EP3405761A1 - Relativphasenmessung zum kohärenten kombinieren von laserstrahlen - Google Patents

Relativphasenmessung zum kohärenten kombinieren von laserstrahlen

Info

Publication number
EP3405761A1
EP3405761A1 EP17702012.0A EP17702012A EP3405761A1 EP 3405761 A1 EP3405761 A1 EP 3405761A1 EP 17702012 A EP17702012 A EP 17702012A EP 3405761 A1 EP3405761 A1 EP 3405761A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser
measuring
laser beam
beams
phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17702012.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Häfner
Thomas Metzger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Scientific Lasers GmbH and Co KG
Original Assignee
Trumpf Scientific Lasers GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Scientific Lasers GmbH and Co KG filed Critical Trumpf Scientific Lasers GmbH and Co KG
Publication of EP3405761A1 publication Critical patent/EP3405761A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10053—Phase control
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10061—Polarization control
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J9/02—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/1305—Feedback control systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/1307—Stabilisation of the phase
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/1308—Stabilisation of the polarisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • H01S3/2325—Multi-pass amplifiers, e.g. regenerative amplifiers
    • H01S3/235—Regenerative amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2383—Parallel arrangements

Definitions

  • the present invention relates to the coherent combining of laser beams, in particular of two pulsed laser beams, such as may be generated by (high power amplifier) laser systems for scientific applications.
  • the present invention relates to a phase control system for controlling the relative phase of two laser beams to be coherently combined and a laser system having such a phase control system.
  • the invention relates to a method for the coherent combination of laser beams.
  • Coherent combining allows multiple parallel amplifier stages (eg, fiber amplifiers, multipass amplifiers, or regenerative amplifiers) and / or oscillators to be optically combined to form a single output beam.
  • the polarization state of the sum beam and in particular the stability of the polarization state are a decisive performance feature.
  • At least one of these objects is achieved by a phase control system according to claim 1, by a laser system according to claim 11 or 12 and by a method for coherently combining laser beams according to claim 17 or 20. Further developments are given in the subclaims.
  • a phase control system for controlling the relative phase of two laser beams coherently to be combined of a laser system provided for providing a phase-locked sum laser beam comprises an optical unit.
  • the optical unit comprises a beam input for receiving a measurement component of two collinear laser beams which are collinearly superimposed to form a sum laser beam, in particular with substantially orthogonal polarization states.
  • the optical unit further comprises a beam splitter for generating at least three measuring beams from the coherent laser beams of the measuring component, which propagate on associated measuring beam paths, or a propagation section in which the coherent laser beams of the measuring component propagate spatially superimposed at an angle and form at least three measuring beam areas.
  • the at least three measuring beam paths of the at least three measuring beams are formed by projection onto adapted polarization directions or the at least three measuring beam ranges by path length differences for generating different phase offsets of the associated measuring beams or measuring beam ranges.
  • the optical unit comprises at least three photodetectors for outputting photodetector signals, wherein the photodetectors are respectively assigned to one of the measurement beam paths or one of the measurement beam areas and the photodetector signals correspond to the measurement beams or measurement beam areas at the different phase offsets.
  • the optical unit comprises an evaluation unit which generates, based on the at least three photodetector signals, a control signal which corresponds to a relative phase between the coherent laser beams based on an evaluation of a polarization state or interference behavior of the measurement component, and a delay device for introduction into the latter
  • a phase control system for controlling the relative phase of two laser beams to be coherently combined of a laser system provided for providing a phase-locked sum laser beam comprises an optical unit.
  • the optical unit comprises a beam input for picking up a measurement component of two collimated laser beams collimated to form a sum laser beam, a beam splitter for generating (at least) three measurement beams from the measurement component, (at least) three measurement beam paths for the (at least) three measurement beams are each formed to project a polarization state of an associated measurement beam onto a polarization direction, and (at least) three photodetectors each associated with one of the measurement beam paths for outputting photodetector signals corresponding to the measurement beams projected onto the polarization directions.
  • the phase control system has an evaluation unit which, based on the (at least) three photodetector signals, generates a control signal which corresponds to a relative phase between the coherent laser beams based on an evaluation of a polarization state of the measured component, and a delay device for introduction into the beam path of at least one of two collinear laser beams having an optical path length which is adjustable in response to the control signal.
  • such a phase control system has an optical unit for generating two measuring beams corresponding to the coherent laser beams, which propagate in a propagation section at a splitting angle and are spatially superimposed in a central area.
  • the optical unit further comprises a polarizing filter, e.g. in the interference region for generating interfering polarization states which lead to an interference fringe pattern in a direction given by the splitting angle.
  • the central area comprises at least three measuring beam areas with defined local different phase offsets.
  • the optical unit furthermore has at least three photodetectors each assigned to one of the measurement beam areas for outputting photodetector signals with respect to the various phase offsets, as well as a previously described evaluation unit and a previously described delay device.
  • a laser system for providing a coherent combining-based sum laser beam includes a seed laser beam source for providing a first seed laser beam and a second seed laser coherent seed laser beam, a first amplifier arm including a first optical amplifier unit Generating a first amplified laser beam based on the first seed laser beam, and a second amplifier arm having a second optical amplifier unit for generating a second amplified laser beam based on a second seed laser beam component.
  • the laser system comprises a combination unit for the colocal overlay of the beam path of the first amplified laser beam and of the beam path of the second amplified laser beam for generating a sum laser beam.
  • the laser system has a phase control system as sketched above, in which a portion of the sum laser beam is coupled into the beam input of the optical unit as measurement component and the delay device is provided in the first amplifier arm and / or in the second amplifier arm.
  • a laser system for providing a coherent combining-based sum laser beam comprises a laser beam source for providing a first laser beam and a second laser beam coherent to the first laser beam, a collimating unit for collinearly superimposing the beam path of the first laser beam and the beam path of the second laser beam for generation the sum laser beam, wherein the first laser beam in a first polarization state and the second laser beam are superimposed in a second polarization state different from the first polarization state, and a phase control system as outlined above.
  • a part of the sum laser beam is in the beam input of the optical unit
  • the delay device is provided in the beam path of the first laser beam and / or in the beam path of the second laser beam.
  • a method for coherently combining laser beams comprises the following steps: superposing two laser beams with different polarization states on a common propagation path to form a sum laser beam, determining in a substantially intensity-independent homodyne measuring method a relative phase between the two laser beams and Adjusting an optical path length difference to stabilize the state of polarization of the sum laser beam.
  • the interferometric measurement principle described herein by way of example in some embodiments herein, which is based on the above aspects, is based on a kind of homodyne phase measurement between two contributing polarization components. Compared to the Hänsch-Couillaud detection (HCD) mentioned above, the concept disclosed herein may have the advantage of intensity independence.
  • the interferometric measurement principle disclosed herein may allow separation of intensity and phase variations.
  • the interferometric measuring principle disclosed herein may enable better phase stabilization.
  • the measurement principle can make it possible to compensate for intensity fluctuations in the output beam by deliberately introducing elliptical polarization and subsequent polarization filtering. From theChinanmessinterferometrie it is known that in length measurements for the phase measurement resolution limits in the range of 0.001 rad rms and better can be achieved, which can be based on the measurement principle disclosed herein on the measurement of a relative phase.
  • phase detection disclosed herein is principally applicable to a wide range of laser repetition rates.
  • the photodetector signals can be evaluated in isolation for each individual laser pulse (single-shot
  • phase stabilization As a result, the control bandwidth of the phase stabilization can be kept very far.
  • An example of data processing that allows a single-shot evaluation is a "sample-and-hold" implementation in the photodetectors
  • the laser beams can be combined with thin-film polarizers ,
  • the splitting into the measuring beams can take place with non-polarizing beam splitters, such as diffraction gratings or partially reflecting mirror combinations.
  • non-polarizing beam splitters such as diffraction gratings or partially reflecting mirror combinations.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a laser system with a seed laser, two regenerative amplifier units and a phase control system
  • FIG. 2 is a schematic representation of a first exemplary optical unit of a phase control system
  • FIG. 3 is a schematic representation of a second exemplary optical unit of a phase control system
  • Fig. 4 is a schematic representation of a third exemplary optical unit of a phase control system
  • FIG. 5 is a schematic representation of another optical unit of a phase control system based on the evaluation of an interference fringe pattern.
  • aspects described herein are based, in part, on the finding that in the coherent combination of two laser beams, an essentially intensity-independent measurement of the polarization state of the sum laser beam allows improved control of the coherent superposition of the sub-beams. Fluctuations in the laser power can be reduced by avoiding or reducing the intensity dependence of the phase measurement in their influence on the coherent combination.
  • the polarization state can be measured by measuring the relative phases between the two input beams.
  • the interferometric measuring principle disclosed herein and a corresponding downstream signal processing the phase with high linearity can be determined substantially largely independent of the intensity.
  • an intensity-independent phase value for the phase difference ie the relative phase
  • the measurement of the state of polarization may be indirect over the phase between the two orthogonal polarizations based on the evaluation of an interference fringe pattern
  • the embodiments disclosed herein may, among other things, facilitate easy adjustment (particularly due to the disclosed common path phase measurement configurations) and be made insensitive to vibration and drift events.
  • HCD This is a difference to HCD, which is based on a inherently stable reference cavity.
  • the embodiments disclosed herein may, inter alia, provide a unique phase signal even at large phase jumps. Again, this is a difference to HCD, where drifting out of the resonance range can lead to loss of uniqueness.
  • the goal of coherent combining is to combine a plurality of laser beams generated, for example, by parallel amplifier stages and / or oscillators into a single output laser beam. This requires coherence of the laser beams, so that, for example, all amplifier stages are fed with coherent laser light, for example coherent laser pulses.
  • the concept is used by way of example with reference to a laser system with a common seed laser for two regenerative amplifier stages as the source, so that coherent amplified laser beams can be combined.
  • Phase control system 5 comprises, for example, an optical unit 7, an evaluation unit 9 and a delay device 11.
  • a primary Laser beam 13 of seed laser 2 is split by a beam splitter 15A into two (coherent) sub-beams, which are identified in FIG. 1 as first seed laser beam 13A and second seed laser beam 13B.
  • Each sub-beam is supplied to the associated amplifier unit 3A, 3B for generating a first amplified laser beam 17A based on the first seed laser beam portion 13A and a second amplified laser beam 17B based on the second seed laser beam 13B, respectively.
  • the amplified laser beams 17A, 17B are collinearly superimposed to form a sum laser beam 19.
  • the interferometric measuring principle disclosed herein can be used accordingly in the coherent superimposition of non-amplified and / or amplified laser beams.
  • similar configurations can be superposed with none or only one of the amplifier units 3A, 3B coherent non-amplified and / or amplified laser beams, wherein at least in one of the two superposed beam paths, the delay device 11 is provided.
  • the conglomerate of the two regenerative amplifier units 3A, 3B with the upstream and downstream beam splitters 15A, 15B constitutes a Mach-Zehnder interferometer.
  • the beam splitters 15A, 15B can be implemented, for example, as a beam splitter cube and / or as thin-film polarizers.
  • deflecting mirrors 21 and lambda half wave plates 23 for changing the polarization states of the various laser beams are also shown schematically. It can be seen that the primary laser beam 13 has a polarization state 25 superimposed on two polarization states with respect to the function and orientation of the beam splitter 15A, the two polarization states 25A, 25B (for example P and S polarization) after the polarization states
  • the polarizations of the amplified laser beams 17A, 17B are aligned correspondingly with the lambda half wave plates 23.
  • the output polarization of each amplifier unit 3A, 3B can be adjusted so that the amplified laser beam 17A is reflected in a polarizing beam splitter cube and the amplified laser beam 17B is transmitted.
  • the superimposition of both beams is obtained so that the sum laser beam 19 is characterized by a polarization state 27 which is based on the superposition of the polarization states 27A, 27B of the amplified laser beams 17A, 17B.
  • the beam splitter 15B may be interchanged with the deflecting mirror 21, so that waveplates are not necessarily needed for superposition.
  • lambda half-wave plates 23 shown in FIG. 1 furthermore makes it possible to be able to set the intensity ratios correctly and thus to adapt the contributions of the amplified laser beams and according to their polarization states to the sum laser beam 19.
  • the combined sum laser beam 19 may be interpreted as a superposition of two orthogonal linear variable phase-shift polarization states.
  • the phase shift is based inter alia on different optical path lengths in the amplifier units 3A, 3B.
  • Path length in the amplifier unit can be adapted, for example, with the delay device 11.
  • the delay device 11 comprises, for example, a retroreflector arranged on a translation unit for superimposing the pulse envelope ends and a piezo arrangement for high-resolution phase matching.
  • acousto-optic delay units can be used.
  • the high-resolution phase matching is part of the Phasenregelungssys- system 5.
  • the phase control system 5 in the output beam path can, for example, be the light transmitted by a deflection mirror 22 (also referred to herein as measurement portion 19 ') or the beam emerging at a second output of the combining beam splitter 15B (dotted beam 29 in FIG Fig. 1) use.
  • phase control system 5 It is the task of the phase control system 5 to measure the polarization state of the sum laser beam in order to stabilize it with the delay device 11, whereby a coherent combination with quasi-constant relative phase can be performed.
  • coherently combined laser beams provide a basis for constant and reproducible experimental conditions.
  • FIG. 2 shows a first exemplary construction of an optical unit and also clarifies the signal acquisition and evaluation.
  • collinearly superimposed partial beams in the form of a measurement component 19 'of the sum laser beam 19 are used for phase measurement.
  • the concept is based on the different polarization states 27A, 27B of the partial beams 17A, 17B to be coherently combined.
  • the Measurement portion 19 ' has the polarization state 27 of the sum laser beam 19, which results inter alia from the phase between the two coherently combined partial beams 17A, 17B.
