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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Lasersystem zum Erzeugen einer hohen Laserleistung.
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Es ist bekannt, dass es zum Erzeugen einer hohen Laserleistung möglich ist, zuerst eine Vielzahl von Elementarlaserstrahlen zu erzeugen und diese dann in einem Block bei einem Abstand zu verwenden, oder die so erzeugten elementaren Laserstrahlen zu sammeln, um eine Laserleistung zu erhalten, die um so größer ist, je größer die Anzahl der Elementarstrahlen ist.
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Jedoch ist es für die Elementarlaserstrahlen wichtig, dass sie dieselben Emissionsfrequenzen und dieselbe Phase aufweisen, sodass die resultierende Laserleistung optimal sein kann. Jedoch treten Phasendifferenzen zwischen den Elementarlaserstrahlen auf, insbesondere weil die Elementarlaserstrahlen nicht streng identischen Wegen folgen können.
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Um dieses Problem der Phasendifferenzen zu lösen, beschreibt das Stand der Technik Dokument
EP 2 649 688 ein Verfahren zum Erzeugen eines Hochleistungslaserstrahls durch Kombinieren einer Vielzahl von Elementarlaserstrahlen mit den selben Emissionsfrequenzen aber unterschiedlichen Phasen, wobei sich dieses Verfahren darin unterscheidet, dass:
- – die relative Phase jedes der Elementarlaserstrahlen in ein Lichtintensitätsniveau durch eine räumliche Phasenkontrastfilterung umgewandelt wird;
- – die Lichtintensitätsniveaus, die entsprechend den Elementarlaserstrahlen zugeordnet sind, in phasenkorrigierte Werte umgewandelt werden; und
- – die phasenkorrigierten Werte entsprechend auf die Elementarlaserstrahlen angewendet werden.
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In diesem Dokument
EP 2 649 688 wird die Phase jedes Elementarlaserstrahls iterativ innerhalb des Laseroszillators selbst bei jedem aufeinanderfolgendem Durchlauf des Elementarlaserstrahls durch den Oszillator angepasst. Folglich, zur selben Zeit zu dem jeder Elementarlaserstrahl zu einem Gleichgewichtszustand konvergiert, indem er eine Nominalleistung aufweist, konvergieren alle Elementarlaserstrahlen zusammen auf einen globalen Gleichgewichtszustand zu, indem sie nicht nur ihre Nominalleistung erreichen, sondern auch Phasen besitzen, die perfekt aneinander angepasst sind, sodass ihre nachfolgende Kombination besonders effizient gemacht wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Umsetzung eines Verfahrens zum elektrooptischen Einstellen der Phasen der Elementarlaserstrahlen zu erlauben gemäß einem iterativen Verfahren des Umwandelns von „Phasendifferenzen-Amplitudendifferenzen” und anschließendem „Anwenden der Amplitudendifferenzen-Phasenverschiebungen auf die Elementarlaserstrahlen”, für jede Art von Laserarchitektur, die eine Vielzahl von Elementarlaserstrahlen mit den gleichen Frequenzen umfasst, und insbesondere für bekannte MOPA-Architektursystemen mit einem Masterlaserstrahl, der in eine Vielzahl von Elementarlaserstrahlen aufgeteilt ist (siehe beispielsweise
US 6 366 356 ).
