DE19700720A1

DE19700720A1 - Method and device for generating a coherent light beam

Info

Publication number: DE19700720A1
Application number: DE19700720A
Authority: DE
Inventors: Richard Prof Dr Wallenstein; Bernard Beier
Original assignee: LDT GmbH and Co Laser Display Technologie KG
Current assignee: LDT Laser Display Technology GmbH
Priority date: 1997-01-11
Filing date: 1997-01-11
Publication date: 1998-07-16
Also published as: IL126053A0; WO1998030929A1; EP0902906A1; JP2000507368A

Abstract

The invention concerns a method and device for generating a coherent light beam (10), wherein n > 1 primary coherent light beams (14) are each passed at mutually fixed phase relations into one of n optical amplifiers (12), whereupon n secondary light beams (16) are guided out of these amplifiers (12). The n secondary light beams (16) are combined with a first optical system (20) by phase-matched superposition to form the coherent light beam to be generated.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen eines kohärenten Lichtbündels, bei dem n < 1 primäre kohärente Lichtbündel mit zueinander fester Phasenbeziehung jeweils in einen von n optischen Verstärkern geleitetet werden, wonach aus diesen Verstärkern n sekundäre Lichtbündel herausgeführt werden.The invention relates to a method for generating a coherent beam of light the n <1 primary coherent light beam with a fixed phase relationship to each other in one of n optical amplifiers are routed, after which n secondary light beams are led out.

Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Erzeugen eines kohärenten Lichtbündels, die n < 1 optische Verstärker mit je einem Eingang, dem jeweils eines von n primären Lichtbündeln mit zueinander fester Phasenbeziehung zugeführt ist, und mit je einem Ausgang, aus dem jeweils eines von n sekundären Lichtbündeln entnehmbar ist, aufweist.The invention further relates to a device for generating a coherent Light bundle, the n <1 optical amplifier with one input each, one of n primary light bundles with a fixed phase relationship to each other, and with one each Output, from which one of n secondary light beams can be removed.

Die maximale Ausgangsleistung von Diodenlasern ist durch die maximale zulässige Intensität des laserinternen Lichtfeldes an den Austrittsflächen des Laserkristalls begrenzt. Innerhalb einer weniger als 1 µm dicken Schicht auf der Austrittsfläche absorbiert das Diodenlasermaterial das interne Lichtfeld. Ein zu hoher Lichtfluß kann dort zu thermischer Zerstörung der Lichtaustrittsfläche beziehungsweise der Lichtaustrittsfacette führen. Die maximale Leistungsdichte für eine Austrittsfläche beträgt z. B. für Galliumarsenid 50 mW/µm².The maximum output power of diode lasers is limited by the maximum permissible intensity of the laser-internal light field at the exit surfaces of the laser crystal. The diode laser material absorbs the internal light field within a layer less than 1 µm thick on the exit surface. A too high light flux can lead to thermal destruction of the light exit surface or the light exit facet there. The maximum power density for an exit surface is z. B. for gallium arsenide 50 mW / µm ² .

Die effizienteste Methode zur Erhöhung der Ausgangsleistung von Diodenlasern beinhaltet deshalb die Vergrößerung der Austrittsfläche, beispielsweise in lateraler Richtung. Hierdurch erhält man Diodenlaser mit einer transversalen Emitterbreite von typischerweise 60 bis 500 µm und einer Emitterhöhe von ungefähr 1 µm. Diese Diodenlaser weiden als Breitstreifendiodenlaser bezeichnet.The most efficient way to increase the output power of diode lasers includes therefore the enlargement of the exit surface, for example in the lateral direction. Hereby diode lasers with a transverse emitter width of typically 60 to 500 μm are obtained and an emitter height of approximately 1 µm. These diode lasers graze as Broadband diode laser called.

Bei der einfachsten Form der aktiven Zone ist eine rechteckige Stromkontaktfläche und somit ein rechteckiger Verstärkungsbereich vorgesehen. Derartige Diodenlaser nennt man auch "broad-area-diode-laser". In neueren Konstruktionen werden auch konische Formen für die aktive Zone verwendet und die Laser werden üblicherweise als "tapered-amplifier" bezeichnet. The simplest form of the active zone is a rectangular current contact surface and thus a rectangular reinforcement area is provided. Such diode lasers are also called "broad area diode laser". In newer constructions, conical shapes for the active zone and the lasers are commonly referred to as "tapered amplifiers".

Eine alternative Bauform, bei den sogenannten "diode-laser-arrays", ist durch die parallele Anordnung von schmalen Kontaktstreifen in einem Abstand von ungefähr 10 µm zum Erreichen einer vergrößerten Austrittsfläche gegeben.An alternative design, the so-called "diode laser arrays", is due to the parallel Arrangement of narrow contact strips at a distance of about 10 microns to Given an enlarged exit area.

Die Emission der Hochleistungsdiodenlaser erfolgt in einer großen Zahl von longitudinalen Moden und aufgrund der großen lateralen Breite der verstärkenden Zone in einer Vielzahl von überwiegend transversalen Resonatormoden. Diese Modenstruktur bestimmt die spektrale und räumliche Strahlcharakteristik des erzeugten Laserlichts. Die maximale Ausgangsleistung der genannten Hochleistungsdiodenlaser liegt im Bereich von 1 bis 20 W im Dauerstrichbetrieb.The high-power diode laser is emitted in a large number of longitudinal ones Modes and due to the large lateral width of the reinforcing zone in a variety of predominantly transverse resonator modes. This mode structure determines the spectral and spatial beam characteristic of the generated laser light. The maximum output power of the The high-power diode laser mentioned is in the range from 1 to 20 W in continuous wave mode.

Eine weitere Erhöhung der Leistung durch Verbreiterung der aktiven Zone ist durch die Anregung von Quermoden im Laser beschränkt. Soll eine höhere Ausgangsleistung erreicht werden, geht man üblicherweise zu einer parallelen Anordnung von gleichen Diodenlasern über. In diesem Fall spricht man von Diodenlaserbarren. Der Abstand zwischen den einzelnen Diodenlasern ist dabei so groß, daß kein Überlapp der Lichtfelder, also keine Lichtfeldkopplung, möglich ist. Die emittierte Strahlung setzt sich spektral und räumlich aus der Strahlung der einzelnen Diodenlaser zusammen. Die Emission ist spektral breitbandig und nicht beugungsbegrenzt.A further increase in performance by widening the active zone is through the Excitation of transverse modes in the laser limited. Should achieve a higher output power , one usually goes to a parallel arrangement of the same diode lasers about. In this case one speaks of diode laser bars. The distance between each Diode lasers are so large that there is no overlap of the light fields Light field coupling is possible. The emitted radiation is composed of spectral and spatial Radiation of the individual diode lasers together. The emission is spectral and broadband not diffraction limited.

Zum Erzeugen schmalbandiger beugungsbegrenzter Strahlung eignen sich insbesondere Oszillator-Verstärker-Systeme. Diese Systeme bestehen aus einem Einstreifendiodenlaser und einem oder mehreren Halbleiterverstärkern. Als Verstärker eignen sich sowohl trapezförmige Diodenlaser, Breitstreifendiodenlaser als auch Diodenlaserarrays. Damit die transversalen Moden des Verstärkers unterdrückt werden, wird das Reflexionsvermögen der Facetten, also der Austrittsflächen, stark, insbesondere unter 10⁻⁵ reduziert. Der Verstärker emittiert ohne Einkopplung eines primären Lichtbündels nur verstärktes Licht aus Spontanemissionen. Wird dagegen ein primäres Lichtbündel geeigneter Wellenlänge eingekoppelt, erhöht sich die emittierte Leistung aufgrund der durch das einfallende Lichtbündel stimulierten Emission. Die spektralen und räumlichen Eigenschaften des Laserlichts aus dem primären Lichtbündel bleiben dabei erhalten.Oscillator-amplifier systems are particularly suitable for generating narrow-band diffraction-limited radiation. These systems consist of a single-strip diode laser and one or more semiconductor amplifiers. Both trapezoidal diode lasers, broad-band diode lasers and diode laser arrays are suitable as amplifiers. Thus, the transverse modes of the amplifier can be suppressed, the reflectivity of the facets, that is, the exit faces is strong, particularly under ⁵ 10⁻ reduced. Without coupling in a primary light beam, the amplifier only emits amplified light from spontaneous emissions. If, on the other hand, a primary light beam of a suitable wavelength is coupled in, the power emitted increases due to the emission stimulated by the incident light beam. The spectral and spatial properties of the laser light from the primary light bundle are retained.

Bei den Verstärkern unterscheidet man Systeme mit einfachem und doppeltem Durchgang. Der doppelte Durchgang, also wenn das eingekoppelte primäre Lichtbündel nach Durchgang durch die aktive Zone reflektiert wird und die aktive Zone nochmals durchläuft, ist bei senkrechtem Einfall des primären Lichtbündels auf die Austrittsfläche der Austrittsfacette unmöglich, da dann im Verstärker Filamentierung aufgrund der Wechselwirkung mit dem laseraktiven Material der hin- und rücklaufende Welle auftritt. Der einfache Durchgang ist dagegen günstiger, da die gesamte aktive Zone überstrichen werden kann und keine Wechselwirkung zwischen einer hin- und rücklaufenden Welle auftritt. A distinction is made between single and double pass systems. Of the double passage, i.e. when the coupled primary light beam after passage the active zone is reflected and passes through the active zone again is at a vertical Incident of the primary light beam on the exit surface of the exit facet impossible because then filamentation in the amplifier due to the interaction with the laser active Material of the back and forth shaft occurs. The easy passage is against it cheaper because the entire active zone can be covered and no interaction occurs between a back and forth wave.

Mit einem derartigen Verstärkersystem, in das ein kohärentes Lichtbündel zur Verstärkung eingeleitet wird, wie er in dem Artikel von D. Mehuys, L. Goldberg und D.F. Welch, "5.25-W cw near-diffraction-limited tapered-stripe semiconductor optical amplifier", IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 5, Nr. 10, Oktober 1993, S. 1179-1182, dargestellt ist, wurde eine Laserleistung von bis zu 5,25 W realisiert.With such an amplifier system, in which a coherent light beam for amplification as introduced in the article by D. Mehuys, L. Goldberg and D.F. What, "5.25-W cw near-diffraction-limited tapered-stripe semiconductor optical amplifier ", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 5, No. 10, October 1993, pp. 1179-1182 Laser power of up to 5.25 W realized.

