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Diese Anmeldung ist artverwandt mit der U.S. Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 11/361,352, eingereicht am 24. Februar 2006; der U.S. Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 11/543,677, eingereicht am 5. Oktober 2006, mit dem Titel ”Method And System For Coherent Beam Combining Using An Integrated Diffractive Beam Combiner and Sampler”, welche gleichzeitig hiermit eingereicht wurde; der U.S. Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 11/543,596, welche am 5. Oktober 2006 eingereicht wurde mit dem Titel ”Method and System For Hybrid Coherent And Incoherent Diffractive Beam Combining”, welche gleichzeitig hiermit eingereicht wurde; und der U.S. Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 11/543,567, eingereicht am 5. Oktober 2006, mit dem Titel ”Multi-Stage Method and System For Coherent Diffractive Beam Combining”, welche gleichzeitig hiermit eingereicht wurde, wobei all diese Anmeldungen durch Bezugnahme in diese Offenbarung eingeschlossen werden.
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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Kombination von kohärenten Lichtstrahlen unter Verwendung von passiver Phasensteuerung. Im Einzelnen betrifft die Erfindung das Kombinieren von Hochleistungs-Laserstrahlen zu einem einzigen, kohärenten Lichtstrahl unter Verwendung eines diffraktiven optischen Elements welches einen Niederleistungs-Probe-Teilstrahl von dem kombinierten Strahl zur Verwendung von passiver Phasensteuerung durch Beugung abzweigt.
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2. Beschreibung des relevanten Standes der Technik
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Hochleistungs-Laser haben viele mögliche Anwendungen. Bei militärischer Anwendung kann ausreichend fokussierte Energie in einem Laserstrahl ein wirksames Mittel für eine Verteidigungsmaßnahme gegen ballistische Projektile sein. In der kommerziellen Anwendung können Hochleistungs-Laser zum Verschweißen von Metallteilen verwendet werden, welche zu dick sind, um durch konventionelle Verfahren verschweißt zu werden. Um die Wirksamkeit der Laser in jeder dieser Anwendungen zu verbessern, kann die von dem Strahl übertragene Leistung durch Fokussieren des Strahls bis auf die Fernfeld-Beugungsgrenze erhöht werden, d. h. auf eine so kleine Querschnittsfläche, wie kohärent theoretisch möglich ist. Ein Laserstrahl, welcher bis hin zu seiner theoretischen Grenze fokussiert wurde, wird als beugungsbegrenzt bezeichnet. Generell betrachtet ist die Leistungssteigerung von Hochleistungs-Lasern durch die physikalischen Grenzen beschränkt, wenn versucht wird, diese Grenze zu erreichen.
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Laser sind idealer Weise beugungsbegrenzt ausgelegt, so dass die kleinstmögliche Fokalfläche durch das Produkt aus Brennweite und Beugungs-Grenzwinkel beschränkt ist, was der Wellenlänge des Lichtes geteilt durch die Blendenweite entspricht. D. h., je größer die Blende, umso enger der Brennpunkt. Es gibt jedoch praktische Grenzwerte, was die Weite der Blende angeht, die für jeden optischen Apparat vorgesehen sein kann. Ungenauigkeiten in der Optik resultieren in einer Verschlechterung der Laserstrahl-Wellenfront, welche die Fokussierung beeinträchtigen, und in der Hochleistungsanwendung führen auch thermische Änderungen zu einer Verschlechterung. Das setzt dem Konstrukteur Grenzen in der Fokussierung des Lichtstrahls, was dazu führt, dass der Brennpunkt etwas größer als 1.0-mal der Beugungsgrenze ist (1.0 × DL). In der Praxis versucht der Konstrukteur das Ziel zu erreichen, einen fast an der Beugungsgrenze liegenden Laserstrahl zu erzielen (d. h. einen, welcher sich 1.0 × DL annähert) und so auf höchstmöglichem Energieniveau arbeitet.
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Derzeit können selbst die am weitesten entwickelten Laser, welche an der Beugungsgrenze liegende Laserstrahlen erzeugen, nicht genug Leistung per Einheitsfläche liefern, um wirksam für Hochleistungsanwendungen zu dienen. In einem Beispiel kann der optimierte Strahl einen 3 KW Strahl liefern, welcher an der Beugungsgrenze von fast 1.0 liegt. In einem anderen Fall kann der optimierte Strahl einen 10 bis 12 kW Strahl liefern, welcher etwa bei 1,5-mal der Beugungsgrenze liegt. Ein Ziel der weiteren Forschung auf diesem Gebiet ist es, einen Laser zu konstruieren, welcher 100 kW oder mehr mit einem fast beugungsbegrenzten Strahl liefern kann.
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Ein Verfahren zum Erhöhen der von einem Laser lieferbaren Leistung ist es, die Leistung von vielen kohärenten Strahlen mit gleicher Phase einer gleichen Wellenlänge durch Vorsehen einer Mehrzahl von optischen Faser-Emittern in einem zweidimensionalen Feld vorzusehen. Ein Strahlteiler kann am Ausgang des Feldes angeordnet sein, um ein Probestrahlnehmen von dem Komponenten-Strahl vorzunehmen. Jeder der Probestrahlen kann zu einem Phasensensor übertragen werden, und ein gemessenes Fehlersignal wird erzeugt und an einen Phasenmodulator für jeden Strahl übermittelt, um sicherzustellen, dass alle Strahlen die gleiche Phase haben. Jedoch auch in dem möglichst dicht gepackten Feld ist der „Füllfaktor” des zusammengesetzten Strahls (das Verhältnis der zusammengesetzten Strahlleistung zu dem Strahl, welcher gleichmäßig das gesamte Feld der Blende ausfüllt und eine gleichmäßige Maximal-Intensität hat) nur ungefähr 70% aufgrund von Lücken zwischen den Fasern und auch aufgrund der Gauß'schen Form jedes einzelnen Strahls. Das Resultat ist eine Verringerung in der Helligkeit um das „Füllfaktor”-Verhältnis. Der fokussierte zusammengesetzte Strahl weist eine mittige Maximal-Intensität auf, welche dem Füllfaktor-Verhältnis multipliziert mit der Maximal-Intensität entspricht, welche mit einem homogenen Strahl möglich ist, wobei sich die verbleibende Leistung in weit abseits liegenden Strahlengänge verteilt. In anderen Worten hat der zusammengesetzte Strahl eine von den Einzelstrahlen deutlich abweichende Form, womit der zusammengesetzte Strahl sich nicht so gut fokussieren lässt wie seine Einzelstrahlen.
