DE112007000457B4

DE112007000457B4 - Kohärenter Faser-Strahlvereiniger mit optischem Beugungselement

Info

Publication number: DE112007000457B4
Application number: DE112007000457T
Authority: DE
Inventors: Robert Rex Rice; Joshua Elliot Rothenberg; Michael Gordon Wickham
Original assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Current assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2027-02-24
Also published as: DE112007000457T5; US20070201795A1; US7440174B2; WO2007100752A2; WO2007100752A3

Abstract

Kohärenter Faser-Strahlvereiniger, der eine Mehrzahl optischer Verstärker und lichtemittierender Fasern, einen Hauptoszillator zum Erzeugen eines kohärenten Eingangssignals zur Verwendung in allen lichtemittierenden Fasern, die zusammen eine Mehrzahl an Vereinigerlichtstrahlen emittieren, ein optisches Beugungselement, das als ein Strahlvereiniger fungiert, eine Kollimationsoptik zum neuen Ausrichten der Ausgabe von den lichtemittierenden Fasern auf das optische Beugungselement in Richtungen, die einer Mehrzahl an Beugungsordnungen entsprechen, die zu dem optischen Beugungselement gehören, wobei das optische Beugungselement einen einzelnen Ausgangsstrahl erzeugt, der aus der Vereinigung von Eingangsstrahlen abgeleitet ist und Mittel zum aktiven Steuern der Phasen der Eingangsstrahlen umfasst, um den einzelnen Ausgangsstrahl als Nte Beugungsordnungsausgabe zu halten und Ausgaben bei anderen Beugungsordnungen zu minimieren, wobei N eine ganze Zahl ist, und wobei die Mittel zum aktiven Steuern der Phasen so konfiguriert sind, dass sie anhand von rückgekoppelten Korrektursignalen zwischen einer oder mehreren gewünschten Beugungsordnungsausgaben auswählen und umschalten, wobei die Korrektursignale auf im Ausgangsstrahl detektierten unerwünschten Beugungsordnungskomponenten basieren.

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Laser mit hoher Leistung und insbesondere Anordnungen von Faserverstärkern, die dazu eingerichtet sind, einen leistungsstarken zusammengesetzten Strahl zu erzeugen. Um eine wunschgemäß hohe Gesamtstrahlleistung zu erreichen, werden strahlungsemittierende Fasern herkömmlicherweise in einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet, die manchmal als SBSA („SBSA = Side-by-Side Array”/Nebeneinanderanordnung) bezeichnet wird, bei der die Phasen der Emitter so gesteuert werden, dass sie gegenseitig kohärent vorliegen. Die Strahlen vereinigen sich im Fernfeld, wenn sie divergieren und beugen und so den zusammengesetzten Strahl bilden. Die Leistungsfähigkeit derartiger Anordnungen ist jedoch signifikant durch den notwendigerweise niedrigen „Füllfaktor” der Anordnung begrenzt. Auch wenn die Fasern, die eine zylindrische Form aufweisen, dicht in einem hexagonalen Muster gepackt werden, reduziert sich der Füllfaktor durch die Zwischenräume zwischen benachbarten Fasern. Ein Maß für die optische Leistungsfähigkeit einer derartigen Anordnung ist das Strehl-Verhältnis des zusammengesetzten Strahls, das als das Verhältnis der axialen Intensität des Strahls zu der axialen Intensität definiert ist, die man bei einem beugungsbegrenzten optischen System mit der gleichen Apertur und der gleichen Gesamtleistung in dem gleichen Bereich erhalten würde. Ein Strehl-Verhältnis von eins bzw. 100% zeigt einen idealen Strahl an, aber dies kann in einer SBSA nicht erreicht werden, insbesondere bei einer Faseranordnung, da der Füllfaktor im Allgemeinen signifikant niedriger als 100% ist. Für eine dicht gepackte Anordnung zylindrischer Fasern wird der Füllfaktor mittels einfacher Geometrie als π/(2√3) berechnet, was ungefähr 90,7% entspricht. Wenn man zusätzlich in Betracht zieht, dass die Strahlung von jedem Faserende ein einen zentralen Höchstwert aufweisendes, nahezu Gaußsches Profil besitzt, reduziert sich der effektive Füllfaktor weiter auf ungefähr 74%.
Bei der typischen zweidimensionalen Anordnung emittierender Fasern und zugehöriger Linsen besitzt das sich ergebende Fernfeld-Lichtverteilungsmuster eine reduzierte axiale Leistung und ein signifikanter Bruchteil der emittierten Leistung wird als Nebenkeulen abgestrahlt, die nicht zur verfügbaren Strahlleistung beitragen. Eine weitere Schwierigkeit bei der dicht gepackten Faseranordnung besteht darin, dass in der Anordnung erzeugte Wärme nicht leicht zu deren Umfang abgeleitet werden kann, was zu Temperaturgradienten führt, die die Ausrichtung der einzelnen Strahlen negativ beeinflussen können.
Dokument DE 197 00 720 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines kohärenten Lichtbündels. Dabei wird eine Mehrzahl kohärenter Lichtbündel mit zueinander fester Phasenbeziehung in je einen optischen Verstärker geleitet. Die optischen Verstärker verstärken die kohärenten Lichtbündel. Die verstärkten Lichtbündel werden dann mit einer Linse und einer diffraktiven Optik zum gewünschten kohärenten Lichtbündel vereinigt. Um eine durch die Erwärmung der Verstärker verursachte Phasenverschiebung in den verstärkten Lichtbündeln zu kompensieren, ist vorgesehen, jeden Verstärker getrennt über seinen Strom anzusteuern, so dass die Temperatur jedes Verstärkers gleich bleibt.
Dokument US 2005/02 01 429 A1 beschreibt eine Laserquelle mit einem Verstärker und einem adaptiven Wellenfront-/Polarisationstreiber. Die Laserquelle umfasst einen Festkörperlaser der mit einem Feld von Faserlaserverstärkern angeregt wird. Die Eingänge der Faserlaserverstärker sind bezüglich Polarisation und Phase steuerbar, um die Verzerrungen durch den Festkörperlaser zu kompensieren.
