WO1994017575A1 - Phasengesteuertes fraktales lasersystem - Google Patents

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WO1994017575A1
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Hans Opower
Helmut Huegel
Adolf Giesen
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Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V.
Universität Stuttgart Institut für Strahlwerkzeuge
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Definitions

  • the invention relates to a semiconductor laser system with a plurality of semiconductor laser units comprising a laser oscillator, from each of which laser radiation emerges, with a light-conducting fiber assigned to each semiconductor laser unit, with a coupling element which couples the laser radiation emerging from the respective semiconductor laser unit into the respective laser light-conducting fiber, and with a fiber bundle comprising the fibers as a light guide system, which has an end from which a total laser radiation formed by the sum of the laser radiation generated in each case by the semiconductor laser units emerges, which illuminates a target area on an object to be irradiated when all semiconductor laser units are lasered.
  • Such semiconductor laser systems are known. For example, seven semiconductor laser systems are aimed at a target surface. The disadvantage is that the total laser radiation only represents the sum of the individual laser radiations and thus no complex radiation tasks are possible.
  • the invention is therefore based on the object of improving a semiconductor laser system of the generic type in such a way that complex radiation tasks can be carried out and, in particular, total laser radiation is available which, in terms of its radiation intensity and properties, matches the laser radiation used hitherto, for example of high-power lasers, is comparable or superior.
  • This object is achieved in a semiconductor laser system of the type described in the introduction in that the semiconductor laser units are designed in such a way that they operate in a phase-defined mode operation, that the laser radiation of each semiconductor laser unit is coupled into the respective light-guiding fiber with little loss, that each fiber is a single-mode fiber and that the phase of the laser radiation of several, preferably all, semiconductor laser units in the total laser radiation can be controlled independently.
  • the solution according to the invention creates the possibility, in a fractal laser system, of carrying out a phase adjustment in the laser radiations which add up to the total laser radiation and thus carrying out the superimposition of the laser radiations on the total laser radiation in such a way that the superposition takes place with a predeterminable phase position.
  • synergy effects between the laser radiation can be generated in the total laser radiation when summing the laser radiation and thus complex radiation tasks can be solved, for example by utilizing interference phenomena between the individual laser radiation.
  • each semiconductor laser unit has a laser radiation field that is independent of the phase with respect to the laser radiation of the other semiconductor laser unit.
  • Such complete independence of the Phase of the laser radiation fields of the individual semiconductor laser units offers the possibility, in a particularly advantageous manner, of controlling the phase positions of the individual laser radiation fields in the manner according to the invention.
  • each semiconductor laser unit is decoupled from the radiation of the other semiconductor laser units.
  • each of the semiconductor laser units has its own laser oscillator which is decoupled from the other semiconductor laser units.
  • Such a radiation field decoupling of the laser oscillators can be implemented most simply in terms of construction in that the laser oscillators of the semiconductor laser units are each separate laser oscillators.
  • the solution according to the invention can be used particularly advantageously when all semiconductor laser units operate at the same frequency, since all types of interference effects can then be achieved by appropriately controlling the phase position.
  • the semiconductor laser units are frequency-stabilized.
  • Frequency stabilization can preferably be achieved by frequency control, in particular temperature and / or current control of the semiconductor laser units.
  • each semiconductor laser unit has at least one single-current controllable diode zone for frequency control. It is particularly expedient if the semiconductor units have a frequency / current characteristic which is such that the provided frequency can be obtained for each semiconductor laser unit with a current variation in a control range between the minimum and the maximum current strength of the semiconductor laser unit.
  • the frequency / current characteristic can advantageously be set by tempering the respective semiconductor laser unit.
  • a heating element in direct contact with the semiconductor layer or part of the semiconductor layer is advantageously provided for the temperature control.
  • the respective semiconductor laser unit operates in a stabilized mode operation.
  • each semiconductor laser unit operates in the transverse basic mode. It when the respective, preferably each semiconductor laser unit operates in longitudinal single-mode operation is particularly advantageous.
  • phase adjustment provides for the phase adjustment to be carried out in such a way that the total laser radiation propagates in the form of a definable wavefront.
  • the phase adjustment is carried out in such a way that the laser radiation forming the wavefront is in a defined phase relationship relative to one another, for example in phase, and also has the same frequency.
  • a less complex exemplary embodiment provides that individual sub-beams of the total laser radiation each spread in the form of a definable wavefront, but the sub-beams are incoherent among themselves. However, the focusability of the total laser radiation is already considerably improved in this way.
  • phase control for each semiconductor laser unit is to be carried out independently of the other has not yet been explained in detail. It is particularly advantageous for this purpose if a phase adjustment device is provided for the laser radiation of each semiconductor laser unit, so that with this phase adjustment a phase control can be carried out independently of the other semiconductor laser units for each individual semiconductor laser unit.
  • a phase adjustment takes place via two or more than two phase adjustment devices, a first phase adjustment device having a first time constant and a second phase adjustment device having a second time constant, the latter being, for example, smaller than the first.
  • the phase adjustment device can be arranged has also hitherto been left open.
  • One possibility of providing a phase adjustment device is that the phase adjustment device comprises a control of the semiconductor laser unit.
  • control comprises a current control of the semiconductor laser unit.
  • control comprises a temperature control for the semiconductor laser unit.
  • a phase adjustment device can be integrated particularly advantageously if a semiconductor laser unit has at least two single-current controllable diode zones with different dependence of the refractive index on the diode current, one of which works as an element of the phase adjustment device.
  • phase adjustment device comprises a phase variation element arranged in the fiber, so that the phase variation can be carried out in the fiber by the phase adjustment device.
  • the phase variation element is expediently arranged in the fiber end region adjoining the semiconductor laser unit, in order to achieve that the phase variation element can be actuated partly together with the actuation of each individual semiconductor laser unit.
  • the phase variation element is preferably constructed such that it is formed by an active fiber section.
  • phase adjustment can be generated in the active fiber section by means of an electro-optical or magneto-optical effect.
  • a phase adjustment can be generated in the active fiber section by means of a temperature change thereof.
  • phase adjustment device comprises a phase variation element arranged between the semiconductor laser unit and the single-mode fiber.
  • phase variation element is preferably arranged between the semiconductor laser unit and an end of the single-mode fiber facing it, that is to say also close to the semiconductor laser unit, so that the phase adjustment device can also be activated with this phase variation element in connection with the activation of the semiconductor laser unit.
  • an expedient arrangement of the phase variation element provides that it is arranged between the semiconductor laser unit and one end of the single-mode fiber facing it.
  • the phase variation element is preferably also designed such that it comprises an electro-optical or magneto-optical unit.
  • phase variation element comprises a temperature-dependent unit.
  • phase variation element has a polarization rotator.
  • phase detector for the laser radiation of each semiconductor element is arranged at one end of the fiber bundle.
  • the phase detector is preferably constructed in such a way that it comprises an interferometer, since a phase detection is possible with an interferometer using relatively simple detection methods.
  • a particularly advantageous solution for a phase detector provides that the phase position of the laser radiation of each semiconductor element is compared with the phase position of a reference laser radiation which is generated by a semiconductor laser unit operating at the same frequency. The phase position can thus be determined in a simple manner by interference of the laser radiation and the reference laser radiation.
  • phase detector has a decoupling element for decoupling part of the laser radiation of each semiconductor laser unit from the total laser radiation.
  • phase detector has a detector matrix, with at least one selectively interrogable matrix element receiving exclusively the laser radiation of a semiconductor laser unit and the reference laser radiation.
  • the determination of the phase position in the phase detector can be carried out particularly advantageously when the reference laser radiation is power or phase modulated.
  • This power modulation can advantageously be carried out in that the reference radiation is modulated by a modulator, preferably a chopper.
  • the phase modulation can be carried out, for example, using one of the phase control options described.
  • phase position can be evaluated particularly advantageously if the phase detector is connected to an evaluation circuit which determines the phase position of the laser radiation in the total laser radiation and controls the phase position of the laser radiation of each individual semiconductor laser unit in the total laser radiation in such a way that the phase position the respective laser radiation in the total laser radiation can be predetermined in a defined manner.
  • the evaluation circuit also measures the power of the laser radiation of each individual semiconductor laser unit and can be controlled via the control of the semiconductor laser unit.
  • the evaluation circuit of the phase detector includes the power variations for each matrix element to determine the phase position.
  • the determination of the power of each individual semiconductor laser unit in the phase detector can be carried out particularly advantageously if the reference laser radiation is power-modulated, since the signal of the phase detector at zero power of the reference laser radiation is then a direct measure of the power.
  • the evaluation circuit is also expediently connected to a phase control via a bus system, it being possible for one or more further fibers to be used for data transmission, for example.
  • the evaluation of the device is also expediently connected via a bus system to a frequency control for the individual semiconductor laser units.
  • the fiber end faces can have a gap which is preferably less than three times the fiber thickness, it is even better if the gap is less than twice the fiber thickness.
  • the fiber end faces can lie side by side in the end face and in particular can adjoin one another.
  • the shape of the end surface is adapted to a shape of the surface of the object to be irradiated in the area of the target surface.
  • the fiber end faces are preferably arranged in such a way that the total laser radiation has phase fronts which can be predefined in a defined manner, from which resultable intensity distributions on the target surface which can be predetermined.
  • the fiber end faces are essentially arranged in a plane forming the end faces.
  • the arrangement of the fiber end faces in the end face provides the possibility of adapting to optical imaging properties of the imaging optics through the shape of the end face.
  • imaging optics are provided between the end surface of the light guide system and the target surface in order to achieve a good image of all fiber end surfaces on the target surface.
  • phase control is possible in the solution according to the invention, it is also possible to generate imaging properties of the imaging optics by phase control of the individual laser beams forming the total laser beam, for example correcting imaging errors.
  • each semiconductor laser unit has a single laser-active diode strip.
  • the laser radiation can either spread out in a plane in which the laser strip extends, which is the case, for example, with conventional laser diodes, or approximately perpendicular to it, which is the case in the case of vertical emitters.
  • each semiconductor laser unit comprises a coupled array of laser-active diode strips operating in basic mode.
  • each semiconductor laser unit comprises a laser oscillator and a laser amplifier, which are preferably integrated in the same semiconductor layer.
  • each semiconductor laser unit is mode-stabilized by a strip grating.
  • a further advantageous exemplary embodiment provides that all semiconductor laser units operating at the same frequency comprise a common laser oscillator which generates a base laser radiation which from each semiconductor laser unit is amplified by its own laser amplifier to the laser radiation of the respective semiconductor laser unit and is coupled therefrom into the single-mode fiber assigned to the respective semiconductor laser unit.
  • the advantage of this system is that by provision of a single common laser oscillator for all semiconductor laser units, the frequency constancy between the laser radiations of the individual semiconductor laser units is already predetermined, so that no additional measures have to be taken here for frequency stabilization.
  • beam splitters are also advantageously provided, which couple the basic laser radiation into the respective laser amplifiers as partial radiation.
  • a beam shaping optics is also advantageously provided, which converts the divergent base laser radiation into a base laser radiation that propagates as a plane wave.
  • a beam shaping optic which images the partial radiation coming from the beam splitters onto the laser amplifiers.
  • the coupling element for coupling the single-mode fiber to the semiconductor laser unit comprises an imaging element carried by the substrate of the semiconductor laser unit.
  • the imaging element is preferably designed such that it focuses the laser beam that widens in the direction parallel to the layer planes of the semiconductor onto the single-mode fiber.
  • the imaging element is a grating molded into the substrate, the grating advantageously being a reflection grating.
  • the imaging element is a mirror molded into the substrate, the mirror advantageously also being designed to focus the laser radiation on the single-mode fiber.
  • the imaging element is a lens integrated into the substrate, the lens preferably being an index lens.
  • the imaging element is a holographic-optical element.
  • the laser system according to the invention preferably provides for a plurality of, for example, several tens or hundreds of semiconductor laser units with powers of 1 to 3 watts to be used in order to achieve powers of the total laser radiation of several hundred or even more than a thousand watts.
  • the fiber bundle comprises detector fibers, the detector fibers being used in particular to observe the target area. It is preferably provided that one end of the detector fibers lies at the end of the light guide system.
  • the end of the detector fibers lies in the end face next to the fiber end faces, so that the fiber end faces of the detector fibers also lie in the end face.
  • the target surface is imaged onto the ends of the detector fibers when an imaging optics is used.
  • observation of the target area can be achieved particularly simply in that an optical detector for observing the image area is arranged at another end of the detector fibers.
  • This detector is preferably designed as a matrix detector, and the detector fibers are preferably assigned to the individual matrix points of the matrix detector in such a way that their fiber end faces enable the target area to be imaged directly on the matrix detector.
  • a controller which observes the intensity distribution in the target area via the matrix detector A locally fixed irradiation on the object to be irradiated is ensured by a defined specification of the phase and possibly also the power for the individual semiconductor laser units within the target area.
  • the semiconductor laser units are designed for.
  • the simplest embodiment provides that all semiconductor laser units are designed for the same wavelength range.
  • the semiconductor laser units comprise a group of semiconductor laser units with the same wavelength.
  • the semiconductor laser units comprise a plurality of groups of semiconductor laser units, each with the same wavelength.
  • the fiber end surfaces of fibers emitting laser radiation of different wavelengths are combined to form one radiation group and if the radiation groups are arranged next to one another in the end surface.
  • the marking and beam visualization can be implemented particularly advantageously, because in this case only one is required Group of semiconductor laser units to be constructed so that the laser radiation generates a wavelength in the visible range.
  • the other group of semiconductor laser units can preferably be constructed such that it generates, for example, the laser radiation required for the irradiation or processing.
  • a further advantageous operating mode is possible if the semiconductor laser units each generate laser radiation, the frequencies of which form a frequency sequence with a constant frequency spacing and the laser radiation of which "Locked mode" has the same phase position at a defined point in time.
  • the semiconductor laser units each generate laser radiation, the frequencies of which form a frequency sequence with a constant frequency spacing and the laser radiation of which "Locked mode" has the same phase position at a defined point in time.
  • a group of semiconductor units generates laser radiation with the same frequency and the fiber end faces of the associated single-mode fibers are arranged in predeterminable geometric symmetries with respect to one another such that partial bundles with this symmetry but different frequencies are present in the total laser radiation.
