DE60006261T2

DE60006261T2 - Asymmetrische reflexionsanordnung zur addition von hochleistungslaserstrahlen

Info

Publication number: DE60006261T2
Application number: DE60006261T
Authority: DE
Inventors: Bahman Taheri; Peter Palffy-Muhoray
Original assignee: Alphamicron Inc
Current assignee: Alphamicron Inc
Priority date: 1999-09-02
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: WO2001016636A2; ATE253231T1; EP1212648B1; DE60006261D1; EP1212648A2; AU1430301A; US6266359B1; WO2001016636A3

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf optische Elemente. Genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung, die mehrere Lichtstrahlen zu einem einzigen Lichtstrahl kombiniert. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Hochleistungs-Laserstrahlen-Kombinierer, der mehrere Laserstrahlen empfängt und diese zu einem einzigen Strahl mit minimalem Verlust kombiniert.
STAND DER TECHNIK
Laser mit sehr hoher Leistung (kW) werden in einer weiten Auswahl von Anwendungen eingesetzt. Zur Zeit sind die höchsten erreichbaren Leistungen bei durchschnittlich ~300W. Die Laser werden jedoch in einem Pulsmodus betrieben, um Überhitzung und damit verbundene Probleme zu vermeiden; damit sind sie nur quasikontinuierliche Wellen. Die Leistungsbegrenzung ist auf unterschiedliche Probleme zurückzuführen, wie das Herstellen von hochverstärkenden Medien, eingeschlossen der Hitzeableitung aus den aktiven Stäben, Beschädigungsgrenzwerte der Elemente, Haltbarkeit, Leistungsaufnahme und Kosten. Aufgrund der nicht-linearen Natur des Lasers, sind diese Probleme bei Lasern mit geringer Leistung weniger signifikant. Eine Ideallösung für Hochleistungs-Laser ist die Kombination der Ausgänge mehrerer Laser mit weniger Leistung. Diese Strahlenkombination kann intrakavitär oder extern durchgeführt werden, je nach Anwendung. Eine breitbandige Kombination polarisationsunabhängigen Lichts aus mehreren inkohärenten Lichtquellen sind besonders für Projektionsanzeigen interessant. Dies würde einen helleren Ausgang von mehreren kleineren Lichtquellen ermöglichen. Zusätzlich kann ein unpolarisierter Strahl, unter Verwendung von Polarisierern und Wellenlängen-Plättchen mit nachfolgender Rekombination, in einen polarisierten Strahl ohne Verlust umgewandelt werden.
Es hat mehrerer Versuche gegeben, Laserstrahlen zu kombinieren, unter Verwendung von sowohl linearer als auch nicht-linearer Optik, mit geringem oder keinem Erfolg. Die Verfahren beinhalten (i) das Fokussieren zweier Strahlen in einer einzelnen Faser und (ii) die Verwendung von photorefraktivem Strahlenkoppeln. Das erstere führt zu einem signifikanten Verlust und ist wegen der Beschädigung der Faser für Hochleistungs-Laser nicht geeignet. Das Letztere verlangt, daß beide Strahlen kohärent zueinander sind; demnach müssen sie aus dem gleichen Laser stammen. Leute, die mit dem Gebiet vertraut sind, wissen, daß die Ausgangsstrahlen zweier Laser nicht zueinander kohärent sind und somit innerhalb einer konventionellen photorefraktiven Geometrie nicht kombiniert werden können. Beide Verfahren sind abhängig von den Wellenlängen und können nicht bei einer Breitbandquelle verwendet werden. Bis heute sind keine effektiven Strahlenkombinierer in jeglichen Lasersystemen bekannt.
Eine Konversion von unpolarisierten zu polarisierten Lichtquellen ist Gegenstand von mehreren Untersuchungen. Die Verfahren beinhalten die Benutzung von reflektierenden Polarisierern, gefolgt von einigen Konversationsmechanismen. Keines dieser Systeme hat sich aufgrund ihrer ineffizienten Performanz beweisen können. Demnach können diese Systeme nicht zum Kombinieren von Licht aus unterschiedlichen Quellen benutzt werden. Es besteht erhebliches Interesse in Abhängigkeit der benötigten Performanz, polarisiertes oder unpolarisiertes Licht zu kombinieren.
Die größte Hürde für manche Strategien der Strahlenkombination sind aus der Energieerhaltung folgende physikalische Beschränkungen.
Ursprung des Problems
Die fundamentale Schwierigkeit beim Kombinieren von Lichtstrahlen kann unter Berücksichtigung des bestimmten Falls von zwei linear polarisierten, monochromatisch kohärenten Strahlen der Form
wobei E das elektrische Feld und k den Wellenvektor bezeichnet, ω die Winkelfrequenz und ϕ die Phasenverschiebung zwischen den zwei Strahlen ist. Der Polarisationsvektor wird durch ê angegeben; die transversalen Strahlenprofile sind durch f₁(x, y) und f₂(x, y) gegeben. Der Photonenfluß (die Anzahl der Photonen durch eine Obertläche pro Zeiteinheit) für jeden Strahl innerhalb eines Materials mit einer dielektrischen Konstante ist proportional zum Energiefluß, J, welcher in einer guten Näherung gegeben ist durch:
wobei dA ein Flächenelement und c die Lichtgeschwindigkeit sind. Der Gesamtfluß für beide Strahlen ist
Sofern die Strahlen kombiniert sind, ist der Fluß für die zwei sich kolinear ausbreitenden Strahlen:
Im stationären Zustand bleibt in einer passiven, nicht-absorbierenden Vorrichtung der Gesamtfluß erhalten. Ein Vergleich von Gl. 5 und Gl. 6 ergibt für die Energieerhaltung
Da wir an dem Kombinieren von sich kolinear ausbreitendem, monochromatischem Licht interessiert sind (i. e. Δ
= 0 reduziert sich die Bedindung zu: cos(ϕ)(ê1·ê2)∫f1(x, y)f2(x, y)dA = 0 (8)
Jeglicher erfolgreicher Strahlenkombinierer muß diese Bedingung erfüllen. Im einzelnen muß das optische Element so konstruiert sein, daß entweder (i) die relative Phase zwischen den zwei Eingangsstrahlen genau 90° ist, oder (ii) sie eine orthogonale Polarisation haben, oder (iii) das Überlapp-Integral verschwindet.
