EP4480049A1 - Vorrichtung und verfahren zur kombination von kohärenten laserstrahlen, lasersystem - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur kombination von kohärenten laserstrahlen, lasersystem

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EP4480049A1
EP4480049A1 EP23704320.3A EP23704320A EP4480049A1 EP 4480049 A1 EP4480049 A1 EP 4480049A1 EP 23704320 A EP23704320 A EP 23704320A EP 4480049 A1 EP4480049 A1 EP 4480049A1
Authority
EP
European Patent Office
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laser beams
coherent laser
amplified
measuring
amplified coherent
Prior art date
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Pending
Application number
EP23704320.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Grossmann
Malte Kumkar
Aleksander BUDNICKI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser GmbH filed Critical Trumpf Laser GmbH
Publication of EP4480049A1 publication Critical patent/EP4480049A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
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    • H01S3/2383—Parallel arrangements
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    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/1305—Feedback control systems

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for combining coherent laser beams into at least one combined laser beam.
  • DE 10 2020 201 161 A1 discloses 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 combination device for combining the coherent laser beams, which emanate from a plurality of grid positions of a grid arrangement, to form at least one combined laser beam, the beam combination device having a microlens arrangement with exactly one microlens array for forming the at least one combined laser beam.
  • US Pat. No. 9,134,538 B1 discloses a system for coherently combining a multiplicity of optical beams, comprising a resonant cavity, a multiplicity of amplifying elements arranged within the resonant cavity, a beam-combining element in optical communication with the amplifying elements in order to coherently combine the optical beams a coherent output beam, a sensor in optical communication with the beam combiner to detect at least a portion of the coherent output beam and to provide a feedback signal representative of the at least a portion of the coherent output beam, and a sensor coupled to the sensor phase control to adjust a phase of at least one of the optical beams based on the feedback signal.
  • WO 2017/125345 A1 discloses a phase control system for controlling the relative phase of two laser beams, which are to be combined coherently, of a laser system that is provided for providing a phase-controlled total laser beam.
  • the invention is based on the object of providing a device mentioned at the outset and a method mentioned at the outset, by means of which a combination of coherent laser beams with increased temporal and/or spatial dynamics can be implemented.
  • the device comprises a phase adjustment device for setting a respective phase difference between the coherent laser beams, an amplification device for amplifying the coherent laser beams, with amplified coherent laser beams being decoupled from the amplification device, and a measuring device for Determination of phase differences between the amplified coherent laser beams, the measuring device being set up to determine the phase differences between the amplified coherent laser beams in each case a phase difference between one of the amplified coherent laser beams and another of the amplified coherent laser beams or between one of the amplified coherent laser beams and at least to measure a reference laser beam.
  • phase differences between the amplified coherent laser beams that are present can be measured in pairs. From this, the respective phase differences and/or phase angles for all existing amplified coherent laser beams can be determined in a technically simple manner. This enables the respective phase differences between the amplified coherent laser beams to be detected effectively, accurately and quickly, and hence allows the phase differences to be effectively controlled.
  • a measurement of phase differences between the existing coherent laser beams can be carried out with a high temporal resolution. For example, a period of time with which the respective phase difference between the amplified coherent laser beams can be resolved is at most 3 ps, preferably at most 1 ps and particularly preferably at most 0.01 ps.
  • the duration of the measurement of the respective phase difference is of the order of magnitude of a reciprocal of a modulation frequency of the phase setting device.
  • a measurement accuracy frequency with which the respective phase difference between amplified coherent laser beams can be resolved is at least 0.3 MHz and/or at most 1 GHz and in particular at most 100 MHz.
  • the coherent laser beams can be combined with a high temporal and/or spatial resolution to form different combined laser beams.
  • This enables, for example, rapid variation of beam distributions and/or pulse parameters, which in turn enables, for example, workpieces to be processed at an increased speed and with an increased temporal and/or spatial resolution.
  • phase differences for all existing amplified coherent laser beams and/or in pairs between all existing amplified coherent laser beams are determined by means of the measuring device.
  • respective phase differences for all possible combinations of the amplified coherent laser beams that are present are determined by means of the measuring device.
  • the measuring device is used to measure a respective phase difference between the amplified coherent laser beams before they are combined to form at least one combined laser beam.
  • the coherent laser beams can be pulsed laser beams or continuous wave laser beams.
  • the coherent laser beams are ultrashort pulse laser beams.
  • the device is set up in particular to combine the amplified coherent laser beams into the at least one coherent laser beam.
  • the coherent laser beams and/or the amplified coherent laser beams are in particular each laser beams with the purpose of being combined into the at least one combined laser beam.
  • the at least one reference laser beam is in particular a laser beam with the purpose of measuring respective phase differences between this laser beam and the amplified coherent laser beams.
  • the at least one reference laser beam does not contribute to the combination of the amplified coherent laser beams into the at least one combined laser beam and/or the at least one reference laser beam is not combined into the at least one combined laser beam.
  • the at least one reference laser beam can be, for example, a portion of an input laser beam provided by a laser source, from which one or more of the coherent laser beams are formed. It is also possible that the at least one reference laser beam is one of the coherent laser beams and/or amplified coherent laser beams.
  • the amplification device can comprise, for example, fiber amplifiers, slab amplifiers, rod amplifiers or disc amplifiers.
  • a respective phase difference between the coherent laser beams and/or between the amplified coherent laser beams can be set by means of the phase setting device.
  • the measuring device is set up to measure phase differences between combinations of two different amplified coherent laser beams or to measure phase differences between different combinations of one of the amplified coherent laser beams and the at least one reference laser beam measure.
  • Different combinations are combinations in which the two laser beams of the combination are different.
  • two different combinations can be formed from three laser beams within the meaning of this application.
  • the measuring device is designed as a photonic integrated circuit, at least in sections.
  • one or more parts or areas of the measuring device such as a beam guide for the amplified coherent laser beams, are designed as a photonic integrated circuit.
  • the measuring device can have a high level of complexity due to a large number of measuring units and/or measuring elements and the associated beam guidance.
  • the measuring device can be designed in a technically simple manner. In particular, this allows the measuring device to be designed with a reduced number of individual components.
  • N coherent laser beams and/or N amplified coherent laser beams are provided, with the measuring device being set up to measure a phase difference for N-1 different combinations of two of the N amplified coherent laser beams or to measure a phase difference for N different combinations of one of the N amplified coherent laser beams and the at least one reference laser beam.
  • a phase difference is measured between a first of the amplified coherent laser beams and exactly one other of the amplified coherent laser beams, the first of the amplified coherent laser beams being different in all measurements, and wherein the one other one of the amplified coherent laser beams is different in all measurements or the one other one of the amplified coherent laser beams is the same in a subset of the measurements or in all measurements.
  • each paired measurement exactly one further of the amplified coherent laser beams is an amplified coherent laser beam different from the first of the amplified coherent laser beams. Thus, no phase differences are measured between the same amplified coherent laser beam.
  • the device comprises a decoupling device for proportional decoupling of the amplified coherent laser beams, proportionately decoupled amplified coherent laser beams being fed to the measuring device in order to measure a respective phase difference between the amplified coherent laser beams.
  • the phase differences of the amplified coherent laser beams can be determined before they are combined to form the at least one combined laser beam. Partial decoupling is to be understood in particular as decoupling of a respective proportion and/or beam proportion of the amplified coherent laser beams.
  • an intensity and/or a power of the proportionately coupled out amplified coherent laser beams is less than 10% of an intensity or power of amplified coherent laser beams incident on the coupling-out device.
  • the at least one reference laser beam can be coupled into the measuring device by means of a separate beam path which, in particular, does not lead through the decoupling device.
  • the decoupling device is arranged in particular in a beam path of the amplified coherent laser beams.
  • the decoupling device is arranged after the amplification device and/or before a combination device of the device with respect to a main propagation direction of the coherent laser beams and/or the amplified coherent laser beams.
  • the decoupling device comprises, for example, a partially reflecting mirror element and/or a polarization beam splitter element and/or a fiber-based Y-splitter.
  • each of the coherent laser beams is proportionally decoupled by means of the decoupling device and fed to the measuring device.
  • a proportion of one of the amplified coherent laser beams is spatially superimposed on a proportion of another of the amplified coherent laser beams, or a proportion of one of the amplified coherent laser beams is superimposed on the at least one reference laser beam is spatially superimposed.
  • the amplified coherent laser beam is spatially superimposed on the further amplified coherent laser beam or on the at least one reference laser beam in a collinear manner. Due to the particularly collinear spatial superimposition of respective portions of the amplified coherent laser beams, their phase differences can be determined by a technically simple intensity measurement, with no image processing being necessary in particular.
  • a collinear superimposition of laser beams means in particular that they are superimposed on the measuring device with at least approximately parallel and/or coincident beam axes, the collinear superimposition taking place in particular on respective measuring elements of the measuring device.
  • the collinear superposition occurs in a common waveguide.
  • the measuring device is used to measure intensities of spatial superimpositions and in particular collinear spatial superimpositions from two of the amplified coherent laser beams.
  • the measuring device comprises, for example, a plurality of measuring units, one of the amplified coherent laser beams and another of the amplified coherent laser beams being coupled into a measuring unit.
  • a measuring unit of the measuring device comprises at least one measuring element for measuring the intensity of a spatial superimposition of the two amplified coherent laser beams.
  • the measuring element is designed, for example, as a photodetector or includes a photodetector.
  • the photodetector can be, for example, a fast photodetector and/or a clocked photodetector and/or a photodiode.
  • N coherent laser beams and/or N amplified coherent laser beams are provided, with the measuring device having at least N-l measuring units which are set up to measure a phase difference between one of the N amplified coherent laser beams and another of the N amplified coherent laser beams, or wherein the measuring device has at least N measuring units which are set up to measure a phase difference between one of the N amplified coherent laser beams and the at least one reference laser beam.
  • At least one measuring unit which has a single measuring element, with one of the N amplified coherent laser beams being spatially superimposed on the measuring element with another of the N amplified coherent laser beams or with the at least one reference laser beam, and with the measuring device being set up to supply several pairs of a laser pulse of one of the N amplified coherent laser beams and a laser pulse of the other N amplified coherent laser beams or the at least one reference laser beam to the measuring element and/or the measuring unit, with the pairs being supplied to the measuring element and/or the measuring unit with a defined time offset be supplied.
  • each measuring unit of the measuring device can have a single measuring element.
  • the different pairs that are fed to the measuring element and/or the measuring unit with a defined time offset each have a different offset phase difference.
  • an offset phase difference is to be understood as a preset and/or predefined phase difference between two amplified coherent laser beams and in particular between respective laser pulses of these amplified coherent laser beams.
  • the offset phase difference is in particular an additional phase difference to an already existing one.
  • a pair of laser pulses means a spatial superimposition of two laser pulses on a measuring unit and/or on a measuring element of the measuring device, with the two laser pulses of the pair being assigned to different amplified coherent laser beams.
  • the defined time offset corresponds to a repetition rate of the pulsed laser beams.
  • a laser source of the device by means of which coherent laser beams are provided, to be controlled by the measuring device in order to generate different pairs of laser pulses with a defined time offset.
  • the device for generating different pairs of laser pulses with a defined time offset comprises a shutter device, with the shutter device in particular in a beam path of the amplified coherent laser beams to be coupled into the measuring device and/or of the at least one laser beam to be coupled into the measuring device Reference laser beam is arranged.
  • the shutter device is set up to allow amplified coherent laser beams and/or the at least one Release or interrupt the reference laser beam to the respective measuring unit of the measuring device.
  • different pairs of laser pulses with a defined time offset can then be generated by suitable control of the shutter device by means of the measuring device.
  • the shutter device is controlled by means of the measuring device in such a way that the transmission of amplified coherent laser beams and/or the at least one reference laser beam to the respective measuring unit is only released for a period of time which is sufficient for the transmission of a specific pair of laser pulses the associated measuring unit and/or the associated measuring element is required.
  • the measuring device is controlled by means of the measuring device in such a way that the transmission of amplified coherent laser beams and/or the at least one reference laser beam to the respective measuring unit is only released for a period of time which is sufficient for the transmission of a specific pair of laser pulses the associated measuring unit and/or the associated measuring element is required.
  • the shutter device can be mechanical or electro-optical, for example.
  • the shutter device can be designed as a photonic integrated circuit.
  • At least one delay element is provided, which is set up to form a transit time difference and/or a path length difference between the two amplified coherent laser beams, which is located on the respective measuring unit be superimposed.
  • At least one measuring unit is provided, which has at least two and preferably three or more measuring elements.
  • the measuring device is then set up to feed a pair of a laser pulse of one of the N amplified coherent laser beams and a laser pulse of the other N amplified coherent laser beams or the at least one reference laser beam to the measuring elements.
  • each measuring unit of the measuring device has at least two and preferably three or more measuring elements.
  • the pairs supplied to the different measuring elements each have a different offset phase difference.
  • the associated laser pulses and/or associated amplified coherent laser beams of which each have different defined offset phase differences are provided, the associated laser pulses and/or associated amplified coherent laser beams of which each have different defined offset phase differences.
  • the phase difference between these amplified coherent laser beams can be determined unambiguously by intensity measurements using the sensor element or sensor elements, for example on the basis of a Clarke transformation.
  • one or more delay elements can be provided to form a plurality of pairs with different offset phase differences, with one or more delay elements being able to be assigned to one or more measuring elements of the measuring device.
  • a delay element is used to generate a path length difference between the two amplified coherent laser beams which are assigned to the respective laser pulses of a specific pair.
  • the measuring device comprises at least one measuring unit with a measuring element, the measuring device and/or the measuring unit being set up to superimpose two amplified coherent laser beams with an offset phase difference of more than 2*Pi on the measuring element.
  • This can be implemented, for example, by means of one or more delay elements which are associated with one of the two amplified coherent laser beams. It can thereby in particular determine whether amplified coherent laser beams and/or respective laser pulses of the amplified coherent laser beams have a phase difference of more than 2*Pi.
  • the measuring device is set up to control the phase adjustment device in order to control and/or regulate the respective phase difference between the amplified coherent laser beams.
  • a control device is assigned to the measuring device for controlling the phase setting device, or the measuring device includes a control device.
  • the phase setting device is controlled in particular on the basis of phase differences between the amplified coherent laser beams measured and/or determined by means of the measuring device. In this way, for example, the respective phase differences between the amplified coherent laser beams can be regulated by means of the measuring device and, in particular, can be regulated to specified desired values.
  • phase adjuster changing the phase difference between the coherent laser beams by the phase adjuster causes the phase difference between the corresponding amplified coherent laser beams to change.
  • the device comprises a splitting device for splitting an input laser beam into a plurality of coherent laser beams. This makes it possible, for example, to provide a large number of coherent laser beams using a single laser source.
  • the device comprises a combination device for combining the amplified coherent laser beams into the at least one combined laser beam.
  • the combination device comprises, for example, at least one microlens array and/or at least one diffractive optical element and/or at least one interferometer optical system and/or at least one polarization-influencing element.
  • the combination device comprises at least one diffractive optical element, the at least one diffractive optical element comprising a grating structure with a periodic pattern, for example.
  • a combination of the coherent laser beams according to the “filled aperture” principle can be implemented as a result.
  • the combination device comprises at least one microlens array for combining the coherent laser beams.
  • a combination of the coherent laser beams according to the "mixed-aperture" principle can thereby be implemented, for example.
  • the frequency conversion stage is connected upstream of the combination device.
  • the amplified coherent laser beams can be combined to form the at least one combined laser beam without a combination device.
  • the amplified coherent laser beams are then combined by propagation in the far field to form the at least one combined laser beam ("tiled aperture" principle).
  • At least one lens element can be provided for imaging the amplified coherent laser beams into at least one combined laser beam.
  • a combination of the coherent laser beams according to the "tiled-aperture" principle can thereby be implemented, for example.
  • the device comprises at least one laser source for providing the coherent laser beams.
  • the laser system mentioned at the outset comprises at least one laser source for providing coherent laser beams and an above-described device for combining the coherent laser beams.
  • a single or multiple laser sources can be provided in order to provide the coherent laser beams.
  • multiple coherent laser beams are generated by splitting an input laser beam provided by that laser source.
  • at least one coherent laser beam is provided in each case, for example by means of one of the laser sources.
  • a respective phase difference between the coherent laser beams can be set or is set by means of a phase adjustment device, the coherent laser beams are amplified by means of an amplification device, with amplified coherent laser beams being decoupled from the amplification device , and that phase differences between the amplified coherent laser beams are determined by means of a measuring device, wherein to determine the phase differences between the amplified coherent laser beams in each case a phase difference between one of the amplified coherent laser beams and another of the amplified coherent laser beams or between one of the amplified coherent laser beams and at least a reference laser beam is measured.
