DE112008003385B4

DE112008003385B4 - Spektrale Strahlkombination mit Breitbandlasern

Info

Publication number: DE112008003385B4
Application number: DE112008003385T
Authority: DE
Inventors: Gregory D. Goodno
Original assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2013-02-07
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: US20090153968A1; JP2011507035A; US7948680B2; JP5697086B2; WO2009088623A2; WO2009088623A3; DE112008003385T5

Abstract

Ein System für das Kombinieren einer Vielzahl von Laserlichtstrahlen, um einen einzelnen gebündelten Ausgangsstrahl mittels spektraler Strahlkombination zu formen, aufweisend: eine Vielzahl von Breitbandlaserquellen (110), die eine Vielzahl von Laserstrahlen verschiedener Wellenlängen emittieren; eine Vielzahl von Linsen, die angeordnet sind zum parallelen Ausrichten der Vielzahl von Lichtstrahlen; einen räumlichen Chirper (120), der konfiguriert ist, um einen räumlichen Chirp auf parallel aufgerichtete Lichtstrahlen anzuwenden und um die räumlich gechirpten Lichtstrahlen auf einer Fourierebene (128) zur Deckung zu bringen, sodass spektrale Komponenten der Lichtstrahlen transversal über die Fourierebene dispergieren; und einen Dispersionsstrahlkombinierer (140), der konfiguriert ist, den räumlichen Chirp, der durch den räumlichen Chirper auferlegt wird, zu beseitigten und um die Lichtstrahlen in einen einzigen ausgerichteten Ausgangsstrahl zu kombinieren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die spektrale Strahlkombination (SBC). Im Besonderen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf SBC mittels Breitbandlasern.
Hintergrund der Erfindung
Die spektrale Strahlkombination (SBC) ist ein vielversprechendes Konzept für das Kombinieren von mehreren Laser mit niederer Energie, um einen einzigen Strahl mit höherer Energie zu formen. In der SBC emittiert jedes Laserelement mit niedriger Leistung einen Lichtstrahl mit einer diskreten Wellenlänge und die Lichtstrahlen von den mehreren Laser werden mittels eines spektralen Dispersionselements kombiniert, um eine monolithische Ausgabe zu formen. Dieser Ansatz stellt die Strahlqualität (BQ) der einzelnen Lichtstrahlen sicher während eine höhere Leistungsskalierung ermöglicht wird als es mit einzelnen Elementen erreicht werden kann. Im Allgemeinen ist die Strahlqualität eine Frage wie eng ein Laserstahl fokussiert werden kann und ein beugungsbegrenzender Gaußstrahl erreicht die beste BQ. Verschiedene Metriken werden benutzt, um die Strahlqualität, wie das Strahlparameterprodukt (BPP), das das Produkt des Strahlradius an der Strahltaille und der Strahldivergenz im Fernfeld ist, der M²-Faktor, der das Verhältnis der Bandbreite des Strahls (zweites Moment) in der räumlichen Frequenzdomäne zu der korrespondierenden Bandbreite eines Gaußstrahls ist, der denselben Strahlradius an der Strahltaille aufweist und der inverse M²-Faktor.
SBC Techniken des Standes der Technik benötigen typischerweise, dass jeder Lichtstrahl schmale spektrale Linienbreiten aufweist, um einen Verlust der BQ aufgrund der räumlichen Dispersion von dem Kombinierungselement zu verhindern. Jedoch weisen moderne hochleistende (z. B. Multi-Kilowatt-Klasse) Modenfaserlaser mit einer einzelnen räumlichen Mode typischerweise Bandbreiten in der Größe von einem Nanometer (~300 GHz) auf, das ihren sofortigen Einsatz in SBC-Architekturen verhindert. 1 stellt ein SBC-Konzept des Standes der Technik dar, das die Ausgaben der Breitbandlinearfaserlaseranordnung 10 in einen kombinierten Ausgangsstrahl 60 durch das Fokussieren der diskreten Wellenlängenstrahlen 12 auf dem Beugungsgitter 40 unter Verwendung einer Fouriertransformierungslinse 30 benutzt, die in einer Brennweite f von der Anordnungsebene 12 entfernt ist. Bei der Beugung des Beugungsgitters breiten sich die diskreten Wellenlängenstrahlen 12 in der gleichen Richtung aus und werden in einen einzigen Ausgangsstrahl 60 kombiniert. Ein optischer Ausgangskopplungsspiegel 50 kann ein wellenlängenselektives Feedback bereitstellen für jede Faser in der Anordnung 10 obwohl der Ausgangskopplungsspiegel 50 nicht gebraucht wird, falls die Faserlaser als Verstärker mit unabhängig bestimmten Wellenlängen konfiguriert sind. Falls die diskreten Wellenlängeneingangsstrahlen 12 eine enge spektrale Bandbreite aufweisen, verstärkt dieses System die räumliche Helligkeit des kombinierten Strahls 60 über die Helligkeit des diskreten Wellenlängenstrahls 12 hinaus. Falls jedoch die diskreten Wellenlängeneingangsstrahlen 12 von breiter spektralen Bandbreite sind kann diese Vergrößerung in der räumlichen Helligkeit teilweise oder völlig unabhängig sein durch die Reduzierung der spektralen Helligkeit aufgrund der Winkeldispersion, die durch das Beugungsgitter 40 verursacht wird. Je breiter das Spektrum jedes Faserlaserelements in der Anordnung 10 ist, desto mehr wird die spektrale Helligkeit – und deshalb die allgemeine BQ des kombinierten Strahls 60 – durch die Winkeldispersion verschlechtert.