In dem Artikel von J.S. Osinski, D. Mehuys, D.F. Welch, J.S. Major, R.G. Waarts, K.M. Dzurko und R.J. Lang, "Phased array of high-power, coherent, monolithic flared amplifier master oscillator amplifiers", Applied Physics Letters, 66 (5), 30. Januar 1995, S. 556-558, wird über eine monolithisch integrierte Parallelschaltung von Verstärkern berichtet, bei der ein Eingangslichtbündel über Wellenleiter in primäre Lichtbündel geteilt und in Verstärker eingeleitet wurde. Bei einer parallelen Anordnung von bis zu 10 Verstärkern im quasi kontinuierlichen Betrieb konnten bis zu 40 W erzeugt werden. Im Fernfeld eines beugungsbegrenzten Strahls waren damit allerdings nur 5,25 W erreichbar. Diese immer noch hohe Leistung war auch nur deswegen möglich, weil zwischen den Wellenleitern zum Leiten der primären Lichtbündel und den Verstärkern Einrichtungen zur Phasenjustierung vorgesehen waren, mit denen das Strahlprofil in gewissen Grenzen steuerbar war. Trotzdem konnte die Leistung für einen beugungsbegrenzten Strahl nicht bis zu den erwarteten 40 W erhöht werden.In the article by J.S. Osinski, D. Mehuys, D.F. Welch, J.S. Major, R.G. Waarts, K.M. Dzurko and R.J. Lang, "Phased array of high-power, coherent, monolithic flared amplifier master oscillator amplifiers ", Applied Physics Letters, 66 (5), January 30, 1995, pp. 556-558 a monolithically integrated parallel connection of amplifiers is reported, in which a Input light bundles divided into primary light bundles via waveguides and into amplifiers was initiated. With a parallel arrangement of up to 10 amplifiers in a quasi continuous operation up to 40 W could be generated. In the far field one diffraction-limited beam was only 5.25 W reachable. This still high performance was only possible because between the waveguides for guiding the primary light bundle and the amplifiers provided devices for phase adjustment with which the beam profile could be controlled within certain limits. Nevertheless, the Power for a diffraction-limited beam cannot be increased up to the expected 40 W.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit dem bzw. der die Leistung im beugungsbegrenzten Strahl bei mehreren, aus einer Vielzahl von Verstärkern ausfallenden sekundären Lichtbündeln deutlich erhöht werden kann.The object of the invention is to provide a method and a device with which of power in the diffraction limited beam at several, from a variety of Amplifiers failing secondary light beams can be significantly increased.

Die Aufgabe wird ausgehend vom gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch gelöst, daß die n sekundären Lichtbündel mit einem ersten optischen System durch phasengerechte Superposition zu dem zu erzeugenden kohärenten Lichtbündel vereinigt werden.Starting from the generic state of the art, the object is achieved in that the n secondary light bundles with a first optical system by phase-correct Superposition to the coherent light beam to be generated.

Zum Verständnis der Erfindung sei hier der M²-Parameter, neuerdings auch Beugungsmaßzahl genannt, eingeführt. Der M²-Parameter gibt das Verhältnis der Divergenzwinkel im Fernfeld des zu charakterisierenden Strahls zu einem bezüglich Strahltaille, Wellenlänge u.ä. äquivalenten Gaußschen Strahl an. Der hier interessierende M²-Parameter ist in der Publikation von M. Inguscio und R. Wallenstein, "Solid State Lasers", Plenum Publishing Corporation, New York, 1993, S. 13-28, näher definiert.To understand the invention, the M ² parameter, recently also called the diffraction index, is introduced here. The M ² parameter gives the ratio of the divergence angles in the far field of the beam to be characterized to one with regard to beam waist, wavelength and the like. equivalent Gaussian beam. The M ² parameter of interest is further defined in the publication by M. Inguscio and R. Wallenstein, "Solid State Lasers", Plenum Publishing Corporation, New York, 1993, pp. 13-28.

Wenn die M²-Parameter dieser Lichtbündel nach Ausfall der sekundären Lichtbündel aus den Verstärkern gleich denen der einfallenden primären Lichtbündel sind, sollte man erwarten, daß eine Addition der aus den Verstärkern austretenden sekundären Lichtbündel möglich ist und auch im Fernfeld eine hohe Leistung erreicht werden kann. Diesbezügliche Versuche blieben jedoch erfolglos. Der Grund wird darin gesehen, daß ein Großteil der dem Verstärker zugeführten elektrischen Leistung im Verstärkerbarren verbleibt und diesen aufheizt. Zur Abfuhr der Wärme wird der Verstärker üblicherweise gekühlt, im Verstärkerbarren stellt sich jedoch eine parabelförmige Temperaturverteilung ein. Durch diese Verteilung ist die optische Weglänge der einzelnen Verstärker unterschiedlich: Im Zentrum der Verstärkerbarrens herrscht die höchste Temperatur und damit ergibt sich dort die größte optische Wellenlänge aufgrund von Wärmeausdehnung. Die Phasendifferenz zwischen den einzelnen Strahlen wird daher im Verstärker verändert. Bei Al-GaAs-Systemen beträgt der Koeffizient für eine Phasenverschiebung ungefähr 15 mA/2π.If the M ² parameters of these light bundles after the failure of the secondary light bundles from the amplifiers are the same as those of the incident primary light bundles, one should expect that an addition of the secondary light bundles emerging from the amplifiers is possible and high performance can also be achieved in the far field . Attempts in this regard were unsuccessful. The reason is seen in the fact that a large part of the electrical power supplied to the amplifier remains in the amplifier bar and heats it up. The amplifier is usually cooled to dissipate the heat, but a parabolic temperature distribution occurs in the amplifier bar. Due to this distribution, the optical path length of the individual amplifiers is different: The highest temperature prevails in the center of the amplifier bars and thus the largest optical wavelength is there due to thermal expansion. The phase difference between the individual beams is therefore changed in the amplifier. In Al-GaAs systems, the coefficient for a phase shift is approximately 15 mA / 2π.

Es wird angenommen, daß aufgrund dieser Temperaturdifferenzen unterschiedliche Phasen erzeugt werden, so daß sich die n sekundären Lichtbündel aus den Verstärkern nicht vollständig addieren können.It is believed that due to these temperature differences, different phases are generated so that the n secondary light beams from the amplifiers are not can add up completely.

Allerdings kann mit optischen Systemen erfindungsgemäß eine phasengerechte Superposition erreicht werden, indem man die durch die Temperaturverteilung gegebenen Phasendifferenzen bei der Superposition der n sekundären Lichtbündel mittels einer insbesondere diffraktiven Optik ausgleicht.However, according to the invention, a phase-correct superposition can be achieved with optical systems can be achieved by taking the phase differences given by the temperature distribution in the superposition of the n secondary light beams by means of a diffractive one in particular Balances optics.

Derartige diffraktive Optiken transmittieren die auf sie auffallenden Lichtbündel praktisch zu 100%, so daß auch keine thermischen Effekte in der diffraktiven Optik selbst erwartet werden, die zu zusätzlichen Phasenverschiebungen führen könnten.Diffractive optics of this type practically transmit the light beams that strike them 100%, so that no thermal effects are expected in the diffractive optics themselves, that could lead to additional phase shifts.

Das gemäß der Erfindung erste optische System kann dann so ausgelegt werden, daß der M²-Pa rameter der vereinigten sekundären Lichtbündel nach phasengerechter Superposition gleich dem der n Primärstrahlen ist.The first optical system according to the invention can then be designed in such a way that the M ² parameter of the combined secondary light bundles after phase-correct superposition is equal to that of the n primary beams.

Vorteilhafterweise sollten daher auch die M²-Parameter für alle in die Verstärker einfallenden Lichtbündel gleich sein. Dies erreicht man beispielsweise gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens dadurch, daß aus einigen der n sekundären Lichtbündel ein Teilstrahl abgezweigt wird, der als primäres Lichtbündel einem anderen Verstärker zugeführt wird, so daß eine optische Reihenschaltung entsteht.The M ² parameters should therefore advantageously also be the same for all light beams incident on the amplifiers. This is achieved, for example, according to an advantageous further development of the method, in that a partial beam is branched off from some of the n secondary light bundles and is supplied to another amplifier as the primary light bundle, so that an optical series connection is produced.

Aufgrund dieser Reihenschaltung ist sichergestellt, daß der Strahlparameter eines einfallenden primären Lichtbündels möglichst gleich dem aus dem vorgeschalteten Verstärker ausfallenden Lichtbündel ist.This series connection ensures that the beam parameter of an incident primary light bundle is as similar as possible to the one emerging from the upstream amplifier Is light beam.

Bei einer anderen weiterführenden Weiterbildung der Erfindung wird ein Teilstrahl des sekundären Lichtbündels des ersten Verstärkers in dieser Reihenschaltung als primäres Lichtbündel in den ersten Verstärker dieser Reihenschaltung rückgekoppelt. Damit stellen sich die Strahlparameter für alle Verstärker in der Reihenschaltung im wesentlichen gleich ein.In another further development of the invention, a partial beam of the secondary light beam of the first amplifier in this series connection as the primary Beams of light fed back into the first amplifier of this series connection. With that, pose the beam parameters for all amplifiers in the series circuit are essentially the same.

Außerdem kann man die gesamte Verstärkerstruktur entsprechend der Größe des rückgekoppelten primären Lichtbündels sogar selbst als Oszillator betreiben. Dabei läßt sich für alle Lichtbündel, die dann durch die Verstärker dieser Reihenschaltung laufen, ein nahezu optimales Strahlprodukt erreichen.You can also see the entire amplifier structure according to the size of the operate the primary beam of light even as an oscillator. It can be used for all light bundles, which then run through the amplifiers of this series connection, an almost achieve the optimal blasting product.

Das Strahlprodukt läßt sich weiter verbessern, indem in einem Lichtweg eines dieser Teilstrahlen ein räumlich/spektraler Filter vorgesehen wird und mit diesem Filter einfrequente, multifrequente oder breitbandige Ausgangsstrahlung für das zu erzeugende kohärente Lichtbündel eingestellt wird. Neben Einstellungen der spektralen Eigenschaften des in den in Reihenschaltung befindlichen Verstärkern umlaufenden Lichtbündels kann vor allen Dingen durch räumliches Begrenzen dieses Lichtbündels, beispielsweise mittels Blenden, ein optimaler M²-Parameter des zu erzeugenden kohärenten Lichtbündels erreicht werden.The beam product can be further improved by providing a spatial / spectral filter in a light path of one of these partial beams and using this filter to set single-frequency, multi-frequency or broadband output radiation for the coherent light bundle to be generated. In addition to adjusting the spectral properties of the light bundle circulating in the amplifiers in series connection, an optimal M ² parameter of the coherent light bundle to be generated can be achieved above all by spatially limiting this light bundle, for example by means of diaphragms.

