KR20210031920A

KR20210031920A - 가간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 장치, 레이저 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20210031920A
Application number: KR1020217003098A
Authority: KR
Inventors: 크리스토프 틸콘; 다니엘 플람; 플로리안 얀센; 토르스텐 벡; 한스-유르겐 오토; 줄리안 헬스턴; 안드레아스 하이메스; 마이케 프로쏘토빅츠
Original assignee: 트룸프 레이저 게엠베하
Priority date: 2018-07-18
Filing date: 2019-07-18
Publication date: 2021-03-23
Also published as: CN112513717B; DE102018211971A1; EP3824338A1; US11796720B2; CN112513717A; US20210165135A1; WO2020016336A1

Abstract

본 발명은 복수(N) 개의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 장치(16)에 관한 것으로, 장치(16)는 다음의 것을 포함한다: 가간섭성 레이저 빔(3.1, …3.N) 중 하나의 각각의 위상을 설정하기 위한 적어도 N-1 개의 위상 설정 디바이스(6.1, …6.N), 및 적어도 하나의 결합된 레이저 빔(12)을 형성하기 위해 가간섭성 레이저 빔(3.1, …3.N)을 결합하기 위한 빔 결합 디바이스(10). 적어도 하나의 결합된 레이저 빔(12)을 형성하기 위해, 빔 커플링 디바이스(10)는 적어도 두 개의 마이크로렌즈 어레이(17a,b)를 갖는 마이크로렌즈 배열(11)을 포함한다. 본 발명은 또한 다음의 것을 포함하는 레이저 시스템에 관한 것이다: 복수의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 생성하기 위한 적어도 하나의 레이저 소스, 복수의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 방출하기 위한 복수의 방출 표면(8.1, ..., 8.N), 및 적어도 하나의 결합된 레이저 빔(12)을 형성하기 위해 복수의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 상기에서 설명된 장치(16). 본 발명은 또한 복수의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 관련된 방법에 관한 것이다.

Description

가간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 장치, 레이저 시스템 및 방법

본 발명은 복수(N) 개의 가간섭성(coherent) 레이저 빔을 결합하기 위한 장치에 관한 것으로, 장치는 다음의 것을 포함한다: 가간섭성 레이저 빔 중 하나의 각각의 위상을 설정하기 위한 적어도 N-1 개의 위상 설정 디바이스, 및 적어도 하나의, 특히 정확히 하나의 결합된 레이저 빔을 형성하기 위해 가간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 빔 결합 디바이스. 본 발명은 또한 다음의 것을 포함하는 레이저 시스템에 관한 것이다: 복수의 가간섭성 레이저 빔, 특히 초단파 펄스 레이저 빔(ultrashort pulse laser beam)을 생성하기 위한 적어도 하나의 레이저 소스, 복수의 가간섭성 레이저 빔을 방출하기 위한 복수의 방출 표면, 및 복수의 가간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 상기에서 설명된 장치. 본 발명은 또한 가간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 방법에 관한 것이다.

본 출원의 의미 내에서, "가간섭성 레이저 빔"은 서로에 대한 레이저 빔의 시간적 가간섭성을 의미하는 것으로 이해된다. 일반적으로, 레이저 빔은 감소된 정도의 공간 가간섭성을 가질 수 있다, 즉, 레이저 빔은 부분적으로는 공간적으로 가간섭성일 수 있다, 즉, 이들은 반드시 싱글 모드 레이저 빔일 필요는 없다. 예를 들면, 레이저 빔은 다중 모드 소스에 의해 생성될 수 있으며, 예를 들면, 상위 모드 Gaussian(가우스) 모드, 예를 들면, Laguerre-Gaussian(라게르-가우스) 모드, Hermite-Gaussian(에르미트-가우스) 모드 또는 이들의 중첩을 형성할 수 있다. 그러나, 레이저 빔은 시간과 공간 둘 모두에서 가간섭성인 것이 바람직하다.

빔 결합의 경우, 복수의 레이저 빔이 중첩되어, 그에 따라 더 높은 출력을 갖는 결합된 레이저 빔을 형성한다. 병렬 빔 결합(side-by-side beam combination)으로 또한 지칭되는 가간섭성 "타일형 어퍼쳐(tiled aperture)" 빔 결합의 경우, 결합된 레이저 빔의 빔 단면은 증가되지만 그러나 발산은 감소된다; 일반적으로, 전력 또는 빔 품질의 손실 없이는 가능하지 않다. 가간섭성 "타일형 어퍼쳐" 빔 결합의 경우, 복수의 레이저 빔이 중첩되어 결합된 레이저 빔을 형성하는데, 이것은 통상적으로 동일한 빔 단면을, 그리고, 이상적으로는, 개개의 레이저 빔과 동일한 발산을 갖는다. 그러한 빔 결합은 회절 또는 간섭 측정 양식으로 또는 편광 커플링(polarization coupling)을 통해 - 거의 빔 품질의 어떠한 손실도 없이 - 구현될 수 있다.

US 2017/0201063 A1은, 주기적인 공간 구성으로 배열되는 다수(M) 개의 레이저 소스의 위상을 적응시키기 위한 시스템을 설명한다. 시스템은, 위상 격자(phase grating)를 포함하는 결합 회절 광학 엘리먼트(combining diffractive optical element)에서 다수(M) 개의 레이저 빔을 시준(collimating) 및 정렬하기 위한 수단을 포함한다. 회절 광학 엘리먼트는 Fourier(푸리에) 렌즈의 대물 평면(object plane)에 배열된다. 시스템은 또한, 결합된 레이저 빔으로부터 발생하는 네거티브 피드백 신호에 기초하여 레이저 소스의 위상을 적응시키기 위한 수단을 포함한다.

US 7,924,894 B2는, 마스터 발진기 및 출력 빔릿(output beamlet)을 생성하기 위한 복수의 광섬유 레이저 증폭기(fiber laser amplifier)를 포함하는 고출력 레이저 시스템을 개시하였다. 회절 광학 엘리먼트는 결합된 출력 빔을 형성하기 위해 출력 빔릿을 결합한다. 폐루프 제어 디바이스는 출력 빔릿의 결합으로 역추적될 수 있는 에러를 최소화하도록 기능하는데, 그 에러는 결합된 출력 빔의 품질을 감소시킨다. 빔릿의 위상은 위상 변조기의 도움으로 에러 신호에 기초하여 설정된다.

US 8,248,700 B1은 가간섭성 빔 결합의 시스템 및 방법을 설명하였다. 그 시스템은 시준 렌즈(collimation lens)의 어레이에 의해 시준되는 출력 빔의 어레이를 생성하는 가간섭성 레이저 방출기(coherent laser emitter)의 어레이를 포함한다. 시준된 출력 빔은 렌즈에 의해 초점 평면에서 집속되는데, 위상 스크린은 출력 빔의 어레이로부터 하나 이상의 가간섭적으로 중첩된 빔을 생성하기 위해 상기 초점 평면에 배열되며, 상기 빔은 출력 빔의 어레이의 위상 결합에 대응한다. 위상 스크린은 회절 광학 엘리먼트일 수 있다.

본 발명은, 적어도 하나의 결합된 가간섭성 레이저 빔에서 각각의 개개의 레이저 빔의 빔 품질을 실질적으로 완전하게 유지하는 것을 허용하는, 복수의 가간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 장치, 그러한 장치를 포함하는 레이저 시스템, 및 관련된 방법을 제공하는 목적에 기초한다.

본 발명에 따르면, 이 목적은 시작에서 기술되는 타입의 장치에 의해 달성되는데, 여기서, 빔 결합 디바이스는 적어도 하나의 결합된 레이저 빔을 형성하기 위한 적어도 두 개의 마이크로렌즈 어레이를 갖는 마이크로렌즈 배열을 포함한다.

본 발명자는, 가간섭성 레이저 빔 사이의 (상대적) 위상 또는 위상 차이가 적절하게 설정되는 경우 높은 빔 품질을 갖는 적어도 하나의 결합된 레이저 빔을 형성하기 위한 복수의 가간섭성 레이저 빔의 가간섭성 결합을 위한 빔 결합 디바이스로서 마이크로렌즈 배열이 사용될 수 있다는 것을 식별하였다. 방사선을 균질화하기 위한, 특히 레이저 빔을 균질화하기 위한 이미징 균질화기(imaging homogenizer) 또는 마이크로렌즈 배열이 사용이 원칙적으로 공지되어 있지만, 마이크로렌즈 배열은 복수의 레이저 빔의 가간섭성 결합을 위해 본 발명에 따라 사용된다. 또한, 마이크로렌즈 배열의 적절한 설계의 경우, 예를 들면, 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 초점 거리의 적절한 선택의 경우, 및 특히 가간섭성 레이저 빔의 (상대적) 위상(δφ_n)에 의한, 마이크로렌즈 배열에서 방사되는 레이저 빔의 동위상 파면(phase front)의 적절한 적응의 경우에, 높은 커플링 효율성이 달성될 수 있다.

원칙적으로, 가간섭성 레이저 빔을 마이크로렌즈 배열에 커플링하기 위한 적절한 입력 커플링 광학 유닛에 의해, 즉 하나 이상의 적절하게 설계된 광학 엘리먼트에 의해 위상 적응을 배타적으로 실현하는 것이 가능하다. 실제로, 위상 설정 디바이스는 통상적으로 가간섭성 레이저 빔의 (상대적) 위상(δφ_n)을 개별적으로 설정하기 위해 사용된다. 추가적으로, 위상 적응을 행하기 위해 적절한 입력 커플링 광학 유닛이 조합하여 사용될 수 있다. 일반적으로, 가간섭성 레이저 빔의 위상을 보정하거나 또는 조절하기 위해서는, 예를 들면, 장치에 대한 온도 관련 영향을 보상하기 위해서는, 위상 설정 디바이스가 어쨌든 필요로 되기 때문에, 이것은 유리하다.

위상 설정 디바이스는 가간섭성 레이저 빔의 각각의 위상을, 통상적으로는 방출 표면에서의 그 출현 이전에, 즉, 이들 레이저 빔이 자유 빔 전파에서 마이크로렌즈 배열에 입사하기 이전에, 설정하도록 기능한다. 일반적으로 가변 위상 지연을 설정하기 위해 구체화되는(embodied) 위상 설정 디바이스를 실현하기 위한 다수의 옵션이 있다: 예로서, 위상 설정 디바이스는 EOM(electro-optic modulator; 전기 광학 변조기), SLM(spatial light modulator; 공간적 광 변조기)의 형태의 변조기, 미러 배열의 형태의 광학 지연 라인, 또는 등등일 수 있다. 가간섭성 레이저 빔이 방출 표면에서 방출되기 이전에 광섬유(fiber)에서 안내되면, 위상을 설정하기 위해, 예를 들면, 피에조 액추에이터(piezo actuator)에 의해, 광섬유에 장력을 적용하는 것, 광섬유의 온도에 영향을 끼치는 것, 등등이 가능하다.

가간섭성 레이저 빔이 이득 매체에서 유도되고 방출 표면에서 방출되기 이전에 광학적으로 증폭되는 경우, 각각의 광학 증폭기의 특정한 이득 특성은 적응될 수 있으며, 결과적으로, 개개의 채널 또는 개개의 레이저 빔 사이의 위상 관계를 설정하는 것이 가능하다. 여기서, 이득 특성은 획득되는 전체 이득 및/또는 획득되는 가간섭성의 개개의 빔의 절대 출력 전력을 나타낼 수 있다. 여기서, 상이한 위상 관계에 대한 이유는, 이득 매체에서의 그렇지 않으면 상이한 광학적 강도 곡선에서의 상이한 수의 여기된 레이저 활성 이온에 있을 수 있는데, 이것은 이득 매체 그 자체 또는 추가적인 광학 엘리먼트 중 어느 하나에서의 광학적 비선형서의 결과로서 위상 각도에서의 변화로 이어질 수 있다.

바람직하게는, 가간섭성 레이저 빔 및 마이크로렌즈 배열은 다음 수학식을 충족하는데:

여기서 N은 결합을 위한 가간섭성 레이저 빔의 수를 나타내고, p는 각각의 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타내고, λ_L은 가간섭성 레이저 빔의 (일반적으로 동일한) 레이저 파장을 나타내고, f_E는 마이크로렌즈 배열의 (유효) 초점 거리를 나타낸다. 가장 간단한 경우에, 마이크로렌즈 배열은 동일한 초점 거리를 갖는 두 개의 마이크로렌즈 어레이를 포함하는데, 이들은 서로로부터 그들의 초점 거리의 거리에서 배열된다. 이 경우, 마이크로렌즈 배열의 초점 거리는 두 개의 마이크로렌즈 어레이의 (공통) 초점 거리에 대응한다.

본 발명자는 전술한 수학식 (1)이 충족된다면 결합된 레이저 빔과의 결합 동안 단일의 가간섭성 레이저 빔의 빔 품질이 실질적으로 완전히 유지된다는 것을 인식하였다. 여기에서 활용되는 것은, 수학식 (1)이 충족되는 경우, 가간섭성의 시준된 레이저 빔에 의해 조사되는 이미징 균질화기 또는 마이크로렌즈 배열이 동일한 강도의 N 개의 회절 스팟을 갖는 회절 패턴을 생성한다는 것이다; 문헌 [M. Zimmermann et al., "Refractive Micro-optics for Multi-spot and Multi-line Generation", Proceedings of LPM2008-the 9th International Symposium on Laser Precision Microfabrication] 참조. 본 발명자는, 인용된 논문에서 이미징 균질화기를 통과하는 빔 경로가 반전되어야 하고 가간섭성 레이저 빔의 방출을 위한 방출 표면이 배열되어야 하거나 또는 회절 스팟이 생성되는 위치에서 마이크로렌즈 배열의 방향으로 가간섭성 레이저 빔이 방출되어야 한다는 것을 제안한다. 가간섭성 레이저 빔이 (대략적으로) 동일한 강도를 갖는 경우, 빔 방향이 반전되면 높은 빔 품질을 갖는 결합된 가간섭성 레이저 빔이 생성된다.

수학식 (1)은 실제로 정확하게 고수될 수 없다는 것이 이해된다. 중첩된 레이저 빔의 빔 품질은 수학식 (1)로부터의 편차(deviation)가 있는 경우 저하된다. 본 출원의 의미 내에서, 수학식 (1)의 우변이 수학식 (1)의 좌변 상의 (정수) 값(N)으로부터 20 % 이하만큼, 바람직하게는 10 % 이하만큼, 특히 5 이하만큼 벗어나면, 즉, 다음의 것: |N - p²/(λ_L f_E)| < 0.2, 바람직하게는 < 0.1, 특히 < 0.05이 적용되면, 전술한 수학식 (1)은 충족되는 것으로 간주된다.

하나의 실시형태에서, 마이크로렌즈 배열은 적어도 3 개의 마이크로렌즈 어레이를 포함하고 자신의 (유효) 초점 거리(f_E)를 설정하도록 구체화된다. 결합을 위해 사용되는 가간섭성 레이저 빔의 수(N)가 변경되는 경우 마이크로렌즈 배열의 초점 거리를 설정하는 것이 필수이며, 더구나, 수학식 (1)의 다른 파라미터, 즉, 레이저 파장(λ_L) 및 마이크로렌즈의 그리드 간격(p)이 쉽게 변경될 수 없기 때문에, 수학식 (1)은 충족되어야 한다.

마이크로렌즈 배열의 유효 초점 거리(f_E)는, 각각의 경우 빔 경로(하위 어퍼쳐(sub-aperture)에 대응함)에서 마이크로렌즈 어레이당 하나의 마이크로렌즈를 통과하는 광선의 번들(bundle)에 관련된다. 본 발명에 따른 장치에서 빔 결합 디바이스로서 사용될 수 있는 마이크로렌즈 배열은, 매트릭스 광학기기(matrix optic)에서 기록될 때, 즉, 이미징 매트릭스

로서 기록될 때, 마이크로렌즈 어레이당 각각의 하나의 마이크로렌즈에 대한 광선의 번들과 관련하여 통상적으로 다음의 속성을 갖는다: A = 0; |B| = f_E. 더구나, D < 1 또한 일반적으로 적용된다(실질적으로 시준된 출력 빔의 경우); 그러면, A, B 및 D에 기초하여 C가 발생한다. 변수(f_E)에 대한 제2 조건(|B| = f_E)을 충족하기 위해 적어도 세 개의 마이크로렌즈 어레이의 사용이 필요하다.