Das US-Patent US 7 199 924 A offenbart ein Verfahren, um die Winkeldispersion hervorgerufen durch die SBC von Breitbandlasern durch das Benutzen von zwei parallelen Beugungsgittern in Reihe zu überwinden. Das erste Beugungsgitter bewirkt eine Winkeldispersion in einer Anordnung von Lichtstrahlen, die in ihrem Überlapp auf dem zweiten Beugungsgitter resultiert, der die Winkeldispersion beseitigt, so dass die Lichtstrahlen überlappen und gemeinsam sich ausbreiten. Während dieses Verfahren tatsächlich die Winkeldispersion eliminiert, macht es dies auf Kosten des transversalen Versatzes des spektralen Inhalts jedes Lichtstrahls in der Kombinationsebene. Dies ist bekannt als das Bewirken eines „spatial chirp” (räumliches Zirpen; im Folgenden mit räumliches Chirp übersetzt, da der Ausdruck Chirp dem Fachmann bekannt ist) auf den Lichtstrahl. Dieses räumliche Chirp vergrößert die Lichtstrahlpunktgröße auf dem zweiten Beugungsgitter ohne die gegenläufige Verkleinerung in der Lichtstrahlabweichung, die normalerweise während der Verstärkung auftreten würde. Deshalb kann gesehen werden, dass die BPP sich vergrößert, korrespondierend zu einem Verlust der BQ. Der Verlust der BQ des räumlichen Chirps ist gleichwertig zu einem Verlust der Strahlqualität, die aufgrund der Winkeldispersion aufgetreten wäre.
Das US-Patent US 7 233 442 A offenbart die Verwendung von zwei im Wesentlichen identischen Beugungsgittern, um aus einer Mehrzahl von parallelen Eingangsstrahlen einen einzigen Ausgangsstrahl mit hoher Strahlqualität zu bilden. Hierbei sind die Eingangsstrahlen sehr schmalbandig und haben jeweils eine andere Wellenlängen. Außerdem offenbart die US 7 199 924 ein Korrekturverfahren für den Fall, dass einer der Eingangsstrahlen bezüglich der anderen Eingangsstrahlen falsch ausgerichtet ist.
Das US-Patent US 6 192 062 A offenbart das grundlegende Prinzip der spektralen Strahlkombination. In einem Laserresonator werden mindestens zwei optische Gain-Elemente mit verschiedenen Wellenlängen, ein optisches Element und ein Dispersionselement angeordnet. Das optische Dispersionselement, welches aus den Einzelstrahlen den Gesamtstrahl bildet, ist dabei in der Fokalebene des optischen Elements angeordnet
Während Fortschritt weiterhin im Verkleinern der Bandbreite von Faserlasern mit hoher Leistung gemacht werden soll ist der gegenwärtige Stand der Technik für Schmalbandausgaben, z. B. ein paar Gigahertz unter einem KW. Dementsprechend wird eine verbesserte SBC-Technik benötigt, die Ausgaben von mehreren Breitbandlasern in einen einzigen Strahl kombiniert, der im Wesentlichen die gleiche BQ aufweist, wie jeder bildende Strahl benötigt wird, um Faserlaser mit einer Ausgangsleistung größer als 1 KW zu kombinieren oder gleichwertiger Weise die Anforderungen für schmale spektrale Bandbreiten der Eingangsfaserlaseranordnung bei irgendeinem Leistungslevel herabzusetzen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein primäres Ziel der vorliegenden Erfindung, Systeme und Verfahren für die spektrale Strahlkombination bereitzustellen, sodass eine oder mehrere Nachteile des Stands der Technik, die oben beschrieben wurden, überwunden werden.
