WO2018184609A1 - Anordnungen zur verstärkung von multistrahlen - Google Patents

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    • H01S3/2316—Cascaded amplifiers

Definitions

  • the beams for parallel processing can be generated among others by using diffractive optical elements (DOE).
  • DOE diffractive optical elements
  • the beams In order to be able to process complex components and geometry, it is necessary for the beams to be able to be controlled independently of one another for parallel processing. Although the beams generated by DOE can be controlled by downstream modulators independently of each other, but this requires considerable effort and is associated with loss of efficiency.
  • the central idea of this present invention is that first several useful beams are generated, wherein the useful beams have a common amplifier and they are overlapped by optics in the gain medium (80). In addition, at least one further beam is used to condition the inversion level in the gain medium, the conditioning beam by optics in the gain medium with the
  • Invertions must conditioned so that the gain for the Nutz rays is definable and the energy or power of the amplified Nutzstrahlen in a fixed relation to the energy or
  • Figure 1 shows an embodiment of the optical arrangement for amplifying two useful beams (111) and (112).
  • the two beams have a diameter of d.
  • Each beam has a downstream lens (61) or (62) with a focal length f.
  • a common lens (70) having a focal length F is used to image the two useful beams into the gain medium (80) having a dimension D.
  • a conditioning beam (179) is switched on as shown in Figure 2.
  • the conditioning beam (179) is coupled into the gain medium using the lenses (69) and (70). in the
  • Verstäkungsmedium are the useful rays and the conditioning beam in cross-section opaque. According to this present invention, the pulse energy and the power of the
  • Conditioning beam (179) set so that the Sum-pulse energy and the sum power of the useful beams and the conditioning beam over a relevant time constant are approximately constant.
  • the relevant time constant is z.
  • the beams (111), (112) and (179) can each be emitted by a separate beam source (11), (12) and (17).
  • the gain medium slab-shaped For thermal reasons, it is advantageous to form the gain medium slab-shaped.
  • the rays are arranged along a line.
  • Figure 3a shows an embodiment where the time-modulated useful beams (111) and (112) are generated by a beam source (1) through a beam splitter (41) and the downstream modulators (201) and (202).
  • Figure 3b shows an embodiment for the division (41) by means of
  • FIG. 3c shows another embodiment of the beam splitting.
  • a lambda / 2 retardation plate and a birefringent beam displacer are used.
  • Other versions of the beam splitting z. B. be realized by using diffractive optical elements.
  • a dynamic beam splitting can be achieved by means of a modulator arrangement. Modulator arrangements may be formed by electro-optic modulators and / or acousto-optic modulators.
  • Figure 4 shows an embodiment where the conditioning beam (179) is emitted from a beam source (171) and whose energy or power can be adjusted by a downstream modulator (209).
  • FIG. 5 shows another version.
  • the conditioning beam 179 is also split by the common beam source 1 and its energy or power is varied by the modulator 209.
  • the beam source (1) may be a cw oscillator or a pulsed oscillator.
  • a pulsed oscillator may be a diode oscillator, the energy and / or duration of which can be varied by means of a drive current. Further examples of the pulsed oscillator are Q-switched oscillating oscillators or modem-coupled oscillators with pulse duration in the range ps or fs.
  • the pulse energy of one oscillator may be too low for the following amplifiers. In this case, it is advantageous to connect an amplifier arrangement downstream of the oscillator. Thereafter, the amplified beam is split.
  • Figure 6a shows an embodiment, wherein a first-stage beam splitting by means of an acousto-optic modulator (21) is realized.
  • the beam (10) from the beam source (1) is fed to the modulator (21).
  • Behind the modulator (21) two beams are created: a beam (11) of the Oten order and a beam (179) of the order L (see Figure 6b).
  • the beam splitters (41) and the modulators (201) and (202) the two useful beams (111) and (112) are provided from the beam (11).
  • the modulators (201) and (202) is advantageous and technically possible to integrate the modulators (201) and (202) in a modulator of several channels.
  • An example is shown in Figure 7.
  • a modulator (220) is used which has several channels.
  • FIGS. 8a and 8b Such an embodiment is shown in FIGS. 8a and 8b.
  • an acousto-optic deflector (26) is operated with 3 different high frequencies. This results in 3 diffracted beams (131), (132) and (177). (131) and (132) form the useful beams and (177) is used as the conditioning beam.
  • (110) is the ray of the Ote order and is blocked by an aperture.
  • Figure 9 shows an example of amplifier arrangements.
  • a second stage of amplifiers is used.
  • the beams (901), (902) and (739) emerging from the first amplifier stage are imaged by means of imaging optics (480) into a gain medium (810) of the second amplifier stage. Again, it is important that the cross-sections of the beams in the gain medium are in line.
  • Figure 10 shows an exemplary embodiment where the second amplifier stage
  • the lenses (64), (65) and (68) are each associated with a beam.
  • the beams (921) and (922) are the amplified useful beams.
  • the reinforced conditioning jet (189) may be replaced by a
  • Jet absorber (55) are destroyed. It is advantageous if the optics is designed so that the beams are parallel.
  • the lenses (64), (65) and (68) can be placed in a lens array
  • Each beam is assigned a lens element. The same applies to the lenses (61), (62) and (69).
  • Frequency-converted beams are advantageous or necessary for many applications.
  • FIG. 11 An embodiment for frequency conversion is shown in FIG. 11.
  • the beams (921) and (922) are imaged by using imaging optics (486) in a nonlinear medium (467).
  • the frequency of the beams is converted, e.g.
  • the beams will be imaged so that they propagate in parallel in the nonlinear medium.
  • a preferred embodiment of the figure is a telecentric imaging.
  • a telecentric mapping is also beneficial for mapping between amplifier stages.
  • the beams to be amplified originate from an oscillator and have an ultrashort pulse duration
  • the beams (111) and (112) to be amplified and the conditioning beam (179) are from an oscillator and have long pulse duration, it is advantageous to select the conditioning pulse by many low amplitude pulses from the modulator of the seed.