Die obige Bedingung ist für monochromatische Quellen und gilt, wenn Strahlen von einer Anzahl identischer Quellen kombiniert werden. Sie gilt schon nicht mehr, wenn die zu kombinierenden Strahlen unterschiedliche Wellenlängen haben.
Strahlen mit 90° Phasenverschiebung (cos(ϕ) = 0)
Bei ϕ = 90°, cosϕ = 0 ist GI. 7 erfüllt. Dieses Verfahren wurde in photorefraktiven Strahlenkopplungsexperimenten gezeigt. In diesen Experimenten werden zwei kohärente Strahlen in einem photorefraktiven Medium gekreuzt. Das durch die zwei Strahlen gebildete Interterenzmuster erzeugt ein Gitter von Ladungsträgern. Aufgrund des internen Feldes bewegen sich die Träger zu den dunklen Bereichen des Interferenzmusters und erzeugen mit den zurückgelassenen Löchern ein Raumladungsfeld. Dieses Raumladungsfeld ändert aufgrund des linearen elektro/optischen Effekts den Brechungsindex. Die Indexänderung weist die Periodizität des anfänglichen Interferenzmusters auf, ist jedoch um 90° phasenverschoben. Somit kann Energie von einem zum anderen Strahl transferiert werden, ohne die Energieerhaltung zu verletzen.
Darüber hinaus liegt der Beweis eines Energietransfers von einem Strahl zum anderen innerhalb bestimmter Materialien vor. Jedoch müssen die benutzten Strahlen aus dem selben Laser stammen und zu Erzeugung eines Interferenzmusters kohärent sein. Photorefraktive Materialien können daher nicht zum Kombinieren von aus unterschiedlichen Laserquellen stammenden Strahlen verwendet werden, da sie nicht zueinander kohärent sind. Weiterhin ist ihre Effizienz wellenlängen- und temperaturabhängig und können typischerweise nicht sehr weit jenseits des nahen IR arbeiten, bei dem die meisten Laser funktionieren.
Alternativ kann man zwei Strahlen mittels eines Strahlenteilers, wie ein halb-versilberter Spiegel, der mit 45° zu der Ausbreitungsrichtung angeordnet ist, kombinieren, wie in dem Ausgang eines Mach-Zehnder Interferometers. Die von dem Strahlenteiler ausgehenden und reflektierten Strahlen sind um 90° aus der Phase. Dementsprechend können zwei Strahlen dann (und nur dann) kombiniert werden, so daß sie sich zusammen in eine bestimmte Richtung ausbreiten, wenn die zwei Strahlen kohärent sind. In dem Fall des photorefraktiven Effekts kann das Verfahren auch dann nicht zum Kombinieren von Strahlen aus zwei unterschiedlichen Laserquellen benutzt werden.
Verwendung von orthogonalen Polarisationen (ê₁·ê₂) = 0
Das Verschwinden von ê₁·ê₂ erlaubt die Kombination zweier orthogonal polarisierter Strahlen. Ein polarisierender Strahlenteiler ist ein Element, welches die interne Totalreflexion innerhalb eines doppelbrechendes Materials nutzt, um die Komponenten mit unterschiedlicher Polarisation in zwei sich orthogonal ausbreitenden Strahlen zu teilen. Unter Benutzung dessen, kann man selbstverständlich zwei Strahlen mit orthogonaler Polarisation zusammen bringen und sie zu einem einzigen kolinearen Strahl kombinieren. Dies kann jedoch nur einmal geschehen. Mit anderen Worten kann diese Technik nur einmal für zwei Strahlen mit orthogonaler Polarisation angewandt werden. Der kombinierte Strahl wird eine zufällige Polarisation aufweisen, wenn die Strahlen nicht kohärent sind. Dementsprechend können keine weiteren Strahlen von anderen Lasern hinzugefügt werden. Es sollte beachtet werden, daß selbst zum Kombinieren zweier Strahlen es notwendig ist, daß die von den Lasern stammende Ausgabe polarisiert ist.
Das Überlapp-Integral zum Verschwinden bringen
Um Strahlen aus einer Vielzahl von Lasern zu kombinieren, ist die einzige von der Energieerhaltung erlaubte Möglichkeit, daß zum Verschwinden bringen des Überlappintegrals. Dieses Verfahren erlaubt die Kombination von inkohärenten Strahlen, unabhängig von ihrer Polarisation, und kann demzufolge auf mehrere Laserstrahlen erweitert werden. In diesem Fall ist es erforderlich, daß das Integral ∫f1(x, y)f2(x, y)dxdy = 0 (9)
Dies wird erreicht, wenn die Strahlen nicht überlappen. Das einfache Anordnen der Strahlen „Seite-an-Seite" ist ein Beispiel für diesen Fall. Dies wird jedoch das Profil der kombinierten Strahlen deutlich ändern und ist demnach in der Praxis nicht sinnvoll.
Anerkennung wird dem U.S. Patent Nr. 5,715,270 zuteil, das ein hoch effizientes, Hochleistungs-Direkt-Lasersystem und ein damit im Zusammenhang stehendes Verfahren offenbart. Die Vorrichtung beinhaltet, daß dichromatische Filter zum Zwecke der Erzeugung eines hoch fluenten Hochleistungs-Laserstrahls einen entsprechenden Laserstrahl durchlassen, oder andere Wellenlängen reflektieren. Diese dichromatischen Filter haben im Wesentlichen dieselbe Breite und eine unterschiedliche Höhe, jedoch sind sie diskontinuierlich, da sie aus drei koplanaren Spiegel gebildet sind und als solche nicht effektiv zwei Eingangsstrahlen, oder mehrere Eingangsstrahlen zu einem einzigen Ausgangsstrahl kombinieren.
