WO2023011826A1 - Vorrichtung und verfahren zur kombination von kohärenten laserstrahlen - Google Patents

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WO2023011826A1
WO2023011826A1 PCT/EP2022/068673 EP2022068673W WO2023011826A1 WO 2023011826 A1 WO2023011826 A1 WO 2023011826A1 EP 2022068673 W EP2022068673 W EP 2022068673W WO 2023011826 A1 WO2023011826 A1 WO 2023011826A1
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laser beams
coherent laser
waveguide device
end region
cores
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PCT/EP2022/068673
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Maike PROSSOTOWICZ
Aleksander BUDNICKI
Alexander Killi
Florian Jansen
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Trumpf Laser Gmbh
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
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    • H01S3/2383—Parallel arrangements

Definitions

  • the invention relates to a device for combining coherent laser beams, comprising a splitting device for splitting an input laser beam into a plurality of coherent laser beams, a phase adjustment device for adjusting a respective phase of the coherent laser beams, and a waveguide device which has a plurality of cores for conducting a respective coherent laser beam , each of the coherent laser beams being assigned a mode field diameter with which it propagates through a respective core.
  • the invention also relates to a method for combining coherent laser beams, in which an input laser beam is divided into a plurality of coherent laser beams by means of a splitting device, the coherent laser beams are passed through a waveguide device having a plurality of cores, with a coherent laser beam being passed through a respective core and wherein each of the coherent laser beams is assigned a mode field diameter with which it propagates through the respective core, and in which a respective phase of the coherent laser beams is adjusted by means of a phase adjustment device.
  • WO 2020/016336 A1 discloses a device for combining a plurality of coherent laser beams, comprising a plurality of phase adjustment devices for adjusting 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 combined laser beam, wherein the beam combination device has a microlens arrangement with at least two microlens arrays for forming the at least one combined laser beam.
  • a fiber amplifier system with high peak power is known from EP 2 248 233 B1.
  • the invention is based on the object of providing a device mentioned at the outset and a method mentioned at the outset, by means of which a combination of coherent laser beams can be implemented with increased combination efficiency and/or a more compact optical structure.
  • the waveguide device is formed in an end region of the waveguide device to increase the mode field diameter of the respective coherent laser beams.
  • the coherent laser beams can be coupled out at an output of the waveguide device with an increased fill factor.
  • the decoupling of the coherent laser beams with an increased fill factor brings about a reduction in a spatial extent and/or in a cross section of an envelope of the coherent laser beams that are coupled out.
  • this enables a spatially compact design of a combination device for combining the coupled-out coherent partial beams.
  • diffractive optical elements and/or microlens arrays provided for combining the coherent partial beams can be made compact.
  • the solution according to the invention makes it possible to increase the fill factor of the coupled-out coherent laser beams without additional collimation lenses.
  • coherent laser beams coupled out of the waveguide device according to the "tiled-aperture” principle or the “filled-aperture” principle or a combination of the "tiled-aperture” principle and the “filled-aperture” principle can be combined.
  • the decoupled coherent laser beams are superimposed in the far field.
  • the decoupled coherent laser beams are superimposed in the near field, for example behind a combination device such as a diffractive optical element.
  • the increased fill factor enables a combination of the coherent laser beams with increased combination efficiency, particularly in the "tiled aperture" principle.
  • coherent laser beams coupled out of the waveguide device can be combined by means of near-field overlapping and/or according to the "tiled aperture” principle.
  • the waveguide device has an output positioned in the end region for decoupling the coherent laser beams from the waveguide device.
  • the output is positioned at one end of the waveguide device, this end being in particular an end in the longitudinal direction of the waveguide device and/or in the main direction of propagation of the coherent laser beams.
  • the mode field diameter is increased towards the output of the waveguide device and is increased in particular monotonically or approximately monotonically.
  • the end region of the waveguide device is designed in such a way that propagation of the coherent laser beams causes the mode field diameter to increase.
  • the mode field diameter is constant at least in sections and/or does not increase.
  • the mode field diameter is constant and/or does not increase in a section adjacent to the exit.
  • a respective core diameter of the cores is increased in the end region and/or if a respective core diameter of the cores is greatest at an output of the waveguide device for coupling out the coherent laser beams located in the end region. This makes it possible to increase the fill factor with which the coherent laser beams are coupled out.
  • the respective core diameter is increased towards the output of the waveguide device and is in particular increased monotonically or approximately monotonically.
  • the core diameter is constant and/or does not increase in a section adjacent to the exit.
  • a center distance between adjacent cores is constant and, in particular, is constant in the end area.
  • a constant center-to-center spacing of the cores, in conjunction with an increase in the mode field diameter and/or the core diameter, causes an increase in the filling factor.
  • Waveguide device in the end region and / or at the output of
  • Waveguide device and/or in one adjacent to the output Section of the end region are oriented at least approximately parallel to each other.
  • the cores are oriented at least approximately parallel to one another is to be understood in particular to mean that the respective longitudinal center axes of the cores are oriented at least approximately parallel to one another.
  • the stated object is also achieved according to the invention in that a center distance between adjacent cores is reduced in an end region of the waveguide device.
  • This variant according to the invention of the device for combining coherent laser beams has in particular one or more features and/or advantages of the variant described above.
  • the pitch of adjacent cores is monotonically reduced towards the output.
  • an increase in the fill factor can be realized in the end area.
  • an overlap and/or a combination of the coherent laser beams can then be realized in the end region and in particular at an output of the waveguide device.
  • the respective core diameter of the cores is reduced in the end region and/or that the respective core diameter of the cores is smallest at an output of the waveguide device for coupling out the coherent laser beams located in the end region.
  • a reduction in the center-to-center spacing of the cores in the end area is usually accompanied by a reduction in the core diameter in the end area when implemented using geometric fiber taping.
  • the respective core diameter of the cores is reduced towards the outlet and in particular is reduced monotonically or approximately monotonically. It can be favorable if the cores in the end area are arranged so as to converge and/or converge toward an output of the waveguide device located in the end area for coupling out the coherent laser beams. As a result, the fill factor with which the coherent laser beams are coupled out of the waveguide device can be increased. In addition, this allows an overlap and/or a combination of the coherent laser beams to be implemented at the output of the waveguide device.
  • the waveguide device is produced by taping in the end region.
  • a waveguide device can be formed with the features and/or advantages mentioned above.
  • taper is to be understood in particular as fiber taper and/or a drawing out of fibers.
  • a reduction in the center-to-center distance and/or the core diameter of cores located in the end region can be brought about, for example, by geometric taper.
  • Diffusion tapers can be used, for example, to increase the diameter of cores with, in particular, an at least approximately constant center-to-center distance between the cores in the end region.
  • the waveguide device has a jacket in which the cores are embedded and in particular all cores of the waveguide device are embedded.
  • the cladding is a common cladding for all cores of the waveguide device.
  • the waveguide device is designed as a multi-core fiber.
  • the cladding of the waveguide device is also referred to in particular as a cladding. It can be advantageous if the coherent laser beams are coupled out with a filling factor of at least 25% and preferably at least 80% and particularly preferably at least 90% at an output of the waveguide device located in the end region. As a result, the coherent laser beams can be combined with a high combination efficiency.
  • the coherent laser beams are coupled out at an output of the waveguide device in the end region with a fill factor that is greater than a fill factor with which the coherent laser beams are coupled into the waveguide device.
  • the end region of the waveguide device has a length of at most 50 cm and preferably at most 10 cm and preferably at most 5 cm and preferably at most 2 cm and preferably at most 1 cm.
  • the end area of the waveguide device has a length of at least 1 mm and preferably at least 5 mm.
  • the length of the end region of the waveguide device is less than 50% and preferably less than 10% and particularly preferably less than 5% of the overall length of the waveguide device.
  • the waveguide device has a plurality of individual waveguides or is formed from a plurality of individual waveguides, with each individual waveguide in particular having a core and a cladding assigned to the core.
  • a single waveguide is to be understood in particular as a waveguide with a single core.
  • the individual waveguides of the waveguide device are oriented parallel to one another, at least in sections.
  • the individual waveguides of the waveguide device are arranged adjacent to one another and/or abutting and/or adjoining one another, with the respective jackets of the individual waveguides being arranged adjacent to one another and/or abutting and/or adjoining one another.
  • the individual waveguides of the waveguide device are implemented on a "photonically integrated chip" (PIC).
  • PIC photonically integrated chip
  • the sub-structure in which a large part of the optical field is concentrated is referred to as the core.
  • the individual waveguide is designed as a strip, wire or slot waveguide.
  • the fact that the amplification device is integrated into the waveguide device means in particular that the amplification device is part of the waveguide device and/or that the coherent laser beams are amplified when they are passed through the waveguide device.
  • a cladding area of the waveguide device and in particular an inner cladding area of the waveguide device is assigned to the amplification device.
  • pumped light for amplifying the coherent laser beams is guided through this cladding region during operation of the device.
  • the device is a combination device for combining coherent signals coupled out of the waveguide device Has laser beams.
  • the waveguide device Has laser beams.
  • at least one combined laser beam can be formed from the decoupled coherent laser beams.
  • the combination device comprises at least one diffractive optical element, the at least one diffractive optical element comprising a grating structure with a periodic pattern, for example.
  • the at least one diffractive optical element comprising a grating structure with a periodic pattern, for example.
  • a combination of the coherent laser beams according to the “filled aperture” principle can be implemented as a result.
  • the combination device comprises at least one microlens array for combining the coherent laser beams.
  • a combination of the coherent laser beams according to the "mixed-aperture" principle can thereby be implemented, for example.
  • the coherent laser beams coupled out of the waveguide device may be combined into at least one combined laser beam without a combination device.
  • the coherent laser beams are decoupled from the waveguide device in such a way that they are combined by propagation in the far field to form at least one combined laser beam ("tiled aperture" principle).
  • At least one lens element can be provided for imaging coherent laser beams coupled out of the waveguide device into at least one combined laser beam.
  • a combination of the coherent laser beams according to the "tiled-aperture" principle can thereby be implemented, for example.
  • the waveguide device is set up and configured such that the coherent laser beams are or can be combined by interference when or after they are coupled out of the waveguide device and in particular are or can be combined to form at least one combined laser beam.
