DE102023100646A1 - Device and method for generating a laser beam with a defined beam shape - Google Patents

Device and method for generating a laser beam with a defined beam shape Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Hochleistungslaserstrahls mit vorgegebener Strahlform, umfassend ein Strahlformungsmodul (120, 220, 320) zum Erzeugen eines geformten Laserstrahls (160, 260, 360) mit einer ersten definierten Strahlform aus einem Eingangslaserstrahl (150, 250, 350); und ein optisches Verstärkermodul (130, 230, 330) zum Erzeugen eines verstärkten Laserstrahls (170, 270, 370) mit einer zweiten definierten räumlichen Strahlform aus dem geformten Laserstrahl, wobei das optische Verstärkermodul ein optisch aktives Element umfasst, welches die Intensität eines Freiraum-Laserstrahls beim Durchgang erhöht.The present invention relates to a device for generating a high-power laser beam with a predetermined beam shape, comprising a beam shaping module (120, 220, 320) for generating a shaped laser beam (160, 260, 360) with a first defined beam shape from an input laser beam (150, 250, 350); and an optical amplifier module (130, 230, 330) for generating an amplified laser beam (170, 270, 370) with a second defined spatial beam shape from the shaped laser beam, wherein the optical amplifier module comprises an optically active element which increases the intensity of a free-space laser beam as it passes through.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen eines Laserstrahls mit einer definierten Strahlform, insbesondere für einen Laserstrahl eines Ultrakurzpulslasers (UKP).The present invention relates to a device and a method for generating a laser beam with a defined beam shape, in particular for a laser beam of an ultrashort pulse laser (USP).

Stand der TechnikState of the art

Im Bereich der Lasertechnik ist eine räumliche Formung des erzeugten Strahlprofils in vielen Fällen von Vorteil, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen. Dies gilt insbesondere für die Verwendung von Laserstrahlen zur Materialbearbeitung. Als bearbeitende Verfahren können beispielsweise das Laserschneiden als kontaktloses Materialtrennverfahren, die Bearbeitung von Oberflächen beziehungsweise oberflächlichen Materialschichten, der Abtrag von Materialien, die Bearbeitung transparenter Materialien oder verschiedene Varianten des Laserschweißens und ähnliche Fügeverfahren genannt werden. Alle diese Verfahren profitieren von einer gezielten Beeinflussung der Strahlform, um die Strahleigenschaften möglichst exakt an die verwendeten Materialien und Bedingungen anzupassen. Gleichzeitig werden in diesen Anwendungen häufig sehr hohe Pulsenergiespitzen benötigt, so dass kurze und ultrakurze Pulse (UKP) mit hoher Leistung eingesetzt werden.In the field of laser technology, a spatial shaping of the beam profile generated is in many cases advantageous in order to achieve certain properties. This is particularly true for the use of laser beams for material processing. Processing methods include, for example, laser cutting as a contactless material separation process, the processing of surfaces or superficial material layers, the removal of materials, the processing of transparent materials or various variants of laser welding and similar joining processes. All of these processes benefit from a targeted influence on the beam shape in order to adapt the beam properties as precisely as possible to the materials and conditions used. At the same time, very high pulse energy peaks are often required in these applications, so short and ultra-short pulses (USP) with high power are used.

Zur Strahlformung zählen dabei einfache Festlegungen des Strahldurchmessers und der Fokuslagen mit definierter Leistung ebenso wie die Erzeugung komplexer Strahlprofile, wie etwa ringförmige Strahlquerschnitte, Tophat-Profile mit gleichmäßiger Energiedichte über einen flächigen Bereich, oder die Festlegung definierter Energieverteilungen innerhalb des Strahlquerschnitts.Beam shaping includes simple determination of the beam diameter and focus positions with defined power as well as the generation of complex beam profiles, such as ring-shaped beam cross-sections, tophat profiles with uniform energy density over a flat area, or the determination of defined energy distributions within the beam cross-section.

Um eine gewünschte Strahlform zu erzeugen, werden im Bereich des Ausgangsstrahls Strahlformungselemente wie etwa diffraktive optische Elemente genutzt, mit denen das endgültige Strahlprofil festgelegt werden kann. Dabei ist insbesondere eine veränderbare Strahlformung von großem Interesse, um innerhalb eines Prozesses verschiedene Strahlformen anwenden zu können und eine hohe Produktivität des Gesamtprozesses beizubehalten. Die Umschaltgeschwindigkeit der Strahlformung kann dabei durchaus ein limitierender Faktor sein. Zwar sind ansteuerbare Strahlformungselemente oder Wechsler für diffraktive Elemente verfügbar, die eine schnelle Umschaltung ermöglichen - häufig sind diese Elemente aber nicht hochleistungstauglich und können daher nicht in allen Anwendungen eingesetzt werden. Bei zu hohen Leistungen setzen zunächst Probleme wie eine Phasendrift ein, der ständig korrigiert werden muss und die Strahlformung verschlechtert. Auch die Zerstörschwelle üblicher Strahlformungselemente liegt weit unter den im Hochleistungsbereich erwünschten Leistungswerten, die im kW-Bereich liegen können.In order to generate a desired beam shape, beam shaping elements such as diffractive optical elements are used in the area of the output beam, with which the final beam profile can be determined. Variable beam shaping is of particular interest in order to be able to use different beam shapes within a process and to maintain a high level of productivity in the overall process. The switching speed of the beam shaping can certainly be a limiting factor. Controllable beam shaping elements or changers for diffractive elements are available, which enable rapid switching - but these elements are often not suitable for high performance and therefore cannot be used in all applications. If the power is too high, problems such as phase drift initially arise, which must be constantly corrected and worsens the beam shaping. The damage threshold of conventional beam shaping elements is also far below the performance values desired in the high-performance range, which can be in the kW range.

Aus der Patentanmeldung WO 2019063662 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls mit einem Top-Hat-Profil bekannt, bei der ein Gaußstrahl über ein diffraktives optisches Element homogenisiert wird und dieser homogenisierte Strahl in eine Multimodenfaser eingestrahlt wird, in der Moden höherer Ordnung angeregt werden. Nach der Multimodenfaser kann der Strahl zusätzlich verstärkt werden. Durch die Verwendung der Multimoden-Strahlung eignet sich dieses Verfahren nicht für Ultrakurzpulsanwendungen. Nicht-homogene Strahlformen können damit ebenfalls nicht gezielt erreicht werden.From the patent application WO 2019063662 A device for generating a laser beam with a top hat profile is known in which a Gaussian beam is homogenized using a diffractive optical element and this homogenized beam is radiated into a multimode fiber in which higher order modes are excited. After the multimode fiber, the beam can be additionally amplified. Due to the use of multimode radiation, this method is not suitable for ultrashort pulse applications. Non-homogeneous beam shapes cannot be achieved in a targeted manner either.

In der Veröffentlichung „ Radially polarized emission with 635 W of average power and 2.1 mJ of pulse energy generated by an ultrafastthin-disk multipass amplifier“ (Optics Letters 40.24 (2015), S. 5758-5761 ) wurde die Erzeugung eines radial polarisierten Laserstrahls beschrieben, wobei ein Strahl zunächst durch Verwendung von Polarisationselementen radial polarisiert und dabei in eine Donut-Form übergeführt wird. Dieser Strahl wird dann einem Multipass-Verstärker verstärkt, wobei durch die Reflexionen im Verstärker Depolarisationseffekte auftreten. Zur Kompensation dieser Depolarisationseffekte wurde ein Lambda/4-Plättchen am Verstärkerausgang angebracht.In the publication “ Radially polarized emission with 635 W of average power and 2.1 mJ of pulse energy generated by an ultrafast thin-disk multipass amplifier” (Optics Letters 40.24 (2015), pp. 5758-5761 ) described the generation of a radially polarized laser beam, whereby a beam is first radially polarized using polarization elements and thereby converted into a donut shape. This beam is then amplified in a multipass amplifier, whereby depolarization effects occur due to the reflections in the amplifier. To compensate for these depolarization effects, a lambda/4 plate was attached to the amplifier output.

Darstellung der ErfindungDescription of the invention

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls mit definierter Strahlform sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.Based on the known prior art, it is an object of the present invention to provide an improved device for generating a laser beam with a defined beam shape and a corresponding method.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.The object is achieved by a device for generating a laser beam with the features of claim 1. Advantageous further developments emerge from the subclaims, the description and the figures.

Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls mit vorgegebener Strahlform vorgeschlagen, die ein Strahlformungsmodul zum Erzeugen eines geformten Laserstrahls mit einer ersten definierten Strahlform aus einem Eingangslaserstrahl, sowie ein optisches Verstärkermodul zum Erzeugen eines verstärkten Laserstrahls mit einer zweiten definierten räumlichen Strahlform aus dem geformten Laserstrahl umfasst, wobei das optische Verstärkermodul mindestens ein optisch aktives Element umfasst, welches die Intensität eines Freiraum-Laserstrahls beim Durchgang erhöht.Accordingly, a device for generating a laser beam with a predetermined beam shape is proposed, which comprises a beam shaping module for generating a shaped laser beam with a first defined beam shape from an input laser beam, and an optical amplifier module for generating an amplified laser beam with a second defined spatial beam shape from the shaped laser beam, wherein the optical amplifier module comprises at least one optically active element which determines the intensity of a free-space laser beam during passage.

Mit einer solchen Vorrichtung ist es möglich, auch Strahlformungsmodule zu verwenden, die nur für vergleichsweise geringe Laserleistungen ausgelegt sind und die bei höheren Zielleistungen des Ausgangsstrahls bisher nicht genutzt werden konnten. Die Auswahl möglicher Strahlformungsmodule für gezielte Anwendungen in der Materialbearbeitung, Fertigung oder Medizin erweitert sich dabei beträchtlich, so dass auch flexible und schnell schaltbare Strahlformungsmodule für Hochleistungsanwendungen wie etwa für UKP (Ultrakurzpuls)-Laser anwendbar sind. Damit können optimierte Strahlprofile wie etwa Vortex-, Flattop- oder Freiformprofile erzeugt werden.With such a device, it is also possible to use beam shaping modules that are only designed for comparatively low laser powers and that could not previously be used with higher target powers of the output beam. The selection of possible beam shaping modules for targeted applications in material processing, manufacturing or medicine is expanded considerably, so that flexible and quickly switchable beam shaping modules can also be used for high-performance applications such as for UKP (ultrashort pulse) lasers. This allows optimized beam profiles such as vortex, flattop or freeform profiles to be generated.

Dabei ist es bevorzugt, dass die erste definierte Strahlform zumindest teilweise in Abhängigkeit von Eigenschaften des optischen Verstärkermoduls bestimmt ist. Diese Abhängigkeit kann explizit festgelegt sein, kann aber insbesondere auch implizit durch Auswertung der erreichten zweiten Strahlform des verstärkten Laserstrahls ermittelt beziehungsweise berücksichtigt werden. Dadurch kann die Güte der zweiten definierten Strahlform des verstärkten Laserstrahls verbessert werden, da verschiedene Effekte, welche die Strahlform im Verstärker beeinflussen, zumindest teilweise kompensiert werden können.It is preferred that the first defined beam shape is determined at least partially as a function of properties of the optical amplifier module. This dependency can be explicitly defined, but can also be determined or taken into account implicitly by evaluating the achieved second beam shape of the amplified laser beam. This can improve the quality of the second defined beam shape of the amplified laser beam, since various effects that influence the beam shape in the amplifier can be at least partially compensated.

In einer möglichen Ausführungsform umfasst das Verstärkermodul einen optischen Scheibenverstärker, wobei das optisch aktive Element eine Materialscheibe für einen mindestens einmaligen Durchgang des Laserstrahls umfasst. Zur Erhöhung der Verstärkung können aber auch mehrere Durchgänge des Laserstrahls vorgesehen werden, so dass es sich um einen sogenannten Multipass-Verstärker (beziehungsweise Multipass-Zelle, MPC) handelt. Die mehreren Durchgänge werden durch Reflexion an Spiegelelementen, z.B. Spiegelarrays im Verstärker erreicht; auch die Rückseite der Materialscheibe kann z.B. durch geeignete Beschichtung zur Reflexion des Strahls genutzt werden. Ein Scheibenverstärker eignet sich gut zur Verstärkung eines frei propagierenden Strahls, insbesondere bei hohen Spitzenleistungen, da auch größere Strahldurchmesser möglich sind.In one possible embodiment, the amplifier module comprises an optical disk amplifier, wherein the optically active element comprises a material disk for at least one passage of the laser beam. To increase the amplification, however, several passes of the laser beam can also be provided, so that it is a so-called multipass amplifier (or multipass cell, MPC). The multiple passes are achieved by reflection on mirror elements, e.g. mirror arrays in the amplifier; the back of the material disk can also be used to reflect the beam, e.g. by means of a suitable coating. A disk amplifier is well suited to amplifying a freely propagating beam, especially at high peak powers, since larger beam diameters are also possible.

Optional kann die Vorrichtung mindestens ein Polarisationselement zum linearen Polarisieren des Laserstrahls vor dem Verstärkermodul umfassen. Damit wird es möglich, den Strahl doppelt durch den Verstärker laufen zu lassen (Double Pass) und anschließend durch Filterelemente vom Eingangsstrahl zu trennen. Der doppelte Durchgang verdoppelt auch die Anzahl der einzelnen Scheibendurchgänge im Verstärker und damit den Verstärkungsfaktor. Der zweite Durchgang kann beispielsweise einfach durch einen Endspiegel am Verstärkerausgang erreicht werden.Optionally, the device can include at least one polarization element for linearly polarizing the laser beam in front of the amplifier module. This makes it possible to let the beam pass through the amplifier twice (double pass) and then separate it from the input beam using filter elements. The double pass also doubles the number of individual disk passes in the amplifier and thus the amplification factor. The second pass can be achieved, for example, simply by using an end mirror at the amplifier output.

