unterschiedlichen verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 gemessen, wobei die Phasendifferenzen Δφ jeweils für unterschiedliche 2er-Paare und/oder 2er-Kombinationen der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 ermittelt werden.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass mittels der Messeinrichtung 138 und/oder mittels den Messeinheiten 148 der Messeinrichtung 138 Phasendifferenzen Δφ jeweils paarweise zwischen einem der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 und einem Referenzlaserstrahl 149 gemessen werden.
Beispielsweise kann der Referenzlaserstrahl 149 ein aus der Laserquelle 106 ausgekoppelter Laserstrahl und/oder ein Strahlanteil des Eingangslaserstrahls 108 sein. Es ist auch möglich, dass der Referenzlaserstrahl 149 einer der aus der Aufteilungseinrichtung 110 ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen 102 ist (beide Varianten sind in 1 durch die gepunktete Linie angedeutet).
Es kann vorgesehen sein, dass dem Referenzlaserstrahl 149 ein Phaseneinstellelement 114 und/oder ein Verstärkungselement 122 zugeordnet sind.
Bei einer Variante wird der Referenzlaserstrahl 149 mittels der Auskopplungseinrichtung 142 in die Messeinrichtung 138 eingekoppelt, wobei dann insbesondere ein Anteil von mindestens 90 % und/oder zumindest näherungsweise 100 % des Referenzlaserstrahls 149 in die Messeinrichtung 138 eingekoppelt wird (angedeutet in 1).
Je nach Ausführungsform kann der in 4 mit 124-1 bezeichnete verstärkte kohärente Laserstrahl beispielsweise dem Referenzstrahl 149 entsprechen.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass der Referenzlaserstrahl 149 mittels eines separaten Strahlpfads, welcher insbesondere nicht durch die Auskopplungseinrichtung 142 führt, in die Messeinrichtung 138 eingekoppelt wird (nicht gezeigt).
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 wird jeweils eine Phasendifferenz Δφ zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1 und 124-2, 124-2 und 124-3 sowie 124-3 und 124-4 gemessen, wobei die Phasendifferenz Δφ den unterschiedlichen Paaren aus zwei verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 jeweils mittels einer unterschiedlichen Messeinheit 148 gemessen wird.
Bei dem in 4 gezeigten Beispiel wird folglich jeweils die Phasendifferenz Δφ für drei unterschiedliche Kombinationen bestehend aus jeweils zwei der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 gemessen. Folglich wird jeweils eine Phasendifferenz Δφ zwischen einem ersten der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 und genau einem weiteren der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 gemessen, wobei der erste und der genau eine weitere der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 jeweils bei allen Messungen unterschiedlich ist.
In 5 ist eine weitere Ausführungsform einer Messeinrichtung 138 gezeigt. Bei diesem Beispiel wird mittels der unterschiedlichen Messeinheiten 148 jeweils eine Phasendifferenz Δφ zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1 und 124-2 bzw. 124-1 und 124-3 bzw. 124-1 und 124-4 gemessen.
Bei dem in 5 gezeigten Beispiel wird folglich jeweils die Phasendifferenz Δφ für drei unterschiedliche Kombinationen bestehend aus jeweils zwei der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 gemessen. Folglich wird jeweils eine Phasendifferenz Δφ zwischen einem ersten der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 und genau einem weiteren der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 gemessen, wobei der erste der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 jeweils bei allen Messungen unterschiedlich ist und der genau eine weitere bei allen Messungen derselbe ist (bei dem gezeigten Beispiel nämlich der verstärkte kohärente Laserstrahl 124-1).
Bei einer Variante des in 5 gezeigten Beispiels kann der verstärkte kohärente Laserstrahl 124-1 dem Referenzstrahl 149 entsprechen.
Bei dem Beispiel gemäß 6 sind sechs verstärkte kohärente Laserstrahlen 124-1, 124-2, 124-3, 124-4, 124-5 und 124-6 vorhanden. Bei diesem Beispiel wird jeweils die Phasendifferenz Δφ für fünf unterschiedliche Kombinationen bestehend aus jeweils zwei der verstärkten kohärenten Laserstrahlen gemessen. Es wird jeweils eine Phasendifferenz Δφ zwischen einem ersten der verstärkten kohärenten Laserstrahlen und genau einem weiteren der verstärkten kohärenten Laserstrahlen gemessen, wobei der erste der verstärkten kohärenten Laserstrahlen bei allen Messungen unterschiedlich und der genau eine weitere der verstärkten kohärenten Laserstrahlen bei drei der Messungen der verstärkte kohärente Laserstrahl 124-3 (Messungen zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1 und 124-3, 124-2 und 124-3, 124-4,124-3) ist und bei zwei der Messungen der verstärkte kohärente Laserstrahl 124-4 ist (Messungen zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-6 und 124-4, 124-5 und 124-6).
Eine Strahlführung innerhalb der Messeinrichtung 138 kann beispielsweise Freistrahlbasiert und/oder Faserbasiert und/oder Wellenleiterbasiert erfolgen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Messeinrichtung 138 zumindest abschnittsweise als Photonic Integrated Circuit (PIC) ausgeführt. In diesem Fall sind, vergleichbar mit integrierten Schaltkreisen, optische Komponenten und/oder Strahlführungskomponenten auf einem Substrat angeordnet, wie beispielsweise einem Siliziumsubstrat, Siliziumnitridsubstrat und/oder einem Lithium-Niobate-on-Insulator-Substrat.
