EP4097536A1 - Vorrichtung, lasersystem und verfahren zur kombination von kohärenten laserstrahlen - Google Patents

Vorrichtung, lasersystem und verfahren zur kombination von kohärenten laserstrahlen

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EP4097536A1
EP4097536A1 EP21701524.7A EP21701524A EP4097536A1 EP 4097536 A1 EP4097536 A1 EP 4097536A1 EP 21701524 A EP21701524 A EP 21701524A EP 4097536 A1 EP4097536 A1 EP 4097536A1
Authority
EP
European Patent Office
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laser beams
coherent
coherent laser
grid
laser beam
Prior art date
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Pending
Application number
EP21701524.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel FLAMM
Andreas Heimes
Maike PROSSOTOWICZ
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Trumpf Laser GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01S3/10007—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers
    • H01S3/10023—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers by functional association of additional optical elements, e.g. filters, gratings, reflectors
    • H01S3/1003—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers by functional association of additional optical elements, e.g. filters, gratings, reflectors tunable optical elements, e.g. acousto-optic filters, tunable gratings

Definitions

  • the invention relates to a device for combining a plurality of coherent laser beams, comprising: a splitting device for splitting an input laser beam into the plurality of coherent laser beams, a plurality of phase setting devices for setting a respective phase of one of the coherent laser beams, and a beam combining device for Combination of the coherent laser beams emanating from a plurality of grid positions of a grid arrangement to form at least one combined laser beam.
  • the invention also relates to a method for combining a plurality of coherent laser beams, in particular by means of such a device.
  • coherent laser beams is understood to mean a temporal coherence of the laser beams with one another.
  • the laser beams can have a reduced degree of spatial coherence, ie the laser beams can be spatially partially coherent, ie they are not necessarily single-mode laser beams.
  • the laser beams can be generated by multimode sources and, for example, a higher-mode Gaussian mode, for example a Laguerre-Gauss mode, a Hermite-Gauss mode or superpositions thereof.
  • the laser beams are preferably both temporally and spatially coherent.
  • a coherent beam combination a plurality of laser beams which emanate from a plurality of grid positions of a grid arrangement are superimposed to form a combined laser beam which has a correspondingly higher power.
  • Such a beam combination can - with almost no loss of beam quality - take place diffractively, reflective, for example via a segment mirror, interferometrically or via polarization coupling.
  • US 20130107343 A1 describes a laser system which has a laser source in the form of a seed laser and an optical amplifier system that generates an amplified laser output.
  • the laser system can have a phase control circuit with a phase modulation functionality for a plurality of optical amplifiers, which comprises a sensor for measuring the total output intensity of the optical amplifiers.
  • the phase control circuit can change a phase or a relative phase relationship between each of the number of optical amplifiers to maximize the total output intensity of the optical amplifiers.
  • the laser system may have a coherent far-field combiner for combining the output of the optical amplifiers, which includes a pair of microlens arrays.
  • a (micro) lens arrangement with a pair of micro lens arrays as a beam combination device for the coherent combination of a plurality of coherent laser beams to form a combined laser beam.
  • DE 102018211 971 A1 and WO 2020/016336 A1 also describe a beam combination device for forming at least one combined laser beam which has a microlens arrangement with at least two microlens arrays.
  • the beam combination with the at least two microlens arrays is based on the principle of an imaging (two-stage) homogenizer.
  • a wide variety of laser application processes e.g. additive manufacturing, marking, as well as welding (both micro and macro) or laser switching processes in laser networks require a fast deflection of a focus position of a laser beam (scanning) and / or the splitting of a laser beam for alignment to several focus positions (beam parts) .
  • high average laser powers in the range of kW
  • high pulse energies in the range of mJ
  • the invention is based on the object of providing a device, a laser system and an associated method for combining coherent laser beams, which make it possible, even at high laser powers, to maintain the beam quality almost completely in the combination and which also make it possible to quickly deflect a combined laser beam and / or a beam division of a combined laser beam with a predetermined division of the input power.
  • this object is achieved by a device of the type mentioned at the outset, in which the beam combination device has a microlens arrangement with precisely one microlens array.
  • the inventors have recognized that when the coherent laser beams are combined in an imaging homogenizer, the (at least) two microlens arrays has, (at least) one microlens array is in focus or in the focal plane of another microlens array. This can lead to burn-in in the microlens array, which leads to a loss of power and makes material processing more difficult at high average laser powers and medium pulse energies. In the worst case, the microlens array that is in the focal plane of the other microlens array can be destroyed.
  • the intensity of the coherent laser beams can be selected appropriately (e.g. homogeneously) at the grid positions. If the number of coherent laser beams is also increased, e.g. to a number of more than ten, a combination efficiency of more than 90% can even be achieved.
  • a microlens arrangement with exactly one microlens array is understood to mean that only the microlenses of a single microlens array effect the beam combination in a respective direction in which the beam combination takes place (e.g. in the X direction or in the Y direction) .
  • a beam combination takes place in two directions (for example in the X direction and in the Y direction)
  • exactly one microlens array can be two within the meaning of this definition have crossed cylinder lens arrays, the microlenses of a respective cylinder lens array only acting in one direction (X-direction or Y-direction).
  • the two cylindrical lens arrays are typically arranged directly adjacent, that is to say they lie (approximately) in a common plane.
  • a single microlens array can be used, which has, for example, square or rectangular microlenses.
  • the splitting device for splitting the input laser beam can be, for example, a conventional 1-to-N coupling device, for example in the form of a single or multiple microlens array, around a fiber splitter, several beam splitter cubes connected in series, polarization beam splitters act as a diffraction grating for beam splitting, etc.
  • the input laser beam can be a seed laser beam generated by a laser source, or the input laser beam can be generated, for example, by splitting and coherent combination of a seed laser beam from a laser source.
  • laser sources for example in the form of fiber oscillators, laser diodes, etc.
  • a laser system which contains the at least one laser source has a control device for controlling the laser diodes or the laser sources in order to generate the coherent laser beams.
  • the laser source (s) can be designed to generate ultrashort pulse laser beams be, ie from coherent laser beams with a pulse duration of less than, for example, 10-12 s.
  • the grid positions of the grid arrangement can be formed along a straight line or a curve (one-dimensional grid arrangement) or along a plane or a curved surface (two-dimensional grid arrangement).
  • the coherent laser beams are separated or spaced apart from one another to such an extent that the desired fill factor is achieved.
  • the grid positions of the grid arrangement can be formed on the end faces of fibers (emission surfaces) or of other emitters at which a respective coherent laser beam is emitted.
  • the fibers more precisely their front sides, are arranged in a grid arrangement and the grid positions correspond to the emission surfaces on the front sides of the fibers.
  • the grid positions or the grid arrangement can, however, also correspond to the near field or the far field of the emission areas, ie the grid positions can be arranged along a curve or an area in space on which the emission areas are imaged or focused, so that the local distribution of the grid positions corresponds to the - possibly scaled - local distribution of the emission areas.
  • the grid arrangement thus forms a curve or a surface in space, along which there is a desired distance between the grid positions or between the coherent laser beams.
  • the desired distance is, for example, in the focal plane of the Fourier lens.
  • the coherent laser beams emanate from a plurality of grid positions which are arranged along a first direction, the coherent laser beams and the microlens array meeting the following condition:
  • N p x 2 / ( ⁇ L f ML ), (1) where N denotes a number of the grid positions arranged along the first direction X, p x denotes a grid spacing of the microlenses of the microlens array in the first direction, ⁇ L denotes the laser wavelength and f ML denotes the focal length of the microlens array.
  • the coherent laser beams and the microlens arrangement typically also meet the following condition:
  • M p Y 2 / ( ⁇ L f ML ), (2) where M denotes a number of the grid positions arranged along the second direction and p Y denotes a grid spacing of the microlenses of a respective microlens array in the second direction.
  • the inventors have recognized that when combined to form the combined laser beam, even with a single-stage homogenizer, the beam quality of a single coherent laser beam is almost completely retained if equation (1) or (2) above is met.
  • equation (1) cannot be adhered to exactly in practice. In the event that equation (1) is deviated from, the beam quality of the superimposed laser beam deteriorates.
  • the above equation (1) is considered to be fulfilled if the right-hand side of equation (1) by not more than 20%, preferably by not more than 10%, in particular by not more than 5% of the (integer) Value N deviates on the left side of equation (1), ie if:
  • ⁇ 0.2 preferably ⁇ 0.1, in particular ⁇ 0.05.
  • Equation (2) ie
  • the grid positions from which the coherent laser beams emanate can be aligned with one another at the respective angular difference ⁇ x and, for example, be arranged equidistantly on an arc of a circle.
  • the coherent laser beams can be focussed, for example, with the aid of individual lenses or a further microlens array, which are arranged in the respective beam path of one of the coherent laser beams, but the provision of such lenses can also be dispensed with.
  • the above condition is considered fulfilled if:
  • the device has coupling optics for coupling the coherent laser beams into the microlens arrangement, the coupling optics having at least one focusing device, in particular at least one focusing lens, for focusing the plurality of coherent laser beams onto the microlens arrangement.
  • coupling optics are used which are arranged between the grid positions from which the coherent laser beams emanate and the microlens array.
  • the coupling optics can have telescopic optics, for example in the form of at least two lenses.
  • the coupling optics are not absolutely necessary, but can be advantageous, for example, when setting up the laser system or the device.
  • the coupling optics can be used to meet the above-mentioned condition of the angular difference ⁇ x or ⁇ y , without the beam exit directions of the coherent laser beams at the grid positions having to be aligned at an angle to one another for this purpose.
  • the use of a focusing lens which is arranged essentially at a distance of its focal length from the microlens arrangement (Fourier lens) has proven to be advantageous for this purpose.
  • the coherent laser beams can strike the focusing lens, aligned essentially parallel to one another, and are focused on the microlens arrangement, more precisely on the microlens array.
  • the focus or the beam diameter of the coherent laser beams striking the one microlens array is significantly larger than the partial foci that would strike the first microlens array if two microlens arrays were used.
  • the beam diameter of the combined laser beam that is formed on the one microlens array can be adjusted via the fill factor of the coherent laser beams at the grid positions and via the grid spacing of the microlenses of the microlens array.
  • the grid positions can be arranged on a line, i.e. the beam exit directions or the Poynting vectors of the coherent laser beams are aligned parallel to one another.
  • the use or the design of the coupling optics and the arrangement of the grid positions depend on the framework conditions, for example on the laser source used. In the event that the grid positions form the end faces of fibers running in parallel, the use of coupling optics is recommended, for example.
  • ⁇ y ⁇ L f FLin / p y
  • p y the grid distance of the microlens array in the second direction Y designated.
  • the grid positions are typically arranged along a common direction or line (for example in the X direction) and possibly also along a common line in the Y direction that is perpendicular to the common direction of beam propagation Laser beams passes.
  • the distance ⁇ x between the laser beams or the raster positions is typically determined by the above condition. The above condition is considered fulfilled if:
  • the grid positions are arranged in the focal plane of the microlens array in the beam path of the coherent laser beams in front of the microlens array.
  • the inventors have recognized that the microlens array acts as a diffraction grating and that in near-field diffraction the brightness distribution of the microlens array is repeated at certain Talbot intervals at which the brightness distribution corresponds exactly to the structure of the diffraction grating itself. This is the case with the microlens array in the object-side focal plane. Therefore, the distance between the grid positions in the focal plane should correspond to the grid spacing of the microlenses of the microlens array.
  • the condition given above regarding the angle ⁇ x , ⁇ y between adjacent coherent laser beams should be observed.
  • the resulting angles ⁇ x , ⁇ y in the present embodiment are negligibly small, since the focal length is comparatively small.
  • the angle ⁇ x , ⁇ y therefore decreases with increasing grid spacing and remains negligible even with a large grid spacing or with larger focal lengths.
  • the coherent laser beams can typically be radiated onto the microlens array in a parallel alignment without the use of coupling optics.
  • the typical order of magnitude of the focal length f ML of the microlens array is less than approx. 70-80 mm and, at the wavelengths typically used, is smaller than the Rayleigh length of the coherent laser beams.
  • the coherent laser beams at the raster positions have a beam diameter 2 ⁇ fMLx in the first direction, which is given by: 2 ⁇ fMLx - ⁇ L f ML / p x , where ⁇ L denotes the laser wavelength.
  • ⁇ L denotes the laser wavelength.
  • the majority of coherent laser beams at the raster positions in the focal plane should reproduce as precisely as possible the diffraction pattern that results when the beam direction is reversed, i.e. in the event that the microlens array is traversed in the opposite direction. This can be achieved, among other things, by the fact that the coherent laser beams meet the above-mentioned condition for the beam diameter 2 ⁇ fMLx.
  • the beam diameter 2 ⁇ fMLx denotes the distance between two points of the intensity or power distribution (usually: Gaussian distribution) in the first direction at which the maximum intensity or the peak power has dropped to 50%, ie the Beam diameter 2 ⁇ fMLx denotes the half width.
  • the beam diameter at the respective grid position is determined essentially by the diameter of the optical fiber, more precisely the diameter of the beam exit surface on the end face of the optical fiber.
  • the beam-shaping device can, for example, have a plurality of (spherical) collimation or focusing lenses, in the focal plane of which the raster arrangement is formed.
  • the intensity of the coherent laser beams at the respective grid position has a comparatively small influence on the Has combination efficiency.
  • the maximum intensities of the coherent laser beams can be the same, as is also the case in the embodiment described above.
  • the coherent laser beams preferably have a respective maximum intensity at the grid positions, the envelope of which corresponds to an intensity distribution of the combined laser beam on the microlens array.
  • the intensity distribution of the combined laser beam on the microlens array is typically a Gaussian distribution, which forms the envelope of the maximum intensities.
  • the coherent laser beams have a fill factor FF X in the first direction, for which the following applies: FF X ⁇ 0.4, preferably FF X ⁇ 0.3. Accordingly, it is favorable if the following applies to the fill factor FF y in the second direction Y: FF y ⁇ 0.4, preferably FF y ⁇ 0.3.
  • the distance ⁇ x or ⁇ y between the grid positions in the X direction or in the Y direction denotes the distance between the centers of the beam profiles of adjacent coherent laser beams. It has been shown that the fill factor FF X or FF y should not be selected too large in the present embodiment, since the fill factor FF X , FF y influences the beam diameter 2 ⁇ MLA x or 2 ⁇ MLA y of the combined laser beam, as explained below.
  • the 1 / e 2 width i.e. the distance between two points at which the peak power has dropped to 1 / e 2 times, ie about 13.5% of the peak power.
  • the diameter 2 ⁇ MLAx of the combined laser beam 12 and thus the illumination of the microlens array 17 decreases with an increasing fill factor FF X in the first direction X.
  • the fill factor FF X , FF y should be smaller, the greater the number of coherent laser beams in the respective direction.
  • the device comprises a control device which is designed or programmed to set a respective phase of one of the coherent laser beams as a function of an arrangement of the respective raster position within the raster arrangement in order to convert the coherent laser beams to at least one in at least one diffraction order to combine the diffracted laser beam.
  • the diffraction order can be the zeroth diffraction order or a diffraction order different from the zeroth diffraction order.
  • the phases can be selected in such a way that a combination in the zeroth order of diffraction is optimized with regard to the beam quality.
  • the phases or the phase differences of the coherent laser beams can also be selected such that the combined laser beam is diffracted into at least one higher order of diffraction in order to undertake a controlled beam deflection or a controlled beam division. In the event that an even number of coherent laser beams are combined, there is no zero order of diffraction, i.e. in this case the combined laser beam is always diffracted in at least one (half-integer) order of diffraction.
  • the phase of a respective coherent laser beam can be set individually depending on the arrangement of the grid position of the grid arrangement assigned to the respective coherent laser beam with the aid of the control device so that the coherent laser beams no longer form a single or single laser beam, but in two or more well-defined bundles or in two or more combined laser beams, which are bent with a defined power distribution or power distribution in different diffraction orders (beam splitting) or in a single laser beam that is divided into one of the zeroth Diffraction order different diffraction order is diffracted (beam deflection).
  • the proposed approach is based on the concept of the Optical Phase Array (OPA), in which a set of absolute phases of the one- or two-dimensional grid arrangement of the coherent laser beams is selected in such a way that there is constructive interference at well-defined diffraction orders.
  • OPA Optical Phase Array
  • the phases of the coherent laser beams to be combined can be selected in such a way that individual combined laser beams, groups of combined laser beams or an entire array of combined laser beams corresponding to a set of diffraction orders emerge in a targeted manner. or can be switched on.
  • a suitable set of (absolute) phases can be selected, for example with the help of an iterative optimization algorithm, in order to switch the diffraction on or off in specific diffraction orders.
  • the iterative optimization algorithm can be a stochastic or randomized algorithm to which, for example, a homogeneous power distribution or intensity distribution is specified as starting values.
  • phase setting devices serve to set the respective phase of the coherent laser beams and can be arranged at any desired location in front of the microlens arrangement at which the coherent laser beams are separated from one another and no longer overlap.
  • phase adjustment devices are necessary because, for example, thermal effects, vibrations or air turbulence lead to optical path length differences in the individual channels.
  • the phase adjustment devices can be modulators in the form of EOMs (electro-optical modulators, e.g.
  • the coherent laser beams are guided in the beam path in front of the grid arrangement in a fiber, a tensile stress can be applied to the fiber for the phase setting, for example by means of piezo actuators, the temperature of the fiber can be influenced, etc.
  • the control device can be implemented as hardware and / or software, e.g. in the form of a micro-controller, an FPGA, an ASIC, etc. Signals to act. Since the addition of a phase factor which is identical for all coherent laser beams does not change the result of the coherent beam combination, a number of N-1 phase adjusting devices is sufficient for a number of N coherent laser beams to be combined in one direction.
  • the coherent laser beams generated in the laser source (s) can be guided to the grid arrangement with the aid of a plurality of beam guiding devices, for example in the form of fibers.
  • the individual beam guidance of the laser beams makes it possible to act on them individually in order to set the relative phases appropriately with the aid of the phase setting device.
  • the beam guiding devices can have a corresponding number of amplifiers or amplifier chains, for example in the form of fiber amplifiers, in order to amplify the laser beams before they are emitted at the raster positions in the direction of the microlens array.
  • the phase adjusting devices can be arranged in the beam path in front of the beam guiding devices or after the beam guiding devices and / or act on the beam guiding devices, for example in the form of the fibers.
  • the coherent laser beams can reach the grid arrangement in free beam propagation, which can be located, for example, in a focal plane of a Fourier lens or at another location where the coherent laser beams are sufficiently far apart.
  • the coherent laser beams - if necessary after suitable deflection - have the desired fill factor, ie a desired ratio between the extent or the beam diameter of the respective laser beams in a respective spatial direction and the distance between the Centers of neighboring laser beams, as described above.
  • control device is designed to set a respective basic phase of one of the coherent laser beams, in which the beam combination device combines the coherent laser beams into a laser beam diffracted into exactly one order of diffraction.
  • the basic phase exactly one combined laser beam is generated, which is diffracted into the zeroth diffraction order (if present) or into a diffraction order different from the zeroth, in order to deflect the combined laser beam.
  • the diffraction order B k, x assumes integer values. In the event that an even number N of coherent laser beams is combined, the diffraction order B k, x assumes half-integer values.
  • the splitting device for splitting an input laser beam into the plurality of coherent laser beams is designed as a further microlens arrangement with at least two further microlens arrays, and the control device is designed to combine the coherent laser beams into the precisely one into which exactly one diffraction order B k, x in the first direction and preferably in the exactly one diffraction order B j, y in the second direction diffracted combined laser beam to set twice the basic phases.
  • control device is designed to set the respective phase of one of the coherent laser beams, which is composed of the respective basic phase and an additional phase.
  • the additional phase enables the combined laser beam to be divided into two or more diffraction orders or a rapid change in the diffraction order into which the combined laser beam is diffracted.
  • the basic phases are preferably selected such that the beam combination device combines the coherent laser beams - without the additional phase - into the zeroth diffraction order. It is assumed below that the basic phases are selected in such a way that the basic phases combine the laser beam into the zeroth diffraction order.
  • the grid positions are arranged at equal distances from one another (equidistant) in the first direction.
  • the grid positions can be arranged on a line which extends along the first direction, ie the beam exit directions or the Poynting vectors of the coherent ones Laser beams are aligned parallel to each other.
  • the grid positions can also be arranged at equal distances from one another, for example on an arc of a circle which extends in or along the first direction.
  • the above conditions are considered to be met if the right-hand side is not more than 20%, preferably not more than 10%, in particular not more than 5% of the value ⁇ a or ⁇ a, b on the deviates on the left side, ie if:
  • the additional phase ⁇ a, b is set at an a-th raster position in the first direction, which at the same time forms a b-th raster position in the second direction.
  • the formula given above results for the additional phase ⁇ a.
  • a plurality of N x M laser beams are combined two-dimensionally to form one or more laser beams.
  • the grid or the grid arrangement with the grid positions can extend in a plane (e.g. XY plane) or on a curved surface, e.g. on a spherical shell.
  • the laser beams emanating from the raster positions are typically aligned in parallel in the first case and in the second case can be aligned, for example, in the direction of the center point of the spherical socket on which the microlens array is arranged.
  • the periodicity of the grid with the grid positions specifies the grid spacing of the microlenses in two different, for example perpendicular directions (X, Y).
  • a 2-dimensional microlens array can be used, the grid spacings p x , p Y of which may differ in the two mutually perpendicular directions X, Y depending on the periodicity of the grid.
  • the microlenses of the 2-dimensional microlens array accordingly have a possibly different curvature in the X direction or in the Y direction, ie they are not cylindrical lenses.
  • a 2-dimensional microlens array by combining two 1-dimensional microlens sub-arrays with cylindrical lenses, the cylindrical lenses of the 1- dimensional microlens subarrays are aligned perpendicular to one another and arranged in the same plane, ie in this case too the microlens arrangement has only a single microlens array and acts as a non-imaging homogenizer.
  • the relationship between the 2-dimensional grid with the grid positions and the 2-dimensional microlens array is analogous to the relationship between the Bravais grid and the reciprocal grid.
  • the arrangement of the grid positions can also correspond to a closest packing, i.e. a hexagonal grid.
  • the microlenses of the microlens array are also arranged in a hexagonal arrangement in this case.
  • control device is designed to vary the respective phase of one of the coherent laser beams as a function of an arrangement of the respective raster position within the raster arrangement in order to change an order of diffraction into which the at least one combined laser beam is diffracted.
  • the device can serve as a scanner device or as a beam-shaping unit.
  • the scanning process can be carried out with a laser beam diffracted into a single diffraction order, but it is also possible with a laser beam divided into two or more diffraction orders (maximum ⁇ (N-1) / 2 diffraction orders), i.e. with two or more combined laser beams, realize a discrete scanning process.
  • the control device can be used to set the phase relationship or the phase of a respective coherent laser beam which is required for diffraction or for splitting the combined laser beam into at least two different diffraction orders.
  • the power distribution can be changed to the different diffraction orders into which the at least two combined laser beams are diffracted.
  • a discrete scanning process with a number of combined laser beams can be carried out, with the scanning field between the - ((N-1) / 2). Diffraction order and the (N-1) / 2. Diffraction order and N denotes the number of coherent laser beams (in the respective scan direction).
  • the control device can set or vary the respective phase of the coherent laser beams as a function of a parameter table stored in a memory device in order to move the at least one combined laser beam along a predetermined (discrete) movement path.
  • the respective phases to be set can also be specified to the control device externally, for example by a user, or the phases to be set can be specified or varied as a function of at least one measured variable that is measured, for example, with the aid of a sensor arrangement Regulation of the phases to a respective target value take place.
  • a sensor array or possibly a spatially resolving sensor for phase detection use it is usually necessary to add a sensor array or possibly a spatially resolving sensor for phase detection use.
  • the (at least one) combined laser beam no longer propagates along the optical axis, but offset parallel to the optical axis.
  • the amount of parallel offset of the combined laser beam depends on the higher order of diffraction ( ⁇ 1, ⁇ 2; ⁇ 0.5, ⁇ 1, 5 etc.) into which it is diffracted.
  • the grid positions are arranged in a two-dimensional grid arrangement, the (at least one) combined laser beam can be offset in this way in two directions, typically perpendicular to one another, parallel to the optical axis, namely within a further grid arrangement, which is the raster arrangement which corresponds to coherent laser beams.
  • control device is designed to change the respective additional phase of the coherent laser beams to change a first diffraction order into which a first combined laser beam is diffracted, and / or to vary a second diffraction order into which a second combined laser beam is diffracted.
  • the coherent laser beams are combined by the beam combining device to form at least two diffracted laser beams.