Die vorliegende Erfindung erzielt dieses Ziel und andere durch das Bereitstellen von Systemen und Verfahren für die spektrale Strahlkombination in der ein räumlicher Chirp auf jeden der Vielzahl der Lichtstrahlen angewandt wird, indem ein oder mehrere Beugungselemente und ein räumlich gechirpter Lichtstrahl auf einer Fourierebene zur Deckung gebracht werden, bevor sie in einen einzelnen gebündelten Ausgangsstrahl kombiniert werden, indem eine oder mehrere Ausgangsbeugungsgitter verwendet werden.
In Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein System für das Kombinieren einer Vielzahl von Laserlichtstrahlen um einen einzigen gebündelten Lichtstrahl zu erhalten, unter Verwendung einer spektralen Strahlkombination, eine Vielzahl von Breitbandlaserquellen, die eine Vielzahl von Lichtstrahlen emittieren; eine Vielzahl von Kollimatoren, um die Vielzahl von Lichtstrahlen parallel auszurichten; einen räumlichen Chirper, der konfiguriert ist, um einen räumlichen Chirp auf die gebündelten Lichtstrahlen anzuwenden und die räumlich gechirpten Lichtstrahlen auf einer Fourierebene zur Deckung zu bringen, so dass spektrale Komponenten der Lichtstrahlen transversal über die Fourierebene verteilt sind; und einen dispersiven Strahlkombinierer, der konfiguriert ist, den räumlichen Chirp zu beseitigen, der von dem räumlichen Chirp verursacht wird und um die Lichtstrahlen in einen einzigen parallel ausgerichteten Ausgangslichtstrahl zu kombinieren.
In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren für das Verbessern der Strahlqualität eines spektralen Strahlkombinationssystems die Schritte des Emittierens einer Vielzahl von Laserlichtstrahlen von einer Vielzahl von Breitbandlaserquellen; paralleles Ausrichten jedes Lichtstrahls unter Verwendung einer jeweiligen Vielzahl von Kollimatoren; Anwenden eines räumlichen Chirps auf jeden Lichtstrahl, indem ein räumlicher Chirper verwendet wird, der zumindest ein dispersives Element beinhaltet, das angepasst ist, eine transversale Verteilung der spektralen Strahlkomponenten in einer Fourierebene zu produzieren; und Kombinieren der räumlich gechirpten Lichtstrahlen in einen einzelnen gebündelten Lichtstrahl durch Benutzen eines Kombinierers, der zumindest ein dispersives Element beinhaltet, das angepasst ist, den räumlichen Chirp, der von dem besagten räumlichen Chirper verursacht wird, zu beseitigen.
Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie die Struktur und Arbeitsweise von verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Detail mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen für die gleichen Komponenten verwendet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 beschreibt ein SBC-Konzept des Standes der Technik.
2 beschreibt ein Breitband-SBC-System in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 beschreibt ein Breitband-SBC-System in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 beschreibt ein Linsengitterpaar für das Anwenden eines räumlichen Chirps in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 beschreibt zwei Linsengitterpaare, die in einer symmetrischen Konfiguration über einer Fourierebene angeordnet sind.
6 beschreibt ein erstes Linsengitterpaar und ein zweites Linsengitterpaar in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 und 8 sind Seiten- und Draufsichten einer anderen Ausführungsform eines Breitband-SBC-Systems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
9 beschreibt noch eine andere Ausführungsform eines Breitband-SBC-Systems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
Eine Ausführungsform eines Breitband-SBC-Systems 100 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird schematisch in 2 gezeigt. Das System 100 beinhaltet eine Breitbandfaseranordnung 110, ein Beugungsgitter 140, einen Ausgangskopplungsspiegel 150 und eine Linse 130, die zwischen der Breitbandfaseranordnung und dem Beugungsgitter positioniert ist, um Lichtstrahlen von der Faseranordnung auf dem Beugungsgitter zu fokussieren, wie das System des Standes der Technik, das in 1 dargestellt ist; jedoch wird in dem System 100 die Winkeldispersion, die von der dispersiven, strahlkombinierenden Optik (z. B. Beugungsgitter 140) verursacht wird durch eine Vorkompensation jedes Lichtstrahls der Breitbandfaseranordnung 110 durch