Das Strahlformungselement kann die Strahlformung durch Modulation der Phase und/oder der Amplitude des Laserstrahls bewirken; es kann insbesondere dazu eingerichtet sein, die Strahlformung zumindest durch eine Phasenmodulation des Laserstrahls zu bewirken. Die Phasenmodulation ermöglicht unter anderem die zuvor bereits beschriebene Polarisation des Strahls. Außerdem können durch Phasenmodulation auch sehr komplexe Strahlformen erreicht werden.The beam-forming element can effect beam formation by modulating the phase and/or the amplitude of the laser beam; it can in particular be designed to effect beam formation at least by phase modulation of the laser beam. The phase modulation enables, among other things, the polarization of the beam already described above. In addition, very complex beam shapes can also be achieved by phase modulation.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn als Strahlformungsmodul ein einstellbares Strahlformungselement verwendet wird und die erste definierte Strahlform, welche durch das Strahlformungsmodul erzeugt wird, durch eine Ansteuerung des einstellbaren Strahlformungselements anpassbar ist. Solche einstellbaren Strahlformungselemente können, je nach Bauform, ein schnelles Umschalten der Strahlform ermöglichen, teilweise mit Schaltfrequenzen im kHz-Bereich und schneller. Durch den Einsatz vor dem Verstärkermodul können diese üblicherweise nicht hochleistungsfähigen Module zur Strahlformung des Hochleistungsstrahls eingesetzt werden und damit wesentlich zur Steigerung von Durchsatz und Produktivität bei hoher verfügbarer Pulsenergie in einem Prozess beitragen. Die Anpassung der Strahlprofile ermöglicht eine verbesserte Prozesskontrolle und kann als „optischer Werkzeugwechsel“ eingesetzt werden.Further advantages arise when an adjustable beam-forming element is used as the beam-forming module and the first defined beam shape, which is generated by the beam-forming module, can be adjusted by controlling the adjustable beam-forming element. Depending on their design, such adjustable beam-forming elements can enable the beam shape to be switched quickly, sometimes with switching frequencies in the kHz range and faster. By using them in front of the amplifier module, these modules, which are usually not high-performance, can be used to shape the high-performance beam and thus make a significant contribution to increasing throughput and productivity with high available pulse energy in a process. Adjusting the beam profiles enables improved process control and can be used as an "optical tool change".

Bei Verwendung eines einstellbaren Strahlformungselements kann zusätzlich eine Steuereinheit zur Ansteuerung des einstellbaren Strahlformungselements vorhanden sein, wobei die Steuereinheit zum Ermitteln von statischen oder dynamisch veränderlichen Einstellparametern zumindest in Abhängigkeit von der zweiten definierten Strahlform eingerichtet ist. Diese Einstellparameter können auf unterschiedliche Arten ermittelt werden; neben einer manuellen Festlegung ist es beispielsweise möglich, Einstellparameter in Abhängigkeit von der zweiten definierten Strahlform auf Grundlage von Kennfeldern, Funktionen oder ähnlichen Zuordnungen zu bestimmen, die zuvor aus Messungen und/oder Modellierungen abgeleitet wurden.When using an adjustable beam-forming element, a control unit for controlling the adjustable beam-forming element can also be present, wherein the control unit is set up to determine static or dynamically variable setting parameters at least depending on the second defined beam shape. These setting parameters can be determined in different ways; in addition to manual setting, it is possible, for example, to determine setting parameters depending on the second defined beam shape on the basis of characteristic maps, functions or similar assignments that were previously derived from measurements and/or modeling.

Eine weitere Möglichkeit zur Ansteuerung eines einstellbaren Strahlformungselements besteht darin, mindestens eine Messeinrichtung zum Erfassen von einem oder mehreren Parametern eines Strahlprofils des verstärkten Laserstrahls mit der zweiten Strahlform nach dem Verstärkermodul vorzusehen (z.B. eine Kamera oder ein entsprechender Sensor für andere Wellenlängenbereiche). Die Vorrichtung kann dann weiter einen Regler umfassen, welcher dazu eingerichtet ist, einen oder mehrere Parameter des erfassten Strahlprofils des verstärkten Laserstrahls zu regeln, und zwar durch Ermitteln einer Regelabweichung zwischen den ein oder mehreren Parametern des erfassten Strahlprofils und korrespondierenden Parametern eines vorgegebenen Soll-Strahlprofils, wobei der Regler dazu eingerichtet ist, die Regelung durch Anpassung der Ansteuerung des einstellbaren Strahlformungselements als Stellglied zu erreichen. Mit einer solchen aktiven Feedback-Regelung kann die Strahlform des verstärkten Ausgangsstrahls frei oder auf Grundlage von vorgegebenen Startparametern optimiert werden. Auch Veränderungen während des Prozesses, z.B. durch thermische Einflüsse (Warmlaufen des Verstärkers) und Schwankungen im Betrieb, können auf diese Weise leicht ausgeglichen werden, um die gewünschte Strahlform möglichst konstant zu halten. Natürlich ist es auch möglich, das Soll-Strahlprofil im Betrieb zu verändern und damit durch Nachregeln schnell wieder die gewünschte Strahlform im Ausgangsstrahl zu erreichen.Another possibility for controlling an adjustable beam-forming element is to provide at least one measuring device for detecting one or more parameters of a beam profile of the amplified laser beam with the second beam shape after the amplifier module (e.g. a camera or a corresponding sensor for other wavelength ranges). The The device can then further comprise a controller which is set up to regulate one or more parameters of the recorded beam profile of the amplified laser beam, namely by determining a control deviation between the one or more parameters of the recorded beam profile and corresponding parameters of a predetermined target beam profile, wherein the controller is set up to achieve the control by adapting the control of the adjustable beam shaping element as an actuator. With such active feedback control, the beam shape of the amplified output beam can be optimized freely or on the basis of predetermined start parameters. Changes during the process, e.g. due to thermal influences (warming up of the amplifier) and fluctuations in operation, can also be easily compensated in this way in order to keep the desired beam shape as constant as possible. Of course, it is also possible to change the target beam profile during operation and thus quickly achieve the desired beam shape in the output beam again by readjusting.

Als einstellbares Strahlformungsmodul kann beispielsweise ein Mikro-Spiegel-Array, ein Grating-Light-Valve-Modul oder ein Spatial-Light-Modulator(SLM)-Modul verwendet werden. Die Wahl des passenden Strahlformungsmoduls kann z.B. abhängig von den gewünschten Umschaltgeschwindigkeiten, dem Wellenlängenbereich und der Leistung des Seedlasers getroffen werden. Die genannten Strahlformungsmodule (oder vergleichbare Elemente) können auch als Mikro-Elektronisch-Mechanisches System (MEMS) ausgebildet sein, so dass ein kompakter Aufbau möglich ist.A micro-mirror array, a grating light valve module or a spatial light modulator (SLM) module can be used as an adjustable beam shaping module. The choice of the appropriate beam shaping module can be made depending on the desired switching speeds, the wavelength range and the power of the seed laser. The beam shaping modules mentioned (or comparable elements) can also be designed as a micro-electronic-mechanical system (MEMS), so that a compact structure is possible.

Die Vorrichtung kann zusätzlich auch ein Lasermodul zum Erzeugen des Eingangslaserstrahls (Seedlaser) umfassen, wie etwa einen Faser- oder Diodenlaser. Grundsätzlich können hier alle Laserformen und alle Wellenlängenbereiche genutzt werden, für die entsprechende Strahlformungsmodule verfügbar sind. Optional können dabei auch zusätzliche frequenzkonvertierende Elemente verwendet werden, falls die durch den Laser vorgegebenen Wellenlängenbereiche z.B. nicht kompatibel mit einem bestimmten Strahlformungselement sind. Besonders leistungsfähig sind viele Strahlformungselemente im infraroten Bereich, d.h. bei Wellenlängen von etwa 800 bis 1500 nm.The device can also include a laser module for generating the input laser beam (seed laser), such as a fiber or diode laser. In principle, all laser shapes and all wavelength ranges for which corresponding beam-forming modules are available can be used here. Additional frequency-converting elements can also be used optionally if the wavelength ranges specified by the laser are not compatible with a specific beam-forming element, for example. Many beam-forming elements are particularly powerful in the infrared range, i.e. at wavelengths of around 800 to 1500 nm.

Der Eingangslaserstrahl kann dabei ein Grundmodestrahl (z.B. mit einer Beugungsmaßzahl von etwa M2 < 1,3) oder ein Multimodestrahl (etwa M2 >1,3, aber auch größere Werte, z.b. M2 > 2) sein. Insbesondere für UKP-Anwendungen ist ein Grundmodestrahl bevorzugt. Für Pulse z.B. im ns-Bereich kann dagegen auch ein Multimodestrahl verwendet werden.The input laser beam can be a fundamental mode beam (eg with a diffraction index of about M 2 < 1.3) or a multimode beam (about M 2 > 1.3, but also larger values, eg M 2 > 2). A fundamental mode beam is preferred, especially for USP applications. For pulses, eg in the ns range, a multimode beam can also be used.

Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Erzeugen einer definierten Ausgangsstrahlform für einen Laserstrahl mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.The above object is further achieved by a method for generating a defined output beam shape for a laser beam with the features of claim 10. Advantageous further developments of the method emerge from the subclaims as well as the present description and the figures.

Entsprechend wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches ein räumliches Formen eines eingestrahlten Laserstrahls durch ein Strahlformungsmodul zum Erhalten eines geformten Laserstrahls mit einer ersten definierten Strahlform; und ein Verstärken des geformten Laserstrahls in einem Verstärkermodul zum Erhalten eines verstärkten Laserstrahls mit einer zweiten definierten Strahlform umfasst.Accordingly, a method is proposed which comprises spatially shaping an incident laser beam by a beam shaping module to obtain a shaped laser beam with a first defined beam shape; and amplifying the shaped laser beam in an amplifier module to obtain an amplified laser beam with a second defined beam shape.

Die Strahlformung des Seed-Laserstrahls bzw. Eingangslaserstrahls vor dem Verstärkermodul ist im Vergleich zu bisherigen Methoden sowohl schneller als auch günstiger. Insbesondere können so Strahlformungsmodule eingesetzt werden, die Hochleistungsanwendungen ansonsten nicht zur Verfügung stehen und beispielsweise schnellere Schaltzeiten oder höhere Auflösungen ermöglichen.Beam shaping of the seed laser beam or input laser beam in front of the amplifier module is both faster and cheaper than previous methods. In particular, beam shaping modules can be used that are otherwise not available for high-performance applications and enable, for example, faster switching times or higher resolutions.

Dabei kann die erste definierte Strahlform zumindest teilweise in Abhängigkeit von Eigenschaften des optischen Verstärkermoduls bestimmt werden. Somit ist es möglich, negative Effekte auf die Strahlform beim Durchlaufen des Verstärkermoduls zumindest teilweise zu kompensieren und die Strahlform des verstärkten Strahls zu optimieren.The first defined beam shape can be determined at least partially depending on the properties of the optical amplifier module. This makes it possible to at least partially compensate for negative effects on the beam shape when passing through the amplifier module and to optimize the beam shape of the amplified beam.

Es ist möglich, ein Strahlformungselement zu verwenden, das durch eine Ansteuerung einstellbar ist. In diesem Fall kann das Verfahren weiter das Festlegen der zweiten definierten Strahlform; und das Bestimmen von Einstellparametern des Strahlformungsmoduls zumindest in Abhängigkeit von der zweiten definierten Strahlform umfassen. Die Einstellparameter können beispielsweise auf Grundlage eines Kennfelds, einer Tabelle und/oder einer Zuordnungsfunktion ermittelt werden.It is possible to use a beam-forming element that can be adjusted by a control. In this case, the method can further comprise specifying the second defined beam shape; and determining adjustment parameters of the beam-forming module at least as a function of the second defined beam shape. The adjustment parameters can be determined, for example, on the basis of a characteristic map, a table and/or an assignment function.

Darüber hinaus ist es auch möglich, eine aktive Regelung zu verwenden, um das Strahlformungselement anzusteuern. In diesem Fall kann das Bestimmen von Einstellparametern weiter das Erfassen von einem oder mehreren Parametern eines Strahlprofils des verstärkten Laserstrahls mit der zweiten Strahlform, das Ermitteln einer Regelabweichung zwischen den ein oder mehreren Parametern des erfassten Strahlprofils und korrespondierenden Parametern der festgelegten zweiten definierten Strahlform; und das Regeln der Strahlform des verstärkten Laserstrahls durch Anpassung der Ansteuerung des einstellbaren Strahlformungselements als Stellglied umfassen.In addition, it is also possible to use active control to control the beam-shaping element. In this case, determining setting parameters can further comprise detecting one or more parameters of a beam profile of the amplified laser beam with the second beam shape, determining a control deviation between the one or more parameters of the detected beam profile and corresponding parameters of the specified second defined beam shape; and controlling the beam shape of the amplified laser beam by adjusting the control of the adjustable beam-shaping element as an actuator.