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Ein weiteres bekanntes Verfahren zum Kombinieren von Laserstahlen ist die Spektral-Kombination, bei welcher viele inkohärente Strahlen, z. B. Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge, einander überlagert werden. Die Strahlen werden durch ein Prisma oder ein Gitter gesendet, welche die Strahlen entlang eines gemeinsamen Strahlengangs ausrichtet, wodurch im Ergebnis ein einzelner Strahl mit mehreren Farben gebildet wird. Dieser zusammengesetzte Strahl hat eine Form, welche im Wesentlichen identisch mit der Form der einzelnen Strahlen ist. Während diese Technik das Füllfaktor-Problem beseitigt, welches sich aus dem zweidimensionalen Feld ergibt, treten andere Probleme durch die Verwendung von mehreren Wellenlängen auf. Einerseits verkompliziert sich dadurch das System, weil jede der Wellenlängen einen anderen Oszillator erfordert. Darüber hinaus muss der Strahlwinkel für jede Wellenlänge genau justiert werden, so dass der Einfallswinkel auf das Gitter genau stimmt, weil anderenfalls die Strahlen nicht aufeinander ausgerichtet sind. Noch wichtiger verhält sich jede Wellenlänge unterschiedlich, wenn die Strahlen durch verschiedene Medien laufen. Absorption in der Atmosphäre ist eine Funktion der Wellenlänge, und deshalb ist der spektral kombinierte Strahl, welcher durch die Luft geschickt wird, anfälliger für einen Energieverlust, als ein aus nur einer Wellenlänge bestehender Strahl, welcher für einen optimalen Übertragungs-Wirkungsgrad gewählt wird. Spektral-Kombination wurde beispielsweise in dem
US. Patent Nr. 6,697,192 , dem
U.S. Patent 6,327,292 dem
U.S. Patent 6,208,679 und dem
U.S. Patent Nr. 6,192,062 vorgeschlagen.
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Gemäß einer weiteren vorgeschlagenen Technik zum Erhöhen der Leistung in einem Laserstrahl ist eine (kohärente) Kombination durch konstruktive Interferenz vorgeschlagen, wobei eine Mehrzahl von Strahlen in einen einzigen kohärenten Strahl kombiniert werden. Diese Technik, auch als kohärente diffraktive Strahlkombination bekannt, ist Gegenstand der gleichzeitig anhängigen U.S. Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 11/361,352 mit dem Anmeldetag 24. Februar 2006, welche in ihrem Offenbarungsgehalt hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen wird. Allgemein lehrt diese gleichzeitig anhängige Patentanmeldung die Erzeugung einer Mehrzahl von Eingangs-Strahlen, welche alle jeweils eine gemeinsame Wellenlänge haben, unter Verwendung eines Master-Oszillators. Jeder Strahl wird individuell verstärkt und durch einen Faser-Emitter übertragen, und der Emitter-Ausgang wird zu einem einzigen Ausgangs-Strahl unter Verwendung eines diffraktiven optischen Elements (DOE) kombiniert. Diese Technik weist Einrichtungen zum aktiven Steuern der Phase der Mehrzahl von Strahlen unter Verwendung einer Rückkopplung zum Optimieren der Wirksamkeit der Kombination der Strahlen auf. Das kann durch die Kopplung eines Phasenmodulators mit jedem der Eingangs-Strahlen erfolgen, und durch Kopplung eines Phasen-Detektors mit einem Teilstrahl des Ausgangsstrahls. Das Probestrahlnehmen durch die Platzierung eines vom Strahlengang durchdrungenen Strahlteilers in dem Ausgangs-Strahlengang erreicht, welcher einen Niederleistungs-Teil des Ausgangsstrahls zu dem Phasendetektor reflektiert. Durch Verwendung von Elektronik wird ein Korrektursignal, welches auf Phasenabweichungen basiert, welche am Ausgang ermittelt wurden, unter einer Rückkopplung zurück an den Modulator übertragen. Ein Beispiel zur Verwirklichung einer aktiven Phasen-Steuerung dieser Art ist in dem
U.S. Patent 6,708,003 offenbart, welches in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt eingeschlossen wird. Eine weitere aktive Phasen-Detektions- und Steuerungsmethode wurde von
T. M. Shay et al. Proceeding of the SPIE, Vol. 5550, Seiten 313–319 (2004) beschrieben, welche Druckschrift ebenfalls in ihrem Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme eingeschossen wird. Ein Vorteil dieser Lösung ist, dass ähnlich wie bei SBC der kombinierte Ausgangs-Strahl eine Form hat, welche im Wesentlichen identisch der Form der Teilstrahlen ist und deshalb die Füllfaktor-Verringerung in der Intensität des fokussierten, kohärenten Ausgangsstrahls vermieden wird. Jedoch treten Nachteile auf, wenn ein Probenehmen der Phase eines Hochleistungs-Kombinations-Ausgangsstrahls erfolgt. Ein durch einen Transmissions-Strahlteiler geschickter Hochleistungs-Strahl ruft eine thermische Verzerrung hervor, welche die Messung der Phase in Ihrer Genauigkeit beeinträchtigt, und die Fokussierbarkeit des Ausgangsstrahls beeinträchtigt. Auch bei dieser Methode wird ein einzelner Detektor verwendet, um die Phase von allen Komponenten-Strahlen zu messen. Für eine sehr große Anzahl von kombinierten Strahlen wird die Messung der Phase hinsichtlich der Genauigkeit mit nur einem einzigen Detektor zunehmend schwieriger.