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Dazu unterscheidet sich gemäß der Erfindung das Verfahren zum Erzeugen einer hohen Laserleistung mittels einer Vielzahl von Elementarlaserstrahlen mit derselben Frequenz, jedoch mit unterschiedlichen Phasen, einem Verfahren, gemäß dem:
- • die relative Phase von jeden der Elementarlaserstrahlen in ein Lichtintensitätsniveau umgewandelt wird mittels einer Phasenkontrastfilterung, die eine Matrixgleichung anwendet;
- • der Lichtintensitätswert, der so für jeden der Elementarlaserstrahlen erhalten wird, in einen Phasenkorrekturwert umgewandelt wird; und
- • die Phasenkorrekturwerte entsprechend auf die Elementarlaserstrahlen angewendet werden,
dadurch, dass:
- a) Laserstrahlbereiche entsprechend aus den Elementarlaserstrahlen herausgenommen werden, wobei die Laserstrahlbereiche komplexe optische Felder bilden, die entsprechend dieselbe relative Phase wie die Elementarlaserstrahlen aufweisen, von dem sie stammen, und wobei der Satz A, den sie bilden, einer Phasenkontrastfilterung unterzogen wird, gemäß der Matrixgleichung B = M·A, um den Satz B von gefilterten komplexen optischen Feldern zu bilden, entsprechend den gefilterten Bereichen der Laserstrahlbereiche;
- b) die Intensitäten der komplexen Felder, die von den Laserstrahlbereichen gebildet werden, vor dem Filtern bestimmt werden;
- c) die Intensitäten der komplexen Felder, die von den Laserstrahlbereichen gebildet werden, nach dem Filtern bestimmt werden;
- d) der Idealfall betrachtet wird, wo alle relativen Phasen der Elementarlaserstrahlen identisch sind und wo der komplexe Satz A ein rein realer Satz Aideal wird, der nur durch die Intensitäten gebildet wird, die beim Schritt b) bestimmt wurden, und der korrespondierende gefilterte Satz Bideal mit der Matrixgleichung Bideal = M·Aideal berechnet wird, um die korrespondierenden Phasen des gefilterten komplexen Feldes in diesem Idealfall zu bestimmen;
- e) die Phasen, die im Schritt d) berechnet wurden, den gefilterten komplexen Feldern zugeschrieben werden, um einen theoretisch gefilterten Satz Bt zu bilden, und ein theoretischer Satz At vor der entsprechenden Filterung durch die inverse Matrixgleichung At = M–1·Bt berechnet wird, um die Phasen des komplexen optischen Feldes zu bestimmen, das diesen theoretischen Satz At vor dem Filtern bildet; und
- f) das Vorzeichen der Phasen des theoretischen Satzes At umgekehrt wird und diese Phasen mit umgekehrten Vorzeichen als die Phasenkorrekturwerte verwendet werden.
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So wird durch die vorliegende Erfindung eine elektrooptische Rückkopplungsschleife gebildet, um relative Zielphasen für einen Satz von Laserfeldern festzulegen. Solch eine elektrooptische Rückkopplungsschleife erlaubt eine schnelle Phasenkonvergenz ohne Störung der Laseremission.
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Die Phasenkorrekturen modifizieren die Intensitäten der gefilterten Strahlen. Danach werden die Schritte c), d), e) und f) wiederholt, bis man ein gewünschtes Kophasenniveau der Elementarlaserstrahlen erhält, oder sie werden kontinuierlich ausgeführt, um kontinuierlich irgendwelche Phasendefekte, Produkte durch Störungen, zu kompensieren.
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Vorteilhaft können die Phasenkorrekturwerte durch einen Multiplikationskoeffizienten größer oder gleich 1 gewichtet werden, um die In-Phase-Bringen-Geschwindigkeit zu optimieren. Die Intensitäten der komplexen Felder, die durch die Laserstrahlbereiche vor dem Filtern gebildet werden, können durch einen vorherigen Vorgang oder kontinuierlich bestimmt werden.
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Insbesondere, wenn sich die Elementarlaserstrahlen aus dem Aufteilen eines Masterlaserstrahls (MOPA-Architektur) ergeben, ist es vorteilhaft für diese Elementarlaserstrahlen, dass sie verstärkt werden, bevor die Laserstrahlbereiche entnommen werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein System zum Erzeugen einer hohen Laserleistung mittels einer Vielzahl von Elementarlaserstrahlen mit derselben Frequenz, jedoch mit unterschiedlichen Phasen, wobei das System umfasst:
- • eine Phasenkontrastfiltervorrichtung, die die relativen Phasen der Elementarstrahlen in Übereinstimmung mit einer Matrixgleichung M in Lichtintensitätsniveaus umwandelt;
- • eine Einrichtung zum Umwandeln der Lichtintensitätswerte in Phasenkorrekturwerte; und
- • Phasenmodulatoren zum Anwenden der Phasenkorrekturwerte auf die Elementarlaserstrahlen,
wobei sich das System darin unterscheidet:
- • dass es Strahlaufteilungseinrichtungen umfasst, um Laserstrahlbereiche von den Elementarlaserstrahlen zu entnehmen;
- • dass die Phasenkontrastfiltervorrichtung auf dem Pfad der Laserstrahlbereiche angeordnet ist;
- • dass es Erfassungseinrichtungen umfasst, um die Intensität der Laserstrahlbereiche strahlaufwärts bzw. strahlabwärts der Phasenkontrastfiltervorrichtung zu erfassen; und
- • dass es eine Berechnungseinrichtung umfasst, die mit den Erfassungseinrichtungen verbunden ist, die die Phasen der komplexen optischen Felder, die einen theoretischen Satz At vor dem Filtern bilden, berechnet und die Vorzeichen derselben umkehrt, und die die Anwendung der Phasen mit umgekehrten Vorzeichen als Phasenkorrekturwerte auf die Phasenmodulatoren anwendet.