가장 간단한 경우에, 마이크로렌즈 배열의 각각의 마이크로렌즈 어레이는 전용 멀티 렌즈 어레이 컴포넌트에 의해 실현된다. 예를 들면, 빔 경로가 반사 광학 엘리먼트에서 굴절되기 때문에 이 마이크로렌즈 어레이 컴포넌트를 통해 상응하게 다수 회 이어지는 빔 경로의 덕분에, 빔 경로에 있는 복수의 마이크로렌즈 어레이가 단일의 마이크로렌즈 어레이 컴포넌트에 의해 실현되는 것이 또한 가능하다.

마이크로렌즈 배열의 유효 초점 거리를 설정하기 위한 다양한 옵션이 있다:

하나의 개발에서, 마이크로렌즈 배열은, 자신의 (유효) 초점 거리를 설정하기 위한 목적으로, 적어도 하나의 제1 마이크로렌즈 어레이와 제2 마이크로렌즈 어레이 사이의 (광학적) 거리를 변경하도록 구체화된다. 두 개의 (얇은) (마이크로)렌즈의 경우, 예를 들면, 기본 관계에 따라, 단일 렌즈의 초점 거리(f_1a, f_2a) 및 렌즈 사이의 거리(ds)로부터 유효 초점 거리(f_E)를 결정하는 것이 가능하다:

이 기본 관계로부터, 임의의 수의 마이크로렌즈 어레이(일반적으로, 세 개 또는 네 개 마이크로렌즈 어레이)를 갖는 마이크로렌즈 배열의 유효 초점 거리(f_E)를 (필요로 되는 경우 반복적으로) 결정하는 것이 가능하다. 결합을 위해 사용되는 가간섭성 레이저 빔의 수를 변경하는 것이 일반적으로 시간이 중요하지 않기 때문에, 마이크로렌즈 배열의 유효 초점 거리를 설정하거나 또는 변경하는 것은, 마이크로렌즈 어레이가 명시된 조정 위치로 이동하는 것의 덕분으로 필요로 되는 경우 수동으로 실행될 수 있다. 옵션 사항으로(optionally), 장치는 다양한 조정 위치에 자동적으로 접근하기 위해 모터 구동식 조정 메커니즘 및 전자 제어 디바이스를 포함할 수 있다. 조정 메커니즘은, 마이크로렌즈 어레이 또는 마이크로렌즈 어레이 컴포넌트 또는 적어도 두 개의 마이크로렌즈 어레이 컴포넌트가 고정된 거리에서 배열되는 캐리지(carriage)를 포함할 수 있다. 캐리지는, 빔 전파 방향을 따라, 적어도 하나의 추가적인 마이크로렌즈 어레이 컴포넌트와 관련하여, 특히 적어도 두 개의 마이크로렌즈 어레이 컴포넌트와 관련하여, 변위 가능한(displaceable) 실시형태를 가질 수 있다. 예로서, 제1 및 제3 마이크로렌즈 어레이는 빔 경로에서 고정된 양식으로 배열될 수 있고 제2 및 제4 마이크로렌즈 어레이는 빔 경로에서 변위 가능한 캐리지 상에 배열될 수 있거나, 또는 그 반대의 경우도 가능하다.

가간섭성 레이저 빔을 결합하여 결합된 레이저 빔을 형성하기 위해, 일반적으로 인접한 가간섭성 레이저 빔이 명시된 각도 차이(δθ)를 가지고 마이크로렌즈 배열에 커플링되는 것이 통상적으로 필요하거나 또는 유리한데, 각도 차이(δθ)에 대해서는 다음의 것이 적용되고: δθ = λ_L/p, 여기서 λ_L은 레이저 파장을 나타내고 p는 각각의 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 (동일한) 그리드 간격을 나타낸다. 이 조건을 충족하기 위해, 가간섭성 레이저 빔이 나오는 방출 표면은 서로에 대해 각각의 각도 차이(δθ)에서 정렬될 수 있고, 예를 들면, 원호(circular arc) 상에서 배열될 수 있다. 이 경우, 가간섭성 레이저 빔은, 예를 들면, 가간섭성 레이저 빔 중 하나의 각각의 빔 경로에 배열되는 개개의 렌즈의 도움으로 집속될 수 있다; 그러나, 그러한 렌즈의 제공은 적용 가능한 경우 또한 생략될 수 있다.

추가적인 실시형태에서, 장치는 마이크로렌즈 배열의 적어도 하나의 제1 마이크로렌즈 어레이와 적어도 하나의 제2 마이크로렌즈 어레이 사이의 바람직하게 조정 가능한 횡방향 오프셋(lateral offset)을 생성하기 위한 이동 디바이스를 포함한다. 이동 디바이스의 결과로서, 두 개의 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈가 배열된 그리드는 횡방향으로, 즉 결합된 레이저 빔의 전파 방향 또는 마이크로렌즈 어레이가 서로 거리를 두고 배열되는 광학 축에 수직으로 변위된다. 일반적으로, 횡방향 변위는 마이크로렌즈의 그리드 간격의 정수배에 의해 구현되지 않으며, 따라서, 전파 방향에서 서로를 뒤따르는 마이크로렌즈 또는 하위 어퍼쳐는 서로로부터 횡방향으로 오프셋된다. 횡방향 오프셋의 사이즈 또는 절대 값에 따라, 결합된 레이저 빔 또는 빔 분할의 목표로 된 편향을 구현하여, 일반적으로, 동일한 출력을 갖는 두 개 이상의 결합된 레이저 빔을 형성하는 것이 가능하다. 개개의 가간섭성 레이저 빔의 레이저 출력 및 빔 품질은 프로세스에서 실질적으로 유지될 수 있다. 횡방향 오프셋의 결과로서, 개개의 결합된 레이저 빔을 형성하도록 기능하는 광학 파라미터는, 균일하게 분산된 출력을 갖는 레이저 빔의 복수의 잘 정의된 번들(빔 분할)의 조합이 발생하도록 하는 그러한 방식으로 변경될 수 있다. 그에 대한 대안으로서 또는 추가하여, 단일의 레이저 빔이 결합에 의해 형성될 수 있는데, 파 필드(far field)의 각도 분포가 렌즈 또는 등등을 사용하여 이미지화되고 그 프로세스에서 공간적 분포로 변환된다면, 상기 단일의 레이저 빔은 광학 축으로부터 평행한 오프셋을 가지고 전파한다(빔 편향). 빔 분할 및/또는 빔 편향을 위한 이 방법은 제어 레이트 << 1 kHz의 경우에 실현될 수 있다.

이동 디바이스는 통상적으로 마이크로렌즈 어레이 중 하나를 횡방향으로 변위시키도록 기능한다. 이동 디바이스는, 오정렬에 대해 또는 적어도 하나의 마이크로렌즈 어레이의 변위에 대해, 피에조 엘리먼트, 보이스 코일(voice coil), 옵션 사항으로 캠 샤프트 등등의 형태의 머신 디바이스, 등등을 포함할 수 있거나 또는 그러한 컴포넌트로 구성될 수 있다.

하나의 개발에서, 제1 및 제2 마이크로렌즈 어레이는 두 개의 결합된 레이저 빔을 형성하는 목적을 위해 횡방향 오프셋(Δ)을 가지는데, 다음의 것이 상기 횡방향 오프셋에 적용되는데:

,

여기서 N은 가간섭성 레이저 빔의 수를 나타내고, p는 각각의 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타낸다.

이 경우, 제1 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈는 제2 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈와 관련하여 하나의 방향(예를 들면, X 방향)에서 절대 값(Δ)만큼 오프셋된다. 두 개의 결합된 레이저 빔 또는 후자가 회절되는 두 개의 차수의 회절은 마찬가지로 X 방향에서 오프셋된다.

추가적인 개발에서, 제1 및 제2 마이크로렌즈 어레이는 결합된 레이저 빔을 형성하기 위해 짝수 개수(N)의 가간섭성 레이저 빔을 결합하는 목적을 위한 횡방향 오프셋(Δ)을 가지며, 상기 횡방향 오프셋에 대해 다음의 것이 적용되는데:

,

여기서 N은 가간섭성 레이저 빔의 수를 나타내고 p는 각각의 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타내며, 다음의 것이 제1 마이크로렌즈 어레이와 제2 마이크로렌즈 어레이 사이의 바람직하게 조정 가능한 거리(d)에 적용되는데:

,

여기서 λ_L은 레이저 파장을 나타낸다. 두 개의 횡방향으로 오프셋된 마이크로렌즈 어레이 사이의 거리(d)는, 일반적으로, 모터 구동식 조정 메커니즘에 의해 마이크로렌즈 배열의 유효 초점 거리(f_E)를 설정하는 것과 연계하여 상기에서 추가로 설명되는 방식으로 설정될 수 있지만; 그러나, 두 마이크로렌즈 어레이 사이의 거리(d)가 일정하게 되고 변경될 수 없게 되는 것도 또한 가능하다.

추가적인 개발에서, 제1 및 제2 마이크로렌즈 어레이는 제로 차수와는 상이한 회절의 차수(B)로 회절되는 결합된 레이저 빔을 형성하는 목적을 위한 횡방향 오프셋(Δ)을 가지며, 다음의 것이 상기 횡방향 오프셋에 적용된다:

,

여기서 N은 가간섭성 레이저 빔의 수를 나타내고, p는 각각의 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타낸다. 회절의 차수(B)는 정수, 0이 아닌 값을 취한다, 즉, B = ±1, ±2, ...이다. 횡방향 오프셋(Δ)의 결과로서, 이 경우, 결합된 레이저 빔의 소정 차수의 회절로의, 즉, 이 차수의 회절에 대응하는 명시된 각도에서의 편향이 있을 수 있다. 회절되는 결합된 레이저 빔의 강도는 회절의 차수에 의존하여, 예를 들면, ±1차의 회절의 경우 대략 3 %만큼, ±2차의 회절의 경우 대략 10 %만큼 감소한다; 즉, 빔 결합에서의 효율성이 이 경우에서는 또한 높다.

복수의 레이저 빔이 이차원에서 결합되어 공통 레이저 빔을 형성하도록 의도되고 마이크로렌즈 배열이 이 목적을 위해 연속적으로 직접 배열되는 일차원 교차 마이크로렌즈 배열의 두 개의 쌍을 포함하는 경우, 이동 디바이스는, 두 개의 상이한, 예를 들면, 수직인 방향(X, Y)에서, 각각의 일차원 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 개별적으로 조정 가능한 횡방향 오프셋을 설정하기 위해 사용될 수 있다.

이차원 결합을 위해 이차원적으로 구조화된(two-dimensionally structured) 마이크로렌즈 어레이가 사용되는 경우, 두 방향에서 횡방향 오프셋을 독립적으로 설정하는 것은 가능하지 않다. 그러한 이차원적으로 구조화된 마이크로렌즈 어레이가 하나의 방향(예를 들면, X 방향)에서 횡방향으로 오프셋되는 경우, 결합된 레이저 빔은 또한 제2 방향(예를 들면, Y 방향)에서 편향되거나 또는 두 개의 결합된 레이저 빔 대신 네 개의 결합된 레이저 빔이 대신 형성된다.

추가적인 실시형태에서, 장치는, 입력 커플링 광학 유닛이, 인접한 가간섭성 레이저 빔을, 명시된 각도 차이(δθ)를 가지고 마이크로렌즈 배열에 커플링하도록 구체화되는 것이 바람직한 경우, 가간섭성 레이저 빔을 마이크로렌즈 배열에 커플링하기 위한 입력 커플링 광학 유닛을 포함하는데, 명시된 각도 차이(δθ)에 대해 다음의 것: δθ = λ_L/p가 적용되고, 여기서, λ_L은 레이저 파장을 나타내고 p는 각각의 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타낸다. 이 경우, 가간섭성 레이저 빔이 나오는 방출 표면과 마이크로렌즈 배열 사이에서 배열되는 입력 커플링 광학 유닛의 사용이 이루어진다. 입력 커플링 광학 유닛은 필수는 아니지만, 예를 들면, 장치를 셋업할 때 유리할 수도 있다. 특히, 입력 커플링 광학 유닛은 각도 차이(δθ)에 대한 요건을, 이를 위해, 방출기 표면으로부터의 가간섭성 레이저 빔의 빔 출현 방향이 서로에 대해 비스듬히 정렬될 필요 없이, 충족하기 위해 사용될 수 있다. 예로서, 방출기 표면은 이 경우 라인 상에서 배열될 수 있다, 즉, 빔 출현 방향 또는 가간섭성 레이저 빔의 포인팅 벡터가 서로 평행하게 정렬된다. 입력 커플링 광학 유닛의 사용 또는 설계 및 방출기 표면의 배열은, 경계 조건에, 예를 들면, 사용되는 레이저 소스에 의존한다. 예로서, 방출기 표면이 평행하게 연장되는 광섬유의 단부 면(end side)을 형성하는 경우는 입력 커플링 광학 유닛의 사용에 적합하다.

하나의 개발에서, 입력 커플링 광학 유닛은, 마이크로렌즈 배열 상에 복수의 가간섭성 레이저 빔을 집속하기 위한 적어도 하나의 포커싱 디바이스, 특히 적어도 하나의 포커싱 렌즈를 포함한다. 자신의 초점 거리와 실질적으로 동일한 마이크로렌즈 배열(푸리에 렌즈)로부터 거리를 두고 배열되는 포커싱 렌즈(focusing lens)의 사용은, 방출 표면이 서로로부터 적절한 거리에 배열된다면, 각도 차이(δθ)와 관련하는 조건을 충족하기 위해 유리한 것으로 밝혀졌다. 이 경우, 가간섭성 레이저 빔은 서로에 대해 실질적으로 평행하게 정렬되는 방식으로 포커싱 렌즈에 입사될 수 있으며 마이크로렌즈 배열 상에 집속된다.

하나의 개발에서, 입력 커플링 광학 유닛은, 복수의 가간섭성 레이저 빔의 동위상 파면의 곡률을 보정하기 위한 적어도 하나의 추가적인 이미징 광학 유닛, 특히 적어도 하나의 추가적인 렌즈를 포함한다. 상기에서 추가로 설명되는 바와 같이, 가간섭성 결합에 필요한 가간섭성 레이저 빔의 관련 위상의 적어도 일부는 하나 이상의 광학 엘리먼트를 포함하는 광학 유닛의 도움으로 설정될 수 있다. 레이저 빔의 동위상 파면의 절대 부분(즉, 각각의 레이저 빔에 의존하지 않는 부분)을 설정하는 것은 동위상 파면 곡률의 보정으로 간주될 수 있다. 그러나, 장치, 특히 입력 커플링 광학 유닛이 적절한 설계(하기 참조)를 갖는 경우, 동위상 파면을 보정하기 위한 (추가적인) 광학 유닛의 사용은 필수가 아니다. 추가적인 광학 유닛은 가간섭성 레이저 빔의 빔 경로에서 포커싱 디바이스의 상류에서 통상적으로 배열된다.

