KR20220116555A - 간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 장치, 레이저 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수의 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 장치(5)에 관한 것으로, 입력 레이저 빔(9)을 복수의 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)으로 분할하기 위한 분할 유닛(4), 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N;) 중 하나의 각각의 위상(δφa + Δφa)을 조정하기 위한 복수의 위상 조정 유닛(6.1, ..., 6.N) 및 그리드 배열체의 복수의 그리드 위치(8.1, ..., 8.N)에서 나오는 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 빔 결합 유닛(10)을 포함하고, 상기 빔 결합 유닛(10)은 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이(17a, 17b)를 가진 마이크로렌즈 배열체(11)를 구비한다. 장치(5)는 제어 유닛(15)을 포함하고, 상기 제어 유닛은, 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 0차 회절 차수가 아닌 회절 차수로 회절된 적어도 하나의 레이저 빔(12)으로 결합하기 위해, 그리드 배열체 내에 각각의 그리드 위치(8.1, ..., 8.N)의 배치에 따라 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N) 중 하나의 각각의 위상(δφa + Δφa)을 조정하도록 및/또는 적어도 하나의 결합된 레이저 빔(12)이 회절되는 회절 차수를 변경하기 위해, 그리드 배열체 내에 각각의 그리드 위치(8.1, ..., 8.N)의 배치에 따라 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N) 중 하나의 각각의 위상(δφa + Δφa)을 변동시키도록 설계된다. 본 발명은 또한 관련 레이저 시스템(1) 및 특히 이러한 장치(5)를 이용해서 복수의 간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)을 결합하기 위한 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 복수의 간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 장치에 관한 것으로, 입력 레이저 빔을 복수의 간섭성 레이저 빔으로 분할하기 위한 분할 유닛, 간섭성 레이저 빔 중 하나의 각각의 위상을 조정하기 위한 복수의 위상 조정 유닛 및 그리드 배열체의 복수의 그리드 위치에서 나오는 간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 빔 결합 유닛을 포함하고, 상기 빔 결합 유닛은 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이를 가진 마이크로렌즈 배열체를 포함한다. 본 발명은 또한, 특히 이러한 장치를 이용해서 복수의 간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 방법에 관한 것으로, 그리드 배열체 내에 배치된 복수의 그리드 위치에서 나오는 복수의 간섭성 레이저 빔을 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이를 가진 마이크로렌즈 배열체 내로 인커플링하는 단계 및 마이크로렌즈 배열체에서 간섭성 레이저 빔을 결합하는 단계를 포함한다.
"간섭성 레이저 빔"이란 본 출원과 관련해서 레이저 빔의 서로에 대한 시간적 간섭성을 의미한다. 일반적으로, 레이저 빔은 낮은 공간 간섭성을 가질 수 있고, 즉, 레이저 빔은 공간적으로 부분 간섭성을 가질 수 있다. 즉, 반드시 단일 모드 레이저 빔일 필요는 없다. 예를 들어, 레이저 빔은 멀티 모드 소스로부터 생성될 수 있고, 예를 들어 더 높은 모드의 가우시안 모드, 예를 들어 라게르-가우시안(Laguerre-Gaussian) 모드, 에르미트-가우시안(Hermite-Gaussian) 모드, 또는 이들의 중첩을 형성할 수 있다. 그러나 바람직하게 레이저 빔은 시간 및 공간적으로 모두 간섭성을 갖는다.
US 2013 010 7343 A1호는 시드(seed) 레이저 형태의 레이저 소스와 증폭된 레이저 출력을 생성하는 광학 증폭기 시스템을 구비한 레이저 시스템을 기술한다. 레이저 시스템은 광학 증폭기의 전체 출력 강도를 측정하기 위한 센서를 포함하는 복수의 광학 증폭기를 위한 위상 변조 기능을 가진 위상 제어 회로를 포함할 수 있다. 광학 증폭기의 전체 출력 강도를 최대화하기 위해, 위상 제어 회로는 복수의 광학 증폭기 중 개별 광학 증폭기 간의 위상 또는 상대적 위상 관계를 변경할 수 있다. 레이저 시스템은 한 쌍의 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 광학 증폭기의 출력을 결합하기 위한 간섭성 원거리장 결합기를 구비할 수 있다.
이러한 간섭성 빔 결합의 경우, 그리드 배열체의 복수의 그리드 위치에서 나오는 복수의 레이저 빔이 중첩되어 결합된 레이저 빔을 형성하고, 상기 레이저 빔은 상응하게 더 높은 출력을 갖는다. 이러한 빔 결합은 - 빔 품질의 손실이 거의 없이 - 회절, 반사에 의해, 예를 들어 세그먼트 미러에 의해, 간섭 측정에 의해 또는 편광 결합(polarization coupling)에 의해 이루어질 수 있다.
적층 가공, 마킹 및 용접(마이크로 및 마크로)과 같은 다양한 레이저 응용 공정 또는 레이저 네트워크에서 레이저 스위칭 공정은 레이저 빔의 초점 위치의 신속한 편향(스캐닝) 및/또는 복수의 초점 위치로 정렬하기 위한 레이저 빔의 분할(빔 분할)을 필요로 한다.
본 발명의 과제는, 결합 시 빔 품질을 거의 완전하게 유지하는 것을 가능하게 하는 동시에 입력 출력의 미리 정해진 분할에 의해 결합된 레이저 빔의 빔 분할 및/또는 결합된 레이저 빔의 신속한 편향을 가능하게 하는 간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 장치, 레이저 시스템 및 관련 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라, 간섭성 레이저 빔을 0차 회절 차수가 아닌 회절 차수로 회절된 적어도 하나의 레이저 빔으로 결합하기 위해, 그리드 배열체 내에 각각의 그리드 위치의 배치에 따라 각각의 간섭성 레이저 빔 중 하나의 위상을 조정하도록 설계 및 프로그래밍된 및/또는 적어도 하나의 결합된 레이저 빔이 회절되는 회절 차수를 변경하기 위해, 그리드 배열체 내에 각각의 그리드 위치의 배치에 따라 간섭성 레이저 빔 중 하나의 각각의 위상을 변동시키도록 설계 및 프로그래밍된 제어 유닛을 포함하는 전술한 유형의 장치에 의해 해결된다.
기본적으로 그리드 배열체의 그리드 위치는 직선 또는 곡선을 따라(1차원 그리드 배열체), 평면 또는 곡면을 따라(2차원 그리드 배열체) 형성될 수 있다. 간섭성 레이저 빔은, 소정의 필팩터(fill factor)가 달성될 정도로 그리드 배열체를 따라 분리되거나 서로 이격되어 있다. 그리드 배열체의 그리드 위치는 각각의 간섭성 레이저 빔이 방출되는 광섬유(방출 표면)의 또는 다른 방출기의 단부면에 형성될 수 있다. 이러한 경우에 광섬유, 더 정확하게는 그것의 단부면이 그리드 배열체 내에 배치되고, 그리드 위치는 광섬유의 단부면의 방출 표면에 해당한다. 그러나 그리드 위치 또는 그리드 배열체는 방출 표면의 근거리장 또는 원거리장에도 해당할 수 있고, 즉, 그리드 위치는 방출 표면이 이미징되거나 포커싱되는 표면 또는 곡선을 따라 공간에 배치될 수 있으므로, 그리드 위치의 공간 분포는 방출 표면의 - 경우에 따라서 스케일링된 - 공간 분포에 해당한다.
따라서 그리드 배열체는 공간 내에 곡선 또는 표면을 형성하고, 이를 따라 그리드 위치 사이 또는 간섭성 레이저 빔 사이에 소정의 간격이 존재한다. 간섭성 레이저 빔(아래 참조)의 인커플링을 위해 푸리에 렌즈의 사용 시, 예를 들어 푸리에 렌즈의 초점면에 소정의 간격이 존재한다.
따라서 US 2013 010 7343 A1호에는 복수의 간섭성 레이저 빔을 결합된 레이저 빔으로 간섭 결합하기 위한 빔 결합 유닛으로서 (마이크로-) 렌즈 배열체를 사용하는 것이 공개되어 있다. DE 10 2018 211 971. 6 및 PCT/EP2019/069324호에, 최적화된 높은 빔 품질로 결합된 레이저 빔을 생성하기 위해, 빔 결합 유닛으로서 마이크로렌즈 배열체에서 간섭성 레이저 빔 사이의 위상 또는 위상차(기본 위상)가 어떻게 선택되어야 하는지 기술되어 있다. 거기에는 또한, 최적화된 빔 품질로 결합된 레이저 빔을 생성하기 위해, 마이크로렌즈 배열체가 그 파라미터[마이크로렌즈의 그리드 간격(피치), 마이크로렌즈 또는 마이크로렌즈 배열체의 초점 거리, 마이크로렌즈 어레이의 간격 ...]와 관련해서 어떻게 최적화되어야 하는지 제시되어 있다.
본 발명에 따르면, 제어된 빔 편형 또는 제어된 빔 분할을 수행하기 위해, 간섭성 레이저 빔의 위상 또는 위상차를 고려해서 0차 회절 차수로 회절을 위해 빔 품질 측면에서 최적화된 결합을 위한 위상으로부터 의도적으로 벗어나는 것이 제안된다.
이 경우 각각의 간섭성 레이저 빔의 위상은, 간섭성 레이저 빔이 더 이상 하나의 또는 개별 레이저 빔으로 결합되는 것이 아니라, 규정된 출력 분배 또는 출력 분할에 의해 서로 다른 회절 차수로 회절된 (빔 분할) 2개 이상의 잘 규정된 번들로 또는 2개 이상의 결합된 레이저 빔으로 또는 0차 회절 차수가 아닌 회절 차수로 회절된 (빔 편향) 단일 레이저 빔으로 결합되도록, 각각의 간섭성 레이저 빔에 할당된 그리드 배열체의 그리드 위치의 배치에 의존해서 제어 유닛에 의해 개별적으로 조정될 수 있다.
제안된 접근 방식은 OPA(Optical Phase Array) 컨셉을 기반으로 하며, 상기 컨셉에서 간섭성 레이저 빔의 1차원 또는 2차원 그리드 배열체의 절대 위상의 세트는, 잘 규정된 회절 차수에 구조적 간섭이 발생하도록 선택된다. 1차원 또는 2차원 그리드 배열체(어레이)에서 결합될 간섭성 레이저 빔의 위상은, 개별적인 결합된 레이저 빔이, 결합된 레이저 빔의 그룹이 또는 회절 차수의 세트에 해당하는 결합된 레이저 빔의 전체 어레이가 목표대로 차단- 또는 연결될 수 있도록 선택된다. 장치에 의해 생성되는 결합된 레이저 빔의 소정의 그룹 각각에 대해, 특정 회절 차수로 회절을 목표대로 시작- 또는 중단하기 위한, 예를 들어 반복 최적화 알고리즘을 이용해서 (절대-) 위상의 적절한 세트가 선택될 수 있다. 이러한 방식으로 가변 빔 분할 또는 편향 및 출력 분배가 실현될 수 있다. 반복 최적화 알고리즘은, 예를 들어 균일한 출력 분할 또는 강도 분포가 시작값으로서 미리 정해지는 확률적 또는 무작위 알고리즘일 수 있다.
위상 조정 유닛은 간섭성 레이저 빔의 각각의 위상을 조정하는 데 이용되며 간섭성 레이저 빔이 서로 분리되고 더 이상 중첩되지 않는 마이크로렌즈 어레이 전방에 임의의 위치에 배치될 수 있다. 이러한 위상 조정 유닛은 특히, 예를 들어 열 효과, 진동 또는 난기류로 인해 개별 채널에서 광학 경로 길이 차이를 야기하기 때문에 필요하다. 일반적으로 가변 위상 지연을 조정하도록 설계된 위상 조정 유닛을 실현하기 위해 여러 가능성이 있다: 예를 들어 위상 조정 유닛은 EOMs(Electro-optical Modulators; 예를 들어 액정 형태의 전기 광학 변조기) 형태의 변조기, SLMs(공간 광 변조기), 미러 어셈블리 형태의 광학 지연 라인, 예를 들어 압전 미러 형태의 전기 기계식 변조기 또는 그와 같은 것일 수 있다. 그리드 배열체 전방 빔 경로에 있는 간섭성 레이저 빔이 광섬유에 안내되는 경우, 위상 조정을 위해 예를 들어 압전 조절 부재를 이용해서 광섬유에 인장 응력이 가해질 수 있으며, 광섬유의 온도 등이 영향을 받을 수 있다. 제어 유닛은 하드웨어 및/또는 소프트웨어로서, 예를 들어 마이크로컨트롤러, FPGA, ASIC 등의 형태로 구현될 수 있다. 제어 유닛은, 적절한 방식으로, 예를 들어 적절한 전자 (제어-) 신호에 의해 위상 조정 유닛에 작용하도록 설계된다.
입력 레이저 빔을 분할하기 위한 분할 유닛은, 예를 들어 하나의 또는 복수의 마이크로렌즈 어레이 형태의 기존의 1 대 N 커플링 유닛, 광섬유 분할기, 직렬로 연결된 복수의 빔 분할기 큐브, 편광 빔 스플리터, 빔 분할을 위한 회절격자 등일 수 있다. 입력 레이저 빔은 레이저 소스에 의해 생성된 시드 레이저 빔일 수 있거나, 입력 레이저 빔은, 레이저 소스의 시드 레이저 빔으로부터 예를 들어 분할 및 간섭 결합에 의해 생성될 수 있다.