  • a coherent laser beam is coupled into a respective core of the waveguide device by means of the splitting device.
  • the input laser beam is, for example, a continuous wave laser beam or a pulsed laser beam and in particular an ultrashort pulse laser beam.
  • the phase adjustment device is designed to adjust a respective phase of the coherent laser beams and/or a respective phase shift between the coherent laser beams.
  • the phase adjustment device comprises a plurality of phase adjustment elements, one phase adjustment element being assigned to one of the coherent laser beams.
  • one phase adjustment element being assigned to one of the coherent laser beams.
  • there are at least N-1 phase adjustment elements there are at least N-1 phase adjustment elements, each phase adjustment element being associated with one of the N-1 laser beams.
  • the method according to the invention has one or more features and/or advantages of the devices according to the invention.
  • the method according to the invention can be carried out using the devices according to the invention or is carried out using the devices according to the invention.
  • the mode field diameter of the respective coherent laser beams is increased by propagation or during propagation of the coherent laser beams through the waveguide device and in particular through the end region of the waveguide device.
  • propagation of the coherent laser beams through the waveguide device and in particular through the end region of the waveguide device increases a fill factor with which the coherent laser beams are coupled out at an output of the waveguide device.
  • the coherent laser beams converge and/or converge in the end area.
  • the terms “at least approximately” or “approximately” generally mean a deviation of at most 10%. Unless otherwise stated, the terms “at least approximately” or “approximately” mean in particular that an actual value and/or distance and/or angle deviates by no more than 10% from an ideal value and/or distance and/or angle .
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for combining a plurality of coherent laser beams
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional representation of a first embodiment of a waveguide device, which is designed as a multi-core fiber; 4 shows a schematic cross-sectional representation of a further embodiment of a waveguide device which is formed from a plurality of individual waveguides;
  • FIG. 5 shows a schematic cross-sectional illustration of a further embodiment of a waveguide device, wherein cores of the waveguide device are converging in an end region;
  • 6a shows a combination element designed as a diffractive optical element for combining beams coupled out of the waveguide device
  • 6b shows a lens element for focusing beams coupled out of the waveguide device
  • 6c shows a combination element designed as a microlens array for combining beams coupled out of the waveguide device.
  • the device 100 can be used to combine a plurality of mutually coherent laser beams 102 into a combined laser beam 104 .
  • the device 100 can be used to carry out a coherent beam combination of the respective coherent laser beams 102 (coherent beam combining).
  • a laser source 106 is used to provide an input laser beam 108 for coupling into the device 100 .
  • the device 100 includes in particular a splitting device 110 by means of which the input laser beam 108 is split into a plurality of coherent laser beams 102 .
  • a splitting device 110 by means of which the input laser beam 108 is split into a plurality of coherent laser beams 102 .
  • three coherent laser beams 102a, 102b and 102c are shown in FIG.
  • the coherent laser beams 102 have the same properties, such as the same wavelength and/or the same repetition rate and/or the same spectrum.
  • the coherent laser beams 102 are guided through a waveguide device 112 of the apparatus 100, the waveguide device 112 having a plurality of cores 114.
  • FIG. The cores 114 are those parts of the waveguide device 112 through which electromagnetic radiation and/or light can be conducted.
  • the waveguide device 112 is designed as an optical waveguide and/or optical fiber cable.
  • the cores 114 are formed in particular from light-guiding fibers, for example plastic fibers.
  • one of the coherent laser beams 102 is passed through and/or passed through one of the cores 114 .
  • the device 100 comprises, in particular, an amplification device 116, by means of which the coherent laser beams 104 are amplified.
  • the amplifying device 116 is assigned to the waveguide device 112 and/or is part of the waveguide device 112.
  • the amplifying device 116 is integrated into the waveguide device 112.
  • the device 100 comprises a combination device 118 for combining coherent laser beams 102 coupled out of the waveguide device 112.
  • the combined laser beam 104 is formed by combining the coherent laser beams 102 by means of this combination device 118.
  • the device 100 includes a phase adjustment device 120, by means of which a respective phase of the coherent laser beams 102 can be adjusted.
  • a respective phase shift A ⁇ p between the individual coherent laser beams 102 can be set by means of the phase setting device 120 .
  • the phase adjustment device 120 includes, in particular, a plurality of phase adjustment elements 122 for adjusting the respective phase of one of the coherent laser beams 102.
  • a phase adjustment element 122 is assigned to a plurality or all of the coherent laser beams 102.
  • the coherent laser beams 102 coupled out of the waveguide device 112 can be combined by interference to form the combined laser beam 104 by suitable phase adjustment using the phase adjustment device.
  • the pulse trains with envelopes 126a and 126b are each associated with one of the coherent laser beams 102 .
  • Envelope pulse trains 126a and 126b each comprise an oscillating carrier wave 127a and 127b, respectively.
  • the carrier wave 127a or 127b has a central frequency coo.
  • the combined laser beam 104 is formed by superimposing the envelopes 126a, 126b of the pulse trains and their carrier waves 127a, 127b.
  • a combination of the coupled-out coherent laser beams 102 according to the tiled-aperture principle is provided in the device 100 .
  • the coherent laser beams 102 coupled out of the waveguide device 112 can be combined according to the tiled aperture principle.
  • the waveguide device 112 comprises a cladding 128, by which the cores 114 are each surrounded and/or in which the cores 114 are each embedded.
  • the jacket 128 is also referred to as a cladding.
  • cladding 128 is designed as a common cladding for all cores 114 of waveguide device 112 .
  • the cladding 128 is a common cladding in which all cores 114 of the waveguide device 112 are embedded.
  • the waveguide device 112 is designed, for example, as a multi-core fiber.
  • one of the coherent laser beams 102 is passed through each of the cores 114 .
  • the coherent laser beams 102 propagate through the cores 114 each with a specific mode field diameter dm.
  • the mode field diameter dm is to be understood as meaning a transverse distribution of a radiation intensity within a specific core 114 .
  • the mode field diameter dm results from the reduction of the electric and magnetic field strength to the amount of 1/e or from the reduction of the power to the amount of 1/e 2 .
  • the jacket 128 has an inner jacket area 130 and an outer jacket area 132 .
  • the outer cladding region 132 is arranged further outwards and/or at a greater distance from a specific core 114 in the transverse direction 134 than the inner cladding region 130, the transverse direction 134 being oriented transversely and in particular perpendicularly to a respective central longitudinal axis 135 of the cores 114.
  • the cores 114 extend along their respective longitudinal center axis 135.
  • the longitudinal center axis 135 is oriented parallel to a main propagation direction 136 of the coherent laser beam 102 guided through the respective core 114.
  • the respective main directions of propagation 136 of all coherent laser beams 102 guided through the cores 114 are oriented at least approximately parallel to one another in the example shown in FIG. 3 .
  • the inner cladding region 130 adjoins the respective cores 114 and/or adjoins the respective cores 114 in the transverse direction 134 .
  • the outer cladding region 132 limits the waveguide device 112 to the outside.
  • the inner cladding region in the interior of the waveguide device extends in sections between the inner cladding region 130.
  • the outer cladding region 132 forms, for example, a mechanical protective layer and/or an outer protective layer of the waveguide device 112.
  • the inner jacket region 130 is preferably assigned to part of the reinforcement device 116 and/or the reinforcement device 116 .
  • the coherent laser beams 102 are amplified by the inner cladding region 130 as they pass through the cores 114 .
  • pump light for amplifying the coherent laser beams 102 is guided through the inner cladding region 130 during operation of the device 100 .
  • the waveguide device 112 has an input 138 for coupling the coherent laser beams 102 into the waveguide device 112 and an output 140 for coupling the coherent laser beams 102 out of the waveguide device 112 .
  • the outlet 140 is spaced from the inlet 138 parallel to the longitudinal central axis 135 .
  • the input 138 and/or the output 140 are each arranged at one end of the waveguide device 112 .
  • the waveguide device 112 and/or the cores 114 extend between the input 138 and the output 140.
  • the coherent laser beams 102 are coupled into the respective cores 114 at the input 138 and coupled out of the respective cores 114 at the output 140 .
  • waveguide device 112 has a subregion 142 in which a respective core diameter dk of cores 114 is at least approximately constant and, in particular, is at least approximately constant with respect to main propagation direction 136 and/or with respect to a longitudinal direction 135a parallel to longitudinal center axis 135.
  • the partial area 142 extends in the main propagation direction 136 and/or in the longitudinal direction 135a.
  • sub-area 142 adjoins entrance 138 or entrance 138 is in sub-area 142.
  • the waveguide device 112 has an end region 144 in which the core diameter dk of the respective cores 114 varies and varies in particular with respect to the main propagation direction 136 and/or with respect to a longitudinal direction 135a parallel to the longitudinal center axis 135.
  • the partial area 142 extends in the main propagation direction 136 and/or in the longitudinal direction 135a.
  • the end region 144 adjoins the partial region 142, for example in the main propagation direction 136 and/or in the longitudinal direction 135a.
  • the end region 144 is to be understood as an end region of the waveguide device 112 on the output side.
  • the exit 140 is in the end area 144.
  • a length Io of the end area 144 is in the range from millimeters to centimeters, for example.
  • the length Io of the waveguide device 112 is a distance between a position 146 on the waveguide device 112 and the output 140 .
  • the waveguide device 112 extends between this position 146 and the exit 140.
  • the core diameter dk of the respective cores 114 is expanded in the end region 144 towards the outlet 140 .
  • this results in an increase in the mode field diameter dm.
  • this allows the coherent laser beams 102 to be coupled out at the output 140 with a respective mode field diameter dm, which is larger in comparison to the corresponding mode field diameter dm at the input 138.
  • the end region 144 of the waveguide device 112 is produced in particular by taping (also referred to as drawing). With regard to the technical details of tapering the waveguide device 112 to form the end region 144, reference is made to the scientific publication "Tapered singlemode fibers and devices.
  • the end region 144 is produced by diffusion taping.
  • the core diameter dk in the end region 144 can be enlarged.
  • the length Io of the end portion 144 is defined in particular by the adiabatic condition described in the cited scientific publication.
  • the core diameter dk of the respective cores 114 preferably increases in the end region 144 towards the outlet 140 and in particular increases monotonically. Provision can be made for the core diameter dk in the end region 144 to be constant or approximately constant, at least in sections.