Hinsichtlich der Realisierung und Eigenschaften von optischen Komponenten und/oder Strahlführungskomponenten als PIC wird auf die wissenschaftliche Veröffentlichung „Direct and Sensitive Phase Readout for Integrated Waveguide Sensors“, von R. Halir et al., IEEE Photonics Journal, Volume 5, Number 4, August 2013, DOI: 10.1109/JPHOT.2013.2276747, verwiesen.
Ein Ausführungsbeispiel der Messeinheit 148 ist in 7 gezeigt. Die Messeinheit 148 umfasst ein oder mehrere Messelemente 150. Bei dem gezeigten Beispiel sind drei Messelemente 150a, 150b, 150c vorgesehen.
Das Messelement 150 ist ausgebildet, um eine Intensität eines auf dieses einfallenden Laserstrahls oder einer auf dieses einfallenden Überlagerung von Laserstrahlen zeitaufgelöst zu messen. Beispielsweise ist oder umfasst das Messelement 150 eine Photodiode.
Die Messeinheit 148 umfasst einen ersten Eingang 152a zur Einkopplung eines ersten verstärkten kohärenten Laserstrahls 124, beispielsweise des verstärkten kohärenten Laserstrahls 124-1, und einen zweiten Eingang 152b zur Einkopplung eines zweiten verstärkten kohärenten Laserstrahls 124, beispielsweise des verstärkten kohärenten Laserstrahls 124-2.
Die beiden über den ersten Eingang 152a und den zweiten Eingang 152b eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1 und 124-2 werden an dem Messelement 150 überlagert und insbesondere kollinear überlagert.
Zur Überlagerung der beiden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1 und 124-2 ist dem Messelement 150 ein Überlagerungselement 154 zugeordnet. Beispielsweise ist das Überlagerungselement 154 als Y-Koppler und insbesondere als Y-Koppler auf Faserbasis ausgeführt. Beispielsweise kann das Überlagerungselement 154 als Multimode-Interference-Koppler (MMI-Koppler) ausgeführt sein.
Die beiden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1 und 124-2 werden räumlich auf die verschiedenen Messelemente 150 der Messeinheit 148 aufgeteilt. Bei dem Beispiel gemäß 7 werden die verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1 und 124-2 auf die drei Messelemente 150a, 150b, 150c aufgeteilt. Zur Aufteilung der beiden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1 und 124-2 auf die verschiedenen Messelemente 150 sind beispielsweise unterschiedliche Strahlpfade vorgesehen.
Die Messeinrichtung 138 und/oder die Messeinheit 148 sind so ausgebildet, dass mittels jeder Messeinheit 148 für die in diese eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 mindestens drei unterschiedliche Messwerte ermittelt werden, wobei den unterschiedlichen Messwerten jeweils eine unterschiedliche Offset-Phasendifferenz Δφ^off zugeordnet ist.
Falls es sich bei den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 um gepulste Laserstrahlen handelt, weisen die verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 jeweils Laserpulse 156 auf. Die Offset-Phasendifferenz Δφ^off geht dann mit einem zeitlichen Versatz einher, mit welchem die jeweilige Laserpulse 156 der beiden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 auf das Messelement 150 treffen ( 7b, 7c und 7d).
Bei dem in 7a gezeigten Beispiel wird an einem der Messelemente 150 jeweils ein Messwert für ein Paar 158 aus einem ersten Laserpuls 156 und einem weiteren Laserpuls 156 aufgenommen, wobei insbesondere die jeweiligen Offset-Phasendifferenzen Δφ^off an den verschiedenen Messelementen 150 der Messeinheit 148 unterschiedlich sind. Der erste Laserpuls 156 und der weitere Laserpuls 156 sind unterschiedlichen der beiden kohärenten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 zugeordnet, welche in die Messeinheit 148 und/oder in das Messelement 150 eingekoppelt werden.
Insbesondere ist unter dem Paar 158 eine räumliche Überlagerung des ersten und des weiteren Laserpulses 156 an dem Messelement 150 zu verstehen, wobei diese Laserpulse 156 eine definierte Offset-Phasendifferenz Δφ^off an dem Messelement 150 aufweisen.
In den 7b, 7c und 7d sind die dem verstärkten kohärenten Laserstrahl 124-1 zugeordneten Laserpulse mit 156-1 bezeichnet und die dem verstärkten kohärenten Laserstrahl 124-2 zugeordneten Laserpulse mit 156-2 bezeichnet. 7b zeigt schematisch den zeitlichen Versatz der auf das Messelement 150a auftreffenden Laserpulse 156-1 und 156-2, 7c der auf das Messelement 150b auftreffenden Laserpulse 156-1 und 156-2 und 7d der auf das Messelement 150c auftreffenden Laserpulse 156-1 und 156-2.
Zur Ausbildung von unterschiedlichen Offset-Phasendifferenzen Δφ^off zwischen den Laserpulsen 156-1 und 156-2 an den verschiedenen Messelementen 150 können Verzögerungselemente 160 vorgesehen sein, wobei einem oder mehreren der Messelemente 150 jeweils ein oder mehrere Verzögerungselemente 160 zugeordnet sein können.
Beispielsweise ist das Verzögerungselement 160 zur Erzeugung einer Weglängendifferenz ausgebildet, aus welcher beispielsweise ein zeitlicher Versatz und/oder eine Offset-Phasendifferenz Δφ^off zwischen den Laserpulsen 156 des Paars 158 resultiert.