Demzufolge besteht der Bedarf nach einem kostengünstigen optischen Element und einem zu verwendenden Verfahren, welches mehrere Strahlen mit einer geringen Abweichung in deren Charakteristiken kombinieren kann. Das Element sollte so aufgebaut sein, daß sowohl lineare als auch nicht-lineare optische Materialien ver wendet werden, um einen Einsatz bei Projektionssystemen hin bis zum optischen Computing zu erlauben. Weiterhin besteht der Bedarf nach einem System, welches zum Kombinieren von sowohl kohärenten als auch inkohärenten Strahlen verwendet werden kann und welches wellenlängen- und polarisationsunabhängig über ein weites Spektrum ist. Aufgrund seiner Geometrie wird das gewünschte Element unterhalb des Beschädigungsgrenzwertes arbeiten, sofern die Eingangsstrahlen aus Hochleistungs-Laser stammen. Es besteht weiterhin der Bedarf nach einem eigenständigen System, um extern Strahlen zu einer Laserkavität zu kombinieren, oder welches innerhalb der Kavität zum kohärenten Kombinieren angeordnet werden kann. Es besteht weiterhin der Bedarf nach einem Element, welches in Verbindung mit anderen Verfahren eingebunden werden kann, wie diese, die den photorefraktiven Effekt nutzen, um so eine hohe Effizienz in diesen Techniken zu erzielen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Im Lichte des Vorangegangenen ist es ein erster Gesichtspunkt der Erfindung, eine asymmetrische Reflexionsanordnung zum Kombinieren von Hochleistungs-Laserstrahlen bereitzustellen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die geeignet ist, Licht aus mehreren kohärenten oder inkohärenten Quellen zu kombinieren.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, wie oben dargestellt, eine Vorrichtung bereitzustellen, die geeignet ist, Strahlen aus monochromatischen oder Breitband-Quellen zu kombinieren.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, wie oben dargestellt, eine Vorrichtung bereitzustellen, die geeignet ist, mehrere Strahlen polarisierten oder unpolarisierten Lichts zu kombinieren.
Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Endung, wie oben dargestellt, eine Vorrichtung bereitzustellen, die für eine minimale Änderungen in dem Ausgangsprofil geeignet ist.
Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Efindung, wie oben dargestellt, eine Vorrichtung bereitzustellen, die geeignet ist, in Verbindung mit anderen Technologien, wie nicht-lineare Optiken oder Laser, verwendet zu werden.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, wie oben dargestellt, eine Vorrichtung bereitzustellen, die geeignet ist, innerhalb einer Laserkavität angeordnet zu werden.
Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, wie oben dargestellt, eine Vorrichtung bereitzustellen, die geeignet ist, unter Verwendung einer Vielzahl von Spiegeln und Reflektoren verwirklicht zu werden.
Es ist ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Endung, wie oben dargestellt, eine Vielzahl von reflektierenden Anordnungsteilstücken bereitzustellen, die nebeneinander angeordnet sind, mit vollständig oder weniger als vollständig reflektierenden Eigenschaften und mit im Wesentlichen derselben Länge, aber mit einer für jedes Anordnungsteilstück unterschiedlichen Höhe, so daß die Anordnungsteilstücke in einer monoton aufsteigenden Reihenfolge angeordnet sind.
Es ist noch ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung, wie oben dargestellt, die Vielzahl von Anordnungsteilstücken so anzuordnen, daß sie einen kollektiven Eingangsbereich ausbilden, der zumindest zwei Eingangsstrahlen empfängt und wobei die Anordnungsteilstücke einen kollektiven Ausgangsbereich mittels ihrer unterschiedlich angeordneten längslaufenden oberen Enden ausbilden.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, wie oben dargestellt, zumindest zwei in den kollektiven Eingangsbereich Eingehende mit einem Eingangswinkel bereitzustellen, wobei der aus dem kollektiven Ausgangsbereich kommende Ausgangsstrahl einen Winkel ausbildet, der im Bezug zu dem kollektiven Eingangsbereich 90° minus dem Eingangswinkel der Eingangsstrahlen entspricht.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, wie oben dargestellt, eine Anordnung bereitzustellen, die mehrstufig ist, mit schmaleren Anordnungen, um zusätzliche Eingangsstrahlen zu einem letztlich einzigen resultierenden Ausgangsstrahl zu kombinieren.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, wie oben dargestellt, die mindestens eine Kondensorlinse in der Nähe des kollektiven Ausgangsbereich zum Zwecke der Größenveränderung der Ausgangsstrahls anzuordnen.
Die vorstehenden und anderen Ziele der vorliegenden Erfindung werden anhand der detaillierten Beschreibung deutlicher und werden mittels einer asymmetrischen Reflexionsanordnung zum Kombinieren zweier Eingangsstrahlen zu einem kombinierten Ausgangsstrahl, wie in Anspruch 1 definiert, erzielt.
Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung, ebenso wie deren Vorteile im Bezug zum bestehenden Stand der Technik, welcher anhand der folgenden Beschreibung ersichtlich wird, werden mittels der nachfolgend beschriebenen und beanspruchten Verbesserungen erreicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein vollständiges Verständnis der Ziele, Techniken und Struktur der Erfindung, soll Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung und auf die begleitenden Zeichnungen genommen werden, in denen:
1 eine perspektivische schematische Darstellung einer kombinierenden asymmetrischen Reflexionsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine schematische Vorderansicht der Anordnung ist;
3 eine schematische Darstellung der empfangenen Eingangsstrahlen, die mittels der Anordnung kombiniert werden, um einen Ausgangsstrahl zu erzeugen, ist;
4 eine schematische Darstellung einer mehrstufigen asymmetrischen Reflexionsanordnung ist; und
5 eine schematische Darstellung der mit einer Laser-Kavität verbundenen Anordnung ist.