  • the polarization state 27 is measured using three measuring beams 31A, 31B, 3 IC and correspondingly stabilized by optical delay of one of the two partial beams 17A, 17B.
  • the evaluation does not take place via a fringe pattern, which would be a sign for an angle between the sub-beams, but via intensity signals of special polarization components, which are generated by the three measuring beams 31A, 31B, 31C.
  • intensity signals of special polarization components which are generated by the three measuring beams 31A, 31B, 31C.
  • FIGS. 2 to 4 in some embodiments, therefore, only three signals are to be evaluated with simple algorithms in order to obtain an intensity-independent phase signal. As a result, measurement rates up to the MHz range are possible.
  • the optical unit 7A shown in FIG. 2 represents a common-path interferometer, the core property of which is temporal phase fluctuations between the two superimposed and mutually orthogonally polarized at the output of the previously explained Mach-Zehnder configuration of the amplifier units 3A, 3B Rays 17A, 17B transform into a variable-direction linear phase vector characterizing the sum laser beam 19.
  • Such optical systems are sometimes referred to as geometric-phase interferometer.
  • Common path interferometers are known, for example, as a length-measuring interferometer and as a phase detector for interference lithography, see e.g. "Laser linear and angular displacement interferometer", V.P. Kiryanov, et al., Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, no. 4, 1994 Avtometriya.
  • an additional interferometer is used for phase detection, whereby substantially pure phase information can be obtained.
  • the orthogonal polarizations would be projected onto a common plane to get interference.
  • the possibility of holding an intensity-independent quadrature signal can be lost.
  • the common path property renders the structure disclosed herein particularly robust with respect to adjustment errors, vibrations, etc. According to the concept disclosed herein, the measurement of the relative phase is carried out by means of a purely phase-sensitive interferometer.
  • the measuring portion 19 ' is received at the beam input 33 and impressed with the aid of a lambda-quarter plate 35 is a phase-dependent polarization vector.
  • the quarter-wave plate 35 transduces the two linear polarizations underlying polarization state 27 into two counter-circular polarizations 27 '.
  • the superposition of these two circular polarizations 27 ' leads to a linear polarization whose orientation depends on the relative phase of the circular polarizations or the orthogonal input polarizations.
  • the relative phase is thus converted into the orientation of the resulting polarization vector.
  • a complete rotation of the polarization vector corresponds to a relative phase shift of one wavelength.
  • a splitting grating 37 splits into the three measuring beams 31 A, 31 B, 3 IC, to which corresponding measuring beam paths 32 A, 32 B, 32 C are assigned.
  • each measuring beam path 32A, 32B, 32C is in each case a linear polarizer 39A, 39B, 39C.
  • the intensity behind the polarizers 39A, 39B, 39C is converted in each case with a photodiode 41A, 41B, 41C into electrical signals, which are then fed to a control electronics of the evaluation unit 9, for example.
  • the measuring beam paths 32A, 32B, 32C may further each have a lens 43 for focusing the measuring beams onto the photodiodes 41A, 41B, 41C.
  • the intensity behind the polarizer 39A, 39B, 39C is proportional to the projection of the polarization vector onto the transmission plane of the polarizer 39A, 39B, 39C.
  • the intensity is therefore a sine function with the period lambda / 2 (lambda is usually the mean wavelength of the laser radiation here).
  • the forward direction of the polarizers 39A, 39B, 39C thus determines the phase of a sinusoidal intensity signal detected with the photodiodes 41A, 41B, 41C.
  • Exemplary intensity profiles 43 A, 43 B, 43 C are shown schematically in FIG. 2.
  • each one of the intensity profiles 43A, 43B, 43C is also dependent on the intensities of the amplified laser beams 17A, 17B.
  • the division into the three measuring beams 31A, 31B, 3 IC now allows generation of an intensity-independent phase vector 45 by subtraction of two pairs of photodetector signals.
  • the polarizers 39A, 39B, 39C form projections in three spatial directions, so that three sinusoidal signals having the relative phases "+ 90 °", "0 °” and "-90 °” are obtained. hereinafter referred to as I (+ 90 °), 1 (0 °) and I (-90 °).
  • the intensity independence of the phase measurement is explained by way of example. It is assumed that two input beams are orthogonally polarized in the x and y directions and the y polarized beam has a phase shift ⁇ to the x polarized beam. For simplicity, it is further assumed that the waveplate is lossless and the E-field can be decomposed into two orthogonal components (corresponding to the axes of the waveplate) of the same amplitude.
  • E-field of the first input beam M-polarized ⁇ / 4-plate, ⁇ ektorie! Le decomposition in fast and slow axis here Ideal case: equal amplitudes in both axes
  • E-field of the second input beam y-polarized ⁇ : phase shift
  • the amplitudes and phases were in the fast or slow
  • the respective offset A and the respective amplitude B of the photodiode signal are thus independent of the orientation of the polarizer / polarizer.
  • the evaluated phase information is therefore also essentially independent of the intensities of the two amplified laser beams 17A, 17B in the herein disclosed concept for relative phase measurement and in particular in the schematically sketched in the figures 1 to 3 optical units with corresponding signal processing.
  • FIGS. 3 and 4 schematically show alternative embodiments of optical units which also allow measuring methods for an intensity-independent phase signal. In the following explanations, the numerals are retained as much as possible for substantially similar features.
  • the measuring beam paths 32A and 32C 'each have a quarter-wave plate 51A, 51B, wherein the orientation of the fast / slow axes is rotated by 90 ° to each other.
  • the latter is indicated in FIG. 3 by vectors in the drawing plane (lambda quarter plate 51A) or perpendicular to the drawing plane (lambda quarter plate 51B).
  • all three measuring beam paths 32A ', 32B', 32C ' have identically oriented polarizers 49, that is, the projection directions are identical for all three measuring beam paths 32A', 32B ', 32C'.
  • a polarizer can be placed at 45 ° in the beam path.
  • a phase-dependent sine modulation For example, at the middle photodiode a phase-dependent sine modulation.
  • retardation plates With the aid of retardation plates, one could set a fixed offset phase in each additional measuring beam path. For example, you can use two quarter-wave plates, with the fast axis of one plate is horizontal and the other vertically aligned. In this way one would obtain a phase offset of +/- 90 ° in the photodiode signal.
  • other phase offsets can be made, for example, about 90 ° and 180 °.
  • any further offsets can be set in such constructions, wherein at least three measuring beams are to be provided for a quadrature signal processing.
  • the optical unit 7C shown in FIG. 4 represents a corresponding modification of the optical unit 7B shown in FIG. 3.
  • the structures are the same, so that for convenience the corresponding reference numerals have been omitted.
  • the measuring beam path 32C "in which a lambda-half wave plate 53 effects a phase modification instead of the quarter-wave plate
  • the wave plates 51A, 53 are aligned in their orientation with respect to the polarization in the respective measuring beam path 32A ', 32C" in that the fast axes are parallel to one another, and in particular (in the optimal case) at the same time parallel to one of the polarization directions of the measuring beams.
  • the optical units 7B, 7C allow for example Generation of a quadrature signal 47, with which the coherent combination can be regulated on the basis of an intensity-independent phase vector 45 rotating in dependence on the relative phase
  • the evaluation unit 9 comprises electronic components and / or a computer system for analog and / or digital evaluation, wherein the evaluation steps outlined in FIG For example, the electrical signals of the photodiodes 41A, 41B, 41C first pass through one
  • Transimpedance amplifier which outputs a voltage proportional to the light intensity at the output.
  • the sine or cosine component of the quadrature signal is formed from two voltage signals in each case.
  • Additional suitable functional groups can be used to adjust the amplitude and offset of the electrical signals, resulting in an ideal quadrature signal that can be sampled with an analog-to-digital converter. Further processing is usually done digitally using a computer system. Alternatively, the output signals of the transimpedance amplifiers may be sampled directly, the adaptation and generation of the quadrature signal then being implemented in the computer system.
  • the pure phase measurement on the photodetectors allows an adjustment of the off-set by adjusting the individual photodetector signals and an adjustment of the amplitude of the phase vector 45.
  • a substantially identical signal intensity can be readjusted electronically.
  • digital computer systems and / or analog signal processing can be used to calculate the phase position and / or the control signals for the delay device.
  • projection directions rotated by ⁇ / 2 relative to one another were addressed, since these can lead to a good contrast. Since the transmission of the polarizers for rotations by ⁇ , for example at 0 ° and 180 °, is the same, results for the period of the quadrature signal lambda / 2.
  • filter angles of 45 °, 0 ° and + 45 ° each correspond to a phase of 90 °, 0 °, + 90 ° in the transmitted intensity signal.
  • the angle data in the figures thus relate to the photodiode signals.
  • other non-identical polarization directions and projection directions can also be used in the optical units, for example when more than three measuring beams are available, with possibly an adaptation of the evaluation, in particular without forming a quadrature signal.
  • the relative phase measurement concept disclosed herein in conjunction with FIGS. 1-4 allows a method for coherently combining laser beams in which two laser beams having different polarization states are superimposed on a common propagation path to form a sum laser beam.
  • the relative phase between the two laser beams is determined and an optical path length difference for stabilizing the polarization state of the sum laser beam is adjusted.
  • the substantially intensity independent homodyne measurement method may include one or more of the following steps: splitting off a measurement portion of the sum laser beam, splitting the measurement portion into three measurement beams, forming three polarization states, and projecting the three polarization states onto a common projection direction or projecting the three measurement beams in three projection directions. Further embodiments can be seen from the description of the exemplary embodiments of the laser system and of the optical units.
  • the angle between the directions of propagation of the laser beams can already be present at the beam input of the phase control system or can be specially generated on the basis of collinearly superimposed laser beams.
  • a corresponding angle between the laser beams are present.
  • FIG. 5 shows an exemplary approach for generating a splitting angle starting from a collinearly superposed measuring portion 119 '.
  • the measurement portion 119 ' is based on two e.g. respectively, but and orthogonal polarized (possibly amplified) laser beams.
  • the linear polarizations are indicated schematically by arrows 127.
  • a birefringent prism 137 causes an angle ⁇ between coherent laser beams 117A, 117B due to the polarization-dependent refraction. Due to the orthogonal polarizations of the laser beams 117A, 117B, a polarizing filter 139 is introduced downstream of the birefringent prism 137 into the two largely overlapping beam paths to cause interference.
  • the polarization filter 139 is aligned in such a way that downstream of the beam, the laser beams 117A, 117B have at least partially interfering polarization states. For example, 5, a transmission direction 165 at 45 ° to the orthogonal linear polarization directions is indicated in FIG.
  • the generated (split) angle is selected such that the laser beams 117A, 117B in a propagation section 118A only diverge slightly, so that the laser beams 117A, 117B overlap in a central area 118B.
  • an interference pattern is schematically indicated in the drawing plane from bottom to top.
  • angles are in the range of 0.01 ° to 0.02 °, so that at beam diameters, for example, from 3 mm to 20 mm adjacent phase offset differences of eg ⁇ 90 ° at a distance of eg 1 mm and are measurable with corresponding photodetectors.
  • phase offset difference 90 ° in the interference pattern 161.
  • photodetectors 141A, 141B, 141C for example photodiodes
  • photodetector signals corresponding to the phase offsets can be supplied to an evaluation unit for evaluation and generation of a control signal.
  • the control signal corresponds to the relative phase between the coherent laser beams and can be used in accordance with the control of a delay device.
  • the generation of the control signal can be effected, for example, as in the signal processing described in connection with FIGS. 1 to 4.
  • a line or pixel sensor can be used, which is positioned in the measurement plane.
  • tilting of the measuring plane used causes a projection of the fringe pattern onto this plane, whereby the fringe spacing in the measuring plane can be adjusted since it increases with increasing angle.
  • Tilting of the measuring plane used may e.g. to adjust the phase offset between the individual detectors. Tilting is possible, for example. when a detector unit with predetermined spacing is to be used for a smaller fringe period. The tilt angle is thereby increased (starting from the orientation orthogonal to the laser beams) until the fringe period and detector spacing match one another.
  • the concept of measuring the relative phase using interference fringes which is disclosed inter alia in connection with FIG. 5, also permits a method for coherently combining laser beams, in which two laser beams with different polarization states are superposed on a common propagation path to form a sum laser beam.
  • the substantially intensity-independent homodyne measuring method can comprise the following steps: superposing two coherent laser beams with interfering polarization states such that at least three measuring beam areas 131A, 131B, 13 IC are assigned in the beam cross section of the superimposed coherent laser beams different Phasenoffsets; Determining a relative phase between the two laser beams based on the at least three measuring beam regions 131A, 131B, 13 IC, in particular detecting intensity values for each of the at least three measuring beam regions 131A, 131B, 13CIC and providing them as input variables for signal processing, in particular for quadrature signal processing ; and adjusting an optical path length difference between the two laser beams before superimposing them to stabilize the interference pattern based on the determined relative phase.
  • amplifier units are fiber amplifier units, e.g. a crystal fiber amplifier unit, titanium: sapphire amplifier units, bar amplifier units, plate amplifier units, disc amplifier units, optical parametric amplifier units and semiconductor amplifier units, and in particular regenerative, single-pass and / or multi-pass amplifier units.
  • fiber amplifier units e.g. a crystal fiber amplifier unit, titanium: sapphire amplifier units, bar amplifier units, plate amplifier units, disc amplifier units, optical parametric amplifier units and semiconductor amplifier units, and in particular regenerative, single-pass and / or multi-pass amplifier units.
  • (pulsed or cw) amplifier systems for example Ti: sapphire based or fiber laser based amplifier systems, eg in multipass configuration or slab based, can be coherently combined using the homodyne and substantially amplitude independent phase measurement described herein.
  • repetition rates of pulsed laser systems can range from one or a few Hz up to 100 kHz, or even one or more MHz.
  • Exemplary pulse durations are in the ns, ps, and fs range.
  • Exemplary regenerative laser systems and regenerative laser stages that can be coherently combined with the concepts disclosed herein are disclosed, for example, in "High-repetition-rate picosecond pump laser based on a Yb: YAG disk amplifier for optical parametric amplification", T.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Es wird ein Phasenregelungssystem (5) zur Regelung der Relativphase (φ) zweier kohärent zu kombinierender Laserstrahlen (17A, 17B) eines Lasersystems (1) offenbart, das insbesondere die Bereitstellung eines phasengeregelten Summenlaserstrahls (19) ermöglicht. Eine optische Einheit (7) des Phasenregelungssystem (5) umfasst einen Strahleingang (33) zum Aufnehmen eines Messanteils (19') zweier kollinear zur Formung eines Summenlaserstrahls (19) überlagerter/zu überlagernder kohärenter Laserstrahlen (17A, 17B) und stellt Messstrahlen (31A, 31B, 31C) oder Messstrahlbereiche (131A, 131B, 131C) bereit, die mit zugeordneten Photodetektoren (41A, 41B, 41C) zur Ausgabe von Photodetektorsignalen genutzt werden. Zur Bestimmung der Relativphase aus den Photodetektorsignalen weist das Phasenregelungssystem (5) eine Auswerteeinheit (9) und eine Verzögerungsvorrichtung (11) zum Einbringen in den Strahlengang mindestens eines der zwei Laserstrahlen (17A, 17B) auf. Die optische Einheit ist derart ausgebildet, dass den Messstrahlen (31A, 31B, 31C) oder Messstrahlbereichen (131A, 131B, 131C) verschiedene Phasenoffsets zugeordnet werden.