Bei dem Beispiel gemäß 7a ist ein jeweiliges Verzögerungselement 160 beispielsweise zur Ausbildung einer Offset-Phasendifferenz Δφ^off von 120° ausgebildet.
Dem in die Messelemente 150a, 150b und 150c eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahl 124-2 ist bei dem gezeigten Beispiel kein Verzögerungselement 160 zugeordnet.
Weiter ist dem Messelement 150a und/oder dem in das Messelement 150a eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahl 124-1 kein Verzögerungselement 160 zugeordnet. An dem Messelement 150a ergibt sich dadurch beispielsweise eine Offset-Phasendifferenz Δφ^off von 0° zwischen den beiden Laserpulsen 156-1 und 156-2.
Dem Messelement 150b und/oder dem in das Messelement 150b eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahl 124-1 ist ein einziges Verzögerungselement 160 zugeordnet. An dem Messelement 150b ergibt sich dadurch beispielsweise eine Offset-Phasendifferenz Δφ^off von 120° zwischen den beiden Laserpulsen 156-1 und 156-2.
Dem Messelement 150c und/oder dem in das Messelement 150c eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahl 124-1 sind beispielsweise zwei Verzögerungselemente 160 zugeordnet. An dem Messelement 150b ergibt sich dadurch beispielsweise eine Offset-Phasendifferenz Δφ^off von 240° zwischen den beiden Laserpulsen 156-1 und 156-2.
Aufgrund der mittels der Messeinheit 148 durchgeführten Mehrzahl an Messungen werden für die der Messeinheit 148 zugeordneten beiden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 Messwerte bei unterschiedlichen Offset-Phasendifferenzen Δφ^off erfasst. Anhand dieser Messwerte lässt sich die tatsächliche Phasendifferenz Δφ zwischen diesen beiden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 ermitteln.
Mittels den Messelementen 150 der Messeinheit 148 werden jeweils Intensitäten I einer Überlagerung der dem Paar 158 zugehörigen Laserpulse 156-1, 156-2 gemessen, wobei die gemessene Intensität I von der Offset-Phasendifferenz Δφ^off abhängig ist (8). Insbesondere wird mittels eines jeweiligen Messelements 150 eine zeitlich gemittelte Intensität I der auf das Messelement 150 auftreffenden Laserpulse 156 des Paars 158 gemessen.
In 8 ist ein Beispiel einer an einem Messelement 150 gemessenen Intensität I in Abhängigkeit der Phasendifferenz Δφ gezeigt. Bei dem in 8 gezeigten Beispiel sind drei unterschiedliche Messwerte M₁, M₂, M₃ angedeutet, wobei beispielsweise der Messwert M₁ mit dem Messelement 150a und 7b (Δφ^off=0°), der Messwert M₂ mit dem Messelement 150b und 7c (Δφ^off=120°) sowie der Messwert M₃ mit dem Messelement 150c und 7d (Δφ^off=240°) korrespondiert.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7a werden Messwerte für unterschiedliche Offset-Phasendifferenzen Δφ^off mittels verschiedener Messelemente 150 erfasst, wobei beispielsweise ein Messelement 150 jeweils einem erfassten Messwert für eine bestimmte Offset-Phasendifferenz Δφ^off zugeordnet ist. Insbesondere erfolgt bei dem Beispiel gemäß 7a mittels den verschiedenen Messelementen 150 eine zeitlich parallele Messung von Paaren 158 überlagerter Laserpulse 156 mit unterschiedlichen Offset-Phasendifferenzen Δφ^off.
Alternativ hierzu ist es bei der in 9a gezeigten Ausführungsform einer Messeinheit 148' vorgesehen, Messungen von Paaren 158 aus zwei Laserpulsen 156 für unterschiedliche Offset-Phasendifferenzen Δφ^off zeitlich versetzt durchzuführen. Die in 9a gezeigte Ausführungsform der Messeinheit 148' unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen und in 7a gezeigten Ausführungsform dadurch, dass ein einziges Messelement 150 vorgesehen. Ansonsten ist die Messeinheit 148' gleichartig aufgebaut wie die Messeinheit 148, sodass insoweit auf deren Beschreibung Bezug genommen wird.
Bei dieser Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Paare 158 mit unterschiedlichen Offset-Phasendifferenzen Δφ^off zeitlich versetzt auf das Messelement 150 geleitet werden, wobei die jeweiligen Paare 158 beispielsweise mit einem definierten Zeitversatz Δt auf das Messelement 150 treffen (9b).
Unterschiedliche Messwerte M₁, M₂, M₃ werden dadurch mittels des Messelements 150 zeitlich nacheinander erfasst.
Die Messeinrichtung 138 ist bei dieser Ausführungsform zur Bereitstellung der Paare 158 aus zwei Laserpulsen 156 mit definiertem Zeitversatz Δt und jeweils definierten Offset-Phasendifferenzen Δφ^off eingerichtet.
Falls die verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 gepulste Laserstrahlen sind, entspricht bei einer bevorzugten Ausführungsform der definierte Zeitversatz Δt zumindest näherungsweise einer Repetitionsrate der gepulsten Laserstrahlen.