Eine andere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ist dagegen auf die Parallelschaltung von Verstärkern gerichtet. Bei dieser wird ein Eingangslichtbündel über eine zweite, insbesondere diffraktive, Optik in Teillichtbündel zerlegt, die als primäre Lichtbündel mindestens einigen Verstärkern zugeführt werden.Another preferred development of the invention, however, is the parallel connection of Amplifiers directed. In this case, an input light beam is transmitted via a second one, in particular diffractive, optics broken down into partial light beams, which are at least some as primary light beams Amplifiers are fed.

Wesentlich ist hier die Zerlegung in Teillichtbündel, die den Verstärkern als primäre Lichtbündel zugeführt werden. Dies hat den Vorteil, daß man auch hier wieder den M²-Parameter für die in die Verstärker einfallenden primären Lichtbündel gleich dem des Eingangslichtbündels einstellen kann, was die kohärente Superposition des aus den Verstärkern ausfallenden sekundären Lichtbündeln wesentlich vereinfacht. Auch aufgrund dieser Weiterbildung kann erreicht werden, daß nahezu die gesamte, von den Verstärkern als Licht ausgehende, in dem sekundären Lichtbündel zur Verfügung stehende Energie im Fernfeld zur Verfügung steht.What is essential here is the division into partial light beams, which are fed to the amplifiers as primary light beams. This has the advantage that, once again, the M ² parameter for the primary light bundles incident in the amplifiers can be set equal to that of the input light bundles, which considerably simplifies the coherent superposition of the secondary light bundles emerging from the amplifiers. It is also possible on the basis of this development that almost all of the energy emanating from the amplifiers as light and available in the secondary light bundle is available in the far field.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines kohärenten Lichtbündels ausgehend vom eingangs genannten Stand der Technik dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes optisches System am Ausgang der n Verstärker vorgesehen ist, das die n sekundären Lichtbündel durch phasengerechte Superposition in dem zu erzeugenden kohärenten Lichtbündel vereinigt.According to the invention is a device for generating a coherent light beam starting from the prior art mentioned at the outset, characterized in that a first optical system is provided at the output of the n amplifier, which is the n secondary Beams of light due to phase-correct superposition in the coherent to be generated Bundle of light united.

Die Vorrichtung enthält damit das erste, insbesondere diffraktive optische System am Ausgang der n Verstärker zur phasengerechten Superposition, mit dem die n sekundären Lichtbündel verfahrensgemäß zu dem zu erzeugenden kohärenten Lichtbündel vereinigt werden. The device thus contains the first, in particular diffractive, optical system at the exit the n amplifier for phase-correct superposition, with which the n secondary light beams be combined according to the process to the coherent light beam to be generated.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung weist das erste diffraktive optische System ein oder mehrere Hologramme auf.According to an advantageous development of the device, the first diffractive optical System on one or more holograms.

Hologramme sind als diffraktives optisches System besonders deswegen geeignet, weil sie nahezu vollständig transmittieren und auch in einfacher Weise als Beugungsbild herstellbar sind, das zur phasengerechten Superposition geeignet ist. Dies erlaubt eine einfache Anpassung auf verschiedene Verstärkersysteme. Man kann beispielsweise bei einem vorgegebenen Verstärkersystem zur Erzeugung dieses Hologramms die vom Verstärker ausgehenden sekundären Lichtbündel auf eine Photoplatte geeigneter Auflösung richten und gleichzeitig ein zweites Lichtbündel mit den gewünschten Strahlparametern des zu erzeugenden Strahls auf diese Photoplatte lenken. Das auf der Photoplatte entstehende Interferenzbild, das nach Entwickeln entstehende Hologramm, hat dann genau die Eigenschaft, daß die n sekundären Lichtbündel sich zu dem gewünschten Lichtbündel vereinigen. Dieses Verfahren eignet sich besonders zur schnellen Anpassung eines ersten optischen Systems an eine beliebige Verstärkeranordnung und so zur Entwicklung von Prototypen, da es sich sehr einfach und wenig aufwendig für die jeweiligen apparativen Gegebenheiten erzeugen läßt.Holograms are particularly suitable as a diffractive optical system because they transmit almost completely and can also be easily produced as a diffraction pattern are suitable for phase-appropriate superposition. This allows an easy one Adaptation to different amplifier systems. You can, for example, with a predetermined amplifier system for generating this hologram which is generated by the amplifier direct the outgoing secondary light beam onto a photo plate of suitable resolution and at the same time a second light beam with the desired beam parameters of the direct the generating beam onto this photo plate. The resulting on the photo plate The interference image, the hologram created after development, then has exactly the property that the n secondary light beams combine to form the desired light beam. This The method is particularly suitable for quickly adapting a first optical system any amplifier arrangement and so for the development of prototypes, since it is very can be produced easily and inexpensively for the respective apparatus conditions.

Bei einer anderen vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung weist das erste diffraktive System eine oder mehrere binäre Optiken auf.In another preferred development of the invention, the first diffractive System on one or more binary optics.

Für den Einsatz und die Schaffung binärer Optiken sei insbesondere auf den Übersichtsartikel von A. Kathman und E. Johnson, "Binary optics: New Diffractive Elements For The Designer's Tool Kit.", Photonics Spectra, September 1992, verwiesen. Mit solchen binären Optiken wird eine hologrammähnliche Beugungsstruktur mit computererzeugten lithographischen Masken stufenweise hergestellt. Dieses Verfahren eignet sich besonders für die Massenproduktion, indem eine hologrammähnliche Struktur mit Techniken, wie sie von der Herstellung von VLSI-Schaltkreisen bekannt sind, in ein Substrat eingeätzt wird. Mit derartigen Techniken sind bei Massenfertigung hochkomplexe Strukturen zum Preis von wenigen Mark fertig bar.For the use and creation of binary optics, see in particular the overview article by A. Kathman and E. Johnson, "Binary optics: New Diffractive Elements For The Designer's Tool Kit. ", Photonics Spectra, September 1992. With such binary optics a hologram-like diffraction structure with computer-generated lithographic masks gradually produced. This process is particularly suitable for mass production, by creating a hologram-like structure using techniques such as those used in the manufacture of VLSI circuits are known to be etched into a substrate. With such techniques are at Mass production of highly complex structures at a price of a few marks.

Neben der kostengünstigen Herstellung für Massenprodukte bietet dieses Verfahren in gewissen Grenzen, die beispielsweise durch die Erhaltung des Strahlprodukts gegeben sind, auch einen großen Freiheitsgrad in der Auslegung derartiger diffraktiver erster optischer Systeme, da bei der Bekanntheit der Eingangsparameter praktisch beliebige Strahlprofile für das erzeugte kohärente Laserbündel modelliert werden können.In addition to the inexpensive manufacture for mass products, this process offers in certain limits, for example given by the preservation of the blasting product, also a large degree of freedom in the design of such diffractive first optical Systems, because with the familiarity of the input parameters practically any beam profiles for the coherent laser beam generated can be modeled.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das erste diffraktive optische System eine oder mehrere Strahlteilerplatten auf. According to another advantageous development of the invention, the first diffractive optical system on one or more beam splitter plates.

Strahlteilerplatten sind aus der Optik bekannt. Mit ihnen lassen sich n Teilstrahlen zu einem einzigen Strahl phasengerecht zusammenfassen oder umgekehrt ein einziger Strahl in n phasengleiche Systeme zerlegen. Auch derartige Strahlteilerplatten sind besonders günstig zu fertigen. Hier sollte aber zweckmäßigerweise noch die Phasendifferenz aufgrund der Temperaturgradienten innerhalb der Verstärkerbarren kompensiert werden. Dafür kann dann die Strahlteilerplatte beispielsweise mit einer binären Optik oder einem Hologramm kombiniert werden.Beam splitter plates are known from optics. With them, n partial beams can be combined into one combine single beam in phase or vice versa a single beam in n disassemble in-phase systems. Such beam splitter plates are also particularly inexpensive manufacture. Here, however, the phase difference due to the Temperature gradients within the amplifier bars can be compensated. For that then the beam splitter plate is combined, for example, with binary optics or a hologram will.

Die Verfahrensvorteile, die sich bei den vorstehend schon beschriebenen Kopplungen der Verstärker herausgestellt haben, werden bei den Vorrichtungen durch folgende Weiterbildungen verwirklicht:
The advantages of the method that have emerged in the coupling of the amplifiers described above are realized in the devices by the following further developments:

- A beam splitter is provided behind at least one of the amplifiers, with a partial beam of the secondary partial light beam at the exit of this Amplifier can be coupled out and this sub-beam to another amplifier is supplied as the primary light beam;
- At least m amplifiers with 1 <m <n or all amplifiers are over the Beam splitter connected in series and the decoupled beam from the last Amplifier of this series connection is the first of this series connection fed back;
- And / or in at least one path of these partial beams from one to a spatial / spectral filter is provided next to the amplifier, in particular in the form of an aperture, a resonator, a single-mode company ser, a grating, a prism or an active optical filter for Control of the device, especially for single-frequency, multi-frequency or broadband radiation of the coherent light beam to be generated.

Ferner läßt sich auch die Parallelschaltung der Verstärker, wie vorstehend beim Verfahren ausgeführt wurde, gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch verwirklichen, daß die Vorrichtung ein zweites optisches System zum kohärenten und beugungsbegrenzten Zerlegen eines Eingangslichtbündels in Teillichtbündel aufweist, die mindestens einigen Verstärkern als primäre Lichtbündel zugeführt sind.It is also possible to connect the amplifiers in parallel, as described above for the method was carried out according to an advantageous development of the invention Realize device in that the device a second optical system for coherent and diffraction-limited decomposition of an input light beam into partial light beams has, which are supplied to at least some amplifiers as primary light beams.

Insbesondere erhält man besonders günstige Bedingungen zur Erhaltung des M²-Parameters beziehungsweise des Strahlproduktes, wenn das zweite optische System zum Zerlegen und das erste diffraktive optische System zum Zusammenführen aus gleichartigen Bauelementen ausgebildet sind. Aus dem Prinzip der Umkehrbarkeit von Lichtstrahlen erkennt man, daß wenn das erste diffraktive optische System und das zweite optische System gleichartige Bauelemente, oder sogar als gleiche Bauelemente ausgebildet sind, das M²-Produkt beziehungsweise das Strahlprodukt des erzeugten kohärenten Lichtbündels im wesentlichen gleich dem Eingangslichtbündel sein sollte. Auch durch diese Weiterbildung ist also sichergestellt, daß im Fernfeld des erzeugten Laserstrahls eine sehr hohe Leistung, die praktisch durch die Summe der einzelnen Verstärkerleistungen gegeben ist, ermöglicht wird.In particular, particularly favorable conditions for maintaining the M ² parameter or the beam product are obtained if the second optical system for disassembling and the first diffractive optical system for merging are constructed from similar components. From the principle of the reversibility of light beams, it can be seen that if the first diffractive optical system and the second optical system are of the same type, or even of the same type, the M ² product or the beam product of the coherent light bundle produced is essentially the same as the input light bundle should be. This further development also ensures that a very high power, which is practically given by the sum of the individual amplifier powers, is made possible in the far field of the laser beam generated.