Eine Alternative zur kohärenten Vereinigung von Faserausgängen besteht in einem inkohärenten Vereinigen mehrerer Strahlen, das heißt ohne Berücksichtigung ihrer relativen Phasen. SBC („SBC = Spectral Beam Combining”/Spektrales Strahlvereinigen) verwendet ein Beugungsgitter zum Vereinigen mehrerer Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen. Das Gitter fungiert wie ein umgekehrtes Prisma und vereinigt die Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen entlang einer einzigen Ausgangsachse. Zwar besitzt der spektral vereinigte Ausgang keine unerwünschten Seitenkeulen, weist aber eine relativ große spektrale Breite auf und nicht alle spektralen Komponenten sind durch die Atmosphäre gleich transmittierbar. Darüber hinaus muss jede Quelle eine ziemliche enge spektrale Breite aufweisen, wenn die Technik auf eine hohe Anzahl an Eingangsstrahlen skaliert werden soll und jede Quelle muss eine Langzeitfrequenzstabilität besitzen. Aus diesen und anderen Gründen hat SBC keine guten Aussichten als Hochleistungslaserquelle.
Obwohl es möglich ist, den effektiven Füllfaktor einer Faseranordnung bis zu einem bestimmten Grad durch die Verwendung von refraktiven Optiken zu verbessern, wäre es idealerweise wünschenswert, den Effekt zu beseitigen, den der Füllfaktor als das Strehl-Verhältnis eines zusammengesetzten Strahls besitzt. Die vorliegende Erfindung bietet eine Möglichkeit, dies zu erreichen. Es wäre ebenfalls wünschenswert, die Probleme bezüglich der thermischen Steuerung zu beseitigen, die mit der dicht gepackten Faseranordnung und den zugehörigen Linsen verbunden sind. Die vorliegende Erfindung erreicht auch dieses Ziel.
Kurzer Abriss der Erfindung
Die vorliegende Erfindung verwendet ein optisches Beugungselement („DOE = Diffractive Optical Element”), um Ausgangsstrahlen mehrerer Faseremitter zu vereinigen und einen einzelnen Ausgangsstrahl in einer Richtung zu erzeugen, die einer gewünschten Beugungsordnung entspricht. Kurz und in allgemeinen Begriffen ausgedrückt, umfasst der kohärente Faser-Strahlvereiniger der Erfindung eine Mehrzahl optischer Verstärker und lichtemittierender Fasern sowie einen Hauptoszillator zum Erzeugen eines kohärenten Eingangssignals zur Verwendung in allen lichtemittierenden Fasern, die zusammen eine Mehrzahl an Vereinigereingangsstrahlen emittieren. Es ist wichtig, dass der Strahlvereiniger der Erfindung ebenfalls ein optisches Beugungselement beinhaltet, das als Strahlvereiniger fungiert, sowie eine Kollimationsoptik zum Neuausrichten des Ausgangs von den lichtemittierenden Fasern auf das optische Beugungselement in Richtungen, die jeweils einer Mehrzahl an Beugungsordnungen entsprechen, die zu dem optischen Beugungselement gehören. Das optische Beugungselement erzeugt einen einzelnen Ausgangsstrahl, der aus der Vereinigung von Eingangsstrahlen abgeleitet ist. Schließlich umfasst der Vereiniger ferner Mittel zum aktiven Steuern der Phasen der Eingangsstrahlen, um den einzelnen Ausgangsstrahl als Ausgabe mit Nter Beugungsordnung (z. B. als Ausgabe nullter Beugungsordnung) aufrechtzuerhalten, wobei N eine ganze Zahl ist, und um die Ausgaben anderer Beugungsordnungen zu minimieren, und wobei die Mittel zum aktiven Steuern der Phasen so konfiguriert sind, dass sie anhand von rückgekoppelten Korrektursignalen zwischen einer oder mehreren gewünschten Beugungsordnungsausgaben auswählen und umschalten, wobei die Korrektursignale auf im Ausgangsstrahl detektierten unerwünschten Beugungsordnungskomponenten basieren.
In einer offenbarten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Mittel zum aktiven Steuern der Phasen eine Mehrzahl an Phasenmodulatoren, die an die Eingangsstrahlen gekoppelt sind, Mittel zum Messen der Phasen der einzelnen Eingangsstrahlen bezüglich einer Phasenreferenz, bevor die Eingangsstrahlen auf das optische Beugungselement fallen und Mittel, um den Phasenmodulatoren Phasenkorrektursignal rückzukoppeln, um die Phasen der Eingangsstrahlen bei gewünschten relativen Werten zu halten, die minimale Beugungsordnungsausgaben bei Ordnungen außer der Nten Ordnung ergeben. Die Mittel zum aktiven Steuern der Phasen können ferner Mittel zum Abtasten des einzelnen Ausgangsstrahles, Mittel zum Detektieren unerwünschter Beugungsordnungskomponenten in dem Ausgangsstrahl und Mittel zum Rückkoppeln zusätzlicher Phasenkorrektursignale auf der Basis einer Detektion beliebiger unerwünschter Beugungsordnungskomponenten in dem Ausgangsstrahl umfassen.
In einer weiteren offenbarten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Mittel zum aktiven Steuern der Phasen Mittel zum Abtasten des einzelnen Ausgangssignals, Mittel, um auf eindeutige Weise Identifizieren von Eingangsstrahlbestandteilen in der Abtastung des einzigen Ausgangsstrahls, Mittel zum Erzeugen separater Phasenmessungen für jeden der Eingangsstrahlen auf der Basis identifizierter Bestandteilkomponenten in der Abtastung des Ausgangsstrahls und Mittel zum Einstellen der Phasen der einzelnen Eingangsstrahlen auf der Basis der erzeugten Phasenmessungen. In dieser Ausführungsform wird jeder Eingangsstrahl separat auf seiner gewünschten Phaseneinstellung gehalten, auf der Basis von Messungen, die in der Abtastung des einzigen Ausgangsstrahls durchgeführt wurden anstatt in den separaten Strahlen vor deren Vereinigung.