Description

RELATIVPHASENMESSUNG ZUM KOHÄRENTEN KOMBINIEREN
VON LASERSTRAHLEN
Die vorliegende Erfindung betrifft das kohärente Kombinieren von Laserstrahlen insbesondere von zwei gepulsten Laserstrahlen, wie sie beispielsweise von (Hochleistungsverstärker-) Lasersystemen für wissenschaftliche Anwendungen erzeugt werden können. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Phasenregelungssystem zur Regelung der Relativphase zweier kohärent zu kombinierender Laserstrahlen und ein Lasersystem mit einem derartigen Phasenregelungssystem. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum kohärenten Kombi- nieren von Laserstrahlen.
Ein kohärentes Kombinieren erlaubt es, mehrere parallele Verstärkerstufen (beispielsweise Faserverstärker, Multipassverstärker oder regenerative Verstärker) und/oder Oszillatoren derart optisch zusammenzuführen, dass ein einziger Ausgangsstrahl gebildet wird. Bei der kohä- renten Kombinierung zweier Laserstrahlen sind der Polarisationszustand des Summenstrahls und insbesondere die Stabilität des Polarisationszustands ein entscheidendes Leistungsmerkmal.
Für faserbasierte Verstärkersysteme wurde ein kohärentes Kombinieren von verschiedenen Forschungsgruppen demonstriert, siehe z. B. "Coherent addition of fiber-amplified ultrashort laser pulses", E. Seise, et al, 20 Dez. 2010, Vol. 18, No. 26, OPTICS EXPRESS 27827 und "Coherently-combined two Channel femtosecond fiber CPA System producing 3 mJ pulse energy ", A. Klenke et al, 21 Nov. 2011, Vol. 19, No. 24, OPTICS EXPRESS 24280. Allgemein ist es bekannt, den Polarisationszustand mit Messverfahren wie der Hänsch-
Couillaud-Detektion (HCD) oder der Pound-Drewer-Hall-Detektion zu bestimmen, siehe z.B. "Laser frequency stabilization by polarization spectroscopy of a reflecting reference cavity", T. W. Hänsch et al., 1980 Opt. Comm. 35 (3). Teilweise werden heterodyne Messverfahren angewendet, die sich allerdings weniger für Kurzpulslasersysteme mit niedrigen Repetitions- raten eignen, siehe z.B. "Coherent beam combining and phase noise measurements of ytterbi- um fiber amplifiers", S. J. Äugst, et al, 2004 Opt. Lett. 29 (5).
Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Konzept zur Regelung der relativen Phase zwischen zu kombinierenden Laserstrahlen bereitzustellen. Einem weiteren Aspekt liegt die Aufgabe zugrunde, eine stabile kohärente Kombination in einem Lasersystem zu ermöglichen.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Phasenregelungssystem nach Anspruch 1, durch ein Lasersystem nach Anspruch 11 oder 12 sowie durch ein Verfahren zum kohärenten Kombinieren von Laserstrahlen nach Anspruch 17 oder 20. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Phasenregelungssystem zur Regelung der Relativphase zweier kohärent zu kombinierender Laserstrahlen eines Lasersystems, das zum Bereitstellen eines phasengeregelten Summenlaserstrahls vorgesehen ist eine optische Einheit auf. Die optische Einheit umfasst einen Strahleingang zum Aufnehmen eines Messanteils von zwei kollinear zur Formung eines Summenlaserstrahls zu überlagernder kohärenter Laserstrahlen, insbesondere mit im Wesentlichen orthogonalen Polarisationszuständen. Die optische Einheit umfasst ferner einen Strahlteiler zum Erzeugen von mindestens drei Messstrahlen aus den kohärenten Laserstrahlen des Messanteils, die auf zugehörigen Messstrahlengängen propagieren, oder einen Propagationsabschnitt, in dem die kohärenten Laserstrahlen des Messanteils unter einem Winkel räumlich überlagert propagieren und mindestens drei Messstrahlbereiche ausbilden. Dabei sind die mindestens drei Messstrahlengänge der mindes- tens drei Messstrahlen durch Projektion auf angepasste Polarisationsrichtungen oder die mindestens drei Messstrahlbereiche durch Weglängenunterschiede zur Erzeugung verschiedener Phasenoffsets der zugehörigen Messstrahlen oder Messstrahlbereiche ausgebildet. Ferner umfasst die optische Einheit mindestens drei Photodetektoren zur Ausgabe von Photodetektorsignalen, wobei die Photodetektoren jeweils einem der Messstrahlengänge bzw. jeweils einem der Messstrahlbereiche zugeordnet sind und die Photodetektorsignale den Messstrahlen oder Messstrahlbereichen bei den verschiedenen Phasenoffsets entsprechen. Ferner umfasst die optische Einheit eine Auswerteeinheit, die basierend auf den mindestens drei Photodetektorsignalen ein Steuerungssignal erzeugt, das einer Relativphase zwischen den kohärenten Laserstrahlen basierend auf einer Auswertung eines Polarisationszustands oder Interferenzverhal- tens des Messanteils entspricht, und eine Verzögerungsvorrichtung zum Einbringen in den
Strahlengang mindestens eines der zwei kollinear zu überlagernden Laserstrahlen, welche eine optische Weglänge aufweist, die in Abhängigkeit vom Steuerungssignal einstellbar ist. In einer Ausführungsform weist ein Phasenregelungssystem zur Regelung der Relativphase zweier kohärent zu kombinierender Laserstrahlen eines Lasersystems, das zum Bereitstellen eines phasengeregelten Summenlaserstrahls vorgesehen ist, eine optische Einheit auf. Die optische Einheit umfasst einen Strahleingang zum Aufnehmen eines Messanteils zweier kolli- near zur Formung eines Summenlaserstrahls überlagerter kohärenter Laserstrahlen, einen Strahlteiler zum Erzeugen von (mindestens) drei Messstrahlen aus dem Messanteil, (mindestens) drei Messstrahlengänge für die (mindestens) drei Messstrahlen, die jeweils zur Projektion eines Polarisationszustands eines zugehörigen Messstrahls auf eine Polarisationsrichtung ausgebildet sind, und (mindestens) drei jeweils einem der Messstrahlengänge zugeordnete Photodetektoren zur Ausgabe von Photodetektorsignalen, die den auf die Polarisationsrichtungen projizierten Messstrahlen entsprechen. Ferner weist das Phasenregelungssystem eine Auswerteeinheit, die basierend auf den (mindestens) drei Photodetektorsignalen ein Steuerungssignal erzeugt, das einer Relativphase zwischen den kohärenten Laserstrahlen basierend auf einer Auswertung eines Polarisationszustands des Messanteils entspricht, und eine Verzö- gerungsvorrichtung zum Einbringen in den Strahlengang mindestens eines der zwei kollinear zu überlagernden Laserstrahlen, welche eine optische Weglänge aufweist, die in Abhängigkeit von dem Steuerungssignal einstellbar ist, auf.
In einer weiteren Ausführungsform weist ein derartiges Phasenregelungssystem eine optische Einheit zur Erzeugung von zwei, den kohärenten Laserstrahlen entsprechenden, Messstrahlen auf, die in einem Propagationsabschnitt unter einem Aufspaltungswinkel propagieren und in einem Zentralbereich räumlich überlagert sind. Die optische Einheit weist ferner einen Polarisationsfilter, z.B. im Interferenzbereich zur Erzeugung von interferierenden Polarisationszu- ständen auf, die in einer durch den Aufspaltungswinkel gegebenen Richtung zu einem Interfe- renzstreifenmuster führen. Der Zentralbereich umfasst mindestens drei Messstrahlbereiche mit definierten lokalen verschiedenen Phasenoffsets. Die optische Einheit weist ferner mindestens drei jeweils einem der Messstrahlbereiche zugeordnete Photodetektoren zur Ausgabe von Photodetektorsignalen bzgl. der verschiedenen Phasenoffsets auf, sowie eine zuvor beschriebene Auswerteeinheit und eine zuvor beschriebene Verzögerungsvorrichtung.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein Lasersystem zum Bereitstellen eines auf kohärenter Kombinierung basierenden Summenlaserstrahls eine Seed-Laserstrahlquelle zum Bereitstellen eines ersten Seed-Laserstrahls und eines zweiten, zum ersten Seed-Laserstrahl kohärenten Seed-Laserstrahls, einen ersten Verstärkerarm, der eine erste optische Verstärkereinheit zur Erzeugung eines ersten verstärkten Laserstrahls basierend auf dem ersten Seed-Laserstrahl aufweist, und einen zweiten Verstärkerarm, der eine zweite optische Verstärkereinheit zur Erzeugung eines zweiten verstärkten Laserstrahls basierend auf einem zweiten Seed- Laserstrahlanteil aufweist. Ferner umfasst das Lasersystem eine Kombinationseinheit zur kol- linearen Überlagerung des Strahlengangs des ersten verstärkten Laserstrahls und des Strahlengangs des zweiten verstärkten Laserstrahls zur Erzeugung eines Summenlaserstrahls. Dabei werden der erste Laserstrahl in einem ersten Polarisationszustand und der zweite Laserstrahl in einem vom ersten Polarisationszustand unterschiedlichen zweiten Polarisationszustand überlagert. Ferner weist das Lasersystem ein wie zuvor skizziertes Phasenregelungssystem auf, wobei als Messanteil ein Teil des Summenlaserstrahls in den Strahleingang der optischen Einheit eingekoppelt wird und die Verzögerungsvorrichtung im ersten Verstärkerarm und/oder im zweiten Verstärkerarm vorgesehen ist.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein Lasersystem zum Bereitstellen eines auf kohärenter Kombinierung basierenden Summenlaserstrahls eine Laserstrahlquelle zum Bereitstellen eines ersten Laserstrahls und eines zweiten, zum ersten Laserstrahl kohärenten Laserstrahls, eine Kombinationseinheit zur kollinearen Überlagerung des Strahlengangs des ersten Laserstrahls und des Strahlengangs des zweiten Laserstrahls zur Erzeugung des Summenlaserstrahls, wobei der erste Laserstrahl in einem ersten Polarisationszustand und der zweite Laserstrahl in einem vom ersten Polarisationszustand unterschiedlichen zweiten Polarisationszustand überlagert werden, und ein wie zuvor skizziertes Phasenregelungssystem. Als Messanteil wird dabei ein Teil des Summenlaserstrahls in den Strahleingang der optischen Einheit
eingekoppelt und die Verzögerungsvorrichtung ist im Strahlengang des ersten Laserstrahls und/oder im Strahlengang des zweiten Laserstrahls vorgesehen.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zum kohärenten Kombinieren von Laserstrahlen die folgenden Schritte: Überlagern zweier Laserstrahlen mit unterschiedlichen Polari- sationszuständen auf einem gemeinsamen Propagationsweg zur Ausbildung eines Summenlaserstrahls, Bestimmen in einem im Wesentlichen intensitätsunabhängigen homodynen Mess- verfahren eine Relativphase zwischen den zwei Laserstrahlen und Anpassen eines optischen Weglängenunterschieds zur Stabilisierung des Polarisationszustands des Summenlaserstrahls. Das beispielhaft in einigen Ausführungsformen hierin beschriebene interferometrische Messprinzip, das obigen Aspekten zugrunde liegt, basiert auf einer Art homodynen Phasenmessung zwischen zwei beitragenden Polarisationskomponenten. Gegenüber der eingangs erwähnten Hänsch-Couillaud-Detektion (HCD) kann das hierin offenbarte Konzept den Vorteil der Intensitätsunabhängigkeit aufweisen. So wird bei der Verwendung von HCD von einer Phasenstabilität im Bereich von 0,1 rad rms berichtet, wobei HCD nicht zwischen Intensitäts- und Phasenschwankungen unterscheiden kann. Letzteres kann zur Folge haben, dass bei Verwendung von HCD in einem Regelkreis dem kombinierten Summenlaserstrahl durch auftretende Intensitätsschwankungen in den Eingangsstrahlen zusätzliche Phasenstörungen aufgeprägt werden.
