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Die
Erfindung betrifft ein Lasersystem umfassend ein Faserbündel aus
Singlemodefasern, die mit einem ersten Ende ein Faserbündelende
bilden, an welchem sich aus aus den ersten Enden der Fasern austretender
Laserstrahlung ein Gesamtstrahlungsfeld bildet, welches auf eine
Zielfläche
abbildbar ist, und die mit ihren zweiten Enden an ein die Laserstrahlung
mit mindestens einem Halbleiterlaser erzeugendes Subsystem angekoppelt
sind.
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Derartige
Lasersysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Beispielsweise
ist ein derartiges Lasersystem in der WO 94/17575 A1 offenbart.
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Bei
diesem genannten Lasersystem wird davon ausgegangen, dass als Subsystem
jeweils ein einziger Halbleiterlaser oder ein einziger Halbleiterlaserverstärker eingesetzt
werden und die von diesen erzeugte Laserstrahlung jeweils in eine
Singlemodefaser eingekoppelt und zum Gesamtstrahlungsfeld zusammengeführt wird.
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Diese
Lösung
ist dann realisierbar, wenn der einzelne als Subsystem dienende
Halbleiterlaser oder der einzelne als Subsystem dienende Halbleiterlaserverstärker jeweils
Einzellaserstrahlung mit ausreichend hoher Leistung erzeugen.
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Sollen
jedoch Halbleiterlaser und Halbleiterlaserverstärker eingesetzt werden, welche
nur Leistungen im Bereich einiger hundert Milliwatt abgeben, so
ist das bekannte Lasersystem zu aufwändig.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Lasersystem der
gattungsgemäßen Art derart
zu verbessern, dass dieses auch mit Halbleiterlasern oder Halbleiterlaserverstärkern effizient
arbeitet und kostengünstig
realisierbar ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Lasersystem der eingangs beschriebenen Art
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das Subsystem eine Vielzahl von parallel arbeitenden Halbleiterlasern
umfasst, dass alle Halbleiterlaser des Subsystems durch über eine
Ausgangsseite in diese eingekoppelte Masterlaserstrahlung mit derselben
Wellenlänge
phasenstabil zueinander arbeiten und dass aus den einzelnen Halbleiterlasern
des jeweiligen Subsystems austretende Einzellaserstrahlung durch
eine Koppeleinrichtung des jeweiligen Subsystems zu einem in eine
der Singlemodefasern einkoppelbaren kohärenten Laserstrahlungsfeld
zusammengefasst ist.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist
darin zu sehen, dass durch die Bildung eines Subsystems aus einer
Vielzahl von Halbleiterlasern, deren Einzellaserstrahlung durch
die Koppeleinrichtung zu einem kohärenten Laserstrahlungsfeld zusammengefasst
ist, eine einfache Möglichkeit
besteht, auch geringe Laserleistung aufweisende Halbleiterlaser
einzusetzen, wobei eine effiziente Zusammenfassung der Einzellaserstrahlungsfelder
zu einem kohärenten
Strahlungsfeld mittels der Koppeleinrichtung nur dadurch effizient
und kostengünstig
möglich
ist, dass die einzelnen Halbleiterlaser durch in diese eingekoppelte
Masterlaserstrahlung in einfacher Art und Weise so betrieben werden
können,
dass sie mit exakt derselben Wellenlänge und phasenstabil zueinander
arbeiten, so dass mit der Koppeleinrichtung das kohärente Strahlungsfeld
aufgrund der bereits relativ zueinander phasenstabilen Einzellaserstrahlung
in einfacher Weise herstellbar ist.
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Ferner
ist der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung darin zu sehen, dass diese
Subsysteme selbst durch integrierte Optik oder mikrooptische Bauelemente
rationell in der erforderlichem Stückzahl herstellbar sind.
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Die
erfindungsgemäße Lösung setzt
dabei voraus, dass sämtliche
Halbleiterlaser eines Subsystems so aufgebaut und unter derartigen
Betriebsbedingungen betrieben werden, dass deren Moden und Verstärkungsprofil
so liegen, dass die Masterlaserstrahlung einen Laserbetrieb bei
einer der Moden der Halbleiterlaser vorgibt, so dass das Einkoppeln
von Masterlaserstrahlung zur Folge hat, dass alle Halbleiterlaser
dann exakt bei einer Wellenlänge
arbeiten, die der Wellenlänge
der Masterlaserstrahlung entspricht.
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Erfindungsgemäß besonders
effizient sind die mit Masterlaserstrahlung arbeitenden Halbleiterlaser,
bei welchen die Masterlaserstrahlung durch die Ausgangsseite in
die jeweiligen Halbleiterlaser einkoppelbar ist.
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Diese
Lösung
hat den Vorteil, dass die optischen Elemente zur Umsetzung der Lasermode
jedes Halbleiterlasers in das entsprechende Einzellaserstrahlungsfeld
auch dazu eingesetzt werden, in umgekehrter Weise das Masterlaserstrahlungsfeld optimal
an die Lasermode der Halbleiterlaser anzupassen, die die Masterlaserstrahlung
vorgeben soll.
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Darüber hinaus
hat diese Vorgehensweise noch den Vorteil, dass durch das Einkoppeln
der Masterlaserstrahlung von der Ausgangsseite her, bereits Phasensprünge, die
beispielsweise durch den ausgangsseitigen Reflektor bedingt sind,
für alle Halbleiterlaser
im Wesentlichen dieselben sind, da die Masterlaserstrahlung all
die optischen Bauelemente, die von der Einzellaserstrahlung durchsetzt werden
und Phasenänderungen
zur Folge haben, in umgekehrter Richtung durchsetzt und somit letztlich in
jedem Halbleiterlaser die Einzellaserstrahlung mit einer Phasenlage
entstehen lässt,
welche dieselben nachfolgenden Phasenänderungen durch die nachfolgenden
optischen Bauelemente berücksichtigt.
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Besonders
günstig
ist es dabei, wenn die Masterlaserstrahlung über ein von der Einzellaserstrahlung
durchsetztes Einkoppelelement einkoppelbar ist, so daß die Masterlaserstrahlung
auf dem Weg in jeden der Halbleiterlaser den optischen Weg in die Halbleiterlaser
durchsetzt, welcher in umgekehrter Richtung von der Einzellaserstrahlung
durchsetzt wird.
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Eine
besonders günstige
Lösung
sieht vor, dass die Masterlaserstrahlung über ein von dem kohärenten Laserstrahlungsfeld
durchsetztes Einkoppelelement in die Halbleiterlaser einkoppelbar
ist, so dass die Masterlaserstrahlung in Form eines einfach generierbaren
Masterlaserstrahlungsfeldes mit im Wesentlichen ebenen Wellenfronten
auf das Einkoppelelement auftreffen kann und dann die Masterlaserstrahlung
auf ihrem Weg in die einzelnen Halbleiterlaser stets alle von den
zu durchlaufenden optischen Bauteilen bedingten Phasenänderungen ebenfalls
erfährt
und somit in die jeweiligen Halbleiterlaser optimal eingekoppelt
wird.
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Besonders
vorteilhaft ist der Einsatz eines Halbleiterlasers, da mit diesem
eine definierte Mode und eine definierte Phasenlage entsprechend
der Masterlaserstrahlung mit einfacheren Mitteln einzuhalten sind
als im Fall von Halbleiterlaserverstärkern.
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Hinsichtlich
der Ausbildung der Koppeleinrichtung wurden im Zusammenhang mit
der bisherigen Erläuterung
der einzelnen Ausführungsbeispiele keine
näheren
Angaben gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, dass die
Koppeleinrichtung die Einzellaserstrahlung durch eine optische Abbildungsoptik
zu dem in die Singlemodefaser einkoppelbaren kohärenten Laserstrahlungsfeld
vereinigt.
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Vorzugsweise
lässt sich
die Abbildungsoptik so ausbilden, dass sie aus den Einzellaserstrahlungen
sich parallel zueinander ausbreitende Einzellaserstrahlungsfelder
mit jeweils im Wesentlichen ebenen Wellenfronten bildet. Derartige
Einzellaserstrahlungsfelder lassen sich dann besonders einfach zu einem
kohärenten
Laserstrahlungsfeld vereinigen. Es ist aber auch möglich, dass
diese Einzellaserstrahlungsfelder bereits selbst phasengleich zueinander
liegen und somit selbst das kohärente
Laserstrahlungsfeld bilden.
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In
einem derartigen Fall einer Abbildungsoptik ist vorzugsweise vorgesehen,
dass die Abbildungsoptik alle Einzellaserstrahlungsfelder eines Subsystems
in die für
dieses vorgesehene Singlemodefaser fokussiert.
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Bei
Verwendung einer Abbildungsoptik, welche aus den einzelnen Laserstrahlungen
Einzellaserstrahlungsfelder erzeugt, ist vorzugsweise vorgesehen,
dass die Masterlaserstrahlung über
die Einzellaserstrahlungsfelder in die Halbleiterlaser einkoppelbar
ist, da im Bereich der Einzellaserstrahlungsfelder ein relativ großer Strahlquerschnitt
zur Verfügung steht, über welchen
eine optimale Einkopplung der Masterlaserstrahlung erfolgen kann.
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Eine
besonders zweckmäßige Lösung sieht dabei
vor, dass die Masterlaserstrahlung über ein von allen Einzellaserstrahlungsfeldern
durchsetztes Einkoppelelement in die Halbleiterlaser einkoppelbar
ist, das heißt,
daß ein
einziges Einkoppelelement sämtliche
Einzellaserstrahlungsfelder des Subsystems erfasst und somit in
der Lage ist, Masterlaserstrahlung in alle Halbleiterlaser des Subsystems
gleichzeitig einzukoppeln.
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Bei
Einsatz einer Abbildungsoptik lässt
sich ferner noch die Kopplung der Einzellaserstrahlungsfelder dadurch
verbessern, dass die Abbildungsoptik eine Phasenplatte aufweist,
welche eine Gleichverteilung der Intensität über den Querschnitt des jeweiligen
Einzellaserstrahlungsfeldes bewirkt und somit zur Folge hat, dass
sich die Einzellaserstrahlungsfelder optimal phasengleich überlagern.
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Besonders
günstig
lässt sich
eine Abbildungsoptik als Koppelelement dann einsetzen, wenn die
Einzellaserstrahlung nicht durch einen Wellenleiter geführt ist,
sondern sich als Freistrahl im Raum ausbreitet und in dieser Form
die Abbildungsoptik durchsetzt.