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Die
US 6 697 192 B1 und die Druckschrift
IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, Vol. 11, No. 3, 2005, S. 567–577, offenbaren ein System zum Kombinieren einer Mehrzahl von Lichtstrahlen zu einem einzigen kohärenten Lichtstrahl, mit einer Mehrzahl von optischen Verstärkern, einem Feld von optischen Emittern, die jeweils mit einem der optischen Verstärker gekoppelt sind, und einem diffraktiven optischen Element, welches von den optischen Emittern übertragene Lichtstrahlen zu einem kohärenten Ausgangs-Lichtstrahl kombiniert.
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Überblick über die Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen im Kombinieren von kohärenten, gebeugten Strahlen. Gemäß einem System oder Verfahren gemäß der Erfindung werden eine Mehrzahl von passiv phasen-gesteuerten Lichtstrahlen geringer Leistung zu einem kohärenten Lichtstrahl hoher Leistung miteinander kombiniert, was mittels eines diffraktiven optischen Elements (DOE) geschieht. Ein eindimensionales oder zweidimensionales Feld von N optischen Verstärkern sendet eine Mehrzahl von Lichtstrahlen durch ein entsprechendes Feld von N optischen Faser-Emittern. Die Strahlen, welche den Ausgang des Emitter-Feldes bilden, werden mittels einer Kollimations-Optik miteinander kombiniert, um eine Serie von N kollimierten Lichtstrahlen zu bilden, welche die volle Blendenöffnung ausfüllen, wobei jeder Strahl einen leicht unterschiedlichen Strahlengang-Winkel aufweist, welcher durch die jeweilige Position der Fasern in dem Feld bestimmt wird. Die kollimierten Strahlen überlappen sich und werden auf das DOE geworfen, welches vorzugsweise eine reflektierende Optik ist. Das DOE ist so gestaltet, dass dieses als N:1 Strahl-Kombinierer arbeitet, so dass N Strahlen mit der geeigneten Phase und Positionierung von dem DOE mit einem hohen Wirkungsgrad zu einem einzigen, kohärenten Strahl der gewünschten Beugungsordnung kombiniert werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat der kohärente Ausgangs-Stahl eine maximale Intensität entlang der 0-ten Beugungsordnung und kombiniert die Komponenten-Strahlen mit einem optimalen Kombinier-Wirkungsgrad von größer als 90%. Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, im Hinblick auf die Kollimations-Optik, ist die DOE-Oberfläche mittels einer gekrümmten Form oder Kinoform-Form modifiziert, um die von dem Faser-Feld ausgehenden, divergierenden Lichtstrahlen zu kollimieren.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann von dem kohärenten Ausgangs-Strahl mittels eines Strahlteilers ein Probe-Teilstrahl abgezweigt werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das DOE multi-funktional ausgebildet sein und ein periodisches Probe-Probestrahlnehmer-Gitter zum Beugen eines Probe-Teil Strahls von geringer Leistung aufweisen. Eine passive Phasen-Steuerung kann durch Fokussieren des Probe-Teilstrahls in eine Single-Mode-Faser oder einen anderen Filter erreicht werden, welcher entsprechend dem Raum-Modus filtert, welcher einen optimalen Resonanz-Modus hindurch passieren lässt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das multi-funktionale DOE als ein periodisches Probestrahlnehmer-Gitter so modifiziert sein, dass der Probe-Teilstrahl in den Raumfilter fokussiert wird. Der resultierende Strahl wird in die N Verstärker rückgekoppelt, wobei eine Ringlaser-Konfiguration erzeugt wird, welche eine positive Rückkopplung liefert. In dieser Konfiguration, weil der Ringlaser die Verstärkung bei einem Umlauf maximiert, werden die relativen Phasen der N Strahlen synchronisiert. Infolge der maximierten Phasen-Synchronisation wird die Intensität des Ausgangs-Strahls durch konstruktive Interferenz der N Komponenten-Strahlen maximiert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Weitere Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann durch Studium der nachfolgenden Figuren der Zeichnung und der Figurenbeschreibung deutlich. Die Erfindung wird besser durch die Zuhilfenahme der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung deutlich, in welcher gleiche Teile durchgehend durch alle Figuren mit den gleichen Bezugszeichen definiert sein sollen, wobei in der Zeichnung:
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1 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems unter Anwendung eines DOE-Kombinierers mit passiver Phasensteuerung ist.
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2 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems unter Anwendung eines DOEs mit einem Probestrahlnehmer-Gitter in Verbindung mit einer passiven Phasensteuerung ist.
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3 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels des Systems ist, welches ein DOE verwendet, das ein Fokussier-Element aufweist, um einen Probe-Teilstrahl zu fokussieren, welcher für eine passive Phasensteuerung verwendet wird.
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4 ein Blockdiagramm eines weiteren Systems gemäß der Erfindung ist, welches eine passive Phasen-Steuerung und ein DOE verwendet, welches das Abspalten eines Probe-Teilstrahls, das Fokussieren und die Strahlkombination in einem Element vereinigt.