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Abstract

In dieser vorliegenden Patenanmeldung werden optische Anordnungen angegeben, mit den multi adressierbaren Strahlen effizient generiert werden können. Die zentrale Idee dieser vorliegenden Erfindung besteht darin, dass zuerst mehrere Nutz-Strahlen generiert werden, wobei die Nutz-Strahlen einen gemeinsamen Verstärker haben und sie mittels Optik in dem Verstärkungsmedium überlappend abgebildet werden. Darüber hinaus wird mindestens ein weiterer Strahl zum Konditionieren des Inversionsniveaus im Lasermedium verwendet, wobei der Konditionierungsstrahl durch Optikanordnung im Verstärkungsmedium mit den Nutz-Strahlen überlappend abgebildet wird. Durch den Konditioniereungsstrahl wird das Inversionsniveau so konditioniert, dass die Verstärkung für die Nutz-Strahlen definierbar wird.

Description

Anordnungen zur Verstärkung von MultiStrahlen
Beschreibung
Lasermaterialbearbeitung gewinnt zunehmende Bedeutung für präzise und flexible Produktion. Die Bearbeitungsetechnologie mit Ultrakurzenpulslasern (UKP) wird mit einem rasanten Tempo u. a. in der Elektro-, Halbleiter, Display- und Druckindustrie umgesetzt. Um die Produktivität mit UKP-Lasern weiterzusteigern, ist eine parallele Bearbeitung mit mehreren Strahlen eine vielversprechende Technologie.
Konventionell können die Strahlen für parallele Bearbeitung unter anderen durch Verwendung von diffraktiven Optikelementen (DOE) generiert werden. Allerdings ist hierbei die Flexiblität
eingeschränkt, weil die Strahlen zeitlich das gleiche Verhalten haben. Um komplexe Bauteile und Geometrie bearbeiten zu können, ist es erforderlich, dass die Strahlen für die parallele Bearbeitung zeitlich unabhängig von einander ansteuerbar sind. Zwar können die durch DOE generierten Strahlen durch nachgeschaltete Modulatoren unabhängig von einander angesteuert werden, dies erfordert aber erheblichen Aufwand und ist mit Effizienzverlust verbunden.
In dieser vorliegenden Patenanmeldung werden optische Anordnungen angegeben, mit denen multi adressierbare Strahlen effizient generiert werden können.
Die zentrale Idee dieser vorliegenden Erfindung besteht darin, dass zuerst mehrere Nutzstrahlen generiert werden, wobei die Nutzstrahlen einen gemeinsamen Verstärker haben und sie mittels Optik in dem Verstärkungsmedium (80) überlappend abgebildet werden. Darüber hinaus wird mindestens ein weiterer Strahl zum Konditionieren des Inversionsniveaus im Verstärkungsmedium verwendet, wobei der Konditionierungsstrahl durch Optikanordnung im Verstärkungsmedium mit den
Nutzstrahlen überlappend abgebildet wird. Durch den Konditionierungsstrahl wird das
Inversionsniveau so konditioniert, dass die Verstärkung für die Nutz-Strahlen definierbar wird und die Energie bzw. Leistung der verstärkten Nutzstrahlen in einer festen Relation zu der Energie bzw.
Lesitung der zu verstärkenden Nutzstrahlen steht.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand Anordnungen mit zwei Nutzstrahlen erläutert. Die
Erweiterung auf mehr als zwei Strahlen is hier ebenfalls offenbart.
Abbildung 1 zeigt eine Ausführung der optischen Anordnung zur Verstärkung von zwei Nutzstrahlen (111) und (112). Dabei haben die beiden Strahlen einen Durchmesser von d. Jeder Strahl hat eine nachgeordnete Linse (61) bzw. (62) mit einer Brennweite f. Eine gemeinsame Linse (70) mit einer Brennweite F wird verwendet, um die beiden Nutzstrahlen in das Verstärkungsmedium (80) mit einer Abmessung D abzubilden. Die Brennweiten der Linsen werden so gewählt, dass die Abmessung der Nutzstrahlen den Querschnitt des Verstärkungsmediums füllt. Also es gilt in der ersten Näherung: d*F/f = D.
1