Das optische Beugungselement kann ein transmissives Beugungsgitter oder ein reflektives Beugungsgitter sein. Für Hochleistungsanwendungen wird die reflektive Form bevorzugt, da ein Zugang zu dessen Rückfläche eine Wärmeabführung erleichtert.
Die Erfindung kann auch als ein Verfahren zum Vereinigen einer Mehrzahl an Strahlen aus einer Mehrzahl an Faseremittern definiert werden. Kurz gesagt umfasst das Verfahren die Schritte des Erzeugens eines optischen Hauptoszillatorsignals, das Koppeln des Hauptoszillatorsignals an eine Mehrzahl optischer Verstärker und lichtemittierender Fasern, das Ausrichten von Lichtstrahlen, die durch die Fasern emittiert worden sind und das Neuausrichten dieser Lichtstrahlen als Eingangsstrahlen auf ein optisches Beugungselement in Richtungen, die einer Mehrzahl an Beugungsordnungen entsprechen, die zu dem optischen Beugungselement gehören, das Vereinigen der Eingangsstrahlen in dem optischen Beugungselement, das Ausgeben eines einzelnen Ausgangsstrahls von dem optischen Beugungselement, der aus der Vereinigung der Eingangsstrahlen abgeleitet ist, das Abtasten des einzelnen Ausgangsstrahls, das Detektieren unerwünschter Beugungsordnungskomponenten in dem abgetasteten Ausgangsstrahl, und das aktive Steuern der Phasen der Eingangsstrahlen, um den einzelnen Ausgangsstrahl als eine Ausgabe mit Nter Beugungsordnung zu halten und um die Ausgaben anderer Beugungsordnungen zu minimieren. Das aktive Steuern der Phasen der Eingangsstrahlen umfasst ferner das Phasenmodulieren der Eingangsstrahlen in einer Mehrzahl an Phasenmodulatoren und das Auswählen und Umschalten zwischen einer oder mehreren gewünschten Beugungsordnungsausgaben durch das Rückkoppeln zusätzlicher Phasenkorrektursignale auf der Basis einer Detektion unerwünschter Beugungsordnungskomponenten im abgetasteten Ausgangsstrahl.
Es sollte aus diesem kurzen Abriss klar sein, dass die vorliegende Erfindung einen signifikanten Vorteil auf dem Gebiet der Hochenergielaser darstellt. Insbesondere bietet die Erfindung eine geeignete Alternative zu zweidimensionalen Anordnungen von Faseremittern und Linsen. Stattdessen werden bei einer eindimensionalen Anordnung oder einer zweidimensionalen Anordnung von Faseremittern die emittierten Strahlen durch eine einzige Optik auf ein optisches Beugungselement neu ausgerichtet, was, wenn die Phasen der Strahlen aktiv gesteuert werden, eine Erzeugung eines einzigen Ausgangsstrahls ergibt, der den Großteil der Energie der erzeugenden Eingangsstrahlen enthält. Man erkennt darüber hinaus, dass, obwohl die Verwendung eines einzelnen optischen Beugungselements sowohl zum Kollimieren als auch zum Vereinigen der Strahlen von den verschiedenen Fasern oder Verstärkern klar vorteilhaft ist, zwei Optiken verwendet werden könnten, bei denen eine eine Beugungsoptik ist. Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren Beschreibung ersichtlich, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zu sehen ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A–1D sind Diagramme, die verschiedene Eingangs- und Ausgangsstrahlkonfigurationen für ein optisches Beugungselement (DOE) zeigen.
2 ist ein Blockdiagramm einer kohärenten Strahlvereinigerarchitektur unter Verwendung eines DOEs gemäß der Erfindung.
3 ist ein alternatives Blockdiagramm einer kohärenten Strahlvereinigerarchitektur unter Verwendung eines DOEs gemäß der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Wie in den Zeichnungen zu Veranschaulichungszwecken gezeigt, betrifft die vorliegende Erfindung Hochleistungslasersysteme, bei denen Strahlen aus mehreren Faserverstärkern mittels eines optischen Beugungselements (DOE) vereinigt werden. Da die Verwendung eines DOEs im Mittelpunkt der Erfindung steht, ist ein kurzer Abriss der Beugungsgitterprinzipien an dieser Stelle nützlich.
Es ist bekannt, dass auf einer Platte mit mehreren parallelen Schlitzen auftreffendes Licht derart gebeugt wird, dass das aus den mehreren Schlitzen hervorgehende Licht ein charakteristisches Interferenzmuster mit einem zentralen hellen Bereich und mehreren gleich beabstandeten hellen Bereichen auf jeder Seite des zentralen hellen Bereichs bildet. Der zentrale Bereich wird als Ausgabe nullter Beugungsordnung bezeichnet, die nächsten benachbarten Bereiche werden als solche mit den Beugungsordnungen +1 und –1 bezeichnet, die nächsten Bereiche sind von den Beugungsordnungen +2 und –2, usw. Ein transmissives Beugungsgitter ist grundsätzlich eine undurchsichtige Scheibe mit einer großen Anzahl paralleler Schlitze, durch die Licht transmittiert und gebeugt wird. Die Anzahl an Schlitzen in dem Gitter beeinflusst nicht die Beugungswinkel der verschiedenen Moden, aber eine große Anzahl an Schlitzen ergibt schärfer definierte helle Bereiche in dem sich ergebenden Interferenzmuster. Diese Erläuterung bezieht sich auf einen regelmäßigen Abstand der Transmissionsschlitze in einer undurchsichtigen Platte, das Prinzip lässt sich in gleicher Weise auf eine regelmäßige Beabstandung von Phasenstufen oder Differenzen in der optischen Weglänge („OPDs = Optical Paths Differences”) in einer transmissiven Scheibe oder einer reflektiven Oberfläche anwenden. Bei monochromatischem Licht entsprechen die hellen Interferenzbereiche exakt hinsichtlich des Winkels beabstandeter Beugungsordnungen. Die Beabstandung der Beugungsordnungen hinsichtlich des Winkels hängt sowohl von der Wellenlänge des Lichts als auch von der Beabstandung der Schlitze ab. Wenn das auftreffende Licht mehrere Wellenlängen enthält, wird jede Ausgangsordnung bzw. -mode bezüglich des Winkels gemäß der unterschiedlichen Wellenlängen gespreizt, und die hellen Bereiche können sich überlappen. Eine Anwendung für Beugungsgitter besteht in einem spektralen Separieren eines Lichtstrahls in seine Wellenlängenbestandteile. Ein Beugungsgitter kann auch umgekehrt dazu verwendet werden, mehrere Wellenlängen zu einem einzelnen Strahl zu vereinen, was als spektrale Strahlvereinigung bezeichnet wird. Ein Beugungsgitter kann reflektiv anstatt transmissiv sein. Anstatt der Schlitze besitzt das reflektive Gitter eine große Anzahl paralleler gleichmäßig beabstandeter reflektiver Oberflächen, die analog zu den Schlitzen in einem transmissiven Gitter sind.