대안으로서 예를 들어, 광섬유 발진기(fiber oscillator), 레이저 다이오드 등의 형태의 복수의 레이저 소스도 복수의 간섭성 레이저 빔을 생성하는 데 이용될 수 있으므로, 분할 유닛은 생략될 수 있다. 이러한 경우에 적어도 하나의 레이저 소스를 포함하는 레이저 시스템은, 간섭성 레이저 빔을 생성하기 위한 레이저 다이오드 또는 레이저 소스를 제어하기 위한 제어 유닛을 구비한다. 레이저 소스(들)는 초단파 펄스 레이저 빔, 즉, 예를 들어 10-12초 미만의 펄스 지속 시간을 갖는 간섭성 레이저 빔을 생성하도록 설계될 수 있다.
레이저 소스(들)에서 생성된 간섭성 레이저 빔은, 예를 들어 광섬유 형태의 복수의 빔 안내 유닛에 의해 그리드 배열체로 안내될 수 있다. 레이저 빔의 개별 빔 안내는, 위상 조정 유닛을 이용해서 상대 위상을 적절하게 조정하기 위해, 상기 레이저 빔에 개별적으로 작용하는 것을 가능하게 한다. 빔 안내 유닛은, 레이저 빔이 그리드 위치에서 마이크로렌즈 어레이 방향으로 방출되기 전에, 레이저 빔을 증폭시키기 위해, 예를 들어 광섬유 증폭기의 형태의, 대응하는 개수의 증폭기 또는 증폭기 체인을 가질 수 있다. 위상 조정 유닛은 빔 안내 유닛 전방 또는 빔 안내 유닛 후방의 빔 경로에 배치될 수 있고 및/또는 예를 들어 광섬유 형태의 빔 안내 유닛에 작용할 수 있다. 대안으로서 분할 유닛에서 분할 후에 간섭성 레이저 빔은 자유 빔 전파로 그리드 배열체에 도달할 수 있으며, 상기 그리드 배열체는 예를 들어 푸리에 렌즈의 초점면 또는 간섭성 레이저 빔들이 서로 충분히 멀리 이격되어 있는 다른 위치에 도달할 수 있다. 이러한 푸리에 렌즈의 초점면 또는 다른 위치에서 간섭성 레이저 빔은 - 경우에 따라서 적절한 편향 후에 - 소정의 필팩터, 즉, 전술한 바와 같이, 각각의 공간 방향으로 각각의 레이저 빔의 연장부 또는 빔 직경과 인접한 레이저 빔의 중심점 간의 간격 사이의 소정의 비율을 갖는다.
제어 유닛은, 적어도 하나의 결합된 레이저 빔이 회절되는 회절 차수를 변경하기 위해, 그리드 배열체 내에 각각의 그리드 위치의 배치에 따라 간섭성 레이저 빔 중 하나의 각각의 위상을 변동시키도록 설계된다. 이러한 방식으로, 적어도 하나의 회절된 레이저 빔이 서로 다른 회절 차수 사이에서 앞뒤로 점프하거나 이동하는 매우 빠른 이산 스캐닝 과정이 구현될 수 있다. 이러한 경우에 장치는 스캐닝 유닛 또는 빔 형성 유닛으로서 이용될 수 있다.
스캐닝 과정은 하나의 회절 차수로 회절된 레이저 빔으로 수행될 수 있지만, 2개 이상의 회절 차수[최대 ±(N-1)/2 회절 차수]로 분할된, 즉, 2개 이상의 결합된 레이저 빔으로 이상 스캐닝 과정을 실현하는 것도 가능하다. 이러한 경우에 결합된 레이저 빔을 적어도 2개의 서로 다른 회절 차수로 회절 또는 분할하기 위해 필요한 각각의 간섭성 레이저 빔의 위상 관계 또는 위상은 제어 유닛에 의해 조정될 수 있다. 간섭성 레이저 빔의 위상의 변경으로 인해 적어도 2개의 결합된 레이저 빔이 회절되는 서로 다른 회절 차수로 출력 분포가 변경될 수 있다. 이러한 방식으로, 결합된 레이저 빔의 개수로 이산 스캐닝 과정이 이루어질 수 있고, 이 경우 스캐닝 필드는 -((N-1)/2)차 회절 차수와 (N-1)/2차 회절 차수 사이에 위치하고, N은 (각각의 스캐닝 방향으로) 간섭성 레이저 빔의 개수를 나타낸다.
미리 정해진(이산) 이동 경로를 따라 적어도 하나의 결합된 레이저 빔을 이동시키기 위해, 제어 유닛은 메모리 장치에 저장된 파라미터 테이블에 따라 간섭성 레이저 빔의 각각의 위상을 조정하거나 변경할 수 있다. 조정될 각각의 위상은 외부에서도, 예를 들어 사용자에 의해 제어 유닛에 미리 지정될 수 있거나 또는 조정될 위상은 예를 들어 센서 어셈블리에 의해 측정된 적어도 하나의 측정 변수에 따라 미리 지정되거나 변경될 수 있으며, 즉, 각각의 설정값으로 위상의 조절이 이루어질 수 있다. 빔 결합 시 상기 적어도 하나의 결합된 레이저 빔 또는 적어도 하나의 결합된 레이저 빔이 0차 회절 차수로 회절되지 않는 경우, 일반적으로 위상 검출을 위해 센서 어레이 또는 경우에 따라서 공간 분해 센서를 사용할 필요가 있다.
결합된 레이저 빔이 렌즈 또는 이미징 광학 수단에 의해 이미징되는 경우, (적어도 하나의) 결합된 레이저 빔은 더 이상 광축을 따라 전파하지 않고 광축에 대해 평행하게 오프셋된다. 결합된 레이저 빔의 평행 오프셋의 크기는 이러한 레이저 빔이 회절되는 더 높은 회절 차수(±1, ±2 등)에 따라 달라진다. 그리드 위치가 2차원 그리드 배열체 내에 배치되는 경우, (적어도 하나의) 결합된 레이저 빔은 이러한 방식으로 간섭성 레이저 빔의 그리드 배열체에 해당하는 추가 그리드 배열체 내에서 일반적으로 서로 수직인 2개의 방향으로 광학 축에 대해 평행하게 오프셋될 수 있다.
특수한 경우에 이산 스캐닝 시 간섭성 레이저 빔의 위상의 선택 또는 결정을 위해 아래에 제시된 분석적 관련성이 발견될 수 있음이 밝혀졌다.
실시예에서 제어 유닛은 간섭성 레이저 빔 중 하나의 각각의 위상을 조정하도록 설계되고, 상기 위상은 각각의 기본 위상과 추가 위상으로 구성된다. 추가 위상은 2개 이상의 회절 차수로 결합된 레이저 빔의 분할 또는 결합된 레이저 빔이 회절되는 회절 차수의 신속한 변경을 가능하게 한다. 기본 위상은 바람직하게는, 빔 결합 유닛이 간섭성 레이저 빔을 0차 회절 차수로 결합하도록 선택된다.
개선예에서 제 1 방향을 따라 그리드 위치는 서로 간격을 두고 (등거리로) 배치되고, 제어 유닛은, 간섭성 레이저 빔을 0차 회절 차수가 아닌 회절 차수 Bk,x로 회절된 하나의 결합된 레이저 빔으로 결합하기 위해 제 1 방향으로 a번째 그리드 위치에서 간섭성 레이저 빔의 각각의 추가 위상 Δφa을 조정하도록 설계되고, 상기 위상은,
에 의해 주어지고, 여기서 N은 제 1 방향을 따라 배치된 그리드 위치의 개수를 나타내고, Bk,x는 양 또는 음의 정수(±1, ±2 등)를 나타낸다. Bk,x(또는 회절 차수)의 절대값은 일반적으로 (N-1)/2보다 크지 않다. 기본적으로 이하에서는, 0차 회절 차수로 레이저 빔의 결합이 이루어지도록 기본 위상이 선택되는 것이 전제된다.
그리드 위치는 제 1 방향으로 서로 동일한 간격으로 (등거리로) 배치된다. 이 경우에 그리드 위치는, 제 1 방향을 따라 연장되는 열에 배치될 수 있다. 즉, 간섭성 레이저 빔의 빔 출사 방향 또는 포인팅 벡터는 서로 평행하게 정렬된다. 대안으로서 그리드 위치는 예를 들어 제 1 방향으로 또는 제 1 방향을 따라 연장되는 원호에 서로 동일한 간격으로 배치될 수도 있다.
이러한 실시예의 개선예에서 그리드 배열체 내에 추가로, 제 1 방향에 대해 수직인 제 2 방향을 따라 그리드 위치가 배치되고, 제어 유닛은, 간섭성 레이저 빔을 제 1 방향으로 0차 회절 차수가 아닌 회절 차수 Bk,x로 및 제 2 방향으로 0차가 아닌 회절 차수 Bk,y로 회절된 하나의 결합된 레이저 빔으로 결합하기 위해 제 1 방향으로 a번째 그리드 위치 및 제 2 방향으로 제 b번째 그리드 위치에서 간섭성 레이저 빔의 추가 위상 Δφa,b을 조정하도록 설계되고, 상기 추가 위상은,
에 의해 주어지고, 여기서 M은 제 2 방향으로 그리드 위치의 개수를 나타내고, Bk,y는 양 또는 음의 정수를 나타낸다. 추가 위상 Δφa,b는 제 1 방향으로 a번째 그리드 위치에서 조정되고, 상기 추가 그리드 위치는 동시에 제 2 방향으로 b번째 그리드 위치를 형성한다. 그리드 배열체 내에 그리드 위치가 제 1 방향을 따라서만 배치되는 경우, 간섭성 레이저 빔은 단일 레이저 빔으로 결합되고, 상기 레이저 빔은 제 2 방향으로 0차 회절 차수로 회절된다(즉, Bk,y = 0). 1차원의 경우 추가 위상 Δφa에 대해 위에 제시된 공식이 주어진다.
이 개선예에서 레이저 빔의 1차원 간섭 결합 대신에, 복수의 N×M 레이저 빔이 2차원적으로 하나 이상의 레이저 빔으로 결합된다. 이러한 경우에 그리드 위치는 2차원 그리드 배열체 내에 배치되며, 이 경우 양방향으로 그리드 위치의 개수가 같으면(즉, N = M), 양방향으로 인접한 그리드 위치 사이의 간격은 일반적으로 동일하고 또는 - N이 M과 같지 않은 경우 - 다르게 선택될 수 있다. 그리드 위치가 있는 그리드 배열체 또는 그리드는 이 경우 하나의 평면(예를 들어 XY-평면)에서 또는 만곡된 표면에서, 예를 들어 구형 쉘에서 연장될 수 있다. 그리드 위치에서 나오는 레이저 빔은 첫 번째 경우에 일반적으로 평행하게 정렬되고, 두 번째 경우에는 예를 들어 마이크로렌즈 배열체가 배치된 구형 쉘의 중심점을 향해 정렬될 수 있다.
그리드 위치가 있는 그리드의 주기성은 이 경우 2개의 서로 다른, 예를 들어 수직 방향(X, Y)으로 마이크로렌즈의 그리드 간격을 지정한다. 이러한 경우에 2차원 마이크로렌즈 어레이가 사용될 수 있고, 상기 마이크로렌즈 어레이의 그리드 간격 ρX, ρY는 경우에 따라서 서로 수직인 2개의 방향 X, Y으로 그리드의 주기성에 따라 다를 수 있다. 따라서 2차원 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈는 X 방향 또는 Y 방향으로 경우에 따라서 상이한 곡률을 가지며, 즉, 원통형 렌즈가 아니다. 2개의 1차원 마이크로렌즈 서브어레이를 원통형 렌즈와 조합하여 2차원 마이크로렌즈 어레이를 형성하는 것도 가능하며, 이 경우 1차원 마이크로렌즈 서브어레이의 원통형 렌즈들은 서로 수직으로 정렬된다.
그리드 위치가 있는 2차원 그리드와 2차원 마이크로렌즈 어레이 사이의 관계는 브라베(Bravais) 격자와 역격자(reciprocal lattice) 사이의 관계와 유사하다. 따라서 그리드 위치의 배치는 가장 조밀한 패킹, 즉, 육각형 격자에 해당할 수도 있다. 이러한 경우에 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈도 육각형 배열로 배치된다.
제 1 방향(X)으로 그리드 위치들이 서로 동일한 간격을 두고 (등거리로) 배치된 경우, 제 1 방향(X)으로 Bk,x 차 회절 차수로 회절된 레이저 빔을 생성하는 기본 위상 δφa에 대해 하기식이 주어지고,
상기식에서 실행 인덱스 ma에 대해 다음이 적용되고: a = 1,...,N인 
, Bk,x는 0을 포함한 -((N-1)/2) 와 (N-1)/2) 사이의 양 또는 음의 정수를 나타내고, 이것은 제 1 방향으로 각각의 회절 차수에 해당한다.
그리드 위치가 추가로, 바람직하게 제 1 방향에 대해 수직인 제 2 방향(Y)을 따라 배치되는 전술한 경우에, 제 1 방향(X)으로 Bk,x 차 회절 차수로 및 제 2 방향(Y)으로 Bk,y 차 회절 차수로 회절된 레이저 빔을 형성하는 기본 위상(δφa,b)에 대해 하기식이 주어진다:
상기식에서 실행 인덱스 mb에 대해 다음이 적용되고: b = 1,...M인 
, Bk,y는 0을 포함한 -((M-1)/2) 와 (M-1)/2) 사이의 양 또는 음의 정수를 나타내고, 이것은 제 2 방향으로 각각의 회절 차수에 해당한다.