BESTÄTIGUNGSKOPIE Um das Inversionsniveau und somit die Verstärkung im Verstärkungsmedium (80) zu regulieren, und somit die Energie bzw. die Leistung der verstärkten Nutz-Strahlen zu definieren, wird wie in Abbildung 2 dargestellt ein Konditionierungsstrahl (179) dazu geschaltet. Der Konditionierungsstrahl (179) wird unter Nutzu ng der Linsen (69) und (70) in das Verstärkungsmedium eingekoppelt. Im
Verstäkungsmedium sind die Nutzstrahlen und der Konditionierungsstrahl im Querschnitt deckend. Gemäß dieser vorliegenden Erfindung wird die Pulsenergie bzw. die Leistung des
Konditionierungsstrahls (179) so eingestellt, dass die Sum-Pulsenergie bzw. die Sum-Leistung von den Nutzstrahlen und von dem Konditionierungsstrahl über einer relevanten Zeitkonstante nährungsweise konstant sind. Die relevante Zeitkonstante ist z. B. die Periode der Pulse von Nutzstrahlen oder die charakteristische Zeit der Bearbeitungsprozesse mit dem Nutzstrahlen. Die Strahlen (111), (112) und (179) können jeweils von einer eigenen Strahlquelle (11), (12) und (17) abgegeben sein.
Aus thermischem Grund ist es vorteilhaft, das Verstärkungsmedium slabförmig zu bilden. In diesem Fall werden die Strahlen entlang einer Linie angeordnet.
Abbildung 3a zeigt eine Ausführung, wo die zeitlich modulierten Nutzstrahlen (111) und (112) von einer Strahlquelle (1) durch einen Strahlteiler (41) und die nachgeschalteten Modulatoren (201) und (202) erzeugt werden. Abbildung 3b zeigt eine Ausführung für die Aufteilung (41) mittels
teiltransmittierender Optik (401). Durch Verwendung eines Spiegels (403) werden die beiden Nutzstrahlen (101) und (102) parallel gerichtet. Abbildung 3c zeigt eine weitere Ausführung der Strahlaufteilung. Dabei wird eine lambda/2-Verzögerungsplatte und ein doppelbrechender Beam- Displacer verwendet. Weitere Ausführungen der Strahlaufteilung können z. B. durch Verwendung von diffraktiven Optikelementen realisiert werden. Desweiteren kann eine dynamische Strahlaufteilung mittels einer Modulatoranordnung erreicht werden. Modulatoranordnungen können durch elektrooptische Modulatoren oder/und akustooptische Modulatoren gebildet werden.
Abbildung 4 zeigt eine Ausführung, wo der Konditionierungsstrahl (179) von einer Strahlquelle (171) emittiert wird und dessen Energie bzw. Leistung durch einen nachgeschalteten Modulator (209) eingestellt werden kann.
In Abbildung 5 ist eine weitere Ausführung dargestellt. Dabei wird auch der Konditionierungsstrahl (179) von der gemeinsamen Strahlquelle (1) gesplittert und dessen Energie bzw. Leistung wird durch den Modulator (209) variiert.
Die Strahlquelle (1) kann ein cw-Oszillator oder ein gepulster Oszillator sein. Bei einem gepulsten Oszillator kann es sich um einen Dioden-Oszillator handeln, dessen Energie und/oder Puldauer mittels Treiberstrom variiert werden kann. Weitere Beispiele des gepulsten Oszillators sind güteschaltende Oszillatoren mit einer Pulsdauer um ns oder modemgekoppelte Oszillatoren mit Pulsdauer im Bereich ps oder fs. Die Pulsenergie eines Oszillators kann zu gering für folgende Verstärker sein. In diesem Fall ist es vorteilhaft, eine Verstärkeranordnung dem Oszillator nachzuschalten. Danach wird der verstärkte Strahl aufgeteilt.
Abbildung 6a zeigt eine Ausführung, wobei eine erst stufige Strahlaufteilung mittels eines akustooptischen Modulator (21) realisiert wird. Der Strahl (10) von der Strahlquelle (1) wird in den Modulator (21) eingespeist. Hinter dem Modulator (21) entstehen zwei Strahlen: ein Strahl (11) der Oten-Ordnung und ein Strahl (179) der lten Ordnung (vgl. Abbildung 6b). Unter Vewendung der Strahlteiler (41) und der Modulatoren (201) und (202) werden aus dem Strahl (11) die beiden Nutzstrahlen (111) und (112) bereitgestellt. Es ist vorteilhaft und technisch möglich, die Modulatoren (201) und (202) in einen Modulator von mehreren Kanälen zu integrieren. Ein Beispiel zeigt Abbildung 7. Dabei wird statt Modulatoren (201) und (202) ein Modulator (220) verwendet, der mehrere Kanäle aufweist.