In dem Kontext der vorliegenden Erfindung kann ein Beugungsgitter auch dazu verwendet werden, mehrere Strahlen mit im Wesentlichen der gleichen Wellenlänge zu einem einzigen zusammengesetzten Strahl zu vereinigen. In diesem Fall müssen mehrere Eingangsstrahlen exakt auf die Winkelwege ausgerichtet werden, die den verschiedenen Beugungsordnungen entsprechen. Wenn die Phasen dieser Eingangsstrahlen auf geeignete Weise ausgewählt und gesteuert werden, erzeugt das Beugungsgitter einen Ausgangsstrahl, der praktisch die gesamte Leistung der Eingangsstrahlen vereint. Der Anteil der gesamten Eingangsleistung, der in dem Ausgangsstrahl aufscheint, ist ein Maß für die Effizienz des Gitters. Ein weiterer Leistungsverlust ist mit parasitären Strahlen ungewünschter Ordnung verbunden. Energie, die nicht in dem Ausgangsstrahl aufscheint, muss auf geeignete Weise als Wärme abgeführt werden. Demzufolge kann ein reflektives Gitter bei Hochleistungsanwendungen eingesetzt werden, da es leichter ist, mit diesem einen thermischen Pfad zur Wärmeabfuhr zu koppeln, um Wärme ohne ein Erzeugen transversaler Temperaturgradienten zu entfernen.
1A ist ein Diagramm, das eine herkömmliche Verwendung eines DOEs zum Aufteilen eines einzelnen Eingangsstrahls in fünf Ausgangsstrahlen zeigt, mit beispielsweise den Beugungsordnungen +2, +1, 0, –1 und –2. 1B zeigt das gleiche DOE, wobei der einzelne Eingangsstrahl auf die Position der –1-Ordnung verschoben ist. Das Ergebnis sind immer noch fünf Ausgangsstrahlen, wobei jeder um eine Ordnung auf die Ordnungen +3, +2, +1, 0 und –1 verschoben ist.
1C zeigt das gleiche DOE, allerdings mit fünf inkohärenten Eingangsstrahlen, die auf die Ordnungspositionen +2, +1, 0, –1 und –2 ausgerichtet sind. Dies ergibt im Ganzen neun Ausgangsstrahlen. Jeder der Eingangsstrahlen erzeugt fünf Ausgangsstrahlen, aber die Sätze der fünf Ausgangsstrahlen überlappen sich und ergeben neun Ausgangsstrahlen an Positionen, die den Ordnungen +4 bis –4 entsprechen.
Schließlich zeigt 1D die Konfiguration, in der das DOE in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei fünf Eingangsstrahlen an Positionen ausgerichtet sind, die den Ordnungen +2 bis –2 entsprechen und eine einzelne Ausgabe, die an der Position der nullten Ordnung ausgerichtet ist.
2 bildet in Form eines Diagramms die DOE-Strahlvereinigerarchitektur der vorliegenden Erfindung ab. Die Konfiguration beinhaltet einen Hauptoszillator 20, einen optischen Isolator 22, um den Hauptisolator zu schützen, ein Vor-Teilung-Verstärker 24 und einen bei 26 in Form eines Diagramms gezeigten optischen Teiler. Optische Signale mit der Hauptoszillatorfrequenz werden mehreren Phasenmodulatoren 28 zur Verfügung gestellt und danach mehreren Verstärkern 30, die vorzugsweise polarisationserhaltende („PM = Polarisation-Maintaining”) Verstärker sind. Die Verstärker 30 sind an die jeweiligen Faseremitter 32 gekoppelt. Die Faseremitter 32 können physikalisch mit jeder geeigneten Technik ausgerichtet sein, wie etwa durch das Positionieren der Faserenden in V-Nuten in einem Siliziumblock (nicht gezeigt). Die zugehörigen Faseremitter 32 können in einer eindimensionalen Anordnung oder in einer zweidimensionalen Anordnung je nach der gewünschten Implementation konfiguriert sein. Eine zweidimensionale Anordnung kann als eine Mehrzahl eindimensionaler Anordnungen konfiguriert sein, die durch thermische Leiter dazwischen getrennt sind, um die durch die zugehörigen Faseremitter 32 erzeugte Wärme zu transportieren. Die thermischen Leiter können beispielsweise eine Silizium- oder Kupferscheibe sein, in der sich die Faseremitter 32 befinden. Licht von den Faseremittern 32 durchläuft einen strahlteilenden Spiegel 34 und danach eine Optik 36, wie etwa eine konvexe Linse. Die Optik 36 richtet die Strahlen von den Faseremittern 32 neu auf einen DOE-Vereiniger 40 aus, so dass jeder Strahl entlang einer geeigneten Beugungsordnungsrichtung für den DOE-Vereiniger ausgerichtet ist. Mit einer geeigneten Phaseneinstellung der Eingangsstrahlen, wie unten stehend diskutiert, erzeugt der DOE-Vereiniger 40 einen einzelnen Ausgangsstrahl 42 entlang der Richtung der nullten Ordnung des DOE.