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5 ein Plotter-Diagramm eines Beispiels eines periodischen Phasen-Musters in einer fünf Strahlen miteinander kombinierenden DOE zum Spalten eines Einzelstahls in fünf Beugungsordnungen ist.
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6 ein Plotter-Diagramm ist, welches die normierten Intensitäten von fünf Beugungsordnungen zeigt, welche von dem DOE gemäß 5 erzeugt wurden, wenn dieses als Strahlteiler verwendet wird.
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7 ein logarithmisches Plotter-Diagramm der normierten Intensitäten über den Beugungsordnungen ist, welches daraus resultiert, dass das DOE gemäß 5 verwendet wird, um die fünf Strahlen mit idealer Phase miteinander zu kombinieren.
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8 ein weiteres Plotter-Diagramm eines Beispiels eines periodischen Phasen-Musters in einer fünf Strahlen miteinander kombinierenden DOE ist, welches zusätzlich ein sinusartiges Probestrahlnehmer-Gitter aufweist.
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9 ist ein logarithmisches Plotter-Diagramm der normierten Intensitäten über der Beugungsordnung ist, welche von dem DOE gemäß 8 resultiert, wenn dieses verwendet wird, um die fünf Strahlen mit idealer Phase miteinander zu kombinieren.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Passiv phasengesteuertes Strahlformen durch Strahlformen durch Beugungs-Kombination von kohärenten Strahlen
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Ein Verfahren zum Strahlformen durch Kombinieren von kohärenten, diffraktiven Strahlen ist in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 11/361,352 durch die gleichen Erfinder wie in der vorliegenden Anmeldung beschrieben. Allgemein verwendet das Verfahren zum Kombinieren von gebeugten Strahlen eine DOE zum Ermöglichen einer kohärenten Kombination eines Ausgangs einer Mehrzahl von Faser-Verstärkern, welche Laserstrahlen ausgeben, welche von einem gemeinsamen Oszillator stammen. Das Kombinations-Verfahren erfordert eine aktive Phasen-Steuerung des Ausgangs von den Faser-Verstärkern, um die Phasen des Ausgangs-Stahls zu fixieren, um die Intensität des Kombinations-Stahls mittels konstruktiver Überlagerung zu optimieren. Aktive Phasen-Steuerung wird durch Platzieren eines Strahlteilers in dem Strahlengang des Kombinations-Stahls erreicht, welcher von dem DOE gebeugt wird. Der Strahlteiler erzeugt einen Niederleistungs-Probe-Teilstrahl des Kombinations-Stahls, und dieser Probe-Teilstrahl wird auf den Phasen-Detektor fokussiert. In den Phasendetektor wird die Ausgangs-Phase von jedem Komponenten-Strahl erfasst, indem Signale dekodiert werden, welche bezogen auf jeden der Komponenten-Strahlen kodiert sind. Unter Verwendung von Elektronik werden die Phasen gemessen, indem diese mit Referenz-Signalen verglichen werden, welche von dem Master-Oszillator stammen, und Korrektur-Signale werden aus diesem Vergleich hergeleitet und in den Phasen-Modulator in einem Niederleistungs-Abschnitt von jedem der Faser-Verstärker zurückgespeist, um eine optimierte Phasen-Steuerung zu erzielen.
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Eine Strahl-Kombinations-Methode, welche Faser-Verstärker mit passiver Phasensteuerung verwendet, ist in der US Patentanmeldung mit der Anmeldenr. 11/015,671 offenbart, welche am 20. Dezember 2004 eingereicht wurde, wobei die gesamte Offenbarung davon hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung eingeschlossen wird. Passive Phasensteuerung wird durch Anordnen eines Strahlteilers in dem Strahlengang derjenigen Strahlen erreicht, welche von dem Feld von Faser-Verstärkern ausgesendet werden. Der Strahlteiler richtet einen kleinen Teil eines Komponenten-Strahls zu einer Blende oder einer Anschluss-Öffnung, welche als ein Raumfilter dient. Der Ausgang des Filters wird zu dem Eingang von jedem Verstärker in dem Feld rückgekoppelt. Dies erzeugt einen geschlossenen Regelkreis, wodurch sich das System schnell einem Resonanz-Modus annähert, was optimale Raumqualität bedeutet, so dass die Phasen der Teilstrahlen synchronisiert werden und so den kombinierten Ausgangsstrahl erzeugen.
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Ein DOE wird als eine diffraktive Strahlkombinations-Vorrichtung unter Verwendung von passiver Phasensteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet und im Folgenden beschrieben. In einem System, welches eine passive Phasensteuerung verwendet, wird das Faser-Laser-Feld ringförmig gestaltet, um eine Selbst-Optimierung der Eigenschaften des geschlossenen Regelkreises auszunutzen. Optische Faserverstärker haben eine bestimmte Bandbreite, in welcher diese eine Verstärkung erreichen können. Rückkopplung wird in einer ringförmigen Konfiguration durch Koppeln eines Teilstrahls von dem Ausgangsstrahl zurück zu dem Eingang erreicht. Bei einer bestimmten Verstärkung und Rückkopplung neigt das System zum Schwingen in einem Resonanz-Modus oder mehreren Resonanz-Modi. Diejenige Frequenz, bei welcher eine optimale Phasensteuerung eintritt, erfährt die höchste Verstärkung und fährt den Schaltkreis in einen Sättigungszustand und unterdrückt alle anderen Modi. Hinsichtlich weiterer Details über die passive Phasensteuerung der Faserverstärker wird auf die US Patentanmeldung 11/015,671 hingewiesen. Ein Hauptvorteil der passiven Phasensteuerung ist einer Vereinfachung, weil der Oszillator, die Phasenmodulatoren, und die Elektronik für die Phasensteuerung weggelassen werden können, wie diese in der US Patentanmeldung mit der Anmeldenr. 11/361,352 beschrieben ist.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung für die diffraktive Strahl-Kombination gemäß der Erfindung. Der optische Kreis gemäß diesem Ausführungsbeispiel verwendet eine passive Phasensteuerung in Verbindung mit einer DOE, welche die Funktion eines Strahl-Kombinierers hat. Eine Mehrzahl (N) von Faserverstärkern 15 sind miteinander gekoppelt und unterliegen einer passiven Phasensteuerung durch eine Ringlaser-Konfiguration. Die N Ausgänge der Faserverstärker 15 sind mit Faser-Emittern 17 gekoppelt, welche einander dachziegelartig überlappen oder Seite an Seite oder in einem eindimensionalen oder zweidimensionalen Feld 19 anordnet sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Faser-Emitter 17 dafür ausgewählt, Strahlen gleicher Polarisation zu übertragen. Dieses spezielle Diagramm zeigt fünf optische Verstärker 15, welche fünf Faser-Emittern 17 zugeordnet sind, das heißt N hat den Wert 5. Jedoch sind auch andere Ausführungsformen möglich, in welchen N jede beliebige natürliche Zahl sein kann.
