DE102022126964A1

DE102022126964A1 - Optisches System zur Erzeugung von Licht hoher Leistung

Info

Publication number: DE102022126964A1
Application number: DE102022126964.7A
Authority: DE
Inventors: Jens Limpert; Arno Klenke; César Jáuregui Misas
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Priority date: 2022-10-14
Filing date: 2022-10-14
Publication date: 2024-04-25
Also published as: WO2024079253A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System zur Erzeugung oder Führung von Licht, mit einem mehrkanaligen Lichtleiter (1), der mehrere parallel zueinander verlaufende Einzellichtleiter umfasst, und mit einer Überlagerungsoptik (2), die dazu ausgelegt ist, Lichtemissionen der Einzellichtleiter an einem Austrittsende des mehrkanaligen Lichtleiters (1) in einer Zielebene (3) zu überlagern. Die Erfindung schlägt vor, dass die Überlagerung der Lichtemissionen der Einzellichtleiter in der Zielebene (3) inkohärent ist. Die Einsicht der Erfindung ist, dass durch die inkohärente Überlagerung der Einzelemissionen eine effektiv bessere, homogenere und stabilere Strahlqualität erzielt werden kann als bei Verwendung einer flächenäquivalenten einzelnen transversal multimodigen Großkernfaser, z.B. als Verstärkerfaser eines Lasersystems.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System zur Erzeugung von Licht hoher Leistung, mit einem mehrkanaligen Lichtleiter, der mehrere parallel zueinander verlaufende Einzellichtleiter umfasst, und mit einer Überlagerungsoptik, die dazu ausgelegt ist, Lichtemissionen der Einzellichtleiter an einem Austrittsende des mehrkanaligen Lichtleiters in einer Zielebene zu überlagern.
Hochleistungslasersysteme finden zahlreiche Anwendungen in der Industrie und Wissenschaft. Die räumliche Kohärenz der Emission eines Lasers erlaubt dabei, die Strahlung auf kleinste Raumbereiche zu fokussieren. Den Idealfall bildet dabei ein beugungsbegrenzter Strahl, der bei gegebener Abbildungsoptik den kleinsten Fokusfleck erzeugt. Eine schlechtere Strahlqualität führt typischerweise zu einem größeren Fokusfleck, damit geringeren Intensitäten, oder erfordert den Einsatz einer Fokussieroptik mit größerer numerischer Apertur (d.h. höherer Divergenzwinkel der Strahlung zum Fokus) und reduziert damit die Rayleighlänge, d.h. die Strecke, über die eine hohe Intensität aufrechterhalten werden kann. Je besser die Strahlqualität ist, umso höher sind die erreichbaren Leistungsdichten auch in größeren Entfernungen.
Die erreichbaren Leistungsdichten bestimmen die adressierbaren Anwendungen. Kontinuierlich emittierende Hochleistungslaser finden zum Beispiel Einsatz beim Schneiden und Schweißen verschiedenster Materialen (z.B. Metalle), gepulste Laser werden unter anderem verwendet, um gezielt Material abzutragen bzw. zu modifizieren. Die überhöhten Spitzenleistungsdichten gepulster Laserstrahlung erlauben darüber hinaus das Treiben von nichtlinearen Effekten, z.B. die Frequenzkonversion der primären Laserstrahlung in andere, applikationsrelevante Spektralbereiche, d.h. die Erzeugung von Sekundärstrahlung. Diese Frequenzkonversion kann kohärent geschehen (z.B. kristallbasierte Frequenzkonversion in Form der Erzeugung höherer Harmonischer, spektrale Verbreiterung durch Kerr-Nichtlinearität oder Erzeugung kurzwelliger kohärenter Strahlung durch Gasharmonische in Edelgasen), aber ebenso inkohärent (z.B. durch laserinduzierte Plasmen in Gasen oder Metallen).
Ein prominentes Beispiel einer inkohärenten Frequenzkonversion mit hoher wirtschaftlicher Relevanz ist die Erzeugung von inkohärenter EUV-Strahlung bei 13,5 nm Wellenlänge (92 eV Photonenenergie) für Anwendungen in der Halbleiterindustrie durch laserinduzierte Zinn-Plasmen (s. O. O. Versolato, „Physics of laser-driven tin plasma sources of EUV radiation for nanolithography,“ Plasma Sources Sci. Technol. 28, 083001, 2019). In einer leistungsstarken Ausführung wird dabei die Strahlung eines gepulsten CO₂-Lasers auf Zinn-Tröpfchen (ca. 30µm Durchmesser) fokussiert. Das entstehende Plasma emittiert inkohärent in alle Raumrichtungen bei 13,5 nm Wellenlänge, die Konversionseffizienz dieses Prozesses kann 3-6% betragen (auch durch gezielte Vorpräparation des Targets mittels Vorpulsen).
Als weiterer beispielhaft ausgewählter industrieller Prozess sei das Laser Schock Peening zur Verlängerung der Lebensdauer von Bauteilen genannt (s. C. Zhang, Y. Dong, and C. Ye, „Recent Developments and Novel Applications of Laser Shock Peening: A Review," Adv. Eng. Mater. 23, 2001216, 2021). Dabei wird eine Druckspannung ins Material eingebracht, um der Ermüdung durch Zugspannungen entgegenzuwirken. Beim Laser Peening wird eine Druckwelle mit Hilfe eines hochenergetischen Laserpulses erzeugt. Hierbei kommen Pulsenergien von mehreren 100 mJ bis einigen Joule mit Fokusfleckdurchmessern von einigen Millimetern zum Einsatz. Die Homogenität des Strahlprofils ist essentiell für einen homogenen Druckeintrag. Die Prozessgeschwindigkeit wird durch die Pulsfolgefrequenz festgelegt, was das Streben nach höheren Pulsfolgefrequenzen begründet.
Ein weiteres ausgewähltes Anwendungsbeispiel hochenergetischer Nanosekundenpulse ist das Laser-Lift-Off-Verfahren (s. R. Delmdahl, R. Pätzel, and J. Brune, „Large-Area Laser-Lift-Off Processing in Microelectronics," Phys. Procedia 41, 241-248, 2013). Dabei wird ein funktionaler Film (z.B. ein Display) auf einem festen Träger (Substrat) großflächig hergestellt. Durch das Laser-Lift-Off-Verfahren gelingt die Trennung von Film und Substrat mit der nötigen Reproduzierbarkeit und Schonung des Films. Zum Einsatz kommen dabei hochenergetische Nanosekundenpulse im UV-Spektralbereich, die das Substrat durchdringen und von einer absorbierenden Schicht aufgenommen werden. Der resultierende Energieeintrag führt zur Ablösung des Films. Für diesen Prozess ist die räumliche Homogenität der eingebrachten Energie essentiell.