  • the desired frequency spacings of the frequency sequence can preferably be generated with a pulse generator and made available to frequency stabilization. Further features and advantages of the invention are the subject of the following description and the drawing of some exemplary embodiments.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first
  • FIG. 2 shows a plan view of an end face of the light guide system in the first exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a phase detector according to the invention
  • Fig. 4 is a schematic representation of the control
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a semiconductor laser unit with a phase adjustment device
  • Fig. 8 is an illustration similar to Fig. 5 of a second
  • FIG. 9 shows a view similar to FIG. 5 of a third exemplary embodiment of a semiconductor laser unit
  • FIG. 10 shows a schematic illustration of a variant of the first exemplary embodiment of a semiconductor laser system according to the invention
  • FIG. 11 shows a representation similar to FIG. 2 in a second exemplary embodiment of the semiconductor laser system according to the invention
  • FIG. 12 shows a representation similar to FIG. 4 of the control for the second exemplary embodiment of the semiconductor laser system according to the invention.
  • FIG. 13 shows a schematic illustration of the time profile of the second exemplary embodiment of the semiconductor laser system according to the invention.
  • FIG. 14 shows an illustration similar to FIG. 11 for a
  • a first exemplary embodiment of a semiconductor laser system according to the invention comprises a first variant of a radiation generator system 10, to which is connected an optical fiber system 12 which emits total laser radiation 14, which in turn strikes a target surface 16 of an object 17 to be irradiated.
  • the radiation generator system 10 in turn comprises a multiplicity of semiconductor laser units 18- ⁇ - ⁇ 'each of which generates laser radiation, and in which the laser radiation is in each case coupled into a single-mode fiber 20- ⁇ ⁇ N. All monomode fibers 20- ⁇ hs N are combined to form a fiber bundle 22 which is then encompassed by the light guide system 12 and has an end 24 from which the total laser radiation 14 emerges. 1 and 2, all of the fiber end faces 28 of the single-mode fibers 20 are located in one end face 26.
  • all the semiconductor laser units 18 ⁇ k is N can be operated in such a way that they operate in a frequency-stabilized manner on the same frequency and, moreover, a phase position of the laser radiation can be defined in a defined manner, the controller 32 being used to specify the phase position in such a way that that of the fiber end faces 28 outgoing and spreading as total laser radiation 14, the superposition of the laser radiation of several or all semiconductor laser units 18 leads to the total laser radiation 14, which propagates with a definable, for example a flat, wavefront.
  • the light guide system 12 is provided with a phase detector 40, which has a beam controller, preferably a diffractive reflector 42, and an imaging element for one Part of the total laser radiation 14 comprises, the diffractive reflector being arranged at a distance from and in front of the end face 26 and this end face 26, so that the total laser radiation 14 passes through it and partly from this is reflected. It is particularly advantageous if the diffractive reflector 42 also serves as an imaging element, so that additional imaging optics can be dispensed with.
  • Part of the total laser radiation 14 is imaged by the diffractive reflector 42 onto two detector surfaces 44 and 46 of two matrix detectors 48 and 50, wherein at least one matrix element 52 or 54 of each detector surface 44 or 46 is uniquely assigned to a fiber end surface 28, which is equivalent is with a unique assignment of at least one matrix element 52 or 54 to one of the semiconductor laser units 18.
  • each matrix element 52 or 54 there is the possibility of detecting the intensity of the laser radiation generated by the respectively assigned semiconductor laser unit 18 on the basis of the diffractive reflector 42.
  • a fiber end face 56 of a reference fiber 58 is provided, which is also connected to a semiconductor laser unit 18R, the semiconductor laser Unit 18R is identical to the other semiconductor laser units 18 and in particular also operates at the same frequency, but is not controlled with regard to its phase position, but rather itself supplies a reference phase position.
  • the reference phase position of the semiconductor laser unit 18R can be detected by each of the matrix elements 52 or 54 in that a spherical wave propagates starting from the fiber end surface 56, this spherical wave covering both the entire detector surface 44 and the detector surface 46.
  • each of the matrix elements 52 and 54 of the detector surfaces 44 and 46 in addition to the laser radiation of the respectively assigned semiconductor laser unit 18 reflected by the diffractive reflector 42, the laser radiation of the semiconductor laser unit 18R of the reference radiation arrives, the two laser radiation interfering and thus depending on their relative An intensity maximum and an intensity minimum can be detected relative to one another on the respective matrix element 52 or 54.
  • An additional modulation of the laser radiation emitted by the fiber end face 56 of the reference fiber 58 with a modulator 60 additionally enables an intensity measurement of the laser radiation of each semiconductor laser unit to be carried out with each of the matrix elements 52 and 54, which is likewise important for the measurement of the phase position in order to Check whether 18 ⁇ ⁇ ⁇ s N laser radiation is generated by the respective semiconductor laser unit.
  • the diffractive reflector 42 is designed such that it reflects the laser radiation from each of the fiber end faces 28 in a polarization-dependent manner either to the detector face 44 or to the detector face 46, so that by comparing that of the matrix elements 52 and 54, each has a fiber end face 28 and are thus assigned to a semiconductor laser unit 18, a determination of the polarization in addition to the phase position is permitted.
  • the measurements of intensities in the individual matrix elements 52 and 54 on the detector surfaces 44 and 46 produce particularly good results if the intensity of the laser radiation reflected by the diffractive reflector 42 and the intensity of the fiber end surface 56 the laser radiation emitted by the reference fiber 58 are approximately the same size in each matrix element 52 or 54.
  • a path difference must also be taken into account, the laser radiation emanating from the fiber end surface 56 to the individual matrix elements 52, and additionally a path difference between each of the fiber end surfaces 28 and the corresponding matrix element 52 or 54 via the diffractive reflector 42.
  • path differences result in additional shifts in the phase positions, so that these differences must be taken into account if the same phase position is to be produced with the phase detector 40 on all fiber end faces 28, specifically in the end face 26.
  • the matrix detectors 48 and 50 are preferably designed as CCD cameras, of which each pixel represents a matrix element 52, 54.
  • the diffractive element is followed by an imaging optics 62 which images the total laser radiation 14 onto the target surface 16, the imaging optics 62 preferably being designed in such a way that a coherent image, that is to say an image of the phase-correlated total laser beam 14, which in the simplest case is usually an image in the focal plane of the imaging optics 62, that is to say that the target surface 16 is preferably in the focal plane.
  • Each of the matrix elements 52 and 54 of the matrix detectors 48 and 50 thus represents one of the fiber end faces 28 in the end face 26 and thus the laser radiation of a semiconductor laser unit 18, so that exactly their phase position can be detected.
  • the matrix detectors 48 and 50 have exactly as many matrix elements 52 and 54 as there are fiber end faces 28 in the end face 26. For example, these are also exactly N matrix elements 52 and 54, respectively.
  • the intensities measured by all 52-, j ⁇ s N and 54 ⁇ ⁇ N matrix elements are now continuously read out from the respective matrix detectors 48 and 50 and are recorded via a read-out line 70 by a computer unit 72, which from the respective matrix elements 52 or 54 detected intensities determined the phase position.
  • the computer unit 72 additionally receives a synchronization signal via a line 74, which indicates the state of the modulator 60 (FIG. 4).
  • the modulator 60 is a chopper, which switches the laser radiation of the semiconductor laser unit 18R on and off at regular intervals.
  • phase position determined by the computer unit for each of the semiconductor laser units 18- ⁇ - ⁇ g N is fed via a bus system 76 to a phase control 78, which in turn controls a plurality of phase adjustment devices 82 IDis N via a bus system 80, each Phase adjustment device 82 ⁇ j ⁇ g N is assigned to a semiconductor laser unit 18 in order to set the phase of the laser radiation generated by this semiconductor laser unit 18 in accordance with the specifications of the phase control 78 and thus the phase positions of all semiconductor laser units 18 ⁇ to N with one another to correlate that these phase positions in the end face 26 of the light guide system 12 lead to the predetermined phase distribution.
  • phase adjustment device 82 The function of such a phase adjustment device 82 according to the invention is described below in connection with a semiconductor laser unit 18 used as an example.
  • Each of the semiconductor laser units 18 comprises a laser diode, designated as a whole by 90, which comprises a laser-active layer 92 which can be produced by appropriate doping (FIG. 5).
  • a laser oscillator 94 which is formed by a strip of the laser-active layer, is arranged in this laser-active layer 92.
  • phase gratings 96 and 98 are provided, which allow mode-stabilized operation of the laser oscillator 94.
  • the laser oscillator 94 is preferably a laser oscillator that can be stabilized transversely in the basic mode and longitudinally in the single-mode mode, in which laser radiation 100 propagates in a longitudinal direction 102.
  • the laser oscillator 94 In the longitudinal direction 102, the laser oscillator 94, and at one end of the same, is followed by a laser amplifier 104, likewise integrated into the laser-active layer 92, in which one is located in the plane the laser-active layer forms diverging laser radiation 106, which emerges from an end 108 of the laser-active layer 92 opposite the laser oscillator 94.
  • the laser radiation 106 strikes a coupling element 110, which couples the laser radiation 106 diffraction-limitedly into an end 112 of the single-mode fiber 20 assigned to the respective semiconductor laser unit.
  • the diffraction-limited coupling means that the opening angle with which the laser radiation 106 is reflected onto the end 112 is such that only the basic mode is formed inside the monomode fiber 20.
  • the coupling element 110 is a reflective element which additionally has focusing properties.
  • This can be, for example, a grating, in particular a reflection grating, or also a holographic optical element.
  • the coupling element 110 is carried by a substrate 114, which at the same time represents the substrate for the laser diode 90.
  • coupling element 110 and laser diode 90 can thus be constructed in a simple manner on the same substrate 114 and implemented in miniature form.
  • the laser diode 90 is preferably provided with a temperature stabilization 116 which precisely stabilizes the temperature of the substrate 114.
  • the laser diode 90 is also provided with two current leads 118 and 120, the current lead 118 leading to the substrate 114 and the current lead 120 leading to a surface contact on the laser diode 90.
  • a further stabilization of the frequency of the laser oscillator 94 takes place additionally via the current supplied by the current leads 118 and 120 and the voltage applied via the laser-active layer 92. Both are carried out via a current / voltage control 122 for each individual laser diode 90.
  • the frequency of the individual semiconductor lasers 18, ⁇ T. N re l a 'tive to measure the frequency of the semiconductor laser 18R, namely, by an element by the interference of the laser radiation of the semiconductor laser 18R with the laser radiation of each semiconductor laser 18 in the area of Matrix ⁇ 52 or 54 wherein the matrix elements 52 or 54 measured intensity leads to the occurrence of a beat frequency if the frequencies of the laser radiation are not identical.
  • frequency stabilization of the respective laser oscillator 94 must first be carried out by Current / voltage control 122 and, if appropriate, its temperature stabilization 116, the frequency of the laser oscillator 94 is changed until this beat frequency no longer occurs in the case of the measured intensity in each matrix element 52 or 54 (FIG. 5).
  • This beat frequency can also be determined by the computer unit 72. This then controls a frequency control 170 via the bus system 76, which in turn controls the individual current / voltage controls 122 and the individual temperature stabilizers 116 of the individual semiconductor laser units 18 via a bus system 172 in order to control the frequency of the laser oscillator 94 to the desired extent vary.
  • phase adjustment device 82 is arranged in a region of the single-mode fiber 20 facing the end 112.
  • this comprises a phase adjustment element with an element for heating the material of the monomode fiber 20 in a section 130, as a result of which the refractive index of the material of the monomode fiber 20 changes in the area of the section 130 and thus also the phase position of the can change the section 130 penetrating laser radiation.
  • section 130 can be heated by coupling in high frequency via a coil.
  • a piece of fiber 132 having the same diameter as the single-mode fiber 20 and made of a material showing a Pockels effect is located in front of the end 112.
  • the laser radiation 106 is coupled in through the coupling element 110 into an end 134 of the fiber piece 132, which is on the opposite side to the end 136 of the fiber piece 132 adjoining the end 112.
  • the end 136 of the fiber piece 132 directly adjoins the end 112 of the single-mode fiber, so that the laser radiation passes directly from the fiber piece 132 into the single-mode fiber 20.
  • the fiber piece 132 at that time carried two contacts 140 and 142 arranged in the longitudinal direction 138 of the same at a distance from one another, which included a section 144 of the fiber piece between them.
  • a voltage between contacts 140 and 142 By applying a voltage between contacts 140 and 142, a Pockels effect occurs in section 144, by means of which the phase position of the laser radiation 106 passing through this section can be varied.
  • a third exemplary embodiment of a phase adjustment element according to the invention is, as shown in FIG. 7, integrated in the laser diode 90.
  • the laser-active layer 92 of the laser oscillator 94 is separated from the laser-active layer 152 of the laser amplifier 104 and a separate contact 154 is additionally provided for the operation of the laser amplifier 104.
  • a separate current and voltage regulation 156 for the laser amplifier 104 it is thus possible, by varying the current and voltage in the laser-active layer 152 belonging to the laser amplifier 104, also to change the refractive index in this laser-active layer and thus also within it of the laser amplifier 104 to change the phase position of the laser radiation 106.
  • the laser-active layer 152 is formed differently from the laser-active layer 92 of the laser oscillator 94, preferably it has a different refractive index, so that the phase position can be controlled in a simple manner via the current control in the laser-active layer 152 .
  • the coupling element 110 is merely designed as a reflecting surface and the focusing, in particular the diffraction-limited coupling of the laser radiation 106 into the end 112 of the single-mode fiber 20, is carried out additionally provided lens 160, which is arranged between the coupling element 110 and the end 112 and is preferably also carried by the substrate 114 of the laser diode 90.
  • the laser diode 90 is constructed in the same way as in the exemplary embodiment according to FIG. 5, so that the same reference numerals are used and in this respect reference is also made in full to the laser diode shown in FIG. 5.
  • the laser-active layer 92" is irradiated by the laser radiation 100 "in a direction 162 perpendicular to the layer plane 164 of the laser-active layer, Bragg reflectors 96", 98 "being used as phase gratings on both sides of the laser-active layer are arranged.
  • the entire semiconductor laser unit 18 ′′, shown in FIG. 9, is built up on a substrate 114 ′′, for example from gas, and is provided on the underside and on the top with contacts 166 and 168, respectively, via which the current is supplied, the contact 166 being the Laser radiation 100 "can pass through an opening 169.
  • this semiconductor laser unit 18 is constructed to be comparable to the semiconductor laser units 18 and 18 ', so that reference is made to the explanations of these for further details.