본 발명의 추가적인 양태는 다음의 것을 포함하는 레이저 시스템에 관한 것이다: 복수의 가간섭성 레이저 빔을 생성하기 위한 적어도 하나의 레이저 소스, 복수의 가간섭성 레이저 빔을 방출하기 위한 복수의 방출 표면, 및 결합된 레이저 빔을 형성하기 위해 복수의 가간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 상기에서 설명된 장치. 복수의 가간섭성 레이저 빔을 생성하기 위해, 레이저 소스는, 예를 들면, (광섬유) 마스터 발진기의 형태의 단일의 레이저를 구비할 수 있다. 레이저에 의해 생성되는 씨드 레이저 방사선(seed laser radiation)은, 예를 들면, 단일의 마이크로렌즈 어레이의 형태의, 예를 들면, 종래의 1 대 N 커플링 디바이스에 의해 복수(N) 개의 레이저 빔으로 나누어진다. 대안적으로, 예를 들면, 광섬유 발진기, 레이저 다이오드, 등등의 형태의 복수의 레이저 소스가 복수(N) 개의 가간섭성 레이저 빔을 생성하도록 기능할 수 있다. 이 경우, 레이저 시스템은 레이저 다이오드를 구동하여 가간섭성 레이저 빔을 생성하기 위한 제어 디바이스를 포함한다. 레이저 소스(들)는 초단파 펄스 레이저 빔, 즉, 예를 들면, 10^-12 초 미만의 펄스 지속 기간을 갖는 가간섭성 레이저 빔을 생성하도록 구체화될 수 있다.

레이저 소스 또는 소스들에서 생성되는 가간섭성 레이저 빔은, 통상적으로, 예를 들면, 광섬유의 형태의 복수(N) 개의 빔 안내 디바이스(beam guiding device)의 도움으로 방출 표면으로 안내된다. 레이저 빔의 개개의 빔 안내는, 위상 설정 디바이스의 도움으로 상대적 위상을 적절하게 설정하기 위해, 이들에 대해 개별적으로 작용하는 것을 가능하게 만든다. 빔 안내 디바이스는, 레이저 빔이 방출기 표면에서 마이크로렌즈 배열의 방향으로 방출되기 이전에 이들 레이저 빔을 증폭하기 위해, 예를 들면, 광섬유 증폭기의 형태의 대응하는 복수(N) 개의 증폭기 또는 증폭기 체인을 포함할 수 있다. 위상 설정 디바이스는 빔 경로에서 빔 안내 디바이스의 상류 또는 하류에 배치될 수 있고 및/또는 예를 들면, 광섬유의 형태의 빔 안내 디바이스에 대해 작용할 수 있다. 개개의 증폭기의 그러한 레이저 시스템의 이점은, 더 높은 레이저 출력을 달성함에 있어서 뿐만 아니라, 또한 증폭기 셋업에 누적되는 에러가 가간섭성 레이저 빔의 각각에 상이하게 영향을 끼치며, 따라서, 결합된 레이저 빔을 형성할 때 평균화된다는 점에 있다.

추가적인 실시형태에서, 방출 표면에서 방출되는 가간섭성 레이저 빔은 가우스 빔 프로파일, 도넛 형상의 빔 프로파일 또는 탑햇(top hat) 빔 프로파일을 갖는다. 상기에서 추가로 설명되는 바와 같이, 레이저 빔의 시간적 가간섭성은 중첩에 대해 중요하지만; 그러나, 레이저 빔은 공간적으로 부분적으로 가간섭성의 레이저 소스에 의해, 예를 들면, 다중 모드 레이저 소스에 의해 생성될 수 있다. 상이하게 표현하면, 가간섭성 레이저 빔은, 반드시, 더 큰 빔 직경을 갖는 결합된 싱글 모드 레이저 빔을 형성하기 위해 마이크로렌즈 배열에서 중첩되는 싱글 모드 레이저 빔인 것은 아니다. 마이크로렌즈 배열에 의해 생성되는 회절 패턴 또는 다중 스팟 프로파일에서, 빔 역방향으로 실질적으로 시준된 레이저 빔이 마이크로렌즈 배열을 통과하는 경우, 개개의 스팟은, 예를 들면, 실질적으로 가우스 빔 프로파일, 실질적으로 도넛 형상의 빔 프로파일 또는 실질적으로 탑햇 형상의 빔 프로파일을 갖는다. 그러나, 일반적으로 가간섭성 결합을 위해 사용되는 가간섭성 레이저 빔이 싱글 모드 레이저 빔을 형성하기 위해 결합되는 싱글 모드 레이저 빔이면 유리하다. 수학식 (1)이 관찰될 때 N 개의 개개의 스팟의 균일한 분포가 생성되기 때문에, 방출기 표면으로부터 나오는 가간섭성 레이저 빔의 강도 레벨은 또한 가능한 한 균일해야 한다, 즉, 동일한 사이즈의 것이어야 한다.

추가적인 실시형태에서, 레이저 시스템은, 방출된 가간섭성 레이저 빔의 수(N)에 기초하여 마이크로렌즈 배열의 (유효) 초점 거리를 설정하도록 구체화되거나 또는 프로그래밍되는 제어 디바이스를 포함한다. 예로서, 레이저 시스템에 추가적인 레이저 소스가 설치되면 또는 레이저 시스템으로부터 레이저 소스가 제거되면 방출된 가간섭성 레이저 빔의 수는 변경될 수 있다. 여기에서 설명되는 레이저 시스템은 확장 가능한 시스템이다; 즉, 원칙적으로 임의의 수의 가간섭성 레이저 빔이 중첩될 수 있다. 마이크로렌즈 배열의 (유효) 초점 거리를 존재하는 레이저 소스의 각각의 수(N)로 적응시키는 것에 의해, 레이저 시스템의 모듈식 셋업을 획득하는 것이 가능하다.

옵션 사항으로, 제어 디바이스는 방출된 가간섭성 레이저 빔의 수(N)를 설정하기 위해 적어도 하나의 레이저 소스를 구동하도록 구체화될 수 있다. 이 경우, 예를 들면, 결합된 레이저 빔의 강도를 설정하기 위해, 개개의 레이저 소스는 선택적으로 활성화 또는 비활성화될 수 있다. 방출된 가간섭성 레이저 빔의 수(N)을 변경하기 위해, 마이크로렌즈 배열의 중심 축과 관련한 레이저 시스템의 각각의 가장 바깥 쪽 레이저 소스는 통상적으로 활성화되거나 또는 비활성화된다. 마이크로렌즈 배열의 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 수는 결합을 위해 사용되는 가간섭성 레이저 빔의 수(N)와는 독립적이다.

추가적인 실시형태에서, 입력 커플링 광학 유닛의 포커싱 디바이스와 마이크로렌즈 배열 사이의 거리는 조정 가능하고 제어 디바이스는 방출된 가간섭성 레이저 빔의 수(N)에 기초하여 거리를 설정하도록 구체화된다. 이 경우, 병렬로 정렬되는 다수(N) 개의 가간섭성 레이저 빔은, 위상 보정을 위해 추가적인 광학 유닛이 필요로 되지 않으면서, 예를 들면, 포커싱 디바이스를 사용하여, 예를 들면, 포커싱 렌즈를 사용하여 정렬될 수 있다. 포커싱 디바이스가 초점 거리(f₂)를 갖는 경우, 마이크로렌즈 배열, 더욱 정확하게는 마이크로렌즈 배열의 제1 마이크로렌즈 어레이는, 이상적으로는, 포커싱 디바이스로부터 거리(L2)에서 배열되는데, 그 거리는 다음에 의해 주어진다: L2 = f₂ - p²/(λ_L N) 또는 L2 = f₂ - f_E. 거리(L2)를 설정하기 위해, 제어 디바이스는, 예를 들면, 상기에서 추가로 설명되는 마이크로렌즈 배열의 조정 메커니즘에 대해 작용할 수 있다. 포커싱 디바이스의 초점 거리(f₂)로부터 p²/(λ_L N)만큼의 마이크로렌즈 배열의 거리(L2)의 편차를 야기하는 것에 의해, 마이크로렌즈 배열을 통한 또는 이미징 균질화기를 통한 통과시 가간섭성 레이저 빔이 결합된 개개의 레이저 빔을 형성하는 그러한 방식으로, 마이크로렌즈 배열에 입사하는 레이저 빔의 공통 동위상 파면 곡률 또는 모든 레이저 빔에 공통인 동위상 파면의 일부가 설정된다. 거리(L2) 상에 배치되는 조건은, 우변이 좌변으로부터 5 % 미만만큼, 바람직하게는 2 % 미만만큼 벗어나면 만족되는 것으로 또한 간주된다.

추가적인 실시형태에서, 포커싱 디바이스는 마이크로렌즈 배열로부터의 자신의 초점 거리(f₂)의 거리에서 배열되고 포커싱 디바이스의 초점 거리(f₂), 추가적인 이미징 광학 유닛의 초점 거리(f₁) 및 마이크로렌즈 배열의 초점 거리(f_E)는 다음의 조건을 충족한다: f₁ = -f₂ ²/f_E. 상기에서 추가로 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 광학 엘리먼트를 포함할 수 있는 추가적인 이미징 광학 유닛은 모든 레이저 빔에 공통인 동위상 파면 곡률을 보정하도록 기능한다. 추가적인 이미징 광학 유닛이 포커싱 디바이스 앞에 있는 자신의 초점 거리(f₂)의 거리에서 배열된다는 가정 하에, 이 목적을 위해 초점 거리가 전술한 조건을 충족하는 것이 필요로 된다. 초점 거리 상에 배치되는 조건은, 우변이 전술한 조건의 좌변으로부터 5 % 미만만큼, 바람직하게는 2 % 미만만큼 벗어나면 충족되는 것으로 또한 간주된다.

하나의 개발에서, 추가적인 이미징 광학 유닛의 초점 거리는 조정 가능하고 제어 디바이스는 방출된 가간섭성 레이저 빔의 수(N)에 기초하여 추가적인 이미징 광학 유닛의 (유효) 초점 거리를 설정하도록 구체화된다. 방출된 가간섭성 레이저 빔의 수(N)을 변경할 때 마이크로렌즈 배열의 유효 초점 거리가 변경되기 때문에, 포커싱 디바이스와 마이크로렌즈 배열 사이의 거리가 설정되지 않는다면, 초점 거리에 대한 전술한 조건을 충족하기 위해서는, 추가적인 이미징 광학 유닛의 초점 거리가 또한 적응되는 것이 통상적으로 필요하다. 예로서, 추가적인 이미징 광학 유닛이 거리(ds)가 변경되는 두 개의 (얇은) 렌즈를 포함하는 경우 이러한 적응은 가능한데, 여기서 유효 초점 거리(f₁ 또는 f_E)는 상기의 기본 수학식 (2)에 따라 변경되고, 이 경우, f_1a, f_2a는 추가적인 이미징 광학 유닛의 얇은 렌즈의 초점 거리를 나타낸다.

추가적인 실시형태에서, 위상 설정 디바이스는 n 번째 가간섭성 레이저 빔(n = 1, ..., N)에 대한 (상대적인) 위상(δφ_n)을 설정하도록 구체화되며, 상기 위상은 다음에 의해 주어지는데:

여기서 p는 각각의 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타내고, f_E는 마이크로렌즈 배열의 초점 거리를 나타내고 λ_L은 레이저 파장을 나타낸다. 이어지는 인덱스(m_n)에 다음의 것이 적용된다:

. 상대적 위상(δφ_n)은 각각의 개개의 가간섭성 레이저 빔에 대해 상이하고, 따라서, 비록, 원칙적으로는, 입력 커플링 광학 유닛의 하나 이상의 광학 엘리먼트의 도움이 또한 가능할 것이지만, 일반적으로, 입력 커플링 광학 유닛의 하나 이상의 광학 엘리먼트의 도움이 아니라, 위상 설정 디바이스의 도움으로 설정된다. 레이저 빔의 가간섭성 결합을 위한 적절한 동위상 파면을 생성하기 위해서는, 마이크로렌즈 배열에 입사하기 이전의 가간섭성 레이저 빔의 (상대적) 위상의 개개의 설정이 필요로 된다. 결합된 레이저 빔의 속성에 기초하여 개개의 (상대적) 위상을 적응시키기 위해, 위상 설정 디바이스는 폐루프 제어 디바이스의 도움으로 제어될 수 있다.

추가적인 실시형태에서, 인접한 방출기 표면은 등거리로 배열되고 바람직하게는 서로로부터 거리(δx)를 가지는데, 그 거리(δx)는 δx = λ_L f₂/p에 의해 주어지고, 여기서 λ_L은 레이저 파장을 나타내고, f₂는 포커싱 디바이스의 초점 거리를 나타내고, p 각각의 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타낸다. 가간섭성 레이저 빔은 통상적으로 서로 동일한 거리를 갖는 방출기 표면으로부터 나온다. 레이저 빔이 평행하게 연장되는 경우, 방출기 표면은, 레이저 빔의 공통 빔 전파 방향에 수직으로 연장되는 공통 방향 또는 라인을 따라(예를 들면, X 방향으로) 통상적으로 배열된다. 이 경우, 레이저 빔 또는 방출기 표면의 간격(δx)은 상기 언급된 조건에 의해 통상적으로 설정된다.

추가적인 실시형태에서, 인접한 방출 표면은 원호 상에서 등거리로 배열되고, 바람직하게는, 다음의 것이 적용되는 명시된 각도 차이(δθ)를 갖는 인접한 가간섭성 레이저 빔을 마이크로렌즈 배열에 커플링하도록 정렬되는데:

,

여기서 λ_L은 레이저 파장을 나타내고 p는 각각의 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타낸다. 상기에서 추가로 설명되는 바와 같이, 공통 원호 상에서의 그리고 전술한 조건을 충족하는 각도 차이(δθ)를 갖는 방출 표면의 배열은 유리한 것으로 밝혀졌다.

하나의 실시형태에서, 입력 커플링 광학 유닛은, 마이크로렌즈 배열로의 입력 커플링시, 명시된, 특히, 조정 가능한 발산 각도를 갖는 각각의 가간섭성 레이저 빔을 성형하기 위한 빔 성형 광학 유닛(beam shaping optical unit)을 포함한다. 상기에서 추가로 설명되는 예에서, 가간섭성 레이저 빔은 시준된 양식으로 마이크로렌즈 배열에 통상적으로 커플링된다. 예로서, 빔 성형 광학 유닛은 연속적으로 배열되는 두 개 이상의 렌즈를 포함할 수 있는데, 이들은 모든 가간섭성 레이저 빔을 확장시키나, 또는 발산 각도(이것은, 일반적으로, 모든 가간섭성 레이저 빔에 대해 동일함)를 생성하기 위해, 복수의 렌즈 또는 다른 광학 엘리먼트, 예를 들면, 복수의 가간섭성 레이저 빔 또는 (추가적인) 마이크로렌즈 어레이에 대응하는 다수의 단일 렌즈에 대해 제공될 수 있다. 방출 표면이 원호 상에 배열되는 경우, 이것은 원호와 마이크로렌즈 배열 사이의 거리(D)를 감소시킬 수 있고 따라서 소형의 구조체를 달성할 수 있다. 예로서, 빔 성형 광학 유닛이 초점 거리(f)를 갖는 렌즈에 의해 형성되고 마이크로렌즈 배열의 (유효) 초점 거리가 f_E에 의해 표시되는 경우, D = f - f_E가 거리에 적용된다. 여기서, 빔 성형 광학 유닛의 초점 거리(f)가 포커싱 디바이스의 초점 거리(f₂)보다 더 작아지도록 선택될 수 있기 때문에, 거리(D)는, 상기에서 설명되는, 포커싱 디바이스와 제1 마이크로렌즈 어레이 사이의 거리(L2 = f₂ - f_E)보다 더 작을 수 있다.

하나의 개발에서, 레이저 시스템은 짝수 개수(N)의 방출기 표면을 포함하고, 빔 성형 광학 유닛은 다음의 조건을 충족하는 초점 거리(f)를 갖는다:

,

여기서 λ_L은 레이저 파장을 나타내고 p는 각각의 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타낸다. 이 조건은 짝수 개수(N)의 가간섭성 레이저 빔의 조합에 일반적으로 적용된다, 즉, 그것은 가간섭성 레이저 빔의 수(N)와 무관하다. 빔 성형 광학 유닛의 초점 거리 상에 배치되는 이 조건은, 장치의 가장 소형의 구조체를 또한 정의한다; 즉, 초점 거리(f)는 - 가간섭성 레이저 빔의 수(N)에 관계없이 - 미달되어서는 안된다 - 즉, f ≥ p²/λ_L가 적용되어야 한다.