Als weiteres Beispiel für die Anwendung hochenergetischer Laserstrahlung ist die Lithotripsie zu nennen, d.h. das Zertrümmern von Nierensteinen oder Blasensteinen (s. N. M. Fried, „Recent advances in infrared laser lithotripsy [Invited]," Biomed. Opt. Express 9, 4552, 2018). Hierzu werden hochenergetische lange Laserpulse im Joule-Bereich verwendet, aufgrund der Gewebeabsorption vorzugsweise bei einer Wellenlänge um 2 µm.
Die heutzutage bei diesen Anwendungen zum Einsatz kommende Lasertechnologie hat folgende Nachteile:

- Der erwähnte Hochleistungs-CO₂-Laser besitzt eine Gesamteffizienz (wallplug efficiency) von nur wenigen Prozent (s. K. Kellens, G. Costa Rodrigues, W. Dewulf, J. R. Duflou, G. C. Rodrigues, W. Dewulf, and J. R. Duflou, „Energy and resource efficiency of laser cutting processes," Phys. Procedia 56, 854-864, 2014).
- Diodengepumpte Festkörperlaser offerieren eine deutlich höhere Effizienz, leiden mit steigender Ausgangsleistung aber unter thermo-optischen Problemen, die sich in einer Verschlechterung der Strahlqualität, damit der Fokussierbarkeit und Strahlhomogenität, äußern.
- Hohe Pulsenergien erfordern einen großen Querschnitt des aktiven Mediums. Dies führt in Festkörperlasern (inkl. Faserlasern) zum Anschwingen von transversalen Moden höherer Ordnung, was wiederum zu einer Verschlechterung der Strahlqualität und Strahlhomogenität.

Insbesondere in faserbasierten Lasern (aber auch in passiven Transportfasern) sind die verschiedenen Transversalmoden einer Multimodefaser (großer Querschnitt) zueinander kohärent, d.h. kleinste Änderungen der relativen Phasenlage der verschiedenen Transversalmoden führen zu Änderungen des räumlichen Emissionsprofils und damit letztlich zu Instabilitäten im Applikationsprozess (s. B. Y. Zel'dovich, D. Z. Anderson, and M. A. Bolshtyansky, „Stabilization of the speckle pattern of a multimode fiber undergoing bending," Opt. Lett. Vol. 21, Issue 11, pp. 785-787 21, 785-787, 1996).
Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches System, insbesondere ein Hochleistungslasersystem bereitzustellen, das zumindest einzelne der zuvor angesprochenen Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem optischen System der eingangs angegebenen Art dadurch, dass die Überlagerung der Lichtemissionen der Einzellichtleiter in der Zielebene inkohärent ist.
Vorgeschlagen wird die inkohärente Überlagerung der Lichtemissionen der Einzellichtleiter, die die einzelnen Kanäle des Mehrkanallichtleiters bilden. Vorzugsweise sollte die Strahlqualität gut sein, d.h. die Lichtemissionen der Einzellichtleiter sind idealerweise (nahezu) beugungsbegrenzt. Bevorzugt ist außerdem, dass die Einzelemissionen an dem Austrittsende des mehrkanaligen Lichtleiters möglichst nah zueinander platziert sind.
Ein Mehrkanallichtleiter im Sinne der Erfindung ist jede Anordnung einer Mehrzahl parallel zueinander verlaufender optisch führender Strukturen als Einzellichtleiter. Wobei die Einzellichtleiter des Mehrkanallichtleiters Austrittsenden in einer gemeinsamen Ebene aufweisen, die insgesamt das Austrittsende des mehrkanaligen Lichtleiters bilden. Beispiele geeigneter mehrkanaliger Lichtleiter sind aus dem Stand der Technik bekannt (s. A. Klenke, C. Jauregui, A. Steinkopff, C. Aleshire, and J. Limpert, „High-power multicore fiber laser systems," Prog. Quantum Electron. 84, 100412, 2022).
Die Anzahl der Einzellichtleiter des mehrkanaligen Lichtleiters kann zwei oder mehr betragen, bevorzugt beträgt die Anzahl mindestens drei, weiter bevorzugt mindestens 8, noch weiter bevorzugt mindestens 20, besonders bevorzugt mindestens 40. Prinzipiell ist jede beliebige Anzahl denkbar.
Bei einer möglichen Ausgestaltung sind die Einzellichtleiter jeweils durch einen lichtführenden Kern oder durch eine sonstige lichtführende Struktur, der bzw. die von einem gemeinsamen Mantel des mehrkanaligen Lichtleiters umgeben sein kann, gebildet. Zumindest einer der lichtführenden Kerne, vorzugsweise nur ein Teil der lichtführenden Kerne, besonders bevorzugt aber alle lichtführenden Kerne können eine optische Verstärkung ermöglichende Dotierung mit Ionen der seltenen Erden, vorzugsweise Erbium, Ytterbium oder Thulium, aufweisen. Der gemeinsame Mantel kann dabei vorteilhaft zur Führung von Pumplicht zum optischen Pumpen des zumindest einen dotierten Kerns ausgelegt sein.
Die Einsicht der Erfindung ist, dass durch die inkohärente Überlagerung der Einzelemissionen eine effektiv bessere und wesentlich stabilere Strahlqualität erzielt werden kann als z.B. bei Verwendung einerflächenäquivalenten einzelnen transversal multimodigen Großkernfaser, z.B. als Verstärkerfaser eines Lasersystems. Eine flächenäquivalente Multimodefaser besitzt die identische Kernquerschnittsfläche wie alle einzelnen Kerne des mehrkanaligen Lichtleiters zusammen. Unter Annahme identischer Dotierungskonzentrationen ergibt sich eine identische Faserlänge. Demzufolge sind beide Geometrien (Mehrkanallichtleiter bzw. Multimodefaser) hinsichtlich gespeicherter Energie und extrahierbarer Laserleistung, begrenzenden nichtlinearen Effekten und Faserzerstörung aufgrund zu hoher Leistungsdichten vergleichbar. Es zeigt sich aber, dass die flächenäquivalente Multimodefaser selbst bei geringer numerischer Apertur eine schlechtere Strahlqualität aufweist. Dabei sollte Folgendes beachtet werden:

- Die Strahlqualität der Emissionen der Einzellichtleiter des mehrkanaligen Lichtleiters der Erfindung sollte, wie schon angesprochen, so gut wie möglich sein, im Idealfall nahezu beugungsbegrenzt. Die Beugungsmaßzahl der Einzelemissionen sollte entsprechend kleiner als 3, bevorzugt kleiner als 2, weiter bevorzugt kleiner als 1,5, besonders bevorzugt kleiner als 1,25 sein. Die Richtungen der Einzelemissionen sind vorzugsweise parallel zueinander.