Beispielsweise liegt die Repetitionsrate im Bereich von 1 MHz bis 1 Ghz.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass mittels der Messeinrichtung 138 die Phaseneinstelleinrichtung 112 angesteuert wird, um Paare 158 mit definierter Offset-Phasendifferenz Δφ^off bereitzustellen. Insbesondere ist die Messeinrichtung 138 zur Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung 112 eingerichtet und/oder signalwirksam mit der Phaseneinstelleinrichtung 112 verbunden.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass mittels der Messeinrichtung 138 die Laserquelle 106 angesteuert wird, um Paare 158 mit definiertem Zeitversatz Δt bereitzustellen. Hierzu ist die Messeinrichtung 138 beispielsweise signalwirksam mit der Laserquelle 106 und/oder mit einer Steuerungseinrichtung der Laserquelle 106 verbunden.
Alternativ oder zusätzlich kann zur Erzeugung der Paare 158 mit definiertem Zeitversatz Δt eine mittels der Messeinrichtung 138 ansteuerbare Shuttereinrichtung 162 vorgesehen sein, welche im Strahlengang der kohärenten Laserstrahlen 102 und/oder der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 angeordnet ist (3).
Die Shuttereinrichtung 162 ist eingerichtet, um eine Durchleitung von verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 zu den jeweiligen Messeinheiten 148 der Messeinrichtung 138 zu unterbrechen oder freizugeben. Beispielsweise umfasst die Shuttereinrichtung 162 mehrere Shutterelemente 164, wobei ein Shutterelement jeweils einem der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 zugeordnet ist.
Durch geeignete Ansteuerung der Shuttereinrichtung 162 mit der Messeinrichtung 138 lassen sich Laserpulse 156 und/oder Paare 158 von Laserpulsen 156 der jeweiligen verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 einem bestimmten Messelement 150 mit einem definiertem Zeitversatz Δt zuführen. Dies kann insbesondere dann vorgesehen sein, wenn die verstärkten kohärenten Laserstrahlen Dauerstrichlaserstrahlen sind.
Ein oder mehrere der Shutterelemente 164 können beispielsweise im jeweiligen Strahlengang der in die Messeinrichtung 138 eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 angeordnet sein. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass Shutterelemente 164 einer Messeinheit 148 und/oder einem Messelement 150 zugeordnet sind oder Teil einer Messeinheit 148 und/oder eines Messelements 150 sind.
Es ist grundsätzlich auch möglich, die auf das Messelement 150 geleiteten Paare 158 von Laserpulsen 156 mit definiertem Zeitversatz Δt und definierter Offset-Phasendifferenz Δφ^off durch Aufteilung der in die Messeinheit 148' eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2 auf unterschiedliche Strahlpfade 166 zu erzeugen (10). Insbesondere sind die unterschiedlichen Strahlpfade jeweils eingerichtet, um ein Paar 158 mit definierter Offset-Phasendifferenz Δφ^off zu erzeugen und dieses mit einem bestimmten Zeitversatz Δt zu einem nächsten oder vorherigen Paar 158 dem Messelement 150 zuzuleiten. Zur Ausbildung des definierten Zeitversatzes Δt und der definierten Offset-Phasendifferenz Δφ^off können Verzögerungselemente 160 vorgesehen sein, welche in den jeweiligen Strahlpfaden 166 angeordnet ist.
Vorzugsweise können ein oder mehrere Verzögerungselemente 160 und/oder ein oder mehrere Strahlpfade 166 als PIC realisiert sein. Bei dem in 10 gezeigten Beispiel sind drei unterschiedliche Strahlpfade 166 vorgesehen, um dem Messelement 150 drei Paare 158 mit definiertem Zeitversatz Δt und definierter Offset-Phasendifferenz Δφ^off bereitzustellen. Mittels jedem der Strahlpfade wird ein Paar 158 bereitgestellt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung 138 die Shuttereinrichtung 162 zur Durchführung einer Messung ansteuert, um Paare 158 aus Laserpulsen 156 den Messeinheiten 148 und/oder den Messelementen 150 zuzuführen. Insbesondere wird die Shuttereinrichtung 162 derart angesteuert, dass die Shutterelemente 164 nur für eine Zeitdauer freigegeben sind, welche zum Durchlass eines bestimmten Paars 158 aus Laserpulsen 156 auf die zugeordnete Messeinheit 148 und/oder das zugeordnete Messelement 150 erforderlich ist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung 138 eingerichtet ist, um die verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 den jeweiligen Messeinheiten 148 und/oder Messelementen 150 mit zumindest näherungsweise gleicher Intensität zuzuführen. Hierzu kann es vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung 138 Verstärkungselemente umfasst.
Bei einer Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung 138 mindestens eine Messeinheit 148" mit einem Messelement 150 umfasst, wobei es vorgesehen ist, dass die beiden eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2 und/oder das eingekoppelte Paar 158 aus Laserpulsen 156 dieser verstärkten kohärenten Laserstrahlen eine Offset-Phasendifferenz Δφ^off von mehr als 2*Pi aufweisen (11). Dies kann beispielsweise durch eine Vielzahl von Verzögerungselementen 160 realisiert werden, welchem einen der beiden in die Messeinheit 148" eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2 zugeordnet sind.
Im Betrieb der Vorrichtung 100 ist es vorgesehen, dass die Phaseneinstelleinrichtung 112 angesteuert wird, um die jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 auf vorgegebene Soll-Phasendifferenzwerte Δφ^soll einzustellen. Mittels der Phaseneinstelleinrichtung 112 lässt sich bei dem gezeigten Beispiel die jeweilige Phasendifferenz zwischen den in die Verstärkungseinrichtung 120 eingekoppelten kohärenten Laserstrahlen 102 einstellen, was eine Änderung und/oder Einstellung der jeweiligen Phasendifferenz zwischen den zugeordneten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 bewirkt.