Insgesamt wird es somit möglich, ohne besondere Berücksichtigung der Leistungstauglichkeit von Strahlformungselementen eine laterale Strahlformung auch bei hohen und sehr hohen Leistungen zu erreichen, ohne dabei einen kontinuierlichen Phasendrift des Strahlformungselements überwachen zu müssen. Das Strahlprofil am Ausgang des Verstärkers kann durch die Strahlformung im Seedlaserstrahl optimiert und angepasst werden, so dass z.B. Vortex- Flattop- oder Freiformprofile beliebig eingestellt werden können. Die Strahlqualität bleibt durch den Seedlaser definiert.Overall, it is therefore possible to achieve lateral beam shaping even at high and very high power levels without having to pay particular attention to the performance capability of beam shaping elements, without having to monitor a continuous phase drift of the beam shaping element. The beam profile at the output of the amplifier can be optimized and adjusted by beam shaping in the seed laser beam, so that, for example, vortex, flattop or freeform profiles can be set as desired. The beam quality remains defined by the seed laser.

Kurze Beschreibung der FigurenShort description of the characters

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

  • 1 schematisch das Grundprinzip beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung;
  • 2 eine beispielhafte Ausführungsform zur Erzeugung eines Laserstrahls mit vorgegebener Strahlform mit einem Strahlformungsmodul und einem Multipass-Verstärker mit einfachem Verstärkerdurchgang;
  • 3 eine weitere beispielhafte Ausführungsform mit einem Strahlformungsmodul und einem Multipass-Verstärker mit zweifachem Verstärkerdurchgang;
  • 4 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrensablaufs zur Erzeugung eines Laserstrahls mit vorgegebenem Strahlprofil,
  • 5 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrensablaufs zur Ermittlung der Abhängigkeit zwischen einer vorgegebenen Ausgangsstrahlform und verwendeten Parametern; und
  • 6 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrensablaufs zur Erzeugung eines Laserstrahls mit vorgegebener Ausgangsstrahlform unter Verwendung einer aktiven Regelung.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail by the following description of the figures.
  • 1 schematically the basic principle of exemplary embodiments of the invention;
  • 2 an exemplary embodiment for generating a laser beam with a predetermined beam shape with a beam shaping module and a multipass amplifier with a single amplifier pass;
  • 3 another exemplary embodiment with a beamforming module and a multipass amplifier with dual amplifier pass;
  • 4 a flow chart of an exemplary process sequence for generating a laser beam with a predetermined beam profile,
  • 5 a flow chart of an exemplary process sequence for determining the dependency between a given output beam shape and parameters used; and
  • 6 a flow chart of an exemplary process sequence for generating a laser beam with a predetermined output beam shape using active control.

Detaillierte Beschreibung von AusführungsbeispielenDetailed description of implementation examples

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen oder korrespondierenden Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.In the following, embodiments are described with reference to the figures. Identical, similar or equivalent elements in the different figures are provided with identical or corresponding reference symbols, and a repeated description of these elements is partly omitted in order to avoid redundancies.

In 1 ist schematisch der Aufbau beispielhafter Ausführungsformen zur Strahlformung beschrieben. Dabei kann ein System zur Erzeugung von Laserstrahlung vorgesehen sein, bei dem ein freier Eingangslaserstrahl in einem aktiven Medium verstärkt wird, um einen hochgradig verstärkten Ausgangsstrahl zu erhalten. Als aktives Verstärkermedium kann beispielsweise ein Scheibenverstärker gewählt werden. Während solche Systeme grundsätzlich sowohl für gepulste als auch kontinuierliche Laserstrahlung geeignet sind, sind sie insbesondere zur Erzeugung kurzer und ultrakurzer Laserpulse mit hohen Repetitionsraten und/oder hoher Pulsspitzenleistung vorteilhaft.In 1 The structure of exemplary embodiments for beam shaping is described schematically. A system for generating laser radiation can be provided in which a free input laser beam is amplified in an active medium in order to obtain a highly amplified output beam. A disk amplifier can be selected as the active amplifier medium, for example. While such systems are basically suitable for both pulsed and continuous laser radiation, they are particularly advantageous for generating short and ultra-short laser pulses with high repetition rates and/or high pulse peak power.

Dazu kann zunächst ein erstes Lasermodul 110 verwendet werden, welches häufig als Seed-Laser bezeichnet wird. Dieses erste Lasermodul 110 kann beispielsweise einen parametrischen Oszillator, einen Festkörperlaser z.B. als Faser- oder Scheibenlaser, einen Diodenlaser oder ein anderes Lasermodul umfassen. Der genaue Aufbau dieses ersten Lasermoduls 110 wird hier nicht weiter beschrieben; grundsätzlich kann jeder Laser verwendet werden, der die erwünschten Strahleigenschaften beziehungsweise Pulseigenschaften liefern kann. Als Laserstrahl wird hier jede Art von Laserstrahlung verstanden, also insbesondere sowohl gepulste als auch kontinuierliche Laserstrahlung, auch wenn sich die beschriebenen Ausführungsbeispiele im Wesentlichen auf gepulste Laser stützen.For this purpose, a first laser module 110 can be used, which is often referred to as a seed laser. This first laser module 110 can, for example, comprise a parametric oscillator, a solid-state laser, e.g. as a fiber or disk laser, a diode laser or another laser module. The exact structure of this first laser module 110 is not described further here; in principle, any laser that can deliver the desired beam properties or pulse properties can be used. A laser beam is understood here to mean any type of laser radiation, i.e. in particular both pulsed and continuous laser radiation, even if the exemplary embodiments described are essentially based on pulsed lasers.

Der von dem ersten Lasermodul 110 beziehungsweise Seed-Lasermodul erzeugte Eingangslaserstrahl 150 kann ohne räumliche Strahlformung beispielsweise zunächst eine etwa gaußförmige Strahlform aufweisen. Dabei sollen die in der Figur angedeuteten Intensitätsverteilungen für die drei Laserstrahlen 150, 160 und 170 nur zur Verdeutlichung des Prinzips dienen; die tatsächlichen Intensitätsverteilungen und Strahlprofile können sich davon deutlich unterscheiden. Zur Pulserzeugung im Falle eines gepulsten Lasers können verschiedene Methoden der temporalen Strahlformung in dem Lasermodul 110 integriert sein. Insbesondere bei der Verwendung des Systems für Ultrakurzpulse kann bevorzugt eine Grundmodestrahlung (oder näherungsweise Grundmodestrahlung) zur Pulserzeugung verwendet werden.The input laser beam 150 generated by the first laser module 110 or seed laser module can, for example, initially have an approximately Gaussian beam shape without spatial beam shaping. The intensity distributions indicated in the figure for the three laser beams 150, 160 and 170 are only intended to illustrate the principle; the actual intensity distributions and beam profiles can differ significantly from this. To generate pulses in the case of a pulsed laser, various methods of temporal beam shaping can be integrated into the laser module 110. In particular, when using the system for ultrashort pulses, fundamental mode radiation (or approximately fundamental mode radiation) can preferably be used to generate pulses.

Alternativ kann der Eingangslaserstrahl 150 auch als Multimodelaserstrahl ausgebildet sein und beispielsweise eine Tophat Strahlform aufweisen.Alternatively, the input laser beam 150 can also be designed as a multimode laser beam and, for example, have a tophat beam shape.

Dieser Eingangslaserstrahl 150 kann dann in ein Strahlformungsmodul 120 eingebracht werden, das eine definierte räumliche Strahlformung z.B. durch Phasenmodulation oder Amplitudenmodulation ermöglicht. Dabei kann ein statisches Element genutzt werden, welches gezielt zur Ausbildung einer vorgegebenen Strahlform gefertigt ist, wie etwa ein diffraktives optisches Element.This input laser beam 150 can then be introduced into a beam shaping module 120, which enables defined spatial beam shaping, e.g. by phase modulation or amplitude modulation. A static element can be used which is specifically manufactured to form a predetermined beam shape, such as a diffractive optical element.

Besonders geeignet sind hier flexible, d.h. anpassbare Strahlformungsmodule 120, die in der Lage sind, je nach Einstellung oder Ansteuerung verschiedene Strahlformen bereitzustellen. Beispielsweise können hier als anpassbare Strahlformungsmodule 120 SLM (Spatial Light Modulator)-Elemente, steuerbare Mikrospiegelarrays, oder sogenannte (Grating) Light Valves verwendet werden. Solche Strahlformungselemente können auch kompakt in der Form von mikroelektronischen-mechanischen Systemen (MEMS) vorliegen. Eine räumliche Strahlformung kann beispielsweise eine räumliche Modulation, eine Phasenmodulation oder Amplitudenmodulation, oder eine kombinierte Intensitäts- und Phasenmodulation umfassen. Dabei bietet speziell eine Phasenmodulation den Vorteil, dass eine Polarisation für den Strahl eingestellt werden kann und außerdem auch sehr komplexe Strahlformen möglich sind. Die Strahlformungsmodule können je nach Typ elektronisch oder auch optisch adressiert beziehungsweise angesteuert werden.Particularly suitable here are flexible, i.e. adaptable beam shaping modules 120, which are available in the Able to provide different beam shapes depending on the setting or control. For example, 120 SLM (Spatial Light Modulator) elements, controllable micromirror arrays, or so-called (grating) light valves can be used as adaptable beam shaping modules. Such beam shaping elements can also be compact in the form of microelectronic-mechanical systems (MEMS). Spatial beam shaping can, for example, include spatial modulation, phase modulation or amplitude modulation, or a combined intensity and phase modulation. Phase modulation in particular offers the advantage that a polarization for the beam can be set and very complex beam shapes are also possible. The beam shaping modules can be addressed or controlled electronically or optically, depending on the type.

Der so geformte Laserstrahl 160 kann dann in das Verstärkermodul 130 eingekoppelt werden, in welchem der Strahl durch den einmaligen oder mehrmaligen Durchgang durch ein laseraktives Medium verstärkt wird. Insbesondere kann es sich um einen linearen optischen Scheibenverstärker handeln, der ein laseraktives Medium mit vergleichsweise geringer Dicke (Scheibe) zur Verstärkung nutzt, so dass als Ergebnis ein Laserstrahl mit höherer Ausgangsleistung beziehungsweise höheren Pulsenergien erhalten wird. Da auch große Strahldurchmesser verwendet werden können, eignen sich solche Verstärker insbesondere zur Skalierung von Hochleistungslasern und im Kurz- oder Ultrakurzpulsbereich.The laser beam 160 formed in this way can then be coupled into the amplifier module 130, in which the beam is amplified by passing through a laser-active medium once or several times. In particular, it can be a linear optical disk amplifier that uses a laser-active medium with a comparatively small thickness (disk) for amplification, so that the result is a laser beam with higher output power or higher pulse energies. Since large beam diameters can also be used, such amplifiers are particularly suitable for scaling high-power lasers and in the short or ultra-short pulse range.

Grundsätzlich kann eine Verstärkung mit nur einem Durchgang durch die Laserscheibe erfolgen; typischerweise werden aber aufgrund der vergleichsweise niedrigen Verstärkung eine größere Anzahl von Durchgängen durch die Laserscheibe genutzt, um die gewünschte Ausgangsleistung zu erreichen (Multipass-Zelle beziehungsweise multi pass cell, MPC). Die Mehrfach-Durchgänge können durch reflektierende Elemente beziehungsweise Oberflächen erreicht werden, wobei auch die Oberflächen des aktiven Mediums selbst zur Reflexion genutzt werden können. Es sind verschiedene Bauweisen bekannt, wie etwa der Active-Mirror-Verstärker.In principle, amplification can be achieved with just one pass through the laser disk; however, due to the comparatively low amplification, a larger number of passes through the laser disk are typically used to achieve the desired output power (multipass cell or multi pass cell, MPC). The multiple passes can be achieved using reflective elements or surfaces, whereby the surfaces of the active medium itself can also be used for reflection. Various designs are known, such as the active mirror amplifier.

Jeder Scheibendurchgang im Verstärker sorgt allerdings bei vielen Strahlformen für mehr oder weniger starke lineare und/oder nichtlineare Verzerrungen der Ausgangsstrahlform 170 im Vergleich zur Eingangsstrahlform 160. Das Strahlprofil kann beispielsweise durch lineare Effekte und/oder durch nichtlineare Effekte (z.B. Kerrlinse) gestört werden. Allgemein wird die Strahlpropagation z.B. im linearen Multipass-Verstärker durch den Strahlradius des Laserstrahls, die Strahlqualität, die Scheibenkrümmung und den Abstand zwischen Scheibe und reflektierendem Array beeinflusst. Erfindungsgemäß kann daher die Strahlformung 120 vor dem Verstärkermodul 130 gezielt so eingestellt werden, dass die nichtlineare Transferfunktion des optischen Verstärkermoduls 130 vollständig oder größtenteils kompensiert wird. Es ist daher möglich, dass für ein definiertes, gewünschtes Ausgangsstrahlprofil 170 zunächst gezielt ein deutlich anderes Eingangsstrahlprofil 160 durch das Strahlformungsmodul 120 erzeugt wird. Nach Durchgang durch das Verstärkermodul 130 mit den berücksichtigten Verzerrungen kann dann ein Ausgangsstrahl 170 mit der gewünschten Strahlform erhalten werden.However, for many beam shapes, each disk passage in the amplifier causes more or less strong linear and/or non-linear distortions of the output beam shape 170 compared to the input beam shape 160. The beam profile can be disturbed, for example, by linear effects and/or by non-linear effects (e.g. Kerr lens). In general, beam propagation, e.g. in the linear multi-pass amplifier, is influenced by the beam radius of the laser beam, the beam quality, the disk curvature and the distance between the disk and the reflective array. According to the invention, the beam shaping 120 upstream of the amplifier module 130 can therefore be specifically adjusted so that the non-linear transfer function of the optical amplifier module 130 is completely or largely compensated. It is therefore possible that for a defined, desired output beam profile 170, a significantly different input beam profile 160 is initially specifically generated by the beam shaping module 120. After passing through the amplifier module 130 with the distortions taken into account, an output beam 170 with the desired beam shape can then be obtained.