  • the core diameter dk is at least approximately constant in a section 148 of the end region 144 adjoining the outlet 140 (indicated in FIG. 3).
  • the section 148 with an at least approximately constant core diameter dk results in particular from the production of the end region 144 by means of tapers.
  • Cores 114 of the waveguide device 112 that are adjacent to one another are each spaced apart from one another by a center distance do, with a spacing direction of the center distance do being oriented in particular parallel to the transverse direction 134 .
  • the center distance do corresponds to a distance between the respective longitudinal center axes 135 of adjacent cores 114.
  • the center distance do between adjacent cores 114 is also referred to as pitch.
  • the respective longitudinal central axes are
  • the coherent laser beams 102 are coupled out with a specific fill factor F at the output 140 of the waveguide device 112 .
  • an increase in the fill factor F of the coherent laser beams 102 to be coupled out results in the end region 144 by increasing the mode field diameter dm at an at least approximately constant center distance do coherent laser beams 102 is greater than the filling factor F of the coherent laser beams 102 coupled in at the input 138.
  • An exemplary embodiment of a waveguide device 112' shown in FIG. 4 differs from the example of waveguide device 112 described above essentially in that the waveguide device 112' is formed from a plurality of individual waveguides 150 and, in particular, is not formed as a multi-core fiber.
  • the waveguide device 112′ is designed in the same way as the waveguide device 112 described above, so that reference is made to its description in this respect.
  • the waveguide device 112' has one or more features and/or advantages of the waveguide device 112 described above.
  • the waveguide device 112′ comprises a plurality of individual waveguides 150 which are each arranged adjacent to and/or adjacent to one another.
  • the respective central longitudinal axes 135 of the cores 114 are in particular oriented at least approximately parallel to one another and, in particular, are oriented at least approximately parallel to one another in the end region 144 .
  • the individual waveguides 150 each include a core 114 and a cladding 128 assigned to the core 114 , the cladding 128 having in particular the inner cladding region 130 and the outer cladding region 132 .
  • the respective claddings 128 and in particular the respective outer cladding regions 132 of the individual waveguides are arranged adjacent to one another and/or adjacent to one another and/or adjacent to one another.
  • the individual waveguides 150 are formed in the end region 144 by taping.
  • the respective core diameters dk of the respective cores 112 of the individual waveguides 150 in the end region 144 are increased towards the outlet 140, with the center distance do between adjacent cores 114 in the end region 144 being kept at least approximately constant. This results in an increase in the fill factor F with which the coherent laser beams 102 are coupled out at the output 140 .
  • An exemplary embodiment of a waveguide device 112" shown in FIG. 5 differs from the exemplary embodiments described above essentially in that the cores 114 of the waveguide device 112" are arranged in the end region 144 so as to converge and/or run towards one another. Otherwise, the waveguide device 112" is designed in the same way as the waveguide devices 112, 112' described above, so that reference is made to their description in this respect.
  • the waveguide device 112'' has one or more features and/or advantages of the waveguide devices 112, 112' described above.
  • the waveguide device 112" is designed as a multi-core fiber.
  • the waveguide device 112" comprises the partial area 142 in which the core diameters dk of the respective cores 114 and/or the respective center distances do of adjacent cores 114 are at least approximately constant in the longitudinal direction 135a.
  • the cores 114 and in particular the respective longitudinal center axes are in the partial area 142 135 adjacent cores 114 are oriented at least approximately parallel to one another.
  • the cores 114 in the tail region 144 converge towards the exit 140, i.e. the cores 114 converge in the tail region 144 towards the exit 140.
  • the respective longitudinal center axes 135 of cores 114 adjacent to one another are angled towards one another in the end region 144 .
  • the respective center-to-center distances do of adjacent cores 114 are reduced in the end region 144 towards the exit 140 .
  • the respective center distances do with respect to the main propagation direction 136 and/or the longitudinal direction 135a are reduced and in particular are monotonically reduced.
  • the respective core diameters dk of the cores 114 are reduced in the end region 144 toward the outlet 140 .
  • the respective core diameters dk are reduced with respect to the main propagation direction 136 and/or the longitudinal direction 135a, and in particular are reduced monotonically.
  • the end region 144 of the waveguide device 112'' is produced by geometric taper. In this way, in particular, a reduction in the center distances do and/or a reduction in the core diameter dk in the end region 144 can be implemented.
  • the coherent laser beams 102 are coupled out at the output 140 with the fill factor F.
  • the reduction in the center distance do of adjacent cores 114 and the reduction in the core diameter dk of the respective cores 114 in the end region 144 are selected such that the fill factor F is increased in the end region 144 .
  • the fill factor F of the coherent laser beams 102 coupled in at the input 138 is smaller than the fill factor F of the coherent laser beams 102 coupled out at the output 140.
  • the coherent laser beams 102 passed through the waveguide device 112, 112', 112'' are combined to form the combined laser beam 104, with a corresponding combination of the coherent laser beams 102 taking place in particular when they are coupled out or after they have been coupled out.
  • the combination device 118 mentioned above can be provided in particular, through which the coherent laser beams 102 coupled out of the output 140 propagate.
  • the combination device 118 is designed as a free jet structure or includes a free jet structure.
  • the combination device 118 includes a diffractive optical element 154 for combining the coherent laser beams 102 (FIG. 6a).
  • a lens element 156 arranged in front of the diffractive optical element 144 in the beam propagation direction is provided, for example.
  • the diffractive optical element 154 is or includes a grating structure with a periodic pattern.
  • the combination device 118 comprises a microlens array 158 for combining the coherent laser beams 102 (FIG. 6c).
  • the coupled-out coherent laser beams 102 to form the combined laser beam 104 to be combined without a combination device 118 .
  • the waveguide device 112, 112′, 112′′ and in particular its end region 144 can be designed such that after decoupling of the coherent laser beams 102 by propagation of the coherent laser beams 102 in the far field, the combined laser beam 104 is formed.
  • a lens element 160 for focusing the decoupled coherent laser beams 102 can be provided in the propagation direction following the exit 140 (FIG. 6b).
  • the coherent laser beams 102 can be combined to form the combined laser beam 104 in the end region 144 and/or at the output 140 of the waveguide device 112".
  • an overlapping of the modes assigned to the coherent laser beams 102 can be achieved.
  • the formation of a "supermode" in the end region 144 and/or at the exit 140 can be achieved by means of this overlap.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen, umfassend eine Aufteilungseinrichtung (110) zur Aufteilung eines Eingangslaserstrahls (108) in mehrere kohärente Laserstrahlen (102), eine Phaseneinstelleinrichtung (120) zur Einstellung einer jeweiligen Phase der kohärenten Laserstrahlen (102), eine Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112''), welche eine Mehrzahl von Kernen (114) zur Durchleitung einesjeweiligen kohärenten Laserstrahls (102) aufweist, und eine Verstärkungseinrichtung (116) zur Verstärkung der durch die Kerne (114) durchgeleiteten kohärenten Laserstrahlen (102), wobei die Verstärkungseinrichtung (116) in die Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112'') integriert ist und wobei jedem der kohärenten Laserstrahlen (102) ein Modenfelddurchmesser (dm) zugeordnet ist, mit welchem er durch einen jeweiligen Kern (114) propagiert. Die Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112'') ist in einem Endbereich (144) der Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112'') zur Vergrößerung des Modenfelddurchmessers (dm) der jeweiligen kohärenten Laserstrahlen (102) ausgebildet.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Kombination von Kohärenten Laserstrahlen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen, umfassend eine Aufteilungseinrichtung zur Aufteilung eines Eingangslaserstrahls in mehrere kohärente Laserstrahlen, eine Phaseneinstelleinrichtung zur Einstellung einer jeweiligen Phase der kohärenten Laserstrahlen, und eine Wellenleitereinrichtung, welche eine Mehrzahl von Kernen zur Durchleitung eines jeweiligen kohärenten Laserstrahls aufweist, wobei jedem der kohärenten Laserstrahlen ein Modenfelddurchmesser zugeordnet ist, mit welchem er durch einen jeweiligen Kern propagiert.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen, bei dem ein Eingangslaserstrahl mittels einer Aufteilungseinrichtung in mehrere kohärente Laserstrahlen aufgeteilt wird, die kohärenten Laserstrahlen durch eine Wellenleitereinrichtung mit einer Mehrzahl von Kernen durchgeleitet werden, wobei durch einen jeweiligen Kern jeweils ein kohärenter Laserstrahl durchgeleitet wird und wobei jedem der kohärenten Laserstrahlen ein Modenfelddurchmesser zugeordnet ist, mit welchem er durch den jeweiligen Kern propagiert, und bei dem eine jeweilige Phase der kohärenten Laserstrahlen mittels einer Phaseneinstelleinrichtung eingestellt wird.
Aus der WO 2020/016336 Al ist eine Vorrichtung zur Kombination einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen bekannt, umfassend mehrere Phasen- Einstelleinrichtungen zur Einstellung einer jeweiligen Phase eines der kohärenten Laserstrahlen, sowie eine Strahlkombinationseinrichtung zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen zur Bildung mindestens eines kombinierten Laserstrahls, wobei die Strahlkombinationseinrichtung eine Mikrolinsenanordnung mit mindestens zwei Mikrolinsen-Arrays zur Bildung des mindestens einen kombinierten Laserstrahls aufweist.
Aus der EP 2 248 233 Bl ist ein Faserverstärkersystem mit hoher Spitzenleistung bekannt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung und ein eingangs genanntes Verfahren bereitzustellen, mittels welchen sich eine Kombination von kohärenten Laserstrahlen mit einer erhöhten Kombinationseffizienz und/oder einem kompakteren optischen Aufbau realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wellenleitereinrichtung in einem Endbereich der Wellenleitereinrichtung zur Vergrößerung des Modenfelddurchmessers der jeweiligen kohärenten Laserstrahlen ausgebildet ist.
Durch die Vergrößerung des Modenfelddurchmessers der kohärenten Laserstrahlen in dem Endbereich der Wellenleitereinrichtung lassen sich die kohärenten Laserstrahlen an einem Ausgang der Wellenleitereinrichtung mit einem erhöhten Füllfaktor auskoppeln.