Die Phasendetektion der Eingangsstrahlen wird in Komponenten bewirkt, die innerhalb des Feldes 44 der 2 enthalten sind. Diese Komponenten beinhalten eine Kollimationslinse 46, die einen Referenzstrahl 48 mit breitem Querschnitt aus einem Eingangsstrahl 50 erzeugt, der von dem Hauptoszillator 20 durch den Teiler 26 abgeleitet ist. Der Eingangsstrahl 50 wird durch den Frequenzschieber 52 in der Frequenz verschoben. Dieser kollimierte Referenzstrahl 48 durchläuft den strahlteilenden Spiegel 34 und die Bildumsetzungslinsen 54 und 56, um auf einer Mehrzahl an Heterodyndetektoren 58 aufzutreffen. Ebenfalls auf den Detektoren 58 treffen die jeweiligen Strahlabtastungen von den Eingangsstrahlen auf, die von den Faseremittern 32 emittiert wurden und durch den Spiegel 34 abgetastet wurden. Die Detektoren 58 erzeugen Phasendifferenzsignale auf den Leitungen 60, die an einen Phasencontroller 62 gekoppelt sind. Der Letztere erzeugt Phasensteuersignale auf den Leitungen 64 zu den Phasenmodulatoren 28. Die spezifische Weise, auf die diese Anordnung die Phasenanpassungen an den Eingangssignalen vornimmt, ist in dem US-Patent Nr. 6,366,356 mit dem Titel ”High Average Power Fiber Laser System with High-Speed, Parallel Wavefront Sensor” und dem gleichen Rechtsnachfolger wie bei der vorliegenden Erfindung übertragen beschrieben. Der gesamte Inhalt des US-Patents Nr. 6,366,356 ist durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen.
Die geeigneten Phaseneinstellungen für die durch die Fasern 32 emittierten Eingangsstrahlen sind theoretisch aus der Geometrie des Systems einschließlich der Weglängen für jeden der Eingangsstrahlen bekannt. Wenn die Eingangsstrahlen einmal eingestellt sind und bei den relativen Phasen gehalten werden, die notwendig sind, um einen einzelnen Ausgangsstrahl entlang der Richtung der nullten Ordnung des DOE-Vereinigers 40 vorzusehen, sollte das System fortfahren, richtig zu arbeiten. Eine zusätzliche Rückkopplungssteuerschleife, die in dem nächsten Absatz erläutert wird, kann dazu verwendet werden, um zusätzliche Phasenkorrekturen auf der Basis der Messungen durchzuführen, die an dem Ausgang des DOE-Vereinigers 40 durchgeführt werden.
Die Architektur der 2 beinhaltet ferner ein Fernfelddiagnosesubsystem, das einen Strahlabtaster 70 zum Abtasten des Ausgangsstrahls 42, eine Kameralinse 72 zum Abbilden der Ausgangsstrahlabtastung und ein Diagnosemodul 74 beinhaltet, das die Eigenschaften des Ausgangsstrahls untersucht. In einer Ausführungsform der Erfindung detektiert das Diagnosemodul 74 jede Leistung in unerwünschten Beugungsordnungsrichtungen und führt in Abhängigkeit davon, ob eine derartige Leistung detektiert wird, periodische Anpassungen an den Eingangssignalphasen durch, indem Steuersignale über die Leitung 76 zu dem Phasencontroller 62 rückgekoppelt werden. Die Rückkopplungsleitung 76 kann auch dazu eingesetzt werden, die Auswahl der Eingangsstrahlphasen in einen anderen Satz an Phasen zu verändern, was dazu führt, dass der Ausgangsstrahl 42 entlang einer anderen (nicht der nullten) Beugungsordnungsrichtung gerichtet wird.
Man erkennt, dass der Phasencontroller 62 so konfiguriert werden kann, dass er spezifische Phasen der Eingangsstrahlen verändert, um die Ausgangsstrahlen auf eine unterschiedliche Beugungsordnung verschieden von der nullten Beugungsordnungsrichtung auszurichten und zu steuern, wie etwa einer der Beugungsordnungen +2, +1, –1, –2. Auf diese Weise kann die Optik 36 die Strahlen von den Faseremittern 32 auf den DOE-Vereiniger 40 neu ausrichten, so dass jeder Strahl entlang einer ausgewählten Beugungsordnungsrichtung für den DOE-Vereiniger ausgerichtet ist, die sich von der nullten Beugungsordnungsrichtung des DOEs unterscheidet. Werden die Eingangsstrahlen geeignet bezüglich ihrer Phase eingestellt, wie oben erläutert, kann der DOE-Vereiniger 40 einen einzelnen Ausgangsstrahl 42 entlang einer Nten-Ordnungsrichtung des DOE-Vereinigers erzeugen, wobei N eine ganze Zahl ist. Dies ermöglicht es, dass der einzelne Ausgangsstrahl schnell entlang zweier Dimensionen gesteuert werden kann, ohne dass die kohärente Strahlvereinigungsarchitektur bewegt werden müsste.
Obwohl 2 im Hinblick auf lichtemittierende Medien in Form lichtemittierender Fasern veranschaulicht ist, kann die vorliegende Erfindung andere lichtemittierende Medien, wie etwa Einzelmodenverstärker, Platten, Stäbe und Wellenleiter einsetzen, um einige wenige zu nennen.