Optional kann das Strahlformungsmodul 120 zu diesem Zweck auch über eine Steuereinheit 140 aktiv angesteuert oder geregelt werden. Dazu kann beispielsweise die erreichte Ausgangsstrahlform 170 gemessen werden und zur Steuerung oder auch zur Feedback-Regelung eines aktiven Strahlformungsmoduls 120 wie einem SLM-Element genutzt werden, wie durch die gestrichelten Pfeile in 1 angedeutet ist.Optionally, the beam forming module 120 can also be actively controlled or regulated via a control unit 140 for this purpose. For example, the achieved output beam shape 170 can be measured and used to control or also for feedback control of an active beam forming module 120 such as an SLM element, as shown by the dashed arrows in 1 is indicated.

In anderen Varianten kann eine vorgegebene Ansteuerung genutzt werden, die beispielsweise durch Daten aus Testläufen und mit geeigneten Kalibrierungen oder Kennfeldern umgesetzt werden kann. Verschiedene Beispiele zur Steuerung und Regelung 140 eines aktiven Strahlformungsmoduls 120 werden im Folgenden noch genauer beschrieben.In other variants, a predetermined control can be used, which can be implemented, for example, using data from test runs and with suitable calibrations or characteristic maps. Various examples of the control and regulation 140 of an active beam forming module 120 are described in more detail below.

2 zeigt eine mögliche Ausführungsform mit einem einfachen Gesamtdurchgang eines geformten Strahls 260 durch ein optisches Verstärkermodul 230. Das Verstärkermodul 230 kann so ausgelegt sein, dass einer oder mehrere Durchgänge des geformten Strahls 260 durch das verstärkende Medium vorgesehen sein können. Für den Fall eines Multipass-Scheibenverstärkers kann dabei eine vorgegebene Zahl von Scheibendurchgängen innerhalb des Scheibenverstärkers 230 vorgesehen sein, z.B. 18 Durchgänge. Diese Zahl ist jedoch nur beispielhaft genannt und kann abhängig vom Verstärkertyp, von den Charakteristiken des Laserstrahls und anderen Bedingungen gewählt werden. 2 shows a possible embodiment with a single overall passage of a shaped beam 260 through an optical amplifier module 230. The amplifier module 230 can be designed such that one or more passages of the shaped beam 260 through the amplifying medium can be provided. In the case of a multi-pass disk amplifier, a predetermined number of disk passages can be provided within the disk amplifier 230, e.g. 18 passages. However, this number is only given as an example and can be selected depending on the amplifier type, the characteristics of the laser beam and other conditions.

Das Seedlaser-Modul 210 kann ein beliebiges Modul zum Erzeugen des Lasersignals mit den gewünschten spektralen Eigenschaften sein, z.B. mit der gewünschten Wellenlänge, Pulslänge, Leistung beziehungsweise Pulsenergie und Spektralbreite. Grundsätzlich können diese Werte, angepasst auf das Verstärkermedium, frei gewählt werden.The seed laser module 210 can be any module for generating the laser signal with the desired spectral properties, e.g. with the desired wavelength, pulse length, power or pulse energy and spectral width. In principle, these values can be freely selected, adapted to the amplifier medium.

Die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen eignen sich aber besonders für Fälle, in denen ein Seedlaserstrahl 250 mit vergleichsweise geringer Leistung erzeugt wird, z.B. mit einer Leistung unter 100 Watt auf dem Strahlformungsmodul. Bei ausreichender Verstärkung, wie etwa durch einen Multipassverstärker, kann eine Seedlaserleistung von etwa 5 bis 10 Watt ausreichend sein, wobei natürlich auch Werte über oder unter diesen Grenzen gewählt werden können, z.B. im Bereich von etwa 100 W. Die Wellenlängen des Seedlasers können beispielsweise im InfrarotBereich von etwa 800 bis 1500 nm liegen, z.B. bei 1030nm für einen Yb:YAG-Laser. In diesen Bereichen sind viele Strahlformungsmodule besonders leistungsfähig. Soweit passende Strahlformungsmodule vorliegen, können aber auch beliebige andere Wellenlängen gewählt werden, z.B. im grünen Wellenlängenbereich oder auch 2µm-Laser wie Thulium- oder Holmium-Laser. Bekannte Strahlformungselemente decken einen Bereich von ca. 400 bis 2200nm ab. Es kann sich bei dem Seedlaser beispielsweise um einen optischen parametrischen Oszillator handeln, der ein faser-, stab- oder scheibenförmiges aktives Medium nutzt, um einen Faserlaser, oder um einen Diodenlaser.However, the methods and devices described are particularly suitable for cases in which a seed laser beam 250 is generated with a comparatively low power, e.g. with a power below 100 watts on the beam shaping module. With sufficient amplification, such as through a multi-pass amplifier, a seed laser output of around 5 to 10 watts can be sufficient, although values above or below these limits can of course also be selected, e.g. in the range of around 100 W. The wavelengths of the seed laser can, for example, be in the infrared range of around 800 to 1500 nm, e.g. 1030 nm for a Yb:YAG laser. Many beam shaping modules are particularly powerful in these ranges. However, if suitable beam shaping modules are available, any other wavelength can also be selected, e.g. in the green wavelength range or even 2 µm lasers such as thulium or holmium lasers. Known beam shaping elements cover a range from approx. 400 to 2200 nm. The seed laser can, for example, be an optical parametric oscillator that uses a fiber-, rod-, or disk-shaped active medium, a fiber laser, or a diode laser.

Der von dem Seedlaser-Modul 210 erzeugte Eingangslaserstrahl 250 kann dann über geeignete optische Elemente zu dem Strahlformungsmodul 220 geleitet werden. Dabei kann zunächst optional eine Strahlaufweitung durch ein optisches Linsensystem 212 (Teleskopsystem) vorgenommen werden. Es ist außerdem möglich, den Eingangslaserstrahl 250 durch ein Polarisationselement 290 zu leiten, z.B. ein Lambda-/2-Plättchen, und so das linear polarisierte Laserlicht in eine zirkulare Polarisation überzuleiten. Die Polarisation kann auch an einer anderen Stelle vorgenommen werden als hier gezeigt.The input laser beam 250 generated by the seed laser module 210 can then be guided to the beam shaping module 220 via suitable optical elements. In this case, a beam expansion can optionally be carried out first by an optical lens system 212 (telescope system). It is also possible to guide the input laser beam 250 through a polarization element 290, e.g. a lambda/2 plate, and thus convert the linearly polarized laser light into a circular polarization. The polarization can also be carried out at a different location than shown here.

Nun kann der polarisierte und aufgeweitete Strahl auf das Strahlformungselement 220 geleitet werden. Es kann sich wie hier in der Figur gezeigt um ein reflektierendes Strahlformungsmodul handeln. Das Strahlformungsmodul 220 erzeugt, bevorzugt durch Phasenmodulation, einen geformten Laserstrahl 260 mit einer ersten definierten Strahlform, die statisch durch die Ausbildung des Strahlformungsmoduls 220 oder angepasst durch eine Ansteuerung des Strahlformungsmoduls 220 mittels einer Steuereinheit vorgegeben sein kann. Dabei kann die erste definierte Strahlform 260 in Abhängigkeit von den Eigenschaften (d.h. der Transferfunktion) des nachfolgenden Verstärkermoduls 230 so vorgegeben sein, dass verzerrende Effekte zumindest teilweise kompensiert werden, so dass nach dem Verstärkermodul 230 die gewünschte zweite definierte Strahlform 270 des Ausgangsstrahls vorliegt. Da der (einmalige oder mehrmalige) Durchgang durch das Verstärkermodul 230 die Strahlform mehr oder weniger stark verändern kann, kann somit auch die erste definierte Strahlform des geformten Eingangsstrahls 260 auch mehr oder weniger stark von der zweiten definierten Strahlform des Ausgangsstrahls 270 abweichen. Grundsätzlich werden mögliche Verzerrungen mit einer zunehmenden Anzahl von Durchgängen durch das Verstärkermedium ebenfalls verstärkt, so dass die Anzahl der Durchgänge für die Optimierung der Strahlformung berücksichtigt werden sollte.The polarized and expanded beam can now be directed to the beam-shaping element 220. As shown here in the figure, this can be a reflective beam-shaping module. The beam-shaping module 220 generates, preferably by phase modulation, a shaped laser beam 260 with a first defined beam shape, which can be statically specified by the design of the beam-shaping module 220 or adapted by controlling the beam-shaping module 220 by means of a control unit. The first defined beam shape 260 can be specified depending on the properties (i.e. the transfer function) of the subsequent amplifier module 230 in such a way that distorting effects are at least partially compensated, so that the desired second defined beam shape 270 of the output beam is present after the amplifier module 230. Since the (single or multiple) passage through the amplifier module 230 can change the beam shape more or less, the first defined beam shape of the shaped input beam 260 can also deviate more or less from the second defined beam shape of the output beam 270. In principle, possible distortions are also increased with an increasing number of passes through the amplifier medium, so that the number of passes should be taken into account for the optimization of the beam formation.

In dem hier gezeigten Beispiel ist nach dem Strahlformungsmodul 220 ein Raumfilter 222 angeordnet, der beispielsweise durch eine Lochblende mit oder ohne zusätzliche Linsenelemente umgesetzt werden kann. Mit einem solchen Raumfilter 222 können optional höhere Moden der ersten definierten Strahlform beschnitten werden und/oder Streuungen oder Beugungen des Strahlformungsmoduls beschränkt werden.In the example shown here, a spatial filter 222 is arranged after the beam-forming module 220, which can be implemented, for example, by a pinhole diaphragm with or without additional lens elements. With such a spatial filter 222, higher modes of the first defined beam shape can optionally be trimmed and/or scattering or diffraction of the beam-forming module can be limited.

Anschließend kann der mit der ersten definierten Strahlform geformte Laserstrahl 260 in das Verstärkermodul 230 eingekoppelt werden, bei dem es sich beispielsweise um den bereits beschriebenen Scheibenverstärker als Multipass-Zelle mit mehreren Scheibendurchgängen handeln kann. Die mehreren Scheibendurchgänge können dabei durch geeignete Anordnung (gekrümmter) reflektierender Elemente beziehungsweise reflektierender Oberflächen erreicht werden. Das aktive Medium des Verstärkermoduls, d.h. in diesem Beispiel die Laserscheibe, kann durch eine Pumpeinheit wie etwa einen Diodenlaser auf bekannte Weise optisch gepumpt werden. Bei jedem Durchgang durch das aktive Medium wird der Laserstrahl weiter verstärkt, so dass letztendlich ein verstärkter Ausgangsstrahl erhalten wird.The laser beam 260 formed with the first defined beam shape can then be coupled into the amplifier module 230, which can be, for example, the disk amplifier already described as a multi-pass cell with multiple disk passes. The multiple disk passes can be achieved by a suitable arrangement of (curved) reflective elements or reflective surfaces. The active medium of the amplifier module, i.e. in this example the laser disk, can be optically pumped in a known manner by a pump unit such as a diode laser. With each pass through the active medium, the laser beam is further amplified, so that ultimately an amplified output beam is obtained.

Es versteht sich, dass die Ausgangsleistung unter anderem abhängig von der Eingangsleistung und der Verstärkerbauform ist, und dass die Pulsenergien bei gepulster Laserstrahlung außerdem auch abhängig von der Pulslänge sind. Mit den hier vorgestellten Prinzipien ist es insbesondere möglich, auch mit schneller Strahlformung Ausgangsleistungen von mehr als 500 Watt zu erreichen, wobei Pulsenergien von etwa 1 mJ oder mehr angestrebt werden können. Die beschriebenen Effekte ergeben sich jedoch ebenso bei anderen, auch niedrigeren, Ausgangsleistungen beziehungsweise Pulsenergien.It goes without saying that the output power depends on the input power and the amplifier design, among other things, and that the pulse energies in pulsed laser radiation also depend on the pulse length. With the principles presented here, it is possible to achieve output powers of more than 500 watts, even with fast beam shaping, with pulse energies of around 1 mJ or more being the goal. However, the effects described also occur with other, even lower, output powers or pulse energies.