추가 위상 Δφa 또는 Δφa,b 및 기본 위상 δφa 또는 δφa,b에 대해 위에 명시된 조건을 준수하는 것은 효율성 손실이 없는 편향을 가능하게 한다. 그러나 물론, 상기 조건이 실제로 정확히 준수될 수 없다. 상기 조건에서 벗어나는 경우, 편향된 레이저 빔의 빔 품질은 저하된다. 본 출원과 관련해서, 우변이 좌변의 Δφa 또는 Δφa,b 값과 20%, 바람직하게는 10%, 특히 5%를 초과하지 않는 편차를 갖는 경우, 즉, 다음이 적용되는 경우, 상기 조건은 충족된 것으로 간주된다: |Δφa + 2 (π/N)(a-(N+1)/2)Bk,x| < 0.2, 바람직하게는 < 0.1, 특히 < 0.05. Δφa,b에도 동일하게 적용된다. 즉, |Δφa,b + ((2π/N)(a-(N+1)/2)Bk,x + (2π/M)(b -(M+1)/2))Bk,y| < 0.2, 바람직하게는 < 0.1, 특히 < 0.05. 기본 위상 δφa 또는 δφa,b에도 동일하게 적용된다. 즉, |δφa + π/N(ma+Bk,x)2| < 0.2, 바람직하게는 < 0.1, 특히 < 0.05 또는 |δφa,b + π/N(ma + Bk,x)2 + π/M(mb + Bk,y)2| < 0.2, 바람직하게는 < 0.1, 특히 < 0.05.
대안 실시예에서 제어 유닛은, 결합된 제 1 레이저 빔이 회절되는 제 1 회절 차수를 변경하기 위해 및/또는 결합된 제 2 레이저 빔이 회절되는 제 2 회절 차수를 변경하기 위해 간섭성 레이저 빔의 각각의 추가 위상을 변동시키도록 설계된다. 이 실시예에서 간섭성 레이저 빔은 빔 결합 유닛에 의해 적어도 2개의 회절된 레이저 빔으로 결합된다. 이를 달성하기 위해, 결합된 레이저 빔의 각각의 (추가) 위상이 적절하게 선택되며, 이를 위해 반복적, 예를 들어 확률적 최적화 알고리즘이 이용될 수 있어서, 결합된 제 1 레이저 빔의 (±(N-1)/2차 또는 0차) 회절 차수와 결합된 제 2 레이저 빔의 (±(N-1)/2차 또는 0차) 회절 차수를 변동시키거나 조정할 수 있다. 물론, 가변 빔 분할은 결합된 2개의 레이저 빔에 제한되지 않고, 2개 이상의 결합된 레이저 빔으로도 수행될 수 있다.
추가 실시예에서 입력 레이저 빔을 복수의 간섭성 레이저 빔으로 분할하기 위한 분할 유닛은 적어도 2개의 추가 마이크로렌즈 어레이를 가진 추가 마이크로렌즈 배열체로서 설계되고, 제어 유닛은, 간섭성 레이저 빔을 제 1 방향으로 0차가 회절 차수가 아닌 회절 차수 Bk,x로 및 바람직하게는 제 2 방향으로 0차가 아닌 회절 차수 Bk,y로 회절된 하나의 결합된 레이저 빔으로 결합하기 위해 기본 위상의 두 배를 조정하도록 설계된다.
입력 레이저 빔을 복수의 간섭성 레이저 빔으로 분할은 물론 간섭성 레이저 빔의 결합에 각각의 마이크로렌즈 어레이가 사용되는 특수한 경우를 위해, 상기 방정식에서 기본 위상 δφa, δφa,b에 대해 명시된 값을 두 배로 늘려야 한다는 사실이 밝혀졌다. 기본적으로 유효한 사실은, 경우에 따라서 동일하게 구성될 수 있는 2개의 마이크로렌즈 배열체의 특수한 경우에, 광섬유 스플리터 또는 다른 광학 유닛이 결합에 사용되는 경우와 달리 기본 위상을 두 배로 늘려야 한다는 것이다. 따라서 기본 위상의 배가는 위에 주어진 방정식에 제한되지 않고, 일반적으로 적용된다.
추가 실시예에서 제어 유닛은, 서로 다른 회절 차수로 회절된 적어도 2개의 결합된 레이저 빔의 미리 정해진, 특히 상이한 출력을 생성하기 위해 간섭성 레이저 빔의 각각의 추가 위상을 조정하도록 설계된다. 특히 제어 유닛은, 미리 정해진, 특히 상이한 출력 또는 출력 분포를 시간에 따라 변경하기 위해, 그리드 배열체 내에 간섭성 레이저 빔의 각각의 그리드 위치의 배치에 따라 간섭성 레이저 빔 중 하나의 각각의 추가 위상을 변동시키도록 설계될 수 있다.
입력 출력은 각각의 결합된 레이저 빔으로 균일하게 분배될 수 있지만, 서로 다른 회절 차수로 결합된 적어도 2개의 레이저 빔으로 입력 출력의 미리 정해진 서로 다른 분할을 수행하고 이러한 분할을 경우에 따라서 시간적으로 변경하는 것도 가능하다.
0차 회절 차수로 회절된 결합된 제 1 레이저 빔과 제 1 방향으로 ±1차 회절 차수로 회절된 결합된 제 2 레이저 빔으로 간섭성 레이저 빔의 결합의 경우, 0차 또는 ±1차 회절 차수로 예를 들어 다음과 같이 입력 출력 ρ의 분할이 이루어질 수 있다: ρ0 = Cρ;ρ±1 = (1-C)ρ, 0 < C < 1. C = 1 또는 C = 0인 두 경우에, 0차 또는 ±1차 회절 차수로 회절된 하나의 결합된 레이저 빔만이 생성된다. C = 0.5인 경우 입력 출력ρ의 절반은 0차 회절 차수로 회절되고, 나머지 절반은 ±1차 회절 차수로 회절된다.
팩터 C로 위에 명시된 출력 분배를 생성하는, 제 1 방향으로 a번째 그리드 위치에서 각각의 간섭성 레이저 빔의 추가 위상에 대해 다음이 적용된다:
Δφa = ±C(2π/N)(a -(N+1)/2),
여기서 상기 방정식의 양의 부호의 경우 입력 출력 ρ의 일정 비율은 -1차 회절 차수로 회절되고, 상기 방정식의 음의 부호의 경우 입력 출력의 일정 비율은 +1차 회절 차수로 회절된다. 상기 방정식은 추가 위상 Δφa에 대해 위에서 명시된 방정식과 유사하게 2차원 경우로 일반화될 수 있으며, 추가 위상 Δφa,b에 대해 하기식이 주어진다:
Δφa,b = ±C(2π/N)(a-(N+1)/2)±C(2π/M)(b-(M+1)/2).
팩터 C는 일정하게 선택될 수 있거나 시간에 따라 변경될 수 있다. 후자의 경우에 장치는 편향기 또는 변조기 형태의 음향 광학 또는 전기 기계적 구성 요소의 방식으로 작동될 수 있다. 추가 위상에 대한 상기 식은 바로 인접한 2개의 회절 차수 사이에서 입력 출력이 분할되는 경우에 일반적으로 적용할 수 있다. +1차 회절 차수로 간섭성 레이저 빔의 회절이 이루어지도록 기본 위상이 조정되는 경우, +1차 회절 차수와 +2차 회절 차수 사이에서 입력 출력의 분할이 이루어진다.
결합된 2개 이상의 레이저 빔이 M개인 경우 분할은, 최대 출력 ρk,max를 갖는 결합된 제 1 레이저 빔이 k차 회절 차수로 회절되고, 최대 출력 ρk,max과 관련해서 감소한 출력을 갖는 나머지 M-1개의 결합된 레이저 빔은 나머지 M-1 회절 차수로 회절되는, 예를 들어 (선형) 출력 램프의 형태로 실현될 수 있다. 출력 쐐기 형태의 출력 분포에 대해 예를 들어 다음이 적용될 수 있다: a = 1, ..., M인, a/Mρk,max. 예를 들어 회절된 5개의 결합된 레이저 빔에 대해 최대 출력ρk,max의 비율은 100%, 80%, 60%, 40% 및 20%이다.
추가 실시예에서, 제 1 방향을 따라 배치된 복수의 그리드 위치에서 간섭성 레이저 빔이 나오고, 간섭성 레이저 빔과 마이크로렌즈 어레이는 하기 조건을 충족하고:
N = ρx 2 /(λL fE), (1)
여기서 N은 제 1 방향(X)을 따라 배치된 그리드 위치의 개수를 나타내고, ρx는 제 1 방향으로 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타내고, λL은 레이저 파장을 나타내며, fE는 마이크로렌즈 어레이의 (유효) 초점 거리를 나타낸다. 가장 간단한 경우에 마이크로렌즈 배열체는 동일한 초점 거리를 갖는 2개의 마이크로렌즈 어레이를 포함하고, 상기 마이크로렌즈는 그 초점 거리만큼 서로 떨어져 배치된다. 이러한 경우에 마이크로렌즈 배열체의 초점 거리는 2개의 마이크로 렌즈 어레이의 (공통의) 초점 거리와 일치한다.
짝수인 N개의 간섭성 레이저 빔이 한 방향을 따라 결합되어야 하는 경우, 일반적으로 빔 결합 장치에서 0차 회절 차수를 제거하는 것이 필요하다. 이를 위해, 상쇄 간섭을 통해 0차 회절 차수를 억제하는 위상 변이 소자 형태의 위상 변이 장치가 사용될 수 있거나, 마이크로렌즈 어레이 중 하나가 다른 마이크로렌즈 어레이에 대해 결합된 레이저 빔의 전파 방향에 대해 가로 방향 또는 횡방향으로 변위될 수 있으며, 이는 참조에 의해 전체적으로 본 명세서의 내용에 포함된 10 2018 211 971.6 또는 PCT/EP2019/069324호에 기술되어 있다. 기본적으로, 0차 회절 차수가 제거되도록 간섭성 레이저 빔의 각각의 위상을 조정하기 위해 위상 조정 유닛을 사용하는 것도 가능하다.
그리드 배열체 내에 추가로, 바람직하게 제 1 방향에 대해 수직인 제 2 방향으로 그리드 위치가 배치된 경우, 간섭성 레이저 빔과 마이크로렌즈 배열체는 일반적으로 다음 조건도 추가로 충족하고:
M = ρY 2 /(λL fE), (2)
여기서 M은 제 2 방향을 따라 배치된 그리드 위치의 개수를 나타내고, ρY는 제 2 방향으로 각각의 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타낸다.
발명자들은 결합된 레이저 빔으로 결합 시 상기 방정식(1) 또는 (2)가 충족되면, 개별 간섭성 레이저 빔의 빔 품질이 거의 완전하게 유지된다는 것을 인식하였다. 이 경우, 마이크로렌즈 배열체 또는 시준된 간섭성 레이저 빔으로 조사되는 이미징 균일화기는, 방정식 (1)이 충족되는 경우 동일한 강도의 N개의 회절 스폿을 갖는 회절 패턴을 생성한다는 사실이 활용된다(M. Zimmermann 외., "Refractive Micro-optics for Multi-spot and Multi-Iine Generation“, 레이저 정밀 미세 가공에 관한 제 9회 국제 심포지엄 LPM2008의 회보 참조). 발명자들은 이미징 균일화기를 통해 빔 경로를 역전시키는 것과 인용된 논문에서 회절 스폿이 생성되는 위치에 간섭성 레이저 빔이 나오는 또는 마이크로렌즈 배열체의 방향으로 방출되는 그리드 위치를 배치하는 것을 제안한다. 간섭성 레이저 빔이 (거의) 동일한 강도를 갖는 경우, 빔 방향의 반전 시 결합된 높은 빔 품질의 간섭성 레이저 빔이 생성된다.
물론, 방정식(1)이 실제로는 정확히 준수될 수 없다. 방정식(1)에서 벗어나는 경우, 중복된 레이저 빔의 빔 품질이 저하된다. 본 출원과 관련해서, 상기 방정식(1)의 우변이 방정식(1)의 좌변의 (정수) 값 N의 20%, 바람직하게는 10%, 특히 5%를 초과하지 않는 편차를 가지면, 즉, |N - ρx 2/(λL fE)| < 0.2, 바람직하게는 < 0.1, 특히 < 0.05이면, 상기 방정식(1)이 충족되는 것으로 간주된다. 방정식(2)에도 동일하게 적용되고, 즉, |M - ρy 2/(λL fE)| < 0.2, 바람직하게는 < 0.1, 특히 < 0.05이다.
마이크로렌즈 배열체는 적어도 3개의 마이크로렌즈 어레이를 가질 수 있고, 특히 DE 10 2018 211 971.6 또는 PCT/EP2019/069324에 설명된 바와 같이 (유효) 초점 거리(fE)를 조정하도록 설계될 수 있다. 결합에 사용되는 간섭성 레이저 빔의 개수 N 또는 M이 변경되고 방정식 (1) 또는 (2)가 여전히 충족되어야 하는 경우, 마이크로렌즈 배열체의 초점 거리 조정이 필요한데, 왜냐하면 방정식 (1) 또는 (2)의 다른 파라미터, 즉, 레이저 파장(λL)과 마이크로 렌즈의 그리드 간격(px 또는 py)은 쉽게 변경될 수 없기 때문이다.
가장 단순한 경우에, 마이크로렌즈 배열체의 각각의 마이크로렌즈 어레이는 별도의 멀티 렌즈 어레이 구성부로 구현된다. 그러나, 예를 들어 빔 경로는 반사 광학 소자에서 방향 전환되기 때문에, 빔 경로가 이 마이크로렌즈 어레이 구성부를 여러 번 통과함으로써, 빔 경로 내의 복수의 마이크로렌즈 어레이는 단일 마이크로렌즈 어레이 구성부로 구현될 수도 있다.