Die Vorrichtung umfasst eine Steuerungseinrichtung 168, welche die Phaseneinstelleinrichtung 110 auf Grundlage einer Zuordnungsvorschrift mit bestimmten Ansteuerwerten ansteuert. Die Zuordnungsvorschrift enthält eine Zuordnung der Ansteuerwerte zu Soll-Phasendifferenzwerten Δφ^soll zwischen den jeweiligen verstärkten kohärenten Laserstrahlen. Beispielsweise ist oder umfasst die Zuordnungsvorschrift eine Zuordnungstabelle.
Beispielsweise wird eine Startversion der Zuordnungsvorschrift durch Kalibrationsmessungen ermittelt. Bei diesen Kalibrationsmessungen wird beispielsweise die Phaseneinstelleinrichtung 112 durch die Steuerungseinrichtung 168 mit bestimmten Ansteuerwerten angesteuert und es werden für diese Ansteuerwerte mittels der Messeinrichtung 138 die sich ergebenden Ist-Phasendifferenzwerte Δφ gemessen. Es lassen sich dadurch Zusammenhänge zwischen den Ansteuerwerten und den resultierenden Phasendifferenzwerten Δφ ermitteln, um die Zuordnungsvorschrift zu definieren.
Insbesondere kann eine Speichereinrichtung 170 vorgesehen sein, welche von der Steuerungseinrichtung 168 umfasst ist oder welche der Steuerungseinrichtung 168 zugeordnet ist, wobei in der Speichereinrichtung 170 die Zuordnungsvorschrift hinterlegt ist.
Im Betrieb der Vorrichtung 100 kann es zu Abweichungen zwischen den auf Grundlage der Zuordnungsvorschrift eingestellten Soll-Phasendifferenzwerten Δφ^soll und den mittels der Messeinrichtung 138 tatsächlich vorliegenden Ist-Phasendifferenzwerten Δφ der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 kommen.
Es ist vorgesehen, dass die Zuordnungsvorschrift im Betrieb der Vorrichtung 100 optimiert wird, um die Abweichung zwischen den Soll-Phasendifferenzwerten Δφ^soll und den Ist-Phasendifferenzwerten Δφ zu minimieren. Zur Durchführung der Optimierung ist eine der Steuerungseinrichtung 168 zugeordnete Optimierungseinheit 172 vorgesehen.
Die Optimierungseinheit 172 passt die Zuordnungsvorschrift zumindest teilweise an und/oder ändert diese zumindest teilweise, um die Abweichung zwischen den Soll-Phasendifferenzwerten Δφ^soll und den Ist-Phasendifferenzwerten Δφ zu minimieren, wobei zur Minimierung insbesondere ein Vergleich zwischen den Soll-Phasendifferenzwerten Δφ^soll und den Ist-Phasendifferenzwerten Δφ vorgenommen wird.
Beispielsweise wird mittels der Optimierungseinheit 172 die zur Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung 112 mittels der Steuerungseinrichtung 168 hinterlegte Zuordnungsvorschrift in bestimmten Zeitabständen aktualisiert, d.h. durch eine neue Zuordnungsvorschrift ersetzt, welche wie vorstehend beschrieben angepasst ist.
Die Steuerungseinrichtung 168, die Messeinrichtung 138, die Speichereinrichtung 170 und die Optimierungseinheit sind jeweils signalwirksam miteinander verbunden (angedeutet durch die gestrichelte Linie in 1).
Die Phaseneinstelleinrichtung 112 ist eingerichtet, um die jeweilige Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen 102 und/oder den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 mit einer Phaseneinstellfrequenz f^Einstell auf vorgegebene Soll-Phasendifferenzwerte Δφ^soll einzustellen (in 12a ist beispielsweise ein zeitlicher Verlauf eingestellter Soll-Phasendifferenzwerte Δφ^soll zwischen zwei der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 gezeigt). Unter dieser Phaseneinstellfrequenz f^Einstell ist eine maximale Frequenz bzw. ein kleinster Zeitabstand Δt^Einstell=1/f^Einstell zu verstehen, mit welcher bzw. welchem die jeweilige Phasendifferenz änderbar ist oder geändert wird. Die Phaseneinstellfrequenz f^Einstell wird auch als Modulationsfrequenz der Phaseneinstelleinrichtung bezeichnet.
Insbesondere liegt die Phaseneinstellfrequenz f^Einstell im Bereich von 1 MHz bis 50 MHz.
Die Messeinrichtung 138 ist eingerichtet, um die jeweilige Phasendifferenz Δφ (Ist-Phasendifferenz) zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 mit einer Messgenauigkeitsfrequenz f^Messgen zu ermitteln (12b). Hierunter ist eine größte Frequenz bzw. eine kleinste Zeitdauer Δt^Messgen=1/f^Messgen zu verstehen, mit welcher eine Phasendifferenz durch die Messeinrichtung 138 zeitlich aufgelöst werden kann. Die Messgenauigkeitsfrequenz f^Messgen wird auch als Messbandbreite bezeichnet.
Insbesondere ist die Messgenauigkeitsfrequenz f^Messgen größer oder gleich der Phaseneinstellfrequenz f^Einstell.
Die vorstehend beschriebene Messeinrichtung 138 ermöglicht insbesondere Messungen der jeweiligen Phasendifferenz Δφ mit einer Messgenauigkeitsfrequenz f^Messgen im Bereich von 1 MHz bis 50 MHz.