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Vorzugsweise umfasst das System gemäß der vorliegenden Erfindung Verstärkungseinrichtungen für die Elementarlaserstrahlen, wobei diese Verstärkungseinrichtungen zwischen den Phasenmodulatoren und den Strahlteilungseinrichtungen, die die Elementarlaserstrahlbereiche entnimmt, angeordnet ist.
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Das System gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch einen Laseroszillator, der einen Masterlaserstrahl erzeugt, und einen Teiler, der die Elementarlaserstrahlen aus dem Masterlaserstahl erzeugt, umfassen.
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Die Figuren der begleitenden Zeichnungen geben ein klareres Verständnis, wie die Erfindung umgesetzt werden kann. In diesen Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen ähnliche Elemente.
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1 ist das Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Lasersystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform eines optischen Phasenkontrastsystems zum Umwandeln von Phasen in Lichtintensitätsniveaus.
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Die 3 und 4 zeigen in einer Draufsicht bzw. einem Querschnitt eine Ausführungsform eines optischen Filterelements für das optische System von 2.
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Die 5 und 6 veranschaulichen schematisch die Wirkung des Filterelements der 3 und 4.
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Das Lasersystem gemäß der vorliegenden Erfindung, das schematisch in 1 gezeigt ist, umfasst einen Laseroszillator 1, der einen Masterlaserstrahl Fm emittiert. Der Letztere wird mittels eines Teilers 2 in eine Vielzahl von n Elementarlaserstrahlen fi (mit i = 1, 2, ..., n) mit denselben Emissionsfrequenzen wie der Masterlaserstrahl Fm aufgeteilt. Jedoch, insbesondere aufgrund von Unterschieden von deren Pfaden, weisen die Elementarlaserstrahlen fi unterschiedliche Phasen auf.
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Nach Verstärkung durch entsprechende Verstärker 3.i gehen die Elementarlaserstrahlen fi durch die Teiler 4.i ohne Phasenverschiebung durch, die es zum ersten dem größten Teil der Elementarstrahlen fi erlauben, bis zu den entsprechenden Ausgängen 5.i des Lasersystems durchzugehen, und entnehmen zweitens entsprechende Laserstrahlbereiche pi den den Elementarlaserstrahlen fi.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Lasersystem von 1 eine elektrooptische Schleife zum Rückmelden des In-Phase-Bringens, das umfasst:
- – ein optisches Phasenkontrastfiltersystem 6, das eine Vielzahl von Laserstrahlbereichen pi empfängt, die entsprechend durch die Teiler 4.i aus den Elementarlaserstrahlen fi entnommen wurden, und die Phasendifferenzen aufweisen, die entsprechend identisch zu denen der Elementarlaserstrahlen fi sind, wobei das Filtersystem 6 die entsprechenden relativen Phasen φi der Laserstrahlbereiche pi in Lichtintensitätsniveaus Δli umwandeln;
- – Photodioden 7.i, die entsprechend die Intensitäten ai der Laserstrahlbereiche pi vor dem Filtern durch das System 6 erfassen;
- – Photodioden 8.i, die entsprechend die Intensitäten bi der Laserstrahlbereiche pi nach dem Filtern durch das Filtersystem 6 erfassen;
- – einen Computer 9, der die Intensitäten ai und bi entsprechend den Photodioden 7.i und 8.i empfängt und Phasenkorrekturwerte für die Elementarlaserstrahlen fi berechnet; und
- – Phasenmodulatoren 10.i, die entsprechend in den Pfad der Elementarlaserstrahlen fi strahlaufwärts zu den Verstärkern 3.i eingefügt sind, um die Elementarlaserstrahlphasenkorrekturwerte, die sie von dem Computer 9 empfangen, anzuwenden.