Um die gleichen Vorteile wie beim ersten diffraktiven optischen System auszunutzen, ist bei den folgenden Weiterbildungen vorgesehen:
In order to take advantage of the same advantages as with the first diffractive optical system, the following further developments provide:

that the second optical system has one or more holograms,
that the second optical system has one or more binary optics,
- That the second optical systems one or more beam splitter plates having.

Für das zweite optische System ist die Strahlteilerplatte besonders vorteilhaft. Sie zerlegt ohne Änderung des Strahlproduktes einen einfallenden Teilstrahl in n gleiche Strahlen mit fester Phasenbeziehung. Der Aufwand, beispielsweise für die vorstehend genannte Parallelschaltung von Verstärkern, ist damit entsprechend gering.The beam splitter plate is particularly advantageous for the second optical system. You disassembled without Changing the beam product an incident partial beam into n equal beams with fixed Phase relationship. The effort, for example for the parallel connection mentioned above of amplifiers, is accordingly low.

Bei einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung läßt sich das Fernfeld des zu erzeugenden kohärenten Lichtbündels dadurch optimieren, daß eine Einstellvorrichtung zum Einstellen der Temperatur von jedem der n optischen Verstärker vorgesehen ist und daß aufgrund dieser Einstellvorrichtung das erzeugte kohärente Lichtbündel auf eine vorgegebene Strahlform und/oder Strahlleistung des durch das erste diffraktive optische System zusammengeführten Lichtbündels eingestellt ist.In a preferred development of the invention, the far field of the Optimizing generating coherent light beam in that an adjustment device for Setting the temperature of each of the n optical amplifiers is provided and that due to this setting device, the generated coherent light beam to a predetermined Beam shape and / or beam power of the through the first diffractive optical system merged light beam is set.

Wegen der getrennten Einstellbarkeit der Temperatur von den n optischen Verstärkern läßt sich die vorhergehend genannte Phasenverschiebung aufgrund der Temperatur ausnutzen, um das zusammengeführte kohärente Lichtbündel im Fernfeld zu optimieren. Damit ist ein zusätzlicher Freiheitsgrad gegeben, der mittels einer Gesamteinstellung der Temperatur für alle Verstärker nicht möglich gewesen wäre und beispielsweise weitere optische Bauelemente zur Phasenverschiebung nötig gemacht hätte. Es läßt sich über diese Einstellung sogar nach Alterung der Verstärker ohne Modifikation in den optischen Systemen immer noch ein gutes Strahlprofil bzw. eine hohe Strahlleistung erreichen. Because of the separate adjustability of the temperature of the n optical amplifiers take advantage of the above-mentioned phase shift due to the temperature optimize the merged coherent light beam in the far field. So that's a additional degree of freedom given by means of an overall setting of the temperature for all amplifiers would not have been possible and, for example, other optical components would have been necessary for the phase shift. This attitude can even be followed Aging of the amplifiers without modification in the optical systems is still a good one Achieve beam profile or high beam power.

Man könnte die Temperatur auch durch äußere Widerstandsheizungen oder Peltier-Elemente zum Abführen der überschüssigen Leistung der Verstärker einstellen. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist jedoch vorgesehen, daß die Temperatur mindestens eines Verstärkers über dessen Betriebsstrom einstellbar ist.You could also adjust the temperature through external resistance heaters or Peltier elements adjust to dissipate the excess power of the amplifier. With an advantageous Training is provided, however, that the temperature of at least one amplifier whose operating current is adjustable.

Aufgrund der Temperatursteuerung über den Betriebsstrom wird der Aufwand entsprechend gering gehalten. Weiter läßt sich das genannte Parabelverhalten des Temperaturgradienten bei einer Einstellung der Temperatur über dem Betriebsstrom reproduzierbar einstellen, so daß die Laserleistung im Fernfeld, beziehungsweise die Form des erzeugten kohärenten Lichtbündels ebenfalls nahezu optimal und mit hoher Stabilität gewährleistet ist.Due to the temperature control via the operating current, the effort is corresponding kept low. The parabolic behavior of the temperature gradient can also be mentioned a setting of the temperature above the operating current reproducible so that the Laser power in the far field, or the shape of the coherent light beam generated almost optimal and with high stability is also guaranteed.

Insbesondere wird die Reproduzierbarkeit dann besonders hoch, wenn die Temperatur des Verstärkers gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung über die Einstellvorrichtung nicht nur gesteuert, sondern sogar geregelt ist.In particular, the reproducibility becomes particularly high when the temperature of the Amplifier according to a preferred development of the invention via the setting device is not only controlled, but even regulated.

Eine weitere Verbesserung erreicht man gemäß einer weiterführenden Weiterbildung der Erfindung, bei der die Einstellvorrichtung durch eingangsseitige Signale ansteuerbar ist, ein Sensor zumindest zum zeitweiligen Erfassen des Strahlprofils des erzeugten kohärenten Lichtbündels zur Erzeugung der eingangsseitigen Signale zum Steuern der Einstellvorrichtung sowie eine Schaltung zum Auswerten des erfaßten Strahlprofils vorgesehen sind, wobei die Schaltung ein Netzwerk enthält, mit dem das Strahlprofil über die Einstellvorrichtung auf die vorgegebene Strahlform und/oder Strahlleistung des kohärenten Lichtbündels geregelt ist.A further improvement can be achieved according to a further education of the Invention, in which the setting device can be controlled by signals on the input side Sensor at least for temporarily detecting the beam profile of the coherent generated Light beam for generating the input signals for controlling the setting device and a circuit for evaluating the detected beam profile are provided, the Circuit contains a network with which the beam profile on the adjustment device on the predetermined beam shape and / or beam power of the coherent light beam is regulated.

Hier wird also nicht die Temperatur indirekt, sondern die Strahlform und/oder die Strahlleistung des kohärenten Lichtbündels direkt geregelt.So here the temperature is not indirect, but the beam shape and / or the beam power of the coherent light beam directly controlled.

Damit wird das Strahlprofil direkt kontrolliert, statt indirekt über eine Temperaturerfassung wie bei einer üblichen Temperaturregelung, so daß sich auch gemäß dieser Weiterbildung optimale Strahlprofile und/oder Strahlleistungen einstellen lassen.This means that the beam profile is controlled directly, instead of indirectly via temperature detection such as with a conventional temperature control, so that even according to this training optimal Have beam profiles and / or beam powers set.

Die Anzahl der Ausgänge des Netzwerkes ist zur optimalen Regelung zweckmäßigerweise gleich der Anzahl der Verstärker. Der Sensor kann beispielsweise ein das Strahlprofil aufnehmendes CCD-Element sein, wobei die Bildpunktsignale das Strahlprofil wiedergeben. Das verlangte Netzwerk wird in einem derartigen Fall wegen der hohen Anzahl von Bildpunkten beliebig komplex. Deswegen ist es beispielsweise zweckmäßig, für das Netzwerk ein neuronales Netzwerk einzusetzen, das die optimalen Bedingungen für den Ausgangsstrahl lernen kann. Wenn dieses Netzwerk für bestimmte Typen der Vorrichtung optimiert ist, kann allerdings, insbesondere für die Serienproduktion auch ein Netzwerk eingesetzt werden, das diesem neuronalen Netzwerk im optimierten Zustand nachgebildet ist. The number of network outputs is expedient for optimal regulation equal to the number of amplifiers. The sensor can be, for example, the beam profile be a receiving CCD element, the pixel signals representing the beam profile. In such a case, the required network is due to the high number of pixels arbitrarily complex. That is why it is useful, for example, for the network use neural network that provides the optimal conditions for the output beam can learn. If this network is optimized for certain types of device, it can However, a network can also be used, particularly for series production this neural network is simulated in an optimized state.

Vorstehend wurde schon gesagt, daß die entsprechende Regelung über das Netzwerk zumindest zeitweilig erfolgen soll, beispielsweise direkt nach Anschalten der Vorrichtung. Eine ständige Kontrolle des Strahlprofils mit der Möglichkeit zum sofortigen Nachregeln ist jedoch bei einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegeben, bei der ein teildurchlässiger Spiegel hinter dem ersten optischen System vorgesehen ist, der einen Teil des durch das erste optische System kohärent zusammengeführten und superponierten Lichtbündels auf den Sensor richtet.Above it has already been said that the corresponding regulation over the network should take place at least temporarily, for example directly after switching on the device. A Constant control of the beam profile with the possibility of immediate readjustment is however given in a preferred development of the device according to the invention, in which a Partially transparent mirror is provided behind the first optical system, the part the one coherently merged and superposed by the first optical system Beam of light aimed at the sensor.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen bezugnehmend auf die Zeichnung nachfolgend noch näher erläutert. Es zeigen:The invention is based on exemplary embodiments with reference to the drawing explained in more detail below. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Verfahrens und der Vorrichtung zum Erzeugen eines kohärenten Lichtbündels; Figure 1 is a schematic representation for explaining the method and the device for generating a coherent light beam.

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels mit einer optischen Parallelschaltung von Verstärkern; Figure 2 is a schematic representation of an embodiment with an optical parallel connection of amplifiers.

Fig. 3 eine lasernde Anordnung mit einer Reihenschaltung von Verstärkern; Figure 3 is a lasing arrangement with a series connection of amplifiers.

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels sowohl mit Parallelschaltung als auch mit Reihenschaltung von Verstärkern; Fig. 4 is a schematic representation of an embodiment with both parallel and series connection of amplifiers;

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Herstellungsmethode für binäre Optiken; Figure 5 is a schematic diagram for explaining a manufacturing method for binary optics.

Fig. 6 eine Strahlteilerplatte, wie sie in den Ausführungsbeispielen von Fig. 1 bis Fig. 4 eingesetzt werden kann; Fig. 6 is a beam splitter plate, as it can be used in the embodiments of FIG 1 to FIG. 4.

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zur Steuerung von Strömen der Verstärker in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen. Fig. 7 is a schematic representation of a circuit arrangement for controlling currents of the amplifier in the previous embodiments.

In Fig. 1 ist das bei der Erfindung zugrundeliegende Prinzip zur Erzeugung eines kohärenten Lichtbündels 10 schematisch dargestellt. In allen Ausführungsbeispielen werden n = 4 Verstärker 12 zur Verstärkung von n primären Lichtbündeln 14 eingesetzt. Die Zahl Vier ist dabei nur beispielhaft. Das Prinzip läßt sich für die gezeigte Anordnung auch für n = 2 oder jede beliebige andere Zahl von Verstärkern 12 und primären Lichtbündeln 14 verwenden.In Fig. 1, the principle underlying the invention for generating a coherent light beam 10 is shown schematically. In all exemplary embodiments, n = 4 amplifiers 12 are used to amplify n primary light beams 14 . The number four is only an example. The principle can also be used for the arrangement shown for n = 2 or any other number of amplifiers 12 and primary light bundles 14 .