- Der Querschnitt der Kerne der Einzellichtleiter sollte bei gegebenem Abstand und unter Beachtung der Einzelkernstrahlqualität vorzugsweise so groß wie möglich ausgelegt werden. Hierbei können Geometrien wie z.B. getapertete Großkernfasern oder anderen bekannte Großkernfaserdesigns hilfreich sein, die dafür bekannt sind, auch bei großen Kernflächen beste Strahlqualität zu unterstützen. Die Kerne der Einzellichtleiter sollten vorzugsweise einen Durchmesser größer als das 5-Fache, bevorzugt größer als das 10-Fache, weiter bevorzugt größer als das 25-Fache, besonders bevorzugt größer als das 50-Fache der Wellenlänge des propagierenden Lichts aufweisen.
- Der Abstand der Einzelkerne sollte vorzugsweise unter Beachtung der Vermeidung von optischer Kopplung so klein wie möglich sein. Hierbei können optische Barrieren innerhalb der Struktur des mehrkanaligen Lichtleiters zur Vermeidung der Überkopplung hilfreich sein. Im Sinne der Erfindung bedeutet „optische Entkopplung der Einzellichtleiter“, dass über die Gesamtlänge des mehrkanaligen Lichtleiters vorzugsweise weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 1 % der in einem Einzellichtleiter propagierenden Leistung durch Leistungsübertrag in andere Einzellichtleiter verloren geht.

Die inkohärente Überlagerung der Einzelemissionen ist eine optische Transformation einer beliebigen Querschnittsebene im Strahlverlauf, die sich in einem Bereich hinter dem Austrittsende des mehrkanaligen Lichtleiters befindet.
Festzuhalten ist, dass die Vorteile des mehrkanaligen Lichtleiters gegenüber einer multimodigen Großkernfaser dann besonders zum Tragen kommen, wenn die räumlich kohärent emittierenden Einzellichtleiter eng angeordnet werden, so dass die Gesamtfläche der letztlich inkohärenten Überlagerung der kohärenten Einzelemissionen nicht unnötig groß wird. Diese Designrichtlinien lassen sich in einer Mehrkernfaser gezielt umsetzen, da das an sich bekannte Konzept der Multikernfaser eine dichte Packung der einzelnen Kerne ideal unterstützt. Idealerweise sollte beim dem mehrkanaligen Lichtleiter das Verhältnis des Abstandes der Kerne der Einzellichtleiter zum Durchmesser der Kerne kleiner als 20, vorzugsweise kleiner als 10, weiter bevorzugt kleiner als 5, besonders bevorzugt kleiner als 3 sein.
Die Vorteile des Ansatzes der Erfindung sind zusammengefasst:

- Das optische System weist eine einfache und kompakte Bauweise auf.
- In einer faserbasierten Realisierung bietet das optische System der Erfindung als Lasersystem (s.u.) eine hohe Effizienz und es besteht die Möglichkeit, den mehrkanaligen Lichtleiter als Lasermedium direkt mit Halbleiterdioden zu pumpen.
- Die Geometrie des Mehrkanallichtleiters als langgestreckter Wellenleiter, z.B. in Form einer aktiven Mehrkernfaser in einem Lasersystem (s.u.) verteilt den laserbedingten Wärmeeintrag über eine große Länge, die große Fasermantelfläche kann genutzt werden, um die eingetragene Wärme abzuführen. Folglich bietet der Ansatz die Möglichkeit, hohe mittlere Leistungen zu emittieren.
- Die in den dotierten Kernen gespeicherte Inversion und damit die extrahierbare Lichtleistung ist durch die Eigenschaften der Dotierstoffe und durch die Dotierungskonzentration bestimmt, was die extrahierbare Lichtleistung für jeden Einzellichtleiter festlegt und begrenzt. Der mehrkanalige Lichtleiter steigert entsprechend der Anzahl der Einzellichtleiter die extrahierbare Leistung.
- Verschiedene seltene Erden kommen als Dotierstoffe in Frage, Ytterbium-Ionen können den Wellenlängenbereich um 1 µm adressieren, Erbium-Ionen um 1.5 µm und Thulium-Ionen um 2 µm. Es ist auch denkbar, dass sich die lichtführenden Kerne hinsichtlich der Dotierung voneinander unterscheiden. Dies ermöglicht es, über die Auswahl der Pumpwellenlänge eine (optional auch dynamische) Änderung der Emissionswellenlänge zu erzielen.
- Anforderungen hinsichtlich nichtlinearer Effekte und Materialzerstörung werden auf mehrere Einzellichtleiter verteilt, was wiederum eine Steigerung der Gesamtleistung ermöglicht.
- Die Überlagerung der Einzelemissionen ist erfindungsgemäß eine inkohärente Überlagerung, d.h. die relative Phasenlage der Einzelemissionen spielt keine Rolle. Somit entfallen Elemente zur Detektion und Stabilisierung der Phasenlage in den einzelnen Kanälen, wie sie bei einer kohärenten Überlagerung erforderlich sind. Der Aufbau gestaltet sich durch die Erfindung somit äußerst einfach.
- Aufgrund der inkohärenten Überlagerung ist die genaue Lage der Einzellichtleiter über den Querschnitt des Mehrkanalwellenleiters nicht relevant, dadurch besteht ein großer Freiraum bei dem Design des Mehrkanalwellenleiters. Ebenso bestehen große Toleranzen in der Fertigung hinsichtlich Positionstreue und Größe der Einzellichtleiter.
- Die Strahlqualität der inkohärent überlagerten Gesamtemission des Mehrkernlichtleiters kann, wie oben bereits erwähnt, im Vergleich zu einer flächenäquivalenten Multimodefaser deutlich besser sein.

Diese Vorteile machen das erfindungsgemäße optische System, realisiert als Lasersystem, d.h. mit dem mehrkanaligen Lichtleiter als Lasermedium, besonders geeignet für die oben angesprochenen Anwendungen, und zwar kann die damit erzeugte, inkohärent überlagerte Laserstrahlung zur Erzeugung von UV-Licht (insbesondere EUV-Licht) aus einem laserinduzierten Metall- oder Gasplasma (z.B. Zinn-Plasma), zur Materialbearbeitung durch Laser Shock Peening, zur Abtrennung eines Films von einem Substrat per Laser-Lift-Off, oder auch zur Erzeugung von Laserpulsen zur Zertrümmerung von Nieren- oder Blasensteinen (Lithotripsie) verwendet werden.
Die genannten Vorteile gelten uneingeschränkt auch für ein optisches System mit einem rein passiven Mehrkanallichtleiter (ohne Kerndotierung), z.B. als Transportfaser. Neben dem Vorteil hinsichtlich Strahlqualität ist auch Folgendes relevant: Bei konventionell eingesetzten passiven Multimode-Transportfasern ergibt sich durch die intrinsische Kohärenz verschiedener Transversalmoden zueinander eine hohe Empfindlichkeit des resultierenden Intensitätsprofils auf relative Änderungen der Phasenlage der einzelnen Transversalmoden. In passiven Multimodefasern haben diese Phasenänderung ihren Ursprung in äußeren Einflüssen (z.B. Stress durch Lageänderung oder Berührung der Faser) in aktiven Fasern dominiert der laserbedingte Wärmeeintrag. Diese Nachteile entfallen durch die Erfindung.