Die Auskopplung der kohärenten Laserstrahlen mit erhöhtem Füllfaktor bewirkt eine Verringerung einer räumlichen Ausdehnung und/oder eines Querschnitts einer Einhüllenden der ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen. Dies ermöglicht insbesondere eine räumlich kompakte Ausführung einer Kombinationseinrichtung zur Kombination der ausgekoppelten kohärenten Teilstrahlen. Beispielsweise lassen sich dadurch zur Kombination der kohärenten Teilstrahlen vorgesehene diffraktive optische Elemente und/oder Mikrolinsen- Arrays kompakt ausführen.
Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung eine Erhöhung des Füllfaktors der ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen ohne zusätzliche Kollimationslinsen.
Insbesondere sind aus der Wellenleitereinrichtung ausgekoppelte kohärente Laserstrahlen nach dem "tiled-aperture"-Prinzip oder dem "filled-aperture"- Prinzip oder einer Kombination aus dem "tiled-aperture"-Prinzip und dem "filled- aperture"-Prinzip ("mixed-aperture"-Prinzip) kombinierbar. Im Fall des "tiled-aperture"-Prinzips erfolgt eine Überlagerung der ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen im Fernfeld. Beim "filled-aperture"- Prinzip erfolgt eine Überlagerung der ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen im Nahfeld, beispielsweise hinter einer Kombinationseinrichtung wie z.B. einem diffraktiven optischen Element.
Da die räumliche Ausdehnung und/oder der Querschnitt der Einhüllenden der ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen mit zunehmendem Füllfaktor abnehmen, wird durch den erhöhten Füllfaktor insbesondere im beim "tiled- aperture"-Prinzip eine Kombination der kohärenten Laserstrahlen mit erhöhter Kombinationseffizienz ermöglicht.
Insbesondere sind aus der Wellenleitereinrichtung ausgekoppelte kohärente Laserstrahlen mittels Nahfeldüberlappung und/oder nach dem "tiled aperture"- Prinzip kombinierbar.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Wellenleitereinrichtung einen in dem Endbereich positionierten Ausgang zur Auskopplung der kohärenten Laserstrahlen aus der Wellenleitereinrichtung aufweist. Beispielsweise ist der Ausgang an einem Ende der Wellenleitereinrichtung positioniert, wobei dieses Ende insbesondere ein Ende in Längsrichtung der Wellenleitereinrichtung und/oder in Haupt-Propagationsrichtung der kohärenten Laserstrahlen ist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Modenfelddurchmesser in dem Endbereich vergrößert wird, und/oder dass der Modenfelddurchmesser an einem in dem Endbereich liegenden Ausgang der Wellenleitereinrichtung zur Auskopplung der kohärenten Laserstrahlen am größten ist. Es ist dadurch eine Erhöhung des Füllfaktors der aus der Wellenleitereinrichtung ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen realisierbar.
Insbesondere wird der Modenfelddurchmesser zu dem Ausgang der Wellenleitereinrichtung hin vergrößert und insbesondere monoton oder näherungsweise monoton vergrößert. Insbesondere ist der Endbereich der Wellenleitereinrichtung derart ausgebildet, dass eine Propagation der kohärenten Laserstrahlen die Vergrößerung des Modenfelddurchmessers bewirkt.
Es kann vorgesehen sein, dass in dem Endbereich der Wellenleitereinrichtung der Modenfelddurchmesser zumindest abschnittsweise konstant ist und/oder nicht zunimmt. Beispielsweise ist der Modenfelddurchmesser in einem an den Ausgang angrenzenden Abschnitt konstant und/oder nimmt nicht zu.
Vorteilhaft kann es sein, wenn ein jeweiliger Kerndurchmesser der Kerne in dem Endbereich vergrößert wird, und/oder wenn ein jeweiliger Kerndurchmesser der Kerne an einem in dem Endbereich liegenden Ausgang der Wellenleitereinrichtung zur Auskopplung der kohärenten Laserstrahlen am größten ist. Dies ermöglicht eine Erhöhung des Füllfaktors, mit welchem eine Auskopplung der kohärenten Laserstrahlen erfolgt.
Insbesondere wird der jeweilige Kerndurchmesser zu dem Ausgang der Wellenleitereinrichtung hin vergrößert und insbesondere monoton oder näherungsweise monoton vergrößert.
Es kann vorgesehen sein, dass in dem Endbereich der Wellenleitereinrichtung der Kerndurchmesser zumindest abschnittsweise konstant ist und/oder nicht zunimmt. Beispielsweise ist der Kerndurchmesser in einem an den Ausgang angrenzenden Abschnitt konstant und/oder nimmt nicht zu.
Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Mittenabstand zwischen einander benachbarten Kernen konstant ist und insbesondere in dem Endbereich konstant ist. Ein konstanter Mittenabstand der Kerne bewirkt in Verbindung mit einer Vergrößerung des Modenfelddurchmessers und/oder des Kerndurchmessers eine Vergrößerung des Füllfaktors.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Kerne der
Wellenleitereinrichtung in dem Endbereich und/oder an dem Ausgang der
Wellenleitereinrichtung und/oder in einem an den Ausgang angrenzenden Abschnitt des Endbereichs zumindest näherungsweise parallel zueinander orientiert sind.
Darunter, dass die Kerne zumindest näherungsweise parallel zueinander orientiert sind, ist insbesondere zu verstehen, dass jeweilige Längsmittelachsen der Kerne zumindest näherungsweise parallel zueinander orientiert sind.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin dadurch gelöst, dass in einem Endbereich der Wellenleitereinrichtung ein Mittenabstand zwischen einander benachbarten Kernen verringert wird.
Diese erfindungsgemäße Variante der Vorrichtung zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen weist insbesondere ein oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der vorstehend beschriebenen Variante auf.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Mittenabstand benachbarter Kerne zu dem Ausgang hin verringert wird, und/oder dass der Mittenabstand benachbarter Kerne an dem Ausgang am kleinsten ist. Insbesondere wird der Mittenabstand benachbarter Kerne zu dem Ausgang hin monoton verringert.
Durch die Verringerung des Mittenabstands lässt sich in dem Endbereich eine Vergrößerung des Füllfaktors realisieren. Beispielsweise lässt sich dann in dem Endbereich und insbesondere an einem Ausgang der Wellenleitereinrichtung ein Überlapp und/oder eine Kombination der kohärenten Laserstrahlen realisieren.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass in dem Endbereich ein jeweiliger Kerndurchmesser der Kerne verringert wird, und/oder dass ein jeweiliger Kerndurchmesser der Kerne an einem in dem Endbereich liegenden Ausgang der Wellenleitereinrichtung zur Auskopplung der kohärenten Laserstrahlen am kleinsten ist. Beispielsweise geht eine Verringerung des Mittenabstands der Kerne in dem Endbereich bei einer Realisierung durch geometrisches Fasertapern meist mit einer Verringerung des Kerndurchmessers in dem Endbereich einher.
Insbesondere wird der jeweilige Kerndurchmesser der Kerne zu dem Ausgang hin verringert und insbesondere monoton oder näherungsweise monoton verringert. Günstig kann es sein, wenn die Kerne in dem Endbereich zu einem in dem Endbereich liegenden Ausgang der Wellenleitereinrichtung zur Auskopplung der kohärenten Laserstrahlen hin konvergierend und/oder aufeinander zulaufend angeordnet sind. Es lässt sich dadurch eine Vergrößerung des Füllfaktors realisieren, mit welchem die kohärenten Laserstrahlen aus der Wellenleitereinrichtung ausgekoppelt werden. Zudem lässt sich dadurch ein Überlapp und/oder eine Kombination der kohärenten Laserstrahlen an dem Ausgang der Wellenleitereinrichtung realisieren.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Wellenleitereinrichtung in dem Endbereich durch Tapern hergestellt ist. Es lässt sich dadurch insbesondere eine Wellenleitereinrichtung mit den vorstehend genannten Merkmalen und/oder Vorteilen ausbilden.
Unter dem Begriff Tapern ist insbesondere ein Fasertapern und/oder ein Ausziehen von Fasern zu verstehen.
Durch geometrisches Tapern lässt sich beispielsweise eine Verringerung des Mittenabstands und/oder des Kerndurchmessers von in dem Endbereich liegenden Kernen bewirken.
Durch Diffusionstapern lässt sich beispielsweise eine Vergrößerung eines Durchmessers von Kernen bei insbesondere zumindest näherungsweise konstantem Mittenabstand der Kerne in dem Endbereich realisieren.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Wellenleitereinrichtung einen Mantel aufweist, in welchen die Kerne eingebettet sind und insbesondere alle Kerne der Wellenleitereinrichtung eingebettet sind. Insbesondere ist der Mantel ein gemeinsamer Mantel für alle Kerne der Wellenleitereinrichtung. Beispielsweise ist die Wellenleitereinrichtung als Multikernfaser ausgebildet.
Der Mantel der Wellenleitereinrichtung wird insbesondere auch als Cladding bezeichnet. Vorteilhaft kann es sein, wenn an einem in dem Endbereich liegenden Ausgang der Wellenleitereinrichtung die kohärenten Laserstrahlen mit einem Füllfaktor von mindestens 25 % und bevorzugt mindestens 80 % und besonders bevorzugt mindestens 90 % ausgekoppelt werden. Es lassen sich dadurch die kohärenten Laserstrahlen mit einer hohen Kombinationseffizienz kombinieren.
Aus dem gleichen Grund kann es vorteilhaft sein, wenn die kohärenten Laserstrahlen an einem in dem Endbereich liegenden Ausgang der Wellenleitereinrichtung mit einem Füllfaktor ausgekoppelt werden, welcher größer ist als ein Füllfaktor, mit welchem die kohärenten Laserstrahlen in die Wellenleitereinrichtung eingekoppelt werden.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Endbereich der Wellenleitereinrichtung eine Länge von höchstens 50 cm und bevorzugt von höchstens 10 cm und bevorzugt von höchstens 5 cm und bevorzugt von höchstens 2 cm und bevorzugt von höchstens 1 cm aufweist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Endbereich der Wellenleitereinrichtung eine Länge von mindestens 1 mm und bevorzugt mindestens 5 mm aufweist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass eine Länge des Endbereichs der Wellenleitereinrichtung weniger als 50 % und bevorzugt weniger als 10 % und besonders bevorzugt weniger als 5 % einer Gesamtlänge der Wellenleitereinrichtung beträgt.