Die Verstärker 12 sind optische Halbleiterverstärker, wie sie auch aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt sind. Durch diese werden primäre Lichtbündel 14 verstärkt, so daß aus ihnen leistungsstärkere sekundäre Lichtbündel 16 ausfallen. Die Verstärker 12 werden für diese Leistungserhöhung mit einem Strom gespeist. Eine Möglichkeit zur Regelung dieser Ströme wird anschließend in Verbindung mit Fig. 7 näher erläutert.The amplifiers 12 are optical semiconductor amplifiers, as are also known from the prior art mentioned at the beginning. Primary light beams 14 are amplified by these, so that more powerful secondary light beams 16 fail from them. The amplifiers 12 are supplied with a current for this power increase. One possibility for regulating these currents is subsequently explained in more detail in connection with FIG. 7.

Bei der Erzeugung des kohärenten Lichtbündels 10 werden die sekundären Lichtbündel 16 kohärent addiert, d. h. die einzelnen sekundären Lichtbündel werden bezüglich ihrer Phase gleichmäßig superponiert. Dazu dient ein erstes optisches System 20, das nachfolgend näher beschrieben wird.When generating the coherent light bundle 10 , the secondary light bundles 16 are added coherently, ie the phase of the individual secondary light bundles is uniformly superposed. A first optical system 20 is used for this purpose , which is described in more detail below.

Das optische System 20 basiert im wesentlichen auf dem phasengerechten Zusammenfügen von sekundären Lichtbündeln 16. Die Phase jedes sekundären Lichtbündels 16 läßt sich demgemäß mit Hilfe von Beugung zur phasengerechten Superposition justieren. Dies ermöglicht es auch, die durch die unterschiedlichen Laufzeiten im Verstärker 12 durch unterschiedliche Temperatur im Zentrum und am Rand auftretenden Phasendifferenzen zu kompensieren, so daß der gesamte Strahl in dem zu erzeugenden Lichtbündel 10 kohärent vereinigt wird.The optical system 20 is essentially based on the phase-correct assembly of secondary light beams 16 . The phase of each secondary light beam 16 can accordingly be adjusted with the aid of diffraction to the phase-appropriate superposition. This also makes it possible to compensate for the phase differences occurring due to the different transit times in the amplifier 12 due to different temperatures in the center and at the edge, so that the entire beam is coherently combined in the light bundle 10 to be generated.

Obwohl das optische System 20 beispielsweise unter Einsatz einer entsprechend ausgebildeten Phasenplatte verwirklicht werden kann, so ist es dennoch in Fig. 1 und in den folgenden Figuren als zwei getrennte optische Elemente 22 und 24 dargestellt, damit seine Funktionsweise besser erläutert werden kann.Although the optical system 20 can be implemented, for example, using an appropriately designed phase plate, it is nevertheless shown in FIG. 1 and in the following figures as two separate optical elements 22 and 24 , so that its mode of operation can be better explained.

Das optische Element 22, das beispielsweise eine normale Linse sein kann, sorgt dafür, daß die Abstände zwischen den Verstärkern 12 optisch kompensiert werden, indem die sekundären Lichtbündel 16 auf nahezu einen Punkt zusammengeführt werden. Das optische Element 24 dient hier zur phasengerechten Superposition der einzelnen Lichtbündel und zur Ablenkung in Richtung des kohärenten Lichtbündels 10. Allgemein kann man beispielsweise zur Herstellung des optischen Elements 24 ein Hologramm erzeugen, indem man ein Verstärkersystem gemäß Fig. 1 bei den gewünschten Arbeitsparametern betreibt, jedoch das optische Element 24 durch eine Photoplatte ersetzt, auf die gleichzeitig ein Laserstrahl in Gegenrichtung zu dem zu erzeugenden Lichtbündel 10 mit den gewünschten Eigenschaften gerichtet wird. Dann entsteht auf der Photoplatte ein Interferenzmuster. Nach Belichten mit diesem Interferenzmuster und Entwickeln der Photoplatte erhält man dann ein optisches Element 24, das allein aufgrund von Beugung in der Lage ist, das gewünschte kohärente Lichtbündel 10 zu erzeugen. The optical element 22 , which can be a normal lens, for example, ensures that the distances between the amplifiers 12 are optically compensated for by bringing the secondary light beams 16 together at almost one point. The optical element 24 is used here for the phase-correct superposition of the individual light beams and for deflection in the direction of the coherent light beam 10 . In general, for example, to produce the optical element 24, a hologram can be produced by operating an amplifier system according to FIG. 1 with the desired working parameters, but replacing the optical element 24 with a photo plate, onto which a laser beam is simultaneously directed in the opposite direction to the light beam to be generated 10 is directed with the desired properties. Then an interference pattern is created on the photo plate. After exposure to this interference pattern and development of the photoplate, an optical element 24 is then obtained which, due to diffraction alone, is capable of producing the desired coherent light bundle 10 .

In gleicher Weise kann man statt der beispielhaft genannten Linse für das optische Element 22 ebenfalls eine als Beugungsmuster ausgebildete Fresnelsche Zonenplatte einsetzen. Weiter läßt sich das optische Element 24 auch durch eine Strahlteilerplatte, die später in Verbindung mit Fig. 6 näher erläutert wird, verwirklichen. Dann ist es jedoch empfehlenswert, für das optische Element 22 eine diffraktive Optik einzusetzen, beispielsweise ebenfalls ein Hologramm, mit dem unterschiedliche Phasenlaufzeiten in den Verstärkern 12 aufgrund von Temperaturunterschieden kompensiert werden.In the same way, a Fresnel zone plate designed as a diffraction pattern can also be used instead of the lens mentioned as an example for the optical element 22 . Furthermore, the optical element 24 can also be realized by a beam splitter plate, which will be explained in more detail later in connection with FIG. 6. Then, however, it is recommended to use diffractive optics for the optical element 22 , for example also a hologram, with which different phase delays in the amplifiers 12 are compensated for due to temperature differences.

Die vorstehenden Erörterungen zeigen, daß eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Ausbildung des ersten optischen Systems 20 möglich sind. Wichtig ist dabei, daß mindestens ein optisches Element 22 oder 24 vorgesehen ist, mit dem die kohärenten Lichtbündel 16 wieder phasengerecht superponiert werden können, damit auch im Fernfeld eine hohe Parallelität des zu erzeugenden kohärenten Lichtbündels 10 möglich wird. Optisch ist dafür eine Begrenzung durch das Strahlprodukt und den M²-Parameter gegeben, der die Strahleigenschaften im Fernfeld beschreibt. Durch geeignetes phasengerechtes Superponieren ergeben sich aber auf jeden Fall ein Strahlprodukt und ein M²-Parameter, die im wesentlichen nur durch die entsprechenden Größen der primären Lichtbündel 14 bestimmt sind. Damit läßt sich ein System schaffen, mit dem Laserstrahlung im Multiwattbereich erzeugt werden kann. Das kohärente Lichtbündel 10 ist nahezu beugungsbegrenzt und die spektralen Eigenschaften des Systems werden im wesentlichen nur durch die Eigenschaften der primären Lichtbündel 14 bestimmt.The foregoing discussion shows that a variety of ways to form the first optical system 20 are possible. It is important that at least one optical element 22 or 24 is provided with which the coherent light bundles 16 can again be superposed in phase, so that a high parallelism of the coherent light bundle 10 to be generated is also possible in the far field. There is a visual limitation for this due to the beam product and the M ² parameter, which describes the beam properties in the far field. Appropriate phase-appropriate superposition results in any case in a beam product and an M ² parameter, which are essentially only determined by the corresponding sizes of the primary light beams 14 . A system can thus be created with which laser radiation in the multi-watt range can be generated. The coherent light bundle 10 is almost diffraction limited and the spectral properties of the system are essentially determined only by the properties of the primary light bundles 14 .

Ein derartiges System ist praktisch beliebig skalierbar, d. h. durch Zufügen von mehr Verstärkern 12 mit primären Lichtbündeln 14 läßt sich theoretisch eine beliebig hohe Leistung im kohärenten Lichtbündel 10 erzeugen. Bei praktischen Anwendungen ist die obere Grenze nur dadurch gegeben, daß eine zu hohe Laserleistung das optische System 20 zerstören könnte. Um die Zerstörschwelle möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, als erstes optisches Element 22 eine diffraktive Optik zu wählen, mit der die Phasenanpassung vorgenommen wird, und als optisches Element 24 ein System, das hohe Leistung vertragen kann, beispielsweise eine Strahlteilerplatte, wie sie in Fig. 6 beispielhaft gezeigt ist.Such a system can be scaled practically as desired, that is to say by adding more amplifiers 12 with primary light bundles 14 it is theoretically possible to generate any desired power in the coherent light bundle 10 . In practical applications, the upper limit is only that an excessive laser power could destroy the optical system 20 . In order to keep the destruction threshold as low as possible, it is advantageous to choose a diffractive optic as the first optical element 22 , with which the phase adjustment is carried out, and as a optical element 24, a system that can tolerate high power, for example a beam splitter plate such as the one used is shown by way of example in FIG. 6.

Wie Versuchsaufbauten gezeigt haben, zeichnet sich das System von Fig. 1 auch durch einen kompakten Aufbau und eine hohe mechanische Stabilität aus. Insbesondere ist durch den Einsatz von Halbleiterlasern eine effiziente Umwandlung von elektrischer in optische Leistung möglich. Mit Verstärkern 12, die mit Hilfe der Halbleitertechnologie angefertigt sind, läßt sich sowohl eine große Gleichartigkeit als auch eine hohe Dichte erreichen. Insbesondere sind auch alle Komponenten für Massenfertigung geeignet, vor allen Dingen, wenn statt des beispielhaften Hologramms eine binäre Optik eingesetzt wird, wie sie in Verbindung mit Fig. 5 näher erläutert werden wird.As experimental setups have shown, the system of FIG. 1 is also characterized by a compact structure and high mechanical stability. In particular, the use of semiconductor lasers enables efficient conversion from electrical to optical power. With amplifiers 12 , which are made with the aid of semiconductor technology, both great uniformity and high density can be achieved. In particular, all components are also suitable for mass production, above all if a binary optic is used instead of the exemplary hologram, as will be explained in more detail in connection with FIG. 5.