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Wie in 2 dargestellt ist, umfasst das optische Phasenkontrastfiltersystem 6, welches die entsprechenden Umwandlungen der Phasen φi der Elementarlaserstrahlen fi (mittels der Bereiche pi, die mit den Teilern 4.i (Separatoren) entnommen wurden) in Lichtintensitätsniveaus durchführt, ein Paar Linsen (oder konkave Spiegel) 11a und 11b, die so angeordnet sind, dass die Bildfokusebene der Linse 11b mit der Objektfokusebene der Linse 11a zusammenfällt, um ein afokales optisches System zu bilden, sowie einen optischen Filter 12, der an den entsprechenden Fokalebenen der Bildebene der Linse 11b und der Objektebene der Linse 11a angeordnet ist, sodass er auf der Achse des afokalen optischen Systems, das so gebildet wird, ausgerichtet ist.
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Das optische Phasenkontrastfiltersystem 6 macht es möglich, das räumliche Frequenzspektrum der Laserstrahlbereiche pi auf dem optischen Filter 12, dessen Struktur genauer in den 3 und 4 dargestellt ist, anzuzeigen. Dieses räumliche optische Filter 12 wird von Phasenkontrastabbildungstechniken abgeleitet, die genauer auf dem Gebiet der Mikroskopie bekannt sind. Dieser Filter 12 weist z. B. zwei Bereiche auf, entsprechend einem zentralen Bereich 12a und einem Randbereich 12b, dessen optische Eigenschaften sich im Sinne von Phasendifferenz und Abschwächung unterscheiden, mit der Absicht, auf jeden der n-Laserstrahlen pi, die durch ihn hindurchgehen, eine Differenzialabschwächung gemäß der Phasendifferenz zwischen der mittleren Phase von allen Strahlen pi und dem fraglichen Laserstrahl pi in der Bildfokusebene der Linse 11b anzuwenden.
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Wie durch 3 und 4 dargestellt ist, kann der optische Filter 2 umfassen:
- – eine untere Phasenverschiebungsschicht 13, deren Ausdehnung den zentralen Bereich 12a und den Randbereich 12b bedeckt, und der eine zusätzliche Ausnehmung am zentralen Bereich 12a aufweist, und
- – eine obere Amplitudenabschwächungsschicht 14, deren Ausdehnung mit dem Randbereich 12b übereinstimmt.
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Die untere Schicht 13, die die erforderliche Phasenverschiebung ausführt, kann durch eine Glasplatte mit hoher optischer Qualität, die auf ihren zentralen Teil geätzt ist, ausgebildet sein. Die obere Schicht 14, die an der Teilabschwächung der Amplitude jedes Elementarlaserstrahls (nur der Randteil des Laserstrahls) teilnimmt, kann für seinen Teil durch eine geeignete Abscheidung einer dielektrischen Schicht ausgebildet sein.
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In einer Variante kann der Filter 12 aus einer Einzelschicht gebildet sein, deren Form und Erstreckung ähnlich zu der der unteren Schicht 13 sind, und deren optische Eigenschaften sowohl zum Abschwächen als auch zur Phasenverschiebung jedes Elementarstrahls geeignet sind. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine geeignete dielektrische Behandlung durchgeführt werden.
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Der optische Filter 12 macht es deshalb möglich:
- – wie durch 5 veranschaulicht wird (die ein Beispiel eines Profils der Transparenz des Filters 12 entlang seiner Längenerstreckung zeigt), die Amplitude des Randbereichs (Durchlässigkeit T1) hinsichtlich der seines zentralen Bereichs (Durchlässigkeit T2 größer als T1) jedes Elementarlaserstrahls abzuschwächen, und
- – wie durch 6 dargestellt wird (die ein Beispiel eines Profils des Phasendifferenzniveaus des Filters 12 entlang seiner longitudinalen Erstreckung zeigt), eine Phasendifferenz zwischen dem Randteil (Phasendifferenz ΔΦ1) und dem zentralen Teil (Phasendifferenz ΔΦ2 größer als ΔΦ1) jedes Elementarlaserstrahls einzuführen.
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Aus dem Obigen kann man leicht verstehen, dass:
- – die verschiedenen Laserstrahlbereiche pi strahlaufwärts zum Filter 6 (d. h. sozusagen vor dem Filtern) einen Satz A aus n komplexen optischen Feldern Ai mit relativen Phasen φi, die entsprechend identisch zu denen der Elementarlaserstahlen fi sind und eine Intensität ai aufweisen, bilden;
- – die verschiedenen Laserstrahlbereiche pi strahlabwärts zum Filter 6 (d. h. sozusagen nach dem Filtern) einen Satz B von n komplexen optischen Feldern Bi mit Lichtintensitätsniveaus bi, die entsprechend die relativen Phasen φi repräsentieren, bilden, und
- – das Phasenkontrastfiltersystem 6 eine Matrixgleichung zwischen dem Satz A des komplexen optischen Feldes Ai und dem Satz B des komplexen optischen Feldes Bi herstellt, wobei diese Matrixgleichung durch eine komplexe Matrix M definiert wird, die durch Konstruktion des Filtersystems 6 und integriert in dem Computer 9 bekannt wird, so dass die gefilterten komplexen Felder Bi aus den komplexen Feldern Ai durch das Matrixprodukt B = M·A abgeleitet wird.