  • the respective (additional) phases of the combined laser beams are suitably selected, for which an iterative, e.g.
  • stochastic optimization algorithm can be used to selectively determine the ( ⁇ (N-1) / 2nd or zeroth) diffraction order of the first combined To vary or adjust the laser beam and the ( ⁇ (N-1) / 2-th or 0-th) diffraction order of the second combined laser beam. It goes without saying that a variable beam division is not limited to two combined laser beams, but can also be carried out with more than two combined laser beams.
  • control device is designed to set a respective additional phase of the coherent laser beams to generate a predetermined, in particular different, power of the at least two combined laser beams diffracted into different diffraction orders.
  • control device can be designed to vary the respective additional phase of one of the coherent laser beams depending on an arrangement of the respective raster position of the coherent laser beam within the raster arrangement in order to change the predetermined, in particular different, power or the power distribution over time.
  • the input power can be distributed equally to the respective combined laser beams, but it is also possible to undertake a predetermined, different division of the input power to the at least two laser beams combined in different diffraction orders and to vary this division over time, if necessary.
  • the combined laser beam diffracted in the first direction can divide the input power p to the 0th or ⁇ 1.
  • Diffraction order diffracted combined laser beam generated.
  • ⁇ a ⁇ C (2 ⁇ / N) (a - (N + 1) / 2), where for a positive sign in the above equation, a proportion of the input power p in the -1. Diffraction order is diffracted and where for a negative sign in the above equation, a proportion of the input power in the +1. Diffraction order is diffracted.
  • the above equation can be generalized to the two-dimensional case analogously to the equations given above for the additional phase ⁇ a , whereby the following formula results for the additional phase ⁇ a, b:
  • ⁇ ab, ⁇ C (2 ⁇ / N) (a - (N + 1) / 2) ⁇ C (2 ⁇ / M) (b- (M + 1) / 2).
  • the factor C can be chosen to be constant or changed as a function of time.
  • the device can be operated in the form of an acousto-optical or electro-mechanical component in the form of deflectors or modulators.
  • the above formulas for the additional phase generally apply in the event that the input power is to be divided between two immediately adjacent diffraction orders.
  • the basic phase is set in such a way that the coherent laser beams are diffracted into the +1. Diffraction order occurs, the input power is divided between the +1. Diffraction order and the +2. Diffraction order.
  • the division can be implemented, for example, in the form of a (linear) power ramp in which a first combined laser beam with a maximum power P k.max is diffracted into the k-th diffraction order and in which the remaining M-1 combined laser beams are diffracted into the remaining M-1 diffraction orders with a power reduced in relation to the maximum power p k.max.
  • a / MP k.max 1, ..., M.
  • a laser system comprising: a seed laser source for generating a seed laser beam, and a device as described above for combining the plurality of coherent laser beams, the seed laser beam preferably forming the input laser beam of the device .
  • the seed laser source is preferably designed to supply the seed laser beam with a spectral bandwidth of less than 100 nm, particularly preferably less than 50 nm, in particular less than 10 nm and preferably with a spatial basic mode (single-mode laser beam) respectively.
  • the seed laser beam can be fed to the device directly or via suitable beam-guiding optical elements.
  • the seed laser beam can be amplified in at least one optical amplifier before entering the device described above. In this case in particular, the provision of amplifiers, e.g. in the form of amplifier fibers, for amplifying the individual coherent laser beams in the device can possibly be completely dispensed with.
  • the input laser beam itself is a combined laser beam, as is described in more detail below.
  • the laser system additionally comprises a further device for combining a plurality of further coherent laser beams, comprising: a further splitting device for splitting the seed laser beam or the (further) input laser beam to the plurality of further coherent laser beams, a plurality of further phase adjustment devices for setting a respective phase of one of the further coherent laser beams, as well as a further beam combination device for combining the further coherent laser beams, which from a plurality proceed from further grid positions of a further grid arrangement, the further beam combination device having a further microlens arrangement with at least one further microlens array, as well as a further control device which is used to set the respective phase of one of the further coherent laser beams depending on an arrangement of the respective further raster -Position is designed within the further grid arrangement in order to combine the coherent further laser beams into exactly one laser beam diffracted in exactly one diffraction order, which is the input laser beam dividing device forms the device.
  • a further splitting device for splitting the seed laser beam or the (further)
  • the further microlens arrangement also has precisely one microlens array, but this is not absolutely necessary.
  • the power of the coherent laser beams in further devices can be so low that the use of two (or more) microlens arrays is also possible.
  • the further control device of the further device is designed or programmed to combine the further coherent laser beams into a laser beam diffracted into the zeroth diffraction order or into a laser beam diffracted from the zeroth diffraction order by using the basic principles described above in connection with the device. Phases can be set.
  • a further device for combining a plurality of further coherent laser beams is used to generate the input laser beam for the device described above.
  • the further device forms an amplified, combined further laser beam from the seed laser beam, which forms the input laser beam of the device.
  • the provision of amplifiers within the Device, in particular in the beam path after the splitting device may be completely dispensed with. Since an amplified input laser beam is coupled into the device, an active phase setting or phase control in the device can be dispensed with, so that the deflection of the at least one combined laser beam in the device is not caused by a phase control is slowed down.
  • An active stabilization of the phase settings by means of a control loop provided in the further device for combining the further coherent laser beams is simplified in this case, since stabilization only has to be carried out to the zeroth diffraction order.
  • Another aspect of the invention relates to a method for combining a plurality of coherent laser beams, in particular by means of the device described above, the method comprising: coupling in the plurality of coherent laser beams, which emanate from a plurality of grid positions arranged in a grid arrangement, in a microlens array that has precisely one microlens array, and combining the coherent laser beams in the microlens array to form at least one combined laser beam.
  • the coherent combination of the laser beams with sufficient combination efficiency can also be achieved with the aid of a single microlens array if the parameters are selected appropriately, as described above in connection with the device.
  • the method comprises: setting a respective phase of one of the coherent laser beams as a function of an arrangement of the respective raster position in the raster arrangement for combining the coherent laser beams into at least one laser beam diffracted in at least one order of diffraction, the method preferably comprising: varying the respective phase of the coherent laser beams as a function of an arrangement of the respective raster position within the raster arrangement in order to change an order of diffraction into which the at least one combined laser beam is diffracted.
  • the basic phases or phase differences between the coherent laser beams for a combination optimized in terms of beam quality in the zeroth or in a higher order of diffraction can be deviated from in order to undertake a controlled, rapid beam deflection or a controlled beam splitting.
  • a beam deflection or beam splitting with suitably selected additional phases of the individual coherent laser beams a negligible loss of efficiency results for the respective order of diffraction.
  • the additional phases of the individual coherent laser beams can in particular satisfy the equations for ⁇ a and for ⁇ a, b given above in connection with the laser system or with the device.
  • the basic phases ⁇ a and ⁇ a, b typically also satisfy the equations described above in connection with the device.
  • the method comprises: Varying the respective additional phases of the coherent laser beams to change a first diffraction order into which a first combined laser beam is diffracted and / or to change a second diffraction order into which a second combined laser beam is diffracted starting from a respective basic phase in which the beam combining device combines the coherent laser beams into a single laser beam diffracted into exactly one order of diffraction.
  • a highly dynamic beam splitting can be realized by varying the phases, in which two, three or possibly more (maximum N or N x M) combined laser beams are generated and / or the position or the alignment of maximum N-1 or a maximum of (N-1) x (M -1) combined laser beams can be changed. It goes without saying that the scanning process described above in connection with a single combined laser beam can also be combined with the division into two or more combined laser beams.
  • the method comprises: setting a respective additional phase of the coherent laser beams to generate a predetermined, in particular different power of the at least two combined laser beams diffracted in different diffraction orders starting from a respective basic phase in which the beam combination device combines the coherent laser beams into a single laser beam diffracted in exactly one diffraction order.
  • the input power can be distributed equally between the two or more combined laser beams, but it is also possible to deviate in a targeted manner from an even distribution between the plurality of combined laser beams.
  • 1a-c a schematic representation of a laser system with a device for combining a plurality of coherent laser beams which are amplified in a plurality of amplifier fibers
  • 1b shows a schematic representation of a laser system analogous to FIG. 1a, in which an amplified seed laser beam is fed to the device
  • 1c shows a schematic representation of a laser system analogous to FIG. 1b with a further device for combining coherent laser beams, which is used to amplify the seed laser beam
  • FIGS. 1a-c shows an illustration of a beam combination device of the laser system of FIGS. 1a-c, which comprises coupling optics and a microlens arrangement with a single microlens array
  • FIGS. 1a-c shows a representation of a beam combination device of the laser system of FIGS. 1a-c, which comprises a microlens arrangement with a microlens array without coupling optics
  • FIG. 3 shows a representation of the intensities of the coherent laser beams and of the combined laser beam in the beam combination device of FIG. 2b
  • FIG. 7 shows a representation of a two-dimensional arrangement of 5 ⁇ 5 coherent laser beams with an additional phase assigned in each case for generating a single or several diffracted laser beams
  • 8 shows an illustration of the far field of the beam combination device in which the phases are selected such that the combined laser beam is diffracted into exactly one diffraction order
  • FIG. 9 shows a representation of the far field of the beam combining device in which the phases are selected such that two combined laser beams are diffracted into two different diffraction orders.
  • FIG. 1a shows an exemplary structure of a laser system 1 which has a laser source 2 for generating a seed laser beam 2a.
  • the laser source 2 has a mode-locked fiber master oscillator which generates the seed laser beam 2a with a laser wavelength ⁇ L.
  • the seed laser beam 2a of the laser source 2 is fed as an input laser beam 9 to a device 5 for combining a number N of coherent laser beams 3.1, 3.2,..., 3.N.
  • the device 5 has a conventional 1-to-N splitting device 4, for example in the form of a fiber splitter, in order to divide the input laser beam 9, which corresponds to the seed laser beam 2a, into the number N of coherent laser beams 3.1,. .. to divide 3rd N.
  • the phase adjusting devices 6.1,..., 6.N can be used, for example, as electro-optical modulators or deflectors, e.g. Piezo mirrors, etc. be formed.
  • the coherent laser beams 3.1, ..., 3.N pass through a corresponding number N of amplifier fibers 7.1, ..., 7.N in order to generate the coherent laser beams 3.1 , ..., 3.N to reinforce.
  • the front sides the amplifier fibers 7.1, ... 7.N serve as emission surfaces or form them
  • phase adjustment devices 6.1, ..., 6.N can also be arranged behind the amplifier fibers 7.1, ..., 7.N or act directly on the amplifier fibers 7.1, ..., 7.N, for example by creating an adjustable mechanical tension on the amplifier fibers 7.1, ..., 7.N.
  • the coherent laser beams 3.1,. ., 3.N for the formation of a combined laser beam 12 or of several combined laser beams 12a, b (the latter is not shown in Fig. 1a).
  • a portion 12c of the combined laser beam 12 is decoupled via a decoupling device in the form of a partially transmissive mirror 13 and strikes a spatially resolving detector 14, for example in the form of a sensor array or a camera.
  • the detector 14 is in signal connection with a control device 15 of the laser system 1, which controls the phase adjustment devices 6.1, ..., 6.N in order to determine the individual phases ⁇ a + ⁇ a of the laser beams 3.1, ..., 3. N as a function of the properties of the detected portion 12a of the combined laser beam 12.
  • the control device 15 can in particular regulate the phase adjustment devices 6.1, ..., 6.N for generating desired (target) phases ⁇ a + ⁇ a of the laser beams 3.1, ..., 3. N as a function of the properties of the detected portion 12a of the combined laser beam 12.
  • the number N of phase adjustment devices 6.1, ..., 6.N corresponds to the plurality N of laser beams 3.1, ..., 3.N, there is generally a number of N ⁇ 1 phase adjustment devices 6.1 , ..., 6.N-1 sufficient.
  • Fig. 1b shows a laser system 1 which differs from the laser system 1 shown in Fig. 1a essentially in that the coherent laser beams 3.1, ..., 3.N in the device 5 are not with the aid of a plurality of amplifier fibers 7.1, ..., 7.N. or amplified with the help of other optical amplifiers.
  • the seed laser beam 2 a is instead amplified in an amplifier fiber 7.
  • the amplified seed laser beam 2a is fed to the device 5 as an input laser beam 9.
  • the device 5 of FIG. 1b is designed analogously to the device 5 shown in FIG. 1a.
  • the splitting device 4 can be designed in different ways, for example as a beam splitter, e.g.
  • microlens arrays in the form of several beam splitter cubes connected in series, as a polarization beam splitter, as a segment mirror or as a microlens arrangement with (at least) two microlens arrays.
  • the use of two microlens arrays for beam splitting is also possible at higher powers if the system parameters are selected appropriately (small form factor, large grid spacing) so that the second microlens array is not arranged in the focal plane of the first microlens array.
  • the grid positions 8.1, ..., 8. N of the coherent laser beams 3.1, ..., 3. N are not at the end faces of the amplifier fibers 7.1, ..., 7. N, but these are located in a focal plane of a second microlens array in the beam path of the splitting device 4, ie in the far field or in the focal plane of the second microlens array of the splitting device 4.
  • N of the coherent laser beams 3.1, ..., 3.N in the focal plane form a grid arrangement 16 in which adjacent grid positions 8.1, ..., 8.N have the same distance from one another, ie are arranged equidistantly.
  • the phase adjusting devices 6.1, ..., 6.N are in that shown in Fig. 1b
  • the control device 15 can be, for example, electro-optical or acousto-optical modulators or deflectors.
  • the control device 15 also serves to control the phase adjustment devices 6.1,..., 6.N.
  • the active regulation of the phases ⁇ a + ⁇ a of the laser beams 3.1,. ..., 3.N can be dispensed with, ie the control device 15 can set the (static) setpoint phases ⁇ a + ⁇ a on the phase adjustment devices 6.1, ..., 6.N without the need for readjustment. Because the active phase adjustment or regulation is not required, the device 5 can deflect the combined laser beam (s) 12, 12a, b more quickly than is the case with the device 5 shown in FIG. 1a.
  • FIG. 1 c shows a laser system 1 which is designed as in FIG. 1 b, the laser system 1 from FIG. 1 c having a further device 5 instead of the amplifier 7 shown in FIG. 1 b for amplifying the seed laser beam 2a 'for combining a plurality N of further laser beams 3.1', ..., 3.N ', which is designed analogously to the device 5 shown in FIG. 1a.
  • the seed laser beam 2a is fed to the further device 5 'as an input laser beam 9' and is divided into a number N of further coherent laser beams 3.1 ', ..., 3.N' by means of a further 1-to-N splitting device 4 '. divided up.
  • the control device 15 'of the further device 5' shown in FIG. 1c is designed or programmed, the individual (basic) phases ⁇ a of the further coherent laser beams 3.1 ',..., 3. N' as a function of an arrangement of the to set the further raster position 8.1 ', ..., 8.N' assigned to the respective further laser beam 3.1 ', ..., 3.N' so that the coherent further laser beams 3.1 ', ...,
  • the combined laser beam 12 ' forms the input laser beam 9 for the device 5 for combining the coherent laser beams 3.1, ..., 3.N, which is designed as shown in FIG. 1b.
  • the amplification of the input laser beam 9 in the device 5 can be dispensed with.
  • the laser systems 1 shown in Fig. 1a-c are suitable for high average laser powers in the order of kW and high pulse energies in the order of mJ, since the beam combination device 10 and the microlens arrangement 11 each have only one microlens array 17, 17 ' .
  • the beam combination device 10 has a microlens arrangement 11 with exactly one microlens array 17 and a coupling optics 18.
  • Five phase adjustment devices not shown in Fig. 2a serve to adjust the phases ⁇ 1 + ⁇ 1 , ..., ⁇ 5 + ⁇ 5 of the five laser beams 3.1, ..., 3.5 such that in combination with the coupling optics 18 forms a phase front on the microlens array 11, which enables a coherent combination of the laser beams 3.1,..., 3.5 to form the combined laser beam 12 while maintaining the beam quality as completely as possible.
  • the grid positions 8.1,..., 8.5 are arranged along a line in the X direction and the laser beams 3.1,.
  • the coupling optics 18 have a focusing device in the form of a focusing lens 19, more precisely a cylindrical lens, which the laser beams 3.1, ..., 3.5 onto the microlens array 11, more precisely onto the microlens array 17 the microlens array 11, focused.
  • the grid positions 8.1, ..., 8.5 can also be arranged in a one-dimensional grid arrangement 16 on a circular arc extending in the X direction.
  • N p x 2 / ( ⁇ L f ML ) (1)
  • f ML denotes the focal length of the microlens array 17. Equation (1) should be adhered to as precisely as possible, since deviations lead to a deterioration in the beam quality of the combined laser beam 12.
  • the laser beams 3.1, ..., 3.5 that emanate from the grid positions 8.1, ..., 8.5 are single-mode beams in the example shown, ie they each have a Gaussian profile.
  • the laser beams 3.1,..., 3.5 can have a different beam profile with a possibly reduced degree of spatial coherence, for example a donought-shaped beam profile or a top-hat beam profile.
  • the beam diameter, more precisely the half-width of the Gaussian beam profile of the coherent laser beams 3.1,..., 3.5 in the example shown is denoted by 2 ⁇ FLMLx in FIG. 2a.
  • the beam combination device 10 shown in FIG. 2b differs from the beam combination device 10 shown in FIG. 2a in that there is no coupling optics 18, in particular no Fourier lens 19.
  • the grid arrangement 16 with the grid positions 8.1,..., 8.5 arranged at equidistant intervals ⁇ x are shown in FIG. 2b
  • the beam combining device 10 shown in FIG. 2b the raster positions
  • the focal length f ML of the microlens array 17 is typically less than approx. 70-80 mm and is smaller than the Rayleigh length of the laser beams 3.1, ..., 3.5, so that the condition on the angular difference ⁇ x between adjacent coherent Laser beams 3.1, ..., 3.5 do not have to be complied with.
  • the coherent laser beams 3.1,..., 3.5 can be radiated onto the microlens array 17 in the beam combination device 10 shown in FIG.
  • the divergence of the laser beams 3.1, ..., 3.5 at the grid positions 8.1, ..., 8.5, which can correspond, for example, to the end faces of amplifier fibers as emission surfaces, of which a respective laser beam 3.1, ..., 3.5 starts, has a negligible influence on the combination efficiency due to the small distance f ML to the microlens array 17.
  • the beam profile of the laser beams can be adjusted with the aid of a suitable beam shaping device
  • 3.1 lie in the focal plane of a plurality of (for example spherical) focusing lenses.
  • the intensity of the coherent laser beams 3.1,..., 3.5 can be chosen to be identical, as is typically the case with the beam shaping device 10 described in FIG. 2a. However, it is also possible or advantageous if the maximum intensities of the coherent laser beams 3.1, ..., 3.5 in the beam shaping device 10 shown in FIG.
  • the fill factor FF X in the first direction X FF X ⁇ 0.4, preferably FF X ⁇ 0.3.
  • the fill factor FF X should be lower, the greater the number N of combined coherent laser beams 3.1,..., 3.5.
  • the coherent laser beams are also combined in a second direction Y (see below), the following should apply to the fill factor FF y in the second direction Y: FF y ⁇ 0.4, preferably FF y ⁇
  • the basic phase ⁇ a differs for each individual coherent laser beam 3.1, 3.5 and is therefore set with the aid of the phase adjustment devices 6.1, ..., 6.N and not with the aid of one or more optical elements of the coupling optics 18, even if this would also be possible in principle.
  • the combined laser beam 12 can be specifically bent into the zeroth diffraction order B 0, x , in which the laser beam 12 propagates along the Z direction, as shown in FIGS. 2a, b is shown.
  • B k, x as an odd or even number different from zero
  • the combined laser beam 12 can be diffracted into the corresponding diffraction order B k, x (in the X direction) different from the zeroth diffraction order, in which the laser beam 12 under a Propagated angle to the Z direction.
  • the combined laser beam 12 diffracted into the zeroth or a higher order of diffraction B k, x is, in the example shown in FIGS 17 is arranged, imaged in a further grid arrangement 16 ′ in an image-side focal plane of the further Fourier lens 21.
  • ⁇ x ' ⁇ x f FLout / f FLin .
  • N denotes the number of grid positions 8.1, ..., 8.
  • N and B k, x an integer or half-integer number for which applies:
  • the respective additional phase ⁇ a is added to the basic phase ⁇ a given above for the coherent superposition in the zeroth diffraction order B 0, x .
  • the diffraction order B k, x it has proven to be advantageous, starting from the basic phase ⁇ a for diffraction into the zeroth diffraction order B 0, x for the diffraction in (at least) a higher diffraction order B k, x to use the additional phase ⁇ a and not to set the basic phase ⁇ a accordingly, ie for diffraction in a higher diffraction order B k, x .
  • a respective individual additional phase ⁇ 1 , ..., ⁇ 5 is indicated for the five laser beams 3.1, ..., 3.5, which the diffraction of the combined laser beam 12 in the -1.
  • Diffraction order B -1, x causes.
  • the associated far field (angular distribution) generated by means of the beam combination device 10 is shown in FIG. 5a.
  • phase adjusting devices 8.1, ..., 8.5 are controlled with the aid of the control device 15 so that they are for the a-th coherent laser beam 3.1, ..., 3.N generate the correct additional phase ⁇ a in each case.
  • Diffraction order B + 2 are moved, x in the X direction, by instead of in Fig. 3a additional phases shown ⁇ 1, ..., ⁇ 5 shown in Fig 3b. Additional phases shown ⁇ 1, ..., ⁇ 5 can be set.
  • the angular distribution is converted into a local distribution.
  • an adjustable beam offset of the combined laser beam 12 can be generated, that is, the laser beam 12 can be offset at a desired distance in the X direction from the optical axis, depending on the diffraction order B k, x, which is in the Z direction in the center of the Beam combination device 10 runs.
  • the combined laser beam 12 can in particular be focused at a (varying) focus position in a focal plane, as is shown in FIGS. 2a, b by way of example for the focal plane of the further Fourier lens 21.
  • Fig. 5b shows the far field of the beam combining means 10 in which the five coherent laser beams 3.1, ..., 3.5 to a first, to a first order diffraction B -1, x, 1 diffracted beam 12a and a second, in a second diffraction order B 0 , x , 2 diffracted laser beam 12b are combined.
  • the additional phases ⁇ 1 , ..., ⁇ 5 of the coherent laser beams 3.1, ..., 3.5 are also suitably set.
  • an iterative optimization algorithm can be applied, which takes place in the control device 15 or which has already been carried out beforehand.
  • the phases suitable for a specific machining process for example a laser cutting process, a laser welding process, a laser marking process, additive manufacturing, etc. are in the form of data records or tables in the Control device 15 itself or stored in an electronic memory connected to it or these are specified by an operator.
  • the additional phases ⁇ 1 ,..., ⁇ 5 are selected such that a first laser beam 12a as in FIG. 5a enters the -1.
  • Diffraction order B -1, x, 1 is diffracted and, in addition, a second laser beam 12b is diffracted into the zeroth diffraction order B 0 .
  • the intensity or the power of the first and second laser beams 12a, 12b can be the same in the examples shown, ie the power generated by the seed laser source is distributed equally to both laser beams 12a, b.
  • the input power p which is coupled into the beam combination device 10
  • the input power p is applied in equal parts (50:50) to the laser beam 12b and on the in the -1.
  • ⁇ a C (2 ⁇ / N) (a - (N + 1) / 2).
  • the division factor C can be selected to be constant by the control device 15 or changed as a function of time. In the latter case, the device 5 can be operated in the manner of an (acousto-optical or electro-optical) modulator or deflector.
  • the allocation example in the form of a can be realized (for example linear) power ramp, wherein a first combined laser beam with a maximum power P in the k.max k-th diffraction order is diffracted and in which the remaining M ⁇ 1 combined laser beams are diffracted into the remaining M ⁇ 1 diffraction orders with a power reduced in relation to the maximum power p k, max.
  • proportions of 100% result. , 80%, 60%, 40% and 20% of the maximum power P k, max .
  • the coherent laser beams 3.1, ..., 3.5 can be combined in two or more than two laser beams 12a, 12b, ..., which - with equally distributed power or different power - be diffracted into corresponding diffraction orders B k, x, 1 , B k, x, 2 , ...
  • the coupling optics 18 in the optical arrangement of FIG. 6a only have a focusing device in the form of a focusing lens 19, which is shown as a square in FIG. 6a.
  • the microlenses 20 of the microlens array 17 of the microlens arrangement 11 are in a corresponding, rectangular shape Arranged grid arrangement and aligned parallel to the XY plane.
  • the microlenses 20 are square lenses which act like cylindrical lenses in both directions X, Y.