  • the method according to the invention has one or more additional features and/or advantages of the device according to the invention.
  • the method according to the invention is carried out using the device according to the invention and/or the device according to the invention is designed to carry out the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for combining a plurality of coherent laser beams
  • 2a shows a combination element designed as a diffractive optical element for combining amplified coherent laser beams to form a combined laser beam
  • 2c shows a lens element for focusing amplified coherent laser beams
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a decoupling device for the proportionate decoupling of amplified coherent laser beams in order to transfer them to a measuring device
  • 4 shows a schematic representation of measuring units of the measuring device, a phase difference between pairs of mutually adjacent amplified coherent laser beams being measured by means of the measuring units
  • 5 shows a schematic representation of measuring units of the measuring device, a phase difference between pairs of the same first and another of the coherent laser beams being measured by means of the measuring units
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a further configuration of measuring units of the measuring device
  • FIG. 7a shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a measuring unit, the measuring unit having three measuring sections, each with a measuring element;
  • FIG. 8 shows a schematic representation of an intensity curve measured by means of a measuring element as a function of a phase difference between respective laser pulses of two different amplified coherent laser beams.
  • FIG. 9a shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a measuring unit which has a single measuring element
  • 9b shows a schematic representation of laser pulses of the amplified coherent laser beams, pairs of laser pulses impinging on the measuring element with a different time offset in each case, and different pairs impinging on the measuring element with a time offset;
  • 10 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment of a measuring unit which has a single measuring element
  • 11 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a measuring unit with a measuring element, with delay elements being provided in order to generate an offset phase difference of more than 2*Pi;
  • FIG. 12a shows an example of a time course of set target phase difference values between two amplified coherent laser beams
  • 12b shows an example of a time sequence of measurements carried out by means of a measuring device for measuring actual phase difference values between the amplified coherent laser beams
  • 12d shows an example of a chronological sequence of an optimization of an assignment rule, on the basis of which the setpoint phase difference values are set.
  • FIG. 1 An embodiment of a device for combining coherent laser beams is shown schematically in FIG.
  • the device 100 can be used to combine the coherent laser beams 102 (coherent beam combining), one or more combined laser beams 104 being formed.
  • an input laser beam 108 is provided by means of a laser source 106 and a plurality of coherent laser beams 102 are formed by splitting the input laser beam 108 .
  • a plurality of laser sources 106 it is also possible for a plurality of laser sources 106 to be provided to provide the coherent laser beams 102 .
  • one or more coherent laser beams 102 are then provided by means of a respective laser source 106 .
  • a splitting device 110 is provided for splitting the input laser beam 108 into a plurality of coherent laser beams 102 .
  • 1 shows three coherent laser beams 102, for example, which are formed by splitting the input laser beam 108 by means of the splitting device 110.
  • the input laser beam 108 and/or the coherent laser beams 102 are, for example, pulsed laser beams and in particular ultrashort pulsed laser beams.
  • the coherent laser beams 102 have the same properties, such as the same wavelength and/or the same spectrum.
  • a phase adjustment device 112 is provided for adjusting a respective phase difference between the individual coherent laser beams 102 .
  • the phase adjustment device 112 comprises, in particular, a plurality of phase adjustment elements 114, a phase of an associated coherent laser beam 102 being able to be adjusted by means of a specific phase adjustment element 114.
  • a phase adjustment element 114 is assigned to several or all of the coherent laser beams 102 .
  • the phase adjustment device 112 comprises, for example, N-l or N phase adjustment elements 114.
  • the device 100 comprises an amplifying device 120.
  • the amplifying device 120 comprises a plurality of amplifying elements 122, one amplifying element 122 being assigned to one of the coherent laser beams 102, for example.
  • the coherent laser beams 102 are coupled into the amplification device 120 or into the respective amplification elements 122 of the amplification device 120 .
  • the respective phase differences between the coherent laser beams 102 are set by means of the phase setting device 112 .
  • the coherent laser beams 102 which have been amplified by means of the amplifying device 120 are referred to as amplified coherent laser beams 124 in the following.
  • a number of coherent laser beams 102 present corresponds to a number of amplified coherent laser beams 124 present.
  • a combination device 126 is provided in particular, by means of which the combined laser beam 104 is formed by combining the amplified coherent laser beams 124.
  • amplified coherent laser beams 124 coupled out of the amplification device 120 are coupled into the combination device 126 .
  • the combiner 126 includes a diffractive optical element 128 for combining the amplified coherent Laser beams 124 (Fig. 2a).
  • a lens element 130 for example, is provided to focus the amplified coherent laser beams 124 onto the diffractive optical element 128 (in Figs. 2a, 2b and 2c, an envelope 132 of the amplified coherent laser beams 124 incident on the combination device 126 or on the lens element 130 is shown indicated).
  • the diffractive optical element 128 is or includes a grating structure with a periodic pattern.
  • the combination device 126 has a microlens array 134 for combining the amplified coherent laser beams 124 (FIG. 2b).
  • the amplified coherent laser beams 124 can be combined without a combination device 126 .
  • the combined laser beam 104 is then formed by superimposing the amplified coherent laser beams 124 in the far field.
  • a lens element 136 can then be provided for focusing the amplified coherent laser beams 124 (FIG. 2c).
  • the device 100 comprises a measuring device 138, which is arranged after the amplifying device 120, for example with respect to a main propagation direction 140 of the coherent laser beams 102 and/or the amplified coherent laser beams 124.
  • the measuring device 138 is positioned between the amplifying device 120 and the combining device 126 .
  • the various amplified coherent laser beams 124 each have a specific phase difference A ⁇ p (indicated in FIG. 3) with respect to one another, which is to be determined by means of the measuring device 138 .
  • the phase differences A ⁇ p are actual phase differences and/or actual phase difference values between the amplified coherent laser beams 124 determined by means of the measuring device 138 .
  • a decoupling device 142 In order to feed the amplified coherent laser beams 124 proportionately to the measuring device 138, a decoupling device 142 can be provided (FIG. 3). This outcoupling device 142 is arranged in particular after the amplification device 120 and/or before the combination device 126 with respect to the main propagation direction 140 .
  • the decoupling device 142 is arranged in a beam path 144 of the amplified coherent laser beams 124 . Beam portions of the amplified coherent laser beams 124 are coupled out by means of the coupling-out device 142 in order to couple them into the measuring device 138 .
  • Amplified coherent laser beams 124-ei incident on the decoupling device 142 are divided by means of the decoupling device 142 into decoupled amplified coherent laser beams 124-ak and transmitted amplified coherent laser beams 124-tr.
  • the decoupled amplified coherent laser beams 124-ak are each beam components of the amplified coherent laser beams 124.
  • the amplified Coherent laser beams 124 are thus fed proportionately to measuring device 138 by means of decoupling device 142 .
  • a power and/or an intensity of the decoupled amplified coherent laser beams 124-ak is less than 10% and in particular less than 5% of a power or intensity of the incident amplified coherent laser beams 124-ei.
  • the measuring device 138 has an input 146 for coupling the beam components of the amplified coherent laser beams 124 into the measuring device 138 .
  • the respective beam components of the amplified coherent laser beams are coupled into the measuring device 138 separately and/or spatially separated.
  • the measuring device 138 comprises one or more measuring units 148.
  • the measuring device comprises N or N-1 measuring units.
  • four amplified, coherent laser beams 124 are provided, the beam components of which are each coupled into the measuring device 138 .
  • These four amplified coherent laser beams are designated 124-1, 124-2, 124-3 and 124-4 below.
  • phase differences A ⁇ p between the different amplified coherent laser beams 124 are measured in pairs, the phase differences A ⁇ p being determined for different pairs of 2 and/or combinations of 2 of the amplified coherent laser beams 124.
  • phase differences A ⁇ p can be measured in pairs between one of the amplified coherent laser beams 124 and a reference laser beam 149 by means of the measuring device 138 and/or by means of the measuring units 148 of the measuring device 138 .
  • the reference laser beam 149 can be a laser beam coupled out of the laser source 106 and/or a beam component of the input laser beam 108 .
  • the reference laser beam 149 can be one of the coherent laser beams 102 coupled out of the splitting device 110 (both variants are indicated by the dotted line in FIG. 1).
  • reference laser beam 149 is coupled into measuring device 138 by means of decoupling device 142, with a proportion of at least 90% and/or at least approximately 100% of reference laser beam 149 then being coupled into measuring device 138 (indicated in Fig. 1).
  • the amplified coherent laser beam denoted by 124-1 in FIG. 4 can correspond to the reference beam 149, for example.
  • the reference laser beam 149 it is also possible for the reference laser beam 149 to be coupled into the measuring device 138 (not shown) by means of a separate beam path which, in particular, does not lead through the decoupling device 142 .
  • a phase difference A ⁇ p is measured between the amplified coherent laser beams 124-1 and 124-2, 124-2 and 124-3 and 124-3 and 124-4, the phase difference A ⁇ p of the different pairs of two amplified coherent laser beams 124 is measured in each case by means of a different measuring unit 148 .
  • phase difference A ⁇ p is consequently measured for three different combinations each consisting of two of the amplified coherent laser beams 124-1, 124-2, 124-3, 124-4. Consequently, a phase difference A ⁇ p between a first one of the amplified coherent laser beams 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 and 124-4 becomes accurate, respectively a further one of the amplified coherent laser beams 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 is measured, the first and exactly one further one of the amplified coherent laser beams 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 is different for all measurements.
  • FIG. 5 A further embodiment of a measuring device 138 is shown in FIG. 5 .
  • a phase difference A ⁇ p between the amplified coherent laser beams 124-1 and 124-2 or 124-1 and 124-3 or 124-1 and 124-4 is measured by means of the different measuring units 148.
  • the phase difference A ⁇ p is consequently measured for three different combinations each consisting of two of the amplified coherent laser beams 124-1, 124-2, 124-3, 124-4. Consequently, a phase difference A ⁇ p between a first of the amplified coherent laser beams 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 and exactly one other of the amplified coherent laser beams 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 is measured, with the first of the amplified coherent laser beams 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 being different for all measurements and exactly one other being the same for all measurements (in the example shown, namely the amplified coherent laser beam 124-1).
  • the amplified coherent laser beam 124 - 1 can correspond to the reference beam 149 .
  • phase difference A ⁇ p is measured for five different combinations each consisting of two of the amplified coherent laser beams.
  • a phase difference A ⁇ p is measured between a first of the amplified coherent laser beams and exactly one other of the amplified coherent laser beams, with the first of the amplified coherent laser beams being different in all measurements and the exactly one other of the amplified coherent laser beams being different in three of the measurements of the amplified coherent laser beam 124-3 (measurements between amplified coherent laser beams 124-1 and 124-3, 124-2 and 124-3, 124-4, 124-3) and at two of the measurements is the amplified coherent laser beam 124-4 (measurements between the amplified coherent laser beams 124-6 and 124-4, 124-5 and 124-6).
  • a beam guidance within the measuring device 138 can, for example, be based on a free beam and/or based on fibers and/or based on waveguides.
  • the measuring device 138 is designed at least in sections as a photonic integrated circuit (PIC).
  • PIC photonic integrated circuit
  • optical components and/or beam guidance components are arranged on a substrate, such as a silicon substrate, silicon nitride substrate and/or a lithium niobate-on-insulator substrate.
  • the measuring unit 148 comprises one or more measuring elements 150. In the example shown, three measuring elements 150a, 150b, 150c are provided.
  • the measuring element 150 is designed to measure an intensity of a laser beam incident on it or of a superimposition of laser beams incident on it in a time-resolved manner.
  • the measuring element 150 is or includes a photodiode.
  • Measuring unit 148 includes a first input 152a for coupling in a first amplified coherent laser beam 124, for example amplified coherent laser beam 124-1, and a second input 152b for coupling in a second amplified coherent laser beam 124, for example amplified coherent laser beam 124-2.
  • the two amplified coherent laser beams 124-1 and 124-2 coupled in via the first input 152a and the second input 152b are superimposed on the measuring element 150 and in particular are superimposed collinearly.
  • a superimposition element 154 is assigned to the measuring element 150 in order to superimpose the two amplified coherent laser beams 124 - 1 and 124 - 2 .
  • the heterodyning element 154 is implemented as a Y-coupler, and more particularly as a fiber-based Y-coupler.
  • the superimposing element 154 can be implemented as a multimode interference coupler (MMI coupler).
  • the two amplified, coherent laser beams 124 - 1 and 124 - 2 are spatially distributed to the various measuring elements 150 of the measuring unit 148 .
  • the amplified coherent laser beams 124-1 and 124-2 are divided between the three measuring elements 150a, 150b, 150c. Different beam paths are provided, for example, to distribute the two amplified coherent laser beams 124-1 and 124-2 to the various measuring elements 150.
  • Measuring device 138 and/or measuring unit 148 are designed such that at least three different measured values are determined by means of each measuring unit 148 for the amplified coherent laser beams 124 coupled into it, with a different offset phase difference A ⁇ p off being assigned to each of the different measured values .
  • the amplified coherent laser beams 124 are pulsed laser beams
  • the amplified coherent laser beams 124 each have laser pulses 156 .
  • the offset phase difference A ⁇ p off is then accompanied by a time offset with which the respective laser pulses 156 of the two amplified coherent laser beams 124 strike the measuring element 150 (FIGS. 7b, 7c and 7d).
  • a measured value for a pair 158 of a first laser pulse 156 and a further laser pulse 156 is recorded on one of the measuring elements 150, with the respective offset Phase differences A ⁇ p off at the various measuring elements 150 of the measuring unit 148 are different.
  • the first laser pulse 156 and the further laser pulse 156 are assigned to different ones of the two coherent, amplified coherent laser beams 124 which are coupled into the measuring unit 148 and/or into the measuring element 150 .
  • the pair 158 means a spatial superimposition of the first and the further laser pulse 156 on the measuring element 150 , these laser pulses 156 having a defined offset phase difference A ⁇ p off on the measuring element 150 .
  • the laser pulses associated with the amplified coherent laser beam 124-1 are denoted by 156-1 and the laser pulses associated with the amplified coherent laser beam 124-2 are denoted by 156-2.
  • Fig. 7b shows schematically the time offset of the laser pulses 156-1 and 156-2 impinging on the measuring element 150a
  • Fig. 7c the laser pulses 156-1 and 156-2 impinging on the measuring element 150b
  • Fig. 7d those impinging on the measuring element 150c
  • Laser pulses 156-1 and 156-2 are shown schematically the time offset of the laser pulses 156-1 and 156-2 impinging on the measuring element 150a
  • Fig. 7c the laser pulses 156-1 and 156-2 impinging on the measuring element 150b
  • Fig. 7d those impinging on the measuring element 150c
  • Laser pulses 156-1 and 156-2 Laser pulses 156-1 and 156-2.
  • delay elements 160 can be provided, with one or more of the measuring elements 150 being able to be assigned one or more delay elements 160 in each case.
  • the delay element 160 is designed to generate a path length difference, from which, for example, a time offset and/or an offset phase difference A ⁇ p off between the laser pulses 156 of the pair 158 results.
  • a respective delay element 160 is designed, for example, to form an offset phase difference A ⁇ p off of 120°.
  • no delay element 160 is assigned to the amplified coherent laser beam 124-2 coupled into the measuring elements 150a, 150b and 150c.
  • no delay element 160 is assigned to measuring element 150a and/or to amplified coherent laser beam 124-1 coupled into measuring element 150a. For example, this results in an offset phase difference A ⁇ p off of 0° between the two laser pulses 156-1 and 156-2 at the measuring element 150a.
  • a single delay element 160 is assigned to the measuring element 150b and/or to the amplified coherent laser beam 124-1 coupled into the measuring element 150b. For example, this results in an offset phase difference A ⁇ p off of 120° between the two laser pulses 156-1 and 156-2 at the measuring element 150b.
  • Two delay elements 160 are assigned to measuring element 150c and/or to amplified coherent laser beam 124-1 coupled into measuring element 150c. For example, this results in an offset phase difference A ⁇ p off of 240° between the two laser pulses 156-1 and 156-2 at the measuring element 150b.
  • measured values are recorded for the two amplified coherent laser beams 124 assigned to the measuring unit 148 at different offset phase differences A ⁇ p off .
  • the actual phase difference A ⁇ p between these two amplified coherent laser beams 124 can be determined on the basis of these measured values.