BESTE ART DER REALISATION DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und im besonderen auf 1–3, wird deutlich, daß eine erfindungsgemäße asymmetrische Reflexionsanordnung generell mit der Ziffer 10 bezeichnet wird. Wie in 1 gezeigt, empfängt die Anordnung einen Eingangsstrahl 12 und einen Eingangsstrahl 14 in einer zweidimensionalen Konfiguration. Die Anordnung 10 ist im Wesentlichen ein dielektrisches Medium, welches die Strahlen 12 und 14 kombiniert, um einen kombinierten Ausgangsstrahl 16 zu erzeugen. In der einfachsten Form ist die Anordnung 10 eine Wellenleiteranordnung, zusammengesetzt aus parallelen reflektierenden Schichten 34 mit einer unterschiedlichen Höhe 26 in einem dielektrischen Medium 32. Es hat sich gezeigt, daß sich durch ein Schneiden der Reflexionsanordnung 10 in bestimmten Ebenen beide Eingangsstrahlen gemeinsam in die gewünschte Richtung mit einer geringen oder keiner Änderung in ihren Charakteristiken ausbreiten.
Die Anordnung 10 beinhaltet eine Vielzahl von im Wesentlichen parallelen und benachbarten reflektierenden Anordnungsteilstücken, welche gemeinsam mit der Ziffer 20 bezeichnet werden und wobei jedes Anordnungsteilstück für sich mit der Ziffer 30 bezeichnet wird. Jedes Anordnungsteilstück 30 hat eine im Wesentlichen rechteckige Form und weist eine zumindest teilweise reflektierende Schicht 34 und ein angrenzendes Teilstück 32 eines lichtleitenden Mediums auf, das die reflektierende Schicht 34 von der nächsten trennt. Jede reflektierende Schicht kann ein vollständig reflektierender oder alternativ ein teilweise reflektierender Spiegel sein, was eine bessere Vermischung der Eingangsstrahlen 12 und 14 erlaubt. Die Spiegel können weiterhin so beschalten sein, daß sie eine lineare und nicht-lineare Wechselwirkung ermöglichen. Mit anderen Worten stellt die Reflexionsanordnung 10 ein Gitter dar, welches aus zwei Lasern in einem nicht-linearen optischen Material, wie ein photorefraktiver Kristall zum steigern des photorefraktiven Effekts, besteht. Die Spiegel können für eine größere Vermischung der Strahlen ebenfalls teilweise versilbert sein. Eine teilweise Versilberung kann für die verschiedenen Schichten 34 unterschiedlich sein. Wie durch die weitere Beschreibung deutlicher werdend, kann die richtige Wahl der Versilberung für jede der Schichten 34 benutzt werden, um das Profil des Ausgangsstrahls 16 zu modellieren.
Jedes reflektierende Anordnungsteilstück 30 hat ein vorbestimmtes Gruppendickenmaß 22 und ein vorbestimmtes Gruppenlängenmaß 24. Obwohl in 1 nur sechs Anordnungsteilstücke gezeigt werden, wird von einem Fachmann davon ausgegangen, daß jede beliebige Zahl von Anordnungsteilstücken in der Anordnung verwendet werden kann. Die Höhe 26 einer jeden reflektierenden Schicht 34 ist, wie in 1 und 2 zu erkennen, durch den Winkel Θ bestimmt, der ungefähr dem Winkel φ der Eingangsstrahlen 12 und 14 minus 90° entspricht. Um beide Eingangsstrahlen 12 und 14 richtig miteinander zu Vermischen, wird bevorzugt, daß sie in den in den 1–3 gezeigten Ausführungen mit demselben Eingangswinkel φ versehen sind.
In diesem Fall fungieren die reflektierenden Oberflächen wie die Winkelhalbierende für die Ausbreitungsrichtung der zwei einfallenden Strahlen. In der einfachsten Form, sind alle festgelegten Winkel 45°. Es soll angemerkt werden, daß die festgelegten Winkel nicht unabhängig voneinander sind. Zum kombinieren zweier Strahlen, sollte die Bedingung Θ = 90° – ϕ erfüllt sein. Die Anordnung 10 führt während des Vermischens der zwei Strahlen zum Verschwinden des Überlapp-Integrals. Die Anordnung 10 ist ein zweidimensionale Aufbau, bei dem die zwei einfallenden Strahlen durch 90° getrennt sind, so daß sowohl 0 und φ 45° sind.
Wie am besten in 2 zu sehen, weist jedes Anordnungsteilstück 30 einen die Position in Beziehung zu den anderen Anordnungsteilstücken bezeichnenden Suffix auf. Beispielsweise wird das in der Höhe kürzeste Anordnungsteilstück mit dem Zeichen 30a identifiziert und das in der Höhe größte Anordnungsteilstück mit dem Zeichen 30g bezeichnet. Jedes Anordnungsteilstück hat eine unterschiedliche Höhe 26, die monoton von dem kürzesten Teilstück 30a zu dem längsten Teilstück 30g ansteigt. Jedes Anordnungsteilstück 30 weist ein Teilstück 32 eines lichtleitenden Mediums und eine reflektierende Schicht 34 mit entsprechender alphabetischer Suffix Bezeichnung auf. Das tiefere Ende jedes Teilstücks 32 des lichtleitenden Mediums, erlaubt den Eingang von Licht oder dem Laserstrahl in die Anordnung 10. Eine bestimmte Schicht 34 reflektiert die Eingangsstrahlen 12 und 14. Sobald die Eingangsstrahlen von der reflek tierenden Schicht 34 reflektiert wurden, treffen die Strahlen auf die Rückseite der reflektierenden Schicht des benachbarten Anordnungsteilstücks. Jeder Eingangsstrahl wird dann zwischen den Schichten 34 vor und zurück reflektiert, bis sie das andere Ende der Anordnungsteilstücke 30 erreichen. Da die unterschiedlichen Anordnungsteilstücke 30 nebeneinander angeordnet sind, bilden die unteren Enden einen kollektiven Eingangsbereich 40, von der die Eingangsstrahlen 12 und 14 empfangen werden. In ähnlicher Weise wird durch den unterschiedlich positionierten oberen Enden jedes Anordnungsteilstücks 30 ein kollektiver Ausgangsbereich 42 gebildet.