  • a second variant of a radiation generator system according to the invention designated as a whole by 10 'in FIG. 10, likewise has a multiplicity of semiconductor laser units 180-, J_J SN with a laser oscillator 182 and a laser amplifier 184 connected downstream, a single laser oscillator 182 being one Generated base laser radiation 186, which a variety of laser amplifiers 184 ⁇ . N is supplied, which in turn then generates the laser radiation 188-, N , which is in each case coupled into the individual monomode fibers 20- ⁇ - N , with a phase adjustment device 82 additionally for the laser radiation 188 ⁇ ⁇ - N coming from each individual laser amplifier - ⁇ k ⁇ N is provided.
  • the laser oscillator 182 is in turn identical in design to, for example, the laser diode 90 in FIG. 6, so that the same reference numerals are used for individual features and reference can also be made to the explanations for FIG. 6.
  • the propagating laser radiation 106 is the base laser radiation 186, which forms a radiation cone with an approximately oval cross section 190, the major axis of which is aligned parallel to the laser-active layer 92 and the minor axis of which is perpendicular to the latter.
  • Such a radiation cone is converted by an oscillator-side beam shaping lens 192 into a base laser radiation 186 which propagates as a plane wave 194.
  • the plane wave 194 strikes a first beam splitter 19 ⁇ J, which is partially transparent, and a first part 198- ⁇ passes through to an amplifier-side beam shaping optics 200, which in turn the part 198 which propagates as a plane wave in the form of a Cone 202- ⁇ focused on a laser active layer 204 of the laser amplifier 184 ⁇ .
  • the base laser radiation is amplified in a known manner and now emerges from it as laser radiation 188- ⁇ . Thereafter, the laser radiation 188 is in turn coupled into the single-mode fibers 20- ⁇ by an imaging optics 206, the phase-adjusting device 82- being connected upstream of the single-mode fibers 20- ⁇ , for example.
  • the first beam splitter 196- ⁇ further couples out another partial beam 208 of the plane shaft 194 by reflection and focuses it on a second beam controller 196, which in turn decouples a partial beam 198 from the partial beam 208, which in turn is focused on the laser amplifier 184 ⁇ via an amplifier-side beam shaping optics 2OO2, so that the latter produces the laser radiation I882, which in turn is coupled into the monomode fiber 2O2 via the beam shaping optics 2O6.
  • the sub-beam 208 passes through another beam splitter 196g to 196 N, which are also in turn 198g couple out partial beams to 198 N.
  • the respective laser amplifier 184g to 184 N generate the laser radiation 188g to 188 N, which is coupled into the corresponding single-mode fibers 20 g to 20 N due to this.
  • the advantage of the second variant of the radiation generator system 10 'according to the invention can be seen in the fact that no frequency stabilization is required in the individual semiconductor laser units 180, since all the semiconductor laser units 180- ⁇ j ⁇ g N have the same laser oscillator 182 for generating the base laser radiation 186 with one the "own" frequency of the laser oscillator 182, so that the laser radiation 188 ⁇ jis N of all laser amplifiers 184 k is N inevitably has the same frequency.
  • a second exemplary embodiment of a semiconductor laser system according to the invention is based, for example, on the first exemplary embodiment of the semiconductor laser system according to the invention with a radiation generator system 10 according to the first variant.
  • at least two semiconductor laser units I82 and I82, 18g and 18 4 etc. are combined to form a group and work with a atomic number which is lower than that of the preceding group of semiconductor laser units by a constant amount ⁇ different frequency.
  • the frequency of the group of semiconductor laser units 18g and 18 ⁇ is 10 MHz higher than the frequency of the group of semiconductor laser units I82 and I82
  • the frequency of the group of semiconductor laser units 18g and 18g is 10 MHz higher than the frequency of the group from the semiconductor laser units 18g and 18c.
  • the two fiber end faces 282 and 282, 28g and 28, etc., which are assigned to the semiconductor laser units I82 and I82, 18g and I84, etc., each forming a group, are also still symmetrical to an axis of symmetry common to all groups, preferably one Center axis 214 of the total laser radiation 14 ', arranged (FIG. 11).
  • the setting of the individual frequencies of the individual semiconductor laser units I82 ⁇ s N is carried out in the same way as described in connection with the first exemplary embodiment, but with the difference that the control of the respective semiconductor laser unit I82 b2 SN takes place in such a way that that the beat frequency is not zero, but a beat frequency relative to the semiconductor laser 18R which corresponds to the desired frequency difference.
  • the semiconductor laser units I82 and 18 2 are controlled in such a way that the beat frequency is zero compared to the semiconductor laser unit 18R sets the semiconductor laser units 18g and 18 such that the beat frequency 10 MHz is set with respect to the semiconductor laser unit 18R, the semiconductor laser units 18 5 and 18g so that the beat frequency 20 MHz is set with respect to the semiconductor laser unit 18R, etc.
  • Each group of semiconductor laser units I82 b i g N thus generates laser radiation with a constant frequency which, however, differs from the other groups of semiconductor laser units by a respectively defined difference.
  • the beat frequencies - as shown in FIG. 12 - are generated electrically, for example in the form of a fundamental frequency of 10 MHz and in the form of higher harmonics to the fundamental frequency 10 MHz by a frequency generator 216 and as reference frequencies for setting the frequency of each Group predetermined the computer 72, which then sets the frequencies via the bus system 76 and the frequency control 170 and the bus system 172. Furthermore, the beat frequencies are set in a defined, predetermined phase position relative to the reference frequencies set out via the phase control 78 and the bus system 80 in a manner already set out in connection with the first exemplary embodiment.
  • the phase position is corrected by comparing the phase positions of the beat frequencies measured in each case with the phase detector 40 with the phase position of the reference frequencies and setting a defined phase position that is the same for all laser radiation to the reference frequencies, for example the phase difference zero the phase adjusting devices 82 provided for this purpose for the laser radiation of each of the semiconductor laser units 18, so that overall the phase positions of the laser radiation of each of the semiconductor laser units I82 ⁇ s N are phase-correlated with one another at a fixed point in time.
  • the distance of the maxima M on the time axis is 10 seconds.
  • the structure is identical to that of the second exemplary embodiment described so far, with the difference that groups are formed not only by two but by eight semiconductor laser units I82 to 18g, 18g to I825, etc., the associated groups of which Fiber end faces 282 to 28g, 28 to 82g, etc. are arranged in pairs symmetrically to the central axis 214 of the total laser radiation 14 ', as shown in FIG. 14.

Abstract

Um ein Halbleiterlasersystem mit mehreren Halbleiterlasereinheiten, aus denen jeweils Laserstrahlung austritt, mit einer jeder Halbleiterlasereinheit zugeordneten lichtleitenden Faser, mit einem Kopplungselement, welches die aus der jeweiligen Halbleiterlasereinheit austretende Laserstrahlung in die jeweilige lichtleitende Faser einkoppelt, und mit einem die Fasern umfassenden Faserbündel als Lichtleitersystem, welches ein Ende aufweist, aus dem eine durch die Summe der jeweils von den Halbleiterlasereinheiten erzeugten Laserstrahlungen gebildete Gesamtlaserstrahlung austritt, welche bei Lasertätigkeit aller Halbleiterlasereinheiten eine Zielfläche auf einem zu bestrahlenden Objekt ausleuchtet, derart zu verbessern, dass komplexe Bestrahlungsaufgaben durchführbar sind, wird vorgeschlagen, dass die Halbleiterlasereinheiten so ausgebildet sind, dass sie relativ zueinander in einem phasendefinierten und frequenzdefinierten Modenbetrieb arbeiten, dass die Laserstrahlung jeder Halbleiterlasereinheit verlustarm in die jeweilige laaserlichtleitende Faser eingekoppelt ist, dass jede Faser eine Monomodefaser ist und dass in der Gesamtlaserstrahlung die Laserstrahlungen mehrerer vorzugsweise aller Halbleiterlasereinheiten in ihrer Phase unabhängig voneinander steuerbar sind.

Description

Phasengesteuertes fraktales Lasersystem
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterlasersystem mit mehreren einen Laseroszillator umfassenden Halbleiter¬ lasereinheiten, aus denen jeweils Laserstrahlung austritt, mit einer jeder Halbleiterlasereinheit zugeordneten licht¬ leitenden Faser, mit einem Kopplungselement, welches die aus der jeweiligen Halbleiterlasereinheit austretende Laserstrahlung in die jeweilige laserlichtleitende Faser einkoppelt, und mit einem die Fasern umfassenden Faser¬ bündel als Lichtleitersystem, welches ein Ende aufweist, aus dem eine durch die Summe der jeweils von den Halb¬ leiterlasereinheiten erzeugten Laserstrahlung gebildete Gesamtlaserstrahlung austritt, welche bei Lasertätigkeit aller Halbleiterlasereinheiten eine Zielfläche auf einem zu bestrahlenden Objekt ausleuchtet.
Derartige Halbleiterlasersysteme sind bekannt. Beispiels¬ weise werden sieben Halbleiterlasersysteme auf eine Ziel¬ fläche gerichtet. Der Nachteil ist der, daß die Gesamt¬ laserstrahlung lediglich die Summe der einzelnen Laser¬ strahlungen darstellt und somit keine komplexen Bestrah¬ lungsaufgaben möglich sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Halb¬ leiterlasersystem der gattungsgemäßen Art derart zu ver¬ bessern, daß komplexe Bestrahlungsaufgaben durchführbar sind und insbesondere eine Gesamtlaserstrahlung zur Ver¬ fügung steht, welche hinsichtlich ihrer Strahlungsstärke und Eigenschaften mit der bislang verwendeten Laser¬ strahlung, beispielsweise von Hochleistungslasern, ver¬ gleichbar oder überlegen ist. Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterlasersystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Halbleiterlasereinheiten so ausgebildet sind, daß sie in einem phasendefinierten Modenbetrieb arbeiten, daß die Laserstrahlung jeder Halbleiterlasereinheit verlustarm in die jeweilige lichtleitende Faser eingekoppelt ist, daß jede Faser eine Monomodefaser ist und daß in der Gesamt¬ laserstrahlung die Laserstrahlungen mehrerer, vorzugsweise aller Halbleiterlasereinheiten in ihrer Phase unabhängig steuerbar sind.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Möglichkeit geschaffen, bei einem fraktalen LaserSystem eine Phasen¬ anpassung bei den sich zur Gesamtlaserstrahlung summieren¬ den Laserstrahlungen vorzunehmen und somit die Über¬ lagerungen der Laserstrahlungen zur Gesamtlaserstrahlung so durchzuführen, daß die Überlagerung mit vorbestimmbarer Phasenlage erfolgt.
Damit lassen sich in der Gesamtlaserstrahlung bei der Summation der Laserstrahlungen Synergieeffekte zwischen den Laserstrahlungen erzeugen und somit komplexe Bestrah¬ lungsaufgaben, beispielsweise durch Ausnutzung von Inter¬ ferenzerscheinungen zwischen den einzelnen Laserstrah¬ lungen, lösen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die aus jeder Halb¬ leiterlasereinheit austretende Laserstrahlung ein hin¬ sichtlich der Phase von der Laserstrahlung der anderen Halbleiterlasereinheit unabhängiges Laserstrahlungsfeld aufweist. Durch eine derartige völlige Unabhängigkeit der Phase der Laserstrahlungsfelder der einzelnen Halbleiter¬ lasereinheiten besteht in besonders vorteilhafter Weise die Möglichkeit, die Phasenlagen der einzelnen Laser¬ strahlungsfelder in erfindungsgemäßer Weise zu steuern.
Noch vorteilhafter ist es, wenn die aus jeder Halbleiter¬ lasereinheit austretende Laserstrahlung von der Laser¬ strahlung der anderen Halbleiterlasereinheiten strahlungs- feldentkoppelt ist.
Dies läßt sich besonders vorteilhaft dadurch erreichen, daß die jeweils in die lichtleitende Faser eingekoppelte Laserstrahlung einer Halbleiterlasereinheit von der Laser¬ strahlung der anderen Halbleiterlasereinheiten strahlungs- feldentkoppelt ist.
Realisierbar ist dies beispielsweise dadurch, daß jede der Halbleiterlasereinheiten einen eigenen, von den anderen Halbleiterlasereinheiten strahlungsfeldentkoppelten Laser¬ oszillator aufweist.
Eine derartige Strahlungsfeldentkopplung der Laseroszil¬ latoren läßt sich konstruktiv am einfachsten dadurch realisieren, daß die Laseroszillatoren der Halbleiter¬ lasereinheiten jeweils voneinander getrennte Laseroszil¬ latoren sind.
Die Laserstrahlungen der einzelnen Halbleiterlaser¬ einheiten könnten in der Gesamtlaserstrahlung wieder miteinander wechselwirken und wieder miteinander über das Strahlungsfeld koppeln. Vorteilhafterweise ist jedoch vorgesehen, daß die die Gesamtlaserstrahlung bildenden Laserstrahlungen strahlungsfeldentkoppelt sind, so daß keine gegenseitige Rückwirkung zwischen den einzelnen Strahlungsfeldern der Laserstrahlungen entsteht, sondern lediglich eine definierte Steuerung der Phase der Laser¬ strahlungen der einzelnen Halbleiterlasereinheiten, so daß die Phasenansteuerung bei der aus einer Halbleiterlaser¬ einheit austretenden Laserstrahlung keine Rückwirkung auf die Phasenlage der anderen, aus den anderen Halbleiter¬ lasereinheiten austretenden Laserstrahlungen aufweist.
Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Lösung dann einsetzbar, wenn alle Halbleiterlasereinheiten mit der¬ selben Frequenz arbeiten, da dann durch entsprechende Steuerung der Phasenlage alle Arten von Interferenz¬ effekten erreichbar sind.
Besonders einfach läßt sich dies dadurch erreichen, daß alle Lasereinheiten frequenzgekoppelt sind.
Um Frequenzabweichungen möglichst gering zu halten, ist ferner vorgesehen, daß die Halbleiterlasereinheiten frequenzstabilisiert sind.
Vorzugsweise läßt sich eine Frequenzstabilisierung dadurch erreichen, daß sie über eine Frequenzsteuerung, insbe¬ sondere eine Temperatur- und/oder Stromsteuerung der Halb¬ leiterlasereinheiten, erfolgt.