Bei einer möglichen Ausgestaltung können die Kerne der Einzellichtleiter unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Auch kann zumindest einer der Kerne als Hohlkern ausgebildet ist.
Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung sind die Einzellichtleiter einzelne dotierte lichtleitende Fasern, vorzugsweise (mit Seltenerdionen dotierte) Doppelkernfasern, oder auch einzelne passive lichtleitende Fasern, die in dem mehrkanaligen Lichtleiter zusammengefasst sind, gleichsam als Bündel von Einzelfasern.
Die Überlagerungsoptik des optischen Systems kann variabel und dazu ausgelegt sein, verschiedene Strahlprofile in der Zielebene zu erzeugen, optional dynamisch.
Bei einer möglichen Ausgestaltung weisen die Einzellichtleiter im Querschnitt des mehrkanaligen Lichtleiters gesehen eine linienförmige oder eine array- oder matrixförmige Anordnung auf. Ebenso kann die „Packungsdichte“ der Einzellichtleiter durch eine hexagonale Anordnung erhöht werden. Auch eine zufällige Verteilung der Einzellichtleiter über den Querschnitt des mehrkanaligen Lichtleiters ist denkbar. Weiter ist zur Erhöhung des Füllfaktors, d.h. des von Licht durchstrahlten Querschnittanteils, eine (nachträgliche) Aufweitung des Modenfelddurchmessers der Einzelkerne (z.B. durch gezielten Wärmeeintrag, d.h. thermische Aufweitung oder Tapern der Mehrkernfaser) am Ein- und/oder Austrittsende des mehrkanaligen Lichtleiters denkbar.
Ein weiterer möglicher Ansatz zur Erhöhung des Füllfaktors der Multikernemission ist die Verwendung eines Linsenarrays, insbesondere eines Mikrolinsenarrays außerhalb des mehrkanaligen Lichtleiters. Dieses kann z.B. direkt vor dem Austrittsende des Mehrkanallichtleiters (im entsprechenden Arbeitsabstand), aber auch im weiteren Verlauf des Strahlengangs platziert werden. Dabei korrespondiert jede Einzellinse des Linsenarrays jeweils zu einem oder mehreren Einzellichtleiter/-n des mehrkanaligen Lichtleiters. Durch das Linsenarray kann der Füllfaktor um mindestens den Faktor 1,2, bevorzugt um mindestens den Faktor 1,5, weiter bevorzugt um mindestens den Faktor 2, ebenso möglich sind höhere Faktoren, erhöht werden.
Bei einer möglichen Ausgestaltung bilden die Einzellichtleiter des mehrkanaligen Lichtleiters jeweils ein Lasermedium in einem optischen Resonator. Wenn keine Kopplung zwischen den Einzellichtleitern stattfindet, können alle Einzellichtleiter unabhängig voneinander zur Laseremission gebracht werden. So kann um den mehrkanaligen Lichtleiter ein oder mehrere Freistrahlresonator/-en (durch eine geeignete Reflektoranordnung) platziert werden, der/die zwar von allen Einzellichtleitern genutzt wird/werden, jedoch jeder Einzellichtleiter für sich, d.h. unabhängig von den anderen Einzellichtleitern, die Laseroszillation vollführt. Dadurch lässt sich die Inkohärenz der Überlagerung in der Zielebene erreichen. Denkbar ist auch, dass unabhängige optische Resonatoren durch reflektierend beschichtete Endflächen der Einzellichtleiter oder durch endseitig in die Einzellichtleiter eingeschriebene Bragg-Gitter (FBGs) realisiert werden. Auch schon die Fresnel-Reflexion an den freien Enden der Einzellichtleiter kann für die Bildung eines optischen Resonators ohne weitere Maßnahmen ausreichend sein.
Es können auch weitere Elemente im Resonator oder außerhalb des Resonators angeordnet werden, z.B. (zeitliche) Lichtmodulatoren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung (durch Güteschaltung, Cavity Dumping oder Modenkopplung).
Ebenso ist eine Oszillator-Verstärker-Anordnung (MOPA) realisierbar. Dabei erzeugt z.B. ein erfindungsgemäß mit einem mehrkanaligen Lichtleiter ausgestalteter Laseroszillator Laserstrahlung geringer Leistung, wobei das Emissionsmuster aus räumlich zueinander inkohärenten Strahlen besteht. Der Laseroszillator kann (durch ein geeignetes Modulationsschema) in einem zeitlichen Betriebsregime entsprechend den Anforderungen der Anwendung (kontinuierliche Emission (cw) oder gepulst bis hin zu ultrakurzen Laserpulsen) arbeiten. Alternativ kann als Lichtquelle ein konventioneller Einzelemitter verwendet werden, wobei dessen Emission entsprechend auf die Einzellichtleiter des mehrkanaligen Lichtleiters aufgeteilt wird. Das so erzeugte Laserlicht wird nachgeschaltet in einen laser-aktiven mehrkanaligen Lichtleiter mit passender Anzahl und Anordnung der Einzellichtleiter eingekoppelt und darin zu höheren Leistungen (und ggf. Pulsenergien) verstärkt. Dieser Schritt kann auch wiederholt werden, d.h. weitere mehrkanalige Lichtleiter als Verstärker können in Serie durchlaufen werden. Ebenso kann das Muster aus Einzelemissionen in einen als passive Transportfaser dienenden mehrkanaligen Lichtleiter eingekoppelt werden. So können dann die Einzelemissionen bis zur Anwendung transportiert werden. Ebenso können Frequenzkonversionsprozesse in den Einzellichtleitern eines dem Verstärker nachgeschalteten mehrkanaligen Lichtleiters getrieben werden (z.B. Vier-Wellen-Mischung oder auch Raman-Streuung).
Bei Verwendung eines Einzelemitters als Lichtquelle in einem als MOPA-System realisierten optischen System der Erfindung gilt, dass für die inkohärente Überlagerung am Ausgang des nachgeschalteten mehrkanaligen Lichtleiters darauf zu achten ist, dass die Weglängen der Einzelemissionen bis zur Überlagerung in der Zielebene größer sind als die Kohärenzlänge des aus dem Einzelemitter stammenden Lichts. Somit sind alle Lichtquellen mit hinreichend großer spektraler Breite vorstellbar, z.B. die (optional zeitlich gestreckte) Emission eines modengekoppelten Ultrakurzpulslasers oder einer Superlumineszenz-Diode.
Bei dem MOPA-Konzept kann ein Lichtmodulator (z.B. angeordnet zwischen Oszillator und Verstärker) die zeitliche Charakteristik der Emission modifizieren, z.B. um Pulse aus einem zeitlich kontinuierlichen Laserlicht zu erzeugen oder Pulsformen an die Anforderungen der Anwendung anzupassen (z.B. zum Erzeugen von Vorpulsen oder einer Überhöhung zu Beginn eines Pulses) oder die Pulse formen, um sättigungsbedingte Pulsformung im Verstärker zu beeinflussen.