Im Unterschied zu HCD kann das hierin offenbarte interferometrische Messprinzip eine Trennung von Intensitäts- und Phasenschwankungen erlauben. So kann das hierin offenbarte interferometrische Messprinzip eine bessere Phasenstabilisierung ermöglichen. Überdies kann das Messprinzip es ermöglichen, Intensitätsfluktuationen im Ausgangsstrahl durch gezieltes Einbringen elliptischer Polarisation und anschließender Polarisationsfilterung zu kompensieren. Aus der Längenmessinterferometrie ist es bekannt, dass bei Längenmessungen für die Phasenmessung Auflösungsgrenzen im Bereich von 0,001 rad rms und besser erzielt werden können, welche basierend auf dem hierin offenbarten Messprinzip auf die Messung einer Relativphase übertragbar sein können.
Ferner ist die hierin offenbarte Phasendetektion prinzipiell in einem weiten Bereich von La- ser-Repetitionsraten anwendbar. So können bei niedrigen Laser-Repetitionsraten die Photode- tektorsignale isoliert für jeden einzelnen Laserpuls ausgewertet werden (single-shot-
Auswertung). Dadurch kann die Regelbandbreite der Phasenstabilisierung sehr weit gehalten werden. Ein Beispiel einer Datenverarbeitung, die eine single-shot- Auswertung erlaubt, ist eine„Sample-and-Hold"-Implementierung in den Photodetektoren. In einigen Weiterbildungen von Lasersystemen kann, insbesondere bei hohen Laserleistungen, die Kombinierung der Laserstrahlen mit Dünnschicht-Polarisatoren erfolgen.
Allgemein kann die Aufspaltung in die Messstrahlen mit nicht-polarisierenden Strahlteilern wie Beugungsgitter oder teilreflektierende Spiegelkombinationen erfolgen. Hierin werden allgemein Konzepte offenbart, dies es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig.l eine schematische Darstellung eines Lasersystems mit einem Seed-Laser, zwei regenerative Verstärkereinheiten und einem Phasenregelungssystem,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften optischen Einheit eines Phasenregelungssystems,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften optischen Einheit eines Phasenregelungssystems,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer dritten beispielhaften optischen Einheit eines Phasenregelungssystems und
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren optischen Einheit eines Phasenregelungssystems basierend auf der Auswertung eines Interferenzstreifenmusters.
Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass bei der kohärenten Kombinierung zweier Laserstrahlen eine im Wesentlichen intensitätsunabhängige Messung des Polarisationszustands des Summenlaserstrahls eine verbesserte Regelung der kohärenten Überlagerung der Teilstrahlen erlaubt. Fluktuationen in der Laserleistung können durch Vermeidung bzw. Verringerung der Intensitätsabhängigkeit der Phasenmessung in ihrem Einfluss auf die kohärente Kombinierung reduziert werden.
Die Messung des Polarisationszustandes kann über die Messung der relativen Phasen zwischen den beiden Eingangsstrahlen erfolgen. Durch beispielsweise das hierin offenbarte interferometrische Messprinzip und eine entsprechende nachgeschaltete Signalverarbeitung kann die Phase mit hoher Linearität im Wesentlichen weitgehend unabhängig von der Intensität bestimmt werden. Beispielsweise kann ein derartiger intensitätsunabhängiger Phasenwert für den Phasenunterschied (d.h. die Relativphase) in Form eines Quadratursignals bereitgestellt werden. Insbesondere kann die Messung des Polarisationszustandes indirekt über die Phase zwischen den beiden orthogonalen Polarisationen basierend auf der Auswertung eines Interferenzstreifenmusters Neben der Intensitätsunabhängigkeit können die hierin offenbarten Ausführungsformen unter anderem eine einfache Justage ermöglichen (insbesondere aufgrund der offenbarten Common- Path-Konfigurationen der Phasenmessung) und unempfindlich gegenüber Vibrationen und Drift-Ereignissen ausgebildet werden. Dies ist ein Unterschied zur HCD, welche auf einer in sich stabilen Referenz -Kavität basiert. Überdies können die hierin offenbarten Ausführungsformen unter anderem ein eindeutiges Phasensignal auch bei großen Phasensprüngen bereitstellen. Auch dies ist ein Unterschied zur HCD, bei der ein Driften aus dem Resonanzbereich zum Verlust der Eindeutigkeit führen kann. Das Ziel kohärenter Kombinierung ist es, mehrere beispielsweise von parallelen Verstärkerstufen und/oder Oszillatoren erzeugte Laserstrahlen zu einem einzigen Ausgangslaserstrahl zu kombinieren. Dies bedingt Kohärenz der Laserstrahlen, so dass beispielsweise alle Verstärkerstufen mit kohärentem Laserlicht, beispielsweise kohärenten Laserpulsen gefüttert werden. Im Folgenden wird das Konzept beispielhaft anhand eines Lasersystems mit einem gemeinsamen Seed-Laser für zwei regenerative Verstärkerstufen als Quelle verwendet, so dass kohärente verstärkte Laserstrahlen kombiniert werden können.
Fig. 1 zeigt schematisch ein beispielhaftes Lasersystem 1 mit einem Seed-Laser 2 als Seed- Laserstrahlquelle, zwei regenerativen Verstärkereinheiten 3A, 3B und einem Phasenregelungssystem 5. Phasenregelungssystem 5 umfasst beispielsweise eine optischen Einheit 7, eine Auswerteeinheit 9 und eine Verzögerungsvorrichtung 11. Ein primärer Laserstrahl 13 des Seed-Lasers 2 wird mit einem Strahlteiler 15A in zwei (kohärente) Teilstrahlen aufgeteilt, die in Fig. 1 als erster Seed-Laserstrahl 13 A und zweiter Seed-Laserstrahl 13B gekennzeichnet sind. Jeder Teilstrahl wird der zugehörigen Verstärkereinheit 3A, 3B zur Erzeugung eines ersten verstärkten Laserstrahls 17A basierend auf dem ersten Seed-Laserstrahlanteil 13 A bzw. eines zweiten verstärkten Laserstrahls 17B basierend auf dem zweiten Seed-Laserstrahl 13B zugeführt. Mit Hilfe eines weiteren Strahlteilers 15B werden die verstärkten Laserstrahlen 17A, 17B kollinear überlagert, um einen Summenlaserstrahl 19 zu formen.
Das hierein offenbarte interferometrische Messprinzip kann entsprechend bei der kohärenten Überlagerung nichtverstärkter und/oder verstärkter Laserstrahlen eingesetzt werden. So können in der Fig. 1 ähnlichen Konfigurationen mit keiner oder nur einer der Verstärkereinheiten 3A, 3B kohärente nichtverstärkte und/oder verstärkte Laserstrahlen überlagert werden, wobei mindestens in einem der beiden überlagerten Strahlengänge die Verzögerungsvorrichtung 11 vorzusehen ist.
Das Konglomerat aus den beiden regenerativen Verstärkereinheiten 3A, 3B mit den vor- und nachgelagerten Strahlteilern 15A, 15B stellt ein Mach-Zehnder-Interferometer dar. Die Strahlteiler 15A, 15B können beispielsweise als Strahlteilerwürfel und/oder als Dünnfilmpolarisato- ren ausgeführt werden. Am Ausgang dieses Mach-Zehnder-Interferometers, das durch die beiden regenerativen Verstärkereinheiten 3A, 3B gebildet wird, erhält man den überlagerten Summenlaserstrahl 19 mit einem wie auch immer gearteten Polarisationszustand.
In Fig. 1 sind ferner Umlenkspiegel 21 und Lambda-Halbe-Wellenplatten 23 zur Veränderung der Polarisationszustände der verschiedenen Laserstrahlen schematisch gezeigt. Man erkennt, dass der primäre Laserstrahl 13 bezüglich der Funktion und Ausrichtung des Strahlteilers 15A einen aus zwei Polarisationszuständen überlagerten Polarisationszustand 25 aufweist, wobei die zwei Polarisationszustände 25 A, 25B (beispielsweise P- und S-Polarisation) nach der
Strahlteilung den ersten Seed-Laserstrahl 13A und den zweiten Seed-Laserstrahl 13B charakterisieren und ferner in den Verstärkereinheiten 3A, 3B beibehalten werden.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 werden für die Überlagerung im zweiten Strahlteiler 15B die Polarisationen der verstärkten Laserstrahlen 17A, 17B mit den Lambda-Halbe- Wellenplatten 23 entsprechend ausgerichtet. Beispielsweise kann die Ausgangspolarisation jeder Verstärkereinheit 3A, 3B so eingestellt werden, dass der verstärkte Laserstrahl 17A in einem polarisierenden Strahlteilerwürfel reflektiert und der verstärkte Laserstrahl 17B trans- mittiert wird. Am Ausgang des Strahlteilers 15B erhält man die Überlagerung beider Strahlen, so dass der Summenlaserstrahl 19 durch einen Polarisationszustand 27 charakterisiert wird, der auf die Überlagerung der Polarisationszustände 27A, 27B der verstärkten Laserstrahlen 17A, 17B beruht. In alternativen Ausführungsformen kann beispielsweise der Strahlteiler 15B mit dem Umlenkspiegel 21 vertauscht werden, so dass Wellenplatten nicht unbedingt für die Überlagerung benötigt werden.
Die in Fig. 1 gezeigte Verwendung von Lambda-Halbe-Wellenplatten 23 erlaubt es ferner, die Intensitätsverhältnisse korrekt einstellen zu können und damit die Beiträge der verstärkten Laserstrahlen und entsprechend deren Polarisationszustände zum Summenlaserstrahl 19 anzupassen. In der in Fig. 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform kann der kombinierte Summenlaserstrahl 19 als Überlagerung zweier orthogonaler linearer Polarisationszustände mit variabler Phasenverschiebung aufgefasst werden. Die Phasenverschiebung beruht unter anderem auf unterschiedlichen optischen Weglängen in den Verstärkereinheiten 3A, 3B. Die optische
Weglänge in der Verstärkereinheit kann beispielhaft mit der Verzögerungsvorrichtung 11 an- gepasst werden. So können im Fall von auf Piezoelementen basierenden Verzögerungsvorrichtungen beispielsweise Weglängenänderungen von einigen 100 μιη und im Fall der Kombination von Piezoelement und Linearverschiebetisch beispielsweise Weglängenänderungen von mehreren Zentimeter ermöglicht werden. Bei gepulsten Systemen umfasst die Verzögerungsvorrichtung 11 beispielsweise einen auf einer Translationseinheit angeordneten Retrore- flektor zum Übereinanderlegen der Pulseinhüllenden sowie eine Piezoanordnung zur hochauflösenden Phasenanpassung. Ferner können akustooptische Verzögerungseinheiten eingesetzt werden. Insbesondere die hochauflösende Phasenanpassung ist Teil des Phasenregelungssys- tems 5.
Wie in Fig. 1 gezeigt kann das Phasenregelungssystem 5 im Ausgangsstrahlengang beispielsweise das von einem Umlenkspiegel 22 transmittierte Licht (hierin auch als Messanteil 19' bezeichnet) zur Messung oder den an einem zweiten Ausgang des kombinierenden Strahltei- lers 15B austretenden Strahl (gepunkteter Strahlengang 29 in Fig. 1) verwenden.
Es ist die Aufgabe des Phasenregelungssystems 5, den Polarisationszustand des Summenlaserstrahls zu messen, um ihn mit der Verzögerungsvorrichtung 11 zu stabilisieren, wodurch eine kohärente Kombinierung mit quasi konstanter Relativphase durchgeführt werden kann. Derar- tig kohärent kombinierte Laserstrahlen stellen beispielsweise eine Grundlage für konstante und reproduzierbare experimentelle Rahmenbedingungen dar.
Fig. 2 zeigt einen ersten beispielhaften Aufbau einer optischen Einheit und verdeutlicht ferner die Signalgewinnung und Auswertung.
Bei dem im Folgenden erläuterten Konzept der Phasenanalyse und anschließender Regelung werden kollinear überlagerte Teilstrahlen in Form eines Messanteils 19' des Summenlaserstrahls 19 zur Phasenmessung verwendet. Das Konzept basiert auf den unterschiedlichen Pola- risationszuständen 27 A, 27B der kohärent zu kombinierenden Teilstrahlen 17A, 17B. Der Messanteil 19' weist den Polarisationszustand 27 des Summenlaserstrahls 19 auf, der sich unter anderem aus der Phase zwischen den beiden kohärent kombinierten Teilstrahlen 17A, 17B ergibt. Der Polarisationszustand 27 wird anhand dreier Messstrahlen 31A, 31B, 3 IC gemessen und entsprechend durch optische Verzögerung einer der beiden Teilstrahlen 17A, 17B stabili- siert. Die Auswertung erfolgt nicht über ein Streifenmuster, welches ein Zeichen für einen Winkel zwischen den Teilstrahlen wäre, sondern über Intensitätssignale von speziellen Polarisationskomponenten, die mit den drei Messstrahlen 31 A, 31B, 31C erzeugt werden. Wie in Zusammenhang mit den Figuren 2 bis 4 beispielhaft erläutert sind in einigen Ausführungsformen somit nur drei Signale mit einfachen Algorithmen auszuwerten, um ein intensitätsu- nabhängiges Phasensignal zu erhalten. Dadurch werden Messraten bis in den MHz -Bereich möglich.