  • ..., 8.NM also arranged in a grid arrangement 16 or in an array, which, however, runs along a curved surface, more precisely along a spherical shell, with the beam propagation directions of the laser beams 3.1.1, ..., 3.NM are aligned perpendicular to the spherical shell and the microlens arrangement 11 is arranged in the vicinity of the center point of the spherical shell.
  • An arrangement of the grid positions 8.1.1, ..., 8.N.M in a grid arrangement 16 which runs along another curved surface, for example along an ellipsoid, is also possible. In this case, coupling optics 18 can be dispensed with.
  • FIG. 6c shows an optical arrangement analogous to FIG. 6a, in which the two-dimensional microlens array 17 of the microlens arrangement 11 is replaced by two one-dimensional partial microlens arrays 22a, 22b.
  • the sub-microlens arrays 22a, 22b each have a plurality of microlenses 20a, b in the form of cylindrical lenses, the microlenses 20a of the first sub-microlens array 22a and the microlenses 20b of the second sub-microlens array 22b perpendicular to one another , in the X-direction and in the Y-direction, respectively.
  • the two one-dimensional partial microlens arrays 22a, b can be arranged directly adjacent to one another in a common plane and correspond to the case shown in FIG. 6a.
  • the two-dimensional combination of the coherent laser beams 8.1.1, ..., 8.NM is also possible analogously in the beam combination device 10 shown in FIG or square grid arrangement 16 is arranged at a distance of the focal length f ML in front of the microlens array 17 and the coherent laser beams 3.1.1,.
  • the grid spacing x p, Y p of the microlenses 20a , b differ from one another in the two mutually perpendicular directions X, Y.
  • ⁇ a, b - ((2 ⁇ / N) (a - (N + 1) / 2) B k, x + (2 ⁇ / M) (b - (M + 1) / 2) B j, y ) (3)
  • M denotes a number of the grid positions in the second direction Y and B j, y denotes an integer or half-integer number for which the following applies:.
  • the respective additional phases ⁇ a, b are set with the aid of an iterative, stochastic optimization algorithm in order to achieve the first, in a first diffraction order B -2, x, 1 (X-direction), B +1, y, 1 (Y-direction) diffracted laser beam 12a and the second laser beam 12b diffracted into the second diffraction order B +1, x, 2 (X-direction), B -1, y, 2 (Y-direction) to create.
  • the number and arrangement of the diffraction orders is B k, x, 1 , B k, y, 1 ; B k, x, 2 , B k, y, 2 , ... diffracted laser beams 12a, 12b,
  • a (discrete) one- or two-dimensional scanning process or a targeted beam deflection and / or a targeted division of the combined laser beam 12 into two or more laser beams 12a, 12b can be achieved.
  • the combined laser beam (s) 12, 12a, b can be imaged or focused on (varying) focus position (s) in a focal plane with the aid of additional optics, for example the Fourier lens 19 shown in FIGS. 2a, b.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (5) zur Kombination einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (3.1,..., 3.N), umfassend: eine Aufteilungseinrichtung (4) zur Aufteilung eines Eingangs-Laserstrahls (9) auf die Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (3.1,..., 3.N), eine Mehrzahl von Phasen-Einstelleinrichtungen (6.1,..., 6.N) zur Einstellung einer jeweiligen Phase (δφa + Δφa) eines der kohärenten Laserstrahlen (3.1,..., 3.N;), sowie eine Strahlkombinationseinrichtung (10) zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen (3.1,..., 3.N), die von einer Mehrzahl von Raster-Positionen (8.1,..., 8.N) einer Rasteranordnung (16) ausgehen, zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl (12). Die Strahlkombinationseinrichtung (10) weist eine Mikrolinsenanordnung (11) mit genau einem Mikrolinsen-Array (17) zur Bildung des mindestens einen kombinierten Laserstrahls (12) auf. Die Erfindung betrifft auch ein Lasersystem (1), umfassend: eine Seed-Laserquelle zur Erzeugung eine Seed-Laserstrahls (2a) sowie eine Vorrichtung (5) wie weiter oben beschrieben sowie ein zugehöriges Verfahren zum Kombinieren einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (3.1,..., 3.N).

Description

Vorrichtung, Lasersystem und Verfahren zur Kombination von kohärenten
Laserstrahlen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kombination einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen, umfassend: eine Aufteilungseinrichtung zur Aufteilung eines Eingangs-Laserstrahls auf die Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen, eine Mehrzahl von Phasen-Einstelleinrichtungen zur Einstellung einer jeweiligen Phase eines der kohärenten Laserstrahlen, sowie eine Strahlkombinationseinrichtung zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen, die von einer Mehrzahl von Raster- Positionen einer Rasteranordnung ausgehen, zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Kombinieren einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen, insbesondere mittels einer solchen Vorrichtung.
Unter „kohärenten Laserstrahlen“ wird im Sinne dieser Anmeldung eine zeitliche Kohärenz der Laserstrahlen zueinander verstanden. Im Allgemeinen können die Laserstrahlen einen verminderten Grad an räumlicher Kohärenz aufweisen, d.h. die Laserstrahlen können räumlich partiell kohärent sein, d.h. es handelt sich nicht zwingend um Single-Mode-Laserstrahlen. Beispielsweise können die Laserstahlen von Multimode-Quellen erzeugt werden und z.B. einen höhermodigen Gauß-Mode, z.B. ein Laguerre-Gauß-Mode, eine Hermite-Gauß-Mode oder Superpositionen davon bilden. Bevorzugt sind die Laserstrahlen jedoch sowohl zeitlich als auch räumlich kohärent.
Bei einer kohärenten Strahlkombination wird eine Mehrzahl von Laserstrahlen, die von einer Mehrzahl von Raster-Positionen einer Rasteranordnung ausgehen, zu einem kombinierten Laserstrahl überlagert, der eine entsprechend höhere Leistung aufweist. Eine solche Strahlkombination kann - annähernd ohne Verlust an Strahlqualität - diffraktiv, reflektiv, beispielsweise über einen Segment-Spiegel, interferometrisch oder über eine Polarisationskopplung erfolgen.
In der US 20130107343 A1 ist ein Lasersystem beschrieben, welches eine Laserquelle in Form eines Seed-Lasers sowie ein optisches Verstärkersystem aufweist, das einen verstärkten Laser-Output erzeugt. Das Lasersystem kann eine Phasen-Steuerungsschaltung mit einer Phasen-Modulations-Funktionalität für eine Mehrzahl von optischen Verstärkern aufweisen, die einen Sensor zur Messung der gesamten Ausgangsintensität der optischen Verstärker umfasst. Die Phasen- Steuerungsschaltung kann eine Phase bzw. eine relative Phasenbeziehung zwischen einzelnen der Anzahl von optischen Verstärkern verändern, um die gesamte Ausgangsintensität der optischen Verstärker zu maximieren. Das Lasersystem kann einen kohärenten Fernfeld-Kombinierer zur Kombination des Outputs der optischen Verstärker aufweisen, der ein Paar von Mikrolinsen-Arrays umfasst.
Aus der US 20130107343 A1 ist es somit bekannt, eine (Mikro-)Linsenanordnung mit einem Paar von Mikrolinsen-Arrays als Strahlkombinationseinrichtung zur kohärenten Kombination einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen zu einem kombinierten Laserstrahl zu verwenden. Auch in der DE 102018211 971 A1 bzw. in der WO 2020/016336 A1 ist eine Strahlkombinationseinrichtung zur Bildung mindestens einen kombinierten Laserstrahls beschrieben, die eine Mikrolinsenanordnung mit mindestens zwei Mikrolinsen-Arrays aufweist. Die Strahlkombination mit den mindestens zwei Mikrolinsen-Arrays beruht auf dem Prinzip eines abbildenden (zweistufigen) Homogenisierers. Dort ist auch angegeben, wie eine solche Mikrolinsenanordnung im Hinblick auf ihre Parameter (Rasterabstand (pitch) der Mikrolinsen, Brennweite der Mikrolinsen bzw. der Mikrolinsenanordnung, Abstand der Mikrolinsen-Arrays, ... ) optimiert werden sollte, um einen kombinierten Laserstrahl mit optimierter, hoher Strahlqualität (> 90% Kombinationseffizienz) zu erzeugen. Bei der Umkehrung des Strahlwegs ermöglicht dieses Prinzip eine homogene Verteilung der generierten Intensitäts-Peaks und damit eine hohe Strahlteilungseffizienz.
Verschiedenste Laser-Anwendungsprozesse, z.B. additive Fertigung, Markieren, sowie Schweißen (sowohl mikro als auch makro) oder Laserschaltprozesse in Lasernetzwerken benötigen eine schnelle Ablenkung einer Fokusposition eines Laserstrahls (Scannen) und/oder das Aufteilen eines Laserstrahls zur Ausrichtung auf mehrere Fokuspositionen (Strahlteilen). Bei manchen Laser- Materialbearbeitungsprozessen, z.B. beim Trennen von transparenten Materialien, werden ggf. hohe mittlere Laserleistungen (im Bereich von kW) und hohe Pulsenergien (im Bereich von mJ) benötigt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung, ein Lasersystem und ein zugehöriges Verfahren zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen bereitzustellen, welche es auch bei hohen Laserleistungen ermöglichen, die Strahlqualität bei der Kombination nahezu vollständig zu erhalten und die es zusätzlich ermöglichen, eine schnelle Ablenkung eines kombinierten Laserstrahls und/oder eine Strahlaufteilung eines kombinierten Laserstrahls mit einer vorgegebenen Aufteilung der Eingangs-Leistung vorzunehmen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der die Strahlkombinationseinrichtung eine Mikrolinsenanordnung mit genau einem Mikrolinsen-Array aufweist.
Die Erfinder haben erkannt, dass bei der Kombination der kohärenten Laserstrahlen in einem abbildenden Homogenisierer, der (mindestens) zwei Mikrolinsen-Arrays aufweist, (mindestens) ein Mikrolinsen-Array im Fokus bzw. in der Brennebene eines anderen Mikrolinsen-Arrays steht. Hierdurch kann es zu Einbränden in dem Mikrolinsen-Array kommen, was zu einem Leistungsverlust führt und die Materialbearbeitung bei hohen mittleren Laserleistungen und mittleren Pulsenergien erschwert. Im schlimmsten Fall kann das Mikrolinsen-Array welches in der Brennebene des anderen Mikrolinsen-Arrays steht, zerstört werden.
In der vorliegenden Anmeldung wird daher vorgeschlagen, zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen nur ein einziges Mikrolinsen-Array zu verwenden, welches mit definierten Parametern (Rasterabstand (pitch) der Mikrolinsen, Brennweite der Mikrolinsen, ...) zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen verwendet wird. Mit einer solchen Strahlkombinationseinrichtung wird das Prinzip des nicht abbildenden, einstufigen Homogenisierers umgesetzt, d.h. es wird nur noch ein einziges Mikrolinsen-Array zur Kombination verwendet. Hierdurch wird die Homogenität herabgesetzt, so dass eine Strahlteilung mit einer ausreichenden Homogenität nicht mehr stattfinden kann.
Die Erfinder haben erkannt, dass zwar bei der Strahlteilung keine ausreichende Strahlteilungseffizienz erreicht werden kann, dass aber mit geeignet gewählten Parametern auch mit einem einstufigen Homogenisierer eine Strahlkombination mit einer ausreichend hohen Kombinationseffizienz von z.B. mehr als ca. 65 % (bei drei kohärenten Laserstrahlen), mehr als ca. 85% (bei fünf kohärenten Laserstrahlen) oder darüber erreicht werden kann. Dies ist u.a. deshalb möglich, weil die Intensität der kohärenten Laserstrahlen an den Raster-Positionen geeignet (z.B. homogen) gewählt werden kann. Wird zudem die Anzahl der kohärenten Laserstrahlen erhöht, z.B. auf eine Anzahl von mehr als Zehn, kann sogar eine Kombinationseffizienz von mehr als 90% erreicht werden.
Im Sinne dieser Anmeldung wird unter einer Mikrolinsenanordnung mit genau einem Mikrolinsen-Array verstanden, dass in einer jeweiligen Richtung, in der die Strahlkombination erfolgt (z.B. in X-Richtung oder in Y-Richtung) nur die Mikrolinsen eines einzigen Mikrolinsen-Arrays die Strahlkombination bewirken. Für den Fall, dass eine Strahlkombination in zwei Richtungen (z.B. in X-Richtung und in Y-Richtung) erfolgt, kann im Sinne dieser Definition das genau eine Mikrolinsen-Array zwei gekreuzte Zylinderlinsen-Arrays aufweisen, wobei die Mikrolinsen eines jeweiligen Zylinderlinsen-Arrays nur in einer Richtung (X-Richtung oder Y-Richtung) wirken. Die beiden Zylinderlinsen-Arrays sind in diesem Fall typischerweise unmittelbar benachbart angeordnet, d.h. diese liegen (annähernd) in einer gemeinsamen Ebene. Für die zweidimensionale Strahlkombination kann an Stelle von zwei gekreuzten Zylinderlinsen-Arrays ein einziges Mikrolinsen-Array verwendet werden, welches z.B. quadratische oder rechteckige Mikrolinsen aufweist.
Die in der DE 102018211 971 A1 bzw. in der WO 2020/016336 A1 beschriebenen Bedingungen für die optimalen Parameter einer solchen Mikrolinsenanordnung gelten entsprechend auch für den hier beschriebenen einstufigen Homogenisierer. Allerdings wird die (effektive) Brennweite der Mikrolinsenanordnung mit den mindestens zwei Mikrolinsen-Arrays durch die Brennweite des genau einen Mikrolinsen-Arrays ersetzt. Die DE 102018211 971 A1 bzw. die WO 2020/016336 A1 werden durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht.
Bei der Aufteilungseinrichtung zur Aufteilung des Eingangs-Laserstrahls kann es sich z.B. um eine herkömmliche 1-zu-N-Kopplungseinrichtung, beispielsweise in Form eines einzelnen oder mehrerer Mikrolinsen-Arrays, um einen Faser-Splitter, mehrere in Reihe geschaltete Strahlteilerwürfel, Polarisationsstrahlteiler, um ein Beugungsgitter zur Strahlteilung, etc. handeln. Bei dem Eingangs-Laserstrahl kann es sich um einen von einer Laserquelle erzeugten Seed-Laserstrahl handeln oder der Eingangs-Laserstrahl kann z.B. durch Aufteilung und kohärente Kombination aus einem Seed-Laserstrahl einer Laserquelle erzeugt werden.
Alternativ können auch mehrere Laserquellen, beispielsweise in Form von Faseroszillatoren, Laserdioden, etc. zur Erzeugung der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen dienen, so dass auf eine Aufteilungseinrichtung verzichtet werden kann. In diesem Fall weist ein Lasersystem, welches die mindestens eine Laserquelle enthält, eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Laserdioden bzw. der Laserquellen auf, um die kohärenten Laserstrahlen zu erzeugen. Die Laserquelle(n) können zur Erzeugung von Ultrakurzpuls-Laserstrahlen ausgebildet sein, d.h. von kohärenten Laserstrahlen, die eine Pulsdauer von weniger als z.B. 10- 12 s aufweisen.
Grundsätzlich können die Raster-Positionen der Rasteranordnung entlang einer Geraden oder einer Kurve (eindimensionale Rasteranordnung) oder entlang einer Ebene oder einer gekrümmten Fläche (zweidimensionale Rasteranordnung) gebildet sein. Entlang der Rasteranordnung sind die kohärenten Laserstrahlen so weit separiert bzw. voneinander beabstandet, dass der gewünschte Füllfaktor erreicht wird. Die Raster-Positionen der Rasteranordnung können an den Stirnseiten von Fasern (Emissionsflächen) oder von anderen Emittern gebildet sein, an denen ein jeweiliger kohärenter Laserstrahl emittiert wird. In diesem Fall sind die Fasern, genauer gesagt deren Stirnseiten, in einer Rasteranordnung angeordnet und die Raster-Positionen entsprechen den Emissionsflächen an den Stirnseiten der Fasern. Die Raster-Positionen bzw. die Rasteranordnung kann aber auch dem Nahfeld bzw. dem Fernfeld der Emissionsflächen entsprechen, d.h. die Raster-Positionen können entlang einer Kurve bzw. einer Fläche im Raum angeordnet sein, auf welche die Emissionsflächen abgebildet oder fokussiert werden, so dass die Ortsverteilung der Raster-Positionen der - ggf. skalierten - Ortsverteilung der Emissionsflächen entspricht.
Die Rasteranordnung bildet somit eine Kurve bzw. eine Fläche im Raum, entlang derer ein gewünschter Abstand zwischen den Raster-Positionen bzw. zwischen den kohärenten Laserstrahlen vorliegt. Bei der Verwendung einer Fourierlinse zur Einkopplung der kohärenten Laserstrahlen (s.u.) liegt der gewünschte Abstand beispielsweise in der Brennebene der Fourierlinse vor.
Bei einer Ausführungsform gehen die kohärenten Laserstrahlen von einer Mehrzahl von Raster-Positionen aus, die entlang einer ersten Richtung angeordnet sind, wobei die kohärenten Laserstrahlen und das Mikrolinsen-Array folgende Bedingung erfüllen:
N = px 2 / (λL fML), (1 ) wobei N eine Anzahl der entlang der ersten Richtung X angeordneten Raster- Positionen, px einen Rasterabstand der Mikrolinsen des Mikrolinsen-Arrays in der ersten Richtung, λL die Laserwellenlänge und fML die Brennweite des Mikrolinsen- Arrays bezeichnen.
Für den Fall, das die Raster-Positionen in der Rasteranordnung zusätzlich entlang einer zweiten, bevorzugt zur ersten senkrechten Richtung angeordnet sind, erfüllen die kohärenten Laserstrahlen und die Mikrolinsenanordnung typischerweise zusätzlich folgende Bedingung:
M = pY 2 / ( λL fML), (2) wobei M eine Anzahl der entlang der zweiten Richtung angeordneten Raster- Positionen und pY einen Rasterabstand der Mikrolinsen eines jeweiligen Mikrolinsen- Arrays in der zweiten Richtung bezeichnen.
Die Erfinder haben erkannt, dass bei der Kombination zu dem kombinierten Laserstrahl auch bei einem einstufigen Homogenisierer die Strahlqualität eines einzelnen kohärenten Laserstrahls nahezu vollständig erhalten bleibt, wenn obige Gleichung (1 ) bzw. (2) erfüllt ist.
Es versteht sich, dass die Gleichung (1 ) in der Praxis nicht exakt eingehalten werden kann. Für den Fall, dass von der Gleichung (1 ) abgewichen wird, verschlechtert sich die Strahlqualität des überlagerten Laserstrahls. Im Sinne dieser Anmeldung wird die obige Gleichung (1 ) als erfüllt angesehen, wenn die rechte Seite der Gleichung (1 ) um nicht mehr als 20%, bevorzugt um nicht mehr als 10%, insbesondere um nicht mehr als 5% vom (ganzzahligen) Wert N auf der linken Seite der Gleichung (1) abweicht, d.h. wenn gilt: |N - px 2 / (λL fML)| < 0,2, bevorzugt < 0,1 , insbesondere < 0,05. Entsprechendes gilt auch für Gleichung (2), d.h. |M - py 2 / (λL fE)| < 0,2, bevorzugt < 0,1 , insbesondere < 0,05.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung ausgebildet, in der ersten Richtung benachbarte kohärente Laserstrahlen mit einer vorgegebenen Winkeldifferenz δθx in die Mikrolinsenanordnung einzukoppeln, für die gilt: δθx = λL / px, wobei λL die Laserwellenlänge und px einen Rasterabstand der Mikrolinsen des Mikrolinsen-Arrays in der ersten Richtung bezeichnen.
Für die Kombination der kohärenten Laserstrahlen zu einem kombinierten Laserstrahl ist es typischerweise erforderlich bzw. günstig, wenn benachbarte kohärente Laserstrahlen mit der weiter oben angegebenen Winkeldifferenz δθx in die Mikrolinsenanordnung eingekoppelt werden. Um diese Bedingung zu erfüllen, können die Raster-Positionen, von denen die kohärenten Laserstrahlen ausgehen, unter der jeweiligen Winkeldifferenz δθx zueinander ausgerichtet werden und beispielsweise äquidistant auf einem Kreisbogen angeordnet sein. Eine Fokussierung der kohärenten Laserstrahlen kann in diesem Fall beispielsweise mit Hilfe von Einzellinsen oder mit einem weiteren Mikrolinsen-Array erfolgen, die im jeweiligen Strahlweg eines der kohärenten Laserstrahlen angeordnet sind, es kann ggf. aber auch auf das Vorsehen solcher Linsen verzichtet werden. Eine entsprechende Bedingung gilt für die Winkeldifferenz zwischen benachbarten kohärenten Laserstrahlen in der zweiten Richtung Y, d.h. es gilt: δθy = λL / py. Die oben angegebene Bedingung gilt als erfüllt, wenn gilt: | δθx - λL / px | < 0,2, bevorzugt < 0,1 , insbesondere < 0,05, bzw. wenn gilt: | δθy - λL / py | < 0,2, bevorzugt < 0,1 , insbesondere < 0,05.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Einkoppeloptik zur Einkopplung der kohärenten Laserstrahlen in die Mikrolinsenanordnung auf, wobei die Einkoppeloptik mindestens eine Fokussiereinrichtung, insbesondere mindestens eine Fokussierlinse, zur Fokussierung der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen auf die Mikrolinsenanordnung aufweist. In diesem Fall wird eine Einkoppeloptik verwendet, die zwischen den Raster-Positionen, von denen die kohärenten Laserstrahlen ausgehen, und der Mikrolinsenanordnung angeordnet ist. Für den Fall, dass die Strahlwege der kohärenten Laserstrahlen zu lang sind, um die oben angegebenen Bedingungen zu erfüllen, kann die Einkoppeloptik eine teleskopische Optik z.B. in Form von mindestens zwei Linsen aufweisen. Die Einkoppeloptik ist nicht zwingend erforderlich, kann aber z.B. beim Einrichten des Lasersystems bzw. der Vorrichtung günstig sein. Insbesondere kann die Einkoppeloptik dazu verwendet werden, die oben angegebene Bedingung an die Winkeldifferenz δθx bzw. δθy zu erfüllen, ohne dass zu diesem Zweck die Strahlaustrittsrichtungen der kohärenten Laserstrahlen an den Raster-Positionen unter einem Winkel zueinander ausgerichtet werden müssen. Die Verwendung einer Fokussierlinse, die im Wesentlichen im Abstand ihrer Brennweite von der Mikrolinsenanordnung angeordnet ist (Fourier-Linse) hat sich zu diesem Zweck als günstig herausgestellt. Die kohärenten Laserstrahlen können in diesem Fall im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet auf die Fokussierlinse treffen und werden auf die Mikrolinsenanordnung, genauer gesagt auf das Mikrolinsen-Array, fokussiert. Der Fokus bzw. der Strahldurchmesser der auf das eine Mikrolinsen-Array treffenden kohärenten Laserstrahlen ist wesentlich größer als die Teilfoki, die bei der Verwendung von zwei Mikrolinsen-Arrays auf das erste Mikrolinsen-Array treffen würden. Zudem ist der Strahldurchmesser des kombinierten Laserstrahls, der an dem einen Mikrolinsen-Array gebildet wird, über den Füllfaktor der kohärenten Laserstrahlen an den Raster-Positionen sowie über den Rasterabstand der Mikrolinsen des Mikrolinsen-Arrays einstellbar.
Beispielsweise können in diesem Fall die Raster-Positionen auf einer Linie angeordnet sein, d.h. die Strahlaustrittsrichtungen bzw. die Poynting-Vektoren der kohärenten Laserstrahlen sind parallel zueinander ausgerichtet. Die Verwendung bzw. die Auslegung der Einkoppeloptik und die Anordnung der Raster-Positionen hängen von den Rahmenbedingungen, beispielsweise von der verwendeten Laserquelle ab. Für den Fall, dass die Raster-Positionen die Stirnseiten von parallel verlaufenden Fasern bilden, bietet sich beispielsweise die Verwendung einer Einkoppeloptik an.
Bei einer Weiterbildung gehen die kohärenten Laserstrahlen von einer Mehrzahl von Raster-Positionen aus, die entlang einer ersten Richtung angeordnet sind und die einen Abstand δx voneinander aufweisen, der gegeben ist durch: δx = λL fFLin / px, wobei λL die Laserwellenlänge, fFLin die Brennweite der Fokussiereinrichtung und px einen Rasterabstand der Mikrolinsen des Mikrolinsen-Arrays in der ersten Richtung bezeichnen. Für den Fall, dass die Raster-Positionen zusätzlich entlang einer zweiten Richtung (z.B. Y-Richtung) angeordnet sind, gilt für die Abstände δy in der zweiten Richtung Y entsprechend: δy = λL fFLin / py, wobei py den Rasterabstand des Mikrolinsen-Arrays in der zweiten Richtung Y bezeichnet.