Wie in 3 zu erkennen, bilden die Eingangsstrahlen 14 und 16 entsprechende Eingangskomponentenwellen 44 und 46 aus. Die Komponentenwellen haben die Eigenschaften von J₁, F₁ bzw. J₂, F₂, wobei J den Fluß (Photonen/s) und F die Fluenz (Photonen/Fläche) der Eingangsstrahlen beschreibt. Die Komponentenwellen sind aufgrund ihres Eingangswinkels in den kollektiven Eingangsbereich 40 zerlegt oder aufgeteilt. Entsprechend ist jeder Eingangsstrahl in Komponentenanteile zerlegt, welche zwischen benachbarten reflektierenden Schichten 34 reflektiert werden. Die gleiche Erscheinung tritt bei dem anderen Eingangsstrahl auf und die Eingangsstrahlen werden wirksam in die durch den kollektiven Ausgangsbereich 42 definierte Richtung geführt. Entsprechend ist der Ausgangsstrahl 16 eine Kombination der Komponentenwellen 44 und 46. Dies führt zu einem kombinierten Flußwert von J₁ + J₂ und zu einem kombinierten Fluenzwert von (F₁ + F₂)/2. Sofern gewünscht, kann ein Paar Kondensorlinsen 52 und 54 zum Reduzieren des Strahlumfangs auf den der originalen Strahlen verwendet werden.
3 zeigt die Trajektorien zweier in die Anordnung 10 eingehenden Strahlen. In diesem Fall werden vollkommene Reflektoren zum Darstellen des vorgeschlagenen Konzepts angenommen. Es wird deutlich, daß der eindeutige Aufbau der optischen Elemente die Ausbreitungsrichtung nur eines Strahls ändert, während ein den Eingangsstrahlen entsprechendes Profil beibehalten wird. Der Ausgangsstrahl kann dann mittels Benutzung geeigneter Kondensorlinsen in seiner Größe verändert werden. Da eine Linse nur die Flußdichte eines Strahls (Energie/Fläche) und nicht den Fluß än dert, können Linsen zur Größenänderung ohne Verletzung der Flußerhaltung benutzt werden.
Nun Bezug nehmend auf 4 wird deutlich, daß die Vielzahl von Anordnungsteilstücken 20 neben zusätzlichen anstoßend verbundenen asymmetrischen Reflexionsanordnungen angeordnet werden, um eine mehrstufige Geometrie zu erhalten. Insbesondere wird eine der vorliegenden Erfindung entsprechende mehrstufige, anstoßend verbundene asymmetrische Reflexionsanordnung mit der Ziffer 60 bezeichnet. Eine erste Anordnung 20 ist in nahezu der gleichen Weise aufgebaut, wie die Vielzahl von Anordnungsteilstücken 20 und wird benachbart zu dem Paar Halbanordnungen 64 und 66 angeordnet. Diese Halbanordnungen 64 und 66 sind im Wesentlichen wie das Anordnungsteilstück 20, jedoch nur halb so groß. Eine weiterer mehrstufiger Effekt kann durch die Anordnung einer Vielzahl von geviertelten, anstoßend verbundenen asymmetrischen Anordnungen 68, 70 und einer Rücken-an-Rücken angeordneten asymmetrischen Reflexionsanordnung 72 neben den Halbanordnungen 64 und 66 erzielt werden. Die Anordnung 60 erlaubt die Kombination von bis zu acht Strahlen zu einem Ausgangsstrahl. Der Aufbau der Halbanordnungen 64 und 66 sind so, daß die längsten Längen der reflektierenden Schichten neben der längsten und der kürzesten reflektierenden Schicht des längeren Anordnungsteilstücks 20, mit dem sie gekoppelt ist, angeordnet sind. Somit sind die kürzesten Längen der reflektierenden Halbanordnungen 64 und 66 nebeneinander angeordnet. Ein ähnliches, nun viertel-große Anordnung ist dann benachbart zu jeder Halbanordnung 64 und 66. Mit anderen Worten werden die Viertelanordnungen 68 und 70 derart angeordnet, daß deren längste reflektierende Schicht neben der längsten reflektierenden Schicht der Halbanordnung angeordnet ist. Bei der Rücken-an-Rücken Halbanordnung 72 wird deren längste Schicht neben den kürzesten Schichten der Halbanordnung 64 und 66 angeordnet.
In Benutzung empfängt die mehrstufige Anordnung 60 acht Eingangsstrahlen 73, wobei zwei der Strahlen 73 von jeder der Viertelanordnungen 68, 70 bzw. 72 empfangen werden. Jedes dieser Viertelanordnungen erzeugt dann einen einzigen Eingangsstrahl 74. Als nächstes empfängt jede Halbanordnung 64 und 66 zwei der von den benachbarten Viertelanordnungen erzeugten Eingangsstrahlen 74, um zwei weitere Eingangsstrahlen 75 zu erzeugen, welche von der längsten Anordnung 10 empfangen werden, um den Ausgangsstrahl 16 zu erzeugen. Es wird angenommen, daß weitere schmalere Anordnungen an die mehrstufige Anordnung 60 gekoppelt werden können, um eine beliebige Zahl von Strahlen zu einem Ausgangsstrahl zu kombinieren. Alternativ kann die mehrstufige Anordnung 60 benutzt werden, um durch Umkehrung des Fluß des Laserlichtes durch diese wirksam einen Strahl in eine Vielzahl von Ausgangsstrahlen zu zerlegen.
Jede der hier diskutierten Anordnungen (10, 60) kann in einem Interkavitätssystem, wie in 5 gezeigt, benutzt werden und wird generell mit der Ziffer 100 bezeichnet. In einer tatsächlichen Benutzung beinhaltet das System 100 ein Paar mit Spiegeln 104 in Verbindung stehende Laserstäbe 102. Die Laserstäbe 102 erzeugen Eingangsstrahlen 106, welche von einer anstoßend verbundenen asymmetrischen Reflexionsanordnungen 108 empfangen werden, die einen Ausgangsstrahl 110 erzeugen. Dieser Strahl 110 wird von einem Koppler empfangen, um den gewünschten kombinierten hochenergetischen Laserstrahl zu erzeugen.