Die in Fig. 2 gezeigte optische Einheit 7A stellt ein Common-Path-Interferometer dar, dessen Kerneigenschaft darin besteht, zeitliche Phasenschwankungen zwischen den beiden am Aus- gang der zuvor erläuterten Mach-Zehnder-Konfiguration der Verstärkereinheiten 3A, 3B überlagerten und zueinander orthogonal polarisierten Strahlen 17A, 17B in einen den Summenlaserstrahl 19 charakterisierenden linearen Phasenvektor mit veränderlicher Richtung zu transformieren. Derartige optische Systeme werden teilweise auch als Geometrische -Phasen- Interferometer bezeichnet. Common-Path-Interferometer sind beispielsweise als Längenmess- interferometer und als Phasendetektor für die Interferenzlithographie bekannt, siehe z.B. "Laser linear and angular displacement interferometer", V. P. Kiryanov, et al., Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, No. 4, 1994 Avtometriya.
Gemäß den hierin offenbarten Konzepten wird zur Phasendetektion ein zusätzliches Interfe- rometer verwendet, wodurch eine im Wesentlichen reine Phaseninformation gewonnen werden kann.
Ferner würde im Unterschied zum Common-Path-Interferometer bei einem klassischen Mach- Zehnder-Interferometer die orthogonalen Polarisationen auf eine gemeinsame Ebene projiziert werden, um Interferenz zu bekommen. Dabei kann allerdings die Möglichkeit, ein intensitätsunabhängiges Quadratursignal zu halten, verloren werden. Die Common-Path-Eigenschaft macht den hierin offenbarten Aufbau insbesondere gegenüber bzgl. Justagefehlern, Vibrationen usw. robust. Gemäß dem hierin offenbarten Konzept erfolgt die Messung der relativen Phase mit Hilfe eines rein phasensensitiven Interferometers.
In der optischen Einheit 7A wird am Strahleingang 33 der Messanteil 19' aufgenommen und mit Hilfe einer Lambda- Viertel-Platte 35 ein phasenabhängiger Polarisationsvektor aufgeprägt. Bezugnehmend auf die Polarisationszustände 27A, 27B der verstärkten Laserstrahlen 17A, 17B führt die Lambda- Viertel-Platte 35 die beiden dem Polarisationszustand 27 zu Grunde liegenden linearen Polarisationen in zwei gegenläufig zirkuläre Polarisationen 27' über. Ebenso wie die Überlagerung der linearen Polarisationen führt die Überlagerung dieser beiden zirkulären Polarisationen 27' zu einer linearen Polarisation, deren Ausrichtung von der relativen Phase der zirkulären Polarisationen bzw. der orthogonalen Eingangspolarisationen abhängig ist. Die relative Phase wird also in die Ausrichtung des resultierenden Polarisationsvektors überführt. Dabei entspricht eine vollständige Rotation des Polarisationsvektors einer relativen Phasenverschiebung von einer Wellenlänge.
Durch ein Beugungsgitter 37 erfolgt eine Aufspaltung in die drei Messstrahlen 31 A, 31B, 3 IC, denen entsprechende Messstrahlengänge 32A, 32B, 32C zugeordnet sind. In jedem Messstrahlengang 32A, 32B, 32C befindet sich je ein linearer Polarisator 39A, 39B, 39C. Die Intensität hinter den Polarisatoren 39A, 39B, 39C wird jeweils mit einer Photodiode 41A, 41B, 41C in elektrische Signale umgewandelt, die dann z.B. einer Regelungselektronik der Auswerteeinheit 9 zugeführt werden. Bei Messstrahlen mit großem Durchmesser können die Messstrahlengänge 32A, 32B, 32C ferner jeweils eine Linse 43 aufweisen, um die Messstrahlen auf die Photodioden 41A, 41B, 41C zu fokussieren. Durchläuft der in Abhängigkeit der Relativphase rotierende Polarisationsvektor eines jeden Messstrahls 31A, 31B, 3 IC den zugehörigen Polarisator 39A, 39B, 39C, so ist die Intensität hinter dem Polarisator 39A, 39B, 39C proportional zur Projektion des Polarisationsvektors auf die Transmissionsebene des Polarisators 39A, 39B, 39C. Die Intensität ist daher eine Sinus- funktion mit der Periode Lambda/2 (Lambda ist hier üblicherweise die mittlere Wellenlänge der Laserstrahlung). Die Durchlassrichtung der Polarisatoren 39A, 39B, 39C legt somit die Phase eines sinusförmigen Intensitätssignals fest, welches mit den Photodioden 41A, 41B, 41C detektiert wird. Beispielhafte Intensitätsverläufe 43 A, 43B, 43C sind in Fig. 2 schematisch gezeigt. Allerdings ist jeder einzelne der Intensitätsverläufe 43 A, 43B, 43C auch abhängig von den Intensitäten der verstärkten Laserstrahlen 17A, 17B. Die Aufteilung in die drei Messstrahlen 31A, 31B, 3 IC erlaubt nun eine Erzeugung eines intensitätsunabhängigen Phasenvektors 45 durch Differenzbildung von zwei Paaren von Photodetektorsignalen. Dazu werden wie in Fig. 2 schematisch angedeutet mit den Polarisatoren 39A, 39B, 39C Projektionen in drei Raumrichtungen gebildet, sodass man drei Sinussignale mit den relativen Phasen„+90°",„0°" und ,,-90°" erhält, im Folgenden als I(+90°), 1(0°) und I(-90°) bezeichnet.
Bildet man Differenzen der Sinussignale der Photodioden 41A, 41B, 41C gemäß I(+90°)-I(0°) und I(-90°)- 1(0°) erhält man zwei Signale I(+45°) und I(-45°), die zusammen ein Quadratursignal 47 mit X- und Y- Werten darstellen. Intensitätsschwankungen der verstärkten Laserstrahlen 17A, 17B haben jeweils lediglich eine Amplitudenänderung zur Folge, die für beide Signale I(+45°) und I(-45°) identisch ist. Die Relativphase φ kann nun gemäß cp=arctan( I(+45°) / 1(-45°)) bestimmt werden, wobei sich die identischen Amplitudenänderungen herauskürzen. Das derart erzeugte, die relative Phase zwischen den verstärkten Laserstrahlen 17A, 17B bestimmende Phasensignal, insbesondere der Phasenvektor 45, kann als Fehlersignal eines Phasenstabilisierung-Regelkreises verwendet werden, das insbesondere zur Ansteuerung der Verzögerungsvorrichtung 11 verwendet wer- den kann.
Im Folgenden wird die Intensitätsunabhängigkeit der Phasenmessung beispielhaft erläutert. Es wird angenommen, dass zwei Eingangsstrahlen orthogonal in x- und y-Richtung polarisiert sind und der y-polarisierte Strahl eine Phasenverschiebung φ zum x-polarisierten Strahl auf- weist. Zur Vereinfachung wird ferner angenommen, dass die Wellenplatte verlustfrei ist und das E-Feld in zwei orthogonale Komponenten (entsprechend der Achsen der Wellenplatte) derselben Amplitude zerlegt werden kann.
Für den x-polarisierten Strahl sowie den y-polarisierten Strahl lassen sich die E-Felder wie folgt schreiben: E-Feld des ersten Eingangsstrahls, M-polarisiert λ/4-Platte, ¥ektorie!le Zerlegung in fast und slow Axis hier Idealfall: Gleiche Amplituden in beiden Achsen E-Feld des zweien Eingangsstrahls, y-polarisiert φ : Phasenverschiebung
Nach der Überlagerung der beiden Strahlen ergibt sich für den Summenlaserstrahl:
Dabei wurden die Amplituden und Phasen in der schnellen bzw. langsamen
Achsenrichtung der Wellenplatte zusammengefasst:
Bestimmt man die Intensitäten in den beiden Achsenrichtungen, zeigen diese diesel
ben Abhängigkeiten von
Der jeweilige Offset A und die jeweilige Amplitude B des Photodiodensignals sind damit unabhängig von der Ausrichtung des Polfilters/Polarisators.
Bei dem hierin offenbarten Konzept zur Relativphasenmessung und insbesondere bei den in den Figuren 1 bis 3 schematisch skizzierten optischen Einheiten mit entsprechender Signalverarbeitung ist die ausgewertete Phaseninformation daher ebenfalls im Wesentlichen unabhängig von den Intensitäten der beiden verstärkten Laserstrahlen 17A, 17B. In den Figuren 3 und 4 sind alternative Ausführungsformen von optischen Einheiten schematisch dargestellt, die ebenfalls Messverfahren für ein intensitätsunabhängig bestimmtes Phasensignal erlauben. In den folgenden Erläuterungen werden die Bezugszeichen soweit möglich für im Wesentlichen gleiche Merkmale beibehalten.
Im Unterschied zum in Fig. 2 gezeigten Aufbau erfolgt in der Ausführungsform der optischen Einheit 7B gemäß Fig. 3 am Strahleingang 33 keine Umwandlung der dem Messstrahl zugrunde liegenden Teilstrahlen in zirkuläre Polarisation, sondern nur zwei der drei Messstrahlen, hier beispielhaft die Messstrahlen 31A, 3 IC, werden mit Wellenlängenplatten phasenver- schoben. So weisen die Messstrahlengänge 32A und 32C' jeweils eine Lambda- Viertel-Platte 51A, 51B auf, wobei die Orientierung der schnellen/langsamen Achsen um 90° zueinander gedreht ist. Letzteres ist in Fig. 3 durch Vektoren in der Zeichenebene (Lambda- Viertel-Platte 51A) bzw. senkrecht zur Zeichenebene (Lambda-Viertel-Platte 51B) angedeutet. Ferner weisen alle drei Messstrahlengänge 32A', 32B', 32C' identisch orientierte Polarisatoren 49 auf, das heißt, die Projektionsrichtungen sind für alle drei Messstrahlengänge 32A', 32B', 32C' identisch.
Im Folgenden werden alternative Ausführungsformen beschrieben, in denen im Unterschied zur optischen Einheit 7A keine Zirkularpolarisation am Strahleingang 33 und kein rotierender Polarisationsvektor erzeugt werden. Um die orthogonalen Polarisationsbeiträge im Messanteil zur Interferenz zu bringen, kann z.B. ein Polfilter unter 45° in den Strahlengang gestellt werden. So erhält man z.B. an der mittleren Photodiode eine phasenabhängige Sinusmodulation. Mit Hilfe von Verzögerungsplatten könnte man in jedem weiteren Messstrahlengang eine fes- te Offsetphase einstellen. Beispielsweise kann man zwei Lambda- Viertel-Platten verwenden, wobei die schnelle Achse der einen Platte horizontal und die der anderen vertikal ausgerichtet ist. Auf diese Weise würde man einen Phasenoffset von +/-90° im Photodiodensignal erhalten. Alternativ können auch andere Phasenoffsets hergestellt werden, beispielsweise etwa 90° und 180°. Prinzipiell können in derartigen Aufbauten beliebige weitere Offsets eingestellt werden, wobei mindestens drei Messstrahlen für eine Quadratursignalverarbeitung vorzusehen sind.
Die in Fig. 4 gezeigte optische Einheit 7C stellt eine entsprechende Modifikation der in der Fig. 3 gezeigten optischen Einheit 7B dar. Im Wesentlichen entsprechen sich die Aufbauten, so dass zur besseren Übersicht die entsprechenden Bezugszeichen weggelassen wurden. Der Unterschied betrifft den Messstrahlengang 32C", in dem eine Lambda-Halbe- Wellenplatte 53 anstelle der Lambda- Viertel-Platte eine Phasenmodifizierung bewirkt. Die Wellenplatten 51A, 53 sind in ihrer Orientierung bzgl. der Polarisation im jeweiligen Messstrahlengang 32A', 32C" derart ausgerichtet, dass die schnellen Achsen zueinander parallel, und insbesondere (im optimalen Fall) gleichzeitig parallel zu einer der Polarisationsrichtungen der Messstrahlen. Entsprechend stellen sich in den jeweiligen Messstrahlengängen 32A', 32C" zu einander phasenverschobene Linearpolarisationen ein. Es liegt somit bei dieser Ausführungsform kein rotierender Vektor, sondern ein Wechsel zwischen Linear- und Zirkularpolarisation vor. Die Konfigurationen der optischen Einheiten 7B, 7C erlauben wiederum beispielsweise die Erzeugung eines Quadratursignals 47, mit dem anhand eines intensitätsunabhängigen, in Abhängigkeit der Relativphase rotierenden Phasenvektors 45 die kohärente Kombinierung geregelt werden kann. Die Auswerteeinheit 9 umfasst elektronische Bauteile und/oder ein Computersystem zur analogen und/oder digitalen Auswertung, wobei die oben skizzierten Auswerteschritte im Rahmen eines Regelungsprozesses umgesetzt werden können. Beispielsweise durchlaufen die elektrischen Signale der Photodioden 41 A, 41B, 41C zunächst einen