공통 라인을 따라 또는 공통 원호 상에서 배열될 수도 있는 방출기 표면의 일차원 배열이, 예를 들면, 상기의 고려 사항에서 가정되었다. 이 경우, 방출기 표면은 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈와 함께 공통 평면에서 위치되는데, 그 공통 평면 내에서 레이저 빔의 빔 전파 방향이 또한 확장된다. 이 경우, 마이크로렌즈는 통상적으로 원통형 렌즈이다.

레이저 빔의 일차원 가간섭성 결합에 대한 대안으로서, 복수(N × M) 개의 레이저 빔을 이차원 양식으로 결합하여 공통 레이저 빔을 형성하는 것이 또한 가능하다. 이 경우, 방출기 표면은 이차원 격자에서 또는 그리드에서 통상적으로 배열되는데, 인접한 방출기 표면 사이의 거리는 양방향에서 동일하도록 또는 상이하도록 선택될 수 있다. 이 경우, 방출 표면을 갖는 격자는 평면(예를 들면, XY 평면)에서 또는 굴곡된 표면 상에서, 예를 들면, 구형 쉘 상에서 연장될 수 있다. 방출기 표면으로부터 나오는 레이저 빔은 제1 경우에 통상적으로 평행하게 정렬되고, 예를 들면, 제2 경우에 마이크로렌즈 배열이 상부에 배치되는 구형 쉘의 중심의 방향으로 정렬될 수 있다.

이 경우 방출기 표면을 갖는 격자의 주기성은 두 가지 상이한, 예를 들면, 수직의 방향(X, Y)에서 마이크로렌즈의 그리드 간격을 명시한다. 이 경우, 2차원 마이크로렌즈 어레이의 사용이 이루어질 수 있는데, 2차원 마이크로렌즈 어레이의 그리드 간격(p_X, p_Y)은, 격자의 주기성에 따라, 서로 수직인 두 개의 상호 수직인 방향(X, Y)에서 어쩌면 상이하다. 따라서, 2차원 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈는 X 방향 및 Y 방향에서 옵션 사항으로 상이한 곡률을 갖는다, 즉, 이들은 원통형 렌즈가 아니다. 각각의 2차원 마이크로렌즈 어레이를 원통형 렌즈를 갖는 있는 두 개의 1차원 마이크로렌즈 어레이에 의해 대체하는 것도 또한 가능한데, 1차원 마이크로렌즈 어레이에서의 원통형 렌즈는 서로 수직으로 정렬된다.

방출기 표면을 갖는 2차원 격자와 2차원 마이크로렌즈 어레이 사이의 관계는 Bravais(브라비스) 격자 및 역 격자(reciprocal lattice) 사이의 관계와 유사하다. 따라서, 방출기 표면의 배열은 또한 가장 가까운 패킹, 즉 육각형 격자에 대응할 수 있다. 이 경우, 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈는 마찬가지로 육각형 배열로 배열된다. 원칙의 문제로서, 두 개의 선형적으로 독립적인 가간섭성 레이저 빔의 조합은, 반드시 수직 격자 방향은 아니지만, 독립적이다; 즉, 상기에서 추가로 명시되는 조건 또는 수학식은 격자 방향 둘 모두에 서로 독립적으로 적용된다.

두 개의 상호 수직인 방향에서의 기여도는, 레이저 빔의 상대적 위상을 설정하는 경우에만 합산된다; 즉, 직사각형 격자에서(X 방향 및 Y 방향에서) 배열되는 다수(N × M) 개의 레이저 빔의 경우, 각각의 위상(δφ_n,_m)에 대해 다음의 것이 적용되는데:

,

여기서 p_X는 X 방향에서의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타내고 p_Y는 Y 방향에서의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타내며 여기서 f_E,_X는 X 방향에서의 마이크로렌즈 배열의 유효 초점 거리를 나타내고 f_E,_Y는 Y 방향에서의 마이크로렌즈 배열의 유효 초점 거리를 나타낸다. 여기서, 다음의 것이 각각 적용된다:

(n = 1, ..., N) 및

(m = 1, ..., N).

추가적인 실시형태에서, 레이저 시스템은 짝수 개수(N)의 방출기 표면을 포함하고 마이크로렌즈 배열은 위상 시프팅 디바이스를 포함하는데, 위상 시프팅 디바이스는, 각각의 마이크로렌즈 어레이의 인접한 마이크로렌즈를 통해 통과하는 가간섭성 레이저 빔의 광선의 번들 사이에서 π의 일정한 위상 오프셋을 생성하도록 구체화된다. 일반적으로, 회절 패턴은 0차의 회절을 가지며, 그와 대칭적으로, 짝수 개의 고차를 갖는다, 즉 전체 홀수 개의 회절 차수를 갖는다. 하나의 방향(예를 들면, X 방향)을 따라 짝수 개수(N)의 가간섭성 레이저 빔을 중첩시키기 위해서는, 따라서, 0차 회절을 제거하는 것이 통상적으로 필요하다. 이 목적을 위해, 상쇄 간섭에 의한 0차 회절을 억제하는 위상 시프팅 디바이스가 사용될 수 있다.

위상 시프팅 디바이스는, 예를 들면, 위상 시프터 엘리먼트로서 구현될 수 있는데, 여기서 제1 통과 엘리먼트 및 제2 통과 엘리먼트는 빔 전파 방향을 횡단하는 방향으로 교대로 형성되고, 여기서 제2 통과 엘리먼트를 통과하는 것과 관련하여 제1 통과 엘리먼트를 통과하는 것은 π의 위상 오프셋을 생성한다. 가간섭성 레이저 빔의 수(짝수 또는 홀수)에 따라, 그러한 위상 시프터 엘리먼트는 빔 경로에 선택적으로 도입될 수 있거나 또는 빔 경로로부터 제거될 수 있는데, 그 목적을 위해, 예를 들면, 상기에서 설명된 조정 메커니즘의 사용이 이루어질 수 있다.

대안적으로, 위상 시프팅 디바이스는 마이크로렌즈 어레이 중 하나에서 통합될 수 있다. 이 경우, 마이크로렌즈 어레이의 프로파일링은 각각 두 개의 인접한 마이크로렌즈의 전이에서 두께에서의 점프를 제공하는데, 두께에서의 상기 점프는 π의 위상 오프셋을 생성한다. 이 구성에서 별개의 위상 시프터 엘리먼트는 생략될 수 있다. 예로서, 마이크로렌즈 어레이의 두께는 그리드 간격 또는 마이크로렌즈 어퍼쳐 폭에 걸쳐 점진적으로 변화하며, 따라서, π의 위상 오프셋이 마이크로렌즈 어퍼쳐의 폭에 걸쳐 구축된다; 두께에서의 이러한 변화는 실제 렌즈 프로파일에 의해 중첩된다. 마찬가지로, 상기에서 추가로 설명되는 위상 시프터 엘리먼트와 유사한 방식으로 위상 점프를 생성하는 균일한 추가적인 두께를 갖는 매 두 번째 마이크로렌즈를 형성하는 것이 가능하다.

원칙의 문제로서, 상기에서 추가로 설명되는 레이저 시스템은 또한, 추가적인 수정이 요구되지 않는 상태에서, 초단파 펄스 레이저 빔의 가간섭성 결합을 용이하게 한다. 상대적으로 큰 수의 가간섭성 레이저 빔(예를 들면, 대략 열 개 이상의 레이저 빔)이 하나의 공간 방향을 따라 결합되면, 파장 종속적인 보정을 행하는 것이 유리하다.

추가적인 실시형태에서, 레이저 시스템은, 가간섭성 레이저 빔을, 마이크로렌즈 배열을 공간적으로 별개의 양식으로 통과하는 광선의 복수의 번들로 스펙트럼적으로 분할하기 위한, 마이크로렌즈 배열의 전면에 배열되는 제1 파장 분산 엘리먼트, 특히 제1 회절 격자, 및 하나의 파장을 갖는 결합된 레이저 빔을 형성하기 위해 광선의 번들을 스펙트럼적으로 결합하기 위한, 마이크로렌즈 배열 이후에 배열되는 제2 파장 분산 광학 엘리먼트, 특히 제2 회절 격자를 포함한다.

이 실시형태에서, 방출시 균일한 파장(λ_L) 또는 균일한 파장 스펙트럼을 갖는 레이저 빔은 제1 파장 분산 광학 엘리먼트에 의해 광선의 복수의 번들로 스펙트럼적으로 나누어지는데, 광선의 상기 번들은 통상적으로 파장 분산 광학 엘리먼트의 상이한 차수의 회절에 (그리고 결과적으로 상이한 파장에) 대응한다. 광선의 각각의 번들은 공간적으로 분리된 양식으로 그리고 서로 실질적으로 평행하게 마이크로렌즈 배열을 통과한다. 입력 커플링 광학 유닛은, 제1 파장 선택 엘리먼트로부터 나오는 광선의 번들을 평행하게 정렬하거나 또는 시준하기 위해, 예를 들면, 시준 렌즈의 형태의 광학 엘리먼트를 포함할 수 있다. 추가적인 광학 유닛, 예를 들면, 포커싱 렌즈를 사용하여, 광선의 번들은 마이크로렌즈 배열을 통과한 이후 제2 파장 분산 광학 엘리먼트 상에 방사되거나 또는 집속되며, 상기 제2 파장 분산 광학 엘리먼트는 광선의 번들의 스펙트럼 조합으로 하여금 일반적인 레이저 빔을 형성하게 한다. 파장(λ_L)을 포함하는 상기에서 추가로 명시되는 수학식 또는 관계식은 광선의 번들의 스펙트럼 분포의 중심 파장에 상응하게 적용되는데, 그 중심 파장은 방출기 표면에서 방출되는 레이저 빔의 파장(λ_L)과 반드시 일치할 필요는 없다.

하나의 개발에서, 입력 커플링 광학 유닛은 비구면 렌즈(aspherical lens)로서 구체화되는 시준 렌즈를 포함한다. 여기서, 비구면 렌즈 표면의 곡률은, 레이저 빔의, 더욱 정확하게는 광선의 각각의 번들의 동위상 파면의 파장 종속적 보정이 존재하는 그러한 방식으로 선택된다. 상기에서 추가로 설명되는 바와 같이, 그러한 파장 종속적 보정은, 일반적으로, 비교적 많은 수의 USP 레이저 빔이 가간섭적으로 중첩되도록 의도되는 경우에만 필요로 된다.

본 발명의 또 다른 양태는, 특히 상기에서 추가로 설명되는 바와 같은 장치에 의해, 적어도 하나의 결합된 레이저 빔을 형성하기 위해 다수(N) 개의, 특히 조정 가능한 수의 가간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 방법에 관한 것으로, 그 방법은 다음의 것을 포함한다: 가간섭성 레이저 빔을, 적어도 두 개의 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 마이크로렌즈 배열에 커플링하는 것 및 마이크로렌즈 배열에서 적어도 하나의 결합된 레이저 빔을 형성하기 위해 가간섭성 레이저 빔을 결합하는 것. 상기에서 추가로 설명되는 바와 같이, 이 목적을 위해, 인접한 가간섭성 레이저 빔이 명시된 각도 차이(δθ)를 가지고 마이크로렌즈 배열에 커플링되는 것이 통상적으로 필요한데, 명시된 각도 차이(δθ)에는 다음의 것: δθ = λ_L/p이 적용되고, 여기서 λ_L은 레이저 파장을 나타내고 p는 각각의 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타낸다. 결과적으로, 각도 차이는 마이크로렌즈 배열에 커플링되는 레이저 빔의 수(N)와는 독립적이다; 즉, 레이저 빔의 수(N)가 변경되는 경우 마이크로렌즈 배열을 변경하는 것을 필요하지 않다.

방법의 하나의 변형예에서, 다음의 조건을 충족하는 마이크로렌즈 배열의 초점 거리(f_E)가 설정된다: f_E = p²/(λ_L N), 여기서 p는 각각의 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타내고 λ_L은 레이저 파장을 나타낸다. 결합된 레이저 빔의 수(N)가 변경되는 경우, 마이크로렌즈 배열의 (유효) 초점 거리를 변경하는 것이 필요하다. 이 목적을 위해, 예를 들면, 상기에서 설명된 조정 메커니즘의 사용이 이루어질 수 있다. 가간섭성 레이저 빔 각각이 동일한 강도를 갖는 경우 이 조건을 관찰하는 것이 필요하다.

추가적인 변형예에서, 방법은: 다음의 것:

에 의해 주어지는 n 번째 가간섭성 레이저 빔(n = 1, ..., N)의 위상(δφ_n)을 설정하는 것을 포함하는데, 여기서 p는 각각의 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타내고, f_E는 마이크로렌즈 배열의 초점 거리를 나타내고 λ_L은 레이저 파장을 나타내며, 다음의 것:

이 적용된다. 상기에서 추가로 설명되는 바와 같이, 레이저 빔의 가간섭성 결합은 레이저 빔 사이의 상대적 위상 차이의 설정을 필요로 한다. 예로서, 이 설정은 상기에서 추가로 설명되는 위상 설정 디바이스의 도움으로 구현될 수 있다.

추가적인 변형예에서, 가간섭성 레이저 빔의 입력 커플링은 포커싱 디바이스를 포함하는 입력 커플링 광학 유닛에 의해 구현되는데, 여기서 방법은: 다음의 것: L2 = f₂ - p²/(N λ_L)에 의해 주어지는 마이크로렌즈 배열과 포커싱 디바이스 사이의 거리를 설정하는 것을 더 포함하고, 여기서 f₂는 포커싱 디바이스의 초점 거리를 나타내고, p는 각각의 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타내고 λ_L은 레이저 파장을 나타낸다. 상기에서 추가로 설명되는 바와 같이, 절대 위상 차이를 설정하는 것 외에도, (전역적(global)) 동위상 파면 곡률의 보정이 통상적으로 또한 필요로 되는데, 상기 동위상 파면 곡률은 가간섭성 레이저 빔의 수(N)에 의존한다. 통상적으로, 이 예에서는, 동위상 파면 곡률을 보정하기 위한 어떠한 추가적인 이미징 광학 유닛도 필요로 되지 않는다.

대안적인 변형예에서, 입력 커플링은 포커싱 디바이스 및 추가적인 이미징 광학 유닛을 포함하는 입력 커플링 광학 유닛에 의해 구현되는데, 여기서 방법은: 다음의 것: f₁ = -f₂ ²/f_E에 의해 주어지는 추가적인 이미징 광학 유닛의 초점 거리(f₁)를 설정하는 것을 더 포함하고, 여기서 f₂는 포커싱 디바이스의 초점 거리를 나타내고 f_E는 마이크로렌즈 배열의 초점 거리를 나타낸다. 예로서, 추가적인 이미징 광학 유닛의 초점 거리는 이미징 광학 유닛의 두 개 이상의 광학 엘리먼트 사이의 거리를 변경하는 것의 덕택으로 설정될 수 있다. 레이저 빔의 (전역적) 위상 곡률은 추가적인 이미징 광학 유닛에 의해 보정될 수 있다.

본 발명의 추가적인 이점은 설명 및 도면으로부터 명백하다. 전술한 피쳐 및 하기에서 추가로 언급되는 피쳐는, 마찬가지로, 각각의 경우에서 단독으로 또는 임의의 소망되는 조합으로 활용될 수 있다. 도시되고 설명되는 실시형태는 망라하는 목록인 것으로 이해되어서는 안되며, 오히려, 본 발명을 설명하는 목적을 위한 예시적인 특성을 갖는다.