Die hier diskutierte Reflexion in den Anordnungen kombinieren effizient Eingangsstrahlen, wie Laserstrahlen. Weiterhin können die Reflexionselemente vollständig reflektierend oder teilweise reflektierend sein, um ein besseres Vermischen der Eingangsstrahlen zu ermöglichen; oder sind durch lineare oder nicht-lineare Wechselwirkungen hergestellt, wobei die Reflexionsanordnungen ein Gitter darstellen können, welches von zwei Lasern in einem nicht-linearen Material, wie einem photorefraktiven Kristall, erzeugt wird, was den photorefraktiven Effekt erhöht. Die hier diskutierten Anordnungen können in einer Laserkavität angeordnet werden, um zwei Laser kohärent zu kombinieren. Jedes System kann dann unterhalb der beschränkenden Leistungsgrenze von Hochleistungs-Lasern arbeiten.
Die hier diskutierten Anordnungen können benutzt werden, um allen bei einem Strahlenkombinierer erforderlichen Anforderungen zu erfüllen. Die Vorteile solcher Anordnungen sind leicht erkennbar. Eine einfache mehrstufige Anordnungsgeometrie kann zum Kombinieren mehrerer Strahlen benutzt werden. Theoretisch gibt es für die Anzahl von Strahlen, die in dieser Weise kombiniert werden können, keine Begren zung. 4 zeigt eine mehrstufige Geometrie in einem einzelnen Element, das zum Kombinieren mehrerer Strahlen benutzt werden kann.
Es ist vorgesehen, daß die Eingangsstrahlen vor den Anordnungen kollimiert werden. Der Ausgang der Anordnungen bewahrt die Kollimationscharakteristik der Eingangsstrahlen. Die hier dargestellten Anordnungen verbinden effektiv die Eingangsstrahlen. Sofern die Eingangsstrahlen das gleiche Profil aufweisen, erzeugt das Vermischen einen Ausgangsstrahl, dessen Profil ungefähr eine skalierten Kopie des Eingangsstrahlenprofils ist. Der Ausgangsstrahl kann zudem in konventioneller Art mittels eines Kondensorlinsenpaares in seiner Größe verändert werden. Da die Anordnungen auf Reflexionselemente basieren, kann ein Breitbandreflektor für einen kontinuierlichen Betrieb von UV bis zum mittleren IR Bereich benutzt werden. Andere Bereiche des elektromagnetischen Spektrums können durch eine entsprechende Auswahl der reflektierenden Ebenen benutzt werden.
Ein weitere Vorteil der vorliegenden Anordnungen ist, daß sie nicht von der Polarisation der Strahlen abhängig sind. Dies ist wichtig, da der Ausgang der meisten Laser im allgemeinen nicht polarisert ist. Noch eine weiterer Vorteil der Anordnungen ist, daß sie keine kohärenten Strahlen benötigen und somit zum Kombinieren mehrerer Quellen benutzt werden können, die zueinander inkohärent sind. Jedoch wird erwartet, daß das System aufgebaut ist, um eine kohärente Kombination von Lasern zu ermöglichen. Die Anordnungen der vorliegenden Erfindung sind einfache, passive optische Elemente, welche aus einer Anzahl einfacher Materialien wie Glas oder Kunststoff hergestellt werden können.
Die Anordnungen können mehrstufig sein, um die Kombination mehrerer Eingangsquellen zu ermöglichen. Da die Kombination innerhalb eines einzelnen Elements erfolgt, sind die Anordnungen gegen Beschädigung widerstandsfähig. Die Verwendung von Kunststoffebenen macht das Element stabil und erlaubt dessen Verwendung in kritischen Umgebungen. Das System verwendet ein neues Verfahren zum Umlenken eines Strahls mit Abweichung zueinander. Es ist klar, daß dieses mit anderen Systemen zur Erhöhung der Leistung verwendet werden kann. Beispielsweise zeigt ein der vorliegenden Anordnung entsprechend geschnittener photorefraktiver Kristall eine deutliche Verbesserung zu der konventionellen Strahlenkopplung, die den mit dem Stand der Technik vertrauten Leuten bekannt ist.
Beispiel
Eine zweidimensionale Anordnung, ähnlich zu der in den 2 und 3 gezeigten, verwendet eine Anordnung von reflektierenden Spiegeln. Ein einfaches 15,24 cm (6'') quadratisches Glas mit einer Dicke von 1 mm wurde gleichmäßig mit ~1000A Aluminium beschichtet. Die Fläche wurde dann unter Verwendung eines Diamantschneiders in 10 Streifen geritzt. Die Dicke der Streifen war die des Glases (1 mm), deren Länge war 5 cm und deren Höhe war von 5 mm bis zu 15 mm monoton aufsteigend. Die Streifen wurden dann zusammengeklebt.
Ein Helium-Neon-Laserstrahl wurde in zwei gleiche Anteile unter Verwendung eines 1" polarisierten Strahlenteilerwürfels der Newport Corp. zerlegt. Der aus dem Strahlenteiler kommende p-polarisierte Strahl wurde zu einem s-polarisierten Licht mittels eines halbe-Wellenlängen Plättchens konvertiert. Die Strahlen wurden dann unter Verwendung der Anordnung rekombiniert.
Strahlenkombinierer haben vielerlei Anwendungen für Hochleistungs-Lasersysteme, Ladar, nicht-lineare optische und faseroptische Kommunikation, ebenso wie Breitbandquellen-Anwendungen, wie Projektionsanzeigen und Polarisationskonverter. Die obigen Charakteristiken der Anordnungen können zu einer dreidimensionalen Anordnung erweitert werden. Die benutzte Geometrie zeigt eine Asymmetrie in zwei Dimensionen. Unter Verwendung von rechtwinkligen Wellenleitern (anstatt der parallelen Plättchen), wird erwartet, daß vier Strahlen gleichzeitig kombiniert werden können. Dies kann deutlich die Zahl notwendiger Elemente reduzieren.