  • Intensities I of a superposition of the laser pulses 156-1, 156-2 associated with the pair 158 are measured by means of the measuring elements 150 of the measuring unit 148, the measured intensity I being dependent on the offset phase difference A ⁇ p off (FIG. 8).
  • a time-averaged intensity I of the laser pulses 156 of the pair 158 impinging on the measuring element 150 is measured by means of a respective measuring element 150 .
  • FIG. 8 shows an example of an intensity I measured on a measuring element 150 as a function of the phase difference A ⁇ p.
  • measured values for different offset phase differences A ⁇ p off are recorded by means of various measuring elements 150, with a measuring element 150 being assigned to a recorded measured value for a specific offset phase difference A ⁇ p off in each case, for example.
  • a temporally parallel measurement of pairs 158 of superimposed laser pulses 156 with different offset phase differences A ⁇ p off takes place by means of the various measuring elements 150 .
  • a measuring unit 148′ shown in FIG. 9a measurements of pairs 158 of two laser pulses 156 for different offset phase differences A ⁇ p off are carried out with a time offset.
  • the embodiment of the measuring unit 148' shown in FIG. 9a differs from the embodiment described above and shown in FIG. 7a in that a single measuring element 150 is provided. Otherwise, the measuring unit 148' is constructed in the same way as the measuring unit 148, so that reference is made to its description in this respect.
  • the pairs 158 with different offset phase differences A ⁇ p off are routed to the measuring element 150 with a time offset, the respective pairs 158 hitting the measuring element 150 with a defined time offset At, for example (Fig. 9b). .
  • the measuring device 138 is set up to provide the pairs 158 of two laser pulses 156 with a defined time offset ⁇ t and respectively defined offset phase differences A ⁇ p off .
  • the defined time offset ⁇ t corresponds at least approximately to a repetition rate of the pulsed laser beams.
  • the repetition rate is in the range from 1 MHz to 1 GHz.
  • the phase setting device 112 is controlled by the measuring device 138 in order to provide pairs 158 with a defined offset phase difference A ⁇ p off .
  • the measuring device 138 is set up to control the phase setting device 112 and/or is connected to the phase setting device 112 in a signal-effective manner.
  • the laser source 106 can be controlled by means of the measuring device 138 in order to provide pairs 158 with a defined time offset ⁇ t.
  • the measuring device 138 is connected to the laser source 106 and/or to a control device of the laser source 106 in a signal-effective manner, for example.
  • a shutter device 162 which can be controlled by measuring device 138 and is arranged in the beam path of coherent laser beams 102 and/or amplified coherent laser beams 124 (Fig. 3), can be provided to generate pairs 158 with a defined time offset At.
  • the shutter device 162 is set up to interrupt or release the passage of amplified coherent laser beams 124 to the respective measuring units 148 of the measuring device 138 .
  • the shutter device 162 comprises a plurality of shutter elements 164, one shutter element being assigned to one of the amplified coherent laser beams 124 in each case.
  • laser pulses 156 and/or pairs 158 of laser pulses 156 of the respective amplified coherent laser beams 124 can be fed to a specific measuring element 150 with a defined time offset ⁇ t. This can be provided in particular when the amplified coherent laser beams are continuous wave laser beams.
  • One or more of the shutter elements 164 can be arranged, for example, in the respective beam path of the amplified coherent laser beams 124 coupled into the measuring device 138 .
  • shutter elements 164 it is also possible for shutter elements 164 to be assigned to a measuring unit 148 and/or a measuring element 150 or to be part of a measuring unit 148 and/or a measuring element 150 .
  • the pairs 158 of laser pulses 156 with a defined time offset ⁇ t and defined offset phase difference A ⁇ p off directed to the measuring element 150 by splitting up the amplified coherent laser beams 124-1, 124-2 coupled into the measuring unit 148′ to generate different beam paths 166 (Fig. 10).
  • the different beam paths are each set up to generate a pair 158 with a defined offset phase difference A ⁇ p off and to feed this to the measuring element 150 with a specific time offset ⁇ t to a next or previous pair 158 .
  • Delay elements 160 which are arranged in the respective beam paths 166, can be provided to form the defined time offset ⁇ t and the defined offset phase difference A ⁇ p off .
  • one or more delay elements 160 and/or one or more beam paths 166 can be implemented as a PIC.
  • three different beam paths 166 are provided in order to provide the measuring element 150 with three pairs 158 with a defined time offset ⁇ t and a defined offset phase difference A ⁇ p off .
  • a pair 158 is provided along each of the beam paths.
  • the shutter device 162 is controlled in such a way that the shutter elements 164 are only enabled for a period of time which is required for the passage of a specific pair 158 of laser pulses 156 to the assigned measuring unit 148 and/or the assigned measuring element 150.
  • the measuring device 138 is set up to feed the amplified coherent laser beams 124 to the respective measuring units 148 and/or measuring elements 150 with at least approximately the same intensity.
  • the measuring device 138 includes reinforcement elements.
  • the measuring device 138 comprises at least one measuring unit 148" with a measuring element 150, it being provided that the two coupled-in amplified coherent laser beams 124-1, 124-2 and/or the coupled-in pair 158 Laser pulses 156 of these amplified coherent laser beams have an offset phase difference A ⁇ p off of more than 2*Pi (Fig. 11). This can be implemented, for example, by a large number of delay elements 160, which amplify one of the two coupled into the measuring unit 148". coherent laser beams 124-1, 124-2.
  • the phase adjustment device 112 is controlled in order to set the respective phase difference between the amplified coherent laser beams 124 to predetermined target phase difference values A ⁇ p so ".
  • the respective Set the phase difference between the coherent laser beams 102 coupled into the amplifying device 120 which causes a change and/or setting of the respective phase difference between the associated amplified coherent laser beams 124.
  • the device includes a control device 168, which controls the phase setting device 110 on the basis of an assignment rule with specific control values.
  • the assignment rule contains a Allocation of the control values to setpoint phase difference values A ⁇ p so " between the respective amplified coherent laser beams.
  • the allocation rule is or includes an allocation table.
  • a start version of the assignment rule is determined by calibration measurements.
  • the phase setting device 112 is controlled by the control device 168 with specific control values, and the resulting actual phase difference values A ⁇ p are measured for these control values by the measuring device 138 .
  • relationships between the control values and the resulting phase difference values A ⁇ p can be determined in order to define the assignment rule.
  • a memory device 170 can be provided, which is included in the control device 168 or which is assigned to the control device 168 , the assignment rule being stored in the memory device 170 .
  • the assignment specification is optimized during operation of the device 100 in order to minimize the deviation between the setpoint phase difference values A ⁇ p so " and the actual phase difference values A ⁇ p.
  • An optimization unit assigned to the control device 168 is used to carry out the optimization 172 planned.
  • Optimization unit 172 at least partially adapts the assignment specification and/or at least partially changes it in order to minimize the deviation between the setpoint phase difference values A ⁇ p so " and the actual phase difference values A ⁇ p, with a comparison between the Target phase difference values A ⁇ p so "and the actual phase difference values A ⁇ p is undertaken.
  • the assignment rule stored by the control device 168 for controlling the phase setting device 112 is updated at specific time intervals by means of the optimization unit 172, i.e. replaced by a new assignment rule which is adapted as described above.
  • the control device 168, the measuring device 138, the memory device 170 and the optimization unit are each connected to one another in a signal-effective manner (indicated by the dashed line in FIG. 1).
  • the phase setting device 112 is set up to set the respective phase difference between the coherent laser beams 102 and/or the amplified coherent laser beams 124 with a phase setting frequency f Einstel1 to specified setpoint phase difference values A ⁇ p so " (in Fig. 12a, for example, a time profile of set Target phase difference values A ⁇ p so " between two of the amplified coherent laser beams 124 are shown).
  • the phase setting frequency f setting1 is also referred to as the modulation frequency of the phase setting device .
  • phase setting frequency f set1 is in the range from 1 MHz to 50 MHz.
  • the measuring device 138 is set up to determine the respective phase difference A ⁇ p (actual phase difference) between the amplified coherent laser beams 124 with a measuring accuracy frequency f measuring (FIG. 12b).
  • a ⁇ p actual phase difference
  • f measuring a measuring accuracy frequency f measuring
  • the measurement accuracy frequency f Mess9en is also referred to as the measurement bandwidth.
  • the measurement accuracy frequency f Mess9en is greater than or equal to the phase adjustment frequency f Einste ".
  • the measuring device 138 described above enables, in particular, measurements of the respective phase difference A ⁇ p with a measuring accuracy frequency f measuring in the range from 1 MHz to 50 MHz.
  • the measuring distance frequency f Messab is in the range from 0.5 kHz to 5 kHz.
  • the optimization frequency is in the range from 0.5 kHz to 5 kHz.
  • the optimization of the assignment rule with the optimization frequency f° pti is shown schematically in FIG. 12d.
  • the phase setting device 112 is actuated by the control device 168 on the basis of a first version 173 of the assignment rule.
  • the assignment rule is replaced by an optimized version 173', as a result of which the deviation between A ⁇ p so " and A ⁇ p is reduced at this point in time (cf. FIG. 12c).
  • the device 100 has at least one additional measuring device 174, which is preferably arranged after the measuring device 138 and/or after the decoupling device 142 with respect to the main propagation direction 140.
  • This additional measuring device 174 is designed to determine phase differences A ⁇ p (actual phase differences) between the amplified coherent laser beams 124 .
  • the additional measuring device 174 is connected to the control device 168 for signaling purposes in order to transmit the determined phase differences A ⁇ p to the control device 168 .
  • Additional measuring device 174 can be arranged, for example, in an area of combination device 126 and/or in an area of a workpiece (not shown) to be processed using the at least one combined laser beam 104.
  • Additional actual phase difference values A ⁇ p can be determined by means of the additional measuring device 174, which can be taken into account when optimizing the assignment rule. These actual phase difference values A ⁇ p are used, for example, by the optimization device 172 in addition to the actual phase difference values A ⁇ p determined by the measuring device 138 to optimize the assignment rule.
  • the measuring distance frequency f Messab and/or the measuring accuracy frequency f Mess9en of the additional measuring device 174 can correspond to those of the measuring device 138 or differ from those of the measuring device 138 .
  • the measurement accuracy frequency f Mess9en of the additional measuring device 174 can be lower than that of the measuring device 138.
  • the device 100 can include one or more sensor elements 176 which are set up to measure at least one parameter which influences the respective phase difference A ⁇ p between the amplified coherent laser beams 124 .
  • sensor elements 176 may be associated with phase adjustment device 112 and/or amplification device 120, respectively.
  • the sensor elements 176 can be set up for temperature measurement, for example.
  • the sensor elements 176 are connected to the control device 168 and/or to the optimization unit 172 in order to transmit the measured values recorded by .
  • the optimization unit 172 takes into account the measured values detected by the sensor elements 176 when optimizing the assignment rule.
  • the device 100 according to the invention works as follows:
  • the input laser beam 108 is provided by the laser source 106 and is coupled into the splitting device 110 .
  • a plurality of coherent laser beams 102 are formed.
  • the coherent laser beams 102 are amplified by the amplifying device 120 and coupled out as amplified coherent laser beams 124 .
  • One or more combined laser beams 104 are then formed by combining the amplified coherent laser beams 124, the combination being carried out by means of the combining device 126, for example.
  • the phase setting device 168 controls the phase setting device 110 with control values in accordance with the assignment rule. In this way, the respective phase differences between the coherent laser beams 102 are set before they are coupled into the amplifying device 120, which in turn means that the respective phase differences A ⁇ p of the amplified coherent laser beams 124.
  • the actual phase differences A ⁇ p of the amplified coherent laser beams 124 are measured using the measuring device 138 and transmitted to the control device 168 and/or the optimization unit 172 .
  • the optimization unit compares the set target phase difference values with the actually measured actual phase difference values A ⁇ p between the amplified coherent laser beams 124 and then calculates an updated assignment rule, so that a deviation between the target phase difference values and the actual phase difference values A ⁇ p is minimized.
  • the assignment rule can be updated, for example, analogously to the calibration and linearization of non-linear sensor curves using reference measurements.
  • Corresponding methods can be adapted in such a way that the calibration process is continuously improved on the basis of individual measured values and further sensor information is optionally taken into account.
  • Such methods are known, for example, from the publications "Lookup Table Optimization for Sensor Linearization in Small Embedded Systems", L.E. Bengtsson, Journal of Sensor Technology, Vol. 4, 2012, pp. 177-184, "A Linearization and Compensation Method for Integrated Sensors," P. Hille, R. Hohler and H. Strack, Sensors and Actuators A, Vol. 2, 1994, pp.
  • Optimization unit first version of the assignment rule ' optimized version of the assignment rule additional measuring device

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen (102) zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl (104), umfassend eine Phaseneinstelleinrichtung (112) zur Einstellung einer jeweiligen Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen (102), eine Verstärkungseinrichtung (120) zur Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen (102), wobei aus der Verstärkungseinrichtung (120) verstärkte kohärente Laserstrahlen (124) ausgekoppelt werden, und eine Messeinrichtung (138) zur Ermittlung von Phasendifferenzen (Δφ) zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124), wobei die Messeinrichtung (138) eingerichtet ist, um zur Ermittlung der Phasendifferenzen (Δφ) zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) jeweils eine Phasendifferenz (Δφ) zwischen einem der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) und einem weiteren der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) oder zwischen einem der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) und mindestens einem Referenzlaserstrahl (149) zu messen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen, Lasersystem
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl.
Ferner betrifft die Erfindung ein Lasersystem.
Aus der DE 10 2020 201 161 Al ist eine Vorrichtung zur Kombination einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen bekannt, 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, wobei die Strahlkombinationseinrichtung eine Mikrolinsenanordnung mit genau einem Mikrolinsen-Array zur Bildung des mindestens einen kombinierten Laserstrahls aufweist.
Aus der US 9,134,538 Bl ist ein System zum kohärenten Kombinieren einer Vielzahl von optischen Strahlen bekannt, umfassend einen Resonanzhohlraum, eine Vielzahl von Verstärkungselementen, die innerhalb des Resonanzhohlraums angeordnet sind, ein strahlkombinierendes Element in optischer Kommunikation mit den Verstärkungselementen, um die optischen Strahlen kohärent zu einem kohärenten Ausgangsstrahl zu kombinieren, einen Sensor, der in optischer Kommunikation mit dem Strahlkombinationselement steht, um mindestens einen Teil des kohärenten Ausgangsstrahls zu erfassen und ein Rückkopplungssignal bereitzustellen, das für den mindestens einen Teil des kohärenten Ausgangsstrahls repräsentativ ist, und eine mit dem Sensor gekoppelte Phasensteuerung, um eine Phase von mindestens einem der optischen Strahlen basierend auf dem Rückkopplungssignal einzustellen.
Aus der WO 2017/125345 Al ist ein Phasenreglungssystem zur Regelung der Relativphase zweier kohärent zu kombinierender Laserstrahlen eines Lasersystems, das zum Bereitstellen eines phasengeregelten Summenlaserstrahls vorgesehen ist, bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung und ein eingangs genanntes Verfahren bereitzustellen, mittels welchen sich eine Kombination von kohärenten Laserstrahlen mit einer erhöhten zeitlichen und/oder räumlichen Dynamik realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine Phaseneinstelleinrichtung zur Einstellung einer jeweiligen Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen umfasst, eine Verstärkungseinrichtung zur Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen, wobei aus der Verstärkungseinrichtung verstärkte kohärente Laserstrahlen ausgekoppelt werden, und eine Messeinrichtung zur Ermittlung von Phasendifferenzen zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen, wobei die Messeinrichtung eingerichtet ist, um zur Ermittlung der Phasendifferenzen zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen jeweils eine Phasendifferenz zwischen einem der verstärkten kohärenten Laserstrahlen und einem weiteren der verstärkten kohärenten Laserstrahlen oder zwischen einem der verstärkten kohärenten Laserstrahlen und mindestens einem Referenzlaserstrahl zu messen.