Bei einer Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die Wellenleitereinrichtung eine Mehrzahl von Einzelwellenleitern aufweist oder aus einer Mehrzahl von Einzelwellenleitern gebildet ist, wobei insbesondere jeder Einzelwellenleiter einen Kern und einen dem Kern zugeordneten Mantel aufweist.
Unter einem Einzelwellenleiter ist insbesondere ein Wellenleiter mit einem einzigen Kern zu verstehen. Insbesondere sind die Einzelwellenleiter der Wellenleitereinrichtung zumindest abschnittsweise parallel zueinander orientiert.
Insbesondere sind die Einzelwellenleiter der Wellenleitereinrichtung zueinander benachbart und/oder aneinander anliegend und/oder aneinander angrenzend angeordnet, wobei insbesondere die jeweiligen Mäntel der Einzelwellenleiter zueinander benachbart und/oder aneinander anliegend und/oder aneinander angrenzend angeordnet sind.
Bei einer Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die Einzelwellenleiter der Wellenleitereinrichtung auf einem "Photonisch integrierten Chip" (PIC) realisiert sind. Unter dem Kern wird hierbei insbesondere die Sub-Struktur bezeichnet, in welchem ein Großteil des optischen Feldes konzentriert ist. Beispielsweise ist der Einzelwellenleiter als Strip-, Wire- oder Slot-Wellenleiter ausgeführt.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Verstärkungseinrichtung zur Verstärkung der durch die Kerne durchgeleiteten kohärenten Laserstrahlen aufweist, wobei die Verstärkungseinrichtung insbesondere in die Wellenleitereinrichtung integriert ist oder der Wellenleitereinrichtung zugeordnet ist.
Darunter, dass die Verstärkungseinrichtung in die Wellenleitereinrichtung integriert ist, ist insbesondere zu verstehen, dass die Verstärkungseinrichtung Teil der Wellenleitereinrichtung ist, und/oder dass die kohärenten Laserstrahlen bei Durchleitung durch die Wellenleitereinrichtung verstärkt werden.
Beispielsweise ist ein Mantelbereich der Wellenleitereinrichtung und insbesondere ein innerer Mantelbereich der Wellenleitereinrichtung der Verstärkungseinrichtung zugeordnet. Beispielsweise wird durch diesen Mantelbereich im Betrieb der Vorrichtung Pumplicht zur Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen geführt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Kombinationseinrichtung zur Kombination von aus der Wellenleitereinrichtung ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen aufweist. Es lässt sich dadurch aus den ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen beispielsweise mindestens ein kombinierter Laserstrahl ausbilden.
Beispielsweise umfasst die Kombinationseinrichtung mindestens ein diffraktives optisches Element, wobei das mindestens eine diffraktive optisches Element beispielsweise eine Gitterstruktur mit periodischem Muster umfasst. Es lässt sich dadurch beispielsweise eine Kombination der kohärenten Laserstrahlen nach dem "filled-aperture"- Prinzip realisieren.
Es kann vorgesehen sein, dass die Kombinationseinrichtung mindestens ein Mikrolinsen-Array zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen umfasst. Es lässt sich dadurch beispielsweise eine Kombination der kohärenten Laserstrahlen nach dem "mixed-aperture"-Prinzip realisieren.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die aus der Wellenleitereinrichtung ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen ohne Kombinationseinrichtung zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl kombiniert werden. Beispielsweise werden die kohärenten Laserstrahlen derart aus der Wellenleitereinrichtung ausgekoppelt, dass diese durch Propagation im Fernfeld zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl kombiniert werden ("tiled-aperture"-Prinzip).
Beispielsweise kann mindestens ein Linsenelement zur Abbildung von aus der Wellenleitereinrichtung ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen in mindestens einen kombinierten Laserstrahl vorgesehen sein. Es lässt sich dadurch beispielsweise eine Kombination der kohärenten Laserstrahlen nach dem "tiled- aperture"-Prinzip realisieren.
Insbesondere ist die Wellenleitereinrichtung derart eingerichtet und ausgebildet, dass die kohärenten Laserstrahlen bei deren oder nach deren Auskopplung aus der Wellenleitereinrichtung durch Interferenz kombiniert werden oder kombinierbar sind und insbesondere zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl kombiniert werden oder kombinierbar sind.
Mittels der Aufteilungseinrichtung wird insbesondere jeweils ein kohärenter Laserstrahl in einen jeweiligen Kern der Wellenleitereinrichtung eingekoppelt. Der Eingangslaserstrahl ist beispielsweise ein Dauerstrichlaserstrahl oder ein gepulster Laserstrahl und insbesondere ein Ultrakurzpulslaserstrahl.
Insbesondere ist die Phaseneinstelleinrichtung zur Einstellung einer jeweiligen Phase der kohärenten Laserstrahlen und/oder einer jeweiligen Phasenverschiebung zwischen den kohärenten Laserstrahlen ausgebildet.
Insbesondere umfasst die Phaseneinstelleinrichtung mehrere Phaseneinstellelemente, wobei ein Phaseneinstellelement einem der kohärenten Laserstrahlen zugeordnet ist. Beispielsweise sind im Fall von N kohärenten Laserstrahlen mindestens N-l Phaseneinstellelemente vorhanden, wobei ein jeweiliges Phaseneinstellelement jeweils einem der N-l Laserstrahlen zugeordnet ist.
Bei dem eingangs genannten Verfahren ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Modenfelddurchmesser der jeweiligen kohärenten Laserstrahlen in einem Endbereich der Wellenleitereinrichtung vergrößert wird.
Es ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen erläuterten Vorteile. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen erläutert.
Insbesondere weist das erfindungsgemäße Verfahren ein oder mehrere Merkmals und/oder Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtungen auf.
Insbesondere lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ausführen oder wird mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ausgeführt.
Günstig kann es sein, wenn der Modenfelddurchmesser der jeweiligen kohärenten Laserstrahlen durch Propagation oder bei Propagation der kohärenten Laserstrahlen durch die Wellenleitereinrichtung und insbesondere durch den Endbereich der Wellenleitereinrichtung vergrößert wird. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass durch Propagation der kohärenten Laserstrahlen durch die Wellenleitereinrichtung und insbesondere durch den Endbereich der Wellenleitereinrichtung ein Füllfaktor vergrößert wird, mit welchem die kohärenten Laserstrahlen an einem Ausgang der Wellenleitereinrichtung ausgekoppelt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die kohärenten Laserstrahlen in dem Endbereich konvergieren und/oder aufeinander zulaufen.
Insbesondere ist unter den Angaben "zumindest näherungsweise" oder "näherungsweise" im Allgemeinen eine Abweichung von höchstens 10 % zu verstehen. Falls nicht anders angegeben, ist unter den Angaben "zumindest näherungsweise" oder "näherungsweise" insbesondere zu verstehen, dass ein tatsächlicher Wert und/oder Abstand und/oder Winkel um höchstens 10 % von einem idealen Wert und/oder Abstand und/oder Winkel abweicht.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Kombination von mehreren kohärenten Laserstrahlen;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Intensitätsprofils von zwei Pulszügen, durch deren Überlagerung ein kombinierter Laserstrahl gebildet wird;
Fig. 3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Wellenleitereinrichtung, welche als Multikernfaser ausgebildet ist; Fig. 4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Wellenleitereinrichtung, welche aus einer Mehrzahl von Einzelwellenleitern ausgebildet ist;
Fig. 5 eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Wellenleitereinrichtung, wobei Kerne der Wellenleitereinrichtung in einem Endbereich konvergierend sind;
Fig. 6a ein als diffraktives optisches Element ausgeführtes Kombinationselement zur Kombination von aus der Wellenleitereinrichtung ausgekoppelten Strahlen;
Fig. 6b ein Linsenelement zur Fokussierung von aus der Wellenleitereinrichtung ausgekoppelten Strahlen; und
Fig. 6c ein als Mikrolinsenarray ausgeführtes Kombinationselement zur Kombination von aus der Wellenleitereinrichtung ausgekoppelten Strahlen.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen ist in Fig. 1 schematisch gezeigt und dort mit 100 bezeichnet. Mittels der Vorrichtung 100 lassen sich mehrere zueinander kohärente Laserstrahlen 102 zu einem kombinierten Laserstrahl 104 kombinierten. Insbesondere lässt sich mittels der Vorrichtung 100 eine kohärente Strahlkombination der jeweiligen kohärenten Laserstrahlen 102 durchführen (coherent beam combining).
Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass mittels einer Laserquelle 106 ein Eingangslaserstrahl 108 zur Einkopplung in die Vorrichtung 100 bereitgestellt wird. Die Vorrichtung 100 umfasst insbesondere eine Aufteilungseinrichtung 110, mittels welcher der Eingangslaserstrahl 108 in mehrere kohärente Laserstrahlen 102 aufgeteilt wird. In Fig. 1 sind beispielsweise drei kohärente Laserstrahlen 102a, 102b und 102c gezeigt.
Die kohärenten Laserstrahlen 102 weisen insbesondere gleiche Eigenschaften auf, wie z.B. eine gleiche Wellenlänge und/oder eine gleiche Repetitionsrate und/oder ein gleiches Spektrum.
Die kohärenten Laserstrahlen 102 werden durch eine Wellenleitereinrichtung 112 der Vorrichtung 100 geführt, wobei die Wellenleitereinrichtung 112 eine Mehrzahl von Kernen 114 aufweist. Die Kerne 114 sind diejenigen Teile der Wellenleitereinrichtung 112, durch welche elektromagnetische Strahlung und/oder Licht durchleitbar ist.
Insbesondere ist die Wellenleitereinrichtung 112 als Lichtwellenleiter und/oder Lichtleitkabel ausgebildet. Die Kerne 114 sind insbesondere aus lichtführenden Fasern, beispielsweise Kunststofffasern, ausgebildet.
Durch einen der Kerne 114 wird im Betrieb der Vorrichtung 100 jeweils einer der kohärenten Laserstrahlen 102 durchgeführt und/oder durchgeleitet.
Die Vorrichtung 100 umfasst insbesondere eine Verstärkungseinrichtung 116, mittels welcher eine Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen 104 erfolgt. Insbesondere ist die Verstärkungseinrichtung 116 der Wellenleitereinrichtung 112 zugeordnet und/oder Teil der Wellenleitereinrichtung 112. Beispielsweise ist die Verstärkungseinrichtung 116 in die Wellenleitereinrichtung 112 integriert.