Für den Fall, dass die Laserstrahlen parallel verlaufen, sind die Raster-Positionen typischerweise entlang einer gemeinsamen Richtung bzw. Linie (z.B. in X-Richtung) sowie ggf. zusätzlich entlang einer gemeinsamen Linie in Y-Richtung angeordnet, die senkrecht zur gemeinsamen Strahlausbreitungsrichtung der Laserstrahlen verläuft. In diesem Fall ist der Abstand δx der Laserstrahlen bzw. der Raster-Positionen typischerweise durch die obige Bedingung festgelegt. Die oben angegebene Bedingung gilt als erfüllt, wenn gilt: | δx - λL fFLin / px | < 0,2, bevorzugt < 0,1 , insbesondere < 0,05 bzw. | δy - λL fFLin / py | < 0,2, bevorzugt < 0,1 , insbesondere < 0,05.
Bei einer alternativen Ausführungsform gehen die kohärenten Laserstrahlen von einer Mehrzahl von Raster-Positionen aus, die entlang einer ersten Richtung angeordnet sind, wobei die Raster-Positionen im Abstand der Brennweite fML des Mikrolinsen-Arrays vor dem Mikrolinsen-Array angeordnet sind, und wobei die Raster-Positionen einen Abstand δx voneinander aufweisen, der gegeben ist durch δx = px, wobei px einen Rasterabstand der Mikrolinsen des Mikrolinsen-Arrays in der ersten Richtung bezeichnet. Für den Fall, dass die kohärenten Laserstrahlen zusätzlich auch entlang einer zweiten, bevorzugt zur ersten senkrechten Richtung angeordnet sind, gilt für die Abstände δy in der zweiten Richtung entsprechend: δy = py, wobei py den Rasterabstand der Mikrolinsen des Mikrolinsen-Arrays in der zweiten Richtung bezeichnet. Die oben angegebene Bedingung gilt als erfüllt, wenn gilt: | δx - px | <
0,2, bevorzugt < 0,1 , insbesondere < 0,05 bzw. | δy - py | < 0,2, bevorzugt < 0,1 , insbesondere < 0,05. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform sind die Raster-Positionen in der Brennebene des Mikrolinsen-Arrays im Strahlweg der kohärenten Laserstrahlen vor dem Mikrolinsen-Array angeordnet. Die Erfinder haben erkannt, dass das Mikrolinsen-Array als Beugungsgitter wirkt und dass sich bei der Nahfeld-Beugung die Helligkeitsverteilung des Mikrolinsen-Arrays in bestimmten Talbot-Abständen wiederholt, an denen die Helligkeitsverteilung genau der Struktur des Beugungsgitters selbst entspricht. Dies ist bei dem Mikrolinsen-Array in der objektseitigen Brennebene der Fall. Daher sollte der Abstand zwischen den Raster- Positionen in der Brennebene dem Rasterabstand der Mikrolinsen des Mikrolinsen- Arrays entsprechen.
Grundsätzlich sollte auch bei dieser Ausführungsform die weiter oben angegebene Bedingung an den Winkel δθx , δθy zwischen benachbarten kohärenten Laserstrahlen eingehalten werden. Allerdings sind die resultierenden Winkel δθx, δθy bei der vorliegenden Ausführungsform vernachlässigbar klein, da die Brennweite vergleichsweise gering ist. Die Brennweite des Mikrolinsen-Arrays hängt zwar vom Rasterabstand der Mikrolinsen ab und nimmt mit zunehmendem Rasterabstand zu, der Rasterabstand hängt aber über die oben angegebene Beziehung δθx = λL / px bzw. δθy = λL / py selbst vom Winkel δθx, δθy ab. Der Winkel δθx, δθy nimmt daher mit zunehmendem Rasterabstand ab und bleibt auch bei großem Rasterabstand bzw. bei größeren Brennweiten vernachlässigbar. Daher können die kohärenten Laserstrahlen bei dieser Ausführungsform typischerweise ohne die Verwendung einer Einkoppeloptik parallel ausgerichtet auf das Mikrolinsen-Array eingestrahlt werden. Die typische Größenordnung der Brennweite fML des Mikrolinsen-Arrays liegt bei weniger als ca. 70-80 mm und ist bei den typischerweise verwendeten Wellenlängen kleiner als die Rayleigh-Länge der kohärenten Laserstrahlen.
Bei einer Weiterbildung weisen die kohärenten Laserstahlen an den Raster- Positionen einen Strahldurchmesser 2 ωfMLx in der ersten Richtung auf, der gegeben ist durch: 2 ωfMLx - λL fML / px, wobei λL die Laserwellenlänge bezeichnet. Grundsätzlich gilt, dass die Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen an den Raster-Positionen in der Brennebene möglichst genau das Beugungsmuster reproduzieren sollte, welches sich bei einer Umkehrung der Strahlrichtung ergibt, d.h. für den Fall, dass das Mikrolinsen-Array in umgekehrter Richtung durchlaufen wird. Dies kann u.a. dadurch erreicht werden, dass die kohärenten Laserstrahlen die oben angegebene Bedingung an den Strahldurchmesser 2 ωfMLx erfüllen. Der Strahldurchmesser 2 ωfMLx bezeichnet hierbei den Abstand zwischen zwei Punkten der Intensitäts- bzw. der Leistungsverteilung (in der Regel: Gauß-Verteilung) in der ersten Richtung, an denen die maximale Intensität bzw. die Spitzenleistung auf 50% abgefallen ist, d.h. der Strahldurchmesser 2 ωfMLx bezeichnet die Halbwertsbreite.
Für den Fall, dass die Raster-Positionen zusätzlich auch entlang der zweiten Richtung angeordnet sind, gilt entsprechend für den Strahldurchmesser entlang der zweiten Richtung: 2 ωfMLy = λL fML / py. In der Regel weist ein jeweiliger kohärenter
Laserstrahl ein rotationssymmetrisches Strahlprofil auf. In diesem Fall gilt: 2 ωfMLy = 2ωfMLx und somit py = px. Die oben angegebene Bedingung gilt als erfüllt, wenn gilt: | 2ωfMLx - λL fML / px I < 0,2, bevorzugt < 0,1 , insbesondere < 0,05 bzw. | 2 ωfMLy - λL fML / py | < 0,2, bevorzugt < 0,1 , insbesondere < 0,05.
Für den Fall, dass die Raster-Positionen den Stirnseiten von Lichtleitfasern entsprechen, wird der Strahldurchmesser an der jeweiligen Raster-Position im Wesentlichen durch den Durchmesser der Lichtleitfaser, genauer gesagt den Durchmesser der Strahlaustrittsfläche an der Stirnseite der Lichtleitfaser festgelegt.
Es ist möglich, mit Hilfe einer geeigneten Strahlformungseinrichtung den Strahldurchmesser der kohärenten Laserstrahlen nach dem Austritt aus der jeweiligen Lichtleitfaser zu verändern, so dass sich ein gewünschter Durchmesser an der jeweiligen Raster-Position der Rasteranordnung einstellt. Die strahlformende Einrichtung kann zu diesem Zweck beispielsweise eine Mehrzahl von (sphärischen) Kollimations- bzw. Fokussierlinsen aufweisen, in deren Brennebene die Rasteranordnung gebildet wird.
Es hat sich herausgestellt, dass die Intensität der kohärenten Laserstrahlen an der jeweiligen Raster-Position einen vergleichsweise geringen Einfluss auf die Kombinationseffizienz aufweist. Bei der vorliegenden Ausführungsform können die maximalen Intensitäten der kohärenten Laserstrahlen gleich groß sein, wie dies auch bei der weiter oben beschriebenen Ausführungsform der Fall ist. Die kohärenten Laserstrahlen weisen an den Raster-Positionen jedoch bevorzugt eine jeweilige maximale Intensität auf, deren Einhüllende einer Intensitätsverteilung des kombinierten Laserstrahls an dem Mikrolinsen-Array entspricht. Bei der Intensitätsverteilung des kombinierten Laserstrahls an dem Mikrolinsen-Array handelt es sich typischerweise um eine Gauß-Verteilung, welche die Einhüllende der maximalen Intensitäten bildet.
Bei einer Weiterbildung weisen die kohärenten Laserstrahlen einen Füllfaktor FFX in der ersten Richtung auf, für den gilt: FFX < 0,4, bevorzugt FFX < 0,3. Entsprechend ist es günstig, wenn für den Füllfaktor FFy in der zweiten Richtung Y gilt: FFy < 0,4, bevorzugt FFy < 0,3.
Der Füllfaktor FFX in der ersten Richtung X ist definiert als FFX = 2 ωfMLx / δx Entsprechend ist der Füllfaktor FFy in der zweiten Richtung Y definiert als FFy = 2 ωfMLy / δy. Der Abstand δx bzw. δy zwischen den Raster-Positionen in X-Richtung bzw. in Y-Richtung bezeichnet den Abstand zwischen den Zentren der Strahlprofile von benachbarten kohärenten Laserstrahlen. Es hat sich gezeigt, dass der Füllfaktor FFX bzw. FFy bei der vorliegenden Ausführungsform nicht zu groß gewählt werden sollte, da der Füllfaktor FFX, FFy den Strahldurchmesser 2 ωMLA x bzw. 2 ωMLA y des kombinierten Laserstrahls beeinflusst, wie nachfolgend erklärt wird.
Für den Strahldurchmesser 2 ωMLA x der Intensitätsverteilung des kombinierten Laserstrahls an dem Mikrolinsen-Array in der ersten Richtung X gilt: 2 ωMLA x = 4 px / ( π FFX ).
Anders als beim Strahldurchmesser 2 ωfMLx der kohär enten Laserst rahlen bez. der Strahldurchmesser 2 ωMLA x die 1/e2-Breite, d.h. den Abstand zwischen zwei Punkten, an denen die Spitzenleistung auf das 1/e2-fache abgefallen ist, d.h. ungefähr 13,5% der Spitzenleistung beträgt. Entsprechend gilt für den Strahldurchmesser 2 ωMLAy des kombinierten Laserstrahls an dem Mikrolinsen-Array in der zweiten Richtung Y: 2 ωMLAy = 4 p y / ( π FFy ). Die obige Bedingung gilt als erfüllt, wenn gilt: | 2 ωMLAx - 4 px / ( π FFX ) | < 0,2, bevorzugt < 0,1 , insbesondere < 0,05 bzw. | 2 ωMLAx - 4 px/ ( π FFX ) | < 0,2, bevorzugt < 0,1 , insbesondere < 0,05.
Wie sich aus obiger Beziehung ergibt, nimmt der Durchmesser 2 ωMLAx des kombinierten Laserstrahls 12 und somit die Ausleuchtung des Mikrolinsen-Arrays 17 mit zunehmendem Füllfaktor FFX in der ersten Richtung X ab. Je größer der Füllfaktor FFX, desto geringer ist die Kombinationseffizienz. Grundsätzlich gilt, dass der Füllfaktor FFX, FFy umso kleiner sein sollte, je größer die Anzahl der kohärenten Laserstrahlen in der jeweiligen Richtung ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Steuerungseinrichtung, die zur Einstellung einer jeweiligen Phase eines der kohärenten Laserstrahlen in Abhängigkeit von einer Anordnung der jeweiligen Raster-Position innerhalb der Rasteranordnung ausgebildet bzw. programmiert ist, um die kohärenten Laserstrahlen zu mindestens einem in mindestens eine Beugungsordnung gebeugten Laserstrahl zu kombinieren. Bei der Beugungsordnung kann es sich um die nullte Beugungsordnung oder um eine von der nullten Beugungsordnung verschiedene Beugungsordnung handeln.
Die Phasen können so gewählt werden, dass eine im Hinblick auf die Strahlqualität optimierte Kombination in die nullte Beugungsordnung erfolgt. Die Phasen bzw. die Phasenunterschiede der kohärenten Laserstrahlen können auch so gewählt werden, dass der kombinierte Laserstrahl in mindestens eine höhere Beugungsordnung gebeugt wird, um eine kontrollierte Strahlablenkung bzw. eine kontrollierte Strahlteilung vorzunehmen. Für den Fall, dass eine gerade Anzahl von kohärenten Laserstrahlen kombiniert wird, gibt es keine nullte Beugungsordnung, d.h. in diesem Fall wird der kombinierte Laserstrahl stets in mindestens eine (halbzahlige) Beugungsordnung gebeugt.
Die Phase eines jeweiligen kohärenten Laserstrahls kann individuell in Abhängigkeit von der Anordnung der dem jeweiligen kohärenten Laserstrahl zugeordneten Raster- Position der Rasteranordnung mit Hilfe der Steuerungseinrichtung so eingestellt werden, dass die kohärenten Laserstrahlen nicht mehr zu einem einzigen bzw. einzelnen Laserstrahl kombiniert werden, sondern in zwei oder mehr wohldefinierte Bündel bzw. in zwei oder mehre kombinierte Laserstrahlen, die mit definierter Leistungsverteilung bzw. Leistungs-Aufteilung in unterschiedliche Beugungsordnungen gebeugt werden (Strahlteilung) oder in einen einzigen Laserstrahl, der in eine von der nullten Beugungsordnung verschiedene Beugungsordnung gebeugt wird (Strahlablenkung).
Der vorgeschlagene Ansatz basiert auf dem Konzept des Optical Phase Array (OPA), bei dem ein Satz von Absolut-Phasen der ein- oder zweidimensionalen Rasteranordnung der kohärenten Laserstrahlen so gewählt wird, dass es zur konstruktiven Interferenz an wohldefinierten Beugungsordnungen kommt. In einer ein- oder zweidimensionalen Rasteranordnung (Array) können die Phasen der zu kombinierenden kohärenten Laserstrahlen so gewählt werden, dass sich gezielt einzelne kombinierte Laserstrahlen, Gruppen von kombinierten Laserstrahlen oder ein gesamtes Array von kombinierten Laserstrahlen, das einem Satz von Beugungsordnungen entspricht, ab- oder zuschalten lässt. Für eine jeweils gewünschte Gruppe von kombinierten Laserstrahlen, die mit der Vorrichtung erzeugt werden soll, kann beispielsweise mit Hilfe eines iterativen Optimierungsalgorithmus ein geeigneter Satz von (Absolut-)Phasen gewählt werden, um gezielt die Beugung in bestimmte Beugungsordnungen an- oder abzuschalten. Auf diese Weise kann eine variable Strahlteilung bzw. Ablenkung und Leistungs-Aufteilung realisiert werden. Bei dem iterativen Optimierungsalgorithmus kann es sich um einen stochastischen bzw. randomisierten Algorithmus handeln, dem als Startwerte beispielsweise eine homogene Leistungs-Aufteilung bzw. Intensitätsverteilung vorgegeben wird.
Die Phasen-Einstelleinrichtungen dienen zur Einstellung der jeweiligen Phase der kohärenten Laserstrahlen und können an einem beliebigen Ort vor der Mikrolinsenanordnung angeordnet sein, an dem die kohärenten Laserstrahlen voneinander getrennt sind und nicht mehr überlappen. Diese Phasen- Einstelleinrichtungen sind u.a. deshalb notwendig, da z.B. thermische Effekte, Vibrationen oder auch Luftturbulenzen zu optischen Weglängenunterschieden in den einzelnen Kanälen führen. Für die Realisierung der Phasen-Einstelleinrichtungen, die typischerweise zur Einstellung einer variablen Phasenverzögerung ausgebildet sind, besteht eine Vielzahl von Möglichkeiten: Beispielsweise kann es sich bei den Phasen-Einstelleinrichtungen um Modulatoren in Form von EOMs (elektro-optische Modulatoren, z.B. in Form von Flüssigkristallen), SLMs (Spatial Light Modulators), optische Verzögerungsstrecken in Form von Spiegelanordnungen, elektro- mechanische Modulatoren, z.B. in Form von Piezo-Spiegeln oder dergleichen handeln. Für den Fall, dass die kohärenten Laserstrahlen im Strahlweg vor der Rasteranordnung in einer Faser geführt werden, kann für die Phasen-Einstellung z.B. mittels Piezo-Stellelementen eine Zugspannung auf die Faser aufgebracht werden, eine Temperatur-Beeinflussung der Faser vorgenommen werden, etc. Die Steuerungseinrichtung kann als Hard- und/oder Software realisiert sein, z.B. in Form eines Micro-Controllers, eines FPGAs, eines ASICs, etc. Die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, auf die Phasen-Einstelleinrichtungen auf geeignete Weise, z.B. durch geeignete elektronische (Steuer-)Signale, einzuwirken. Da die Addition eines für alle kohärenten Laserstrahlen identischen Phasenfaktors das Ergebnis der kohärenten Strahlkombination nicht verändert, ist bei einer Anzahl von N zu kombinierenden kohärenten Laserstrahlen in einer Richtung eine Anzahl von N-1 Phasen- Einstelleinrichtungen ausreichend.
Die in der bzw. in den Laserquellen erzeugten kohärenten Laserstrahlen können mit Hilfe einer Mehrzahl von Strahlführungseinrichtungen, beispielsweise in Form von Fasern, zu der Rasteranordnung geführt werden. Die individuelle Strahlführung der Laserstrahlen ermöglicht es, auf diese einzeln einzuwirken, um mit Hilfe der Phasen- Einstelleinrichtung die relativen Phasen geeignet einzustellen. Die Strahlführungseinrichtungen können eine entsprechende Anzahl von Verstärkern oder Verstärkerketten, beispielsweise in Form von Faser-Verstärkern, aufweisen, um die Laserstrahlen zu verstärken, bevor diese an den Raster-Positionen in Richtung auf die Mikrolinsenanordnung emittiert werden. Die Phasen-Einstelleinrichtungen können im Strahlweg vor den Strahlführungseinrichtungen oder nach den Strahlführungseinrichtungen angeordnet sein und/oder auf die Strahlführungseinrichtungen, z.B. in Form der Fasern, einwirken. Alternativ können die kohärenten Laserstrahlen nach der Aufteilung an der Aufteilungseinrichtung in Freistrahlpropagation zu der Rasteranordnung gelangen, die sich beispielsweise in einer Brennebene einer Fourierlinse oder an einem anderen Ort befinden kann, an dem die kohärenten Laserstrahlen ausreichend weit voneinander beabstandet sind. In der Brennebene einer solchen Fourierlinse bzw. an dem anderen Ort weisen die kohärenten Laserstrahlen - ggf. nach geeigneter Umlenkung - den gewünschten Füllfaktor, d.h. ein gewünschtes Verhältnis zwischen der Erstreckung bzw. dem Strahldurchmesser der jeweiligen Laserstrahlen in einer jeweiligen Raumrichtung und dem Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Laserstrahlen auf, wie weiter oben beschrieben wurde.
Bei einer Weiterbildung ist die Steuerungseinrichtung zur Einstellung einer jeweiligen Grund-Phase eines der kohärenten Laserstrahlen ausgebildet, bei der die Strahlkombinationseinrichtung die kohärenten Laserstrahlen zu einem in genau eine Beugungsordnung gebeugten Laserstrahl kombiniert. Bei der Grund-Phase wird somit genau ein kombinierter Laserstrahl erzeugt, der in die nullte Beugungsordnung (falls vorhanden) oder in eine von der nullten verschiedene Beugungsordnung gebeugt wird, um den kombinierten Laserstrahl abzulenken.
Bei einer Weiterbildung sind die Raster-Positionen entlang einer ersten Richtung angeordnet sind und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen zu dem genau einen in die genau eine Beugungsordnung Bk,x in der ersten Richtung gebeugten kombinierten Laserstrahls die jeweilige Grund- Phase δφ a eines kohärenten Laserstrahls an einer a-ten Raster-Position in der ersten Richtung einzustellen, die gegeben ist durch: δφ a = - TT / N (ma + Bk, x)2, wobei gilt: mit a = 1 , ... , N, wobei N eine Anzahl der entlang der ersten Richtung angeordneten Raster-Positionen bezeichnet, und wobei Bk, x eine ganzzahlige oder halbzahlige Zahl bezeichnet, für die gilt: .
Für den Fall, dass die Anzahl N der kohärenten Laserstrahlen ungerade ist, nimmt die Beugungsordnung Bk, x ganzzahlige Werte an. Für den Fall, dass eine gerade Anzahl N von kohärenten Laserstrahlen kombiniert wird, nimmt die Beugungsordnung Bk, x halbzahlige Werte an.
Bei einer Weiterbildung sind die Raster-Positionen in der Rasteranordnung zusätzlich entlang einer zweiten, bevorzugt zur ersten senkrechten Richtung angeordnet und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen zu dem genau einen in die genau eine Beugungsordnung Bk,x in der ersten Richtung und in genau eine Beugungsordnung Bj,y in der zweiten Richtung gebeugten kombinierten Laserstrahls die jeweilige Grund-Phase δφ a, b eines kohärenten Laserstrahls an einer a-ten Raster-Position entlang der ersten Richtung und einer b-ten Raster-Position entlang der zweiten Richtung einzustellen, die gegeben ist durch: δφ a = - π / N (ma + Bk,x)2 - π / N (mb + Bj,y)2, wobei gilt: mit b = 1 , ... , M, wobei M eine Anzahl der entlang der zweiten Richtung angeordneten Raster-Positionen bezeichnet, und wobei Bj,y eine ganzzahlige oder halbzahlige Zahl bezeichnet, für die gilt: .
Bei einer weiteren Weiterbildung ist die Aufteilungseinrichtung zur Aufteilung eines Eingangs-Laserstrahls auf die Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen als weitere Mikrolinsenanordnung mit mindestens zwei weiteren Mikrolinsen-Arrays ausgebildet ist, und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen zu dem genau einen, in die genau eine Beugungsordnung Bk,x in der ersten Richtung und bevorzugt in die genau eine Beugungsordnung Bj,y in der zweiten Richtung gebeugten kombinierten Laserstrahl das Doppelte der Grund- Phasen einzustellen.
Es hat sich gezeigt, dass für den Spezialfall, dass sowohl zum Aufteilen eines Eingangs-Laserstrahls auf die Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen als auch zum Kombinieren der kohärenten Laserstrahlen jeweils eine Mikrolinsenanordnung verwendet wird, erforderlich ist, die in den obigen Gleichungen angegebenen Werte für die Grund-Phasen δφ a, δφ a, b zu verdoppeln. Grundsätzlich gilt, dass für den Spezialfall von zwei Mikrolinsenanordnungen, die ggf. identisch aufgebaut sein können, eine Verdopplung der Grund-Phasen gegenüber dem Fall erforderlich ist, dass zum Kombinieren ein Faser-Splitter oder eine andere optische Einrichtung verwendet wird. Die Verdopplung der Grund-Phasen ist somit nicht auf die weiter oben angegebenen Gleichungen beschränkt, sondern gilt allgemein. Bei einerweiteren Weiterbildung ist die Steuerungseinrichtung zur Einstellung der jeweiligen Phase eines der kohärenten Laserstrahlen ausgebildet, die sich aus der jeweiligen Grund-Phase sowie aus einer zusätzlichen Phase zusammensetzt. Die zusätzliche Phase ermöglicht eine Aufteilung des kombinierten Laserstrahls auf zwei oder mehr Beugungsordnungen bzw. eine schnelle Veränderung der Beugungsordnung, in die der kombinierte Laserstrahl gebeugt wird. Bevorzugt werden bei dem hier beschriebenen Fall die Grund-Phasen so gewählt, dass die Strahlkombinationseinrichtung die kohärenten Laserstrahlen - ohne die zusätzliche Phase - in die nullte Beugungsordnung kombiniert. Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass die Grund-Phasen so gewählt sind, dass durch die Grund- Phasen eine Kombination des Laserstrahls in die nullte Beugungsordnung erfolgt.
Es hat sich gezeigt, dass sich für die Wahl bzw. für die Festlegung der Phasen der kohärenten Laserstrahlen beim diskreten Scannen in Spezialfällen analytische Zusammenhänge finden lassen, die nachfolgend angegeben sind.