도면에서:
도 1은 결합된 레이저 빔을 형성하기 위해 복수의 가간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 장치를 갖는 레이저 시스템의 개략적인 예시를 도시하고,
도 2은 입력 커플링 광학 유닛 및 두 개의 마이크로렌즈 어레이를 갖는 마이크로렌즈 배열을 포함하는 빔 결합 디바이스를 갖는 도 1의 장치의 예시를 도시하고,
도 3a 및 도 3b는, 세 개의 마이크로렌즈 어레이 및 조정 메커니즘을 갖는 마이크로렌즈 배열의 예시 및 마이크로렌즈 배열의 하위 어퍼쳐를 통한 빔 경로의 예시를 도시하고,
도 4는, 동위상 파면 곡률을 보정하기 위한 조정 가능한 초점 길이를 갖는 이미징 광학 유닛을 포함하는 입력 커플링 광학 유닛을 갖는 도 2와 유사한 장치의 예시를 도시하고,
도 5는, 가간섭성 레이저 빔을 방출하기 위한 방출 표면이 동위상 파면 곡률을 보정하기 위해 서로에 대해 각각 비스듬히 배열되는, 도 4와 유사한 예시를 도시하고,
더 6은, 입력 커플링 광학 유닛이 초점 렌즈에 의해 형성되는, 도 4와 유사한 예시를 도시하고,
도 7은, 방출 표면이 원호 상에 배열되는 빔 결합 디바이스의 예시를 도시하고,
도 8a 내지 도 8c는, 방출 표면이 격자 상에서 각각 배열되는 세 개의 빔 결합 디바이스의 예시를 도시하고,
도 9a 내지 도 9c는, 위상 시프팅 디바이스를 각각 포함하는 세 개의 마이크로렌즈 배열의 예시를 도시하고,
도 10은, USP 레이저 빔의 가간섭성 결합 동안 파장 종속적 보정을 위한 비구면 렌즈 및 두 개의 회절 격자를 포함하는 빔 결합 디바이스의 예시를 도시하고,
도 11은, 각각의 명시된 발산 각도를 가지고 마이크로렌즈 배열에 진입하는 가간섭성 레이저 빔을 성형하기 위한 빔 성형 광학 유닛을 포함하는, 도 7과 유사한 빔 결합 디바이스의 예시를 도시하고,
도 12는, 제2 마이크로렌즈 어레이와 제1 마이크로렌즈 어레이 사이에서 횡방향 오프셋을 생성하기 위한 이동 디바이스를 포함하는, 도 6과 유사한 빔 결합 디바이스의 예시를 도시하고,
도 13a 내지 도 13c는, 결합된 레이저 빔을 편향시키기 위한 두 개의 마이크로렌즈 어레이의 횡방향 오프셋을 갖지 않는 그리고 그 횡방향 오프셋을 갖는 도 12의 빔 결합 디바이스의 파 필드의 예시를 도시하고, 그리고
도 14a 내지 도 14c는, 두 개의 결합된 레이저 빔을 형성하기 위한 두 개의 마이크로렌즈 어레이의 횡방향 오프셋을 갖지 않는 그리고 그 횡방향 오프셋을 갖는 도 12의 빔 결합 디바이스의 파 필드의 예시를 도시한다.

도면의 다음의 설명에서, 동일한 컴포넌트에 대해 또는 동일한 기능을 갖는 컴포넌트에 대해 동일한 참조 부호가 사용된다.

도 1은 다수(N) 개의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 생성하기 위한 레이저 소스(2)를 포함하는 레이저 시스템(1)의 예시적인 구조체를 도시한다. 이 목적을 위해, 레이저 소스(2)는, 예를 들면 마이크로렌즈 어레이의 형태의 종래의 1 대 N 커플링 디바이스(5)에서 다수(N) 개의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)으로 분할되는 씨드 레이저 방사선을 레이저 파장(λ_L)에서 생성하는 모드 커플링 광섬유 마스터 발진기(mode-coupled fiber master oscillator; 4)를 포함한다. 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)은, 적절한 위상 지연을 일으키는 것의 덕분으로 레이저 빔(3.1, ..., 3.5)(n = 1, ..., N)의 각각의 개개의 위상(δφ_n)의 설정을 용이하게 하는 대응하는 수(N)의 위상 설정 디바이스(6.1, ..., 6.N)를 통해 이어진다. 예로서, 위상 설정 디바이스(6.1, ..., 6.N)는 전기 광학 변조기, 음향 광학 변조기, 등등으로서 구체화될 수 있다.

위상 설정 디바이스(6.1, ..., 6.N) 이후, 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)은, 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 증폭시키기 위해, 대응하는 수(N)의 증폭기 광섬유(amplifier fiber)(7.1, ..., 7.N)를 통해 이어진다. 증폭기 광섬유(7.1, ..., 7.N)의 단부 면은 방출 표면(8.1, ..., 8.N)으로서 기능하는데, 여기에서, 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)이 방출된다. 위상 설정 디바이스(6.1, ..., 6.N)는 또한, 예를 들면, 증폭기 광섬유(7.1, ..., 7.N)에 대한 조정 가능한 기계적 장력을 생성하는 것의 덕분에, 증폭기 광섬유(7.1, ..., 7.N)에 대해 직접적으로 작용할 수 있거나, 또는 증폭기 광섬유(7.1, ..., 7.N)의 하류에서 배열될 수 있다.

가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)은, 충전율(fill factor)을 증가시키기 위해, 즉 인접한 레이저 빔(3.1, ..., 3.N) 사이의 거리를 감소시키기 위해, 복수의 편향 미러를 포함하는 편향 디바이스(9)에서 편향된다. 편향 디바이스(9)는 필수는 아니다는 것이 이해된다. 도시되는 예에서, 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)은 서로에 대해 평행한 정렬 상태에서 빔 결합 디바이스(10)에 진입하는데, 빔 결합 디바이스(10)는 결합된 레이저 빔(12)의 형성을 위한 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 가간섭성 결합을 위한 이미징 균질화기 또는 마이크로렌즈 배열(11)을 포함한다.

도 1에서 식별될 수 있는 바와 같이, 결합된 레이저 빔(12)의 일부(12a)는, 부분 투과식 미러(13)의 형태의 출력 커플링 디바이스를 통해 출력 커플링되고 검출기(14)에 입사한다. 검출기(14)는, 결합된 레이저 빔(12)의 검출된 부분(12a)의 속성에 기초하여 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 개개의 위상(δφ_n)을 적응시키기 위해 위상 설정 디바이스(6.1, ..., 6.N)를 구동하는 레이저 시스템(1)의 폐루프 제어 디바이스(15a)에 신호 연결된다. 특히, 폐루프 제어 디바이스(15a)는 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 소망되는(의도된) 위상(δφ_n)을 생성하기 위한 위상 설정 디바이스(6.1, ..., 6.N)의 제어를 용이하게 할 수 있다. 다수(N) 개의 위상 설정 디바이스(6.1, ..., 6.N)가 도시되는 예에서 복수(N) 개의 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)에 대응하지만, 다수(N-1) 개의 위상 설정 디바이스(6.1, ..., 6.N-1)가 일반적으로 충분하다. 도 1에서 도시되는 레이저 시스템(1)에서, 우선, 예를 들면, 높은 빔 품질의 M = 1.3 개의 결합된 레이저 빔(12)을 획득하는 것이 가능하고; 둘째, 증폭기 광섬유(7.1, ..., 7.N)에서의 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 개개의 증폭 동안 비선형 효과로 인한 에러는 평균되고, 따라서 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 전력에서 상당한 증가를 획득하는 것이 가능하다.

도 2는 두 개의 마이크로렌즈 어레이(17a,b)를 갖는 마이크로렌즈 배열(11) 및 또한 입력 커플링 광학 유닛(18)을 포함하는 빔 결합 디바이스(10)를 사용하여 (예시적인) 다수(N = 3) 개의 가간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)을 결합하기 위한 도 1과 유사한 장치(16)를 도시한다. 장치(16)는 또한, 입력 커플링 광학 유닛(18)과 결합하여, 마이크로렌즈 배열(11)에서 동위상 파면이 형성되는 그러한 방식으로 세 개의 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)의 위상(δφ₁, δφ₂, δφ₃)을 설정하기 위한 세 개의 위상 설정 디바이스(6.1, 6.2, 6.3)를 포함하는데, 그 동위상 파면은, 빔 품질을 유지하는 동안, 결합된 레이저 빔(12)을 형성하기 위한 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)의 가간섭성 결합을 용이하게 한다. 이 경우, 방출기 표면(8.1, 8.2, 8.3)은 X 방향의 라인을 따라 배열되고 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)은 균일한 전파 방향(Z 방향)을 따라 평행한 정렬을 가지면서 입력 커플링 광학 유닛(18)으로 진입한다.

이 경우, 방출기 표면(8.1, 8.2, 8.3) 또는 가간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)은 X 방향을 따라 등거리에서, 즉 동일한 거리(δx)에서 배열된다. 입력 커플링 광학 유닛(18)은 명시된 각도 차이(δθ)를 갖는 인접한 가간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)을 마이크로렌즈 배열(11)에 커플링하도록 구체화되는데, 명시된 각도 차이(δθ)에 대해 다음의 것: δθ = λ_L/p이 적용되고, 여기서 λ_L은 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)의 (균일한) 파장을 나타내고 p는 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a,b)의 마이크로렌즈(20a,b)의 그리드 간격(피치)을 나타낸다.

각도 차이(δθ)를 생성하기 위해, 입력 커플링 광학 유닛(18)은 포커싱 렌즈(19)의 형태의 포커싱 디바이스, 더욱 정확하게는, 마이크로렌즈 배열(11) 상에, 더욱 정확하게는 마이크로렌즈 배열(11)의 제1 마이크로렌즈 어레이(17a) 상에 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)을 포커싱하는 원통형 렌즈를 포함한다. 각도 차이(δθ)에 부과되는 조건을 충족하기 위해, 도 2에서 도시되는 예에서의 방출기 표면(8.1, 8.2, 8.3)은 서로로부터 δx = λ_L f₂/p에 의해 주어지는 거리(δx)에서 배열되는데, 여기서 f₂는, 도 2에서, 초점 거리(f₂)에 대응하는 마이크로렌즈 배열(11)로부터의 거리(L2)에서 배열되는 포커싱 렌즈(19)의 초점 거리를 나타낸다, 즉, 다음의 것이 적용된다: L2 = f₂.

방출 표면(8.1, 8.2, 8.3)으로부터 나오는 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)의 강도가 동일한 크기를 갖는다는 가정 하에서, 도 2에서 도시되는 가간섭적으로 중첩된 레이저 빔(12)은, 마이크로렌즈 배열(11) 및 결합된 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)이 다음의 수학식 (1)을 충족하는 경우, 마이크로렌즈 배열(11)에 의해 생성될 수 있는데:

여기서 N은 가간섭성 레이저 빔의 수(이 경우: N = 3)를 나타내고 f_E는 마이크로렌즈 배열(11)의 초점 거리를 나타낸다. 편차가 결합된 레이저 빔(12)의 빔 품질에서의 저하로 이어지기 때문에, 수학식 (1)은 가능한 한 정확하게 고수되어야 한다.

도시되는 예에서, 제1 마이크로렌즈 어레이(17a)의 마이크로렌즈(20a)는 제1 초점 거리(f_a)를 가지고 제2 마이크로렌즈 어레이(17b)의 마이크로렌즈(20b)는 제2 초점 길이(f_b)를 가지는데, 여기서 f_a = f_b가 적용된다. 도시되는 예에서, 두 개의 마이크로렌즈 어레이(17a,b)는 서로로부터 거리(d)를 두고 배열되는데, 이것은 마이크로렌즈 배열(11)의 초점 거리(f_a 또는 f_b) 및 결과적으로 나타나는 초점 거리(f_E)에 대응한다.

도시되는 예에서, 방출 표면(8.1, 8.2, 8.3)으로부터 나오는 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)은 싱글 모드 빔이다, 즉 이들 각각은 w_R,0의 반치전폭(full width at half maximum)을 갖는 가우스 프로파일을 갖는다. 대안적으로, 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)은 어쩌면 감소된 정도의 공간적 가간섭성을 갖는 상이한 빔 프로파일, 예를 들면, 도넛 형상의 빔 프로파일 또는 탑햇 빔 프로파일을 가질 수도 있다. 마이크로렌즈 배열(11)의 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)으로부터 더 큰 반치전폭(w_R > w_R,0)을 갖는 대응하는 가우스 프로파일을 갖는 결합된 레이저 빔(12)을 형성하기 위해, 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)이, 다음의 것이 적용되는 개개의 (입사각(θ) 종속적인) 위상(δφ_n)(θ)을 가지고 또는 동위상 파면을 가지고 마이크로렌즈 배열(11) 상으로 방사되는 것이 필요한데:

,

여기서 본 예에서는 다음의 것이 적용된다: m_n = -1, 0, +1.

양호한 근사를 위해, 공간 도메인의 개개의 위상(δφ_n(x)) 또는 동위상 파면에 다음의 것이 적용되는데:

여기서 x = 0은, 중앙 레이저 빔(3.2)이 전파되는 빔 결합 디바이스(10)의 중심 축을 나타내고, f₁은, 위상 곡률을 보정하기 위해 사용되는 그리고 가장 간단한 사례에서(일차원 결합의 사례에서) 원통형 렌즈로서 구체화될 수 있는, 원통형 렌즈의 형태의 추가적인 이미징 광학 유닛(21)의 초점 거리를 나타낸다. 추가적인 이미징 광학 유닛(21)은 포커싱 렌즈(19)의 상류에서 포커싱 렌즈(19)의 초점 거리(f₂)에 대응하는 거리(L1)에서 배열된다.

공간 종속적 위상(δφ_n(x))에 대한 상기의 수학식 (4)의 제1 피가수(summand)는, 그 초점 거리(f₁)가 도 2에서 도시되는 장치(16)에서 다음의 조건: f₁ = -f₂ ²/f_E을 충족하는 경우, (원통형) 렌즈(21)의 형태의 이미징 광학 유닛에 대응한다. 결과적으로, 추가적인 이미징 광학 유닛(21)은, 제1 피가수와 관련하여 상기의 수학식 (4)를 충족하기 위해, 마이크로렌즈 배열(11)에 입사하는 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)의 동위상 파면(φ_n(x))의 곡률을 적응시키도록 기능한다.

상기의 수학식의 제2 피가수에 대응하는 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)의 (개개의) 위상(δφ_n)을 설정하기 위해, 위상 설정 디바이스(8.1, 8.2, 8.3)는, 이들이 n 번째 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)에 대해 다음의 위상(δφ_n)을 생성하는 그러한 방식으로 폐루프 제어 디바이스(15a)의 도움으로 구동된다:

.

본 예에서, 즉, 다수(N = 3) 개의 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)의 경우, 설정될 3 개의 (상대적) 위상(δφ₁, δφ₂, δφ₃)에 대해 다음의 것이 발생한다:

가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 수(N)는 레이저 소스(2) 또는 레이저 시스템(1)이 전체적으로 수정되는 것의 덕분에, 예를 들면, 방출기 표면(8.1, ..., 8.N), 위상 설정 디바이스(6.1, ..., 6.N), 등등이 추가되거나 또는 제거되는 것의 덕분에 변경될 수 있다. 결합을 위해 사용되는 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 수(N)는, 소정의 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 강도를 변경하기 위해, 예를 들면, 소정의 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 선택적으로 활성화 또는 비활성화하기 위해, 폐루프 제어 디바이스(15a)가 레이저 소스(2)를 구동하는 것의 덕분에 또한 변경될 수 있다.

가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 수(N)가 변경되면, 상기에서 추가로 설명되는 조건, 특히 수학식 (1)을 충족하기 위해 빔 결합 디바이스(11)를 적절하게 적응시키는 것이 필요하다. 이 목적을 위해, 마이크로렌즈 배열(11)은 자신의 (유효) 초점 거리(f_E)를 설정하도록 구체화될 수 있고, 그것은, 도 3a의 마이크로렌즈 배열(11)에 대한 예시적인 양식으로 예시되는 바와 같이, 초점 거리(f_a, f_b, f_c)를 갖는 적어도 세 개의 마이크로렌즈 어레이(17a-c)를 포함한다.