Zur Kombination von aus der Wellenleitereinrichtung 112 ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen 102 umfasst die Vorrichtung 100 eine Kombinationseinrichtung 118. Mittels dieser Kombinationseinrichtung 118 wird durch Kombination der kohärenten Laserstrahlen 102 der kombinierte Laserstrahl 104 ausgebildet. Insbesondere umfasst die Vorrichtung 100 eine Phaseneinstelleinrichtung 120, mittels welcher eine jeweilige Phase der kohärenten Laserstrahlen 102 einstellbar ist. Mittels der Phaseneinstelleinrichtung 120 lässt sich insbesondere eine jeweilige Phasenverschiebung A<p zwischen den einzelnen kohärenten Laserstrahlen 102 einstellen.
Die Phaseneinstelleinrichtung 120 umfasst insbesondere mehrere Phaseneinstellelemente 122 zur Einstellung der jeweiligen Phase von einem der kohärenten Laserstrahlen 102. Beispielsweise ist mehreren oder allen der kohärenten Laserstrahlen 102 ein Phaseneinstellelement 122 zugeordnet.
Im Fall von N kohärenten Laserstrahlen 102 umfasst die Phaseneinstelleinrichtung 120 beispielsweise N-l oder N Phaseneinstellelemente 122.
Insbesondere lassen sich die aus der Wellenleitereinrichtung 112 ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen 102 durch geeignete Phaseneinstellung mittels der Phaseneinstelleinrichtung durch Interferenz zu dem kombinierten Laserstrahl 104 kombinieren.
In Fig. 2 ist ein zeitliches Intensitätsprofil von zwei Pulszügen gezeigt, welche jeweils eine Einhüllende 126a und 126b aufweisen. Insbesondere sind die Pulszüge mit Einhüllender 126a und 126b jeweils einem der kohärenten Laserstrahlen 102 zugeordnet.
Die Pulszüge mit Einhüllender 126a und 126b umfassen jeweils eine oszillierende Trägerwelle 127a bzw. 127b. Die Trägerwelle 127a bzw. 127b weist eine Zentralfrequenz coo auf.
Durch Überlagerung der Einhüllenden 126a, 126b der Pulszüge und deren Trägerwellen 127a, 127b wird der kombinierte Laserstrahl 104 gebildet.
Mittels der Phaseneinstelleinrichtung 120 lässt sich die Phasenverschiebung A<p der jeweiligen kohärenten Laserstrahlen 102 so einstellen, dass die den jeweiligen kohärenten Laserstrahlen 102 zugeordneten Einhüllenden der Pulszüge 126a, 126b und/oder oszillierenden Trägerwellen 127a, 127b an gleichen zeitlichen Positionen angeordnet sind. Es ergibt sich dadurch eine konstruktive Interferenz der Pulszüge mit Einhüllenden 126a und 126b.
Insbesondere ist bei der Vorrichtung 100 eine Kombination der ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen 102 nach dem tiled-aperture-Prinzip vorgesehen. Insbesondere sind die aus der Wellenleitereinrichtung 112 ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen 102 nach dem tiled-aperture-Prinzip kombinierbar.
Hinsichtlich der technischen Details zur Kombination kohärenter Laserstrahlen wird auf die wissenschaftlichen Veröffentlichungen "Coherent combination of ultrafast fiber amplifiers", Hanna, et al, Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 49(6) (2016), 062004; "Performance scaling of laser amplifiers via coherent combination of ultrashort pulses", Klenke, Mensch und Buch Verlag; "Coherent beam combining with an ultrafast multicore Yb-doped fiber amplifier", Ramirez, et al., Optics Express 23(5), (2015), 5406-5416; und "Highly scalable femtosecond coherent beam combining demonstrated with 19 fibers", Le Dortz, et al., Optics Letters 42(10), (2017), 1887-1890, verwiesen.
Die Wellenleitereinrichtung 112 umfasst einen Mantel 128, von welchem die Kerne 114 jeweils umgeben sind und/oder in welchen die Kerne 114 jeweils eingebettet sind. Der Mantel 128 wird auch als Cladding bezeichnet.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel ist der Mantel 128 als gemeinsamer Mantel für alle Kerne 114 der Wellenleitereinrichtung 112 ausgebildet. Insbesondere ist der Mantel 128 ein gemeinsamer Mantel, in welchen alle Kerne 114 der Wellenleitereinrichtung 112 eingebettet sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist die Wellenleitereinrichtung 112 beispielsweise als Multikernfaser ausgeführt.
Im Betrieb der Vorrichtung 100 ist es vorgesehen, dass durch jeden der Kerne 114 einer der kohärenten Laserstrahlen 102 durchgeführt wird. Die kohärenten Laserstrahlen 102 propagieren durch die Kerne 114 jeweils mit einem bestimmten Modenfelddurchmesser dm. Unter dem Modenfelddurchmesser dm ist eine transversale Verteilung einer Strahlungsstärke innerhalb eines bestimmten Kerns 114 zu verstehen. Beispielsweise ergibt sich der Modenfelddurchmesser dm im Fall einer Gauß'schen Leistungsverteilung aus der Reduzierung der elektrischen und magnetischen Feldstärke auf den Betrag von 1/e bzw. aus der Reduzierung der Leistung auf den Betrag von 1/e2.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Mantel 128 einen inneren Mantelbereich 130 und einen äußeren Mantelbereich 132 aufweist. Der äußere Mantelbereich 132 ist in transversaler Richtung 134 bezüglich einem bestimmten Kern 114 weiter außen und/oder weiter beabstandet angeordnet als der innere Mantelbereich 130, wobei die transversale Richtung 134 quer und insbesondere senkrecht zu einer jeweiligen Längsmittelachse 135 der Kerne 114 orientiert ist.
Insbesondere erstrecken sich die Kerne 114 entlang ihrer jeweiligen Längsmittelachse 135. Insbesondere ist die Längsmittelachse 135 parallel zu einer Haupt-Ausbreitungsrichtung 136 des durch den jeweiligen Kern 114 geführten kohärenten Laserstrahls 102 orientiert.
Die jeweiligen Haupt-Ausbreitungsrichtungen 136 aller durch die Kerne 114 geführten kohärenten Laserstrahlen 102 sind bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel insbesondere zumindest näherungsweise parallel zueinander orientiert.
Insbesondere grenzt der innere Mantelbereich 130 an die jeweiligen Kerne 114 an und/oder schließt sich in transversaler Richtung 134 an die jeweiligen Kerne 114 an.
Insbesondere begrenzt der äußere Mantelbereich 132 die Wellenleitereinrichtung 112 nach außen. Insbesondere erstreckt sich der innere Mantelbereich im Innern der Wellenleitereinrichtung abschnittsweise zwischen dem inneren Mantelbereich 130. Der äußere Mantelbereich 132 bildet beispielsweise eine mechanische Schutzschicht und/oder eine äußere Schutzschicht der Wellenleitereinrichtung 112.
Vorzugsweise ist der innere Mantelbereich 130 Teil der Verstärkungseinrichtung 116 und/oder der Verstärkungseinrichtung 116 zugeordnet. Insbesondere werden die kohärenten Laserstrahlen 102 bei Durchleitung durch die Kerne 114 mittels des inneren Mantelbereich 130 verstärkt.
Beispielsweise wird im Betrieb der Vorrichtung 100 durch den inneren Mantelbereich 130 Pumplicht zur Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen 102 geführt.
Die Wellenleitereinrichtung 112 weist einen Eingang 138 zur Einkopplung der kohärenten Laserstrahlen 102 in die Wellenleitereinrichtung 112 und einen Ausgang 140 zur Auskopplung der kohärenten Laserstrahlen 102 aus der Wellenleitereinrichtung 112 auf. Der Ausgang 140 ist zu dem Eingang 138 parallel zur Längsmittelachse 135 beabstandet.
Insbesondere sind der Eingang 138 und/oder der Ausgang 140 jeweils ein einem Ende der Wellenleitereinrichtung 112 angeordnet. Insbesondere erstrecken sich die Wellenleitereinrichtung 112 und/oder die Kerne 114 zwischen dem Eingang 138 und dem Ausgang 140.
Insbesondere werden die kohärenten Laserstrahlen 102 an dem Eingang 138 in die jeweiligen Kerne 114 eingekoppelt und an dem Ausgang 140 aus den jeweiligen Kernen 114 ausgekoppelt.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Wellenleitereinrichtung 112 einen Teilbereich 142 auf, in welchem ein jeweiliger Kerndurchmesser dk der Kerne 114 zumindest näherungsweise konstant ist und insbesondere bezüglich der Haupt-Ausbreitungsrichtung 136 und/oder bezüglich einer zur Längsmittelachse 135 parallelen Längsrichtung 135a zumindest näherungsweise konstant ist. Insbesondere erstreckt sich der Teilbereich 142 in der Haupt- Ausbreitungsrichtung 136 und/oder in der Längsrichtung 135a. Beispielsweise schließt sich der Teilbereich 142 an den Eingang 138 an oder der Eingang 138 liegt in dem Teilbereich 142.
Die Wellenleitereinrichtung 112 weist einen Endbereich 144 auf, in welchem der Kerndurchmesser dk der jeweiligen Kerne 114 variierend ist und insbesondere bezüglich der Haupt-Ausbreitungsrichtung 136 und/oder bezüglich einer zur Längsmittelachse 135 parallelen Längsrichtung 135a variierend ist. Insbesondere erstreckt sich der Teilbereich 142 in der Haupt-Ausbreitungsrichtung 136 und/oder in der Längsrichtung 135a.
Der Endbereich 144 schließt sich beispielsweise in der Haupt- Ausbreitungsrichtung 136 und/oder in der Längsrichtung 135a an den Teilbereich 142 an.
Insbesondere ist unter dem Endbereich 144 ein ausgangsseitiger Endbereich der Wellenleitereinrichtung 112 zu verstehen. Beispielsweise liegt der Ausgang 140 in dem Endbereich 144.