Der beschriebene Ansatz bietet darüber hinaus die Möglichkeit, dass die Emissionen der Einzellichtleiter zeitlich unabhängig voneinander erfolgen, z.B. durch voneinander unabhängige zeitliche Modulation des Laserlichts in den einzelnen Kanälen des mehrkanaligen Lichtleiters. Somit ist es z.B. denkbar, einen oder mehrere Vorpulse aus einer bestimmten Anzahl von Einzellichtleitern zu erzeugen und einen höherenergetischen Hauptpuls aus weiteren Einzellichtleitern zu emittieren. Dazu ist lediglich eine zeitlich versetzte Einkopplung von Lichtpulsen in die verschiedenen Einzellichtleiter erforderlich. Dabei ist es, z.B. durch geeignete unterschiedliche Dotierung der Einzellichtleiter oder durch entsprechende Frequenzmodulation des Pumplichts, auch möglich, dass die Vorpulse eine zum Hauptpuls verschiedene Emissionswellenlänge besitzen. Eine mögliche Ausgestaltung sieht vor, dass die Kerne der Einzellichtleiter unterschiedliche Durchmesser aufweisen, wodurch der oder die Vorpulse und der Hauptpuls voneinander verschiedene Fleckgrößen bei der inkohärenten Überlagerung ergeben. Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung sind einer oder mehrere der Einzellichtleiter mit einem Hohlkern ausgebildet, die sich z.B. zum Transport ultrakurzer Laserpulse hoher Pulsspitzenleistung eignen, umgeben von weiteren Einzellichtleitern des aktiven oder passiven mehrkanaligen Lichtleiters.
Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung kann das optische System zwei oder mehrere mehrkanalige Lichtleiter umfassen, wobei die jeweiligen Überlagerungsoptiken dazu ausgelegt sind, die gesamten Emissionen der zwei oder mehreren mehrkanaligen Lichtleiter in einem Raumbereich zu überlagern. Z.B. können die Einzelemissionen aus unterschiedlichen Raumrichtungen in den Raumbereich einfallen und dort inkohärent überlagert werden.
Auch kann die Gesamtemission des optischen Systems eine Überlagerung der Emissionen von zwei mehrkanaligen Lichtleitern orthogonaler Polarisation an einem Polarisator sein. Weiter kann die Gesamtemission eine Überlagerung der Emissionen von zwei oder mehr mehrkanaligen Lichtleitern verschiedener Wellenlängen auf einem oder mehreren spektral selektiven Elementen (z.B. Volumen-Bragg-Gitter, dichroitischer Spiegel, Prisma, Gitter, Grism oder eine Kombination dieser Elemente) sein.
Bei noch einer weiteren möglichen Ausgestaltung kann ein nichtlineares optisches Element zur Frequenzumwandlung der überlagerten Lichtemissionen der Einzellichtleiter vorgesehen sein. Die Frequenzkonversion kann konventionell kristallbasiert (Erzeugung der zweiten oder dritten Harmonischen etc.) geschehen oder auch in einem laser-induzierten Plasma (z.B. in gasförmigen Targets oder in metallischen Targets, so z.B. Zinn-Targets zur Erzeugung von EUV-Strahlung bei 13,5 nm Wellenlänge). Dieser Ansatz ist besonders vorteilhaft, da die Emission des Plasmas räumlich inkohärent ist und somit keine räumlich kohärente Strahlung für den nichtlinearen Prozess erforderlich ist. Als Voraussetzung für eine effiziente Frequenzkonversion genügt es, dass die nötige Lichtintensität erreicht wird.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1: Experimenteller Nachweis der inkohärenten Überlagerung einer aus mehreren Einzelemissionen bestehenden Gesamtemission in einem gemeinsamen Fokusfleck;
2: Erzeugung unterschiedlicher Strahlprofile durch inkohärente Überlagerung gemäß der Erfindung;
3: schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels;
4: schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels;
5: schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels;
6: schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels;
7: schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels;
8: schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels;
9: schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels;
10: schematische Darstellung eines achten Ausführungsbeispiels;
11: schematische Darstellung eines neunten Ausführungsbeispiels;
12: schematische Darstellung eines zehnten Ausführungsbeispiels;
13: Illustrationen unterschiedlicher Ausgestaltungen des mehrkanaligen Lichtleiters;
14: weitere mögliche Ausgestaltungen des mehrkanaligen Lichtleiters;
15: weitere mögliche Ausgestaltungen des mehrkanaligen Lichtleiters;
16: weitere mögliche Ausgestaltungen des mehrkanaligen Lichtleiters;
17: weitere mögliche Ausgestaltungen des mehrkanaligen Lichtleiters;
18: Illustration der inkohärenten Frequenzkonversion mittels des optischen Systems der Erfindung.

3 zeigt den grundlegenden Aufbau eines optischen Systems gemäß der Erfindung. Es umfasst einen mehrkanaligen Lichtleiter 1, der mehrere parallel zueinander verlaufende Einzellichtleiter, hier in einer arrayförmigen Anordnung mit 4x4 Einzellichtleitern (in der Querschnittdarstellung links zu erkennen) umfasst. Die Einzellichtleiter sind jeweils durch einen lichtführenden Kern (dunkler Kreis) gebildet, der von einem gemeinsamen (hier im Querschnitt kreisförmigen) Mantel des mehrkanaligen Lichtleiters 1 umgeben ist. Eine Überlagerungsoptik 2 ist dazu vorgesehen, die divergierenden Lichtemissionen der Einzellichtleiter an dem Austrittsende des mehrkanaligen Lichtleiters 1 (in 3 das rechte Ende des mehrkanaligen Lichtleiters 1) in einer Zielebene 3 inkohärent zu überlagern. Wie zu erkennen ist, treffen die Lichtstrahlen der Einzelemissionen dabei unter verschiedenen Winkeln in der Zielebene 3 zusammen.