Der verstärkte Ausgangsstrahl 270 hat dabei bei den Durchgängen durch das aktive Verstärkermedium, aber möglicherweise auch durch die Reflexionsvorgänge verschiedene Verzerrungen erfahren. Ohne kompensierende Strahlformung würde die Strahlform des verstärkten Ausgangsstrahls 270 daher nur in Ausnahmefällen, z.B. bei einer einfachen Ringform, in etwa der Strahlform vor dem Verstärker entsprechen. Die verzerrenden Effekte sind außerdem abhängig von vielen verschiedenen Bedingungen; beispielsweise spielen die thermischen Einflüsse durch die Erwärmung der Verstärkerelemente eine große Rolle, so dass zu Beginn andere Verzerrungen auftreten als bei einem Dauerbetrieb, der ein gewisses Gleichgewicht erlangt hat. Um an dieser Stelle eine zweite definierte Strahlform des verstärkten Ausgangsstrahls zu erhalten, müssen daher die Eigenschaften des Verstärkermoduls berücksichtigt werden, um die Verzerrungen durch geeignete Wahl der ersten definierten Strahlform, die durch das Strahlformungsmodul eingestellt wird, zumindest teilweise zu kompensieren. Die zweite definierte Strahlform wird so gewählt, dass der Strahl für die jeweilige Anwendung (z.B. Laserbohren, Schweißen, etc.) angepasst ist. Wenn ein einstellbares Strahlformungsmodul 220 verwendet wird, können innerhalb einer Anwendung auch zeitliche Veränderungen der zweiten definierten Strahlform und, davon abhängig, entsprechende Veränderungen der ersten definierten Strahlform vorgesehen sein, z.B. verschiedene Strahlformen während eines Materialabtrags und einer nachfolgenden Oberflächenbearbeitung. In anderen Fällen kann die zweite definierte Strahlform konstant vorgesehen sein, während sich die erste definierte Strahlform dennoch im zeitlichen Verlauf verändern kann, z.B. abhängig von der Erwärmung und den damit verbundenen thermischen Effekten im Verstärker.The amplified output beam 270 has experienced various distortions when passing through the active amplifier medium, but possibly also due to the reflection processes. Without compensating beam shaping, the beam shape of the amplified output beam 270 would therefore only correspond approximately to the beam shape before the amplifier in exceptional cases, e.g. in the case of a simple ring shape. The distorting effects are also dependent on many different conditions; for example, the thermal influences due to the heating of the amplifier ker elements play a major role, so that different distortions occur at the beginning than in continuous operation which has achieved a certain equilibrium. In order to obtain a second defined beam shape of the amplified output beam at this point, the properties of the amplifier module must therefore be taken into account in order to at least partially compensate for the distortions by suitable selection of the first defined beam shape, which is set by the beam shaping module. The second defined beam shape is selected such that the beam is adapted for the respective application (e.g. laser drilling, welding, etc.). If an adjustable beam shaping module 220 is used, temporal changes in the second defined beam shape and, depending on this, corresponding changes in the first defined beam shape can also be provided within an application, e.g. different beam shapes during material removal and subsequent surface processing. In other cases, the second defined beam shape may be constant, while the first defined beam shape may still change over time, e.g. depending on the heating and the associated thermal effects in the amplifier.

Im hier gezeigten Aufbau wurden Strahlteile an verschiedenen Stellen 292, 294 ausgekoppelt, um eine Messung der Strahlformen beziehungsweise Strahlprofile sowie der Leistung des Laserstrahls zu erreichen. Zwischen dem (optionalen) Raumfilter 222 und dem Verstärkermodul 230 können beispielsweise über mehrere Umlenkelemente und ein Auskoppelelement 292 (z.B. einen teildurchlässigen Spiegel) der noch nicht verstärkte, aber bereits mit der ersten definierten Strahlform geformte Laserstrahl 260 ausgekoppelt und zu einer Messeinrichtung 280 geleitet werden, welche das Strahlprofil erfassen kann. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Kamera mit einem geeigneten Sensorelement wie einem CCD oder CMOS-Sensor im sichtbaren Bereich handeln, beziehungsweise entsprechende andere Sensoren für Laser im nicht-sichtbaren Bereich. Auch spezielle Messeinrichtungen wie ein Shack-Hartmann-Sensor oder ein Strahlqualitätsmessgerät können hier eingesetzt werden.In the structure shown here, beam parts were coupled out at various points 292, 294 in order to measure the beam shapes or beam profiles as well as the power of the laser beam. Between the (optional) spatial filter 222 and the amplifier module 230, the laser beam 260, which has not yet been amplified but has already been shaped with the first defined beam shape, can be coupled out, for example via several deflection elements and a coupling-out element 292 (e.g. a partially transparent mirror), and guided to a measuring device 280 which can record the beam profile. This can be, for example, a camera with a suitable sensor element such as a CCD or CMOS sensor in the visible range, or other corresponding sensors for lasers in the non-visible range. Special measuring devices such as a Shack-Hartmann sensor or a beam quality measuring device can also be used here.

Die erfassten Strahlprofile können dann beispielsweise durch Software ausgewertet, zur späteren Verwendung abgespeichert und/oder auf einer Anzeige für einen Nutzer zur Kontrolle angezeigt werden. Auf entsprechende Weise kann auch der verstärkte Strahl 270 mit der zweiten Strahlform aus dem Strahl ausgekoppelt 294 und durch eine Messeinrichtung 280 zur Messung des Strahlprofils erfasst werden. Im hier gezeigten Fall wird dieselbe Messeinrichtung für beide Strahlprofile genutzt und durch einen schwenkbaren Absorber 296, der in einer der beiden gezeigten Positionen eingesetzt wird, jeweils ein Strahl geblockt. Auf diese Weise ist es möglich, eine Abhängigkeit zwischen der ersten definierten Strahlform, die durch das Strahlformungsmodul 220 erzeugt wird, und der zweiten definierten Strahlform, die am Ausgang des Verstärkers 230 vorliegt, zu ermitteln. Zur Auswertung können dabei einzelne Parameter der von der Messeinrichtung 280 erfassten Strahlprofile berücksichtigt werden, z.B. durch Methoden der Bildverarbeitung. So können beispielsweise Helligkeit, Kontrast und/oder Farbwerte verschiedener Bildbereiche ausgewertet werden, um Informationen über die vorliegende Strahlform zu erhalten. Zusätzlich kann die Leistung 282 des Reststrahls nach der Auskopplung 294 des Messstrahls gemessen werden. Der erhaltene Leistungswert kann unmittelbar oder mit einer entsprechenden Korrektur für den ausgekoppelten Anteil für die Auswertung berücksichtigt werden.The recorded beam profiles can then be evaluated, for example, by software, saved for later use and/or shown on a display for a user to check. In a corresponding manner, the amplified beam 270 with the second beam shape can also be decoupled 294 from the beam and recorded by a measuring device 280 to measure the beam profile. In the case shown here, the same measuring device is used for both beam profiles and one beam is blocked in each case by a pivotable absorber 296, which is used in one of the two positions shown. In this way, it is possible to determine a dependency between the first defined beam shape, which is generated by the beam shaping module 220, and the second defined beam shape, which is present at the output of the amplifier 230. For the evaluation, individual parameters of the beam profiles recorded by the measuring device 280 can be taken into account, e.g. using image processing methods. For example, brightness, contrast and/or color values of different image areas can be evaluated in order to obtain information about the existing beam shape. In addition, the power 282 of the residual beam can be measured after the coupling out 294 of the measuring beam. The power value obtained can be taken into account for the evaluation either directly or with a corresponding correction for the coupled out portion.

Die Abhängigkeit zwischen der ersten und der zweiten definierten Strahlform ist zwar im Wesentlichen durch verschiedene Eigenschaften des Verstärkermoduls und die Bedingungen während der Strahlerzeugung bestimmt; dennoch ist es nicht zwingend erforderlich, diese Verstärkereigenschaften explizit zu berücksichtigen. Indem wie vorstehend beschrieben ein Vergleich zwischen der ersten und der zweiten definierten Strahlform in einem vorgegebenen System ausgewertet werden kann, ist es möglich, die erforderlichen Parameter für das Strahlformungsmodul festzulegen, ohne die Verstärkereigenschaften exakt zu kennen. Dazu können beispielsweise Testläufe unter verschiedenen Bedingungen vorgenommen werden, z.B. mit verschiedenen Laserleistungen, unterschiedlichen Verstärkereinstellungen und verschiedenen ersten Strahlformen, die jeweils im zeitlichen Verlauf ausgewertet werden. Aus dem Zusammenhang zwischen der zu einem bestimmten Zeitpunkt eingestellten ersten definierten Strahlform, die durch Ansteuerung des Strahlformungsmoduls mit bekannten Parametern erreicht wurde, und der als Ergebnis erhaltenen zweiten definierten Strahlform am Ausgang des Verstärkers kann dann beispielsweise ein Kennfeld oder eine Funktion ermittelt werden. Dann kann für eine Anwendung eine gewünschte zweite definierte Strahlform vorgegeben werden, und unter Anwendung des Kennfelds beziehungsweise der Funktion kann die erste definierte Strahlform und/oder die Parameter für das Strahlformungsmodul abgeleitet werden. Da die Abhängigkeit in den meisten Fällen leistungsabhängig verschieden sein wird, kann die gemessene Leistung des Ausgangsstrahls als Parameter des Kennfelds beziehungsweise der Funktion berücksichtigt werden.The dependency between the first and the second defined beam shape is essentially determined by various properties of the amplifier module and the conditions during beam generation; nevertheless, it is not absolutely necessary to explicitly take these amplifier properties into account. By evaluating a comparison between the first and the second defined beam shape in a given system as described above, it is possible to specify the required parameters for the beam shaping module without knowing the amplifier properties exactly. For this purpose, for example, test runs can be carried out under different conditions, e.g. with different laser powers, different amplifier settings and different first beam shapes, each of which is evaluated over time. A characteristic map or a function can then be determined, for example, from the relationship between the first defined beam shape set at a specific point in time, which was achieved by controlling the beam shaping module with known parameters, and the second defined beam shape obtained as a result at the output of the amplifier. A desired second defined beam shape can then be specified for an application, and using the map or function, the first defined beam shape and/or the parameters for the beam forming module can be derived. Since the dependency will vary depending on the power in most cases, the measured power of the output beam can be taken into account as a parameter of the map or function.

Es ist aber auch möglich, dass beispielsweise verschiedene Leistungsbereiche innerhalb von festgelegten Grenzwerten definiert werden und für jeden dieser Bereiche ein separates Kennfeld oder eine separate Funktion bestimmt werden. Auf ähnliche Weise ist es denkbar, den zeitlichen Verlauf der verschiedenen Parameter und der erhaltenen Strahlformen nicht separat auszuwerten, sondern beispielsweise Zeitbereiche direkt nach dem Einschalten, nach Erreichen eines Gleichgewichtszustands und nach bestimmten Laufzeiten festzulegen und dann jeweils Kennfelder beziehungsweise Funktionen für jeden dieser Zeitbereiche abzuleiten. Es versteht sich, dass als vereinfachte Variante eine Auswertung der Parameter in einem näherungsweisen Gleichgewichtszustand, z.B. nach einer vorgegebenen Laufzeit, ohne Berücksichtigung von zeitlichen Veränderungen vorgenommen werden kann.However, it is also possible, for example, to define different performance ranges within specified limits and a separate characteristic map or a separate function can be determined for each of these areas. In a similar way, it is conceivable not to evaluate the temporal progression of the various parameters and the beam shapes obtained separately, but to define time ranges directly after switching on, after reaching an equilibrium state and after certain running times, for example, and then to derive characteristic maps or functions for each of these time ranges. It goes without saying that as a simplified variant, an evaluation of the parameters can be carried out in an approximate equilibrium state, e.g. after a specified running time, without taking temporal changes into account.

Alternativ kann die Abhängigkeit auch ermittelt oder ausgewertet werden, ohne die erste definierte Strahlform vor dem Verstärker explizit zu messen. Auch ohne Kenntnis der ersten Strahlform sind zumindest die Parameter bekannt, mit denen das Strahlformungsmodul ausgebildet wurde (bei einem nicht ansteuerbaren Modul) beziehungsweise mit denen das Strahlformungsmodul zu einem bestimmten Zeitpunkt angesteuert wird. Dann kann die zweite Strahlform, d.h. die Form des Laserstrahls nach dem Ausgang des Verstärkermoduls, auf geeignete Weise erfasst werden und eine Abhängigkeit zwischen der zweiten Strahlform und den eingestellten Parametern im zeitlichen Verlauf ausgewertet werden.Alternatively, the dependency can also be determined or evaluated without explicitly measuring the first defined beam shape before the amplifier. Even without knowledge of the first beam shape, at least the parameters with which the beam shaping module was designed (in the case of a non-controllable module) or with which the beam shaping module is controlled at a certain point in time are known. The second beam shape, i.e. the shape of the laser beam after the output of the amplifier module, can then be recorded in a suitable manner and a dependency between the second beam shape and the set parameters can be evaluated over time.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine aktive Regelung zu nutzen, um die Parameter des Strahlformungsmoduls einzustellen. Dabei können die Ergebnisse der Strahlprofilmessung zumindest der zweiten Strahlform ausgewertet werden, die Abweichung zwischen der tatsächlich gemessenen zweiten Strahlform und der vorgegebenen zweiten Strahlform bestimmt werden und als Regelabweichung einem Regler zugeführt werden. Ein solcher Regler kann also die Messparameter der zweiten Strahlform als Ist-Wert nutzen und auf die vorgegebenen StrahlformParameter als Soll-Wert regeln, indem die Einstellparameter des Strahlformungsmoduls als Stellgröße der Regelstrecke verwendet werden. Eine aktive Regelung dieser Art kann dabei durch einen Software- oder Hardware-Regler umgesetzt werden, wobei die Regelstrecke auf beliebige Art und Weise umgesetzt werden kann und zusätzliche Faktoren wie etwa die Pulsdauer des gepulsten Strahls, Charakteristiken der Laseranwendung (veränderliche Bewegung, kontinuierliche Wiederholung eines einzigen Vorgangs, etc.) oder Umschaltzeiten des Strahlformmoduls in die Reglerparametrierung einfließen können.Another possibility is to use active control to set the parameters of the beam shaping module. The results of the beam profile measurement of at least the second beam shape can be evaluated, the deviation between the actually measured second beam shape and the specified second beam shape can be determined and fed to a controller as a control deviation. Such a controller can therefore use the measurement parameters of the second beam shape as the actual value and regulate to the specified beam shape parameters as the target value by using the setting parameters of the beam shaping module as the manipulated variable of the controlled system. Active control of this type can be implemented by a software or hardware controller, whereby the controlled system can be implemented in any way and additional factors such as the pulse duration of the pulsed beam, characteristics of the laser application (variable movement, continuous repetition of a single process, etc.) or switching times of the beam shaping module can be included in the controller parameterization.