Ferner ist eine weitere zweckmäßige Möglichkeit zur Frequenzstabilisierung die, daß jede Halbleiterlaser¬ einheit mindestens eine einzelstromsteuerbare Diodenzone zur FrequenzSteuerung aufweist. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Halbleitereinheiten eine Frequenz-/Stromcharakteristik aufweisen, die so ist, daß bei jeder Halbleiterlasereinheit die vorgesehene Frequenz mit einer Stromvariation in einem Steuerbereich zwischen der minimalen und der maximalen Stromstärke der Halbleiterlasereinheit erhältlich ist.
Vorteilhaft ist es, wenn dieselbe Frequenz durch eine Stromvariation in einem Bereich von ungefähr 50%, noch besser 20% und am besten 10%, des Steuerbereichs erhält¬ lich ist.
Die Einstellung der Frequenz-/Stromcharakteristik ist vorteilhafterweise über eine Temperierung der jeweiligen Halbleiterlasereinheit möglich.
Vorteilhafterweise ist zur Temperierung ein Heizelement in direktem Kontakt mit der Halbleiterschicht vorgesehen, oder Bestandteil der Halbleiterschicht.
Darüber hinaus ist, um einen definierten Modenbetrieb zu erreichen, vorgesehen, daß die jeweiligen Halbleiterlaser¬ einheit in einem stabilisierten Modenbetrieb arbeitet.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die jeweilige, vorzugsweise jede Halbleiterlasereinheit im transversalen Grundmode arbeitet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die jeweilige, vorzugsweise jede Halbleiterlasereinheit im longitudinalen Einmodenbetrieb arbeitet.
Für die Art der PhasenJustierung sind die unterschied¬ lichsten Möglichkeiten vorgesehen. Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, die PhasenJustierung so vorzunehmen, daß sich die Gesamtlaserstrahlung in Form einer definierbaren Wellenfront ausbreitet. In diesem Fall erfolgt die PhasenJustierung so, daß jeweils die die Wellenfront bildenden Laserstrahlungen in einer definier¬ ten Phasenbeziehung relativ zueinander, beispielsweise gleichphasig, sind und auch dieselbe Frequenz aufweisen.
Ein weniger aufwendiges Ausführungsbeispiel sieht vor, daß einzelne Teilbündel der Gesamtlaserstrahlung sich jeweils in Form einer definierbaren Wellenfront ausbreiten, die Teilbündel aber unter sich inkohärent sind. Bereits hier¬ durch wird jedoch bereits die Fokussierbarkeit der Gesamt¬ laserstrahlung erheblich verbessert.
Wie die Phasensteuerung für jede Halbleiterlasereinheit unabhängig von der anderen erfolgen soll, wurde bislang nicht im einzelnen ausgeführt. So ist es hierzu besonders vorteilhaft, wenn für die Laserstrahlung jeder Halbleiter¬ lasereinheit eine Phasenjustiereinrichtung vorgesehen ist, so daß mit dieser PhasenJustierung bei jeder einzelnen Halbleiterlasereinheit eine Phasensteuerung unabhängig von den anderen Halbleiterlasereinheiten durchführbar ist.
So ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß eine Phasen¬ justierung über zwei oder mehr als zwei Phasenjustier- einrichtungen erfolgt, wobei eine erste Phasenjustier¬ einrichtung eine erste Zeitkonstante und eine zweite PhasenJustiereinrichtung eine zweite Zeitkonstante auf¬ weisen, welch letztere beispielsweise kleiner als die erste ist. Wo die PhasenJustiereinrichtung angeordnet sein kann, wurde bislang ebenfalls offengelassen. Eine Möglichkeit, eine PhasenJustiereinrichtung vorzusehen, ist die, daß die PhasenJustiereinrichtung eine Steuerung der Halbleiter¬ lasereinheit umfaßt.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Steuerung eine Stromsteuerung der Halbleiterlasereinheit umfaßt. Außerdem ist es teilweise auch noch von Vorteil, wenn die Steuerung eine Temperaturregelung für die Halbleiterlasereinheit umfaßt.
Besonders vorteilhaft läßt sich eine Phasenjustierein- richtung integrieren, wenn eine Halbleiterlasereinheit mindestens zwei einzelstromsteuerbare Diodenzonen mit unterschiedlicher Abhängigkeit der Brechzahl vom Dioden¬ strom aufweist, von denen eine als Element der Phasen- justiereinrichtung arbeitet.
Vorzugsweise handelt es sich dabei um die Diodenzone, welche nicht den Laseroszillator, sondern vorzugsweise den Laserverstärker, bildet, so daß über den Laseroszillator die Frequenzstabilisierung erfolgt, während eine Phasen¬ justierung über die Diodenzone des Laserverstärkers mög¬ lich ist.
Eine weitere Alternative einer erfindungsgemäßen Phasen- justiereinrichtung sieht vor, daß diese ein in der Faser angeordnetes Phasenvariationsglied umfaßt, so daß in der Faser die Phasenvariation durch die Phasenjustier- einrichtung durchführbar ist. Zweckmäßigerweise ist das Phasenvariationsglied in dem sich an die Halbleiterlasereinheit anschließenden Faser¬ endbereich angeordnet, um dadurch zu erreichen, daß eine Ansteuerung des Phasenvariationsgliedes teilweise gemein¬ sam mit der Ansteuerung jeder einzelnen Halbleiterlaser¬ einheit möglich ist.
Vorzugsweise ist das Phasenvariationsglied so aufgebaut, daß es durch einen aktiven Faserabschnitt gebildet ist.
Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, daß in dem aktiven Faserabschnitt eine Phasenanpassung mittels eines elektrooptischen oder magnetooptischen Effekts erzeugbar ist.
Alternativ dazu ist vorgesehen, daß in dem aktiven Faser¬ abschnitt eine Phasenanpassung mittels einer Temperatur¬ änderung desselben erzeugbar ist.
Eine weitere Möglichkeit, eine Phasenjustiereinrichtung vorzusehen, ist die, daß die Phasenjustiereinrichtung ein zwischen der Halbleiterlasereinheit und der Monomodefaser angeordnetes Phasenvariationsglied umfaßt. Ein derartiges Phasenvariationsglied ist vorzugsweise zwischen der Halb¬ leiterlasereinheit und einem dieser zugewandten Ende der Monomodefaser angeordnet, das heißt ebenfalls nahe bei der Halbleiterlasereinheit, so daß eine Ansteuerung der Phasenjustiereinrichtung mit diesem Phasenvariationsglied ebenfalls im Zusammenhang mit der Ansteuerung der Halb¬ leiterlasereinheit erfolgen kann. Beispielsweise sieht eine zweckmäßige Anordnung des Phasenvariationsglieds vor, daß dieses zwischen der Halb¬ leiterlasereinheit und einem dieser zugewandten Ende der Monomodefaser angeordnet ist.
Vorzugsweise ist dabei das Phasenvariationsglied ebenfalls so ausgebildet, daß es eine elektrooptische oder magneto¬ optische Einheit umfaßt.
Alternativ dazu ist es ebenfalls möglich, daß das Phasen¬ variationsglied eine temperaturabhängige Einheit umfaßt.
Eine bevorzugte Möglichkeit sieht vor, daß das Phasen¬ variationsglied einen Polarisationsdreher aufweist.
Hinsichtlich der Einkopplung der Laserstrahlung in die Monomodefasern wurden bislang keine weiteren Ausführungen gemacht. So ist es besonders zweckmäßig, wenn die Ein¬ kopplung der Laserstrahlung in die Monomodefasern beugungsbegrenzt erfolgt, um möglichst geringe Verluste zu erhalten.
Hinsichtlich der Detektion der Phase für die Phasen¬ steuerung wurden im Zusammenhang mit den bisherigen Ausführungsbeispielen ebenfalls keine weiteren Angaben gemacht. So sieht ein besonders vorteilhaftes Ausführungs¬ beispiel vor, daß an einem Ende des Faserbündels ein Phasendetektor für die Laserstrahlung jedes Halbleiter¬ elements angeordnet ist.
Vorzugsweise ist der Phasendetektor so aufgebaut, daß er ein Interferometer umfaßt, da mit einem Interferometer durch relativ einfache Detektionsverfahren eine Phasen- detektion möglich ist. Eine besonders vorteilhafte Lösung für einen Phasen¬ detektor sieht vor, daß in diesem die Phasenlage der Laserstrahlung jedes Halbleiterelements mit der Phasenlage einer Referenzlaserstrahlung verglichen wird, welche von einer auf gleicher Frequenz arbeitenden Halbleiter¬ lasereinheit erzeugt wird. Durch Interferenz der Laser¬ strahlung und der Referenzlaserstrahlung ist somit auf einfache Weise eine Ermittlung der Phasenlage möglich.
Besonders einfach läßt sich dies dann realisieren, wenn der Phasendetektor ein Auskoppelelement zur Auskopplung eines Teils der Laserstrahlung jeder Halbleiterlaser¬ einheit aus der Gesamtlaserstrahlung aufweist.
Ferner läßt sich eine Messung der Phasenlage der Laser¬ strahlung jeder einzelnen Halbleiterlasereinheiten dann besonders effektiv durchführen, wenn der Phasendetektor eine Detektormatrix aufweist, wobei mindestens jeweils ein selektiv abfragbares Matrixelement ausschließlich die Laserstrahlung einer Halbleiterlasereinheit und die Referenzlaserstrahlung empfängt. Durch dieses Vorsehen einer Detektormatrix ist eine gleichzeitige Messung der Phasenlagen aller Halbleiterlasereinheiten möglich und somit eine sehr schnelle Regelung der Phasenlagen über die Phasensteuerung.
Besonders vorteilhaft läßt sich die Ermittlung der Phasen¬ lage in dem Phasendetektor dann durchführen, wenn die Referenzlaserstrahlung leistungs- oder phasenmoduliert ist.
Diese Leistungsmodulation ist günstigerweise dadurch durchführbar, daß die Referenzstrahlung durch einen Modulator, vorzugsweise einen Chopper, moduliert ist. Die Phasenmodulation ist beispielsweise über eine der beschriebenen Möglichkeiten der Phasensteuerung durchführ¬ bar.
Besonders vorteilhaft läßt sich die Auswertung der Phasen¬ lage dann durchführen, wenn der Phasendetektor mit einer Auswerteschaltung verbunden ist, welche die Phasenlage der Laserstrahlung in der Gesamtlaserstrahlung ermittelt und die Phasenlage der Laserstrahlung jeder einzelnen Halb¬ leiterlasereinheit in der Gesamtlaserstrahlung so steuert, daß die Phasenlage der jeweiligen Laserstrahlung in der Gesamtlaserstrahlung definiert vorgebbar ist.
Ergänzend hierzu ist es ferner vorteilhaft, wenn mit der Auswerteschaltung auch die Leistung der Laserstrahlung jeder einzelnen Halbleiterlasereinheit meßbar und über die Ansteuerung der Halbleiterlasereinheit steuerbar ist.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Auswerte¬ schaltung des Phasendetektors bei jedem Matrixelement zur Ermittlung der Phasenlage die Leistungsvariationen umfaßt.
Besonders vorteilhaft läßt sich die Ermittlung der Leistung jeder einzelnen Halbleiterlasereinheit in dem Phasendetektor durchführen, wenn die Referenzlaser¬ strahlung leistungsmoduliert ist, da dann das Signal des Phasendetektors bei Leistung Null der Referenzlaser¬ strahlung direkt ein Maß für die Leistung ist.
Zweckmäßigerweise ist die Auswerteschaltung ferner über ein Bussystem mit einer Phasensteuerung verbunden, wobei beispielsweise eine oder mehrere weitere Fasern zur Daten¬ übertragung dienen können. Darüber hinaus ist die Auswertung der Einrichtung auch noch zweckmäßigerweise über ein Bussystem mit einer Frequenzsteuerung für die einzelnen Halbleiterlaser¬ einheiten verbunden.
Hinsichtlich der Ausbildung des Lichtleitersystems im Bereich des Endes desselben wurden bislang keine weiteren Angaben gemacht. So ist vorzugsweise vorgesehen, daß im Bereich des Endes des Lichtleitersystems Faserendflächen der Monomodefasern, aus denen die LaserStrahlung der zugehörigen Halbleiterlasereinheit austritt, in einer optisch auf die Zielfläche abbildbaren Endfläche des Lichtleitersystems liegen.
Die Faserendflächen können dabei einen Zwischenraum auf¬ weisen, welcher vorzugsweise kleiner ist als ein Drei¬ faches der Faserdicke, noch besser ist es, wenn der Zwischenraum kleiner als ein Zweifaches der Faserdicke ist. Im Extremfall können die Faserendflächen in der End¬ fläche nebeneinander liegen und insbesondere aneinander angrenzen.
Hinsichtlich der Art und Form der Endfläche wurden bislang ebenfalls keine weiteren Angaben gemacht. So ist vorge¬ sehen, daß die Form der Endfläche an eine Form der Ober¬ fläche des zu bestrahlenden Objekts im Bereich der Ziel¬ fläche angepaßt ist.
Vorzugsweise sind die Faserendflächen so angeordnet, daß die Gesamtlaserstrahlung definiert vorgebbare Phasen¬ fronten aufweist, aus denen definiert vorgebbare Intensitätsverteilungen auf der Zielfläche resultieren. Im einfachsten Fall sind die Faserendflächen im wesent¬ lichen in einer die Endflächen bildenden Ebene angeordnet.
Zusätzlich bildet die Anordnung der Faserendflächen in der Endfläche die Möglichkeit, durch die Form der Endfläche eine Anpassung an optische Abbildungseigenschaften der Abbildungsoptik zu erreichen.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, daß zwischen der End¬ fläche des Lichtleitersystems und der Zielfläche eine Abbildungsoptik vorgesehen ist, um eine gute Abbildung aller Faserendflächen auf die Zielfläche zu erreichen.
Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Lösung eine Phasen¬ steuerung möglich ist, ist es ferner möglich, Abbildungs¬ eigenschaften der Abbildungsoptik durch Phasensteuerung der einzelnen, den Gesamtlaserstrahl bildenden Laser¬ strahlen zu erzeugen, beispielsweise Abbildungsfehler zu korrigieren.
Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß möglich, Lage und Form der Zielfläche durch Phasensteuerung der Laser¬ strahlen der Gesamtlaserstrahlung vorzugeben.