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Divergierende Lichtstrahlen 21 treten aus dem Feld 19 aus und werden durch eine einzige reflektierende oder lichtdurchlässige Kombinations-Optik 23 kombiniert, wodurch eine Serie von N Komponenten-Strahlen die gesamte Blende mit etwas voneinander unterschiedlichen Strahlwinkeln durchdringen, was in angemessener Weise durch eine Abstand der Fasern oder von anderen Emittern in dem Feld 19 erreicht wird. Diese N Strahlen überlappen einander und treffen auf ein geeignet gestaltetes DOE 25 auf, welches als ein Strahlformer verwendet wird. Der Strahlwinkel von jedem der N Strahlen, welche von dem Feld 19 ausgehen, ist genau so ausgelegt, dass eine Ausrichtung entlang ausgewählter Beugungsordnungs-Richtung des DOEs 25 erfolgt, so dass die Intensität des kombinierten Ausgangs-Strahls 27 des DOEs entlang einer einzigen Beugungsordnung maximiert ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Intensität des Ausgangs-Strahls 27 entlang der 0-ten Beugungsordnung maximiert. Ein gewisser Teil der gebeugten Ausgangsstrahlen 29 von geringer Intensität treten aus dem DOE 25 aus.
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Das DOE 25 arbeitet als ein 1:N hochwirksamer Strahlteiler, wenn ein Strahl auftrifft, und kann deshalb als hochwirksamer N:1 Strahlformer arbeiten, wenn N Strahlen auftreffen. Das heißt, falls die auftreffenden Strahlen die geeignete Phase relativ zueinander haben, wie diese durch die Auslegung des DOEs bestimmt wird, kann ein einzelner, kombinierter Strahl mit sehr hohem Wirkungsgrad erzeugt werden, das heißt einem Wirkungsgrad von >> 90%.
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Auf Grund von unterschiedlicher Länge der Fasern in dem Feld 19 und Abweichungen auf Grund von Schwingungen und Temperaturunterschieden können leichte Abweichungen in der Phase in jedem der N Strahlen 21 auftreten, welche von dem Feld ausgehen. Diese Phasen-Abweichungen finden sich in einem Probe-Teilstrahl 31 wieder. Die vorliegende Erfindung korrigiert diese Abweichungen unter Verwendung eines Ringoszillators, welcher eine passive Rückkopplungs-Schleife bereitgestellt, um die Phasen der Strahlen 21 zu fixieren und einen maximalen Wirkungsgrad in dem kohärenten Ausgangsstrahl zu erreichen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Rückkopplungs-Schleife einen oder mehrere Strahlteiler 30, Optiken 33, Blenden 34 und Single-Mode-Fasern 36, optische Isolatoren 38, Vorverstärker 40, und Faserteiler 42 aufweisen.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 kann der Strahlteiler 30 in dem Strahlengang des kombinierten Strahls 27 angeordnet sein, um einen Probe-Teilstrahl 31 zu erzeugen, welcher von geringer Leistung im Verhältnis zu dem kombinierten Strahl 27 ist und jede der nicht korrigierten Phasen-Abweichungen aufweist. Strahlteiler 30 richten den Probe-Teilstrahl 31 zu der geeigneten Optik 33 (beispielsweise einer Linse oder einem gekrümmten Spiegel). Die Optik 33 richtet oder fokussiert den Probe-Teilstrahl 31 zu der Filter-Blende 34, welche den Strahl mit der Single-Mode-Faser 36 koppelt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein geeigneter Lochfilter verwendet, um eine geeignete Raum-Modus-Auswahl vorzunehmen anstelle der Verwendung der Single-Mode-Faser 36. Der Probe-Teilstrahl 31 kann dann mittels eines optischen Isolators 38 an den Vorverstärker 40 gekoppelt werden, durch den Faserteiler 42 geteilt werden, und zurück in die N Verstärker 15 geführt werden, um den Kreis zu schließen.