3 zeigt eine etwas andere Architektur für ein DOE-Strahlvereinigungssystem der Erfindung, bei dem eine Phasensteuerung der Eingangsstrahlen durch ein Detektieren der individuellen Phasen der Bestandteilekomponenten des Ausgangsstrahls bewirkt wird. Das System beinhaltet einen Hauptoszillator 80, der eine Mehrzahl an Phasenmodulatoren 82 speist, eine Mehrzahl an Verstärkern 84 und eine gleiche Anzahl an Faseremittern 86, die in einer eindimensionalen Anordnung gebildet sind. Man wird erkennen, dass eine zweidimensionale Anordnung mit geeigneten thermischen Leitern eingesetzt werden kann. Eine Optik 88 richtet Licht, das von den Fasern 86 emittiert wird, neu auf einen DOE-Vereiniger 90 aus, der hier als transmissives Element gezeigt ist. Der DOE-Vereiniger 90 erzeugt einen einzelnen Ausgangsstrahl 92 in der Richtung der nullten Ordnung und unterdrückt andere Ordnungen, angezeigt bei 92'. Der Ausgangsstrahl 92 wird durch einen Strahlteiler 94 abgetastet. Die Ausgangssignalabtastung wird in einem Signaldetektor 96 detektiert und ein entsprechendes elektrisches Signal wird an einen synchronen Phasenprozessor 98 gekoppelt. Der Letztere erzeugt Phasensteuersignale, um die Phasenmodulatoren 82 zu steuern. Der DOE-Vereiniger 90 stellt Strahlen zur Verfügung, die sich überlappen. Zusätzlich werden die Wellenfronten von jedem der Strahlen parallel zu dem DOE-Vereiniger 90 gebracht und bieten demnach ein gutes, starkes Heterodynsignal.
Die Phasensteuerung in der Ausführungsform der 3 basiert auf der Technik, die in dem US-Patent Nr. 6,708,003 mit dem Titel ”Optical Energy Transmission System Utilizing Precise Phase and Amplitude Control” offenbart ist, das dem gleichen Rechtsnachfolger wie die vorliegende Erfindung übertragen ist. Der gesamte Inhalt des US-Patents Nr. 6,708,003 wird durch Bezugnahme in diese Beschreibung eingefügt. Im Wesentlichen hält diese Technik der Phasensteuerung die Phasensteuerung jedes der Eingangsstrahlen einzeln aufrecht. Jeder Eingangsstrahl wird auf eindeutige Weise identifiziert oder „markiert”, entweder durch Hinzufügen einer eindeutigen Frequenzkomponente oder, wie in der bezuggenommenen Patentoffenbarung, durch eindeutiges Codieren jedes Eingangsstrahls unter Verwendung einer CDMA-Technologie (”CDMA = Code Division Multiple Access”/Codeteilungs-Vielfachzugriff), die in der drahtlosen Telefonie gut bekannt ist. Da jeder Eingangsstrahlbestandteil auf eindeutige Weise markiert ist, ist er auch auf eindeutige Weise in der zusammengesetzten Ausgangsstrahlabtastung identifizierbar. Somit beinhaltet der synchrone Phasenprozessor 98 Mittel zum Decodieren und Identifizieren der Bestandteilekomponenten des Ausgangsstrahls 92 und zum Erzeugen geeigneter Steuersignale für die einzelnen Phasenmodulatoren 82. Im Ergebnis werden die Phasen der Eingangsstrahlen gesteuert, um alle unerwünschten Beugungsordnungen 92' zu unterdrücken und nur den Ausgangsstrahl 92 mit der nullten Ordnung zu belassen. Man erkennt, dass der synchrone Phasenprozessor 98 konfiguriert sein kann, um die spezifischen Phasen der Eingangsstrahlen zu verändern, um die Ausgangsstrahlen auf eine andere Beugungsordnung als der nullten Beugungsordnungsrichtung neu auszurichten und zu steuern, wie etwa eine der Beugungsordnungen +2, +1, –1, –2.
Man erkennt aus dem Vorausgehenden, dass die vorliegende Erfindung ein kohärentes Vereinigen von Eingangsstrahlen von einer Faserverstärkeranordnung in einem einzelnen DOE-Strahlvereiniger ermöglicht und dadurch eine Skalierbarkeit für Schwerindustrie- und Hochenergielasersystemanwendungen zur Verfügung stellt. In den offenbarten Ausführungsformen der Erfindung werden die Fasern in einer eindimensionalen Anordnung oder einer zweidimensionalen Anordnung mit geeigneten thermischen Leitern aktiv phasengesteuert und das DOE wird dazu verwendet, die einzelnen Strahlen unter Verwendung lediglich einer einzelnen Kollimationslinse auf eine solche Weise zu vereinigen, dass der vereinigte Strahl ein Strehl-Verhältnis (SR) aufweist, das im Wesentlichen das gleiche wie das eines einzelnen Verstärkers ist. Darüber hinaus sind thermische Effekte in der Faseranordnung und in nachfolgenden Optiken in dem Strahlengang signifikant leichter zu handhaben als in herkömmlichen zweidimensionalen Anordnungen für Fasern und kleinen Linsen. Die offenbarte Faser-Strahlvereinigerherangehensweise bietet verschiedene neuartige Merkmale, die wichtige Vorteile bieten, einschließlich, aber ohne Beschränkung, der folgenden:

a) Der Faser-DOE-Strahlvereiniger erzielt einen einzelnen vereinigten Strahl mit hoher Effizienz und einem Strehl-Verhältnis im Wesentlichen gleich dem eines einzelnen Faserverstärkerstrahls.
b) Das System arbeitet bei einer einzelnen optischen Frequenz, um atmosphärische Absorptionseffekte zu mildern, die sich einstellen, wenn eine spektral vereinigte Strahlquelle mit hoher Bandbreite verwendet wird.
c) Die Erfindung ersetzt die herkömmliche zweidimensionale Linsenanordnung mit einer großen reflektiven Optik, die eine hohe Leistung tolerieren kann, was die Ausrichtungsempfindlichkeit reduziert und Verluste aufgrund einer zu geringen Füllung im Zusammenhang mit zweidimensionalen Faseranordnungen beseitigt.
d) Die Erfindung verwendet eine eindimensionale Faseranordnung oder eine zweidimensionale Anordnung mit geeigneten thermischen Leitern, um eine verbesserte thermische Faserhandhabung zu ermöglichen, und ermöglicht ein einfaches eindimensionales Design für das DOE.
e) Die Erfindung verwendet eine Strahlphaseneinstellungstechnologie, die variiert werden kann, um einen Ausgangsstrahl zur Verfügung zu stellen, der entlang einer spezifischen Ordnung ausgerichtet und gesteuert werden kann.