Hinsichtlich der Art der Halbleiterlasereinheiten wurden bislang ebenfalls keine genaueren Angaben gemacht. So sieht ein Ausführungsbeispiel vor, daß jede Halbleiter¬ lasereinheit jeweils einen einzigen laseraktiven Dioden¬ streifen aufweist. Dabei kann sich die Laserstrahlung entweder in einer Ebene, in welcher sich der Laserstreifen erstreckt, aus¬ breiten, was beispielsweise bei konventionellen Laser¬ dioden der Fall ist, oder ungefähr senkrecht zu dieser, was im Fall von Vertikalemittern der Fall ist.
Alternativ oder ergänzend dazu ist es vorteilhaft, wenn jede Halbleiterlasereinheit ein gekoppeltes im Grundmode arbeitendes Array von laseraktiven Diodenstreifen umfaßt.
Hinsichtlich des Aufbaus der Halbleiterlasereinheit im einzelnen wurden ebenfalls keine weiteren Angaben gemacht. So sieht ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel vor, daß jede Halbleiterlasereinheit einen Laseroszillator und einen Laserverstärker umfaßt, die vorzugsweise in dieselbe Halbleiterschicht integriert sind.
Darüber hinaus ist es noch zweckmäßig, wenn jede Halb¬ leiterlasereinheit durch ein Streifengitter moden¬ stabilisiert ist.
Alternativ zu der in den vorstehenden Ausführungs¬ beispielen erläuterten aktiven Frequenzstabilisierung jeder einzelnen Halbleiterlasereinheit, beispielsweise über Interferenz mit einer ReferenzlaserStrahlung, sieht ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß alle mit derselben Frequenz arbeitenden Halbleiterlaser¬ einheiten einen gemeinsamen Laseroszillator umfassen, der eine Basislaserstrahlung erzeugt, welche von jeder Halb¬ leiterlasereinheit durch einen eigenen Laserverstärker zu der Laserstrahlung der jeweiligen Halbleiterlasereinheit verstärkt und von dieser in die der jeweiligen Halbleiter¬ lasereinheit zugeordneten Monomodefaser eingekoppelt wird. Der Vorteil dieses Systems liegt darin, daß durch Vorsehen eines einzigen gemeinsamen Laseroszillators für alle Halb¬ leiterlasereinheiten bereits die Frequenzkonstanz zwischen den Laserstrahlungen der einzelnen Halbleiterlaser¬ einheiten vorgegeben ist, so daß hier zur Frequenz¬ stabilisierung keine zusätzlichen Maßnahmen ergriffen werden müssen.
Um die Basislaserstrahlung den einzelnen Laserverstärkern zuführen zu können, sind ferner in vorteilhafter Weise Strahlteiler vorgesehen, welche die Basislaserstrahlung als Teilstrahlung in die jeweiligen Laserverstärker ein¬ koppeln.
Um Strahlungsverluste zu vermeiden, ist ferner vorteil¬ hafterweise eine Strahlformungsoptik vorgesehen, welche die divergente Basislaserstrahlung in eine sich als ebene Welle ausbreitende Basislaserstrahlung umformt.
Ferner ist es ergänzend dazu vorteilhaft, wenn eine Strahlformungsoptik vorgesehen ist, welche die von den Strahlteilern kommende Teilstrahlung auf die Laser¬ verstärker abbildet.
Hinsichtlich des Kopplungselements zur Ankopplung der Monomodefasern wurden bislang ebenfalls keine weiteren Angaben gemacht. So hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Kopplungselement zur Ankopplung der Monomodefaser an die Halbleiterlasereinheit ein vom Substrat der Halbleiterlasereinheit getragenes Abbildungs¬ element umfaßt. Vorzugsweise ist das Abbildungselement dabei so aus¬ gebildet, daß es den in Richtung parallel zu den Schicht¬ ebenen des Halbleiters sich aufweitenden Laserstrahl auf die Monomodefaser fokussiert.
Im einfachsten Fall handelt es sich bei dem Abbildungs¬ element um ein in das Substrat eingeformtes Gitter, wobei das Gitter zweckmäßigerweise ein Reflexionsgitter ist.
Alternativ dazu ist es denkbar, daß das Abbildungselement ein in das Substrat eingeformter Spiegel ist, wobei der Spiegel günstigerweise die Laserstrahlung ebenfalls auf die Monomodefaser fokussierend ausgebildet ist.
Eine weitere alternative Lösung sieht vor, daß das Abbildungselement eine in das Substrat integrierte Linse ist, wobei die Linse vorzugsweise eine Indexlinse ist.
Alternativ oder ergänzend zur Verwendung eines Spiegels oder einer Linse ist vorgesehen, daß das Abbildungselement ein holographisch-optisches Element ist.
Vorzugsweise sieht das erfindungsgemäße Lasersystem vor, eine Vielzahl von beispielsweise mehreren -zig oder hundert Halbleiterlasereinheiten mit Leistungen von 1 bis 3 Watt zu verwenden um Leistungen der Gesamtlaserstrahlung von mehreren hundert oder sogar mehr als eintausend Watt zu erreichen.
Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleitersystems ist vorgesehen, daß das Faserbündel Detektorfasern umfaßt, wobei die Detektor¬ fasern dazu dienen, insbesondere die Zielfläche zu beobachten. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß ein Ende der Detektorfasern am Ende des Lichtleitersystems liegt.
Um die gleichen Abbildungsverhältnisse wie im Fall der Gesamtlaserstrahlung zu erreichen, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß das Ende der Detektorfasern in der End¬ fläche neben den Faserendflächen liegt, so daß die Faser¬ endflächen der Detektorfasern ebenfalls in der Endfläche liegen.
Besonders günstig ist es, wenn die Enden der Detektor¬ fasern verteilt zwischen den Faserendflächen liegen.
Dadurch ist vorteilhafterweise erreichbar, daß bei Ver¬ wendung einer Abbildungsoptik die Zielfläche auf die Enden der Detektorfasern auf abgebildet wird.
Darüber hinaus läßt sich die Beobachtung der Zielfläche besonders einfach dadurch erreichen, daß an einem anderen Ende der Detektorfasern ein optischer Detektor zur Beobachtung der Bildfläche angeordnet ist.
Vorzugsweise ist dieser Detektor als Matrixdetektor aus¬ gebildet und den einzelnen Matrixpunkten des Matrix¬ detektors sind vorzugsweise die Detektorfasern so zuge¬ ordnet, daß mit deren Faserendflächen eine unmittelbare Abbildung der Zielfläche auf den Matrixdetektor möglich ist.
Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn eine Steuerung vorgesehen ist, welche über den Matrixdetektor die Intensitätsverteilung in der Zielfläche beobachtet und durch definierte Vorgabe der Phase und gegebenenfalls auch der Leistung für die einzelnen Halbleiterlasereinheiten innerhalb der Zielfläche eine lokal fixierte Bestrahlung auf den zu bestrahlenden Objekt sicherstellt.
Im Zusammenhang mit der Erläuterung der bislang be¬ schriebenen Ausführungsbeispiele wurde nicht mehr darauf eingegangen, für welche Wellenlängenbereiche die Halb¬ leiterlasereinheiten ausgelegt sind. So sieht das ein¬ fachste Ausführungsbeispiel vor, daß alle Halbleiterlaser¬ einheiten für denselben Wellenlängenbereich ausgelegt sind.
Es ist aber auch denkbar, daß unterschiedliche Halbleiter¬ lasereinheiten für unterschiedliche Welϊenlängenbereiche ausgelegt sind.
Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn die Halbleiter¬ lasereinheiten eine Gruppe von Halbleiterlasereinheiten mit gleicher Wellenlänge umfassen.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel sieht vor, daß die Halbleiterlasereinheiten mehrere Gruppen von Halb¬ leiterlasereinheiten mit jeweils innerhalb derselben gleicher Wellenlänge umfassen.
In einem derartigen Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn die Faserendflächen von Laserstrahlung unterschied¬ licher Wellenlänge abstrahlenden Fasern zu jeweils einer Abstrahlgruppe zusammengefaßt sind und wenn die Abstrahl¬ gruppen in der Endfläche nebeneinander angeordnet sind. Besonders vorteilhaft läßt sich bei einem derartigen Aus¬ führungsbeispiel die Markierung und StrahlSichtbarmachung realisieren, denn in diesem Fall braucht lediglich eine Gruppe von Halbleiterlasereinheiten so aufgebaut zu sein, daß die LaserStrahlung mit einer im sichtbaren Bereich liegenden Wellenlänge erzeugt.
Vorzugsweise läßt sich in diesem Fall die andere Gruppe von Halbleiterlasereinheiten so aufbauen, daß sie bei¬ spielsweise die für die Bestrahlung oder Bearbeitung erforderliche Laserstrahlung erzeugt.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Halbleiterlaser¬ system, insbesondere bei einem System, welches einzeln frequenzabstimmbare Halbleiterlasereinheiten umfaßt, ist ein weiterer vorteilhafter Betriebsmodus dann möglich, wenn die Halbleiterlasereinheiten jeweils eine Laser¬ strahlung erzeugen, deren Frequenzen eine Frequenzfolge mit einem konstanten Frequenzabstand bilden und deren Laserstrahlung zu einem definierten Zeitpunkt dieselbe Phasenlage aufweist "Mode gelockt". Bei einem derartigen Halbleiterlasersystem lassen sich auf einfache Weise definierte zeitliche Intensitätsfluktuationen erzeugen.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn jeweils eine Gruppe von Halbleitereinheiten Laserstrahlung mit der¬ selben Frequenz erzeugt und die Faserendflächen der jeweils zugeordneten Monomodefasern zueinander so in vor¬ gebbaren geometrischen Symmetrien angeordnet sind, daß Teilbündel mit dieser Symmetrie aber unterschiedlicher Frequenz in der Gesamtlaserstrahlung vorliegen.
Vorzugsweise sind die gewünschten Frequenzabstände der Frequenzfolge mit einem Pulsgenerator erzeugbar und der Frequenzstabilisierung zur Verfügung gestellt. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegen¬ stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichne¬ rischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten
Ausführungsbeispiels; eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasersystems;
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Endfläche des Licht¬ leitersystems beim ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungs¬ gemäßen Phasendetektors;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Steuerung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Halbleiter¬ lasereinheit mit einer Phasenjustiereinrichtung;
Fig. 6 eine zweite Variante einer Phasenjustier¬ einrichtung;
Fig. 7 eine dritte Variante einer Phasenjustier¬ einrichtung;
Fig. 8 eine Darstellung ähnlich Fig. 5 eines zweiten
Ausführungsbeispiels einer Halbleiterlasereinheit; Fig. 9 eine Darstellung in der Ansicht ähnlich Fig. 5 eines dritten Ausführungsbeispiels einer Halb¬ leiterlasereinheit;
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungs¬ gemäßen Halbleiterlasersystems;
Fig. 11 eine Darstellung ähnlich Fig. 2 bei einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halb¬ leiterlasersystems;
Fig. 12 eine Darstellung ähnlich Fig. 4 der Steuerung für das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungs¬ gemäßen Halbleiterlasersystems;
Fig. 13 eine schematische Darstellung des Zeitverlaufs des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungs¬ gemäßen Halbleiterlasersystems und
Fig. 14 eine Darstellung ähnlich Fig. 11 bei einer
Variante des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Lösung.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasersystems, dargestellt in Fig. 1, umfaßt eine erste Variante eines Strahlungserzeugersystems 10, an welches sich ein Lichtleitersystem 12 anschließt, welches eine Gesamtlaserstrahlung 14 abgibt, die ihrerseits auf eine Zielfläche 16 eines zu bestrahlenden Objekts 17 auftrifft. Das Strahlungserzeugersystem 10 umfaßt seinerseits eine Vielzahl von Halbleiterlasereinheiten 18-^ -^ ' von denen jede Laserstrahlung erzeugt, und bei denen die Laser¬ strahlung jeweils in eine Monomodefaser 20-^ ^ N einge¬ koppelt wird. Alle Monomodefasern 20-^ h s N werden zu einem Faserbündel 22 zusammengefaßt, welches dann vom Lichtleitersystem 12 umfaßt ist und ein Ende 24 aufweist, aus welchem die Gesamtlaserstrahlung 14 austritt. Vorzugs¬ weise liegen dabei an dem Ende 24, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, alle Faserendflächen 28 der Monomodefasern 20 in einer Endfläche 26.
Mittels einer Steuerung sind alle Halbleiterlasereinheiten 18^ kis N so betreibbar, daß sie frequenzstabilisiert auf derselben Frequenz arbeiten und außerdem eine Phasenlage der LaserStrahlung definiert vorgebbar ist, wobei mittels der Steuerung 32 die Vorgabe der Phasenlage derart er¬ folgt, daß die von den Faserendflächen 28 ausgehende und sich als Gesamtlaserstrahlung 14 ausbreitende Überlagerung der Laserstrahlungen mehrerer oder aller Halbleiterlaser¬ einheiten 18 zu der Gesamtlaserstrahlung 14 führt, die sich mit einer definierbaren, beispielsweise einer ebenen Wellenfront ausbreitet.
Um die Phasenlage der Laserstrahlung jeder einzelnen Halb¬ leiterlasereinheit an jeder einzelnen Faserendfläche 28 festlegen zu können (Fig. 3), ist das Lichtleitersystem 12 mit einem Phasendetektor 40 versehen, welcher einen Strahlteuer, vorzugsweise einen diffraktiven Reflektor 42, und ein abbildendes Element für einen Teil der Gesamt¬ laserstrahlung 14 umfaßt, wobei der diffraktive Reflektor im Abstand von der Endfläche 26 und vor dieser sowie dieser Endfläche 26 zugewandt angeordnet ist, so daß die Gesamtlaserstrahlung 14 diesen durchsetzt und zum Teil von diesem reflektiert wird. Besonders günstig ist es, wenn der diffraktive Reflektor 42 gleichzeitig als abbildendes Element dient, so daß eine zusätzliche Abbildungsoptik entfallen kann.
Von dem diffraktiven Reflektor 42 wird ein Teil der Gesamtlaserstrahlung 14 auf zwei Detektorflächen 44 und 46 zweier Matrixdetektoren 48 bzw. 50 abgebildet, wobei jeweils mindestens ein Matrixelement 52 bzw. 54 jeder Detektorfläche 44 bzw. 46 jeweils einer Faserendfläche 28 eindeutig zugeordnet ist, was gleichbedeutend ist mit einer eindeutigen Zuordnung von mindestens einem Matrix¬ element 52 bzw. 54 zu jeweils einer der Halbleiterlaser¬ einheiten 18.