Bei einer Weiterbildung sind die Raster-Positionen entlang einer ersten Richtung voneinander beabstandet (äquidistant) angeordnet und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen zu einem einzelnen, in eine von der nullten Beugungsordnung verschiedene Beugungsordnung Bk,x gebeugten kombinierten Laserstrahls die jeweilige zusätzliche Phase Δφa eines kohärenten Laserstrahls an einer a-ten Raster-Position in der ersten Richtung einzustellen, die gegeben ist durch: Δφa = - (2 Tπ / N) (a - (N+1 ) / 2) Bk,x, wobei N eine Anzahl der entlang der ersten Richtung angeordneten Raster- Positionen und Bk,x eine ganzzahlige oder halbzahlige Zahl bezeichnen, für die gilt:
Die Raster-Positionen sind in der ersten Richtung in gleichen Abständen voneinander (äquidistant) angeordnet. Die Raster-Positionen können in diesem Fall auf einer Linie angeordnet sein, die sich entlang der ersten Richtung erstreckt, d.h. die Strahlaustrittsrichtungen bzw. die Poynting-Vektoren der kohärenten Laserstrahlen sind parallel zueinander ausgerichtet. Alternativ können die Raster- Positionen auch in gleichen Abständen voneinander z.B. auf einem Kreisbogen angeordnet sein, der sich in bzw. entlang der ersten Richtung erstreckt.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform sind die Raster-Positionen der Rasteranordnung zusätzlich entlang einer zweiten, zur ersten senkrechten Richtung angeordnet und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen zu einem einzigen, in eine von der nullten Beugungsordnung verschiedene Beugungsordnung Bk, x in der ersten Richtung und in eine von der Nullten verschiedene Beugungsordnung Bk y in der zweiten Richtung gebeugten kombinierten Laserstrahl eine zusätzliche Phase Δφa, b eines kohärenten Laserstrahls an einer a-ten Raster-Position in der ersten Richtung und einer b-ten Raster-Position in der zweiten Richtung einzustellen, die gegeben ist durch: Δφa, b = - ((2 π / N) (a - (N+1 ) / 2) Bk, x+(2π / M (b - (M+1 ) / 2) Bj,y)) wobei M eine Anzahl der Raster-Positionen in der zweiten Richtung und Bj,y eine ganzzahlige oder halbzahlige Zahl bezeichnen, für die gilt: .
Die Einhaltung der weiter oben angegebenen Bedingungen für die zusätzlichen Phasen Δφ a bzw. Δφa, b sowie für die Grund-Phasen δφ a bzw. δφ a, b ermöglicht eine Ablenkung ohne Effizienzverlust. Es versteht sich aber, dass die obigen Bedingungen in der Praxis nicht exakt eingehalten werden können. Für den Fall, dass von den obigen Bedingungen abgewichen wird, verschlechtert sich die Strahlqualität des abgelenkten Laserstrahls. Im Sinne dieser Anmeldung werden die obigen Bedingungen als erfüllt angesehen, wenn die rechte Seite um nicht mehr als 20%, bevorzugt um nicht mehr als 10%, insbesondere um nicht mehr als 5% vom Wert Δφa bzw. Δφa, b auf der linken Seite abweicht, d.h. wenn gilt: | Δφa + 2 ( π / N) (a - (N+1 ) / 2) Bk, x| < 0,2, bevorzugt < 0,1 , insbesondere < 0,05. Entsprechendes gilt auch für Δφa, b, d.h. | Δφa, b + ((2 π / N) (a - (N+1 ) / 2) Bk, x + (2 π / M) (b - (M+1 ) / 2)) Bj, y | < 0,2, bevorzugt < 0,1 , insbesondere < 0,05. Entsprechendes gilt auch für die Grund-Phasen δφ a bzw. δφ a, b, d.h. | δφ a + π / N (ma + Bk, x)2 | < 0,2, bevorzugt < 0,1 , insbesondere < 0,05 bzw. | δφ a, b + π / N (ma + Bk, x)2 + π / M (mb + Bj,y)2 | < 0,2, bevorzugt < 0,1 , insbesondere < 0,05. Die zusätzliche Phase Δφa,b wird an einer a-ten Raster-Position in der ersten Richtung eingestellt, die gleichzeitig eine b-te Raster-Position in der zweiten Richtung bildet. Für den Fall, dass die Raster-Positionen in der Rasteranordnung nur entlang der ersten Richtung angeordnet sind, werden die kohärenten Laserstrahlen zu einem einzigen Laserstrahl kombiniert, der in der zweiten Richtung in die nullte Beugungsordnung gebeugt wird (d.h. Bk, y = 0). Für den eindimensionalen Fall ergibt sich somit die weiter oben angegebene Formel für die zusätzliche Phase Δφa .
Bei dieser Weiterbildung wird an Stelle einer eindimensionalen kohärenten Kombination von Laserstrahlen eine Mehrzahl von N x M Laserstrahlen zweidimensional zu einem oder zu mehreren Laserstrahlen kombiniert. In diesem Fall sind die Raster-Positionen in einer zweidimensionalen Rasteranordnung angeordnet, wobei die Abstände zwischen benachbarten Raster-Positionen in beiden Richtungen typischerweise gleich sind, wenn die Anzahl der Raster-Positionen in beiden Richtungen gleich ist (d.h. N = M) oder - für den Fall, dass N ungleich M ist - unterschiedlich gewählt werden. Das Raster bzw. die Rasteranordnung mit den Raster-Positionen kann sich hierbei in einer Ebene (z.B. XY-Ebene) oder auf einer gekrümmten Fläche erstrecken, z.B. auf einer Kugelschale. Die von den Raster- Positionen ausgehenden Laserstrahlen sind im ersten Fall typischerweise parallel ausgerichtet und können im zweiten Fall beispielsweise in Richtung auf den Mittelpunkt der Kugelschlale hin ausgerichtet sein, an dem die Mikrolinsenanordnung angeordnet ist.
Die Periodizität des Rasters mit den Raster-Positionen gibt hierbei die Rasterabstände der Mikrolinsen in zwei unterschiedlichen, beispielsweise senkrechten Richtungen (X, Y) vor. In diesem Fall kann ein 2-dimensionales Mikrolinsen-Array verwendet werden, dessen Rasterabstände px, pY sich ggf. in den beiden zueinander senkrechten Richtungen X, Y in Abhängigkeit von der Periodizität des Rasters unterscheiden. Die Mikrolinsen des 2-dimensionalen Mikrolinsen-Arrays weisen entsprechend eine ggf. unterschiedliche Krümmung in X-Richtung bzw. in Y- Richtung auf, d.h. es handelt sich nicht um Zylinderlinsen. Es ist auch möglich, ein 2- dimensionales Mikrolinsen-Array durch eine Kombination von zwei 1 -dimensionalen Mikrolinsen-Teilarrays mit Zylinderlinsen zu bilden, wobei die Zylinderlinsen der 1- dimensionalen Mikrolinsen-Teilarrays senkrecht zueinander ausgerichtet und in derselben Ebene angeordnet sind, d.h. auch in diesem Fall weist die Mikrolinsenanordnung nur ein einziges Mikrolinsen-Array auf und wirkt als nicht abbildender Homogenisierer.
Der Zusammenhang zwischen dem 2-dimensionalen Raster mit den Raster- Positionen und dem 2-dimensionalen Mikrolinsen-Array ist analog zum Zusammenhang zwischen dem Bravais-Gitter und dem reziproken Gitter. Entsprechend kann die Anordnung der Raster-Positionen auch einer dichtesten Packung, d.h. einem hexagonalen Gitter, entsprechen. Die Mikrolinsen des Mikrolinsen-Arrays sind in diesem Fall ebenfalls in einer hexagonalen Anordnung angeordnet.
Bei einer Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung zur Variation der jeweiligen Phase eines der kohärenten Laserstrahlen in Abhängigkeit von einer Anordnung der jeweiligen Raster-Position innerhalb der Rasteranordnung ausgebildet, um eine Beugungsordnung zu verändern, in die der mindestens eine kombinierte Laserstrahl gebeugt wird. Auf diese Weise kann ein extrem schneller, diskreter Scanvorgang realisiert werden, bei dem der mindestens eine gebeugte Laserstrahl zwischen unterschiedlichen Beugungsordnungen hin- und herspringt bzw. hin- und her bewegt wird. Die Vorrichtung kann in diesem Fall als Scannereinrichtung bzw. als Strahlformungseinheit dienen.
Der Scanvorgang kann mit einem in eine einzige Beugungsordnung gebeugten Laserstrahl durchgeführt werden, es ist aber auch möglich, mit einem auf zwei oder mehr Beugungsordnungen (maximal ±(N-1)/2 Beugungsordnungen) aufgeteilten Laserstrahl, d.h. mit zwei oder mehr kombinierten Laserstrahlen, einen diskreten Scanvorgang zu realisieren. In diesem Fall kann mit Hilfe der Steuerungseinrichtung die Phasenbeziehung bzw. die Phase eines jeweiligen kohärenten Laserstrahls eingestellt werden, die zur Beugung bzw. zur Aufteilung des kombinierten Laserstrahls auf mindestens zwei unterschiedliche Beugungsordnungen benötigt wird. Durch die Variation der Phase der kohärenten Laserstrahlen kann die Leistungsverteilung auf die verschiedenen Beugungsordnungen verändert werden, in welche die mindestens zwei kombinierten Laserstrahlen gebeugt werden. Auf diese Weise kann ein diskreter Scanvorgang mit einer Anzahl von kombinierten Laserstrahlen erfolgen, wobei das Scanfeld zwischen der -((N-1)/2). Beugungsordnung und der (N-1)/2. Beugungsordnung liegt und N die Anzahl der kohärenten Laserstrahlen (in der jeweiligen Scan-Richtung) bezeichnet.
Die Steuerungseinrichtung kann die jeweilige Phase der kohärenten Laserstrahlen in Abhängigkeit von einer in einer Speichereinrichtung hinterlegten Parameter-Tabelle einstellen bzw. variieren, um den mindestens einen kombinierten Laserstrahl entlang einer vorgegebenen (diskreten) Bewegungsbahn zu bewegen. Der Steuerungseinrichtung können die jeweils einzustellenden Phasen auch von außen, z.B. durch einen Benutzer, vorgegeben werden oder die einzustellenden Phasen können in Abhängigkeit von mindestens einer Messgröße vorgegeben bzw. variiert werden, die beispielsweise mit Hilfe einer Sensor-Anordnung gemessen wird, d.h. es kann eine Regelung der Phasen auf einen jeweiligen Soll-Wert erfolgen. Für den Fall, dass bei der Strahlkombination der mindestens eine kombinierte Laserstrahl bzw. mindestens ein kombinierter Laserstrahl nicht in die nullte Beugungsordnung gebeugt wird, ist es in der Regel erforderlich, für die Phasen-Detektion ein Sensor- Array oder ggf. einen ortsauflösenden Sensor zu verwenden.
Für den Fall, dass der kombinierte Laserstrahl mittels einer Linse bzw. abbildenden Optik abgebildet wird, propagiert der (mindestens eine) kombinierte Laserstrahl nicht mehr entlang der optischen Achse, sondern parallel versetzt zur optischen Achse. Der Betrag des Parallel-Versatzes des kombinierten Laserstrahls hängt von der höheren Beugungsordnung (± 1 , ± 2; ± 0,5, ± 1 ,5 etc.) ab, in die dieser gebeugt wird. Für den Fall, dass die Raster-Positionen in einer zweidimensionalen Rasteranordnung angeordnet sind, kann der (mindestens eine) kombinierte Laserstrahl auf diese Weise in zwei typischerweise zueinander senkrechten Richtungen parallel zur optischen Achse versetzt werden, und zwar innerhalb einer weiteren Rasteranordnung, welche der Rasteranordnung der kohärenten Laserstrahlen entspricht.
Bei einer Weiterbildung ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet, die jeweilige zusätzliche Phase der kohärenten Laserstrahlen zur Veränderung einer ersten Beugungsordnung, in die ein erster kombinierter Laserstrahl gebeugt wird, und/oder zur Veränderung einer zweiten Beugungsordnung, in die ein zweiter kombinierter Laserstrahl gebeugt wird, zu variieren. Bei dieser Ausführungsform werden die kohärenten Laserstrahlen von der Strahlkombinationseinrichtung zu mindestens zwei gebeugten Laserstrahlen kombiniert. Um dies zu erreichen, werden die jeweiligen (zusätzlichen) Phasen der kombinierten Laserstrahlen geeignet gewählt, wozu ein iterativer, z.B. stochastischer Optimierungsalgorithmus eingesetzt werden kann, um gezielt die (±(N-1)/2-te oder nullte) Beugungsordnung des ersten kombinierten Laserstrahls sowie die (±(N-1)/2-te oder nullte) Beugungsordnung des zweiten kombinierten Laserstrahls zu variieren bzw. einzustellen. Es versteht sich, dass eine variable Strahlteilung nicht auf zwei kombinierte Laserstrahlen beschränkt ist, sondern auch mit mehr als zwei kombinierten Laserstrahlen durchgeführt werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung zur Einstellung einer jeweiligen zusätzlichen Phase der kohärenten Laserstrahlen zur Erzeugung einer vorgegebenen, insbesondere unterschiedlichen Leistung der mindestens zwei in verschiedene Beugungsordnungen gebeugten kombinierten Laserstrahlen ausgebildet. Insbesondere kann die Steuerungseinrichtung zur Variation der jeweiligen zusätzlichen Phase eines der kohärenten Laserstrahlen in Abhängigkeit von einer Anordnung der jeweiligen Raster-Position des kohärenten Laserstrahls innerhalb der Rasteranordnung ausgebildet sein, um die vorgegebene, insbesondere unterschiedliche Leistung bzw. die Leistungs-Verteilung zeitlich zu verändern.
Die Eingangs-Leistung kann auf die jeweiligen kombinierten Laserstrahlen gleich verteilt werden, es ist aber auch möglich, eine vorgegebene, unterschiedliche Aufteilung der Eingangs-Leistung auf die mindestens zwei in unterschiedliche Beugungsordnungen kombinierten Laserstrahlen vorzunehmen sowie diese Aufteilung ggf. zeitlich zu variieren.
Für den Fall der Kombination der kohärenten Laserstrahlen zu einem ersten, in die nullte Beugungsordnung gebeugten kombinierten Laserstrahl und zu einem zweiten, in die ±1. Beugungsordnung in der ersten Richtung gebeugten kombinierten Laserstrahl kann die Aufteilung der Eingangs-Leistung p auf die 0. bzw. auf die ±1. Beugungsordnung beispielsweise wie folgt erfolgen: p0 = C p; p±i = (1 - C) p, mit 0 < C < 1. Für die beiden Fälle C = 1 bzw. C = 0 wird nur ein kombinierter, in die 0. bzw. in die ±1. Beugungsordnung gebeugter kombinierter Laserstrahl erzeugt. Für den Fall C = 0,5 wird die Hälfte der Eingangs-Leistung p in die 0. Beugungsordnung und die andere Hälfte in die ±1. Beugungsordnung gebeugt.
Für die zusätzliche Phase eines jeweiligen kohärenten Laserstrahls an einer a-ten Raster-Position in der ersten Richtung, welche die oben angegebene Leistungs- Aufteilung mit dem Faktor C erzeugt, gilt:
Δφ a = ± C (2 π / N) (a - (N+1 ) / 2), wobei für ein positives Vorzeichen in obiger Gleichung ein Anteil der Eingangs- Leistung p in die -1. Beugungsordnung gebeugt wird und wobei für ein negatives Vorzeichen in obiger Gleichung ein Anteil der Eingangs-Leistung in die +1. Beugungsordnung gebeugt wird. Die obige Gleichung kann analog zu den weiter oben angegebenen Gleichungen für die zusätzliche Phase Δφ a auf den zweidimensionalen Fall verallgemeinert werden, wobei sich nachfolgende Formel für die zusätzliche Phase Δφ a,b ergibt:
Δφ a b, = ± C (2 π / N) (a - (N+1 ) / 2) ± C (2 π / M) (b- (M+1 ) / 2).
Der Faktor C kann konstant gewählt oder zeitabhängig verändert werden. In letzterem Fall kann die Vorrichtung in der Art einer akusto-optischen oder elektro- mechanischen Komponenten in Form von Deflektoren bzw. Modulatoren betrieben werden. Die obigen Formeln für die zusätzliche Phase gelten allgemein für den Fall, dass die Eingangs-Leistung zwischen zwei unmittelbar benachbarten Beugungsordnungen aufgeteilt werden soll. Für den Fall, dass die Grund-Phase so eingestellt wird, dass eine Beugung der kohärenten Laserstrahlen in die +1. Beugungsordnung erfolgt, erfolgt die Aufteilung der Eingangs-Leistung zwischen der +1. Beugungsordnung und der +2. Beugungsordnung.
Bei einer Anzahl M von mehr als zwei kombinierten Laserstrahlen kann die Aufteilung beispielsweise in Form einer (linearen) Leistungs-Rampe realisiert werden, bei der ein erster kombinierter Laserstrahl mit einer maximalen Leistung Pk.max in die k-te Beugungsordnung gebeugt wird und bei der die übrigen M-1 kombinierten Laserstrahlen mit einer in Bezug auf die maximale Leistung pk.max reduzierten Leistung in die übrigen M-1 Beugungsordnungen gebeugt werden. Für die Leistungs-Verteilung in Form eines Leistungs-Keils kann beispielsweise gelten: a / M Pk.max , mit a = 1 ,... , M. Für das Beispiel einer Anzahl von fünf gebeugten kombinierten Laserstrahlen ergeben sich Anteile von 100%, 80%, 60%, 40% und 20% der maximalen Leistung pk,max·
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Lasersystem, umfassend: eine Seed- Laserquelle zur Erzeugung eines Seed-Laserstrahls, sowie eine Vorrichtung wie weiter oben beschrieben zur Kombination der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen, wobei der Seed-Laserstrahl bevorzugt den Eingangs-Laserstrahl der Vorrichtung bildet. Die Seed-Laserquelle ist bevorzugt ausgebildet, den Seed- Laserstrahl mit einer spektralen Bandbreite von weniger als 100 nm, besonders bevorzugt von weniger als 50 nm, insbesondere von weniger als 10 nm sowie bevorzugt mit einem räumlichen Grundmode (Single-Mode-Laserstrahl) zu erzeugen. Der Seed-Laserstahl kann der Vorrichtung direkt bzw. über geeignete strahlführende optische Elemente zugeführt werden. Der Seed-Laserstrahl kann vor dem Eintritt in die weiter oben beschriebene Vorrichtung in mindestens einem optischen Verstärker verstärkt werden. Insbesondere in diesem Fall kann auf das Vorsehen von Verstärkern, z.B. in Form von Verstärker-Fasern, zur Verstärkung der einzelnen kohärenten Laserstrahlen in der Vorrichtung ggf. vollständig verzichtet werden.
Durch die Verstärkung des Seed-Laserstrahls vor dem Eintritt in die Vorrichtung kann ggf. auf eine aktive Regelung der Phasen der einzelnen kohärenten Laserstrahlen verzichtet werden. In diesem Fall kann an den jeweiligen Phasen- Einstelleinrichtungen eine statische - bzw. zur gezielten Veränderung der jeweiligen Beugungsordnung variierende - Phase eingestellt werden, die nicht nachgeregelt werden muss. Alternativ ist es möglich, dass es sich bei dem Eingangs-Laserstrahl selbst um einen kombinierten Laserstrahl handelt, wie nachfolgend näher beschrieben ist.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Lasersystem zusätzlich eine weitere Vorrichtung zur Kombination einer Mehrzahl von weiteren kohärenten Laserstrahlen, umfassend: eine weitere Aufteilungseinrichtung zur Aufteilung des Seed-Laserstrahls bzw. des (weiteren) Eingangs-Laserstrahls auf die Mehrzahl von weiteren kohärenten Laserstrahlen, eine Mehrzahl von weiteren Phasen-Einstelleinrichtungen zur Einstellung einer jeweiligen Phase eines der weiteren kohärenten Laserstrahlen, sowie eine weitere Strahlkombinationseinrichtung zur Kombination der weiteren kohärenten Laserstrahlen, die von einer Mehrzahl von weiteren Raster-Positionen einerweiteren Rasteranordnung ausgehen, wobei die weitere Strahlkombinationseinrichtung eine weitere Mikrolinsenanordnung mit mindestens einem weiteren Mikrolinsen-Array aufweist, sowie eine weitere Steuerungseinrichtung, die zur Einstellung der jeweiligen Phase eines der weiteren kohärenten Laserstrahlen in Abhängigkeit von einer Anordnung der jeweiligen weiteren Raster-Position innerhalb der weiteren Rasteranordnung ausgebildet ist, um die kohärenten weiteren Laserstrahlen zu genau einem in genau eine Beugungsordnung gebeugten Laserstrahl zu kombinieren, welcher den Eingangs- Laserstrahl der Aufteilungseinrichtung der Vorrichtung bildet. Um die weiter oben beschriebenen Probleme bei hohen mittleren Laserleistungen zu vermeiden, hat es sich als günstig erwiesen, wenn auch die weitere Mikrolinsenanordnung genau ein Mikrolinsen-Array aufweist, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Insbesondere kann die Leistung der kohärenten Laserstrahlen in weiteren Vorrichtung so gering sein, dass auch die Verwendung von zwei (oder mehr) Mikrolinsen-Arrays möglich ist.
Die weitere Steuerungseinrichtung der weiteren Vorrichtung ist in diesem Fall ausgebildet bzw. programmiert, die weiteren kohärenten Laserstrahlen zu einem in die nullte Beugungsordnung oder in eine von der nullten verschiedene Beugungsordnung gebeugten Laserstrahl zu kombinieren, indem die weiter oben in Zusammenhang mit der Vorrichtung beschriebenen Grund-Phasen eingestellt werden.
Bei dieser Ausführungsform wird eine weitere Vorrichtung zur Kombination einer Mehrzahl von weiteren kohärenten Laserstrahlen dazu verwendet, um den Eingangs- Laserstrahl für die weiter oben beschriebene Vorrichtung zu erzeugen. Die weitere Vorrichtung bildet in diesem Fall aus dem Seed-Laserstrahl einen verstärkten kombinierten weiteren Laserstrahl, der den Eingangs-Laserstrahl der Vorrichtung bildet. Auch in diesem Fall kann auf das Vorsehen von Verstärkern innerhalb der Vorrichtung, insbesondere im Strahlweg nach der Aufteilungseinrichtung, ggf. vollständig verzichtet werden. Da in die Vorrichtung ein verstärkter Eingangs- Laserstrahl eingekoppelt wird, kann ggf. auf eine aktive Phasen-Einstellung bzw. Phasen-Regelung in der Vorrichtung verzichtet werden, so dass die Ablenkung des mindestens einen kombinierten Laserstrahls in der Vorrichtung nicht durch eine Phasen-Regelung verlangsamt wird. Eine in der weiteren Vorrichtung zur Kombination der weiteren kohärenten Laserstrahlen vorgesehene aktive Stabilisierung der Phasen-Einstellungen mittels eines Regelkreises vereinfacht sich in diesem Fall, da nur auf die nullte Beugungsordnung stabilisiert werden muss.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kombinieren einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen, insbesondere mittels der weiter oben beschriebenen Vorrichtung, das Verfahren umfassend: Einkoppeln der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen, die von einer Mehrzahl von in einer Rasteranordnung angeordneten Raster-Positionen ausgehen, in eine Mikrolinsenanordnung, die genau ein Mikrolinsen-Array aufweist, sowie Kombinieren der kohärenten Laserstrahlen in der Mikrolinsenanordnung zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann die kohärente Kombination der Laserstrahlen mit ausreichender Kombinationseffizienz auch mit Hilfe eines einzigen Mikrolinsen- Arrays erreicht werden, wenn die Parameter geeignet gewählt werden, wie dies weiter oben in Zusammenhang mit der Vorrichtung beschrieben ist.
Bei einer Variante umfasst das Verfahren: Einstellen einer jeweiligen Phase eines der kohärenten Laserstrahlen in Abhängigkeit von einer Anordnung der jeweiligen Raster-Position in der Rasteranordnung zum Kombinieren der kohärenten Laserstrahlen zu mindestens einem in mindestens eine Beugungsordnung gebeugten Laserstrahl, wobei das Verfahren bevorzugt umfasst: Variieren der jeweiligen Phase der kohärenten Laserstrahlen in Abhängigkeit von einer Anordnung der jeweiligen Raster-Position innerhalb der Rasteranordnung, um eine Beugungsordnung zu verändern, in die der mindestens eine kombinierte Laserstrahl gebeugt wird. Durch die Variation der Phasen kann ein hochdynamischer, diskreter Scanprozess in einer oder in zwei Richtungen erfolgen. Wie weiter oben in Zusammenhang mit der Vorrichtung beschrieben wurde, kann auch bei dem Verfahren zum Kombinieren der Mehrzahl von Laserstrahlen gezielt von den Grund-Phasen bzw. von Phasenunterschieden zwischen den kohärenten Laserstrahlen für eine im Hinblick auf die Strahlqualität optimierte Kombination in der nullten oder in einer höheren Beugungsordnung abgewichen werden, um eine kontrollierte, schnelle Strahlablenkung bzw. eine kontrollierte Strahlteilung vorzunehmen. Bei einer Strahlablenkung bzw. der Strahlteilung mit geeignet gewählten zusätzlichen Phasen der einzelnen kohärenten Laserstrahlen resultiert ein vernachlässigbarer Effizienzverlust für die jeweilige Beugungsordnung. Die zusätzlichen Phasen der einzelnen kohärenten Laserstrahlen können insbesondere die weiter oben in Zusammenhang mit dem Lasersystem bzw. mit der Vorrichtung angegebenen Gleichungen für Δφ a bzw. für Δφ a, b erfüllen. Auch die Grund-Phasen δφ a bzw. δφ a, b erfüllen typischerweise die weiter oben in Zusammenhang mit der Vorrichtung beschriebenen Gleichungen.