Es ist auch möglich, Methoden des maschinellen Lernens zu nutzen, um aus den erfassten Werten geeignete Parameter für die Einstellung des Strahlformungsmoduls zu gewinnen. Dazu können beispielsweise Messdaten zumindest des zweiten Strahlprofils zusammen mit den verwendeten Parametern, z.B. den erfassten Leistungswerten und den Einstellparametern des Strahlformungsmoduls, als Eingabewerte für ein lernendes Modell genutzt werden. Dabei können sowohl verschiedene Methoden des überwachten oder unüberwachten Lernens als auch des verstärkten Lernens genutzt werden.Je nach verwendetem Modell ist es auch möglich, keine Strahlprofilparameter aus den Messdaten zu erfassen, sondern die erfassten Bilder des Strahlprofils unmittelbar als Eingabedaten für das lernende Modell zu nutzen, zum Beispiel für ein Convolutional Neural Network.It is also possible to use machine learning methods to obtain suitable parameters for setting the beam forming module from the recorded values. For example, measurement data of at least the second beam profile together with the parameters used, e.g. the recorded power values and the setting parameters of the beam forming module, can be used as input values for a learning model. Various methods of supervised or unsupervised learning as well as reinforcement learning can be used. Depending on the model used, it is also possible not to record beam profile parameters from the measurement data, but to use the recorded images of the beam profile directly as input data for the learning model, for example for a convolutional neural network.

Das lernende Modell kann nach einer Trainingsphase ähnlich wie eine aktive Regelung zur kontinuierlichen Ansteuerung verwendet werden. Falls weiter Daten der zweiten Strahlform nach der Verstärkung erfasst werden, können diese (optional zusammen mit den angestrebten Strahlformen) auch dem lernenden Modul zugeführt werden, um ein Nachtrainieren zu ermöglichen. Dazu können Daten auch in bestimmten Abständen aufgezeichnet und gesammelt werden und dann zu geeigneter Zeit zum Nachtrainieren des Modells genutzt werden.After a training phase, the learning model can be used for continuous control in a similar way to an active control system. If further data from the second beam shape is recorded after amplification, this (optionally together with the desired beam shapes) can also be fed to the learning module to enable retraining. For this purpose, data can also be recorded and collected at certain intervals and then used at a suitable time to retrain the model.

Alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen praktischen Methoden zur Bestimmung der optimalen Parameter für die Einstellung des Strahlformungsmoduls können auch Simulationen und Modellierungen genutzt werden, die es ermöglichen, die zu erwartenden Verzerrungen durch den Verstärkerdurchlauf zumindest näherungsweise zu berechnen. Solche Modellierungen können insbesondere auch verwendet werden, um zunächst den Parameterraum abzugrenzen, der für die beschriebenen Messungen, Auswertungen oder Regelungen verwendet werden soll. Somit kann beispielsweise über ein theoretisches Modell oder eine numerische Simulation eine grobe Vorwahl der ersten definierten Strahlform getroffen werden und die erforderlichen Parameter für das Strahlformungsmodul bestimmt werden, und mit diesen Anfangsparametern kann dann durch die beschriebenen Ermittlungen von Kennfeldern, durch maschinelles Lernen, oder durch aktive Regelung eine verfeinerte Optimierung der Parameter erreicht werden.Alternatively or in addition to the practical methods described above for determining the optimal parameters for setting the beam forming module, simulations and models can also be used that make it possible to calculate at least approximately the distortions to be expected from the amplifier pass. Such models can also be used in particular to initially delimit the parameter space that is to be used for the measurements, evaluations or controls described. For example, a theoretical model or a numerical simulation can be used to roughly preselect the first defined beam shape and determine the required parameters for the beam forming module, and with these initial parameters, a refined optimization of the parameters can then be achieved by the described determination of characteristic maps, by machine learning, or by active control.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Erzeugen eines geformten Laserstrahls, das in wesentlichen Teilen der Ausführungsform aus 2 entspricht. Alle dort beschriebenen und hier nicht wiederholten Details sind daher auch auf dieses Beispiel übertragbar. Hier ist jedoch am Ausgang des Verstärkermoduls 330 ein Endspiegel 334 angebracht, der zu einem zweiten Durchgang des Laserstrahls durch das Verstärkermodul 330 führt. Entsprechend verdoppelt sich die Anzahl der einzelnen Scheibenübergänge innerhalb des Verstärkers 330 und damit auch die Verstärkung der Intensität des Ausgangslaserstrahls 370. Diese Variante erfordert eine lineare Polarisierung des Laserstrahls; daher sind hier weitere Polarisationselemente 390a, 390b, 390c im optischen Pfad vorgesehen. Durch einen optischen Isolator 391 nach dem ersten Polarisationselement 390a (zum Beispiel eine Wellenplatte wie etwa ein Lambda/2-Plättchen) kann ein Strahl mit einer definierten Polarisationsrichtung erzeugt werden; durch ein weiteres Polarisationselement bzw. Lambda/2-Plättchen 390b wird das Licht vor dem Strahlformungsmodul 320 zirkular polarisiert und vor Eintritt in den Verstärker 330 durch ein drittes Polarisationselement 390c wieder linear polarisiert. Alternativ könnte beispielsweise ein Isolator 391 auch nach dem Strahlformungsmodul 320 eingesetzt werden. 3 shows a further embodiment of a device for generating a shaped laser beam, which in essential parts corresponds to the embodiment of 2 All details described there and not repeated here are therefore also applicable to this example. However, here an end mirror 334 is attached to the output of the amplifier module 330, which leads to a second passage of the laser beam through the amplifier module 330. Accordingly, the number of of the individual disk transitions within the amplifier 330 and thus also the amplification of the intensity of the output laser beam 370. This variant requires a linear polarization of the laser beam; therefore, further polarization elements 390a, 390b, 390c are provided in the optical path. A beam with a defined polarization direction can be generated by an optical isolator 391 after the first polarization element 390a (for example a wave plate such as a lambda/2 plate); the light is circularly polarized before the beam shaping module 320 by a further polarization element or lambda/2 plate 390b and linearly polarized again before entering the amplifier 330 by a third polarization element 390c. Alternatively, an isolator 391 could also be used after the beam shaping module 320, for example.

Der Ausgangslaserstrahl 370 wird auf demselben Pfad wie der Eingangslaserstrahl wieder aus dem Verstärker 330 geleitet. Ein Polarisationsfilter 398, der Licht einer Polarisation transmittiert und Licht einer anderen Polarisation umleitet, kann dann verwendet werden, um nur den verstärkten Strahl aus dem gemeinsamen Pfad umzuleiten. Zu diesem Zweck kann die Polarisation des Ausgangslaserstrahls 370 vor dem Polarisationsfilter 398 noch einmal durch hier nicht gezeigte Lambda/2-Plättchen oder andere Polarisationselemente gedreht werden. Hier kann als Polarisationsfilter beispielsweise ein Dünnschicht-Polarisator (Thin Film Polarizer, TFP) verwendet werden, aber auch andere Elemente wie etwa Polarisatoren auf Grundlage doppelbrechender Kristalle sind denkbar. Entsprechend verändert sich zwar auch die Strahlführung gegenüber der Ausführungsform aus 2 wie gezeigt, dennoch bleiben wesentliche Teile wie die Strahlauskopplung 392, 394, Strahlprofilmessung 380, Leistungsmessung 382, die Verwendung von Raumfilter 322 oder Teleskop 312 und andere prinzipgleich erhalten.The output laser beam 370 is guided out of the amplifier 330 on the same path as the input laser beam. A polarization filter 398, which transmits light of one polarization and redirects light of another polarization, can then be used to redirect only the amplified beam from the common path. For this purpose, the polarization of the output laser beam 370 can be rotated again in front of the polarization filter 398 by lambda/2 plates or other polarization elements (not shown here). A thin film polarizer (TFP), for example, can be used as a polarization filter, but other elements such as polarizers based on birefringent crystals are also conceivable. Accordingly, the beam guidance also changes compared to the embodiment from 2 as shown, but essential parts such as beam coupling 392, 394, beam profile measurement 380, power measurement 382, the use of spatial filter 322 or telescope 312 and others remain essentially the same.

Es versteht sich, dass die Anordnung und Lage der einzelnen Elemente hier nur beispielhaft dargestellt sind, und dass insbesondere die Verwendung und Anzahl von z.B. Strahlteilern, Auskopplungselementen und Umlenkelementen abhängig von dem jeweils verwendeten Aufbau frei gewählt werden kann. Falls eine Messung des Strahlprofils für einen oder beide Strahlen in der späteren Anwendung nicht erforderlich ist und die Einstellung rein auf Basis der zuvor ermittelten Parameter erfolgt, können die entsprechenden Bauteile ausgelassen werden. Falls dagegen z.B. die beschriebene aktive Regelung verwendet wird, bleibt zumindest eine Strahlprofilmessung des verstärkten Strahls erhalten. Der verstärkte Ausgangsstrahl 270, 370 nach dem Verstärkermodul 230, 330 kann optional noch über weitere Bauteile, z.B. fokussierende Module und Umlenkungen, in den Anwendungsbereich geleitet werden, also beispielsweise auf die zu bearbeitende Materialoberfläche.It goes without saying that the arrangement and position of the individual elements are shown here only as examples, and that in particular the use and number of e.g. beam splitters, coupling elements and deflection elements can be freely selected depending on the structure used in each case. If a measurement of the beam profile for one or both beams is not required in the subsequent application and the setting is made purely on the basis of the previously determined parameters, the corresponding components can be omitted. If, on the other hand, for example, the active control described is used, at least a beam profile measurement of the amplified beam is retained. The amplified output beam 270, 370 after the amplifier module 230, 330 can optionally be guided into the application area via further components, e.g. focusing modules and deflections, for example onto the material surface to be processed.

4, 5 und 6 zeigen beispielhafte Verfahrensabläufe zur Erzeugung eines Laserstrahls mit definierter Strahlform als Flussdiagramm. 4 , 5 and 6 show exemplary process sequences for generating a laser beam with a defined beam shape as a flow chart.

Dabei zeigt 4 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrensablaufs, bei dem die Parameter für die Strahlformung aus einer Funktion oder einem Kennfeld gewonnen oder mit ähnlichen Methoden bestimmt werden, ohne auf eine aktive Regelung zurückzugreifen. Dazu wird in Schritt 400 zunächst das gewünschte Ausgangsstrahlprofil, d.h. die zweite definierte Strahlform festgelegt. Dabei können bestimmte Strahlformparameter, wie Durchmesser und Intensitätsverteilung des Strahls mit geeigneten Mitteln frei gewählt werden. In anderen Ausführungsformen können, z.B. in einer Steuerungssoftware, dem Benutzer zusätzlich oder alternativ verschiedene übliche Strahlformungen vorgegeben werden, beispielsweise ein Flat-Top-Profil, ein Top-Hat-Profil, ein Gaussprofil, ein Ring- beziehungsweise Donutprofil oder ein frei wählbares Freiformprofil. Außerdem können in diesem Schritt auch weitere Parameter wie etwa die gewünschte Ausgangsleistung festgelegt werden.This shows 4 a flow chart of an exemplary method sequence in which the parameters for beam shaping are obtained from a function or a characteristic map or determined using similar methods without resorting to active control. To do this, in step 400, the desired output beam profile, i.e. the second defined beam shape, is first specified. Certain beam shape parameters, such as the diameter and intensity distribution of the beam, can be freely selected using suitable means. In other embodiments, e.g. in control software, the user can additionally or alternatively be given various conventional beam shapes, for example a flat-top profile, a top-hat profile, a Gaussian profile, a ring or donut profile or a freely selectable free-form profile. In addition, other parameters such as the desired output power can also be specified in this step.

Falls die Strahlformung von einem automatisierten Prozess (z.B. einem komplexen Fertigungsprozess mit mehreren Aktoren) angesteuert wird, können die gewünschten Eigenschaften des Ausgangsstrahls bei der Entwicklung der Automatisierungssteuerung berücksichtigt werden, während in der Automatisierung optional nur die Einstellparameter für das Strahlformungsmodul statisch oder dynamisch festgelegt sind. Es können auch für verschiedene Schritte unterschiedliche Strahlformen und damit unterschiedliche Parameter vorgesehen sein. Schritt 400 wird also in diesem Fall bei der Entwicklung der Automatisierungssteuerung durchgeführt.If the beam shaping is controlled by an automated process (e.g. a complex manufacturing process with several actuators), the desired properties of the output beam can be taken into account when developing the automation control, while in the automation only the setting parameters for the beam shaping module are optionally defined statically or dynamically. Different beam shapes and thus different parameters can also be provided for different steps. In this case, step 400 is therefore carried out when developing the automation control.