Damit optimale Leistungen und Strahlparameter für das kohärente Lichtbündel 10 möglich sind, wurden bei den Versuchsaufbauten für die Ausführungsbeispiele nur geringe Toleranzen bezüglich der Emitterposition senkrecht zur aktiven Zone der einzelnen Verstärker zugelassen. Das Reflexionsvermögen am Eingang und Ausgang der Verstärker 12 wurde ferner mit Antireflexschichten unterhalb von 10⁻⁵ gehalten. Weiter wurden separate Stromansteuerungen für jeden einzelnen Verstärker gewählt und optimale Strahlparameter über die Ströme geregelt, wie dies nachfolgend beispielhaft anhand von Fig. 7 verdeutlicht werden wird.In order that optimum performance and beam parameters for the coherent light bundle 10 are possible, only small tolerances with regard to the emitter position perpendicular to the active zone of the individual amplifiers were permitted in the test setups for the exemplary embodiments. The reflectivity at the input and output of the amplifier 12 was also maintained with anti-reflective layers below 10⁻. ⁵ Furthermore, separate current controls were selected for each individual amplifier and optimal beam parameters were regulated via the currents, as will be illustrated below using the example of FIG. 7.

Damit die sekundären Lichtbündel 16 sich zu dem zu erzeugenden kohärenten Lichtbündel 10 geeignet addieren lassen, sollten die primären Lichtbündel 14 zueinander eine feste Phasenbeziehung aufweisen. Weiter kann man die Strahlparameter des zu erzeugenden kohärenten Lichtbündels 10 auch verbessern, wenn die primären Lichtbündel 14 ebenfalls möglichst gleiche Strahlparameter aufweisen. Wie dies verwirklicht werden kann, wird nachfolgend an verschiedenen Beispielen gemäß Fig. 2 bis Fig. 4 verdeutlicht.In order that the secondary light bundles 16 can be suitably added to the coherent light bundle 10 to be generated, the primary light bundles 14 should have a fixed phase relationship to one another. Furthermore, the beam parameters of the coherent light bundle 10 to be generated can also be improved if the primary light bundles 14 likewise have the same beam parameters as possible. How this can be realized is referred to in various embodiments according to FIGS. 2 to FIG. 4 illustrates.

In Fig. 2 ist ein zweites optisches System 30 zum kohärenten und beugungsbegrenzten Zerlegen eines kohärenten Eingangslichtbündels 32 in die primären Lichtbündel 14 vorgesehen. Dieses zweite optische System 30 kann einfach eine Strahlteilerplatte sein. Im Beispiel von Fig. 2 ist das zweite diffraktive optische System 30 jedoch ebenfalls mit zwei optischen Elementen 34 und 36 ausgebildet. Das optische Element 34 ist damit baugleich mit dem optischen Element 24 des ersten optischen Systems 20 so wie auch das optische Element 36 baugleich mit dem optischen Element 22 des ersten optischen Systems 20 ist. Damit wird aufgrund des Prinzips der Umkehrbarkeit von Lichtwegen sichergestellt, daß das zu erzeugende kohärente Lichtbündel 10 praktisch dieselben Strahleigenschaften hat wie das einfallende Eingangslichtbündel 32.A second optical system 30 is provided in FIG. 2 for the coherent and diffraction-limited decomposition of a coherent input light bundle 32 into the primary light bundles 14 . This second optical system 30 can simply be a beam splitter plate. In the example of FIG. 2, however, the second diffractive optical system 30 is also formed with two optical elements 34 and 36 . The optical element 34 is thus identical in construction to the optical element 24 of the first optical system 20, just as the optical element 36 is identical in construction to the optical element 22 of the first optical system 20 . This ensures, based on the principle of reversibility of light paths, that the coherent light bundle 10 to be generated has practically the same beam properties as the incident input light bundle 32 .

Bei optimaler Auslegung der Vorrichtung gemäß Fig. 2 hängen damit die Strahleigenschaften des zu erzeugenden kohärenten Lichtbündels 10 im wesentlichen nur von der Qualität des Eingangslichtbündels 32 ab. Um von den Eigenschaften dieses Eingangslichtbündels im wesentlichen unabhängig zu werden, ist in Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Verstärker 12 selbst zum Aufbau einer lasernden Struktur angeordnet sind.With an optimal design of the device according to FIG. 2, the beam properties of the coherent light bundle 10 to be generated essentially depend only on the quality of the input light bundle 32 . In order to become essentially independent of the properties of this input light bundle, an exemplary embodiment is shown in FIG. 3 in which the amplifiers 12 themselves are arranged to build up a lasering structure.

Dazu wird das aus einem Verstärker 12 ausfallende sekundäre Lichtbündel 16 jeweils über einen teildurchlässigen Spiegel 40 geteilt, wobei einer der Teilstrahlen jeweils über einen zweiten Spiegel 42 einem nachfolgenden Verstärker 12 als primäres Lichtbündel 14 zugeführt ist. Vom letzten Spiegel 40 wird der letzte Teilstrahl eines sekundären Lichtbündels 16 über einen optischen Isolator 44 und einen Spiegel 45 und ein räumlich/spektraler Filter 46 sowie einem Spiegel 47 wieder in den ersten der Verstärker 12 eingeleitet. Damit bildet die Verstärkeranordnung einen Ringlaser aus. Die Verstärker 12 sind dabei alle in Reihe geschaltet, was bedeutet, daß in jeden Verstärker 12 bei gleicher Qualität der Spiegel 40 alle primären Lichtbündel 14 die gleiche Strahlqualität haben, so daß das erste optische System 20 die sekundären Lichtbündel 16 optimal kohärent superponieren kann.For this purpose, the secondary light bundle 16 emerging from an amplifier 12 is in each case divided by a partially transparent mirror 40 , one of the partial beams being fed via a second mirror 42 to a subsequent amplifier 12 as the primary light bundle 14 . The last partial beam of a secondary light bundle 16 is introduced from the last mirror 40 via an optical isolator 44 and a mirror 45 and a spatial / spectral filter 46 and a mirror 47 into the first of the amplifiers 12 . The amplifier arrangement thus forms a ring laser. The amplifiers 12 are all connected in series, which means that in each amplifier 12 with the same quality of the mirrors 40, all the primary light beams 14 have the same beam quality, so that the first optical system 20 can optimally coherently superpose the secondary light beams 16 .

Der räumlich/spektrale Filter 46 bestimmt dabei die räumlichen und spektralen Eigenschaften des kohärenten Lichtbündels 10. Mit einer Blende läßt sich im wesentlichen der Strahldurchmesser der umlaufenden Teilstrahlen bestimmen. Weiter lassen sich bei Aufbau des Filters 46 mittels eines Resonators, einer Single-Mode-Faser, eines Gitters, eines Prismas oder eines aktiven optischen Filters die spektralen Eigenschaften der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung innerhalb der durch den Aufbau gegebenen physikalischer Grenzen praktisch beliebig einstellen.The spatial / spectral filter 46 determines the spatial and spectral properties of the coherent light bundle 10 . With a diaphragm, the beam diameter of the circulating partial beams can essentially be determined. Furthermore, when the filter 46 is constructed by means of a resonator, a single-mode fiber, a grating, a prism or an active optical filter, the spectral properties of the device shown in FIG. 3 can be set practically as desired within the physical limits given by the structure .

In Fig. 4 ist ferner ein Beispiel gezeigt, das die positiven Eigenschaften der Ausführungsbeispiele von Fig. 2 und Fig. 3 vereinigt. Dabei sind jeweils zwei Verstärker 12 mit Spiegeln 40 und 42 in Reihe geschaltet. Angeregt werden die Verstärker jedoch nur von den zwei primären Lichtbündeln 14, die durch ein zweites optisches System 30 aus einem Eingangslichtbündel 32 durch Zerlegung gewonnen wurden.In FIG. 4, an example is also shown, which unites the positive properties of the embodiments of FIG. 2 and FIG. 3. Two amplifiers 12 with mirrors 40 and 42 are connected in series. However, the amplifiers are only excited by the two primary light bundles 14 , which were obtained by a second optical system 30 from an input light bundle 32 by decomposition.

Abschließend sei zu dem Beispiel von Fig. 2 und Fig. 4 noch ausgeführt, daß auch diese Systeme so ausgebildet werden können, daß die Verstärker 12 selbst zum Lasern eingesetzt werden. Um eine derartige Vorrichtung zu schaffen, kann man beispielsweise mit einem teildurchlässigen Spiegel einen Teil des kohärenten Lichtbündels 10 abzweigen, der über einen Isolator und ein räumlich/spektraler Filter sowie Umlenkspiegel wieder als Eingangslichtbündel 32 zugeführt wird.2 and FIG. 4, it should finally to the example of FIG. Yet performed that also these systems can be designed so that the amplifier 12 can be used even for lasers. To create such a device, for example, a part of the coherent light bundle 10 can be branched off with a partially transmissive mirror, which part is supplied again as an input light bundle 32 via an isolator and a spatial / spectral filter and deflecting mirror.

Während in den vorigen Beispielen Fig. 1 bis Fig. 4 im wesentlichen Hologramme für die kohärente Addition bzw. Zerlegung des ersten optischen Systems bzw. des zweiten optischen Systems und insbesondere für die optischen Elemente 22 sowie 24, bzw. 34 und 36 angesprochen wurden, die es gestatten, für jede beliebige Vorrichtung ein optisches System 20 bzw. 30 zu schaffen, mit dem das zu erzeugende Lichtbündel 10 optimale Strahlparameter aufweist, so ist jedoch für eine Massenproduktion der Einsatz binärer Optiken wesentlich vorteilhafter. Diese können mit der Technologie, wie sie für die Fertigung von VSLI-Schaltkreisen bekannt ist, hergestellt werden. Mit dieser Technologie ist die Massenproduktion mit einem Herstellungspreis von nur wenigen Mark oder sogar nur Pfennigen für die optischen Systeme 20 und 30 möglich. While there have been addressed in the previous examples, Figs. 1 to Fig. 4 substantially holograms for the coherent addition and decomposition of the first optical system and second optical system, and in particular for the optical elements 22 and 24, or 34 and 36, which allow an optical system 20 or 30 to be created for any device, with which the light bundle 10 to be generated has optimal beam parameters, but the use of binary optics is much more advantageous for mass production. These can be manufactured using the technology known for manufacturing VSLI circuits. This technology enables mass production for the optical systems 20 and 30 with a manufacturing price of only a few marks or even just pennies.