Damit besteht mittels jedes Matrixelements 52 bzw. 54 die Möglichkeit, aufgrund des diffraktiven Reflektors 42 die Intensität der von der jeweils zugeordneten Halbleiter¬ lasereinheit 18 erzeugten Laserstrahlung zu erfassen.
Um jedoch mittels der Matrixelemente 52 bzw. 54 die Phasenlage der Laserstrahlung jeder der Halbleiterlaser¬ einheiten 18 zu erfassen, ist neben dem diffraktiven Reflektor eine Faserendfläche 56 einer Referenzfaser 58 vorgesehen, welche ebenfalls mit einer Halbleiterlaser¬ einheit 18R verbunden ist, wobei die Halbleiterlaser¬ einheit 18R identisch mit den übrigen Halbleiterlaser¬ einheiten 18 ist und insbesondere auch mit derselben Frequenz arbeitet, allerdings hinsichtlich ihrer Phasen¬ lage nicht gesteuert ist, sondern selbst eine Referenz¬ phasenlage liefert. Die Referenzphasenlage der Halbleiterlasereinheit 18R ist durch jedes der Matrixelemente 52 bzw. 54 dadurch nach¬ weisbar, daß sich von der Faserendfläche 56 ausgehend eine Kugelwelle ausbreitet, wobei diese Kugelwelle sowohl die gesamte Detektorfläche 44 als auch die Detektorfläche 46 erfaßt.
Somit kommt bei jedem der Matrixelemente 52 bzw. 54 der Detektorflächen 44 bzw. 46 neben der von dem diffraktiven Reflektor 42 reflektierten Laserstrahlung der jeweils zugeordneten Halbleiterlasereinheit 18 die Laserstrahlung der Halbleiterlasereinheit 18R der Referenzstrahlung an, wobei die beiden Laserstrahlungen interferieren und somit je nach ihrer relativen Phasenlage zueinander an dem jeweiligen Matrixelement 52 bzw. 54 ein Intensitätsmaximum und ein Intensitätsminimum detektierbar ist.
Eine zusätzliche Modulation der von der Faserendfläche 56 der Referenzfaser 58 ausgesandten LaserStrahlung mit einem Modulator 60 ermöglicht noch zusätzlich mit jedem der Matrixelemente 52 bzw. 54 eine Intensitätsmessung der Laserstrahlung jeder Halbleiterlasereinheit vorzunehmen, die ebenfalls für die Messung der Phasenlage insoweit von Bedeutung ist, um zu überprüfen, ob überhaupt von der jeweiligen Halbleiterlasereinheit 18^ ^^ s N Laserstrahlung erzeugt wird.
Darüber hinaus ist der diffraktive Reflektor 42 so aus¬ gebildet, daß er die Laserstrahlung von jeder einzelnen der Faserendflächen 28 polarisationsabhängig entweder zur Detektorfläche 44 oder zur Detektorfläche 46 reflektiert, so daß durch Vergleich der von den Matrixelementen 52 und 54, die jeweils einer Faserendfläche 28 und somit einer Halbleiterlasereinheit 18 zugeordnet sind, eine Bestimmung der Polarisation zusätzlich zur Phasenlage erlaubt. Die Messungen von Intensitäten bei den einzelnen Matri.x- elementen 52 bzw. 54 auf den Detektorflächen 44 bzw. 46 ergibt dann besonders gute Ergebnisse, wenn die Intensität der von dem diffraktiven Reflektor 42 reflektierten Laser¬ strahlung und die Intensität der von der Faserendfläche 56 der Referenzfaser 58 ausgesandten Laserstrahlung in jedem Matrixelement 52 bzw. 54 ungefähr gleich groß sind. Darüber hinaus ist bei den Messungen mittels der einzelnen Matrixelemente 52 bzw. 54 noch ein Wegunterschied, der von der Faserendfläche 56 ausgehenden Laserstrahlung zu den einzelnen Matrixelementen 52 zu berücksichtigen und zusätzlich auch noch ein Wegunterschied zwischen jeder der Faserendflächen 28 und dem entsprechenden Matrixelement 52 bzw. 54 über den diffraktiven Reflektor 42. Diese Weg¬ unterschiede ergeben zusätzliche Verschiebungen der Phasenlagen, so daß diese Unterschiede Berücksichtigung finden müssen, wenn mit dem Phasendetektor 40 an allen Faserendflächen 28, und zwar in der Endfläche 26, dieselbe Phasenlage hergestellt werden soll.
Vorzugsweise sind die Matrixdetektoren 48 und 50 als CCD-Kameras ausgebildet, von denen jeder Pixel ein Matrix¬ element 52, 54 darstellt.
Wie ferner in Fig. 3 dargestellt ist, folgt auf das diffraktive Element noch eine Abbildungsoptik 62, welche die Gesamtlaserstrahlung 14 auf die Zielfläche 16 ab¬ bildet, wobei die Abbildungsoptik 62 vorzugsweise so ausgelegt ist, daß eine kohärente Abbildung, daß heißt eine Abbildung des phasenkorrelierten Gesamtlaserstrahls 14, erfolgt, wobei dies im einfachsten Fall meist eine Abbildung in die Brennebene der Abbildungsoptik 62 ist, das heißt, daß die Zielfläche 16 vorzugsweise in der Brennebene liegt. Die eigentliche Steuerung der Phaεenlage der Laser¬ strahlung, welche von den Monomodefasern 20 geführt wird, erfolgt im Bereich des Strahlungserzeugersystems 10.
Jedes der Matrixelemente 52 und 54 der Matrixdetektoren 48 und 50 repräsentiert somit eine der Faserendflächen 28 in der Endfläche 26 und somit die Laserstrahlung einer Halb¬ leiterlasereinheit 18, so daß genau deren Phasenlage detektierbar ist.
Im einfachsten Fall sind bei den Matrixdetektoren 48 bzw. 50 genau soviel Matrixelemente 52 bzw. 54 vorhanden, wie Faserendflächen 28 in der Endfläche 26 liegen. Beispiels¬ weise sind dies genau ebenfalls N Matrixelemente 52 bzw. 54.
Die von allen 52-, j^^s N bzw. 54^ ^ N Matrixelementen gemessenen Intensitäten werden nun aus den jeweiligen Matrixdetektoren 48 bzw. 50 ständig ausgelesen und über eine Ausleseleitung 70 von einer Rechnereinheit 72 erfaßt, die aus den von jeweiligen Matrixelementen 52 bzw. 54 detektierten Intensitäten die Phasenlage ermittelt. Dazu erhält die Rechnereinheit 72 noch zusätzlich über eine Leitung 74 ein Synchronisiersignal, welches den Zustand des Modulators 60 anzeigt (Fig. 4). Im einfachsten Fall ist der Modulator 60 ein Chopper, welcher die Laser¬ strahlung der Halbleiterlasereinheit 18R in gleichmäßigen Intervallen ein- und ausschaltet.
Die von der Rechnereinheit bestimmte Phasenlage für jede der Halbleiterlasereinheiten 18-^ -^g N wird über ein Bussystem 76 einer Phasensteuerung 78 zugeführt, welche wiederum über ein Bussystem 80 eine Vielzahl von Phasen- justiereinrichtungen 82 lDis N ansteuert, wobei jede Phasenjustiereinrichtung 82^ j^g N jeweils einer Halb¬ leiterlasereinheit 18 zugeordnet ist, um die Phase der von dieser Halbleiterlasereinheit 18 erzeugten Laserstrahlung entsprechend den Vorgaben der Phasensteuerung 78 einzu¬ stellen und somit die Phasenlagen aller Halbleiterlaser¬ einheiten 18.^ bis N so miteinander zu korrelieren, daß diese Phasenlagen in der Endfläche 26 des Lichtleiter¬ systems 12 zu der vorgegebenen Phasenverteilung führen.
Die Funktion einer derartigen erfindungsgemäßen Phasen¬ justiereinrichtung 82 wird im nachfolgenden im Zusammen¬ hang mit einer beispielhaft verwendeten Halbleiterlaser¬ einheit 18 beschrieben.
Jede der Halbleiterlasereinheiten 18 umfaßt eine als Ganzes mit 90 bezeichnete Laserdiode, welche eine laser¬ aktive Schicht 92 umfaßt, die durch entsprechende Dotierung erzeugbar ist (Fig. 5). In dieser laseraktiven Schicht 92 ist ein Laseroszillator 94 angeordnet, welcher durch einen Streifen der laseraktiven Schicht gebildet ist.
Endseitig des Laseroszillators 94 sind Phasengitter 96 und 98 vorgesehen, welche einen modenstabilisierten Betrieb des Laseroszillators 94 erlauben. Vorzugsweise ist dabei der Laseroszillator 94 ein transversal im Grundmode sowie longitudinal im Einmodenbetrieb stabilisierbarer Laser¬ oszillator, in welchem sich Laserstrahlung 100 in einer Längsrichtung 102 ausbreitet.
In der Längsrichtung 102 schließt sich an den Laser¬ oszillator 94, und zwar an ein Ende desselben, ein ebenfalls in die laseraktive Schicht 92 integrierter Laserverstärker 104 an, in welchen sich eine in der Ebene der laseraktiven Schicht divergierend ausbreitende Laser¬ strahlung 106 ausbildet, welche aus einem dem Laseroszil¬ lator 94 gegenüberliegenden Ende 108 der laseraktiven Schicht 92 austritt.
Die Laserstrahlung 106 trifft dabei auf ein Kopplungs¬ element 110, welche die Laserstrahlung 106 beugungs¬ begrenzt in ein Ende 112 der der jeweiligen Halbleiter¬ lasereinheit zugeordneten Monomodefaser 20 einkoppelt. Die beugungsbegrenzte Einkopplung bedeutet, daß der Öffnungs¬ winkel, mit welchem die Laserstrahlung 106 auf das Ende 112 reflektiert wird, so ist, daß sich im Innern der Monomodefaser 20 nur der Grundmode ausbildet.
Im einfachsten Fall ist dabei das Kopplungselement 110 ein reflektierendes Element, welches zusätzlich noch fokus- sierende Eigenschaften aufweist. Dies kann beispielsweise ein Gitter, insbesondere ein Reflexionsgitter oder auch ein holographisch optisches Element sein.
Alternativ dazu ist aber auch denkbar, als Kopplungs¬ element einen auf das Ende 112 der Monomodefaser reflektierenden Spiegel zu verwenden.
Besonders vorteilhaft im Rahmen des beschriebenen Aus¬ führungsbeispiels ist es, wenn das Kopplungselement 110 von einem Substrat 114 getragen ist, welches gleichzeitig das Substrat für die Laserdiode 90 darstellt. In diesem Fall lassen sich somit Kopplungselement 110 und die Laser¬ diode 90 in einfacher Weise auf demselben Substrat 114 aufbauen und in Miniaturform realisieren. Um zu erreichen, daß der Laseroszillator 94 mit einer definierten Frequenz arbeitet, ist vorzugsweise die Laser¬ diode 90 mit einer Temperaturstabilisierung 116 vorge¬ sehen, welche die Temperatur des Substrats 114 exakt stabilisiert. Zusätzlich ist die Laserdiode 90 noch mit zwei Stromzuführungen 118 und 120 versehen, wobei die Stromzuführung 118 zum Substrat 114 führt und die Strom¬ zuführung 120 zu einer oberflächigen Kontaktierung auf der Laserdiode 90.
Eine weitere Stabilisierung der Frequenz des Laseroszil¬ lators 94 erfolgt noch zusätzlich über den durch die Stromzuführungen 118 und 120 zugeführten Strom und die über die laseraktive Schicht 92 anliegende Spannung. Beides erfolgt über eine Strom/Spannungssteuerung 122 für jede einzelne Laserdiode 90.
Zusätzlich zur Messung der Phasenlage mittels der Matrix¬ detektoren 48 bzw. 50 ist es ebenfalls möglich noch die Frequenz der einzelnen Halbleiterlaser 18, ^T. N rela'tiv zur Frequenz des Halbleiterlasers 18R zu messen, nämlich dadurch, daß eine durch die Interferenz der Laserstrahlung des Halbleiterlasers 18R mit der Laserstrahlung jedes einzelnen der Halbleiterlaser 18 im Bereich der Matrix¬ elemente 52 bzw. 54 bei der von den Matrixelementen 52 bzw. 54 gemessenen Intensität zum Auftreten einer Schwebungsfrequenz dann führt, wenn die Frequenzen der Laserstrahlungen nicht identisch sind. Detektiert somit eines der Matrixelemente 52 bzw. 54 eine Modulation der Intensitäten mit der Schwebungsfrequenz, so ist zunächst eine Frequenzstabilisierung des jeweiligen Laseroszil¬ lators 94 dadurch vorzunehmen, daß über dessen Strom/Spannungssteuerung 122 und gegebenenfalls dessen Temperaturstabilisierung 116 die Frequenz des Laser¬ oszillators 94 soweit geändert wird, bis diese Schwebungs¬ frequenz bei der gemessenen Intensität bei jedem Matrix¬ element 52 bzw. 54 nicht mehr auftritt (Fig. 5).
Diese Schwebungsfrequenz läßt sich ebenfalls durch die Rechnereinheit 72 feststellen. Diese steuert dann über das Bussystem 76 eine FrequenzSteuerung 170, welche ihrerseits wiederum über ein Bussystem 172 die einzelnen Strom/ Spannungssteuerungen 122 und die einzelnen Temperatur¬ stabilisierungen 116 der einzelnen Halbleiterlaser¬ einheiten 18 ansteuert um die Frequenz des Laseroszil¬ lators 94 im gewünschten Maße zu variieren.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Phasen¬ justiereinrichtung 82 ist in einem dem Ende 112 zuge¬ wandten Bereich der Monomodefaser 20 angeordnet. Im ein¬ fachsten Fall umfaßt dies ein PhasenJustierelement mit einem Element zur Erwärmung des Materials der Monomode¬ faser 20 in einem Abschnitt 130, wodurch sich die Brech¬ zahl des Materials der Monomodefaser 20 im Bereich des Abschnitts 130 ändert und sich somit auch die Phasenlage der den Abschnitt 130 durchsetzenden Laserstrahlung ändern läßt.