Man erkennt, dass, während die Beschreibung der offenbarten Erfindung auf eine Implementierung fokussiert ist, bei der die lichtemittierenden Fasern physisch als eine eindimensionale, voneinander beabstandete Anordnung mit thermischem Vorteil angeordnet ist, ist die Möglichkeit eines DOE zum Vereinigen kohärenter Strahlen nicht derartig beschränkt; stattdessen kann eine zweidimensionale Anordnung von Faseremittern (mit geeigneten thermischen Leitern) auf gleiche Weise zu einem einzelnen Ausgangsstrahl vereinigt werden, um eine weitere Leistungsskalierung durch eine direkte Ausdehnung der Konzepte und Verfahren, die in dieser Lehre beschrieben sind, erreicht werden.
Dementsprechend erkennt man, dass die vorliegende Erfindung einen signifikanten Vorteil auf dem Gebiet der Hochenergielaser für industrielle oder militärische Zwecke bietet. Insbesondere bietet die Erfindung eine kompakte und robuste Technik zum effizienten Vereinigen einer hohen Anzahl an Strahlen aus Faseremittern in einen einzelnen kohärenten Strahl hoher Leistung. Man erkennt auch, dass, obwohl spezifische Ausführungsformen der Erfindung im Detail für Veranschaulichungszwecke beschrieben worden sind, verschiedene Modifikationen durchgeführt werden können, ohne von dem Geist und dem Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen. Demnach sollte die Erfindung nicht beschränkt werden, mit Ausnahme der beigefügten Ansprüche.

Claims

Kohärenter Faser-Strahlvereiniger, der eine Mehrzahl optischer Verstärker und lichtemittierender Fasern, einen Hauptoszillator zum Erzeugen eines kohärenten Eingangssignals zur Verwendung in allen lichtemittierenden Fasern, die zusammen eine Mehrzahl an Vereinigerlichtstrahlen emittieren, ein optisches Beugungselement, das als ein Strahlvereiniger fungiert, eine Kollimationsoptik zum neuen Ausrichten der Ausgabe von den lichtemittierenden Fasern auf das optische Beugungselement in Richtungen, die einer Mehrzahl an Beugungsordnungen entsprechen, die zu dem optischen Beugungselement gehören, wobei das optische Beugungselement einen einzelnen Ausgangsstrahl erzeugt, der aus der Vereinigung von Eingangsstrahlen abgeleitet ist und Mittel zum aktiven Steuern der Phasen der Eingangsstrahlen umfasst, um den einzelnen Ausgangsstrahl als Nte Beugungsordnungsausgabe zu halten und Ausgaben bei anderen Beugungsordnungen zu minimieren, wobei N eine ganze Zahl ist, und wobei die Mittel zum aktiven Steuern der Phasen so konfiguriert sind, dass sie anhand von rückgekoppelten Korrektursignalen zwischen einer oder mehreren gewünschten Beugungsordnungsausgaben auswählen und umschalten, wobei die Korrektursignale auf im Ausgangsstrahl detektierten unerwünschten Beugungsordnungskomponenten basieren.
Kohärenter Faser-Strahlvereiniger nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum aktiven Steuern der Phasen eine Mehrzahl an Phasenmodulatoren, die an die Eingangsstrahlen gekoppelt sind, Mittel zum Messen von Phasen der einzelnen Eingangsstrahlen im Hinblick auf eine Phasenreferenz vor dem Auftreffen der Eingangsstrahlen auf dem optischen Beugungselement und Mittel zum Rückkoppeln von Phasenkorrektursignalen zu den Phasenmodulatoren umfassen, um die Phasen der Eingangsstrahlen bei gewünschten Relativwerten zu halten, was zu einem Minimieren von Beugungsordnungsausgaben außer der gewünschten Ausgabe bei der Nten Beugungsordnung führt.
Kohärenter Faser-Strahlvereiniger nach Anspruch 2, wobei die Mittel zum aktiven Steuern der Phasen ferner umfassen: Mittel zum Abtasten des einzelnen Ausgangsstrahls, Mittel zum Detektieren unerwünschter Beugungsordnungskomponenten in dem Ausgangsstrahl und Mittel zum Rückkoppeln zusätzlicher Phasenkorrektursignale auf der Basis der Detektion jeglicher unerwünschter Beugungsordnungskomponenten in dem Ausgangsstrahl.
Kohärenter Faser-Strahlvereiniger nach Anspruch 3, wobei die Mittel zum Abtasten des einzelnen Ausgangsstrahls, die Mittel zum Detektieren unerwünschter Beugungsordnungskomponenten und die Mittel zum Rückkoppeln zusätzlicher Phasenkorrektursignale periodisch arbeiten, um periodische Anpassungen an den Phasen der Eingangsstrahlen vorzunehmen.
Kohärenter Faser-Strahlvereiniger nach Anspruch 2, wobei die Mittel zum aktiven Steuern der Phasen Mittel zum Abtasten des einzelnen Ausgangsstrahls, Mittel zum eindeutigen Identifizieren von Eingangsstrahlbestandteilen in der Abtastung des einzelnen Ausgangsstrahls, Mittel zum Erzeugen separater Phasenanpassungen für jeden der Eingangsstrahlen auf der Basis identifizierter Bestandteilskomponenten in der Abtastung des Ausgangsstrahls und Mittel zum Anpassen der Phasen der einzelnen Eingangsstrahlen auf der Basis der erzeugten Phasenanpassungen umfassen, wobei jeder Eingangsstrahl separat bei seiner gewünschter Phaseneinstellung auf der Basis der Messungen gehalten wird, die bei der Abtastung des einzelnen Ausgangsstrahls durchgeführt wurden.
Kohärenter Faser-Strahlvereiniger nach Anspruch 1, wobei die Ausgabe mit der Nten Beugungsordnung ein Ausgabe mit der nullten Beugungsordnung ist.
Kohärenter Faser-Strahlvereiniger nach Anspruch 1, wobei das optische Beugungselement ein transmissives Beugungsgitter ist.
Kohärenter Faser-Strahlvereiniger nach Anspruch 1, wobei das optische Beugungselement ein reflektives Beugungsgitter ist.