유효 초점 거리(f_E)는, 각각의 경우, (하위 어퍼쳐에 대응하는) 마이크로렌즈 어레이(17a-c)마다 하나의 마이크로렌즈(20a-c)를 통과하는 광선의 번들에 관한 것이다; 도 3b 참조. 빔 결합 디바이스(10)에서 사용되는 마이크로렌즈 배열(11)은, 입력 벡터(r, θ) 및 출력 벡터(r', θ')에 대해, 매트릭스 광학기기에서 기록될 때, 즉, 이미징 매트릭스

의 경우에, 마이크로렌즈 어레이(17a-c)마다 각각 하나의 마이크로렌즈(20a-c)에 대한 광선의 번들과 관련하여 하기에서 기술되는 속성을 통상적으로 갖는다: A = 0; |B| = f_E. 더구나, (실질적으로 시준된 빔에 대해) D < 1도 또한 일반적으로 적용되고; 그 다음, A, B 및 D에 기초하여 C가 발생한다. 변수(f_E)에 대한 제2 조건(|B| = f_E)를 충족하기 위해서는 적어도 세 개의 마이크로렌즈 어레이(17a-c)의 사용이 필요하다.

(예를 들면, 랙(rack)에서 결합되는 구동 기어 휠을 갖는) 모터 구동식 조정 메커니즘(22)은, 전자(프로그래머블) 제어 디바이스(15)의 도움으로, 마이크로렌즈 배열(11)의 제1 및 제3 마이크로렌즈 어레이(17a, 17c)를 운반하는 캐리지(23, 24)의 위치의 모터 구동식 조정을 허용하고, 그러므로, 제1과 제2 마이크로렌즈 어레이(17a, 17b) 사이의 거리(d1) 및 제2와 제3 마이크로렌즈 어레이(17b, 17c) 사이의 거리(d2)를 서로 독립적으로 설정한다. 도시되는 예에서, 제2 마이크로렌즈 어레이(17b)는 고정된 실시형태를 갖는다.

수학식 (1)에 대응하는 소망되는 유효 초점 거리(f_E)에 대해, 하기에서 기술되는 바와 같이 주어진 초점 거리(f_a, f_b, f_c)에서 설정될 거리(d₁, d₂)를 결정하는 것 및 캐리지(23, 24)를 가이드를 따라 대응하는 조정 위치로 이동시키는 것이 가능하다:

및

마이크로렌즈 배열(11)의 유효 초점 거리(f_E)가 변경되는 경우, 통상적으로, 입력 커플링 광학 유닛(18)을 그에 따라 적응시키는 것이 또한 필요하다. 도 2에서 도시되는 장치(16)에서, 이것은 조건(f₁ = -f₂ ²/f_E)을 충족하기 위해 추가적인 이미징 광학 유닛(21)의 초점 거리(f₁)을 조정 가능하게 만드는 것의 덕분에 달성될 수 있다. 이 목적을 위해, 추가적인 이미징 광학 유닛(21)은 두 개의 (얇은) 렌즈(21a, 21b)에 의해 형성될 수 있는데, 그 간격(d3)은, 도 4에서 예시되는 바와 같이, 조정 가능하다. 렌즈(21a, 21b) 사이의 거리(d3)를 선택하는 것에 의해, 예를 들면, 다수(N) 개의 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)이, 도 4에서 나타내어지는 바와 같이, N = 3에서부터 N = 5로 증가되는 경우, 전술한 조건이 충족될 수 있도록, 추가적인 이미징 광학 유닛(21)의 (유효) 초점 거리(f₁)에서 변경이 존재하는데, 이 경우 두 개의 추가적인 외부 레이저 빔(3.4, 3.5) 및 방출기 표면(8.4, 8.5)이 추가되었다.

도 5는, 입력 커플링 광학 유닛(18)이 동위상 파면(δφ_n(x))을 보정하기 위한 추가적인 이미징 광학 유닛(21)을 포함하지 않는 장치(16)를 도시한다. 동위상 파면(δφ_n(x))을 적응시키기 위해, 방출기 표면(8.1, 8.2, 8.3) 각각은 서로에 대해 어떤 각도(δγ)로 정렬되는데, 상기 각도는 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)이 도 2에서 또는 도 4에서 도시되는 이미징 광학 유닛(21)으로부터 나오는 각도에 대응한다. 동위상 파면(δφ_n(x))을 적응시키는 것, 더욱 정확하게는 상기의 수학식 (4)에서 제1 피가수를 적응시키는 것은, 이 경우에서는 추가적인 이미징 광학 유닛의 제공 없이 달성될 수 있다, 즉, 입력 커플링 광학 유닛(18)는 포커싱 렌즈(19)만을 포함한다.

방출기 표면(8.1, 8.2, 8.3)이, 도 6에서 예시되는 바와 같이, X 방향의 라인을 따라 배열되고 평행하게 정렬되는 경우 동위상 파면 곡률을 적응시키기 위한 이미징 광학 유닛(21)을 필요없게 하는 것도 또한 가능하다. 이 경우, 포커싱 렌즈(19)와 마이크로렌즈 배열(11), 더욱 정확하게는 마이크로렌즈 배열(11)의 제1 마이크로렌즈 어레이(17a) 사이의 거리(L2)는, 정확하게는 다음 같이, 적절하게 선택된다: L2 = f₂ - p²/(N λ_L). 도 6의 장치(16)에서, 거리(L2)는 결과적으로 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 수(N)에 또한 의존하며, 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 수(N)는 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 수(N)가 변경될 때 마찬가지로 적응되어야 한다. 이 목적을 위해, 제어 디바이스(15)는, 포커싱 렌즈(19) 및 마이크로렌즈 배열(11)을 서로에 대해 변위시키기 위해, 여기서는 임의의 경우에 존재하는, 마이크로렌즈 배열(11)의 조정 메커니즘(22)에 대해 및/또는 포커싱 렌즈(19)에 대해 작용할 수 있다.

도 7에서 도시되는 장치(16)의 경우, 빔 결합 디바이스(10)는 마이크로렌즈 배열(11)만을 포함하고 입력 커플링 광학 유닛을 포함하지 않는다. 이 예에서, 방출기 표면(8.1, 8.2, 8.3)은 각각의 차이 각도: δθ = λ_L/p에서 원호(29) 상에서 서로에 대해 정렬된다. 이 경우, 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)의 충전율(fill factor; FF)에 대해 다음의 것이 적용되는데:

,

여기서 w는 결합된 레이저 빔(12)의 빔 직경을 나타낸다. 거리(D)에 대해 다음의 것이 적용된다:

.

예를 들면, 도 7에서 도시되는 장치(16)를 사용할 때 대략 500 ㎛의 그리드 거리(p)의 경우에, 대략 35 %의 충전율 FF를 달성하기 위해서는 대략 2.5 m의 상대적으로 큰 거리(D)가 필요로 된다.

도 2 내지 도 7과 연계하여 설명되는 장치(16)에서, 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)은 일차원에서 결합되었다. 도 8a 내지 도 8c 각각은, 다수(N(이 경우: N = 3) × M(이 경우: M = 3)) 개의 방출 표면(8.1.1, ..., 8.N.M)이 이차원 격자에서 배열되는 장치(16)를 도시한다. 도 8a에서 도시되는 예에서, 방출 표면(8.1.1, ... 8.N.M)은 공통 평면(XY 평면)에서 직사각형 격자로 배열되고 모든 레이저 빔(3.1.1, ..., 3.N.M)의 빔 전파 방향은 (Z 방향에서) 평행하게 연장된다. 도 6과 유사한 방식으로, 도 8a의 장치(16)의 입력 커플링 광학 유닛(18)은 도 8a에서 정사각형으로 예시되는 포커싱 렌즈(19)의 형태의 포커싱 디바이스만을 구비한다. 마이크로렌즈 배열(11)의 마이크로렌즈 어레이(17a,b)의 마이크로렌즈(20a,b) 각각은 대응하는 직사각형 격자에서 배열되고 XY 평면에 평행하게 정렬된다.

방출기 표면(8.1.1, ... 8.N.M) 사이의 거리에 의존하여 또는 X 방향 또는 Y 방향에서의 격자의 주기성에 의존하여, 마이크로렌즈(20a,b)의 그리드 간격(p_X, p_Y)은 또한 두 개의 상호 수직인 방향(X, Y)에서 서로 상이할 수 있다. 따라서, 마이크로렌즈(20a,b)는 X 방향 및 Y 방향에서, 옵션 사항으로, 상이한 곡률을 갖는다, 즉 이들은 원통형 렌즈가 아니다. 원칙의 문제로서, 도시되는 예에서 서로 수직인 두 개의 선형적으로 독립적인 방향(X, Y)에서의 가간섭성 레이저 빔(3.1.1, ... 3.N.M)의 결합은 독립적이다; 즉, 상기에서 추가로 명시되는 조건 또는 수학식이 방향(X, Y) 둘 모두에 서로 독립적으로 적용된다.

두 개의 상호 수직인 방향에서의 기여도는, 레이저 빔(3.1.1, ..., 3.N.M)의 상대적 위상을 설정하는 경우에만 합산된다; 즉, 직사각형 격자에서(X 방향 및 Y 방향에서) 배열되는 다수(N × M) 개의 레이저 빔의 경우, 각각의 위상(δφ_n,_m)에 대해 다음의 것이 적용되는데:

여기서 p_X는 X 방향에서의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타내고 p_Y는 Y 방향에서의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타내며 여기서 f_E,_X는 X 방향에서의 마이크로렌즈 배열(11)의 유효 초점 거리를 나타내고 f_E,_Y는 Y 방향에서의 마이크로렌즈 배열(11)의 유효 초점 거리를 나타내며, 다음의 것이 적용된다:

(n = 1, ..., N) 및

(m = 1, ..., N).

도 8b에서 도시되는 장치(16)에서, 방출기 표면(8.1.1, ..., 8.N.M)은 마찬가지로 격자 상에 배열되지만, 그러나, 격자는 굴곡된 표면을 따라, 더욱 정확하게는 구형 쉘을 따라 연장되며, 레이저 빔(3.1.1, ..., 3.N.M)의 빔 전파 방향은 구형 쉘에 수직으로 정렬되고 마이크로렌즈 배열(11)은 구형 쉘의 중심 부근에서 배열된다. 상이한 굴곡된 표면을 따라, 예를 들면, 타원체를 따라 연장되는 격자 상에서의 방출기 표면(8.1.1, ..., 8.N.M)의 배열도 마찬가지로 가능하다. 도 7에서 예시되는 장치(16)와 유사한 방식으로, 이 경우 입력 커플링 광학 유닛(18)을 필요없게 하는 것이 가능하다.

도 8c는, 마이크로렌즈 배열(11)의 두 개의 이차원 마이크로렌즈 어레이(17a,b)가 네 개의 일차원 마이크로렌즈 어레이(17a-d)에 의해 대체된 도 8a와 유사한 장치(16)를 도시한다. 마이크로렌즈 어레이(17a-d) 각각은 원통형 렌즈의 형태의 복수의 마이크로렌즈(20a-d)를 포함하는데, 여기서 제1 및 제3 마이크로렌즈 어레이(17a, c)의 마이크로렌즈(20a, c) 및 제2 및 제4 마이크로렌즈 어레이(17b, d)의 마이크로렌즈(20b, d)는, 각각, 정확하게는 X 방향 및 Y 방향을 따라, 서로 수직으로 정렬된다.

상기에서 추가로 설명되는 예에서, 홀수 개수(N)의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.3)이 중첩되었다. 짝수 개수(N)의 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 중첩하는 것이 의도라면, 도 9a 내지 도 9c에 기초하여 하기에서 설명되는 바와 같이, 위상 시프팅 디바이스(25)의 사용이 이루어질 수 있다. 여기서, 위상 시프팅 디바이스(25)는 마이크로렌즈 배열(11)의 각각의 제1 또는 제2 마이크로렌즈 어레이(17a,b)에서 통합되고, 각각의 경우에서, 제2 마이크로렌즈 어레이(17b)의 인접한 마이크로렌즈(20b)(도 9a 참조) 또는 제1 마이크로렌즈 어레이(17a)의 인접한 마이크로렌즈(20a)(도 9b, 도 9c 참조)를 통해 이어지는 광선의 번들(26) 사이의 전이(27)에서 π의 위상 오프셋을 생성한다. 결과적으로, 짝수 개수(N)의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)이 결합되어 결합된 레이저 빔(12)을 형성할 수 있도록, 0차 회절은 상쇄 간섭에 의해 제거될 수 있다.

도 9a에서 도시되는 마이크로렌즈 배열(11)에서, 두께(28)에서의 점프는 제2 마이크로렌즈 배열(17b)의 인접한 마이크로렌즈(20b) 사이의 전이에서 제공된다. 이 경우, X 방향을 따르는 각각의 마이크로렌즈(20b)의 추가적인 두께는 추가적인 두께의 초기 값(z0)으로부터, (z0 + 각각의 마이크로렌즈(20b)의 격자 간격(p) 또는 폭에 걸친 π의 위상 차이에 대응하는 두께)에 대응하는 추가적인 두께까지 선형적으로 증가한다. 초기 값(z0)은 X 방향에 대한 위상 점프의 위치를, 대략적으로, 제3 마이크로렌즈 어레이(17c) 뒤의 초점 평면으로 가져오도록 기능한다. 제2 마이크로렌즈 어레이(17b)의 모든 마이크로렌즈(20b)에서 톱니 프로파일이 제공된다.

도 9b의 마이크로렌즈 배열(11)에서, 위상 시프팅 디바이스(25)는 제1 마이크로렌즈 어레이(17a)에서 통합되고, 마찬가지로, 인접한 마이크로렌즈(20a)의 전이(27)에서 두께(28)에서의 점프가 있다. X 방향을 따르는 각각의 마이크로렌즈(20a)의 추가적인 두께는, 0(제로)의 추가적인 두께에서부터, 마이크로렌즈(20a)의 폭에 걸쳐 π의 위상 차이에 대응하는 추가적인 두께까지 선형적으로 증가한다. 이 톱니 프로파일은 제1 마이크로렌즈 어레이(17a)의 모든 마이크로렌즈(20a)에서 제공된다.

도 9c에서 도시되는 변형예에서, 제1 마이크로렌즈 어레이(17a)는 마찬가지로 통합된 위상 시프팅 디바이스(25)를 제공받는다. 여기서, 인접한 마이크로렌즈(20a) 사이의 전이(27)에서 π의 위상 오프셋을 생성하는 점프가 두께(28)에서 존재한다. 통합된 위상 시프팅 디바이스(25)에 의해 제공되는 추가적인 두께는 각각의 마이크로렌즈(20a)의 전체 폭에 걸쳐 균일하게 유지되고, 이 추가적인 두께는 제1 마이크로렌즈 어레이(17a)의 대안적 마이크로렌즈(20a')에서는 없다.

각각의 마이크로렌즈 어레이(17a,b)에서 통합되는, 도 9a 내지 도 9c에서 도시되는 위상 시프팅 디바이스(25)의 대안으로서, 위상 시프팅 디바이스(25)는, 예를 들면, 위상 시프터 플레이트의 형태의 별개의 컴포넌트로서 구체화될 수 있다. 그러한 위상 시프터 플레이트(예시되지 않음)는, 마이크로렌즈(20a-c) 또는 광선의 관련된 번들(26)과 같은 높이에 있는 교대하는 제1 및 제2 통과 엘리먼트를 포함한다. 결과적으로, 통과 엘리먼트는 어퍼쳐 또는 그리드 간격(p)에 대응하는 폭을 X 방향에서 갖는다. 제1 통과 엘리먼트는, 이 경우에, X 방향에서 그들의 전체 폭의 0(제로)의 위상 오프셋을 생성하고, 제2 통과 엘리먼트는, 이 경우에, X 방향에서 그들의 전체 폭에 걸쳐 π의 위상 오프셋을 생성한다.