Es lassen sich dadurch insbesondere Phasendifferenzen zwischen den vorhandenen verstärkten kohärenten Laserstrahlen jeweils paarweise messen. Hieraus lassen sich auf technisch einfache Weise die jeweiligen Phasendifferenzen und/oder Phasenlagen für alle vorhandenen verstärkten kohärenten Laserstrahlen ermitteln. Die ermöglicht eine effektive, genaue und schnelle Erfassung der jeweiligen Phasendifferenzen zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen und damit eine effektive Regelung der Phasendifferenzen. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine Messung von Phasendifferenzen zwischen den vorhandenen kohärenten Laserstrahlen mit einer hohen zeitlichen Auflösung ausgeführt werden. Beispielsweise beträgt eine Zeitdauer, mit welcher die jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen aufgelöst werden kann, höchstens 3 ps, bevorzugt höchstens 1 ps und besonders bevorzugt höchstens 0,01 ps. Insbesondere liegt die Zeitdauer der Messung der jeweiligen Phasendifferenz in der Größenordnung eines Kehrwerts einer Modulationsfrequenz der Phaseneinstelleinrichtung.
Beispielsweise beträgt eine Messgenauigkeitsfrequenz, mit welcher die jeweilige Phasendifferenz zwischen verstärkten kohärenten Laserstrahlen aufgelöst werden kann, mindestens 0,3 MHz und/oder höchstens 1 GHz und insbesondere höchstens 100 MHz.
Aufgrund der hohen zeitlichen Auflösung der Messung der Phasendifferenzen lassen sich die kohärenten Laserstrahlen mit einer hohen zeitlichen und/oder räumlichen Auflösung zu unterschiedlichen kombinierten Laserstrahlen kombinieren. Dies ermöglicht beispielsweise eine schnelle Variation von Strahlverteilungen und/oder Pulsparametern, was beispielsweise wiederum eine Bearbeitung von Werkstücken mit einer erhöhten Geschwindigkeit sowie einer erhöhten zeitlichen und/oder räumlichen Auflösung ermöglicht.
Insbesondere werden mittels der Messeinrichtung die Phasendifferenzen für alle vorhandenen verstärkten kohärenten Laserstrahlen und/oder paarweise zwischen allen vorhandenen verstärkten kohärenten Laserstrahlen ermittelt. Insbesondere werden mittels der Messeinrichtung die jeweiligen Phasendifferenzen für alle möglichen Kombinationen der vorhandenen verstärkten kohärenten Laserstrahlen ermittelt.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass mittels der Messeinrichtung eine jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen vor deren Kombination zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl gemessen wird. Die kohärenten Laserstrahlen können gepulste Laserstrahlen oder Dauerstrichlaserstrahlen sein. Insbesondere sind die kohärenten Laserstrahlen Ultrakurzpulslaserstrahlen.
Die Vorrichtung ist insbesondere eingerichtet, um die verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu dem mindestens einen kohärenten Laserstrahl zu kombinieren. Die kohärenten Laserstrahlen und/oder die verstärkten kohärenten Laserstrahlen sind insbesondere jeweils Laserstrahlen mit dem Zweck, zu dem mindesten einen kombinierten Laserstrahl kombiniert zu werden.
Der mindestens eine Referenzlaserstrahl ist insbesondere ein Laserstrahl mit dem Zweck, jeweilige Phasendifferenzen zwischen diesem Laserstrahl und den verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu messen. Insbesondere trägt der mindestens eine Referenzlaserstrahl nicht zur Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu dem mindestens einen kombinierten Laserstrahl bei und/oder der mindestens eine Referenzlaserstrahl wird nicht zu dem mindestens einen kombinierten Laserstrahl kombiniert.
Der mindestens eine Referenzlaserstrahl kann beispielsweise ein Anteil eines mittels einer Laserquelle bereitgestellten Eingangslaserstrahls sein, aus welchem ein oder mehrere der kohärenten Laserstrahlen gebildet sind. Es ist auch möglich, dass der mindestens eine Referenzlaserstrahl einer der kohärenten Laserstrahlen und/oder verstärkten kohärenten Laserstrahlen ist.
Die Verstärkungseinrichtung kann beispielsweise Faserverstärker, Slabverstärker, Stabverstärker oder Scheibenverstärker umfassen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Verstärkungseinrichtung eine Frequenzkonversionsstufe aufweist oder der Verstärkungseinrichtung eine Frequenzkonversionsstufe der Vorrichtung zugeordnet ist.
Insbesondere ist mittels der Phaseneinstelleinrichtung eine jeweilige Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen und/oder zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen einstellbar. Aus dem vorstehend genannten Grund kann es günstig sein, wenn die Messeinrichtung eingerichtet ist, um jeweils Phasendifferenzen zwischen Kombinationen aus zwei unterschiedlichen der verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu messen oder um jeweils Phasendifferenzen zwischen unterschiedlichen Kombinationen aus jeweils einem der verstärkten kohärenten Laserstrahlen und dem mindestens einen Referenzlaserstrahl zu messen.
Unter unterschiedlichen Kombinationen sind jeweils Kombinationen zu verstehen, bei welchen beide Laserstrahlen der Kombination unterschiedlich sind. Beispielsweise können im Sinne dieser Anmeldung aus drei Laserstrahlen zwei unterschiedliche Kombinationen gebildet werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Messeinrichtung zumindest abschnittsweise als Photonic Integrated Circuit ausgeführt ist. Insbesondere sind ein oder mehrere Teile oder Bereiche der Messeinrichtung, wie z.B. eine Strahlführung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen, als Photonic Integrated Circuit ausgeführt. Die Messeinrichtung kann aufgrund einer Vielzahl von Messeinheiten und/oder Messelementen und der zugehörigen Strahlführung eine hohe Komplexität aufweisen. Durch die Ausführung des Messeinrichtung als Photonic Integrated Circuit lässt sich die Messeinrichtung auf technisch einfache Weise ausbilden. Insbesondere lässt sich dadurch die Messeinrichtung mit einer verringerten Anzahl an Einzelkomponenten ausführen.
Insbesondere sind N kohärente Laserstrahlen und/oder N verstärkte kohärente Laserstrahlen vorgesehen, wobei die Messeinrichtung eingerichtet ist, um jeweils eine Phasendifferenz für N-l unterschiedliche Kombinationen aus jeweils zwei der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu messen oder um jeweils eine Phasendifferenz für N unterschiedliche Kombinationen aus jeweils einem der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen und dem mindestens einen Referenzlaserstrahl zu messen.
Günstig kann es sein, wenn jeweils eine Phasendifferenz zwischen einem ersten der verstärkten kohärenten Laserstrahlen und genau einem weiteren der verstärkten kohärenten Laserstrahlen gemessen wird, wobei der erste der verstärkten kohärenten Laserstrahlen bei allen Messungen unterschiedlich ist, und wobei der genau eine weitere der verstärkten kohärenten Laserstrahlen bei allen Messungen unterschiedlich ist oder wobei der genau eine weitere der verstärkten kohärenten Laserstrahlen bei einer Teilmenge der Messungen oder bei allen Messungen derselbe ist.
Der genau eine weitere der verstärkten kohärenten Laserstrahlen ist bei jeder paarweisen Messung ein von dem ersten der verstärkten kohärenten Laserstrahlen verschiedener verstärkter kohärenter Laserstrahl. Es werden somit keine Phasendifferenzen zwischen demselben verstärkten kohärenten Laserstrahl gemessen.
Aus dem gleichen Grund kann es günstig sein, wenn jeweils eine Phasendifferenz zwischen einem der verstärkten kohärenten Laserstrahlen und dem mindestens einen Referenzlaserstrahl gemessen wird, wobei der verstärkte kohärente Laserstrahl bei allen Messungen unterschiedlich ist.
Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Messgruppe ersten Typs und/oder mindestens eine Messgruppe zweiten Typs gebildet werden, mittels welchen jeweils Phasendifferenzen zwischen einem ersten der verstärkten kohärenten Laserstrahlen und genau einem weiteren der verstärkten kohärenten Laserstrahlen gemessen werden, wobei der erste der verstärkten kohärenten Laserstrahlen bei allen Messungen unterschiedlich ist und wobei bei der mindestens einen Messgruppe ersten Typs der genau eine weitere der verstärkten kohärenten Laserstrahlen bei allen Messungen unterschiedlich ist und wobei bei der mindestens einen Messgruppe zweiten Typs der genau eine weitere der verstärkten kohärenten Laserstrahlen bei allen Messungen derselbe ist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Auskopplungseinrichtung zur anteiligen Auskopplung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen umfasst, wobei anteilig ausgekoppelte verstärkte kohärente Laserstrahlen der Messeinrichtung zugeführt werden, um eine jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu messen. Dadurch lassen sich insbesondere die Phasendifferenzen der verstärkten kohärenten Laserstrahlen vor deren Kombination zu dem mindestens einen kombinierten Laserstrahl ermitteln. Unter einer anteiligen Auskopplung ist insbesondere eine Auskopplung eines jeweiligen Anteils und/oder Strahlanteils der verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu verstehen.
Insbesondere beträgt eine Intensität und/oder eine Leistung der anteilig ausgekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen weniger als 10 % einer Intensität bzw. Leistung von auf die Auskopplungseinrichtung einfallenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen.
Es kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Referenzlaserstrahl mittels der Auskopplungseinrichtung in die Messeinrichtung eingekoppelt wird, wobei dann insbesondere ein Anteil von mindestens 90 % und/oder von zumindest näherungsweise 100 % des mindestens einen Referenzlaserstrahls in die Messeinrichtung 138 eingekoppelt wird.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass der mindestens eine Referenzlaserstrahl mittels eines separaten Strahlpfads, welcher insbesondere nicht durch die Auskopplungseinrichtung führt, in die Messeinrichtung eingekoppelt wird.
Die Auskopplungseinrichtung ist insbesondere in einem Strahlengang der verstärkten kohärenten Laserstrahlen angeordnet. Beispielsweise ist die Auskopplungseinrichtung bezüglich einer Haupt-Propagationsrichtung der kohärenten Laserstrahlen und/oder der verstärkten kohärenten Laserstrahlen nach der Verstärkungseinrichtung und/oder vor einer Kombinationseinrichtung der Vorrichtung angeordnet.
Darunter, dass eine erste Einrichtung und/oder ein erstes Element der Vorrichtung bezüglich der Haupt-Propagationsrichtung nach einer zweiten Einrichtung und/oder einem zweiten Element der Vorrichtung angeordnet ist, ist vorliegend zu verstehen, dass die kohärenten Laserstrahlen bzw. verstärkten kohärenten Laserstrahlen zeitlich zuerst auf die zweite Einrichtung und/oder das zweite Element treffen und anschließend auf die erste Einrichtung und/oder das erste Element. Die zweite Einrichtung und/oder das zweite Element ist dann vor der ersten Einrichtung und/oder dem ersten Element angeordnet. Zur anteiligen Auskopplung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen umfasst die Auskopplungseinrichtung beispielsweise ein teilreflektierendes Spiegelelement und/oder ein Polarisationsstrahlteilerelement und/oder einen Y- Splitter auf Faserbasis.
Insbesondere wird mittels der Auskopplungseinrichtung jeder der kohärenten Laserstrahlen anteilig ausgekoppelt und der Messeinrichtung zugeführt.
Günstig kann es sein, wenn mittels der Messeinrichtung zur Messung der jeweiligen Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen jeweils ein Anteil eines der verstärkten kohärenten Laserstrahlen mit einem Anteil eines weiteren der verstärkten kohärenten Laserstrahlen räumlich überlagert wird oder jeweils ein Anteil eines der verstärkten kohärenten Laserstrahlen mit dem mindestens einen Referenzlaserstrahl räumlich überlagert wird. Insbesondere erfolgt eine räumliche Überlagerung des verstärkten kohärenten Laserstrahls mit dem weiteren verstärkten kohärenten Laserstrahl bzw. mit dem mindestens einen Referenzlaserstrahl kollinear. Aufgrund der insbesondere kollinearen räumlichen Überlagerung von jeweiligen Anteilen der verstärkten kohärenten Laserstrahlen lassen sich deren Phasendifferenzen durch eine technisch einfache Intensitätsmessung ermitteln, wobei insbesondere keine Bildverarbeitung notwendig ist.
Unter einer kollinearen Überlagerung von Laserstrahlen ist insbesondere zu verstehen, dass diese mit zumindest näherungsweise paralleler und/oder zusammenfallender Strahlachse an der Messeinrichtung überlagert werden, wobei die kollineare Überlagerung insbesondere an jeweiligen Messelementen der Messeinrichtung erfolgt. Beispielsweise erfolgt die kollineare Überlagerung in einem gemeinsamen Wellenleiter.
Insbesondere werden mittels der Messeinrichtung Intensitäten von räumlichen Überlagerungen und insbesondere kollinearen räumlichen Überlagerungen aus jeweils zwei der verstärkten kohärenten Laserstrahlen gemessen. Die Messeinrichtung umfasst beispielsweise mehrere Messeinheiten, wobei in eine Messeinheit jeweils einer der verstärkten kohärenten Laserstrahlen und ein weiterer der verstärkten kohärenten Laserstrahlen eingekoppelt wird.
Eine Messeinheit der Messeinrichtung umfasst mindestens ein Messelement zur Intensitätsmessung einer räumlichen Überlagerung der beiden verstärkten kohärenten Laserstrahlen. Das Messelement ist beispielsweise als Photodetektor ausgebildet oder umfasst einen Photodetektor. Der Photodetektor kann beispielsweise ein schneller Photodetektor und/oder ein getakteter Photodetektor und/oder eine Photodiode sein.
Insbesondere sind N kohärente Laserstrahlen und/oder N verstärkte kohärente Laserstrahlen vorgesehen, wobei die Messeinrichtung mindestens N-l Messeinheiten aufweist, welche eingerichtet sind, um jeweils eine Phasendifferenz zwischen einem der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen und einem weiteren der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu messen, oder wobei die Messeinrichtung mindestens N Messeinheiten aufweist, welche eingerichtet sind, um jeweils eine Phasendifferenz zwischen einem der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen und dem mindestens einen Referenzlaserstrahl zu messen.
Bei einer Ausführungsform ist mindestens eine Messeinheit vorgesehen, welche ein einziges Messelement aufweist, wobei an dem Messelement einer der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen mit einem weiteren der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen oder mit dem mindestens einen Referenzlaserstrahl räumlich überlagert wird, und wobei die Messeinrichtung eingerichtet ist, dem Messelement und/oder der Messeinheit mehrere Paare aus einem Laserpuls des einen der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen und einem Laserpuls des weiteren der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen oder des mindestens einen Referenzlaserstrahls zuzuführen, wobei die Paare dem Messelement und/oder der Messeinheit mit einem definierten Zeitversatz zugeführt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass jede Messeinheit der Messeinrichtung ein einziges Messelement aufweist. Insbesondere weisen die verschiedenen Paare, welche dem Messelement und/oder der Messeinheit mit definiertem Zeitversatz zugeführt werden, jeweils eine unterschiedliche Offset- Phasendifferenz auf.
Insbesondere ist unter einer Offset- Phasendifferenz eine voreingestellte und/oder vordefinierte Phasendifferenz zwischen zwei verstärkten kohärenten Laserstrahlen und insbesondere zwischen jeweiligen Laserpulsen dieser verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu verstehen. Die Offset-Phasendifferenz ist insbesondere eine zusätzliche Phasendifferenz zu einer bereits vorhandenen.
Insbesondere ist unter einem Paar aus Laserpulsen jeweils eine räumliche Überlagerung zweier Laserpulse an einer Messeinheit und/oder an einem Messelement der Messeinrichtung zu verstehen, wobei die beiden Laserpulse des Paars jeweils unterschiedlichen verstärkten kohärenten Laserstrahlen zugeordnet sind.
Falls die verstärkten kohärenten Laserstrahlen gepulste Laserstrahlen sind, entspricht bei einer bevorzugten Ausführungsform der definierte Zeitversatz einer Repetitionsrate der gepulsten Laserstrahlen.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass eine Laserquelle der Vorrichtung, mittels welcher kohärente Laserstrahlen bereitgestellt werden, zur Erzeugung von unterschiedlichen Paaren von Laserpulsen mit definiertem Zeitversatz mittels der Messeinrichtung angesteuert wird.
Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zur Erzeugung von unterschiedlichen Paaren von Laserpulsen mit definiertem Zeitversatz eine Shuttereinrichtung umfasst, wobei die Shuttereinrichtung insbesondere in einem Strahlengang der in die Messeinrichtung einzukoppelnden verstärkten kohärenten Laserstrahlen und/oder des in die Messeinrichtung einzukoppelnden mindestens einen Referenzlaserstrahls angeordnet ist.
Insbesondere ist die Shuttereinrichtung eingerichtet, um eine Durchleitung von verstärkten kohärenten Laserstrahlen und/oder des mindestens einen Referenzlaserstrahls zu der jeweiligen Messeinheit der Messeinrichtung freizugeben oder zu unterbrechen.