실시예에서 장치는, 제 1 방향으로 인접한 간섭성 레이저 빔을 미리 정해진 각도차 δθ로 마이크로렌즈 배열체 내로 인커플링하도록 설계되며, 상기 각도차에 대해 다음이 적용된다:
δθ = λL/ρx,
여기서 λL은 레이저 파장을 나타내고, ρx는 제 1 방향으로 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타낸다. 간섭성 레이저 빔을 결합된 레이저 빔으로 결합하기 위해 일반적으로, 인접한 간섭성 레이저 빔이 위에 명시된 각도차 δθ로 마이크로렌즈 배열체 내로 인커플링되는 것이 필수이거나 바람직하다. 이 조건을 충족하기 위해, 간섭성 레이저 빔이 나오는 그리드 위치들이 각각의 각도차 δθ로 서로 정렬될 수 있고, 예를 들어 원호에 등거리로 배치될 수 있다. 간섭성 레이저 빔의 포커싱은 이러한 경우에 예를 들어, 간섭성 레이저 빔 중 하나의 각각의 빔 경로에 배치된 개별 렌즈 또는 추가 마이크로렌즈 어레이에 의해 이루어질 수 있고, 그러나 경우에 따라서 이러한 렌즈의 제공은 생략될 수도 있다. 제 2 방향(Y)으로 인접한 간섭성 레이저 빔 사이의 각도차에도 동일한 조건이 적용되고, 즉, 다음이 적용된다: δθ = λL/ρy. |δθ - λL/ρx| < 0.2, 바람직하게는 < 0.1, 특히 < 0.05이면, 위에 명시되 조건을 충족하는 것으로 간주된다.
추가 실시예에서 장치는 간섭성 레이저 빔을 마이크로렌즈 배열체 내로 인커플링 하기 위한 인커플링 광학 수단을 구비하고, 상기 인커플링 광학 수단은 복수의 간섭성 레이저 빔을 마이크로렌즈 배열체로 포커싱하기 위한 적어도 하나의 포커싱 유닛, 특히 적어도 하나의 포커싱 렌즈를 갖는다. 이러한 경우에 간섭성 레이저 빔이 나오는 그리드 위치와 마이크로렌즈 배열체 사이에 배치된 인커플링 광학 수단이 사용된다. 간섭성 레이저 빔의 빔 경로가 위에 명시된 조건을 충족하기에 너무 긴 경우, 인커플링 광학 수단은 예를 들어 적어도 2개의 렌즈 형태의 절첩식 광학 수단을 가질 수 있다.
인커플링 광학 수단이 반드시 필요한 것은 아니지만, 예를 들어 레이저 시스템이나 장치의 설정 시 바람직할 수 있다. 특히, 인커플링 광학 수단은, 각도차 δθx 또는 δθy에 대한 위에 제시된 조건을 충족하는 데 이용될 수 있고, 이를 위해 간섭성 레이저 빔의 빔 출사 방향이 그리드 위치에서 서로 일정한 각도로 정렬되지 않아도 된다. 마이크로렌즈 배열체로부터 실질적으로 초점 거리에 배치되는 포커싱 렌즈(푸리에 렌즈)의 사용이 이를 위해 바람직한 것으로 입증되었다. 이러한 경우에 간섭성 레이저 빔은 실질적으로 서로 평행하게 정렬되어 포커싱 렌즈에 부딪힐 수 있고, 마이크로렌즈 배열체, 더 정확하게는 마이크로렌즈 어레이로 포커싱된다.
예를 들어 이러한 경우에 그리드 위치는 일렬로 배치될 수 있고, 즉, 간섭성 레이저 빔의 빔 출사 방향 또는 포인팅 벡터(poynting vector)는 서로 평행하게 정렬된다. 인커플링 광학 수단의 사용 또는 설계와 그리드 위치의 배치는, 예를 들어 사용되는 레이저 소스와 같은 기본 조건에 따라 다르다. 그리드 위치가 평행하게 연장되는 광섬유의 단부면을 형성하는 경우에, 예를 들어 인커플링 광학 수단의 사용이 제안된다.
개선예에서 제 1 방향으로 인접한 그리드 위치들이 제 1 라인을 따라 배치되고, 서로 간격 δx을 갖고, 상기 간격은, 
에 의해 주어지고, 여기서 λL은 레이저 파장을 나타내고, f2는 포커싱 유닛의 초점 거리를 나타내고, ρx는 제 1 방향으로 각각의 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타낸다. 레이저 빔이 평행하게 연장되는 경우에 그리드 위치는 일반적으로 공통의 방향 또는 라인을 따라 또는 (예를 들어 X 방향으로) 레이저 빔의 공통의 빔 전파 방향에 대해 수직으로 연장되는 라인을 따라 배치된다. 이러한 경우에 레이저 빔들 또는 그리드 위치들의 간격 δx는 일반적으로 위의 조건에 의해 정해진다. 다음이 적용되면, 위에 제시된 조건이 충족된 것으로 간주된다: |δx - λL f2/ρx| < 0.2, 바람직하게는 < 0.1, 특히 < 0.05.
포커싱 유닛이 초점 거리(f2)를 갖는 경우, 마이크로렌즈 배열체, 보다 정확하게는 마이크로렌즈 배열체의 제 1 마이크로렌즈 어레이는 바람직하게는 제 1 방향으로 다음과 같이 주어진 간격 L2만큼 포커싱 유닛으로부터 떨어져 배치된다: L2 = f2 - px2/(λL N) 또는 L2 = f2 - fE. 포커싱 유닛의 초점 거리(f2)로부터 px2/(λL N)만큼 마이크로렌즈 어레이의 간격 L2의 편차로 인해 모든 레이저 빔에 공통인 위상면의 일부 또는 마이크로렌즈 배열체에 충돌하는 레이저 빔의 공통 위상면 곡률은, 간섭성 레이저 빔이 마이크로렌즈 배열체 또는 이미징 균일화기 통과 시 결합된 단일 레이저 빔을 형성하는 방식으로 조정된다. 우변이 좌변과 5%를 넘지 않는, 바람직하게는 2%를 넘지 않는 편차를 갖는 경우에도, L2에 대한 조건은 충족되는 것으로 간주된다. 래스터 위치들이 2차원 배열로 배치된 경우, 제 2 방향으로 마이크로렌즈의 그리드 간격 py에 대해 유사하게 다음이 적용된다:L2′= f2 - py 2 /(λL M), 여기서 M은 제 2 방향으로 그리드 위치의 개수를 나타낸다. 제 2 방향으로 간격(L2')은 제 1 마이크로렌즈 어레이까지 측정되며, 상기 마이크로렌즈 어레이는 제 2 방향으로 빔 형성을 수행하므로 제 1 방향으로 간격(L2)과 다를 수 있다.
본 발명의 제 2 양상은 레이저 시스템에 관한 것으로, 시드 레이저 빔을 생성하기 위한 시드 레이저 소스 및 복수의 간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 전술한 장치를 포함하고, 상기 시드 레이저 빔은 바람직하게 장치의 입력 레이저 빔을 형성한다. 시드 레이저 소스는 바람직하게, 100 nm 미만, 특히 바람직하게는 50 nm 미만, 특히 10 nm 미만의 스펙트럼 대역폭 및 바람직하게는 공간 기본 모드로 시드 레이저 빔을 (단일 모드 레이저 빔) 생성하도록 설계된다. 시드 레이저 빔은 직접 또는 적절한 빔 안내 광학 소자를 통해 장치에 공급될 수 있다. 시드 레이저 빔은 전술한 장치에 입사하기 전에 적어도 하나의 광학 증폭기에서 증폭될 수 있다. 특히 이러한 경우에, 장치에서 개별 간섭성 레이저 빔을 증폭시키기 위해, 예를 들어 섬유 증폭기 형태의 증폭기를 제공하는 것은 경우에 따라서 완전히 생략될 수 있다. 장치에 입사하기 전에 시드 레이저 빔의 증폭으로 인해 경우에 따라 개별 간섭성 레이저 빔의 위상의 능동 조절이 생략될 수 있다. 이러한 경우에 각각의 위상 조정 유닛에서 정적인 - 또는 각각의 회절 차수의 의도한 변경을 위해 변동하는 - 위상이 조정될 수 있고, 상기 위상은 재조절되지 않아도 된다. 대안으로서, 입력 레이저 빔 자체는 아래에서 더 상세히 설명되는 결합된 레이저 빔일 수 있다.
실시예에서 레이저 시스템은 복수의 추가 간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 추가 장치를 더 포함하고, 상기 추가 장치는 시드 레이저 빔 또는 (추가) 입력 레이저 빔을 복수의 추가 간섭성 레이저 빔으로 분할하기 위한 추가 분할 유닛, 추가 간섭성 레이저 빔 중 하나의 각각의 위상을 조정하기 위한 복수의 추가 위상 조정 유닛, 추가 그리드 배열체의 복수의 추가 그리드 위치에서 나오는 추가 간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 추가 빔 결합 유닛 및 추가 제어 유닛을 포함하고, 상기 추가 빔 결합 유닛은 적어도 2개의 추가 마이크로렌즈 어레이를 가진 추가 마이크로렌즈 배열체를 구비하고, 상기 추가 제어 유닛은, 추가 간섭성 레이저 빔을 0차 회절 차수로 또는 0차가 아닌 회절 차수로 회절되며 장치의 분할 유닛의 입력 레이저 빔을 형성하는 레이저 빔으로 결합하기 위해, 추가 그리도 배열체 내에 각각의 추가 그리드 위치의 배치에 따라 추가 간섭성 레이저 빔 중 하나의 각각의 위상을 조정하도록 설계된다.
추가 장치의 추가 제어 유닛은 이러한 경우에, 더 위에서 제어 유닛과 관련해서 설명된 기본 위상이 조정됨으로써, 추가 간섭성 레이저 빔을 0차 회절 차수로 또는 0차가 아닌 회절 차수로 회절된 레이저 빔으로 결합하도록 설계 및 프로그래밍된다.
실시예에서 복수의 추가 간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 추가 장치는, 더 위에서 설명된 장치를 위한 입력 레이저 빔을 생성하는 데 사용된다. 추가 장치는 이러한 경우에, 시드 레이저 빔으로부터 장치의 입력 레이저 빔을 형성하는 증폭된 결합된 추가 레이저 빔을 형성한다. 이러한 경우에도 장치 내에, 특히 분할 유닛 이후의 빔 경로에 증폭기의 제공은 완전히 생략될 수 있다. 증폭된 입력 레이저 빔이 장치에 인커플링되기 때문에, 장치에서 능동 위상 조정 또는 위상 조절이 생략될 수 있으므로, 장치에서 적어도 하나의 결합된 레이저 빔의 편향은 위상 조절로 인해 지연되지 않는다. 추가 간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 추가 장치에 조절 회로에 의해 제공되는 위상 조정의 능동적 안정화는 이러한 경우에, 0차 회절 차수로만 안정화되면 되기 때문에 간단해진다.
본 발명의 다른 양상은 복수의 간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 전술한 방식의 방법에 관한 것으로, 간섭성 레이저 빔을 0차 회절 차수가 아닌 회절 차수로 회절된 적어도 하나의 레이저 빔으로 결합하기 위해 그리드 배열체 내에 각각의 그리드 위치의 배치에 따라 간섭성 레이저 빔 중 하나의 각각의 위상을 조정하는 단계 및/또는 적어도 하나의 결합된 레이저 빔이 회절되는 회절 차수를 변경하기 위해, 그리드 배열체 내에 각각의 그리드 위치의 배치에 따라 간섭성 레이저 빔의 각각의 위상을 변동시키는 단계를 포함한다. 위상 변동으로 인해 높은 동역학적 이산 스캐닝 과정이 한 방향 또는 2개의 방향으로 이루어질 수 있다.
상기 장치와 관련하여 더 위에서 전술한 바와 같이, 복수의 레이저 빔을 결합하기 위한 방법에서도, 제어된 빔 편향 또는 제어된 빔 분할을 수행하기 위해, 0차 또는 더 높은 회절 차수에서 빔 품질 면에서 최적화된 결합을 위한 간섭성 레이저 빔 사이의 기본 위상 또는 위상차에서 의도적으로 벗어날 수 있다. 개별 간섭성 레이저 빔의 적절하게 선택된 추가 위상으로 빔 편향 또는 빔 분할 시, 각각의 회절 차수에 대해 효율 손실이 발생하지 않는다. 개별 간섭성 레이저 빔의 추가 위상은 특히 레이저 시스템 또는 장치와 관련하여 더 위에서 제시된 Δφa 또는 Δφa,b에 대한 방정식을 충족할 수 있다. 기본 위상 δφa 또는 δφa,b도 일반적으로 장치와 관련하여 더 위에서 설명된 방정식을 충족한다.
추가 변형예에서 방법은, 빔 결합 유닛이 간섭성 레이저 빔을 0차 회절 차수로 또는 0차 회절 차수가 아닌 회절 차수로 회절된 하나의 레이저 빔으로 결합하는 각각의 기본 위상으로부터, 결합된 제 1 레이저 빔이 회절되는 제 1 회절 차수를 변경하기 위해 및/또는 결합된 제 2 레이저 빔이 회절되는 제 2 회절 차수를 변경하기 위해 간섭성 레이저 빔의 각각의 추가 위상을 변동시키는 단계를 포함한다. 전술한 바와 같이, 위상 변동으로 인해 2개, 3개 또는 경우에 따라서 그 이상의 (최대 N 또는 N x M개) 결합된 레이저 빔이 생성되고 및/또는 최대 N-1 또는 최대 (N-1)x(M -1)개의 결합된 레이저 빔의 위치 또는 정렬이 변경될 수 있는 높은 동역학적 빔 분할이 실현될 수 있다. 물론, 결합된 단일 레이저 빔과 관련하여 전술한 스캐닝 과정은 2개 이상의 결합된 레이저 빔으로 분할과도 조합될 수 있다.
다른 변형예에서 방법은, 빔 결합 유닛이 간섭성 레이저 빔을 0차 회절 차수로 또는 0차 회절 차수가 아닌 회절 차수로 회절된 하나의 레이저 빔으로 결합하는 각각의 기본 위상으로부터, 서로 다른 회절 차수로 회절된 적어도 2개의 결합된 레이저 빔의 미리 정해진, 특히 상이한 출력을 생성하기 위해 간섭성 레이저 빔의 각각의 추가 위상을 조정하는 단계를 포함한다. 장치와 관련하여 전술한 바와 같이, 입력 출력은 2개 이상의 결합된 레이저 빔으로 균일하게 분배될 수 있지만, 복수의 결합된 레이저 빔으로 균일한 분배에서 의도적으로 벗어나는 것도 가능하다.