Wie oben ausgeführt, zeichnet sich das aus den Einzelemissionen überlagerte Licht des mehrkanaligen Lichtleiters 1 durch eine hohe Strahlqualität im Vergleich zu derjenigen einer flächenäquivalenten Multimodefaser aus. Einen weiteren Vorteil illustriert die 1. Vorteilhaft ist nämlich auch die Homogenität und die Stabilität des entstehenden Fokus in der Zielebene 3 bzw. am Ort der Anwendung. Die Einzelemissionen können beispielhaft mit einer 4f-Abbildung in ihren Dimensionen angepasst, z.B. vergrößert, werden, wobei die Relationen der Durchmesser der Einzelemissionen zu den Abständen der Einzelemissionen unverändert bleiben. Eine weitere Linse fokussiert diese parallel verlaufenden Einzelemissionen in die Zielebene 3 der Anwendung. Dabei wird der Strahl jeder Einzelemission fokussiert. Die verschiedenen Strahlen treffen dabei unter verschiedenen Winkeln auf denselben Fokusfleck und überlagern dort inkohärent. Dies führt im Fokusfleck zu einer Intensitätsverteilung mit entsprechend addierter Leistungsdichte. Die Erhöhung der Leistungsdichte am Ort der Anwendung wird demnach durch ein vergrößertes Winkelspektrum „erkauft“, dieses Winkelspektrum ergibt sich durch die laterale Ausdehnung der die Gesamtemission bildenden Einzelemissionen, wie oben erläutert. In 1, die jeweils einen Querschnitt des Strahlverlaufs zeigt, wurde die Emission eines Ytterbium-dotierten mehrkanaligen Lichtleiters gemäß der Erfindung (28 µm Modenfelddurchmesser, Kern-zu-Kern-Abstand 82 µm) mit einem Linsensystem um den Faktor 33 vergrößert und mit einer weiteren Linse (f = 40mm) auf die Zielebene 3 fokussiert. Zu erkennen ist in der oberen Bildreihe der 1 die Emission eines einzelnen Einzellichtleiters/Kerns (links), eines Arrays von neun Einzellichtleitern/Kernen (Mitte) und eines Arrays aus 21 Einzellichtleitern/Kernen (rechts). In der unteren Bildreihe ist zu erkennen, dass die inkohärente Überlagerung ein homogenes gaußförmiges Intensitätsprofil erzeugt, dessen Größe sich bei Hinzunahme weiterer Einzelemissionen nicht verändert (Fleckdurchmesser ca. 70 µm). Unter der Annahme einer gleichverteilten Lichtleistung in den Einzellichtleitern ist die Leistungsdichte um einen Faktor 21 (gleich der Kernanzahl) gesteigert.
Die Abbildung einer Multimodefaser kann im Vergleich dazu aufgrund der Kohärenz der einzelnen Transversalmoden zueinander und der während der Propagation der Strahlung in der Multimodefaser unterschiedlich aufgeprägten Phase keine solch homogene Intensitätsverteilung im Fokus erzeugen. Es wird stets ein Speckle-Muster generiert, welches sich aufgrund der Änderung der relativen Phasenlage verschiedener Transversalmoden (z.B. durch kleinste Störungen) zeitlich ändert. Das macht das erzeugte Licht für viele Anwendungen unbrauchbar. Die Erfindung schafft hier Abhilfe.
Der in 3 illustrierte grundlegende Ansatz der Erfindung bietet außerdem die Möglichkeit, verschiedenste Strahlprofile zu erzeugen und auch dynamisch zwischen diesen zu wechseln. Durch entsprechende inkohärente Strahlüberlagerung hinter dem mehrkanaligen Lichtleiter ergeben sich beispielhaft die in 2 gezeigten Strahlprofile. Das Strahlprofil wird durch eine geeignete Optik vorgegeben. Gezeigt ist jeweils die inkohärente Überlagerung eines Arrays von 10×10 Einzelemissionen (einzelne Gaußstrahlen mit 60 µm Durchmesser und 150 µm Abstand) in verschiedenen Abständen hinter einer Linse, die sich im Abstand ihrer Brennweite (hier 60 mm) vom Austrittsende des Mehrkanalwellenleiters 1 befindet. Jedes dieser zeitlich stabilen und räumlich homogenen Muster (links: flat-top, Mitte: Super-Gauß-Profil, rechts: Gaußprofil) kann mit einer entsprechenden Abbildungsoptik auf eine Zielebene 3 mit entsprechenden Zieldimensionen und - entsprechend der emittierten Leistungscharakteristik der Einzelemissionen - einer damit verbundenen Zielleistungsdichte abgebildet werden. So können neben kleinen Fleckgrößen und damit hohen Leistungsdichten auch räumlich flache (flat-top) Profile (z.B. höchster Pulsenergie für Laser Shock Peening) der jeweiligen Anwendung bereitgestellt werden. Durch Anpassung der Abbildungsoptik kann optional zwischen diesen Profilen gewechselt werden, dies auch dynamisch.
Der vorgeschlagene Ansatz bietet darüber hinaus die Möglichkeit, die Einzellichtleiter mit verschiedenen Dotierstoffen zu dotieren und somit durch Umschalten der Pumpwellenlänge (z.B. zwischen 793 nm für Thulium und 910-980 nm für Ytterbium) die Emissionswellenlänge zu ändern, wobei dennoch alle Emissionen die inkohärente Überlagerung darstellen und somit einen in seiner Wellenlänge modulierbaren flat-top Strahl oder einen Fokus erzeugen.
Die 4 illustriert als weiteres Ausführungsbeispiel einen mehrkanaligen Lichtleiter als Laseroszillator, der in seiner einfachsten Ausführung kontinuierliche Laserstrahlung emittiert. Der Laserresonator um die aktiv dotierten (z.B. mit Ytterbium-, Erbium- oder Thuliumionen) Einzellichtleiter, deren Kerne (in 4 schraffiert dargestellt) in einem gemeinsamen Pumpmantel integriert sind, kann zum Beispiel durch beschichtete Endflächen oder Fresnel-Reflexionen an den Endflächen der Einzellichtleiter gebildet werden. Ebenso können die Laserresonatoren der Einzellichtleiter durch eingebrachte Faser-Bragg-Gitter 4 (FBGs) gebildet sein, wobei das Einschreiben der FBGs in jedem Kern unabhängig geschehen kann, aber ebenso über die Gesamtheit der Einzelkerne möglich ist. Die FBGs bilden dabei für jeden Kern einen unabhängigen Resonator, was eine von Kern zu Kern inkohärente Emission gewährleistet.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Erzeugung von zueinander inkohärenter gepulster Strahlung der Einzelemissionen des aktiv dotierten mehrkanaligen Lichtleiters (Multikern-Oszillator 5). Dazu kann optional ein Modulator 6, z.B. ein aktiver (z.B. akusto-optischer oder elektrooptischer) Modulator oder ein passiver Amplitudenmodulator (z.B. ein sättigbarer Absorber), eingebracht werden. Die zeitlich modulierten Einzelemissionen propagieren nachfolgend durch eine Überlagerungsoptik 2 auf die Zielebene 3 (hier nicht dargestellt).
In dem weiteren Ausführungsbeispiel der 6 werden die mittels des Multikern-Oszillators 5 erzeugten kontinuierlichen oder gepulsten Einzelemissionen in einem oder mehreren weiteren aktiv dotierten mehrkanaligen Lichtwellenleiter (Multikernverstärker 7) verstärkt. Nachfolgend erfolgt wiederum die inkohärente Überlagerung mittels Überlagerungsoptik 2.
In dem weiteren Ausführungsbeispiel der 7 erfolgt ein Transport der Emissionen eines Lasersystems 9 in den Einzellichtleitern eines passiven mehrkanaligen Lichtleiters (Multikerntransportfaser 8). Dazu kann die Emission des Lasersystems 9, optional eines Mehrkernlasersystems, z.B. bestehend aus Multikern-Oszillator 5 und Multikernverstärker 7), in die Multikerntransportfaser 8 eingekoppelt werden (Freistrahlkopplung oder Faserverbindung durch einen Spleiß) und in dieser z.B. zur Applikation geführt werden. Nachfolgend erfolgt wiederum die inkohärente Überlagerung mittels Überlagerungsoptik 2.
Die inkohärente Überlagerung kann durch unterschiedliche Überlagerungsoptiken 2 erfolgen. Als einfachstes Beispiel dient eine einzelne Linse 10, welche die unterschiedlichen Emissionen in der Zielebene 3 überlagert. Beispielhaft ist in 8 diese Überlagerung anhand eines mehrkanaligen Lichtleiters 1 (Multikernfaser) mit 16 Signalkernen in einer 4x4 Anordnung dargestellt.
Um die Größe bzw. räumliche Ausdehnung der Überlagerung und damit die erzeugten Intensitäten anzupassen, kann, wie in 9 gezeigt, eine weitere Optik 11 (z.B. ein Teleskop bestehend aus zwei Linsen) verwendet werden, die eine Zwischenebene 12 auf die Zielebene 3 abbildet.
In 10 erfolgt die Überlagerung durch eine Zylinderlinse 13, angepasst, um einen elliptischen Strahl in der Zwischenebene 12 bzw. der Zielebene 3 zu erzeugen, bei entsprechend gewählter Brennweite der Zylinderlinse 13 und den Abständen der Elemente ergibt sich ein homogener Linienfokus. Die 10 zeigt den Aufbau in Draufsicht (oben) und Seitenansicht (unten).
Bei dem Ausführungsbeispiel der 11 kommt ein Linsenarray 14, optional ein Mikrolinsenarray, hinter dem mehrkanaligen Lichtleiter 1 zum Einsatz, wobei im Idealfall jeweils eine Mikrolinse im Strahlengang einer Einzelemission platziert ist. Mit diesem Ansatz kann der Strahldurchmesser der Einzelemissionen im Verhältnis zu ihren Abständen verändert werden. So ist es z.B. möglich, die räumliche Packungsdichte, d.h. den Füllfaktor der Gesamtemission, d.h. der Gesamtheit der Einzelemissionen, zu erhöhen. Nachfolgend erfolgt die inkohärente Überlagerung mittels der Überlagerungsoptik 2 auf der Zielebene 3 oder der Zwischenebene 12. Das Mikrolinsenarray 14 muss nicht zwingend direkt hinter dem Mehrkanallichtleiter 1 platziert werden, auch andere Positionen im Strahlengang eignen sich zur Anpassung des Füllfaktors. Bei größerem Abstand kann auch ein klassisches Linsenarray 14 den Füllfaktor erhöhen.
Die 12 illustriert, dass von den Einzellichtleitern emittierte Pulse gleichzeitig oder zu beliebig verschieben Zeiten (z.B. zwei Gruppen von Pulsen mit Zeitdifferenz Δt) auf der Zielebene 3 eintreffen.
Neben der Überlagerungsoptik 2 kann auch der Mehrkanallichtleiter 1 selbst an die nachfolgende Anwendung angepasst werden. So können die Indexprofile der Einzelkerne des als aktive oder passive Multikernfaser ausgebildeten mehrkanaligen Lichtleiters 1 angepasst werden, um ein bestimmtes Ausgangsstrahlprofil zu erzielen. Dies illustriert die 13. So ergeben sich in konventionellen Stufenindexfasern Gauß-ähnliche Strahlprofile (13a), mit einem angepassten Indexprofil ein flaches, sogenanntes „Flat-Top“ Strahlprofil (13b). Es bestehen hier zahlreiche Designfreiheitgrade. Das Indexprofil der Einzellichtleiter kann angepasst werden, um einen Kompromiss zwischen Abstand der Einzelemissionen, Strahlqualität der Einzelemission und Kopplung der Einzelemissionen zu finden. Ebenso sind Spezialfaserdesigns der Einzellichtleiter möglich, z.B. als photonische Kristallfasern oder Large-Pitch-Fasern.
Weiter können verschiedene Dotierstoffe 15 (z.B. Ytterbium, Erbium oder Thulium) in den Kernen der unterschiedlichen Einzellichtleiter eingebracht werden, wie die 14a zeigt. Damit ist durch einfaches Umschalten der Pumpwellenlänge die Emission bei unterschiedlichen Wellenlängen möglich, wobei die Einzelemissionen inkohärent überlagert werden. Dabei ist zu beachten, dass bei unterschiedlichen Wellenlängen entsprechend unterschiedliche Kerndurchmesser der Einzellichtleiter gewählt werden können, um denselben Fleckdurchmesser bei der Überlagerung zu erreichen. Z.B. beträgt die Emissionswellenlänge bei Dotierung mit Thulium ca. 2 µm, demnach ist das Strahlparameterprodukt im Vergleich zur Emission bei 1 µm per Definition um einen Faktor zwei schlechter (auch unter Annahme beugungsbegrenzter Strahlqualität). Allerdings erlaubt die längere Wellenlänge auch einen um einen Faktor zwei größeren Kerndurchmesser bei unverändertem V-Parameter und damit unveränderter Modenanzahl in dem Einzellichtleiter.
Allgemein kann die Geometrie der Kerne der Einzellichtleiter unterschiedlich ausgeführt werden. In 14b sind Kerne unterschiedlicher Größen 16 in den mehrkanaligen Lichtleiter eingebracht, was auf der Zielebene 3 zu Strahlen unterschiedlicher Durchmesser führt. Dies kann mit dem Einsatz unterschiedlicher Dotierstoffe in den Einzellichtleitern kombiniert werden, so dass verschiedene Emissionswellenlängen verschiedene Fleckgrößen und damit Intensitäten in der Zielebene 3 erzeugt werden können. Neben der Verwendung von konventionellen aktiven oder passiven Kernen der Einzellichtleiter ist auch die Integration von einem oder mehreren passiven (optional gasgefüllten) Hohlkernwellenleitern 17 möglich, wie die 14c zeigt.
Die Anordnung der Einzellichtleiter über den Querschnitt des mehrkanaligen Lichtleiters ist nicht auf ein Rechteckmuster beschränkt, wie es die 15a illustriert. Es sind auch ein lineares Muster (15b) oder ein polygonales Muster (15c) möglich. Vorteilhaft ist aufgrund der Erhöhung des Füllfaktors der Gesamtemission eine hexagonale Positionierung der Einzellichtleiter (15d). Ebenso ist eine zufällige Positionierung der Einzellichtleiter, auch mit unterschiedlichen Abständen der Kerne, wie in 15e gezeigt, prinzipiell möglich.