Eine Länge Io des Endbereichs 144 liegt beispielsweise im Bereich von Millimetern bis Zentimetern. Insbesondere ist unter der Länge Io der Wellenleitereinrichtung 112 ein Abstand zwischen einer Position 146 an der Wellenleitereinrichtung 112 und dem Ausgang 140 zu verstehen. Insbesondere erstreckt sich die Wellenleitereinrichtung 112 zwischen dieser Position 146 und dem Ausgang 140.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Kerndurchmesser dk der jeweiligen Kerne 114 in dem Endbereich 144 zu dem Ausgang 140 hin erweitert. In dem Endbereich 144 ergibt sich dadurch eine Vergrößerung des Modenfelddurchmessers dm. Insbesondere lassen sich dadurch die kohärenten Laserstrahlen 102 an dem Ausgang 140 mit einem jeweiligen Modenfelddurchmesser dm auskoppeln, welcher im Vergleich zu dem korrespondierenden Modenfelddurchmesser dm an dem Eingang 138 vergrößert ist. Der Endbereich 144 der Wellenleitereinrichtung 112 ist insbesondere durch Tapern (auch als Ausziehen bezeichnet) hergestellt. Hinsichtlich der technischen Details zum Tapern der Wellenleitereinrichtung 112 zur Ausbildung des Endbereichs 144 wird auf die wissenschaftliche Veröffentlichung "Tapered singlemode fibres and devices. Part 1 : Adiabaticity criteria" von J.D. Love et al., IEE Proceedings J (Optoelectronics), Volume 138, Issue 5, October 1991, p. 343 - 354, DOI : 10.1049/ip-j.1991.0060, Print ISSN 0267-3932, Online ISSN 2053- 9088 Bezug genommen.
Insbesondere ist der Endbereich 144 durch Diffusionstapern hergestellt. Es lässt sich dadurch eine Vergrößerung des Kerndurchmessers dk in dem Endbereich 144 realisieren.
Die Länge Io des Endbereichs 144 ist insbesondere über die in der genannten wissenschaftlichen Veröffentlichung beschriebene adiabatische Bedingung definiert.
Vorzugsweise nimmt der Kerndurchmesser dk der jeweiligen Kerne 114 in dem Endbereich 144 zu dem Ausgang 140 hin zu und insbesondere monoton zu. Es kann vorgesehen sein, dass der Kerndurchmesser dk in dem Endbereich 144 zumindest abschnittsweise konstant oder näherungsweise konstant ist.
Beispielsweise ist der Kerndurchmesser dk in einem an den Ausgang 140 angrenzenden Abschnitt 148 des Endbereichs 144 zumindest näherungsweise konstant (angedeutet in Fig. 3). Der Abschnitt 148 mit zumindest näherungsweise konstantem Kerndurchmesser dk ergibt sich insbesondere durch Herstellung des Endbereichs 144 mittels Tapern.
Zueinander benachbarte Kerne 114 der Wellenleitereinrichtung 112 sind jeweils mit einem Mittenabstand do zueinander beabstandet, wobei eine Abstandsrichtung des Mittenabstands do insbesondere parallel zur transversalen Richtung 134 orientiert ist. Insbesondere entspricht der Mittenabstand do einem Abstand zwischen den jeweiligen Längsmittelachsen 135 einander benachbarter Kerne 114. Der Mittenabstand do einander benachbarter Kerne 114 wird auch als Pitch bezeichnet.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sind die jeweiligen Längsmittelachsen
135 einander benachbarter Kerne 114 zumindest näherungsweise parallel orientiert und/oder der Mittenabstand do einander benachbarter Kerne 114 ist zumindest näherungsweise konstant.
Insbesondere ist der Mittenabstand do bezüglich der Haupt-Ausbreitungsrichtung
136 und/oder der Längsrichtung 135a zumindest näherungsweise konstant und insbesondere in dem Endbereich 144 zumindest näherungsweise konstant.
Die kohärenten Laserstrahlen 102 werden an dem Ausgang 140 der Wellenleitereinrichtung 112 mit einem bestimmten Füllfaktor F ausgekoppelt. Dieser Füllfaktor F ist definiert als Quotient aus Modenfelddurchmesser dm und Mittenabstand do, d. h. es gilt F = dm / do.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ergibt sich in dem Endbereich 144 durch Vergrößerung des Modenfelddurchmessers dm bei zumindest näherungsweise konstantem Mittenabstand do der Kerne 114 eine Vergrößerung des Füllfaktors F der auszukoppelnden kohärenten Laserstrahlen 102. Insbesondere ist der Füllfaktor F der an dem Ausgang 140 ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen 102 größer als der Füllfaktor F der an dem Eingang 138 eingekoppelten kohärenten Laserstrahlen 102.
Ein in Fig. 4 gezeigtes Ausführungsbeispiel einer Wellenleitereinrichtung 112' unterscheidet sich von dem vorstehend beschriebenen Beispiel der Wellenleitereinrichtung 112 im Wesentlichen dadurch, dass die Wellenleitereinrichtung 112' aus einer Mehrzahl von Einzelwellenleitern 150 gebildet ist und insbesondere nicht als Multikernfaser ausgebildet ist.
Ansonsten ist die Wellenleitereinrichtung 112' gleichartig ausgebildet wie die vorstehend beschriebene Wellenleitereinrichtung 112, sodass insoweit auf deren Beschreibung Bezug genommen wird. Insbesondere weist die Wellenleitereinrichtung 112' ein oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der vorstehend beschriebenen Wellenleitereinrichtung 112 auf.
Beispielsweise umfasst die Wellenleitereinrichtung 112' mehrere Einzelwellenleiter 150, welche jeweils zueinander benachbart und/oder aneinander angrenzend angeordnet sind. Jeweilige Längsmittelachsen 135 der Kerne 114 sind insbesondere zumindest näherungsweise parallel zueinander orientiert und insbesondere in dem Endbereich 144 zumindest näherungsweise parallel zueinander orientiert.
Die Einzelwellenleiter 150 umfassen jeweils einen Kern 114 und einen dem Kern 114 zugeordneten Mantel 128, wobei der Mantel 128 insbesondere den inneren Mantelbereich 130 und den äußeren Mantelbereich 132 aufweist.
Insbesondere sind die jeweiligen Mäntel 128 und insbesondere die jeweiligen äußeren Mantelbereiche 132 der Einzelwellenleiter zueinander benachbart und/oder aneinander anliegend und/oder aneinander angrenzend angeordnet.
Insbesondere sind die Einzelwellenleiter 150 in dem Endbereich 144 durch Tapern ausgebildet.
Insbesondere werden die jeweiligen Kerndurchmesser dk der jeweiligen Kerne 112 der Einzelwellenleiter 150 in dem Endbereich 144 zu dem Ausgang 140 hin vergrößert, wobei insbesondere der Mittenabstand do zwischen einander benachbarten Kernen 114 in dem Endbereich 144 zumindest näherungsweise konstant gehalten wird. Es ergibt sich dadurch eine Vergrößerung des Füllfaktors F, mit welchem die kohärenten Laserstrahlen 102 an dem Ausgang 140 ausgekoppelt werden.
Ein in Fig. 5 gezeigtes Ausführungsbeispiel einer Wellenleitereinrichtung 112" unterscheidet sich von den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen im Wesentlichen dadurch, dass die Kerne 114 der Wellenleitereinrichtung 112" in dem Endbereich 144 konvergierend und/oder aufeinander zulaufend angeordnet sind. Ansonsten ist die Wellenleitereinrichtung 112" gleichartig ausgebildet wie die vorstehend beschriebenen Wellenleitereinrichtungen 112, 112', sodass insoweit auf deren Beschreibung Bezug genommen wird.
Insbesondere weist die Wellenleitereinrichtung 112" ein oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der vorstehend beschriebenen Wellenleitereinrichtungen 112, 112' auf.
Beispielsweise ist die Wellenleitereinrichtung 112" als Multikernfaser ausgebildet.
Die Wellenleitereinrichtung 112" umfasst den Teilbereich 142, in welchem die Kerndurchmesser dk der jeweiligen Kerne 114 und/oder die jeweiligen Mittenabstände do benachbarter Kerne 114 in Längsrichtung 135a zumindest näherungsweise konstant sind. Beispielsweise sind in dem Teilbereich 142 die Kerne 114 und insbesondere die jeweiligen Längsmittelachsen 135 benachbarter Kerne 114 zumindest näherungsweise parallel zueinander orientiert.
Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel konvergieren die Kerne 114 in dem Endbereich 144 in Richtung des Ausgangs 140, d.h. die Kerne 114 laufen in dem Endbereich 144 zu dem Ausgang 140 hin aufeinander zu. Insbesondere sind die jeweiligen Längsmittelachsen 135 einander benachbarter Kerne 114 in dem Endbereich 144 zueinander angewinkelt.
Die jeweiligen Mittenabstände do benachbarter Kerne 114 werden in dem Endbereich 144 zu dem Ausgang 140 hin verringert. Insbesondere werden die jeweiligen Mittenabstände do bezüglich der Haupt-Ausbreitungsrichtung 136 und/oder der Längsrichtung 135a verringert und insbesondere monoton verringert.
Die jeweiligen Kerndurchmesser dk der Kerne 114 werden in dem Endbereich 144 zu dem Ausgang 140 hin verringert. Insbesondere werden die jeweiligen Kerndurchmesser dk bezüglich der Haupt-Ausbreitungsrichtung 136 und/oder der Längsrichtung 135a verringert und insbesondere monoton verringert. Beispielsweise ist der Endbereich 144 der Wellenleitereinrichtung 112" durch geometrisches Tapern hergestellt. Es lässt sich dadurch insbesondere eine Verringerung der Mittenabstände do und/oder eine Verringerung des Kerndurchmessers dk in dem Endbereich 144 realisieren.
Aufgrund der Verringerung des Kerndurchmessers dk der jeweiligen Kerne 114 in dem Endbereich 144 ergibt sich in dem Endbereich 144 eine Verringerung des Modenfelddurchmessers dm der durch die jeweiligen Kerne 114 geführten kohärenten Laserstrahlen 102.
Die kohärenten Laserstrahlen 102 werden an dem Ausgang 140 mit dem Füllfaktor F ausgekoppelt. Insbesondere sind die Verringerung des Mittenabstands do benachbarter Kerne 114 und die Verringerung des Kerndurchmessers dk der jeweiligen Kerne 114 in dem Endbereich 144 so gewählt, dass in dem Endbereich 144 der Füllfaktor F erhöht wird. Insbesondere ist der Füllfaktor F der an dem Eingang 138 eingekoppelten kohärenten Laserstrahlen 102 kleiner als der Füllfaktor F der an dem Ausgang 140 ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen 102.
Die durch die Wellenleitereinrichtung 112, 112', 112" durchgeleiteten kohärenten Laserstrahlen 102 werden zu dem kombinierten Laserstrahl 104 kombiniert, wobei eine entsprechende Kombination der kohärenten Laserstrahlen 102 insbesondere bei deren Auskopplung oder nach deren Auskopplung erfolgt.
Zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen 102 kann insbesondere die eingangs genannte Kombinationseinrichtung 118 vorgesehen sein, durch welche die aus dem Ausgang 140 ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen 102 propagieren.
Beispielsweise ist die Kombinationseinrichtung 118 als Freistrahlaufbau ausgeführt oder umfasst einen Freistrahlaufbau.
In den Figuren 6a, 6b und 6c ist jeweils eine Einhüllende 152 der aus der Wellenleitereinrichtung 112 ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen 102 angedeutet. Beispielsweise umfasst die Kombinationseinrichtung 118 ein diffraktives optisches Element 154 zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen 102 (Fig. 6a). Zur Fokussierung der kohärenten Laserstrahlen 102 auf das diffraktive optische Element 154 ist beispielsweise ein in Strahlausbreitungsrichtung vor dem diffraktiven optischen Element 144 angeordnetes Linsenelement 156 vorgesehen.
Beispielsweise ist oder umfasst das diffraktive optische Element 154 eine Gitterstruktur mit periodischen Muster.
Hinsichtlich der technischen Details zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen mittels diffraktiven optischen Elementen wird auf die wissenschaftlichen Veröffentlichungen "Coherent combination of ultrashort pulse beams using two diffractive optics", Zhou et al., Opt. Lett. 42, 4422-4425 (2017) und "Diffractive-optics-based beam combination of a phase-locked fiber laser array", Cheung et al., Opt. Lett. 33, 354-356 (2008) verwiesen.
Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass die Kombinationseinrichtung 118 ein Mikrolinsen-Array 158 zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen 102 umfasst (Fig. 6c).
Hinsichtlich der technischen Details zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen mittels einem oder mehreren Mikrolinsen-Arrays wird auf die WO 2020/016336 Al und auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit Aktenzeichen 10 2020 201 161.3 der gleichen Anmelderin verwiesen. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Kombination der ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen 102 zur Ausbildung des kombinierten Laserstrahls 104 ohne Kombinationseinrichtung 118 erfolgt.
Beispielsweise kann die Wellenleitereinrichtung 112, 112', 112" und insbesondere deren Endbereich 144 so ausgelegt sein, dass nach Auskopplung der kohärenten Laserstrahlen 102 durch Propagation der kohärenten Laserstrahlen 102 im Fernfeld der kombinierte Laserstrahl 104 ausgebildet wird.
Beispielsweise kann in Propagationsrichtung auf den Ausgang 140 folgend ein Linsenelement 160 zur Fokussierung der ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen 102 vorgesehen sein (Fig. 6b).
Im Fall der Wellenleitereinrichtung 112" (Fig. 5) kann es vorgesehen sein, dass eine Kombination der kohärenten Laserstrahlen 102 zur Ausbildung des kombinierten Laserstrahls 104 in dem Endbereich 144 und/oder am Ausgang 140 der Wellenleitereinrichtung 112" erfolgt. Insbesondere lässt sich mittels der Konvergenz der Kerne 114 in dem Endbereich 144 und/oder am Ausgang 140 eine Überlappung der den kohärenten Laserstrahlen 102 zugeordneten Moden erreichen. Insbesondere lässt sich mittels dieser Überlappung die Ausbildung einer "Supermode" in dem Endbereich 144 und/oder am Ausgang 140 erreichen.
Bezugszeichenhste
A<p Phasenverschiebung do Mittenabstand dk Kerndurchmesser dm Modenfelddurchmesser
F Füllfaktor
Io Länge
CÜO Zentralfrequenz
100 Vorrichtung
102 kohärenter Laserstrahl
102a kohärenter Laserstrahl
102b kohärenter Laserstrahl
102c kohärenter Laserstrahl
104 kombinierter Laserstrahl
106 Laserquelle
108 Eingangslaserstrahl
110 Aufteilungseinrichtung
112 Wellenleitereinrichtung
112' Wellenleitereinrichtung
112" Wellenleitereinrichtung
114 Kern
116 Verstärkungseinrichtung
118 Kombinationseinrichtung
120 Phaseneinstelleinrichtung
122 Phaseneinstellelement
126a Pulszug
126b Pulszug
127a Trägerwelle
127b Trägerwelle
128 Mantel
130 innerer Mantelbereich
132 äußerer Mantelbereich
134 transversale Richtung
135 Längsmittelachse a Längsrichtung
Haupt-Ausbreitungsrichtung
Eingang
Ausgang
Teilbereich
Endbereich
Position
Abschnitt
Einzelwellenleiter
Einhüllende diffraktives optisches Element
Linsenelement
Mikrolinsen-Array
Linsenelement

Claims

Patentansprüche Vorrichtung zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen, umfassend eine Aufteilungseinrichtung (110) zur Aufteilung eines Eingangslaserstrahls (108) in mehrere kohärente Laserstrahlen (102), eine Phaseneinstelleinrichtung (120) zur Einstellung einer jeweiligen Phase der kohärenten Laserstrahlen (102), eine Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112"), welche eine Mehrzahl von Kernen (114) zur Durchleitung eines jeweiligen kohärenten Laserstrahls (102) aufweist, und eine Verstärkungseinrichtung (116) zur Verstärkung der durch die Kerne (114) durchgeleiteten kohärenten Laserstrahlen (102), wobei die Verstärkungseinrichtung (116) in die Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112") integriert ist und wobei jedem der kohärenten Laserstrahlen (102) ein Modenfelddurchmesser (dm) zugeordnet ist, mit welchem er durch einen jeweiligen Kern (114) propagiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112") in einem Endbereich (144) der Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112") zur Vergrößerung des Modenfelddurchmessers (dm) der jeweiligen kohärenten Laserstrahlen (102) ausgebildet ist. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Modenfelddurchmesser (dm) in dem Endbereich (144) vergrößert wird, und/oder dass der Modenfelddurchmesser (dm) an einem in dem Endbereich (144) liegenden Ausgang (140) der Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112") zur Auskopplung der kohärenten Laserstrahlen (102) am größten ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger Kerndurchmesser (dk) der Kerne (114) in dem Endbereich (144) vergrößert wird, und/oder dass ein jeweiliger Kerndurchmesser (dk) der Kerne (114) an einem in dem Endbereich (144) liegenden Ausgang (140) der Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112") zur Auskopplung der kohärenten Laserstrahlen (102) am größten ist. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittenabstand (do) zwischen einander benachbarten Kernen (114) zumindest näherungsweise konstant ist und insbesondere in dem Endbereich (144) zumindest näherungsweise konstant ist. Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Endbereich (144) der Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112") ein Mittenabstand (do) zwischen einander benachbarten Kernen (114) verringert wird. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Endbereich (144) ein jeweiliger Kerndurchmesser (dk) der Kerne (114) verringert wird, und/oder dass ein jeweiliger Kerndurchmesser (dk) der Kerne (114) an einem in dem Endbereich (144) liegenden Ausgang (140) der Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112") zur Auskopplung der kohärenten Laserstrahlen (102) am kleinsten ist. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (114) in dem Endbereich (144) zu einem in dem Endbereich (144) liegenden Ausgang (140) der Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112") zur Auskopplung der kohärenten Laserstrahlen (102) hin konvergierend und/oder aufeinander zulaufend angeordnet sind. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112") in dem Endbereich (144) durch Tapern hergestellt ist. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem in dem Endbereich (144) liegenden Ausgang (140) der Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112") die kohärenten Laserstrahlen (102) mit einem Füllfaktor (F) von mindestens 25 % und bevorzugt mindestens 80 % und besonders bevorzugt mindestens 90 % ausgekoppelt werden. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich (144) der Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112") eine Länge (Io) von höchstens 50 cm und insbesondere höchstens 10 cm und insbesondere höchstens 5 cm aufweist, und/oder dass der Endbereich (144) der Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112") eine Länge (Io) von mindestens 1 mm und insbesondere mindestens 5 mm aufweist. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kombinationseinrichtung (118) zur Kombination von aus der Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112") ausgekoppelten kohärenten Laserstrahlen (102), und insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Kombinationseinrichtung (118) mindestens ein Mikrolinsen-Array (158) und/oder mindestens ein diffraktives optisches Element (154) umfasst. Verfahren zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen, bei dem ein Eingangslaserstrahl (108) mittels einer Aufteilungseinrichtung (110) in mehrere kohärente Laserstrahlen (102) aufgeteilt wird, die kohärenten Laserstrahlen (102) durch eine Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112") mit einer Mehrzahl von Kernen (114) durchgeleitet werden, wobei durch einen jeweiligen Kern (114) jeweils ein kohärenter Laserstrahl (102) durchgeleitet wird und wobei jedem der kohärenten Laserstrahlen (102) ein Modenfelddurchmesser (dm) zugeordnet ist, mit welchem er durch den jeweiligen Kern (114) propagiert, die jeweiligen kohärenten Laserstrahlen (102) bei Durchleitung durch die Kerne (114) mittels einer in die Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112") integrierten Verstärkungseinrichtung (116) verstärkt werden und bei dem eine jeweilige Phase der kohärenten Laserstrahlen (102) mittels einer Phaseneinstelleinrichtung (120) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Modenfelddurchmesser (dm) der jeweiligen kohärenten Laserstrahlen (102) in einem Endbereich (144) der Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112") vergrößert wird. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Modenfelddurchmesser (dm) der jeweiligen kohärenten Laserstrahlen (102) durch Propagation oder bei Propagation der kohärenten Laserstrahlen (102) durch den Endbereich (144) der Wellenleitereinrichtung (112, 112', 112") vergrößert wird. Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die kohärenten Laserstrahlen (102) in dem Endbereich (144) konvergieren und/oder aufeinander zulaufen.
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