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Bei
Verwendung einer vorstehend beschriebenen Abbildungsoptik hat es
sich als besonders günstig
erwiesen, wenn die Masterlaserstrahlung über ein zwischen der Abbildungsoptik
und der Singlemodefaser angeordnetes Einkoppelelement in die Halbleiterlaser
einkoppelbar ist, da in diesem Fall die Möglichkeit besteht, mit der
Masterlaserstrahlung alle durch die Abbildungsoptik bedingten Änderungen
der Phasenlage für
alle Halbleiterlaser im Wesentlichen gleich groß zu halten, da die Masterlaserstrahlung
die gesamte Abbildungsoptik in umgekehrter Richtung durchsetzt wie
die Einzellaserstrahlungen, so dass ein unterschiedlicher Einfluß der Abbildungsoptik
auf die Phasenlage der Einzellaserstrahlungsfelder möglichst
gering ist.
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Eine
weitere vorteilhafte erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass die Masterlaserstrahlung über ein
aus Wellenleitern gebildetes Einkoppelelement in die Halbleiterlaser
einkoppelbar ist. Ein derartiges Einkoppelelement aus Wellenleitern
kann entweder so angeordnet sein, dass es von der kohärenten Laserstrahlung
des Subsystems durchsetzt ist oder es kann so angeordnet sein, dass
jedem einzelnen Halbleiterlaser ein derartiges Einkoppelelement
zugeordnet ist.
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Eine
weitere alternative Lösung
sieht vor, dass die Masterlaserstrahlung über eine optische Diode als
Einkoppelelement in die Halbleiterlaser einkoppelbar ist. In diesem
Fall ist vorzugsweise die optische Diode so angeordnet, dass in
diese die kohärente
Laserstrahlung des Subsystems eintritt und außerdem die Masterlaserstrahlung,
aus der optischen Diode in Richtung der Halbleiterlaser austritt.
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Im
Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele
wurde lediglich darauf eingegangen, dass die Masterlaserstrahlung
für alle
Halbleiterlaser mit ungefähr
derselben Phasenlage in diese eintritt und somit die Halbleiterlaser
mit im Wesentlichen definierter Phasenlage relativ zueinander arbeiten
lässt.
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Um
jedoch auch noch geringe Phasenunterschiede korrigieren zu können, insbesondere
um eine im Wesentlichen vollständige
Phasenkorrelation zwischen den Einzellaserstrahlungsfeldern zu erhalten,
ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Halbleiterlaser des jeweiligen
Subsystems mit jeweils einem Teil der Masterlaserstrahlung frequenz-
und phasendefiniert betrieben sind und dass der jeweils in einen der
Halbleiterlaser eingekoppelte Teil der Masterlaserstrahlung ein
Phasenstellelement durchsetzt. Mit einem derartigen Phasenstellelement
läßt sich
dann für
jeden einzelnen der Halbleiterlaser die Phasenlage des Einzellaserstrahlungsfeldes
festlegen und somit auch die Phasenlagen der Einzellaserstrahlungsfelder
relativ zueinander.
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Besonders
günstig
ist eine relative Phasenlage zwischen den Einzellaserstrahlungsfeldern,
welche in einer Eintrittsebene in die Singlemodefaser eine kohärente Überlagerung
aller Einzellaserstrahlungen ergibt, derart dass eine maximale Leistung
in die Singlemodefaser eingekoppelt wird.
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Die
Phasenstellelemente können
beispielsweise so angeordnet sein, dass diese von dem jeweiligen
Teil der Masterlaserstrahlung und auch dem jeweiligen Einzellaserstrahlungsfeld
durchsetzt sind, so dass die von dem Phasenstellelement bewirkte Korrektur
sich sowohl auf den Teil der Masterlaserstrahlung auswirkt, der
auf den jeweiligen Halbleiterlaser auftrifft, als auch auf das von
diesem Halbleiterlaser generierte Einzellaserstrahlungsfeld.
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Noch
vorteilhafter ist es jedoch, wenn die Phasenstellelemente außerhalb
der Einzellaserstrahlungsfelder angeordnet sind, das heißt, wenn diese
lediglich von dem Teil der Masterlaserstrahlung durchsetzt werden,
welcher dann den jeweiligen Halbleiterlaser beaufschlagt.
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Besonders
günstig
ist es dabei, wenn die Phasenkorrekturelemente Phasenlagen in den
einzelnen Teilen der Masterlaserstrahlung vor deren Überlagerung
mit den Einzellaserstrahlungsfeldern korrigieren, da in diesem Fall
die Anordnung der Phasenstellelemente besonders günstig ist,
und die Einzellaserstrahlungsfelder die in der Regel verlustbehafteten
Phasenkorrekturelemente nicht mehr durchsetzen.
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Hinsichtlich
der Funktionsweise der Phasenstellelemente sind die unterschiedlichsten
Varianten denkbar. So wäre
es beispielsweise denkbar, die Phasenstellelemente so anzusteuern,
dass diese einmal einstellbar sind und dann der Phasenkorrekturwert
unverändert
bleibt. Mit dieser Lösung
besteht jedoch das Problem, dass thermische Veränderungen, beispielsweise Änderungen
in den einzelnen Phasenlagen durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen,
nicht nachkorrigiert werden können. Aus
diesem Grund sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, dass das
Phasenstellelement von einer Steuerung definiert angesteuert ist
und somit mittels der Steuerung die Möglichkeit besteht, ständig die
vom Phasenkorrekturwert korrigierte Phasenlage an gegebenenfalls
auftretende Änderungen
der Phasenlage anzupassen.
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Die
Steuerung kann beispielsweise die Phasenstellelemente aufgrund gespeicherter
Korrekturwerte ansteuern.
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Besonders
günstig
ist es hierbei, wenn die Steuerung eine relative Phasenlage der
Einzellaserstrahlungsfelder zueinander mittels den Einzellaserstrahlungsfeldern
zugeordneten Detektorelementen erfasst und dann aufgrund der erfassten
Phasenlage die Phasenstellelemente für die einzelnen Teile der Masterlaserstrahlung,
welche die die einzelnen Einzellaserstrahlungsfelder erzeugenden
einzelnen Halbleiterlaser beaufschlagen, ansteuert, so dass damit
eine Phasenregelung möglich
ist.
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Eine
derartige Erfassung der relativen Phasenlage der Einzellaserstrahlungsfelder
zueinander ist in unterschiedlicher Art und Weise möglich. Eine besonders
vorteilhafte Vorgehensweise sieht vor, dass die Steuerung die relative
Phasenlage der Einzellaserstrahlungsfelder durch Überlagerung
derselben mit einer Referenzlaserstrahlung erfasst. Beispielsweise
könnte
dabei als Referenzlaserstrahlung die Strahlung eines Einzellaserstrahlungsfeldes
eingesetzt werden, die dann allen anderen Einzellaserstrahlungsfeldern überlagert
wird, so dass dann an den Detektoren die relative Phasenlage der
Einzellaserstrahlungsfelder zueinander erkennbar ist.
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Eine
besonders einfache Art zur Feststellung der relativen Phasenlage
der Einzellaserstrahlungsfelder zueinander sieht vor, dass die Referenzlaserstrahlung
durch einen ausgekoppelten Teil der Masterlaserstrahlung gebildet
ist, die auf alle Detektoren auftrifft und somit in Überlagerung
mit den jeweiligen Einzellaserstrahlungsfeldern dann an den Detektoren
ein Intensitätssignal
erzeugt, welches die relative Phasenlage angibt.
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Die
Halbleiterlaser des Subsystems können in
unterschiedlicher Art und Weise angeordnet sein. Beispielsweise
wäre es
denkbar, einzelne Halbleiterlaserelemente für jedes Subsystem vorzusehen.
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In
diesem Fall sind vorzugsweise die Halbleiterlaser des Subsystems
in zumindest einer Richtung aufeinanderfolgend angeordnet. Eine
derartige Anordnung der Halbleiterlaser ist jedoch dann besonders
vorteilhaft, wenn sämtliche
Halbleiterlaser des Subsystems in einem Block zusammengefasst sind.
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Eine
noch höhere
Leistung bei möglichst kompakter
Bauweise lässt
sich insbesondere dann erreichen, wenn die Halbleiterlaser des Subsystems in
einer Fläche
angeordnet sind, so dass aus einer zweidimensionalen Anordnung von
Halbleiterlasern die Laserstrahlung austritt und gekoppelt werden kann.
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Dabei
ist es besonders günstig,
wenn die Halbleiterlaser des Subsystems in der Fläche in einem
definierten Flächenmuster
angeordnet sind.
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Die
Halbleiterlaser könnten
beispielsweise blockweise zusammengefasste Kantenemitter sein, wobei
mehrere Blöcke
mit jeweils einer Vielzahl von in einer Richtung aufeinanderfolgend
angeordneten Kantenemittern aufeinander liegen, so dass letztlich die
Austrittsflächen
sämtlicher
Kantenemitter ebenfalls in einer Fläche liegen und die Einzellaserstrahlung
ungefähr
senkrecht zu dieser Fläche
austritt.
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Noch
einfacher lässt
sich eine derartige Anordnung jedoch dann realisieren, wenn die
Halbleiterlaser des Subsystems Vertikalemitter sind, welche sich
in einfacher Weise auf einem Substrat in einer Fläche so dicht
beieinanderliegend anordnen lassen, dass die erzielbare Laserleistung
pro Flächeneinheit größer als
bei anders aufgebauten Systemen ist.
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Bei
derartigen als Halbleiterlaser eingesetzten Vertikalemittern lassen
sich in besonders einfacher Weise externe Auskoppelspiegel realisieren, wobei
als Auskoppelspiegel vorzugsweise konkave Auskoppelspiegel für die Halbleiterlaser
Verwendung finden.
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Ein
derartiger externer Resonator hat den Vorteil, dass sich mit diesem
definierte Lasermoden einstellen. lassen.
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Vorzugsweise
arbeitet ein Halbleiterlaser mit einem derartigen externen Auskoppelspiegel
so, dass vorzugsweise die Einzellaserstrahlung als Freistrahl aus
dem jeweiligen einzelnen Halbleiterlaser austritt.
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Beispielsweise
wäre es
denkbar, für
jeden einzelnen Halbleiterlaser einen eigenen und justierbaren Auskoppelspiegel
vorzusehen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass eine Vielzahl von
einzelnen Auskoppelspiegel erforderlich ist. Besonders günstig ist es
dabei, wenn die Auskoppelspiegel auf einem Träger angeordnet sind.
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Eine
besonders im Hinblick auf die zu verwendenden Teile günstige Lösung sieht
dabei vor, dass der Auskoppelspiegel als Beschichtung auf einem
Element der Abbildungsoptik ausgebildet ist und somit die Abbildungsoptik
mit ihrer Beschichtung auf einer vorzugsweise den Halbleiterlasern
zugewandten Seite der Abbildungsoptik vorgesehen ist. In diesem
Fall ist die Zahl der optischen Elemente relativ einfach reduzierbar
und außerdem
die gesamte Einheit sehr kostengünstig
herstellbar.
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Auch
bei allen Einheiten, bei welchen ein externer Auskoppelspiegel vorgesehen
ist, ist vorzugsweise die Einzellaserstrahlung nicht in einem Wellenleiter
geführt,
sondern breitet sich, lediglich beeinflusst durch die durchsetzten
Abbildungsoptiken, frei im Raum aus.