Bei einer weiteren Variante umfasst das Verfahren: Variieren der jeweiligen zusätzlichen Phasen der kohärenten Laserstrahlen zur Veränderung einer ersten Beugungsordnung, in die ein erster kombinierter Laserstrahl gebeugt wird, und/oder zur Veränderung einer zweiten Beugungsordnung, in die ein zweiter kombinierter Laserstrahl gebeugt wird ausgehend von einer jeweiligen Grund-Phase, bei der die Strahlkombinationseinrichtung die kohärenten Laserstrahlen zu einem einzigen in genau eine Beugungsordnung gebeugten Laserstrahl kombiniert.
Wie weiter oben beschrieben wurde, kann durch die Variation der Phasen eine hochdynamische Strahlteilung realisiert werden, bei welcher zwei, drei oder ggf. mehr (maximal N bzw. N x M) kombinierte Laserstrahlen erzeugt und/oder die Position bzw. die Ausrichtung von maximal N-1 bzw. maximal (N-1) x (M -1) kombinierten Laserstrahlen verändert werden können. Es versteht sich, dass der weiter oben in Zusammenhang mit einem einzigen kombinierten Laserstrahl beschriebene Scanprozess auch mit der Aufteilung auf zwei oder mehr kombinierte Laserstrahlen kombiniert werden kann.
Bei einerweiteren Variante umfasst das Verfahren: Einstellen einer jeweiligen zusätzlichen Phase der kohärenten Laserstrahlen zur Erzeugung einer vorgegebenen, insbesondere unterschiedlichen Leistung der mindestens zwei in verschiedene Beugungsordnungen gebeugten kombinierten Laserstrahlen ausgehend von einer jeweiligen Grund-Phase, bei der die Strahlkombinations- einrichtung die kohärenten Laserstrahlen zu einem einzigen in genau eine Beugungsordnung gebeugten Laserstrahl kombiniert. Wie weiter oben in Zusammenhang mit der Vorrichtung beschrieben wurde, kann die Eingangs-Leistung auf die zwei oder mehr kombinierten Laserstrahlen gleich verteilt werden, es ist aber auch möglich, gezielt von einer Gleichverteilung auf die Mehrzahl von kombinierten Laserstrahlen abzuweichen.
Wie weiter oben beschrieben wurde, ist es günstig, wenn die kohärenten Laserstrahlen und die Mikrolinsenanordnung die oben angegebenen Bedingungen N = px 2 / (λL fML) bzw. M = pY 2 / (λL fML) erfüllen (wobei von einer identischen Brennweite fML ausgegangen wird). Auch ist es vorteilhaft, wenn benachbarte kohärente Laserstrahlen mit einer vorgegebenen Winkeldifferenz δθx bzw. δθy in das Mikrolinsen-Array eingekoppelt werden, für die gilt: δθx = λL / px bzw. δθy = λL / py.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich- nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschlie- ßende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1a-c eine schematische Darstellung eines Lasersystems mit einer Vorrichtung zur Kombination einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen, die in einer Mehrzahl von Verstärker-Fasern verstärkt werden,
Fig. 1b eine schematische Darstellung eines Lasersystems analog zu Fig. 1a, bei dem der Vorrichtung ein verstärkter Seed-Laserstrahl zugeführt wird, Fig. 1c eine schematische Darstellung eines Lasersystems analog zu Fig. 1b mit einer weiteren Vorrichtung zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen, die zur Verstärkung des Seed-Laserstrahls dient,
Fig. 2a eine Darstellung einer Strahlkombinationseinrichtung des Lasersystems von Fig. 1a-c, die eine Einkoppeloptik und eine Mikrolinsenanordnung mit einem einzigen Mikrolinsen-Array umfasst,
Fig. 2b eine Darstellung einer Strahlkombinationseinrichtung des Lasersystems von Fig. 1a-c, die eine Mikrolinsenanordnung mit einem Mikrolinsen-Array ohne Einkoppeloptik umfasst,
Fig. 3 eine Darstellung der Intensitäten der kohärenten Laserstrahlen und des kombinierten Laserstrahls bei der Strahlkombinationseinrichtung von Fig. 2b,
Fig. 4a, b Darstellungen einer eindimensionalen Anordnung von vier bzw. fünf kohärenten Laserstrahlen mit einer jeweils zugeordneten Grund-Phase bzw. einer zusätzlichen Phase zur Erzeugung eines einzigen gebeugten Laserstrahls,
Fig. 5a, b Darstellungen des Fernfeldes der Strahlkombinationseinrichtung bei
Verwendung der in Fig. 4b gezeigten Phasen bzw. bei der Verwendung von Phasen, bei denen der kombinierte Laserstrahl in zwei unterschiedliche Beugungsordnungen gebeugt wird,
Fig. 6a-c Darstellungen von drei Strahlkombinationseinrichtungen, bei denen Raster-Positionen der kohärenten Laserstrahlen jeweils in einer zweidimensionalen Rasteranordnung angeordnet sind,
Fig. 7 eine Darstellung einer zweidimensionalen Anordnung von 5 x 5 kohärenten Laserstrahlen mit einer jeweils zugeordneten zusätzlichen Phase zur Erzeugung eines einzigen oder mehrerer gebeugter Laserstrahlen, Fig. 8 eine Darstellung des Fernfeldes der Strahlkombinationseinrichtung, bei dem die Phasen so gewählt sind, dass der kombinierten Laserstrahl in genau eine Beugungsordnung gebeugt wird, sowie
Fig. 9 eine Darstellung des Fernfeldes der Strahlkombinationseinrichtung, bei dem die Phasen so gewählt sind, dass zwei kombinierte Laserstrahlen in zwei unterschiedliche Beugungsordnungen gebeugt werden.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1a zeigt einen beispielhaften Aufbau eines Lasersystems 1, welches eine Laserquelle 2 zur Erzeugung eines Seed-Laserstrahls 2a aufweist. Die Laserquelle 2 weist zu diesem Zweck einen modengekoppelten Faser-Master-Oszillator auf, der den Seed-Laserstrahl 2a mit einer Laserwellenlänge λL erzeugt. Der Seed- Laserstrahl 2a der Laserquelle 2 wird als Eingangs-Laserstrahl 9 einer Vorrichtung 5 zur Kombination einer Anzahl N von kohärenten Laserstrahlen 3.1, 3.2, ..., 3.N zugeführt. Die Vorrichtung 5 weist eine herkömmliche 1-zu-N-Aufteilungseinrichtung 4, beispielsweise in Form eines Faser-Splitters, auf, um den Eingangs-Laserstrahl 9, welcher dem Seed-Laserstrahl 2a entspricht, in die Anzahl N von kohärenten Laserstrahlen 3.1,..., 3. N aufzuteilen. Die kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N durchlaufen eine entsprechende Anzahl N von Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1, ..., 6.N, welche die Einstellung einer jeweiligen individuellen Phase δφ a + Δφ a der kohärenten Laserstahlen 3.1, ..., 3.N (a = 1, ..., N) ermöglichen, indem sie eine geeignete Phasen-Verzögerung bewirken. Die Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1, ..., 6.N können beispielsweise als Elektro-optische Modulatoren oder Deflektoren, z.B. unter Verwendung von Flüssigkristallen, als akusto-optische Modulatoren oder Deflektoren, als elektro-mechanische Modulatoren oder Deflektoren, z.B. in Form von aktuierbaren Piezo-Spiegeln, etc. ausgebildet sein.
Nach den Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1, ..., 6.N durchlaufen die kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N eine entsprechende Anzahl N von Verstärker-Fasern 7.1, ..., 7.N, um die kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N zu verstärken. Die Stirnseiten der Verstärker-Fasern 7.1, ... 7.N dienen als Emissionsflächen bzw. diese bilden
Raster-Positionen 8.1, ..., 8.N, an denen die kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N emittiert werden. Die Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1 , ..., 6.N können auch hinter den Verstärker-Fasern 7.1 , ... , 7.N angeordnet sein oder direkt auf die Verstärker- Fasern 7.1, ..., 7.N einwirken, beispielsweise indem diese eine einstellbare mechanische Spannung auf die Verstärker-Fasern 7.1, ..., 7.N erzeugen.
Die kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N können an einer nicht bildlich dargestellten Umlenkeinrichtung, die eine Mehrzahl von Umlenkspiegeln aufweist, umgelenkt werden, um den Füllfaktor zu erhöhen, d.h. um den Abstand zwischen benachbarten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N bzw. Raster-Positionen 8.1, ..., 8.N zu verringern. Es versteht sich, dass die Umlenkeinrichtung nicht zwingend erforderlich ist. Die kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N treten im gezeigten Beispiel parallel zueinander ausgerichtet in eine Strahlkombinationseinrichtung 10 ein, die eine Mikrolinsenanordnung 11 in Form eines nicht abbildenden Homogenisierers mit einem Mikrolinsen-Array 17 zur kohärenten Kombination der Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N für die Bildung eines kombinierten Laserstrahls 12 oder von mehreren kombinierten Laserstrahlen 12a,b aufweist (letzteres ist in Fig. 1a nicht gezeigt).
Wie in Fig. 1a zu erkennen ist, wird ein Anteil 12c des kombinierten Laserstrahls 12 über eine Auskoppeleinrichtung in Form eines teiltransmissiven Spiegels 13 ausgekoppelt und trifft auf einen ortsauflösenden Detektor 14, z.B. in Form eines Sensor-Arrays oder einer Kamera. Der Detektor 14 steht mit einer Steuerungseinrichtung 15 des Lasersystems 1 in signaltechnischer Verbindung, welche die Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1, ..., 6.N ansteuert, um die individuellen Phasen δφ a + Δφ a der Laserstahlen 3.1, ... , 3. N in Abhängigkeit von den Eigenschaften des detektierten Anteils 12a des kombinierten Laserstrahls 12 anzupassen. Die Steuerungseinrichtung 15 kann insbesondere eine Regelung der Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1, ..., 6.N zur Erzeugung von gewünschten (Soll- )Phasen δφ a + Δφ a der Laserstahlen 3.1, ... , 3. N in Abhängigkeit von den Eigenschaften des detektierten Anteils 12a des kombinierten Laserstrahls 12 ermöglichen. Obgleich im gezeigten Beispiel die Anzahl N von Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1, ..., 6.N der Mehrzahl N von Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N entspricht, ist in der Regel eine Anzahl von N - 1 Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1, ..., 6.N-1 ausreichend. Bei dem in Fig. 1a gezeigten Lasersystem 1 kann einerseits eine hohe Strahlqualität von z.B. M = 1,3 des kombinierten Laserstrahls 12 erreicht werden, andererseits kann durch die Verstärkung in den Verstärker-Fasern 7.1, ..., 7.N eine deutliche Erhöhung der Leistung der Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N erreicht werden.
Fig. 1b zeigt ein Lasersystem 1, welches sich von dem in Fig. 1a gezeigten Lasersystem 1 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass die kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N in der Vorrichtung 5 nicht mit Hilfe einer Mehrzahl von Verstärker-Fasern 7.1, ..., 7.N. oder mit Hilfe von anderen optischen Verstärkern verstärkt werden. Bei dem in Fig. 1b gezeigten Lasersystem 1 wird vielmehr der Seed-Laserstrahl 2a in einer Verstärker-Faser 7 verstärkt. Der verstärkte Seed- Laserstrahl 2a wird der Vorrichtung 5 als Eingangs-Laserstrahl 9 zugeführt. Die Vorrichtung 5 von Fig. 1b ist analog zu der in Fig. 1a gezeigten Vorrichtung 5 ausgebildet. Die Aufteilungseinrichtung 4 kann auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein, beispielsweise als Strahlteiler, z.B. in Form von mehreren in Reihe geschaltete Strahlteilerwürfeln, als Polarisationsstrahlteiler, als Segmentspiegel oder als Mikrolinsenanordnung mit (mindestens) zwei Mikrolinsen-Arrays. Die Verwendung von zwei Mikrolinsen-Arrays zur Strahlaufteilung ist auch bei höheren Leistungen möglich, wenn die System parameter geeignet gewählt werden (geringer Formfaktor, großer Rasterabstand), so dass das zweite Mikrolinsen-Array nicht in der Brennebene des ersten Mikrolinsen-Arrays angeordnet ist.
Im Fall einer Aufteilungseinrichtung in Form eines Mikrolinsenarrays sind die Raster- Positionen 8.1, ... , 8. N der kohärenten Laserstrahlen 3.1, ... , 3. N nicht an den Stirnseiten der Verstärker-Fasern 7.1, ..., 7.N gebildet, sondern diese befinden sich in einer Brennebene eines im Strahlengang zweiten Mikrolinsen-Arrays der Aufteilungseinrichtung 4, d.h. im Fernfeld bzw. in der Brennebene des zweiten Mikrolinsen-Arrays der Aufteilungseinrichtung 4. Die Raster-Positionen 8.1, ..., 8.N der kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N in der Brennebene bilden eine Rasteranordnung 16, bei der benachbarte Raster-Positionen 8.1, ..., 8.N denselben Abstand voneinander aufweisen, d.h. äquidistant angeordnet sind. Die Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1 , ..., 6.N sind bei der in Fig. 1 b gezeigten
Vorrichtung 1 ausgebildet, die Phasen δφ a + Δφ a der Laserstahlen 3.1 , ... , 3.N in Freistrahl-Propagation einzustellen. Bei den Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1 , ... ,
6.N kann es sich beispielsweise um elektro-optische oder um akusto-optische Modulatoren oder Deflektoren handeln. Bei der in Fig. 1 b gezeigten Vorrichtung 5 dient die Steuerungseinrichtung 15 ebenfalls dazu, die Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1 , ... , 6.N anzusteuern. Auf die in Zusammenhang mit Fig. 1a beschriebene aktive Regelung der Phasen δφ a + Δφ a der Laserstahlen 3.1 , ... , 3. N kann bei der in Fig. 1 b gezeigten Vorrichtung 5 zumindest bei nicht zu großen Strahlungsleistungen der Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.N verzichtet werden, d.h. die Steuerungseinrichtung 15 kann die (statischen) Soll-Phasen δφ a + Δφ a an den Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1 , ... , 6.N einstellen, ohne dass eine Nachregelung erforderlich ist. Aufgrund der nicht benötigten aktiven Phasenanpassung bzw. Regelung kann bei der Vorrichtung 5 ein schnelleres Ablenken des bzw. der kombinierten Laserstrahlen 12, 12a,b erfolgen als dies bei der in Fig. 1a gezeigten Vorrichtung 5 der Fall ist.
Fig. 1 c zeigt ein Lasersystem 1 , welches wie in Fig. 1 b ausgebildet ist, wobei das Lasersystem 1 von Fig. 1 c zur Verstärkung des Seed-Laserstrahls 2a an Stelle des in Fig. 1 b gezeigten Verstärkers 7 eine weitere Vorrichtung 5' zur Kombination einer Mehrzahl N von weiteren Laserstrahlen 3.1 ', ... , 3.N' aufweist, die analog zu der in Fig. 1a gezeigten Vorrichtung 5 ausgebildet ist. Der weiteren Vorrichtung 5' wird der Seed-Laserstrahl 2a als Eingangs-Laserstrahl 9' zugeführt und mittels einer weiteren 1-zu-N-Aufteilungseinrichtung 4‘ auf eine Anzahl N von weiteren kohärenten Laserstrahlen 3.1 ', ... , 3.N' aufgeteilt. Die Anzahl N von weiteren kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ... , 3. N durchläuft eine entsprechende Anzahl N von weiteren Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1', ... , 6.N', welche die Einstellung einer jeweiligen individuellen (Grund-)Phase δφ a der weiteren kohärenten Laserstahlen 3.1', ... , 3.N' (a = 1 , ... , N) ermöglichen, indem sie eine geeignete Phasen-Verzögerung bewirken.
Nach den weiteren Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1 ', ... , 6.N' durchlaufen die weiteren kohärenten Laserstrahlen 3.1'', ... , 3.N' eine entsprechende Anzahl N von weiteren Verstärker-Fasern 7.1' , ... , 7.N‘, um die weiteren kohärenten Laserstrahlen 3.1 ', ... , 3.N' zu verstärken. Die Stirnseiten der weiteren Verstärker-Fasern 7.1 ', ... , 7.N' dienen als Emissionsflächen bzw. diese bilden weitere Raster-Positionen 8.1 ', ..., 8.N‘, an denen die weiteren kohärenten Laserstrahlen 3.1', ..., 3.N' emittiert werden. Die individuellen Phasen δφ a der weiteren kohärenten Laserstahlen 3.1', ..., 3.N' werden mit Hilfe einerweiteren Steuerungseinrichtung 15' gesteuert bzw. in Abhängigkeit von einem Detektor-Signal eines weiteren Detektors 14' geregelt, welcher einen Anteil 12a' des mit Hilfe der weiteren Vorrichtung 5' kombinierten weiteren Laserstahls 12' detektiert, der an einerweiteren Auskoppeleinrichtung 13' ausgekoppelt wird.
Die Steuerungseinrichtung 15' der in Fig. 1c gezeigten weiteren Vorrichtung 5' ist ausgebildet bzw. programmiert, die individuellen (Grund-)Phasen δφ a der weiteren kohärenten Laserstrahlen 3.1', ... , 3. N' in Abhängigkeit von einer Anordnung der dem jeweiligen weiteren Laserstrahl 3.1', ..., 3.N' zugeordneten weiteren Raster-Position 8.1', ..., 8.N' so einzustellen, dass die kohärenten weiteren Laserstrahlen 3.1', ...,
3.N' zu einem in die nullte Beugungsordnung gebeugten Laserstrahl 12' kombiniert werden. Der kombinierte Laserstrahl 12' bildet den Eingangs-Laserstrahl 9 für die Vorrichtung 5 zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N, die wie in Fig. 1b dargestellt ausgebildet ist. Durch die Verstärkung des Seed-Laserstrahls 5 in der weiteren Vorrichtung 5' kann wie in Fig. 1 b auf die Verstärkung des Eingangs- Laserstrahls 9 in der Vorrichtung 5 verzichtet werden.
Die in Fig. 1a-c gezeigten Lasersysteme 1 sind für hohe mittlere Laserleistungen in der Größenordnung von kW und hohe Pulsenergien in der Größenordnung von mJ geeignet, da die Strahlkombinationseinrichtung 10 bzw. die Mikrolinsenanordnung 11 jeweils nur ein Mikrolinsen-Array 17, 17' aufweisen.
Fig. 2a zeigt eine Strahlkombinationseinrichtung 10 analog zur Vorrichtung 5 von Fig. 1a-c zur Kombination einer (beispielhaften) Anzahl von N = 5 kohärenten Laserstrahlen 3.1,..., 3.5. Die Strahlkombinationseinrichtung 10 weist eine Mikrolinsenanordnung 11 mit genau einem Mikrolinsen-Array 17 sowie eine Einkoppeloptik 18 auf. Fünf in Fig. 2a nicht bildlich dargestellte Phasen- Einstelleinrichtungen dienen zur Einstellung der Phasen δφ1 + Δφ1 , ... , δφ5 + Δφ5 der fünf Laserstrahlen 3.1, ..., 3.5 derart, dass sich in Kombination mit der Einkoppeloptik 18 eine Phasenfront an der Mikrolinsenanordnung 11 ausbildet, welche eine kohärente Kombination der Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5 zu dem kombinierten Laserstrahl 12 möglichst unter vollständiger Erhaltung der Strahlqualität ermöglicht. Die Raster-Positionen 8.1 ,... , 8.5 sind hierbei entlang einer Linie in X- Richtung angeordnet und die Laserstrahlen 3.1 ,... , 3.5 treten parallel ausgerichtet entlang einer einheitlichen Ausbreitungsrichtung (Z-Richtung) in die Einkoppeloptik 18 ein.
Die Raster-Positionen 8.1 ,... , 8.5 bzw. die kohärenten Laserstrahlen 3.1 ,... , 3.5 sind hierbei äquidistant, d.h. in gleichen Abständen δx, entlang der X-Richtung angeordnet. Die Einkoppeloptik 18 ist ausgebildet, benachbarte kohärente Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5 mit einer vorgegebenen Winkeldifferenz δθx in die Mikrolinsenanordnung 11 bzw. in das Mikrolinsen-Array 17 einzukoppeln, für die gilt: δθx = λL / px , wobei λL die (einheitliche) Wellenlänge der Laserstrahlen 3.1 ,... , 3.5 und px einen Rasterabstand (pitch) der Mikrolinsen 20 des Mikrolinsen-Arrays 17 in X-Richtung bezeichnen.
Um die Winkeldifferenz δθx zu erzeugen, weist die Einkoppeloptik 18 eine Fokussiereinrichtung in Form einer Fokussierlinse 19, genauer gesagt einer Zylinderlinse, auf, welche die Laserstrahlen 3.1 ,... , 3.5 auf die Mikrolinsenanordnung 11 , genauer gesagt auf das Mikrolinsen-Array 17 der Mikrolinsenanordnung 11 , fokussiert. Um die Bedingung an die Winkeldifferenz δθx zu erfüllen, sind bei dem in Fig. 2a gezeigten Beispiel die Raster-Positionen 8.1 , ... , 8.5 in einer eindimensionalen Rasteranordnung 16 in einem Abstand δx angeordnet, der gegeben ist durch δx = λL fFLin / px, wobei fFLin die Brennweite der Fokussierlinse 19 bezeichnet, die in Fig. 2 im Abstand ihrer Brennweite fFLin von dem Mikrolinsen-Array 17 angeordnet ist.
Alternativ zur Anordnung auf einer gemeinsamen Linie können die Raster-Positionen 8.1 , ... , 8.5 auch in einer eindimensionalen Rasteranordnung 16 auf einem sich in X- Richtung erstreckenden Kreisbogen angeordnet sein. Hierbei sind kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5 an den jeweiligen Raster-Positionen 8.1 , ... , 8.5 unter einem jeweiligen Differenzwinkel δθx = λL / px zueinander ausgerichtet. Unter der Voraussetzung, dass die Intensitäten der von den Raster-Positionen 8.1 ,
... , 8.5 ausgehenden Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5 gleich groß sind, kann mittels der Mikrolinsenanordnung 11 der in Fig. 2a gezeigte kohärent überlagerte Laserstrahl 12 erzeugt werden, wenn das Mikrolinsen-Array 17 und die kombinierten Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5 folgende Gleichung (1 ) erfüllen:
N = px 2 / (λL fML) (1 ) wobei N die Anzahl der kohärenten Laserstrahlen (hier: N = 5) und fML die Brennweite des Mikrolinsen-Arrays 17 bezeichnen. Die Gleichung (1 ) sollte möglichst exakt eingehalten werden, da Abweichungen zu einer Verschlechterung der Strahlqualität des kombinierten Laserstrahls 12 führen.
Bei den Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5, die von den Raster-Positionen 8.1 , ... , 8.5 ausgehen, handelt es sich im gezeigten Beispiel um Single-Mode-Strahlen, d.h. diese weisen jeweils ein Gauß-Profil auf. Alternativ können die Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5 ein anderes Strahlprofil mit einem ggf. verminderten Grad an räumlicher Kohärenz aufweisen, beispielsweise ein Donought-förmiges Strahlprofil oder ein Top- Hat-Strahlprofil. Der Strahldurchmesser, genauer gesagt die Halbwerts-Breite des im gezeigten Beispiel Gauß-förmigen Strahlprofils der kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5 ist in Fig. 2a mit 2 ω FLMLx bezeichnet. Der Füllfaktor FFX der kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.N in X-Richtung ist definiert als das Verhältnis zwischen dem Strahldurchmesser 2 ω FLMLx und dem Abstand δx benachbarter kohärenter Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.N: FFX = 2 ω FLMLx / δx . Der Strahldurchmesser 2 ωFLAx , genauer gesagt die 1/e2-Breite, des kombinierten Laserstrahls 12 an dem Mikrolinsen-Array 17 hängt gemäß nachfolgender Formel vom Füllfaktor FFX ab: 2 wFLAx = 4 px / (π FFX) .