In Schritt 402 kann aus dem vorgegebenen Ausgangsstrahlprofil und einer Funktion, einem Kennfeld, einer Tabelle oder einer ähnlichen Zuordnung bestimmt werden, welche Einstellparameter für das Strahlformungsmodul verwendet werden sollen, um die vorgegebene zweite Strahlform nach der Verstärkung zu erhalten. Dabei kann es sich um statische Einstellparameter handeln oder um Einstellparameter, die sich im zeitlichen Verlauf verändern, um beispielsweise thermische Effekte auszugleichen oder eine konstante Strahlform bei wechselnder Laserleistung oder bei fluktuierendem Pointing zu erhalten.In step 402, the specified output beam profile and a function, a characteristic map, a table or a similar assignment can be used to determine which setting parameters are to be used for the beam shaping module in order to obtain the specified second beam shape after amplification. These can be static setting parameters or setting parameters that change over time, for example to compensate for thermal effects or to obtain a constant beam shape with changing laser power or with fluctuating pointing.

In Schritt 404 kann ein Eingangslaserstrahl durch das Seed-Lasermodul erzeugt werden, der den gewünschten Kriterien entspricht, z.B. mit einer vorgegebenen Pulslänge, Repetitionsrate und Leistung. Optional können die hier verwendeten Werte für die Erzeugung des Eingangslaserstrahls auch in Schritt 400 zusätzlich vom Benutzer oder aus einer entsprechenden Steuerungsdatei abgerufen werden.In step 404, an input laser beam can be generated by the seed laser module that meets the desired criteria, e.g. with a predetermined pulse length, repetition rate and power Optionally, the values used here for generating the input laser beam can also be retrieved in step 400 by the user or from a corresponding control file.

Der erzeugte Eingangslaserstrahl kann in Schritt 406 durch das verstellbare Strahlformungsmodul geformt werden, wobei die Einstellparameter des Strahlformungsmoduls verwendet werden, die in Schritt 402 ausgewählt wurden.The generated input laser beam may be shaped by the adjustable beam shaping module in step 406 using the beam shaping module adjustment parameters selected in step 402.

In Schritt 408 kann der geformte Strahl durch das optische Verstärkermodul verstärkt werden, um den gewünschten Ausgangslaserstrahl zu erhalten. Dieser kann schließlich in Schritt 410 auf den Arbeitsbereich, z.B. das Werkstück gelenkt werden und so zur Anwendung gebracht werden.In step 408, the shaped beam can be amplified by the optical amplifier module to obtain the desired output laser beam. This can finally be directed to the work area, e.g. the workpiece, in step 410 and thus applied.

5 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrensablaufs zur Ermittlung der Abhängigkeit zwischen einer vorgegebenen Ausgangsstrahlform und verwendeten Parametern. Dabei können optional in Schritt 500 zunächst Startparameter für das Strahlformungsmodul gesetzt werden, die beispielsweise aus Simulationen oder Modellierungen für die Strahlformung und Strahlverstärkung gewonnen werden können. In anderen Fällen können als Startparameter auch die Parameter gewählt werden, die eine erste Strahlform erzeugen, welche der gewünschten Ausgangsstrahlform entspricht. Als Ausgangspunkt kann also die gewünschte Strahlform ohne jede Kompensation der Verstärkereffekte gewählt werden, die dann in den folgenden Schritten angepasst wird. 5 shows a flow chart of an example process sequence for determining the dependency between a given output beam shape and the parameters used. In step 500, starting parameters for the beam forming module can optionally be set first, which can be obtained, for example, from simulations or models for beam forming and beam amplification. In other cases, the parameters that generate a first beam shape that corresponds to the desired output beam shape can also be selected as the starting parameters. The desired beam shape can therefore be selected as the starting point without any compensation for the amplifier effects, which is then adjusted in the following steps.

In Schritt 502 wird ein Seed-Laserstrahl mit bekannten Eigenschaften erzeugt, unter Verwendung der Startparameter aus Schritt 500 geformt und im Verstärkermodul verstärkt. Zumindest der so erhaltene Ausgangsstrahl wird in Schritt 504 einer Messeinrichtung zugeführt, um das Strahlprofil zu erfassen. Optional können in Schritt 504 auch weitere Werte, wie das Strahlprofil des geformten Eingangsstrahls und die Leistung des Eingangs- und/oder Ausgangsstrahls gemessen werden. Die gemessenen Werte werden in Rohform oder in verarbeiteter Form zusammen mit den bekannten Einstellparametern abgespeichert. In Schritt 506 werden optional Parameter des Testaufbaus verändert, z.B. die Einstellparameter des Strahlformungsmoduls oder die Laserleistung des Seed-Lasermoduls. Anschließend wird erneut die erhaltene Strahlform gemessen und die erfassten Profilparameter mit den aktuellen Einstellparametern abgespeichert. Die Veränderung von Parametern und erneute Messung kann beliebig oft wiederholt werden. Ebenso können beliebig viele Messungen im zeitlichen Verlauf vorgenommen werden, ohne dabei Parameter aktiv zu verändern, z.B. zur Erfassung thermischer Veränderungen.In step 502, a seed laser beam with known properties is generated, shaped using the starting parameters from step 500 and amplified in the amplifier module. At least the output beam obtained in this way is fed to a measuring device in step 504 in order to record the beam profile. Optionally, other values such as the beam profile of the shaped input beam and the power of the input and/or output beam can also be measured in step 504. The measured values are saved in raw form or in processed form together with the known setting parameters. In step 506, parameters of the test setup are optionally changed, e.g. the setting parameters of the beam shaping module or the laser power of the seed laser module. The beam shape obtained is then measured again and the recorded profile parameters are saved with the current setting parameters. The change of parameters and new measurements can be repeated as often as desired. Likewise, any number of measurements can be taken over time without actively changing parameters, e.g. to record thermal changes.

In Schritt 508 werden schließlich die aus den Messungen erfassten Daten genutzt, um eine Abhängigkeit zwischen den bekannten Einstellparametern und den damit erhaltenen zweiten Strahlformen des Ausgangsstrahls zu ermitteln. Die ermittelte Abhängigkeit kann dann in Schritt 510 als Funktion, als mehrdimensionales Kennfeld, als Tabelle oder in anderer Form abgespeichert werden und ab jetzt zur Einstellung des Strahlformungsmoduls (z.B. in Schritt 402 aus 4) angewendet werden.Finally, in step 508, the data acquired from the measurements are used to determine a dependency between the known setting parameters and the second beam shapes of the output beam obtained with them. The determined dependency can then be saved in step 510 as a function, as a multi-dimensional characteristic map, as a table or in another form and can now be used to set the beam shaping module (e.g. in step 402 from 4 ) be applied.

6 zeigt ein Flussdiagramm eines weiteren beispielhaften Verfahrensablaufs zur Erzeugung eines Laserstrahls mit vorgegebener Ausgangsstrahlform unter Verwendung einer aktiven Regelung. In Schritt 600 wird dabei analog zu Schritt 400 aus 4 die gewünschte Strahlform des Ausgangsstrahls festgelegt. In Schritt 602 werden Startparameter zur Einstellung des Strahlformungsmoduls festgelegt, die beispielsweise wie in Schritt 402 aus einem Kennfeld oder Funktion gewonnen sein können, oder aber auch wie in Schritt 502 aus einer theoretischen Simulation, aus einem Modell oder unmittelbar aus der Strahlform des Ausgangsstrahls ohne Kompensation bestimmt werden können. In Schritt 604 ist die Erzeugung des Seedlaserstrahls, die Strahlformung mit den aktuellen Einstellparametern (d.h. beim ersten Durchlauf mit den Startparametern aus Schritt 602) und die Verstärkung des geformten Eingangslaserstrahls zusammengefasst. 6 shows a flow chart of another exemplary method for generating a laser beam with a predetermined output beam shape using an active control. In step 600, analogous to step 400, 4 the desired beam shape of the output beam is determined. In step 602, starting parameters for setting the beam shaping module are determined, which can be obtained from a characteristic map or function, for example, as in step 402, or can also be determined from a theoretical simulation, from a model or directly from the beam shape of the output beam without compensation, as in step 502. In step 604, the generation of the seed laser beam, the beam shaping with the current setting parameters (ie during the first run with the starting parameters from step 602) and the amplification of the shaped input laser beam are summarized.

Das Strahlprofil des auf diese Weise erhaltenen verstärkten Ausgangslaserstrahls wird in Schritt 606 erfasst und ausgewertet. In Schritt 608 kann eine Abweichung der erfassten Parameter aus Schritt 606 zu den erwünschten Strahlformparametern aus Schritt 600 ermittelt werden und als Regelabweichung bestimmt werden. Schließlich kann in Schritt 610 aus der Regelabweichung aus Schritt 608 über eine geeignete Regelstrecke die erforderliche Anpassung der Einstellparameter für das Strahlformungsmodul bestimmt werden. Mit diesen angepassten Einstellparametern kann dann erneut eine Strahlformung vorgenommen werden, so dass die Schritte 604 bis 610 beliebig oft wiederholt werden.The beam profile of the amplified output laser beam obtained in this way is recorded and evaluated in step 606. In step 608, a deviation of the recorded parameters from step 606 from the desired beam shape parameters from step 600 can be determined and defined as a control deviation. Finally, in step 610, the required adjustment of the setting parameters for the beam shaping module can be determined from the control deviation from step 608 via a suitable control system. Beam shaping can then be carried out again with these adjusted setting parameters, so that steps 604 to 610 are repeated as often as desired.

Dabei können die beschriebenen Verfahrensabläufe natürlich durch Zwischenschritte ergänzt werden. Teilweise können auch Schritte in anderer Reihenfolge oder parallel zueinander vorgenommen werden, z.B. kann die Ermittlung der neuen Einstellparameter bei der Regelung oder die Auswertung einer erfassten Messung zeitgleich zur Strahlformung mit den bisherigen Einstellparametern erfolgen.The described processes can of course be supplemented by intermediate steps. In some cases, steps can also be carried out in a different order or in parallel to one another, e.g. the determination of the new setting parameters for the control or the evaluation of a recorded measurement can take place at the same time as the beam formation with the previous setting parameters.

In allen Ausführungsformen sind weitere Abwandlungen möglich, die auch auf beliebige Weise miteinander und mit den bereits beschriebenen Varianten kombiniert werden können.In all embodiments, further modifications are possible, which can also be combined in any way with each other and with the variants already described.

Beispielsweise kann in dem Strahlformungsmodul ein Blaze-Gitter integriert sein. Ein solches Gitter kann dazu beitragen, Fehler in der Strahlformung auszugleichen, indem die fehlerhaft geformten Strahlen gebeugt werden und anschließend mit einem optionalen Raumfilter (Lochblende) entfernt werden. Es versteht sich, dass die Winkelabhängigkeit des Gitters und der Raumfilter entsprechend aufeinander abgestimmt werden können.For example, a blaze grating can be integrated into the beam forming module. Such a grating can help to compensate for errors in the beam forming by diffracting the incorrectly formed beams and then removing them with an optional spatial filter (pinhole). It goes without saying that the angle dependence of the grating and the spatial filter can be coordinated accordingly.

Es ist außerdem möglich, dass nach dem Strahlformungsmodul (vor oder nach dem Verstärkermodul) eine Frequenzkonversion des Laserstrahls vorgenommen wird, z.B. durch ein Element zur Frequenzverdopplung. Damit kann beispielsweise die Verwendung von Strahlformungselementen ermöglicht werden, die nicht für alle Wellenlängen verfügbar sind.It is also possible for the laser beam to be frequency converted after the beam-forming module (before or after the amplifier module), e.g. using a frequency doubling element. This can, for example, enable the use of beam-forming elements that are not available for all wavelengths.

Ein Laserstrahl mit einer definierten Polarisation, wie sie beispielsweise im Zusammenhang mit 3 beschrieben wurde, kann natürlich auch unabhängig von dem dort beschriebenen Doppeldurchgang durch den Verstärkereingesetzt werden.A laser beam with a defined polarization, such as that used in connection with 3 can of course also be used independently of the double pass through the amplifier described there.

Die Verwendung geformter Laserstrahlen ist in vielen Bereichen der Technik sinnvoll, insbesondere in der Materialbearbeitung, z.B. beim Materialabtrag, beim Fügen oder Trennen von Materialien mittels Laserstrahlen, bei additiven Prozessen, bei der Modifikation von Oberflächen, aber auch beim Einsatz zu medizinischen Zwecken und im Bereich der Forschung. Es versteht sich außerdem, dass die hier beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen nicht auf die beispielhaft genannten Anwendungen in diesen Bereichen beschränkt sind; vielmehr können diese für alle Bereiche genutzt werden, in denen die Erzeugung von geformten Laserstrahlen, insbesondere mit kurzen und ultrakurzen Laserpulsen, gewünscht ist. Natürlich können je nach Anwendung daher auch Elemente und Systeme ergänzt oder abgeändert werden, die hier nicht ausdrücklich beschrieben wurden. Beispielsweise kann das beschriebene Prinzip auf eine Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen angewendet werden und mit unterschiedlichen Arten von Seed-Lasern betrieben werden. Auch der Einsatz zusätzlicher oder abgewandelter optischer Elemente im Strahlengang an jeder Stelle des Systems, wie etwa von Linsen, Strahlteilern, Messeinrichtungen, Umlenkspiegeln kann an die jeweilige Anwendung angepasst werden.The use of shaped laser beams is useful in many areas of technology, especially in material processing, e.g. in material removal, in joining or separating materials using laser beams, in additive processes, in modifying surfaces, but also when used for medical purposes and in research. It is also understood that the methods and devices described here are not limited to the applications mentioned as examples in these areas; rather, they can be used for all areas in which the generation of shaped laser beams, in particular with short and ultra-short laser pulses, is desired. Of course, depending on the application, elements and systems that have not been expressly described here can also be added or modified. For example, the principle described can be applied to a variety of different wavelengths and operated with different types of seed lasers. The use of additional or modified optical elements in the beam path at any point in the system, such as lenses, beam splitters, measuring devices, deflecting mirrors, can also be adapted to the respective application.