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Durch positive Rückkopplung versucht der Ringoszillator die Verstärkung in einem Umlauf zu optimieren, so dass die passive Selbstoptimierung derart erfolgt, dass die relativen Phasen der N Strahlen die Intensität des kombinierten Ausgangs-Strahls 27 maximieren, wodurch die Maximierung der Resonanz erfolgt. Das optimiert die Wirksamkeit des Ringoszillators, so dass im idealen Fall die Ausgangsleistung des einen, kombinierten Strahls 27 die Summe der einzelnen Strahl-Leistungen darstellt, welche nur durch den sehr hohen Wirkungsgrad des DOEs 25 verringert wird. Weil darüber hinaus das DOE 25 die auftreffenden Strahlen kohärent kombiniert, optimiert die Ringlaser-Konfiguration die Polarisation von anderen Strahlen so, dass diese identisch ist, was für einen maximalen Wirkungsgrad für die Kombination erforderlich ist. Alternativ kann die Polarisations-Steuerung auf andere Weise erzielt werden, beispielsweise durch eine die Polarisation aufrechterhaltende Faser und geeignete Einstellung der Polarisations-Drehoptik eines Ringlasers.
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2 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Strahlformers mit passiver Phasensteuerung gemäß der Erfindung. Das Ausführungsbeispiel arbeitet sehr ähnlich wie das in 1 dargestellte System, außer dass das DOE 28 eine integrierte Einrichtung aufweist, um den Probe-Teilstrahl 31 mit geringer Leistung von dem Ausgangs-Strahl 27 durch Beugung in einen passiven Rückkopplungs-Strahlengang abzuzweigen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Beugungseinrichtung geringer Leistung mit einer hochreflektierenden Schicht über einem schwachen Gitter (nicht dargestellt) überzogen und auf eine Oberfläche des DOEs 28 geätzt. Das schwache Gitter erzeugt den gewünschten kohärenten diffraktiven Probe-Teilstrahl 31. Daher kann das DOE 28 eine einzige Optik mit zwei Funktionen sein: Kombinieren einer Mehrzahl von Eingangs-Strahlen in einen kohärenten Ausgangs-Strahl, und Beugen eines Probe-Teilstrahls von geringer Leistung aus dem kohärenten Ausgangs-Stahl. Die Doppelfunktion des DOEs erübrigt die Notwendigkeit, Strahlteiler in den Ausgangs-Strahlengang anzuordnen, um einen Probe-Teilstrahl abzuzweigen. Falls ein separates, lichtdurchlässiges Elemente wie ein Strahlteiler 30 für die Abzweigung eines Probe-Teilstrahls verwendet wird, neigt die in dem Element entstehende Wärme dazu, die optischen Eigenschaften zu verändern. Das kann zu Verzerrungen in dem Ausgangs-Strahl führen und diesen in der Fokussierbarkeit beeinträchtigen. Allgemein betrachtet dient die Minimierung der Anzahl von Elementen in dem optischen Kreis dazu, das System näher an das durch die Beugungsgrenze gesetzte Limit gelangen zu lassen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Systems gemäß der Erfindung ist in 3 dargestellt. Dieses System kommt ohne eine separate Optik zum Fokussieren des Probe-Teilstrahls in die Rückkopplungs-Faser aus. Hier weist ein mit zwei Funktionen behaftetes DOE 39 ein schwaches Probestrahlnehmer-Gitter auf, welches derart gestaltet ist, dass es einen Probe-Teilstrahl 31 geringer Leistung von dem Ausgangs-Strahl abzweigt, und den Probe-Teilstrahl 31 in den Filter 34 fokussiert, um diesen in die Single-Mode-Faser 36 einzukoppeln. Bei dieser Gestaltung des DOEs 39 kann ein fokussierendes Probestrahlnehmer-Gitter aus ringförmigen Spalten anstatt einem einfachen Feld von einander parallelen Spalten bestehen. Die ringförmigen Spalten können holographisch durch Interferenz einer ebenen Welle und einer punktförmigen Lichtquelle erzeugt werden, welche sich an dem gewünschten Brennpunkt befindet.
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4 zeigt eine weitere Vereinfachung, welche mittels des diffraktiven Strahlformer-Systems mit passiver Phasensteuerung gemäß der Erfindung erzielt werden kann. Dieses Ausführungsbeispiel verwendet eine passive Phasensteuerung ähnlich wie in den gemäß 1–3 dargestellten Ausführungsbeispielen. Jedoch ist in diesem Ausführungsbeispiel ein DOE 41 so konfiguriert, dass die folgende Funktionen davon ausgeführt werden: (i) Kollimieren der Eingangs-Strahlen 21, (ii) Kombinieren der Eingangs-Strahlen in einen kohärenten Ausgangs-Strahl 27, (iii) Beugen eines Probe-Teilstrahls 31 mit geringerer Leistung von dem kohärent Ausgangs-Strahl, und (iv) Fokussieren des Probe-Teilstrahls zum Einkoppeln in eine Single-Mode-Faser 36. Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ist, dass keine Kombinier-Optik für das Faser-Feld erforderlich ist. Auf diese Weise kann ein einziges, multi-funktionales DOE 41 das einzige optische Element in dem System sein.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines DOEs 41 ist dieses auf einem geeignet gekrümmten Substrat herzustellen. Alternativ kann das DOE mit einer zusätzlichen Phasen-Verschiebungseigenschaft einer Kinoform-Linse ausgebildet sein. Wie im Stand der Technik wohlbekannt ist, weist die Kinoform-Linse eine gekrümmte Form auf, welche eine Modulo-Phase eines mehrfachen von 2π aufweist.