전술한 바와 같이, 간섭성 레이저 빔과 마이크로렌즈 배열체가 위에 명시된 조건 N =ρx 2/(λL fE) 또는 M =ρY 2/(λL fE)을 충족하는 경우에 바람직하다(이 경우 동일한 초점 거리 fE가 전제됨). 인접한 간섭성 레이저 빔이 미리 정해진 각도차 δθx 또는 δθy로 마이크로렌즈 어레이 내로 인커플링되는 경우에도 바람직하며, 이에 대해 다음이 적용된다:δθx = λL/ρx 또는 δθy = λL/ρy.
본 발명의 추가 장점은 상세한 설명 및 도면에 제시된다. 또한 위에서 언급된 특징과 계속해서 추가로 제시되는 특징들은 각각 그 자체로 또는 여러 임의의 조합으로도 이용될 수 있다. 도시되고 설명된 실시예들은 최종 목록으로서 이해되어서는 안 되며, 오히려 본 발명의 설명을 위한 예시적인 특성을 갖는다.
도 1a 내지 도 1c는 복수의 광섬유 증폭기에서 증폭되는 복수의 간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 장치를 포함하는 레이저 시스템의 개략도.
도 1b는 증폭된 시드 레이저 빔이 장치에 공급되는 도 1a와 유사한 레이저 시스템의 개략도.
도 1c는 시드 레이저 빔을 증폭시키는 데 이용되는 간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 추가 장치를 포함하는, 도 1b와 유사한 레이저 시스템의 개략도.
도 2는 2개의 마이크로렌즈 어레이를 가진 마이크로렌즈 배열체 및 인커플링 광학 수단을 포함하는, 도 1a 내지 도 1c의 레이저 시스템의 빔 결합 유닛을 도시한 도면.
도 3a 및 도 3b는 회절된 단일 레이저 빔을 생성하기 위한 각각 연관된 추가 위상을 갖는 5개의 간섭성 레이저 빔의 1차원 배치를 도시한 도면.
도 4a 및 도 4b는 도 3a 및 3b에 도시된 위상의 사용 시 빔 결합 유닛의 원거리장을 도시한 도면.
도 5a 및 도 5b는 결합된 레이저 빔이 2개의 서로 다른 회절 차수로 회절되도록, 간섭성 레이저 빔의 위상이 선택된 도 2의 빔 결합 유닛의 원거리장을 도시한 도면.
도 6a 내지 도 6c는 각각의 2차원 그리드 배열체 내에 그리드 위치들이 배치된 3개의 빔 결합 유닛을 도시한 도면.
도 7은 단일 또는 복수의 회절된 레이저 빔을 생성하기 위한 각각 연관된 추가 위상을 갖는 간섭성 레이저 빔의 5 x 5의 2차원 배치를 도시한 도면.
도 8은 결합된 레이저 빔이 정확히 하나의 회절 차수로 회절되도록 위상이 선택된 빔 결합 유닛의 원거리장을 도시한 도면.
도 9는 2개의 결합된 레이저 빔이 2개의 서로 다른 회절 차수로 회절되도록 위상이 선택된 빔 결합 유닛의 원거리장을 도시한 도면.
도 1b는 증폭된 시드 레이저 빔이 장치에 공급되는 도 1a와 유사한 레이저 시스템의 개략도.
도 1c는 시드 레이저 빔을 증폭시키는 데 이용되는 간섭성 레이저 빔을 결합하기 위한 추가 장치를 포함하는, 도 1b와 유사한 레이저 시스템의 개략도.
도 2는 2개의 마이크로렌즈 어레이를 가진 마이크로렌즈 배열체 및 인커플링 광학 수단을 포함하는, 도 1a 내지 도 1c의 레이저 시스템의 빔 결합 유닛을 도시한 도면.
도 3a 및 도 3b는 회절된 단일 레이저 빔을 생성하기 위한 각각 연관된 추가 위상을 갖는 5개의 간섭성 레이저 빔의 1차원 배치를 도시한 도면.
도 4a 및 도 4b는 도 3a 및 3b에 도시된 위상의 사용 시 빔 결합 유닛의 원거리장을 도시한 도면.
도 5a 및 도 5b는 결합된 레이저 빔이 2개의 서로 다른 회절 차수로 회절되도록, 간섭성 레이저 빔의 위상이 선택된 도 2의 빔 결합 유닛의 원거리장을 도시한 도면.
도 6a 내지 도 6c는 각각의 2차원 그리드 배열체 내에 그리드 위치들이 배치된 3개의 빔 결합 유닛을 도시한 도면.
도 7은 단일 또는 복수의 회절된 레이저 빔을 생성하기 위한 각각 연관된 추가 위상을 갖는 간섭성 레이저 빔의 5 x 5의 2차원 배치를 도시한 도면.
도 8은 결합된 레이저 빔이 정확히 하나의 회절 차수로 회절되도록 위상이 선택된 빔 결합 유닛의 원거리장을 도시한 도면.
도 9는 2개의 결합된 레이저 빔이 2개의 서로 다른 회절 차수로 회절되도록 위상이 선택된 빔 결합 유닛의 원거리장을 도시한 도면.
도면의 이하 설명에서 동일하거나 기능적으로 동일한 부품에 동일한 참조 번호기 사용된다.
도 1a는 시드 레이저 빔(2a)을 생성하기 위한 레이저 소스(2)를 구비한 레이저 시스템(1)의 예시적인 구조를 도시한다. 이를 위해, 레이저 소스(2)는 레이저 파장(λL)을 갖는 시드 레이저 빔(2a)을 생성하는 모드-고정 광섬유 마스터 발진기를 구비한다. 레이저 소스(2)의 시드 레이저 빔(2a)은 입력 레이저 빔(9)으로서 N개의 간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, ..., 3.N)을 결합하기 위한 장치(5)에 공급된다. 장치(5)는 시드 레이저 빔(2a)에 대응하는 입력 레이저 빔(9)을 N개의 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)으로 분할하기 위한, 예를 들어 광섬유 스플리터 형태의 기존의 1:N 분할 유닛(4)을 갖는다. 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)은 대응하는 개수 N의 위상 조정 유닛(6.1, ..., 6.N)를 통과하고, 상기 위상 조정 유닛은 적절한 위상 지연을 야기함으로써, 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 각각의 개별 위상(δφa + Δφa) (a = 1, ..., N)의 조정을 가능하게 한다. 위상 조정 유닛(6.1, ..., 6.N)은 예를 들어 액정을 사용하는 전기 광학 변조기 또는 편향기로서, 음향 광학 변조기 또는 편향기로서, 예를 들어 전기 기계적 변조기 또는 편향기로서, 예를 들어 작동 가능한 압전 미러 등의 형태로 설계될 수 있다.
위상 조정 유닛(6.1, ..., 6.N) 이후에 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)은, 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 증폭시키기 위해 대응하는 개수(N)의 광섬유 증폭기(7.1, ..., 7.N)를 통과한다. 광섬유 증폭기(7.1, ... 7.N)의 단부면은 방출 표면으로서 이용되고 또는 이들은 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)이 방출되는 그리드 위치(8.1, ..., 8.N)를 형성한다. 위상 조정 유닛(6.1, ..., 6.N)은 증폭기 광섬유(7.1, ..., 7.N) 뒤에도 배치될 수 있거나, 예를 들어 상기 위상 조정 유닛이 광섬유 증폭기(7.1, ..., 7.N)에 조정 가능한 기계적 응력을 생성함으로써, 광섬유 증폭기(7.1, ..., 7.N)에 직접 작용할 수도 있다.
필팩터를 높이기 위해, 즉, 인접한 레이저 빔(3.1, ..., 3.N) 또는 그리드 위치(8.1, ..., 8.N) 사이의 간격을 줄이기 위해, 복수의 편향 미러를 가진 도시되지 않은 편향 장치에서 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)이 편향될 수 있다. 물론, 편향 장치가 반드시 필요한 것은 아니다. 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)은 도시된 예에서 서로 평행하게 정렬되어 빔 결합 유닛(10) 내로 입사하며, 상기 빔 결합 유닛은 결합된 레이저 빔(12) 또는 결합된 복수의 레이저 빔들(12a, 12b; 도 1a에 도시되지 않음)의 형성을 위한 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 간섭 결합을 위해 2개의 마이크로렌즈 어레이(17a, 17b)를 가진 마이크로렌즈 배열체(11) 또는 이미징 균일화기를 포함한다.
도 1a에서 볼 수 있는 바와 같이, 결합된 레이저 빔(12)의 부분(12a)은 반투과 미러(13) 형태의 아웃커플링 장치를 통해 아웃커플링되고, 예를 들어 센서 어레이 또는 카메라 형태의 공간 분해 검출기(14)에 부딪힌다. 검출기(14)는 레이저 시스템(1)의 제어 유닛(15)에 신호 기술적으로 연결되고, 상기 제어 유닛은, 결합된 레이저 빔(12)의 검출된 부분(12a)의 특성에 따라 레이저 빔(3.1, ...., 3.N)의 개별 위상(δφa + Δφa)을 맞추기 위해, 위상 조정 유닛(6.1, ..., 6.N)을 제어한다. 제어 유닛(15)은 특히 결합된 레이저 빔(12)의 검출된 부분(12a)의 특성에 따라 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 소정의(설정-) 위상(δφa + Δφa)을 발생시키기 위해 위상 조정 유닛(6.1, ..., 6.N)을 조정할 수 있다.
도시된 예에서 위상 조정 유닛(6.1, ..., 6.N)의 개수 N은 N개의 복수의 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)에 대응하지만, 일반적으로 N-1개의 위상 조정 유닛(6.1, ..., 6.N-1)이면 충분하다. 도 1a에 도시된 레이저 시스템(1)에서, 한편으로는 결합된 레이저 빔(12)의 예를 들어 M = 1.3의 높은 빔 품질이 달성될 수 있고, 다른 한편으로 광섬유 증폭기(7.1, ..., 7.N)에서 증폭에 의해 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 출력의 현저한 증가가 달성될 수 있다.
도 1b는 레이저 시스템(1)을 도시하고, 상기 레이저 시스템은 실질적으로, 장치(5)에서 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)이 복수의 광섬유 증폭기(7.1, ..., 7.N) 또는 다른 광학 증폭기에 의해 증폭되지 않는다는 점에서 도 1a에 도시된 레이저 시스템(1)과 다르다. 도 1b에 도시된 레이저 시스템(1)에서 오히려 시드 레이저 빔(2a)이 광섬유 증폭기(7)에서 증폭된다. 증폭된 시드 레이저 빔(2a)은 입력 레이저 빔(9)으로서 장치(5)에 공급된다. 도 1b의 장치(5)는 도 1a에 도시된 장치(5)와 유사하게 설계되지만, 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 그리드 위치(8.1, ..., 8.N)가 (도 1b에 존재하지 않는) 광섬유 중폭기(7.1, ..., 7.N)의 단부면에 형성되는 것이 아니라, 도 1b에 추가 마이크로렌즈 배열체로서 형성된 분할 유닛(4)의 제 2 마이크로렌즈 어레이의 빔 경로 내에, 즉, 분할 유닛(4)은 제 2 추가 마이크로렌즈 어레이(17'b)의 원거리장 내에 형성되는 점에서 다르다.
초점면에 있는 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 그리드 위치(8.1, ..., 8.N)는 인접한 그리드 위치들(8.1, ..., 8.N)이 서로 동일한 간격을 갖는, 즉, 등거리로 배치된 그리드 배열체(16)를 형성한다.
위상 조정 유닛(6.1, ..., 6.N)은 도 1b에 도시된 장치(1)에서, 자유 빔 전파 시 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 위상(δφa + Δφa)을 조정하도록 설계된다. 위상 조정 유닛(6.1, ..., 6.N)은 예를 들어 전기 광학 또는 음향 광학 변조기 또는 편향기일 수 있다. 도 1b에 도시된 장치(5)에서 제어 유닛(15)은 마찬가지로, 위상 조정 유닛(6.1, ..., 6.N)을 제어하는 데 이용된다. 도 1a와 관련해서 전술한 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 위상(δφa + Δφa)의 능동 조절은 도 1b에 도시된 장치(5)에서 적어도 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 빔 출력이 너무 크지 않은 경우 생략될 수 있고, 즉, 제어 유닛(15)은 위상 조정 유닛(6.1, ..., 6.N)에서 (정적) 설정 위상(δφa + Δφa)을 조정할 수 있고, 이 경우 재조정은 불필요하다. 능동 위상 조정 또는 조절이 필요하지 않기 때문에, 장치(5)에서는 도 1a에 도시된 장치(5)에서보다 결합된 레이저 빔(들)(12, 12a, 12b)의 더 신속한 편향이 이루어질 수 있다.
도 1c는 도 1b에서와 같이 설계된 레이저 시스템(1)을 도시하며, 이 경우 도 1c의 레이저 시스템은 시드 레이저 빔(2a)을 증폭시키기 위해 도 1b에 도시된 증폭기(7) 대신에 N개의 복수의 추가 레이저 빔(3.1', ..., 3.N')을 결합하기 위한 추가 장치(5')를 구비하고, 상기 추가 장치는 도 1a에 도시된 장치(5)와 유사하게 설계된다. 추가 장치(5')에는 입력 레이저 빔(9')으로서 시드 레이저 빔(2a)이 공급되고 추가 1:N 분할 유닛(4')에 의해 N개의 추가 간섭성 레이저 빔(3.1'..., 3.N')으로 분할된다. N개의 추가 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)은 대응하는 N개의 추가 위상 조정 유닛(6.1', ..., 6.N')을 통과하고, 상기 위상 조정 유닛은 적절한 위상 지연을 야기함으로써, 추가 간섭성 레이저 빔(3.1', ..., 3.N')의 각각의 개별(기본-) 위상(δφa)의 조정을 가능하게 한다.