das Bewirken eines räumlichen Chirps vor dem Fokussieren jedes Lichtstrahls auf dem Beugungsgitter 140 korrigiert. In dieser Ausführungsform wird der räumliche Chirp bei jedem Lichtstrahl durch einen räumlichen Chirper 120 bewegt, der beispielsweise ein Dispersionselement 124 beinhaltet, das zwischen einem Paar von Linsen (f₁) 122 und (f₂) 126 positioniert ist. Linsen (f₁) 122 werden zwischen der Breitbandfaseranordnung 110 und den Dispersionselementen 124 positioniert, um die Ausgabe der Anordnung parallel auszurichten. Linsen (f₂) 126 werden konvokal zu den Dispersionselementen positioniert, sodass die Lichtstrahlen in der Fourierebene 128 zur Deckung gebracht werden, die konvokal zu der Linse 130 positioniert ist. Ein angemessenes zur Deckung bringen der räumlich gechirpten Strahlen in der Fourierebene 128 ermöglicht es der Linse 130 und dem Beugungsgitter 140 die Lichtstrahlen spektral in einen einzigen gebündelten Ausgangsstrahl zu kombinieren, der dann durch einen Ausgangskopplungsspiegel 150, wie gezeigt, treten kann. Der Ausgangskopplungsspiegel 150 reflektiert einen Bruchteil der gebündelten Ausgangslichtstrahlleistung zu der Breitbandfaseranordnung zurück, so dass Laserozillation auftreten kann. Dieser oben beschriebene Ansatz synthetisiert effektiv eine räumliche und spektral dispergierende Laserlichtquelle in der Fourierebene 128, die analog zu einer kontinuierlich verteilten monochromatischen Faseranordnung 10 ist, die für konventionelle SPCs mit schmaler Bandbreite benötigt werden.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Breitband-SBC-Systems 200 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Das Breitband-SBC-System 200 ist ähnlich zu dem System, das in 2 gezeigt wird, beinhaltet aber eine Anordnung von Linsengitterpaaren 270, die einen räumlichen Chirp an jedem Lichtstrahl bewirken. Dabei beinhaltet das System 200 eine Anordnung von Eingangslaserstrahlen oder Lichtstrahlen, z. B. von einer Breitbandfaseranordnung, eine Anordnung von Linsengitterpaaren 270 korrespondierend zu der Anzahl von Eingangslichtstrahlen und ein letztes Linsengitterpaar 280. Zur Vereinfachung werden zwei Eingangslichtstrahlen von verschiedener Farbe und zwei Linsengitterpaare 270 gezeigt; jedoch wird anerkannt werden, dass das Konzept verallgemeinert werden kann zu N polychromatischen Eingangsquellenlichtstrahlen und N Linsengitterpaaren 270 durch eine angemessene Auswahl und Positionierung der Linsengitterpaare. Jedes Linsengitterpaar 270 beinhaltet ein Beugungsgitter (G₁) 224 und eine Linse (f₁) 226 mit einer Brennweite (f₁) und einer optischen Achse (OA₁), die konvokal zu dem Beugungsgitter positioniert ist, so dass der Fokus des gebeugten Lichts auf der Ebene 228, hier als „Fourierebene” bezeichnet, fokussiert wird, sodass die spektralen Komponenten des gebündelten Breitbandlaserstrahls transversal verteilt werden, wie schematisch durch den Regenbogeneffekt bezeichnet. Auf diese Weise funktioniert jedes Linsengitterpaar 270 als ein räumlicher Chirper. Linsengitterpaar 280 beinhaltet eine Linse (f₂) 230 mit einer Linsenachse (LA₂) und einer optischer Achse (OA₂) und ein Beugungsgitter (G₂) 240, welches derart positioniert, so dass die optische Achse (OA₂) der Linse (f₂) 230 transversal von der optischen Achse (OA₁) des räumlichen Chirpers versetzt ist. Das System kann auch einen Ausgangskopplungsspiegel des Typs wie in 1 und 2 gezeigt beinhalten.
4 zeigt ein einzelnes Linsengitterpaar 270 des Systems 200, um zu demonstrieren, wie ein Linsengitterpaar als ein räumlicher Chirper in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann. Wie daraus gesehen werden kann, wird ein polychromatischer gebündelter Breitbandlaserstrahl durch das Beugungsgitter (G₁) 224 gebeugt, das winkelig die spektralen Komponenten des Strahls dispergiert, wie durch den blauen (b) oder roten (r) Strahl angezeigt. Eine Linse 226 der Brennweite (f₁) ist konvokal zu dem Beugungsgitter (G₁) 224 positioniert und das gebeugte Licht wird auf der Ebene 228 fokussiert, die f₁ abwärts der Linse 226 positioniert ist. Wie oben beschrieben, bezieht sich die Ebene 228 auf eine „Fourierebene”, weil die spektralen Komponenten des gebündelten Breitbandlaserstrahls transversal verteilt werden, wie schematisch durch den Regenbogenfarbeneffekt dargestellt wird.