Insbesondere können dann durch geeignete Ansteuerung der Shuttereinrichtung mittels der Messeinrichtung unterschiedliche Paare von Laserpulsen mit definiertem Zeitversatz erzeugt werden.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Shuttereinrichtung mittels der Messeinrichtung derart angesteuert wird, dass eine Durchleitung von verstärkten kohärenten Laserstrahlen und/oder des mindestens einen Referenzlaserstrahls zu der jeweiligen Messeinheit nur für eine Zeitdauer freigegeben wird, welche zum Durchlass eines bestimmten Paars aus Laserpulsen auf die zugeordnete Messeinheit und/oder das zugeordnete Messelement erforderlich ist. Dadurch lassen sich insbesondere Messelemente verwenden, deren Messbandbreite niedriger ist als eine Modulationsbandbreite der Laserpulse.
Die Shuttereinrichtung kann beispielsweise mechanisch oder elektrooptisch ausgeführt sein. Insbesondere kann die Shuttereinrichtung als Photonic Integrated Circuit ausgeführt sein.
Bei einer weiteren Variante kann es vorgesehen sein, dass zur Ausbildung von unterschiedlichen Paaren von Laserpulsen mit definiertem Zeitversatz mindestens ein Verzögerungselement vorgesehen ist, das zur Ausbildung einer Laufzeitdifferenz und/oder einer Weglängendifferenz zwischen den beiden verstärkten kohärenten Laserstrahlen eingerichtet ist, welche an der jeweiligen Messeinheit überlagert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine Messeinheit vorgesehen, welche mindestens zwei und bevorzugt drei oder mehr Messelemente aufweist. Insbesondere ist dann die Messeinrichtung eingerichtet, um den Messelementen jeweils ein Paar aus einem Laserpuls des einen der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen und einem Laserpuls des weiteren der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen oder des mindestens einen Referenzlaserstrahls zuzuführen. Es kann vorgesehen sein, dass jede Messeinheit der Messeinrichtung mindestens zwei und bevorzugt drei oder mehr Messelemente aufweist.
Insbesondere weisen die den verschiedenen Messelementen zugeführten Paare jeweils eine unterschiedliche Offset- Phasendifferenz auf.
Insbesondere sind mindestens zwei und bevorzugt drei oder mehr unterschiedliche Paare vorgesehen, deren zugeordnete Laserpulse und/oder zugeordnete verstärkte kohärente Laserstrahlen jeweils unterschiedliche definierte Offset-Phasendifferenzen aufweisen. Es lässt sich dadurch durch Intensitätsmessungen mittels des Sensorelements bzw. der Sensorelemente die Phasendifferenz zwischen diesen verstärkten kohärenten Laserstrahlen eindeutig ermitteln, beispielsweise auf Basis einer Clarke-Transformation.
Es kann vorgesehen sein, dass mittels der Messeinrichtung die Phaseneinstelleinrichtung angesteuert wird, um mehrere Paare auszubilden, deren Laserpulse jeweils eine definierte und/oder unterschiedliche Offset- Phasendifferenz aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass zur Ausbildung von mehreren Paaren mit unterschiedlichen Offset- Phasendifferenzen ein oder mehrere Verzögerungselemente vorgesehen sind, wobei insbesondere einem oder mehreren Messelementen der Messeinrichtung jeweils ein oder mehrere Verzögerungselemente zugeordnet sein können. Mittels einem Verzögerungselement wird insbesondere eine Weglängendifferenz zwischen den beiden verstärkten kohärenten Laserstrahlen erzeugt, welche den jeweiligen Laserpulsen eines bestimmten Paars zugeordnet sind.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung mindestens eine Messeinheit mit einem Messelement umfasst, wobei die Messeinrichtung und/oder die Messeinheit eingerichtet sind, um an dem Messelement zwei verstärkte kohärente Laserstrahlen mit einer Offset- Phasendifferenz von mehr als 2*Pi zu überlagern. Dies kann beispielsweise mittels einem oder mehreren Verzögerungselementen realisiert werden, welche einem der beiden verstärkten kohärenten Laserstrahlen zugeordnet sind. Es lässt sich dadurch insbesondere feststellen, ob verstärkte kohärente Laserstrahlen und/oder jeweilige Laserpulse der verstärkten kohärenten Laserstrahlen ein Phasendifferenz von mehr als 2*Pi aufweisen.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung zur Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung eingerichtet ist, um die jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu steuern und/oder zu regeln. Beispielsweise ist der Messeinrichtung zur Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung eine Steuerungseinrichtung zugeordnet oder die Messeinrichtung umfasst eine Steuerungseinrichtung. Eine Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung erfolgt insbesondere auf Grundlage von mittels der Messeinrichtung gemessenen und/oder ermittelten Phasendifferenzen zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen. Es lassen sich dadurch beispielsweise die jeweiligen Phasendifferenzen zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen mittels der Messeinrichtung regeln und insbesondere auf vorgegebene Sollwerte regeln.
Insbesondere bewirkt eine mittels der Phaseneinstelleinrichtung durchgeführte Änderung der Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen eine Änderung der Phasendifferenz zwischen den entsprechenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Aufteilungseinrichtung zur Aufteilung eines Eingangslaserstrahls in mehrere kohärente Laserstrahlen. Es lässt sich dadurch beispielsweise eine Vielzahl kohärenter Laserstrahlen mittels einer einzigen Laserquelle bereitstellen.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Kombinationseinrichtung zur Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu dem mindestens einen kombinierten Laserstrahl. Die Kombinationseinrichtung umfasst beispielsweise mindestens ein Mikrolinsen-Array und/oder mindestens ein diffraktives optisches Element und/oder mindestens ein Interferometer- Optiksystem und/oder mindestens ein polarisationsbeeinflussendes Element. Beispielsweise umfasst die Kombinationseinrichtung mindestens ein diffraktives optisches Element, wobei das mindestens eine diffraktive optisches Element beispielsweise eine Gitterstruktur mit periodischem Muster umfasst. Es lässt sich dadurch beispielsweise eine Kombination der kohärenten Laserstrahlen nach dem "filled-aperture"- Prinzip realisieren.
Es kann vorgesehen sein, dass die Kombinationseinrichtung mindestens ein Mikrolinsen-Array zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen umfasst. Es lässt sich dadurch beispielsweise eine Kombination der kohärenten Laserstrahlen nach dem "mixed-aperture"-Prinzip realisieren.
Es kann vorgesehen sein, dass die Kombinationseinrichtung eine Frequenzkonversionsstufe aufweist oder der Kombinationseinrichtung eine Frequenzkonversionsstufe der Vorrichtung zugeordnet ist. Insbesondere ist die Frequenzkonversionsstufe der Kombinationseinrichtung vorgeschaltet.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die verstärkten kohärenten Laserstrahlen ohne Kombinationseinrichtung zu dem mindestens einen kombinierten Laserstrahl kombiniert werden. Beispielsweise werden dann die verstärkten kohärenten Laserstrahlen durch Propagation im Fernfeld zu dem mindestens einen kombinierten Laserstrahl kombiniert ("tiled-aperture"-Prinzip).
Beispielsweise kann mindestens ein Linsenelement zur Abbildung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen in mindestens einen kombinierten Laserstrahl vorgesehen sein. Es lässt sich dadurch beispielsweise eine Kombination der kohärenten Laserstrahlen nach dem "tiled-aperture"-Prinzip realisieren.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Vorrichtung mindestens eine Laserquelle zur Bereitstellung der kohärenten Laserstrahlen umfasst.
Erfindungsgemäß umfasst das eingangs genannte Lasersystem mindestens eine Laserquelle zur Bereitstellung von kohärenten Laserstrahlen und eine vorstehend beschriebene Vorrichtung zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen. Insbesondere können eine einzige oder mehrere Laserquellen vorgesehen sein, um die kohärenten Laserstrahlen bereitzustellen. Im Fall einer einzigen Laserquelle werden mehrere kohärente Laserstrahlen durch Aufteilung eines mittels dieser Laserquelle bereitgestellten Eingangslaserstrahls erzeugt. Im Fall mehrerer Laserquellen wird beispielsweise mittels einer der Laserquellen jeweils mindestens ein kohärenter Laserstrahl bereitgestellt.
Erfindungsgemäß ist es bei dem eingangs genannten Verfahren zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen vorgesehen, dass eine jeweilige Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen mittels einer Phaseneinstelleinrichtung einstellbar ist oder eingestellt wird, die kohärenten Laserstrahlen mittels einer Verstärkungseinrichtung verstärkt werden, wobei aus der Verstärkungseinrichtung verstärkte kohärente Laserstrahlen ausgekoppelt werden, und dass Phasendifferenzen zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen mittels einer Messeinrichtung ermittelt werden, wobei zur Ermittlung der Phasendifferenzen zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen jeweils eine Phasendifferenz zwischen einem der verstärkten kohärenten Laserstrahlen und einem weiteren der verstärkten kohärenten Laserstrahlen oder zwischen einem der verstärkten kohärenten Laserstrahlen und mindestens einem Referenzlaserstrahl gemessen wird.
Insbesondere weist das erfindungsgemäße Verfahren ein oder mehrere weitere Merkmale und/oder Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf.
Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Phaseneinstelleinrichtung mittels der Messeinrichtung und/oder mittels einer Steuerungseinrichtung angesteuert wird, um die jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu steuern und/oder zu regeln. Insbesondere ist unter den Angaben "zumindest näherungsweise" oder "näherungsweise" im Allgemeinen eine Abweichung von höchstens 10 % zu verstehen. Falls nicht anders angegeben, ist unter den Angaben "zumindest näherungsweise" oder "näherungsweise" insbesondere zu verstehen, dass ein tatsächlicher Wert und/oder Abstand und/oder Winkel um höchstens 10 % von einem idealen Wert und/oder Abstand und/oder Winkel abweicht.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Kombination von mehreren kohärenten Laserstrahlen;
Fig. 2a ein als diffraktives optisches Element ausgeführtes Kombinationselement zur Kombination von verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu einem kombinierten Laserstrahl;
Fig. 2b ein als Mikrolinsenarray ausgeführtes Kombinationselement zur Kombination von verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu einem kombinierten Laserstrahl;
Fig. 2c ein Linsenelement zur Fokussierung von verstärkten kohärenten Laserstrahlen;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Auskopplungseinrichtung zur anteiligen Auskopplung von verstärkten kohärenten Laserstrahlen, um diese einer Messeinrichtung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung von Messeinheiten der Messeinrichtung, wobei mittels den Messeinheiten jeweils eine Phasendifferenz zwischen Paaren aus zueinander benachbarten verstärkten kohärenten Laserstrahlen gemessen wird; Fig. 5 eine schematische Darstellung von Messeinheiten der Messeinrichtung, wobei mittels den Messeinheiten jeweils eine Phasendifferenz zwischen Paaren aus demselben ersten und einem weiteren der kohärenten Laserstrahlen gemessen wird;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Konfiguration von Messeinheiten der Messeinrichtung;
Fig. 7a eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Messeinheit, wobei die Messeinheit drei Messstrecken mit jeweils einem Messelement aufweist;
Fig. 7b,c,d schematische Darstellungen von Laserpulsen der verstärkten kohärenten Laserstrahlen, welche jeweils auf die unterschiedlichen Messelemente der Messeinheit gemäß Fig. 7a treffen, wobei Paare von Laserpulsen mit jeweils unterschiedlichem zeitlichen Versatz auf die jeweiligen Messelemente treffen;
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines mittels eines Messelements gemessenen Intensitätsverlaufs in Abhängigkeit einer Phasendifferenz jeweiliger Laserpulsen zweier unterschiedlicher verstärkter kohärenter Laserstrahlen.
Fig. 9a eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Messeinheit, welche ein einziges Messelement aufweist;
Fig. 9b eine schematische Darstellung von Laserpulsen der verstärkten kohärenten Laserstrahlen, wobei Paare von Laserpulsen mit jeweils unterschiedlichem zeitlichen Versatz auf das Messelement treffen und wobei unterschiedliche Paare mit zeitlichem Versatz auf das Messelement treffen;
Fig. 10 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Messeinheit, welche ein einziges Messelement aufweist; Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Messeinheit mit einem Messelement, wobei Verzögerungselemente vorgesehen sind, um eine Offset- Phasendifferenz von mehr als 2*Pi zu erzeugen;
Fig. 12a ein Beispiel eines zeitlichen Verlauf eingestellter Soll- Phasendifferenzwerte zwischen zwei verstärkten kohärenten Laserstrahlen;
Fig. 12b ein Beispiel einer zeitlichen Abfolge von mittels einer Messeinrichtung durchgeführten Messungen zur Messung von Ist- Phasendifferenzwerten zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen;
Fig. 12c ein Beispiel eines zeitlichen Verlaufs einer Abweichung zwischen Soll-Phasendifferenzwerten und Ist-Phasendifferenzwerten; und
Fig. 12d ein Beispiel eines zeitlichen Ablaufs einer Optimierung einer Zuordnungsvorschrift, auf deren Grundlage eine Einstellung der Soll-Phasendifferenzwerte erfolgt.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen ist in Fig. 1 schematisch gezeigt und dort mit 100 bezeichnet. Mittels der Vorrichtung 100 lässt sich eine Kombination der kohärenten Laserstrahlen 102 durchführen (coherent beam combining), wobei ein oder mehrere kombinierte Laserstrahlen 104 ausgebildet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist es vorgesehen, dass mittels einer Laserquelle 106 ein Eingangslaserstrahl 108 bereitgestellt wird und durch Aufteilung des Eingangslaserstrahls 108 mehrere kohärente Laserstrahlen 102 ausgebildet werden. Alternativ ist es auch möglich, dass zur Bereitstellung der kohärenten Laserstrahlen 102 mehrere Laserquellen 106 vorgesehen sind. Beispielsweise werden dann mittels einer jeweiligen Laserquelle 106 ein oder mehrere kohärente Laserstrahlen 102 bereitgestellt.
Zur Aufteilung des Eingangslaserstrahls 108 in mehrere kohärente Laserstrahlen 102 ist eine Aufteilungseinrichtung 110 vorgesehen. In Fig. 1 sind beispielsweise drei kohärente Laserstrahlen 102 gezeigt, welche durch Aufteilung des Eingangslaserstrahls 108 mittels der Aufteilungseinrichtung 110 ausgebildet werden.
Der Eingangslaserstrahl 108 und/oder die kohärenten Laserstrahlen 102 sind beispielsweise gepulste Laserstrahlen und insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahlen.
Die kohärenten Laserstrahlen 102 weisen insbesondere gleiche Eigenschaften auf, wie z.B. die gleiche Wellenlänge und/oder das gleiche Spektrum.
Zur Einstellung einer jeweiligen Phasendifferenz zwischen den einzelnen kohärenten Laserstrahlen 102 ist eine Phaseneinstelleinrichtung 112 vorgesehen. Die Phaseneinstelleinrichtung 112 umfasst insbesondere mehrere Phaseneinstellelemente 114, wobei mittels eines bestimmten Phaseneinstellelements 114 eine Phase eines zugeordneten kohärenten Laserstrahls 102 einstellbar ist. Beispielsweise ist mehreren oder allen der kohärenten Laserstrahlen 102 jeweils ein Phaseneinstellelement 114 zugeordnet.
Im Fall von N kohärenten Laserstrahlen 102 umfasst die Phaseneinstelleinrichtung 112 beispielsweise N-l oder N Phaseneinstellelemente 114.
Hinsichtlich der technischen Details zur Kombination kohärenter Laserstrahlen wird auf die wissenschaftlichen Veröffentlichungen "Coherent combination of ultrafast fiber amplifiers", Hanna, et al, Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 49(6) (2016), 062004; "Performance scaling of laser amplifiers via coherent combination of ultrashort pulses", Klenke, Mensch und Buch Verlag; "Coherent beam combining with an ultrafast multicore Yb-doped fiber amplifier", Ramirez, et al., Optics Express 23(5), (2015), 5406-5416; und "Highly scalable femtosecond coherent beam combining demonstrated with 19 fibers", Le Dortz, et al., Optics Letters 42(10), (2017), 1887-1890, verwiesen.