이 경우, 위상 시프팅 디바이스(25)는, 홀수 또는 짝수 개수(N)의 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)이 가간섭성 양식으로 결합되어야 하는지의 여부에 따라, 필요로 되는 경우, 빔 경로에서 꺼내어지거나(예를 들면, X 방향으로 당겨짐) 또는 빔 경로에 다시 도입될 수 있다. 이 목적을 위해, 전자 제어 유닛(15)의 도움으로 구동되는 모터 구동식 조정 메커니즘의 제공이 또한 이루어질 수 있다. 일반적으로, 위상 시프팅 디바이스(25)는 바람직하게는 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a-c)의(또는 각각의 하위 어퍼쳐의) 초점 평면에 대략적으로 배치되거나, 그렇지 않으면 방출 표면(8.1, ..., 8.N)로부터 나오는 빔 경로의 제1 마이크로렌즈 어레이(17c) 바로 뒤에 배치된다.

도 10은 초단파 펄스 레이저 빔(3.1, .., 3.N)의 중첩 동안 파장 종속적 보정을 위해 구체화되는 장치(16)를 도시한다. 장치(16)는 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 방출하기 위한 다수의 방출 표면(8.1, ..., 8.N)을 포함하는데, 간략화 목적을 위해 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N) 중 세 개의 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)만이 도 10에서 예시되고, 상기 레이저 빔은 제1 회절 격자(30)의 형태로 제1 파장 분산 엘리먼트 상에 입사된다. 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)은 제1 회절 격자(30)에서 스펙트럼적으로 분할되고, 도시되는 예에서, 각각의 경우에 상이한 파장(λ₁, λ₂, λ₃)을 갖는 광선의 세개의 번들(26a-c)을 형성한다. 광선의 세 개의 번들(26a-c)은 시준 렌즈(31)를 통과하고, 후속하여, 평행하게 정렬된 상태에서, 마이크로렌즈 배열(11)을 통과한다. 여기서, 광선의 세 개의 번들(26a-c)은, 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a,b)의 각각 상이한 마이크로렌즈(20a, 20b)를 통해, 그리고 결과적으로, 마이크로렌즈 배열(11) 중 두 개의 마이크로렌즈 어레이(17a,b)를 통과할 때 분리된 양식으로 통과한다. 빔 경로에서 마이크로렌즈 배열(11)의 하류에 배치되는 포커싱 렌즈(32)는, 광선의 번들(26a-c)을 스펙트럼적으로 결합하는 그리고 결합된 레이저 빔(12)을 생성하는 제2 회절 격자(33)의 형태의 제2 파장 분산 광학 엘리먼트 상에 광선의 번들(26a-c) 집속하는데, 결합된 레이저 빔(12)의 파장 스펙트럼은 중첩 이전의 가간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)의 파장 스펙트럼에 대응한다.

도시되는 예에서, 입력 커플링 광학 유닛(18)은, 비구면 렌즈로서 구현되는 그리고 X 방향에서, 즉 광선의 번들(26a-c)의 전파 방향을 횡단하는 방향에서 국소적으로 변하는 곡률을 갖는 시준 렌즈(31)에 의해 형성된다. 여기서, 비구면 시준 렌즈(31)의 곡률은, USP 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)을 결합할 때 동위상 파면의 파장 종속적 보정이 있을 수 있는 그러한 방식으로 공간 종속적 양식으로 선택된다. 그러나, 일반적으로, 그러한 파장 종속적 보정은, 상대적으로 큰 수의 USP 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)(예를 들면, N > 10)이 가간섭적으로 중첩되도록 의도되는 경우에 대해서만 필요로 된다.

도 11은, 방출 표면(8.1, 8.2, 8.3)이 원호(29) 상에서 배열되는 도 7과 유사한 장치(16)를 도시한다. 도 7과 연계하여 상기에서 추가로 설명되는 바와 같이, 방출 표면(8.1, 8.2, 8.3)은 서로에 대해 각각의 차이 각도(δθ = λ_L/p)에서 정렬된다. 입력 커플링 광학 유닛(18)은, 방출기 표면(8.1, 8.2, 8.3)의 출력 커플링 유닛에서 배열되는 세 개의 렌즈(18a-c) 형태의 세 개의 빔 성형 광학 유닛을 포함한다. 렌즈(18a-c)는 명시된 발산 각도(α_D)를 생성하도록 기능하는데, 가간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)은 그 발산 각도(α_D)를 가지고 마이크로렌즈 배열(11)에 진입한다. 렌즈(18a-c) 각각이 동일한 초점 거리(f)를 갖는 경우, 원호(29)와 마이크로렌즈 배열(11) 사이의 거리(D)에 대해 조건(D = f - f_E)이 적용되는데, 여기서 f_E는 마이크로렌즈 배열(11)의 유효 초점 거리를 나타낸다. 렌즈(18a-c)의 도움을 통한 또는 상이한 빔 성형 광학 유닛의 도움을 통한, 예를 들면, 연속적으로 배열되는 두 개 이상의 렌즈의 도움을 통한 빔 확장에 의해, (더 긴) 초점 거리(f₂)(L2 = f₂ - f_E = f₂ - p²/(λ_L N))를 갖는 포커싱 디바이스(19)(도 6 참조) 또는 푸리에 렌즈의 사용이 이루어지는 경우와 관련하여 거리(D)를 감소시키는 것이 가능하고 장치(16)의 구조는 전체적으로 더 소형의 양식으로 실현될 수 있어서, 에러에 대한 민감성을 감소시킬 수 있다.

가간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)의 발산 각도(α_D)의 목표로 하는 명세에 의해, 더 짧은 설치 거리를 실현되는 방식으로 간섭 조건을 수정하는 것뿐만 아니라, 대신, 이 목적을 위해 필요로 되는, 도 9a 내지 도 9c와 연계하여 상기에서 설명되는 위상 시프팅 디바이스(25) 없이 짝수 개수의 또는 임의의 수의 가간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3, ...)을 결합하는 것도 또한 가능하다.

짝수 개수(N)의 가간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3, ...)을 결합하기 위해서는, 빔 성형 광학 유닛(18a-c), 더욱 정확하게는, 렌즈(18a-c)가 다음의 조건을 충족하는 초점 거리(f)를 갖는 것이 필요한데:

,

정확하게는, 가간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3, ...)의 (짝수) 개수(N)의 사이즈와는 독립적이다. 초점 거리(f)에 대해 부과되는 상기 언급된 조건은 또한 도 11에서 도시되는 구조체에서 미달되어서는 안되는 하한을 나타낸다, 즉, 일반적으로(즉, 개수(N)에 무관하게) 초점 거리(f)에 대해 다음의 것이 적용되어야 한다: f = p²/λ_L.

결합될 레이저 빔(3.1, 3.2, ...)의 수가 변경되도록 의도되면, 빔 성형 광학 유닛의 형태의 입력 커플링 광학 유닛(18)은 가변 발산 각도(α_D)를 설정하도록 구체화될 수 있고, 예를 들면, 이 목적을 위해 조정 가능한 초점 거리(f)를 가질 수 있다.

결합된 레이저 빔(12)을 형성하기 위한 짝수 개수의 가간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, ...)의 조합은 도 11에서 도시되는 장치(16)의 경우에서 뿐만 아니라, 실질적으로 도 6에서 도시되는 장치(16)에 대응하는 도 12에서 도시되는 장치(16)에서도 또한 가능하다. 도 12에서 도시되는 장치(16)는, X 방향으로, 즉, 결합된 레이저 빔(12)의 전파 방향 Z을 횡단하여 또는 횡방향으로 제2 마이크로렌즈 어레이(17b)를 변위시키기 위해 이동 디바이스(35)를 포함하는데, 그 결과, 도 12에서 식별될 수 있는 바와 같이, 제1 마이크로렌즈 어레이(17a)의 마이크로렌즈와 제2 마이크로렌즈 어레이(17b)의 마이크로렌즈 사이에서 조정 가능한 횡방향 오프셋(Δ)이 생성된다.

이 목적을 위해, 이동 디바이스(35)는, 예를 들면, 제어 디바이스(15)에 의해 구동 가능한 피에조 엘리먼트, 보이스 코일, 캠 축을 포함하는 기계식 드라이브, 등등을 포함할 수 있다. 제어 디바이스(15)는 제어 컴퓨터의 형태로 또는 다른 적절한 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 형태로 구현될 수 있으며, 그것은 이동 디바이스(25)를 구동하여 제2 마이크로렌즈 어레이(17b)를 횡방향으로 변위시킨다.

파 필드의 각도 분포가 결합된 레이저 빔(12)의 전파 방향 Z에 수직인 평면(X, Y)에서 각각 디스플레이되는 도 13a 내지 도 13c 및 도 14a 내지 도 14c와 연계하여 하기에서 설명되는 바와 같이, 도 12에서 도시되는 장치(16)는 또한, 그 위치의 관점에서 결합된 레이저 빔(12)을 변위시키기 위해 또는 그 각도를 변경하기 위해 또는 결합 동안 두 개, 또는 어쩌면 두 개보다 더 많은 결합된 레이저 빔(12a, 12b)을 생성하기 위해 사용될 수 있다.

도 13a는 두 개의 마이크로렌즈 어레이(17a,b) 사이에서 횡방향 오프셋(Δ)이 생성되지 않는 경우, 즉, 다음의 것: Δ = 0 mm이 적용되는 경우를 도시한다. 이 경우, 결합된 레이저 빔(12)은 0차 회절로 회절되고, 따라서, 결합된 레이저 빔(12)은 편향되지 않고 Z 방향에서 광학 축을 따라 전파된다. 도 13b는, 이동 디바이스(35)의 도움으로 양의 횡방향 오프셋(Δ)(양의 X 방향에서의 변위; 도 12 참조)이 설정되는 사례를 도시하는데, 세 개의 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)의 현재 설명된 경우에 대해 다음의 것이 적용된다: Δ = p/N × B = p/3(이 경우: N = 3, B = +1). 결합된 레이저 빔(12)은 +1차 회절로 편향되고, 결과적으로, Z 방향에서 광학 축을 따라 전파되지 않는다; 대신, 양의 X 방향에서 대략 +2 mrad의 각도(θ_X)로 편향된다. 도 13c는, 결합된 레이저 빔(12)이 음의 X 방향에서 대략 -2 mrad의 각도(θ_X)로 편향되도록 결합된 레이저 빔(12)을 -1차 회절로 편향시키기 위해 음의 부호를 갖는 횡방향 오프셋(Δ)(Δ = -p/N × B = -p/3(이 경우: N = 3, B = -1))이 생성되는 경우의 유사한 사례를 도시한다.

도 14a는, 두 개의 마이크로렌즈 어레이(17a,b) 사이에 횡방향 오프셋(Δ)가 생성되지 않는, 즉, 다음의 것: Δ = 0 mm,이 적용되는 도 13a와 유사한 경우를 도시하며, 따라서 결합된 레이저 빔(12)은 편향되지 않고 Z 방향에서 광학 축을 따라 전파된다. 도 14b는, 이동 디바이스(35)의 도움으로 양의 횡방향 오프셋(Δ)(양의 X 방향에서의 변위; 도 12 참조)이 설정되는 경우를 도시하는데, 세 개의 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)의 현재 설명된 사례에 대해 다음의 것이 적용된다: Δ = +p/(2N) = p/6(이 경우: N = 3). 결합된 레이저 빔(12)은 횡방향 오프셋(Δ)의 그러한 선택의 경우에 분할된다; 더욱 정확하게는, 동일한 출력을 갖는 두 개의 결합된 레이저 빔(12a, 12b)이 생성되는데, 그 중 제1 레이저 빔(12a)은, 도 14a에서와 같이, Z 방향으로 전파되고, 한편, 제2 레이저 빔(12b)은 -1차 회절로 회절된다. 따라서, 도 14c에서 도시되는 예에서 음의 횡방향 오프셋(Δ)(음의 X 방향에서의 변위)이 설정되는데, 현재의 경우에서 설명되는 바와 같이 세 개의 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)의 경우에서의 음의 횡방향 오프셋(Δ)에 대해 다음의 것이 적용된다: Δ = -p/(2N) = -p/6(이 경우: N = 3). 이 경우에도, 또한, 동일한 출력을 갖는 두 개의 결합된 레이저 빔(12a, 12b)이 생성되는데, 그 중 제1 레이저 빔(12a)은, 도 14a에서와 같이, Z 방향으로 전파되고, 한편, 제2 레이저 빔(12b)은 +1차 회절로 회절된다.

횡방향 오프셋(Δ)의 절대 값의 적절한 선택의 경우, 도 13b, 도 13c에서 도시되는 편향은 또한, 도 14b, 도 14c에서 도시되는 바와 같이, 두 개의, 또는 어쩌면 두 개보다 더 많은 결합된 레이저 빔(12a, 12b, ...)의 구성 또는 그것으로의 분할과 결합될 수 있다. 이 경우에도 또한, 가간섭성 레이저 빔(8.1, 8.2, 8.3)의 레이저 출력 및 빔 품질은 충분히 유지될 수 있다; 즉, 심지어 2차 회절로의 회절의 경우에도 손실은 대략 10 %에 불과하다. 심지어 세 개보다 더 많은 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)이 상기에서 추가로 설명되는 방식으로 편향 또는 분할될 수 있는데, 그 레이저 빔은 하나의 레이저 소스(2)로부터 또는 어쩌면 복수의 가간섭성 레이저 소스(2)로부터 유래한다는 것이 이해된다.

도 12에서 도시되는 장치(16)의 도움으로, 결합된 레이저 빔(12)을 형성하기 위해 짝수 개수(N)의 가간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, ...)을 결합하는 것이, 이 목적을 위해 사용되어야 하는 상기에서 설명되는 위상 시프팅 디바이스(25) 없이, 또한 가능하다. 이 목적을 위해, 다음의 것이 적용되는 횡방향 오프셋(Δ)이 설정되는데:

,

여기서 N + 1은, 장치(16)에 의해 결합된 레이저 빔(12)을 형성하도록 결합될 수 있는 가간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, ...)의 (홀수) 개수를 나타낸다. 이 경우, 제1 마이크로렌즈 어레이(17a)와 제2 마이크로렌즈 어레이(17b) 사이의, 도 12에서 도시되는 거리(d)에 대해, 다음의 것이 적용된다:

.

제1과 제2 마이크로렌즈 어레이(17a, 17b) 사이의 거리(d)는 일정할 수 있다. 대안적으로, 거리(d)는 조정 가능할 수 있다. 이 목적을 위해, 제2 마이크로렌즈 어레이(17b)는, 예를 들면, 캐리지에 의해 운반될 수 있는데, Z 방향에서의 캐리지의 위치는, 도 3a, 도 3b와 연계하여 상기에서 추가로 예시되는 바와 같이, 프로그래머블 제어 디바이스(15)의 도움으로 모터 구동식 조정 메커니즘에 의해 설정된다.

복수의 레이저 빔(3.1.1 내지 3.N.M)이 이차원 양식으로 결합되면, 도 8a 내지 도 8c와 연계하여 상기에서 추가로 설명되는 바와 같이, 이동 디바이스(35)는 X 방향에서 횡방향 오프셋(Δ_X)을, 그리고, 그와는 독립적으로, 교차된 일차원 마이크로렌즈 어레이(17a-d)의 두 쌍을 포함하는, 도 8c에서 도시되는 마이크로렌즈 배열(11)의 Y 방향에서의 횡방향 오프셋(Δ_Y)을 설정하도록 구체화될 수 있다. 이 목적을 위해, 이동 디바이스(35)는, 예를 들면, X 방향에서 횡방향으로 제1 마이크로렌즈 어레이(17a)를 오프셋하기 위해 제1 마이크로렌즈 어레이(17a)에 대해 작용할 수 있고, 상응하여, Y 방향에서 횡방향으로 제2 마이크로렌즈 어레이(17b)를 오프셋하기 위해 제2 마이크로렌즈 어레이(17b)에 대해 작용할 수 있다. 이러한 방식으로, 두 개의 레이저 빔(12a,b)을 형성하기 위한 편향 또는 결합은 방향(X, Y) 둘 모두에서 서로 독립적으로 구현될 수 있다.