Beispielsweise läßt sich die Erwärmung des Abschnitts 130 durch Einkopplung von Hochfrequenz über eine Spule reali¬ sieren.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Phasenjustier- elements, dargestellt in Fig. 6, sitzt vor dem Ende 112 ein denselben Durchmesser wie die Monomodefaser 20 auf¬ weisendes Faserstück 132 aus einem Pockelseffekt zeigenden Material. Eine Einkopplung der LaserStrahlung 106 erfolgt dabei durch das Kopplungselement 110 in ein Ende 134 des Faser¬ stücks 132, welches auf der entgegengesetzten Seite zu dem an das Ende 112 anschließenden Ende 136 des Faserstücks 132 liegt. Das Ende 136 des Faserstücks 132 schließt sich dabei unmittelbar an das Ende 112 der Monomodefaser an, so daß die Laserstrahlung von dem Faserstück 132 direkt in die Monomodefaser 20 übertritt.
Das Faserstück 132 trägt seinerzeit zwei in Längsrichtung 138 desselben im Abstand von einander angeordnete Kontakte 140 und 142, die zwischen sich einen Abschnitt 144 des Faserstücks einschließen. Durch Anlegen einer Spannung zwischen den Kontakten 140 und 142 tritt in dem Abschnitt 144 ein Pockelseffekt auf, mittels welchem sich die Phasenlage der diesen Abschnitt durchsetzenden Laser¬ strahlung 106 variieren läßt.
Im übrigen ist das zweite Ausführungsbeispiel identisch wie das erste ausgebildet, so daß diesbezüglich auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel verwiesen wird.
Ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen PhasenJustierelements ist, wie in Fig. 7 dargestellt, in die Laserdiode 90 integriert. Bei diesem dritten Aus¬ führungsbeispiel ist die laseraktive Schicht 92 des Laser¬ oszillator 94 von der laseraktiven Schicht 152 des Laser¬ verstärkers 104 getrennt und zusätzlich ist zum Betrieb des Laserverstärkers 104 eine separate Kontaktierung 154 vorgesehen. Durch eine separate Strom- und Spannungsregelung 156 für den Laserverstärker 104 ist es somit möglich, durch Variation von Strom und Spannung in der zum Laser¬ verstärker 104 gehörenden laseraktiven Schicht 152 auch den Brechungsindex in dieser laseraktiven Schicht zu ver¬ ändern und somit auch bereits innerhalb des Laser¬ verstärkers 104 die Phasenlage der Laserstrahlung 106 zu verändern.
Zusätzlich ist die laseraktive Schicht 152 anders aus¬ gebildet als die laseraktive Schicht 92 des Laseroszil¬ lators 94, vorzugsweise weist sie eine andere Brechzahl auf, so daß über die Stromsteuerung in der laseraktiven Schicht 152 in einfacher Weise eine Steuerung der Phasen¬ lage möglich ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer erfindungs¬ gemäßen Halbleiterlasereinheit 18', dargestellt in Fig. 8, ist das Kopplungselement 110 lediglich als reflektierende Fläche ausgebildet und die Fokussierung, insbesondere die beugungsbegrenzte Einkopplung der LaserStrahlung 106 in das Ende 112 der Monomodefaser 20, erfolgt über eine zusätzlich vorgesehene Linse 160, welche zwischen dem Kopplungselement 110 und dem Ende 112 angeordnet und vorzugsweise ebenfalls vom Substrat 114 der Laserdiode 90 getragen ist.
Im übrigen ist die Laserdiode 90 in gleicher Weise aus¬ gebildet wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5, so daß dieselben Bezugszeichen verwendet werden und diesbezüglich auch vollinhaltlich auf die in Fig. 5 dargestellte Laser¬ diode Bezug genommen wird. Bei einem dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungs¬ gemäßen Halbleiterlasereinheit 18" ist die laseraktive Schicht 92" von der Laserstrahlung 100" in einer Richtung 162 senkrecht zur Schichtebene 164 der laseraktiven Schicht durchstrahlt, wobei beiderseits der laseraktiven Schicht Braggreflektoren 96", 98" als Phasengitter ange¬ ordnet sind.
Die gesamte Halbleiterlasereinheit 18", dargestellt in Fig. 9, ist auf einem Substrat 114" beispielsweise aus Gas aufgebaut und auf einer Unterseite und einer Oberseite mit Kontakten 166 bzw. 168 versehen, über die die Stromzu¬ führung erfolgt, wobei der Kontakt 166 die LaserStrahlung 100" durch eine Öffnung 169 hindurchtreten läßt.
Im übrigen ist diese Halbleiterlasereinheit 18" vergleich¬ bar aufgebaut wie die Halbleiterlasereinheiten 18 und 18', so daß bezüglich weiterer Einzelheiten auf die Aus¬ führungen zu diesen verwiesen wird.
Eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Strahlungs¬ erzeugersystems, in Fig. 10 als ganzes mit 10' bezeichnet, weist ebenfalls eine Vielzahl von Halbleiterlasereinheiten 180-, J_JS N mit einem Laseroszillator 182 und einem nach¬ geschalteten Laserverstärker 184 auf, wobei ein einziger Laseroszillator 182 eine Basislaserstrahlung 186 erzeugt, welche einer Vielzahl von Laserverstärkern 184^ . N zugeführt wird, die ihrerseits dann die Laserstrahlung 188-, N erzeugt, die jeweils in die einzelnen Monomode¬ fasern 20-ι - N eingekoppelt wird, wobei zusätzlich noch für die aus jedem einzelnen Laserverstärker kommende Laserstrahlung 188^ ^ - N eine Phasenjustiereinrichtung 82-^ k^ N vorgesehen ist. Der Laseroszillator 182 ist seinerseits identisch aus¬ gebildet wie beispielsweise die Laserdiode 90 in Fig. 6, so daß bezüglich einzelner Merkmale die gleichen Bezugs¬ zeichen Verwendung finden und darüber hinaus auf die Aus¬ führungen zur Fig. 6 Bezug genommen werden kann.
Die sich ausbreitende Laserstrahlung 106 ist dabei die Basislaserstrahlung 186, welche einen Strahlungskegel mit einem ungefähr ovalen Querschnitt 190 bildet, dessen große Achse parallel zur laseraktiven Schicht 92 ausgerichtet ist und dessen kleine Achse senkrecht zu dieser verläuft.
Ein derartiger Strahlungskegel wird durch eine oszillator- seitige Strahlformungsoptik 192 in eine als ebene Welle 194 sich ausbreitende Basislaserstrahlung 186 umgeformt. Die ebene Welle 194 trifft dabei auf einen ersten Strahl¬ teiler 19ÖJ, welcher teildurchlässig ausgebildet ist, und einen ersten Teil 198-^ zu einer verstärkerseitigen Strahl¬ formungsoptik 200 passieren läßt, die ihrerseits wiederum den sich als ebene Welle ausbreitenden Teil 198 in Form eines Kegels 202-^ auf eine laseraktive Schicht 204 des Laserverstärkers 184^ fokussiert. In der laseraktiven Schicht 204 wird die Basislaserstrahlung in bekannter Weise verstärkt und tritt nun als Laserstrahlung 188-^ aus diesem aus. Danach wird die Laserstrahlung 188, durch eine Abbildungsoptik 206 wiederum in die Monomodefasern 20-^ eingekoppelt, wobei beispielsweise den Monomodefasern 20-^ die Phasenjustiereinrichtung 82-, vorgeschaltet ist.
Der erste Strahlteiler 196-^ koppelt ferner einen weiteren Teilstrahl 208 der ebenen Welle 194 durch Reflektion aus und fokussiert diesen auf einen zweiten Strahlteuer 196 , welcher wiederum aus dem Teilstrahl 208 einen Teilstrahl 198 auskoppelt, der seinerseits über eine verstärker¬ seitige Strahlformungsoptik 2OO2 auf den Laserverstärker 184^ fokussiert wird, so daß dieser die Laserstrahlung I882 erzeugt, die wiederum über die Strahlformungsoptik 2O6 in die Monomodefaser 2O2 eingekoppelt wird.
Der Teilstrahl 208 durchsetzt weitere Strahlteiler 196g bis 196N, die ebenfalls wiederum Teilstrahlen 198g bis 198N auskoppeln. Die jeweiligen Laserverstärker 184g bis 184N erzeugen aufgrund dieser die Laserstrahlung 188g bis 188N, welche in die entsprechenden Monomodefasern 20g bis 20N eingekoppelt wird.
Der Vorteil der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Strahlungserzeugersystems 10' ist darin zu sehen, daß keine Frequenzstabilisierung bei den einzelnen Halbleiter¬ lasereinheiten 180 erforderlich ist, da alle Halbleiter¬ lasereinheiten 180-^ j^g N denselben Laseroszillator 182 zur Erzeugung der Basislaserstrahlung 186 mit einer dem Laseroszillator 182 eigenen Frequenz "benutzen", so daß zwangsläufig die Laserstrahlung 188^ jis N aller Laser¬ verstärker 184 kis N dieselbe Frequenz aufweist.
Aus diesem Grund ist lediglich eine Abstimmung der Phasen¬ lage der Laserstrahlung erforderlich, wie bereits im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel ausführ¬ lichst beschrieben.
Ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasersystems basiert beispielsweise auf dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halb¬ leiterlasersystems mit einem Strahlungserzeugersystem 10 gemäß der ersten Variante. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel sind aller¬ dings mindestens jeweils zwei Halbleiterlasereinheiten I82 und I82, 18g und 184 usw. zu einer Gruppe zusammengefaßt und arbeiten mit einer gegenüber der jeweils voraus¬ gehenden Gruppe von Halbleiterlasereinheiten der darunter¬ liegenden Ordnungszahl um einen konstanten Betrag ver¬ schiedenen Frequenz. Beispielsweise ist die Frequenz der Gruppe aus den Halbleiterlasereinheiten 18g und 18^ um 10 MHz höher als die Frequenz der Gruppe aus den Halbleiter¬ lasereinheiten I82 und I82 die Frequenz der Gruppe aus den Halbleiterlasereinheiten 18g und 18g ist um 10 MHz höher als die Frequenz der Gruppe aus den Halbleiterlaser¬ einheiten 18g und 18c.
Die beiden Faserendflächen 282 und 282, 28g und 28 , usw., die den jeweils eine Gruppe bildenden Halbleiterlaser¬ einheiten I82 und I82, 18g und I84, usw. zugeordnet sind, sind ferner noch symmetrisch zu einer für alle Gruppen gemeinsamen Symmetrieachse, vorzugsweise einer Mittelachse 214 der Gesamtlaserstrahlung 14', angeordnet (Fig. 11).
Die Einstellung der einzelnen Frequenzen der einzelnen Halbleiterlasereinheiten I82 ^^s N erfolgt dabei in gleicher Weise wie im Zusammenhang mit dem ersten Aus¬ führungsbeispiel beschrieben, allerdings mit dem Unter¬ schied, daß die Ansteuerung der jeweiligen Halbleiter¬ lasereinheit I82 b2S N derart erfolgt, daß sich nicht die Schwebungsfrequenz Null einstellt, sondern eine Schwebungsfrequenz relativ zum Halbleiterlaser 18R, die der gewünschten Frequenzdifferenz entspricht. D.h. bei¬ spielsweise, daß die Halbleiterlasereinheiten I82 und 182 so angesteuert werden, daß sich gegenüber der Halbleiterlasereinheit 18R die Schwebungsfrequenz Null einstellt, die Halbleiterlasereinheiten 18g und 18 so, daß sich gegenüber der Halbleiterlasereinheit 18R die Schwebungsfrequenz 10 MHz einstellt, die Halbleiterlaser¬ einheiten 185 und 18g so, daß sich gegenüber der Halb¬ leiterlasereinheit 18R die Schwebungsfrequenz 20 MHz ein¬ stellt usw.
Damit erzeugt jede Gruppe von Halbleiterlasereinheiten I82 big N eine Laserstrahlung mit einer konstanten, allerdings gegenüber den anderen Gruppen von Halbleiter¬ lasereinheiten um eine jeweils festgelegte Differenz unterschiedlichen Frequenz.
Die Schwebungsfrequenzen werden - wie in Fig. 12 dar¬ gestellt - elektrisch, beispielsweise in Form einer Grund¬ frequenz von 10 MHz und in Form von höheren Harmonischen zur Grundfrequenz 10 MHz durch einen Frequenzgenerator 216 erzeugt und als Referenzfrequenzen für die Einstellung der Frequenz einer jeden Gruppe dem Rechner 72 vorgegeben, der dann über das Bussystem 76 und die Frequenzsteuerung 170 sowie das Bussystem 172 die Frequenzen einstellt. Ferner erfolgt die Einstellung der Schwebungsfrequenzen in definierter vorgegebener Phasenlage zu den dargelegten Referenzfrequenzen über die Phasensteuerung 78 und das Bussystem 80 in im Zusammenhang mit dem ersten Aus¬ führungsbeispiel bereits dargelegter Art und Weise.
Durch Vergleich der jeweils mit dem Phasendetektor 40 gemessenen Phasenlagen der Schwebungsfrequenzen mit der Phasenlage der Referenzfrequenzen und Einstellung einer definierten für alle Laserstrahlungen gleichen Phasenlage zu den Referenzfrequenzen, beispielsweise der Phasen¬ differenz Null, erfolgt eine Korrektur der Phasenlage über die dafür vorgesehenen PhasenJustiereinrichtungen 82 für die Laserstrahlung jeder der Halbleiterlasereinheiten 18, so daß insgesamt die Phasenlagen der Laserstrahlungen jeder der Halbleiterlasereinheiten I82 ^s N miteinander zu einem festgelegten Zeitpunkt phasenkorreliert sind.
Die Vereinigung der Laserstrahlungen aller Halbleiter¬ lasereinheiten I82 hig N ergibt in der Gesamtlaser¬ strahlung 14 eine in Fig. 13 über der Zeit dargestellte Intensitätsverteilung dergestalt, daß mit einem Zeit- abstand von t = 2y gleich dem inversen konstanten Frequenzabstand AV der aufeinanderfolgenden Gruppen u von Halbleiterlasereinheiten I82 bis N einzelne Intensitäts- maxima M auftreten, während zwischen diesen in ihrer Intensität kleinere, vernachlässigbare Maxima aufweist.