Die Anordnungen können für eine größere Vermischung zwischen den Strahlen unter Verwendung teilweise versilberter Spiegel konstruiert werden. Die teilweise Versilberung kann für die unterschiedlichen Streifen veränderlich sein. Beispielsweise können der erste und der letzte Streifen vollständig reflektierend sein; der Versilberungsgrad kann jedoch für die inneren Elemente abnehmen. Die richtige Wahl der Versilberung kann auch zum Modellieren des Ausgangsstrahls benutzt werden. Die reflektierenden Oberflächen können zudem aus Indexvariationen, wie in Holographischen Medien zu sehen, bestehen. Die für die Anordnungen benutzte Geometrie kann in nichtlinearen optischen Kristallen eingebaut werden. Insbesondere kann ein hoch effizientes Strahlenkoppeln für an den durch die vorliegende Anordnung festgelegten Winkeln geschnittene Kristalle erreicht werden.
Werden Anordnungen der vorliegenden Erfindung innerhalb Laserkavitäten angeordnet, sollte es möglich sein, zwei kleinere Laserkavitäten zu einem größeren Ausgang zu kombinieren. In dieser Weise kann jede Kavität unterhalb der Beschädigungs- und thermischen Grenzwerte arbeiten, während die Ausgangsleistung erhöht wird. Dies kann zur Erhöhung des Ausgangs eines Dualkopf-Lasers benutz werden. Die Intensität an einer Stelle innerhalb der Kavität bleibt unterhalb des Beschädigungsgrenzwertes. Der Ausgang wird jedoch kohärent und energiereicher sein.
Die Struktur der oben dargestellten Anordnungen können für jegliche Ausbreitungswellen Anwendung finden. Dies beinhaltet auch Röntgenstrahlen, ultraviolette, infrarote, Mikrowellen, Radiowellen, wie auch akustische und Ultraschall-Wellen. Das Hauptmerkmal der Ausgestaltung bleibt bestehen. Das Hauptmerkmal der Anordnungen, das geändert würde, ist die Wahl des reflektierenden Materials.
Die möglichen Anwendungen für die oben dargestellte Anordnung liegen in der Benutzung von militärischen und zivilen Systemen, bei denen geringe Kosten und hohe Leistungen gewünscht sind. Es wird erwartet, daß die vorliegenden Anordnungen zur kostengünstigen Verminderung der Quellenluminosität benutzt werden können. Hochleistungs-Laser werden zur Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnis in der faseroptischen Kommunikation benötigt. Die Verwendung der vorliegenden Anordnung würde die Benutzung einer Vielzahl von Dioden-Lasern zur Erstellung der benötigten Leistung bei der gewünschten Wellenlänge ermöglichen.
Der Polarisationszustand einer unpolarisierten Quelle kann mittels der vorliegenden Anordnung konvertiert werden. In Kürze, ein polarisierender Strahlenteiler kann zur Trennung der zwei Polarisationszustände verwendet werden. Die Strahlen können dann mittels eines Wellenlängen-Plättchens in die gleiche Polarisation geführt und dann schließlich kombiniert werden. Dies kann die Performanz unterschiedlicher Vorrichtungen erhöhen, welche polarisiertes Licht für den Betrieb verwenden, wie elektrooptische Shutter.
Daher wird klar, daß die Ziele der Erfindung durch die Strukturen und die oben dargestellten und zu verwendenden Verfahren erfüllt werden. In Übereinstimmung mit den Patentstatuten, wurde nur die beste Art und die bevorzugte Ausgestaltung dargestellt und im Detail beschrieben, so daß es so zu verstehen ist, daß die Erfindung nicht darauf oder dadurch beschränkt ist.

Claims

Asymmetrische Reflexionsanordnung (10) zum Kombinieren zweier Eingangsstrahlen (12, 14) zu einem einzigen kombinierten Ausgangsstrahl (16) umfassend: eine Vielzahl von reflektierenden Anordnungsteilstücken (30) mit einer im Wesentlichen rechteckigen Form, im Wesentlichen parallel und nebeneinander angeordnet, von denen jedes eine zumindest teilweise reflektierende Schicht (34) aufweist, und ein angrenzendes Teilstück (32) eines Licht leitenden Mediums, das die reflektierende Schicht von der nächsten trennt, bei der jedes dieser Anordnungsteilstücke (30) mit einer im Wesentlichen rechteckigen Form im Wesentlichen die gleiche Länge (24), die gleiche Dicke (22) und eine unterschiedliche Höhe (26) aufweist, wobei die Vielzahl von reflektierenden Anordnungsteilstücken (30) derart angeordnet ist, daß deren unteren längslaufenden Enden in einer ersten gemeinsamen Ebene liegen, die einen kollektiven Lichteingangsbereich (40) bildet, und wobei die unterschiedliche Höhe eines jeden Anordnungsteilstücks monoton von einem gegebenen Anordnungsteilstück zum nächsten ansteigt, so daß die oberen längslaufenden Enden der Vielzahl von reflektierenden Anordnungsteilstücken in einer zweiten gemeinsamen Ebene liegen, die im Verhältnis zu der ersten gemeinsamen Ebene geneigt ist, um einen kollektiven Lichtausgangsbereich (42) zu bilden; wobei die zwei Eingangstrahlen (12,14) dazu bestimmt sind, aus zwei unterschiedlichen, in Bezug auf die erste gemeinsame Ebene im Wesentlichen entgegengesetzt geneigten Richtungskomponenten, in den kollektiven Lichteingangsbereich (40) geführt zu werden, um so mittels vielfacher Reflexionen an den reflektierenden Schichten (34) durch die Anordnung (10) geleitet und an dem kol lektiven Lichtausgangsbereich (42) zur Ausbildung eines einzigen kombinierten Ausgangsstrahl (16) kombiniert zu werden.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die zwei Strahlen (12, 14) in den kollektiven Eingangsbereich (40) mit einem im Wesentlichen äquivalenten Eingangswinkel φ eingegeben werden.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei der kollektive Ausgangsbereich (42) im Hinblick auf den kollektiven Eingangsbereich (40) einen Winkel Θ ausbildet, der im Wesentlichen 90° minus dem Eingangswinkel φ entspricht.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei jede der mindestens teilweise reflektierenden Schicht (34) vollständig reflektierend ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei einige der Anordnungsteilstücke (30) reflektierende Schichten (34), die vollständig reflektieren, und die verbleibenden Anordnungsteilstücke reflektierende Schichten, die etwas weniger als vollständig reflektieren, aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 1, weiterhin zumindest zwei neben dem kollektiven Ausgangsbereich (42) angeordnete Kondensorlinsen (52, 54) aufweisend.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der kollektive Ausgangsbereich (42) den kombinierten Ausgangsstrahl (16) entsprechend dem summierten Flußwert der Eingangsstrahlen (12, 14) erzeugt.