5 zeigt ein Linsengitterpaar 270 und ein Linsengitterpaar 280, die in kolinearer Weise auf einer optischen Achse (OA) in einer symmetrischen Konfiguration um die Fourierebene 228 angeordnet sind, um das Konzept des Erzeugens eines räumlichen Chirps unter Verwendung einer erste Linsenbeugungskombination zu demonstrieren und der räumliche Chirp wird durch das Benutzen einer zweiten Linsenbeugungskombination zerstört. Bei dieser optischen Anordnung wird der ursprünglich polychromatische gebündelte Breitbandlaserstrahl im Wesentlichen als der Ausgangslaserstrahl rekonstruiert. Dies ist gleichwertig zum Positionieren eines ebenen Spiegels in der Fourierebene 228, um das dispergierende Spektrum zurück durch das ursprüngliche Linsengitterpaar 270 zu reflektieren.
6 zeigt ein einzelnes Linsengitterpaar 270 des Systems 200, um den Effekt des Verschiebens des Linsengitterpaars relativ zu der optischen Achse des zweiten Linsengitterpaars 280 zu demonstrieren. Hier beinhaltet das Linsengitterpaar 280 die Linse (f₂) 230 mit einer Linsenachse (LA) und das Beugungsgitter (G₂) 240, die transversal voneinander in Bezug auf die optische Achse (OA) des Linsengitterpaars 270 zueinander verschoben sind. Die spektralen Komponenten des Eingangslaserstrahls werden in 6 durch die blauen (b) oder grünen (g) Strahlen angezeigt. Ein Vergleich der 5 und 6 offenbart, dass in erster Ordnung (beim Ignorieren von Abberationen) der einzige Effekt dieses transversalen Versatzes es ist, die Basisfläche des Ausgangsstrahls auf dem Beugungsgitter (G₂) um denselben Betrag wie die ursprüngliche Verschiebung umzulagern. Es wird anerkannt werden, dass das System 200, das in 3 gezeigt ist, eine Kombination von N Linsengitterpaaren ist, die in einer linearen Anordnung transversal zur optischen Achse des zweiten Linsengitterpaars positioniert ist.
Beim Betrieb des Systems 200 wird jeder gebündelte Breitbandlaserstrahl durch ein jeweiliges Beugungsgitter G₁ gebeugt, das die spektralen Komponenten des Strahls winklig dispergiert, wie durch die blauen (b) und grünen (g) Strahlen für das erste Linsengitterpaar 270 und den roten (r) und orangen (o) Strahlen des zweiten Linsengitterpaars 280 gezeigt. Jede jeweilige Linse (f₁) fokussiert die räumlich gechirpten Strahlen auf die Fourierebene 228, die ein zur Deckung gebrachtes Spektrum produziert. Vorteilhafterweise erlaubt ein angemessenes zur Deckung bringen der räumlich gechirpten Strahlen auf der Fourierebene 228 dem Linsengitterpaar 280 die Lichtstrahlen spektral in einen einzelnen gebündelten Ausgangsstrahl zu kombinieren. Betrachtet von einer unterschiedlichen Perspektive kann die Fourierebene 228 angesehen werden als eine Quelle von N virtuellen Faserlasern, wobei jede einen monochromatisch divergierenden Lichtstrahl emittiert. Vorteilhafterweise korrespondiert die optische Anordnung auf der rechten Seite der Fourierebene 228 zu einer kanonischen Situation des SBC von N Faserlasern mit einer schmalen Bandbreite.