Weiter ist die Messeinrichtung 138 eingerichtet, um die jeweilige Phasendifferenz Δφ mit einer Messabstandsfrequenz f^Messab zu ermitteln (12b). Hierunter ist eine Frequenz bzw. ein Zeitabstand Δt^Messab=1/f^Messab zu verstehen, mit welcher bzw. welchem die jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 durch die Messeinrichtung 138 ermittelt wird oder ermittelbar ist.
Insbesondere liegt die Messabstandsfrequenz f^Messab im Bereich von 0,5 kHz bis 5 kHz.
Die Optimierungseinheit 172 ist eingerichtet, um die Zuordnungsvorschrift mit einer Optimierungsfrequenz f^Opti zu optimieren. Hierunter ist eine Frequenz bzw. ein Zeitabstand Δt^Opti=1/f^Opti zu verstehen, mit welcher bzw. welchem die hinterlegte Zuordnungsvorschrift durch die Optimierungseinheit 172 angepasst und/oder aktualisiert wird, um die Abweichung zwischen den Soll-Phasendifferenzwerten Δφ^soll und den Ist-Phasendifferenzwerten Δφ zu minimieren (12c).
Insbesondere liegt die Optimierungsfrequenz im Bereich von 0,5 kHz bis 5 kHz.
Die Optimierung der Zuordnungsvorschrift mit der Optimierungsfrequenz f^Opti ist in 12d schematisch bezeigt. Im Zeitintervall 0<t<Δt^Opti erfolgt die Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung 112 durch die Steuerungseinrichtung 168 auf Grundlage einer ersten Version 173 der Zuordnungsvorschrift. Zum Zeitpunkt t = Δt^Opti wird die Zuordnungsvorschrift durch eine optimierte Version 173' ersetzt, wodurch an diesem Zeitpunkt die Abweichung zwischen Δφ^soll und Δφ verringert wird (vgl. 12c).
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 100 mindestens eine Zusatz-Messeinrichtung 174 aufweist, welche vorzugsweise bezüglich der Haupt-Propagationsrichtung 140 nach der Messeinrichtung 138 und/oder nach der Auskopplungseinrichtung 142 angeordnet ist. Diese Zusatz-Messeinrichtung 174 ist zur Ermittlung von Phasendifferenzen Δφ (Ist-Phasendifferenzen) zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 ausgebildet. Weiter ist die Zusatz-Messeinrichtung 174 zur Übermittlung der ermittelten Phasendifferenzen Δφ an die Steuerungseinrichtung 168 signalwirksam mit dieser verbunden.
Die Zusatz-Messeinrichtung 174 kann beispielsweise in einem Bereich Kombinationseinrichtung 126 und/oder in einem Bereich eines mittels des mindestens einen kombinierten Laserstrahls 104 zu bearbeitenden Werkstücks (nicht gezeigt) angeordnet sein.
Mittels der Zusatz-Messeinrichtung 174 lassen sich weitere Ist-Phasendifferenzwerte Δφ ermitteln, welche bei der Optimierung der Zuordnungsvorschrift berücksichtigt werden können. Diese Ist-Phasendifferenzwerte Δφ werden beispielsweise von der Optimierungseinrichtung 172 zusätzlich zu den von der Messeinrichtung 138 ermittelten Ist-Phasendifferenzwerten Δφ zur Optimierung der Zuordnungsvorschrift herangezogen.
Die Messabstandsfrequenz f^Messab und/oder die Messgenauigkeitsfrequenz f^Messgen der Zusatz-Messeinrichtung 174 kann denjenigen der Messeinrichtung 138 entsprechen oder sich von denjenigen der Messeinrichtung 138 unterscheiden. Insbesondere kann die Messgenauigkeitsfrequenz f^Messgen der Zusatz-Messeinrichtung 174 geringer sein als die der Messeinrichtung 138.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 100 ein oder mehrere Sensorelemente 176 umfasst, welche zur Messung mindestens eines Parameters eingerichtet ist, der die jeweilige Phasendifferenz Δφ zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 beeinflusst.
Beispielsweise können Sensorelemente 176 jeweils der Phaseneinstelleinrichtung 112 und/oder der Verstärkungseinrichtung 120 zugeordnet sein.
Die Sensorelemente 176 können beispielsweise zur Temperaturmessung eingerichtet sein.
Die Sensorelemente 176 sind zur Übermittlung der von erfassten Messwerte mit der Steuerungseinrichtung 168 und/oder mit der Optimierungseinheit 172 signalwirksam verbunden. Die Optimierungseinheit 172 berücksichtigt die mittels den Sensorelementen 176 erfassten Messwerte bei der Optimierung der Zuordnungsvorschrift.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 funktioniert wie folgt:

Der Eingangslaserstrahl 108 wird mittels der Laserquelle 106 bereitgestellt und in die Aufteilungseinrichtung 110 eingekoppelt. Durch Aufteilung des Eingangslaserstrahls 108 mittels der Aufteilungseinrichtung 110 werden mehrere kohärente Laserstrahlen 102 ausgebildet. Die kohärenten Laserstrahlen 102 werden mittels der Verstärkungseinrichtung 120 verstärkt und als verstärkte kohärente Laserstrahlen 124 ausgekoppelt. Durch Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 werden anschließend ein oder mehrere kombinierte Laserstrahlen 104 ausgebildet, wobei die Kombination beispielsweise mittels der Kombinationseinrichtung 126 ausgeführt wird.