Verfahren zum Vereinigen einer Mehrzahl an Strahlen von einer Mehrzahl an Faseremittern, wobei das Verfahren ein Erzeugen eines Hauptoszillatorlichtsignals, ein Koppeln des Hauptoszillatorsignals mit einer Mehrzahl optischer Verstärker und lichtemittierender Fasern, ein Ausrichten von Lichtstrahlen, die von den Fasern emittiert werden und ein Neuausrichten dieser Lichtstrahlen als Eingangsstrahlen für ein optisches Beugungselement in Richtungen, die einer Mehrzahl an Beugungsordnungen entsprechen, die zu dem optischen Beugungselement gehören, ein Vereinigen der Eingangsstrahlen in dem optischen Beugungselement, ein Ausgeben, von dem optischen Beugungselement, eines einzelnen Ausgangsstrahls, der aus der Vereinigung von Eingangsstrahlen abgeleitet ist, ein Abtasten des einzelnen Ausgangsstrahls, ein Detektieren unerwünschter Beugungsordnungskomponenten in dem abgetasteten Ausgangsstrahl, und ein aktives Steuern der Phasen der Eingangsstrahlen umfasst, um den einzelnen Ausgangsstrahl als Ausgabe in einer Nten Beugungsordnung zu halten, wobei N eine ganze Zahl ist und um die Ausgaben bei anderen Beugungsordnungen zu minimieren; und wobei der Schritt des aktiven Steuerns der Phasen der Eingangsstrahlen Phasenmodulieren der Eingangsstrahlen in einer Mehrzahl an Phasenmodulatoren umfasst und das Phasenmodulieren ferner das Auswählen und Umschalten zwischen einer oder mehreren gewünschten Beugungsordnungsausgaben durch das Rückkoppeln zusätzlicher Phasenkorrektursignale auf der Basis einer Detektion unerwünschter Beugungsordnungskomponenten im abgetasteten Ausgangsstrahl umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des aktiven Steuerns der Phasen ein Modulieren der Phasen der Eingangsstrahlen in einer Mehrzahl an Phasenmodulatoren, ein Messen der Phasen der einzelnen Eingangsstrahlen im Hinblick auf eine Phasenreferenz vor dem Auftreffen der Eingangsstrahlen auf dem optischen Beugungselement und ein Rückkoppeln von Phasenkorrektursignalen zu den Phasenmodulatoren umfasst, um die Phasen der Eingangsstrahlen bei gewünschten relativen Werten zu halten, was ein Minimieren der Beugungsordnungsausgaben außer der Ausgabe bei der Nten Ordnung ergibt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des aktiven Steuerns der Phasen ferner ein Abtasten des einzelnen Ausgangsstrahls, ein Detektieren unerwünschter Beugungsordnungskomponenten in dem abgetasteten Ausgangsstrahl und ein Rückkoppeln zusätzlicher Phasenkorrektursignale auf der Basis einer Detektion jeglicher unerwünschter Beugungsordnungskomponenten in dem abgetasteten Ausgangsstrahl umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Schritte des Abtastens des einzelnen Ausgangsstrahls, das Detektieren unerwünschter Beugungsordnungskomponenten und das Rückkoppeln zusätzlicher Phasenkorrektursignale periodisch durchgeführt werden, um periodische Anpassungen an den Phasen der Eingangsstrahlen durchzuführen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des aktiven Steuerns der Phasen ein Abtasten des einzelnen Ausgangsstrahls, ein eindeutiges Identifizieren von Eingangsstrahlbestandteilen in der Abtastung des einzelnen Ausgangsstrahls, ein Erzeugen separater Phasenanpassungen für jeden der Eingangsstrahlen auf der Basis der identifizierten Bestandteilskomponenten in der Abtastung des Ausgangsstrahls und ein Anpassen der Phasen der einzelnen Eingangsstrahlen auf der Basis der erzeugten Phasenanpassungen umfasst, wobei jeder Eingangsstrahl separat bei seiner gewünschten Phaseneinstellung auf der Basis der Messungen gehalten wird, die bei der Abtastung des einzelnen Ausgangsstrahls durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das optische Beugungselement ein transmissives Beugungsgitter ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das optische Beugungselement ein reflektives Beugungsgitter ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Ausgabe mit der Nten Beugungsordnung eine Ausgabe mit der nullten Beugungsordnung ist.
Kohärenter Lichtstrahlvereiniger, der eine Mehrzahl optischer Verstärker und lichtemittierender Medien, wobei das lichtemittierende Medium lichtemittierende Fasern, Einzelmodenverstärker, Platten, Stäbe oder Wellenleiter umfasst, einen Hauptoszillator zum Erzeugen eines kohärenten Eingangssignals zur Verwendung in allen lichtemittierenden Medien, die zusammen eine Mehrzahl an Vereinigereingangsstrahlen emittieren, ein optisches Beugungselement, das als Strahlvereiniger fungiert, eine Kollimationsoptik zum neuen Ausrichten der Ausgabe von den lichtemittierenden Medien auf das optische Beugungselement in Richtungen, die einer Mehrzahl an Beugungsordnungen entsprechen, die zu dem Beugungselement gehören, wobei das optische Beugungselement einen einzelnen Ausgangsstrahl erzeugt, der von der Vereinigung der Eingangsstrahlen abgeleitet ist, und Mittel zum aktiven Steuern der Phasen der Eingangsstrahlen umfasst, um den einzelnen Ausgangsstrahl als eine Ausgabe mit Nter Beugungsordnung zu halten und um die Ausgaben bei anderen Beugungsordnungen zu minimieren, wobei N eine ganze Zahl ist, und wobei die Mittel zum aktiven Steuern der Phasen der Eingangsstrahlen so konfiguriert sind, dass sie anhand von rückgekoppelten Korrektursignalen zwischen einer oder mehreren gewünschten Beugungsordnungsausgaben auswählen und umschalten, wobei die Korrektursignale auf im Ausgangsstrahl detektierten unerwünschten Beugungsordnungskomponenten basieren.