그러나, 이차원적으로 구조화된 마이크로렌즈 어레이(17a, 17b)가, 도 8a,b에서 도시되는 바와 같이, 가간섭성 레이저 빔(3.1.1 내지 3.N.M)의 이차원 조합에 대해 사용되면, 두 방향에서 독립적인 설정은 가능하지 않다. 그러한 이차원적으로 구조화된 마이크로렌즈 어레이, 예를 들면, 제1 마이크로렌즈 어레이(17a)가 하나의 방향(예를 들면, X 방향)에서 횡방향으로 오프셋되는 경우, 결합된 레이저 빔은 또한 제2 방향(예를 들면, Y 방향)에서 편향되거나 또는 두 개의 결합된 레이저 빔(12a,b) 대신 네 개의 결합된 레이저 빔이 대신 형성된다.

요약하면, 복수(N) 개의 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 가간섭성 결합은 표준 광학 유닛의 도움으로, 즉, - 도 10에서 도시되는 예를 제외하면 - 회절 광학 엘리먼트 또는 등등의 사용 없이, 상기에서 설명되는 방식으로 구현될 수 있다. 어쩌면 입력 커플링 광학 유닛(18)의 광학 엘리먼트(19, 21)의 초점 거리(들)(f₂, f₁)의 적절한 선택과 조합한, 마이크로렌즈 어레이(17a-c)의 마이크로렌즈(20a-c)의 초점 거리(f_a, f_b, f_c)의 적절한 선택에 의해, 그리고 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 상대적 위상(δφ_n(x))의 적절한 선택에 의해, 빔 품질을 동시에 유지하면서 결합된 레이저 빔(12)을 형성하기 위한 가간섭성 결합에서의 높은 효율성을 획득하는 것이 가능하다.

Claims

복수(N) 개의 가간섭성 레이저 빔(coherent laser beam)(3.1, ..., 3.N)을 결합(combine)하기 위한 장치(16)에 있어서,
상기 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N) 중 하나의 각각의 위상(δφ_n)을 설정하기 위한 적어도 N-1 개의 위상 설정 디바이스(6.1, ..., 6.N), 및
적어도 하나의 결합된 레이저 빔(12; 12a,b)을 형성하기 위해 상기 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 빔 결합 디바이스(10)
를 포함하고,
상기 빔 결합 디바이스(10)는 상기 적어도 하나의 결합된 레이저 빔(12, 12a,b)을 형성하기 위한 적어도 두 개의 마이크로렌즈 어레이(17a,b; 17a-c)를 갖는 마이크로렌즈 배열(11)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 복수(N) 개의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 장치(16).
제1항에 있어서,
상기 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N) 및 상기 마이크로렌즈 배열(11)은 다음의 조건:

,
을 충족하며, 여기에서 N은 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 수를 나타내고, p는 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a,b; 17a-c)의 마이크로렌즈(20a,b; 20a-c)의 그리드 간격을 나타내고, λ_L은 레이저 파장을 나타내고, f_E는 상기 마이크로렌즈 배열(11)의 초점 거리를 나타내는 것인, 복수(N) 개의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 장치(16).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 마이크로렌즈 배열(11)은 적어도 세 개의 마이크로렌즈 어레이(17a-c)를 포함하고 자신의 초점 거리(f_E)를 설정하도록 구체화되는(embodied) 것인, 복수(N) 개의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 장치(16).
제3항에 있어서,
상기 마이크로렌즈 배열(11)은 자신의 초점 거리(f_E)를 설정하기 위해 적어도 하나의 제1 마이크로렌즈 어레이(17a, 17b)와 하나의 제2 마이크로렌즈 어레이(17b, 17c) 사이의 거리(d₁, d₂)를 변경하도록 구체화되는 것인, 복수(N) 개의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 장치(16).
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마이크로렌즈 배열(11)의 적어도 하나의 제1 마이크로렌즈 어레이(17a)와 적어도 하나의 제2 마이크로렌즈 어레이(17b) 사이의 바람직하게 조정 가능한 횡방향 오프셋(lateral offset)(Δ)을 생성하기 위한 이동 디바이스(35)
를 더 포함하는, 복수(N) 개의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 장치(16).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 마이크로렌즈 어레이(17a,b)는 두 개의 결합된 레이저 빔(12a,b)을 형성하기 위한 목적의 횡방향 오프셋(Δ)을 갖고, 상기 횡방향 오프셋에 대해 다음의 것:

이 적용되며, 여기에서 N은 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 수를 나타내고, p는 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a,b; 17a-c)의 마이크로렌즈(20a,b; 20a-c)의 그리드 간격을 나타내는 것인, 복수(N) 개의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 장치(16).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 마이크로렌즈 어레이(17a,b)는 결합된 레이저 빔(12)을 형성하도록 짝수 개수(N)의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 횡방향 오프셋(Δ)를 갖고, 상기 횡방향 오프셋에 대해 다음의 것:

이 적용되며, 여기에서 N은 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 수를 나타내고, p는 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a,b; 17a-c)의 마이크로렌즈(20a,b; 20a-c)의 그리드 간격을 나타내고,
상기 제1 마이크로렌즈 어레이(17a)와 상기 제2 마이크로렌즈 어레이(17b) 사이의 바람직하게 조정 가능한 거리(d)에 대해 다음의 것:

이 적용되며, 여기에서 λ_L은 레이저 파장을 나타내는 것인, 복수(N) 개의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 장치(16).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 마이크로렌즈 어레이(17a,b)는 제로와는 상이한 회절 차수(B)로 회절되는 결합된 레이저 빔(12)을 형성하기 위한 횡방향 오프셋(Δ)을 갖고, 상기 횡방향 오프셋에 대해, 다음의 것:

이 적용되며, 여기에서 N은 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 수를 나타내고, p는 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a,b; 17a-c)의 마이크로렌즈(20a,b; 20a-c)의 그리드 간격을 나타내는 것인, 복수(N) 개의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 장치(16).
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 상기 마이크로렌즈 배열(11)에 커플링하기 위한 입력 커플링 광학 유닛(18)
을 더 포함하고,
상기 입력 커플링 광학 유닛(18)은 바람직하게는 지정된 각도 차이(δθ)를 갖는 인접한 가간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2; 3.2, 3.3)을 상기 마이크로렌즈 배열(11)에 커플링하도록 구체화되고, 상기 지정된 각도 차이(δθ)에 대해, 다음의 것:

적용되며, 여기에서 λ_L은 레이저 파장을 나타내고, p는 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a,b; 17a-c)의 마이크로렌즈(20a,b; 20a-c)의 그리드 간격을 나타내는 것인, 복수(N) 개의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 장치(16).
제9항에 있어서,
상기 입력 커플링 광학 유닛(18)은, 상기 마이크로렌즈 배열(11) 상에 상기 복수의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 집속하기 위한 적어도 하나의 포커싱 디바이스, 특히 적어도 하나의 포커싱 렌즈(19)를 포함하는 것인, 복수(N) 개의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 장치(16).
제10항에 있어서,
상기 입력 커플링 광학 유닛(18)은, 상기 복수의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 동위상 파면(phase front)(δφ_n(x))을 보정하기 위한 적어도 하나의 추가적인 이미징 광학 유닛, 특히 적어도 하나의 추가적인 렌즈(21, 21a,b)를 포함하는 것인, 복수(N) 개의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 장치(16).
레이저 시스템(1)에 있어서,
복수(N) 개의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 생성하기 위한 적어도 하나의 레이저 소스(2), 상기 복수의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 방출하기 위한 복수의 방출 표면(8.1, ..., 8.N), 및 결합된 레이저 빔(12)을 형성하도록 상기 복수(N) 개의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에서 청구된 장치(16)를 포함하는, 레이저 시스템(1).
제12항에 있어서,
상기 방출된 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)은 가우스 빔 프로파일(Gaussian beam profile), 도넛 형상의 빔 프로파일 또는 탑햇 빔 프로파일(top hat beam profile)을 갖는 것인, 레이저 시스템(1).
제12항 또는 제13항에 있어서,
방출된 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 수(N)에 기초하여 상기 마이크로렌즈 배열(11)의 초점 거리(f_E)를 설정하도록 구체화되는 제어 디바이스(15)를 더 포함하는, 레이저 시스템(1).
제14항에 있어서,
상기 포커싱 디바이스(19)와 상기 마이크로렌즈 배열(11) 사이의 거리(L2)는 조정 가능하며, 상기 제어 디바이스(15)는 방출된 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 수(N)에 기초하여 상기 거리(L2)를 설정하도록 구체화되는 것인, 레이저 시스템(1).
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 포커싱 디바이스(19)는 상기 마이크로렌즈 배열(11)의 제1 마이크로렌즈 어레이(17a)로부터의 자신의 초점 거리(f₂)의 거리(L2)에 배열되고, 상기 포커싱 디바이스(19)의 초점 거리(f₂), 상기 추가적인 이미징 광학 유닛(21)의 초점 거리(f₁) 및 상기 마이크로렌즈 배열(11)의 초점 거리(f_E)는 다음의 조건:

을 충족하는 것인, 레이저 시스템(1).
제16항에 있어서,
상기 추가적인 이미징 광학 유닛(21)의 초점 거리(f₁)는 조정 가능하고, 상기 제어 디바이스(15)는 방출된 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 수(N)에 기초하여 상기 추가적인 이미징 광학 유닛(21)의 초점 거리(f₁)를 설정하도록 구체화되는 것인, 레이저 시스템(1).
제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 위상 설정 디바이스(6.1, ..., 6.N)는 n 번째 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)에 대한 위상(δφ_n)을 설정하도록 구체화되고, 상기 위상은:

에 의해 주어지며, 여기에서 p는 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a,b; 17a-c)의 마이크로렌즈(20a,b; 20a-c)의 그리드 간격을 나타내고, f_E는 상기 마이크로렌즈 배열(11)의 초점 거리를 나타내고, λ_L은 레이저 파장을 나타내고, 다음의 것:
이 적용되는 것인, 레이저 시스템(1).
제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
인접한 방출 표면(8.1, ..., 8.N)은 등거리로 배열되며 바람직하게는 서로로부터 거리(δx)를 갖고, 상기 거리(δx)는

에 의해 주어지며, 여기에서 λ_L은 레이저 파장을 나타내고, f₂는 상기 포커싱 디바이스(19)의 초점 거리를 나타내고, p는 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a,b; 17a-c)의 마이크로렌즈(20a,b; 20a-c)의 그리드 간격을 나타내는 것인, 레이저 시스템(1).
제12항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
인접한 방출 표면(8.1, …8.N)은 원호(circular arc; 25) 상에서 등거리로 배열되며, 바람직하게는, 지정된 각도 차이(δθ)를 갖는 인접한 가간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2; 3.2, 3.3)을 상기 마이크로렌즈 배열(11)에 커플링하도록 정렬되고, 상기 지정된 각도 차이(δθ)에 대해, 다음의 것:

이 적용되며, 여기에서 λ_L은 레이저 파장을 나타내고, p는 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a,b; 17a-c)의 마이크로렌즈(20a,b; 20a-c)의 그리드 간격을 나타내는 것인, 레이저 시스템(1).
제12항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 입력 커플링 광학 유닛은, 상기 마이크로렌즈 배열(11)로의 입력 커플링시, 지정된, 특히 조정 가능한 발산 각도(α_D)를 갖는 각각의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 성형하기 위한 빔 성형 광학 유닛(beam shaping optical unit; 18)을 포함하거나 또는 형성하는 것인, 레이저 시스템(1).
제21항에 있어서,
짝수 개수(N)의 방출 표면(8.1, ..., 8.N)을 포함하고, 상기 빔 성형 광학 유닛(18)은 다음의 조건:

을 충족하는 초점 거리(f)를 가지며, 여기에서 λ_L은 레이저 파장을 나타내고, p는 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a,b; 17a-c)의 마이크로렌즈(20a,b; 20a-c)의 그리드 간격을 나타내는 것인, 레이저 시스템(1).
제12항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
짝수 개수(N)의 방출 표면(8.1, ..., 8.N)을 포함하고, 상기 마이크로렌즈 배열(11)은 위상 시프팅 디바이스(25)를 포함하며, 상기 위상 시프팅 디바이스(25)는, 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a,b; 17a-c)의 인접한 마이크로렌즈(20a,b; 20a-c)를 통해 통과하는 상기 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 광선의 번들(26) 사이에서 π의 일정한 위상 오프셋을 생성하도록 구체화되는 것인, 레이저 시스템(1).
제12항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을, 상기 마이크로렌즈 배열(11)을 별개로 통과하는 복수의 광선 번들(26a-c)로 스펙트럼 분할하기 위해 상기 마이크로렌즈 배열(11)의 전방에 배열되는 제1 파장 분산 엘리먼트, 특히 제1 회절 격자(30), 및
하나의 파장(λ_L)을 갖는 상기 결합된 레이저 빔(12)을 형성하기 위해 상기 광선 번들(26a-c)을 스펙트럼 결합하기 위해, 상기 마이크로렌즈 배열(11) 후에 배열되는 제2 파장 분산 광학 엘리먼트, 특히 제2 회절 격자(33)
를 더 포함하는, 레이저 시스템(1).
제24항에 있어서,
상기 입력 커플링 광학 유닛(18)은 비구면 렌즈(aspherical lens)로서 구체화되는 시준 렌즈(collimation lens; 31)를 포함하는 것인, 레이저 시스템(1).
특히, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에서 청구된 장치에 의해, 적어도 하나의 결합된 레이저 빔(12, 12a,b)을 형성하기 위해, 다수(N) 개의, 특히 조정 가능한 수의 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 방법에 있어서,
상기 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 적어도 두 개의 마이크로렌즈 어레이(17a,b; 17a-c)를 포함하는 마이크로렌즈 배열(11)에 커플링하는 단계 및 상기 마이크로렌즈 배열(11)에서 상기 적어도 하나의 결합된 레이저 빔(12, 12a,b)을 형성하도록 상기 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하는 단계
를 포함하는, 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 방법.
제26항에 있어서,
다음의 조건:

을 충족하는 상기 마이크로렌즈 배열(11)의 초점 거리(f_E)가 설정되며, 여기에서 p는 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a,b; 17a-c)의 마이크로렌즈(20a,b; 20a-c)의 그리드 간격을 나타내고, λ_L은 레이저 파장을 나타내는 것인, 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 방법.
제26항 또는 제27항에 있어서,
다음의 것:

에 의해 주어지는 n 번째 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 위상(δφ_n)을 설정하는 단계
를 더 포함하며, 여기에서 p는 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a,b; 17a-c)의 마이크로렌즈(20a,b; 20a-c)의 그리드 간격을 나타내고, f_E는 상기 마이크로렌즈 배열(11)의 초점 거리를 나타내고, λ_L은 레이저 파장을 나타내고, 다음의 것:
이 적용되는 것인, 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 방법.
제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 입력 커플링은 포커싱 디바이스(19)를 포함하는 입력 커플링 광학 유닛(18)에 의해 구현되고, 상기 방법은:
다음의 것:

에 의해 주어지는 상기 포커싱 디바이스(19)와 상기 마이크로렌즈 배열(11) 사이의 거리(L2)를 설정하는 단계를 더 포함하며, 여기에서 f₂는 상기 포커싱 디바이스(19)의 초점 거리를 나타내고, p는 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a,b; 17a-c)의 마이크로렌즈(20a,b; 20a-c)의 그리드 간격을 나타내고, λ_L은 레이저 파장을 나타내는 것인, 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 방법.
제26항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 입력 커플링은 포커싱 디바이스(19) 및 추가적인 이미징 광학 유닛(21)을 포함하는 입력 커플링 광학 유닛(18)에 의해 구현되고, 상기 방법은:
다음의 것:

에 의해 주어지는 상기 추가적인 이미징 광학 유닛(21)의 초점 거리(f₁)를 설정하는 단계를 더 포함하며, 여기에서 f₂는 상기 포커싱 디바이스(19)의 초점 거리를 나타내고, f_E는 상기 마이크로렌즈 배열(11)의 초점 거리를 나타내는 것인, 가간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 방법.