Mit den hier beschriebenen Methoden und Vorrichtungen ist es möglich, eine gewünschte Strahlform des verstärkten Ausgangsstrahls zu erhalten und dafür auch Strahlformungsmodule einzusetzen, die nicht für hohe Leistungen ausgelegt sind. Damit können alle Vorteile solcher Strahlformungsmodule, wie etwa schnelle Anpassbarkeit und Flexibilität, ohne Verzicht auf die gewünschten hohen Pulsleistungen ausgenutzt werden. Während beispielsweise Strahlformungsmodule vom Typ der Grating Light Valves vergleichsweise schnell schaltbar sind (im Bereich von mehreren hundert kHz), sind sie häufig nicht für hohe Leistungen verwendbar. Ebenso sind auch Mikrospiegelarrays aktuell nicht für die angestrebten Leistungen im kW-Bereich einsetzbar. Die geringe Eingangsstrahlleistung vor dem Verstärker, die je nach Verstärkertyp beispielsweise im Bereich von nur wenigen Watt liegen kann, macht es möglich, solche Strahlformungsmodule ohne Beschränkung der erwünschten Ausgangsstrahlleistung einzusetzen.With the methods and devices described here, it is possible to obtain a desired beam shape of the amplified output beam and to use beam-forming modules that are not designed for high power. This means that all the advantages of such beam-forming modules, such as rapid adaptability and flexibility, can be exploited without sacrificing the desired high pulse power. While beam-forming modules of the grating light valve type, for example, can be switched relatively quickly (in the range of several hundred kHz), they are often not suitable for high power. Likewise, micromirror arrays cannot currently be used for the desired power in the kW range. The low input beam power before the amplifier, which depending on the amplifier type can be in the range of just a few watts, for example, makes it possible to use such beam-forming modules without limiting the desired output beam power.

Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale und Elemente, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.Where applicable, all individual features and elements shown in the embodiments may be combined and/or exchanged without departing from the scope of the invention.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

110, 210, 310110, 210, 310
Seed-Lasermodul zum Erzeugen des EingangslaserstrahlsSeed laser module for generating the input laser beam
120, 220, 320120, 220, 320
StrahlformungsmodulBeamforming module
130130
optisches Verstärkermoduloptical amplifier module
140140
SteuereinheitControl unit
150, 250, 350150, 250, 350
Eingangslaserstrahl/Seed-LaserstrahlInput laser beam/seed laser beam
160, 260, 360160, 260, 360
geformter Laserstrahl mit erster Strahlformshaped laser beam with first beam shape
170, 270, 370170, 270, 370
verstärkter Laserstrahl mit zweiter Strahlformamplified laser beam with second beam shape
212, 312212, 312
aufweitendes Linsensystemexpanding lens system
222, 322222, 322
optischer Raumfilteroptical spatial filter
230, 330230, 330
ScheibenverstärkerDisc amplifier
232, 332232, 332
Pumpeinheit für ScheibenverstärkerPump unit for disc amplifier
280, 380280, 380
Messeinrichtung für StrahlprofilmessungMeasuring device for beam profile measurement
282, 382282, 382
Messeinrichtung für StrahlleistungsmessungMeasuring device for beam power measurement
290, 390a/b/c290, 390a/b/c
PolarisationselementPolarization element
292, 392292, 392
Auskoppelelement EingangsstrahlOutput coupling element input beam
294, 394294, 394
Auskoppelelement AusgangsstrahlOutput coupling element output beam
296, 396296, 396
schwenkbarer Absorberswivel absorber
334334
Endspiegel für ScheibenverstärkerEnd mirror for window amplifier
391391
optischer Isolatoroptical isolator
398398
PolarisationsfilterPolarizing filter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2019063662 [0005]WO 2019063662 [0005]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Radially polarized emission with 635 W of average power and 2.1 mJ of pulse energy generated by an ultrafastthin-disk multipass amplifier“ (Optics Letters 40.24 (2015), S. 5758-5761 [0006]Radially polarized emission with 635 W of average power and 2.1 mJ of pulse energy generated by an ultrafast thin-disk multipass amplifier” (Optics Letters 40.24 (2015), pp. 5758-5761 [0006]

Claims (15)

Vorrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls mit vorgegebener Strahlform, umfassend: ein Strahlformungsmodul (120, 220, 320) zum Erzeugen eines geformten Laserstrahls (160, 260, 360) mit einer ersten definierten Strahlform aus einem Eingangslaserstrahl (150, 250, 350); und ein optisches Verstärkermodul (130, 230, 330) zum Erzeugen eines verstärkten Laserstrahls (170, 270, 370) mit einer zweiten definierten räumlichen Strahlform aus dem geformten Laserstrahl, wobei das optische Verstärkermodul ein optisch aktives Element umfasst, welches die Intensität eines Laserstrahls beim Durchgang erhöht.Device for generating a laser beam with a predetermined beam shape, comprising: a beam shaping module (120, 220, 320) for generating a shaped laser beam (160, 260, 360) with a first defined beam shape from an input laser beam (150, 250, 350); and an optical amplifier module (130, 230, 330) for generating an amplified laser beam (170, 270, 370) with a second defined spatial beam shape from the shaped laser beam, wherein the optical amplifier module comprises an optically active element which increases the intensity of a laser beam as it passes through. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste definierte Strahlform zumindest teilweise in Abhängigkeit von Eigenschaften des optischen Verstärkermoduls (130, 230, 330) bestimmt ist.Device according to Claim 1 , wherein the first defined beam shape is determined at least partially depending on properties of the optical amplifier module (130, 230, 330). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verstärkermodul (130, 230, 330) einen optischen Scheibenverstärker und/oder einen Multipass-Verstärker umfasst, wobei das optisch aktive Element eine Verstärkerscheibe für einen mindestens einmaligen Durchgang des Laserstrahls umfasst.Device according to Claim 1 or 2 , wherein the amplifier module (130, 230, 330) comprises an optical disk amplifier and/or a multipass amplifier, wherein the optically active element comprises an amplifier disk for at least one passage of the laser beam. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend mindestens ein Polarisationselement (290, 390a, 390b, 390c) zum linearen Polarisieren des Laserstrahls vor dem Verstärkermodul (130, 230, 330).Device according to one of the preceding claims, further comprising at least one polarization element (290, 390a, 390b, 390c) for linearly polarizing the laser beam in front of the amplifier module (130, 230, 330). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strahlformungsmodul (120, 220, 320) dazu eingerichtet ist, die Strahlformung zumindest durch eine Phasenmodulation des Laserstrahls zu bewirken.Device according to one of the preceding claims, wherein the beam shaping module (120, 220, 320) is configured to effect the beam shaping at least by a phase modulation of the laser beam. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strahlformungsmodul (120, 220, 320) ein einstellbares Strahlformungselement umfasst, und wobei die erste definierte Strahlform, welche durch das Strahlformungsmodul erzeugt wird, durch eine Ansteuerung des einstellbaren Strahlformungselement anpassbar ist.Device according to one of the preceding claims, wherein the beam-forming module (120, 220, 320) comprises an adjustable beam-forming element, and wherein the first defined beam shape generated by the beam-forming module is adaptable by controlling the adjustable beam-forming element. Vorrichtung nach Anspruch 6, weiter umfassend eine Steuereinheit (140) zur Ansteuerung des einstellbaren Strahlformungselements, wobei die Steuereinheit zum Ermitteln von statischen oder dynamisch veränderlichen Einstellparametern zumindest in Abhängigkeit von der zweiten definierten Strahlform (170, 270, 370) eingerichtet ist.Device according to Claim 6 , further comprising a control unit (140) for controlling the adjustable beam-shaping element, wherein the control unit is configured to determine static or dynamically variable setting parameters at least as a function of the second defined beam shape (170, 270, 370). Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, weiter umfassend mindestens eine Messeinrichtung (280, 380) zum Erfassen von einem oder mehreren Parametern eines Strahlprofils des verstärkten Laserstrahls mit der zweiten Strahlform nach dem Verstärkermodul, und einen Regler, welcher dazu eingerichtet ist, einen oder mehrere Parameter des erfassten Strahlprofils des verstärkten Laserstrahls zu regeln, durch Ermitteln einer Regelabweichung zwischen den ein oder mehreren Parametern des erfassten Strahlprofils und korrespondierenden Parametern eines vorgegebenen Soll-Strahlprofils, wobei der Regler dazu eingerichtet ist, die Regelung durch Anpassung der Ansteuerung des einstellbaren Strahlformungselements als Stellglied zu erreichen.Device according to Claim 6 or 7 , further comprising at least one measuring device (280, 380) for detecting one or more parameters of a beam profile of the amplified laser beam with the second beam shape after the amplifier module, and a controller which is configured to regulate one or more parameters of the detected beam profile of the amplified laser beam by determining a control deviation between the one or more parameters of the detected beam profile and corresponding parameters of a predetermined target beam profile, wherein the controller is configured to achieve the control by adapting the control of the adjustable beam shaping element as an actuator. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strahlformungsmodul (120, 220, 320) mindestens eines der folgenden umfasst: ein Mikro-Spiegel-Array, ein Grating-Light-Valve-Modul, ein Spatial-Light-Modulator(SLM)-Modul.Device according to one of the preceding claims, wherein the beam forming module (120, 220, 320) comprises at least one of the following: a micro-mirror array, a grating light valve module, a spatial light modulator (SLM) module. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Eingangslaserstrahl ein Grundmodestrahl oder ein Multimodestrahl ist.Apparatus according to any preceding claim, wherein the input laser beam is a fundamental mode beam or a multimode beam. Verfahren zum Erzeugen einer definierten Ausgangsstrahlform für einen Laserstrahl, umfassend: räumliches Formen (406) eines eingestrahlten Laserstrahls durch ein Strahlformungsmodul zum Erhalten eines geformten Laserstrahls mit einer ersten definierten Strahlform; und Verstärken (408) des geformten Laserstrahls in einem Verstärkermodul zum Erhalten eines verstärkten Laserstrahls mit einer zweiten definierten Strahlform.A method for generating a defined output beam shape for a laser beam, comprising: spatially shaping (406) an incident laser beam by a beam shaping module to obtain a shaped laser beam with a first defined beam shape; and amplifying (408) the shaped laser beam in an amplifier module to obtain an amplified laser beam with a second defined beam shape. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste definierte Strahlform zumindest teilweise in Abhängigkeit von Eigenschaften des optischen Verstärkermoduls bestimmt wird.Procedure according to Claim 11 , wherein the first defined beam shape is determined at least partially depending on properties of the optical amplifier module. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Strahlformungsmodul durch eine Ansteuerung einstellbar ist, wobei das Verfahren weiter umfasst: Festlegen (400, 600) der zweiten definierten Strahlform; und Bestimmen (402, 602) von Einstellparametern des Strahlformungsmoduls zumindest in Abhängigkeit von der zweiten definierten Strahlform.Procedure according to Claim 11 or 12 , wherein the beam-forming module is adjustable by a control, the method further comprising: setting (400, 600) the second defined beam shape; and determining (402, 602) setting parameters of the beam-forming module at least as a function of the second defined beam shape. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Bestimmen (402, 502, 602) von Einstellparametern das Ermitteln der Einstellparameter aus einem der folgenden umfasst: einem Kennfeld, einer Tabelle, einer Zuordnungsfunktion.Procedure according to Claim 13 , wherein determining (402, 502, 602) setting parameters comprises determining the setting parameters from one of the following: a characteristic map, a table, an assignment function. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Bestimmen (402, 502, 602) von Einstellparametern weiter umfasst: Erfassen (606) von einem oder mehreren Parametern eines Strahlprofils des verstärkten Laserstrahls mit der zweiten Strahlform, Ermitteln (608) einer Regelabweichung zwischen den ein oder mehreren Parametern des erfassten Strahlprofils und korrespondierenden Parametern der festgelegten zweiten definierten Strahlform; und Regeln (610) der Strahlform des verstärkten Laserstrahls durch Anpassung der Ansteuerung des einstellbaren Strahlformungselements als Stellglied.Procedure according to Claim 13 or 14 , wherein determining (402, 502, 602) setting parameters further comprises: Detecting (606) one or more parameters of a beam profile of the amplified laser beam with the second beam shape, determining (608) a control deviation between the one or more parameters of the detected beam profile and corresponding parameters of the specified second defined beam shape; and regulating (610) the beam shape of the amplified laser beam by adapting the control of the adjustable beam shaping element as an actuator.
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Radially polarized emission with 635 W of average power and 2.1 mJ of pulse energy generated by an ultrafastthin-disk multipass amplifier" (Optics Letters 40.24 (2015), S. 5758-5761

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