Das Herstellungsverfahren sei hier kurz anhand von Fig. 5 erläutert. Eine beliebige Beugungsstruktur läßt sich durch einen Computer berechnen, der dann die entsprechenden Lithographiemasken für das dargestellte Verfahren erzeugt. Mit Hilfe von Photolithographie, d. h. durch jeweiliges Belichten einer Photoschicht, die auf einem Substrat angeordnet wird, und nachfolgendem Entwickeln der Photoschicht sowie Ätzen des Substrats entstehen jeweils zwei Stufen unterschiedlicher Tiefe. Diese Stufen formen dann bei entsprechender Anzahl von Masken eine Treppenstruktur, die aufgrund der computerberechneten Lithographiemasken mit beliebiger Genauigkeit an ein gewünschtes Beugungsmuster angepaßt werden kann.The manufacturing process is briefly explained here with reference to FIG. 5. Any diffraction structure can be calculated by a computer, which then generates the corresponding lithography masks for the method shown. With the aid of photolithography, that is to say by exposure of a photo layer in each case which is arranged on a substrate, and subsequent development of the photo layer and etching of the substrate, two stages of different depth are produced in each case. With a corresponding number of masks, these steps then form a staircase structure which can be adapted to a desired diffraction pattern with any accuracy due to the computer-calculated lithography masks.

In Fig. 5 ist beispielhaft eine Beugungsstruktur 50 gezeigt, die durch dieses Herstellungsverfahren mittels einer binären Optik 52 angenähert wird. Auf der linken Seite ist mit 54 eine erste Photomaske gezeigt, mit der eine Struktur aus Photolack 56 auf einem Substrat 58 beschichtet wird. Der anschließende Photoschritt führt dann zu einer Struktur 60, die nach Ätzen die Struktur 62 ergibt und nach Beseitigung des Photolacks 56 zu der binären Struktur 64 führt. Der Name "binäre Optik" rührt daher, daß mit jedem Schritt zwei Ebenen für unterschiedliche Phasenverschiebung für das auf die Optik auftreffende Licht geschaffen werden.In FIG. 5, a diffractive structure 50 is shown by way of example, which is approximated by this manufacturing method by means of a binary optical lens system 52. On the left side, 54 shows a first photomask, with which a structure made of photoresist 56 is coated on a substrate 58 . The subsequent photo step then leads to a structure 60 which, after etching, gives structure 62 and, after removal of photoresist 56, leads to binary structure 64 . The name "binary optics" stems from the fact that with each step two levels are created for different phase shifts for the light striking the optics.

Der gleiche Ablauf ist auf der rechten Seite von Fig. 5 gezeigt, bei der eine doppelt so feine Maske 66 zum Belichten verwendet wird. Es ist deutlich erkennbar, daß bei den entsprechenden Belichtungs- und Ätzschritten anschließend eine Treppenstruktur 68 entsteht. Diese Treppenstruktur 68 hat vier Stufen, ein weiterer Photoschritt würde schon 8 Stufen ergeben. Diese Genauigkeit von 8 Stufen ist im Beispiel von der Struktur 52 gezeigt. Wie man deutlich erkennt, nähert diese Struktur 52 die beispielhaft genannte Beugungsstruktur 50 schon mit hoher Genauigkeit an. Dies ist für die genannten Anwendungen im allgemeinen ausreichend.The same procedure is shown on the right side of FIG. 5, in which a mask 66 twice as fine is used for exposure. It can be clearly seen that a staircase structure 68 subsequently arises in the corresponding exposure and etching steps. This staircase structure 68 has four steps, a further photo step would result in 8 steps. This accuracy of 8 levels is shown in the example of structure 52 . As can be clearly seen, this structure 52 already approximates the diffraction structure 50 mentioned by way of example with high accuracy. This is generally sufficient for the applications mentioned.

Als Ausgang für die Struktur 50 läßt sich das beispielhaft genannte Hologramm verwenden, das dann als binäre Optik nachgebildet wird. Das im Hologramm gebildete Interferenzmuster läßt sich jedoch auch in einer Computersimulation über Superposition von Wellen der Eingangs- und Ausgangsstrahlen berechnen, wonach sogleich die Masken mittels Computersteuerung erzeugt werden können.The hologram mentioned by way of example can be used as the output for the structure 50 , which is then simulated as binary optics. However, the interference pattern formed in the hologram can also be calculated in a computer simulation via superposition of waves of the input and output beams, after which the masks can be generated immediately by means of computer control.

Ein kohärentes Zerlegen und Zusammenführen ist weiter mit einer Strahlteilerplatte 70 gemäß Fig. 6 möglich. In Fig. 6 ist beispielhaft das Zusammenfügen dreier sekundärer Lichtbündel 16 in ein zu erzeugendes kohärentes Lichtbündel 10 gezeigt. Man kann aufgrund des Prinzips der Umkehrbarkeit der Lichtwege jedoch auch ein Lichtbündel 32 in primäre Lichtbündel 14 zerlegen. Die diesbezüglichen Bezugszeichen sind in Fig. 6 in Klammern angegeben. Coherent disassembly and merging is also possible with a beam splitter plate 70 according to FIG. 6. FIG. 6 shows, by way of example, the joining together of three secondary light beams 16 into one coherent light beam 10 to be generated. However, based on the principle of reversibility of the light paths, a light bundle 32 can also be broken down into primary light bundles 14 . The relevant reference numerals are given in brackets in FIG. 6.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei hier nur die Zerlegung eines Eingangsstrahls 32 in die primären Lichtbündel 14 dargestellt.To explain the mode of operation, only the decomposition of an input beam 32 into the primary light bundles 14 is shown here.

Ein Eingangslichtbündel 32 fällt auf eine erste Oberfläche 72 der Strahlteilerplatte 70 ein, wird in einem Einfallssegment 74 von dieser gebrochen und auf eine zweite Oberfläche 76 gegenüberliegend der ersten Oberfläche 72 geworfen, wo es entweder reflektiert wird oder als eines der zu teilenden primären Lichtbündels 14 durchgelassen wird. Das in der Strahlteilerplatte 70 reflektierte Licht fällt auf ein Segment 78 der ersten Oberfläche 72 auf, wo es wieder zur Oberfläche 76 zurückreflektiert und abhängig von der Zahl der Reflexionen weitere primäre Lichtbündel 14 austreten.An input light beam 32 is incident on a first surface 72 of the beam splitter plate 70 , is refracted by it in an incident segment 74 and is thrown onto a second surface 76 opposite the first surface 72 , where it is either reflected or transmitted as one of the primary light beams 14 to be split becomes. The light reflected in the beam splitter plate 70 is incident on a segment 78 of the first surface 72 , where it reflects back to the surface 76 and further primary light bundles 14 emerge depending on the number of reflections.

Damit die austretenden primären Lichtbündel 14 gleiche Intensität erhalten, ist auch die zweite Oberfläche 76 in Segmente 80, 82 und 84 für jedes austretende primäre Lichtbündel 14 unterteilt. Bei Zerlegung in drei Lichtbündel 14 beträgt der Reflexionskoeffizient des mit 80 bezeichneten ersten Segments 66, 6% und das des zweiten, die Bezugsziffer 82 aufweisenden Segments 50%. Segment 84 ist nur mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen, so daß das letzte primäre Lichtbündel 14 vollständig aus der Strahlteilerplatte ausfallen kann.So that the emerging primary light bundles 14 have the same intensity, the second surface 76 is also divided into segments 80 , 82 and 84 for each emerging primary light bundle 14 . When split into three light bundles 14 , the reflection coefficient of the first segment designated 80 is 66.6% and that of the second segment having the reference number 82 is 50%. Segment 84 is only provided with an anti-reflective coating, so that the last primary light beam 14 can completely drop out of the beam splitter plate.

Die oben näher erläuterten Segmente 80, 82, 84, 78 sind im Ausführungsbeispiel als dielektrische Schichten ausgeführt. Es können dafür aber auch andere Ausbildungen vorgesehen werden, wie teildurchlässige Spiegel o. ä.The segments 80 , 82 , 84 , 78 explained in more detail above are embodied as dielectric layers in the exemplary embodiment. However, other designs can also be provided for this, such as partially transparent mirrors or the like.

Aus diesen Zahlen wird auch deutlich, wie man derartige Reflexionsbedingungen festzulegen hat. Der m-te Strahl bei Zerlegung in n Strahlen muß jeweils aus einem Segment ausfallen, dessen Reflexionsgrad
These numbers also make it clear how to define such reflection conditions. The mth beam when split into n beams must each fall out of a segment, the degree of reflection

ist.is.

Die Phasendifferenz der einzelnen Lichtbündel 16 ergibt sich normalerweise aus dem Plattenabstand der ersten Platte 72 und der zweiten Platte 76. Es ist jedoch möglich, durch Aufbringen von Beugungsstrukturen auf den Oberflächen 72, 74 und 76 jeweils die zum Superponieren geeignete Phase einzustellen, wobei beispielsweise auch die Phasenabweichung durch die Verstärker 12 aufgrund des beschriebenen parabelförmigen, die Phase ändernden Temperaturverlaufs berücksichtigt werden können.The phase difference of the individual light beams 16 normally results from the plate spacing of the first plate 72 and the second plate 76 . However, it is possible to set the phase suitable for superpositioning by applying diffraction structures to the surfaces 72 , 74 and 76 , the phase deviation by the amplifiers 12 due to the described parabolic, phase-changing temperature profile also being taken into account, for example.

Die dem Verstärker 12 zugeführte elektrische Leistung führt nämlich zu einer Temperaturerhöhung im Inneren. Dadurch, daß der Verstärker nur außen gekühlt wird, entstehen auch Temperaturgradienten, die sich aufgrund der Längenausdehnung des Verstärkermaterials in unterschiedlichen Phasenverschiebungen äußert. Für Al-GaAs-Systeme beträgt der Koeffizient für eine Phasenverschiebung etwa 15 mA/2π. Diese Phasenverschiebung kann auch mit den diffraktiven Optiken in den optischen Systemen 20 oder 30 kompensiert werden. Außerdem kann die Gesamtphasendifferenz eines Verstärkers 12 jedoch auch durch zusätzliche externe Phasenverschieber verändert werden.This is because the electrical power supplied to the amplifier 12 leads to an increase in temperature inside. Due to the fact that the amplifier is only cooled externally, temperature gradients also arise which are manifested in different phase shifts due to the linear expansion of the amplifier material. For Al-GaAs systems, the coefficient for a phase shift is approximately 15 mA / 2π. This phase shift can also be compensated for with the diffractive optics in the optical systems 20 or 30 . In addition, however, the overall phase difference of an amplifier 12 can also be changed by additional external phase shifters.