7 und 8 stellen eine weitere Ausführungsform eines Breitband-SBC-Systems 300 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dar, in der ein Eingangsgitterpaar 370 als ein räumlicher Chirper 320 benutzt wird, um einen räumlichen Chirp jedem Lichtstrahl aufzuerlegen, während ein Ausgangsgitterpaar 380 für die spektrale Strahlkombination benutzt wird. Im Besonderen beinhaltet das System 300 eine Anordnung von Eingangslaserstrahlen oder Lichtstrahlen 312, z. B. von einer Breitbandfaseranordnung 310, eine Anordnung von Linsen, die konfiguriert ist, die Lichtstrahlen parallel auszurichten und ein Paar von Beugungspaaren 370 und 380, die symmetrisch um eine Vielzahl von gefalteten Spiegeln 375 in der Ebene der Symmetrie positioniert sind, sodass das erste Beugungsgitterpaar 370 einen räumlichen Chirp an jedem gebündelten Lichtstrahl bewirkt und räumlich die gechirpten Lichtstrahlen auf der Symmetrieebene oder der Fourierebene zur Deckung bringt, wobei die Spiegel die zur Deckung gebrachten Lichtstrahlen dem Ausgangsbeugungspaar zuführt und das Ausgangsbeugungspaar 380 die Lichtstrahlen in einen einzigen Strahl kombiniert. Zur Vereinfachung werden vier Eingangslichtstrahlen 312 gezeigt; jedoch wird anerkannt werden, dass das Konzept auf N Eingangsquellenlichtstrahlen verallgemeinert werden kann. Das Eingangsbeugungspaar 370 beinhaltet ein erstes Beugungsgitter G₁ 324, das positioniert ist, um einen räumlichen Chirp den Eingangslichtstrahlen aufzuerlegen und ein zweites Beugungsgitter G₂ 326 ist positioniert, um die gechirpten Lichtstrahlen zu empfangen und um sie auf einer Symmetrieebene beschrieben durch den Regenbogeneffekt räumlich zur Deckung zu bringen. In der gezeigten Ausführungsform ist das räumliche zur Deckung bringen vorteilhaft für die Kompaktheit ausgeführt in einer Ebene orthogonal zu der Ebene der Dispersion. Gefaltete Spiegel 375 sind entlang der Fourierebene positioniert, um die räumlich gechirpten Lichtstrahlen zu dem Ausgangsgitterpaar zurückzuführen. Das Ausgangsgitterpaar 380 beinhaltet ein drittes Beugungsgitter G₃ 330, ein viertes Beugungsgitter G₂ 340, das positioniert, so dass die räumlich gechirpten Lichtstrahlen von dem dritten Beugungsgitter auf das vierte Beugungsguter gebeugt werden und dadurch in einen einzigen Ausgangsstrahl kombiniert werden. Während 7 und 8 ein einzelnes großes Eingangsbeugungspaar zeigen, könnten diese in der Praxis diskrete Elemente für jeden Eingangslichtstrahl sein.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform des Breitband-SBC-Systems 400 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, die ähnlich ist zu der in 7 und 8 gezeigt aber in der gechirpte voluminöse Bragggitter (CVBG) 470 benutzt werden als räumliche Chirper 420, um einen räumlichen Chirp jedem Lichtstrahl aufzuerlegen. Wie in der vorhergehenden Ausführungsform beschreiben, werden die Eingangslichtstrahlen 412 parallel durch Linsen ausgerichtet und ein Ausgangsbeugungspaar 480 wird für die spektrale Strahlkombinierung benutzt. Ein CVBG ist ein voluminöses holographisches Gerät, in dem eine Indexmodulation in photothermischem Glas codiert ist. Mit angemessenem Design des Modulationsprofils kann das Gerät dazu gebracht werden, verschiedene Wellenlängen bei verschiedenen Tiefen in dem Material zu reflektieren. Dieses Gerät wird genutzt, um einen temporären oder spektralen Chirp einem Laserpuls aufzuerlegen. Falls jedoch der Eingangslaser auf das CVBG bei einem Winkel mit Bezug auf den Beugungsgittervektor einfällt, wird das Gerät den reflektierten Strahl auch einen räumlichen Chirp auferlegen, das zu verschiedenen Durchdringungstiefen bei verschiedenen Wellenlängen führt. Wenn einmal ein Lichtstrahl räumlich gechirpt worden ist, werden die räumlich gechirpten Lichtstrahlen unter Verwendung von gefalteten Spiegeln (nicht gezeigt) in der Fourierebene zur Deckung gebracht, so dass bei der Beugung des letzten Ausgangsbeugungsgitterpaars 480 die Lichtstrahlen miteinander überlappen und frei von räumlichen Chirp sind und miteinander zur Beugungsgrenze sich ausbreiten.
In einer Ausführungsform beinhaltet die Laseranordnung ungefähr 20 bis ungefähr 100 Laser mit großer Bandbreite, die in einer eindimensionalen linearen Anordnung positioniert sind, die einen Abstand von 1 mm haben. In einer Ausführungsform ist die Bandbreite jedes Lasers ungefähr 1 nm und die Ausgangsleistung jedes Lasers ist ungefähr 1 kW bis ungefähr 100 kW. In einer Ausführungsform ist die Brennweite jeder Linse (f₁) innerhalb des Linsengitterpaars 270 ungefähr 1 m, während die Brennweite der Linse (f₂) innerhalb des Linsengitterpaars 280 ungefähr 1 m ist. Die Beugungsgitter G₁ und G₂ sind vorzugsweise hochleistende reflektive Beugungsgitter mit dielektrischen Beschichtungen, obwohl jedes andere geeignete Dispersionselement benutzt werden kann.