Zur Ausbildung der kombinierten Laserstrahlen 104 mit den gewünschten Eigenschaften ist es erforderlich, die jeweiligen Phasendifferenzen Δφ der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 aufeinander abzustimmen und diese zu steuern und/oder zu regeln.
Um die jeweiligen Phasendifferenzen Δφ der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 einzustellen, steuert die Phaseneinstelleinrichtung 168 die Phaseneinstelleinrichtung 110 mit Ansteuerwerten gemäß der Zuordnungsvorschrift an. Es werden dadurch die jeweiligen Phasendifferenzen zwischen den kohärenten Laserstrahlen 102 vor deren Einkopplung in die Verstärkungseinrichtung 120 eingestellt, was wiederum eine Einstellung der jeweiligen Phasendifferenzen Δφ der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 bewirkt.
Die tatsächlichen Phasendifferenzen Δφ der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 werden mittels der Messeinrichtung 138 gemessen und an die Steuerungseinrichtung 168 und/oder die Optimierungseinheit 172 übermittelt.
Die Optimierungseinheit vergleicht die eingestellten Soll-Phasendifferenzwerte mit den tatsächlich gemessenen Ist-Phasendifferenzwerten Δφ zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 und berechnet hierauf eine aktualisierte Zuordnungsvorschrift, sodass eine Abweichung zwischen den Soll-Phasendifferenzwerten und den Ist-Phasendifferenzwerten Δφ minimiert wird.
Die Aktualisierung der Zuordnungsvorschrift kann beispielsweise analog zur Kalibration und Linearisierung nichtlinearer Sensorkurven anhand von Referenzmessungen erfolgen. Entsprechende Verfahren können so adaptiert werden, dass der Kalibrierungsvorgang anhand einzelner Messwerte kontinuierlich weiter verbessert wird und optional weitere Sensorinformationen berücksichtigt werden. Solche Verfahren sind beispielsweise aus den Veröffentlichungen „Lookup Table Optimization for Sensor Linearization in Small Embedded Systems“, L. E. Bengtsson, Journal of Sensor Technology, Vol. 2 No. 4, 2012, pp. 177-184, „A Linearisation and Compensation Method for Integrated Sensors,“ P. Hille, R. Höhler and H. Strack, Sensors and Actuators A, Vol. 44, No. 2, 1994, pp. 95-102 und „Linearization of Analog-to-Digital Converters“, A. C. Dent and C. F. N. Cowan, IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. 37, No. 6, 1990, pp. 729-737 bekannt, worauf im Zusammenhang mit der Aktualisierung der Zuordnungsvorschrift verwiesen wird.
Es kann vorgesehen sein, dass zur Optimierung der Zuordnungsvorschrift zusätzlich die mittels der Zusatz-Messeinrichtung 174 und/oder die mittels der Sensorelemente 176 ermittelten Messwerte herangezogen werden.
Bezugszeichenliste

I: Intensität
M1 - M3: Messwert
Δφ: Phasendifferenz / Ist-Phasendifferenzwert
Δφsoll: Soll-Phasendifferenzwert
Δφoff: Offset-Phasendifferenz
Δt: Zeitversatz
fEinstell: Phaseneinstellfrequenz
fMessab: Messabstandsfrequenz
fMessgen: Messgenauigkeitsfrequenz
fOpti: Optimierungsfrequenz
100: Vorrichtung
102: kohärenter Laserstrahl
104: kombinierter Laserstrahl
106: Laserquelle
108: Eingangslaserstrahl
110: Aufteilungseinrichtung
112: Phaseneinstelleinrichtung
114: Phaseneinstellelement
120: Verstärkungseinrichtung
122: Verstärkungselement
124: verstärkter kohärenter Laserstrahl
124-ei: einfallender verstärkter kohärenter Laserstrahl
124-tr: transmittierter verstärkter kohärenter Laserstrahl
124-ak: ausgekoppelter verstärkter kohärenter Laserstrahl
124-1: verstärkter kohärenter Laserstrahl
124-2: verstärkter kohärenter Laserstrahl
124-3: verstärkter kohärenter Laserstrahl
124-4: verstärkter kohärenter Laserstrahl
126: Kombinationseinrichtung
128: diffraktives optisches Element
130: Linsenelement
132: Einhüllende
134: Mikrolinsen-Array
136: Linsenelement
138: Messeinrichtung
140: Haupt-Propagationsrichtung
142: Auskopplungseinrichtung
144: Strahlengang
146: Eingang
148: Messeinheit
148': Messeinheit
149: Referenzlaserstrahl
150: Messelement
150a: Messelement
150b: Messelement
150c: Messelement
152a: erster Eingang
152b: zweiter Eingang
154: Überlagerungselement
156: Laserpuls
156-1: Laserpuls
156-2: Laserpuls
158: Paar aus zwei Laserpulsen
160: Verzögerungselement
162: Shuttereinrichtung
164: Shutterelement
166: Strahlpfad
168: Steuerungseinrichtung
170: Speichereinrichtung
172: Optimierungseinheit
173: erste Version der Zuordnungsvorschrift
173': optimierte Version der Zuordnungsvorschrift
174: Zusatz-Messeinrichtung
176: Sensorelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020201161 A1 [0003, 0086]
US 9134538 B1 [0004]
WO 2017/125345 A1 [0005]
WO 2020/016336 A1 [0086]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Zhou et al., Opt. Lett. 42, 4422-4425 [0084]
Cheung et al., Opt. Lett. 33, 354-356 [0084]

Claims

