WO2023213657A1 - Lasersystem - Google Patents

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WO2023213657A1
WO2023213657A1 PCT/EP2023/061009 EP2023061009W WO2023213657A1 WO 2023213657 A1 WO2023213657 A1 WO 2023213657A1 EP 2023061009 W EP2023061009 W EP 2023061009W WO 2023213657 A1 WO2023213657 A1 WO 2023213657A1
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laser
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laser beam
integrated circuit
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PCT/EP2023/061009
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Daniel Grossmann
Malte Kumkar
Aleksander BUDNICKI
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Trumpf Laser Gmbh
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    • H01S3/1305—Feedback control systems

Definitions

  • a laser system comprising a multi-channel beam splitter, which is arranged and configured so that it divides a first optical input signal into a plurality of divided first optical signals, a plurality of phase modulators in order to divide a phase of a specific one first optical signal in response to a control signal, a waveguide arranged at an optical output of the phase modulators, the waveguide being adapted to spatially distribute the divided first optical signals output by the phase modulators to generate an optical signal pattern to rearrange, and an optical amplifier arranged at an optical output of the waveguide, the optical amplifier being arranged to amplify the generated optical signal pattern.
  • a laser system for phased array modulation of a laser beam comprising a seed laser source which generates a beam of laser pulses, a splitter which divides the laser beam pulses into a plurality of partial beams, a phase modulator arrangement which is optical coupled to the splitter and generating phase differences between the partial beams, phase modulation electronics that controls operation of the phase modulator arrangement, a seed laser output power modulator that modulates the output power of the seed laser source, a multi-wire photonic crystal fiber amplifier that amplifies the partial beams output by the phase modulator arrangement, whereby at an output of which an amplified laser beam is generated, a waveguide which is optically connected between an output of the phase modulator arrangement and an input of the multi-wire photonic Crystal fiber amplifier is coupled, wherein a beam path of the device for phased array modulation of a laser beam has a complete fiber splice, the phase modulation electronics controls operation of the phase modulator arrangement so that the amplified laser beam is
  • the invention is based on the object of providing a laser system mentioned at the outset, which enables the at least one output laser beam to be formed with a high output power and high temporal and spatial dynamics.
  • the laser system comprises at least one laser beam source for providing a plurality of coherent laser beams, a phase adjustment device for adjusting a phase difference between the respective coherent laser beams, at least one section designed as a photonic integrated circuit, wherein at least the phase adjustment device is formed in at least one section of the laser system designed as a photonic integrated circuit and at least one manipulated laser beam is coupled out of the at least one section designed as a photonic integrated circuit, and an amplification device for providing at least one amplified laser beam by amplifying the at least one manipulated laser beam , wherein the at least one output laser beam corresponds to the at least one amplified laser beam or is formed from the at least one amplified laser beam.
  • a photonic integrated circuit is to be understood in particular as integrated optics, with optical components and/or beam guidance components in particular being arranged on a substrate for guiding the coherent laser beams.
  • at least the phase adjustment device of the laser system is designed in at least one section of the laser system designed as a photonic integrated circuit.
  • at least the phase adjustment device of the laser system is designed as a photonic integrated circuit or at least a section of the laser system designed as a photonic integrated circuit has the phase adjustment device.
  • This makes it possible to adjust the phase differences between the existing coherent laser beams with a phase adjustment frequency of 100 kHz or more.
  • this allows one or more output laser beams to be formed with particularly high temporal and/or spatial dynamics.
  • a workpiece can be processed with high temporal and/or spatial dynamics using the at least one output laser beam.
  • the laser system can be designed to be modular and/or compact by implementing it in sections as a photonic integrated circuit.
  • Coherent laser beams are understood to mean, in particular, different laser beams which have a fixed phase relationship to one another.
  • the at least one section of the laser system designed as a photonic integrated circuit is set up to manipulate the coherent laser beams.
  • This includes, for example, manipulation of properties of the coherent laser beams, such as their phase relationship to one another.
  • This can further include, for example, an adjustment of the properties of laser pulses of the coherent laser beams, such as an adjustment of the pulse duration, pulse shape and/or pulse spacing of the laser pulses.
  • the at least one manipulated laser beam is formed by manipulation and/or combination and/or reshaping of one or more coherent laser beams on the at least one section designed as a photonic integrated circuit.
  • the manipulated laser beams are each coherent laser beams which have been phase-manipulated or can be phase-manipulated by means of the phase adjustment device.
  • phase adjustment device In particular, a phase difference between the respective coherent laser beams and in particular between all existing coherent laser beams can be adjusted by means of the phase adjustment device.
  • a number of coherent laser beams present corresponds to a number of manipulated laser beams present and/or a number of amplified laser beams present.
  • a combination of the amplified laser beams to form the at least one output laser beam can then be provided (“coherent beam combining”).
  • the laser system can then be designed, for example, as a “coherent beam combining” system.
  • a change in the phase difference between the respective coherent laser beams carried out by means of the phase adjustment device causes a change in the phase difference between corresponding manipulated laser beams and/or amplified laser beams.
  • the amplification device is arranged after the phase adjustment device and/or after the at least one section of the laser system designed as a photonic integrated circuit.
  • the amplification device is arranged after all existing sections of the laser system designed as a photonic integrated circuit.
  • the at least one output laser beam is formed by combining and/or superimposing several and in particular all amplified laser beams.
  • the laser system can, for example, include a combination device.
  • the at least one output laser beam is formed by beam shaping of the at least one amplified laser beam using a beam shaping device of the laser system.
  • the coherent laser beams provided by the at least one laser beam source each have laser pulses with a pulse duration of at most 50 ns and preferably at most 10 ps and/or at least 1 fs.
  • Laser pulses can thereby be assigned to the at least one output laser beam, which have advantageous pulse parameters and/or pulse durations for processing the workpiece. This makes it possible to realize a large number of advantageous variants for processing the workpiece using the at least one output laser beam, which is formed from the coherent laser beams provided.
  • an input laser beam provided by the at least one laser beam source has laser pulses with a pulse duration of at most 50 ns and preferably at most 10 ps and/or at least 1 fs, with one or more of the coherent laser beams preferably being formed by splitting the input laser beam.
  • the at least one output laser beam has laser pulses with a pulse duration of at most 50 ns and preferably at most 10 ps and/or at least 1 fs.
  • the coherent laser beams provided by the at least one laser beam source are ultra-short pulse laser beams.
  • the coherent laser beams provided by the at least one laser beam source each comprise ultra-short laser pulses.
  • the at least one laser beam source is designed to be basic.
  • the coherent laser beams and/or laser pulses provided by the at least one laser beam source preferably have a Gaussian fundamental mode with a well-defined polarization state.
  • the at least one section designed as a photonic integrated circuit is designed to process and/or pass through the coherent laser beams with a large spectral bandwidth provided by the at least one laser beam source.
  • the at least one section designed as a photonic integrated circuit has an optical bandwidth of at least 1 pm and/or at most 500 nm, with an optical bandwidth assigned to this Wavelength range is, for example, at least 1020 nm and / or at most 1040 nm.
  • waveguide elements and/or coupling elements and/or combination elements and/or splitter elements present on the at least one section designed as a photonic integrated circuit have a transfer function which is constant or at least approximately constant with respect to a spectral bandwidth of laser pulses of the coherent laser beams.
  • the at least one section of the laser system designed as a photonic integrated circuit is constructed using planar technology and/or thin-film technology.
  • At least one waveguide element is designed to carry out a specific coherent laser beam, at least in a section of the laser system designed as a photonic integrated circuit, wherein the at least one waveguide element in particular has a diameter of at least 10 nm and/or at most 200 pm. The diameter is preferably at least 100 nm and/or at most 20 pm.
  • all waveguide elements and/or waveguide structures formed in the at least one section designed as a photonic integrated circuit, which are intended to carry out a coherent laser beam have a diameter in the mentioned ranges.
  • all waveguide elements and/or waveguide structures formed in the at least one section designed as a photonic integrated circuit are constructed using planar technology and/or thin-film technology.
  • the waveguide elements or waveguide structures have flat boundary surfaces and/or a layer thickness of at least 50 nm and/or at most 10 pm. It can be advantageous if the phase adjustment device designed as a photonic integrated circuit comprises an electro-optical or plasmonic material, and/or if the phase adjustment device designed as a photonic integrated circuit is made of an electro-optical or plasmonic material. In particular, the phase adjustment device designed as a photonic integrated circuit consists of an electro-optical and/or plasmonic material or is realized using such materials.
  • the electro-optical material is or includes lithium niobates. This makes it possible to achieve high phase setting frequencies using the phase setting device.
  • phase adjustment device is designed based on the thermo-optical effect.
  • the phase adjustment device has one or more phase adjustment elements, for example one or more phase adjustment elements each being assigned to a specific coherent laser beam.
  • the respective phase setting elements of the phase setting device are made from the mentioned electro-optical or plasmonic materials, such as lithium niobates, or are realized by means of the thermo-optical effect.
  • At least one or exactly one phase adjustment element is assigned to N-1 or N of the coherent laser beams.
  • the respective phase differences between all existing coherent laser beams can be adjusted using the phase adjustment device.
  • the phase setting device and/or a respective phase setting element of the phase setting direction is designed to change a phase of the associated coherent laser beam or the associated coherent laser beams between 0 and 2*Pi.
  • the half-wave voltage is preferably in a voltage range of 0 to 10 V.
  • the phase adjustment device is designed to adjust the phase difference between the respective coherent laser beams with a maximum phase adjustment frequency of at least 100 kHz and/or at most 10 GHz and preferably at least 1 MHz and/or at most 500 MHz. This allows the at least one output laser beam to be modulated with high temporal and spatial dynamics. As a result, a workpiece to be processed can be processed with high temporal and spatial dynamics using the at least one output laser beam.
  • phase setting frequency is to be understood as meaning a maximum possible setting frequency with which an adjustment of the phase difference during operation of the laser system is possible.
  • the phase adjustment frequency mentioned enables the phase differences between the coherent laser beams to be adjusted with a high temporal resolution. This makes it possible, for example, to combine the coherent laser beams and amplified laser beams formed from them with a high temporal and/or spatial resolution to form one or more output laser beams. This enables, for example, a rapid variation of beam distributions and/or pulse parameters, which in turn enables, for example, processing of the workpiece at an increased speed and an increased temporal and/or spatial resolution.
  • the laser system has at least one sensor element, which is assigned to at least one section designed as a photonic integrated circuit or is arranged on at least one section designed as a photonic integrated circuit. Using the at least one sensor element, measured values can be recorded at the assigned section, such as temperatures of elements present there or phase differences between laser beams.
  • the at least one sensor element can be a phase measuring element for measuring a phase difference between two or more of the coherent laser beams present. This makes it possible, for example, to measure the phase differences between the existing coherent laser beams in the section on which the phase adjustment device is formed. This enables, for example, control and/or regulation of the phase differences set by the phase adjustment device.
  • the phase measuring element is or includes in particular a photodiode. For example, intensities are then measured using the phase measuring element, with the phase difference between two or more of the existing coherent laser beams being determined using the measured intensities, or a temporal characteristic of a specific coherent laser beam being monitored.
  • the laser system has at least one cooling element for cooling at least one section of the laser system designed as a photonic integrated circuit, wherein the at least one cooling element is or comprises in particular a Peltier element.
  • the at least one cooling element is or comprises in particular a Peltier element.
  • the laser system has a splitting device for splitting a coherent input laser beam provided by a laser beam source of the laser system into a plurality of coherent laser beams.
  • the dividing device is a photonic integrated circuit executed or formed on at least one section of the laser system designed as a photonic integrated circuit. This allows several mutually coherent laser beams to be provided in a technically simple manner. For example, a large number of coherent laser beams can be provided using a single laser source.
  • the existing coherent laser beams or all of the existing coherent laser beams are provided by splitting the input laser beam using the splitting device.
  • all existing coherent laser beams have the same properties, such as the same wavelength and/or the same spectrum.
  • different subsets of the existing coherent laser beams can each have different properties and in particular different pulse properties and/or pulse durations.
  • several different laser sources can then be provided to provide the different subsets of the coherent laser beams.
  • several output laser beams can be provided to realize complex intensity distributions, whereby these intensity distributions can include, for example, a superposition of laser pulses with different pulse properties and/or pulse durations.
  • At least one laser beam source of the laser system comprises a laser oscillator and/or a laser diode. This makes it possible, for example, to provide a coherent input laser beam, which can be divided into several mutually coherent laser beams.
  • At least one laser beam source of the laser system is designed as a photonic integrated circuit or is formed on at least one section of the laser system designed as a photonic integrated circuit.
  • the laser system has a plurality of laser beam sources in order to provide the plurality of coherent laser beams.
  • one or more of the existing coherent laser beams are then provided by means of a specific laser beam source.
  • the laser system may have exactly one laser beam source to provide the plurality of coherent laser beams.
  • the amplification device comprises at least one fiber amplifier and/or at least one rod amplifier and/or at least one slab amplifier and/or at least one disk amplifier and/or at least one multipass amplifier. This makes it possible to effectively amplify the at least one manipulated laser beam.
  • the reinforcing device can have a plurality of reinforcing elements, which are arranged, for example, in cascade and/or in parallel.
  • a specific amplification element can be assigned to one or more of the existing manipulated laser beams.
  • An amplification element can, for example, each comprise or consist of a fiber amplifier and/or a rod amplifier and/or a slab amplifier and/or a disk amplifier and/or a multipass amplifier.
  • the reinforcing device can, for example, be designed in one or more stages.
  • the reinforcing device comprises, for example, several reinforcing elements arranged in cascades.
  • the amplification device is set up to amplify the manipulated laser beams coupled into the amplification device by at least 30 dB and in particular by at least 40 dB.
  • a pulse energy of laser pulses of the manipulated laser beams coupled into the amplification device is approximately 10 pJ and one Pulse energy of the laser pulses of the amplified laser beams coupled out of the amplification device is approx. 10 pJ.
  • the amplification device has a frequency conversion stage and/or a pulse compression stage or that the amplification device is assigned a frequency conversion stage and/or a pulse compression stage of the laser system.
  • the pulse compression stage can be connected downstream of the amplification device.
  • the laser system has a combination device for combining and/or superimposing multiple laser beams, such as multiple coherent laser beams and/or multiple manipulated laser beams and/or multiple amplified laser beams.
  • multiple coherent laser beams and/or multiple manipulated laser beams and/or multiple amplified laser beams are combined by means of the combination device.
  • a plurality of amplified laser beams are combined by means of the combination device to form the at least one output laser beam and/or that the combination device is arranged completely or partially downstream of the amplification device.
  • manipulated laser beams are combined by means of the combination device and/or that the combination device is arranged completely or partially in front of the amplification device. In this way, for example, one or more combined manipulated laser beams are formed for coupling into the amplification device.
  • the combination device is or comprises a diffractive optical element and/or a grating structure with a periodic pattern and/or a microlens array, by means of which in particular a combination and/or superimposition of the laser beams is effected.
  • the combination device is also possible for the combination device to be designed on at least one section of the laser system designed as a photonic integrated circuit.
  • the combination device comprises, for example, one or more combination elements formed on the assigned section for combining coherent laser beams.
  • the at least one manipulated laser beam coupled out of the at least one section designed as a photonic integrated circuit then already comprises, for example, a combination of several coherent laser beams.
  • the combination device has a frequency conversion stage and/or pulse compression stage or that the combination device is assigned a frequency conversion stage and/or pulse compression stage of the laser system.
  • the frequency conversion stage and/or the pulse compression stage are connected upstream of the combination device.
  • the manipulated laser beams and/or the amplified laser beams can be combined without a combination device.
  • the laser system can be designed such that the at least one output laser beam is formed by superimposing the amplified laser beams in the far field.
  • At least one section of the laser system designed as a photonic integrated circuit comprises at least one splitter element for splitting an input laser beam into two or more output laser beams, wherein the at least one splitter element is preferably designed as a multi-mode interference coupler or a multi-mode interference coupler includes.
  • At least one section of the laser system designed as a photonic integrated circuit comprises at least one combination element for combining two or more input laser beams to form an output laser beam, wherein the at least one combination element is preferably designed as a multi-mode interference coupler or a multi-mode interference Coupler includes.
  • Splitter elements or combination elements designed as multi-mode interference couplers can be designed to be broadband and are preferably suitable for processing ultra-short laser pulses.
  • such combination elements and/or splitter elements can be implemented with a transfer function which is constant or at least approximately constant with respect to a spectral bandwidth of laser pulses of the coherent laser beams.
  • the at least one combination element and/or the at least one splitter element as a Y coupler, which preferably has a transfer function mentioned above.
  • At least one section of the laser system designed as a photonic integrated circuit includes at least one spectral filter element for spectral filtering of an input laser beam.
  • the spectral filter element has an output for coupling out a spectrally filtered output beam.
  • the spectral filter element includes, for example, a ring resonator element and/or a grating element, such as a Bragg grating.
  • At least one section of the laser system designed as a photonic integrated circuit comprises at least one coupling element for coupling a laser beam guided in an optical fiber cable, for example a coherent laser beam, into a waveguide element formed in this section.
  • the laser beam can be transferred from the light guide cable into the waveguide element designed as a photonic integrated circuit by means of the coupling element.
  • At least one section of the laser system designed as a photonic integrated circuit comprises at least one coupling element for coupling out a laser beam, for example a manipulated laser beam, from a waveguide element formed in this section into an optical fiber cable.
  • the laser beam can be transferred from the waveguide element designed as a photonic integrated circuit into the light guide cable by means of the decoupling element.
  • the laser system comprises one or more light guide cables, in which laser beams assigned to the laser system, such as coherent laser beams, manipulated laser beams and/or amplified laser beams, are guided.
  • laser beams assigned to the laser system are guided at least in sections in light guide cables of the laser system outside the at least one section designed as a photonic integrated circuit and / or in sections adjacent to the at least one as a photonic integrated circuit.
  • the at least one section designed as a photonic integrated circuit can be integrated into the laser system and/or connected to other components of the laser system in a technically simple manner.
  • the at least one coupling element and/or the at least one coupling out element are designed as a grating coupler or include a grating coupler.
  • the at least one coupling element and/or the at least one coupling element can also be implemented using photonic wire bonds.
  • splitter element combination element, phase adjustment element, delay element, spectral Filter element, coupling element and coupling out element are each to be understood as an element and/or a component of the laser system, which is arranged and/or formed on the at least one section designed as a photonic integrated circuit.
  • an input laser beam or an output laser beam in connection with elements of the at least one section designed as a photonic integrated circuit this can in particular be one of the existing coherent laser beams or a laser beam and/or partial beam formed from one of the existing coherent laser beams. It goes without saying that a large number of different applications can be implemented on the at least one section designed as a photonic integrated circuit using the elements described.
  • the at least one section of the laser system designed as a photonic integrated circuit has at least one of the following elements and / or functions:
  • Mach-Zehnder interferometer element in particular for amplitude modulation of laser pulses of an input laser beam and/or as a variable switch between different input and output laser beams;
  • burst generation element for generating bursts from several laser pulses
  • spectral pulse shaping element for spectral pulse shaping of laser pulses of an input laser beam.
  • the components and/or functions mentioned can be realized by combining one or more of the above-mentioned elements, such as the splitter element, combination element, phase adjustment element, delay element and spectral filter element.
  • the laser system has an optical isolator device to reduce and/or prevent penetration of returning laser beams from the amplification device into the at least one Photonic Integrated Circuit executed section and / or in the phase adjustment device.
  • Returning laser beams can be, for example, laser beams which are reflected and/or scattered in the amplification device and/or on the workpiece during operation of the laser system.
  • the optical isolator device comprises at least one optical isolator element, which is designed, for example, as an optical multi-channel isolator or comprises an optical multi-channel isolator.
  • at least one optical isolator element of the optical isolator device is arranged in front of the amplification device and/or is arranged between the at least one section designed as a photonic integrated circuit and the amplification device.
  • coherent laser beams coupled out of the at least one section designed as a photonic integrated circuit first pass through the optical isolator device and then through the amplification device.
  • optical isolator device and/or the optical isolator elements are preferably designed on a Faraday rotator basis.
  • optical isolator elements of the optical isolator device can be arranged within the amplification device, which are preferably assigned to the optical isolator device.
  • optical isolator elements can be provided between a plurality of successively arranged reinforcing elements of the reinforcing device.
  • a first device and/or a first element of the laser system is arranged after a second device and/or a second element of the device is always to be understood in relation to a main propagation direction of laser beams guided through the laser system .
  • the (coherent) laser beams then hit the second device and/or first the second element and then to the first device and/or the first element.
  • the second device and/or the second element is then arranged in front of the first device and/or the first element.
  • the laser system has at least two sections designed as a photonic integrated circuit.
  • different functions and/or elements can be assigned to the different sections.
  • the laser system can therefore be designed to be modular and flexible.
  • the laser system can have a large number of PlCIets or can be implemented in sections from a combination of several PlCIets.
  • Different devices can be connected, for example, using photonic wire bonds, flip chips and/or edge coupling technology.
  • At least two of the existing sections are made from different materials.
  • a section designed as a photonic integrated circuit intended for a specific function and/or for a specific element can be formed from a material that is particularly suitable for this function or for this element.
  • different sections can be formed from different electro-optical or plasmonic materials, such as lithium niobates or silicon nitride.
  • different functions and/or elements of the laser system can each be implemented using different sections designed as a photonic integrated circuit.
  • At least one existing section made of lithium niobate can be provided, this section comprising or consisting of the phase setting device and/or at least one phase setting element. Due to the quick switchability of lithium Niobate, in particular, can be used to realize the phase adjustment device with a high phase adjustment frequency.
  • At least one section formed or consisting of SiN can be provided, this section comprising or consisting of at least one splitter element and/or at least one combination element.
  • SiN has high performance and is particularly suitable for passive components.
  • At least one section formed or consisting of silicon can be provided, this section having at least one sensor element which is assigned to at least one section of the laser system designed as a photonic integrated circuit or is arranged on at least one section of the laser system designed as a photonic integrated circuit.
  • Silicon can preferably be used to arrange and/or form sensor components on or on the at least one section designed as a photonic integrated circuit.
  • the laser system comprises an imaging device and/or a focusing device in order to image or focus the at least one output laser beam onto or into the workpiece to be processed.
  • the at least one output laser beam provided by the laser system is particularly suitable for carrying out ablation processes and/or modifying processes on the workpiece.
  • the abrasive processes include, for example, drilling, structuring, cleaning and/or cutting of the workpiece.
  • the modifying methods include, for example, changing properties of the workpiece, such as changing the surface finish, optical properties, refractive index and/or the etchability of the workpiece.
  • the workpiece to be machined can include, for example, metals, dielectrics, semiconductors, crystals, ceramics and/or polymers.
  • the statements “at least approximately” or “approximately” generally mean a deviation of no more than 10%. Unless otherwise stated, the statements “at least approximately” or “approximately” are to be understood in particular as meaning that an actual value and/or distance and/or angle deviates by a maximum of 10% from an ideal value and/or distance and/or angle .
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a laser system
  • FIG. 2 shows a phase adjustment element with a planar waveguide element of a section of the laser system designed as a photonic integrated circuit
  • FIG. 3 shows an example of a delay element formed on the section designed as a photonic integrated circuit
  • 4a shows an example of a splitter element formed on the section designed as a photonic integrated circuit
  • 4b shows an example of a combination element formed on the section designed as a photonic integrated circuit
  • phase setting element formed on the section designed as a photonic integrated circuit
  • 6a shows an example of a coupling element formed on the section designed as a photonic integrated circuit
  • 6b shows an example of an outcoupling element formed on the section designed as a photonic integrated circuit
  • 7a shows an example of a spectral filter element formed on the section designed as a photonic integrated circuit
  • 9a shows an example of a Mach-Zehnder interferometer element formed on the section designed as a photonic integrated circuit
  • FIG. 9b shows an example of a further element formed on the section designed as a photonic integrated circuit, which in combination with the element shown in FIG. 9a forms a burst generation element;
  • FIG. 10 shows an example of a variable delay element formed on the section designed as a photonic integrated circuit.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of a laser system is shown schematically in FIG. 1 and is designated 100 there.
  • the laser system 100 at least one output laser beam 102 can be provided, which is intended, for example, for laser processing of a workpiece 104.
  • the laser system 100 comprises a laser beam source 106, by means of which a plurality of coherent laser beams 108 are provided. For example, this is initially done using the Laser beam source 106 provides a coherent input laser beam 110, which is then divided into the plurality of coherent laser beams 108 by means of a splitting device 112.
  • laser beam sources 106 it is also possible for several laser beam sources 106 to be provided to provide the coherent laser beams 108. For example, one coherent laser beam 108 is then provided by each of the laser beam sources 106, or several coherent laser beams 108 are provided by each of the laser beam sources 106.
  • the coherent laser beams 108 provided by the laser beam source 106 are preferably pulsed laser beams and in particular ultrashort pulse laser beams.
  • all coherent laser beams 108 have the same properties, such as the same wavelength and/or the same spectrum.
  • a phase adjustment device 114 is provided to adjust a respective phase of the coherent laser beams 108 and/or a respective phase difference between the individual coherent laser beams 108.
  • the phase adjustment device 114 in particular comprises a plurality of phase adjustment elements 116, wherein the phase of an associated coherent laser beam 108 can be adjusted by means of a specific phase adjustment element 116.
  • a specific phase adjustment element 116 For example, several or all coherent laser beams 102 are each assigned a phase adjustment element 116.
  • the phase adjustment device 114 comprises, for example, N-1 or N phase adjustment elements 116.
  • phase of a specific coherent laser beam 108 can be changed between 0 and 2Pi by means of the phase adjustment device 114 and/or by means of a respective phase adjustment element 116 of the phase adjustment device.
  • the coherent laser beams 108 phase-manipulated by means of the phase adjustment device 114 are referred to as manipulated laser beams 109.
  • the laser system 100 includes an amplification device 118.
  • the amplification device 118 has a plurality of amplification elements 120, for example one of the amplification elements 120 being assigned to one of the manipulated laser beams 109. It is also possible for multiple amplification elements 120 to be sequentially assigned to the same coherent laser beam 108.
  • the amplification device 118 has one or more amplifier chains.
  • the reinforcing device 118 may comprise a plurality of reinforcing elements 120, which are arranged in cascade and/or in parallel.
  • the manipulated laser beams 109 i.e. in the example shown, the coherent laser beams with set phase differences, are coupled into the amplification device 118 or into the respective amplification elements 120 of the amplification device 118.
  • a number of coherent laser beams 108 coupled into the phase adjustment device 114 corresponds to a number of manipulated laser beams 109 and/or amplified coherent laser beams 122.
  • the at least one output laser beam 102 is formed based on the amplified laser beams 122.
  • the at least one output laser beam 102 is formed by combining the amplified laser beams 122.
  • a combination device 124 can be provided to combine the amplified laser beams 122 to form the at least one output laser beam 102. Using the combination device 124, the at least one output laser beam 102 is formed by combining the amplified laser beams 122.
  • amplified laser beams 122 coupled out of the amplification device 118 are coupled into the combination device 124.
  • the combination device 124 may include a diffractive optical element and/or a grating structure and/or a microlens array.
  • the amplified laser beams 122 may be combined without a combination device 124.
  • the at least one output laser beam 102 is then formed by superimposing the amplified laser beams 122 in the far field.
  • the manipulated laser beams 109 are already combined to provide at least one combined manipulated laser beam (not shown), which is then coupled into the amplification device 118.
  • the combining device 124 (if present) is arranged, for example, between the phase adjusting device 114 and the amplifying device 118.
  • At least a section 126 of the laser system 100 is designed as a photonic integrated circuit (PIC).
  • PIC photonic integrated circuit
  • optical components and/or beam guiding components are arranged on a substrate, such as a lithium niobate-on-insulator substrate.
  • the at least one section 126 designed as a PIC is set up to manipulate the coherent laser beams 108, which can include, for example, their phase position with respect to one another and an adjustment of properties of laser pulses of the coherent laser beams 108.
  • the beams coupled out from the at least one section designed as a PIC are the manipulated beams 109.
  • the at least one section 126 of the laser system 100 designed as a PIC is manufactured using thin-film technology and/or etched lithographically.
  • the section 126 is constructed using planar technology and/or has waveguide elements 128 with a planar structure, as shown, for example, in FIG. 2.
  • the at least one section 126 designed as a PIC is made of an electro-optically active material, such as lithium niobate, and/or a plasmonic material.
  • the waveguide element 128 has a diameter D of, for example, approximately 300 nm to 800 nm.
  • Corresponding waveguide elements designed as PICs are, for example, from the scientific publication Wang, Cheng, et al. "Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages.” Nature 562.7725 (2016): 101-104, known.
  • the main propagation direction 136 is to be understood in particular as a main propagation direction of laser beams guided through the laser system 100.
  • the main propagation direction 136 is to be understood as meaning a main propagation direction of the coherent input laser beam 110 and/or the coherent laser beams 108 and/or the amplified laser beams 122 and/or the output laser beam 102.
  • the waveguide element 128 can in principle be designed with any geometries and/or profiles.
  • the waveguide element 128 is designed as a delay element 137 and/or delay line.
  • the delay element 137 is designed to time delay an input laser beam 139 passed through it compared to a reference laser beam 139 ', which in particular does not pass through the delay element 137. For example, by means of the delay element 137, a distance traveled by the input laser beam 139 is increased compared to the distance traveled by the reference laser beam 139 '. This results in a time offset between the input laser beam 139 and the reference laser beam 139'.
  • the input laser beam 139 and/or the reference laser beam 139' can each be, for example, one of the existing coherent laser beams 108.
  • the section 126 designed as a PIC can have a splitter element 138 (FIG. 4a) and/or a combination element 140 (FIG. 4b).
  • a splitter element 138 By means of the splitter element 138, an input laser beam 142 is split into two or more output laser beams 144, with the input laser beam 142 and the output laser beams 144 each being guided in the waveguide elements 128, for example.
  • the input laser beam 136 may be one of the existing coherent laser beams 108, for example.
  • the input laser beams 146 are combined to form an output laser beam 148.
  • the input laser beams 146 may be, for example, two of the existing coherent laser beams 108.
  • the splitter element 138 and/or the combination element 140 can each be designed as a Y coupler.
  • Suitable Y-couplers are, for example, from the scientific publication Lin, Zhongjin, and Wei Shi “Broadband, low-loss silicon photonic Y-junction with an arbitrary power splitting ratio.” Optics express 27.10 (2019): 14338-14343, known.
  • the splitter element 138 and the combination element 140 belong to the class of coupling elements - also referred to as interconnect elements. It goes without saying that fundamentally different types of NxM coupling elements can be implemented on the PIC in order to convert N input laser beams into M output laser beams with a defined transfer function.
  • the section 126 of the laser system 100 designed as a PIC includes at least the phase adjustment device 114, ie at least the phase adjustment device 114 of the laser system 100 is designed as a PIC in the present case. It is envisaged that the phase setting elements 116 assigned to the phase setting device 114 are designed as PICs or are designed on the at least one section 126 of the laser system 100 designed as a PIC. For example, the phase setting element 116 is designed as shown in FIG. 2.
  • Fig. 5 one of the phase adjustment elements 116 formed on the PIC is shown schematically.
  • the coherent laser beam 108 is passed through the phase adjustment element 116.
  • the section 126 has a coupling element 150 for coupling a laser beam, for example a coherent laser beam 108, into a waveguide element 128 arranged on the section 126 (FIG. 6a) and/or an outcoupling element 152 for coupling out a laser beam, for example a manipulated laser beam 109, from a waveguide element 128 arranged on the section (Fig. 6b).
  • a coupling element 150 for coupling a laser beam, for example a coherent laser beam 108, into a waveguide element 128 arranged on the section 126
  • an outcoupling element 152 for coupling out a laser beam, for example a manipulated laser beam 109, from a waveguide element 128 arranged on the section (Fig. 6b).
  • the coupling element 150 and/or the coupling out element 152 are each designed as a grid coupler. It is also possible for the optical fiber 128 to be coupled to the optical fiber by means of the coupling-in element 150 or the coupling-out element 152 by means of a photonic wire bond.
  • the grid couplers mentioned are, for example, from Cheng, Lirong, et al. "Grating couplers on silicon photonics: Design principles, emerging trends and practical issues.” Micromachines 11.7 (2020): 666, known.
  • the photonic wire bonds mentioned are, for example, from Lindenmann, Nicole, et al. "Connecting silicon photonic circuits to multicore fibers by photonic wire bonding.” Journal of lightwave Technology 33.4 (2014): 755-760, known.
  • the section 126 has a spectral filter element 154.
  • the spectral filter element 154 includes a ring resonator element 156 formed on the PIC (Fig. 7a).
  • the ring resonator element 156 is, for example, a disk resonator and/or a toroidal resonator.
  • an input laser beam 158 which can be one of the coherent laser beams 108, for example, is spectrally filtered.
  • the input laser beam 158 is spectrally filtered by means of the spectral filter element 154 and/or the ring resonator element and coupled out at an output of the spectral filter element 154 as a spectrally filtered output laser beam 160.
  • spectral components of the input laser beam 158 that are not transmitted into the output laser beam 160 by the spectral filter element 154 are absorbed and/or reflected and/or scattered in the ring resonator element 156.
  • the spectral filter element 154 has a further output for coupling out a further output laser beam 162, the further output laser beam 162 having the spectral components filtered out of the input laser beam 158 and/or the spectral components of the input laser beam 158 that are not transmitted into the output laser beam 160
  • the further output laser beam 162 contains the spectral components of the input laser beam 158 reflected in the ring resonator element 156.
  • the spectral filter element 154 comprises a grating element 164 implemented on the PIC and in particular Bragg grating (FIG. 7b) or a photonic crystal. Spectral filtering of the input laser beam 158 takes place by means of the grating element 164. The grating element 164 spectrally filtered input laser beam 158 is coupled out as output laser beam 160.
  • spectral pulse shaping of laser pulses can be carried out.
  • Spectral filter elements and options for pulse shaping are, for example, from the scientific publications Luan, Enxiao, et al. "Silicon photonic biosensors using label-free detection.” Sensors 18.10 (2018): 3519, Chen, Chin-Hui, et al. "A WDM silicon photonic transmitter based on carrier injection microring modulators.” 2014 Optical Interconnects Conference. IEEE, 2014, and Weiner, Andrew M. "Ultrafast optical pulse shaping: A tutorial review.” Optics Communications 284.15 (2011): 3669-3692, known.
  • spectral components of the input laser beam 158 that are not transmitted into the output beam 160 are scattered by means of the grating element 164 and/or deflected to the side from a beam path.
  • the dividing device 112 and the phase setting device 114 are designed as a PIC (FIG. 8).
  • the dividing device 112 and the phase adjusting device 114 are formed on the same section 126 designed as a PIC.
  • the coherent input laser beam 110 is coupled into a waveguide element 128 formed on the section 126 by means of a coupling element 150.
  • the coherent input laser beam 110 is then divided into several coherent laser beams 108, for which purpose one or more splitter elements 138 can be provided, for example.
  • a plurality of splitter elements 138 are arranged in cascade to split the coherent input laser beam 110 several times.
  • the coherent input laser beam 110 is split into four coherent laser beams 108.
  • each of the coherent laser beams 108 is assigned a phase adjusting element 116 of the phase adjusting device 114.
  • the laser system 100 can in principle have several different and/or adjacent sections 126 designed as PICs. 8, three different sections 126 designed as PIC are provided, the coupling element 150 being arranged on a first section 126a designed as PIC, the dividing device 112 being arranged on a second section 126b designed as PIC, and the phase adjusting device 114 is arranged on a third section 126c designed as a PIC.
  • the different sections 126a, 126b and 126c are each made of different materials.
  • a Mach-Zehnder interferometer element 165 is designed as a PIC.
  • An input laser beam 166 which can be, for example, one of the existing coherent laser beams 108, is split into two partial beams 168a and 168b by means of a splitter element 138, a phase of at least one of these partial beams 168a, 168b being adjustable by means of a respective associated phase adjustment element 116 (in which example shown, the phase of the partial beam 168a).
  • the partial beams 168a, 168b are then split into the output laser beams 170a and 170b by means of a 2x2 coupling element (indicated by a combination of a combination element 138 and a splitter element 138).
  • the partial beams 168a and 168b are mixed and interfere there.
  • an intensity ratio of the output beams 170a, 170b to one another can be adjusted.
  • a variable switch is realized by means of the Mach-Zehnder interferometer element 165.
  • Mach-ten interferometers and variable switches are, for example, from the scientific publication Duan, Fei, et al. "Low-power and high-speed 2x2 thermo-optic MMI-MZI switch with suspended phase arms and heater-on-slab structure.” Optics Letters 46.2 (2021): 234-237, known.
  • This output beam 170 comprises, for example, two time-offset laser pulses ("2-burst"), the amplitude ratio of which can be adjusted to one another by means of the Mach-Zehnder interferometer element 165, for example by varying the phase difference between the partial beams 168a and 168b by means of the phase adjustment element 116.
  • 2-burst time-offset laser pulses
  • a variable delay element 137' is implemented as a PIC. This basically has the same functionality as the delay element 137 described above, but additionally includes one or more phase setting elements 116, which are passed through, for example, sequentially and/or cascaded by the input laser beam 139 guided through the variable delay element. By means of these phase setting elements 116, a delay of the input laser beam 139 relative to the reference laser beam 139 'caused by the variable delay element can be adjusted.
  • the laser system may have an optical isolator device 172, which is designed to prevent return laser beams 109' from penetrating into the PIC section 126 and/or into the phase adjustment device 114, the returning laser beams from the amplification device 118 in the direction the phase adjustment device 114 and/or the section 126 propagate (indicated in Fig. 1).
  • the returning laser beams 109' are oriented in particular counter to and/or anti-parallel to the main propagation direction 136.
  • returning laser beams 109' can arise, for example, through scattering and/or reflection of the manipulated laser beams 109 at the amplification device 118 or of the output laser beam 102 at the workpiece 104.
  • the optical isolator device 172 has one or more optical isolator elements 173.
  • One or more optical isolator elements 173 are preferably arranged with respect to the main propagation direction 136 between the phase adjustment device 114 and/or the section 126 designed as a PIC and the amplification device 118. These optical isolator elements 173 are assigned, for example, to the manipulated laser beams 109 guided between the phase adjustment device 114 and the amplification device 118.
  • the optical isolator device 172 can be designed as a multi-channel isolator with a plurality of optical isolator elements 173 or can include one.
  • the optical isolator device 172 and/or the optical isolator elements 173 can be designed, for example, on a Faraday rotator basis.
  • optical isolator device 172 and/or the optical isolator elements 173, reference is made to the textbook “Fundamentals of Photonics”; Saleh, B. E., & Teich, M.; John Wiley & Sons, Inc.
  • the laser system 100 may have at least one sensor element 174, which is assigned, for example, to the section 126 designed as a PIC and/or is arranged on the section 126 designed as a PIC.
  • the sensor element 174 can be, for example, a temperature sensor element and/or a temperature sensor, by means of which a temperature of the assigned section 126 designed as a PIC can be measured.
  • the sensor element 174 can be, for example, a phase measuring element, by means of which a phase difference between two specific of the existing coherent laser beams 108 can be measured.
  • the laser system 100 can have a cooling element 176, which is assigned to the section 126 designed as a PIC and by means of which the section 126 can be cooled.
  • the cooling element 176 can, for example, be designed as a Peltier element or include a Peltier element.
  • one or more cooling elements 176 may be disposed on a particular PIC portion 126 (indicated in FIG. 1).
  • the laser system 100 works as follows:
  • the coherent input laser beam 110 is provided by the laser beam source 106 and coupled into the splitter 112. By splitting the coherent input laser beam 110 using the splitting device 112, a plurality of coherent laser beams 108 are formed.
  • the formed coherent laser beams 108 are coupled into the phase adjustment device 114 in order to set desired phase differences between the individual coherent laser beams 108.
  • the manipulated laser beams 109 coupled out of the phase adjustment device 114 are coupled into the amplification device 118 for amplification, with the manipulated laser beams 109 being coupled out of the amplification device 118 as amplified laser beams 122 after the amplification has taken place.
  • the amplified laser beams 122 By combining the amplified laser beams 122, one or more output laser beams 102 are then formed, the combination being carried out in particular by means of the combination device 124.
  • the phase adjustment device 114 is formed on the section 126 designed as a PIC.
  • the elements 116, 137, 138, 140, 150, 152, 154 described above and/or a suitable combination of these elements a variety of functions can be implemented, which can be implemented on one or more sections 126 of the laser system 100 designed as PICs can.
  • a burst function cf. burst generation element 171
  • a variable phase modulation of laser pulses of the coherent laser beams 108 cf. phase setting element 116
  • an amplitude modulation of laser pulses of the coherent laser beams 108 cf.
  • Mach-Zehnder interferometer element 165) can be one Function for spectral pulse shaping of laser pulses of the coherent laser beams 108 (see spectral filter element 154) as well as functions for controlling spectral phases and / or spectral dispersion of laser pulses of the coherent laser beams 108 can be implemented.
  • sensor elements 174 designed as phase measuring elements can be provided in order to measure respective actual phase difference values between the coherent laser beams 108 or manipulated laser beams 109 before or after the phase adjustment device 114.
  • a control device (not shown) can then be provided, for example, which regulates the phase differences between these laser beams to predetermined target phase difference values based on the actual phase difference values determined by means of the sensor elements 174.
  • sensor elements 174 designed as temperature sensor elements can be provided, by means of which, for example, a temperature of the laser system 100 and in particular of the section 126 designed as a PIC can be monitored and in particular regulated. This can for example also by means of a control device (not shown).
  • the section 126 designed as a PIC can be cooled during operation of the laser system 100.
  • the cooling element 176 can be used, for example, in conjunction with the temperature sensor element mentioned and the control device for regulating the temperature of the section 126 designed as a PIC.
  • variable delay element

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Abstract

Lasersystem zur Bereitstellung mindestens eines Ausgangslaserstrahls (102) zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (104), umfassend mindestens eine Laserstrahlquelle (106) zur Bereitstellung einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (108), eine Phaseneinstelleinrichtung (114) zur Einstellung einer Phasendifferenz zwischen den jeweiligen kohärenten Laserstrahlen (108), zumindest einen als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt (126), wobei zumindest die Phaseneinstelleinrichtung (114) in mindestens einem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt (126) des Lasersystems ausgebildet ist und wobei aus dem mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt (126) mindestens ein manipulierter Laserstrahl (109) ausgekoppelt wird, und eine Verstärkungseinrichtung (118) zur Bereitstellung mindestens eines verstärkten Laserstrahls (122) durch Verstärkung des mindestens einen manipulierten Laserstrahls (109), wobei der mindestens eine Ausgangslaserstrahl (102) dem mindestens einen verstärkten Laserstrahl (122) entspricht oder aus dem mindestens einen verstärkten Laserstrahl (122) ausgebildet wird.

Description

Lasersystem
Die Erfindung betrifft ein Lasersystem zur Bereitstellung mindestens eines Ausgangslaserstrahls zur Laserbearbeitung eines Werkstücks.
Aus der WO 2020/171946 Al ist ein Lasersystem bekannt, umfassend einen Mehrkanal-Strahlteiler, der so angeordnet und konfiguriert ist, dass er ein erstes optisches Eingangssignal in mehrere geteilte erste optische Signale teilt, eine Vielzahl von Phasenmodulatoren, um eine Phase eines bestimmten aufgeteilten ersten optischen Signals in Reaktion auf ein Steuersignal zu modifizieren, einen Wellenleiter, der an einem optischen Ausgang der Phasenmodulatoren angeordnet ist, wobei der Wellenleiter dazu eingerichtet ist, die geteilten ersten optischen Signale, die von den Phasenmodulatoren ausgegeben werden, zur Erzeugung eines optischen Signalmusters räumlich umzuordnen, und einen optischen Verstärker, der an einem optischen Ausgang des Wellenleiters angeordnet ist, wobei der optische Verstärker eingerichtet ist, um das erzeugte optische Signalmuster zu verstärken.
Aus der EP 2 973 896 Bl ist ein Lasersystem für eine Phased-Array-Modulation eines Laserstrahls bekannt, umfassend eine Seedlaserquelle, welche einen Strahl von Laserimpulsen erzeugt, einen Splitter, welcher die Laserstrahlimpulse in eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufteilt, eine Phasenmodulatoranordnung, die optisch mit dem Splitter gekoppelt und Phasendifferenzen zwischen den Teilstrahlen erzeugt, eine Phasenmodulationselektronik, die einen Betrieb der Phasenmodulatoranordnung steuert, einen Seedlaser- Ausgangsleistungsmodulator, der die Ausgangsleistung der Seedlaserquelle moduliert, einen mehradrigen photonischen Kristallfaser-Verstärker, der die durch die Phasenmodulatoranordnung ausgegebenen Teilstrahlen verstärkt, wodurch an einem Ausgang dessen ein verstärkter Laserstrahl erzeugt wird, einen Wellenleiter, der optisch zwischen einen Ausgang der Phasenmodulatoranordnung und einen Eingang des mehradrigen photonischen Kristallfaser-Verstärkers gekoppelt ist, wobei ein Strahlenweg der Vorrichtung für eine Phased-Array-Modulation eines Laserstrahls eine vollständige Faserspleißung aufweist, die Phasenmodulationselektronik einen Betrieb der Phasenmodulatoranordnung so steuert, dass der verstärkte Laserstrahl gelenkt wird, und wobei der Seedlaser-Ausgangsleistungsmodulator so gestaltet ist, dass er synchron zu der Phasenmodulationselektronik die Seedlaser-Ausgangsleistung gemäß dem Ausmaß der durch die Phasenmodulatoranordnung vermittelten Ablenkung moduliert, um durch die Ablenkung verursachte Schwankungen der Strahleffizienz zu kompensieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Lasersystem bereitzustellen, welches eine Ausbildung des mindestens einen Ausgangslaserstrahls mit einer hohen Ausgangsleistung sowie einer hohen zeitlichen und räumlichen Dynamik ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Lasersystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Lasersystem mindestens eine Laserstrahlquelle zur Bereitstellung einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen umfasst, eine Phaseneinstelleinrichtung zur Einstellung einer Phasendifferenz zwischen den jeweiligen kohärenten Laserstrahlen, zumindest einen als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt, wobei zumindest die Phaseneinstelleinrichtung in mindestens einem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt des Lasersystems ausgebildet ist und wobei aus dem mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt mindestens ein manipulierter Laserstrahl ausgekoppelt wird, und eine Verstärkungseinrichtung zur Bereitstellung mindestens eines verstärkten Laserstrahls durch Verstärkung des mindestens einen manipulierten Laserstrahls, wobei der mindestens eine Ausgangslaserstrahl dem mindestens einen verstärkten Laserstrahl entspricht oder aus dem mindestens einen verstärkten Laserstrahl ausgebildet wird.
Unter einem Photonic Integrated Circuit (PIC) ist insbesondere eine integrierte Optik zu verstehen, wobei insbesondere optische Komponenten und/oder Strahlführungskomponenten zur Führung der kohärenten Laserstrahlen auf einem Substrat angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist zumindest die Phaseneinstelleinrichtung des Lasersystems in zumindest einem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt des Lasersystems ausgebildet. Anders ausgedrückt ist zumindest die Phaseneinstelleinrichtung des Lasersystems als Photonic Integrated Circuit ausgeführt bzw. zumindest ein als Photonic Integrated Circuit ausgeführter Abschnitt des Lasersystems weist die Phaseneinstelleinrichtung auf. Dies ermöglicht es, die Phasendifferenzen zwischen den vorhandenen kohärenten Laserstrahlen mit einer Phaseneinstellfrequenz von 100 kHz oder mehr einzustellen. Beispielsweise lassen sich dadurch ein oder mehrere Ausgangslaserstrahlen mit einer besonders hohen zeitlichen und/oder räumlichen Dynamik ausbilden. Es lässt sich dadurch wiederum mittels des mindestens einen Ausgangslaserstrahls beispielsweise ein Werkstück mit einer hohen zeitlichen und/oder räumlichen Dynamik bearbeiten. Zudem lässt sich das Lasersystem durch dessen abschnittsweise Ausführung als Photonic Integrated Circuit modular und/oder kompakt ausbilden.
Unter den kohärenten Laserstrahlen sind insbesondere unterschiedliche Laserstrahlen zu verstehen, welche zueinander eine feste Phasenbeziehung aufweisen.
Insbesondere ist der mindestens eine als Photonic Integrated Circuit ausgebildete Abschnitt des Lasersystems eingerichtet, um die kohärenten Laserstrahlen zu manipulieren. Dies umfasst beispielsweise eine Manipulation von Eigenschaften der kohärenten Laserstrahlen, wie z.B. deren Phasenlage zueinander. Weiter kann dies beispielsweise eine Anpassung von Eigenschaften von Laserpulsen der kohärenten Laserstrahlen umfassen, wie z.B. eine Anpassung von Pulsdauer, Pulsform und/oder Pulsabstand der Laserpulse.
Unter dem oder den vorhandenen manipulierten Laserstrahlen sind insbesondere die kohärenten Laserstrahlen zu verstehen, welche in den mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitt eingekoppelt werden und nach Durchlaufen des mindestens einen Abschnitts aus diesem ausgekoppelt werden. Im Fall mehrerer vorhandener als Photonic Integrated Circuit ausgebildeter Abschnitte sind unter den manipulierten Laserstrahlen insbesondere diejenigen Laserstrahlen zu verstehen, welche bezogen auf ihren jeweiligen Strahlpfad aus dem letzten der von ihnen durchlaufenen als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitte des Lasersystems ausgekoppelt werden. Beispielsweise ist dies der letzte vorhandene als Photonic Integrated Circuit ausgebildete Abschnitt des Lasersystems, welchen die Laserstrahlen vor Einkopplung in die Verstärkungseinrichtung durchlaufen.
Insbesondere wird der mindestens eine manipulierte Laserstrahl durch Manipulation und/oder Kombination und/oder Umformung von einem oder mehreren kohärenten Laserstrahlen auf dem mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt ausgebildet. Beispielsweise sind die manipulierten Laserstrahlen jeweils kohärente Laserstrahlen, welche mittels der Phaseneinstelleinrichtung phasenmanipuliert wurden oder phasenmanipulierbar sind.
Insbesondere ist mittels der Phaseneinstelleinrichtung eine Phasendifferenz zwischen den jeweiligen kohärenten Laserstrahlen und insbesondere zwischen allen vorhandenen kohärenten Laserstrahlen einstellbar.
Es kann vorgesehen sein, dass eine Anzahl der vorhandenen kohärenten Laserstrahlen einer Anzahl der vorhandenen manipulierten Laserstrahlen und/oder einer Anzahl der vorhandenen verstärkten Laserstrahlen entspricht. Beispielsweise kann dann eine Kombination der verstärkten Laserstrahlen zu dem mindestens einen Ausgangslaserstrahl vorgesehen sein ("Coherent Beam Combining"). Das Lasersystem kann dann beispielsweise als "Coherent Beam Combining"-System ausgeführt sein.
Insbesondere bewirkt eine mittels der Phaseneinstelleinrichtung durchgeführte Änderung der Phasendifferenz zwischen den jeweiligen kohärenten Laserstrahlen eine Änderung der Phasendifferenz zwischen entsprechenden manipulierten Laserstrahlen und/oder verstärkten Laserstrahlen.
Insbesondere durchlaufen die bereitgestellten kohärenten Laserstrahlen zuerst die Phaseneinstelleinrichtung und/oder den mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitt des Lasersystems und werden dann als manipulierte Laserstrahlen aus diesem Abschnitt ausgekoppelt. Diese manipulierten Laserstrahlen werden dann wiederum in die Verstärkungseinrichtung eingekoppelt.
Insbesondere ist die Verstärkungseinrichtung nach der Phaseneinstelleinrichtung und/oder nach dem mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitt des Lasersystems angeordnet. Insbesondere ist die Verstärkungseinrichtung nach allen vorhandenen als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitten des Lasersystems angeordnet.
Beispielsweise wird der mindestens eine Ausgangslaserstrahl durch Kombination und/oder Überlagerung mehrerer und insbesondere aller verstärkter Laserstrahlen ausgebildet. Hierzu kann das Lasersystem beispielsweise eine Kombinationseinrichtung umfassen.
Es kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Ausgangslaserstrahl durch Strahlformung des mindestens einen verstärkten Laserstrahls mittels einer Strahlformungseinrichtung des Lasersystems ausgebildet wird.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die mittels der mindestens einen Laserstrahlquelle bereitgestellten kohärenten Laserstrahlen jeweils Laserpulse mit einer Pulsdauer von höchstens 50 ns und bevorzugt höchstens 10 ps und/oder mindestens 1 fs aufweisen. Dem mindestens einen Ausgangslaserstrahl lassen sich dadurch Laserpulse zuordnen, welche für die Bearbeitung des Werkstücks vorteilhafte Pulsparameter und/oder Pulsdauern aufweisen. Es lassen sich dadurch eine Vielzahl vorteilhafter Varianten zur Bearbeitung des Werkstücks mittels des mindestens einen Ausgangslaserstrahls, welcher aus den bereitgestellten kohärenten Laserstrahlen ausgebildet ist, realisieren.
Insbesondere weist ein mittels der mindestens einen Laserstrahlquelle bereitgestellter Eingangslaserstrahl Laserpulse mit einer Pulsdauer von höchstens 50 ns und bevorzugt höchstens 10 ps und/oder mindestens 1 fs auf, wobei ein oder mehrere der kohärenten Laserstrahlen bevorzugt durch Aufteilung des Eingangslaserstrahls ausgebildet werden. Insbesondere weist der mindestens eine Ausgangslaserstrahl Laserpulse mit einer Pulsdauer von höchstens 50 ns und bevorzugt höchstens 10 ps und/oder mindestens 1 fs auf.
Insbesondere sind die mittels der mindestens einen Laserstrahlquelle bereitgestellten kohärenten Laserstrahlen Ultrakurzpulslaserstrahlen. Insbesondere umfassen die mittels der mindestens einen Laserstrahlquelle bereitgestellten kohärenten Laserstrahlen jeweils ultrakurze Laserpulse.
Insbesondere sind die mittels der mindestens einen Laserstrahlquelle bereitgestellten Laserpulse der kohärenten Laserstrahlen bandbreitenbegrenzt. Es kann vorgesehen sein, dass die Laserpulse vor einer Einkopplung in den mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitt gestreckt werden, beispielsweise mittels chromatisch dispersiver Elemente. Dadurch ist die Pulsdauer von Laserpulsen der kohärenten Laserstrahlen innerhalb des mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitts länger als die Pulsdauer von Laserpulsen des mindestens einen Ausgangslaserstrahls. Das Spektrum in dem mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitt ist jedoch ähnlich oder sogar schmalbandiger als das Spektrum des mindestens einen Ausgangslaserstrahls.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Laserstrahlquelle grundmodig ausgelegt. Bevorzugt weisen die mittels der mindestens einen Laserstrahlquelle bereitgestellten kohärenten Laserstrahlen und/oder Laserpulse eine Gauß- Grundmode mit wohldefiniertem Polarisationszustand auf.
Insbesondere ist der mindestens eine als Photonic Integrated Circuit ausgebildete Abschnitt ausgebildet, um die mittels der mindestens einen Laserstrahlquelle bereitgestellten kohärenten Laserstrahlen mit großer spektraler Bandbreite zu verarbeiten und/oder durchzuleiten.
Beispielsweise weist der mindestens eine als Photonic Integrated Circuit ausgebildete Abschnitt eine optische Bandbreite von mindestens 1 pm und/oder höchstens 500 nm auf, wobei ein dieser optischen Bandbreite zugeordneter Wellenlängenbereich beispielsweise mindestens 1020 nm und/oder höchstens 1040 nm beträgt.
Insbesondere weisen auf dem mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitt vorhandene Wellenleiterelemente und/oder Kopplungselemente und/oder Kombinationselemente und/oder Splitterelemente eine Transferfunktion auf, welche bezüglich einer spektralen Bandbreite von Laserpulsen der kohärenten Laserstrahlen konstant oder zumindest näherungsweise konstant ist.
Vorzugsweise ist der mindestens eine als Photonic Integrated Circuit ausgeführte Abschnitt des Lasersystems in Planartechnologie und/oder Dünnschichttechnologie aufgebaut.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass zumindest in einem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt des Lasersystems zumindest ein Wellenleiterelement zur Durchführung eines bestimmten kohärenten Laserstrahls ausgebildet ist, wobei das mindestens eine Wellenleiterelement insbesondere einen Durchmesser von mindestens 10 nm und/oder höchstens 200 pm aufweist. Bevorzugt beträgt der Durchmesser mindestens 100 nm und/oder höchstens 20 pm. Insbesondere weisen alle in dem mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitt ausgebildeten Wellenleiterelemente und/oder Wellenleiterstrukturen, welche zur Durchführung eines kohärenten Laserstrahls vorgesehen sind, einen Durchmesser in den genannten Bereichen auf.
Vorzugsweise sind alle in dem mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitt ausgebildeten Wellenleiterelemente und/oder Wellenleiterstrukturen in Planartechnologie und/oder Dünnschichttechnologie aufgebaut.
Insbesondere weisen die Wellenleiterelemente bzw. Wellenleiterstrukturen ebene Begrenzungsflächen und/oder eine Schichtdicke von mindestens 50 nm und/oder höchstens 10 pm auf. Vorteilhaft kann es sein, wenn die als Photonic Integrated Circuit ausgeführte Phaseneinstelleinrichtung ein elektro-optisches oder plasmonisches Material umfasst, und/oder wenn die als Photonic Integrated Circuit ausgeführte Phaseneinstelleinrichtung aus einem elektro-optischen oder plasmonischen Material ausgebildet ist. Insbesondere besteht die als Photonic Integrated Circuit ausgeführte Phaseneinstelleinrichtung aus einem elektro-optischen und/oder plasmonischen Material oder ist mittels solcher Materialien realisiert.
Beispielsweise ist oder umfasst das elektro-optische Material Lithium-Niobate. Es lassen sich dadurch mittels der Phaseneinstelleinrichtung hohe Phaseneinstellfrequenzen realisieren.
Alternativ oder zusätzlich kann es auch vorgesehen sein, dass die Phaseneinstelleinrichtung auf dem thermooptischen Effekt basierend ausgebildet ist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Phaseneinstelleinrichtung ein oder mehrere Phaseneinstellelemente aufweist, wobei beispielsweise ein oder mehrere Phaseneinstellelemente jeweils einem bestimmten kohärenten Laserstrahl zugeordnet sind. Insbesondere sind die jeweiligen Phaseneinstellelemente der Phaseneinstelleinrichtung aus den genannten elektro-optischen oder plasmonischen Materialien, wie z.B. Lithium-Niobate, ausgebildet oder mittels des thermooptischen Effekts realisiert.
Vorzugsweise ist bei N vorhandenen kohärenten Laserstrahlen jeweils N-l oder N der kohärenten Laserstrahlen jeweils mindestens ein oder genau ein Phaseneinstellelement zugeordnet. Es lassen sich dadurch insbesondere die jeweiligen Phasendifferenzen zwischen allen vorhandenen kohärenten Laserstrahlen mittels der Phaseneinstelleinrichtung einstellen.
Insbesondere ist die Phaseneinstelleinrichtung und/oder ein jeweiliges Phaseneinstellelement der Phaseneinstellrichtung ausgebildet, um eine Phase des zugeordneten kohärenten Laserstrahls bzw. der zugeordneten kohärenten Laserstrahlen zwischen 0 und 2*Pi zu ändern. Die Half-wave-voltage liegt dabei bevorzugt in einem Spannungsbereich von 0 bis 10 V. Günstig kann es sein, wenn die Phaseneinstelleinrichtung ausgebildet ist, um die Phasendifferenz zwischen den jeweiligen kohärenten Laserstrahlen mit einer maximalen Phaseneinstellfrequenz von mindestens 100 kHz und/oder höchstens 10 GHz und bevorzugt von mindestens 1 MHz und/oder höchstens 500 MHz einzustellen. Es lässt sich dadurch der mindestens eine Ausgangslaserstrahl mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Dynamik modulieren. Dadurch lässt sich ein zu bearbeitendes Werkstück mittels des mindestens einen Ausgangslaserstrahls mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Dynamik bearbeiten.
Insbesondere ist unter der Phaseneinstellfrequenz eine maximal mögliche Einstellfrequenz zu verstehen, mit welcher eine Einstellung der Phasendifferenz im Betrieb des Lasersystems möglich ist.
Die genannte Phaseneinstellfrequenz ermöglicht eine Einstellung der Phasendifferenzen zwischen den kohärenten Laserstrahlen mit einer hohen zeitlichen Auflösung. Dadurch lassen sich beispielsweise die kohärenten Laserstrahlen und aus diesen ausgebildete verstärkte Laserstrahlen mit einer hohen zeitlichen und/oder räumlichen Auflösung zu einem oder mehreren Ausgangslaserstrahlen kombinieren. Dies ermöglicht beispielsweise eine schnelle Variation von Strahlverteilungen und/oder Pulsparametern, was beispielsweise wiederum eine Bearbeitung des Werkstücks mit einer erhöhten Geschwindigkeit sowie einer erhöhten zeitlichen und/oder räumlichen Auflösung ermöglicht.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Lasersystem mindestens ein Sensorelement aufweist, welches mindestens einem als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitt zugeordnet ist oder an mindestens einem als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitt angeordnet ist. Mittels des mindestens einen Sensorelements lassen sich an dem zugeordneten Abschnitt Messwerte erfassen, wie z.B. Temperaturen von dort vorhandenen Elementen oder Phasendifferenzen zwischen Laserstrahlen.
Günstig kann es sein, wenn das mindestens eine Sensorelement ein Temperatursensorelement zur Messung einer Temperatur des als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitts ist. Es lässt sich dadurch beispielsweise eine Temperatur des entsprechenden Abschnitts überwachen. Dadurch lässt sich eine ordnungsgemäße Funktion der in dem Abschnitt vorhandenen Elemente sowie ein störungsarmer Betrieb des Lasersystems sicherstellen.
Vorteilhafterweise kann das mindestens eine Sensorelement ein Phasenmesselement zur Messung einer Phasendifferenz zwischen zwei oder mehr der vorhandenen kohärenten Laserstrahlen sein. Es lassen sich dadurch beispielsweise die Phasendifferenzen zwischen den vorhandenen kohärenten Laserstrahlen in dem Abschnitt messen, an welchem die Phaseneinstelleinrichtung ausgebildet ist. Dies ermöglicht beispielsweise eine Steuerung und/oder Regelung der mittels der Phaseneinstelleinrichtung eingestellten Phasendifferenzen.
Das Phasenmesselement ist oder umfasst insbesondere eine Photodiode. Beispielsweise werden dann mittels des Phasenmesselements Intensitäten gemessen, wobei mittels der gemessenen Intensitäten beispielsweise die Phasendifferenz zwischen zwei oder mehr der vorhandenen kohärenten Laserstrahlen ermittelt wird oder eine zeitliche Charakteristik eines bestimmten kohärenten Laserstrahls überwacht wird.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Lasersystem mindestens ein Kühlelement zur Kühlung zumindest eines als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitts des Lasersystems aufweist, wobei das mindestens eine Kühlelement insbesondere ein Peltierelement ist oder umfasst. Es lässt sich dadurch ein stabiler Betrieb der Komponenten und/oder Elemente des entsprechenden Abschnitts sowie des Lasersystems bei unterschiedlichen thermischen Bedingungen realisieren. In Verbindung mit entsprechenden Temperatursensorelementen lässt sich beispielsweise eine Temperatursteuerung und/oder Regelung realisieren.
Günstig kann es sein, wenn das Lasersystem eine Aufteilungseinrichtung zur Aufteilung eines mittels einer Laserstrahlquelle des Lasersystems bereitgestellten kohärenten Eingangslaserstrahls in mehrere kohärente Laserstrahlen aufweist. Insbesondere ist die Aufteilungseinrichtung als Photonic Integrated Circuit ausgeführt oder auf mindestens einem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt des Lasersystems ausgebildet. Es lassen sich dadurch mehrere zueinander kohärente Laserstrahlen auf technisch einfache Weise bereitstellen. Beispielsweise kann dadurch eine Vielzahl kohärenter Laserstrahlen mittels einer einzigen Laserquelle bereitgestellt werden.
Beispielsweise werden mehrere der vorhandenen kohärenten Laserstrahlen oder alle vorhandenen kohärenten Laserstrahlen durch Aufteilung des Eingangslaserstrahls mittels der Aufteilungseinrichtung bereitgestellt.
Alle vorhandenen kohärenten Laserstrahlen weisen insbesondere gleiche Eigenschaften auf, wie z.B. die gleiche Wellenlänge und/oder das gleiche Spektrum.
Alternativ hierzu können unterschiedliche Teilmengen der vorhandenen kohärenten Laserstrahlen jeweils unterschiedliche Eigenschaften und insbesondere unterschiedliche Pulseigenschaften und/oder Pulsdauern aufweisen. Beispielsweise können dann zur Bereitstellung der unterschiedlichen Teilmengen der kohärenten Laserstrahlen mehrere unterschiedliche Laserquellen vorgesehen sein. Auf diese Weise können z.B. mehrere Ausgangslaserstrahlen zur Realisierung komplexer Intensitätsverteilungen bereitgestellt werden, wobei diese Intensitätsverteilungen beispielsweise eine Überlagerung von Laserpulsen mit unterschiedlichen Pulseigenschaften und/oder Pulsdauern umfassen können.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass mindestens eine Laserstrahlquelle des Lasersystems einen Laseroszillator und/oder eine Laserdiode umfasst. Es lässt sich dadurch beispielsweise ein kohärenter Eingangslaserstrahl bereitstellen, welcher in mehrere zueinander kohärente Laserstrahlen aufgeteilt werden kann.
Beispielsweise ist mindestens eine Laserstrahlquelle des Lasersystems als Photonic Integrated Circuit ausgeführt oder auf mindestens einem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt des Lasersystems ausgebildet. Dadurch lässt sich das Lasersystem modular und/oder kompakt ausführen. Es kann vorgesehen sein, dass das Lasersystem mehrere Laserstrahlquellen aufweist, um die Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen bereitzustellen. Beispielsweise werden dann mittels einer bestimmten Laserstrahlquelle jeweils ein oder mehrere der vorhandenen kohärenten Laserstrahlen bereitgestellt. Alternativ hierzu kann das Lasersystem genau eine Laserstrahlquelle aufweisen, um die Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen bereitzustellen.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Verstärkungseinrichtung mindestens einen Faserverstärker und/oder mindestens einen Stabverstärker und/oder mindestens einen Slabverstärker und/oder mindestens einen Scheibenverstärker und/oder mindestens einen Multipass-Verstärker umfasst. Es lässt sich dadurch eine effektive Verstärkung des mindestens einen manipulierten Laserstrahls durchführen.
Insbesondere kann die Verstärkungseinrichtung mehrere Verstärkungselemente aufweisen, welche beispielsweise kaskadiert und/oder parallel angeordnet sind. Beispielsweise kann ein bestimmtes Verstärkungselement jeweils einem oder mehreren der vorhandenen manipulierten Laserstrahlen zugeordnet sein.
Ein Verstärkungselement kann beispielsweise jeweils einen Faserverstärker und/oder einen Stab Verstärker und/oder einen Slabverstärker und/oder einen Scheibenverstärker und/oder einen Multipass-Verstärker umfassen oder aus einem solchen bestehen.
Die Verstärkungseinrichtung kann beispielsweise einstufig oder mehrstufig ausgebildet sein. Im Fall einer mehrstufigen Ausbildung umfasst die Verstärkungseinrichtung beispielsweise mehrere kaskadiert angeordnete Verstärkungselemente.
Insbesondere ist die Verstärkungseinrichtung eingerichtet, um die in die Verstärkungseinrichtung eingekoppelten manipulierten Laserstrahlen um mindestens 30 dB und insbesondere um mindestens 40 dB zu verstärken. Beispielsweise beträgt eine Pulsenergie von in die Verstärkungseinrichtung eingekoppelten Laserpulsen der manipulierten Laserstrahlen ca. 10 pJ und eine Pulsenergie der aus der Verstärkungseinrichtung ausgekoppelten Laserpulsen der verstärkten Laserstrahlen ca. 10 pJ.
Es kann vorgesehen sein, dass die Verstärkungseinrichtung eine Frequenzkonversionsstufe und/oder eine Pulskompressionsstufe aufweist oder dass der Verstärkungseinrichtung eine Frequenzkonversionsstufe und/oder eine Pulskompressionsstufe des Lasersystems zugeordnet ist. Beispielsweise kann die Pulskompressionsstufe der Verstärkungseinrichtung nachgeschaltet sein.
Bei einer Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das Lasersystem eine Kombinationseinrichtung zur Kombination und/oder Überlagerung mehrerer Laserstrahlen, wie beispielsweise mehrerer kohärenter Laserstrahlen und/oder mehrerer manipulierter Laserstrahlen und/oder mehrerer verstärkter Laserstrahlen, aufweist. Insbesondere werden mittels der Kombinationseinrichtung alle vorhandenen kohärenten Laserstrahlen und/oder manipulierten Laserstrahlen und/oder verstärkten Laserstrahlen kombiniert.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass mittels der Kombinationseinrichtung mehrere verstärkte Laserstrahlen zu dem mindestens einen Ausgangslaserstrahl kombiniert werden und/oder dass die Kombinationseinrichtung vollständig oder teilweise nach der Verstärkungseinrichtung angeordnet ist.
Alternativ oder zusätzlich hierzu kann es vorgesehen sein, dass mittels der Kombinationseinrichtung mehrere manipulierte Laserstrahlen kombiniert werden und/oder dass die Kombinationseinrichtung vollständig oder teilweise vor der Verstärkungseinrichtung angeordnet ist. Es werden dadurch beispielsweise ein oder mehrere kombinierte manipulierte Laserstrahlen zur Einkopplung in die Verstärkungseinrichtung ausgebildet.
Insbesondere ist oder umfasst die Kombinationseinrichtung ein diffraktives optisches Element und/oder eine Gitterstruktur mit periodischem Muster und/oder ein Mikrolinsen-Array, mittels welchen insbesondere eine Kombination und/oder Überlagerung der Laserstrahlen bewirkt wird. Es ist auch möglich, dass die Kombinationseinrichtung auf mindestens einem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt des Lasersystems ausgebildet ist. In diesem Fall umfasst die Kombinationseinrichtung beispielsweise ein oder mehrere auf dem zugeordneten Abschnitt ausgebildete Kombinationselemente zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen. Der aus dem mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitt ausgekoppelte mindestens eine manipulierte Laserstrahl umfasst dann beispielsweise bereits eine Kombination mehrerer kohärenter Laserstrahlen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Kombinationseinrichtung eine Frequenzkonversionsstufe und/oder Pulskompressionsstufe aufweist oder der Kombinationseinrichtung eine Frequenzkonversionsstufe und/oder Pulskompressionsstufe des Lasersystems zugeordnet ist. Insbesondere sind die Frequenzkonversionsstufe und/oder die Pulskompressionsstufe der Kombinationseinrichtung vorgeschaltet.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass eine Kombination der manipulierten Laserstrahlen und/oder der verstärkten Laserstrahlen ohne Kombinationseinrichtung erfolgt. Beispielsweise kann das Lasersystem so ausgebildet sein, dass der mindestens eine Ausgangslaserstrahl durch Überlagerung der verstärkten Laserstrahlen im Fernfeld ausgebildet wird.
Insbesondere umfasst zumindest ein als Photonic Integrated Circuit ausgeführter Abschnitt des Lasersystems mindestens ein Splitterelement zur Aufteilung eines Eingangslaserstrahls in zwei oder mehr Ausgangslaserstrahlen, wobei das mindestens eine Splitterelement bevorzugt als Multi-Mode-Interferenz-Koppler ausgeführt ist oder einen Multi-Mode-Interferenz-Koppler umfasst.
Insbesondere umfasst zumindest ein als Photonic Integrated Circuit ausgeführter Abschnitt des Lasersystems mindestens ein Kombinationselement zur Kombination von zwei oder mehr Eingangslaserstrahlen zu einem Ausgangslaserstrahl, wobei das mindestens eine Kombinationselement bevorzugt als Multi-Mode-Interferenz-Koppler ausgeführt ist oder einen Multi-Mode- Interferenz-Koppler umfasst. Als Multi-Mode-Interferenz-Koppler ausgeführte Splitterelemente bzw. Kombinationselemente können breitbandig ausgeführt werden und sind bevorzugt zur Verarbeitung von ultrakurzen Laserpulsen geeignet. Insbesondere lassen sich derartige Kombinationselemente und/oder Splitterelemente mit einer Transferfunktion realisieren, welche bezüglich einer spektralen Bandbreite von Laserpulsen der kohärenten Laserstrahlen konstant oder zumindest näherungsweise konstant ist.
Es ist grundsätzlich auch möglich, das mindestens eine Kombinationselement und/oder das mindestens eine Splitterelement als Y-Koppler auszuführen, welches bevorzugt eine vorstehend genannte Transferfunktion aufweist.
Insbesondere umfasst zumindest ein als Photonic Integrated Circuit ausgeführter Abschnitt des Lasersystems mindestens ein Phaseneinstellelement zur Änderung einer Phase eines bestimmten kohärenten Laserstrahls oder eines aus einem bestimmten kohärenten Laserstrahl gebildeten Teilstrahls. Vorzugsweise ist das mindestens eine Phaseneinstellelement gleichartig ausgebildet wie die vorstehend beschriebenen Phaseneinstellelemente der Phaseneinstelleinrichtung und/oder weist ein oder mehrere Merkmale der vorstehend beschriebenen Phaseneinstellelemente der Phaseneinstelleinrichtung auf. Das hier genannte mindestens eine Phaseneinstellelement kann der Phaseneinstelleinrichtung zugeordnet sein, muss dies allerdings nicht notwendigerweise.
Insbesondere umfasst zumindest ein als Photonic Integrated Circuit ausgeführter Abschnitt des Lasersystems mindestens ein spektrales Filterelement zur spektralen Filterung eines Eingangslaserstrahls. Insbesondere weist das spektrale Filterelement einen Ausgang zur Auskopplung eines spektral gefilterten Ausgangsstrahls auf.
Das spektrale Filterelement umfasst beispielsweise ein Ringresonatorelement und/oder ein Gitterelement, wie z.B. ein Bragg-Gitter.
Insbesondere umfasst zumindest ein als Photonic Integrated Circuit ausgeführter Abschnitt des Lasersystems mindestens ein Einkopplungselement zur Einkopplung eines in einem Lichtleitkabel geführten Laserstrahls, z.B. eines kohärenten Laserstrahls, in ein in diesem Abschnitt ausgebildetes Wellenleiterelement. Insbesondere lässt sich der Laserstrahl mittels des Einkopplungselements aus dem Lichtleitkabel in das als Photonic Integrated Circuit ausgeführte Wellenleiterelement überführen.
Insbesondere umfasst zumindest ein als Photonic Integrated Circuit ausgeführter Abschnitt des Lasersystems mindestens ein Auskopplungselement zur Auskopplung eines Laserstrahls, z.B. eines manipulierten Laserstrahls, aus einem in diesem Abschnitt ausgebildeten Wellenleiterelements in ein Lichtleitkabel.
Insbesondere lässt sich der Laserstrahl mittels des Auskopplungselements aus dem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Wellenleiterelement in das Lichtleitkabel überführen.
Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass das Lasersystem ein oder mehrere Lichtleitkabel umfasst, in welchen dem Lasersystem zugeordnete Laserstrahlen, wie z.B. kohärente Laserstrahlen, manipulierte Laserstrahlen und/oder verstärkte Laserstrahlen, geführt sind. Insbesondere sind dem Lasersystem zugeordnete Laserstrahlen außerhalb des mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitts und/oder in an den mindestens einen als Photonic Integrated Circuit angrenzenden Abschnitten zumindest abschnittsweise in Lichtleitkabeln des Lasersystems geführt.
Mittels Einkopplungs- und Auskopplungselementen lässt sich der mindestens eine als Photonic Integrated Circuit ausgeführte Abschnitt auf technisch einfache Weise in das Lasersystem integrieren und/oder an andere Komponenten des Lasersystems anbinden.
Insbesondere sind das mindestens eine Einkopplungselement und/oder das mindestens eine Auskopplungselement als Gitterkoppler ausgeführt oder umfassen einen Gitterkoppler. Alternativ hierzu können das mindestens eine Einkopplungselement und/oder das mindestens eine Auskopplungselement auch mittels Photonic Wire Bonds realisiert sein.
Insbesondere ist unter dem vorstehend genannten Splitterelement, Kombinationselement, Phaseneinstellelement, Verzögerungselement, spektralen Filterelement, Einkopplungselement und Auskopplungselement jeweils ein auf Element und/oder eine Komponente des Lasersystems zu verstehen, welches bzw. welche auf dem mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt angeordnet und/oder ausgebildet ist.
Sofern im Zusammenhang mit Elementen des mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitts auf einen Eingangslaserstrahl bzw. einen Ausgangslaserstrahl Bezug genommen wird, kann dies insbesondere einer der vorhandenen kohärenten Laserstrahlen oder ein aus einem der vorhandenen kohärenten Laserstrahlen ausgebildeter Laserstrahl und/oder Teilstrahl sein. Es versteht sich, dass mittels der beschriebenen Elemente eine Vielzahl verschiedener Anwendungen auf dem mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt realisiert werden können.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der mindestens eine als Photonic Integrated Circuit ausgeführte Abschnitt des Lasersystems zumindest eine der folgenden Elemente und/oder Funktionen aufweist:
- ein Mach-Zehnder-Interferometer-Element, insbesondere zur Amplitudenmodulation von Laserpulsen eines Eingangslaserstrahls und/oder als variabler Schalter zwischen verschiedenen Eingangs- und Ausgangslaserstrahlen ;
- ein Burst-Erzeugungselement zur Erzeugung von Bursts aus mehreren Laserpulsen;
- ein spektrales Pulsformungselement zur spektralen Pulsformung von Laserpulsen eines Eingangslaserstrahls.
Insbesondere können die genannten Komponenten und/oder Funktionen durch Kombination von einem oder mehreren der vorstehend genannten Elemente realisiert sein, wie z.B. des Splitterelements, Kombinationselements, Phaseneinstellelements, Verzögerungselements und spektralen Filterelements.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Lasersystem eine optische Isolatoreinrichtung zur Verringerung und/oder Vermeidung eines Eindringens von rücklaufenden Laserstrahlen von der Verstärkungseinrichtung in den mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt und/oder in die Phaseneinstelleinrichtung aufweist. Rücklaufende Laserstrahlen können beispielsweise Laserstrahlen sein, welche im Betrieb des Lasersystems in der Verstärkungseinrichtung und/oder am Werkstück reflektiert und/oder gestreut werden. Mittels der optischen Isolatoreinrichtung lässt sich eine Beschädigung von Elementen des als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitts und/oder der Phaseneinstelleinrichtung vermeiden.
Insbesondere umfasst die optische Isolatoreinrichtung mindestens ein optisches Isolatorelement, welches beispielsweise als optischer Multikanalisolator ausgebildet ist oder einen optischen Multikanalisolator umfasst. Bevorzugt ist mindestens ein optisches Isolatorelement der optischen Isolatoreinrichtung vor der Verstärkungseinrichtung angeordnet und/oder zwischen dem mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt und der Verstärkungseinrichtung angeordnet ist. Beispielsweise durchlaufen aus dem mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt ausgekoppelte kohärente Laserstrahlen zuerst die optische Isolatoreinrichtung und dann die Verstärkungseinrichtung.
Vorzugsweise sind die optische Isolatoreinrichtung und/oder die optischen Isolatorelemente auf Faraday- Rotator- Basis ausgeführt.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass innerhalb der Verstärkungseinrichtung ein oder mehrere optische Isolatorelemente der optischen Isolatoreinrichtung angeordnet sind, welche bevorzugt der optischen Isolatoreinrichtung zugeordnet sind. Beispielsweise können zwischen mehreren nacheinander angeordneten Verstärkungselementen der Verstärkungseinrichtung jeweils optische Isolatorelemente vorgesehen sein.
Im Rahmen der vorliegenden Unterlagen sind Angaben, dass eine erste Einrichtung und/oder ein erstes Element des Lasersystems nach einer zweiten Einrichtung und/oder einem zweiten Element der Vorrichtung angeordnet ist, stets bezogen auf eine Haupt-Propagationsrichtung von durch das Lasersystem geführten Laserstrahlen zu verstehen. Beispielsweise treffen dann die (kohärenten) Laserstrahlen zeitlich zuerst auf die zweite Einrichtung und/oder das zweite Element und anschließend auf die erste Einrichtung und/oder das erste Element. Die zweite Einrichtung und/oder das zweite Element ist dann vor der ersten Einrichtung und/oder dem ersten Element angeordnet.
Günstig kann es sein, wenn das Lasersystem mindestens zwei als Photonic Integrated Circuit ausgeführte Abschnitte aufweist. Den unterschiedlichen Abschnitten können insbesondere jeweils unterschiedliche Funktionen und/oder Elemente zugeordnet sein. Das Lasersystem lässt sich dadurch modular und flexibel ausführen.
Einzelne als Photonic Integrated Circuit ausgeführte Abschnitte werden auch als Einzelchips oder "PlCIets" bezeichnet. Beispielsweise kann das Lasersystem eine Vielzahl von PlCIets aufweisen oder abschnittsweise aus einer Kombination von mehreren PlCIets realisiert sein.
Unterschiedliche PlCIets können beispielsweise mittels Photonic Wire Bonds, FlipChips und/oder Edge-Coupling-Technologie verbunden sein.
Insbesondere sind zumindest zwei der vorhandenen Abschnitte aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet. Es lässt sich dadurch ein für eine bestimmte Funktion und/oder für ein bestimmtes Element vorgesehener als Photonic Integrated Circuit ausgeführter Abschnitt aus einem für diese Funktion bzw. für dieses Element besonders gut geeigneten Material ausbilden.
Beispielsweise können unterschiedliche Abschnitte aus unterschiedlichen elektrooptischen oder plasmonischen Materialien ausgebildet sein, wie z.B. Lithium- Niobate oder Siliziumnitrid.
Beispielsweise können unterschiedliche Funktionen und/oder Elemente des Lasersystems jeweils mittels unterschiedlichen als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitten realisiert sein.
Insbesondere kann mindestens ein aus Lithium-Niobate ausgebildeter bestehender Abschnitt vorgesehen sein, wobei dieser Abschnitt die Phaseneinstelleinrichtung und/oder mindestens ein Phaseneinstellelement umfasst oder diesem besteht. Aufgrund der schnellen Schaltbarkeit von Lithium- Niobate lässt sich dadurch insbesondere die Phaseneinstelleinrichtung mit einer hohen Phaseneinstellfrequenz realisieren.
Insbesondere kann mindestens ein aus SiN ausgebildeter oder bestehender Abschnitt vorgesehen sein, wobei dieser Abschnitt mindestens ein Splitterelement und/oder mindestens ein Kombinationselement umfasst oder aus diesem besteht. SiN weist eine hohe Leistungstauglichkeit auf uns ist besonders gut für passive Komponenten geeignet.
Insbesondere kann mindestens ein aus Silizium ausgebildeter oder bestehender Abschnitt vorgesehen ist, wobei dieser Abschnitt mindestens ein Sensorelement aufweist, welches mindestens einem als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitt des Lasersystems zugeordnet ist oder an mindestens einem als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitt des Lasersystems angeordnet ist. Silizium lässt sich bevorzugt zur Anordnung und/oder Ausbildung von Sensorkomponenten an bzw. auf dem mindestens einem als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitt verwenden.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Lasersystem eine Abbildungseinrichtung und/oder eine Fokussierungseinrichtung umfasst, um den mindestens einen Ausgangslaserstrahl auf oder in das zu bearbeitende Werkstück abzubilden bzw. zu fokussieren.
Der mittels des Lasersystems bereitgestellte mindestens eine Ausgangslaserstrahl ist insbesondere geeignet, um an dem Werkstück abtragende Verfahren und/oder modifizierende Verfahren durchführen. Die abtragenden Verfahren umfassen beispielsweise das Bohren, Strukturieren, Reinigen und/oder Schneiden des Werkstücks. Die modifizierenden Verfahren umfassen beispielsweise das Ändern von Eigenschaften des Werkstücks, wie z.B. das Ändern der Oberflächenbeschaffenheit, der optischen Eigenschaften, des Brechungsindex und/oder die Ätzbarkeit des Werkstücks.
Das zu bearbeitende Werkstück kann beispielsweise Metalle, Dielektrika, Halbleiter, Kristalle, Keramiken und/oder Polymere umfassen. 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 eines Ausführungsbeispiels eines Lasersystems;
Fig. 2 ein Phaseneinstellelement mit einem planaren Wellenleiterelement eines als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitts des Lasersystems;
Fig. 3 ein Beispiel eines auf dem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt ausgebildeten Verzögerungselements;
Fig. 4a ein Beispiel eines auf dem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt ausgebildeten Splitterelements;
Fig. 4b ein Beispiel eines auf dem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt ausgebildeten Kombinationselements;
Fig. 5 ein Beispiel eines auf dem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt ausgebildeten Phaseneinstellelements;
Fig. 6a ein Beispiel eines auf dem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt ausgebildeten Einkopplungselements;
Fig. 6b ein Beispiel eines auf dem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt ausgebildeten Auskopplungselements; Fig. 7a ein Beispiel eines auf dem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt ausgebildeten spektralen Filterelements;
Fig. 7b ein weiteres Beispiel eines auf dem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt ausgebildeten spektralen Filterelements;
Fig. 8 ein Beispiel einer auf dem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt ausgebildeten Aufteilungseinrichtung und Phaseneinstelleinrichtung;
Fig. 9a ein Beispiel eines auf dem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt ausgebildeten Mach-Zehnder- Interferometer- Elements;
Fig. 9b ein Beispiel eines auf dem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt ausgebildeten weiteren Elements, welches in Kombination mit dem in Fig. 9a gezeigten Element ein Burst- Erzeugungselement bildet; und
Fig. 10 ein Beispiel eines auf dem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt ausgebildeten variablen Verzögerungselements.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Ein Ausführungsbeispiel eines Lasersystems ist in Fig. 1 schematisch gezeigt und dort mit 100 bezeichnet. Mittels des Lasersystems 100 lässt sich mindestens ein Ausgangslaserstrahl 102 bereitstellen, welcher beispielsweise zur Laserbearbeitung eines Werkstücks 104 vorgesehen ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 umfasst das Lasersystem 100 eine Laserstrahlquelle 106, mittels welcher mehrere kohärente Laserstrahlen 108 bereitgestellt werden. Beispielsweise wird hierzu zunächst mittels der Laserstrahlquelle 106 ein kohärenter Eingangslaserstrahl 110 bereitgestellt, welcher dann mittels einer Aufteilungseinrichtung 112 in die mehreren kohärenten Laserstrahlen 108 aufgeteilt wird.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass zur Bereitstellung der kohärenten Laserstrahlen 108 mehrere Laserstrahlquellen 106 vorgesehen sind. Beispielsweise wird dann mittels jeder der Laserstrahlquellen 106 jeweils ein kohärenter Laserstrahl 108 bereitgestellt oder es werden mittels jeder der Laserstrahlquellen 106 jeweils mehrere kohärente Laserstrahlen 108 bereitgestellt.
Die mittels der Laserstrahlquelle 106 bereitgestellten kohärenten Laserstrahlen 108 sind vorzugsweise jeweils gepulste Laserstrahlen und insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahlen.
Alle kohärenten Laserstrahlen 108 weisen insbesondere gleiche Eigenschaften auf, wie z.B. die gleiche Wellenlänge und/oder das gleiche Spektrum.
Zur Einstellung einer jeweiligen Phase der kohärenten Laserstrahlen 108 und/oder einer jeweiligen Phasendifferenz zwischen den einzelnen kohärenten Laserstrahlen 108 ist eine Phaseneinstelleinrichtung 114 vorgesehen. Die Phaseneinstelleinrichtung 114 umfasst insbesondere mehrere Phaseneinstellelemente 116, wobei mittels eines bestimmten Phaseneinstellelements 116 die Phase eines zugeordneten kohärenten Laserstrahls 108 einstellbar ist. Beispielsweise ist mehreren oder allen kohärenten Laserstrahlen 102 jeweils ein Phaseneinstellelement 116 zugeordnet.
Im Fall von N kohärenten Laserstrahlen 108 umfasst die Phaseneinstelleinrichtung 114 beispielsweise N-l oder N Phaseneinstellelemente 116.
Insbesondere ist mittels der Phaseneinstelleinrichtung 114 und/oder mittels eines jeweiligen Phaseneinstellelements 116 der Phaseneinstelleinrichtung die Phase eines bestimmten kohärenten Laserstrahls 108 zwischen 0 und 2Pi änderbar. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden die mittels der Phaseneinstelleinrichtung 114 phasenmanipulierte kohärente Laserstrahlen 108 als manipulierte Laserstrahlen 109 bezeichnet.
Zur Verstärkung der manipulierten Laserstrahlen 109 umfasst das Lasersystem 100 eine Verstärkungseinrichtung 118. Insbesondere weist die Verstärkungseinrichtung 118 mehrere Verstärkungselemente 120 auf, wobei beispielsweise eines der Verstärkungselemente 120 jeweils einem der manipulierten Laserstrahlen 109 zugeordnet ist. Es ist auch möglich, dass mehrere Verstärkungselemente 120 sequentiell demselben kohärenten Laserstrahl 108 zugeordnet sind.
Die Verstärkungseinrichtung 118 und/oder die Verstärkungselemente 120 können beispielsweise als Faserverstärker und/oder Stabverstärker und/oder Slabverstärker und/oder Scheibenverstärker und/oder Multipass-Verstärker ausgebildet sein oder solche umfassen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Verstärkungseinrichtung 118 ein oder mehrere Verstärkerketten aufweist. Beispielsweise kann die Verstärkungseinrichtung 118 mehrere Verstärkungselemente 120 umfassen, welche kaskadiert und/oder parallel angeordnet sind.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel werden die manipulierten Laserstrahlen 109, d.h. bei dem gezeigten Beispiel die kohärenten Laserstrahlen mit eingestellten Phasendifferenzen, in die Verstärkungseinrichtung 118 bzw. in die jeweiligen Verstärkungselemente 120 der Verstärkungseinrichtung 118 eingekoppelt.
Die manipulierten Laserstrahlen 109, welche mittels der Verstärkungseinrichtung 118 verstärkt wurden, werden nachfolgend als verstärkte Laserstrahlen 122 bezeichnet.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel entspricht eine Anzahl der in die Phaseneinstelleinrichtung 114 eingekoppelten kohärenten Laserstrahlen 108 einer Anzahl der manipulierten Laserstrahlen 109 und/oder der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 122. Bei einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der mindestens eine Ausgangslaserstrahl 102 basierend auf den verstärkten Laserstrahlen 122 ausgebildet wird. Beispielsweise wird der mindestens eine Ausgangslaserstrahl 102 durch Kombination der verstärkten Laserstrahlen 122 ausgebildet.
Zur Kombination der verstärkten Laserstrahlen 122 zu dem mindestens einen Ausgangslaserstrahl 102 kann eine Kombinationseinrichtung 124 vorgesehen sein. Mittels der Kombinationseinrichtung 124 wird der mindestens eine Ausgangslaserstrahl 102 durch Kombination der verstärkten Laserstrahlen 122 ausgebildet.
Beispielsweise werden aus der Verstärkungseinrichtung 118 ausgekoppelte verstärkte Laserstrahlen 122 in die Kombinationseinrichtung 124 eingekoppelt.
Beispielsweise kann die Kombinationseinrichtung 124 ein diffraktives optisches Element und/oder eine Gitterstruktur und/oder ein Mikrolinsen-Array umfassen.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Kombination der verstärkten Laserstrahlen 122 ohne Kombinationseinrichtung 124 erfolgt. Beispielsweise wird dann der mindestens eine Ausgangslaserstrahl 102 durch Überlagerung der verstärkten Laserstrahlen 122 im Fernfeld ausgebildet.
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.
Ferner wird 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 und zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen mittels einem oder mehreren Mikrolinsen-Arrays auf die WO 2020/016336 Al und DE 10 2020 201 161 Al.
Bei einer Variante kann es vorgesehen sein, dass bereits die manipulierten Laserstrahlen 109 kombiniert werden, um mindestens einen kombinierten manipulierten Laserstrahl bereitzustellen (nicht gezeigt), welcher dann in die Verstärkungseinrichtung 118 eingekoppelt wird. In diesem Fall ist die Kombinationseinrichtung 124 (falls vorhanden) beispielsweise zwischen der Phaseneinstelleinrichtung 114 und der Verstärkungseinrichtung 118 angeordnet.
Es ist vorgesehen, dass zumindest ein Abschnitt 126 des Lasersystems 100 als Photonic Integrated Circuit (PIC) ausgeführt ist. In diesem Fall sind, vergleichbar mit integrierten Schaltkreisen, optische Komponenten und/oder Strahlführungskomponenten auf einem Substrat angeordnet, wie beispielsweise einem Lithium-Niobate-on-Insulator-Substrat.
Der mindestens eine als PIC ausgebildete Abschnitt 126 ist eingerichtet, um die kohärenten Laserstrahlen 108 zu manipulieren, was beispielsweise deren Phasenlage zueinander und eine Anpassung von Eigenschaften von Laserpulsen der kohärenten Laserstrahlen 108 umfassen kann. Die aus dem mindestens einen als PIC ausgebildeten Abschnitt ausgekoppelten Strahlen sind die manipulierten Strahlen 109.
Hinsichtlich der Realisierung und Eigenschaften von optischen Komponenten und/oder Strahlführungskomponenten als PIC wird auf die wissenschaftlichen Veröffentlichungen "Direct and Sensitive Phase Readout for Integrated Waveguide Sensors" von R. Halir et al., IEEE Photonics Journal, Volume 5, Number 4, August 2013, DOI: 10.1109/JPHOT.2013.2276747, und "Optical phased array beam steering in the mid-infrared on an InP-based platform" von M. Jason et al., Optica 7.11 (2020): 1544-1547, verwiesen. Insbesondere ist der mindestens eine als PIC ausgeführte Abschnitt 126 des Lasersystems 100 in Dünnschichttechnologie hergestellt und/oder lithographisch geätzt. Vorzugsweise ist der Abschnitt 126 in Planartechnologie aufgebaut und/oder weist Wellenleiterelemente 128 mit planarer Struktur auf, wie beispielsweise in Fig. 2 gezeigt.
Vorzugsweise ist der mindestens eine als PIC ausgeführte Abschnitt 126 aus einem elektro-optisch aktiven Material, wie z.B. Lithium-Niobate, und/oder einem plasmonischen Material ausgebildet.
Fig. 2 zeigt beispielhaft ein in Planartechnologie hergestelltes Wellenleiterelement 128 eines als PIC ausgeführten Abschnitts 126 des Lasersystems 100, wobei das Wellenleiterelement 128 auf einem Substrat 130 angeordnet und/oder ausgebildet ist. Das in Planartechnologie aufgebaute Wellenleiterelement 128 weist ebene Begrenzungsflächen 132 auf. Die Begrenzungsflächen 132 des Wellenleiterelements 128 liegen insbesondere jeweils in einer Ebene und/oder sind ungekrümmt. Insbesondere liegt an den Begrenzungsflächen 132 jeweils ein sprunghafter Brechungsindexübergang vor.
Das Wellenleiterelement 128 weist einen Durchmesser D von beispielsweise ca. 300 nm bis 800 nm auf.
Entsprechende als PIC ausgeführte Wellenleiterelemente sind beispielsweise aus der wissenschaftlichen Veröffentlichung Wang, Cheng, et al. "Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages." Nature 562.7725 (2018): 101-104, bekannt.
Das Beispiel gemäß Fig. 2 zeigt ein als PIC realisiertes Phaseneinstellelement 116 der Phaseneinstelleinrichtung 114. Zu dem Wellenleiterelement 128 beabstandet angeordnet sind Elektroden 134, welche ein elektrisches Feld erzeugen, wobei eine Verteilung einer Feldstärke des elektrischen Felds durch die Graustufenskala in Fig. 2 dargestellt ist. Hellere Graustufenwerte stehen für größere Feldstärken. Durch Variation der Feldstärke des elektrischen Felds lässt sich eine Phasenverschiebung eines durch das Wellenleiterelement 128 geführten kohärenten Laserstrahls 108 einstellen. Wie beispielsweise in Fig. 3 gezeigt, umfasst der als PIC ausgeführte Abschnitt 126 des Lasersystems 100 mindestens ein auf dem Substrat 130 angeordnetes und/oder ausgebildetes Wellenleiterelement 128 zur Strahlführung des mindestens einen kohärenten Laserstrahls 108. Eine Haupt-Propagationsrichtung 136 des durch das Wellenleiterelement 128 geführten kohärenten Laserstrahls 108 ist durch den Pfeil angedeutet.
Unter der Haupt-Propagationsrichtung 136 ist insbesondere eine Haupt- Propagationsrichtung von durch das Lasersystem 100 geführten Laserstrahlen zu verstehen. Beispielsweise ist unter der Haupt-Propagationsrichtung 136 eine Haupt-Propagationsrichtung des kohärenten Eingangslaserstrahls 110 und/oder der kohärenten Laserstrahlen 108 und/oder der verstärkten Laserstrahlen 122 und/oder des Ausgangslaserstrahls 102 zu verstehen.
Das Wellenleiterelement 128 kann grundsätzlich mit beliebigen Geometrien und/oder Verläufen ausgebildet werden. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel ist das Wellenleiterelement 128 als Verzögerungselement 137 und/oder Delay-Line ausgebildet.
Das Verzögerungselement 137 ist zur zeitlichen Verzögerung eines durch dieses durchgeführten Eingangslaserstrahls 139 gegenüber eines Referenz-Laserstrahls 139', welcher insbesondere das Verzögerungselement 137 nicht durchläuft, ausgebildet. Beispielsweise wird mittels des Verzögerungselements 137 eine von dem Eingangslaserstrahl 139 zurückgelegte Wegstrecke gegenüber der zurückgelegten Wegstrecke des Referenz- Laserstrahls 139' vergrößert. Es ergibt sich hieraus ein zeitlicher Versatz zwischen dem Eingangslaserstrahl 139 und dem Referenz- Laserstrahl 139'. Der Eingangslaserstrahl 139 und/oder der Referenz- Laserstrahl 139' können beispielsweise jeweils einer der vorhandenen kohärenten Laserstrahlen 108 sein.
Wie beispielsweise in den Fig. 4a bzw. 4b gezeigt, kann der als PIC ausgeführte Abschnitt 126 ein Splitterelement 138 (Fig. 4a) und/oder ein Kombinationselement 140 (Fig. 4b) aufweisen. Mittels des Splitterelements 138 wird ein Eingangslaserstrahl 142 in zwei oder mehr Ausgangslaserstrahlen 144 aufgeteilt, wobei der Eingangslaserstrahl 142 und die Ausgangslaserstrahlen 144 beispielsweise jeweils in den Wellenleiterelementen 128 geführt werden. Der Eingangslaserstrahl 136 kann beispielsweise einer der vorhandenen kohärenten Laserstrahlen 108 sein.
Mittels des Kombinationselements 140 werden zwei oder mehr Eingangslaserstrahlen 146 zu einem Ausgangslaserstrahl 148 kombiniert. Die Eingangslaserstrahlen 146 können beispielsweise zwei der vorhandenen kohärenten Laserstrahlen 108 sein.
Insbesondere sind das Splitterelement 138 und/oder das Kombinationselement 140 jeweils als Multi-Mode-Interferenz-Koppler (MMI-Koppler) ausgeführt. MMI- Koppler sind beispielsweise aus der wissenschaftlichen Veröffentlichung Zou, Zhi, et al. "60-nm-thick basic photonic components and Bragg gratings on the silicon- on-insulator platform." Optics express 23.16 (2015): 20784-20795, bekannt.
Ferner können das Splitterelement 138 und/oder das Kombinationselement 140 jeweils als Y-Koppler ausgeführt werden. Geeignete Y-Koppler sind beispielsweise aus der wissenschaftlichen Veröffentlichung Lin, Zhongjin, and Wei Shi "Broadband, low-loss silicon photonic Y-junction with an arbitrary power splitting ratio." Optics express 27.10 (2019): 14338-14343, bekannt.
Das Splitterelement 138 und das Kombinationselement 140 gehören der Klasse der Kopplungselemente - auch als Interconnectelemente bezeichnet - an. Es versteht sich, dass sich auf dem PIC grundsätzlich verschiedenartige NxM-Kopplungselemente ausführen lassen, um N Eingangslaserstrahlen in M Ausgangslaserstrahlen mit einer definierten Transferfunktion zu überführen.
Der als PIC ausgeführte Abschnitt 126 des Lasersystems 100 umfasst zumindest die Phaseneinstelleinrichtung 114, d.h. zumindest die Phaseneinstelleinrichtung 114 des Lasersystems 100 ist vorliegend als PIC ausgeführt. Es ist vorgesehen, dass die der Phaseneinstelleinrichtung 114 zugeordneten Phaseneinstellelemente 116 als PIC ausgebildet sind bzw. auf dem mindestens einen als PIC ausgeführten Abschnitt 126 des Lasersystems 100 ausgebildet sind. Beispielsweise ist das Phaseneinstellelement 116 wie in Fig. 2 dargestellt ausgeführt.
In Fig. 5 ist eines der auf dem PIC ausgebildeten Phaseneinstellelemente 116 schematisch gezeigt. Mittels der Wellenleiterelemente 128 wird der kohärente Laserstrahl 108 durch das Phaseneinstellelement 116 durchgeführt.
Es kann vorgesehen sein, dass der Abschnitt 126 ein Einkopplungselement 150 zur Einkopplung eines Laserstrahls, beispielsweise eines kohärenten Laserstrahls 108, in ein an dem Abschnitt 126 angeordnetes Wellenleiterelement 128 aufweist (Fig. 6a) und/oder ein Auskopplungselement 152 zur Auskopplung eines Laserstrahls, beispielsweise eines manipulierten Laserstrahls 109, aus einem an dem Abschnitt angeordneten Wellenleiterelement 128 aufweist (Fig. 6b).
Mittels des Einkopplungselements 150 bzw. des Auskopplungselements 152 lässt sich insbesondere ein fasergeführter und/oder ein in einer Lichtleitfaser geführter kohärenter Laserstrahl 108 in das Wellenleiterelement 128 einkoppeln bzw. aus diesem auskoppeln. Beispielsweise lässt sich mittels des Einkopplungselements 150 bzw. des Auskopplungselements 152 die Lichtleitfaser an das Wellenleiterelement 128 so ankoppeln, dass eine Einkopplung des kohärenten Laserstrahls 108 aus der Lichtleitfaser in das Wellenleiterelement 128 bzw. eine Auskopplung des kohärenten Laserstrahls 108 aus dem Wellenleiterelement 128 in die Lichtleitfaser erfolgen kann.
Vorzugsweise sind das Einkopplungselement 150 und/oder das Auskopplungselement 152 jeweils als Gitterkoppler ausgeführt. Es ist auch möglich, dass die Lichtleitfaser 128 mittels des Einkopplungselements 150 bzw. des Auskopplungselements 152 mittels Photonic Wire Bond an die Lichtleitfaser angekoppelt ist.
Die genannten Gitterkoppler sind beispielsweise aus Cheng, Lirong, et al. "Grating couplers on silicon photonics: Design principles, emerging trends and practical issues." Micromachines 11.7 (2020): 666, bekannt. Die genannten Photonic Wire Bonds sind beispielsweise aus Lindenmann, Nicole, et al. "Connecting silicon photonic circuits to multicore fibers by photonic wire bonding." Journal of lightwave Technology 33.4 (2014): 755-760, bekannt.
Es kann vorgesehen sein, dass der Abschnitt 126 ein spektrales Filterelement 154 aufweist. Bei einer Ausführungsform umfasst das spektrale Filterelement 154 ein auf dem PIC ausgebildetes Ringresonatorelement 156 (Fig. 7a). Das Ringresonatorelement 156 ist beispielsweise ein Disk-Resonator und/oder ein Torioid-Resonator.
Mittels des spektralen Filterelements 154 wird ein Eingangslaserstrahl 158, welcher beispielsweise einer der kohärenten Laserstrahlen 108 sein kann, spektral gefiltert. Der Eingangslaserstrahls 158 wird mittels des spektralen Filterelements 154 und/oder des Ringresonatorelements spektral gefiltert und an einem Ausgang des spektralen Filterelements 154 als spektral gefilterter Ausgangslaserstrahl 160 ausgekoppelt.
Es kann vorgesehen sein, dass durch das spektrale Filterelement 154 nicht in den Ausgangslaserstrahl 160 transmittierte spektrale Komponenten des Eingangslaserstrahls 158 in dem Ringresonatorelement 156 absorbiert und/oder reflektiert und/oder gestreut werden.
Es kann vorgesehen sein, dass das spektrale Filterelement 154 einen weiteren Ausgang zur Auskopplung eines weiteren Ausgangslaserstrahls 162 aufweist, wobei der weitere Ausgangslaserstrahl 162 die aus dem Eingangslaserstrahl 158 herausgefilterten spektralen Komponenten aufweist und/oder die nicht in den Ausgangslaserstrahl 160 transmittierten spektralen Komponenten des Eingangslaserstrahls 158. Beispielsweise enthält der weitere Ausgangslaserstrahl 162 die in dem Ringresonatorelement 156 reflektierten spektralen Komponenten des Eingangslaserstrahls 158.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das spektrale Filterelement 154 ein auf dem PIC ausgeführtes Gitterelement 164 und insbesondere Bragg-Gitter (Fig. 7b) oder einen photonischen Kristall. Mittels des Gitterelements 164 erfolgt eine spektrale Filterung des Eingangslaserstrahls 158. Der mittels des Gitterelements 164 spektral gefilterte Eingangslaserstrahl 158 wird als Ausgangslaserstrahl 160 ausgekoppelt.
Durch das Vorsehen mehrerer spektraler Filterelemente 154 lässt sich beispielsweise eine spektrale Pulsformung von Laserpulsen durchführen.
Spektrale Filterelemente und Möglichkeiten zur Pulsformung sind beispielsweise aus den wissenschaftlichen Veröffentlichungen Luan, Enxiao, et al. "Silicon photonic biosensors using label-free detection." Sensors 18.10 (2018): 3519, Chen, