WO2020016336A1 - Vorrichtung, lasersystem und verfahren zur kombination von kohärenten laserstrahlen - Google Patents

Vorrichtung, lasersystem und verfahren zur kombination von kohärenten laserstrahlen Download PDF

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WO2020016336A1
WO2020016336A1 PCT/EP2019/069324 EP2019069324W WO2020016336A1 WO 2020016336 A1 WO2020016336 A1 WO 2020016336A1 EP 2019069324 W EP2019069324 W EP 2019069324W WO 2020016336 A1 WO2020016336 A1 WO 2020016336A1
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WO
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laser beams
microlens
laser
coherent
focal length
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Application number
PCT/EP2019/069324
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French (fr)
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Christoph Tillkorn
Daniel FLAMM
Florian Jansen
Torsten Beck
Hans-Jürgen OTTO
Julian Hellstern
Andreas Heimes
Maike PROSSOTOWICZ
Original Assignee
Trumpf Laser Gmbh
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Publication date
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    • G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens

Definitions

  • the invention relates to a device for combining a plurality N of coherent laser beams, comprising: at least N-1 phase setting devices for setting a respective phase of one of the coherent laser beams, and a beam combination device for combining the coherent laser beams to form at least one one, in particular exactly one combined laser beam.
  • the present invention also relates to a laser system comprising: at least one laser source for generating the plurality of coherent laser beams, in particular ultra-short pulse laser beams, a plurality of emission areas for emitting the plurality of coherent laser beams, and a device as described above for combining the plurality of coherent
  • Laser beams The invention further relates to a method for combining coherent laser beams.
  • coherent laser beams is understood to mean a temporal coherence of the laser beams with one another.
  • the laser beams can have a reduced degree of spatial coherence, ie the laser beams can be spatially partially coherent, ie they are not necessarily single-mode laser beams.
  • the laser beams can be generated from multimode sources and, for example, form a higher-mode Gauss mode, for example a Laguerre-Gauss mode, a Hermite-Gauss mode or superpositions thereof.
  • the laser beams are preferably coherent both temporally and spatially.
  • the coherent “tiled aperture” beam combination also called side-by-side beam combination
  • the beam cross section of the combined laser beam is enlarged, but the divergence is reduced, which is usually not possible without a loss in power or beam quality.
  • the coherent “filled aperture” beam combination a plurality of laser beams are superimposed to form a combined laser beam that typically has the same beam cross section and ideally the same divergence as a single laser beam. Such a beam combination can be done - almost without loss of beam quality - diffractive, interferometric or via a polarization coupling.
  • US 2017/0201063 A1 describes a system for phase adjustment of a number M of laser sources which are arranged in a periodic spatial configuration.
  • the system has means for collimating and aligning the number M of laser beams onto a combining diffractive optical element, which comprises a phase grating.
  • the diffractive optical element is arranged in an object plane of a Fourier lens.
  • the system also includes means for phase matching the laser sources based on a negative feedback signal resulting from the combined laser beams.
  • a high-power laser system has become known from US Pat. No. 7,924,894 B2, which has a master oscillator and a plurality of fiber laser amplifiers for producing output beamlets.
  • a diffractive optical element combines the output beamlets into a combined output beam.
  • a control device is used to minimize errors due to the combination of the output beamlets, which reduce the quality of the combined output beam.
  • the phase of the beamlets is set with the aid of phase modulators depending on an error signal.
  • the system has an array of coherent laser emitters that produce an array of output beams that are collimated by an array of collimation lenses.
  • the collimated output beams are focused by a lens into a focal plane in which a phase screen is arranged in order to generate one or more coherently superimposed beams from the array of output beams which correspond to a phase combination of the array of output beams.
  • the phase screen can be a diffractive optical element.
  • the invention has for its object a device for combining a plurality of coherent laser beams, a laser system with one
  • a microlens arrangement as a beam combination device for coherent Combination of the plurality of coherent laser beams to at least one combined laser beam with high beam quality can be used. It is fundamentally known to have a microlens arrangement or an imaging one
  • Homogenizer for homogenizing radiation especially for
  • the microlens arrangement is used for the coherent combination of a plurality of laser beams.
  • Microlens arrangement for example a suitable choice of the focal lengths of the microlenses of the microlens arrays, and a suitable adaptation of the
  • Phase front of the laser beams which are irradiated onto the microlens arrangement in particular by a suitable choice of the (relative) phases df h of the coherent laser beams, a high efficiency in the coupling can also be realized.
  • phase adjustment devices are typically used to individually adjust the (relative) phases df h of the coherent laser beams.
  • suitable coupling optics can be used in combination to carry out the phase adjustment. This is advantageous since the phase setting devices are generally required anyway in order to correct or regulate the phases of the coherent laser beams, for example in order to influence the device as a result of temperature
  • phase setting devices are used to set the respective phase of the coherent laser beams typically before they emerge from an emission surface, ie before they hit the microlens array in free-beam propagation.
  • phase setting devices can be modulators in the form of EOMs (electro-optical modulators), SLMs (spatial light Modulators), optical delay lines in the form of mirror arrangements, or act like that.
  • a tensile stress can be applied to the fiber for the phase adjustment, for example by means of piezo actuator elements, the fiber can be influenced in temperature, etc.
  • the specific gain characteristic of the respective optical amplifier can be adjusted and thus a phase relationship between the individual
  • Channels or the individual laser beams can be set.
  • the gain characteristic can represent the total gain (gain) and / or the absolute output power of the coherent individual beams.
  • the reason for a different phase relationship can be the different number of excited laser-active ions in the amplification medium or different optical intensity profiles, which lead to a change in the phase position due to optical non-linearity either in the amplification medium itself or in another optical element.
  • the coherent laser beams and the microlens arrangement preferably satisfy the following equation:
  • N p 2 / (AL f E ) (1)
  • N is the number of coherent laser beams for the combination
  • p a grid spacing of the microlenses of a respective microlens array
  • AL the (generally identical) laser wavelength of the coherent laser beams and diee the
  • the microlens arrangement has two microlens arrays with an identical focal length, which are arranged at a distance from one another of their focal lengths.
  • the focal length of the microlens arrangement coincides with the (common) focal length of the two microlens arrays.
  • the inventors propose to reverse the beam path through the imaging homogenizer and to arrange the emission areas for the emission of the coherent laser beams or to emit the coherent laser beams in the direction of the microlens arrangement at the positions at which the diffraction spots are generated in the cited article , If the coherent laser beams have an (approximately) the same
  • equation (1) cannot be followed exactly in practice. In the event that there is a deviation from equation (1), the beam quality of the superimposed laser beam deteriorates.
  • the above equation (1) is considered to be fulfilled if the right side of the equation (1) is not more than 20%, preferably not more than 10%, in particular not more than 5% of the (integer) Value N on the left side of equation (1) deviates, ie if:
  • the microlens arrangement has at least three
  • Microlens arrays and is designed to adjust their (effective) focal length fe.
  • the focal length setting of the microlens array is
  • the effective focal length fe of the microlens arrangement relates to a beam which passes through one microlens per microlens array in the beam path (corresponding to a sub-aperture).
  • a microlens arrangement which can be used as a beam combination device in the device according to the invention, refers to a beam of one microlens per microlens array in the notation of the matrix optics, that is to say as an imaging matrix
  • a respective microlens array of the microlens arrangement is realized by a separate multilens array component.
  • a plurality of microlens arrays can be implemented in the beam path by means of a single microlens array component, in that the beam path passes through this microlens array component several times, for example because the beam path is deflected at a reflective optical element.
  • the microlens arrangement is designed to change an (optical) distance between at least a first microlens array and a second microlens array in order to adjust its (effective) focal length.
  • an effective focal length fe can be determined from the focal lengths of the individual lenses fia, f2a and the distance ds of the lenses according to the basic context:
  • the effective focal length fE of a microlens array with any number of microlens arrays can be determined iteratively (if necessary). Since the change in the number of coherent laser beams used for the combination in is generally not time-critical, the setting or the variation of the effective focal length of the microlens arrangement can be carried out manually, if necessary, by moving the microlens arrays to predetermined adjustment positions.
  • the device can have a motorized adjustment mechanism and an electronic control device in order to automatically move to the various adjustment positions.
  • the adjustment mechanism can comprise a slide on which a microlens array or a microlens array component or at least two microlens array components are arranged at a fixed distance.
  • the carriage can run along at least one other microlens array component, in particular at least two microlens array components
  • Beam propagation direction can be designed to be movable.
  • a first and third microlens array in the beam path and stationary and a second and fourth microlens array in the beam path can be arranged on the movable carriage, or vice versa.
  • the emission areas from which the coherent laser beams emerge can be aligned with one another at the respective angle difference dq and can be arranged, for example, on a circular arc.
  • the coherent laser beams can be focused, for example, with the aid of individual lenses which are arranged in the respective beam path of one of the coherent laser beams, but it may also be possible to dispense with the provision of such lenses.
  • the device has a
  • Movement device for generating a preferably adjustable lateral
  • the raster in which the microlenses of the two microlens arrays are arranged, becomes a movement device laterally, ie perpendicular to the direction of propagation of the combined laser beam or to the optical axis, along which the microlens arrays are arranged at a distance from one another.
  • the shift is usually a non-integer multiple of the
  • a targeted deflection of the combined laser beam or a beam splitting can take place to form two or more combined laser beams, which generally have the same power.
  • coherent laser beams can essentially be retained. Due to the lateral offset, the optical parameters, which are used to form a single combined laser beam, can be changed such that a combination to form several well-defined bundles (beam splitting) of laser beams
  • a single laser beam can be formed in the combination, which propagates offset parallel to the optical axis (beam deflection), provided that the angular distribution of the far field is imaged with a lens or the like and is thereby converted into a spatial distribution.
  • This method of beam splitting and / or beam deflection can be implemented at control rates of «1 kHz.
  • the movement device typically serves to laterally shift one of the microlens arrays.
  • the movement device can be used for misalignment or displacement of the at least one microlens array, for example
  • Piezo element a voice coil, a mechanical device, possibly in the form of a camshaft, etc., or be formed from such a component.
  • the first and the second microlens array have a lateral offset D for the formation of two combined laser beams, for which the following applies:
  • D ⁇ p / (2 N), where N denotes the number of coherent laser beams and p denotes a grid spacing of the microlenses of a respective microlens array.
  • the microlenses of the first micro-lens array are offset by the amount D in one direction (eg, X-direction) to the microlenses of the second micro-lens array.
  • Diffraction orders in which these are diffracted are also offset in the X direction.
  • the first and the second microlens array have a lateral offset D for the combination of an even number N of coherent laser beams to form a combined laser beam, for which the following applies:
  • the distance d between the two laterally offset micro-lens arrays can usually be based on the above
  • Adjustment mechanism can be set, but it is also possible that the distance d between the two micro-lens arrays is constant and cannot be changed.
  • the first and the second microlens array have a lateral offset D for the formation of a combined laser beam diffracted into a diffraction order B different from the zero, for which the following applies:
  • N denotes the number of coherent laser beams and p denotes a grid spacing of the microlenses of a respective microlens array.
  • Laser beam into a specific diffraction order i.e. take place at a predetermined angle corresponding to this diffraction order.
  • the intensity of the diffracted combined laser beam decreases depending on the
  • Diffraction order for example by approx. 3% at ⁇ 1.
  • Diffraction order i.e. In this case too, the efficiency of the beam combination is high.
  • the microlens arrangement has two pairs of one-dimensional, crossed microlens arrays arranged directly one behind the other, a separately adjustable lateral offset of the microlenses of a respective one can be set by means of the movement device
  • one-dimensional microlens arrays can be set in two different, for example perpendicular, directions (X, Y).
  • the combined laser beam is also deflected in the second direction (e.g. Y direction) or instead of two combined ones
  • Laser beams formed four combined laser beams.
  • the device has a coupling optics for coupling the coherent laser beams into the microlens arrangement, the coupling optics preferably being designed to have adjacent coherent laser beams with a predetermined angle difference dq into the microlens arrangement
  • dq KL / p
  • KL denotes the laser wavelength
  • p denotes a grid spacing of the microlenses of a respective microlens array.
  • a coupling optic is used, which is between the emission surfaces, from which the coherent laser beams emerge and the microlens arrangement is arranged.
  • the coupling optics are not absolutely necessary, but can be inexpensive, for example, when setting up the device.
  • the coupling-in optics can be used to meet the condition for the angular difference dq without the beam exit directions of the coherent laser beams from the emitter surfaces having to be aligned at an angle to one another for this purpose.
  • the emitter surfaces can be arranged on a line, ie the beam exit directions or the Poynting vectors of the coherent laser beams are aligned parallel to one another.
  • the use or design of the coupling optics and the arrangement of the emitter surfaces depend on the general conditions, for example on the laser source used. In the event that the emitter surfaces form the end faces of fibers running in parallel, the use of a coupling-in optical system is suitable, for example.
  • the coupling optics have at least one
  • Focusing device in particular at least one focusing lens, for
  • Microlens array The use of a focusing lens that
  • the coherent laser beams can hit the focusing lens aligned essentially parallel to one another and are focused on the microlens arrangement.
  • the coupling optics for correcting a curvature of the phase front of the plurality of coherent laser beams comprise at least one further imaging optics, in particular at least one further lens. As described above, at least part of the relative phase of the
  • coherent laser beams which is required for the coherent combination, can be adjusted with the aid of an optical system which has one or more optical elements.
  • the setting of an absolute (i.e. not dependent on the respective laser beam) part of the phase front of the laser beams can be used as a correction of the
  • Phase front curvature can be understood.
  • the use of (further) optics However, it is not absolutely necessary to correct the phase front if the
  • the Device in particular the coupling optics, is suitably designed (see below).
  • the further optics are typically arranged in the beam path of the coherent laser beams in front of the focusing device.
  • Another aspect of the invention relates to a laser system comprising: at least one laser source for generating the plurality of coherent laser beams, a plurality of emission areas for emitting the plurality of coherent
  • the laser source can have a single laser, for example in the form of a (fiber) master oscillator.
  • the seed laser radiation generated by the laser is e.g. divided into a plurality N of laser beams by means of a conventional 1-to-N coupling device, for example in the form of a single microlens array.
  • Fiber oscillators, laser diodes, etc. are used to generate the plurality N of coherent laser beams.
  • the laser system has one
  • Control device for driving the laser diodes to generate the coherent laser beams.
  • the laser source (s) can be used to generate
  • Ultra-short pulse laser beams can be formed, ie of coherent laser beams that have a pulse duration of less than 10 12 s, for example.
  • the coherent laser beams generated in or in the laser sources are typically guided to the emission surfaces with the aid of a plurality N of beam guiding devices, for example in the form of fibers.
  • the individual beam guidance of the laser beams makes it possible to act on them individually in order to suitably set the relative phases with the aid of the phase setting device.
  • the beam guiding devices can have a corresponding plurality N of
  • the phase setting devices can be arranged in the beam path in front of the beam guiding devices or after the beam guiding devices and / or on the Beam guiding devices, for example in the form of fibers, act.
  • the advantage of such a laser system with individual amplifiers is not only that it achieves higher laser powers, but also that the errors that accumulate in the amplifier structure influence each of the coherent laser beams differently and are therefore averaged out in the formation of the combined laser beam.
  • the coherent laser beams emitted on the emission surfaces have a Gaussian beam profile, a donought-shaped beam profile or a top hat beam profile. As described above, the temporal coherence of the laser beams is important for the superposition
  • laser beams can be generated from spatially partially coherent laser sources, for example from multimode laser sources.
  • the coherent laser beams are not necessarily single-mode laser beams which are superimposed in the microlens arrangement to form a combined single-mode laser beam with a larger beam diameter.
  • the individual spots have e.g. a substantially Gaussian beam profile, a substantially Donought-shaped or a substantially top-hat shaped beam profile.
  • the coherent laser beams that are used for the coherent combination are single-mode laser beams that are combined to form a single-mode laser beam. Since a homogeneous distribution of N individual spots is generated if equation (1) is observed, the intensity of the coherent ones emerging from the emitter areas should also be
  • Laser beams as homogeneous as possible i.e. be the same size.
  • the laser system has a
  • Control device which is designed or programmed to set the (effective) focal length of the microlens arrangement as a function of the number N of the coherent laser beams emitted.
  • the number of coherent laser beams emitted can change, for example, if additional laser sources are built into the laser system or if laser sources from the Laser system to be removed.
  • the laser system described here is a scalable system, ie in principle any number of coherent laser beams can be superimposed.
  • a modular structure of the laser system can be achieved by adapting the (effective) focal length of the microlens arrangement to the number N of laser sources present in each case.
  • the or a control device can be designed to control the at least one laser source for determining a number N of emitted coherent laser beams.
  • the at least one laser source for determining a number N of emitted coherent laser beams.
  • Laser sources can be switched on or off, for example, to adjust the intensity of the combined laser beam.
  • the outermost laser sources of the laser system are typically switched on or off with respect to a central axis of the microlens arrangement.
  • the number of microlenses of the microlens arrays of the microlens arrangement is independent of the number N of coherent laser beams that are used for the combination.
  • Focusing device of the coupling optics and the microlens arrangement adjustable and the control device is designed to set the distance depending on the number N of the coherent laser beams emitted.
  • a number N of coherent laser beams aligned in parallel can be directed onto the
  • the control device can, for example, use the one described above
  • Adjustment mechanism of the microlens arrangement act. Due to the deviation of the distance L2 of the microlens arrangement by p 2 / (AL N) from the focal length f2 of the focusing device, a portion of the laser beams that is common
  • Microlens array impinging laser beams adjusted so that the coherent laser beams as they pass through the microlens array or through the imaging homogenizer form a combined, single laser beam.
  • the condition for the distance L2 is also considered to be met if the right side deviates from the left side by less than 5%, preferably by less than 2%.
  • the further imaging optics which can have one or more optical elements, serve to correct one
  • Phase front curvature which is common to all laser beams, assuming that the further imaging optics are at a distance of their focal length f2 before the
  • Focusing device is arranged, for this purpose it is necessary that the focal lengths meet the above condition.
  • the condition for the focal lengths is also considered to be fulfilled if the right side deviates from the left side of the above condition by less than 5%, preferably by less than 2%.
  • the focal length of the further imaging optics is adjustable and the control device is designed to set the (effective) focal length of the further imaging optics as a function of the number N of the coherent laser beams emitted. Since, when the number N of coherent laser beams emitted changes, the effective focal length of the
  • the relative phase df h differs for each individual coherent laser beam and is therefore usually set with the aid of the phase setting devices and not with the aid of one or more optical elements of the coupling optics, even if this would also be possible in principle.
  • An individual adjustment of the (relative) phase of the coherent laser beams before the impingement on the microlens arrangement is required in order to generate a suitable phase front for the coherent combination of the laser beams.
  • the phase setting devices can be controlled in order to adapt the individual (relative) phases as a function of the properties of the combined laser beam.
  • Focussing device and p denote a grid spacing of the microlenses of a respective microlens array.
  • the coherent laser beams typically emerge from emitter surfaces that are at an identical distance from one another. In the event that the laser beams run parallel, the emitter surfaces are
  • the distance dc of the laser beams or the emitter surfaces is typically determined by the above condition.
  • adjacent emission surfaces are arranged equidistantly on a circular arc and are preferably aligned, and adjacent coherent laser beams with a predetermined angle difference dq into the
  • dq AL / p
  • AL denotes the laser wavelength
  • p denotes a grid spacing of the microlenses of a respective microlens array.
  • the coupling optics have a beam-shaping optics for shaping a respective coherent laser beam with a predetermined, in particular adjustable, divergence angle when coupling into the
  • the coherent laser beams are typically coupled collimated into the microlens arrangement.
  • the beam-shaping optics can, for example, have two or more lenses arranged one behind the other, which expands all coherent laser beams, or a plurality of lenses or other optical elements, for example a number of individual lenses corresponding to the plurality of coherent laser beams, or a (further) microlens array to generate the divergence angle (usually the same for all coherent laser beams).
  • the distance D between the circular arc and the microlens arrangement can be reduced in this way and a compact design can be achieved in this way.
  • the beam-shaping optics are formed by a lens with a focal length f and the (effective) focal length is
  • Focal length f2 of the focusing device Focal length f2 of the focusing device.
  • the laser system has an even number N of
  • This condition applies in general to the combination of an even number N of coherent laser beams, ie this is independent of the number N of coherent laser beams.
  • This condition for the focal length of the beam-shaping optics also defines the most compact structure of the device, ie the focal length f should not be undercut, regardless of the number N of coherent laser beams, ie f> p 2 / AL should apply.
  • the emitter surfaces lie in a common plane with the microlenses of the microlens arrays, in which the beam propagation directions of the laser beams also run.
  • the microlenses are typically cylindrical lenses.
  • the emitter areas are typically arranged in a two-dimensional grid or in a grid, the distances between adjacent emitter areas being able to be selected to be the same or different in both directions.
  • the grid with the emission surfaces can extend in one plane (e.g. XY plane) or on a curved surface, e.g. on a spherical shell.
  • the laser beams emerging from the emitter surfaces are typically aligned in parallel in the first case and can be aligned in the second case, for example, in the direction of the center of the spherical shell on which the microlens arrangement is arranged.
  • the periodicity of the grating with the emitter areas specifies the grid spacings of the microlenses in two different, for example perpendicular, directions (X, Y).
  • 2-dimensional microlens arrays can be used, the grid spacings p x , rg of which may be perpendicular to each other Differentiate directions X, Y depending on the periodicity of the grating.
  • the microlenses of the 2-dimensional microlens array accordingly have a different curvature in the X direction or in the Y direction, that is, they are not cylindrical lenses. It is also possible to replace a respective 2-dimensional microlens array with two 1-dimensional microlens arrays with cylindrical lenses, the cylindrical lenses of the 1-dimensional microlens arrays being aligned perpendicular to one another.
  • the relationship between the 2-dimensional grating with the emitter areas and the 2-dimensional microlens arrays is analogous to the relationship between the Bravais grating and the reciprocal grating. Accordingly, the arrangement of the emitter areas can also be of the densest packing, i.e. one
  • the microlenses of the microlens arrays are also arranged in a hexagonal arrangement.
  • the combination of the coherent laser beams in the two linearly independent, not necessarily perpendicular grating directions is fundamentally independent, i.e. the conditions or equations given above apply to both lattice directions independently of one another.
  • the laser system has an even number N of emitter areas and the microlens arrangement has a phase shift Device which is designed to generate a constant phase offset of p between beams of the coherent laser beams which pass through adjacent microlenses of a respective microlens array.
  • a diffraction pattern usually has a 0th diffraction order and symmetrically an even number of higher orders, ie an odd total number of diffraction orders.
  • phase shift device can be used which suppresses the 0th order of diffraction by destructive interference.
  • the phase shifter device can be designed, for example, as a phase shifter element, in which first pass elements and second pass elements are formed alternately in a direction transverse to the beam propagation direction, the passage of a first pass element compared to the passage of a second pass element generating the phase offset of p.
  • phase shifter element can either be introduced into or removed from the beam path, for which purpose the adjustment mechanism described above can be used, for example.
  • phase shift device can be integrated in one of the microlens arrays.
  • the profiling of the microlens array looks at
  • Phase shift element can be saved.
  • Microlens arrays gradually, so that a phase shift of p is built up across the width of the microlens aperture; this change in thickness is overlaid by the actual lens profile. It is also possible to design every second microlens with a uniform additional thickness, which generates the phase shift analogously to the phase shifter element described above.
  • the laser system described above also fundamentally enables the coherent combination of ultrashort pulse laser beams without additional
  • the laser system comprises a first, before the
  • a first diffraction grating for spectrally dividing the coherent laser beams into a plurality of bundles of rays which pass through the microlens arrangement in a spatially separated manner
  • a second wavelength-dispersive optical element arranged after the microlens arrangement, in particular a second diffraction grating, for spectrally combining the beams to form the combined laser beam one wavelength.
  • the laser beams which have a uniform wavelength AL or a uniform wavelength spectrum when emitted, are spectrally divided into a plurality of beams by means of a first wavelength-dispersive optical element, which typically correspond to different diffraction orders of the wavelength-dispersive optical element (and thus different wavelengths).
  • the respective beams pass through the
  • the coupling optics can be an optical element, for example in the form of a
  • collimation lens in order to collimate the rays emerging from the first wavelength-selective element or to align them in parallel.
  • a further optical system for example a focusing lens
  • the beam bundles are irradiated or focused onto the second wavelength-dispersive optical element after passing through the microlens arrangement, which optical element contains the spectral element
  • the beam bundles are brought together to form the common laser beam.
  • Containing wavelength AL apply accordingly to the central wavelength of the spectral distribution of the beam bundles, which does not necessarily have to match the wavelength AL of the laser beams emitted at the emitter surfaces.
  • the coupling optics have a collimation lens which is designed as an aspherical lens. The curvature of the aspherical lens surface is chosen so that a wavelength-dependent correction of the phase front of the laser beams, more precisely the respective beam, takes place. As described above, such a wavelength-dependent correction is generally only required if a comparatively large number of UKP laser beams are to be coherently superimposed.
  • a further aspect of the invention relates to a method for combining a particularly adjustable number N of coherent laser beams to form at least one combined laser beam, in particular by means of a device as described above, comprising: coupling the coherent laser beams into a microlens arrangement which has at least two microlens Arrays, and combining the coherent laser beams to the at least one combined laser beam in the microlens array.
  • a microlens arrangement which has at least two microlens Arrays
  • the angle difference is therefore independent of the number N of laser beams which are coupled into the microlens arrangement, i.e. it is not necessary to vary them when changing the number N of laser beams.
  • Microlens arrays diee the focal length of the microlens array and AL the focal length of the microlens array
  • the setting can be made using the above
  • the coherent laser beams are coupled in by means of a coupling optic which has a focusing device, the method further comprising: setting a distance between the
  • L2 h - p 2 / (N AL)
  • f2 denoting a focal length of the focusing device
  • p a raster spacing of the microlenses of a respective microlens array
  • AL denoting the laser wavelength.
  • Focusing device and fe denote a focal length of the microlens array.
  • the focal length of the further imaging optics can be set, for example, by changing the distance between two or more optical elements of the imaging optics.
  • the (global) phase curvature of the laser beams can be corrected by the further imaging optics.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a laser system with a device for combining a plurality of coherent laser beams to form a combined laser beam
  • Fig. 2 is an illustration of the device of Fig. 1 with a
  • Beam combination device which comprises a coupling optics and a microlens arrangement with two microlens arrays
  • 3a, b is a representation of a micro lens arrangement with three microlens arrays and with an adjustment mechanism and the beam path through a sub-aperture of the microlens arrangement
  • Fig. 4 shows a device analogous to Fig. 2 with a
  • Coupling optics which have an imaging optics with adjustable focal length for correcting a phase front curvature
  • Fig. 5 is an illustration analogous to Fig. 4, in which emission areas for
  • Phase curvature are arranged at an angle to each other
  • FIG. 6 shows a representation analogous to FIG. 4, in which the coupling optics are formed by a focusing lens, 7 shows a beam combination device in which the emission surfaces are arranged on an arc,
  • Emission areas are each arranged in a grid
  • Fig. 10 representations of a beam combination device, the two
  • FIG. 11 shows an illustration of a beam combination device analogous to FIG. 7, which has beam-shaping optics for shaping coherent laser beams which enter the microlens arrangement at a respectively predetermined divergence angle,
  • FIG. 12 is an illustration of a beam combination device analogous to FIG. 6, which has a movement device for generating a lateral offset between the second microlens array and the first microlens array,
  • Fig. 1 shows an exemplary structure of a laser system 1, which one
  • the laser source 2 has a mode-coupled fiber master oscillator 4, which generates seed laser radiation with a laser wavelength AL, which in a conventional 1-to-N coupling device 5,
  • Laser beams 3.1. 3.N is split.
  • the laser beams 3.1, ..., 3.N pass through a corresponding number N of phase setting devices 6.1, ..., 6.N. which allow the setting of a respective individual phase df h of the laser beams 3.1, ..., 3.5
  • phase adjustment devices 6.1, ..., 6.N can be designed, for example, as electro-optical modulators, as acousto-optical modulators, etc.
  • the coherent laser beams 3.1, ..., 3.N pass through a corresponding number N of amplifier fibers 7.1, ..., 7.N in order to pass the coherent laser beams 3.1 , ..., 3.N to reinforce.
  • the end faces of the amplifier fibers 7.1, ..., 7.N serve as emission surfaces 8.1, ..., 8.N, on which the coherent laser beams 3.1, ..., 3.N are emitted.
  • the phase setting devices 6.1, ..., 6.N can also be arranged behind the amplifier fibers 7.1, ... 7.N or act directly on the amplifier fibers 7.1, ..., 7.N, for example by having an adjustable mechanical tension on the
  • the coherent laser beams 3.1, ..., 3.N are deflected at a deflection device 9, which has a plurality of deflection mirrors, in order to increase the fill factor, i.e. to reduce the distance between adjacent laser beams 3.1, ..., 3.N. It goes without saying that the deflection device 9 is not essential
  • the coherent laser beams 3.1, ..., 3.N occur in the shown
  • Example aligned parallel to one another in a beam combination device 10 which has a microlens arrangement 11 or an imaging homogenizer for the coherent combination of the laser beams 3.1,..., 3.N for the formation of a combined laser beam 12.
  • a portion 12a of the combined laser beam 12 is coupled out via a decoupling device in the form of a partially transmissive mirror 13 and strikes a detector 14.
  • the detector 14 stands with a
  • Control device 15a of the laser system 1 in signaling connection which controls the phase setting devices 6.1, ..., 6.N, in order to adjust the individual phases df h of the laser beams 3.1, ..., 3.N depending on the properties of the detected portion 12a of the combined laser beam 12 to adapt.
  • Control device 15a can in particular enable control of the phase setting devices 6.1, 6.N to generate desired (target) phases df p of the laser steels 3.1, ..., 3.N.
  • the number N of phase adjustment devices 6.1, ..., 6.N corresponds to the plurality N of laser beams 3.1, ..., 3.N
  • a number of N - 1 phase adjustment devices 6.1 is generally , ..., 6.N-1 sufficient. In the one shown in Fig. 1
  • FIG. 2 shows a device 16 analogous to FIG. 1 for combining one
  • N 3 coherent laser beams 3.1, 3.2, 3.3 using a beam combination device 10, which a
  • Microlens arrangement 11 with two microlens arrays 17a, b and one
  • Coupling optics 18 has.
  • the device 16 also comprises three phase setting devices 6.1, 6.2, 6.3 for setting the phases df-i, dy2, dy3 of the three laser beams 3.1, 3.2, 3.3 such that, in combination with the coupling optics 18, a phase front is formed on the microlens arrangement 11 trains the coherent combination of laser beams 3.1, 3.2, 3.3. to the combined laser beam 12 while maintaining the beam quality.
  • the emitter surfaces 8.1, 8.2, 8.3 are arranged along a line in the X direction and the laser beams 3.1, 3.2, 3.3 enter the coupling optics 18 aligned in parallel along a uniform direction of propagation (Z direction).
  • the emitter surfaces 8.1, 8.2, 8.3 and the coherent laser beams 3.1, 3.2, 3.3 are in this case equidistant, ie at equal distances dc along the X direction
  • the coupling optics 18 are designed to be adjacent coherent
  • (Uniform) wavelength of the laser beams 3.1, 3.2, 3.3 and p denote a pitch of the microlenses 20a, b of a respective microlens array 17a, b.
  • the coupling optics 18 In order to generate the angle difference dq, the coupling optics 18 have one
  • Focusing device in the form of a focusing lens 19, more precisely one
  • the coherently superimposed laser beam 12 shown in FIG. 2 can be generated by means of the microlens arrangement 11 if the microlens arrangement 11 and the combined
  • N p 2 / (AL fe) (1)
  • the two microlens arrays 17a, b are arranged at a distance d from one another which corresponds to the focal length fa or fb and the resulting focal length f E
  • Microlens arrangement 1 1 corresponds.
  • the laser beams 3.1, 3.2, 3.3 that emerge from the emission areas 8.1, 8.2, 8.3 are, in the example shown, single-mode beams, i.e. these each have a Gaussian profile with a half-value width WR, O.
  • the laser beams 3.1, 3.2, 3.3 can have a different beam profile with a possibly reduced degree of spatial coherence, for example a donated beam profile or a top hat beam profile.
  • the laser beams 3.1, 3.2, 3.3 it is necessary for the laser beams 3.1, 3.2, 3.3 to have a phase front or individual phases (depending on the angle of incidence Q) df h (q) the
  • x 0 denotes the central axis of the beam combination device 10, along which the middle laser beam 3.2 propagates and fi denotes the focal length of a further imaging optic 21 in the form of a cylindrical lens, which is used to correct the phase curvature and in the simplest case (with a
  • the further imaging optics 21 is arranged at a distance L1 in front of the focusing lens 19, which corresponds to the focal length fi of the focusing lens 19.
  • the further imaging optics 21 thus serve to adapt the
  • the number N of coherent laser beams 3.1, ... » 3.N can be changed by modifying the laser source 2 or the laser system 1 as a whole, for example by emitter areas 8.1, ..., 8.N, phase setting devices 6.1, ..., 6.N etc. can be added or removed.
  • the number N of coherent laser beams 3.1, ..., 3.N which are used for the combination can also be changed by the control device 15a controlling the laser source 2 in order to adjust the intensity of certain laser beams 3.1, ..., 3. N. to change, for example to certain laser beams 3.1. 3.N optionally switch on or off.
  • the microlens arrangement 1 1 can be designed to set its (effective) focal length ⁇ e and has at least three microlens arrays 1 7a-c with focal lengths f a , fb, fc, as is exemplary for that
  • Microlens arrangement 11 of Fig. 3a is shown.
  • the effective focal length ⁇ e relates to a beam which passes through one microlens 20a-c per microlens array 17a-c (corresponding to a sub-aperture), cf. Fig. 3b.
  • Beam combination device 10 is used, referred to
  • a motorized adjustment mechanism 22 (for example with a driven gear wheel engaging in a toothed rack) allows the positions of carriages 23,
  • the second microlens array 17b is designed to be stationary.
  • the distances di, d2 to be set for given focal lengths f a , fb, fc can be determined as follows and the slides 23, 24 along guides to corresponding ones
  • the effective focal length ⁇ e of the microlens arrangement 11 is changed, it is typically also necessary to adapt the coupling optics 18 accordingly.
  • the further imaging optics 21 can be formed by two (thin) lenses 21a, 21b, the distance d3 of which is adjustable, as shown in FIG. 4.
  • FIG. 5 shows a device 16 in which the coupling optics 18 have no additional imaging optics 21 for correcting the phase front df h (c).
  • the emitter surfaces 8.1, 8.2, 8.3 are each aligned at an angle dg that corresponds to the angle at which the laser beams 3.1, 3.2, 3.3 from the one in FIG. 2 or in FIG. 4 imaging optics 21 emerge.
  • the phase front df h (c) more precisely the first addend in the above equation (4), can be adjusted without the provision of additional imaging optics, ie the coupling optics 18 only have the focusing lens 19.
  • An imaging optical system 21 for adapting the phase front curvature can also be dispensed with if the emitter surfaces 8.1, 8.2, 8.3 are arranged along a line in the X direction and aligned in parallel, as is shown in FIG. 6.
  • the distance L2 in the device 16 of FIG. 6 thus also depends on the number N of laser beams 3.1,..., 3.N, so that this changes when the number N of laser beams 3.1,..., 3 changes. N must also be adjusted.
  • the control device 15 can be focused on the focusing lens 19 and / or on the adjusting mechanism 22 which is present in any case
  • Microlens arrangement 11 act to the focusing lens 19 and the
  • the beam combination device 10 has only the microlens arrangement 11 and no coupling optics.
  • the laser beams 3.1,..., 3.N were combined in one dimension.
  • the emission areas 8.1.1,... 8.NM are arranged in a rectangular grid in a common plane (XY plane) and the beam propagation directions of all laser beams 3.1.1,... 3. NM run parallel (in the Z direction).
  • Focusing lens 19 which is shown in Fig. 8a as a square.
  • the microlenses 20a, b of the microlens arrays 17a, b of the microlens arrangement 11 are each arranged in a corresponding, rectangular grid and aligned parallel to the XY plane.
  • the raster spacings p x , rg of the microlenses 20a, b can also differ from one another distinguish between the mutually perpendicular directions X, Y.
  • the microlenses 20a, b accordingly have a possibly different curvature in the X direction and in the Y direction, ie they are not cylindrical lenses.
  • the combination of the coherent laser beams 3.1 .1, ... 3.NM in the two linearly independent directions X, Y, which are perpendicular in the example shown, is fundamentally independent, ie the conditions or equations given above apply independently for both directions X, Y. from each other.
  • the emitter surfaces 8.1 .1, .... 8.NM are also arranged in a grid, but which runs along a curved surface, more precisely along a spherical shell, the Beam propagation directions of the laser beams 3.1.1, ..., 3.NM are aligned perpendicular to the spherical shell and the microlens arrangement 11 is arranged in the vicinity of the center of the spherical shell. Also an arrangement of the
  • Fig. 8c shows a device 16 analogous to Fig. 8a, in which the two
  • microlens arrays 17a, b of the microlens arrangement 11 are replaced by four one-dimensional microlens arrays 17a-d.
  • the microlens arrays 17a-d each have a plurality of microlenses 20a-d in the form of cylindrical lenses, the microlenses 20a, c of the first and third microlens arrays 17a, c and the microlenses 20b, d of the second and fourth microlenses Arrays 17b, d are aligned perpendicular to one another, specifically in the X direction and in the Y direction.
  • Phase shifting device 25 can be used, as will be described below with reference to FIGS. 9a-c.
  • the phase shifting device 25 is integrated into a respective first or second microlens array 17a, b of the microlens arrangement 11 and generates the adjacent microlenses 20b of the second microlens array 17b at a transition 27 between beams 26 (see FIG. 9a ) or neighboring microlenses 20a of the first microlens array 17a (see FIGS. 9b, c), each with a phase shift of TT.
  • the 0 th diffraction order can be eliminated by destructive interference, so that an even number N of coherent laser beams 3.1,..., 3.N can be combined to form the combined laser beam 12.
  • a change in thickness 28 is provided at the transition between adjacent microlenses 20b of the second microlens array 17b.
  • the additional thickness of a respective microlens 20b along the X direction increases here linearly from an initial value zO of additional thickness up to an additional thickness corresponding to zO plus the thickness corresponding to the
  • Microlens 20b The output value zO serves to bring the location of the phase jump with respect to the X direction approximately to the focal plane behind the third microlens array 17c.
  • the sawtooth profiling is provided for all microlenses 20b of the second microlens array 17b.
  • phase shifting device 25 is integrated in the first microlens array 17a and it takes place at the transition 27
  • adjacent microlenses 20a also have a thickness jump 28 instead.
  • the additional thickness of a respective microlens 20a along the X direction linearly increases from 0 (zero) additional thickness to an additional thickness corresponding to that
  • the first microlens array 17a is also provided with an integrated phase shifting device 25.
  • an integrated phase shifting device 25 At the transition 27 between adjacent microlenses 20a, there is a change in thickness 28, which generates the phase shift of p.
  • the additional thickness provided by the integrated phase shifting device 25 is maintained uniformly over the entire width of a respective microlens 20a, and with alternating ones
  • the phase shifting device 25 can be designed as a separate component, for example in the form of a phase shifter plate.
  • a phase shifter plate (not shown in the illustration) has alternating first and second passing elements which are aligned with the microlenses 20a-c or the associated beams 26.
  • the passing elements thus have a width in the X direction corresponding to the aperture or the grid spacing p.
  • the first passing elements here produce a phase offset of 0 (zero) over their entire width in the X direction and the second passing elements here produce a phase offset of p over their entire width in the X direction.
  • the phase shifter 25 can in this case if necessary from the
  • the beam path can be removed (pulled out in the X direction, for example) or retracted into the beam path, depending on whether an odd or even number N of laser beams 3.1, ..., 3.N is to be combined coherently.
  • a motorized adjustment mechanism can also be provided for this, which is controlled with the aid of the electronic control device 15.
  • the phase shifting device 25 is preferably approximately in the focal plane of a respective microlens array 17a-c (or a respective one
  • the 10 shows a device 16 which is designed for the wavelength-dependent correction when superimposing ultrashort pulse laser beams 3.1,... 3.N.
  • the device 16 has a number of emission areas 8.1, .... 8.N for the emission of the coherent laser beams 3.1, ..., 3.N, of which only three laser beams 3.1, 3.2, 3.3 are shown in FIG. 10 for simplification are that at first
  • wavelength-dispersive element in the form of a first diffraction grating 30.
  • the laser beams 3.1, 3.2, 3.3 are spectrally split at the first diffraction grating 30 and, in the example shown, form three beams 26a-c, each with different wavelengths li, hi, kz.
  • the three beam bundles 26a-c pass through a collimation lens 31 and subsequently pass through the microlens arrangement 11 aligned in parallel.
  • the three beam bundles 26a-c pass through the two microlens arrays 17a, b of the microlens arrangement 11 by different microlenses 20a, 20b of the respective microlens array 17a, b and thus separated.
  • a focusing lens 32 positioned in the beam path behind the microlens arrangement 11 focuses the beam bundles 26a-c on a second wavelength-dispersive optical element in the form of a second diffraction grating 33, which spectrally brings together the beam bundles 26a-c and generates the combined laser beam 12, the wavelength spectrum of which of the coherent laser beams 3.1, 3.2, 3.3 matches before the overlay.
  • the coupling optics 18 are formed by the collimation lens 31, which is designed as an aspherical lens and one in the X direction, that is to say transversely to the direction of propagation of the beams 26a-c, locally variable curvature.
  • the curvature of the aspherical collimation lens 31 is here
  • FIG. 11 shows a device 16 analogous to FIG. 7, in which the emission areas
  • the coupling optics 18 have three beam-shaping optics in the form of three lenses 18a-c, which are attached to the coupling-out unit of the emitter surfaces 8.1, 8.2, 8.3.
  • the lenses 18a-c serve to generate a predetermined divergence angle OD with which the coherent laser beams 3.1, 3.2, 3.3 enter the microlens arrangement 11.
  • lenses 18a-c each have the same focal length f, the distance D between the circular arc 29 and the microlens arrangement applies
  • the interference condition can not only be changed in such a way that shorter construction distances can be realized, but an even or any number of coherent laser beams 3.1, 3.2, 3.3, ... can also be combined without the further for this purpose Phase shifting device 25 described above in connection with FIGS. 9a-c is required.
  • Phase shifting device 25 described above in connection with FIGS. 9a-c is required.
  • the coupling optics 18 can be designed in the form of the beam-shaping optics for setting a variable divergence angle OD and, for this purpose, can have an adjustable focal length f, for example.
  • the device 16 shown in FIG. 12 has a movement device 35 for moving the second microlens array 17b in the X direction, i.e. laterally or transversely to the direction of propagation Z of the combined laser beam 12, as a result of which an adjustable lateral offset D is generated between the microlenses of the first microlens array 17a and the microlenses of the second microlens array 17b, as can be seen in FIG. 12 ,
  • the movement device 35 can have, for example, a piezo element that can be controlled by the control device 15, a voice coil, a mechanical drive including a camshaft, etc.
  • Control device 15 can be designed in the form of a control computer or in the form of other suitable hardware and / or software and controls the Movement device 25 on to laterally shift the second microlens array 17b.
  • the device 16 shown in FIG. 12 can also be used to shift the position of the combined laser beam 12 or to change its angle or to generate two or possibly more than two combined laser beams 12a, 12b when combined, as will be described below in connection with FIGS. 13a-c and 14a-c, in each of which the angular distribution of the far field in a plane X, Y perpendicular to the direction of propagation Z of the
  • the combined laser beam 12 is diffracted into the 0th diffraction order, so that it is not deflected and propagates along the optical axis in the Z direction.
  • the combined laser beam 12 is in the +1.
  • Diffraction order is thus not deflected and propagated along the optical axis in the Z direction, but is deflected in the positive X direction at an angle qc of approximately +2 mrad.
  • 14b shows the case in which the
  • the combined laser beam 12 is divided, more precisely two combined laser beams 12a, 12b are generated with the same power, of which the first laser beam 12a propagates in the Z direction as in FIG. 14a, while the second laser beam 12b in the 1. Diffraction order is diffracted.
  • D positive lateral offset
  • the deflection shown in FIGS. 13b, c can also be carried out with the division or formation of two or possibly more than two combined laser beams 12a, 12b, ... shown in FIGS. 14b, c. be combined.
  • the laser energy and the beam quality of the coherent laser beams 8.1, 8.2, 8.3 can be largely retained, i.e. even with a diffraction in the 2nd diffraction order, the losses are only approx. 10%.
  • more than three laser beams 3.1, 3.2, 3.3 can also be deflected or divided in the manner described above, which are emitted by one
  • Laser source 2 or possibly from several coherent laser sources 2.
  • an even number N of coherent laser beams 3.1, 3.2,... Can also be combined to form a combined laser beam 12 without the one described above for this purpose
  • Phase shifting device 25 must be used.
  • a lateral offset D is set, for which the following applies:
  • the distance d between the first and the second microlens array 17a, 17b can be constant. Alternatively, the distance d can be set.
  • the second microlens array 17b is carried by a carriage, the position of which in the Z direction is set by means of a motorized adjustment mechanism with the aid of the programmable control device 15, as is shown further above in connection with FIGS. 3a, b.
  • Movement device 35 may be configured to set a lateral offset Dc in the X direction and independently of it a lateral offset Dg in the Y direction.
  • the movement device 35 can act, for example, on the first microlens array 17a in order to laterally offset it in the X direction and correspondingly on the second microlens array 17b in order to laterally offset it in the Y direction. In this way, the deflection or combination into two laser beams 12a, b can take place independently of one another in both directions (X, Y).
  • Laser beams 3.1.1 to 3.N.M two-dimensionally structured microlens arrays 17a, 17b are used, however, as shown in FIGS. 8a, b, is not
  • two-dimensionally structured microlens array e.g. the first microlens array 17a, laterally offset in one direction (e.g., X direction), becomes the combined one
  • Laser beam 12 is also deflected in the second direction (e.g. Y direction), or four are combined instead of two combined laser beams 12a, b
  • Diffractive optical elements or the like are used.
  • a suitable choice of the focal lengths f a , ft > , fc of the microlenses 20a-c of the microlens arrays 17a-c possibly in combination with a suitable choice of the focal length (s) f2, fi of optical elements 19, 21 of the coupling optics 18, and by a suitable choice of the relative phases df h (c) of the laser beams 3.1, ..., 3.N, a high efficiency in the coherent combination with the combined laser beam 12 can be achieved while maintaining the beam quality.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (16) zur Kombination einer Mehrzahl N von kohärenten Laserstrahlen (3.1,..., 3.N), umfassend: mindestens N-1 Phasen-Einstelleinrichtungen (6.1,..., 6.N) zur Einstellung einer jeweiligen Phase eines der kohärenten Laserstrahlen (3.1,..., 3.N), sowie eine Strahlkombinationseinrichtung (10) zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen (3.1,..., 3.N) zur Bildung mindestens eines kombinierten Laserstrahls (12). Die Strahlkombinationseinrichtung (10) weist zur Bildung des mindestens einen kombinierten Laserstrahls (12) eine Mikrolinsenanordnung (11) mit mindestens zwei Mikrolinsen-Arrays (17a, b) auf. Die Erfindung betrifft auch ein Lasersystem, umfassend: mindestens eine Laserquelle zur Erzeugung der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (3.1,..., 3.N), eine Mehrzahl von Emissionsflächen (8.1,..., 8.N) zur Emission der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (3.1,..., 3.N), sowie eine oben beschriebene Vorrichtung (16) zur Kombination der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (3.1,..., 3.N) zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl (12). Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Verfahren zum Kombinieren einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (3.1,..., 3.N).

Description

Vorrichtung, Lasersvstem und Verfahren zur Kombination von kohärenten
Laserstrahlen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kombination einer Mehrzahl N von kohärenten Laserstrahlen, umfassend: mindestens N-1 Phasen-Einstelleinrichtungen zur Einstellung einer jeweiligen Phase eines der kohärenten Laserstrahlen, sowie eine Strah I kom bi nationsei nrichtu ng zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen zur Bildung mindestens eines, insbesondere genau eines kombinierten Laserstrahls. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Lasersystem, umfassend: mindestens eine Laserquelle zur Erzeugung der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen, insbesondere von Ultrakurzpuls-Laserstrahlen, eine Mehrzahl von Emissionsflächen zur Emission der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen, sowie eine Vorrichtung wie weiter oben beschrieben zur Kombination der Mehrzahl von kohärenten
Laserstrahlen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Kombinieren von kohärenten Laserstrahlen. Unter„kohärenten Laserstrahlen“ wird im Sinne dieser Anmeldung eine zeitliche Kohärenz der Laserstrahlen zueinander verstanden. Im Allgemeinen können die Laserstrahlen einen verminderten Grad an räumlicher Kohärenz aufweisen, d.h. die Laserstrahlen können räumlich partiell kohärent sein, d.h. es handelt sich nicht zwingend um Single-Mode-Laserstrahlen. Beispielsweise können die Laserstahlen von Multimode-Quellen erzeugt werden und z.B. einen höhermodigen Gauß-Mode, z.B. ein Laguerre-Gauß-Mode, eine Hermite-Gauß-Mode oder Superpositionen davon bilden. Bevorzugt sind die Laserstrahlen jedoch sowohl zeitlich als auch räumlich kohärent.
Bei der Strahlkombination wird eine Mehrzahl von Laserstrahlen zu einem
kombinierten Laserstrahl überlagert, der eine entsprechend höhere Leistung aufweist. Bei der kohärenten„tiled aperture'-Strahlkombination, auch Seite-an-Seite- Strahlkombination genannt, wird der Strahlquerschnitt des kombinierten Laserstrahls vergrößert, aber die Divergenz reduziert, was in der Regel nicht ohne einen Verlust an Leistung oder Strahlqualität möglich ist. Bei der kohärenten„filled aperture'- Strahlkombination wird eine Mehrzahl von Laserstrahlen zu einem kombinierten Laserstrahl überlagert, der typischerweise denselben Strahlquerschnitt und idealerweise dieselbe Divergenz wie ein einzelner Laserstrahl aufweist. Eine solche Strahlkombination kann - annähernd ohne Verlust an Strahlqualität - diffraktiv, interferometrisch oder über eine Polarisationskopplung erfolgen.
In der US 2017/0201063 A1 ist ein System zur Phasenanpassung einer Anzahl M von Laserquellen beschrieben, die in einer periodischen räumlichen Konfiguration angeordnet sind. Das System weist Mittel zum Kollimieren und zum Ausrichten der Anzahl M von Laserstrahlen auf ein kombinierendes diffraktives optisches Element auf, das ein Phasengitter umfasst. Das diffraktive optische Element ist in einer Objektebene einer Fourier-Linse angeordnet. Das System weist auch Mittel zur Phasenanpassung der Laserquellen auf Grundlage eines negativen Feedback- Signals auf, das von den kombinierten Laserstrahlen herrührt.
Aus der US 7,924,894 B2 ist ein Hochleistungs-Lasersystem bekannt geworden, welches einen Master-Oszillator sowie eine Mehrzahl von Faserlaser-Verstärkern zur Erzeugung von Ausgangs-Beamlets aufweist. Ein diffraktives optisches Element kombiniert die Ausgangs-Beamlets zu einem kombinierten Ausgangsstrahl. Eine Regelungseinrichtung dient dazu, auf die Kombination der Ausgangs-Beamlets zurückzuführende Fehler zu minimieren, welche die Qualität des kombinierten Ausgangsstrahls reduzieren. Die Phase der Beamlets wird mit Hilfe von Phasen- Modulatoren in Abhängigkeit von einem Fehlersignal eingestellt.
In der US 8,248,700 B1 sind Systeme und Verfahren zur kohärenten
Strahlkombination beschrieben. Das System weist ein Array von kohärenten Laser- Emittern auf, die ein Array von Ausgangs-Strahlen erzeugen, die von einem Array von Kollimations-Linsen kollimiert werden. Die kollimierten Ausgangs-Strahlen werden von einer Linse in eine Fokusebene fokussiert, in der ein Phasen-Schirm angeordnet ist, um aus dem Array von Ausgangs-Strahlen einen oder mehrere kohärent überlagerte Strahlen zu erzeugen, die einer Phasen-Kombination des Arrays von Ausgangs-Strahlen entsprechen. Bei dem Phasen-Schirm kann es sich um ein diffraktives optisches Element handeln.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kombination einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen, ein Lasersystem mit einer solchen
Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren bereitzustellen, welche es ermöglichen, die Strahlqualität eines jeweiligen einzelnen Laserstrahls in dem mindestens einen kombinierten kohärenten Laserstrahl nahezu vollständig zu erhalten.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher die Strahlkombinationseinrichtung eine
Mikrolinsenanordnung mit mindestens zwei Mikrolinsen-Arrays zur Bildung des mindestens einen kombinierten Laserstrahls aufweist.
Die Erfinder haben erkannt, dass bei einer geeigneten Festlegung der (relativen) Phase bzw. der Phasenunterschiede zwischen den kohärenten Laserstrahlen eine Mikrolinsenanordnung als Strahlkombinationseinrichtung zur kohärenten Kombination der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl mit hoher Strahlqualität verwendet werden kann. Zwar ist es grundsätzlich bekannt, eine Mikrolinsenanordnung bzw. einen abbildenden
Homogenisierer zur Homogenisierung von Strahlung, insbesondere zur
Homogenisierung eines Laser-Strahls, zu verwenden, erfindungsgemäß wird die Mikrolinsenanordnung jedoch zur kohärenten Kombination einer Mehrzahl von Laserstrahlen verwendet. Bei einer geeigneten Auslegung der
Mikrolinsenanordnung, beispielsweise einer geeigneten Wahl der Brennweiten der Mikrolinsen der Mikrolinsen-Arrays, sowie einer geeigneten Anpassung der
Phasenfront der Laserstrahlen, die auf die Mikrolinsenanordnung eingestrahlt werden, insbesondere durch eine geeignete Wahl der (relativen) Phasen dfh der kohärenten Laserstrahlen kann zudem eine hohe Effizienz bei der Kopplung realisiert werden.
Es ist zwar grundsätzlich möglich, die Phasenanpassung ausschließlich durch eine geeignete Einkoppeloptik zur Einkopplung der kohärenten Laserstrahlen in die Mikrolinsenanordnung, d.h. durch eines oder mehrere geeignet ausgelegte optische Elemente zu realisieren. In der Praxis werden typischerweise die Phasen- Einstelleinrichtungen zur individuellen Einstellung der (relativen) Phasen dfh der kohärenten Laserstrahlen verwendet. Zusätzlich kann in Kombination eine geeignete Einkoppeloptik verwendet werden, um die Phasenanpassung vorzunehmen. Dies ist günstig, da die Phasen-Einstelleinrichtungen in der Regel ohnehin benötigt werden, um die Phasen der kohärenten Laserstrahlen zu korrigieren bzw. zu regeln, beispielsweise um temperaturbedingte Einflüsse auf die Vorrichtung zu
kompensieren.
Die Phasen-Einstelleinrichtungen dienen zur Einstellung der jeweiligen Phase der kohärenten Laserstrahlen typischerweise vor deren Austritt an einer Emissionsfläche, d.h. bevor diese in Freistrahlpropagation auf die Mikrolinsenanordnung treffen. Für die Realisierung der Phasen-Einstelleinrichtungen, die typischerweise zur Einstellung einer variablen Phasenverzögerung ausgebildet sind, besteht eine Vielzahl von Möglichkeiten: Beispielsweise kann es sich bei den Phasen-Einstelleinrichtungen um Modulatoren in Form von EOMs (elektro-optische Modulatoren), SLMs (Spatial Light Modulators), optische Verzögerungsstrecken in Form von Spiegelanordnungen, oder dergleichen handeln. Für den Fall, dass die kohärenten Laserstrahlen vor der Emission an einer Emissionsfläche in einer Faser geführt werden, kann für die Phasen-Einsteliung z.B. mittels Piezo-Stelielementen eine Zugspannung auf die Faser aufgebracht werden, eine Temperatur-Beeinflussung der Faser vorgenommen werden, etc.
Für den Fall, dass die kohärenten Laserstrahlen vor der Emission an einer
Emissionsfläche in einem Verstärkungsmedium geführt und optisch verstärkt werden, kann die spezifische Verstärkungscharakteristik des jeweiligen optischen Verstärkers angepasst werden und somit eine Phasenbeziehung zwischen den einzelnen
Kanälen bzw. den einzelnen Laserstrahlen eingestellt werden. Die
Verstärkungscharakteristik kann dabei die erzielte Gesamtverstärkung (Gain) und/oder erzielte absolute Ausgangsleistung der kohärenten Einzelstrahlen darstellen. Der Grund für eine unterschiedliche Phasenbeziehung kann dabei die unterschiedliche Anzahl von angeregten laseraktiven Ionen im Verstärkungsmedium sein oder aber unterschiedliche optische Intensitätsverläufe, welche durch optische Nichtlinearität entweder im Verstärkermedium selber oder in einem weiteren optischen Element zu einer Änderung der Phasenlage führen.
Bevorzugt erfüllen die kohärenten Laserstrahlen und die Mikrolinsenanordnung die folgende Gleichung:
N = p2 / (AL fE) (1 ) wobei N die Anzahl der kohärenten Laserstrahlen für die Kombination, p einen Rasterabstand der Mikrolinsen eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays, AL die (in der Regel identische) Laserwellenlänge der kohärenten Laserstrahlen und ίe die
(effektive) Brennweite der Mikrolinsenanordnung bezeichnen. Im einfachsten Fall weist die Mikrolinsenanordnung zwei Mikrolinsenarrays mit identischer Brennweite auf, die im Abstand ihrer Brennweiten zueinander angeordnet sind. In diesem Fall stimmt die Brennweite der Mikrolinsenanordnung mit der (gemeinsamen) Brennweite der beiden Mikrolinsen-Arrays überein. Die Erfinder haben erkannt, dass bei der Kombination zu dem kombinierten
Laserstrahl die Strahlqualität eines einzelnen kohärenten Laserstrahls nahezu vollständig erhalten bleibt, wenn obige Gleichung (1 ) erfüllt ist. Hierbei wird
ausgenutzt, dass eine Mikrolinsenanordnung bzw. ein abbildender Homogenisierer, der mit einem kohärenten, kollimierten Laserstrahl bestrahlt wird, für den Fall, dass die Gleichung (1 ) erfüllt ist, ein Beugungsmuster mit N Beugungs-Spots gleicher Intensität erzeugt, vgl. den Artikel von M. Zimmermann et al.„Refractive Micro-optics for Multi-spot and Multi-Iine Generation“, Proceedings of LPM2008-the 9th
International Symposium on Laser Precision Microfabrication. Die Erfinder schlagen vor, den Strahlweg durch den abbildenden Homogenisierer umzukehren und an den Positionen, an denen in dem zitierten Artikel die Beugungs-Spots erzeugt werden, die Emissionsflächen für die Emission der kohärenten Laserstrahlen anzuordnen bzw. die kohärenten Laserstrahlen in Richtung auf die Mikrolinsenanordnung auszusenden. Weisen die kohärenten Laserstrahlen eine (annähernd) gleiche
Intensität auf, wird bei der Umkehrung der Strahlrichtung ein kombinierter,
kohärenter Laserstrahl hoher Strahlqualität erzeugt.
Es versteht sich, dass die Gleichung (1 ) in der Praxis nicht exakt eingehalten werden kann. Für den Fall, dass von der Gleichung (1 ) abgewichen wird, verschlechtert sich die Strahlqualität des überlagerten Laserstrahls. Im Sinne dieser Anmeldung wird die obige Gleichung (1 ) als erfüllt angesehen, wenn die rechte Seite der Gleichung (1 ) um nicht mehr als 20%, bevorzugt um nicht mehr als 10%, insbesondere um nicht mehr als 5% vom (ganzzahligen) Wert N auf der linken Seite der Gleichung (1) abweicht, d.h. wenn gilt: |N - p2 / (AL ίe)| < 0,2, bevorzugt < 0,1 , insbesondere < 0,05.
Bei einer Ausführungsform weist die Mikrolinsenanordnung mindestens drei
Mikrolinsen-Arrays auf und ist zur Einstellung ihrer (effektiven) Brennweite fe ausgebildet. Die Einstellung der Brennweite der Mikrolinsenanordnung ist
erforderlich, wenn die Anzahl N der kohärenten Laserstrahlen, die für die
Kombination verwendet werden, verändert wird und weiterhin die Gleichung (1 ) erfüllt sein soll, da die anderen Parameter in Gleichung (1 ), d.h. die Laserwellenlänge AL und der Rasterabstand p der Mikrolinsen, nicht ohne weiteres verändert werden können. Die effektive Brennweite fe der Mikrolinsenanordnung bezieht sich auf ein Strahlbündel, welches jeweils eine Mikrolinse je Mikrolinsen-Array im Strahlpfad (entsprechend einer Sub-Apertur) durchläuft. Eine Mikrolinsenanordnung, die als Strahlkombinationseinrichtung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden kann, weist bezogen auf ein Strahlbündel zu jeweils einer Mikrolinse je Mikrolinsen-Array in der Schreibweise der Matrizenoptik, also als Abbildungsmatrix
(c D) ' tyPisc erwe'se folgende Eigenschaften auf: A=0; |B|=fE. Weiterhin gilt meist auch D<1 (für einen im Wesentlichen kollimierten Austrittsstrahl); C ergibt sich dann abhängig von A, B, und D. Die Verwendung von mindestens drei Mikrolinsen-Arrays ist erforderlich, um die zweite Bedingung |B|= ίe für variables fe zu erfüllen.
Im einfachsten Fall wird ein jeweiliges Mikrolinsen-Array der Mikrolinsenanordnung durch ein eigenes Multilinsen-Array-Bauteil realisiert. Es ist aber auch möglich, dass mehrere Mikrolinsen-Arrays im Strahlpfad durch ein einziges Mikrqlinsenarray- Bauteii realisiert werden, indem der Strahlpfad dieses Mikrolinsenarray-Bauteil entsprechend mehrfach durchläuft, beispielsweise weil der Strahlpfad an einem reflektierenden optischen Element umgelenkt wird.
Für die Einstellung der effektiven Brennweite der Mikrolinsenanordnung bestehen verschiedene Möglichkeiten:
Bei einer Weiterbildung ist die Mikrolinsenanordnung ausgebildet, zur Einstellung ihrer (effektiven) Brennweite einen (optischen) Abstand zwischen mindestens einem ersten Mikrolinsen-Array und einem zweiten Mikrolinsen-Array zu verändern. Für zwei (dünne) (Mikro-)Linsen kann beispielsweise eine effektive Brennweite fe aus den Brennweiten der Einzellinsen fia, f2a und dem Abstand ds der Linsen bestimmt werden gemäß dem Grundzusammenhang:
(2).
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Aus diesen Grundzusammenhang kann (nötigenfalls iterativ) die effektive Brennweite fE einer Mikrolinsenanordnung mit einer beliebigen Anzahl von Mikrolinsen-Arrays (in der Regel drei oder vier Mikrolinsen-Arrays) bestimmt werden. Da die Veränderung der Anzahl der kohärenten Laserstrahlen, die zur Kombination verwendet werden, in der Regel nicht zeitkritisch ist, kann die Einstellung bzw. die Variation der effektiven Brennweite der Mikrolinsenanordnung ggf. manuell durchgeführt werden, indem die die Mikrolinsen-Arrays an vorgegebene Verstellpositionen bewegt werden.
Gegebenenfalls kann die Vorrichtung eine motorisierte Verstellmechanik und eine elektronische Steuereinrichtung aufweisen, um die verschiedenen Verstellpositionen automatisiert anzufahren. Die Verstellmechanik kann einen Schlitten umfassen, auf dem ein Mikrolinsen-Array bzw. ein Mikrolinsenarray-Bauteil oder wenigstens zwei Mikrolinsenarray-Bauteile in festem Abstand angeordnet sind. Der Schlitten kann gegenüber wenigstens einem weiteren Mikrolinsenarray-Bauteil, insbesondere gegenüber wenigstens zwei Mikrolinsenarray-Bauteilen, entlang der
Strahlausbreitungsrichtung verfahrbar ausgebildet sein. Beispielsweise können ein im Strahlpfad erstes und drittes Mikrolinsen-Array ortsfest und ein im Strahlpfad zweites und viertes Mikrolinsen-Array auf dem verfahrbaren Schlitten angeordnet sein, oder umgekehrt.
Für die Kombination der kohärenten Laserstrahlen zu einem kombinierten
Laserstrahl ist es typischerweise erforderlich bzw. günstig, dass benachbarte kohärente Laserstrahlen mit einer vorgegebenen Winkeldifferenz dq in die
Mikrolinsenanordnung eingekoppelt werden, für die gilt: dq = li / p, wobei AL die Laserwellenlänge und p einen (identischen) Rasterabstand der Mikrolinsen eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays bezeichnen. Um diese Bedingung zu erfüllen, können die Emissionsflächen, aus denen die kohärenten Laserstrahlen austreten, unter der jeweiligen Winkeldifferenz dq zueinander ausgerichtet werden und beispielsweise auf einem Kreisbogen angeordnet sein. Eine Fokussierung der kohärenten Laserstrahlen kann in diesem Fall beispielsweise mit Hilfe von Einzellinsen erfolgen, die im jeweiligen Strahlweg eines der kohärenten Laserstrahlen angeordnet sind, es kann ggf. aber auch auf das Vorsehen solcher Linsen verzichtet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine
Bewegungseinrichtung zur Erzeugung eines bevorzugt einstellbaren lateralen
Versatzes zwischen mindestens einem ersten Mikrolinsen-Array und mindestens einem zweiten Mikrolinsen-Array der Mikrolinsenanordnung auf. Durch die
Bewegungseinrichtung werden die Raster, in denen die Mikrolinsen der beiden Mikrolinsen-Arrays angeordnet sind, lateral, d.h. senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des kombinierten Laserstrahls bzw. zur optischen Achse verschoben, entlang derer die Mikrolinsen-Arrays zueinander beabstandet angeordnet sind. Die laterale
Verschiebung erfolgt in der Regel um ein nicht ganzzahliges Vielfaches des
Rasterabstands der Mikrolinsen, so dass in Ausbreitungsrichtung aufeinander folgende Mikrolinsen bzw. Sub-Aperturen lateral zueinander versetzt sind. In
Abhängigkeit von der Größe bzw. vom Betrag des lateralen Versatzes kann eine gezielte Ablenkung des kombinierten Laserstrahls oder eine Strahlteilung zur Bildung von zwei oder mehr kombinierten Laserstrahlen erfolgen, die in der Regel dieselbe Leistung aufweisen. Die Laserenergie und die Strahlqualität der einzelnen
kohärenten Laserstrahlen können hierbei im Wesentlichen erhalten bleiben. Durch den lateralen Versatz können die Optikparameter, die zur Bildung eines einzelnen kombinierten Laserstrahls dienen, so verändert werden, dass eine Kombination zu mehreren wohldefinierten Bündeln (Strahlteilung) von Laserstrahlen mit
gleichverteilter Leistung entsteht. Alternativ oder zusätzlich kann bei der Kombination ein einzelner Laserstrahl gebildet werden, der zur optischen Achse parallel versetzt propagiert (Strahlablenkung), sofern die Winkelverteilung des Fernfelds mit einer Linse oder dergleichen abgebildet und hierbei in eine Ortsverteilung umgewandelt wird. Dieses Verfahren zur Strahlteilung und/oder zur Strahlablenkung kann bei Regelraten von « 1 kHz realisiert werden.
Die Bewegungseinrichtung dient typischerweise dazu, eines der Mikrolinsen-Arrays lateral zu verschieben. Die Bewegungseinrichtung kann zur Dejustage bzw. zur Verschiebung des mindestens einen Mikrolinsen-Arrays beispielsweise ein
Piezoelement, eine Voice Coil, eine mechanische Einrichtung ggf. in Form einer Nockenwelle, etc. aufweisen oder aus einem solchen Bauteil gebildet sein.
Bei einer Weiterbildung weisen das erste und das zweite Mikrolinsen-Array zur Bildung von zwei kombinierten Laserstrahlen einen lateralen Versatz D auf, für den gilt:
D = ± p / (2 N), wobei N die Anzahl der kohärenten Laserstrahlen und p einen Rasterabstand der Mikrolinsen eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays bezeichnen. Die Mikrolinsen des ersten Mikroiinsen-Arrays sind in diesem Fall um den Betrag D in einer Richtung (z.B. X-Richtung) zu den Mikrolinsen des zweiten Mikroiinsen-Arrays versetzt. Die beiden kombinierten Laserstrahlen bzw. die beiden
Beugungsordnungen, in welche diese gebeugt werden, sind ebenfalls in X-Richtung versetzt.
Bei einer weiteren Weiterbildung weisen das erste und das zweite Mikrolinsen-Array zur Kombination einer geraden Anzahl N von kohärenten Laserstrahlen zu einem kombinierten Laserstrahl einen lateralen Versatz D auf, für den gilt:
D = ± p / (2 N + 1 ), wobei N die Anzahl der kohärenten Laserstrahlen und p einen Rasterabstand der Mikrolinsen eines jeweiligen Mikroiinsen-Arrays bezeichnen, wobei für einen bevorzugt einstellbaren Abstand d zwischen dem ersten Mikrolinsen-Array und dem zweiten Mikrolinsen-Array gilt: d = p2 / (N AL), wobei AL die Laserwellenlänge bezeichnet. Der Abstand d zwischen den beiden lateral versetzten Mikroiinsen-Arrays kann in der Regel auf die weiter oben in
Zusammenhang mit der Einstellung der effektiven Brennweite fe der
Mikrolinsenanordnung beschriebene Weise mittels einer motorischen
Verstellmechanik eingestellt werden, es ist aber auch möglich, dass der Abstand d zwischen den beiden Mikroiinsen-Arrays konstant ist und nicht verändert werden kann.
Bei einer weiteren Weiterbildung weisen das erste und das zweite Mikrolinsen-Array zur Bildung eines in eine von der Nullten verschiedenen Beugungsordnung B gebeugten kombinierten Laserstrahls einen lateralen Versatz D auf, für den gilt:
D = p / N B, wobei N die Anzahl der kohärenten Laserstrahlen und p einen Rasterabstand der Mikrolinsen eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays bezeichnen. Die Beugungsordnung B nimmt ganzzahlige, von Null verschiedene Werte an, d.h. B = ± 1 , ± 2, ... . Durch den lateralen Versatz D kann in diesem Fall eine Ablenkung des kombinierten
Laserstrahls in eine bestimmte Beugungsordnung, d.h. unter einem vorgegebenen, dieser Beugungsordnung entsprechenden Winkel erfolgen. Die Intensität des gebeugten kombinierten Laserstrahls nimmt in Abhängigkeit von der
Beugungsordnung ab, beispielsweise um ca. 3% bei der ±1. Beugungsordnung und um ca. 10% bei der ±2. Beugungsordnung, d.h. auch in diesem Fall ist die Effizienz bei der Strahlkombination hoch.
Für den Fall, dass eine Mehrzahl von Laserstrahlen zweidimensional zu einem gemeinsamen Laserstrahl kombiniert werden soll und die Mikrolinsenanordnung zu diesem Zweck zwei Paare von eindimensionalen, direkt hintereinander angeordneten gekreuzten Mikrolinsen-Arrays aufweist, kann mittels der Bewegungseinrichtung ein getrennt einstellbarer lateraler Versatz der Mikrolinsen eines jeweiligen
eindimensionalen Mikrolinsen-Arrays in zwei unterschiedlichen, beispielsweise senkrechten Richtungen (X, Y) eingestellt werden.
Für den Fall, dass für die zweidimensionale Kombination zweidimensional
strukturierte Mikrolinsen-Arrays verwendet werden, ist keine unabhängige Einstellung des lateralen Versatzes in zwei Richtungen möglich. Wird ein solches
zweidimensional strukturiertes Mikrolinsen-Array in einer Richtung (z.B. X-Richtung) lateral versetzt, wird der kombinierte Laserstrahl auch in der zweiten Richtung (z.B. Y-Richtung) abgelenkt bzw. es werden an Stelle von zwei kombinierten
Laserstrahlen vier kombinierte Laserstrahlen gebildet.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Einkoppeloptik zur Einkopplung der kohärenten Laserstrahlen in die Mikrolinsenanordnung auf, wobei die Einkoppeloptik bevorzugt ausgebildet ist, benachbarte kohärente Laserstrahlen mit einer vorgegebenen Winkeldifferenz dq in die Mikrolinsenanordnung
einzukoppeln, für die gilt: dq = KL / p, wobei KL die Laserwellenlänge und p einen Rasterabstand der Mikrolinsen eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays bezeichnen. In diesem Fall wird eine Einkoppeloptik verwendet, die zwischen den Emissionsflächen, aus denen die kohärenten Laserstrahlen austreten, und der Mikrolinsenanordnung angeordnet ist. Die Einkoppeloptik ist nicht zwingend erforderlich, kann aber z.B. beim Einrichten der Vorrichtung günstig sein. Insbesondere kann die Einkoppeloptik dazu verwendet werden, die Bedingung an die Winkeldifferenz dq zu erfüllen, ohne dass zu diesem Zweck die Strahlaustrittsrichtungen der kohärenten Laserstrahlen aus den Emitterflächen unter einem Winkel zueinander ausgerichtet werden müssen. Beispielsweise können in diesem Fall die Emitterflächen auf einer Linie angeordnet sein, d.h. die Strahlaustrittsrichtungen bzw. die Poynting-Vektoren der kohärenten Laserstrahlen sind parallel zueinander ausgerichtet. Die Verwendung bzw. die Auslegung der Einkoppeloptik und die Anordnung der Emitterflächen hängen von den Rahmenbedingungen, beispielsweise von der verwendeten Laserquelle ab. Für den Fall, dass die Emitterflächen die Stirnseiten von parallel verlaufenden Fasern bilden, bietet sich beispielsweise die Verwendung einer Einkoppeloptik an.
Bei einer Weiterbildung weist die Einkoppeloptik mindestens eine
Fokussiereinrichtung, insbesondere mindestens eine Fokussieriinse, zur
Fokussierung der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen auf die
Mikrolinsenanordnung auf. Die Verwendung einer Fokussieriinse, die im
Wesentlichen im Abstand ihrer Brennweite von der Mikrolinsenanordnung
angeordnet ist (Fourier-Linse) hat sich als günstig erwiesen, um die Bedingung an die Winkeldifferenz dq einzuhalten, sofern die Emissionsflächen in einem geeigneten Abstand zueinander angeordnet sind. Die kohärenten Laserstrahlen können in diesem Fall im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet auf die Fokussieriinse treffen und werden auf die Mikrolinsenanordnung fokussiert.
Bei einer Weiterbildung umfasst die Einkoppeloptik zur Korrektur einer Krümmung der Phasenfront der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen mindestens eine weitere abbildende Optik, insbesondere mindestens eine weitere Linse. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann zumindest ein Teil der relativen Phase der
kohärenten Laserstrahlen, die für die kohärente Kombination erforderlich ist, mit Hilfe einer Optik eingestellt werden, die eines oder mehrere optische Elemente aufweist. Die Einstellung eines absoluten (d.h. nicht vom jeweiligen Laserstrahl abhängigen) Anteils der Phasenfront der Laserstrahlen kann als Korrektur der
Phasenfrontkrümmung aufgefasst werden. Die Verwendung einer (weiteren) Optik zur Korrektur der Phasenfront ist aber nicht zwingend erforderlich, wenn die
Vorrichtung, insbesondere die Einkoppeloptik, geeignet ausgelegt wird (s.u.). Die weitere Optik ist typischerweise im Strahlengang der kohärenten Laserstrahlen vor der Fokussiereinrichtung angeordnet.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Lasersystem, umfassend: mindestens eine Laserquelle zur Erzeugung der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen, eine Mehrzahl von Emissionsflächen zur Emission der Mehrzahl von kohärenten
Laserstrahlen, sowie eine Vorrichtung wie weiter oben beschrieben zur Kombination der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen zu einem kombinierten Laserstrahl. Für die Erzeugung der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen kann die Laserquelle einen einzigen Laser aufweisen, beispielsweise in Form eines (Faser-)Master- Oszillators. Die von dem Laser erzeugte Seed-Laserstrahlung wird z.B. mittels einer herkömmlichen 1 -zu-N-Kopplungseinrichtung, beispielsweise in Form eines einzelnen Mikrolinsen-Arrays in die Mehrzahl N von Laserstrahlen aufgeteilt.
Alternativ können auch mehrere Laserquellen, beispielsweise in Form von
Faseroszillatoren, Laserdioden, etc. zur Erzeugung der Mehrzahl N von kohärenten Laserstrahlen dienen. In diesem Fall weist das Lasersystem eine
Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Laserdioden auf, um die kohärenten Laserstrahlen zu erzeugen. Die Laserquelle(n) können zur Erzeugung von
Ultrakurzpuls-Laserstrahlen ausgebildet sein, d.h. von kohärenten Laserstrahlen, die eine Pulsdauer von weniger als z.B. 10 12 s aufweisen.
Die in der bzw. in den Laserquellen erzeugten kohärenten Laserstrahlen werden typischerweise mit Hilfe einer Mehrzahl N von Strahlführungseinrichtungen, beispielsweise in Form von Fasern, zu den Emissionsflächen geführt. Die individuelle Strahlführung der Laserstrahlen ermöglicht es, auf diese einzeln einzuwirken, um mit Hilfe der Phasen-Einstelleinrichtung die relativen Phasen geeignet einzustellen. Die Strahlführungseinrichtungen können eine entsprechende Mehrzahl N von
Verstärkern oder Verstärkerketten, beispielsweise in Form von Faser-Verstärkem, aufweisen, um die Laserstrahlen zu verstärken, bevor diese an den Emitterflächen in Richtung auf die Mikrolinsenanordnung emittiert werden. Die Phasen- Einstelleinrichtungen können im Strahlweg vor den Strahlführungseinrichtungen oder nach den Strahlführungseinrichtungen angeordnet sein und/oder auf die Strahlführungseinrichtungen, z.B. in Form der Fasern, einwirken. Der Vorteil eines solchen Lasersystems mit individuellen Verstärkern besteht nicht nur darin, höhere Laserleistungen zu erreichen, sondern auch darin, dass die Fehler, die sich in dem Verstärkeraufbau ansammeln, jeden der kohärenten Laserstrahlen unterschiedlich beeinflussen und daher bei der Bildung des kombinierten Laserstrahls ausgemittelt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform weisen die an den Emissionsflächen emittierten kohärenten Laserstrahlen ein Gauß-förmiges Strahlprofil, ein Donought-förmiges Strahlprofil oder ein Top-Hat-Strahlprofil auf. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist die zeitliche Kohärenz der Laserstrahlen für die Überlagerung wichtig, die
Laserstrahlen können aber von räumlich partiell kohärenten Laserquellen, beispielsweise von Multimode-Laserquellen erzeugt werden. Mit anderen Worten handelt es sich bei den kohärenten Laserstrahlen nicht zwingend um Single-Mode- Laserstrahlen, die in der Mikrolinsenanordnung zu einem kombinierten Single-Mode- Laserstrahl mit größerem Strahldurchmesser überlagert werden. Bei dem
Beugungsmuster bzw. bei dem Multi-Spot-Profil, das von der Mikrolinsenanordnung erzeugt wird, wenn diese in umgekehrter Strahlrichtung von einem im Wesentlichen kollimierten Laserstrahl durchlaufen wird, weisen die einzelnen Spots z.B. ein im Wesentlichen Gauß-förmiges Strahlprofil, ein im Wesentlichen Donought-Förmiges oder ein im Wesentlichen Top-Hat-förmiges Strahlprofil auf. Es ist aber in der Regel günstig, wenn es sich bei den kohärenten Laserstrahlen, die für die kohärente Kombination verwendet werden, um Single-Mode-Laserstrahlen handelt, die zu einem Single-Mode-Laserstrahl kombiniert werden. Da bei der Einhaltung der Gleichung (1 ) eine homogene Verteilung von N Einzel-Spots erzeugt wird, sollte auch die Intensität der aus den Emitterflächen austretenden kohärenten
Laserstrahlen möglichst homogen, d.h. gleich groß, sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist das Lasersystem eine
Steuerungseinrichtung auf, die ausgebildet bzw. programmiert ist, die (effektive) Brennweite der Mikrolinsenanordnung in Abhängigkeit von der Anzahl N der emittierten kohärenten Laserstrahlen einzustellen. Die Anzahl der emittierten kohärenten Laserstrahlen kann sich beispielsweise verändern, wenn zusätzliche Laserquellen in das Lasersystem eingebaut oder wenn Laserquellen aus dem Lasersystem entfernt werden. Bei dem hier beschriebenen Lasersystem handelt es sich um ein skalierbares System, d.h. es können prinzipiell beliebig viele kohärente Laserstrahlen überlagert werden. Durch die Anpassung der (effektiven) Brennweite der Mikrolinsenanordnung an die jeweils vorhandene Anzahl N von Laserquellen kann ein modularer Aufbau des Lasersystems erreicht werden.
Gegebenenfalls kann die bzw. eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der mindestens einen Laserquelle zur Festlegung einer Anzahl N von emittierten kohärenten Laserstrahlen ausgebildet sein. In diesem Fall können einzelne
Laserquellen wahlweise ein- oder ausgeschaltet werden, beispielsweise um die Intensität des kombinierten Laserstrahls einzustellen. Zur Veränderung der Anzahl N der emittierten kohärenten Laserstrahlen werden typischerweise die jeweils äußersten Laserquellen des Lasersystems in Bezug auf eine Mittelachse der Mikrolinsenanordnung ein- oder ausgeschaltet. Die Anzahl der Mikrolinsen der Mikrolinsen-Arrays der Mikrolinsenanordnung ist unabhängig von der Anzahl N an kohärenten Laserstrahlen, die zur Kombination verwendet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein Abstand zwischen der
Fokussiereinrichtung der Einkoppeloptik und der Mikrolinsenanordnung einstellbar und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, den Abstand in Abhängigkeit von der Anzahl N der emittierten kohärenten Laserstrahlen einzustellen. In diesem Fall kann eine Anzahl N von parallel ausgerichteten kohärenten Laserstrahlen auf die
Fokussiereinrichtung, beispielsweise auf eine Fokussierlinse, ausgerichtet werden, ohne dass eine weitere Optik für die Phasenkorrektur benötigt wird. Weist die Fokussiereinrichtung eine Brennweite f2 auf, so ist die Mikrolinsenanordnung, genauer gesagt das erste Mikrolinsen-Array der Mikrolinsenanordnung, idealerweise in einem Abstand L2 von der Fokussiereinrichtung angeordnet, der gegeben ist durch: L2 = f2 - p2 / (AL N) bzw L2 = f2 - ίe. Für die Einstellung des Abstands L2 kann die Steuerungseinrichtung beispielsweise auf die weiter oben beschriebene
Verstellmechanik der Mikrolinsenanordnung einwirken. Durch die Abweichung des Abstands L2 der Mikrolinsenanordnung um p2 / (AL N) von der Brennweite f2 der Fokussiereinrichtung wird ein allen Laserstrahlen gemeinsamer Anteil der
Phasenfront bzw. eine gemeinsame Phasenfrontkrümmung der auf die
Mikrolinsenanordnung auftreffenden Laserstrahlen so eingestellt, dass die kohärenten Laserstrahlen beim Durchgang durch die Mikrolinsenanordnung bzw. durch den abbildenden Homogenisierer einen kombinierten, einzelnen Laserstrahl bilden. Die Bedingung an den Abstand L2 gilt auch als erfüllt, wenn die rechte Seite um weniger als 5%, bevorzugt um weniger als 2% von der linken Seite abweicht.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Fokussiereinrichtung im Abstand ihrer Brennweite f2 von der Mikrolinsenanordnung angeordnet und die Brennweite f2 der Fokussiereinrichtung, eine Brennweite fi der weiteren abbildenden Optik und eine Brennweite ίe der Mikrolinsenanordnung erfüllen folgende Bedingung: fi = - f22 / !E. Wie weiter oben beschrieben wurde, dient die weitere abbildende Optik, die eines oder mehrere optische Elemente aufweisen kann, zur Korrektur einer
Phasenfrontkrümmung, die allen Laserstrahlen gemeinsam ist Unter der Annahme, dass die weitere abbildende Optik im Abstand ihrer Brennweite f2 vor der
Fokussiereinrichtung angeordnet ist, ist es zu diesem Zweck erforderlich, dass die Brennweiten die obige Bedingung erfüllen. Die Bedingung an die Brennweiten gilt auch als erfüllt, wenn die rechte Seite um weniger als 5%, bevorzugt um weniger als 2% von der linken Seite der obigen Bedingung abweicht.
Bei einer Weiterbildung ist die Brennweite der weiteren abbildenden Optik einstellbar und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, die (effektive) Brennweite der weiteren abbildenden Optik in Abhängigkeit von der Anzahl N der emittierten kohärenten Laserstrahlen einzustellen. Da sich bei einer Veränderung der Anzahl N der emittierten kohärenten Laserstrahlen die effektive Brennweite der
Mikrolinsenanordnung verändert, ist es typischerweise erforderlich, für die Erfüllung der obigen Bedingung an die Brennweiten auch die Brennweite der weiteren
abbildenden Optik anzupassen, sofern nicht der Abstand der Fokussiereinrichtung zur Mikrolinsenanordnung eingestellt wird. Diese Anpassung ist beispielsweise möglich, wenn die weitere abbildende Optik zwei (dünne) Linsen aufweist, deren Abstand ds verändert wird, wobei sich die effektive Brennweite fi bzw. fe gemäß obiger Grundgleichung (2) verändert, wobei in diesem Fall fia, f2a die Brennweiten der dünnen Linsen der weiteren abbildenden Optik bezeichnen. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Phasen-Einstelleinrichtungen ausgebildet, für den n-ten kohärenten Laserstrahl (n = 1 , .... N) eine (relative) Phase öcpn einzustellen, die gegeben ist durch: dfh = - (2 p / AL) fE (mn AL / p)2 (3) wobei p einen Rasterabstand der Mikrolinsen eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays, fE die Brennweite der Mikrolinsenanordnung und AL die Laserwellenlänge bezeichnen.
Für den Laufindex mn gilt: mn = -
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+ n . Die relative Phase dfh unterscheidet sich für jeden einzelnen kohärenten Laserstrahl und wird daher in der Regel mit Hilfe der Phasen-Einstelleinrichtungen und nicht mit Hilfe von einem oder mehreren optischen Elementen der Einkoppeloptik eingestellt, auch wenn dies grundsätzlich ebenfalls möglich wäre. Eine individuelle Einstellung der (relativen) Phase der kohärenten Laserstrahlen vor dem Auftreffen auf die Mikrolinsenanordnung ist erforderlich, um eine geeignete Phasenfront für die kohärente Kombination der Laserstrahlen zu erzeugen. Mit Hilfe einer Regelungseinrichtung kann eine Regelung der Phasen-Einstelleinrichtungen erfolgen, um die individuellen (relativen) Phasen in Abhängigkeit von den Eigenschaften des kombinierten Laserstrahls anzupassen.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind benachbarte Emitterflächen äquidistant angeordnet und weisen bevorzugt einen Abstand dc voneinander auf, der gegeben ist durch dc = AL f2 / p, wobei AL die Laserwellenlänge, f2 die Brennweite der
Fokussiereinrichtung und p einen Rasterabstand der Mikrolinsen eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays bezeichnen. Die kohärenten Laserstrahlen treten typischerweise aus Emitterflächen aus, die einen identischen Abstand voneinander aufweisen. Für den Fall, dass die Laserstrahlen parallel verlaufen, sind die Emitterflächen
typischerweise entlang einer gemeinsamen Richtung bzw. Linie (z.B. in X-Richtung) angeordnet, die senkrecht zur gemeinsamen Strahlausbreitungsrichtung der
Laserstrahlen verläuft. In diesem Fall ist der Abstand dc der Laserstrahlen bzw. der Emitterflächen typischerweise durch die obige Bedingung festgelegt.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind benachbarte Emissionsflächen äquidistant auf einem Kreisbogen angeordnet und bevorzugt ausgerichtet, benachbarte kohärente Laserstrahlen mit einer vorgegebenen Winkeldifferenz dq in die
Mikrolinsenanordnung einzukoppeln, für die gilt: dq = AL / p, wobei AL die Laserwellenlänge und p einen Rasterabstand der Mikrolinsen eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays bezeichnen. Wie weiter oben beschrieben wurde, hat sich die Anordnung der Emissionsflächen auf einem gemeinsamen Kreisbogen und mit einer Winkeldifferenz dq, welche die oben angegebene Bedingung erfüllt, als vorteilhaft erwiesen.
In einer Ausführungsform weist die Einkoppeloptik eine strahlformende Optik zur Formung eines jeweiligen kohärenten Laserstrahls mit einem vorgegebenen, insbesondere einstellbaren Divergenz-Winkel bei der Einkopplung in die
Mikrolinsenanordnung auf. Bei den weiter oben beschriebenen Beispielen werden die kohärenten Laserstrahlen typischerweise kollimiert in die Mikrolinsenanordnung eingekoppelt. Die strahlformende Optik kann beispielsweise zwei oder mehr hintereinander angeordnete Linsen aufweisen, welche alle kohärenten Laserstrahlen aufweitet, oder es können mehrere Linsen oder andere optische Elemente, beispielsweise eine der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen entsprechende Anzahl von Einzellinsen oder ein (weiteres) Mikrolinsen-Array vorgesehen sein, um den (in der Regel für alle kohärenten Laserstrahlen gleichen) Divergenz-Winkel zu erzeugen. Für den Fall, dass die Emissionsflächen auf einem Kreisbogen angeordnet sind, kann auf diese Weise der Abstand D zwischen dem Kreisbogen und der Mikrolinsenanordnung verringert und so eine kompakte Bauweise erreicht werden. Beispielsweise gilt für den Fall, dass die strahlformende Optik durch eine Linse mit einer Brennweite f gebildet ist und die (effektive) Brennweite der
Mikrolinsenanordnung mit fE bezeichnet wird, für den Abstand D = f - fe. Der Abstand D kann hierbei geringer ausfallen als der weiter oben beschriebene Abstand L2 = f2 - ίe zwischen der Fokussiereinrichtung und dem ersten Mikrolinsen-Array, da die Brennweite f der strahlformenden Optik kleiner gewählt werden kann als die
Brennweite f2 der Fokussiereinrichtung.
Bei einer Weiterbildung weist das Lasersystem eine gerade Anzahl N von
Emitterflächen auf und die strahlformende Optik weist eine Brennweite f auf, die folgende Bedingung erfüllt: f = p2/ AL, wobei AL die Laserwellenlänge und p einen Rasterabstand der Mikrolinsen eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays bezeichnen. Diese Bedingung gilt allgemein für die Kombination einer geraden Anzahl N von kohärenten Laserstrahlen, d.h. diese ist unabhängig von der Anzahl N von kohärenten Laserstrahlen. Diese Bedingung an die Brennweite der strahlformenden Optik definiert zudem den kompaktesten Aufbau der Vorrichtung, d.h. die Brennweite f sollte - unabhängig von der Anzahl N der kohärenten Laserstrahlen - nicht unterschritten werden, d.h. es sollte gelten f > p2/ AL.
Bei den obigen Betrachtungen wurde von einer eindimensionalen Anordnung der Emitterflächen ausgegangen, die z.B. entlang einer gemeinsamen Linie oder auf einem gemeinsamen Kreisbogen angeordnet sein können. Die Emitterflächen liegen hierbei in einer gemeinsamen Ebene mit den Mikrolinsen der Mikrolinsen-Arrays, in der auch die Strahlausbreitungsrichtungen der Laserstrahlen verlaufen. Bei den Mikrolinsen handelt es sich in diesem Fall typischerweise um Zylinderlinsen.
Alternativ zur einer eindimensionalen kohärenten Kombination von Laserstrahlen ist es auch möglich, eine Mehrzahl von N x M Laserstrahlen zweidimensional zu einem gemeinsamen Laserstrahl zu kombinieren. In diesem Fall sind die Emitterflächen typischerweise in einem zweidimensionalen Gitter bzw. in einem Raster angeordnet, wobei die Abstände zwischen benachbarten Emitterflächen in beiden Richtung gleich oder unterschiedlich gewählt werden können. Das Gitter mit den Emissionsflächen kann sich hierbei in einer Ebene (z.B. XY-Ebene) oder auf einer gekrümmten Fläche erstrecken, z.B. auf einer Kugelschale. Die aus den Emitterflächen austretenden Laserstrahlen sind im ersten Fall typischerweise parallel ausgerichtet und können im zweiten Fall beispielsweise in Richtung auf den Mittelpunkt der Kugelschlale hin ausgerichtet sein, an dem die Mikrolinsenanordnung angeordnet ist.
Die Periodizität des Gitters mit den Emitterflächen gibt hierbei die Rasterabstände der Mikrolinsen in zwei unterschiedlichen, beispielsweise senkrechten Richtungen (X, Y) vor. In diesem Fall können 2-dimensionale Mikrolinsen-Arrays verwendet werden, deren Rasterabstände px, rg sich ggf. in den beiden zueinander senkrechten Richtungen X, Y in Abhängigkeit von der Periodizität des Gitters unterscheiden. Die Mikrolinsen des 2-dimensionalen Mikrolinsen-Arrays weisen entsprechend eine ggf. unterschiedliche Krümmung in X-Richtung bzw. in Y-Richtung auf, d.h. es handelt sich nicht um Zylinderlinsen. Es ist auch möglich, ein jeweiliges 2-dimensionales Mikrolinsen-Array durch zwei 1 -dimensionale Mikrolinsen-Arrays mit Zylinderlinsen zu ersetzen, wobei die Zylinderlinsen der 1 -dimensionalen Mikrolinsen-Arrays senkrecht zueinander ausgerichtet sind.
Der Zusammenhang zwischen dem 2-dimensionalen Gitter mit den Emitterflächen und den 2-dimensionalen Mikrolinsen-Arrays ist analog zum Zusammenhang zwischen dem Bravais-Gitter und dem reziproken Gitter. Entsprechend kann die Anordnung der Emitterflächen auch einer dichtesten Packung, d.h. einem
hexagonalen Gitter, entsprechen. Die Mikrolinsen der Mikrolinsen-Arrays sind in diesem Fall ebenfalls in einer hexagonalen Anordnung angeordnet. Die Kombination der kohärenten Laserstrahlen in den beiden linear unabhängigen, nicht zwingend senkrechten Gitter-Richtungen ist grundsätzlich unabhängig, d.h. die weiter oben angegebenen Bedingungen bzw. Gleichungen gelten für beide Gitter-Richtungen unabhängig voneinander.
Lediglich bei der Einstellung der relativen Phase der Laserstrahlen addieren sich die Beiträge in den beiden zueinander senkrechten Richtungen, d.h. es gilt für eine Anzahl von N x M Laserstrahlen, die in einem rechteckigen Gitter (in X-Richtung bzw. Y-Richtung) angeordnet sind, für die jeweilige Phase öcpn,m: dfh,pi = - (2 p / AL) ίe,c (p» AL / px)2 - (2 p / AL) ίe,g (qm AL / rg)2, wobei px den Rasterabstand der Mikrolinsen in X-Richtung und py den Rasterabstand der Mikrolinsen in Y-Richtung bezeichnen und wobei ίe,c die effektive Brennweite der Mikrolinsenanordnung in X-Richtung und ίe,g die effektive Brennweite der
Mikrolinsenanordnung in Y-Richtung bezeichnen. Hierbei gilt jeweils: pn = ~ ^~ +
(N+l)
n mit n = 1, ... , N und qm = 2 + m mit
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist das Lasersystem eine gerade Anzahl N von Emiterflächen auf und die Mikrolinsenanordnung weist eine Phasenschiebe- Einrichtung auf, die zur Erzeugung eines konstanten Phasenversatzes von p zwischen Strahlenbündeln der kohärenten Laserstrahlen ausgebildet ist, die benachbarte Mikrolinsen eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays durchlaufen. Ein Beugungsmuster weist in der Regel eine 0-te Beugungsordnung sowie symmetrisch dazu eine gerade Anzahl höherer Ordnungen auf, d.h. eine ungerade Gesamtzahl von Beugungs-Ordnungen auf. Um eine gerade Anzahl N von kohärenten
Laserstrahlen entlang einer Richtung (z.B. X-Richtung) zu überlagern, ist es daher typischerweise erforderlich, die 0-te Beugungsordnung zu eliminieren. Zu diesem Zweck kann eine Phasenschiebe-Einrichtung verwendet werden, welche die 0-te Beugungsordnung durch destruktive Interferenz unterdrückt.
Die Phasenschiebe-Einrichtung kann beispielsweise als Phasenschieberelement ausgebildet sein, bei dem in einer Richtung quer zur Strahlausbreitungsrichtung alternierend erste Passierelemente und zweite Passierelemente gebildet sind, wobei das Passieren eines ersten Passierelements gegenüber dem Passieren eines zweiten Passierelements den Phasenversatz von p erzeugt. Ein solches
Phasenschieberelement kann in Abhängigkeit von der (geraden oder ungeraden) Anzahl der kohärenten Laserstrahlen wahlweise in den Strahlengang eingebracht oder aus diesem entfernt werden, wozu beispielsweise die weiter oben beschriebene Verstellmechanik genutzt werden kann.
Alternativ kann die Phasenschiebe-Einrichtung in eines der Mikrolinsen-Arrays integriert sein. In diesem Fall sieht die Profilierung des Mikrolinsen-Arrays am
Übergang zweier benachbarter Mikrolinsen jeweils einen Dickensprung vor, welcher den Phasenversatz von p erzeugt. Bei dieser Bauform kann ein separates
Phasenschieberelement eingespart werden. Über die Breite einer Mikrolinsen- Apertur bzw. eines Rasterabstands ändert sich beispielsweise die Dicke des
Mikrolinsen-Arrays allmählich, so dass über die Breite der Mikrolinsenapertur ein Phasenversatz von p aufgebaut wird; diese Dickenänderung wird vom eigentlichen Linsenprofil überlagert. Ebenso ist es möglich, jede zweite Mikrolinse mit einer einheitlichen zusätzlichen Dicke auszubilden, welche analog zum weiter oben beschriebenen Phasenschieberelement den Phasensprung erzeugt. Das weiter oben beschriebene Lasersystem ermöglicht grundsätzlich auch die kohärente Kombination von Ultrakurzpuls-Laserstrahlen ohne dass zusätzliche
Modifikationen erforderlich sind, För den Fall, dass eine vergleichsweise große Anzahl von kohärenten Laserstrahlen entlang einer Raumrichtung kombiniert werden sollen (beispielsweise in der Größenordnung von zehn oder mehr Laserstrahlen), ist es günstig, eine wellenlängenabhängige Korrektur vorzunehmen.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Lasersystem ein erstes, vor der
Mikrolinsenanordnung angeordnetes wellenlängendispersives Element,
insbesondere ein erstes Beugungsgitter, zur spektralen Aufteilung der kohärenten Laserstrahlen auf mehrere Strahlenbündel, welche die Mikrolinsenanordnung räumlich getrennt durchlaufen, sowie ein zweites, nach der Mikrolinsenanordnung angeordnetes wellenlängendispersives optisches Element, insbesondere ein zweites Beugungsgitter, zur spektralen Zusammenführung der Strahlenbündel zur Bildung des kombinierten Laserstrahls mit einer Wellenlänge.
Bei dieser Ausführungsform werden die Laserstrahlen, die bei der Emission eine einheitliche Wellenlänge AL bzw. ein einheitliches Wellenlängenspektrum aufweisen, mittels eines ersten wellenlängendispersiven optischen Elements spektral in mehrere Strahlenbündel aufgeteilt, die typischerweise unterschiedlichen Beugungsordnungen des wellenlängendispersiven optischen Elements (und somit unterschiedlichen Wellenlängen) entsprechen. Die jeweiligen Strahlenbündel durchlaufen die
Mikrolinsenanordnung räumlich getrennt und im Wesentlichen parallel zueinander. Die Einkoppeloptik kann ein optisches Element beispielsweise in Form einer
Kollimationslinse aufweisen, um die aus dem ersten wellenlängenselektiven Element austretenden Strahlenbündel zu kollimieren bzw. parallel auszurichten. Mitels einer weiteren Optik, beispielsweise einer Fokussierlinse, werden die Strahlenbündel nach dem Durchlaufen der Mikrolinsenanordnung auf das zweite wellenlängendispersive optische Element eingestrahlt bzw. fokussiert, welches die spektrale
Zusammenführung der Strahlenbündel zu dem gemeinsamen Laserstrahl bewirkt.
Die weiter oben angegebenen Gleichungen bzw. Beziehungen, welche die
Wellenlänge AL beinhalten, gelten entsprechend für die zentrale Wellenlänge der spektralen Verteilung der Strahlenbündel, die nicht zwingend mit der Wellenlänge AL der an den Emitterflächen emittierten Laserstrahlen übereinstimmen muss. Bei einer Weiterbildung weist die Einkoppeloptik eine Kollimationslinse auf, die als asphärische Linse ausgebiidet ist. Die Krümmung der asphärischen Linsenfläche wird hierbei so gewählt, dass eine wellenlängenabhängige Korrektur der Phasenfront der Laserstrahlen, genauer gesagt der jeweiligen Strahlenbündel, erfolgt. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist eine solche wellenlängenabhängige Korrektur in der Regel lediglich erforderlich, wenn eine vergleichsweise große Anzahl von UKP- Laserstrahlen kohärent überlagert werden soll.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kombinieren einer insbesondere einstellbaren Anzahl N von kohärenten Laserstrahlen zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl, insbesondere mittels einer Vorrichtung wie sie weiter oben beschrieben ist, umfassend: Einkoppeln der kohärenten Laserstrahlen in eine Mikrolinsenanordnung, die mindestens zwei Mikrolinsen-Arrays aufweist, sowie Kombinieren der kohärenten Laserstrahlen zu dem mindestens einen kombinierten Laserstrahl in der Mikrolinsenanordnung. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist es zu diesem Zweck typischerweise erforderlich, dass benachbarte kohärente
Laserstrahlen mit einer vorgegebenen Winkeldifferenz dq in die
Mikrolinsenanordnung eingekoppelt werden, für die gilt: dq = AL / p, wobei AL die Laserwellenlänge und p einen Rasterabstand der Mikrolinsen eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays bezeichnen. Die Winkeldifferenz ist somit unabhängig von der Anzahl N von Laserstrahlen, welche in die Mikrolinsenanordnung eingekoppelt werden, d.h. es ist nicht erforderlich, diese bei der Veränderung der Anzahl N von Laserstrahlen zu variieren.
Bei einer Variante des Verfahrens wird eine Brennweite fE der Mikrolinsenanordnung eingestellt, welche die folgende Bedingung erfüllt: fc = p2 / (AL N), wobei p einen Rasterabstand der Mikrolinsen eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays und AL die
Laserwellenlänge bezeichnen. Bei der Veränderung der Anzahl N von kombinierten Laserstrahlen ist es erforderlich, die (effektive) Brennweite der Mikrolinsenanordnung zu verändern. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die weiter oben beschriebene Verstellmechanik verwendet werden. Die Einhaltung dieser Bedingung ist
erforderlich, wenn die kohärenten Laserstrahlen jeweils dieselbe Intensität aufweisen. Bei einer weiteren Variante umfasst das Verfahren: Einstellen einer Phase dfh des fiten kohärenten Laserstrahls (n = 1 , . . . , N), die gegeben ist durch: dfh = - (2 p / AL) E (mnAL / p)2, wobei p einen Rasterabstand der Mikrolinsen eines jeweiligen
Mikrolinsen-Arrays, ίe die Brennweite der Mikrolinsenanordnung und AL die
Laserwellenlänge bezeichnen und wobei gilt: mn =
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+ n · Wie weiter oben
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beschrieben wurde, ist es für das kohärente Kombinieren der Laserstrahlen erforderlich, die relativen Phasenunterschiede zwischen den Laserstrahlen
einzustellen. Die Einstellung kann beispielsweise mit Hilfe der weiter oben
beschriebenen Phasen-Einstelleinrichtungen erfolgen.
Bei einer weiteren Variante erfolgt das Einkoppeln der kohärenten Laserstrahlen mitels einer Einkoppeloptik, die eine Fokussiereinrichtung aufweist, wobei das Verfahren weiter umfasst: Einstellen eines Abstands zwischen der
Fokussiereinrichtung und der Mikrolinsenanordnung, der gegeben ist durch: L2 = h - p2 / (N AL), wobei f2 eine Brennweite der Fokussiereinrichtung, p einen Rasterabstand der Mikrolinsen eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays und AL die Laserwellenlänge bezeichnen. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist typischerweise zusätzlich zur Einstellung der absoluten Phasenunterschiede auch eine Korrektur der (globalen) Phasenfrontkrümmung erforderlich, die von der Anzahl N der kohärenten
Laserstrahlen abhängig ist. In diesem Beispiel wird typischerweise keine zusätzliche abbildende Optik zur Korrektur der Phasenfrontkrümmung benötigt.
Bei einer alternativen Variante erfolgt das Einkoppeln mittels einer Einkoppeloptik, die eine Fokussiereinrichtung und eine weitere abbildende Optik aufweist, wobei das Verfahren weiter umfasst: Einstellen einer Brennweite fi der weiteren abbildenden Optik, die gegeben ist durch: fi = - f22 / ίe, wobei f2 eine Brennweite der
Fokussiereinrichtung und fe eine Brennweite der Mikrolinsenanordnung bezeichnen. Die Brennweite der weiteren abbildenden Optik kann beispielsweise eingestellt werden, indem der Abstand zwischen zwei oder mehr optischen Elementen der abbildenden Optik verändert wird. Durch die weitere abbildende Optik kann eine Korrektur der (globalen) Phasenkrümmung der Laserstrahlen vorgenommen werden. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Lasersystems mit einer Vorrichtung zur Kombination einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen zu einem kombinierten Laserstrahl,
Fig. 2 eine Darstellung der Vorrichtung von Fig. 1 mit einer
Strahlkombinationseinrichtung, die eine Einkoppeloptik und eine Mikrolinsenanordnung mit zwei Mikrolinsen-Arrays umfasst,
Fig. 3a, b eine Darstellung einer Mikroiinsenanordnung mit drei Mikrolinsen-Arrays und mit einer Verstellmechanik sowie des Strahlengangs durch eine Sub- Apertur der Mikrolinsenanordnung,
Fig. 4 eine Darstellung einer Vorrichtung analog zu Fig. 2 mit einer
Einkoppeloptik, die eine abbildende Optik mit einstellbarer Brennweite zur Korrektur einer Phasenfrontkrümmung aufweist,
Fig. 5 eine Darstellung analog zu Fig. 4, bei welcher Emissionsflächen zur
Emission der kohärenten Laserstrahlen zur Korrektur der
Phasenkrümmung jeweils unter einem Winkel zueinander angeordnet sind,
Fig. 6 eine Darstellung analog zu Fig.4, bei welcher die Einkoppeloptik durch eine Fokussierlinse gebildet ist, Fig. 7 eine Darstellung einer Strahlkombinationseinrichtung, bei welcher die Emissionsflächen auf einem Kreisbogen angeordnet sind,
Fig. 8a-c Darstellungen von drei Strahlkombinationseinrichtungen, bei denen die
Emissionsflächen jeweils in einem Gitter angeordnet sind,
Fig. 9a-c Darstellungen von drei Mikrolinsenanordnungen, die jeweils eine
Phasenschiebe-Einrichtung aufweisen,
Fig. 10 Darstellungen einer Strahlkombinationseinrichtung, die zwei
Beugungsgitter und eine asphärische Linse zur wellenlängenabhängigen Korrektur bei der kohärenten Kombination von UKP-Laserstrahlen aufweist,
Fig. 11 eine Darstellung einer Strahlkombinationseinrichtung analog zu Fig. 7, welche eine strahlformende Optik zur Formung von kohärenten Laserstrahlen aufweist, die mit einem jeweiligen vorgegebenen Divergenz- Winkel in die Mikrolinsenanordnung eintreten,
Fig. 12 eine Darstellung einer Strahlkombinationseinrichtung analog zu Fig. 6, welche eine Bewegungseinrichtung zur Erzeugung eines lateralen Versatzes zwischen dem zweiten Mikrolinsen-Array und dem ersten Mikrolinsen-Array aufweist,
Fig. 13a-c Darstellungen des Fernfeldes der Strahlkombinationseinrichtung von Fig.
12 ohne bzw. mit einem lateralen Versatz von zwei Mikrolinsen-Arrays zum Ablenken des kombinierten Laserstrahls, sowie
Fig. 14a-c Darstellungen des Femfeldes der Strahlkombinationseinrichtung von Fig.
12 ohne bzw. mit einem lateralen Versatz von zwei Mikrolinsen-Arrays zum Bilden von zwei kombinierten Laserstrahlen.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw.
funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet. Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines Lasersystems 1 , welches eine
Laserquelle 2 zur Erzeugung einer Anzahl N von kohärenten Laserstrahlen 3.1 , .... 3.N aufweist. Die Laserquelle 2 weist zu diesem Zweck einen modengekoppelten Faser-Master-Oszillator 4 auf, der Seed-Laserstrahlung mit einer Laserwellenlänge AL erzeugt, die in einer herkömmlichen 1 -zu-N-Kopplungseinrichtung 5,
beispielsweise in Form eines Mikrolinsen-Arrays, in die Anzahl N von kohärenten
Laserstrahlen 3.1. 3.N aufgeteilt wird. Die Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N durchlaufen eine entsprechende Anzahl N von Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1 , ..., 6.N., welche die Einstellung einer jeweiligen individuellen Phase dfh der Laserstahlen 3.1 , ..., 3.5
(n = 1. N) ermöglichen, indem sie eine geeignete Phasen-Verzögerung bewirken.
Die Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1 , ..., 6.N können beispielsweise als Elektrooptische Modulatoren, als Akusto-optische Modulatoren, etc. ausgebildet sein.
Nach den Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1 , ..., 6.N durchlaufen die kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N eine entsprechende Anzahl N von Verstärker-Fasern 7.1 , ..., 7.N, um die kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N zu verstärken. Die Stirnseiten der Verstärker-Fasern 7.1 , ..., 7.N dienen als Emissionsflächen 8.1 , ..., 8.N, an denen die kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N emittiert werden. Die Phasen- Einstelleinrichtungen 6.1 , ..., 6.N können auch hinter den Verstärker-Fasern 7.1 , .... 7.N angeordnet sein oder direkt auf die Verstärker-Fasern 7.1 , ..., 7.N einwirken, beispielsweise indem diese eine einstellbare mechanische Spannung auf die
Verstärker-Fasern 7.1 , ..., 7.N erzeugen.
Die kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N werden an einer Umlenkeinrichtung 9, die eine Mehrzahl von Umlenkspiegeln aufweist, umgelenkt, um den Füllfaktor zu erhöhen, d.h. um den Abstand zwischen benachbarten Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N zu verringern. Es versteht sich, dass die Umlenkeinrichtung 9 nicht zwingend
erforderlich ist. Die kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N treten im gezeigten
Beispiel parallel zueinander ausgerichtet in eine Strahlkombinationseinrichtung 10 ein, die eine Mikrolinsenanordnung 11 bzw. einen abbildenden Homogenisierer zur kohärenten Kombination der Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N für die Bildung eines kombinierten Laserstrahls 12 aufweist. Wie in Fig 1 zu erkennen ist, wird ein Anteil 12a des kombinierten Laserstrahls 12 über eine Auskoppeleinrichtung in Form eines teiltransmissiven Spiegels 13 ausgekoppelt und trifft auf einen Detektor 14. Der Detektor 14 steht mit einer
Regelungseinrichtung 15a des Lasersystems 1 in signaltechnischer Verbindung, welche die Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1 , ..., 6.N ansteuert, um die individuellen Phasen dfh der Laserstahlen 3.1 , ..., 3.N in Abhängigkeit von den Eigenschaften des detektierten Anteils 12a des kombinierten Laserstrahls 12 anzupassen. Die
Regelungseinrichtung 15a kann insbesondere eine Regelung der Phasen- Einstelleinrichtungen 6.1 , 6.N zur Erzeugung von gewünschten (Soll-)Phasen dfp der Laserstahlen 3.1 , ..., 3.N ermöglichen. Obgleich im gezeigten Beispiel die Anzahl N von Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1 , ..., 6.N der Mehrzahl N von Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N entspricht, ist in der Regel eine Anzahl von N - 1 Phasen- Einstelleinrichtungen 6.1 , ..., 6.N-1 ausreichend. Bei dem in Fig. 1 gezeigten
Lasersystem 1 kann einerseits eine hohe Strahlqualität von z.B. M = 1 ,3 des kombinierten Laserstrahls 12 erreicht werden, andererseits mittein sich Fehler durch nichtlineare Effekte bei der individuellen Verstärkung der Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N in den Verstärker-Fasern 7.1 , ..., 7.N gegenseitig weg, so dass eine deutliche
Erhöhung der Leistung der Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N erreicht werden kann.
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung 16 analog zu Fig. 1 zur Kombination einer
(beispielhaften) Anzahl von N = 3 kohärenten Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 unter Verwendung einer Strahlkombinationseinrichtung 10, welche eine
Mikrolinsenanordnung 11 mit zwei Mikrolinsen-Arrays 17a, b sowie eine
Einkoppeloptik 18 aufweist. Die Vorrichtung 16 umfasst auch drei Phasen- Einstelleinrichtungen 6.1 , 6.2, 6.3 zur Einstellung der Phasen df-i, dy2, dy3 der drei Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 derart, dass sich in Kombination mit der Einkoppeloptik 18 eine Phasenfront an der Mikrolinsenanordnung 1 1 ausbildet, welche die kohärente Kombination der Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3. zu dem kombinierten Laserstrahl 12 unter Erhaltung der Strahlqualität ermöglicht. Die Emitterflächen 8.1 , 8.2, 8.3 sind hierbei entlang einer Linie in X-Richtung angeordnet und die Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 treten parallel ausgerichtet entlang einer einheitlichen Ausbreitungsrichtung (Z- Richtung) in die Einkoppeloptik 18 ein. Die Emitterflächen 8.1 , 8.2, 8.3 bzw. die kohärenten Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 sind hierbei äquidistant, d.h. in gleichen Abständen dc, entlang der X-Richtung
angeordnet. Die Einkoppeloptik 18 ist ausgebildet, benachbarte kohärente
Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 mit einer vorgegebenen Winkeldifferenz dq in die
Mikrolinsenanordnung 11 einzukoppeln, für die gilt: dq = AL / p, wobei AL die
(einheitliche) Wellenlänge der Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 und p einen Rasterabstand (pitch) der Mikrolinsen 20a, b eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays 17a, b bezeichnen.
Um die Winkeldifferenz dq zu erzeugen, weist die Einkoppeloptik 18 eine
Fokussiereinrichtung in Form einer Fokussierlinse 19, genauer gesagt einer
Zylinderlinse, auf, welche die Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 auf die
Mikrolinsenanordnung 11 , genauer gesagt auf das erste Mikrolinsen-Array 17a der Mikrolinsenanordnung 11 , fokussiert. Um die Bedingung an die Winkeldifferenz dq zu erfüllen, sind bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel die Emitterflächen 8.1 , 8.2, 8.3 in einem Abstand dc angeordnet, der gegeben ist durch dc = AL f2 / p, wobei f2 die Brennweite der Fokussierlinse 19 bezeichnet, die in Fig. 2 in einem Abstand L2 von der Mikrolinsenanordnung 11 angeordnet ist, welcher mit deren Brennweite f2 übereinstimmt, d.h. es gilt: L2 = f2.
Unter der Voraussetzung, dass die Intensitäten der aus den Emissionsflächen 8.1 , 8.2, 8.3 austretenden Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 gleich groß sind, kann mittels der Mikrolinsenanordnung 11 der in Fig. 2 gezeigte kohärent überlagerte Laserstrahl 12 erzeugt werden, wenn die Mikrolinsenanordnung 11 und die kombinierten
Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 folgende Gleichung (1 ) erfüllen:
N = p2 / (AL fe) (1 ) wobei N die Anzahl der kohärenten Laserstrahlen (hier: N = 3) und ίe die Brennweite der Mikrolinsenanordnung 11 bezeichnen. Die Gleichung (1 ) sollte möglichst exakt eingehalten werden, da Abweichungen zu einer Verschlechterung der Strahlqualität des kombinierten Laserstrahls 12 führen.
Im gezeigten Beispiel weisen die Mikrolinsen 20a des ersten Mikrolinsen-Arrays 17a eine erste Brennweite fa und die Mikrolinsen 20b des zweiten Mikrolinsen-Arrays 17b weisen eine zweite Brennweite fb auf, wobei gilt fa = fb. Im gezeigten Beispiel sind die beiden Mikrolinsen-Arrays 17a,b in einem Abstand d zueinander angeordnet, welcher der Brennweite fa bzw. fb und der resultierenden Brennweite fE der
Mikrolinsenanordnung 1 1 entspricht.
Bei den Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3, die aus den Emissionsflächen 8.1 , 8.2, 8.3 austreten, handelt es sich im gezeigten Beispiel um Single-Mode-Strahlen, d.h. diese weisen jeweils ein Gauß-Profil mit einer Halbwerts-Breite WR,O auf. Alternativ können die Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 ein anderes Strahlprofil mit einem ggf. verminderten Grad an räumlicher Kohärenz aufweisen, beispielsweise ein Donought-förmiges Strahlprofil oder ein Top-Hat-Strahlprofil. Um aus den Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 in der Mikrolinsenanordnung 1 1 einen kombinierten Laserstrahl 12 mit einem
entsprechenden Gauß-Profil mit einer größeren Halbwerts-Breite WR > WR,O ZU bilden, ist es erforderlich, dass die Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 mit einer Phasenfront bzw. mit einzelnen (vom Einfallswinkel Q abhängigen) Phasen dfh(q) auf die
Mikrolinsenanordnung 1 1 eingestrahlt werden, für die gilt: dfh(q) = = (2 p / AL) fE Q2 - (2 p / AL) fE (AL / p) m„0, wobei im vorliegenden Beispiel gilt: rrin = -1 , 0, +1.
Für die Phasenfront bzw. die einzelnen Phasen dfh(c) im Ortsraum gilt in guter Näherung: dfh(c) = = (2 p / AL) 1 (2 fi) x2 - (2 p / AL) fE (rrin AL / p)2, (4) wobei x = 0 die Mittelachse der Strahlkombinationseinrichtung 10 bezeichnet, entlang derer der mittlere Laserstrahl 3.2 propagiert und fi die Brennweite einer weiteren abbildenden Optik 21 in Form einer Zylinderlinse bezeichnet, die zur Korrektur der Phasenkrümmung verwendet wird und die im einfachsten Fall (bei einer
eindimensionalen Kombination) als Zylinderlinse ausgebiidet sein kann. Die weitere abbiidende Optik 21 ist in einem Abstand L1 vor der Fokussierlinse 19 angeordnet, weicher der Brennweite fi der Fokussierlinse 19 entspricht. Der erste Summand der obigen Gleichung (4) für die ortsabhängigen Phasen dfh(c) entspricht einer abbildenden Optik in Form einer (Zylinder-)Linse 21 , wenn deren Brennweite fi bei der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung 16 folgende Bedingung erfüllt: fi = - f22 / ίe. Die weitere abbildende Optik 21 dient somit zur Anpassung der
Krümmung der Phasenfront fh(c) der auf die Mikrolinsenanordnung 11 auftreffenden Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3, um die obige Gleichung (4) hinsichtlich des ersten Summanden zu erfüllen.
Für die Einstellung der (individuellen) Phasen dfh der Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3, welche dem zweiten Summanden in der obigen Gleichung entsprechen, werden die Phasen-Einstelleinrichtungen 8.1 , 8.2, 8.3 mit Hilfe der Regelungseinrichtung 15a so angesteuert, dass diese für den n-ten kohärenen Laserstrahl 3.1 , ...» 3.N folgende Phase dfh erzeugen: öcpm = - (2 TT7 ÄL) ίe (mn AL / p)2.
Im vorliegende Beispiel, d.h. bei einer Anzahl von N = 3 Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 ergibt sich für die drei einzustellenden (relativen) Phasen dfi, dy2, ö<p3: dfi = + (2 p / AL) fE (AL / p)2
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Die Anzahl N der kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ...» 3.N kann verändert werden, indem die Laserquelle 2 bzw. das Lasersystem 1 insgesamt modifiziert wird, beispielsweise indem Emitterflächen 8.1 , ..., 8.N, Phasen-Einstelleinrichtungen 6.1 , ..., 6.N etc. hinzugefügt oder weggenommen werden. Die Anzahl N der kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N, die für die Kombination verwendet werden, kann auch verändert werden, indem die Regelungseinrichtung 15a die Laserquelle 2 ansteuert, um die Intensität bestimmter Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N. zu verändern, beispielsweise um bestimmte Laserstrahlen 3.1. 3.N wahlweise ein- oder auszuschalten.
Bei einer Veränderung der Anzahl N der kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N ist es erforderlich, die Strahlkombinationseinrichtung 11 geeignet anzupassen, um die weiter oben beschriebenen Bedingungen, insbesondere die Gleichung (1), zu erfüllen. Zu diesem Zweck ist kann die Mikrolinsenanordnung 1 1 zur Einstellung ihrer (effektiven) Brennweite ίe ausgebildet sein und weist mindestens drei Mikrolinsen- Arrays 1 7a-c mit Brennweiten fa, fb, fc auf, wie dies beispielhaft für die
Mikrolinsenanordnung 11 von Fig. 3a dargestellt ist.
Die effektive Brennweite ΐe bezieht sich auf ein Strahibündel, welches jeweils eine Mikrolinse 20a-c je Mikrolinsen-Array 17a-c (entsprechend einer Sub-Apertur) durchläuft, vgl. Fig. 3b. Eine Mikrolinsenanordnung 1 1 , die in der
Strahlkombinationseinrichtung 10 verwendet wird, weist bezogen auf ein
Strahlbündel zu jeweils einer Mikroiinse 20a-c je Mikrolinsen-Array 17a-c in der
Schreibweise der Matrizenoptik, also als Abbildungsmatrix , für den
Figure imgf000034_0001
eingangsseitigen Vektor (r,9) und den ausgangsseitigen Vektor (r‘,0‘) typischerweise folgende Eigenschaften auf: A=0; |B|=fE. Weiterhin gilt meist auch D<1 (für einen im Wesentlichen kollimierten Strahl); C ergibt sich dann abhängig von A, B und D. Die Verwendung von mindestens drei Mikrolinsen-Arrays 17a-c ist erforderlich, um die zweite Bedingung jB|= ί für variables ίe zu erfüllen.
Eine motorische Verstellmechanik 22 (beispielsweise mit einem in eine Zahnstange eingreifenden angetriebenen Zahnrad) erlaubt es, die Positionen von Schlitten 23,
24, welche das erste und dritte Mikrolinsen-Array 17a, 17c der Mikrolinsenanordnung 1 1 tragen, motorisch mit Hilfe einer elektronischen (programmierbaren)
Steuerungseinrichtung 15 zu verstellen, und damit einen Abstand d1 zwischen dem ersten und zweiten Mikrolinsen-Array 17a, 17b sowie einen Abstand d2 zwischen dem zweiten und dritten Mikrolinsen-Array 17b, 17c unabhängig voneinander einzustellen. Das zweite Mikrolinsen-Array 17b ist im gezeigten Beispiel ortsfest ausgebildet.
Für eine gewünschte effektive Brennweite ίe entsprechend Gleichung (1 ) können die einzustellenden Abstände di , d2 bei gegebenen Brennweiten fa, fb, fc wie folgt bestimmt und die Schlitten 23, 24 entlang von Führungen an entsprechende
Verstellpositionen bewegt werden: und
j __ £ , £ , fb fa
dl fb + fa +—
Wird die effektive Brennweite ίe der Mikrolinsenanordnung 11 verändert, ist es typischerweise auch erforderlich, die Einkoppeloptik 18 entsprechend anzupassen. Bei der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung 16 kann dies dadurch erreicht werden, dass die Brennweite fi der weiteren abbildenden Optik 21 einstellbar gemacht wird, um die Bedingung fi = -f22 / fE zu erfüllen. Zu diesem Zweck kann die weitere abbildende Optik 21 durch zwei (dünne) Linsen 21a, 21 b gebildet werden, deren Abstand d3 einstellbar ist, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Durch die Wahl des Abstandes d3 zwischen den Linsen 21a, 21 b verändert sich die (effektive) Brennweite fi der weiteren abbildenden Optik 21 , so dass die obige Bedingung erfüllt werden kann, beispielsweise wenn die Anzahl N der Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N von N = 3 auf N = 5 erhöht wird, wie dies in Fig. 4 angedeutet ist, bei der zwei zusätzliche, äußere Laserstrahlen 3.4, 3.5 bzw. Emitterflächen 8.4, 8.5 hinzugefügt wurden.
Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung 16, bei der die Einkoppeloptik 18 keine zusätzliche abbildende Optik 21 zur Korrektur der Phasenfront dfh(c) aufweist. Für die
Anpassung der Phasenfront dfp(c) sind die Emitterflächen 8.1 , 8.2, 8.3 jeweils unter einem Winkel dg zueinander ausgerichtet, der dem Winkel entspricht, unter dem die Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 aus der in Fig. 2 bzw. in Fig. 4 gezeigten abbildenden Optik 21 austreten. Die Anpassung der Phasenfront dfh(c), genauer gesagt des ersten Summanden in obiger Gleichung (4), kann in diesem Fall ohne das Vorsehen einer zusätzlichen abbildenden Optik erreicht werden, d.h. die Einkoppeloptik 18 weist lediglich die Fokussierlinse 19 auf.
Auf eine abbildende Optik 21 zur Anpassung der Phasenfrontkrümmung kann auch verzichtet werden, wenn die Emitterflächen 8.1 , 8.2, 8.3 entlang einer Linie in X- Richtung angeordnet und parallel ausgerichtet sind, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. In diesem Fall ist der Abstand L2 zwischen der Fokussierlinse 19 und der Mikrolinsenanordnung 11 , genauer gesagt dem ersten Mikrolinsen-Array 17a der Mikrolinsenanordnung 11 , geeignet gewählt, und zwar wie folgt: L2 = f2 - p2 / (N AL). Der Abstand L2 hängt bei der Vorrichtung 16 von Fig. 6 somit ebenfalls von der Anzahl N der Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N ab, so dass dieser bei einer Veränderung der Anzahl N von Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N ebenfalls angepasst werden muss. Zu diesem Zweck kann die Steuerungseinrichtung 15 auf die Fokussierlinse 19 und/oder auf die in diesem Fall ohnehin vorhandene Versteilmechanik 22 der
Mikrolinsenanordnung 11 einwirken, um die Fokussierlinse 19 und die
Mikrolinsenanordnung 11 relativ zueinander zu verschieben.
Bei der in Fig. 7 gezeigten Vorrichtung 16 weist die Strahlkombinationseinrichtung 10 nur die Mikrolinsenanordnung 11 und keine Einkoppeloptik auf. In diesem Beispiel sind die Emitterflächen 8.1 , 8.2, 8.3 auf einem Kreisbogen 29 unter einem jeweiligen Differenzwinkel : dq = AL / p zueinander ausgerichtet. Für den Füllfaktor FF der Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 gilt in diesem Fall:
FF = 2 p / (p w), wobei w den Strahldurchmesser des kombinierten Laserstrahls 12 bezeichnet. Für den Abstand D gilt:
D = w2 p / AL = 4 p2 / (TT FF2 AL).
Um mit der in Fig. 7 gezeigten Vorrichtung 16 einen Füllfaktor FF von z.B. ca. 35% bei einem Rasterabstand p von ca. 500 pm zu erreichen, ist ein vergleichsweise großer Abstand D von ca. 2,5 m erforderlich.
Bei den in Zusammenhang mit Fig. 2 bis Fig. 7 beschriebenen Vorrichtungen 16 wurden die Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N eindimensional kombiniert. Fig. 8a-c zeigen jeweils eine Vorrichtung 16, bei der eine Anzahl N (hier: N = 3) x M (hier: M = 3) von Emissionsflächen 8.1.1 , ..., 8.N.M in einem zweidimensionalen Gitter angeordnet ist. Bei dem in Fig. 8a gezeigten Beispiel sind die Emissionsflächen 8.1.1 , ... 8.N.M in einem rechteckigen Gitter in einer gemeinsamen Ebene (XY-Ebene) angeordnet und die Strahlausbreitungsrichtungen aller Laserstrahlen 3.1.1 , .... 3.N.M verlaufen parallel (in Z-Richtung). Analog zu Fig. 6 weist die Einkoppeloptik 18 bei der
Vorrichtung 16 von Fig. 8a lediglich eine Fokussiereinrichtung in Form einer
Fokussierlinse 19 auf, die in Fig. 8a als Quadrat dargestellt ist. Die Mikrolinsen 20a, b der Mikrolinsen-Arrays 17a,b der Mikrolinsenanordnung 1 1 sind jeweils in einem entsprechenden, rechteckigen Gitter angeordnet und parallel zur XY-Ebene ausgerichtet.
In Abhängigkeit von den Abständen der Emitterflächen 8.1 .1 , ... 8.N.M bzw. von der Periodizität des Gitters in X-Richtung bzw. in Y-Richtung können sich auch die Rasterabstände px, rg der Mikrolinsen 20a, b in den beiden zueinander senkrechten Richtungen X, Y voneinander unterscheiden. Die Mikrolinsen 20a, b weisen entsprechend eine ggf. unterschiedliche Krümmung in X-Richtung und in Y-Richtung auf, d.h. es handelt sich nicht um Zylinderlinsen. Die Kombination der kohärenten Laserstrahlen 3.1 .1 , ... 3.N.M in den beiden linear unabhängigen, im gezeigten Beispiel senkrechten Richtungen X, Y ist grundsätzlich unabhängig, d.h. die weiter oben angegebenen Bedingungen bzw. Gleichungen gelten für beide Richtungen X, Y unabhängig voneinander.
Lediglich bei der Einstellung der relativen Phase der Laserstrahlen 3.1 .1 , ... 3.N.M addieren sich die Beiträge in den beiden zueinander senkrechten Richtungen, d.h. es gilt für eine Anzahl von N x M Laserstrahlen, die in einem rechteckigen Gitter (in X- Richtung bzw. Y-Richtung) angeordnet sind, für die jeweilige Phase 5<pn,m: dfh,GP = - (2 p / AL) fE,X (pn Kl l Px)2 - (2 TT / ÄL) fE,Y (qmAL / rg)2 wobei px den Rasterabstand der Mikrolinsen in X-Richtung und py den Rasterabstand der Mikrolinsen in Y-Richtung bezeichnet und wobei ίe,c die effektive Brennweite der Mikrolinsenanordnung 11 in X-Richtung und fe.Y die effektive Brennweite der
Figure imgf000037_0001
Mikrolinsenanordnung 1 1 in Y-Richtung bezeichnet, wobei gilt: pn = + n mit
Figure imgf000037_0002
(N+ 1)
n = I, ... , / und qm = F m mit m = 1, , N.
2
Bei der in Fig. 8b gezeigten Vorrichtung 16 sind die Emitterflächen 8.1 .1 , .... 8.N.M ebenfalls in einem Gitter angeordnet, das aber entlang einer gekrümmten Fläche, genauer gesagt entlang einer Kugelschale, verläuft, wobei die Strahlausbreitungsrichtungen der Laserstahlen 3.1.1 , ..., 3.N.M senkrecht zur Kugelschale ausgerichtet sind und die Mikrolinsenanordnung 11 in der Nähe des Mittelpunkts der Kugelschale angeordnet ist. Auch eine Anordnung der
Emitterflächen 8.1.1 , ..., 8.N.M in einem Giter, welches entlang einer anderen gekrümmten Fläche, beispielweise entlang eines Ellipsoids, verläuft, ist möglich. Analog zu der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung 16 kann in diesem Fall auf eine Einkoppeloptik 18 verzichtet werden.
Fig. 8c zeigt eine Vorrichtung 16 analog zu Fig. 8a, bei der die beiden
zweidimensionalen Mikrolinsen-Arrays 17a, b der Mikrolinsenanordnung 11 durch vier eindimensionale Mikrolinsen-Arrays 17a-d ersetzt sind. Die Mikrolinsen-Arrays 17a-d weisen jeweils eine Mehrzahl von Mikrolinsen 20a-d in Form von Zylinderlinsen auf, wobei die Mikrolinsen 20a, c des ersten und dritten Mikrolinsen-Arrays 17a,c und die Mikrolinsen 20b, d des zweiten und vierten Mikrolinsen-Arrays 17b,d senkrecht zueinander, und zwar in X-Richtung bzw. in Y-Richtung, ausgerichtet sind.
Bei den weiter oben beschriebenen Beispielen wurde eine ungerade Anzahl N von kohärenten Laserstrahlen 3.1 , 3.3 überlagert. Für den Fall, dass eine gerade
Anzahl N von Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N überlagert werden soll, kann eine
Phasenschiebe-Einrichtung 25 verwendet werden, wie nachfolgend anhand von Fig. 9a-c beschrieben wird. Die Phasenschiebe-Einrichtung 25 ist hierbei in ein jeweiliges erstes bzw. zweites Mikrolinsen-Array 17a,b der Mikrolinsenanordnung 11 integriert und erzeugt an einem Übergang 27 zwischen Strahlenbündeln 26, die benachbarte Mikrolinsen 20b des zweiten Mikrolinsen-Arrays 17b (vgl. Fig. 9a) bzw. benachbarte Mikrolinsen 20a des ersten Mikrolinsen-Arrays 17a (vgl. Fig. 9b, c) durchlaufen, jeweils einen Phasenversatz von TT. Dadurch kann die 0-te Beugungsordnung durch destruktive Interferenz eliminiert werden, so dass eine gerade Anzahl N von kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N zu dem kombinierten Laserstrahl 12 kombiniert werden kann.
Bei der in Fig. 9a gezeigten Mikrolinsenanordnung 11 ist ein Dickensprung 28 am Übergang zwischen benachbarten Mikrolinsen 20b des zweiten Mikrolinsen-Arrays 17b vorgesehen. Die zusätzliche Dicke einer jeweiligen Mikrolinse 20b entlang der X- Richtung nimmt hier linear zu von einem Ausgangswert zO zusätzlicher Dicke bis zu einer zusätzlichen Dicke entsprechend zO plus der Dicke entsprechend der
Phasendifferenz p über die Breite bzw. den Rasterabstand p der jeweiligen
Mikrolinse 20b. Der Ausgangswert zO dient dazu, den Ort des Phasensprungs bezüglich der X-Richtung näherungsweise an die Fokusebene hinter dem dritten Mikrolinsen-Array 17c zu bringen. Die Sägezahn-Profilierung ist bei allen Mikrolinsen 20b des zweiten Mikrolinsen-Arrays 17b vorgesehen.
Bei der Mikrolinsenanordnung 11 von Fig. 9b ist die Phasenschiebe-Einrichtung 25 in das erste Mikrolinsen-Array 17a integriert und es findet am Übergang 27
benachbarter Mikrolinsen 20a ebenfalls ein Dickensprung 28 statt. Die zusätzliche Dicke einer jeweiligen Mikrolinse 20a entlang der X-Richtung nimmt linear von 0 (null) zusätzlicher Dicke bis zu einer zusätzlichen Dicke entsprechend der
Phasendifferenz p über die Breite der Mikrolinse 20a zu. Diese Sägezahn- Profilierung ist bei allen Mikrolinsen 20a des ersten Mikrolinsen-Arrays 17a
vorgesehen.
Bei der in Fig. 9c gezeigten Variante ist ebenfalls das erste Mikrolinsen-Array 17a mit einer integrierten Phasenschiebe-Einrichtung 25 versehen. Am Übergang 27 zwischen benachbarten Mikrolinsen 20a findet hier ein Dickensprung 28 statt, der den Phasenversatz von p erzeugt. Die durch die integrierte Phasenschiebe- Einrichtung 25 vorgesehene zusätzliche Dicke wird über die ganze Breite einer jeweiligen Mikrolinse 20a gleichmäßig beibehalten, und bei alternierenden
Mikrolinsen 20a‘ des ersten Mikrolinsen-Arrays 17a fehlt diese zusätzliche Dicke.
Alternativ zu der in Fig. 9a-c gezeigten Phasenschiebe-Einrichtung 25, welche in ein jeweiliges Mikrolinsen-Array 17a, b integriert ist, kann die Phasenschiebe-Einrichtung 25 als separates Bauteil z.B. in Form einer Phasenschieber-Platte ausgebildet sein. Eine solche (nicht bildlich dargestellte) Phasenschieber-Platte weist alternierend erste und zweite Passierelemente auf, die mit den Mikrolinsen 20a-c bzw. den zugehörigen Strahlenbündeln 26 fluchten. Die Passierelemente weisen somit eine Breite in X-Richtung entsprechend der Apertur bzw. des Rasterabstands p auf. Die ersten Passierelemente erzeugen hier einen Phasenversatz von 0 (null) über ihre gesamte Breite in X-Richtung und die zweiten Passierelemente erzeugen hier einen Phasenversatz von p über ihre gesamte Breite in X-Richtung. Das Phasenschiebe-Einrichtung 25 kann in diesem Fall bei Bedarf aus dem
Strahlengang herausgenommen werden (etwa in X-Richtung herausgezogen werden) oder wieder in den Strahlengang eingefahren werden, je nachdem ob eine ungerade oder gerade Zahl N von Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N kohärent kombiniert werden soll. Hierfür kann auch eine motorisierte Verstellmechanik vorgesehen werden, die mit Hilfe der elektronischen Steuerungseinrichtung 15 angesteuert wird. Allgemein wird die Phasenschiebe-Einrichtung 25 bevorzugt näherungsweise in die Fokusebene eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays 17a-c (bzw. einer jeweiligen
Subapertur) gelegt, oder aber direkt hinter das erste Mikrolinsen-Array 17c des von den Emissionsflächen 8.1 , ..., 8.N ausgehenden Strahlengangs.
Fig. 10 zeigt eine Vorrichtung 16, welche zur wellenlängenabhängigen Korrektur bei der Überlagerung von Ultrakurzpuls-Laserstrahlen 3.1 , ... 3.N ausgebildet ist. Die Vorrichtung 16 weist eine Anzahl von Emissionsflächen 8.1 , .... 8.N zur Emission der kohärenten Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N auf, von denen in Fig. 10 zur Vereinfachung lediglich drei Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 dargestellt sind, die auf ein erstes
wellenlängendispersives Element in Form eines ersten Beugungsgitters 30 treffen.
An dem ersten Beugungsgitter 30 werden die Laserstahlen 3.1 , 3.2, 3.3 spektral aufgespalten und bilden im gezeigten Beispiel drei Strahlenbündel 26a-c mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen li, hi, kz. Die drei Strahienbündel 26a-c durchlaufen eine Kollimationslinse 31 und treten nachfolgend parallel ausgerichtet durch die Mikrolinsenanordnung 11 hindurch. Die drei Strahlenbündel 26a-c durchlaufen hierbei die beiden Mikrolinsen-Arrays 17a, b der Mikrolinsenanordnung 11 durch jeweils unterschiedliche Mikrolinsen 20a, 20b des jeweiligen Mikrolinsen-Arrays 17a, b und somit getrennt. Eine im Strahlengang hinter der Mikrolinsenanordnung 11 positionierte Fokussierlinse 32 fokussiert die Strahlenbündel 26a-c auf ein zweites wellenlängendispersives optisches Element in Form eines zweiten Beugungsgitters 33, welches die Strahlenbündel 26a-c spektral zusammenführt und den kombinierten Laserstrahl 12 erzeugt, dessen Wellenlängen-Spektrum mit dem der kohärenten Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 vor der Überlagerung übereinstimmt.
Im gezeigten Beispiel wird die Einkoppeloptik 18 durch die Kollimationslinse 31 gebildet, die als asphärische Linse ausgebildet ist und eine in X-Richtung, d.h. quer zur Ausbreitungsrichtung der Strahlenbündel 26a-c, lokal veränderliche Krümmung aufweist. Die Krümmung der asphärischen Kollimationslinse 31 ist hierbei
ortsabhängig derart gewählt, dass eine wellenlängenabhängige Korrektur der Phasenfront bei der Kombination der UKP-Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 erfolgen kann. Eine solche wellenlängenabhängige Korrektur ist in der Regel jedoch lediglich für den Fall erforderlich, dass eine vergleichsweise große Anzahl von UKP- Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N (z.B. mit N >10) kohärent überlagert werden soll.
Fig. 11 zeigt eine Vorrichtung 16 analog zu Fig. 7, bei welcher die Emissionsflächen
8.1. 8.2, 8.3 auf einem Kreisbogen 29 angeordnet sind. Wie weiter oben in
Zusammenhang mit Fig. 7 beschrieben wurde, sind die Emissionsflächen 8.1 , 8.2,
8.3 unter einem jeweiligen Differenzwinkel dq = AL / p zueinander ausgerichtet. Die Einkoppeloptik 18 weist drei strahlformende Optiken in Form von drei Linsen 18a-c auf, die an der Auskoppeleinheit der Emitterflächen 8.1 , 8.2, 8.3 angebracht sind. Die Linsen 18a-c dienen zur Erzeugung eines vorgegebenen Divergenz-Winkels OD mit dem der kohärenten Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 in die Mikrolinsenanordnung 11 eintreten. Für den Fall, dass Linsen 18a-c jeweils dieselbe Brennweite f aufweisen, gilt für den Abstand D zwischen dem Kreisbogen 29 und der Mikrolinsenanordnung
11 die Bedingung D = f - fs, wobei ίe die effektive Brennweite der
Mikrolinsenanordnung 11 bezeichnet. Durch die Strahlaufweitung mit Hilfe der Linsen 18a-c oder mit Hilfe einer anderen stahlformenden Optik, beispielsweise mit Hilfe von zwei oder mehr hintereinander angeordneten Linsen, kann der Abstand D gegenüber dem Fall, dass eine Fourier-Linse bzw. Fokussiereinrichtung 19 (vgl. Fig. 6) mit (größerer) Brennweite f2 verwendet wird (L2 = f2 -†E = f2 - p2 / (AL N)) reduziert werden und der Aufbau der Vorrichtung 16 insgesamt kompakter realisiert werden, was die Störanfälligkeit senkt.
Durch gezieltes Vorgeben der Divergenz-Winkel QD der kohärenten Laserstrahlen
3.1. 3.2, 3.3 kann die Interferenzbedingung nicht nur so verändert werden, dass kürzere Bauabstände realisiert werden, es kann vielmehr auch eine gerade bzw. beliebige Anzahl von kohärenten Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3, ... kombiniert werden, ohne dass zu diesem Zweck die weiter oben in Zusammenhang mit Fig. 9a-c beschriebene Phasenschiebe-Einrichtung 25 benötigt wird. Für die Kombination einer geraden Anzahl N von kohärenten Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3, ... ist es erforderlich, dass die strahlformende Optik 18a-c, genauer gesagt die Linsen 18a-c, eine Brennweite f aufweisen, die folgende Bedingung erfüllt: f = p2/ AL, und zwar unabhängig davon, wie groß die (gerade) Anzahl N an kohärenten
Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3,... ist. Die obige Bedingung an die Brennweite f stellt auch eine untere Grenze dar, die bei dem in Fig. 11 gezeigten Aufbau nicht unterschritten werden darf, d.h. für die Brennweite f sollte allgemein (d.h. unabhängig von der Anzahl N) gelten: f = p2/ AL.
Für den Fall, dass die Anzahl der zu kombinierenden Laserstrahlen 3.1 , 3.2, ...
variiert werden soll, kann die Einkoppeloptik 18 in Form der strahlformenden Optik zur Einstellung eines variablen Divergenz-Winkels OD ausgebildet sein und zu diesem Zweck beispielsweise eine einstellbare Brennweite f aufweisen.
Die Kombination einer geraden Anzahl von kohärenten Laserstrahlen 3.1 , 3.2, ... zu einem kombinierten Laserstrahl 12 ist nicht nur bei der in Fig. 11 gezeigten
Vorrichtung 16 möglich, sondern auch bei der in Fig. 12 gezeigten Vorrichtung 16, die im Wesentlichen der in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung 16 entspricht. Die in Fig. 12 gezeigte Vorrichtung 16 weist eine Bewegungseinrichtung 35 auf, um das zweite Mikrolinsen-Array 17b in X-Richtung, d.h. lateral bzw. quer zur Propagationsrichtung Z des kombinierten Laserstrahls 12 zu verschieben, wodurch ein einstellbarer lateraler Versatz D zwischen den Mikrolinsen des ersten Mikrolinsen-Arrays 17a und den Mikrolinsen des zweiten Mikrolinsen-Arrays 17b erzeugt wird, wie dies in Fig. 12 zu erkennen ist.
Die Bewegungseinrichtung 35 kann zu diesem Zweck beispielsweise ein mittels der Steuerungseinrichtung 15 ansteuerbares Piezoelement, eine Voice Coil, einen mechanischen Antrieb einschließlich einer Nockenwelle, etc. aufweisen. Die
Steuerungseinrichtung 15 kann in Form eines Steuerungs-Computers oder in Form von anderer geeigneter Hard- und/oder Software ausgebildet sein und steuert die Bewegungseinrichtung 25 an, um das zweite Mikrolinsen-Array 17b lateral zu verschieben.
Die in Fig. 12 gezeigte Vorrichtung 16 kann auch dazu verwendet werden, um den kombinierten Laserstrahl 12 in seiner Position zu verschieben bzw. seinen Winkel zu verändern oder um bei der Kombination zwei oder ggf. mehr als zwei kombinierte Laserstrahlen 12a, 12b zu erzeugen, wie dies nachfolgend in Zusammenhang mit Fig. 13a-c und Fig. 14a-c beschrieben wird, in denen jeweils die Winkelverteilung des Fernfeldes in einer Ebene X, Y senkrecht zur Propagationsrichtung Z des
kombinierten Laserstrahls 12 dargestellt ist.
Fig. 13a zeigt den Fall, dass kein lateraler Versatz D zwischen den beiden
Mikrolinsen-Arrays 17a,b erzeugt wird, d.h. dass gilt: D = 0 mm. In diesem Fall wird der kombinierte Laserstrahl 12 in die 0. Beugungsordnung gebeugt, so dass dieser nicht abgeienkt wird und entlang der optischen Achse in Z-Richtung propagiert. Fig. 13b zeigt den Fall, dass mit Hilfe der Bewegungseinrichtung 35 ein positiver lateraler Versatz D (Verschiebung in positive X-Richtung, vgl. Fig. 12) eingestellt wird, für den im vorliegend beschriebenen Fall von drei Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 gilt: D = p / N x B = p / 3 (hier: N = 3, B = +1). Der kombinierte Laserstrahl 12 wird in die +1.
Beugungsordnung abgelenkt und propagiert somit nicht entlang der optischen Achse in Z-Richtung, sondern wird unter einem Winkel qc von ca. +2 mrad in die positive X- Richtung abgelenkt. Fig. 13c zeigt den analogen Fall, wenn ein lateraler Versatz D mit negativem Vorzeichen (D = - p / N x B = - p /3 (hier: N = 3, B = - 1 )) erzeugt wird, um den kombinierten Laserstrahl 12 in die -1. Beugungsordnung abzulenken, so dass dieser unter einem Winkel qc von ca. -2 mrad in die negative X-Richtung abgelenkt wird.
Fig. 14a zeigt den zu Fig. 13a analogen Fall, dass kein lateraler Versatz D zwischen den beiden Mikrolinsen-Arrays 17a, b erzeugt wird, d.h. dass gilt: D = 0 mm, so dass der kombinierte Laserstrahl 12 nicht abgelenkt wird und entlang der optischen Achse in Z-Richtung propagiert. Fig. 14b zeigt den Fall, dass mit Hilfe der
Bewegungseinrichtung 35 ein positiver lateraler Versatz D (Verschiebung in positive X-Richtung, vgl. Fig. 12) eingestellt wird, für den im vorliegend beschriebenen Fall von drei Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 gilt: D = + r / (2 N) = r / 6 (hier: N = 3). Bei einer solchen Wahl des lateralen Versatzes D wird der kombinierte Laserstrahl 12 geteilt, genauer gesagt werden zwei kombinierte Laserstrahlen 12a, 12b mit gleicher Leistung erzeugt, von denen der erste Laserstrahl 12a wie in Fig. 14a in Z-Richtung propagiert, während der zweite Laserstrahl 12b in die -1. Beugungsordnung gebeugt wird. Entsprechend wird bei dem in Fig. 14c gezeigten Beispiel ein negativer lateraler Versatz D (Verschiebung in negative X-Richtung) eingestellt, für den im vorliegend beschriebenen Fall von drei Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 gilt: D = - r / (2 N) = - r / 6 (hier: N = 3). Auch in diesem Fall werden zwei kombinierte Laserstrahlen 12a, 12b mit gleicher Leistung erzeugt, von denen der erste Laserstrahl 12a wie in Fig. 14a in Z-Richtung propagiert, während der zweite Laserstrahl 12b in die +1.
Beugungsordnung gebeugt wird.
Bei geeigneter Wahl des Betrags des lateralen Versatzes D kann die in Fig. 13b,c gezeigte Ablenkung auch mit der in Fig. 14b,c gezeigten Aufteilung bzw. Bildung von zwei oder ggf. mehr als zwei kombinierten Laserstrahlen 12a, 12b,... kombiniert werden. Auch in diesem Fall kann die Laserenergie und die Strahlqualität der kohärenten Laserstrahlen 8.1 , 8.2, 8.3 weitgehend erhalten bleiben, d.h. die Verluste liegen selbst bei einer Beugung in die 2. Beugungsordnung lediglich bei ca. 10%. Es versteht sich, dass auch mehr als drei Laserstrahlen 3.1 , 3.2, 3.3 auf die weiter oben beschriebene Weise abgelenkt bzw, aufgeteilt werden können, die von einer
Laserquelle 2 oder ggf. von mehreren kohärenten Laserquellen 2 stammen.
Mit Hilfe der in Fig. 12 gezeigten Vorrichtung 16 kann auch eine gerade Anzahl N von kohärenten Laserstrahlen 3.1, 3.2, ... zu einem kombinierten Laserstrahl 12 kombiniert werden, ohne dass zu diesem Zweck die weiter oben beschriebene
Phasenschiebe-Einrichtung 25 eingesetzt werden muss. Zu diesem Zweck wird ein lateraler Versatz D eingestellt, für den gilt:
D = ± r / (2 N + 1 ), wobei N + 1 die (ungerade) Anzahl der kohärenten Laserstrahlen 3.1 , 3.2, ...
bezeichnet, die mittels der Vorrichtung 16 zu einem kombinierten Laserstrahl 12 kombiniert werden kann. Für den in Fig. 12 gezeigten Abstand d zwischen dem ersten Mikrolinsen-Array 17a und dem zweiten Mikroiinsen-Array 17b gilt in diesem
Fall: d = p2 / (N AL).
Der Abstand d zwischen dem ersten und dem zweiten Mikrolinsen-Array 17a, 17b kann konstant sein. Alternativ kann der Abstand d einstellbar sein. Zu diesem Zweck kann z.B. das zweite Mikrolinsen-Array 17b von einem Schlitten getragen werden, dessen Position in Z-Richtung über eine motorische Verstellmechanik mit Hilfe der programmierbaren Steuerungseinrichtung 15 eingestellt wird, wie dies weiter oben in Zusammenhang mit Fig. 3a, b dargestellt ist.
Für den Fall, dass eine Mehrzahl von Laserstrahlen 3.1.1 bis 3.N.M zweidimensional kombiniert wird, wie dies weiter oben in Zusammenhang mit Fig. 8a-c beschrieben ist, kann bei der in Fig. 8c dargestellten Mikrolinsenanordnung 11 , die zwei Paare von gekreuzten, eindimensionalen Mikrolinsenarrays 17a-d aufweist, die
Bewegungseinrichtung 35 ausgebildet sein, einen lateralen Versatz Dc in X-Richtung und unabhängig davon einen lateralen Versatz Dg in Y-Richtung einzustellen. Zu diesem Zweck kann die Bewegungseinrichtung 35 beispielsweise auf das erste Mikrolinsen-Array 17a einwirken, um dieses in X-Richtung lateral zu versetzen und entsprechend auf das zweite Mikrolinsen-Array 17b, um dieses in Y-Richtung lateral zu versetzen. Auf diese Weise kann die Ablenkung bzw. die Kombination zu zwei Laserstrahlen 12a,b in beiden Richtungen (X, Y) unabhängig voneinander erfolgen.
Für den Fall, dass für die zweidimensionale Kombination der kohärenten
Laserstrahlen 3.1.1 bis 3.N.M zweidimensional strukturierte Mikrolinsen-Arrays 17a, 17b verwendet werden, wie dies in Fig. 8a, b gezeigt ist, ist hingegen keine
unabhängige Einstellung in zwei Richtungen möglich. Wird ein solches
zweidimensional strukturiertes Mikrolinsen-Array, z.B. das erste Mikrolinsen-Array 17a, in einer Richtung (z.B. X-Richtung) lateral versetzt, wird der kombinierte
Laserstrahl 12 auch in der zweiten Richtung (z.B. Y-Richtung) abgelenkt bzw. es werden an Stelle von zwei kombinierten Laserstrahlen 12a,b vier kombinierte
Laserstrahlen gebildet. Zusammenfassend kann auf die weiter oben beschriebene Weise eine kohärente Kombination einer Mehrzahl N von Laserstrahlen 3.1 , .... 3.N mit Hilfe von Standard- Optiken, d.h. - mit Ausnahme des in Fig. 10 gezeigten Beispiels - ohne die
Verwendung von diffraktiven optischen Elementen oder dergleichen erfolgen. Durch eine geeignete Wahl der Brennweiten fa, ft>, fc der Mikrolinsen 20a-c der Mikrolinsen- Arrays 17a-c, ggf. in Kombination mit einer geeigneten Wahl der Brennweite(n) f2, fi von optischen Elementen 19, 21 der Einkoppeloptik 18, sowie durch eine geeignete Wahl der relativen Phasen dfh(c) der Laserstrahlen 3.1 , ..., 3.N kann eine hohe Effizienz bei der kohärenten Kombination zu dem kombinierten Laserstrahl 12 unter gleichzeitiger Erhaltung der Strahlqualität erreicht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (16) zur Kombination einer Mehrzahl N von kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ..., 3.N), umfassend:
mindestens N-1 Phasen-Einstelleinrichtungen (6.1 , ..., 6.N) zur Einstellung einer jeweiligen Phase (dfh) eines der kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ..., 3.N), sowie eine Strahlkombinationseinrichtung (10) zur Kombination der kohärenten
Laserstrahlen (3.1. 3.N) zur Bildung mindestens eines kombinierten
Laserstrahls (12; 12a,b),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Strahlkombinationseinrichtung (10) eine Mikrolinsenanordnung (11 ) mit mindestens zwei Mikrolinsen-Arrays (17a, b; 17a-c) zur Bildung des mindestens einen kombinierten Laserstrahls (12, 12a,b) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei welcher die kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ....
3.N) und die Mikrolinsenanordnung (11 ) die folgende Bedingung erfüllen:
N = p 2 / (AL fE), wobei N die Anzahl der kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ..., 3.N), p einen
Rasterabstand der Mikrolinsen (20a, b; 20a-c) eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays (17a, b; 17a-c), AL die Laserwellenlänge und fE die Brennweite der
Mikrolinsenanordnung (11 ) bezeichnen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Mikrolinsenanordnung (11 ) mindestens drei Mikrolinsen-Arrays (17a-c) aufweist und zur Einstellung ihrer Brennweite (fE) ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die Mikrolinsenanordnung (11 )
ausgebildet ist, zur Einstellung ihrer Brennweite (fE) einen Abstand (di, d2) zwischen mindestens einem ersten Mikrolinsen-Array (17a, 17b) und einem zweiten Mikrolinsen-Array (17b, 17c) zu verändern.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Bewegungseinrichtung (35) zur Erzeugung eines bevorzugt einstellbaren lateralen Versatzes (D) zwischen mindestens einem ersten Mikrolinsen-Array (17a) und mindestens einem zweiten Mikrolinsen-Array (17b) der
Mikrolinsenanordnung (11 ).
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das erste und das zweite Mikrolinsen-Array (17a,b) zur Bildung von zwei kombinierten Laserstrahlen (12a, b) einen lateralen Versatz D aufweisen, für den gilt:
D = ± p / (2 N), wobei N die Anzahl der kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ..., 3.N) und p einen Rasterabstand der Mikrolinsen (20a, b; 20a-c) eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays (17a, b; 17a-c) bezeichnen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher das erste und das zweite Mikrolinsen-Array (17a,b) zur Kombination einer geraden Anzahl N von kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ..., 3.N) zu einem kombinierten Laserstrahl (12) einen lateralen Versatz D aufweisen, für den gilt:
D = ± r / (2 N + 1 ), wobei N die Anzahl der kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ..., 3.N) und p einen Rasterabstand der Mikrolinsen (20a, b; 20a-c) eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays (17a, b) bezeichnen, und
wobei für einen bevorzugt einstellbaren Abstand d zwischen dem ersten
Mikrolinsen-Array (17a) und dem zweiten Mikrolinsen-Array (17b) gilt: d = p2 / (N AL), wobei AL die Laserwellenlänge bezeichnet.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher das erste und das zweite Mikrolinsen-Array (17a,b) zur Bildung eines in eine von Null verschiedene Beugungsordnung B gebeugten kombinierten Laserstrahls (12) einen lateralen Versatz D aufweisen, für den gilt:
D = p / N B, wobei N die Anzahl der kohärenten Laserstrahlen (3.1. 3.N) und p einen
Rasterabstand der Mikrolinsen (20a, b; 20a-c) eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays (17a, b; 17a-c) bezeichnen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine
Einkoppeloptik (18) zur Einkopplung der kohärenten Laserstrahlen (3.1. 3.N) in die Mikrolinsenanordnung (11 ), wobei die Einkoppeloptik (18) bevorzugt ausgebildet ist, benachbarte kohärente Laserstrahlen (3.1 , 3.2; 3.2, 3.3) mit einer vorgegebenen Winkeldifferenz dq in die Mikrolinsenanordnung (11 ) einzukoppeln, für die gilt: dq = AL / p, wobei AL die Laserwellenlänge und p einen Rasterabstand der Mikrolinsen (20a, b; 20a-c) eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays (17a, b; 17a-c) bezeichnen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die Einkoppeloptik (18) mindestens eine Fokussiereinrichtung, insbesondere mindestens eine Fokussierlinse (19), zur Fokussierung der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ..., 3.N) auf die Mikrolinsenanordnung (11 ) aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher die Einkoppeloptik (18) zur Korrektur einer Phasenfront (dfh(c)) der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ..., 3.N) mindestens eine weitere abbildende Optik, insbesondere mindestens eine weitere Linse (21 , 21a, b), umfasst.
12. Lasersystem (1 ), umfassend:
mindestens eine Laserquelle (2) zur Erzeugung der Mehrzahl (N) von kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ..., 3.N), eine Mehrzahl von Emissionsflächen (8.1 , ..., 8.N) zur Emission der Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (3.1. .... 3.N), sowie eine Vorrichtung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur
Kombination der Mehrzahl (N) von kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ..., 3.N) zu einem kombinierten Laserstrahl (12).
13. Lasersystem nach Anspruch 12, bei welcher die emittierten kohärenten
Laserstrahlen (3.1 , ..., 3.N) ein gauß-förmiges Strahlprofil, ein Donought-förmiges Strahlprofil oder ein Top-Hat Strahlprofil aufweisen.
14. Lasersystem nach Anspruch 12 oder 13, weiter umfassend: eine
Steuerungseinrichtung (15), die ausgebildet ist, die Brennweite (fe) der
Mikrolinsenanordnung (11) in Abhängigkeit von der Anzahl N der emittierten kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ..., 3.N) einzustellen.
15. Lasersystem nach Anspruch 14, bei dem ein Abstand (L2) zwischen der
Fokussiereinrichtung (19) und der Mikrolinsenanordnung (11 ) einstellbar ist, und bei dem die Steuerungseinrichtung (15) ausgebildet ist, den Abstand (L2) in Abhängigkeit von der Anzahl N der emittierten kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ..., 3.N) einzustellen.
16. Lasersystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei welcher die
Fokussiereinrichtung (19) im Abstand (L2) ihrer Brennweite f2 von einem ersten Mikrolinsen-Array (17a) der Mikrolinsenanordnung (11 ) angeordnet ist und die Brennweite f2 der Fokussiereinrichtung (19), eine Brennweite fi der weiteren abbildenden Optik (21 ) und eine Brennweite fe der Mikrolinsenanordnung (11) folgende Bedingung erfüllen: fi = - f2 2 / fE.
17. Lasersystem nach Anspruch 16, bei welcher die Brennweite (fi) der weiteren abbildenden Optik (21 ) einstellbar ist und die Steuerungseinrichtung (15) ausgebildet ist, die Brennweite (fi) der weiteren abbildenden Optik (21) in
Abhängigkeit von der Anzahl N der emittierten kohärenten Laserstrahlen (3.1 , .... 3.N) einzustellen.
18. Lasersystem nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei welcher die Phasen- Einstelleinrichtungen (6.1 , ..., 6.N) ausgebildet sind, für den n-ten kohärenten Laserstrahl (3.1 , ..., 3.N) eine Phase dfh einzustellen, die gegeben ist durch: dfh = - (2 p / AL) ίe (rrin AL / p)2, wobei p einen Rasterabstand der Mikrolinsen (20a, b; 20a-c) eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays (17a, b ; 17a-c), ίe die Brennweite der Mikrolinsenanordnung
(11) und AL die Laserwellenlänge bezeichnen, wobei gilt: mn = - ~^- + n.
19. Lasersystem nach einem der Ansprüche 12 bis 18, bei welchem benachbarte Emissionsflächen (8.1 , ..., 8.N) äquidistant angeordnet sind und bevorzugt einen Abstand dc voneinander aufweisen, der gegeben ist durch dc = AL f2 / p, wobei AL die Laserwellenlänge, f2 die Brennweite der Fokussiereinrichtung (19) und p einen Rasterabstand der Mikrolinsen (20a, b; 20a-c) eines jeweiligen
Mikrolinsen-Arrays (17a, b; 17a-c) bezeichnen.
20. Lasersystem nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei dem benachbarte
Emissionsflächen (8.1 , ..., 8.N) äquidistant auf einem Kreisbogen (25) angeordnet und bevorzugt ausgerichtet sind, benachbarte kohärente Laserstrahlen (3.1 , 3.2; 3.2, 3.3) mit einer vorgegebenen Winkeldifferenz dq in die Mikrolinsenanordnung (11 ) einzukoppeln, für die gilt: dq = AL / p wobei AL die Laserwellenlänge und p einen Rasterabstand der Mikrolinsen (20a, b; 20a-c) eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays (17a, b; 17a-c) bezeichnen.
21. Lasersystem nach einem der Ansprüche 12 bis 20, bei dem die Einkoppeloptik eine strahlformende Optik (18) zur Formung eines jeweiligen kohärenten
Laserstrahls (3.1 , ..., 3.N) mit einem vorgegebenen, insbesondere einstellbaren Divergenz-Winkel (CID) bei der Einkopplung in die Mikrolinsenanordnung (11 ) aufweist oder bildet.
22. Lasersystem nach Anspruch 21 , welches eine gerade Anzahl N von
Emissionsflächen (8.1 , ..., 8.N) aufweist, wobei die strahlformende Optik (18) eine Brennweite f aufweist, die folgende Bedingung erfüllt: f = p2/ AL, wobei AL die Laserwellenlänge und p einen Rasterabstand der Mikrolinsen (20a, b; 20a-c) eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays (17a, b; 17a-c) bezeichnen.
23. Lasersystem nach einem der Ansprüche 12 bis 22, welche eine gerade Anzahl N von Emissionsflächen (8.1 , ..., 8.N) aufweist, wobei die Mikrolinsenanordnung (11 ) eine Phasenschiebe-Einrichtung (25) aufweist, die zur Erzeugung eines konstanten Phasenversatzes von p zwischen Strahlenbündeln (26) der kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ..., 3.N) ausgebildet ist, die benachbarte
Mikrolinsen (20a, b; 20a-c) eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays (17a, b; 17a-c) durchlaufen.
24. Lasersystem nach einem der Ansprüche 12 bis 23, weiter umfassend:
ein erstes, vor der Mikrolinsenanordnung (11 ) angeordnetes
wellenlängendispersives Element, insbesondere ein erstes Beugungsgitter (30), zur spektralen Aufspaltung der kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ..., 3.N) auf mehrere Strahlenbündel (26a-c), welche die Mikrolinsenanordnung (11 ) getrennt durchlaufen, sowie
ein zweites, nach der Mikrolinsenanordnung (11 ) angeordnetes
wellenlängendispersives optisches Element, insbesondere ein zweites
Beugungsgitter (33), zur spektralen Zusammenführung der Strahlenbündel (26a- c) zur Bildung des kombinierten Laserstrahls (12) mit einer Wellenlänge (AL).
25. Lasersystem nach Anspruch 24, bei welchem die Einkoppeloptik (18) eine
Kollimationslinse (31 ) aufweist, die als asphärische Linse ausgebildet ist.
26. Verfahren zum Kombinieren einer insbesondere einstellbaren Anzahl N von
kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ..., 3.N) zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl (12, 12a,b), insbesondere mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend:
Einkoppeln der kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ..., 3.N) in eine
Mikrolinsenanordnung (11), die mindestens zwei Mikrolinsen-Arrays (17a, b; 17a- c) aufweist, sowie Kombinieren der kohärenten Laserstrahlen (3.1 , ..., 3.N) zu dem mindestens einen kombinierten Laserstrahl (12, 12a,b) in der
Mikrolinsenanordnung (11 ).
27. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem eine Brennweite ίe der
Mikrolinsenanordnung (11 ) eingestellt wird, welche die folgende Bedingung erfüllt:
†E = p2 / (AL N), wobei p einen Rasterabstand der Mikrolinsen (20a, b; 20a-c) eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays (17a, b; 17a-c) und AL die Laserwellenlänge bezeichnen.
28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, weiter umfassend:
Einstellen einer Phase dfh des n-ten kohärenten Laserstrahls (3.1 , ..., 3.N), die gegeben ist durch: dfh = - (2 tt / AL) ίe (mn AL / p)2, wobei p einen Rasterabstand der Mikrolinsen (20a, b; 20a-c) eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays (17a, b; 17a-c), ίe die Brennweite der Mikrolinsenanordnung
(11 ) und AL die Laserwellenlänge bezeichnen, wobei gilt:
Figure imgf000053_0001
mn = -
Figure imgf000053_0002
+ n.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, bei welcher das Einkoppeln mitels einer Einkoppeloptik (18) erfolgt, die eine Fokussiereinrichtung (19) aufweist, wobei das Verfahren weiter umfasst:
Einstellen eines Abstands L2 zwischen der Fokussiereinrichtung (19) und der Mikrolinsenanordnung (11 ), der gegeben ist durch:
L2 = f2 - p2 /(N AL), wobei f2 eine Brennweite der Fokussiereinrichtung (19), p einen Rasterabstand der Mikrolinsen (20a, b; 20a-c) eines jeweiligen Mikrolinsen-Arrays (17a, b; 17a-c) und AL die Laserwellenlänge bezeichnen.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 29, bei welcher das Einkoppeln
mitels einer Einkoppeloptik (18) erfolgt, die eine Fokussiereinrichtung (19) und eine weitere abbildende Optik (21 ) aufweist, wobei das Verfahren weiter umfasst: Einstellen einer Brennweite fi der weiteren abbildenden Optik (21 ), die gegeben ist durch: fl = - f22 / ffc, wobei f2 eine Brennweite der Fokussiereinrichtung (19) und fE eine Brennweite der Mikrolinsenanordnung (11 ) bezeichnen.
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021144250A1 (de) * 2020-01-15 2021-07-22 Trumpf Laser Gmbh Vorrichtung, lasersystem und verfahren zur kombination von kohärenten laserstrahlen
DE102020201161A1 (de) 2020-01-31 2021-08-05 Trumpf Laser Gmbh Vorrichtung, Lasersystem und Verfahren zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen
TWI778547B (zh) * 2020-03-30 2022-09-21 德商創浦雷射與系統科技有限公司 光學組件和雷射系統
DE102021207809A1 (de) 2021-07-21 2023-01-26 Trumpf Laser Gmbh Vorrichtung zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen und Lasersystem
DE102021120516A1 (de) 2021-08-06 2023-02-09 Trumpf Laser Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Kombination von Kohärenten Laserstrahlen
WO2023152161A1 (de) 2022-02-14 2023-08-17 Trumpf Laser Gmbh Vorrichtung und verfahren zur kombination von kohärenten laserstrahlen, lasersystem
WO2023152165A1 (de) 2022-02-14 2023-08-17 Trumpf Laser Gmbh Vorrichtung und verfahren zur kombination von kohärenten laserstrahlen, lasersystem
DE102022110720A1 (de) 2022-05-02 2023-11-02 Trumpf Laser Gmbh Lasersystem
DE102022114763A1 (de) 2022-06-13 2023-12-14 Trumpf Laser Gmbh Bearbeitungssystem und Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114072729A (zh) * 2019-07-12 2022-02-18 夏普Nec显示器解决方案株式会社 光源装置、投影仪和光强度分布均匀化方法
US11656528B1 (en) * 2020-08-04 2023-05-23 Lockheed Martin Corporation Nonlinear incoherent combining of pulsed lasers
KR102531850B1 (ko) * 2020-12-09 2023-05-12 엠피닉스 주식회사 양측 비구면 형상의 마이크로 렌즈
CN114061451A (zh) * 2021-11-04 2022-02-18 中国科学院微电子研究所 超精密位置探测光电信号数据拟合方法及其装置
CN116381954B (zh) * 2023-06-05 2023-09-22 河南百合特种光学研究院有限公司 一种高斯转平顶紫外激光整形镜头系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7924894B2 (en) 2008-01-18 2011-04-12 Northrop Grumman Systems Corporation Digital piston error control for high-power laser system employing diffractive optical element beam combiner
US8248700B1 (en) 2008-10-20 2012-08-21 Lockheed Martin Corporation Systems and methods for coherent beam combining of laser arrays
US20120236212A1 (en) * 2010-10-19 2012-09-20 Tatsuo Itoh Optical multiplexing apparatus and projector
US20170201063A1 (en) 2014-05-28 2017-07-13 Thales System for phasing a large number of laser sources

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7088743B2 (en) * 2004-03-15 2006-08-08 Northrop Grumman Corp. Laser source comprising amplifier and adaptive wavefront/polarization driver
EP1734771A1 (de) 2005-06-14 2006-12-20 SONY DEUTSCHLAND GmbH Beleuchtungsoptik, Beleuchtungseinheit und Bilderzeugungseinheit
DE102006047941B4 (de) * 2006-10-10 2008-10-23 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zur Homogenisierung von Strahlung mit nicht regelmäßigen Mikrolinsenarrays
US7733930B2 (en) * 2007-04-10 2010-06-08 Northrop Grumman Systems Corporation Error control for high-power laser system employing diffractive optical element beam combiner with tilt error control
DE102007039019A1 (de) * 2007-07-03 2009-01-15 Diehl Bgt Defence Gmbh & Co. Kg Vorrichtung zum Schwenken eines optischen Strahls
US7756169B2 (en) * 2008-01-23 2010-07-13 Northrop Grumman Systems Corporation Diffractive method for control of piston error in coherent phased arrays
JP2009294249A (ja) * 2008-06-02 2009-12-17 Toshiba Corp 照明装置、照明方法、表示装置及び加工装置
DE102008027231B4 (de) * 2008-06-06 2016-03-03 Limo Patentverwaltung Gmbh & Co. Kg Vorrichtung zur Strahlformung
TWI406008B (zh) * 2009-06-25 2013-08-21 Nat Univ Tsing Hua 雙面微透鏡陣列、雷射光束整型均化裝置及雷射光源系統
IL206143A (en) * 2010-06-02 2016-06-30 Eyal Shekel Coherent optical amplifier
US8792526B2 (en) * 2012-05-24 2014-07-29 Northrop Grumman Systems Corporation Coherent laser array control system and method
CN203149208U (zh) * 2012-12-30 2013-08-21 北京工业大学 准分子激光整形均束装置
JP6783545B2 (ja) * 2016-04-19 2020-11-11 キヤノン株式会社 照明装置及びこれを用いた投射型表示装置
US20180269648A1 (en) * 2017-03-19 2018-09-20 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Generation of arbitrary time-space distribution phase-coherent discretized laser beams
US11296477B2 (en) * 2019-05-01 2022-04-05 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Systems, apparatuses and methods for coherent beam combining of fiber laser beams with broadened linewidth

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7924894B2 (en) 2008-01-18 2011-04-12 Northrop Grumman Systems Corporation Digital piston error control for high-power laser system employing diffractive optical element beam combiner
US8248700B1 (en) 2008-10-20 2012-08-21 Lockheed Martin Corporation Systems and methods for coherent beam combining of laser arrays
US20120236212A1 (en) * 2010-10-19 2012-09-20 Tatsuo Itoh Optical multiplexing apparatus and projector
US20170201063A1 (en) 2014-05-28 2017-07-13 Thales System for phasing a large number of laser sources

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M. ZIMMERMANN ET AL.: "Refractive Micro-optics for Multi-spot and Multi-line Generation", PROCEEDINGS OF LPM2008-THE 9TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON LASER PRECISION MICROFABRICATION

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021144250A1 (de) * 2020-01-15 2021-07-22 Trumpf Laser Gmbh Vorrichtung, lasersystem und verfahren zur kombination von kohärenten laserstrahlen
DE102020201161A1 (de) 2020-01-31 2021-08-05 Trumpf Laser Gmbh Vorrichtung, Lasersystem und Verfahren zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen
WO2021151795A1 (de) 2020-01-31 2021-08-05 Trumpf Laser Gmbh Vorrichtung, lasersystem und verfahren zur kombination von kohärenten laserstrahlen
CN115039017A (zh) * 2020-01-31 2022-09-09 通快激光有限责任公司 用于组合相干激光射束的设备、激光系统和方法
TWI778547B (zh) * 2020-03-30 2022-09-21 德商創浦雷射與系統科技有限公司 光學組件和雷射系統
DE102021207809A1 (de) 2021-07-21 2023-01-26 Trumpf Laser Gmbh Vorrichtung zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen und Lasersystem
DE102021120516A1 (de) 2021-08-06 2023-02-09 Trumpf Laser Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Kombination von Kohärenten Laserstrahlen
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