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Alternativ
zur Ausbreitung der jeweiligen Einzellaserstrahlung frei im Raum
sieht ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel vor, dass die
Einzellaserstrahlung jedes Halbleiterlaserelements in einen als
Wellenleiterstruktur auf einem Träger ausgebildeten ersten Wellenleiter
einkoppelbar ist. Diese Lösung
hat den Vorteil, dass sie sich einerseits einfach aufbauen lässt und
andererseits ohne großen
Justieraufwand die Herstellung eines erfindungsgemäßen Subsystems
besonders kostengünstig
realisierbar ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es dabei, wenn die ersten Wellenleiter mehrerer
Halbleiterlaser auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind, noch vorteilhafter
ist es, wenn die ersten Wellenleiter aller Halbleiterlaser des jeweiligen
Subsystems auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind. Bei einer
derartigen Lösung
lassen sich in besonders einfacher Weise eine Vielzahl von die Einzellaserstrahlungen aufnehmenden
Komponenten als integrierte Optik herstellen.
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Um
die Masterlaserstrahlung in eine derartige Lösung besonders effizient einkoppeln
zu können, ist
vorgesehen, dass die ersten Wellenleiter die eingekoppelte Einzellaserstrahlung
zu einem Einkoppelelement führen,
welches einerseits die Einzellaserstrahlung in einen zur Singlemodefaser
führenden zweiten
Wellenleiter weiterkoppelt und andererseits die Masterlaserstrahlung
in den ersten Wellenleiter einkoppelt. Eine derartige Lösung hat
den Vorteil, dass sie sich einerseits einfach herstellen lässt und dabei
nach wie vor in einfacher Weise eine effiziente Einkopplung der
Masterlaserstrahlung in jede einzelne Einzellaserstrahlung mit je
einem hierzu vorgesehenen Einkoppelelement erfolgen kann.
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Noch
günstiger
ist diese Lösung,
wenn die zweiten Wellenleiter als Wellenleiterstruktur auf einem
Träger
angeordnet sind und somit auch die zweiten Wellenleiter bereits
ebenfalls in Form einer integrierten Optik hergestellt werden können.
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Besonders
große
Vorteile ergeben sich dann, wenn die Einkoppelelemente als Wellenleiterstrukturen
auf einem Träger
angeordnet sind, so dass sich ebenfalls auch die Einkoppelelemente selbst
als Wellenleiterstruktur relativ zu den ersten Wellenleitern und
gegebenenfalls auch zweiten Wellenleiter einfach ankoppeln und positionieren
lassen.
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Prinzipiell
besteht auch bei einer derartigen Lösung die Möglichkeit, die Koppeleinrichtung
zwischen den ersten Wellenleitern und dem Einkoppelelement für die Masterlaserstrahlung
anzuordnen und somit einerseits nur ein Einkoppelelement zu erhalten,
andererseits aber auch die Möglichkeit
zu erhalten, mit der eingekoppelten Laserstrahlung die Koppeleinrichtung
selbst zu durchlaufen und somit sämtliche von der Koppeleinrichtung
hervorgerufenen Änderungen
der Phasenlage bereits über
die Phase der Masterlaserstrahlung im Halbleiterlaser zu berücksichtigen,
so dass jeder Halbleiterlaser phasenstabil relativ zum andern seine
Einzellaserstrahlung erzeugt und diese dann nach durchlaufen der
jeweiligen Komponenten und auch der Koppeleinrichtung eine mit den
anderen Einzellaserstrahlung identische Phasenlage hat, so dass
sich am Ende der Koppeleinrichtung sämtliche Einzellaserstrahlungen
phasengleich überlagern,
ohne dass – sofern
die optischen Weglängen
identisch sind – zusätzliche
Phasenstellglieder erforderlich sind. Dies erfolgt ausschließlich dadurch,
dass die Einkopplung der Masterlaserstrahlung nach den wesentlichen,
für die
Veränderung
der Phasenlage verantwortlichen Komponenten erfolgt.
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Eine
noch günstigere
Lösung
sieht jedoch vor, dass die Koppeleinrichtung zwischen den zweiten
Wellenleitern und der Singlemodefaser angeordnet ist, so dass die
Koppeleinrichtung letztlich die die zweiten Wellenleiter verlassenden
Einzellaserstrahlungen phasengleich miteinander koppeln.
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Hinsichtlich
des Aufbaus der Koppeleinrichtung selbst wurden keine näheren Angaben
gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, dass die
Koppeleinrichtung als Wellenleiterkoppler ausgebildet ist.
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Besonders
günstig
ist es hierbei, wenn die Koppeleinrichtung als Wellenleiterstruktur
auf einem Träger
ausgebildet ist, wobei vorzugsweise der Träger derselbe Träger ist,
wie der der die ersten und gegebenenfalls auch zweiten Wellenleiter
und gegebenenfalls auch Einkoppelelemente trägt.
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Eine
derartige Koppeleinrichtung ist vorzugsweise so aufgebaut, dass
sie jeweils zwei Eingänge und
mindestens einen Ausgang aufweisende Koppelelemente umfasst, und
dass an dem jeweiligen Ausgang die an den Eingängen eintretenden Einzellaserstrahlungen überlagert
sind. Eine derartige Lösung
lässt sich
beispielsweise besonders vorteilhaft dann einsetzen, wenn die Masterlaserstrahlung
nach der Koppeleinrichtung eingekoppelt wird und somit auf ihrem
Weg zu den jeweiligen Halbleiterlasern die Koppeleinrichtung durchläuft. In
diesem Fall ist – sofern
die optischen Weglängen
identisch sind – keinerlei
zusätzliche
Phasenjustierung erforderlich, da jeder Halbleiterlaser durch die
Masterlaserstrahlung in einer Phasenlage arbeitet, die sicherstellt,
dass die Einzellaserstrahlung nach Durchlaufen der Koppeleinrichtung
genau eine derartige Phasenlage aufweist, die phasengleich mit den
Einzellaserstrahlungen der übrigen
Halbleiterlaser ist, um sicherzustellen, dass sich alte Einzellaserstrahlungen
aller Halbleiterlaser zu einem kohärenten Laserstrahlungsfeld überlagern.
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Um
sich gegebenenfalls ändernde
optische Weglängen
ausgleichen zu können,
sieht eine weitere vorteilhafte Lösung vor, dass jedes der Koppelelemente
mit einem Phasenstellglied versehen ist, um die sich in den zwei
Wellenleiterstrukturen ausbreitende Laserstrahlungen phasendefiniert
zu überlagern.
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Beispielsweise
ist mit einem derartigen Phasenstellglied die Möglichkeit gegeben, die Phase
der beiden Laserstrahlungen so zu wählen, dass ausgangsseitig des
Koppelelements eine phasengleiche Überlagerung derselben erfolgt.
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Mit
dem Phasenstellglied ist somit die Möglichkeit gegeben, die Phasenlage,
mit welcher sich die Laserstrahlungen überlagern, vorzugeben.
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Ein
derartiges Phasenstellglied kann auch dazu eingesetzt werden, um
die am Ausgang des Koppelelements auskoppelbare Laserstrahlung allein
durch die mit dem Phasenstellglied einstellbare Phasenlage zwischen
maximalem Intensität
und Intensität
Null beliebig zu modulieren. Eine besonders zweckmäßige Lösung eines
derartigen Koppelelements sieht vor, dass das Koppelelement zwei
Eingänge
und zwei Ausgänge
aufweist und das an einem Ausgang ein Strahlungsdetektor angeordnet
ist, mit welchem das Phasenstellglied steuerbar ist.
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Mit
einem derartigen Strahlungsdetektor ist die Intensität der ankommenden
Laserstrahlung erfassbar und somit auch erkennbar, welche Intensität am anderen
Ausgang anliegt, da die Intensitäten
an beiden Ausgängen
komplementär
sind.
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So
ist es beispielsweise mit dieser Lösung möglich, mit dem Strahlungsdetektor
eine Steuerung für
das Phasenstellglied zu verbinden, welche das Phasenstellglied so
ansteuert, dass der Strahlungsdetektor die kleinstmögliche Intensität, vorzugsweise Intensität nahe Null,
detektiert, in diesem Fall ist nämlich
sichergestellt, dass sich am anderen Ausgang des Koppelelements
die Laserstrahlungen phasengleich überlagern.
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Eine
günstige
Art zu regeln, sieht eine zusätzliche
geringe Phasenmodulation um die Sollage vor.
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Die
Koppelelemente können
prinzipiell beliebig ausgeführt
sein. Beispielsweise ist es denkbar, die Koppelelemente so auszubilden,
dass sich die Laserstrahlung als Freistrahl ausbildet. Es ist aber auch
denkbar, die Koppelelemente als Faserkoppler auszubilden oder vorteilhafterweise
vorgesehen, die Koppelelemente als Wellenleiterstrukturen auf dem Träger anzuordnen.
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In
all den Fällen,
in denen die Wellenleiter oder die Einkopplungselemente oder die
Koppelelemente als Wellenleiterstruktur auf einem Träger ausgebildet
sind, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Träger als elektrooptisches oder
als Halbleitermaterial ausgebildet ist. Das Ausbilden der Wellenleiterstrukturen
erfolgt dabei beispielsweise durch Eindiffusion von geeigneten Komponenten,
welche dem Trägermaterial
dann eine Wellenleitereigenschaft verleihen.
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Darüber hinaus
hat die Verwendung von elektrooptischen Materialien oder Halbleitermaterialien
den Vorteil, dass sich damit auch in besonders einfacher Weise Phasenstellglieder
realisieren lassen, beispielsweise bei einem elektrooptischen Material
dadurch, dass dieses zwischen zwei Elektroden angeordnet wird und
somit das Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden zu einer
definierten Phasenverschiebung führt.
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Hinsichtlich
der Erzeugung der Masterlaserstrahlung wurden im Zusammenhang mit
der bisherigen Erläuterung
der einzelnen Ausführungsbeispiele keine
näheren
Angaben gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, dass die
Masterlaserstrahlung für
alle Subsysteme durch einen Masterlaserstrahlungsgenerator erzeugbar
ist.
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Vorzugsweise
ist bei der erfindungsgemäßen Lösung vorgesehen,
dass der Masterstrahlungsgenerator alle Subsysteme mit derselben
Wellenlänge
und relativ zueinander phasenstabil betreibt, wobei das phasenstabile
Betreiben aller Subsysteme nicht zwingenderweise erforderlich macht,
diese Subsysteme mit Masterlaserstrahlung zu betreiben, die phasengleich
ist, sondern der Begriff phasenstabil ausdrücklich zulassen soll, dass
die Masterlaserstrahlung, die zum Betrieb der unterschiedlichen Subsysteme
eingesetzt wird, hinsichtlich der Phasenlage variiert, allerdings
diese Variation der Phasenlage starr aufrecht erhalten wird.