추가 위상 조정 유닛(6.1', ..., 6.N') 이후에 추가 간섭성 레이저 빔(3.1', ..., 3.N')은, 추가 간섭성 레이저 빔(3.1', ..., 3.N')을 증폭시키기 위해, 대응하는 N개의 추가 광섬유 증폭기(7.1', ..., 7.N')를 통과한다. 추가 광섬유 증폭기(7.1', ..., 7.N')의 단부면은 방출 표면으로서 이용되고 또는 이들은 추가 간섭성 레이저 빔(3.1' , ..., 3.N')이 방출되는 추가 그리드 위치(8.1', ..., 8.N')를 형성한다. 추가 간섭성 레이저 빔(3.1', ..., 3.N')의 개별 위상(δφa)은 추가 제어 유닛(15')에 의해 제어되고 또는 추가 검출기(14')의 검출기 신호에 의존해서 조절되며, 상기 검출기는 추가 아웃커플링 장치(13')에서 아웃커플링되며 추가 장치(5')에 결합된 추가 레이저 빔(12')의 부분(12a')을 검출한다.
도 1c에 도시된 추가 장치(5')의 제어 유닛(15')은, 추가 간섭성 레이저 빔(3.1', ..., 3.N')이 0차 회절 차수로 회절된 레이저 빔(12')으로 결합되도록, 각각의 추가 레이저 빔(3.1', ..., 3.N')에 연관된 추가 그리드 위치(8.1', .., 8.N')의 배치에 따라 추가 간섭성 레이저 빔(3.1', ..., 3.N')의 개별(기본-) 위상(δφa)을 조정하도록 설계 및 프로그래밍된다. 결합된 레이저 빔(12')은 도 1b에 도시된 바와 같이 설계된 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 결합하기 위한 장치(5)를 위한 입력 레이저 빔(9)을 형성한다. 추가 장치(5')에서 시드 레이저 빔(5)의 증폭으로 인해, 도 1b에서와 같이 장치(5)에서 입력 레이저 빔(9)의 증폭이 생략될 수 있다.
도 2는 예를 들어 N = 3인 3개의 간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)을 결합하기 위한 도 1a 내지 도 1c의 장치(5)와 유사한 빔 결합 유닛(10)을 도시한다. 빔 결합 유닛(10)은 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이(17a, 17b)를 가진 마이크로렌즈 배열체(11) 및 인커플링 광학 수단(18)을 구비한다. 도 2에 마찬가지로 3개의 위상 조정 유닛(6.1, 6.2, 6.3)이 도시되고, 상기 위상 조정 유닛은, 가급적 빔 품질의 완전한 유지 하에 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)이 결합된 레이저 빔(12)으로 간섭 결합하는 것을 가능하게 하는 마이크로렌즈 배열체(11)에 인커플링 광학 수단(18)과 조합하여 위상면이 형성되는 방식으로, 3개의 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)의 위상(δφ1 + Δφ1, δφ2 + Δφ2, δφ3 + Δφ3)을 조정한다. 그리드 위치(8.1, 8.2, 8.3)는 이 경우 X 방향으로 라인을 따라 배치되고, 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)은 균일한 확산 방향(Z 방향)을 따라 평행하게 정렬되어 인커플링 광학 수단(18) 내로 입사한다.
그리드 위치(8.1, 8.2, 8.3) 또는 간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)은 이 경우 등거리로, 즉, X 방향을 따라 동일한 간격(δx)으로 배치된다. 인커플링 광학 수단(18)은, 미리 정해진 각도차(δθ)로 인접하는 간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)을 마이크로렌즈 배열체(11) 또는 마이크로렌즈 어레이(17) 내로 인커플링하도록 설계되며, 상기 각도차에 대해 다음이 적용된다: δθ = λL/ρx, 여기서 λL은 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)의 (균일한) 파장을 나타내고, ρx는 X 방향으로 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a, 17b)의 마이크로렌즈(20a, 20b)의 그리드 간격(피치)을 나타낸다.
각도차(δθx)를 형성하기 위해, 인커플링 광학 유닛(18)은 포커싱 렌즈(19), 더 정확하게는 원통형 렌즈 형태의 포커싱 유닛을 가지며, 상기 포커싱 유닛은 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)을 마이크로렌즈 배열체(11)로, 더 정확하게는 마이크로렌즈 배열체(11)의 제 1 마이크로렌즈 어레이(17a)로 포커싱한다. 각도차(δθ)의 조건을 충족하기 위해, 도 2에 도시된 예에서 그리드 위치(8.1, 8.2, 8.3)는 1차원 그리드 배열체(16) 내에 간격(δx)만큼 떨어져 배치되고, 상기 간격은 δx =λL f2/ρx에 의해 주어지며, 여기서 f2는 포커싱 렌즈(19)의 초점 거리를 나타내고, 상기 포커싱 렌즈는 도 2에서 마이크로렌즈 배열체(11)로부터 초점 거리(L2)만큼 떨어져 배치된다. 도시된 예에서 간격(L2)에 대해 다음이 적용된다: f2-ρx 2/(N λL). 인커플링 광학 수단(18)이, 예를 들어 DE 10 2018 211 971.6호 또는 PCT/EP2019/069324호에 기술된 추가 광학 수단을 포함하는 경우, 간격(L2)는 포커싱 렌즈(19)의 초점 거리(f2)와도 일치한다. 즉, L2 = f2이다.
공통의 라인에 배치에 대한 대안으로서, 그리드 위치(8.1, 8.2, 8.3)는 1차원 그리드 배열체(16)에서 X 방향으로 연장되는 원호에 배치될 수도 있다. 이 경우, 각각의 그리드 위치(8.1, 8.2, 8.3)에서 간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)은 각각의 각도차(δθ = λL /ρx)로 서로 정렬된다.
그리드 위치(8.1, 8.2, 8.3)에서 나오는 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)의 강도가 동일한 크기라는 전제하에, 마이크로렌즈 배열체(11) 및 결합된 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)이 하기 방정식(1)을 충족하면, 마이크로렌즈 배열체(11)에 의해 도 2에 도시된 중첩된 간섭성 레이저 빔(12)이 생성될 수 있다:
여기서 N은 간섭성 레이저 빔의 개수(N)를 나타내고(여기서 N=3), fE는 마이크로렌즈 배열체(11)의 초점 거리를 나타낸다. 편차는 결합된 레이저 빔(12)의 빔 품질을 저하시키기 때문에, 방정식(1)은 가능한 한 정확하게 준수되어야 한다.
도시된 예에서 제 1 마이크로렌즈 어레이(17a)의 마이크로렌즈(20a)는 제 1 초점 거리(fa)를 갖고, 제 2 마이크로렌즈 어레이(17b)의 마이크로렌즈(20b)는 제 2 초점 거리(fb)를 가지며, 이 경우 fa=fb이다. 도시된 예에서 2개의 마이크로렌즈 어레이(17a, 17b)는 간격(d)만큼 서로 떨어져 배치되고, 상기 간격은 마이크로렌즈 배열체(11)의 결과되는 초검 거리(fE)와 초점 거리(fa 또는 fb)에 해당한다.
그리드 위치(8.1, 8.2, 8.3)에서 나오는 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)은 도시된 예에서 단일 모드 빔이고, 즉, 상기 레이저 빔은 각각 가우시안 프로파일을 갖는다. 대안으로서 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)은 경우에 따라서 공간 간섭성의 정도가 감소한 다른 빔 프로파일, 예를 들어 도넛형 빔 프로파일 또는 탑햇(top hat) 빔 프로파일을 가질 수 있다. 마이크로렌즈 배열체(11)에서 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)으로부터 더 큰 반폭값을 갖는 대응하는 가우시안 프로파일을 갖는 결합된 레이저 빔(12)을 형성하기 위해, 위상면 또는 개별(입사각 θ에 의존하는) 기본 위상(δφa)을 갖는 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)이 마이크로렌즈 배열체(11)로 방사되어야 하고, 상기 기본 위상은 다음과 같이 표시된다:
여기서 ρ는 각각의 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 그리드 간격을 나타내고, fE는 마이크로렌즈 배열체의 초점 거리를 나타내며, λL은 레이저 파장을 나타낸다. 실행 인덱스 ma에 대해 다음이 적용된다: 
기본 위상(δφa)에 대한 위에 제시된 방정식은, 분할 유닛(4)이 도 1a에서와 같이 광섬유 스플리터 또는 다른 광학 장치로 설계된 경우에 적용된다. 2개의 추가 마이크로렌즈 어레이(17'a, 17'b)를 갖는 추가 마이크로렌즈 배열체로서 설계된 도 1b에 도시된 분할 유닛(4)의 특수한 경우에 대해, 기본 위상(δφa)에 대한 상기 방정식에 주어진 값은 두 배가 된다.
기본 위상(δφa)은 개별 간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)마다 상이하고 따라서 위상 조정 유닛(6.1, 6.2, 6.3)에 의해 조정되고, 기본적으로 가능하더라도 인커플링 광학 수단(18)의 하나 이상의 광학 소자에 의해 조정되지 않는다.
도 2에 도시된 바와 같이 레이저 빔(12)이 Z 방향을 따라 전파되는 0차 회절 차수(B0)로 결합된 레이저 빔(12)을 회절시키지 않고, 레이저 빔(12)이 Z 방향에 대해 일정한 각도로 전파되는 (적어도) 0차 회절 차수(Bo)가 아닌 회절 차수(Bk,x)로 (X-방향으로) 결합된 레이저 빔을 회절시키기 위해, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 장치(5)에서는 간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2, 3.3)의 기본 위상에 대한 위에 명시된 조건(δφa)에서 의도적으로 벗어난다. 이와 달리 도 1c에 도시된 추가 장치(5')에서는, 결합된 레이저 빔(12')을 0차 회절 차수(B0)로 회절시키기 위해, 추가 레이저 빔(3.1', ..., 3.N')의 기본 위상(δφa)이 위에 명시된 조건에 따라 조정된다.
X 방향으로 0차 회절 차수가 아닌 회절 차수(Bk,x)로 레이저 빔(12)의 회절을 위해 a번째 그리드 위치 (8.1 , ..., 8.N)(a = 1 , ..., N)에서 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 각각의 추가 위상(Δφa)을 조정해야 하고, 이는 다음에 의해 주어진다:
이 경우 N은 위에서와 마찬가지로 1차원 그리드 배열체(16)에 공통의 라인에 X 방향으로 배치된 그리드 위치(8.1, ..., 8.N)의 개수를 나타내고, Bk,x는 양 또는 음의 정수를 나타낸다. 결합된 레이저 빔(12)이 회절될 수 있는 회절 차수 Bk,x (0차 회절 차수 B0 포함)의 개수 N은 X 방향으로 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 개수와 같고, 즉, k = -(N-1)/2, ... ,+(N-1)/2가 성립한다. 0차 회절 차수로 간섭 중첩을 위해 위에 명시된 기본 위상(δφa)에 각각의 추가 위상(Δφa)이 가산된다.
계속해서 예시적으로 설명되는 5개의 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.5)의 경우, 레이저 빔(12)이 회절될 수 있는 0차 회절 차수(B0)가 아닌 회절 차수(Bk,x)에 대해 B-2,x = -2, B-1,X = -1, B+1,x = +1 및 B+2,x = +2가 적용된다. 도 3a 및 도 3b에서 5개의 레이저 빔(3.1, ..., 3.5)에 대해 각각의 개별 추가 위상(Δφ1, ..., Δφ5)이 지정되며, 상기 추가 위상은 -1차 회절 차수(B-1,x)(도 3a) 또는 +2차 회절 차수(B+2,x)(도 3b)로 결합된 레이저 빔(12)의 회절을 야기한다. 빔 결합 유닛(10)에 의해 생성된 관련 원거리장(각도 분포)은 도 4a 및 도 4b에 도시된다.
레이저 빔(3.1, ..., 3.5)의 (개별) 추가 위상(Δφa)을 조정하기 위해 위상 조정 유닛(8.1, 8.2, 8.3)은, a번째 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)에 대해 각각 정확한 추가 위상(Δφa)을 제공하도록 제어 유닛(15)에 의해 제어된다.
도 3a에 도시된 예에서, 즉, N개(N = 5)의 레이저 빔(3.1, ..., 3.5) 및 X 방향으로 -1차 회절 차수(B-1,x)로 회절된 레이저 빔(12)의 경우, 조정될 5개의 추가 위상(Δφ1, ..., Δφ5)에 대해 다음이 적용된다:
+2차 회절 차수(B+2,x)로 레이저 빔(12)의 회절을 필요로 하는 추가 위상((Δφ1, ..., Δφ5)은 상응하게 조정되고 도 3b에 도시된다.