Transimpedanzverstärker, der am Ausgang eine zur Lichtintensität proportionale elektrische Spannung ausgibt. Mit Hilfe von Differenzverstärkern wird aus jeweils zwei Spannungssignalen der Sinus- bzw. Kosinusanteil des Quadratursignals gebildet. Durch zusätzliche geeignete Funktionsgruppen kann eine Anpassung von Amplitude und Offset der elektrischen Signale erfolgen, sodass ein ideales Quadratursignal resultiert, das mit einem Analog-Digital- Wandler abgetastet werden kann. Die weitere Verarbeitung erfolgt üblicherweise digital mit Hilfe eines Computersystems. Alternativ können die Ausgangssignale der Transimpedanzverstärker direkt abgetastet werden, wobei die Anpassung und Erzeugung des Quadratursignals dann im Computersystem realisiert wird. Insbesondere erlaubt die reine Phasenmessung über die Photodetektoren eine Anpassung des Off-set durch Anpassen der einzelnen Photodetektorsignale sowie eine Anpassung der Amplitude des Phasenvektors 45. So kann für die einzelnen Mess- Strahlengänge eine im Wesentlichen identische Signalintensität elektronisch nachgeregelt werden. Allgemein können zur Berechnung der Phasenlage und/oder der Steuersignale für die Verzögerungsvorrichtung digitale Computersysteme und/oder analoge Signalverarbeitungen eingesetzt werden. In den Ausführungsbeispielen wurden insbesondere um π/2 zueinander gedrehte Projektionsrichtungen angesprochen, da diese zu einem guten Kontrast führen können. Da die Transmission der Polarisatoren für Drehungen um π, beispielsweise bei 0° und 180°, gleich ist, ergibt sich für die Periode des Quadratursignals lambda/2. D.h. Filterwinkel von 45°, 0° und +45° entspricht jeweils einer Phase von 90°, 0°, +90° im transmittierten Intensitäts-Signal. Die Winkelangaben in den Figuren beziehen sich somit auf die Photodiodensignale. Allgemein können auch andere nicht identische Polarisationsrichtungen und Projektionsrichtungen in den optischen Einheiten verwendet werden, beispielsweise wenn mehr als drei Messstrahlen zur Verfügung stehen, wobei eventuell eine Anpassung der Auswertung, insbesondere ohne Formung eines Quadratursignals vorzunehmen ist.
Zusammenfassend erlaubt das hierin in Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 4 offenbarte Konzept der Messung der Relativphase ein Verfahren zum kohärenten Kombinieren von Laserstrahlen, bei dem zwei Laserstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationszuständen auf einem gemeinsamen Propagationsweg zur Ausbildung eines Summenlaserstrahls überlagert werden. Dabei wird in einem im Wesentlichen intensitätsunabhängigen homodynen Messverfahren die Relativphase zwischen den zwei Laserstrahlen bestimmt und ein optischer Weglängenunterschied zur Stabilisierung des Polarisationszustands des Summenlaserstrahls ange- passt. In dem Verfahren kann das im Wesentlichen intensitätsunabhängige homodyne Messverfahren einen oder mehrere der folgenden Schritte umfassen: Abspalten eines Messanteils des Summenlaserstrahls, Aufspalten des Messanteils in drei Messstrahlen, Ausbilden von drei Polarisationszuständen, und Projizieren der drei Polarisationszustände auf eine gemeinsame Projektionsrichtung oder Projizieren der drei Messstrahlen in drei Projektionsrichtungen. Wei- tere Ausgestaltungen sind aus der Beschreibung der Ausführungsbeispiele des Lasersystems und der optischen Einheiten ersichtlich.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen einer homodynen Messung beschrieben, bei der Intensitätsmessungen an entsprechenden Phasenoffset-Positionen eines sich über einen Strahlquerschnitt erstreckenden Interferenzmusters vorgenommen werden, um Photodetektorsignale mit verschiedenen Phasenoffsets für die Phasenregelung bereitzustellen. Für die Messung verlaufen kohärente Laserstrahlen insbesondere unter einem Winkel, so dass sich überlagernde Bereiche der Laserstrahlen unterschiedliche Weglängen durchlaufen haben und neben- einander liegende Phasenoffset-Positionen unterschiedliche Weglängenunterschiede aufweisen, die zu einem Interferenzstreifenmuster führen.
Der Winkel zwischen den Ausbreitungsrichtungen der Laserstrahlen kann dabei schon am Strahleingang des Phasenregelungssystem vorliegen oder ausgehend von kollinear überlager- ten Laserstrahlen speziell erzeugt werden. Beispielsweise kann ähnlich der Überlagerung in Fig. 1 mit zwei Strahlteilern bei einer entsprechenden Justage der Spiegel 21 am Ausgang des Strahlteilers 15A ein entsprechender Winkel zwischen den Laserstrahlen vorliegen.
Fig. 5 zeigt einen beispielhaften Ansatz zur Erzeugung eines Aufspaltungswinkels ausgehend von einem kollinear überlagerten Messanteil 119'. Der Messanteil 119' basiert auf zwei z.B. jeweils, jedoch und orthogonal zueinander polarisierten (evtl. verstärkter) Laserstrahlen. In Fig. 5 sind die Linearpolarisationen schematisch mit Pfeilen 127 angedeutet. Ein doppelbrechendes Prisma 137 bewirkt einen Winkel α zwischen kohärenten Laserstrahlen 117A, 117B aufgrund der polarisationsabhängigen Brechung. Aufgrund der orthogonalen Polarisationen der Laserstrahlen 117A, 117B wird zum Hervorrufen einer Interferenz ein Polarisationsfilter 139 strahlabwärts des doppelbrechende Prismas 137 in die beiden sich weitgehend überlagernden Strahlengänge eingebracht. Das Polarisationsfilter 139 ist derart ausgerichtet, dass strahlabwärts die Laserstrahlen 117A, 117B zumindest teilweise interferierende Polarisations- zustände aufweist. Z.B. wird in Fig. 5 eine Transmissionsrichtung 165 unter 45° zu den ortho- gonalen linearen Polarisationsrichtungen angedeutet.
Der erzeugte (Aufspaltungs-)Winkel ist derart gewählt, dass die Laserstrahlen 117A, 117B in einem Propagationsabschnitt 118 A nur etwas auseinanderlaufen, so dass sich die Laserstrahlen 117A, 117B in einem Zentralbereich 118B überlagern. Es ergibt sich dort ein Interferenz- muster 161 über den Strahlquerschnitt in Richtung des Winkels a. In Fig. 5 ist ein Interferenzmuster schematisch in der Zeichenebene von unten nach oben angedeutet.
Allgemein liegen die Winkel im Bereich von 0,01° bis 0,02°, so dass bei Strahldurchmessern beispielsweise von 3 mm bis 20 mm nebeneinander liegende Phasenoffset-Unterschiede von z.B. ±90° in einem Abstand von z.B. 1 mm liegen und mit entsprechenden Photodetektoren messbar sind.
Zur Verdeutlichung sind in Fig. 5 drei Messstrahlbereiche 131A, 131B, 13 IC eingezeichnet. Zwischen zwei benachbarten der drei Messstrahlbereichen 131A, 131B, 13 IC liegt im Interferenzmuster 161 jeweils ein Phasenoffset-Unterschied von 90° vor. Mit drei in einer Messebene 163 angeordneten Photodetektoren 141A, 141B, 141C (z.B. Photodioden) können den Pha- senoffsets entsprechende Photodetektorsignale einer Auswerteeinheit zur Auswertung und Erzeugung eines Steuerungssignals zugeführt werden. Das Steuerungssignal entspricht der Relativphase zwischen den kohärenten Laserstrahlen und kann entsprechend zur Ansteuerung einer Verzögerungsvorrichtung verwendet werden. Die Erzeugung des Steuerungssignals kann beispielsweise wie in der in Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 4 beschriebenen Signalverarbeitung erfolgen. In einigen Ausführungsformen basierend auf der Auswertung eines Interferenzstreifenmusters kann neben der Verwendung einzelner Detektoren beispielsweise ein Zeilen- oder Pixelsensor eingesetzt werden, der in der Messebene positioniert wird.
Ferner bewirkt ein Kippen der verwendeten Messebene (in der durch den Winkel aufgespann- ten Ebene) eine Projektion des Streifenmusters auf eben diese Ebene, wobei der Streifenabstand in der Messebene eingestellt werden kann, da er mit zunehmendem Winkel größer wird. Ein Kippen der verwendeten Messebene kann z.B. dazu verwenden werden, um den Phasen- offset zwischen den einzelnen Detektoren einzustellen. Ein Kippen bietet sich z.B. an, wenn eine Detektoreinheit mit vorbestimmten Abstand für eine kleinere Streifenperioden verwendet werden soll. Der Kippwinkel wird dabei solange vergrößert (ausgehend von der zum Laserstrahlen orthogonalen Ausrichtung), bis Streifenperiode und Detektorabstand zueinander passen.
Zusammenfassend erlaubt auch das u.a. in Zusammenhang mit Fig. 5 offenbarte Konzept der Messung der Relativphase mittels Interferenzstreifen ein Verfahren zum kohärenten Kombinieren von Laserstrahlen, bei dem zwei Laserstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationszu- ständen auf einem gemeinsamen Propagationsweg zur Ausbildung eines Summenlaserstrahls überlagert werden. In dem Verfahren kann das im Wesentlichen intensitätsunabhängige homodyne Messverfahren zusammengefasst folgenden Schritte umfassen: Überlagern zweier kohärenter Laserstrahlen mit interferierenden Polarisationszuständen derart, dass mindestens drei Messstrahlbereichen 131A, 131B, 13 IC im Strahlquerschnitt der überlagerten kohärenten Laserstrahlen verschiedene Phasenoffsets zugeordnet sind; Bestimmen eine Relativphase zwischen den zwei Laserstrahlen basierend auf den mindestens drei Messstrahlbereichen 131A, 131B, 13 IC, wobei insbesondere Intensitätswerte für jeden der mindestens drei Messstrahlbereiche 131A, 131B, 13 IC erfasst und als Eingangsgrößen für eine Signalverarbeitung, insbesondere für eine Quadratursignalverarbeitung, bereitgestellt werden; und Anpassen eines optischen Weglängenunterschieds zwischen den zwei Laserstrahlen vor deren Überlagerung zur Stabilisierung des Interferenzmusters basierend auf der bestimmten Relativphase.
Beispiele für Verstärkereinheiten sind Faserverstärkereinheiten, z.B. eine Kristallfaser- Verstärkereinheit, Titan: Saphir- Verstärkereinheiten, Stab-Verstärkereinheiten, Platten- Verstärkereinheiten, Scheiben-Verstärkereinheiten, optisch-parametrische Verstärkereinheiten und Halbleiter- Verstärkereinheiten sowie insbesondere regenerative, Einzeldurchgang- und/oder Mehrfachdurchgang- Verstärkereinheiten.
So können (gepulste oder cw-) Verstärkersysteme, beispielsweise Ti:Saphir basierte oder Faser-Laser basierte Verstärkersysteme, z.B. in Multipass-Konfiguration oder Slab-basiert, unter Verwendung der hierin beschriebenen homodynen und im Wesentlichen amplitudenunabhän- gigen Phasenmessung kohärent kombiniert werden. Repetitionsraten von gepulsten Lasersystem können beispielsweise im Bereich von einem oder wenigen Hz bis zu 100 kHz oder sogar bis einem oder mehreren MHz liegen. Beispielhafte Pulsdauern liegen im ns-, ps-, und fs- Bereich. Beispielhafte regenerative Lasersysteme und regenerative Laserstufen, die mit den hierin offenbarten Konzepten kohärent kombiniert werden können, sind z.B. offenbart in „High-repetition-rate picosecond pump laser based on a Yb:YAG disk amplifier for optical parametric amplification", T. Metzger at al., Opt. Lett. 34, 2123-2125 (2009). Ein beispielhaftes Faserverstärker-basiertes Lasersystem ist in der eingangs erwähnten Veröffentlichung von A. Klenke et al. beschrieben. Ferner lässt sich das hierin beschriebene Konzept auch auf skalierbare optische Verstärkeranordnungen anwenden, wie sie z.B. in DE 10 2010 052 950 AI offenbart sind. Insbesondere können, nachdem zwei oder mehr Paare von Verstärkersystemen jeweils kohärent kombiniert wurden, auch die überlagerten Ausgangsstrahlen wieder kohärent überlagert werden. Auf diese Weise können entsprechend skalierte Ausgangsleistungen erreicht werden. Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.