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Eine
derartige Masterlaserstrahlung lässt sich
vorzugsweise dadurch erzeugen, dass der Masterlaserstrahlungsgenerator
jedes der Subsysteme mit Masterlaserstrahlung versorgt, welche aus
einer einzigen Grundmasterstrahlung abgeleitet ist.
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Vorzugsweise
wird dabei die Masterlaserstrahlung dadurch erzeugt, dass der Masterlaserstrahlungsgenerator
als Masterlaserstrahlungskaskade ausgebildet ist.
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Eine
derartige Masterlaserstrahlungskaskade ist zweckmäßigerweise
so aufgebaut, dass sie einen Grundmasterlaser aufweist, sowie über dessen Grundmasterlaserstrahlung
mit derselben Wellenlänge
und relativ zueinander phasenstabil arbeitende Masterhalbleiterlaser
eines Masterhalbleiterlasersystems, welche ihrerseits wiederum die
Masterlaserstrahlung erzeugen.
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Die
Masterlaserstrahlungskaskade umfasst vorzugsweise mehrere Masterhalbleiterlasersysteme,
die in einer Kaskade angeordnet sind, in welcher ein Masterhalbleiterlasersystem
seinerseits die Masterlaserstrahlung für weitere Masterhalbleiterlasersysteme
erzeugt.
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Die
Masterhalbleiterlasersysteme können
in unterschiedlichster Art und Weise aufgebaut sein, so ist es beispielsweise
denkbar, die Masterhalbleiterlasersysteme genau wie die Subsysteme
des Lasersystems aufzubauen.
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Es
ist aber auch denkbar, die Masterhalbleiterlasersysteme so aufzubauen,
dass sie eine Vielzahl von Masterhalbleiterlasern umfassen, die
aufgrund eingekoppelter Masterlaserstrahlung phasenstabil zueinander
arbeiten, wobei im einfachsten Fall jedes der Masterhalbleiterlasersysteme
wiederum Masterlaserstrahlung erzeugt, die dann direkt dazu eingesetzt
werden kann, nachfolgende Masterhalbleiterlasersysteme wieder mit
Masterlaserstrahlung zu versorgen, oder auch dann direkt Subsysteme
des Lasersystems mit Masterlaserstrahlung zu versorgen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lasersystems;
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2 eine
Draufsicht auf eine Endfläche
des Lichtleitersystems beim ersten Ausführungsbeispiel;
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3 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Phasendetektors;
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4 eine
schematische Darstellung der Steuerung in Form eines Blockschaltbilds;
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5 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Masterlaserstrahlungsgenerators;
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6 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Subsystems;
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7 eine
Draufsicht auf die Anordnung der Halbleiterlaser bei dem ersten
Ausführungsbeispiel;
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8 eine
erste Variante des ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Subsystems;
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9 eine
zweite Variante des ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Subsystems;
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10 eine
dritte Variante des ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Subsystems;
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11 eine
Darstellung der Intensitätsverteilung
einer einlaufenden Wellenfront in den einzelnen Einzellaserstrahlungsfeldern,
aufgezeichnet über
deren Querschnitt vor Eintritt in die Phasenplatte;
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12 die
Darstellung der Intensitätsverteilung
entsprechend 11 nach Durchlaufen der Phasenplatte;
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13 eine
prinzipielle Darstellung eines Aufbaus einer erfindungsgemäßen Phasenplatte
mit Darstellung der Intensitätsverteilung
einer einlaufenden Wellenfront und Darstellung der Intensitätsverteilung
dieser Wellenfront nach Durchlaufen der Phasenplatte;
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14 eine
vierte Variante des ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Subsystems;
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15 eine
fünfte
Variante des ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Subsystems;
-
16 eine
schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Subsystems;
-
17 eine
vergrößerte Darstellung
eines Koppelelements des zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Subsystems;
-
18 eine
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Masterhalbleiterlasersystems
und
-
19 eine
schematische Darstellung eines Masterlaserstrahlungsgenerators mit
Masterhalbleiterlasersystemen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
-
Ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Lasersystems,
dargestellt in 1, umfaßt eine erste Variante eines
Strahlungserzeugungssystems 10, an welches sich ein Lichtleitersystem 12 anschließt, welches
eine Gesamtlaserstrahlung 14 abgibt, die ihrerseits auf
eine Zielfläche 16 eines
zu bestrahlenden Objekts 17 auftrifft.
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Das
Strahlungserzeugungssystem 10 umfaßt seinerseits eine Vielzahl
von Subsystemen 181 bis N, von denen jedes Laserstrahlung erzeugt,
und bei denen die Laserstrahlung jeweils in eine Monomodefaser 201 bis N eingekoppelt
wird. Alle Monomodefasern 201 bis N werden zu einem Faserbündel 22 zusammengefaßt, welches
vom Lichtleitersystem 12 umfaßt ist und ein Ende 24 aufweist,
aus welchem die Gesamtlaserstrahlung 14 austritt. Vorzugsweise liegen
dabei an dem Ende 24, wie in 1 und 2 dargestellt,
alle an ersten Enden 30 der Monomodefaser 20 angeordneten
Faserendflächen 28 der
Monomodefasern 20 in einer Endfläche 26.
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Alle
Subsysteme 181 bis N sind
so betreibbar, daß sie
frequenzstabilisiert auf derselben Frequenz arbeiten und außerdem eine
relative Phasenlage des Laserstrahlungsfeldes definiert vorgebbar
ist, wobei mittels einer Steuerung 32 die Vorgabe der Phasenlage
derart erfolgt, daß die
von den Faserendflächen 28 ausgehende
und sich als Gesamtlaserstrahlung 14 ausbreitende Überlagerung
der Laserstrahlungen mehrerer oder aller Halbleiterlasereinheiten 18 zu
einem Gesamtlaserstrahlungsfeld 14 führt, das sich mit einer definierbaren,
beispielsweise einer ebenen Wellenfront ausbreitet.
-
Um
die Phasenlage der Laserstrahlung jedem einzelnen Subsystem an jeder
einzelnen Faserendfläche 28 festlegen
zu können
(3), ist das Lichtleitersystem 12 mit
einem Phasendetektor 40 versehen, welcher einen Strahlteiler,
vorzugsweise einen diffraktiven Reflektor 42, und ein abbildendes Element
für einen
Teil der Gesamtlaserstrahlung 14 umfaßt, wobei der diffraktive Reflektor
im Abstand von der Endfläche 26 und
vor dieser sowie dieser Endfläche 26 zugewandt
angeordnet ist, so daß das Gesamtlaserstrahlungsfeld 14 diesen
durchsetzt und zum Teil von diesem reflektiert wird. Besonders günstig ist
es, wenn der diffraktive Reflektor 42 gleichzeitig als
abbildendes Element dient, so daß eine zusätzliche Abbildungsoptik entfallen
kann.
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Von
dem diffraktiven Reflektor 42 wird ein Teil des Gesamtlaserstrahlungsfeldes 14 auf
zwei Detektorflächen 44 und 46 zweier
Matrixdetektoren 48 bzw. 50 abgebildet, wobei
jeweils mindestens ein Matrixelement 52 bzw. 54 jeder
Detektorfläche 44 bzw. 46 jeweils
einer Faserendfläche 28 eindeutig
zugeordnet ist, was gleichbedeutend ist mit einer eindeutigen Zuordnung
von mindestens einem Matrixelement 52 bzw. 54 zu
jeweils einer der Halbleiterlasereinheiten 18.
-
Damit
besteht mittels jedes Matrixelements 52 bzw. 54 die
Möglichkeit,
aufgrund des diffraktiven Reflektors 42 die Intensität der von
dem jeweils zugeordneten Subsystem 18 erzeugten Laserstrahlung
zu erfassen.
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Um
jedoch mittels der Matrixelemente 52 bzw. 54 die
Phasenlage des Laserstrahlungsfeldes jedes der Subsysteme 18 zu
erfassen, ist neben dem diffraktiven Reflektor eine Faserendfläche 56 einer Referenzfaser 58 vorgesehen,
welche ebenfalls mit einem Referenzsubsystem 18R verbunden
ist, wobei vorzugsweise das Referenzsubsystem 18R identisch mit
den übrigen
Subsystemen 18 ist und insbesondere auch mit derselben
Frequenz arbeitet, allerdings hinsichtlich seiner Phasenlage nicht
gesteuert ist, sondern selbst eine Referenzphasenlage liefert.
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Die
Referenzphasenlage des Referenzsubsystems 18R ist durch
jedes der Matrixelemente 52 bzw. 54 dadurch nachweisbar,
daß sich
von der Faserendfläche 56 ausgehend
eine Kugelwelle ausbreitet, wobei diese Kugelwelle sowohl die gesamte
Detektorfläche 44 als
auch die Detektorfläche 46 erfaßt.
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Somit
kommt bei jedem der Matrixelemente 52 bzw. 54 der
Detektorflächen 44 bzw. 46 neben
der von dem diffraktiven Reflektor 42 reflektierten Laserstrahlungsfeld
des jeweils zugeordneten Subsystems 18 das Referenzstrahlungsfeld
des Referenzsubsystems 18R an, wobei die beiden Laserstrahlungsfelder interferieren
und somit je nach ihrer relativen Phasenlage zueinander an dem jeweiligen
Matrixelement 52 bzw. 54 ein Wert zwischen einem
Intensitätsmaximum
und einem Intensitätsminimum
detektierbar ist.
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Eine
zusätzliche
Modulation des von der Faserendfläche 56 der Referenzfaser 58 ausgesandten Referenzstrahlungsfeldes
mit einem Modulator 60 ermöglicht noch zusätzlich mit
jedem der Matrixelemente 52 bzw. 54 eine Intensitätsmessung
des Laserstrahlungsfeldes jedes Subsystems vorzunehmen, die ebenfalls
für die
Messung der Phasenlage insoweit von Bedeutung ist, um zu überprüfen, ob überhaupt
von dem jeweiligen Subsystem 181 bis N ein Laserstrahlungsfeld erzeugt wird.
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Darüber hinaus
ist der diffraktive Reflektor 42 so ausgebildet, daß er das
Laserstrahlungsfeld von jeder einzelnen der Faserendflächen 28 polarisationsabhängig entweder
zur Detektorfläche 44 oder zur
Detektorfläche 46 reflektiert,
so daß durch
Vergleich der von den Matrixelementen 52 und 54,
empfangenen Intensitäten
die jeweils einer Faserendfläche 28 und
somit einem Subsystem 18 zugeordnet sind, eine Bestimmung
der Polarisation zusätzlich zur
Phasenlage erlaubt.
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Die
Messungen von Intensitäten
bei den einzelnen Matrixelementen 52 bzw. 54 auf
den Detektorflächen 44 bzw. 46 ergibt
dann besonders gute Ergebnisse, wenn die Intensität des von
dem diffraktiven Reflektor 42 reflektierten Laserstrahlungsfeldes und
die Intensität
des von der Faserendfläche 56 der Referenzfaser 58 ausgesandten
Referenzstrahlungsfeldes in jedem Matrixelement 52 bzw. 54 ungefähr gleich
groß sind.