Unter Würdigung des oben genannten wird es anerkannt werden, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise die Dispersion korrigieren, die durch eine SBC strahlkombinierende Optik auferlegt wird durch „Vorkompensieren” jedes Breitbandfaseranordnungslichtstrahls vor der Kombination in einen einzelnen gebündelten Ausgangsstrahl. Systeme und Verfahren, die durch die vorliegende Erfindung genannt werden, können auf verschiedene Anwendungen, in denen beugungsbegrenzte BQ und Ausgaben mit hoher Leistung benötigt werden, angewandt werden, wie z. B. Laserwaffensysteme für die Flugkörperverteidigung, Artillerieverteidigung und Präzisionsgegenschläge usw.. Weiterhin kann ein aktives Positionierungskontrollsubsystem benutzt werden, um durch das Angleichen der Position oder Orientierung von einem oder mehreren optischen Komponenten, z. B. wie mit den gestrichelten Linien bei 260 in 3 gezeigt, genau zur Deckung zu bringen (z. B. die räumlich gechirpten Spektren in der Fourierebene zu positionieren).
Während die vorliegende Erfindung in Verbindung mit spezifischen Ausführungsformen davon beschrieben worden ist werden viele Alternative, Modifikationen und Variationen für den Fachmann offensichtlich sein. Beispielsweise, während es bevorzugt ist, reflektierende Beugungsgitter mit dielektrischen Schichten als Dispersionselemente zu verwenden, wird anerkannt werden, dass jedes der geeigneten Dispersionselemente benutzt werden kann, einschließlich ohne Beschränkung reflektive oder transmittierende Beugungsgitter. Weiterhin können die Linsen mit den Linsengitterpaaren transmittierende Elemente sein, wie gezeigt, oder auch gekrümmte Spiegelsubstrate von angemessener Dimension. Weiterhin, während es zwar bevorzugt wird, eine Laserfaseranordnung zu benutzen, kann jede Breitbandlaserquelle genutzt werden. Dementsprechend sollen die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wie hierin beschrieben, nur illustrativ sein, und nicht begrenzend. Eine Vielzahl von Änderungen können gemacht werden, ohne von dem wahren Geist und dem vollen Schutzumfang der Erfindung, wie hierin beschrieben, abzuweichen.

Claims

Ein System für das Kombinieren einer Vielzahl von Laserlichtstrahlen, um einen einzelnen gebündelten Ausgangsstrahl mittels spektraler Strahlkombination zu formen, aufweisend: eine Vielzahl von Breitbandlaserquellen (110), die eine Vielzahl von Laserstrahlen verschiedener Wellenlängen emittieren; eine Vielzahl von Linsen, die angeordnet sind zum parallelen Ausrichten der Vielzahl von Lichtstrahlen; einen räumlichen Chirper (120), der konfiguriert ist, um einen räumlichen Chirp auf parallel aufgerichtete Lichtstrahlen anzuwenden und um die räumlich gechirpten Lichtstrahlen auf einer Fourierebene (128) zur Deckung zu bringen, sodass spektrale Komponenten der Lichtstrahlen transversal über die Fourierebene dispergieren; und einen Dispersionsstrahlkombinierer (140), der konfiguriert ist, den räumlichen Chirp, der durch den räumlichen Chirper auferlegt wird, zu beseitigten und um die Lichtstrahlen in einen einzigen ausgerichteten Ausgangsstrahl zu kombinieren.
System gemäß Anspruch 1, wobei der räumliche Chirper eine Vielzahl von Linsengitterpaaren (270) beinhaltet, wobei jedes Linsengitterpaar (224, 226) konfiguriert ist, um einen räumlichen Chirp auf einen der parallel ausgerichteten Lichtstrahlen anzuwenden und wobei die Vielzahl von Linsengitterpaaren angeordnet sind, um die räumlich gechirpten Lichtstrahlen auf der Fourierebene (228) zur Deckung zu bringen.
System gemäß Anspruch 2, wobei jede Linse (226) konfokal zu einem Beugungsgitter (224) und der Fourierebene (228) positioniert ist.
System gemäß Anspruch 2, wobei die Vielzahl von Linsengitterpaaren (270) in einer eindimensionalen linearen Anordnung angeordnet sind.
System gemäß Anspruch 1, wobei jede Linse eine Brennweite von ungefähr 1 m hat.
System gemäß Anspruch 1, wobei der räumliche Chirper ein Beugungsgitterpaar (370) aufweist, das konfiguriert ist, um einen räumlichen Chrip auf jeden der parallel ausgerichteten Lichtstrahlen anzuwenden und um die räumlich gechirpten Lichtstrahlen in der Fourierebene zur Deckung zu bringen.
System gemäß Anspruch 6, weiterhin aufweisend zumindest einen Spiegel (375), der abwärts von dem Beugungsgitterpaar (370) angeordnet ist, um die räumlich gechirpten Lichtstrahlen auf den Strahlkombinierer zu richten.