결합된 레이저 빔(12)이 서로 다른 회절 차수(Bk,x) 사이에서 왕복 스위칭되는 이산 스캐닝 과정을 실현하기 위해, 제어 유닛(15)이 (신속하게 스위칭될 수 있는) 위상 조정 유닛(6.1, ..., 6.N)에 작용함으로써, 상기 제어 유닛은 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 각각의 추가 위상(Δφa)을 변동시킬 수 있다. 도 3a에 도시된 추가 위상(Δφ1, ..., Δφ5) 대신 도 3b에 도시된 추가 위상(Δφ1, ..., Δφ5)이 조정됨으로써, 예를 들어, X 방향으로 -1차 회절 차수(B-1,x)로부터 X 방향으로 +2차 회절 차수(B+2,x)로 레이저 빔(12)이 이동될 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 원거리장이 이미징 광학 수단, 예를 들어 빔 형성 유닛(10)의 부분인 렌즈에 의해 이미징되면, 각도 분포는 공간 분포로 변환된다. 이러한 방식으로, 결합된 레이저 빔(12)의 조정 가능한 빔 오프셋이 생성될 수 있고, 즉, 레이저 빔(12)은 회절 차수(Bk,x)에 따른 소정의 간격으로 X 방향으로 광학 축에 대해 오프셋될 수 있고, 상기 광학 축은 빔 형성 유닛(10)의 중앙에서 Z 방향으로 연장된다. 레이저 빔(12)은 이 경우 특히 초점면에 있는 (가변) 초점 위치에서 포커싱될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 5개의 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.5)이 제 1 회절 차수(Bk,x,1)로 회절된 제 1 레이저 빔(12a) 및 제 2 회절 차수(Bk,x,2)로 회절된 제 2 레이저 빔(12b)으로 결합되는 빔 결합 유닛(10)의 원거리장을 도시한다. 이를 위해, 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.5)의 추가 위상(Δφ1, ..., Δφ5)도 적절하게 조정된다. 제어 유닛(15)에서 실행되거나 이미 사전에 수행된 반복 최적화 알고리즘은 추가 (절대) 위상(Δφ1, ..., Δφ5)을 조정하는 데 이용될 수 있다. 일반적으로 특정 가공 공정, 예를 들어 레이저 절단 공정, 레이저 용접 공정, 레이저 마킹 공정, 적층 가공 등에 적합한 위상들은 제어 유닛(15) 자체에 또는 여기에 연결되어 있는 전자 메모리에 데이터 세트 또는 테이블 형태로 저장되어 있고 또는 이것은 조작자에 의해 미리 정해진다.
도 5a에 도시된 예에서, 추가 위상(Δφ1, ..., Δφ5)은, 도 4a에서와 같이 제 1 레이저 빔(12a)이 -1차 회절 차수(B-1,x,1)로 회절되도록 및 추가로 제 2 레이저 빔(12b)이 0차 회절 차수(B0)로 회절되도록 선택된다. 도 5b에 도시된 예에서 제 1 레이저 빔(12a)은 도 4b에 도시된 바와 같이 -1차 회절 차수(B-1,x,1)로 회절되는 한편, 제 2 레이저 빔(12b)은 +2차 회절 차수(B+2,x,2)로 회절된다.
제 1 및 제 2 레이저 빔(12a, 12b)의 강도 또는 출력은 도시된 예에서 동일한 크기일 수 있으며, 즉, 시드 레이저 소스에 의해 생성된 출력은 2개의 레이저 빔(12a, 12b)에 동일하게 분포된다. 도 5a에서 추가 위상(Δφa)에 대한 위에 명시된 조건이 준수될 때, 빔 결합 유닛(10) 내로 인커플링되는 입력 출력(ρ)은 0차 회절 차수로 회절된 레이저 빔(12b)과 -1차 회절 차수로 회절된 레이저 빔(12a)으로 균등하게(50:50) 분할되고, 즉, ρ-1 = ρ0 = ρ/2가 적용된다.
그러나, 각각의 회절 차수(Bk,x,1, Bk,x,2)로 회절된 입력 출력(ρ)의 비율을 균일한 분포에서 의도적으로 벗어나도록 조정하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 5a에 도시된 예에서, 입력 출력(ρ)의 80%의 비율은 -1차 회절 차수로 회절되고, 입력 출력(ρ)의 20%의 비율은 0차 회절 차수로 회절될 수 있다. 즉, ρ-1 = 0.8ρ, ρ0 = 0.2ρ가 적용된다. 일반적으로 입력 출력(ρ)은 예를 들어 다음과 같이 0 또는 ±1차 회절 차수로 분할될 수 있다: ρ0 = Cρ;ρ±1 = (1 - C)ρ, 0 < C < 1.
팩터 C에 의해 명시된 출력 분할을 생성하는 X 방향으로 a번째 그리드 위치(8.1, ..., 8.N)에서 각각의 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 추가 위상(Δφa)에 대해 하기식이 적용된다:
분할 팩터(C)는 제어 유닛(15)에 의해 일정하게 선택되거나 시간에 따라 변경될 수 있다. 후자의 경우에, 장치(5)는 (음향 광학 또는 전기 광학) 변조기 또는 편향기의 방식으로 작동될 수 있다.
2개 이상의 결합된 레이저 빔(12a, 12b...)의 개수가 M개일 때 분할은 예를 들어, 결합된 제 1 레이저 빔이 k차 회절 차수로 최대 출력(ρk,max)으로 회절되고 나머지 M-1개의 결합된 레이저 빔은 나머지 M-1 차 회절 차수로 최대 출력(ρk,max)과 관련해서 감소한 출력으로 회절되는 (예를 들어 선형) 출력 램프 형태로 실현될 수 있다. 출력 쐐기 형태의 출력 분배에 대해 예를 들어 다음이 적용될 수 있다: a = 1 , ..., M인, a/Mρk,max. 회절된 5개의 결합된 레이저 빔의 예에서 최대 출력(ρk,max)의 100%, 80%, 60%, 40% 및 20%가 얻어진다.
또한 도 5a 및 도 5b에 도시된 예에서도 제어 유닛(15)은, 제 1 레이저 빔(12a)이 회절되는 제 1 회절 차수(Bk.x.1) 및 제 2 레이저 빔(12b)이 회절되는 제 2 회절 차수(Bk,x,2)를 변경하도록 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 추가 위상(Δφ1, ..., Δφ5)을 조정하기 위해, 위상 조정 유닛(6.1, ..., 6.N)에 작용할 수 있다. 예를 들어, 추가 위상(Δφ1, ..., Δφ5)은, 0차 회절 차수로부터 +2차 회절 차수로(B+2,x,-2) 제 2 레이저 빔(12b)이 회절되는 한편, -1차 회절 차수(B-1,x,1)로 제 1 레이저 빔(12a)의 회절은 유지되도록 변경될 수 있어서, 도 5a에 도시된 원거리장으로부터 도 5b에 도시된 원거리장이 생성된다. 추가 위상(Δφ1, ..., Δφ5)의 적절한 선택에 의해 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.5)은 2개 이상의 레이저 빔(12a, 12b, ...)으로 결합될 수 있고, 상기 레이저 빔은 - 균등하게 분배된 출력으로 또는 상이한 출력으로 - 해당 회절 차수(Bk,x,1, Bk,x,2, ...)로 회절된다.
도 1a-1c 내지 5a 및 도 5b와 관련하여 설명된 레이저 시스템(1)에서, 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)은 1차원으로 결합되었다. 도 6a 내지 도 6c는 각각 2차원 그리드 배열체(16) 내에 N(여기서 N=3) x M(여기서 M=3)개의 그리드 위치(8.1.1, ..., 8.N.M)가 배치된 2차원 광학 배열체를 각각 도시한다. 도 6a에 도시된 예에서, 그리드 위치(8.1.1, ... 8.N.M)는 직사각형 그리드 배열체(16) 내에 공통 평면(XY 평면)에 배치되고, 모든 레이저 빔(3.1.1, ..., 3.N.M)의 빔 전파 방향은 평행하게(Z 방향으로) 연장된다. 도 2와 유사하게, 도 6a의 광학 배열체에서 인커플링 광학 수단(18)은 도 6a에서 정방형으로 도시된 포커싱 렌즈(19) 형태의 하나의 포커싱 유닛만을 구비한다. 마이크로렌즈 배열체(11)의 마이크로렌즈 어레이(17a, 17b)의 마이크로렌즈(20a, 20b)는 대응하는 직사각형 그리드 배열체 내에 배치되고, XY 평면에 대해 평행하게 정렬된다.
도 6b에 도시된 광학 배열체에서, 그리드 위치(8.1.1, ..., 8.N.M)는 마찬가지로 그리드 배열체(16) 또는 어레이 내에 배치되고, 상기 어레이는 곡면을 따라, 더 정확하게는 구형 쉘을 따라 연장되고, 이 경우 레이저 빔(3.1.1, ..., 3.N.M)의 빔 전파 방향은 구형 쉘에 대해 수직으로 정렬되고, 마이크로렌즈 어레이(11)는 구형 쉘의 중심점 근처에 배치된다. 다른 곡면을 따라, 예를 들어 타원체를 따라 연장되는 그리드 배열체(16) 내에 그리드 위치(8.1.1, ..., 8.N.M)를 배치하는 것도 가능하다. 이러한 경우에, 인커플링 광학 수단(18)은 생략될 수 있다.
도 6c는 도 6a와 유사하게 광학 배열체를 도시하고, 상기 광학 배열체에서 마이크로렌즈 배열체(11)의 2개의 2차원 마이크로렌즈 어레이(17a, 17b)는 4개의 1차원 마이크로렌즈 어레이(17a - 17d)로 대체된다. 마이크로렌즈 어레이(17a - 17d)는 각각 원통형 렌즈 형태의 복수의 마이크로렌즈(20a - 20d)를 가지며, 제 1 및 제 3 마이크로렌즈 어레이(17a, 17c)의 마이크로렌즈(20a, 20c)와 제 2 및 제 4 마이크로렌즈 어레이(17b, 17d)의 마이크로렌즈(20b, 20d)는 서로 수직으로, 즉, X 방향 및 Y 방향으로 정렬된다.
그리드 위치(8.1.1, ... 8.N.M)의 간격 또는 X 방향 또는 Y 방향으로 그리드 배열체(16)의 주기성에 따라 마이크로렌즈(20a, 20b)의 그리드 간격(ρx,ρY)도 서로 수직인 X 방향 또는 Y 방향으로 서로 상이할 수 있다. 마이크로렌즈(20a, 20b)는 이에 따라서 X 방향 및 Y 방향으로 경우에 따라 상이한 곡률을 가지며, 즉, 이들은 원통형 렌즈가 아니다. 도시된 예에서 선형 독립적인 수직인 두 방향(X, Y)으로 간섭성 레이저 빔(3.1.1, ...3.N.M)의 결합은 기본적으로 서로 무관하고, 즉, 위에 명시된 조건 또는 방정식은 2개의 방향(X, Y)에 대해 서로 무관하다.
레이저 빔(3.1.1, ...3.N.M)의 위상의 조정 시에만 서로 수직인 두 방향의 기여분이 합산되고, 즉, 직사각형 그리드 배열체(16)(X 방향 또는 Y 방향으로) 내에 배치된 N x M개의 레이저 빔(3.1.1, ...3.N.M)의 경우 각각의 추가 위상에 대해 다음이 적용된다:
여기서 M은 Y 방향으로 그리드 위치(8.1.1, ..., 8.N.M)의 개수를 나타내고, Bk,y는 양 또는 음의 정수를 나타낸다. 이에 따라 서로 수직인 2개의 방향(X, Y)으로 기본 위상(δφa,b)의 기여분도 가산된다.
도 7은 도 3a 및 도 3b와 유사하게 X 방향으로 회절 차수 B-2,x로 및 Y 방향으로 회절 차수 B+1,Y로 회절된 단일 레이저 빔(12; 도 8 참조)을 생성하기 위한 또는 제 1 회절 차수 B-2,x,1(X 방향으로), B+1,y,1(Y 방향으로)로 회절된 제 1 레이저 빔(12a) 빔 및 제 2 회절 차수 B+1,x,2(X 방향으로), B-1,y,2(Y 방향으로)로 회절된 제 2 레이저 빔(12b; 도 9참조)을 생성하기 위한 연관된 각각의 추가 위상 Δφa,b (a=1, ..., N; b = 1, ..., M)을 갖는 N(=5) x M(=5)개의 간섭성 레이저 빔(3.1.1, ...3.5.5)의 2차원 배치를 도시한다.
(2차원) 회절 차수(Bk,x, Bk,y)로 회절된 단일 레이저 빔(12)을 생성하기 위해, 2차원 그리드 배열체(16; 도 6a 참조) 내의 (a,b) 번째 그리드 위치(8.a.b), 즉, 동시에 Y 방향으로 b번째 그리드 위치를 형성하는 X 방향으로 a번째 그리드 위치 또는 (a,b) 번째 간섭성 레이저 빔(3.a.b; 도 7 참조)을 위해 추가 위상(Δφa,b)이 조정되고, 상기 추가 위상은 위의 방정식(3)에 의해 주어진다.
이에 따라, 도 9에 도시된 원거리장에서도 각각의 추가 위상(Δφa,b)은, 제 1 회절 차수 B-2,x,1 (X 방향), B+1,y,1(Y 방향)로 회절된 제 1 레이저 빔(12a) 및 제 2 회절 차수 B+1,x,2 (X 방향), B-1,y,2 (Y 방향)로 회절된 레이저 빔(12b)을 생성하기 위해, 반복적인 확률론적 최적화 알고리즘을 이용해서 조정된다.
전술한 바와 같이, 회절 차수 Bk,x,1, Bk,y,1; Bk,x,2, Bk,y,2, ... 로 회절된 레이저 빔(12a, 12b, ...)의 개수와 배치는 기본적으로 임의적이고, 결합에 사용된 간섭성 레이저 빔(3.a.b)의 개수(N 및 M)에 의해서만 제한된다. 1차원 그리드 배열체(16)에서 추가 위상(Δφa) 또는 2차원 그리드 배열체(16)에서 추가 위상(Δφa,b)의 적절한 선택 또는 변동에 의해 결합된 개별 레이저 빔, 결합된 레이저 빔의 그룹 또는 회절 차수의 세트에 해당하는 결합된 레이저 빔의 전체 어레이가 의도대로 접속 또는 차단될 수 있다.
따라서 전술한 레이저 시스템(1)으로 (이산) 1차원 또는 2차원 스캐닝 과정 또는 2개 이상의 레이저 빔(12a, 12b)으로 결합된 레이저 빔(12)의 의도한 분할 및/또는 의도한 빔 편향이 달성될 수 있다. 결합된 레이저 빔(들)(12, 12a, 12b)은 도면에 도시되지 않은 광학 수단, 예를 들어 렌즈에 의해 초점면에 있는 (가변) 초점 위치(들)에 이미징되고 또는 포커싱될 수 있다.