Vorrichtung zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen (102) zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl (104), umfassend - eine Phaseneinstelleinrichtung (112) zur Einstellung einer jeweiligen Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen (102), - eine Verstärkungseinrichtung (120) zur Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen (102), wobei aus der Verstärkungseinrichtung (120) verstärkte kohärente Laserstrahlen (124) ausgekoppelt werden, - eine Steuerungseinrichtung (168) zur Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung (112) auf Grundlage einer vorgegebenen Zuordnungsvorschrift, um die jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) auf vorgegebene Soll-Phasendifferenzwerte (Δφ^soll) einzustellen, - eine Messeinrichtung (138) zur Ermittlung der jeweiligen Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124), wobei mittels der Messeinrichtung (138) Ist-Phasendifferenzwerte (Δφ) zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) ermittelt werden, - eine der Steuerungseinrichtung (168) zugeordnete Optimierungseinheit (172) zur Optimierung der Zuordnungsvorschrift auf Grundlage der mittels der Messeinrichtung (138) ermittelten Ist-Phasendifferenzwerte (Δφ).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnungsvorschrift mittels der Optimierungseinheit (172) in Zeitabständen (Δt^Opti) aktualisiert wird, wobei insbesondere die Zuordnungsvorschrift mittels der Optimierungseinheit (172) derart geändert wird, dass eine Abweichung zwischen mittels der Steuerungseinrichtung (168) gemäß der Zuordnungsvorschrift eingestellten Soll-Phasendifferenzwerten (Δφ^soll) und mittels der Messeinrichtung (138) gemessenen Ist-Phasendifferenzwerten (Δφ) minimiert wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung (112) mittels der Steuerungseinrichtung (168) mit einer Phaseneinstellfrequenz (f^Einstell) erfolgt, und dass eine Aktualisierung der Zuordnungsvorschrift mit einer Optimierungsfrequenz (f^Opti) erfolgt, wobei die Phaseneinstellfrequenz (f^Einstell) größer als die Optimierungsfrequenz (f^Opti) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Phaseneinstellfrequenz (f^Einstell) mindestens 1 MHz und/oder höchstens 1 Ghz und vorzugsweise mindestens 10 MHz und/oder höchstens 50 MHz beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierungsfrequenz (f^Opti) mindestens 0,5 kHz und/oder höchstens 500 kHz und vorzugsweise mindestens 2 kHz und/oder höchstens 5 kHz beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Ist-Phasendifferenzwerte (Δφ) zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) mittels der Messeinrichtung (138) mit einer Messabstandsfrequenz (f^Messab) erfolgt, wobei die Phaseneinstellfrequenz (f^Einstell) größer als die Messabstandsfrequenz (f^Messab) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Ist-Phasendifferenzwerte (Δφ) zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) mittels der Messeinrichtung (138) mit einer Messgenauigkeitsfrequenz (f^Messgen) erfolgt, welche größer als oder gleich der Phaseneinstellfrequenz (f^Einstell) ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnungsvorschrift eine Zuordnung von Ansteuerwerten, mit welchen die Steuerungseinrichtung (168) die Phaseneinstelleinrichtung (112) ansteuert, zu Soll-Phasendifferenzwerten (Δφ^soll) der jeweiligen verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) aufweist, und/oder dass die Zuordnungsvorschrift eine Zuordnungstabelle ist oder umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Zusatz-Messeinrichtung (174) zur Ermittlung der jeweiligen Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124), wobei mittels der mindestens einen Zusatz-Messeinrichtung (174) Ist-Phasendifferenzwerte (Δφ) zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) ermittelt werden, und wobei die mindestens eine Zusatz-Messeinrichtung (174) insbesondere nach der Messeinrichtung (138) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein Sensorelement (176) zur Messung eines die jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) beeinflussenden Parameters, wobei mittels des mindestens einen Sensorelements (176) ermittelte Messwerte an die Steuerungseinrichtung (168) und/oder an die Optimierungseinheit (172) übermittelt werden.
Lasersystem, umfassend mindestens eine Laserquelle (106) zur Bereitstellung von kohärenten Laserstrahlen (102) und eine Vorrichtung (100) zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen (102) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
Verfahren zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen (102) zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl (104), bei dem - eine jeweilige Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen (102) mittels einer Phaseneinstelleinrichtung (112) eingestellt wird, - die kohärenten Laserstrahlen (102) mittels einer Verstärkungseinrichtung (120) verstärkt werden, wobei aus der Verstärkungseinrichtung (120) verstärkte kohärente Laserstrahlen (124) ausgekoppelt werden, - die Phaseneinstelleinrichtung (112) mittels einer Steuerungseinrichtung (168) auf Grundlage einer vorgegebenen Zuordnungsvorschrift angesteuert wird, um eine jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) auf vorgegebene Soll-Phasendifferenzwerte (Δφ^soll) einzustellen, - die jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) mittels einer Messeinrichtung (138) ermittelt wird, wobei mittels der Messeinrichtung (138) Ist-Phasendifferenzwerte (Δφ) zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) ermittelt werden, - die Zuordnungsvorschrift mittels einer der Steuerungseinrichtung (168) zugeordneten Optimierungseinheit (172) auf Grundlage der mittels der Messeinrichtung (138) ermittelten Ist-Phasendifferenzwerte (Δφ) optimiert wird.