Eine weitere Vereinfachung der Strahlaufteilung und Strahlmodulation wird erreicht, indem ein Deflektor verwendet wird. Eine derartige Ausführung zeigen Abbildungen 8a und 8b. Dabei wird ein akustooptische Deflektor (26) mit 3 unterschiedlichen Hochfrequenzen betrieben. Dadurch entstehen 3 gebeugte Strahlen (131), (132) und (177). (131) und (132) bilden die Nutzstrahlen und (177) wird als der Konditionierungsstrahl verwendet. (110) ist der Strahl der Ote-Ordnung und wird durch eine Blende abgeblockt. Wenn die Leistungen der unterschiedlichen Hochfrequenz gemäß einer Vorgabe variiert werden, so können die Leistungen der Nutzstrahlen und des Konditionierungsstrahls unabhängig voneinander eingestellt werden.
Zur weiteren Erhöhung der Energie bzw. Leistung können weitere Verstärkerstufen
nachgeschaltetwerden. Abbildung 9 zeigt ein Bespiel von Verstärkeranordnungen. Dabei wird eine zweite Stufe von Verstärkern verwendet. Die aus der ersten Verstärkerstufe austretenden Strahlen (901), (902) und (739) werden mittels einer Abbildungsoptik (480) in ein Verstärkungsmedium (810) der zweiten Verstärkerstufe abgebildet. Auch hier ist es wichtig, dass die Querschnitte der Strahlen im Verstärkungsmedium in Deckung sind.
Abbildung 10 zeigt eine beispielhafte Ausführung, wo die aus der zweiten Verstärkerstufe
austretenden Strahlen (911), (912) und (729) mit einer gemeinsamen Linsen (710) und 3 weiteren Linsen (64), (65) und (68) in räumlich getrennten Strahlen (921), (922) und (189) abgebildet werden. Die Linsen (64), (65) und (68) sind jeweils einem Strahl zugeordnet. Die Strahlen (921) und (922) sind die verstärkten Nutzstrahlen. Der verstärkte Konditionierungsstrahl (189) kann durch einen
Strahlabsorber (55) vernichtet werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Optik so ausgelegt wird, dass die Strahlen parallel verlaufen.
Um den Aufbau zu vereinfachen, können die Linsen (64), (65) und (68) in ein Linsenarray
zusammengefasst werden. Jedem Strahl wird ein Linsenelement zugeordnet. Gleiches gilt für die Linsen (61), (62) und (69).
Für viele Anwendungen sind frequenzkonvertierte Strahlen vorteilhaft bzw. notwendig. Ein
Ausführungsbeispiel zur Frequenzkonversion zeigt Abbildung 11. Dabei werden die Strahlen (921) und (922) durch Verwendung einer Abbildungsoptik (486) in einem nichtlinearen Medium (467) abgebildet werden. Im Medi um (467) wird die Frequenz der Strahlen konvertiert, z.B.
verdoppelt, verdreifacht, etc.
Zur Erhöhung der Konversionseffizienz werden die Strahlen so abgebildet werden, dass sie sich im nichtlinearen Medium parallel zueinander ausbreiten. Eine bevorzugte Ausführung der Abbildung ist eine telezentrische Abbbildung. Eine telezentrische Abbildung ist auch vorteilhaft für die Abbildung zwischen Verstärkerstufen.
Im Fall, dass die zu verstärkenden Strahlen von einem Oszillator stammen und ultrakurze Pulsdauer haben, ist es vorteilhaft, die Pulse zeitlich gleicher oder größer als die Pulsdauer zu einander zu verzögern, um mögliche Interferenz im Verstärkungsmedium zu vermeiden. Im Fall, dass die zu verstärkenden Strahlen (111) und (112) und der Konditionierungsstrahl (179) von einem Oszillator stammen und u ltrakurze Pulsdauer haben, ist es vorteilhaft, der Konditionierungspuls durch viele Pulsen geringer Amplituden von dem Modulator aus dem Seeder auszuwählen.
Es ist naheliegend, dass die Anzahl der Nutzstrahlen erhöht werden. Ein Beispiel zeigt Abbildung 12.