Bei u kontinuierlich arbeitenden Gruppen von Halbleiter¬ lasereinheiten mit der Gruppenleistung P und jeweils der Frequenz V = V_ + u xAV ergeben sich
- eine Spitzenleistung bei
2 den Intensitätsmaxima M von rv u P
- eine Folgefrequenz der Intensitätsmaxima M von ^V
- und eine Linienbreite bei den Intensitätsmaxima M von <~
AV x u
Bei einer Frequenzdifferenz von 10 MHz beträgt beispiels-
_7 weise der Abstand der Maxima M auf der Zeitachse 10 sek.
Somit zeigt die Gesamtlaserstrahlung 14' in definierten
Zeitabständen einzelne aufeinanderfolgende Laserpulse. Bei einer Variante des zweiten Ausführungsbeispiels ist der Aufbau mit dem des bislang beschriebenen zweiten Aus¬ führungsbeispiels identisch mit dem Unterschied, daß Gruppen nicht nur von zwei sondern von acht Halbleiter¬ lasereinheiten I82 bis 18g, 18g bis I825, usw. gebildet wird, deren zugeordnete Faserendflächen 282 bis 28g, 28 bis 82g, usw. paarweise symmetrisch zur Mittelachse 214 der Gesamtlaserstrahlung 14' angeordnet sind, wie in Fig. 14 dargestellt.
Im übrigen lassen sich bei dieser Variante des zweiten Ausführungsbeispiels dieselben Effekte wie beim ersten Ausführungsbeispiel erhalten.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
Halbleiterlasersystem mit
mehreren einen Laseroszillator umfassenden Halb¬ leiterlasereinheiten, aus denen jeweils Laser¬ strahlung austritt, mit einer jeder Halbleiterlaser¬ einheit zugeordneten lichtleitenden Faser, mit einem Kopplungselement, welches die aus der jeweiligen Halbleiterlasereinheit austretende Laserstrahlung in die jeweilige lichtleitende Faser einkoppelt, und mit einem die Fasern umfassenden Faserbündel als Licht¬ leitersystem, welches ein Ende aufweist, aus dem eine durch die Summe der jeweils von den Halbleiterlaser¬ einheiten erzeugten Laserstrahlungen gebildete Gesamtlaserstrahlung austritt, welche bei Lasertätig¬ keit aller Halbleiterlasereinheiten eine Zielfläche auf einem zu bestrahlenden Objekt ausleuchtet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Halbleiterlasereinheiten (18, 180) so aus¬ gebildet sind, daß sie relativ zueinander in einem phasendefinierten und frequenzdefinierten Moden¬ betrieb arbeiten, daß die Laserstrahlung (106, 188) jeder Halbleiterlasereinheit (18, 180) verlustarm in die jeweilige laserlichtleitende Faser (20) einge¬ koppelt ist, daß jede Faser eine Monomodefaser (20) ist und daß in der Gesamtlaserstrahlung (14) die Laserstrahlungen (106, 188) mehrerer vorzugsweise aller Halbleiterlasereinheiten in ihrer Phase unab¬ hängig voneinander steuerbar sind.
2. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus jeder Halbleiterlaser¬ einheit (18, 180) austretende Laserstrahlung (106, 188) ein hinsichtlich der Phase von der Laser¬ strahlung der anderen Halbleiterlasereinheiten (18, 180) unabhängiges Laserstrahlungsfeld aufweist.
3. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus jeder Halbleiterlaser¬ einheit (18, 180) austretende Laserstrahlung (106, 188) von der Laserstrahlung (106, 188) der anderen Halbleiterlasereinheiten (18, 180) strahlungsfeid¬ entkoppelt ist.
4. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Gesamtlaserstrahlung (14) bildenden Laserstrahlungen (106, 188) strahlungsfeidentkoppelt sind.
5. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halb¬ leiterlasereinheiten (18, 180) bei derselben Frequenz arbeiten.
6. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterlasereinheiten (18, 180) frequenzgekoppelt sind.
7. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halb¬ leiterlasereinheiten (18, 180) frequenzstabilisiert sind.
8. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Frequenzstabilisierung über eine FrequenzSteuerung, insbesondere eine Temperatur (116) und/oder Stromsteuerung (122), der Halbleiter¬ lasereinheit (18) erfolgt.
9. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Halb¬ leiterlasereinheit (18) mindestens eine einzeln stromsteuerbare Diodenzone zur FrequenzSteuerung aufweist.
10. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Halb¬ leiterlasereinheit (18, 180) in einem stabilisierten Modenbetrieb arbeitet.
11. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede Halbleiterlasereinheit (18, 180) im transversalen Grundmode arbeitet.
12. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede Halbleiterlaser¬ einheit (18, 180) im longitudinalen Einmodenbetrieb arbeitet.
13. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Laser¬ strahlung (106, 188) jeder Halbleiterlasereinheit eine Phasenjustiereinrichtung (82) vorgesehen ist.
14. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine PhasenJustierung über zwei oder mehr als zwei Phasenjustiereinrichtungen (82) erfolgt, wobei eine erste Phasenjustiereinrichtung eine erste Zeitkonstante und eine zweite Phasen¬ justiereinrichtung eine zweite Zeitkonstante auf¬ weisen.
15. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen¬ justiereinrichtung (82) eine Steuerung für die Halb¬ leiterlasereinheit (18, 180) umfaßt.
16. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung eine Stromsteuerung (156) der Halbleiterlasereinheit (18, 180) umfaßt.
17. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung eine Temperatursteuerung für die Halbleiterlasereinheit (18, 180) umfaßt.
18. Halbleiterlasersystem nach einem der Ansprüche 15 bis
17, dadurch gekennzeichnet, daß jede Halbleiterlaser¬ einheit (18, 180) mindestens zwei einzeln strom¬ steuerbare Diodenzonen (92, 152) mit unterschied¬ licher Abhängigkeit der Brechzahl vom Diodenstrom aufweist, wobei eine (152) zur Phasensteuerung dient.
19. Halbleiterlasersystem nach einem der Ansprüche 13 bis
18, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenjustier¬ einrichtung (82) ein in der Faser (20) angeordnetes Phasenvariationsglied (130) umfaßt.
20. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenvariationsglied (130) in einem sich an die Halbleiterlasereinheit (18, 180) anschließenden Faserendbereich angeordnet ist.
21. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenvariationsglied (130) durch einen aktiven Faserabschnitt gebildet ist.
22. Halbleiterlasereinheit nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß in dem aktiven Faserabschnitt eine Phasenanpassung mittels eines elektrooptischen oder magnetooptischen Effekts erzeugbar ist.
23. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß in dem aktiven Faserabschnitt (130) eine Phasenanpassung mittels einer Temperatur¬ änderung desselben erzeugbar ist.
24. Halbleiterlasersystem nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenjustier¬ einrichtung (82) ein zwischen der Halbleiterlaser¬ einheit (18, 180) und der Monomodefaser (20) angeord¬ netes Phasenvariationsglied (132) umfaßt.
25. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenvariationsglied (132) zwischen der Halbleiterlasereinheit (18, 180) und einem dieser zugewandten Ende (112) der Monomodefaser (20) angeordnet ist.
26. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenvariationsglied (132) eine elektrooptische oder magnetooptische Ein¬ heit (144) ist.
27. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenvariationsglied (132) ein polarisationsdrehendes Element (144) aufweist.
28. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ende
(24) des Faserbündels (22) ein Phasendetektor (40) für die Laserstrahlung(106) jeder Halbleiterlaser¬ einheit (18, 180) angeordnet ist.
29. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor (40) ein Interferometer umfaßt.
30. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Phasendetektor (40) die Phasenlage der Laserstrahlung (106) jeder Halbleiterlasereinheit (18, 180) mit der Phasenlage einer ReferenzlaserStrahlung verglichen wird, welche von einer auf gleicher Frequenz arbeitenden Halb¬ leiterlasereinheit (18R) erzeugt ist.
31. Halbleiterlasersystem nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor (40) ein Auskoppelelement (42) zur Auskopplung eines Teils der Laserstrahlung (106) jeder Halbleiterlaser¬ einheit aus der Gesamtlaserstrahlung (14) aufweist.
32. Halbleiterlasersystem nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor (40) eine Detektormatrix (48, 50) aufweist, wobei mindestens jeweils ein selektiv abfragbares Matrix¬ element (52, 54) ausschließlich die Laserstrahlung einer Halbleiterlasereinheit (18) und die Referenz¬ laserstrahlung empfängt.
33. Halbleiterlasersystem nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzlaser¬ strahlung leistungs- oder phasenmoduliert ist.
34. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß Referenzlaserstrahlung durch einen Modulator (60) moduliert ist.
35. Halbleiterlasersystem nach einem der Ansprüche 28 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor (40) mit einer Auswerteschaltung (72, 76, 78) ver¬ bunden ist, welche die Phasenlage der Laserstrahlung (106, 188) in der Gesamtlaserstrahlung (40) ermittelt und die Phasenlage der Laserstrahlung (106) jeder Halbleiterlasereinheit (18, 180) in der Gesamtlaser¬ strahlung so steuert, daß die Phasenlage der Laser¬ strahlung (106, 188) in der Gesamtlaserstrahlung (14) definiert vorgebbar ist.
36. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Auswerteschaltung die Leistung jeder Laserstrahlung meßbar und über die Ansteuerung der Halbleiterlasereinheit steuerbar ist.
37. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (72, 76, 78) zur Bestimmung der Phasenlage bei jedem Matrixelement die Leistungsvariationen erfaßt.
38. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (72, 76, 78) über ein Bussystem mit einer Phasensteuerung verbunden ist.
39. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (72, 76, 78) über ein Bussystem mit einer FrequenzSteuerung (170, 172) verbunden ist.
40. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des Lichtleitersystems (12) Faserendflächen (28) der Monomodefasern (20), aus denen die Laserstrahlung (106, 188) der zugehörigen Halbleiterlasereinheit (18, 180) austritt, in einer optisch auf die Ziel¬ fläche (16) abbildbaren Endfläche (26) des Licht¬ leitersystems liegen.
41. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenraum (A) zwischen den Faserendflächen (28) kleiner ist, als ein Dreifaches der Faserdicke.
42. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserendflächen (28) in der Endfläche (26) nebeneinander liegen.
43. Halbleiterlasersystem nach einem der Ansprüche 40 bis
42, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der End¬ fläche (26) an eine Form der Oberfläche des zu bestrahlenden Objekts (17) im Bereich der Zielfläche (16) angepaßt ist.
44. Halbleiterlasersystem nach einem der Ansprüche 40 bis
43, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserendflächen (28) im wesentlichen in einer die Endfläche (26) bildenden Ebene angeordnet sind.
45. Halbleiterlasersystem nach einem der Ansprüche 40 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der End¬ fläche (26) an optische Abbildungseigenschaften der Abbildungsoptik (62) angepaßt ist.
46. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Halb¬ leiterlasereinheit (18, 180) jeweils einen laser¬ aktiven Diodenstreifen (90) aufweist.
47. Halbleiterlasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 45, dadurch gekennzeichnet, daß jede Halbleiterlaser¬ einheit (18, 180) ein gekoppeltes, im Grundmode arbeitendes Array von laseraktiven Diodenstreifen umfaßt.
48. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 46 oder 47, dadurch gekennzeichnet, daß jede Halbleiterlaser¬ einheit (18, 180) einen Laseroszillator (94, 182) und einen Laserverstärker (104, 184) umfaßt.
49. Halbleiterlasersystem nach einem der Ansprüche 46 bis 48, dadurch gekennzeichnet, daß jede Halbleiterlaser¬ einheit (18) durch ein Phasengitter (96, 98) moden¬ stabilisiert ist.
50. Halbleiterlasersystem nach einem der Ansprüche 48 oder 49, dadurch gekennzeichnet, daß alle mit der¬ selben Frequenz arbeitenden Halbleiterlasereinheiten (I8O2 bis N^ einen gemeinsamen Laseroszillator (182) umfassen, der eine Basislaserstrahlung (186) erzeugt, welche von jeder Halbleiterlasereinheit (180) durch einen eigenen Laserverstärker (1842 is N^ zu ^er Laserstrahlung (I882 bis N^ ^er eweil;i-gen Halb¬ leiterlasereinheit (I8O2 bis N) verstärkt und denen in die der jeweiligen Halbleiterlasereinheit
(I8O2 bis N^ zugeordnete Monomodefaser (2O bis N^ eingekoppelt wird.
51. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlteiler (19Ö2 bis N^ vor~ gesehen sind, welche die Basislaserstrahlung (186) als Teilstrahlung (1982 bis N^ in ^e Jeweüigen Laserverstärker (1842 bis N^ einkoppeln.
52. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 50 oder 51, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlformungsoptik (192) vorgesehen ist, welche die divergente Basis¬ laserstrahlung (186) in eine sich als ebene Welle ausbreitende Basislaserstrahlung (194) umformt.
53. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 51 oder 52, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlformungsoptik (2OO2 bis N^ vorgesehen ist, welche die von den Strahlteilern (19Ö2 bis N^ kommende Teilstrahlung (1 82 bis N) auf die -Lase-rverstärkeτ (1842 bis N^ abbildet.
54. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungs- element (110) zur Ankopplung der Monomodefaser (20) an die Halbleiterlasereinheit (18) ein vom Substrat (114) der Halbleiterlasereinheit (18, 180) getragenes Abbildungselement (110) umfaßt.
55. Halbleiterlasersystem nach Anspruch 54, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungselement (110) den in Richtung parallel zu der Schichtebene (92) der Halbleiterlasereinheit (18) sich aufweitenden Laser¬ strahl (106, 188) auf die Monomodefaser (20) fokus¬ siert.
56. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halb¬ leiterlasereinheiten I82 bis N Lasersτ;rahlungen erzeugen, deren Frequenzen eine Frequenzfolge mit einem konstanten Frequenzabstand bilden und deren Laserstrahlungen zu einem definierten Zeitpunkt die¬ selbe Phasenlage aufweisen.
57. Halbleiterlasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halb¬ leiterlasereinheiten I82 bis N GruPPen bilden, die jeweils mit derselben Frequenz strahlen.
PCT/DE1994/000036 1993-01-22 1994-01-14 Phasengesteuertes fraktales lasersystem WO1994017575A1 (de)

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DE4490251D DE4490251D2 (de) 1993-01-22 1994-01-14 Phasengesteuertes fraktales Lasersystem
DE4490251A DE4490251B4 (de) 1993-01-22 1994-01-14 Phasengesteuertes fraktales Lasersystem

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