Zur Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen 102 umfasst die Vorrichtung 100 eine Verstärkungseinrichtung 120. Insbesondere umfasst die Verstärkungseinrichtung 120 mehrere Verstärkungselemente 122, wobei beispielsweise ein Verstärkungselement 122 jeweils einem der kohärenten Laserstrahlen 102 zugeordnet ist.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel werden die kohärenten Laserstrahlen 102 in die Verstärkungseinrichtung 120 bzw. in die jeweiligen Verstärkungselemente 122 der Verstärkungseinrichtung 120 eingekoppelt. Insbesondere werden vor Einkopplung der kohärenten Laserstrahlen 102 in die Verstärkungseinrichtung 120 mittels der Phaseneinstelleinrichtung 112 die jeweiligen Phasendifferenzen zwischen den kohärenten Laserstrahlen 102 eingestellt.
Die kohärenten Laserstrahlen 102, welche mittels der Verstärkungseinrichtung 120 verstärkt wurden, werden nachfolgend als verstärkte kohärente Laserstrahlen 124 bezeichnet. Eine Anzahl vorhandener kohärenter Laserstrahlen 102 entspricht bei dem gezeigten Beispiel einer Anzahl vorhandener verstärkter kohärenter Laserstrahlen 124.
Zur Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 ist insbesondere eine Kombinationseinrichtung 126 vorgesehen, mittels welcher durch Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 der kombinierte Laserstrahl 104 ausgebildet wird.
Beispielsweise werden aus der Verstärkungseinrichtung 120 ausgekoppelte verstärkte kohärente Laserstrahlen 124 in die Kombinationseinrichtung 126 eingekoppelt.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Kombinationseinrichtung 126 ein diffraktives optisches Element 128 zur Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 (Fig. 2a). Zur Fokussierung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 auf das diffraktive optische Element 128 ist beispielsweise ein Linsenelement 130 vorgesehen (in den Fig. 2a, 2b und 2c ist jeweils eine Einhüllende 132 der auf die Kombinationseinrichtung 126 bzw. auf das Linsenelement 130 einfallenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 angedeutet).
Beispielsweise ist oder umfasst das diffraktive optische Element 128 eine Gitterstruktur mit periodischem Muster.
Hinsichtlich der technischen Details zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen mittels diffraktiven optischen Elementen wird auf die wissenschaftlichen Veröffentlichungen "Coherent combination of ultrashort pulse beams using two diffractive optics", Zhou et al., Opt. Lett. 42, 4422-4425 (2017) und "Diffractive-optics-based beam combination of a phase-locked fiber laser array", Cheung et al., Opt. Lett. 33, 354-356 (2008) verwiesen.
Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass die Kombinationseinrichtung 126 ein Mikrolinsen-Array 134 zur Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 aufweist (Fig. 2b).
Hinsichtlich der technischen Details zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen mittels einem oder mehreren Mikrolinsen-Arrays wird auf die WO 2020/016336 Al und auf die DE 10 2020 201 161 Al der gleichen Anmelderin verwiesen.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 ohne Kombinationseinrichtung 126 erfolgt. Beispielsweise wird dann der kombinierte Laserstrahl 104 durch Überlagerung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 im Fernfeld ausgebildet.
Insbesondere kann dann ein Linsenelement 136 zur Fokussierung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 vorgesehen sein (Fig. 2c). Zur Messung der jeweiligen Phasendifferenz A<p zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 umfasst die Vorrichtung 100 eine Messeinrichtung 138, welche beispielsweise bezüglich einer Haupt-Propagationsrichtung 140 der kohärenten Laserstrahlen 102 und/oder der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 nach der Verstärkungseinrichtung 120 angeordnet ist.
Insbesondere ist die Messeinrichtung 138 zwischen der Verstärkungseinrichtung 120 und der Kombinationseinrichtung 126 positioniert.
Die verschiedenen verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 weisen zueinander jeweils eine bestimmte Phasendifferenz A<p auf (angedeutet in Fig. 3), welche mittels der Messeinrichtung 138 ermittelt werden soll. Unter den Phasendifferenzen A<p sind mittels der Messeinrichtung 138 ermittelte Ist- Phasendifferenzen und/oder Ist-Phasendifferenzwerte zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 zu verstehen.
Um der Messeinrichtung 138 die verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 anteilig zuzuführen kann eine Auskopplungseinrichtung 142 vorgesehen sein (Fig. 3). Diese Auskopplungseinrichtung 142 ist bezüglich der Haupt- Propagationsrichtung 140 insbesondere nach der Verstärkungseinrichtung 120 und/oder vor der Kombinationseinrichtung 126 angeordnet.
Beispielsweise ist die Auskopplungseinrichtung 142 in einem Strahlengang 144 der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 angeordnet. Mittels der Auskopplungseinrichtung 142 werden Strahlanteile der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 ausgekoppelt, um diese in die Messeinrichtung 138 einzukoppeln.
Auf die Auskopplungseinrichtung 142 einfallende verstärkte kohärente Laserstrahlen 124-ei werden mittels der Auskopplungseinrichtung 142 in ausgekoppelte verstärkte kohärente Laserstrahlen 124-ak und transmittierte verstärkte kohärente Laserstrahlen 124-tr aufgeteilt.
Die ausgekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-ak sind jeweils Strahlanteile der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124. Die verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 werden mittels der Auskopplungseinrichtung 142 somit anteilig der Messeinrichtung 138 zugeleitet.
Insbesondere ist eine Leistung und/oder eine Intensität der ausgekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-ak kleiner als 10 % und insbesondere kleiner als 5 % einer Leistung bzw. Intensität der einfallenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-ei.
Die Messeinrichtung 138 weist einen Eingang 146 zur Einkopplung der Strahlanteile der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 in die Messeinrichtung 138 auf. Insbesondere werden die jeweiligen Strahlanteile der verstärkten kohärenten Laserstrahlen separat und/oder räumlich getrennt in die Messeinrichtung 138 eingekoppelt.
Die Messeinrichtung 138 umfasst eine oder mehrere Messeinheiten 148. Beispielsweise umfasst die Messeinrichtung im Fall von N verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 N oder N-l Messeinheiten.
Bei dem in den Fig. 3 und 4 gezeigten Beispiel sind vier verstärkte kohärente Laserstrahlen 124 vorgesehen, deren Strahlanteile jeweils in die Messeinrichtung 138 eingekoppelt werden. Diese beispielsweise vier verstärkten kohärenten Laserstrahlen sind nachfolgend mit 124-1, 124-2, 124-3 und 124-4 bezeichnet.
Mittels den Messeinheiten 148 werden jeweils paarweise Phasendifferenzen A<p zwischen den unterschiedlichen verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 gemessen, wobei die Phasendifferenzen A<p jeweils für unterschiedliche 2er- Paare und/oder 2er-Kombinationen der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 ermittelt werden.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass mittels der Messeinrichtung 138 und/oder mittels den Messeinheiten 148 der Messeinrichtung 138 Phasendifferenzen A<p jeweils paarweise zwischen einem der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 und einem Referenzlaserstrahl 149 gemessen werden. Beispielsweise kann der Referenzlaserstrahl 149 ein aus der Laserquelle 106 ausgekoppelter Laserstrahl und/oder ein Strahlanteil des Eingangslaserstrahls 108 sein. Es ist auch möglich, dass der Referenzlaserstrahl 149 einer der aus der Aufteilungseinrichtung 110 ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen 102 ist (beide Varianten sind in Fig. 1 durch die gepunktete Linie angedeutet).
Es kann vorgesehen sein, dass dem Referenzlaserstrahl 149 ein Phaseneinstellelement 114 und/oder ein Verstärkungselement 122 zugeordnet sind.
Bei einer Variante wird der Referenzlaserstrahl 149 mittels der Auskopplungseinrichtung 142 in die Messeinrichtung 138 eingekoppelt, wobei dann insbesondere ein Anteil von mindestens 90 % und/oder zumindest näherungsweise 100 % des Referenzlaserstrahls 149 in die Messeinrichtung 138 eingekoppelt wird (angedeutet in Fig. 1).
Je nach Ausführungsform kann der in Fig. 4 mit 124-1 bezeichnete verstärkte kohärente Laserstrahl beispielsweise dem Referenzstrahl 149 entsprechen.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass der Referenzlaserstrahl 149 mittels eines separaten Strahlpfads, welcher insbesondere nicht durch die Auskopplungseinrichtung 142 führt, in die Messeinrichtung 138 eingekoppelt wird (nicht gezeigt).
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 wird jeweils eine Phasendifferenz A<p zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1 und 124-2, 124-2 und 124-3 sowie 124-3 und 124-4 gemessen, wobei die Phasendifferenz A<p den unterschiedlichen Paaren aus zwei verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 jeweils mittels einer unterschiedlichen Messeinheit 148 gemessen wird.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel wird folglich jeweils die Phasendifferenz A<p für drei unterschiedliche Kombinationen bestehend aus jeweils zwei der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 gemessen. Folglich wird jeweils eine Phasendifferenz A<p zwischen einem ersten der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 und genau einem weiteren der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 gemessen, wobei der erste und der genau eine weitere der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 jeweils bei allen Messungen unterschiedlich ist.
In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform einer Messeinrichtung 138 gezeigt. Bei diesem Beispiel wird mittels der unterschiedlichen Messeinheiten 148 jeweils eine Phasendifferenz A<p zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1 und 124-2 bzw. 124-1 und 124-3 bzw. 124-1 und 124-4 gemessen.
Bei dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel wird folglich jeweils die Phasendifferenz A<p für drei unterschiedliche Kombinationen bestehend aus jeweils zwei der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 gemessen. Folglich wird jeweils eine Phasendifferenz A<p zwischen einem ersten der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 und genau einem weiteren der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2, 124-3, 124-4 gemessen, wobei der erste der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124- 1, 124-2, 124-3, 124-4 jeweils bei allen Messungen unterschiedlich ist und der genau eine weitere bei allen Messungen derselbe ist (bei dem gezeigten Beispiel nämlich der verstärkte kohärente Laserstrahl 124-1).
Bei einer Variante des in Fig. 5 gezeigten Beispiels kann der verstärkte kohärente Laserstrahl 124-1 dem Referenzstrahl 149 entsprechen.
Bei dem Beispiel gemäß Fig. 6 sind sechs verstärkte kohärente Laserstrahlen 124-1, 124-2, 124-3, 124-4, 124-5 und 124-6 vorhanden. Bei diesem Beispiel wird jeweils die Phasendifferenz A<p für fünf unterschiedliche Kombinationen bestehend aus jeweils zwei der verstärkten kohärenten Laserstrahlen gemessen. Es wird jeweils eine Phasendifferenz A<p zwischen einem ersten der verstärkten kohärenten Laserstrahlen und genau einem weiteren der verstärkten kohärenten Laserstrahlen gemessen, wobei der erste der verstärkten kohärenten Laserstrahlen bei allen Messungen unterschiedlich und der genau eine weitere der verstärkten kohärenten Laserstrahlen bei drei der Messungen der verstärkte kohärente Laserstrahl 124-3 (Messungen zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1 und 124-3, 124-2 und 124-3, 124-4,124-3) ist und bei zwei der Messungen der verstärkte kohärente Laserstrahl 124-4 ist (Messungen zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-6 und 124-4, 124-5 und 124-6).
Eine Strahlführung innerhalb der Messeinrichtung 138 kann beispielsweise Freistrahlbasiert und/oder Faserbasiert und/oder Wellenleiterbasiert erfolgen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Messeinrichtung 138 zumindest abschnittsweise als Photonic Integrated Circuit (PIC) ausgeführt. In diesem Fall sind, vergleichbar mit integrierten Schaltkreisen, optische Komponenten und/oder Strahlführungskomponenten auf einem Substrat angeordnet, wie beispielsweise einem Siliziumsubstrat, Siliziumnitridsubstrat und/oder einem Lithium-Niobate-on-Insulator-Substrat.
Hinsichtlich der Realisierung und Eigenschaften von optischen Komponenten und/oder Strahlführungskomponenten als PIC wird auf die wissenschaftliche Veröffentlichung "Direct and Sensitive Phase Readout for Integrated Waveguide Sensors", von R. Halir et al., IEEE Photonics Journal, Volume 5, Number 4, August 2013, DOI : 10.1109/JPHOT.2013.2276747, verwiesen.
Ein Ausführungsbeispiel der Messeinheit 148 ist in Fig. 7 gezeigt. Die Messeinheit 148 umfasst ein oder mehrere Messelemente 150. Bei dem gezeigten Beispiel sind drei Messelemente 150a, 150b, 150c vorgesehen.
Das Messelement 150 ist ausgebildet, um eine Intensität eines auf dieses einfallenden Laserstrahls oder einer auf dieses einfallenden Überlagerung von Laserstrahlen zeitaufgelöst zu messen. Beispielsweise ist oder umfasst das Messelement 150 eine Photodiode.
Die Messeinheit 148 umfasst einen ersten Eingang 152a zur Einkopplung eines ersten verstärkten kohärenten Laserstrahls 124, beispielsweise des verstärkten kohärenten Laserstrahls 124-1, und einen zweiten Eingang 152b zur Einkopplung eines zweiten verstärkten kohärenten Laserstrahls 124, beispielsweise des verstärkten kohärenten Laserstrahls 124-2. Die beiden über den ersten Eingang 152a und den zweiten Eingang 152b eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1 und 124-2 werden an dem Messelement 150 überlagert und insbesondere kollinear überlagert.
Zur Überlagerung der beiden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1 und 124-2 ist dem Messelement 150 ein Überlagerungselement 154 zugeordnet. Beispielsweise ist das Überlagerungselement 154 als Y-Koppler und insbesondere als Y-Koppler auf Faserbasis ausgeführt. Beispielsweise kann das Überlagerungselement 154 als Multimode-Interference-Koppler (MMI-Koppler) ausgeführt sein.
Die beiden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1 und 124-2 werden räumlich auf die verschiedenen Messelemente 150 der Messeinheit 148 aufgeteilt. Bei dem Beispiel gemäß Fig. 7 werden die verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1 und 124-2 auf die drei Messelemente 150a, 150b, 150c aufgeteilt. Zur Aufteilung der beiden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1 und 124-2 auf die verschiedenen Messelemente 150 sind beispielsweise unterschiedliche Strahlpfade vorgesehen.
Die Messeinrichtung 138 und/oder die Messeinheit 148 sind so ausgebildet, dass mittels jeder Messeinheit 148 für die in diese eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 mindestens drei unterschiedliche Messwerte ermittelt werden, wobei den unterschiedlichen Messwerten jeweils eine unterschiedliche Offset- Phasendifferenz A<poff zugeordnet ist.
Falls es sich bei den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 um gepulste Laserstrahlen handelt, weisen die verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 jeweils Laserpulse 156 auf. Die Offset- Phasendifferenz A<poff geht dann mit einem zeitlichen Versatz einher, mit welchem die jeweilige Laserpulse 156 der beiden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 auf das Messelement 150 treffen (Fig. 7b, 7c und 7d).
Bei dem in Fig. 7a gezeigten Beispiel wird an einem der Messelemente 150 jeweils ein Messwert für ein Paar 158 aus einem ersten Laserpuls 156 und einem weiteren Laserpuls 156 aufgenommen, wobei insbesondere die jeweiligen Offset- Phasendifferenzen A<poff an den verschiedenen Messelementen 150 der Messeinheit 148 unterschiedlich sind. Der erste Laserpuls 156 und der weitere Laserpuls 156 sind unterschiedlichen der beiden kohärenten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 zugeordnet, welche in die Messeinheit 148 und/oder in das Messelement 150 eingekoppelt werden.
Insbesondere ist unter dem Paar 158 eine räumliche Überlagerung des ersten und des weiteren Laserpulses 156 an dem Messelement 150 zu verstehen, wobei diese Laserpulse 156 eine definierte Offset- Phasendifferenz A<poff an dem Messelement 150 aufweisen.
In den Fig. 7b, 7c und 7d sind die dem verstärkten kohärenten Laserstrahl 124-1 zugeordneten Laserpulse mit 156-1 bezeichnet und die dem verstärkten kohärenten Laserstrahl 124-2 zugeordneten Laserpulse mit 156-2 bezeichnet. Fig. 7b zeigt schematisch den zeitlichen Versatz der auf das Messelement 150a auftreffenden Laserpulse 156-1 und 156-2, Fig. 7c der auf das Messelement 150b auftreffenden Laserpulse 156-1 und 156-2 und Fig. 7d der auf das Messelement 150c auftreffenden Laserpulse 156-1 und 156-2.
Zur Ausbildung von unterschiedlichen Offset-Phasendifferenzen A<poff zwischen den Laserpulsen 156-1 und 156-2 an den verschiedenen Messelementen 150 können Verzögerungselemente 160 vorgesehen sein, wobei einem oder mehreren der Messelemente 150 jeweils ein oder mehrere Verzögerungselemente 160 zugeordnet sein können.