Darüber
hinaus ist bei den Messungen mittels der einzelnen Matrixelemente 52 bzw. 54 noch
ein Wegunterschied, der von der Faserendfläche 56 ausgehenden
Laserstrahlung zu den einzelnen Matrixelementen 52 zu berücksichtigen
und zusätzlich
auch noch ein Wegunterschied zwischen jeder der Faserendflächen 28 und
dem entsprechenden Matrixelement 52 bzw. 54 über den
diffraktiven Reflektor 42. Diese Wegunterschiede ergeben
zusätzliche
Verschiebungen der Phasenlagen, so daß diese Unterschiede Berücksichtigung
finden müssen, wenn
mit dem Phasendetektor 40 an allen Faserendflächen 28 und
zwar in der Endfläche 26 dieselbe Phasenlage
hergestellt werden soll.
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Vorzugsweise
sind die Matrixdetektoren 48 und 50 als CCD-Kameras ausgebildet,
von denen jeder Pixel ein Matrixelement 52, 54 darstellt.
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Wie
ferner in 3 dargestellt ist, folgt auf das
diffraktive Element noch eine Abbildungsoptik 62, welche
das Gesamtlaserstrahlungsfeld 14 auf die Zielfläche 16 abbildet,
wobei die Abbildungsoptik 62 vorzugsweise so ausgelegt
ist, daß eine
kohärente Abbildung,
daß heißt eine
Abbildung des phasenkorrelierten Gesamtlaserstrahlungsfeldes 14 erfolgt,
wobei dies im einfachsten Fall meist eine Abbildung in die Brennebene
der Abbildungsoptik 62 ist, das heißt, daß die Zielfläche 16 vorzugsweise
in der Brennebene liegt.
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Die
eigentliche Steuerung der Phasenlage der Laserstrahlung, welche
von den Monomodefasern 20 geführt wird, erfolgt im Bereich
des Strahlungserzeugungssystems 10.
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Jedes
der Matrixelemente 52 und 54 der Matrixdetektoren 48 und 50 repräsentiert
somit eine der Faserendflächen 28 in
der Endfläche 26 und
somit das Laserstrahlungsfeld eines Subsystems 18, so daß genau
deren Phasenlage detektierbar ist.
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Im
einfachsten Fall sind bei den Matrixdetektoren 48 bzw. 50 genau
soviel Matrixelemente 52 bzw. 54 vorhanden, wie
Faserendflächen 28 in
der Endfläche 26 liegen.
Beispielsweise sind dies genau ebenfalls N Matrixelemente 52 bzw. 54.
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Die
von allen 521 bis N bzw. 541 bis N Matrixelementen
gemessenen Intensitäten
werden nun aus den jeweiligen Matrixdetektoren 48 bzw. 50 ständig ausgelesen
und über
eine Ausleseleitung 70 von einer Rechnereinheit 72 erfaßt, die
aus den von jeweiligen Matrixelementen 52 bzw. 54 detektierten
Intensitäten
die Phasenlage ermittelt. Dazu erhält die Rechnereinheit 72 noch
zusätzlich über eine
Leitung 74 ein Synchronisiersignal, welches den Zustand
des Modulators 60 anzeigt (4). Im einfachsten
Fall ist der Modulator 60 ein Chopper, welcher die Laserstrahlung
des Referenzsubsystems 18R in gleichmäßigen Intervallen ein- und
ausschaltet.
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Die
von der Rechnereinheit bestimmte Phasenlage für jedes der Subsysteme 181 bis N wird über ein
Bussystem 76 einer Phasensteuerung 78 zugeführt, welche
wiederum über
ein Bussystem 80 eine Vielzahl von Phasenjustiereinrichtungen 821 bis N ansteuert,
wobei jede Phasenjustiereinrichtung 821 bis N jeweils einem der Subsysteme zugeordnet
ist, um die Phase des von diesem Subsystem 18 erzeugten
Laserstrahlungsfeldes entsprechend den Vorgaben der Phasensteuerung 78 einzustellen
und somit die Phasenlagen aller Subsysteme 181 bis N so miteinander zu korrelieren, daß diese
Phasenlagen in der Endfläche 26 des
Lichtleitersystems 12 zu der vorgegebenen Phasenverteilung
führen.
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Um
die einzelnen Subsysteme 181 bis N einerseits mit exakt derselben Wellenlänge und
andererseits relativ zueinander phasenstabil zu betreiben, ist ein
Masterlaserstrahlungsgenerator 84 vorgesehen, durch welchen
jedes der Subsysteme 181 bis N mit einer Masterlaserstrahlung versorgt
werden kann, die es erlaubt, jedes der Subsysteme 181 bis N auf
exakt derselben Wellenlänge
und andererseits zumindest phasenstabil relativ zueinander zu betreiben.
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Hierzu
weist, wie in 5 dargestellt, der Masterlaserstrahlungsgenerator 84 einen
Grundmasterlaser 86 auf, mit dessen Grundmasterlaserstrahlung
eine Vielzahl von Masterhalbleiterlasern 881 bis X gespeist ist, die zu einem eine Einheit
bildenden Masterhalbleiterlasersystem 90 zusammengefaßt sind.
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Mit
der Grundmasterlaserstrahlung werden die Masterhalbleiterlaser 881 bis 88X derart
betrieben, daß sie
einerseits bei exakt derselben Wellenlänge und andererseits phasenstabil
relativ zueinander arbeiten und insgesamt Masterlaserstrahlung erzeugen,
die ihrerseits wieder dazu eingesetzt wird, eine Vielzahl weiterer
Masterhalbleiterlasersysteme 90'1 bis 90'Y relativ
zueinander phasenstabil zu betreiben, dadurch, daß die Masterlaserstrahlung
aus dem Masterhalbleiterlasersystem 90 die Masterhalbleiterlaser 881 . bis 88X .
jedes einzelnen der Masterhalbleiterlasersysteme 90'1 bis 90'Y einerseits
mit exakt derselben Wellenlänge
und andererseits wiederum phasenstabil relativ zueinander arbeiten
läßt.
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Jedes
dieser weiteren Masterhalbleiterlasersysteme 90'1 bis 90'Y dient
dazu, seinerseits wiederum Masterlaserstrahlung zu erzeugen, welche
aufteilbar ist und dazu dient, jedes der Subsysteme 181 bis 18N mit
Masterlaserstrahlung zu versorgen, wobei die Masterlaserstrahlung,
die zu den einzelnen Subsystemen 181 bis 18N geführt wird, wiederum dazu dient,
die einzelnen Subsysteme 181 bis 18N auf exakt derselben Wellenlänge und
relativ zueinander phasenstabil, jedoch nicht notwendigerweise phasengleich,
zu betreiben, wobei jedes der einzelnen weiteren Masterhalbleiterlasersysteme 90'1 bis 90'Y mehrere
Subsysteme 18 mit Masterlaserstrahlung versorgt.
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Dabei
ergibt die Anzahl Y der weiteren Masterhalbleiterlasersysteme 90'Y multipliziert
mit der Zahl der Ausgänge
jedes dieser einzelnen Masterhalbleitersysteme 90'1 bis Y die Zahl N der Subsysteme 181 bis 18N .
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Die
Subsysteme 181 bis N können in
unterschiedlichster Art und Weise aufgebaut sein. Ein erstes Ausführungsbeispiel
eines derartigen Subsystems 181 bis 18N umfaßt, wie in 6 dargestellt, eine
Vielzahl von auf einem Substrat 100 angeordneten Vertikalemittern 102,
welche Laserstrahlung in einer Richtung 104 emittieren,
welche ungefähr
senkrecht zu einer Ebene 106 verläuft, in welcher die Vertikalemitter 102 angeordnet
sind. Jeder der Vertikalemitter 102 ist in ansich bekannter
Weise auf seiner dem Substrat 100 zugewandten Seite reflektierend ausgebildet
und mit einem externen Reflektor 108 versehen, welcher
in einem Abstand über
einer dem Substrat 100 abgewandten Stirnseite 109 des
jeweiligen Vertikalemitters 102 angeordnet ist, so daß sich zwischen
einer in der Stirnseite 109 liegender Austrittsfläche 110 des
jeweiligen Vertikalemitters 102 und dem Reflektor 108 bereits
eine Einzellaserstrahlung 111 ausbildet.
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Vorzugsweise
ist der Reflektor 108 dabei als konkaver, die Einzellaserstrahlung 111 auf
den Vertikalemitter 102 fokussierender Reflektor ausgebildet. Der
Reflektor 108 ist dabei vorzugsweise als teildurchlässige und
somit teilreflektierende Beschichtung auf einem ersten Element 112 einer
als Ganzes mit 114 bezeichneten Abbildungsoptik vorgesehen, welche
ferner noch ein zweites Element 116 aufweist, welches im
einfachsten Fall als fokussierendes optisches Element ausgebildet
ist.
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Das
erste Element 112 der Abbildungsoptik 114 umfaßt vorzugsweise
eine Vielzahl von Einzellinsen 118, welche nebeneinander
angeordnet sind und insgesamt ein plattenförmiges optisches Element bilden,
wobei die Einzellinsen 118 aus der divergierend aus dem
jeweiligen Vertikalemitter 102 austretenden Einzellaserstrahlung 111 ein
Einzellaserstrahlungsfeld 120 schaffen, welches sich vorzugsweise
mit einer ebenen, senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung 122 verlaufenden
Wellenfront 124 im Anschluß an das erste Element 112 ausbreitet.
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Vorzugsweise
liegen die Einzellaserstrahlungsfelder 120 sämtlicher
Vertikalemitter 102 möglichst
nahe nebeneinander und breiten sich außerdem parallel zueinander
aus. Diese Einzellaserstrahlungsfelder werden dann mit dem zweiten
optischen Element 116 auf ein zweites Ende 130 der
zu diesem Subsystem 18 gehörenden Monomodefaser 20 fokussierbar
und bilden zumindest nach Durchlaufen des zweiten optischen Elements 116 ein
kohärentes Laserstrahlungsfeld 126,
welches in die Monomodefaser 20 eingekoppelt wird.
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Um
nun zu erreichen, daß sämtliche
Vertikalemitter 102 einerseits mit exakt derselben Wellenlänge und
andererseits phasenstabil relativ zueinander arbeiten, ist zwischen
die Abbildungsoptik 114 und das zweite Ende 130 der
Monomodefaser 20 ein Strahlteiler 132 gesetzt,
welcher ein Einkoppelelement darstellt, um vom Masterlaserstrahlungsgenerator 84 erzeugte
Masterlaserstrahlung in die Vertikalemitter einzukoppeln.