Die in Fig. 2b dargestellte Strahlkombinationseinrichtung 10 unterscheidet sich von der in Fig. 2a dargestellten Strahlkombinationseinrichtung 10 dadurch, dass keine Einkoppeloptik 18, insbesondere keine Fourierlinse 19, vorhanden ist. Die Rasteranordnung 16 mit den in äquidistanten Abständen δx angeordneten Raster- Positionen 8.1 , ... , 8.5 sind bei der in Fig. 2b dargestellten
Strahlkombinationseinrichtung 10 in der Brennebene des Mikrolinsen-Arrays 17 vor dem Mikrolinsen-Array 17 angeordnet, d.h. im Abstand der Brennweite fML vor dem Mikrolinsen-Array 17. Hierbei wird ausgenutzt, dass sich aufgrund des Talbot-Effekts die Helligkeitsverteilung des Mikrolinsen-Arrays 17 in der Brennebene wiederholt, in der die Rasteranordnung 16 angeordnet ist. Entsprechend ist es bei der in Fig. 2b gezeigten Strahlkombinationseinrichtung 10 erforderlich, dass die Raster-Positionen
8.1 , ... , 8. N in einem Abstand δx voneinander angeordnet sind, der dem Rasterabstand px der Mikrolinsen 20 des Mikrolinsen-Arrays 17 in X-Richtung entspricht, d.h. es gilt: δx = px .
Die Brennweite fML des Mikrolinsen-Arrays 17 liegt typischerweise bei weniger als ca. 70-80 mm und ist kleiner als die Rayleigh-Länge der Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5, so dass die Bedingung an die Winkeldifferenz δθx zwischen benachbarten kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5 nicht eingehalten werden muss. Entsprechend können die kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5 bei der in Fig. 2b dargestellten Strahlkombinationseinrichtung 10 parallel zueinander ausgerichtet auf das Mikrolinsen-Array 17 eingestrahlt werden.
Auch die Divergenz der Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5 an den Raster-Positionen 8.1 , ... , 8.5, die beispielsweise den Stirnseiten von Verstärker-Fasern als Emissionsflächen entsprechen können, von denen ein jeweiliger Laserstrahl 3.1 , ... , 3.5 ausgeht, hat aufgrund des geringen Abstands fML zu dem Mikrolinsen-Array 17 einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Kombinationseffizienz. Gegebenenfalls kann mit Hilfe einer geeigneten Strahlformungseinrichtung das Strahlprofil der Laserstrahlen
3.1 , ... , 3.N angepasst werden, beispielsweise in dem diese kollimiert bzw. fokussiert werden, d.h. die Raster-Positionen 8.1 , ... , 8.5 müssen nicht zwingend mit den Emissionsflächen an den Stirnseiten der Fasern übereinstimmen, sondern können beispielsweise in der Brennebene einer Mehrzahl von (z.B. sphärischen) Fokussierlinsen liegen.
Das Vorsehen einer solchen Strahlformungseinrichtung kann sinnvoll sein, um den Strahldurchmesser 2 ωFLMLx eines jeweiligen kohärenten Laserstrahls 3.1 , ... , 3.5 anzupassen, für den gelten sollte: 2 ω FLMLx = λL fML / px, sofern diese Bedingung nicht durch die Emissionsflächen an den Faserenden erfüllt wird. Die Intensität der kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.5 kann identisch gewählt werden, wie dies bei der in Fig. 2a beschriebenen Strahlformungseinrichtung 10 typischerweise der Fall ist. Es ist aber auch möglich bzw. günstig, wenn die maximalen Intensitäten der kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5 bei der in Fig. 2b gezeigten Strahlformungseinrichtung 10 an den Raster-Positionen 8.1 , ... , 8.5 eine jeweilige maximale Intensität aufweisen, deren Einhüllende einer Intensitätsverteilung I des kombinierten Laserstrahls 12 an bzw. unmittelbar nach dem Mikrolinsen-Array 17 entspricht, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Bei der Intensitätsverteilung I des kombinierten Laserstrahls 12 an dem Mikrolinsen-Array 17 handelt es sich wie bei den Intensitätsverteilungen der kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5 im gezeigten Beispiel um eine Gauß-Verteilung.
Wie weiter oben beschrieben wurde, gilt für den Strahldurchmesser 2 ω FLAx des kombinierten Laserstrahls 12 an dem Mikrolinsen-Array 17: 2 ω FLAx = 4 px / (π FFX). Der Strahldurchmesser 2 ω FLAX des kombinierten Laserstrahls 12 und damit die Kombinationseffizienz nimmt daher mit zunehmendem Füllfaktor FFX ab. Bei der in Fig. 2b gezeigten Strahlformungseinrichtung 10 sollte für den Füllfaktor FFX in der ersten Richtung X gelten: FFX < 0,4, bevorzugt FFX < 0,3. Grundsätzlich gilt, dass der Füllfaktor FFX umso geringer sein sollte, je größer die Anzahl N an kombinierten kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5 ist. Für den Fall, dass die kohärenten Laserstrahlen zusätzlich in einer zweiten Richtung Y kombiniert werden (s.u.), sollte für den Füllfaktor FFy in der zweiten Richtung Y gelten: FFy < 0,4, bevorzugt FFy <
0,3.
Um aus den Laserstrahlen 3.1 ,... , 3.5 mit dem Strahldurchmesser 2 ω FLMLx in der Mikrolinsenanordnung 11 einen kombinierten Laserstrahl 12 mit einem entsprechenden Gauß-Profil mit einem größeren Strahldurchmesser 2 ωFLAx zu bilden, der in die nullte Beugungsordnung B0,x oder in eine höhere Beugungsordnung Bk, x gebeugt wird, ist es bei den beiden Strahlformungseinrichtungen 10 von Fig. 2a, b erforderlich, dass die Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5 mit einer Phasenfront bzw. mit einzelnen (vom Einfallswinkel Q abhängigen) Grund-Phasen δφ a auf das Mikrolinsen- Array 17 eingestrahlt werden, wie sie nachfolgend angegeben ist: δφa = - π / N (ma + Bk, x)2, wobei gilt: mit a = 1 , ... , N, wobei N die Anzahl der entlang der ersten Richtung angeordneten Raster-Positionen bezeichnet (hier: N = 5) und wobei Bk, x eine ganzzahlige oder halbzahlige Zahl bezeichnet, für die gilt: . Für den Fall, dass die Anzahl N der kohärenten Laserstrahlen ungerade ist, nimmt die Beugungsordnung Bk, x ganzzahlige Werte an. Für den Fall, dass die Anzahl N der kohärenten Laserstrahlen gerade ist, nimmt die Beugungsordnung Bk, x halbzahlige Werte an.
Die Grund-Phase δφa unterscheidet sich für jeden einzelnen kohärenten Laserstrahl 3.1 , , 3.5 und wird daher mit Hilfe der Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1 ,... , 6.N und nicht mit Hilfe von einem oder mehreren optischen Elementen der Einkoppeloptik 18 eingestellt, auch wenn dies grundsätzlich ebenfalls möglich wäre.
Mit Hilfe der oben angegebenen Bedingung für die Grund-Phasen δφa kann der kombinierte Laserstrahl 12 gezielt in die nullte Beugungsordnung B0,x gebeugt werden, bei welcher der Laserstrahl 12 entlang der Z-Richtung propagiert, wie dies in Fig. 2a, b dargestellt ist. Durch die Festlegung von Bk, x als ungerade oder gerade von Null verschiedene Zahl kann der kombinierte Laserstrahl 12 in die entsprechende von der nullten Beugungsordnung verschiedene Beugungsordnung Bk, x (in X- Richtung) gebeugt werden, bei welcher der Laserstrahl 12 unter einem Winkel zur Z- Richtung propagiert.
Der in die nullte oder in eine höhere Beugungsordnung Bk, x gebeugte kombinierte Laserstrahl 12 wird bei dem in Fig. 2a, b gezeigten Beispiel mit Hilfe einer weiteren Fourierlinse 21 , die im Abstand ihrer objektseitigen Brennweite fFLout im Strahlweg hinter dem Mikrolinsen-Array 17 angeordnet ist, in eine weitere Rasteranordnung 16' in einer bildseitigen Brennebene der weiteren Fourierlinse 21 abgebildet. Für die Abstände δx' zwischen den weiteren Rasterpositionen 8.1 ', ... , 8.5' der weiteren Rasteranordnung 16' gilt: δx' = δx fFLout / fFLin . Für den Strahldurchmesser 2 ωFLx' des in die jeweilige Beugungsordnung Bk, x gebeugten kombinierten Laserstrahls 12 in der Brennebene der weiteren Fourierlinse 21 gilt entsprechend: 2 ω FLMLX' = 2 ωFLMLX fFLout / fFLin . Der in die Bk, x-te Beugungsordnung gebeugte kombinierte Laserstrahl 12 wird auf die Ba-te weitere Raster-Position 8.1 ', ... , 8.N' abgebildet, wobei gilt: Bkx = - , mit Ba = 1 , ... , N.
Für den in Fig. 4a beispielhaft dargestellten Fall von vier kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.4 (N = 4) gilt für die vier Beugungsordnungen Bk, x, in welche der kombinierte Laserstrahl 12 gebeugt werden kann, B-1, 5, x = - 1 ,5 , B-0,5,x = - 0,5, B+0,5,x = +0,5 und B+1 ,5,X = + 1 ,5. Für den Fall, dass die Beugung des kombinierten Laserstrahls 12 in die +0,5. Beugungsordnung B+0,5,x erfolgt, gilt für die vier einzustellenden Grund-Phasen δφ1, ... , δφ4: δφ1 = - (π / 4) (-1 ,5 + 0,5)2 = - π / 4 δφ2 = - (π / 4) (-0,5 +0,5)2 = 0 δφ3 = - (π / 4) (0,5 + 0,5)2 = - π / 4 δφ4 = - (π / 4) (1 ,5 + 0,5)2 = - π
Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass bei den in Fig. 1a-c gezeigten Vorrichtungen 5 bzw. bei der weiteren Vorrichtung 5' die Grund-Phasen δφa der Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.N bzw. der weiteren Laserstrahlen 3.1 ', ... , 3.N' gemäß der oben angegebenen Bedingung (mit k = 0) eingestellt werden, um den kombinierten Laserstrahl 12 bzw. den weiteren kombinierten Laserstrahl 12' in die nullte Beugungsordnung B0,x zu beugen.
Für die Beugung des Laserstrahls 12 in eine von der nullten Beugungsordnung verschiedene Beugungsordnung Bk,x in X-Richtung ist es günstig, ausgehend von der auf diese Weise eingestellten Grund-Phase δφa eine jeweilige zusätzliche Phase Δφa eines kohärenten Laserstrahls 3.1 , ... , 3.N an einer a-ten Raster-Position 8.1 , ... , 8.N (a = 1 , ... , N) einzustellen, die gegeben ist durch: Δφa = - (2 π / N) (a - (N+1 ) / 2) Bk,x.
Hierbei bezeichnet N wie weiter oben die Anzahl der in X-Richtung in einer eindimensionalen Rasteranordnung 16 auf einer gemeinsamen Linie angeordneten Raster-Positionen 8.1 , ... , 8. N und Bk, x eine ganzzahlige oder halbzahlige Zahl, für die gilt:
Die jeweilige zusätzliche Phase Δφa addiert sich zur der oben angegebenen Grund- Phase δφa für die kohärente Überlagerung in die nullte Beugungsordnung B0,x. Insbesondere für den weiter unten beschriebenen Scan-Vorgang, bei welcher die Beugungsordnung Bk, x verändert wird, hat es sich als günstig erwiesen, ausgehend von der Grund-Phase δφa zur Beugung in die nullte Beugungsordnung B0,x für die Beugung in (mindestens) eine höhere Beugungsordnung Bk, x die zusätzliche Phase Δφa zu verwenden und nicht die Grund-Phase δφ a entsprechend, d.h. zur Beugung in eine höhere Beugungsordnung Bk, x einzustellen.
Für den in Fig. 2a, b beispielhaft beschriebenen Fall von fünf kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5 gilt für die von der nullten Beugungsordnung B0,x verschiedenen Beugungsordnungen Bk, x, in welche der Laserstrahl 12 gebeugt werden kann, B-2,x = - 2, B- 1,X = -1 , B+1 ,x = +1 und B+2,x = +2. In Fig. 4b ist für die fünf Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5 eine jeweilige individuelle zusätzliche Phase Δφ1 , ... , Δφ5 angegeben, welche die Beugung des kombinierten Laserstrahls 12 in die -1. Beugungsordnung B-1, x bewirkt. Das mittels der Strahlkombinationseinrichtung 10 erzeugte, zugehörige Fernfeld (Winkelverteilung) ist in Fig. 5a dargestellt.
Für die Einstellung der (individuellen) zusätzlichen Phasen Δφa der Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5, werden die Phasen-Einstelleinrichtungen 8.1 , ... , 8.5 mit Hilfe der Steuerungseinrichtung 15 so angesteuert, dass diese für den a-ten kohärenten Laserstrahl 3.1 , ... , 3.N die jeweils korrekte zusätzliche Phase Δφa erzeugen.
Bei dem in Fig. 4b gezeigten Beispiel, d.h. bei einer Anzahl von N = 5 Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5 und einem in die -1 . Beugungsordnung B-1, x in X-Richtung gebeugten Laserstrahl 12 gilt für die fünf einzustellenden zusätzlichen Phasen Δφ1 , ... , Δφ5: Δφ1 = - (2 π / 5) (-2) (-1 ) = - 4 / 5 π Δφ2 = - (2 π / 5) (-1 ) (-1 ) = - 2 / 5 π Δφ3 = 0 Δφ4 = - (2 π / 5) (1 ) (-1 ) = + 2 / 5 π Δφ5 = - (2 π / 5) (2) (-1 ) = + 4/ 5 π Um einen diskreten Scanvorgang zu realisieren, bei welchem der kombinierte Laserstrahl 12 zwischen unterschiedlichen Beugungsordnungen Bk, x hin- und her geschaltet wird, kann die Steuerungseinrichtung 15 die jeweilige zusätzliche Phase Δφa der kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.N variieren, indem sie auf die (schnell schaltbaren) Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1 , ... , 6.N einwirkt. Beispielsweise kann der Laserstrahl 12 von der -1. Beugungsordnung B-1, x in X-Richtung in die +2. Beugungsordnung B+2,x in X-Richtung bewegt werden, indem an Stelle der in Fig. 3a gezeigten zusätzlichen Phasen Δφ1 , ... , Δφ5 die in Fig. 3b gezeigten zusätzlichen Phasen Δφ1 , ... , Δφ5 eingestellt werden.
Wird das in Fig. 5a gezeigte Fernfeld mittels einer abbildenden Optik, z.B. der in Fig. 2a, b gezeigten weiteren Fourierlinse 21 abgebildet, wird die Winkelverteilung in eine Ortsverteilung umgewandelt. Auf diese Weise kann ein einstellbarer Strahlversatz des kombinierten Laserstrahls 12 erzeugt werden, d.h. der Laserstrahl 12 kann in einem gewünschten, von der Beugungsordnung Bk,x abhängigen Abstand in X- Richtung zur optischen Achse versetzt werden, die in Z-Richtung im Zentrum der Strahlkombinationseinrichtung 10 verläuft. Der kombinierte Laserstrahl 12 kann hierbei insbesondere an einer (variierenden) Fokusposition in einer Fokusebene fokussiert werden, wie dies in Fig. 2a, b beispielhaft für die Brennebene der weiteren Fourierlinse 21 gezeigt ist.
Fig. 5b zeigt das Fernfeld der Strahlkombinationseinrichtung 10, bei dem die fünf kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5 zu einem ersten, in eine erste Beugungsordnung B-1, x, 1 gebeugten Laserstrahl 12a und einen zweiten, in eine zweite Beugungsordnung B0,x,2 gebeugten Laserstrahl 12b kombiniert werden. Zu diesem Zweck werden ebenfalls die zusätzlichen Phasen Δφ1 , ... , Δφ5 der kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ... , 3.5 geeignet eingestellt. Für die Einstellung der zusätzlichen (Absolut-)Phasen Δφ1 , ... , Δφ5 kann ein iterativer Optimierungsalgorithmus angewendet werden, der in der Steuerungseinrichtung 15 abläuft oder der bereits vorab durchgeführt wurde. In der Regel sind die für einen bestimmten Bearbeitungsprozess, beispielsweise einen Laser-Schneidprozess, einen Laser-Schweißprozess, einen Laser-Markierprozess, die additive Fertigung, etc. geeignete Phasen in Form von Datensätzen bzw. Tabellen in der Steuerungseinrichtung 15 selbst bzw. in einem mit dieser in Verbindung stehenden elektronischen Speicher hinterlegt bzw. diese werden von einem Bediener vorgegeben.
Bei dem in Fig. 5b gezeigten Beispiel sind die zusätzlichen Phasen Δφ1, ..., Δφ5 so gewählt, dass ein erster Laserstrahl 12a wie in Fig. 5a in die -1. Beugungsordnung B-1,x, 1 gebeugt wird und zusätzlich ein zweiter Laserstrahl 12b in die nullte Beugungsordnung B0 gebeugt wird.
Die Intensität bzw. die Leistung des ersten und zweiten Laserstrahls 12a, 12b kann bei den gezeigten Beispielen gleich groß sein, d.h. die von der Seed-Laserquelle erzeugte Leistung wird auf beide Laserstrahlen 12a,b gleich verteilt. In Fig. 5b wird bei Einhaltung der oben angegebenen Bedingung für die zusätzliche Phase Δφa die Eingangs-Leistung p, die in die Strahlkombinationseinrichtung 10 eingekoppelt wird, zu gleichen Teilen (50 : 50) auf den in die 0. Beugungsordnung gebeugten Laserstrahl 12b und auf den in die -1. Beugungsordnung gebeugten Laserstrahl 12a aufgeteilt, d.h. es gilt p-1 = p0 = p / 2.
Es ist aber auch möglich, den Anteil der Eingangs-Leistung p, der in die jeweilige Beugungsordnung Bk,x ,1 , Bk,x,2 gebeugt wird, gezielt abweichend von einer Gleichverteilung einzustellen. Beispielsweise kann bei dem in Fig. 5b gezeigten Beispiel ein Anteil von 80 % der Eingangs-Leistung p in die -1. Beugungsordnung gebeugt werden und ein Anteil von 20 % der Eingangs-Leistung p kann in die 0. Beugungsordnung gebeugt werden, d.h. es gilt p-1 = 0,8 p, p0 = 0,2 p. Allgemein kann die Aufteilung der Eingangs-Leistung p auf die 0. bzw. auf die ±1. Beugungsordnung beispielsweise wie folgt erfolgen: p0 = C p; p±i = (1 - C) p, mit 0 < C < 1.
Für die zusätzliche Phase Δφa eines jeweiligen kohärenten Laserstrahls 3.1, ..., 3.N an einer a-ten Raster-Position 8.1, ... , 8. N in X-Richtung, welche die oben angegebene Leistungs-Aufteilung mit dem Faktor C erzeugt, gilt: Δφa = C (2 π / N) (a — (N+1) / 2). Der Aufteilungs-Faktor C kann von der Steuerungseinrichtung 15 konstant gewählt oder zeitabhängig verändert werden. In letzterem Fall kann die Vorrichtung 5 in der Art eines (akusto-optischen oder elektro-optischen) Modulators bzw. Deflektors betrieben werden.
Bei einer Anzahl M von mehr als zwei kombinierten Laserstrahlen 12a, 12b, ... kann die Aufteilung beispielsweise in Form einer (z.B. linearen) Leistungs-Rampe realisiert werden, bei der ein erster kombinierter Laserstrahl mit einer maximalen Leistung Pk.max in die k-te Beugungsordnung gebeugt wird und bei der die übrigen M - 1 kombinierten Laserstrahlen mit einer in Bezug auf die maximale Leistung pk,max reduzierten Leistung in die übrigen M-1 Beugungsordnungen gebeugt werden. Für die Leistungs-Verteilung in Form eines Leistungs-Keils kann beispielsweise gelten: a / M pk,max , mit a = 1 , ... , M. Für das Beispiel einer Anzahl von 5 gebeugten kombinierten Laserstrahlen ergeben sich Anteile von 100%, 80%, 60%, 40% und 20% der maximalen Leistung Pk,max.
Grundsätzlich gilt, dass durch eine geeignete Wahl der zusätzlichen Phasen Δφ1 , ... , Δφ5 die kohärenten Laserstrahlen 3.1, ..., 3.5 in zwei oder mehr als zwei Laserstrahlen 12a, 12b, ... kombiniert werden können, die - mit gleich verteilter Leistung oder unterschiedlicher Leistung - in entsprechende Beugungsordnungen Bk,x,1, Bk,x,2, ... gebeugt werden.
Bei dem in Zusammenhang mit Fig. 1a-c bis Fig. 5a, b beschriebenen Lasersystem 1 wurden die Laserstrahlen 3.1, ..., 3.N eindimensional kombiniert. Fig. 6a-c zeigen jeweils eine optische Anordnung, bei der eine Anzahl N (hier: N = 3) x M (hier: M = 3) von Raster-Positionen 8.1.1, ..., 8.N.M in einer zweidimensionalen Rasteranordnung 16 angeordnet ist. Bei dem in Fig. 6a gezeigten Beispiel sind die Raster-Positionen 8.1.1, ... 8.N.M in einer rechteckigen Rasteranordnung 16 in einer gemeinsamen Ebene (XY-Ebene) angeordnet und die Strahlausbreitungsrichtungen aller Laserstrahlen 3.1.1, ..., 3. N.M verlaufen parallel (in Z-Richtung). Analog zu Fig. 2a weist die Einkoppeloptik 18 bei der optischen Anordnung von Fig. 6a lediglich eine Fokussiereinrichtung in Form einer Fokussierlinse 19 auf, die in Fig. 6a als Quadrat dargestellt ist. Die Mikrolinsen 20 des Mikrolinsen-Arrays 17 der Mikrolinsenanordnung 11 sind in einer entsprechenden, rechteckigen Rasteranordnung angeordnet und parallel zur XY-Ebene ausgerichtet. Bei den Mikrolinsen 20 handelt es sich um quadratische Linsen, die in beiden Richtungen X,Y wie Zylinderlinsen wirken.
Bei der in Fig. 6b gezeigten optischen Anordnung sind die Raster-Positionen 8.1.1,
..., 8.N.M ebenfalls in einer Rasteranordnung 16 bzw. in einem Array angeordnet, das aber entlang einer gekrümmten Fläche, genauer gesagt entlang einer Kugelschale, verläuft, wobei die Strahlausbreitungsrichtungen der Laserstahlen 3.1.1, ... , 3.N.M senkrecht zur Kugelschale ausgerichtet sind und die Mikrolinsenanordnung 11 in der Nähe des Mittelpunkts der Kugelschale angeordnet ist. Auch eine Anordnung der Raster-Positionen 8.1.1, ... , 8.N.M in einer Rasteranordnung 16, welche entlang einer anderen gekrümmten Fläche, beispielweise entlang eines Ellipsoids, verläuft, ist möglich. In diesem Fall kann auf eine Einkoppeloptik 18 verzichtet werden.
Fig. 6c zeigt eine optische Anordnung analog zu Fig. 6a, bei der das zweidimensionale Mikrolinsen-Array 17 der Mikrolinsenanordnung 11 durch zwei eindimensionale Teil-Mikrolinsen-Arrays 22a, 22b ersetzt ist. Die Teil-Mikrolinsen- Arrays 22a, 22b weisen jeweils eine Mehrzahl von Mikrolinsen 20a, b in Form von Zylinderlinsen auf, wobei die Mikrolinsen 20a des ersten Teil-Mikrolinsen-Arrays 22a und die Mikrolinsen 20b des zweiten Teil-Mikrolinsen-Arrays 22b senkrecht zueinander, und zwar in X-Richtung bzw. in Y-Richtung, ausgerichtet sind. Anders als in Fig. 6c dargestellt ist, können die beiden eindimensionalen Teil-Mikrolinsen- Arrays 22a, b unmittelbar aneinander angrenzend in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein und entsprechen dem in Fig. 6a dargestellten Fall.