Beispielsweise ist das Verzögerungselement 160 zur Erzeugung einer Weglängendifferenz ausgebildet, aus welcher beispielsweise ein zeitlicher Versatz und/oder eine Offset- Phasendifferenz A<poff zwischen den Laserpulsen 156 des Paars 158 resultiert.
Bei dem Beispiel gemäß Fig. 7a ist ein jeweiliges Verzögerungselement 160 beispielsweise zur Ausbildung einer Offset-Phasendifferenz A<poff von 120° ausgebildet. Dem in die Messelemente 150a, 150b und 150c eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahl 124-2 ist bei dem gezeigten Beispiel kein Verzögerungselement 160 zugeordnet.
Weiter ist dem Messelement 150a und/oder dem in das Messelement 150a eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahl 124-1 kein Verzögerungselement 160 zugeordnet. An dem Messelement 150a ergibt sich dadurch beispielsweise eine Offset- Phasendifferenz A<poff von 0° zwischen den beiden Laserpulsen 156-1 und 156-2.
Dem Messelement 150b und/oder dem in das Messelement 150b eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahl 124-1 ist ein einziges Verzögerungselement 160 zugeordnet. An dem Messelement 150b ergibt sich dadurch beispielsweise eine Offset- Phasendifferenz A<poff von 120° zwischen den beiden Laserpulsen 156-1 und 156-2.
Dem Messelement 150c und/oder dem in das Messelement 150c eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahl 124-1 sind beispielsweise zwei Verzögerungselemente 160 zugeordnet. An dem Messelement 150b ergibt sich dadurch beispielsweise eine Offset- Phasendifferenz A<poff von 240° zwischen den beiden Laserpulsen 156-1 und 156-2.
Aufgrund der mittels der Messeinheit 148 durchgeführten Mehrzahl an Messungen werden für die der Messeinheit 148 zugeordneten beiden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 Messwerte bei unterschiedlichen Offset- Phasendifferenzen A<poff erfasst. Anhand dieser Messwerte lässt sich die tatsächliche Phasendifferenz A<p zwischen diesen beiden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 ermitteln.
Mittels den Messelementen 150 der Messeinheit 148 werden jeweils Intensitäten I einer Überlagerung der dem Paar 158 zugehörigen Laserpulse 156-1, 156-2 gemessen, wobei die gemessene Intensität I von der Offset- Phasendifferenz A<poff abhängig ist (Fig. 8). Insbesondere wird mittels eines jeweiligen Messelements 150 eine zeitlich gemittelte Intensität I der auf das Messelement 150 auftreffenden Laserpulse 156 des Paars 158 gemessen. In Fig. 8 ist ein Beispiel einer an einem Messelement 150 gemessenen Intensität I in Abhängigkeit der Phasendifferenz A<p gezeigt. Bei dem in Fig. 8 gezeigten Beispiel sind drei unterschiedliche Messwerte Mi, M2, M3 angedeutet, wobei beispielsweise der Messwert Mi mit dem Messelement 150a und Fig. 7b (A<poff=0°), der Messwert M2 mit dem Messelement 150b und Fig. 7c (A<poff=120°) sowie der Messwert M3 mit dem Messelement 150c und Fig. 7d (A<poff=240°) korrespondiert.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7a werden Messwerte für unterschiedliche Offset- Phasendifferenzen A<poff mittels verschiedener Messelemente 150 erfasst, wobei beispielsweise ein Messelement 150 jeweils einem erfassten Messwert für eine bestimmte Offset-Phasendifferenz A<poff zugeordnet ist. Insbesondere erfolgt bei dem Beispiel gemäß Fig. 7a mittels den verschiedenen Messelementen 150 eine zeitlich parallele Messung von Paaren 158 überlagerter Laserpulse 156 mit unterschiedlichen Offset- Phasendifferenzen A<poff.
Alternativ hierzu ist es bei der in Fig. 9a gezeigten Ausführungsform einer Messeinheit 148' vorgesehen, Messungen von Paaren 158 aus zwei Laserpulsen 156 für unterschiedliche Offset-Phasendifferenzen A<poff zeitlich versetzt durchzuführen. Die in Fig. 9a gezeigte Ausführungsform der Messeinheit 148' unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen und in Fig. 7a gezeigten Ausführungsform dadurch, dass ein einziges Messelement 150 vorgesehen. Ansonsten ist die Messeinheit 148' gleichartig aufgebaut wie die Messeinheit 148, sodass insoweit auf deren Beschreibung Bezug genommen wird.
Bei dieser Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Paare 158 mit unterschiedlichen Offset-Phasendifferenzen A<poff zeitlich versetzt auf das Messelement 150 geleitet werden, wobei die jeweiligen Paare 158 beispielsweise mit einem definierten Zeitversatz At auf das Messelement 150 treffen (Fig. 9b).
Unterschiedliche Messwerte Mi, M2, M3 werden dadurch mittels des Messelements 150 zeitlich nacheinander erfasst. Die Messeinrichtung 138 ist bei dieser Ausführungsform zur Bereitstellung der Paare 158 aus zwei Laserpulsen 156 mit definiertem Zeitversatz At und jeweils definierten Offset-Phasendifferenzen A<poff eingerichtet.
Falls die verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 gepulste Laserstrahlen sind, entspricht bei einer bevorzugten Ausführungsform der definierte Zeitversatz At zumindest näherungsweise einer Repetitionsrate der gepulsten Laserstrahlen.
Beispielsweise liegt die Repetitionsrate im Bereich von 1 MHz bis 1 Ghz.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass mittels der Messeinrichtung 138 die Phaseneinstelleinrichtung 112 angesteuert wird, um Paare 158 mit definierter Offset-Phasendifferenz A<poff bereitzustellen. Insbesondere ist die Messeinrichtung 138 zur Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung 112 eingerichtet und/oder signalwirksam mit der Phaseneinstelleinrichtung 112 verbunden.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass mittels der Messeinrichtung 138 die Laserquelle 106 angesteuert wird, um Paare 158 mit definiertem Zeitversatz At bereitzustellen. Hierzu ist die Messeinrichtung 138 beispielsweise signalwirksam mit der Laserquelle 106 und/oder mit einer Steuerungseinrichtung der Laserquelle 106 verbunden.
Alternativ oder zusätzlich kann zur Erzeugung der Paare 158 mit definiertem Zeitversatz At eine mittels der Messeinrichtung 138 ansteuerbare Shuttereinrichtung 162 vorgesehen sein, welche im Strahlengang der kohärenten Laserstrahlen 102 und/oder der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 angeordnet ist (Fig. 3).
Die Shuttereinrichtung 162 ist eingerichtet, um eine Durchleitung von verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 zu den jeweiligen Messeinheiten 148 der Messeinrichtung 138 zu unterbrechen oder freizugeben. Beispielsweise umfasst die Shuttereinrichtung 162 mehrere Shutterelemente 164, wobei ein Shutterelement jeweils einem der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 zugeordnet ist. Durch geeignete Ansteuerung der Shuttereinrichtung 162 mit der Messeinrichtung 138 lassen sich Laserpulse 156 und/oder Paare 158 von Laserpulsen 156 der jeweiligen verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 einem bestimmten Messelement 150 mit einem definiertem Zeitversatz At zuführen. Dies kann insbesondere dann vorgesehen sein, wenn die verstärkten kohärenten Laserstrahlen Dauerstrichlaserstrahlen sind.
Ein oder mehrere der Shutterelemente 164 können beispielsweise im jeweiligen Strahlengang der in die Messeinrichtung 138 eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 angeordnet sein. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass Shutterelemente 164 einer Messeinheit 148 und/oder einem Messelement 150 zugeordnet sind oder Teil einer Messeinheit 148 und/oder eines Messelements 150 sind.
Es ist grundsätzlich auch möglich, die auf das Messelement 150 geleiteten Paare 158 von Laserpulsen 156 mit definiertem Zeitversatz At und definierter Offset- Phasendifferenz A<poff durch Aufteilung der in die Messeinheit 148' eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2 auf unterschiedliche Strahlpfade 166 zu erzeugen (Fig. 10). Insbesondere sind die unterschiedlichen Strahlpfade jeweils eingerichtet, um ein Paar 158 mit definierter Offset- Phasendifferenz A<poff zu erzeugen und dieses mit einem bestimmten Zeitversatz At zu einem nächsten oder vorherigen Paar 158 dem Messelement 150 zuzuleiten. Zur Ausbildung des definierten Zeitversatzes At und der definierten Offset-Phasendifferenz A<poff können Verzögerungselemente 160 vorgesehen sein, welche in den jeweiligen Strahlpfaden 166 angeordnet ist.
Vorzugsweise können ein oder mehrere Verzögerungselemente 160 und/oder ein oder mehrere Strahlpfade 166 als PIC realisiert sein.
Bei dem in Fig. 10 gezeigten Beispiel sind drei unterschiedliche Strahlpfade 166 vorgesehen, um dem Messelement 150 drei Paare 158 mit definiertem Zeitversatz At und definierter Offset- Phasendifferenz A<poff bereitzustellen. Mittels jedem der Strahlpfade wird ein Paar 158 bereitgestellt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung 138 die Shuttereinrichtung 162 zur Durchführung einer Messung ansteuert, um Paare 158 aus Laserpulsen 156 den Messeinheiten 148 und/oder den Messelementen 150 zuzuführen. Insbesondere wird die Shuttereinrichtung 162 derart angesteuert, dass die Shutterelemente 164 nur für eine Zeitdauer freigegeben sind, welche zum Durchlass eines bestimmten Paars 158 aus Laserpulsen 156 auf die zugeordnete Messeinheit 148 und/oder das zugeordnete Messelement 150 erforderlich ist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung 138 eingerichtet ist, um die verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 den jeweiligen Messeinheiten 148 und/oder Messelementen 150 mit zumindest näherungsweise gleicher Intensität zuzuführen. Hierzu kann es vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung 138 Verstärkungselemente umfasst.
Bei einer Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung 138 mindestens eine Messeinheit 148" mit einem Messelement 150 umfasst, wobei es vorgesehen ist, dass die beiden eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2 und/oder das eingekoppelte Paar 158 aus Laserpulsen 156 dieser verstärkten kohärenten Laserstrahlen eine Offset- Phasendifferenz A<poff von mehr als 2*Pi aufweisen (Fig. 11). Dies kann beispielsweise durch eine Vielzahl von Verzögerungselementen 160 realisiert werden, welchem einen der beiden in die Messeinheit 148" eingekoppelten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124-1, 124-2 zugeordnet sind.
Im Betrieb der Vorrichtung 100 ist es vorgesehen, dass die Phaseneinstelleinrichtung 112 angesteuert wird, um die jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 auf vorgegebene Soll- Phasendifferenzwerte A<pso" einzustellen. Mittels der Phaseneinstelleinrichtung 112 lässt sich bei dem gezeigten Beispiel die jeweilige Phasendifferenz zwischen den in die Verstärkungseinrichtung 120 eingekoppelten kohärenten Laserstrahlen 102 einstellen, was eine Änderung und/oder Einstellung der jeweiligen Phasendifferenz zwischen den zugeordneten verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 bewirkt.
Die Vorrichtung umfasst eine Steuerungseinrichtung 168, welche die Phaseneinstelleinrichtung 110 auf Grundlage einer Zuordnungsvorschrift mit bestimmten Ansteuerwerten ansteuert. Die Zuordnungsvorschrift enthält eine Zuordnung der Ansteuerwerte zu Soll-Phasendifferenzwerten A<pso" zwischen den jeweiligen verstärkten kohärenten Laserstrahlen. Beispielsweise ist oder umfasst die Zuordnungsvorschrift eine Zuordnungstabelle.
Beispielsweise wird eine Startversion der Zuordnungsvorschrift durch Kalibrationsmessungen ermittelt. Bei diesen Kalibrationsmessungen wird beispielsweise die Phaseneinstelleinrichtung 112 durch die Steuerungseinrichtung 168 mit bestimmten Ansteuerwerten angesteuert und es werden für diese Ansteuerwerte mittels der Messeinrichtung 138 die sich ergebenden Ist- Phasendifferenzwerte A<p gemessen. Es lassen sich dadurch Zusammenhänge zwischen den Ansteuerwerten und den resultierenden Phasendifferenzwerten A<p ermitteln, um die Zuordnungsvorschrift zu definieren.
Insbesondere kann eine Speichereinrichtung 170 vorgesehen sein, welche von der Steuerungseinrichtung 168 umfasst ist oder welche der Steuerungseinrichtung 168 zugeordnet ist, wobei in der Speichereinrichtung 170 die Zuordnungsvorschrift hinterlegt ist.
Im Betrieb der Vorrichtung 100 kann es zu Abweichungen zwischen den auf Grundlage der Zuordnungsvorschrift eingestellten Soll-Phasendifferenzwerten A<pso" und den mittels der Messeinrichtung 138 tatsächlich vorliegenden Ist- Phasendifferenzwerten A<p der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 kommen.
Es ist vorgesehen, dass die Zuordnungsvorschrift im Betrieb der Vorrichtung 100 optimiert wird, um die Abweichung zwischen den Soll-Phasendifferenzwerten A<pso" und den Ist-Phasendifferenzwerten A<p zu minimieren. Zur Durchführung der Optimierung ist eine der Steuerungseinrichtung 168 zugeordnete Optimierungseinheit 172 vorgesehen.
Die Optimierungseinheit 172 passt die Zuordnungsvorschrift zumindest teilweise an und/oder ändert diese zumindest teilweise, um die Abweichung zwischen den Soll-Phasendifferenzwerten A<pso" und den Ist-Phasendifferenzwerten A<p zu minimieren, wobei zur Minimierung insbesondere ein Vergleich zwischen den Soll-Phasendifferenzwerten A<pso" und den Ist-Phasendifferenzwerten A<p vorgenommen wird.
Beispielsweise wird mittels der Optimierungseinheit 172 die zur Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung 112 mittels der Steuerungseinrichtung 168 hinterlegte Zuordnungsvorschrift in bestimmten Zeitabständen aktualisiert, d.h. durch eine neue Zuordnungsvorschrift ersetzt, welche wie vorstehend beschrieben angepasst ist.
Die Steuerungseinrichtung 168, die Messeinrichtung 138, die Speichereinrichtung 170 und die Optimierungseinheit sind jeweils signalwirksam miteinander verbunden (angedeutet durch die gestrichelte Linie in Fig. 1).
Die Phaseneinstelleinrichtung 112 ist eingerichtet, um die jeweilige Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen 102 und/oder den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 mit einer Phaseneinstellfrequenz fEinstel1 auf vorgegebene Soll-Phasendifferenzwerte A<pso" einzustellen (in Fig. 12a ist beispielsweise ein zeitlicher Verlauf eingestellter Soll-Phasendifferenzwerte A<pso" zwischen zwei der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 gezeigt). Unter dieser Phaseneinstellfrequenz fEinstel1 ist eine maximale Frequenz bzw. ein kleinster Zeitabstand AtEinstell= i/fEinste" zu verstehen, mit welcher bzw. welchem die jeweilige Phasendifferenz änderbar ist oder geändert wird. Die Phaseneinstellfrequenz fEinstel1 wird auch als Modulationsfrequenz der Phaseneinstelleinrichtung bezeichnet.
Insbesondere liegt die Phaseneinstellfrequenz fEinstel1 im Bereich von 1 MHz bis 50 MHz.
Die Messeinrichtung 138 ist eingerichtet, um die jeweilige Phasendifferenz A<p (Ist-Phasendifferenz) zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 mit einer Messgenauigkeitsfrequenz fMess9en zu ermitteln (Fig. 12b). Hierunter ist eine größte Frequenz bzw. eine kleinste Zeitdauer AtMess9en=l/fMess9en zu verstehen, mit weicher eine Phasendifferenz durch die Messeinrichtung 138 zeitlich aufgelöst werden kann. Die Messgenauigkeitsfrequenz fMess9en wird auch als Messbandbreite bezeichnet. Insbesondere ist die Messgenauigkeitsfrequenz fMess9en größer oder gleich der Phaseneinstellfrequenz fEinste".
Die vorstehend beschriebene Messeinrichtung 138 ermöglicht insbesondere Messungen der jeweiligen Phasendifferenz A<p mit einer Messgenauigkeitsfrequenz fMess9en im Bereich von 1 MHz bis 50 MHz.