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Der
Strahlteiler 132 ist dabei als teilreflektierende Strahlteilerplatte
ausgebildet und so angeordnet, daß er die Masterlaserstrahlung
nicht in Richtung des zweiten Endes 130 der Monomodefasern 20 reflektiert,
sondern in Richtung der Vertikalemitter 102, so daß die vom
Strahlteiler 132 in Richtung der Vertikalemitter 102 reflektierte
Masterlaserstrahlung so reflektiert wird, daß diese die Abbildungsoptik 114 in umgekehrter
Richtung als die Laserstrahlung durchläuft und sowohl das zweite optische
Element als auch das erste optische Element 112 durchsetzt
um damit durch die ebenfalls teildurchlässigen Reflektoren 108 in
sämtliche
Vertikalemitter 102 dieses Subsystems 18 parallel
eintritt.
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Damit
wird erreicht, daß sämtliche
Vertikalemitter 102 des jeweiligen Subsystems 18 einerseits auf
exakt der gleichen Wellenlänge
und andererseits phasengleich gekoppelt arbeiten.
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Dadurch,
daß der
Strahlteiler 132 vor der Abbildungsoptik 114 angeordnet
ist, wird durch den Strahlteiler 132 erreicht, daß sich die
Masterlaserstrahlung in Richtung der Halbleiterlaser 102 ausbreitet
und die Abbildungsoptik 114 in umgekehrter Richtung als
die Einzellaserstrahlung durchläuft
und somit alle Vertikalemitter 102 in diesem Fall einerseits bei
exakt derselben Wellenlänge
hält und
andererseits bei einer derartigen Phasenlage, daß die Einzellaserstrahlungen
nach Durchlaufen der Abbildungsoptik 114 ein gemeinsames
kohärentes
Laserstrahlungsfeld 126 bilden, was insbesondere durch
die Anordnung des Strahlteilers 132 im wesentlichen unmittelbar
vor dem zweiten Ende 130 der Monomodefaser 20 möglich ist,
denn dadurch erfolgt eine Phasenänderung
der vom Strahlteiler 132 reflektierten kohärenten Masterlaserstrahlung
beim Durchlaufen der Abbildungsoptik 114 in umgekehrter
Richtung wie die Einzellaserstrahlung dergestalt dass eine parallele
Beaufschlagung sämtlicher
einzelner Halbleiterlaser 102 mit Masterlaserstrahlung
derselben Frequenz und im wesentlichen derselben Phasenlage entsteht,
wobei die Phasenlagen im wesentlichen dieselben Phasenänderungen
erfahren haben und die jeweiligen Einzellaserstrahlungen beim Durchlaufen
der Abbildungsoptik 114 ebenfalls im wesentlichen dieselben
Phasenänderungen
erfahren.
-
Das
diesem Subsystem 18 zugeordnete Phasenjustierelement 82 kann
beispielsweise so ausgebildet sein, daß es ein Element zur definierten Erwärmung eines
Abschnitts der Monomodefaser 20 umfaßt, so daß sich in diesem Abschnitt
aufgrund der Erwärmung
die Brechzahl des Materials der Monomodefaser definiert variieren
läßt, und
folglich auch die Phasenlage des Laserstrahlungsfeldes, das diesen
Abschnitt durchläuft.
-
Bei
einer ersten Variante des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Subsystems,
dargestellt in 8, ist der Strahlteiler 132' nicht zwischen
dem zweiten Ende 130 und dem zweiten Element 116 der
Abbildungsoptik 114 angeordnet, sondern zwischen dem ersten
Element 112 und dem zweiten Element 116, so daß der Strahlteiler 132' von sämtlichen
parallel zueinander verlaufenden Einzellaserstrahlungsfeldern 120 durchsetzt wird.
Die von dem Strahlteiler 132' in
Richtung der Vertikalemitter 102 reflektierte Masterlaserstrahlung führt nun
dazu, daß einerseits
die Vertikalemitter 102 in bereits beschriebener Art und
Weise auf exakt derselben Wellenlänge arbeiten und andererseits
jeweils mit einer relativen Phasenlage, welche die Phasenveränderungen
des ersten Elements der Abbildungsoptik 114 berücksichtigt,
so daß die
Einzellaserstrahlungsfelder 120 sich nach Durchlaufen des
ersten Elements 112 der Abbildungsoptik 114 im wesentlichen
phasengleich zueinander ausbreiten und bereits nach dem ersten Element 112 der
Abbildungsoptik 114 ein kohärentes Laserstrahlungsfeld
bilden, welches dann durch das zweite Element 116 auf das zweite
Ende 130 der Monomodefaser fokussiert wird.
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Diese
Lösung
ist dann einsetzbar, wenn der Einfluß des zweiten Elements 116 der
Abbildungsoptik 114 auf die jeweiligen Einzellaserstrahlungsfelder 120 keine
relative Verschiebung der Phasenlage zwischen einzelnen Einzellaserstrahlungsfeldern 120 ergibt
und somit die Kohärenz
des Laserstrahlungsfeldes 126' ebenfalls noch nach Durchlaufen
des zweiten Elements 116 erhalten ist und somit in sich
kohärente
Laserstrahlung 126 in die Monomodefaser 20 eintritt.
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Der
Vorteil der ersten Variante des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 8 ist
darin zu sehen, daß sich
beispielsweise das Masterstrahlungsfeld über einen Lichtleiter 140 dem
jeweiligen Subsystem 18 zuführen und über eine Aufweitoptik 142 so
aufweiten läßt, daß der Strahlteiler 132' die Masterlaserstrahlung
zu jedem der Vertikalemitter 102 des Subsystems 18 reflektiert.
Die den Strahlteiler 132' passierende
Masterlaserstrahlung kann mittels einer Fokussieroptik 144 wieder
in einen weiteren Lichtleiter 146 fokussiert werden, um
diese einem weiteren Subsystem zuzuführen.
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Bei
einer zweiten Variante des ersten Ausführungsbeispiels, dargestellt
in 9, ist als Einkoppelelement kein Strahlteiler
vorgesehen, sondern das Einkoppelelement als Wellenleiterkoppler 150 ausgebildet,
welcher entweder als Faserkoppler ausgeführt sein kann oder als in einem
Substrat angeordnete Wellenleiterstruktur.
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Ein
derartiger Wellenleiterkoppler 150 weist einen ersten Eingang
auf, in welchen durch die Abbildungsoptik 114 das Laserstrahlungsfeld 126 eingekoppelt
wird und einen zweiten Eingang 154, in welchen über eine
optische Diode 156 die Masterlaserstrahlung eingekoppelt
wird. Der Wellenleiterkoppler 150 ist dabei so aufgebaut,
daß die über den
zweiten Eingang 154 eingekoppelte Masterlaserstrahlung zum
Teil zum ersten Eingang 152 übergekoppelt wird und von dort
durch die Abbildungsoptik 114 in Richtung der Vertikalemitter 102 verläuft, um
die Vertikalemitter 102 auf exakt derselben Wellenlänge und phasenstabil
zueinander zu halten, wobei sämtliche Phasenänderungen,
welche durch die Abbildungsoptik 114 entstehen, in der
relativen Phasenlage der Vertikalemitter 102 berücksichtigt
sind, so daß die Einzellaserstrahlung
aus allen Vertikalemittern 102 letztlich nach Durchlaufen
der Abbildungsoptik 114 das kohärente Laserstrahlungsfeld ergibt,
welches in den ersten Eingang 152 des Wellenleiterkopplers 150 einkoppelbar
ist.
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Der
Wellenleiterkoppler 150 koppelt ferner die Masterlaserstrahlung
auf einen ersten Ausgang 158 und im wesentlichen das in
den ersten Eingang 152 eingekoppelte Laserstrahlungsfeld 126 zu
einem zweiten Ausgang 160, welcher seinerseits dann an die
Monomodefaser 20 angekoppelt ist.
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Damit
arbeitet im Prinzip die zweite Variante gemäß 9 in gleicher
Weise wie das erste Ausführungsbeispiel
gemäß 6 und
kompensiert sämtliche
durch die Abbildungsoptik 114 bedingten Phasenänderungen.
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Bei
einer dritten Variante des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Subsystems,
dargestellt in 10 erfolgt eine Einkopplung der
Masterlaserstrahlung über
eine auf die Abbildungsoptik 114 folgend angeordnete optische
Diode 160, welche im wesentlichen einen Strahlteiler 162 aufweist,
welcher von der Masterlaserstrahlung geradegerichtet durchstrahlt
ist und andererseits das Laserstrahlungsfeld 126 quer zu
seiner Einfallsrichtung in Richtung auf die Monomodefaser 20 reflektiert.
-
Ferner
ist die Abbildungsoptik 114' noch
zusätzlich
mit einer Phasenplatte 170 versehen, welche bei den Einzellaserstrahlungsfeldern 120 dazu
führt, diesen
innewohnende, über
den Querschnitt jedes einzelnen Einzellaserstrahlungsfeldes 120 gaußförmige Verteilung
der Intensität
in eine im wesentlichen rechteckige und in 12 dargestellte
Verteilung der Intensität über den
Querschnitt des jeweiligen Einzellaserstrahlungsfeldes 120 umzusetzen.
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Eine
derartige Phasenplatte 170 ist schematisch in 13 dargestellt
und weist für
jedes der Einzellaserstrahlungsfelder 120 eingangsseitig
eine strahlaufweitende Oberflächenform 172 und
ausgangsseitig eine fokussierende Oberflächenform 174 auf,
die hinsichtlich ihrer Krümmung
und ihres Abstandes derart aufeinander abstimmbar sind, daß aus der
gaußförmigen Intensitätsverteilung
einer einlaufenden Wellenfront 176 eine im wesentlichen rechteckige
Intensitätsverteilung
einer transformierten Wellenfront 178 entsteht.
-
Bei
einer vierten Variante des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Subsystems,
dargestellt in 14, sind die Vertikalemitter 102 ebenfalls
auf einem Substrat 100 vorgesehen und emittieren in der
Richtung 104, welche ungefähr senkrecht zu der Ebene 106 verläuft.
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Die
Einzellaserstrahlung 111 der Vertikalemitter 102 wird
dabei ebenfalls durch den externen Reflektor 108 des Elements 112 reflektiert,
das in gleicher Weise ausgebildet ist wie beim ersten Ausführungsbeispiel,
so daß die
Einzelstrahlungsfelder 120 der Vertikalemitter 102 genau
wie beim ersten Ausführungsbeispiel
möglichst
nahe nebeneinander liegen und sich parallel zueinander ausbreiten,
und zwar in Richtung des zweiten optischen Elements 116,
welches die Einzellaserstrahlungsfelder 120 dann auf das
zweite Ende 130 der zu diesem Subsystem gehörenden Monomodefaser 20 fokussiert und
das kohärente
Laserstrahlungsfeld 126 in die Monomodefaser 20 einkoppelt.
-
Die
Einzellaserstrahlungsfelder 120 durchsetzen dabei einen
zwischen dem ersten Element 112 und dem zweiten Element 116 der
Abbildungsoptik 114 angeordneten Strahlteiler 132'', welcher von dem Masteroszillator 86 kommende
und über
den Lichtleiter 140 zugeführte Masterlaserstrahlung in
die einzelnen Vertikalemitter 102 einkoppelt, wobei die Masterlaserstrahlung
dabei über
die Aufweitoptik 142 zu einem Masterlaserstrahlungsfeld 143 aufgeweitet wird.
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Dieses
Masterlaserstrahlungsfeld 143 trifft vor einem Auftreffen
auf dem Strahlteiler 132'' auf einen Strahlteiler 145 auf,
welcher einen geringen Teil des Masterlaserstrahlungsfeldes 143 als
Referenzlaserstrahlungsfeld 147 auskoppelt und auf einen
Spiegel 148 reflektiert, der dann seinerseits das Referenzlaserstrahlungsfeld 147 auf
ein Detektorarray D auf, welches eine Vielzahl von Detektorelementen
D1 bis DN aufweist,
welche der Vielzahl der Vertikalemitter 1021 bis 102N entspricht und in gleicher Weise wie diese
angeordnet ist.
-
Das
von dem Spiegel 148 reflektierte Referenzlaserstrahlungsfeld 147 tritt
seinerseits nochmals durch einen Strahlteiler 149 hindurch,
welcher auch vom Masterlaserstrahlungsfeld 143 auf seinem Weg
zum Strahlteiler 132'' selbst durchsetzt
ist und so ausgebildet ist, daß dieser
vom Strahlteiler 132'' zurückreflektierte
Teile der Einzellaserstrahlungsfelder 120 ebenfalls auf
das Detektorarray D reflektiert, so daß auf den Detektorarray D sowohl
das Referenzlaserstrahlungsfeld 143 auftrifft, als auch
ein geringer Teil der Intensität
der einzelnen Einzellaserstrahlungsfelder 120 und somit
die einzelnen Detektoren D1 bis DN des Detektorarrays D in der Lage sind,
für jedes
Einzellaserstrahlungsfeld 120 einen Phasenunterschied zwischen
diesem und dem auf dem entsprechenden Vertikalemitter 102 auftreffenden
und das Referenzlaserstrahlungsfeld bildenden Teil des Masterlaserstrahlungsfelds 143 festzustellen.
-
Zur
Korrektur eines derartigen Phasenunterschiedes zwischen dem jeweiligen
Teil der Masterlaserstrahlungsfelder 143 und dem Einzellaserstrahlungsfeld 120 durchsetzt
das Masterlaserstrahlungsfeld 143 vor seinem Auftreffen
auf dem Strahlteiler 132'' eine Phasenkorrekturplatte
P, welche eine Vielzahl von einzelnen Phasenstellelementen P1 bis PN aufweist,
welche in gleicher Weise angeordnet sind, wie die jeweiligen Vertikalemitter 1021 bis 102N und die
entsprechenden Detektorelemente D1 bis DN. Über
jedes der einzelnen Phasenstellelemente P1 bis PN ist nun über eine Steuerung S eine Einstellung
der Phasenlage des entsprechenden Teils des Masterlaserstrahlungsfeld 143 dergestalt
möglich,
daß alle Vertikalemitter 102 durch entsprechende
Einstellung der Phase der diese beaufschlagenden Teile des Masterlaserstrahlungsfeldes 143 Einzellaserstrahlungsfelder 120 erzeugen,
welche dieselben Phasenlagen relativ zueinander aufweisen.
-
Besonders
günstige
Ergebnisse sind außerdem
dann erzielbar, wenn der Strahlteiler 132'' ein polarisierender
Strahlteiler ist und zwischen diesem und dem ersten Element 112 noch
ein Polarisationseinstellelement 133 vorgesehen ist, welches
eine Polarisationsdrehung um λ/4 ± ε durchführt, so
daß im wesentlichen
die gesamten, von den Vertikalemittern 102 erzeugte Einzellaserstrahlungsfelder 120 den Strahlteiler 132'' nach nochmaligem Durchtritt durch das
Polarisationseinstellelement 133 passiert, und vom Strahlteiler 132'' lediglich ein der Fehldrehung ε entsprechender
Teil der Intensität
der Einzellaserstrahlungsfelder 120 zum Strahlteiler 149 und
somit zum Detektorarray D reflektiert wird.
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Eine
fünfte
Variante des ersten Ausführungsbeispiels,
dargestellt in 15, ist hinsichtlich des prinzipiellen
Aufbaus an die dritte Variante gemäß 10 angelehnt.
Im Gegensatz zur dritten Variante wird allerdings vor der optischen
Diode 160 über
ein Auskoppelelement 161 aus dem Lichtleiter 140 ein Teil
der Masterlaserstrahlung ausgekoppelt und über einen Lichtleiter 163 als
Referenzlaserstrahlung 164 dem Detektorarray D mit den
Detektoren D1 bis DN zugeführt.
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Das
Detektorarray D ist dabei so angeordnet, daß diesem über einen Strahlteiler 165 ein
Teil der Intensität
der Einzellaserstrahlungsfelder 120 zugeführt wird.
Vorzugsweise tritt auch die Referenzlaserstrahlung durch den Strahlteiler 165 hindurch
und wird vorher durch ein Aufweitelement 166 zu einem Referenzlaserstrahlungsfeld 164 aufgeweitet,
welches sämtliche
Detektorelemente D1 bis DN des
Detektorarrays D beaufschlagt.
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Ferner
ist beispielsweise zwischen der Phasenplatte 170 und dem
ersten Element 112 der Abbildungsoptik 114' die Phasenkorrekturplatte
P angeordnet, welche mit ihren einzelnen Phasenstellelementen P1 bis PN in der Lage
ist, die Phasenlage jedes einzelnen Einzellaserstrahlungsfeldes 120 zu korrigieren
und zwar entsprechend einer von der Steuerung S mittels der Detektoren
D1 bis DN festgestellten
Phasenlage der einzelnen Einzellaserstrahlungsfelder 120 relativ
zueinander.
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Somit
ist auch bei der fünften
Variante des ersten Ausführungsbeispiels,
wie in 15 dargestellt, eine ständige Nachstellung
der Phasenlage jedes einzelnen Einzellaserstrahlungsfeldes 120 relativ zu
den anderen möglich,
so daß insgesamt
ein kohärentes
Laserstrahlungsfeld 127 in die Monomodefaser 20 eingekoppelt
werden kann.
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Bei
der vierten und fünften
Variante ist die Phasenkorrekturplatte P vorzugsweise aus einem elektrooptischen
Kristall ausgebildet, welcher zur Ausbildung der Phasenstellelemente
P1 bis PN mit einzelnen
Elektroden versehen ist, die von der Steuerung einzeln ansteuerbar
sind, so daß für jeden
einzelnen Teil des zu den einzelnen Vertikalemittern 102 geführten Masterlaserstrahlungsfeldes
eine separate Phaseneinstellung mittels der Steuerung S möglich ist.
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Im übrigen sind
bei allen Varianten des ersten Ausführungsbeispiels diejenigen
Elemente, die identisch sind, mit demselben Bezugszeichen versehen,
so daß hinsichtlich
der Beschreibung derselben im einzelnen auf die erstmaligen Ausführungen
zu diesen im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel verwiesen wird.
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Ferner
ist das erste Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Subsystems 18 nicht
auf die Verwendung von Vertikalemittern 102 als Halbleiterlaser
beschränkt.
In gleicher Weise können
bei dem ersten Ausführungsbeispiel
aufeinandergestapelte Kantenemitter zum Einsatz kommen, deren Austrittsflächen 112 so
in einer Ebene liegen, daß die
Einzellaserstrahlung aus dieser Ebene, vorzugsweise vertikal zu
dieser Ebene, austritt.
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Bei
einem zweiten Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Subsystems 18', dargestellt in 16,
sind als Halbleiterlaser eine Vielzahl von Kantenemittern 180 eingesetzt,
welche in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind.
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Die
von jedem dieser als Kantenemitter 180 arbeitenden Halbleiterlaser
generierte Einzellaserstrahlung wird jeweils in einen ersten Wellenleiter 182 eingekoppelt,
wobei die Zahl der ersten Wellenleiter 182 der Zahl der
Kantenemitter 180 entspricht.
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Der
erste Wellenleiter 182 ist vorzugsweise als Wellenleiterstruktur
in einem Substrat 184 ausgebildet, wobei das Substrat 184 sämtliche
Wellenleiterstrukturen 182 des Subsystems 18' trägt.
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Diese
ersten Wellenleiterstrukturen 182 führen die Einzellaserstrahlungen
aus jedem der Kantenemitter 180 zu jeweils einem Einkoppelelement 186, welches
ebenfalls als Wellenleiterstruktur auf dem Substrat 184 ausgebildet
ist. Das Einkoppelelement 186 ist als Wellenleiterkoppler
ausgebildet und weist einen ersten Eingang 188 auf, durch
welchen die Einzellaserstrahlung aus dem jeweiligen Kantenemitter 180 eingekoppelt
ist und einen zweiten Eingang 190, durch welchen die Masterlaserstrahlung
eingekoppelt ist. Das Einkoppelelement 186 ist dabei so
ausgebildet, daß ein
Teil durch den zweiten Eingang 190 eingekoppelten Masterlaserstrahlung
zum ersten Eingang 188 gekoppelt ist und über die
jeweilige erste Wellenleiterstruktur 182 zum jeweiligen
Kantenemitter 180 geführt
ist. Ferner weist das Einkoppelelement 186 einen ersten
Ausgang 192 auf, aus welchem die nicht zum Kantenemitter 180 gekoppelte Masterlaserstrahlung
austritt und einen zweiten Ausgang 194, aus welchem im
wesentlichen die Einzellaserstrahlung des Kantenemitters 180 austritt.
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Auf
dem Substrat 184 ist somit für jeden Kantenemitter 180 ein
Einkoppelelement 186 für
Masterlaserstrahlung vorgesehen, wobei sämtliche Einkoppelelemente 186 für sämtliche
Kantenemitter 180 derart miteinander verbunden sind, daß der erste Ausgang 192 des
einen Einkoppelelements 186 mit dem zweiten Eingang 190 des
nächstfolgenden
Einkoppelelements 186 gekoppelt ist, so daß über die mit
dem jeweiligen Einkoppelelement 186 gekoppelte erste Wellenleiterstruktur 182 in
jeden einzelnen der Kantenemitter 180 die Masterlaserstrahlung
einkoppelbar ist.