Claims (16)
- 복수의 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M)을 결합하기 위한 장치(5)로서,
입력 레이저 빔(9)을 복수의 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M)으로 분할하기 위한 분할 유닛(4),
간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M) 중 하나의 각각의 위상(δφa+Δφa; δφa,b+Δφa,b)을 조정하기 위한 복수의 위상 조정 유닛(6.1, ..., 6.N) 및
그리드 배열체(16)의 복수의 그리드 위치(8.1, ..., 8.N; 8.1.1, ..., 8.N.M)에서 나오는 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M)을 결합하기 위한 빔 결합 유닛(10)을 포함하고, 상기 빔 결합 유닛(10)은 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이(17a, 17b)를 가진 마이크로렌즈 배열체(11)를 구비하는 장치에 있어서,
간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M)을 0차 회절 차수(B0)가 아닌 회절 차수(Bk,x, Bk,y; Bk,x,1, Bk,y,1, Bk,x,2, Bk,y,2)로 회절된 적어도 하나의 레이저 빔(12, 12a, 12b)으로 결합하기 위해, 그리드 배열체(16) 내에 각각의 그리드 위치(8.1 , ..., 8.N; 8.1.1 , ..., 8.N.M)의 배치에 따라 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M) 중 하나의 각각의 위상(δφa +Δφa; δφa,b + Δφa,b)을 조정하도록 설계된 및/또는
적어도 하나의 결합된 레이저 빔(12, 12a, 12b)이 회절되는 회절 차수(Bk,x Bk,y)를 변경하기 위해, 그리드 배열체(16) 내에 각각의 그리드 위치(8.1, ..., 8.N; 8.1.1, ..., 8.N.M)의 배치에 따라 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M) 중 하나의 각각의 위상(δφa + Δφa; δφa,b + Δφa,b)을 변동시키도록 설계된 제어 유닛(15)을 특징으로 하는 장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 제어 유닛(15)은 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M) 중 하나의 각각의 위상(δφa + Δφa; δφa,b + Δφa,b)을 조정하도록 설계되고, 상기 위상은 빔 결합 유닛(10)이 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M)을 0차 회절 차수(B0)로 또는 0차 회절 차수(B0)가 아닌 회절 차수(Bk,x, Bk,y)로 회절된 레이저 빔(12)으로 결합하는 각각의 기본 위상(δφa; δφa,b)과 추가 위상(Δφa; Δφa,b)으로 구성되는 것인 장치.
- 제 2 항에 있어서, 제 1 방향(X)을 따라 그리드 위치(8.1, ..., 8.N)가 배치되고, 제어 유닛(15)은, 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)을 제 1 방향(X)으로 0차 회절 차수(B0)가 아닌 회절 차수(Bk,x)로 회절된 하나의 결합된 레이저 빔(12)으로 결합하기 위해 제 1 방향(X)으로 a번째 그리드 위치(8.1, ..., 8.N)에서 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 각각의 추가 위상(Δφa)을 조정하도록 설계되고, 상기 위상은,
,
에 의해 주어지고, 여기서 N은 제 1 방향(X)을 따라 배치된 그리드 위치(8.1, ..., 8.N)의 개수를 나타내고, Bk,x는 음 또는 양의 정수를 나타내는 것인 장치. - 제 3 항에 있어서, 그리드 배열체(16) 내에 추가로, 바람직하게 제 1 방향에 대해 수직인 제 2 방향(Y)을 따라 그리드 위치(8.1.1, ..., 8.N.M)가 배치되고, 제어 유닛(15)은, 간섭성 레이저 빔(3.1.1, ..., 3.N.M)을 제 1 방향(X)으로 0차 회절 차수(B0)가 아닌 회절 차수(Bk,x)로 및 제 2 방향(Y)으로 0차 회절 차수(B0)가 아닌 회절 차수(Bk,y)로 회절된 하나의 결합된 레이저 빔(12)으로 결합하기 위해 제 1 방향(X)을 따라 a번째 그리드 위치(8.1.1, ..., 8.N.M)에서 및 제 2 방향(Y)을 따라 b번째 그리드 위치(8.1.1, ..., 8.N.M)에서 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)의 추가 위상(Δφa,b)을 조정하도록 설계되고, 상기 추가 위상은,
에 의해 주어지고, 여기서 M은 제 2 방향(Y)으로 그리드 위치(8.1.1, ..., 8.N.M)의 개수를 나타내고, Bk,y는 양 또는 음의 정수를 나타내는 것인 장치. - 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 입력 레이저 빔(9)을 복수의 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M)으로 분할하기 위한 분할 유닛(4)은 바람직하게 2개의 추가 마이크로렌즈 어레이(17'a, 17'b)를 가진 추가 마이크로렌즈 배열체로서 설계되고, 상기 제어 유닛(15)은, 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M)을 제 1 방향(X)으로 0차 회절 차수(B0)가 아닌 회절 차수(Bk,x)로 및 바람직하게 제 2 방향(Y)으로 0차 회절 차수(B0)가 아닌 회절 차수(Bk,y)로 회절된 하나의 결합된 레이저 빔(12)으로 결합하기 위해 기본 위상(δφa; δφa,b)의 두 배를 조정하도록 설계되는 것인 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 제어 유닛(15)은, 결합된 제 1 레이저 빔(12a)이 회절되는 제 1 회절 차수(Bk,x,1, Bk,y,1)를 변경하기 위해 및/또는 결합된 제 2 레이저 빔(12b)이 회절되는 제 2 회절 차수(Bk,x,2, Bk,y,2)를 변경하기 위해 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M)의 각각의 추가 위상(Δφa; Δφa,b)을 변동시키도록 설계되는 것인 장치.
- 제 2 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 제어 유닛(15)은, 서로 다른 회절 차수(B0, B-1,x, ...)로 회절된 적어도 2개의 결합된 레이저 빔(12a, 12b)의 미리 정해진, 특히 상이한 출력(ρ0, ρ-1, ...)을 생성하기 위해 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M)의 각각의 추가 위상(Δφa)을 조정하도록 설계되는 것인 장치.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 방향(X)을 따라 그리드 배열체(16) 내에 그리드 위치(8.1, ..., 8.N)가 배치되고, 상기 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N)과 마이크로렌즈 배열체(11)는 하기 조건을 충족하고;
N = ρx 2/(λL fE),
여기서 N은 제 1 방향(X)을 따라 배치된 그리드 위치(8.1, ..., 8.N)의 개수를 나타내고, ρx는 제 1 방향(X)으로 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a, 17b)의 마이크로렌즈(20a, 20b; 20a-20c)의 그리드 간격을 나타내고, λL은 레이저 파장을 나타내며, fE는 마이크로렌즈 배열체(11)의 초점 거리를 나타내는 것인 장치. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는, 제 1 방향(X)으로 인접한 간섭성 레이저 빔(3.1, 3.2; 3.2, 3.3)을 미리 정해진 각도차(δθx)로 마이크로렌즈 배열체(11) 내로 인커플링하도록 설계되고, 상기 각도차에 대해 다음이 적용되며;
δθx = λL /ρx,
여기서 λL은 레이저 파장을 나타내고, ρx는 제 1 방향(X)으로 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a, 17b; 17a-17c)의 마이크로렌즈(17a, 17b;,17a-17c)의 마이크로 렌즈(20a, 20b; 20a-20c) 그리드 간격을 나타내는 것인 장치. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M)을 상기 마이크로렌즈 배열체(11) 내로 인커플링하기 위한 인커플링 광학 수단(18)을 더 포함하고, 상기 인커플링 광학 수단(18)은 복수의 간섭성 레이저 빔을 마이크로렌즈 배열체(11)로 포커싱하기 위한 적어도 하나의 포커싱 유닛, 특히 적어도 하나의 포커싱 렌즈(19)를 구비하는 것인 장치.
- 제 10 항에 있어서, 제 1 방향(X)을 따라 인접한 그리드 위치(8.1, ..., 8.N; 8.1.1, ..., 8.N.M)는 라인을 따라 배치되고 서로 간격(δx)을 가지며, 상기 간격은,
δx = λL f2/ρx,
에 의해 주어지고, 여기서 λL은 레이저 파장을 나타내고, f2는 포커싱 유닛(19)의 초점 거리를 나타내며, ρ는 제 1 방향(X)으로 각각의 마이크로렌즈 어레이(17a, 17b; 17a-17c)의 마이크로렌즈(20a, 20b; 20a-20c)의 그리드 간격을 나타내는 것인 장치. - 레이저 시스템(1)으로서, 시드 레이저 빔(2a)을 생성하기 위한 시드 레이저 소스(2) 및 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 장치(5)를 포함하고, 상기 시드 레이저 빔(2a)은 바람직하게 장치(5)의 분할 유닛(4)의 입력 레이저 빔(9)을 형성하는 것인 레이저 시스템.
- 제 12 항에 있어서, 복수의 추가 간섭성 레이저 빔(3.1', ..., 3.N')을 결합하기 위한 추가 장치(5')를 더 포함하고, 상기 추가 장치는
시드 레이저 빔(2a)을 복수의 추가 간섭성 레이저 빔(3.1', ..., 3.N')으로 분할하기 위한 추가 분할 유닛(4'),
추가 간섭성 레이저 빔(3.1', ..., 3.N') 중 하나의 각각의 위상(δφa)을 조정하기 위한 복수의 추가 위상 조정 유닛(6.1', ..., 6.N'),
추가 그리드 배열체(16')의 복수의 추가 그리드 위치(8.1', .., 8.N')에서 나오는 추가 간섭성 레이저 빔(3.1', ..., 3.N')을 결합하기 위한 추가 빔 결합 유닛(10') 및
추가 제어 유닛(15')을 포함하고,
상기 추가 빔 결합 유닛(10')은 적어도 2개의 추가 마이크로렌즈 어레이(17'a, 17'b)를 가진 추가 마이크로렌즈 배열체(11')를 구비하고, 상기 추가 제어 유닛(15')은, 추가 간섭성 레이저 빔(3.1', ..., 3.N')을 장치(5)의 분할 유닛(4)의 입력 레이저 빔(9)을 형성하며 0차 회절 차수(B0)로 또는 0차 회절 차수(B0)가 아닌 회절 차수(Bk,x, Bk,y)로 회절된 레이저 빔(12')으로 결합하기 위해, 추가 그리드 배열체(16') 내에 각각의 추가 그리드 위치(8.1', ..., 8.N')의 배치에 따라 추가 간섭성 레이저 빔(3.1', ..., 3.N') 중 하나의 각각의 위상(δφa)을 조정하도록 설계되는 것인 레이저 시스템. - 특히 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 장치(5)를 이용해서 복수의 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M)을 결합하기 위한 방법으로서,
그리드 배열체(16) 내에 배치된 복수의 그리드 위치(8.1, ..., 8.N; 8.1.1, ..., 8.N.M)에서 나오는 복수의 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M)을 적어도 2개의 마이크로렌즈 어레이(17a, 17b; 17a-17c)를 가진 마이크로렌즈 배열체(11) 내로 인커플링하는 단계 및 마이크로렌즈 배열체(11)에서 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M)을 결합하는 단계를 포함하는 방법에 있어서,
간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M)을 0차 회절 차수(B0)가 아닌 적어도 하나의 회절 차수(Bk,x, Bk,y; Bk,x,1, Bk,y,1, Bk,x,2, Bk,y,2)로 회절된 적어도 하나의 레이저 빔(12, 12a, 12b)으로 결합하기 위해 그리드 배열체(16) 내에 각각의 그리드 위치(8.1, ..., 8.N; 8.1.1, ..., 8.N.M)의 배치에 따라 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M) 중 하나의 각각의 위상(δφa + Δφa; δφa,b + Δφa,b)을 조정하는 단계 및/또는 적어도 하나의 결합된 레이저 빔(12, 12a, 12b)이 회절되는 회절 차수(Bk,x, Bk,y)를 변경하기 위해, 그리드 배열체(16) 내에 각각의 그리드 위치(8.1, ..., 8.N; 8.1.1, ..., 8.N.M)의 배치에 따라 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M)의 각각의 위상(δφa + Δφa; δφa,b + Δφa,b)을 변동시키는 단계를 특징으로 하는 방법. - 제 14 항에 있어서, 빔 결합 유닛(10)이 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M)을 0차 회절 차수(B0)로 또는 0차 회절 차수(B0)가 아닌 회절 차수(Bk,x, Bk,y)로 회절된 하나의 레이저 빔(12)으로 결합하는 각각의 기본 위상(δφa; δφa,b)으로부터, 결합된 제 1 레이저 빔(12a)이 회절되는 제 1 회절 차수(Bk,x,1, Bk,y,2)를 변경하기 위해 및/또는 결합된 제 2 레이저 빔(12b)이 회절되는 제 2 회절 차수(Bk,x,2, Bk,y,2)를 변경하기 위해 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M)의 각각의 추가 위상(Δφa,b; Δφa,b)을 변동시키는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
- 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
빔 결합 유닛(10)이 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M)을 0차 회절 차수(B0)로 또는 0차 회절 차수(B0)가 아닌 회절 차수(Bk,x, Bk,y)로 회절된 하나의 레이저 빔(12)으로 결합하는 각각의 기본 위상(δφa; δφa,b)으로부터, 서로 다른 회절 차수(B0, B-1,x, ...)로 회절된 적어도 2개의 결합된 레이저 빔(12a, 12b)의 미리 정해진, 특히 상이한 출력(ρ0, ρ-1, ...)을 생성하기 위해 간섭성 레이저 빔(3.1, ..., 3.N; 3.1.1, ..., 3.N.M)의 각각의 추가 위상(Δφa)을 조정하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
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