Es versteht sich, dass die zweidimensionale Kombination der kohärenten Laserstrahlen 8.1.1, ..., 8.N.M analog auch bei der in Fig. 2b dargestellten Strahlkombinationseinrichtung 10 möglich ist, wobei in diesem Fall auf die Fourierlinse 19 verzichtet werden kann und die rechteckige oder quadratische Rasteranordnung 16 im Abstand der Brennweite fML vor dem Mikrolinsen-Array 17 angeordnet ist und die kohärenten Laserstrahlen 3.1.1, ..., 3.N.M parallel zueinander ausgerichtet auf das Mikrolinsen-Array 17 eingestrahlt werden. In Abhängigkeit von den Abständen der Raster-Positionen 8.1.1 , ... 8.N.M bzw. von der Periodizität der Rasteranordnung 16 in X-Richtung bzw. in Y-Richtung können sich auch die Rasterabstände px, pY der Mikrolinsen 20a, b in den beiden zueinander senkrechten Richtungen X, Y voneinander unterscheiden. Die Mikrolinsen 20 von Fig. 6a weisen entsprechend eine ggf. unterschiedliche Krümmung in X-Richtung und in Y-Richtung auf, d.h. es handelt sich nicht um Zylinderlinsen. Die Kombination der kohärenten Laserstrahlen 3.1.1 , ... 3.N.M in den beiden linear unabhängigen, im gezeigten Beispiel senkrechten Richtungen X, Y ist grundsätzlich unabhängig, d.h. die weiter oben angegebenen Bedingungen bzw. Gleichungen gelten für beide Richtungen X, Y unabhängig voneinander.
Lediglich bei der Einstellung der Phase der Laserstrahlen 3.1.1 , ... 3.N.M addieren sich die Beiträge in den beiden zueinander senkrechten Richtungen, d.h. es gilt für eine Anzahl von N x M Laserstrahlen 3.1.1 , ... 3.N.M, die in einer rechteckigen Rasteranordnung 16 (in X-Richtung bzw. Y-Richtung) angeordnet sind, für die jeweilige zusätzliche Phase:
Δφ a,b = - ((2 π / N) (a - (N+1 ) / 2) Bk,x + (2 π / M) (b - (M+1 ) / 2) Bj,y) (3) wobei M eine Anzahl der Raster-Positionen in der zweiten Richtung Y und Bj,y eine ganzzahlige oder halbzahlige Zahl bezeichnen, für die gilt: .
Entsprechend addieren sich auch die Beiträge der Grund-Phasen δφ a,b in den beiden zueinander senkrechten Richtungen X, Y, d.h. es gilt: δφ a = - π / N (ma + Bk, x)2 - π / N (mb + Bj,y)2, (4) wobei gilt: mit b = 1 , ... , M, wobei M eine Anzahl der entlang der zweiten Richtung angeordneten Raster-Positionen bezeichnet, und wobei Bj,y eine ganzzahlige oder halbzahlige Zahl bezeichnet, für die gilt: .
Fig. 7 zeigt analog zu Fig. 4b eine zweidimensionale Anordnung von N = 5 x M = 5 kohärenten Laserstrahlen 3.1.1 , ... , 3.5.5 mit einer jeweils zugeordneten zusätzlichen Phase Δφa, b (a = 1 , ... , N; b = 1 , ... , M) zur Erzeugung eines einzigen in eine Beugungsordnung B-2,x in X-Richtung und in eine Beugungsordnung B+1, Y in Y- Richtung gebeugten Laserstrahls 12 (vgl. Fig. 8) bzw. eines ersten, in eine erste Beugungsordnung B-2 ,x,1 (in X-Richtung), B+1 ,y,1 (in Y-Richtung) gebeugten Laserstrahls 12a sowie eines zweiten, in eine zweite Beugungsordnung B+1,x,2 (in X- Richtung), B-1 , y,2 (in Y-Richtung) gebeugten Laserstrahls 12b (Fig. 9).
Um einen einzigen in eine (zweidimensionale) Beugungsordnung Bk, x, Bk,y gebeugten Laserstrahl 12 zu erzeugen, wird für eine (a,b)-te Raster-Position 8.a.b in der zweidimensionalen Rasteranordnung 16 (vgl. Fig. 6a), d.h. eine a-te Raster-Position in X-Richtung, die gleichzeitig eine b-te Raster-Position in Y-Richtung bildet, bzw. einen (a, b)-ten kohärenten Laserstrahl 3.a.b (vgl. Fig. 7) eine zusätzliche Phase Δφa, b eingestellt, die gegeben ist durch obige Gleichung (3).
Entsprechend werden auch bei dem in Fig. 9 dargestellten Fernfeld die jeweiligen zusätzlichen Phasen Δφ a,b mit Hilfe eines iterativen, stochastischen Optimierungsalgorithmus eingestellt, um den ersten, in eine erste Beugungsordnung B-2,x,1 (X-Richtung), B+1 ,y,1 (Y-Richtung) gebeugten Laserstrahl 12a sowie den zweiten, in die zweite Beugungsordnung B+1 ,x,2 (X-Richtung), B-1 , y,2 (Y-Richtung) gebeugten Laserstrahl 12b zu erzeugen.
Wie weiter oben beschrieben wurde, ist die Anzahl und die Anordnung der Beugungsordnungen Bk,x,1, Bk,y,1; Bk,x,2, Bk,y,2, ... gebeugten Laserstrahlen 12a, 12b,
... grundsätzlich beliebig und wird nur durch die Anzahl N bzw. M der für die Kombination verwendeten kohärenten Laserstrahlen 3.a.b begrenzt. Durch eine geeignete Wahl bzw. Variation der zusätzlichen Phasen Δφ a in einer eindimensionalen Rasteranordnung 16 bzw. der zusätzlichen Phasen Δφa, b in einer zweidimensionalen Rasteranordnung 16 können gezielt einzelne kombinierte Laserstrahlen, Gruppen von kombinierten Laserstrahlen oder ein gesamtes Array von kombinierten Laserstrahlen, das einem Satz von Beugungsordnungen entspricht, an- oder abgeschaltet werden.
Mit dem oben beschriebenen Lasersystem 1 kann daher ein (diskreter) ein- oder zweidimensionaler Scanvorgang bzw. eine gezielte Strahlablenkung und/oder eine gezielte Aufteilung des kombinierten Laserstrahls 12 auf zwei oder mehr Laserstrahlen 12a, 12b erreicht werden. Der bzw. die kombinierten Laserstrahlen 12, 12a, b können mit Hilfe einer zusätzlichen Optik, z.B. der in Fig. 2a, b dargestellten Fourierlinse 19, auf (variierende) Fokusposition(en) in einer Fokusebene abgebildet bzw. fokussiert werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung (5) zur Kombination einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen
(3.1 , 3.N; 3.1.1 , ... , 3.N.M), umfassend: eine Aufteilungseinrichtung (4) zur Aufteilung eines Eingangs-Laserstrahls (9) auf die Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (3.1 , 3.N; 3.1.1 , ... , 3.N.M), eine Mehrzahl von Phasen-Einstelleinrichtungen (6.1 , ... , 6.N) zur Einstellung einer jeweiligen Phase (δφ a + Δφ a; δφ a,b + Δφ a,b) eines der kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ... , 3.N; 3.1.1 , ... , 3.N.M), sowie eine Strahlkombinationseinrichtung (10) zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ... , 3.N; 3.1.1 , ... , 3.N.M), die von einer Mehrzahl von Raster- Positionen (8.1 , ... , 8.N; 8.1.1 , ... , 8.N.M) einer Rasteranordnung (16) ausgehen, zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl (12, 12a,b), dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlkombinationseinrichtung (10) eine Mikrolinsenanordnung (11 ) mit genau einem Mikrolinsen-Array (17) zur Bildung des mindestens einen kombinierten Laserstrahls (12, 12a,b) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der die kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ... , 3.N) von einer Mehrzahl von Raster-Positionen (8.1 , ... , 8.N) ausgehen, die entlang einer ersten Richtung (X) angeordnet sind, wobei die kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ... , 3.N) und das Mikrolinsen-Array (17) folgende Bedingung erfüllen:
N = px 2 / (λL fML), wobei N eine Anzahl der entlang der ersten Richtung (X) angeordneten Raster- Positionen (8.1 , ... , 8.N), px einen Rasterabstand der Mikrolinsen (20, 20a) des Mikrolinsen-Arrays (17) in der ersten Richtung (X), λL die Laserwellenlänge und fML die Brennweite des Mikrolinsen-Arrays (17) bezeichnen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, welche ausgebildet ist, in der ersten Richtung (X) benachbarte kohärente Laserstrahlen (3.1, 3.2; 3.2, 3.3) mit einer vorgegebenen Winkeldifferenz δθx in die Mikrolinsenanordnung (11) einzukoppeln, für die gilt: δθx = λL / px, wobei λL die Laserwellenlänge und px einen Rasterabstand der Mikrolinsen (20, 20a) des Mikrolinsen-Arrays (17) in der ersten Richtung (X) bezeichnen.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Einkoppeloptik (18) zur Einkopplung der kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ... 3.N.M) in die Mikrolinsenanordnung (11), wobei die Einkoppeloptik (18) mindestens eine Fokussiereinrichtung, insbesondere mindestens eine Fokussierlinse (19), zur Fokussierung der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ... , 3.N; 3.1.1 , ... , 3.N.M) auf das Mikrolinsen-Array (17) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N) von einer Mehrzahl von Raster-Positionen (8.1, ..., 8.N) ausgehen, die entlang einer ersten Richtung (X) angeordnet sind und die einen Abstand δx voneinander aufweisen, der gegeben ist durch δx = λL fFLin / px, wobei λL die Laserwellenlänge, fFL in die Brennweite der Fokussiereinrichtung (19) und px einen Rasterabstand der Mikrolinsen (20, 20a) des Mikrolinsen-Arrays (17) in der ersten Richtung (X) bezeichnen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die kohärenten Laserstrahlen (3.1, ... , 3. N) von einer Mehrzahl von Raster-Positionen (8.1,
8.N) ausgehen, die entlang einer ersten Richtung (X) angeordnet sind, wobei die Raster-Positionen (8.1 , ... , 8.N, 8.1.1, ... , 8.N.M) im Abstand der Brennweite fML des Mikrolinsen-Arrays (17) vor dem Mikrolinsen-Array (17) angeordnet sind, und wobei die Raster-Positionen (8.1, ..., 8.N) einen Abstand δx voneinander aufweisen, der gegeben ist durch δx = px , wobei px einen Rasterabstand der Mikrolinsen (20, 20a) des Mikrolinsen-Arrays (17) in der ersten Richtung (X) bezeichnet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die kohärenten Laserstahlen (3.1 , ... , 3.N) an den Raster-Positionen (8.1 , ... , 8.N) einen Strahldurchmesser 2 ω fMLx aufweisen, der gegeben ist durch:
2 ω fMLx - λL fML / px, wobei λL die Laserwellenlänge bezeichnet.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei welcher die kohärenten Laserstrahlen einen Füllfaktor FFX in der ersten Richtung (X) aufweisen, für den gilt:
FFX < 0,4 .
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Steuerungseinrichtung (15), die zur Einstellung einer jeweiligen Phase (δφ a +Δφ a; δφ a,b + Δφ a,b) eines der kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ... , 3.N; 3.1.1 , ... , 3.N.M) in Abhängigkeit von einer Anordnung der jeweiligen Raster-Position (8.1 , ... , 8.N; 8.1.1 , ... , 8.N.M) innerhalb der Rasteranordnung (16) ausgebildet ist, um die kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ... , 3.N; 3.1.1 , ... , 3.N.M) zu mindestens einem in mindestens eine Beugungsordnung (Bk, x, Bk,y; Bk,x,1, Bk ,y, 1 , Bk,x,2, Bk,y,2) gebeugten Laserstrahl (12, 12a,b) zu kombinieren.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die Steuerungseinrichtung (15) zur Einstellung einer jeweiligen Grund-Phase (δφ a; δφ a,b) eines der kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ... , 3.N; 3.1.1 , ... , 3.N.M) ausgebildet ist, bei der die Strahlkombinationseinrichtung (11 ) die kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ... , 3.N;
3.1.1 , ... , 3.N.M) zu einem in genau eine Beugungsordnung (Bk, x, Bk,y) gebeugten Laserstrahl (12) kombiniert.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Raster-Positionen (8.1 , ... , 8.N) entlang einer ersten Richtung (X) angeordnet sind und bei der die Steuerungseinrichtung (15) ausgebildet ist, zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ... , 3.N) zu dem genau einen in die genau eine Beugungsordnung Bk, x in der ersten Richtung (X) gebeugten kombinierten Laserstrahls (12) die jeweilige Grund-Phase δφ a eines kohärenten Laserstrahls (3.1 , ... , 3. N) an einer a-ten Raster-Position (8.1 , ... , 8. N) in der ersten Richtung (X) einzustellen, die gegeben ist durch: δφa = - π / N (ma + Bk, x)2, wobei gilt: mit a = 1 , ... , N, wobei N eine Anzahl der entlang der ersten Richtung (X) angeordneten Raster-Positionen (8.1 , ... , 8.N) bezeichnet, und wobei Bk, x eine ganzzahlige oder halbzahlige Zahl bezeichnet, für die gilt:
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , bei welcher die Raster-Positionen (8.1.1 ,
8.N.M) in der Rasteranordnung (16) zusätzlich entlang einer zweiten, bevorzugt zur ersten senkrechten Richtung (Y) angeordnet sind und bei der die Steuerungseinrichtung (15) ausgebildet ist, zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen (3.1.1 , ... , 3.N.M) zu dem genau einen in die genau eine Beugungsordnung Bk, x in der ersten Richtung (X) und in genau eine Beugungsordnung Bj,y in der zweiten Richtung (Y) gebeugten kombinierten Laserstrahls (12) die jeweilige Grund-Phase δφ a,b eines kohärenten Laserstrahls (3.1 , ... , 3. N) an einer a-ten Raster-Position (8.1 , ... , 8. N) entlang der ersten Richtung (X) und einer b-ten Raster-Position (8.1.1 , ... , 8.N.M) entlang der zweiten Richtung (Y) einzustellen, die gegeben ist durch: δφ a = - π / N (ma + Bk, x)2 - π / N (mb + Bj,y)2 wobei gilt: mit b = 1 , ... , M, wobei M eine Anzahl der entlang der zweiten Richtung (Y) angeordneten Raster-Positionen (8.1.1, ..., 8.N.M) bezeichnet, und wobei Bj, y eine ganzzahlige oder halbzahlige Zahl bezeichnet, für die gilt:
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, bei welcher die Aufteilungseinrichtung (4) zur Aufteilung eines Eingangs-Laserstrahls (9) auf die Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M) als weitere Mikrolinsenanordnung mit mindestens zwei weiteren Mikrolinsen-Arrays (17'a, 17'b) ausgebildet ist, und wobei die Steuerungseinrichtung (15) ausgebildet ist, zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N, 3.1.1, ..., 3.N.M) zu dem genau einen, in die genau eine Beugungsordnung Bk,x in der ersten Richtung (X) und bevorzugt in die genau eine Beugungsordnung Bj,y in der zweiten Richtung (Y) gebeugten kombinierten Laserstrahl (12) das Doppelte der Grund- Phasen (δφ a; δφ a,b) einzustellen.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei welcher die Steuerungseinrichtung (15) zur Einstellung der jeweiligen Phase (δφ a + Δφ a; δφ a, b + Δφ a, b) eines der kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ... , 3.N; 3.1.1, ... , 3.N.M) ausgebildet ist, die sich aus der jeweiligen Grund-Phase (δφ a; δφ a, b) sowie aus einer zusätzlichen Phase (Δφ a; Δφ a ,b) zusammensetzt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Raster-Positionen (8.1, ..., 8.N) entlang einer ersten Richtung (X) angeordnet sind und bei der die Steuerungseinrichtung (15) ausgebildet ist, zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen (3.1, ... , 3. N) zu einem einzigen, in eine von der nullten Beugungsordnung (B0) verschiedene Beugungsordnung Bk,x in der ersten Richtung (X) gebeugten kombinierten Laserstrahls (12) die jeweilige zusätzliche Phase Δφ a eines kohärenten Laserstrahls (3.1, ..., 3.N) an einer a-ten Raster- Position (8.1, ..., 8.N) in der ersten Richtung (X) einzustellen, die gegeben ist durch: Δφa = - (2 π / N) (a - (N+1 ) / 2) Bk,x, wobei N eine Anzahl der entlang der ersten Richtung (X) angeordneten Raster- Positionen (8.1 , ... , 8. N) und Bk, x eine ganzzahlige oder halbzahlige Zahl bezeichnen, für die gilt: .
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Raster-Positionen (8.1.1 , ... , 8.N.M) in der Rasteranordnung (16) zusätzlich entlang einer zweiten, bevorzugt zur ersten senkrechten Richtung (Y) angeordnet sind und bei der die Steuerungseinrichtung (15) ausgebildet ist, zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen (3.1.1 , ... , 3.N.M) zu einem einzigen, in die von der nullten Beugungsordnung (B0) verschiedene Beugungsordnung Bk, x in der ersten Richtung (X) und in eine von der nullten Beugungsordnung (B0) verschiedene Beugungsordnung Bk,y in der zweiten Richtung (Y) gebeugten kombinierten Laserstrahl (12) eine zusätzliche Phase Δφ a,b eines kohärenten Laserstrahls (3.1 , ... , 3.N) an einer a-ten Raster- Position (8.1.1 , ... , 8.N.M) entlang der ersten Richtung (X) und einer b-ten Raster- Position (8.1.1 , ... , 8.N.M) entlang der zweiten Richtung (Y) einzustellen, die gegeben ist durch:
Δφ a,b = - ((2π / N) (a - (N+1 ) / 2) Bk,x + (2π / M) (b - (M+1 ) / 2) Bk,y), wobei M eine Anzahl der Raster-Positionen (8.1.1 , ... , 8.N.M) in der zweiten
Richtung (Y) und Bj,y eine ganzzahlige oder halbzahlige Zahl bezeichnen, für die gilt:
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, bei welcher die Steuerungseinrichtung (15) zur Variation der jeweiligen Phase (δφ a + Δφ a; δφ a, b +
Δφ a, b) eines der kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ... , 3.N; 3.1.1 , ... , 3.N.M) in Abhängigkeit von einer Anordnung der jeweiligen Raster-Position (8.1 , ... , 8.N; 8.1.1 , ... , 8.N.M) innerhalb der Rasteranordnung (16) ausgebildet ist, um eine Beugungsordnung (Bk,x Bk,y) zu verändern, in die der mindestens eine kombinierte Laserstrahl (12, 12a, b) gebeugt wird.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Steuerungseinrichtung (15) ausgebildet ist, die jeweilige zusätzliche Phase (Δφ a; Δφ a,b) der kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M) zur Veränderung einer ersten Beugungsordnung (Bk ,x,1 , Bk ,y,1), in die ein erster kombinierter Laserstrahl (12a) gebeugt wird, und/oder zur Veränderung einer zweiten Beugungsordnung (Bk ,x,2, Bk,y, 2), in die ein zweiter kombinierter Laserstrahl (12b) gebeugt wird, zu variieren.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, bei welcher die Steuerungseinrichtung (15) zur Einstellung einer jeweiligen zusätzlichen Phase (Δφ a) der kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M) zur Erzeugung einer vorgegebenen, insbesondere unterschiedlichen Leistung (p0, p-1 , ...) von mindestens zwei in verschiedene Beugungsordnungen (B0, B-1,x, ...) gebeugten kombinierten Laserstrahlen (12a,b) ausgebildet ist.
20. Lasersystem (1), umfassend: eine Seed-Laserquelle (2) zur Erzeugung eines Seed-Laserstrahls (2a), sowie eine Vorrichtung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Seed-Laserstrahl (2a) bevorzugt den Eingangs-Laserstrahl (9) der Aufteilungseinrichtung (4) der Vorrichtung (5) bildet.
21. Lasersystem nach Anspruch 20, weiter umfassend: eine weitere Vorrichtung (5') zur Kombination einer Mehrzahl von weiteren kohärenten Laserstrahlen (3.1', ..., 3.N'), umfassend: eine weitere Aufteilungseinrichtung (4‘) zur Aufteilung des Seed-Laserstrahls (2a) auf die Mehrzahl von weiteren kohärenten Laserstrahlen (3.1 ', ..., 3.N'), eine Mehrzahl von weiteren Phasen-Einstelleinrichtungen (6.1 ', ..., 6.N') zur Einstellung einer jeweiligen Phase (δφ a) eines der weiteren kohärenten Laserstrahlen (3.1', ..., 3.N'), sowie eine weitere Strahlkombinationseinrichtung (10') zur Kombination der weiteren kohärenten Laserstrahlen (3.1', ..., 3.N') ausgehend von einer Mehrzahl von weiteren Raster-Positionen (8.1', ..., 8.N') einer weiteren Rasteranordnung (16'), wobei die weitere Strahlkombinationseinrichtung (10') eine weitere Mikrolinsenanordnung (11') mit mindestens einem weiteren Mikrolinsen-Array (17') aufweist, sowie eine weitere Steuerungseinrichtung (15'), die zur Einstellung der jeweiligen Phase (δ a) eines der weiteren kohärenten Laserstrahlen (3.1', ...,
3.N') in Abhängigkeit von einer Anordnung der jeweiligen weiteren Raster- Position (8.1 ', ... , 8.N') innerhalb der weiteren Rasteranordnung (16') ausgebildet ist, um die kohärenten weiteren Laserstrahlen (3.1 ', ... , 3.N') zu einem in genau eine Beugungsordnung (Bk, x, Bk,y) gebeugten Laserstrahl (12‘) zu kombinieren, welcher den Eingangs-Laserstrahl (9) der Aufteilungseinrichtung (4) der Vorrichtung (5) bildet.
22. Verfahren zum Kombinieren einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (3.1 ,
... , 3.N; 3.1 .1 , ... , 3.N.M), insbesondere mittels einer Vorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, umfassend:
Einkoppeln der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ... , 3.N; 3.1 .1 , ... , 3.N.M), die von einer Mehrzahl von in einer Rasteranordnung (16) angeordneten Raster-Positionen (8.1 , ... , 8.N; 8.1.1 , ... , 8.N.M) ausgehen, in eine Mikrolinsenanordnung (11), die genau ein Mikrolinsen-Array (17) aufweist, sowie Kombinieren der kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ... , 3.N; 3.1.1 , ... , 3.N.M) in der Mikrolinsenanordnung (11) zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl (12, 12a, b).
23. Verfahren nach Anspruch 22, weiter umfassend:
Einstellen einer jeweiligen Phase (δφ a + Δφ a; δφ a, b + Δφ a, b) eines der kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ... , 3.N; 3.1.1 , ... , 3.N.M) in Abhängigkeit von einer Anordnung der jeweiligen Raster-Position (8.1 , ... , 8.N; 8.1.1 , ... , 8.N.M) innerhalb der Rasteranordnung (16) zum Kombinieren der kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ... , 3.N; 3.1.1 , ... , 3.N.M) zu dem mindestens einen in mindestens eine Beugungsordnung (Bk, x, Bk,y; Bk,x,1, Bk,y, 1, Bk,x,2, Bk,y,2) gebeugten Laserstrahl (12, 12a, b), wobei das Verfahren bevorzugt umfasst:
Variieren der jeweiligen Phase (δφ a +Δφ a; δφ a, b + Δφ a, b) der kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ... , 3.N; 3.1.1 , ... , 3.N.M) in Abhängigkeit von einer Anordnung der jeweiligen Raster-Position (8.1 , ... , 8.N; 8.1.1 , ... , 8.N.M) innerhalb der Rasteranordnung (16), um eine Beugungsordnung (Bk,x Bk ,y) zu verändern, in die der mindestens eine kombinierte Laserstrahl (12, 12a,b) gebeugt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, weiter umfassend: Variieren einer jeweiligen zusätzlichen Phase (Δφ a,b; Δφ a,b) der kohärenten Laserstrahlen (3.1, 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M) zur Veränderung einer ersten
Beugungsordnung (Bk ,x,1, Bk ,y,2), in die ein erster kombinierter Laserstrahl (12a) gebeugt wird, und/oder zur Veränderung einer zweiten Beugungsordnung (Bk,x ,2, Bk,y, 2), in die ein zweiter kombinierter Laserstrahl (12b) gebeugt wird, ausgehend von einer jeweiligen Grund-Phase (δφ a; δφ a,b), bei der die Strahlkombinationseinrichtung (10) die kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M) zu genau einem in genau eine Beugungsordnung Beugungsordnung (Bk,x, Bk,y) gebeugten Laserstrahl (12) kombiniert.
25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, weiter umfassend:
Einstellen einer jeweiligen zusätzlichen Phase (Δφ a) der kohärenten Laserstrahlen (3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M) zur Erzeugung einer vorgegebenen, insbesondere unterschiedlichen Leistung (p0, p-1 , ...) von in mindestens zwei in verschiedene Beugungsordnungen (B0, B-1 ,x, ...) gebeugten kombinierten Laserstrahlen (12a,b) ausgehend von einer jeweiligen Grund-Phase (δφ a; δφ a,b), bei der die Strahlkombinationseinrichtung (10) die kohärenten Laserstrahlen (3.1, ... , 3.N; 3.1.1 , ... , 3.N.M) zu genau einem in genau eine Beugungsordnung (Bk,x, Bk,y) gebeugten Laserstrahl (12) kombiniert.
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