Claims

Patentansprüche
1. Phasenregelungssystem (5) zur Regelung der Relativphase (φ) zweier kohärent zu kombinierender Laserstrahlen (17A, 17B) eines Lasersystems (1), das zum Bereitstellen eines phasengeregelten Summenlaserstrahls (19) vorgesehen ist, mit:
einer optischen Einheit (7, 107), umfassend
einen Strahleingang (33) zum Aufnehmen eines Messanteils (19') zweier kollinear zur Formung eines Summenlaserstrahls (19) zu überlagernder kohärenter Laserstrahlen (17A, 17B), insbesondere mit im Wesentlichen orthogonalen Polarisationszuständen, einen Strahlteiler (37) zum Erzeugen von mindestens drei Messstrahlen (31 A, 31B, 3 IC) aus den kohärenten Laserstrahlen (17A, 17B) des Messanteils (19'), die auf zugehörigen Messstrahlengängen (32A, 32B, 32C) propagieren, oder
einen Propagationsabschnitt, in dem die kohärenten Laserstrahlen (17A, 17B) des Messanteils (19') unter einem Winkel räumlich überlagert propagieren und mindestens drei Messstrahlbereiche (131A, 131B, 13 IC) ausbilden,
wobei die mindestens drei Messstrahlengänge (32A, 32B, 32C) der mindestens drei Messstrahlen (31A, 31B, 3 IC) durch Projektion auf angepasste Polarisationsrichtungen oder
die mindestens drei Messstrahlbereiche (131A, 131B, 13 IC) durch Weglängenun- terschiede
zur Erzeugung verschiedener Phasenoffsets der zugehörigen Messstrahlen (31A, 31B, 3 IC) oder Messstrahlbereiche (131A, 131B, 13 IC) ausgebildet sind, und mindestens drei Photodetektoren (141A, 141B, 141C) zur Ausgabe von Photodetektorsignalen, wobei die Photodetektoren (141 A, 141B, 141C) jeweils einem der Messstrahlen- gänge (32A, 32B, 32C) bzw. jeweils einem der Messstrahlbereiche (131A, 131B, 13 IC) zugeordnet sind und die Photodetektorsignale den Messstrahlen (31A, 31B, 3 IC) oder Messstrahlbereichen (131A, 131B, 131C) bei den verschiedenen Phasenoffsets entsprechen,
einer Auswerteeinheit (9), die basierend auf den mindestens drei Photodetektorsignalen ein Steuerungssignal (45) erzeugt, das einer Relativphase (φ) zwischen den kohärenten Laserstrahlen (17A, 17B) basierend auf einer Auswertung eines Polarisationszustands des Messanteils (19') oder eines Interferenzverhaltens des Messanteils (19') entspricht, und einer Verzögerungsvorrichtung (11) zum Einbringen in den Strahlengang mindestens eines der zwei kollinear zu überlagernden Laserstrahlen (17A, 17B), welche eine optische Weglänge aufweist, die in Abhängigkeit vom Steuerungssignal (45) einstellbar ist.
2. Phasenregelungssystem (5) nach Anspruch 1 zur Regelung der Relativphase (φ) zweier kohärent zu kombinierender Laserstrahlen (17A, 17B) eines Lasersystems (1), das zum Bereitstellen eines phasengeregelten Summenlaserstrahls (19) vorgesehen ist, wobei
der Strahleingang (33) der optische Einheit (7) zum Aufnehmen eines Messanteils (19') zweier kollinear zur Formung eines Summenlaserstrahls (19) überlagerter kohärenter La- serstrahlen ( 17 A, 17B) ausgebildet ist und
die mindestens drei Messstrahlengänge (32A, 32B, 32C) des Messanteils (19') jeweils zur Projektion eines Polarisationszustands eines zugehörigen Messstrahls auf eine Polarisationsrichtung ausgebildet sind.
3. Phasenregelungssystem (5) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Strahlteiler (37) als nicht-polarisierender Strahlteiler insbesondere als Beugungsgitter oder als teilreflektierende Spiegelkombination zum Verteilen des Messanteils (19') auf die drei Messstrahlengänge (32A, 32B, 32C) ausgebildet ist, und/oder
wobei mindestens einer der mindestens drei Messstrahlengänge (32A, 32B, 32C) zur Projekti- on eines Polarisationszustands auf eine Polarisationsrichtung einen Polarisator (39A, 39B, 39C; 49) und/oder zur Signalerhöhung eine Fokussierlinse (37) aufweist.
4. Phasenregelungssystem (5) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die optische Einheit (7A) eine Lambda-Viertel- Wellenplatte (35) aufweist, die strahlabwärts des Strahleingangs (33) und strahlaufwärts des Strahlteilers (37) angeordnet ist und insbesondere zur Umwandlung von orthogonalen Linearpolarisationen (27) der kohärenten Laserstrahlen (17A, 17B) in links bzw. rechtsdrehende Zirkularpolarisationen (27') vorgesehen ist, und
wobei die drei den Projektionen der Messstrahlen (31A, 31B, 3 IC) zugehörigen Polarisationsrichtungen um 45° bzw. 90° zueinander gedreht sind und die zugehörigen drei Messstrahlen- gänge (31A, 31B, 31C) insbesondere jeweils einen linearen Polarisator aufweisen, die derart orientiert sind, dass die transmittierten Polarisationsrichtungen um 45° bzw. 90° zueinander gedreht sind.
5. Phasenregelungssystem (5) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die mindestens drei Messstrahlengänge (32A, 32B, 32C) jeweils zur Projektion eines messstrahlengangspezifischen Polarisationszustands auf eine gemeinsame Polarisationsrichtung ausgebildet sind und insbesondere jeweils einen linearen Polfilter (49) aufweisen, deren transmittierte Polarisationsrich- tungen im Wesentlichen identisch orientiert sind, und
wobei zur Erzeugung der messstrahlengangspezifischen Polarisationszustände zwei der mindestens drei Messstrahlengänge (32A, 32B, 32C) phasenverschiebende optische Elemente (51A, 51B, 53) aufweisen, die eine definierte relative Phasenverzögerung einer der Polarisationsrichtungen bewirken, so dass sich phasenverschobene Photodetektorsignalverläufe (43 A, 43B, 43C) ergeben.
6. Phasenregelungssystem (5) nach Anspruch 5, wobei zur Erzeugung der messstrahlengangspezifischen Polarisationszustände zwei der mindestens drei Messstrahlengänge jeweils eine Lambda- Viertel- Wellenplatte (51A, 51B) aufweisen, wobei die Lambda-Viertel- Wellenplatten (51 A, 51B) in ihrer Orientierung bzgl. der Polarisation im jeweiligen Messstrahlengang (32A, 32C) um 90° zueinander gedreht und insbesondere die Orientierung der schnellen und langsamen Achsen vertauscht und zu den Polarisationsrichtungen der Messstrahlen ausgerichtet sind, oder wobei zur Erzeugung der messstrahlengangspezifischen Polarisationszustände einer der mindestens drei Messstrahlengänge eine Lambda-Viertel- Wellenplatte (51A) und einer der mindestens drei Messstrahlengänge (32A, 32B', 32C") eine Lambda-Halbe- Wellenplatte (53) aufweisen, wobei die Wellenplatten (51A, 53) in ihrer Orientierung bzgl. der Polarisation im jeweiligen Messstrahlengang (32A, 32C") derart ausgerichtet sind, dass die schnellen Achsen zueinander parallel, und insbesondere gleichzeitig parallel zu einer der Polarisationsrichtungen der Messstrahlen, sind, sodass sich in den jeweili- gen Messstrahlengängen (32Α', 32C") zu einander phasenverschobene Linearpolarisationen einstellen.
7. Phasenregelungssystem (5) nach Anspruch 1 zur Regelung der Relativphase (φ) zweier kohärent zu kombinierender Laserstrahlen (17A, 17B) eines Lasersystems (1), das zum Be- reitstellen eines phasengeregelten Summenlaserstrahls (19) vorgesehen ist, wobei
in dem Propagationsabschnitt der optischen Einheit (107) die kohärenten Laserstrahlen (17A, 17B) unter dem Winkel propagieren und in einem Zentralbereich räumlich überlagert sind, und wobei die optischen Einheit (107) ferner einen, insbesondere im Propagationsabschnitt angeordneten, Polarisationsfilter zur Erzeugung von interferierenden Polarisationszuständen der kohärenten Laserstrahlen (17A, 17B) aufweist, wobei die Polarisationszustände in einer durch den Winkel gegebenen Richtung zu einem Interferenzmuster führen, das den mindes- tens drei Messstrahlbereichen (131A, 131B, 13 IC) die verschiedenen Phasenoffsets zuordnet.
8. Phasenregelungssystem (5) nach Anspruch 6, wobei
der Strahleingang (33) zum Aufnehmen den Messanteil (19') von kollinear überlagerten kohä- renten Laserstrahlen ( 17 A, 17B) ausgebildet ist und
wobei die optischen Einheit (107) ferner einen polarisationszustandsabhängigen Strahlteiler (137), insbesondere ein doppelbrechendes Prisma, zum Erzeugen des Winkels zwischen den zwei kohärenten Laserstrahlen (17A, 17B) aufweist, so dass die kohärenten Laserstrahlen (17A, 17B) im Zentralbereich die mindestens drei Messstrahlbereiche (131A, 131B, 131 C) ausbilden, oder
wobei die optischen Einheit (107) ferner aufweist
einen ersten polarisationszustandsabhängigen Strahlteiler, um die polarisierten Strahlanteile des Messanteils zu trennen,
einen zweiten, insbesondere polarisationszustandsabhängigen oder nicht- polarisationszustandsabhängigen, Strahlteiler,
optische Elemente zum Umlenken der getrennten Strahlanteile auf den zweiten Strahlteiler, wobei mindestens eines der genannten optischen Elemente derart angeordnet ist, dass die am Ausgang des zweiten Strahlteilers überlagerten Strahlanteile unter einem Winkel in den Propagationsabschnitt eintreten.
9. Phasenregelungssystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (9) ferner dazu ausgebildet ist, zeitliche Schwankungen der Relativphase (φ) zwischen den kohärenten Laserstrahlen (17A, 17B) in eine Richtungsänderung eines Phasenvektors (45).
10. Phasenregelungssystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (9) zur Differenzbildung von zwei Paaren von Photodetektorsignalen ausgebildet ist und insbesondere eine auf der Differenzbildung basierende Quadratursignalverarbeitung (47) umfasst und/oder wobei die Verzögerungsvorrichtung (11) zur groben Anpassung der optischen Weglänge und zur feinen Anpassung der optischen Weglänge ausgebildet ist, und insbesondere eine motorische beispielsweise piezomechanische Verschiebeeinheit eines Faltungsspiegels oder Retrore- flektors aufweist, und/oder
wobei insbesondere eine akustooptische Verzögerungseinheit verwendet wird, um die Phasenlage der Eingangsstrahlen zu stabilisieren und/oder gezielt zu verändern, und/oder
wobei die Berechnung der Phasenlage und/oder der Steuersignale für die Verzögerungsvorrichtung mit Hilfe eines digitalen Computersystems und/oder einer analogen Signalverarbeitung erfolgt.
11. Lasersystem (1) zum Bereitstellen eines auf kohärenter Kombinierung basierenden Summenlaserstrahls (19) mit:
einer Seed-Laserstrahlquelle zum Bereitstellen eines ersten Seed-Laserstrahls (13A) und eines zweiten, zum ersten Seed-Laserstrahl (13A) kohärenten Seed-Laserstrahls (13B), einem ersten Verstärkerarm, der eine erste optische Verstärkereinheit (3A) zur Erzeugung eines ersten verstärkten Laserstrahls (17A) basierend auf dem ersten Seed-Laserstrahl (13A) aufweist,
einem zweiten Verstärkerarm, der eine zweite optische Verstärkereinheit (3B) zur Erzeugung eines zweiten verstärkten Laserstrahls (17B) basierend auf dem zweiten Seed-Laserstrahl (13B) aufweist,
einer Kombinationseinheit (15B) zur kollinearen Überlagerung des Strahlengangs des ersten verstärkten Laserstrahls (17A) und des Strahlengangs des zweiten verstärkten Laserstrahls (17B) zur Erzeugung des Summenlaserstrahls (19), wobei der erste Laserstrahl (17A) in einem ersten Polarisationszustand und der zweite Laserstrahl (17B) in einem vom ersten Po- larisationszustand unterschiedlichen zweiten Polarisationszustand überlagert werden, und einem Phasenregelungssystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Messanteil (19') ein Teil des Summenlaserstrahls (19) oder unter dem Winkel propagierende Teile des ersten verstärkten Laserstrahls (17A) und des zweiten verstärkten Laserstrahls (17B) in den Strahleingang (33) der optischen Einheit (7) eingekoppelt wird bzw. werden und die Verzögerungsvorrichtung (11) im ersten Verstärkerarm (3A) und/oder im zweiten Verstärkerarm (3B) vorgesehen ist.
12. Lasersystem (1) zum Bereitstellen eines auf kohärenter Kombinierung basierenden Summenlaserstrahls (19) mit: einer Laserstrahlquelle zum Bereitstellen eines ersten Laserstrahls (13A) und eines zweiten, zum ersten Laserstrahl (13A) kohärenten Laserstrahls (13B),
einer Kombinationseinheit (15B) zur kollinearen Überlagerung des Strahlengangs des ersten Laserstrahls (13A) und des Strahlengangs des zweiten Laserstrahls (13B) zur Erzeugung des Summenlaserstrahls (19), wobei der erste Laserstrahl (13A) in einem ersten Polarisationszustand und der zweite Laserstrahl (13B) in einem vom ersten Polarisationszustand unterschiedlichen zweiten Polarisationszustand überlagert werden, und
einem Phasenregelungssystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Messanteil (19') ein Teil des Summenlaserstrahls (19) oder unter dem Winkel propagieren- de Teile des ersten Laserstrahls (13A) und des zweiten Laserstrahls (13B) in den Strahleingang (33) der optischen Einheit (7) eingekoppelt wird bzw. werden und die Verzögerungsvorrichtung (11) im Strahlengang des ersten Laserstrahls (13A) und/oder im Strahlengang des zweiten Laserstrahls (13B) vorgesehen ist.
13. Lasersystem (1) nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, wobei die Auswerteeinheit (9) des Phasenregelungssystems (5) eine Relativphase (φ) zwischen dem ersten (verstärkten) Laserstrahl (17A) und dem zweiten (verstärkten) Laserstrahl (17B) bestimmt, welche den Polarisationszustand des Summenlaserstrahls (19) charakterisiert, und die Bestimmung im Wesentlichen unabhängig von Intensitätsschwankungen im ersten (verstärkten) Laserstrahl (17A) und/der im zweiten (verstärkten) Laserstrahl (17B), insbesondere in der ersten optischen Verstärkereinheit (17A) und/oder der zweiten optischen Verstärkereinheit (17B), ist, und/oder wobei die Verzögerungsvorrichtung (11) zum Einstellen eines relativen optischen Wegunterschieds zwischen dem ersten (verstärkten) Laserstrahl (17A) und dem zweiten (verstärkten) Laserstrahl (17B), insbesondere dem ersten Verstärkerarm (17A) und dem zweiten Verstär- kerarm (17B), in Abhängigkeit von dem Steuerungssignal (45) zum Stabilisieren des Polarisationszustands des Summenlaserstrahls (19) ausgebildet ist.
14. Lasersystem (1) nach Anspruch 11 oder 13, wobei die Seed-Laserstrahlquelle einen primär Seed-Laser (2) und einen Strahlteiler (15A) zur Aufteilung eines primären Seed- Laserstrahls (13) des primären Seed-Lasers (2) in den ersten Seed-Laserstrahl (13A) und den zweiten Seed-Laserstrahl (13B) aufweist oder wobei die Seed-Laserstrahlquelle zwei kohärent gekoppelte Seed-Lasersysteme aufweist und/oder
wobei die erste optische Verstärkereinheit (3A) und/oder die zweite optische Verstärkereinheit (3B) jeweils eine Faserverstärkereinheit, eine Kristallfaser- Verstärkereinheit , eine Ti- tan: Saphir- Verstärkereinheit, eine Stab-Verstärkereinheit, eine Platten-Verstärkereinheit, eine Scheiben- Verstärkereinheit, eine optisch-parametrische Verstärkereinheit, oder eine Halbleiter- Verstärkereinheit und insbesondere eine regenerative und/oder Einzeldurchgang- Verstärkereinheit und/oder Mehrfachdurchgang- Verstärkereinheit aufweisen.
15. Lasersystem (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei
der erste Polarisationszustand und der zweite Polarisationszustand im Wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtete Linearpolarisationen sind,
die optische Einheit (7A) eine Lambda- Viertel-Wellenplatte (35) zur Umwandlung der Line- arpolarisationen in links bzw. rechtsdrehende Zirkularpolarisationen und insbesondere ein Beugungsgitter zum Verteilen des Messanteils (19') auf die drei Messstrahlengänge (32A, 32B, 32C) aufweist und
als Eingangsgrößen für insbesondere eine Quadratursignalverarbeitung die drei Messstrahlengänge (32A, 32B, 32C) jeweils zur Projektion des Polarisationszustands auf drei um 45° bzw. 90° zueinander gedrehte Polarisationsrichtungen ausgebildet sind, und insbesondere jeweils einen Polarisator (39A, 39B, 39C) aufweisen, deren Projektionsrichtungen um 45° bzw. 90° gedreht sind, so dass optische Weglängenänderungen des ersten (verstärkten) Laserstrahls (17A) und des zweiten (verstärkten) Laserstrahls (17B), insbesondere im ersten Verstärkerarm und/oder im zweiten Verstärkerarm, insbesondere phasenverschobene Pho- todetektorsignaländerungen ergeben.
16. Lasersystem (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei
der erste Polarisationszustand und der zweite Polarisationszustand im Wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtete Linearpolarisationen sind,
die optische Einheit (7B, 7C) insbesondere ein Beugungsgitter (37) zum Verteilen des Messanteils auf die drei Messstrahlengänge (32A, 32B, 32C) aufweist und
als Eingangsgrößen für die Quadratursignalverarbeitung die drei Messstrahlengänge (32A, 32B, 32C) jeweils zur Projektion eines messstrahlengangspezifischen Polarisationszustands auf eine gemeinsame Polarisationsrichtung ausgebildet sind, und insbesondere jeweils ei- nen Polarisator (49) aufweisen, deren Projektionsrichtungen im Wesentlichen identisch sind, und wobei zur Erzeugung der messstrahlengangspezifischen Polarisationszustände zwei der drei Messstrahlengänge (32A, 32B, 32C) jeweils eine Lambda-Viertel- Wellenplatte (51A, 51B) aufweisen, wobei die Lambda- Viertel-Wellenplatten (51A, 51B) um 90° zueinander gedreht sind, oder wobei zwei der drei Messstrahlengänge (32A, 32B, 32C) eine Lambda- Viertel- Wellenplatte (51A) bzw. eine Lambda-Halbe-Wellenplatte (53) aufweisen, so dass optische Weglängenänderungen des ersten (verstärkten) Laserstrahls (17A) und des zweiten (verstärkten) Laserstrahls (17B), insbesondere im ersten Verstärkerarm und/oder im zweiten Verstärkerarm, phasenverschobene Photodetektorsignaländerun- gen ergeben.
17. Verfahren zum kohärenten Kombinieren von Laserstrahlen mit:
Überlagern zweier kohärenter Laserstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationszuständen auf einem gemeinsamen Propagationsweg zur Ausbildung eines Summenlaserstrahls,
Bestimmen in einem im Wesentlichen intensitätsunabhängigen homodynen Messverfahren eine Relativphase zwischen den zwei Laserstrahlen und
Anpassen eines optischen Weglängenunterschieds zwischen den zwei Laserstrahlen vor Ausbildung des Summenlaserstrahls zur Stabilisierung des Polarisationszustands des Summenlaserstrahls basierend auf der bestimmten Relativphase.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das im Wesentlichen intensitätsunabhängige homodynen Messverfahren die folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen eines Messanteils des Summenlaserstrahls,
Aufspalten des Messanteils in mindestens drei Messstrahlen,
Ausbilden von mindestens drei Polarisationszuständen,
Projizieren der mindestens drei Polarisationszustände auf eine gemeinsame Projektionsrichtung und
Erfassen von Intensitätswerten für jeden der mindestens drei Messstrahlen zur Bereitstellen der Intensitätswerte als Eingangsgrößen für eine Signalverarbeitung, insbesondere für eine Quadratursignalverarbeitung.
19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das im Wesentlichen intensitätsunabhängige homodynen Messverfahren die folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen eines Messanteils des Summenlaserstrahls,
Aufspalten des Messanteils in mindestens drei Messstrahlen, und
Projizieren der mindestens drei Messstrahlen in mindestens drei Projektionsrichtungen und Erfassen von Intensitätswerten für jeden der mindestens drei Messstrahlen zur Bereitstellen der Intensitätswerte als Eingangsgrößen für eine Signalverarbeitung, insbesondere für eine Quadratursignalverarbeitung.
20. Verfahren zum kohärenten Kombinieren von Laserstrahlen mit:
Überlagern zweier kohärenter Laserstrahlen mit interferierenden Polarisationszuständen derart, dass mindestens drei Messstrahlbereichen (131A, 131B, 13 IC) im Strahlquerschnitt der überlagerten kohärenten Laserstrahlen verschiedene Phasenoffsets zugeordnet sind,
Bestimmen eine Relativphase zwischen den zwei Laserstrahlen basierend auf den mindestens drei Messstrahlbereichen (131A, 131B, 131C), wobei insbesondere Intensitätswerte für jeden der mindestens drei Messstrahlbereiche (131 A, 131B, 131 C) erfasst und als Eingangsgrößen für eine Signalverarbeitung, insbesondere für eine Quadratursignalverarbeitung, bereitgestellt werden, und
Anpassen eines optischen Weglängenunterschieds zwischen den zwei Laserstrahlen vor deren Überlagerung zur Stabilisierung des Interferenzmusters basierend auf der bestimmten Rela- tivphase.
EP17702012.0A 2016-01-18 2017-01-16 Relativphasenmessung zum kohärenten kombinieren von laserstrahlen Withdrawn EP3405761A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016100721.8A DE102016100721B3 (de) 2016-01-18 2016-01-18 Relativphasenmessung zum kohärenten Kombinieren von Laserstrahlen
PCT/EP2017/050787 WO2017125345A1 (de) 2016-01-18 2017-01-16 Relativphasenmessung zum kohärenten kombinieren von laserstrahlen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3405761A1 true EP3405761A1 (de) 2018-11-28