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Durchgehend durch diese Offenbarung sind die in den Figuren schematisch dargestellten DOEs vorwiegend als reflektierende optische Elemente ausgebildet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das DOE einen hochreflektierenden, dielektrischen Schichtaufbau auf seiner Oberfläche auf, welcher einen Reflexions-Wirkungsgrad von über 99% aufweist, um die Absorption von Leistung zu minimieren. Alternativ kann jedes hierin beschrieben DOE als ein lichtdurchlässiges Element ausgebildet sein. Jedoch werden reflektierende Elemente vorwiegend deshalb bevorzugt, weil die nichtreflektierende Seite eines reflektierenden Elements zwecks Kühlung ausgestaltet sein kann, ohne Material in den optischen Strahlengang einbringen zu müssen. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das DOE 41 mit einer wahlweisen Kühleinrichtung 42 versehen, welche sich an die nichtreflektierende Seite anschließt. Kühleinrichtungen 42 können jede Art von Wärmeleitern sein, welche zum Ableiten der Wärme von dem DOE geeignet sind, um optische Stabilität zu gewährleisten. Beispielsweise können Kühleinrichtungen 42 mit metallischen Kühllamellen versehene Wärmeleiter sein, welche mit dem DOE mittels eines Klebstoffes hoher Wärmeleitfähigkeit in Verbindung stehen, eine einem aufgeblasenen Luftstrom ausgesetzte Oberfläche sein, oder eine Leiteinrichtung für einen Strom von Kühlmedium wie Wasser sein, oder eine Kombination all dieser vorgenannten Maßnahmen sein.
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Um weiter eine Konstruktion eines DOEs zu veranschaulichen, welches für die Verwendung in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen geeignet ist, wird ein einfaches DOE betrachtet, welches einen einzigen Strahl in fünf diffraktive Strahlen in einem eindimensionalen Feld teilt. Dieses vereinfachte Beispiel ist ausschließlich für Veranschaulichungszwecke beschrieben. DOEs können so gestaltet sein, dass diese wirksam ein Kombinieren oder ein Teilen von einer beliebig großen Anzahl von Strahlen vornehmen, sowohl in einem eindimensionalen Feld, als auch einem zweidimensionalen Feld. Das DOE weist ein Muster von einander parallelen, mit hoher Präzision geformten Hauptspalten auf, welche in seine Oberfläche eingeätzt sind, welche auf Grund von Reflexion oder Lichtdurchlässigkeit das eindimensionale, periodische Phasen-Muster 43 ausbilden, wie dieses in einem Plotter-Diagramm gemäß 5 in Wellenform ausgebildet ist (eine Welle entspricht einem Winkel von 2π im Bogenmaß). Für ein reflektierendes oder lichtdurchlässiges DOE entspricht eine Welle einer Phase, welche einer Ätztiefe von λ/2 entspricht bzw. von λ/(n – 1), wobei n der Brechungsindex des DOE-Substrats ist und λ die Wellenlänge. Daher entspricht das Phasen-Muster 43 einem geeignet dimensionierten Ätziefe-Muster des DOEs. Falls ein einzelner Strahl auf das DOE geworfen wird, werden etwa 98% der Leistung auf die fünf Beugungsordnungen in dem linearen Feld aufgeteilt. Die verbleibenden 2% der Leistung werden als Streu-Ausgangsstrahlen mit höherer Beugungsordnung gebeugt. Ein normiertes Plotter-Diagramm der Verteilung der Intensität der Strahlen über alle Beugungsordnungen ist in 6 dargestellt. Dabei fällt auf, dass die Winkel der Beugungsordnungen des DOEs durch die übliche Gitter-Gleichung gegeben sind. Für einen Eingangs-Strahl, welcher senkrecht auftrifft, ist der Brechungs-Winkel der m-ten Ordnung sinθm = mλ/P (1) wobei λ die Wellenlänge ist und P die Periode des Phasen-Musters des DOEs.
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Ein kohärentes Strahl-Kombinieren wird durch Verwendung des DOEs in umgekehrter Weise erzielt. Das heißt, in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, wenn N = 5 Eingangs-Strahlen mit genau gesteuerter Phase und Ausrichtung bereitgestellt sind und gleiche Leistung aufweisen, ist das DOE so ausgelegt, dass ein optimierter Wirkungsgrad für das Kombinieren von etwa 96% erzielt wird. Dieser Wirkungsgrad ist durch die normierten Intensitäten 45 der Beugungsordnungen veranschaulicht, wie in dem Plotter-Diagramm gemäß 7 zu sehen ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der gewünschte Ausgangs-Strahl derjenige der 0-ten Beugungsordnung, welche eine Intensität aufweist, welche etwa zwei Zehnerpotenzen höher als die Intensitäten jeder weiteren Beugungsordnungen ist, wie in dem Diagramm zu sehen ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wenn die relative Leistung des Eingangs-Strahls angepasst wird, um der Verteilung gemäß 7 zu entsprechen, stellte das DOE einen optimalen Kombinier-Wirkungsgrad bereit, welcher dem Teilungs-Wirkungsgrad von etwa 98% entspricht.
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In den 8–9 ist die Fähigkeit des DOEs veranschaulicht, einen Probe-Teilstrahl abzuzweigen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Gestaltung des fünfstrahligen Strahlformer-DOEs gemäß 6 dadurch modifiziert werden, dass ein schwaches, sinusförmiges Probestrahlnehmer-Gitter mit kurzer Periode vorgesehen ist. Der Phasenwert von Maximum zu Maximum von diesem speziellen Probestrahlnehmer-Gitter ist als 1/50 einer Welle gewählt. Ein Plotter-Diagramm der Phase des modifizierten DOEs mit dem Probestrahlnehmer-Gitter ist in 8 dargestellt. Hier ist das resultierende Phasen-Muster 47 als eine überlagerte, sinusförmige, periodische Welle mit kurzer Wellenlänge im Phasenmuster 43 gezeigt. Wenn eine genaue Ausrichtung auf das modifizierte DOE erfolgt, wird der mit idealer Phasen-Steuerung gesteuerte Eingangs-Strahl so gebeugt, dass der Ausgangs-Strahl wie in 9 gezeigt erzeugt wird. Dabei fällt auf, dass gemäß 9 die zentrale Gruppe der Brechungs-Ordnungs-Intensitäten 45 um die 0-te Ordnung zentriert ist, und die gleiche relative Verteilung von Intensität wie in dem Plotter-Diagramm gemäß 6 zeigt. Die auf der linken Seite befindlichen Brechungs-Ordnungs-Intensitäten 49, und die auf der rechten Seite befindlichen Brechungs-Ordnungs-Intensitäten 51 sind um die –50-te bzw. +50-te Ordnung zentriert. Jede dieser Intensitäts-Gruppen 49 und 51 liefert eine Repräsentation der Verteilung der Intensitäten 45, jedoch mit geringerer Leistung.