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Durch vorherige Messungen oder kontinuierliche Messungen senden die Photodioden 7.i die Quadrate der Moduli der komplexen Felder Ai zu dem Computer 9, der deshalb die Intensitäten ai der Laserstrahlbereiche pi vor dem Filtern kennt.
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Die Kenntnis dieser Intensitäten ai und die Berücksichtigung der Tatsache, dass es das gewünschte Ziel des In-Phase-Bringens ist, dass alle Phasen φi gleich sein sollten, wird der ideale pure reale Satz Aideal, welcher dann bekannt ist, berücksichtigt. Für diesen idealen Satz Aideal kann dann der Computer 9 das ideale gefilterte Feld Bideal durch das Matrixprodukt Bideal = M·Aideal berechnen und daraus die Moduli und die Phasen θi der entsprechend gefilterten komplexen Felder ableiten.
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Weiterhin senden die Photodioden 8.i die Quadrate der Moduli der komplexen Felder Bi an den Computer 9, der deshalb die Intensitäten bi der Laserstrahlbereiche pi nach dem Filtern kennt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Computer 9 die Phasen θi des idealen Satzes Bideal diesen komplexen Feldern Bi mit bekannten Intensitäten bi zu, um einen theoretischen, gefilterten komplexen Satz Bt zu bilden, und berechnet den komplexen theoretischen Satz At vor der entsprechenden Filterung durch das inverse Matrixprodukt At = M–1·Bt. Diese Berechnung macht es deshalb möglich, die Phasen φ'i des komplexen optischen Feldes, die den theoretischen Satz At bilden, zu bestimmen.
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Der Computer 9 kehrt die Vorzeichen der Phasen φ'i um und wendet entsprechende Phasenkorrekturwerte –φ'i; auf die Phasenmodulatoren 10.i an.
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Mit diesem letzten Schritt, bei dem die Messungen der Intensitäten bi, die nach dem Filtern durchgeführt wurden, modifiziert werden, werden die Schritte des Messens der Moduli bi, des Berechnens At = M–1·Bt und des Anwendens der Phasenkorrekturwerte –φ'i wiederholt, bis ein gewünschtes Niveau des In-Phase-Bringens erreicht wird.
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In einer Variante können diese Schritte kontinuierlich durchgeführt werden, um kontinuierlich alle Phasendefekte, die durch Störungen entstehen, zu kompensieren.
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Alle Ausgänge 5.i des Lasersystems in 1, an denen entsprechende Elementarlaserstrahlen fi nach dem In-Phase-Bringen in Erscheinung treten, bilden eine zusammengesetzte Laserquelle 5 mit hoher Leistung und Helligkeit. Diese zusammengesetzte Laserquelle 5 kann wie sie ist verwendet werden, um beispielsweise ein Ziel zu beleuchten, das für den Satz von Strahlen fi ausreichend weit entfernt ist, so dass man annehmen kann, dass er in der Lage ist, einen einzelnen Laserstrahl zu bilden.
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In einer Variante ist es möglich, auf eine bekannte Art eine Kombinationsvorrichtung (nicht gezeigt) bereitzustellen, an das die Elementarlaserstrahlen fi, die an den Ausgängen 5.i erscheinen, geschickt werden, und welche in der Lage ist, die Elementarlaserstrahlen fi zu kombinieren, um einen einzelnen Laserstrahl mit hoher Leistung und Helligkeit zu bilden.
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Ebenso in einer Variante ist es möglich, einen Gewichtungskoeffizienten γ (eine positive reelle Zahl größer oder gleich 1) den Phasenkorrekturwerten –Φ'i zuzuweisen durch Anwenden einer Korrektur γ·(–Φ'i) auf die Phasenmodulatoren 10.i, um die Geschwindigkeit des In-Phase-Bringens zu optimieren.