Weiter ist die Messeinrichtung 138 eingerichtet, um die jeweilige Phasendifferenz A<p mit einer Messabstandsfrequenz fMessab zu ermitteln (Fig. 12b). Hierunter ist eine Frequenz bzw. ein Zeitabstand AtMessab=l/fMessab zu verstehen, mit welcher bzw. welchem die jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 durch die Messeinrichtung 138 ermittelt wird oder ermittelbar ist.
Insbesondere liegt die Messabstandsfrequenz fMessab im Bereich von 0,5 kHz bis 5 kHz.
Die Optimierungseinheit 172 ist eingerichtet, um die Zuordnungsvorschrift mit einer Optimierungsfrequenz f°pti zu optimieren. Hierunter ist eine Frequenz bzw. ein Zeitabstand AtOpti=l/f°pti zu verstehen, mit welcher bzw. welchem die hinterlegte Zuordnungsvorschrift durch die Optimierungseinheit 172 angepasst und/oder aktualisiert wird, um die Abweichung zwischen den Soll- Phasendifferenzwerten A<pso" und den Ist-Phasendifferenzwerten A<p zu minimieren (Fig. 12c).
Insbesondere liegt die Optimierungsfrequenz im Bereich von 0,5 kHz bis 5 kHz.
Die Optimierung der Zuordnungsvorschrift mit der Optimierungsfrequenz f°pti ist in Fig. 12d schematisch bezeigt. Im Zeitintervall 0<t<AtOpti erfolgt die Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung 112 durch die Steuerungseinrichtung 168 auf Grundlage einer ersten Version 173 der Zuordnungsvorschrift. Zum Zeitpunkt t = AtOpti wird die Zuordnungsvorschrift durch eine optimierte Version 173' ersetzt, wodurch an diesem Zeitpunkt die Abweichung zwischen A<pso" und A<p verringert wird (vgl. Fig. 12c). Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 100 mindestens eine Zusatz- Messeinrichtung 174 aufweist, welche vorzugsweise bezüglich der Haupt- Propagationsrichtung 140 nach der Messeinrichtung 138 und/oder nach der Auskopplungseinrichtung 142 angeordnet ist. Diese Zusatz-Messeinrichtung 174 ist zur Ermittlung von Phasendifferenzen A<p (Ist-Phasendifferenzen) zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 ausgebildet. Weiter ist die Zusatz- Messeinrichtung 174 zur Übermittlung der ermittelten Phasendifferenzen A<p an die Steuerungseinrichtung 168 signalwirksam mit dieser verbunden.
Die Zusatz-Messeinrichtung 174 kann beispielsweise in einem Bereich Kombinationseinrichtung 126 und/oder in einem Bereich eines mittels des mindestens einen kombinierten Laserstrahls 104 zu bearbeitenden Werkstücks (nicht gezeigt) angeordnet sein.
Mittels der Zusatz-Messeinrichtung 174 lassen sich weitere Ist- Phasendifferenzwerte A<p ermitteln, welche bei der Optimierung der Zuordnungsvorschrift berücksichtigt werden können. Diese Ist- Phasendifferenzwerte A<p werden beispielsweise von der Optimierungseinrichtung 172 zusätzlich zu den von der Messeinrichtung 138 ermittelten Ist- Phasendifferenzwerten A<p zur Optimierung der Zuordnungsvorschrift herangezogen.
Die Messabstandsfrequenz fMessab und/oder die Messgenauigkeitsfrequenz fMess9en der Zusatz-Messeinrichtung 174 kann denjenigen der Messeinrichtung 138 entsprechen oder sich von denjenigen der Messeinrichtung 138 unterscheiden. Insbesondere kann die Messgenauigkeitsfrequenz fMess9en der Zusatz- Messeinrichtung 174 geringer sein als die der Messeinrichtung 138.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 100 ein oder mehrere Sensorelemente 176 umfasst, welche zur Messung mindestens eines Parameters eingerichtet ist, der die jeweilige Phasendifferenz A<p zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 beeinflusst. Beispielsweise können Sensorelemente 176 jeweils der Phaseneinstelleinrichtung 112 und/oder der Verstärkungseinrichtung 120 zugeordnet sein.
Die Sensorelemente 176 können beispielsweise zur Temperaturmessung eingerichtet sein.
Die Sensorelemente 176 sind zur Übermittlung der von erfassten Messwerte mit der Steuerungseinrichtung 168 und/oder mit der Optimierungseinheit 172 signalwirksam verbunden. Die Optimierungseinheit 172 berücksichtigt die mittels den Sensorelementen 176 erfassten Messwerte bei der Optimierung der Zuordnungsvorschrift.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 funktioniert wie folgt:
Der Eingangslaserstrahl 108 wird mittels der Laserquelle 106 bereitgestellt und in die Aufteilungseinrichtung 110 eingekoppelt. Durch Aufteilung des Eingangslaserstrahls 108 mittels der Aufteilungseinrichtung 110 werden mehrere kohärente Laserstrahlen 102 ausgebildet. Die kohärenten Laserstrahlen 102 werden mittels der Verstärkungseinrichtung 120 verstärkt und als verstärkte kohärente Laserstrahlen 124 ausgekoppelt. Durch Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 werden anschließend ein oder mehrere kombinierte Laserstrahlen 104 ausgebildet, wobei die Kombination beispielsweise mittels der Kombinationseinrichtung 126 ausgeführt wird.
Zur Ausbildung der kombinierten Laserstrahlen 104 mit den gewünschten Eigenschaften ist es erforderlich, die jeweiligen Phasendifferenzen A<p der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 aufeinander abzustimmen und diese zu steuern und/oder zu regeln.
Um die jeweiligen Phasendifferenzen A<p der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 einzustellen, steuert die Phaseneinstelleinrichtung 168 die Phaseneinstelleinrichtung 110 mit Ansteuerwerten gemäß der Zuordnungsvorschrift an. Es werden dadurch die jeweiligen Phasendifferenzen zwischen den kohärenten Laserstrahlen 102 vor deren Einkopplung in die Verstärkungseinrichtung 120 eingestellt, was wiederum eine Einstellung der jeweiligen Phasendifferenzen A<p der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 bewirkt.
Die tatsächlichen Phasendifferenzen A<p der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 werden mittels der Messeinrichtung 138 gemessen und an die Steuerungseinrichtung 168 und/oder die Optimierungseinheit 172 übermittelt.
Die Optimierungseinheit vergleicht die eingestellten Soll-Phasendifferenzwerte mit den tatsächlich gemessenen Ist-Phasendifferenzwerten A<p zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 und berechnet hierauf eine aktualisierte Zuordnungsvorschrift, sodass eine Abweichung zwischen den Soll- Phasendifferenzwerten und den Ist-Phasendifferenzwerten A<p minimiert wird.
Die Aktualisierung der Zuordnungsvorschrift kann beispielsweise analog zur Kalibration und Linearisierung nichtlinearer Sensorkurven anhand von Referenzmessungen erfolgen. Entsprechende Verfahren können so adaptiert werden, dass der Kalibrierungsvorgang anhand einzelner Messwerte kontinuierlich weiter verbessert wird und optional weitere Sensorinformationen berücksichtigt werden. Solche Verfahren sind beispielsweise aus den Veröffentlichungen "Lookup Table Optimization for Sensor Linearization in Small Embedded Systems", L. E. Bengtsson, Journal of Sensor Technology, Vol. 2 No. 4, 2012, pp. 177-184, "A Linearisation and Compensation Method for Integrated Sensors," P. Hille, R. Hohler and H. Strack, Sensors and Actuators A, Vol. 44, No. 2, 1994, pp. 95-102 und "Linearization of Analog-to-Digital Converters", A. C. Dent and C. F. N. Cowan, IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. 37, No. 6, 1990, pp. 729-737 bekannt, worauf im Zusammenhang mit der Aktualisierung der Zuordnungsvorschrift verwiesen wird.
Es kann vorgesehen sein, dass zur Optimierung der Zuordnungsvorschrift zusätzlich die mittels der Zusatz-Messeinrichtung 174 und/oder die mittels der Sensorelemente 176 ermittelten Messwerte herangezogen werden. Bezugszeichenliste
I Intensität
Mi - M3 Messwert
A<p Phasendifferenz / Ist-Phasendifferenzwert
A<pso" Soll-Phasendifferenzwert
A<poff Offset-Phasendifferenz
At Zeitversatz fEinsteii Phaseneinstellfrequenz fMessab Messabstandsfrequenz fMessgen Messgenauigkeitsfrequenz f°pti Optimierungsfrequenz
100 Vorrichtung
102 kohärenter Laserstrahl
104 kombinierter Laserstrahl
106 Laserquelle
108 Eingangslaserstrahl
110 Aufteilungseinrichtung
112 Phaseneinstelleinrichtung
114 Phaseneinstellelement
120 Verstärkungseinrichtung
122 Verstärkungselement
124 verstärkter kohärenter Laserstrahl
124-ei einfallender verstärkter kohärenter Laserstrahl
124-tr transmittierter verstärkter kohärenter Laserstrahl
124-ak ausgekoppelter verstärkter kohärenter Laserstrahl
124-1 verstärkter kohärenter Laserstrahl
124-2 verstärkter kohärenter Laserstrahl
124-3 verstärkter kohärenter Laserstrahl
124-4 verstärkter kohärenter Laserstrahl
126 Kombinationseinrichtung
128 diffraktives optisches Element
130 Linsenelement
132 Einhüllende
134 Mikrolinsen-Array Linsenelement
Messeinrichtung
Haupt-Propagationsrichtung
Auskopplungseinrichtung
Strahlengang
Eingang
Messeinheit ' Messeinheit
Referenzlaserstrahl
Messelement a Messelement b Messelement c Messelement a erster Eingang b zweiter Eingang
Überlagerungselement
Laserpuls -1 Laserpuls -2 Laserpuls
Paar aus zwei Laserpulsen
Verzögerungselement
Shuttereinrichtung
Shutterelement
Strahlpfad
Steuerungseinrichtung
Speichereinrichtung
Optimierungseinheit erste Version der Zuordnungsvorschrift ’ optimierte Version der Zuordnungsvorschrift Zusatz-Messeinrichtung
Sensorelement

Claims

Patentansprüche Vorrichtung zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen (102) zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl (104), umfassend eine Phaseneinstelleinrichtung (112) zur Einstellung einer jeweiligen Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen (102), eine Verstärkungseinrichtung (120) zur Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen (102), wobei aus der Verstärkungseinrichtung (120) verstärkte kohärente Laserstrahlen (124) ausgekoppelt werden, und eine Messeinrichtung (138) zur Ermittlung von Phasendifferenzen (A<p) zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124), wobei die Messeinrichtung (138) eingerichtet ist, um zur Ermittlung der Phasendifferenzen (A<p) zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) jeweils eine Phasendifferenz (A<p) zwischen einem der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) und einem weiteren der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) oder zwischen einem der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) und mindestens einem Referenzlaserstrahl (149) zu messen. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (138) eingerichtet ist, um jeweils Phasendifferenzen (A<p) zwischen Kombinationen aus zwei unterschiedlichen der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) zu messen oder um jeweils Phasendifferenzen (A<p) zwischen unterschiedlichen Kombinationen aus jeweils einem der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) und dem mindestens einen Referenzlaserstrahl (149) zu messen. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (138) zumindest abschnittsweise als Photonic Integrated Circuit ausgeführt ist. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass N kohärente Laserstrahlen (102) und/oder N verstärkte kohärente Laserstrahlen (124) vorgesehen sind, und dass die Messeinrichtung (138) eingerichtet ist, um jeweils eine Phasendifferenz (A<p) für N-l unterschiedliche Kombinationen aus jeweils zwei der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) zu messen oder um jeweils eine Phasendifferenz für N unterschiedliche Kombinationen aus jeweils einem der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) und dem mindestens einen Referenzlaserstrahl (149) zu messen. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei jeweils eine Phasendifferenz (A<p) zwischen einem ersten der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) und genau einem weiteren der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) gemessen wird, wobei der erste der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) bei allen Messungen unterschiedlich ist, und wobei der genau eine weitere der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) bei allen Messungen unterschiedlich ist oder wobei der genau eine weitere der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) bei einer Teilmenge der Messungen oder bei allen Messungen derselbe ist. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Auskopplungseinrichtung (142) zur anteiligen Auskopplung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124), wobei anteilig ausgekoppelte verstärkte kohärente Laserstrahlen (124-ak) der Messeinrichtung (138) zugeführt werden, um eine jeweilige Phasendifferenz (A<p) zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) zu messen. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Messeinrichtung (138) zur Messung der jeweiligen Phasendifferenz (A<p) zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) jeweils ein Anteil eines der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) mit einem Anteil eines weiteren der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) räumlich überlagert wird und insbesondere räumlich kollinear überlagert wird oder jeweils ein Anteil eines der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) mit dem mindestens einen Referenzlaserstrahl (149) räumlich überlagert wird und insbesondere kollinear räumlich überlagert wird. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass N kohärente Laserstrahlen (102) und/oder N verstärkte kohärente Laserstrahlen (124) vorgesehen sind und dass die Messeinrichtung (138) mindestens N-l Messeinheiten (148; 148') aufweist, welche eingerichtet sind, um jeweils eine Phasendifferenz (A<p) zwischen einem der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) und einem weiteren der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) zu messen, oder dass die Messeinrichtung (138) mindestens N Messeinheiten (148; 148') aufweist, welche eingerichtet sind, um jeweils eine Phasendifferenz (A<p) zwischen einem der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) und dem mindestens einen Referenzlaserstrahl (149) zu messen. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Messeinheit (148; 148') vorgesehen ist, welche ein einziges Messelement (150) aufweist, wobei an dem Messelement (150) einer der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) mit einem weiteren der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) oder mit dem mindestens einen Referenzlaserstrahl (149) räumlich überlagert wird, und dass die Messeinrichtung (138) eingerichtet ist, dem Messelement (150) und/oder der Messeinheit (148; 148') mehrere Paare (158) aus einem Laserpuls (156-1) des einen der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) und einem Laserpuls (156-2) des weiteren der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) oder einem Laserpuls (156) des Referenzlaserstrahls (149) zuzuführen, wobei die Paare (158) dem Messelement (150) und/oder der Messeinheit (148, 148') mit einem definierten Zeitversatz (At) zugeführt werden. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Messeinheit (148; 148') vorgesehen ist, welche mindestens zwei und bevorzugt drei oder mehr Messelemente (150) aufweist, und insbesondere dass die Messeinrichtung (138) eingerichtet ist, den Messelementen (150) jeweils ein Paar (158) aus einem Laserpuls (156-1) des einen der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) und einem Laserpuls (156-2) des weiteren der N verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) oder einem Laserpuls (156) des mindestens einen Referenzlaserstrahls (149) zuzuführen. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei und bevorzugt drei oder mehr unterschiedliche Paare (158) vorgesehen sind, deren zugeordnete Laserpulse (156) und/oder zugeordnete verstärkte kohärente Laserstrahlen (124) jeweils unterschiedliche definierte Offset-Phasendifferenzen (A<poff) aufweisen. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (138) zur Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung (112) eingerichtet ist, um die jeweilige Phasendifferenz zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu steuern und/oder zu regeln. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Aufteilungseinrichtung (110) zur Aufteilung eines Eingangslaserstrahls (108) in mehrere kohärente Laserstrahlen (102). Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kombinationseinrichtung (126) zur Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) zu dem mindestens einen kombinierten Laserstrahl (104), und insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Kombinationseirichtung (126) mindestens ein Mikrolinsen-Array (134) und/oder mindestens ein diffraktives optisches Element (128) umfasst. Lasersystem, umfassend mindestens eine Laserquelle (106) zur Bereitstellung von kohärenten Laserstrahlen (102) und eine Vorrichtung (100) zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen (102) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche. Verfahren zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen (102) zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl (104), bei dem eine jeweilige Phasendifferenz (A<p) zwischen den kohärenten Laserstrahlen (102) mittels einer Phaseneinstelleinrichtung (110) einstellbar ist oder eingestellt wird, die kohärenten Laserstrahlen (102) mittels einer Verstärkungseinrichtung (120) verstärkt werden, wobei aus der Verstärkungseinrichtung (120) verstärkte kohärente Laserstrahlen (124) ausgekoppelt werden, und bei dem Phasendifferenzen (A<p) zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) mittels einer Messeinrichtung (138) ermittelt werden, wobei zur Ermittlung der Phasendifferenzen (A<p) zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) jeweils eine Phasendifferenz (A<p) zwischen einem der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) und einem weiteren der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) oder zwischen einem der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (124) und mindestens einem Referenzlaserstrahl (149) gemessen wird.
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