System gemäß Anspruch 1, wobei der räumliche Chirper eine Vielzahl von Beugungsgittern aufweist, wobei jedes Beugungsgitter angeordnet ist, um einen räumlichen Chirp auf einen der parallel ausgerichteten Lichtstrahlen anzuwenden und die Vielzahl von Beugungsgittern angeordnet sind, um die räumlich gechirpten Lichtstrahlen in der Fourierebene zur Deckung zu bringen.
System gemäß Anspruch 8, wobei die Beugungsgitter gechirpte voluminöse Braggbeugungsgitter (470) sind.
System gemäß Anspruch 9, weiterhin aufweisend eine Vielzahl von Spiegeln, die zu den gechirpten voluminösen Braggbeugungsgittern (470) derart angeordnet sind, dass die räumlich gechirpten Lichtstrahlen in der Fourierebene zur Deckung gebracht werden.
System gemäß Anspruch 1, wobei der Dispersionsstrahlkombinierer ein Linsengitterpaar (280) aufweist.
System gemäß Anspruch 1, wobei der Dispersionsstrahlkombinierer ein Gitterpaar (380) beinhaltet.
System gemäß Anspruch 1, wobei der räumliche Chirper und der Strahlkombinierer jeweils ein reflektives Gitter mit einer dielektrischen Beschichtung beinhalten.
System gemäß Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Breitbandlaserquellen eine Laserfaseranordnung beinhaltet.
System gemäß Anspruch 14, wobei die Laserfaseranordnung zwischen 20 und 100 Breitbandlaserfasern beinhaltet, die in einer eindimensionalen linearen Anordnung mit einem Abstand von 1 mm angeordnet sind.
System gemäß Anspruch 1, wobei jede Breitbandlaserquelle eine Bandbreite von ungefähr 1 nm hat.
System gemäß Anspruch 1, wobei jede Breitbandlaserquelle eine Ausgangleistung von ungefähr 1 kW bis 100 kW hat.
System gemäß Anspruch 1, wobei der räumliche Chirper eines oder mehrere optische Elemente beinhaltet und weiterhin ein aktives Positionierungskontrollsubsystem beinhaltet, das betriebsbereit verbunden ist mit einem oder mehreren der optischen Elemente, um die Ausgabe des räumlichen Chirpers in der Fourierebene zur Deckung zu bringen.
Verfahren zum Kombinieren einer Vielzahl von Laserlichtstrahlen, um einen einzigen parallel ausgerichteten Ausgangsstrahl mittels spektraler Strahlkombination zu erhalten, aufweisend die Schritte: Emittieren einer Vielzahl von Laserlichtstrahlen von einer Vielzahl von Breitbandlaserquellen; Anwenden eines räumlichen Chirps auf jeden Lichtstrahl unter Verwendung eines räumlichen Chirpers, umfassend zumindest ein Dispersionselement, das angeordnet ist, um eine transversale Verteilung von spektralen Strahlkomponenten in der Fourierebne zu erzeugen; und Kombinieren der räumlich gechirpten Lichtstrahlen in einen einzigen parallel ausgerichteten Ausgangsstrahl unter Verwendung eines Kombinierers, beinhaltend zumindest ein Dispersionselement, das positioniert ist, um den räumlichen Chirp, der durch den räumlichen Chirper auferlegt wird, zu beseitigen.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei der räumliche Chirper eine Vielzahl von Linsengitterpaaren beinhaltet und wobei der Schritt des Anwendens eines räumlichen Chirps auf jeden Lichtstrahl das Beugen jedes Lichtstrahls unter Verwendung eines Gitters beinhaltet und das Fokussieren jedes gebeugten Lichtstrahls in der Fourierebene unter Verwendung einer Linse.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei der räumliche Chirper eine Vielzahl von Gitterpaaren beinhaltet, die erste und zweite Gitter beinhalten und wobei der Schritt des Anwendens eines räumlichen Chirps auf jeden Lichtstrahl das Beugen jedes Lichtstrahls unter Verwendung eines ersten Gitters und Fokussieren jedes gebeugten Lichtstrahls in der Fourierebene unter Verwendung eines zweiten Gitters des Gitterpaars beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei der räumliche Chirper eine Vielzahl von voluminösen Chirpbraggbeugungszellen aufweist und wobei der Schritt des Anwendens eines räumlichen Chirps auf jeden Lichtstrahl das Beugen jedes Lichtstrahls unter Verwendung einer voluminösen Chirpbraggbeugungszelle beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 19, weiterhin aufweisend das aktive Kontrollieren der Position von zumindest einem optischen Element des räumlichen Chirpers unter Verwendung eines aktiven Positionskontrollsubsystems, so dass die Lichtstrahlen in der Fourierebene zur Deckung gebracht werden.