Bei kleinem Kernabstand der Einzellichtleiter in dem aktiven oder passiven mehrkanaligen Lichtleiter 1 der Erfindung kann eine Vermeidung bzw. Reduzierung der optischen Kopplung zwischen den Einzellichtleitern durch Einbringen von optischen Barrieren gelingen. Diese kann beispielhaft, wie die 16 illustriert, durch Materialien 18, 19 mit abweichenden Brechzahlen (16a und 16b), oder durch Luftlöcher 20 (16c) zwischen oder um die einzelnen Kerne gelingen.
Neben der transversalen Struktur des mehrkanaligen Lichtleiters 1 kann auch die longitudinale Struktur angepasst werden. So kann z.B. der Durchmesser in einem Teilstück, wie in 17a gezeigt, oder über die gesamte Länge verändert werden („Taper“ 21), was die Strahlqualität der Einzelemissionen positiv beeinflussen kann. Dieses Tapern kann in dem mehrkanaligen Lichtleiter 1 als Multikern-Oszillator 5, aber insbesondere auch im Multikernverstärker 7 oder in der Multikerntransportfaser 8 vorteilhaft sein. Ebenso kann die Veränderung der Emissionsgröße der Einzelkerne bei (optional) unverändertem Außendurchmesser des Mehrkanalwellenleiters 1 von Vorteil sein, da dies den Füllfaktor der Gesamtemission erhöhen kann. Dies zeigt die 17b bei 22 schematisch. Sowohl eine Vergrößerung der Einzelkerne am Austrittsende (damit verbunden eine Verringerung des Abstands der Kerne) als auch eine Verkleinerung der Einzelkerne (damit verbunden eine Vergrößerung der Modenfläche bei gleichbleibendem Kernabstand) kann den Füllfaktor positiv beeinflussen.
Die 18 illustriert schließlich als ausgewählte Anwendung des erfindungsgemäßen optischen Systems die Erzeugung eines laserinduzierten Plasmas in Gasen oder Festkörpern zwecks Frequenzkonversion bei 24. Die inkohärente Überlagerung der Einzelemissionen mit guter Gesamtstrahlqualität und homogenem Intensitätsprofil in der Zielebene 3 eignet sich hervorragend für den inkohärenten Frequenzkonversionsprozess. Leistungsdichten im Bereich von 10¹¹ W/cm² auf verschiedensten Metallen erzeugen Plasmen, die im extremen ultravioletten (EUV) Spektralbereich, aber auch im Bereich der weichen Röntgenstrahlung emittieren, bei Intensitäten von 10¹⁷ W/cm² sind Emissionen im Bereich der harten Röntgenstrahlung möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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s. N. M. Fried, „Recent advances in infrared laser lithotripsy [Invited],“ Biomed. Opt. Express 9, 4552, 2018 [0007]
s. K. Kellens, G. Costa Rodrigues, W. Dewulf, J. R. Duflou, G. C. Rodrigues, W. Dewulf, and J. R. Duflou, „Energy and resource efficiency of laser cutting processes,“ Phys. Procedia 56, 854-864, 2014 [0008]
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Claims

Optisches System zur Erzeugung oder Führung von Licht, mit einem mehrkanaligen Lichtleiter (1), der mehrere parallel zueinander verlaufende Einzellichtleiter umfasst, und mit einer Überlagerungsoptik (2), die dazu ausgelegt ist, Lichtemissionen der Einzellichtleiter an einem Austrittsende des mehrkanaligen Lichtleiters (1) in einer Zielebene (3) zu überlagern, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerung der Lichtemissionen der Einzellichtleiter in der Zielebene (3) inkohärent ist.
Optisches System nach Anspruch 1, wobei die Einzellichtleiter im Querschnitt des mehrkanaligen Lichtleiters (1) gesehen eine linienförmige oder arrayförmige Anordnung aufweisen.
Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einzellichtleiter jeweils durch einen lichtführenden Kern oder eine sonstige lichtführende Struktur gebildet sind.
Optisches System nach Anspruch 3, wobei die Kerne oder lichtführenden Strukturen der Einzellichtleiter von einem gemeinsamen Mantel des mehrkanaligen Lichtleiters (1) umgeben sind.
Optisches System nach Anspruch 3 oder 4, wobei zumindest einer der lichtführenden Kerne, vorzugsweise ein Teil der lichtführenden Kerne, besonders bevorzugt alle lichtführenden Kerne eine optische Verstärkung ermöglichende Dotierung mit Ionen der seltenen Erden, vorzugsweise Erbium, Ytterbium oder Thulium, aufweist bzw. aufweisen.
Optisches System nach Anspruch 5, wobei sich die lichtführenden Kerne hinsichtlich der Dotierung voneinander unterscheiden.
Optisches System nach Anspruch 5 oder 6, wobei der gemeinsame Mantel zur Führung von Pumplicht zum optischen Pumpen des zumindest einen dotierten Kerns ausgelegt ist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kerne unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zumindest einer der Kerne als Hohlkern ausgebildet ist.
Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einzellichtleiter dotierte lichtleitende Fasern, vorzugsweise Doppelkernfasern sind.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Einzellichtleiter voneinander optisch entkoppelt sind.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Lichtemissionen der Einzellichtleiter nahezu beugungsbegrenzt sind.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Überlagerungsoptik (2) variabel und dazu ausgelegt ist, verschiedene Strahlprofile in der Zielebene (3) zu erzeugen.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Überlagerungsoptik (2) ein Linsenarray (14) umfasst, wobei jede Linse des Linsenarrays (14) einem oder mehreren Einzellichtleitern zugeordnet ist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Einzellichtleiter jeweils ein Lasermedium in einem optischen Resonator bilden.
Optisches System nach Anspruch 15, mit einem innerhalb oder außerhalb des Resonators angeordneten Lichtmodulator (6), der zur Erzeugung einer zeitlichen Modulation einer Laseremission ausgelegt ist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 16, mit zwei oder mehreren mehrkanaligen Lichtleitern (1), wobei die den mehrkanaligen Lichtleitern (1) jeweils zugeordneten Überlagerungsoptiken (2) dazu ausgelegt sind, die Emissionen der zwei oder mehreren mehrkanaligen Lichtleiter (1) in einem Raumbereich zu überlagern.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 17, mit einem nichtlinearen optischen Element, das zur Frequenzumwandlung der überlagerten Lichtemissionen der Einzellichtleiter vorgesehen ist.
Verwendung des als Lasersystem ausgebildeten optischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur - Erzeugung von UV-Licht aus einem laserinduzierten Metall- oder Gas-Plasma, - Materialbearbeitung durch Laser Shock Peening, - Abtrennung eines Films von einem Substrat per Laser-Lift-Off, oder - Zertrümmerung von Nieren- oder Blasensteinen durch Beaufschlagung mit Laserpulsen (Lithotripsie).