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Das in den 8–9 dargestellte DOE Ausführungsbeispiel weist Probestrahlnehmer-Gitter-Nuten auf, welche sich parallel zu den Haupt-Nuten erstrecken, und sich der abgezweigte Probe-Teilstrahl daher in der gleichen Ebene wie das Faser-Feld und die gebeugten Streu-Ausgangsstrahlen erstreckt. Die Periode in dem Probestrahlnehmer-Gitter gemäß diesem Beispiel ist als 1/50 der Periode des DOE-Strahlformers ausgewählt, so dass der Probe-Teilstrahl mit einem Winkel gebeugt wird, welcher der ±50-ten Ordnung der DOE-Strahlformer-Ordnung entspricht. Wie in 9 dargestellt ist, unterscheiden sich die Intensitäten 49 und 51 der Probe-Teilstrahl-Beugungsordnung deutlich von den Streu-Beugungsordnungen der DOE-Strahlformer-Funktion. Der Fachmann erkennt, dass viele andere DOE-Ausführungsbeispiele möglich sind, wobei ein Probestrahlnehmer-Gitter einen Satz von Nuten aufweist, welche sich in jeder beliebigen Richtungen relativ zu dem DOE-Strahlformer-Funktion erstrecken können, so dass sich der Probe-Teilstrahl von dem DOE-Strahl in jeder gewünschten Richtung unterscheiden kann.
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Gemäß dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel beträgt die Wellenlänge des von dem Probestrahlnehmer-Gitter 1/50 der Wellenlänge. Dadurch ist die Intensität des Probe-Teilstrahls von der ±50-ten Ordnung etwa 1 × 10–3 der Haupt-Ordnung (0-ten Ordnung) des Ausgangs-Strahls. Wie in 9 dargestellt ist, stellt die ±50-te Beugungsordnung des Probe-Teilstrahls eine identische Niederleistungs-Kopie des vollständigen, kombinierten Ausgangs-Strahls dar. Allgemein kann ein schwaches, sinusförmiges Fasern-Gitter entsprechend der gewünschten Probe-Teilstrahl-Abzweigung von etwa 2,5 φ2 angepasst sein, wobei φ2 die Phasen-Amplitude von Maximum zu Maximum des Gitters gemessen in Wellen ist. Diese sinusförmige Form des Probestrahlnehmer-Gitters führt zu gleichen Probestrahlnehmer-Strahl-Intensitäten sowohl der +50-ten, als auch der –50-ten Ordnung. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen eines DOE-Probestrahlnehmer-Gitters kann eine Blazegitter-Form (das heißt eine mehr dreieckförmige Form) verwendet werden, um vorzugsweise Licht hauptsächlich in einer der beiden Ordnungen zu beugen, wie aus dem Stand der Technik der Probestrahlnehmer-Gitter wohlbekannt ist. Jedoch kann es für sehr starke Hochleistungs-Anwendungen erforderlich sein, dass die Oberfläche des DOEs so geätzt ist, dass diese glatt ist, ohne steilwandige Unebenheiten aufzuweisen. Das ermöglicht vorteilhaft das DOE mit einem hochreflektierendem Material zu überziehen, welches eine geringe Absorption aufweist und aus mehreren übereinander angeordneten Schichten aufgebaut ist, welche ermöglichen, an die genaue Oberflächenformen des DOEs angepasst zu sein und diese Form aufrechtzuerhalten.
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Aus der Kombination der Strahlteiler-Funktion und Probestrahlnehmer-Funktion in einem einzigen optischen Element ergeben sich viele Vorteile. Ein System, welches eine solche Optik verwendet, minimiert die Gesamtzahl von Elementen, welche sich im optischen Strahlengang befinden. Dies vereinfacht die Konstruktion des Systems und die Ausrichtung der Elemente innerhalb des Systems. Weniger optische Elemente in dem System reduziert auch die Wahrscheinlichkeit, dass Verzerrungen in dem optischen Signal stattfinden, und führt somit zu einem besseren Wirkungsgrad der Strahl-Kombination und zu einer höheren Intensität des Ausgangs-Strahls. In Hochleistungs-Laser-Systemen vereinfacht die Integration des DOE-Strahlformers mit dem Probestrahlnehmer auch die Wärmeableitung. Gemäß einem Aspekt wird die Wärmeableitung vereinfacht, weil sich die Wärmeenergie in weniger Elementen ansammelt. Gemäß einem weiteren Aspekt erlauben die Reflexions-Eigenschaften des DOE-Strahlformers/Abzweigers die Wärmeableitung mittels der nichtreflektierenden Seite vorzunehmen. In großen Systemen wird auch eine Gewichts-Reduzierung durch eine Minimierung der Einzelbauteile erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6697192 [0007]
- US 6327292 [0007]
- US 6208679 [0007]
- US 6192062 [0007]
- US 6708003 [0008]
- US 6697192 B1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- T. M. Shay et al. Proceeding of the SPIE, Vol. 5550, Seiten 313–319 (2004) [0008]
- IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, Vol. 11, No. 3, 2005, S. 567–577 [0009]