Claims

Ansprüche
1. Optische Verstärkeranordnung, die aus mindestens zwei Eingangstrahlen (111, 112) und mindestens einem Verstärkungsmedium (80) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die
Eingangsstrahlen (111, 112) durch eine Optikanordnung, die aus Linsen (61), (62) und (70) besteht, wobei die Linsen (61) und (62) jeweils dem Strahl (111) und (112) zuordnet sind, im
Verstärkungsmedium (80) überlappend abgebildet werden.
2. Optische Verstärkeranordnung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Strahl (179) zum Konditionieren des Inversionsniveaus im Lasermedium (80) verwendet wird, wobei der Konditionierungsstrahl (179) von einer Strahlquelle (17) unter Zusammenwirkung der Linsen (69) und (70) im Verstärkungsmedium (80) mit den Strahlen (111) und (112) überlappend abgebildet wird.
3. Optische Verstärkeranordnung nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmedium (80, 810) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
4. Optische Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlen (101) und (102) von einer Strahlquelle (1) mittels eines Strahlaufteilers (41) aufgesplittert sind, wobei dem Strahl (101) ein Modulator (201) und dem Strahl (102) ein Modulator (202) zur Modulation der Energie/Leistung nachgeschaltet wird.
5. Optische Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Konditionierungsstrahl (179) durch einen Strahl (107), der von der Strahlquelle (1) aufgesplittert ist und einen nachgeschalteten Modulator (209) generiert wird entsteht.
6. Optische Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufteilung der Strahlen von der Strahlquelle (1) eine Modulator-Anordnung verwendet wird.
7. Optische Verstärkeranordnung nach dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulator- Anordnung aus einem akkustooptischen Modulator und einem HF-Treiber besteht, wobei der Modulator mit einem HF-Treiber von einer festen Frequenz betrieben wird, wobei der Strahl (10) von der Strahlquelle (1) in einen Strahl der Ote-Ordnung (11) und einen Strahl der lte-Ordnung (179) aufgeteilt wird, wobei der Strahl (11) mittels Strahlsplitter (41) in Strahlen (101) und (102) aufgeteilt wird, wobei den Strahlen (101) und (102) jeweils ein Modulator (201) und (202) nachgeschaltetwird.
8. Optische Verstärkeranordnung nach dem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Modulatoren (201) und (202) durch einen Modu lator (220), der mindestens 2 Kanäle hat, gebildet wird.
9. Optische Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulator-Anordnung aus einem akustooptischen Deflektor (26) und einem HF-Treiber besteht, wobei der HF-Treiber mindestens zwei unterschiedliche Treiber-Frequenzen erzeugt, wobei die HF- Leistung zur Modulation der Energie/Leistung von Strahlen unabhängig voneinder geregelt werden kann, um die Strahlen (111), (112) und (179) zu generieren, die unterschiedliche
Ausbreitungsrichtungen und/oder Energie/Leistunng haben.
10. Optische Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Verstärker nachgeschaltet wird, wobei die Ausgangsstrahlgruppe (901, 902, 739) aus dem ersten Verstärker durch Verwendung einer Abbildungsoptik (480) in das Verstärkungsmedium (810) des zweiten Verstärkers überlappend abgebildet wird.
11. Optische Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstrahlgruppe (901, 902, 739) nach dem ersten Verstärker oder (911, 912, 729) zweiten Verstärker durch Verwendung einer Optikanordnung aus Linsen (710), (64), (65) und (68) in räumlich getrennte Strahlen (921), (922) und (189) abgebildet werden.
12. Optische Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks nichtlinearer Frequenzkonversionen die Strahlen (921) und (922) mittels einer Abbildungsoptik (486) so in einem nichtlinearen Medium abgebildelt werden, dass sie die gleiche Ausbreitungsrichtung haben.
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