Family

ID=57914940

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP17702012.0A Withdrawn EP3405761A1 (de) 2016-01-18 2017-01-16 Relativphasenmessung zum kohärenten kombinieren von laserstrahlen

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11114814B2 (de)
EP (1) EP3405761A1 (de)
CN (1) CN108780010B (de)
DE (1) DE102016100721B3 (de)
WO (1) WO2017125345A1 (de)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IL260702B (en) * 2018-07-19 2021-08-31 Rafael Advanced Defense Systems Ltd Coherent beam integration systems and methods
US10948313B2 (en) 2019-02-26 2021-03-16 Cirrus Logic, Inc. Spread spectrum sensor scanning using resistive-inductive-capacitive sensors
US10637572B1 (en) * 2019-11-25 2020-04-28 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Full duplex laser communication terminal architecture with reconfigurable wavelengths
US11835410B2 (en) 2020-06-25 2023-12-05 Cirrus Logic Inc. Determination of resonant frequency and quality factor for a sensor system
US11868540B2 (en) 2020-06-25 2024-01-09 Cirrus Logic Inc. Determination of resonant frequency and quality factor for a sensor system
US11009595B1 (en) 2020-11-13 2021-05-18 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Continuously variable optical beam splitter
US11002956B1 (en) 2020-11-19 2021-05-11 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Refractive laser communication beam director with dispersion compensation
CN112683794A (zh) * 2020-12-11 2021-04-20 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于波前调制的相位成像及元件检测的装置和方法
US11808669B2 (en) 2021-03-29 2023-11-07 Cirrus Logic Inc. Gain and mismatch calibration for a phase detector used in an inductive sensor
US11979115B2 (en) 2021-11-30 2024-05-07 Cirrus Logic Inc. Modulator feedforward compensation
US11854738B2 (en) 2021-12-02 2023-12-26 Cirrus Logic Inc. Slew control for variable load pulse-width modulation driver and load sensing
DE102022103418A1 (de) 2022-02-14 2023-08-17 Trumpf Laser Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen, Lasersystem
DE102022103417A1 (de) 2022-02-14 2023-08-17 Trumpf Laser Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen, Lasersystem
DE102022114763A1 (de) 2022-06-13 2023-12-14 Trumpf Laser Gmbh Bearbeitungssystem und Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006083998A2 (en) * 2005-02-03 2006-08-10 Pd-Ld, Inc. High-power, phased-locked, laser arrays
US7058098B1 (en) * 2005-11-29 2006-06-06 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Self-synchronous locking of optical coherence by single-detector electronic-frequency tagging
US8120778B2 (en) * 2009-03-06 2012-02-21 Imra America, Inc. Optical scanning and imaging systems based on dual pulsed laser systems
CN100546131C (zh) * 2007-09-27 2009-09-30 中国人民解放军空军工程大学 基于重叠体光栅的多路光纤激光相干组束装置及相干组束方法
CN101424570B (zh) * 2007-10-29 2010-06-30 中国科学院安徽光学精密机械研究所 全光纤法布里-珀罗型傅里叶变换激光光谱测量装置及其测量方法
WO2009100113A1 (en) * 2008-02-07 2009-08-13 Imra America, Inc. High power parallel fiber arrays
CN101382665A (zh) * 2008-10-24 2009-03-11 中国科学院上海光学精密机械研究所 相干光束同轴合成的方法
DE102010052950B4 (de) 2010-08-31 2020-11-05 Friedrich-Schiller-Universität Jena Optische Verstärkeranordnung
JP6071202B2 (ja) * 2012-01-20 2017-02-01 三菱重工業株式会社 複数ビーム結合装置
CN103033944A (zh) * 2012-12-04 2013-04-10 广东汉唐量子光电科技有限公司 脉冲激光器偏振合束装置
US9081090B2 (en) * 2013-03-15 2015-07-14 Digital Signal Corporation System and method for increasing coherence length in lidar systems
US9690107B2 (en) * 2013-03-15 2017-06-27 Trumpf Laser Gmbh Device for wavelength combining of laser beams
CN103513428B (zh) * 2013-10-09 2016-02-03 电子科技大学 一种实现激光相干合束的方法及装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20190052045A1 (en) 2019-02-14
WO2017125345A1 (de) 2017-07-27
CN108780010B (zh) 2021-03-12
CN108780010A (zh) 2018-11-09
US11114814B2 (en) 2021-09-07
DE102016100721B3 (de) 2017-03-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102016100721B3 (de) Relativphasenmessung zum kohärenten Kombinieren von Laserstrahlen
DE19635907C2 (de) Verfahren zur Messung der Phasendifferenz zwischen zwei orthogonal polarisierten Komponenten eines Prüfstrahls sowie Homodyn-Interferometer-Empfängervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
DE3687175T2 (de) Heterodynes interferometersystem.
DE4201511C5 (de) Positionsdetektor und Verfahren zur Positionsmessung
DE69725859T2 (de) Messen von Effekten des Brechungsindex eines Gases mit unterschiedlicher Vielfach - Interferometrie ( superheterodyn )
DE19522262C2 (de) Heterodyn-Interferometer-Anordnung
DE2240968A1 (de) Optisches verfahren zur messung der relativen verschiebung eines beugungsgitters sowie einrichtungen zu seiner durchfuehrung
DE112012003271T5 (de) Hochauflösendes High Speed-Interferometrie-Verfahren und System
EP2955489B1 (de) Optische positionsmesseinrichtung
DE2348272A1 (de) Dehnungsmesser
DE3937268A1 (de) Optische entfernungsmessvorrichtung
DE102006023996A1 (de) Interferometer zum Messen senkrechter Translationen
DE69216464T2 (de) Apparat zum Messen der Wellenlängenvariation
DE102012104874B4 (de) Optisches Messsystem mit Polarisationskompensation, sowie entsprechendes Verfahren
DE19628200B4 (de) Vorrichtung zur Durchführung interferometrischer Messungen
DE102006007411B4 (de) Aktive Steuerung und Erfassung von zwei nahezu orthogonalen Polarisationen bei einer Faser zur Heterodyninterferometrie
DE19913049C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit
DE4139839C2 (de) Verfahren zur Bestimmung von Schwebungsfrequenzänderungen zwischen zwei Single-Mode-Lasern sowie zur Vermessung von Distanzen
DE60105791T2 (de) Verfahren und vorrichtung zur messung der phasendifferenz zwischen intensitätsmodulierten optischen signalen
DE102017210637A1 (de) Messvorrichtung zur interferometrischen Messung einer Positionsveränderung
DE2634210C2 (de) Interferometer
DE10317387B4 (de) Kompakte Strahlzurückverfolgungsoptikeinrichtung zum Eliminieren eines Strahlauseinanderlaufens
DE19622412A1 (de) Positionsdetektor auf Grundlage optischer Interferometrie
DE2019762A1 (de) Interferometer
DE102022104332B3 (de) Vorrichtung und Verfahren zur phasenstabilen Übertragung optischer Signale

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20180717

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20190930

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN WITHDRAWN

18W Application withdrawn

Effective date: 20221115