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Von
dem ersten Ausgang 194 des jeweiligen Einkoppelelements 186 führt dann
ein zweiter Wellenleiter 196, welcher ebenfalls als Wellenleiterstruktur
auf dem Substrat 184 ausgebildet ist, zu einer als Ganzes
mit 200 bezeichneten Koppeleinrichtung, welche alle zweiten
Wellenleiterstrukturen 196 in einen Ausgangswellenleiter 202 koppelt
und zwar vorzugsweise so, daß in
dem Ausgangswellenleiter 202 die über jede der zweiten Wellenleiterstrukturen 196 der
Koppeleinrichtung 200 zugeführte Einzellaserstrahlung phasengleich
mit allen anderen überlagert ist,
so daß in
dem Ausgangswellenleiter 202 ein kohärentes Laserstrahlungsfeld
vorliegt, welches der phasengleichen Überlagerung sämtlicher
Einzellaserstrahlungen sämtlicher
Kantenemitter 180 des Subsystems 18' entspricht.
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Die
Koppeleinrichtung 200 umfaßt dabei eine Kaskadenstruktur
von einzelnen Koppelelementen 204, wobei in einer ersten
Stufe 206 jedes einzelne der Koppelelemente 204 die
Einzellaserstrahlung aus zwei zweiten Wellenleiterstrukturen 194 miteinander
phasengleich kombiniert. In einer zweiten Stufe 208 kombiniert
dann jedes der Koppelelemente 204 die bereits phasengleich
kombinierte Laserstrahlung aus jeweils zwei Koppelelementen 204 der
vorangehenden Stufe 206. In gleicher Weise koppelt jedes
der Koppelelemente 204 der nächstfolgenden Stufe 210 wiederum
die bereits phasengleich gekoppelte Laserstrahlung der aus jeweils
zwei Koppelelementen 204 der vorangehenden Stufe 208,
so lange, bis in einer letzten Stufe 212 das einzige Koppelelement 204 die
phasengleich kombinierten Laserstrahlungen der Koppelelemente 204 der
vorangehenden Stufe 210 kombiniert und somit in den Ausgangswellenleiter 202 die
phasengleich kombinierte Überlagerung
sämtlicher
Einzellaserstrahlungen aller Kantenemitter 180 einkoppelt.
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Um
eine phasengleiche Kopplung in den einzelnen Koppelelementen 204 zu
erreichen, umfaßt jedes
einzelne Koppelelement 204, wie in 17 vergrößert dargestellt,
einen ersten Eingang 220 und einen zweiten Eingang 222.
Der zweite Eingang 222 ist mit einem Phasenstellglied 224 versehen.
Das Koppelelement 204 ist ferner so aufgebaut, daß dieses
in der Lage ist, die in den ersten Eingang 220 und den
zweiten Eingang 222 eingekoppelte Laserstrahlung phasengleich
auf einen ersten Ausgang 226 zu koppeln, so daß dort kohärente Laserstrahlung
mit der Summe der Intensitäten
der Laserstrahlung 220 und 222 auskoppelbar ist,
während
an einem zweiten Ausgang 228 keine Laserstrahlung auskoppelbar
ist. Bei einem derart ausgebildeten Koppelelement ist daher der
zweite Ausgang 228 mit einem Detektor für die Laserstrahlung 230 versehen,
und dieser Detektor 230 mit einer Steuerung 232 gekoppelt,
welche das Phasenstellglied 224 ansteuert. Die Steuerung 232 ist
dabei so ausgebildet, daß sie
stets das Phasenstellglied 224 so ansteuert, daß der Detektor 230 am
zweiten Ausgang 228 keine Laserstrahlung detektiert. In
diesem Fall ist zwangsläufig
bei einem derart aufgebauten Koppelelement 204 am ersten
Ausgang 226 die Summe der an den Eingängen 220 und 222 eingekoppelten
Laserstrahlung in phasengleicher Überlagerung auskoppelbar.
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Ist
das Koppelelement 204 in Form einer Wellenleiterstruktur
auf dem Substrat 184 angeordnet so läßt sich vorzugsweise auch das
Phasenstellglied 224 auf dem Substrat 184 dann
einfach realisieren, wenn das Substrat 184 aus einem elektrooptischen
Material oder einem Halbleitermaterial aufgebaut ist. Im Fall eines
Halbleitermaterials lassen sich vorzugsweise auch noch der Detektor 230 und
die Steuerung 232 auf dem Substrat realisieren.
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Um
noch zusätzlich
die Möglichkeit
zu haben, das aus der letzten Stufe 212 austretende Laserstrahlungsfeld
zu steuern, ist vorzugsweise vorgesehen, daß deren Koppelelement 204 eine
Steuerung 232' aufweist,
die zusätzlich
noch einen Steuereingang 234 umfaßt, über welchen ein zusätzlicher Eingriff
möglich
ist, um das Phasenstellglied 224 derselben extern anzusteuern,
beispielsweise so, daß am
zweiten Ausgang 228 des Koppelelements 204 der
letzten Stufe 212 die phasengleiche Überlagerung der über die
Eingänge 220 und 222 eingekoppelten
Laserstrahlung anliegt. In diesem Fall tritt am ersten Ausgang 226 keine
Laserstrahlung aus. Es lassen sich über den Steuereingang 234 aber
auch beliebige Überlagerungen
der an den Eingängen 220 und 222 eingekoppelten
Laserstrahlungen generieren, so daß eine beliebige Modulation
der am ersten Ausgang 226 auskoppelbaren Laserstrahlung
möglich
ist.
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Die über den
Ausgangswellenleiter 202 austretende Laserstrahlung wird
dann in die Phasenjustiereinrichtung 82 eingekoppelt, welche
in der beschriebenen Art und Weise durch die Steuerung 32 ansteuerbar
ist. Die Phasenjustiereinrichtung 82 läßt sich dann im einfachsten
Fall ebenfalls als Phasenstellglied auf dem Substrat 184 realisieren,
so daß nachfolgend
auf die Phasenjustiereinrichtung 82 eine Einkopplung der
Laserstrahlung des Subsystems 18' in die diesem zugeordnete Monomodefaser 20 erfolgt.
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Im
Zusammenhang mit der bisherigen Beschreibung der einzelnen Ausführungsbeispiele
wurde nicht im einzelnen auf die Ausbildung der Masterhalbleiterlasersysteme 90 des
Masterlaserstrahlungsgenerators 84 eingegangen.
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Aus
Gründen
der Einfachheit besteht die Möglichkeit,
diese Masterhalbleiterlasersysteme 90 in identischer Weise
wie die Subsysteme 18 oder 18' aufzubauen und das von diesen
zur Einkopplung in die Monomodefaser 20 erzeugte Laserstrahlungsfeld als
Masterlaserstrahlung für
weitere Masterhalbleiterlasersysteme einzusetzen oder als Masterlaserstrahlung
für die
Subsysteme 18 oder 18'.
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In
diesem Fall ist das von dem jeweiligen Masterlaserstrahlungssystem
erzeugte Laserstrahlungsfeld über
einen Strahlteiler wieder aufzuteilen, um als weitere Masterlaserstrahlung
Einsatz zu finden.
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Eine
vereinfachte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Masterhalbleiterlasersystems 90, dargestellt
in 18, weist ebenfalls wie das zweite Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Subsystems
eine Reihe von Kantenemittern 180 auf, deren Einzellaserstrahlung
in auf einem Substrat 184 angeordnete erste Wellenleiterstrukturen 182 einkoppelbar
ist, wobei die ersten Wellenleiterstrukturen 180 mit Einkoppelelementen 186 verbunden
sind, von welchen dann die zweiten Wellenleiterstrukturen 196 weg
führen.
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Jede
dieser zweiten Wellenleiterstrukturen ist dann separat, beispielsweise
mittels eines Wellenleiters 240, entweder zum nächstfolgenden
Masterhalbleiterlasersystem 90 als Masterlaserstrahlung geführt oder
zu einem der Subsysteme 18 oder 18'.
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Hinsichtlich
der Ausbildung der Einkoppelelemente 186 sowie der Kopplung
sämtlicher
Einkoppelelemente 186 wird vollinhaltlich auf die Erläuterungen
zum zweiten Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Subsystems,
dargestellt in 16, Bezug genommen.
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In
diesem Fall ist die von jedem Kantenemitter erzeugte Einzellaserstrahlung
aufgrund der eingekoppelten Masterlaserstrahlung phasenstabil zur Einzellaserstrahlung
sämtlicher
Kantenemitter des Masterhalbleiterlasersystems 90 oder
des Grundmasterlasers 86, jedoch nicht notwendigerweise
phasengleich. Eine derartige phasenstabile Beziehung der Phasenlage
reicht aus, um die Einzellaserstrahlung jedes einzelnen Kantenemitters
wiederum als Masterlaserstrahlung einzusetzen, wobei die aus einer
zweiten Wellenleiterstruktur 196 ausgekoppelte Masterlaserstrahlung
relativ zur Masterlaserstrahlung einer anderen zweiten Wellenleiterstruktur 196 des
Masterhalbleiterlasersystems 90 ebenfalls eine starre Phasenbeziehung
aufweist und die Phasenlage nicht identisch zu sein braucht. Ferner
ist die Wellenlänge
der Masterlaserstrahlung in jeder der zweiten Wellenleiterstrukturen 196 dieselbe,
da die über die
Einkoppelelemente 186 eingekoppelte Masterlaserstrahlung
alle Kantenemitter 180 auf exakt derselben Wellenlänge arbeiten
läßt.
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Eine
weitere alternative Lösung
eines erfindungsgemäßen Masterlaserstrahlungsgenerators, dargestellt
in 19, basiert auf der Verwendung von Subsystemen
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
In diesem Fall wird über
den durch einen einzigen Halbleiterlaser gebildeten Grundmasterlaser 86 ein Masterhalbleiterlasersystem 90 mit
Masterlaserstrahlung versorgt, welches entsprechend der ersten Variante
des ersten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Subsystems,
dargestellt in 8 ausgebildet ist. Im Gegensatz
zu der in 8 dargestellten ersten Variante
entfällt
bei der Abbildungsoptik 114 das zweite Element 116,
so daß diese
lediglich das erste Element 112 aufweist, so daß die von
den Masterhalbleiterlasern 88 erzeugten Einzelstrahlungsfelder 242 sich
parallel zueinander ausbreiten und einen ersten zur Einkopplung
der Masterlaserstrahlung dienenden Strahlteiler 244 durchsetzen
und auf eine Serie von weiteren Strahlteilern 2461 bis 246Y treffen, die dazu dienen, die Einzellaserstrahlungsfelder 242 wiederum
in Masterhalbleiterlasersysteme 90'1 bis 90'Y einzukoppeln,
die ihrerseits wiederum ebenfalls mit einer Abbildungsoptik 114 ohne
das zweite Element 116 Masterlaserstrahlung erzeugen, wobei
beispielsweise die Masterlaserstrahlung des Masterhalbleiterlasersystems 90'1 in
mehrere, gemäß der ersten
Variante des zweiten Ausführungsbeispiels
ausgebildete Subsysteme 18 mit dem jeweiligen Strahlteiler 132' einkoppelbar
ist, wobei diese Subsysteme 18 dann ein in die Monomodefaser
einkoppelbares Laserstrahlungsfeld 126 erzeugen.