Eine kombinierende asymmetrische Reflexionsanordnung zum Kombinieren von vier Eingangsstrahlen (74) zu einem einzigen kombinierten Ausgangsstrahl (16) umfassend: eine erste Anordnung (20), wie in Anspruch 1 definiert; und ein Paar zweiter Anordnungen (64, 66), die im Wesentlichen wie die erste Anordnung (20) konfiguriert sind, aber nur die Hälfte der Größe von dieser aufweisen, bei der das Paar zweiter Anordnungen Seite an Seite so angeordnet ist, daß deren zwei kollektive Ausgangsbereiche (42) dem kollektiven Eingangsbereich (40) der ersten Anordnung gegenüberstehen, wobei die Schichten der zweiten Anordnungen mit der geringsten Höhe nebeneinander aufgestellt sind und wobei der kollektive Eingang von jeder der zweiten Anordnungen zum Empfang von zwei der jeweiligen vier dort eingehenden Eingangsstrahlen (74), mit zwei unterschiedlichen, im Wesentlichen entgegengesetzt geneigten Richtungskomponenten, bestimmt ist, um so an dem kollektiven Ausgängen der zwei zweiten Anordnungen zwei intermediäre Ausgangsstrahlen (75) mit zwei unterschiedlichen, im Wesentlichen entgegengesetzt geneigten Richtungskomponenten, zu erzeugen, welche dann auf den kollektiven Eingangsbereich (40) der ersten Anordnung geführt werden, um so einen einzelnen kombinierten Ausgangsstrahl (16) an dem kollektiven Ausgangsbereich (42) der ersten Anordnung zu erzeugen.
Anordnung nach Anspruch 8, weiterhin zumindest eine neben dem kollektiven Ausgangsbereich (42) angeordnete Kondensorlinse (52) aufweisend.
Anordnung nach Anspruch 8, wobei jedes der Anordnungsteilstücke eine reflektierenden Schicht (34) aufweist, die vollständig reflektiert.
Anordnung nach Anspruch 8, wobei einige der Anordnungsteilstücke reflektierende Schichten (34), die vollständig reflektieren, und die verbleibenden Anordnungsteilstücke reflektierende Schichten (34), die etwas weniger als vollständig reflektieren, aufweisen.
Eine kombinierende asymmetrische Reflexionsanordnung zum Kombinieren von acht Eingangsstrahlen (72, 73) zu einem einzigen kombinierten Ausgangsstrahl (16) umfassend: eine erste Anordnung (20), wie in Anspruch 1 definiert; und ein Paar zweiter Anordnungen (64, 66), wie in Anspruch 8 definiert; und zwei Paare dritter Anordnungen (68, 70), die im Wesentlichen wie die erste Anordnung (20) konfiguriert sind, aber nur ein Viertel der Größe von dieser aufweisen; ein erstes Paar (68) dritter Anordnungen Seite an Seite angeordnet ist, so daß deren kollektive Ausgänge dem kollektiven Eingangsbereich (64) der zweiten Anordnungen gegenüberstehen und so, daß deren reflektierende Schichten mit der geringsten Höhe nebeneinander aufgestellt sind; ein zweites Paar (70) dritter Anordnungen Seite an Seite angeordnet ist, so daß deren kollektive Ausgänge dem kollektiven Eingangsbereich (66) der anderen der zweiten Anordnungen gegenüberstehen und so, daß deren reflektierende Schichten mit der geringsten Höhe nebeneinander aufgestellt sind und wobei die ersten und zweiten Paare der dritten Anordnungen nebeneinander aufgestellt sind, so daß eine der reflektierenden Schichten mit der höchsten Höhe der dritten Anordnungen neben einer anderen reflektierenden Schicht mit der höchsten Höhe der dritten Anordnungen aufgestellt ist; wobei der kollektive Eingang von jeder der dritten Anordnungen zum Empfang von jeweils zwei der acht dort eingehenden Eingangsstrahlen (72, 73) mit zwei unterschiedlichen, im Wesentlichen entgegengesetzt geneigten Richtungskomponenten, bestimmt ist, um so an den kollektiven Ausgängen des dritten Satzes von Anordnungen einen Strahl eines Paares von zwei Paaren mit zwei intermediären Ausgangsstrahlen (74), im Wesentlichen entgegengesetzt zu dem anderen Strahl in dem Paar geneigt, zu erzeugen, welche dann auf die kollektiven Eingangsbereiche des Paars zweiter Anordnungen geführt werden, welche wiederum an deren kollektiven Ausgängen zwei intermediäre Ausgangsstrahlen (75) mit zwei unterschiedlichen, im Wesentlichen entgegengesetzt geneigten Richtungskomponenten, erzeugen und welche dann auf den kollektiven Eingang der ersten Anordnung geführt werden, um so einen einzelnen kombinierten Aus gangsstrahl (16) an dem kollektiven Eingangsbereich der ersten Anordnung zu erzeugen.
Anordnung nach Anspruch 12, weiterhin zumindest eine neben dem kollektiven Ausgabebereich angeordnete Kondensorlinse (52) aufweisend.
Anordnung nach Anspruch 12, wobei jedes der Anordnungsteilstücke eine reflektierende Schicht (34) aufweist, die vollständig reflektiert.
Anordnung nach Anspruch 12, wobei einige der Anordnungsteilstücke reflektierende Schichten (34), die vollständig reflektieren, und die verbleibenden Anordnungsteilstücke reflektierende Schichten (34), die etwas weniger als vollständig reflektieren, aufweisen.