Damit das System stabil arbeitet, ist es zweckmäßig, jeden Verstärker 12 getrennt über einen Strom anzusteuern und diesen möglichst sogar so zu regeln, daß die Temperatur des Verstärkers 12 gleich bleibt, damit sich die sekundären Lichtbündel 16 zu jedem Zeitpunkt im zu erzeugenden kohärenten Lichtbündel 10 optimal kohärent addieren. Eine derartige Temperaturregelungsschaltung ist beispielhaft in Fig. 7 ausgeführt. Zum Einstellen der einzelnen Ströme von Verstärkern 12, in denen in Fig. 7 nur einer beispielhaft gezeigt ist, dient eine Einstellvorrichtung 90, die die jeweiligen Ströme regelt. Die einfachste Art der Regelung ist die Temperaturerfassung der Verstärker 12 und eine getrennte Nachregelung durch die Einstellvorrichtung 90 für jeden Verstärker 12. Gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 7 wurde jedoch eine wesentlich bessere Regelung vorgesehen, bei der die Stromregelung des Verstärkers 12 direkt auf die Strahlparameter des kohärenten Lichtbündels 10 überwacht wird. Mit Hilfe eines teildurchlässigen Spiegels 92 wird ein Teilstrahl 94 aus dem zu erzeugenden kohärenten Lichtbündel 10 ausgekoppelt und auf ein CCD-Element 96 geworfen. Das CCD-Element 96 hat 256 × 256 Bildelemente, d. h. am Ausgang 90 entstehen 65 536 Signale, die das auf das CCD-Element 96 auffallende Lichtbündel 94 elektrisch als Bild charakterisieren. Daraus können nun für die Verstärker 12 Signale zur Steuerung der Temperatur gewonnen werden.In order for the system to operate stably, it is expedient to control each amplifier 12 separately by means of a current and, if possible, to regulate it so that the temperature of the amplifier 12 remains the same, so that the secondary light beams 16 are at all times in the coherent light beam 10 to be generated add optimally coherently. Such a temperature control circuit is exemplified in FIG. 7. An adjusting device 90 , which regulates the respective currents, is used to adjust the individual currents of amplifiers 12 , in which only one is shown by way of example in FIG. 7. The simplest type of control is the temperature detection of the amplifiers 12 and a separate readjustment by the setting device 90 for each amplifier 12 . According to the embodiment of FIG. 7, however, a much better regulation was provided, in which the current regulation of the amplifier 12 is monitored directly for the beam parameters of the coherent light bundle 10 . With the aid of a partially transparent mirror 92 , a partial beam 94 is coupled out of the coherent light bundle 10 to be generated and thrown onto a CCD element 96 . The CCD element 96 has 256 × 256 picture elements, ie 65 536 signals are generated at the output 90 , which electrically characterize the light beam 94 striking the CCD element 96 as an image. From this, signals for controlling the temperature can now be obtained for the amplifiers 12 .

Zur Reduzierung der 65 536 Signale zur optimalen Ansteuerung von vier oder auch nur 10 Verstärkern 12 sind sehr komplexe Netzwerke nötig.To reduce the 65 536 signals for optimal control of four or only 10 amplifiers 12 , very complex networks are necessary.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 7 wurde dies mit einem neuronalen Netzwerk 100 geleistet, das in der Lage war, die über 65 536 mal 4 Koeffizienten zur Bestimmung des Stromes zu lernen, um immer ein optimales Strahlprofil des kohärenten Lichtbündels 10 zu erzeugen.In the exemplary embodiment of FIG. 7, this was done with a neural network 100 , which was able to learn the over 65 536 by 4 coefficients for determining the current in order to always generate an optimal beam profile of the coherent light bundle 10 .

Diese Schaltungsart ist für den Standardbetrieb bei Massenproduktion ungeeignet. Deswegen ist geplant, zur Massenproduktion die von dem neuronalen Netzwerk als optimal gelernten Koeffizienten in einem konventionell aufgebauten Netzwerk, bei dem beispielsweise die Eingangssignale zum Bilden von Ausgangssignalen über Widerstände an die Ausgänge des Netzwerks gekoppelt sind, nachzubilden.This type of circuit is unsuitable for standard operation in mass production. Because of that it is planned to mass-produce those learned from the neural network as optimal Coefficients in a conventionally constructed network, in which for example the Input signals for forming output signals via resistors to the outputs of the Network are coupled to emulate.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 7 ist dazu geeignet, optimale Strahlparameter unabhängig von der Betriebszeit und der Außentemperatur zu erzeugen. Für Standardanwendungen, beispielsweise Massenproduktion für ein zukünftig zu erwartendes Laserfernsehen benötigt man jedoch keine derart hochgezüchteten optimalen Strahlparameter, so daß man mit einfacheren Regelschaltungen wie einer Temperaturregelung der einzelnen Verstärker 12 auskommen wird.The embodiment of FIG. 7 is suitable for generating optimal beam parameters independently of the operating time and the outside temperature. For standard applications, for example mass production for a laser television to be expected in the future, one does not need such highly cultivated optimal beam parameters, so that simpler control circuits such as temperature control of the individual amplifiers 12 will be sufficient.

Im Gegensatz zum Stand der Technik erlaubt das Zusammenfassen eines Lichtbündels durch phasengerechte Superposition wie beim ersten optischen System hohe Leistungen bei guter Strahlqualität im Fernfeld. Dies macht es möglich, auch mit Laserdiodenarrays, die die Verstärker 12 auf demselben Substrat enthalten, parallele Strahlen mit einer sehr hohen Leistung zu erzeugen, die beispielsweise für das Anwendungsgebiet des Laserfernsehens völlig ausreichen.In contrast to the state of the art, combining a light beam through phase-correct superposition as with the first optical system enables high performance with good beam quality in the far field. This makes it possible, even with laser diode arrays, which contain the amplifiers 12 on the same substrate, to generate parallel beams with a very high power, which are completely sufficient, for example, for the field of application of laser television.

Claims

1. A method for generating a coherent light bundle ( 10 ), in which n <1 primary coherent light bundles ( 14 ) with a mutually fixed phase relationship are each guided into one of n optical amplifiers ( 12 ), after which n secondary light bundles are generated from these amplifiers ( 12 ) ( 16 ) are lead out, characterized in that the n secondary light beams ( 16 ) are combined with a first optical system ( 20 ) by phase-correct superposition to the coherent light beam to be generated.

2. The method according to claim 1, characterized in that a partial beam is branched off from some of the n secondary light bundles ( 16 ) and fed to an amplifier ( 12 ) other than the one from which they were led out, as a primary light bundle ( 14 ) in an optical series circuit becomes.

3. The method according to claim 2, characterized in that a partial beam of the secondary light beam ( 16 ) of the last amplifier ( 12 ) in this series circuit is fed back as the primary light beam in the first amplifier ( 12 ) of this series circuit.

4. The method according to claim 3, characterized in that a spatial / spectral filter ( 46 ) is provided in a light path of one of these partial beams and with this filter ( 46 ) single-frequency, multi-frequency or broadband output radiation for the coherent light bundle ( 10 ) to be generated becomes.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that an input light beam ( 32 ) via a second optical system ( 30 ) is broken down into partial light beams which are supplied as primary light bundles ( 14 ) to at least some amplifiers ( 12 ).

6. Device for generating a coherent light bundle ( 10 ), the n <1 optical amplifiers ( 12 ), each having an input, to each of which one of n primary light bundles ( 14 ) with a fixed phase relationship is supplied, and each with an output one of n secondary light bundles ( 16 ) can be removed, characterized by a first optical system ( 20 ) at the output of the n amplifiers ( 12 ), which the n secondary light bundles ( 16 ) by phase-correct superposition in the coherent light bundle to be generated ( 10 ) united.

7. The device according to claim 6, characterized in that the first optical system ( 20 ) has one or more holograms.

8. Apparatus according to claim 6 or 7, characterized in that the first optical system ( 20 ) has one or more binary optics ( 52 ).

9. Device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the first optical system ( 20 ) has one or more beam splitter plates ( 70 ).

10. Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that a beam splitter ( 40 ) is provided behind at least one of the amplifiers, with which a partial beam of the secondary light beam ( 16 ) can be coupled out at the output of this amplifier ( 12 ) and this partial beam one other amplifier ( 12 ) as the primary light beam ( 14 ) is supplied.

11. The device according to claim 10, characterized in that at least m amplifiers with (1 <m <n) or all amplifiers ( 12 ) via the beam splitter ( 40 ) are connected in series and the decoupled partial beam from the last amplifier ( 12 ) of this series connection fed back to the first of this series circuit.

12. The apparatus according to claim 11, characterized in that in at least one path of these partial beams from one to the next amplifier ( 12 ), a spatial / spectral filter ( 46 ), in particular in the form of an aperture, a resonator, a single-mode fiber, of a grating, a prism or an active optical filter, for checking the device, in particular for single-frequency, multifrequency or broadband radiation of the coherent light bundle ( 10 ) to be generated is provided.

13. Device according to one of claims 6 to 12, characterized by a second optical system ( 30 ) for the coherent and diffraction-limited decomposition of an input light beam ( 32 ) into partial light beams, which are supplied to at least some amplifiers ( 12 ) as primary light beams ( 14 ).

14. The apparatus according to claim 13, characterized in that the second optical system ( 32 ) for disassembling and the first optical system ( 30 ) for merging are designed as similar components.

15. Device according to one of claims 13 or 14, characterized in that the second optical system ( 32 ) has one or more holograms.

16. Device according to one of claims 13 to 14, characterized in that the second optical system ( 32 ) has one or more binary optics ( 52 ).

17. Device according to one of claims 13 to 16, characterized in that the second optical system ( 32 ) has one or more beam splitter plates ( 70 ).

18. Device according to one of claims 6 to 17, characterized in that an adjusting device ( 90 ) for adjusting the temperature of each of the n optical amplifiers ( 12 ) is provided and that on the basis of this adjusting device ( 40 ) the coherent light beam ( 10 ) generated is set to a predetermined beam shape and / or beam power of the coherent light bundle ( 10 ) brought together by the first diffractive optical system ( 20 ).

19. The apparatus according to claim 18, characterized in that the temperature of at least one amplifier ( 12 ) is adjustable via its operating current.

20. The apparatus according to claim 19, characterized in that the temperature of each amplifier ( 12 ) is regulated via the adjusting device ( 40 ).

21. The apparatus according to claim 18 to 20, characterized in that the adjusting device ( 40 ) can be controlled by input signals that a sensor ( 46 ) at least for temporarily detecting the beam profile of the generated coherent light beam ( 10 ) and a circuit ( 100 ) for Evaluation of the detected beam profile for generating the input-side signals for controlling the setting device ( 40 ) is provided, the circuit ( 100 ) containing a network with which the beam profile via the setting device ( 90 ) to the predetermined beam shape and / or beam power of the coherent light beam ( 10 ) is regulated.

22. The apparatus according to claim 21, characterized in that a partially transmissive mirror ( 92 ) is provided behind the first optical system ( 20 ), which coherently merges and superposed light bundle ( 10 ) on the by the first optical system ( 20 ) Sensor ( 96 ) directs.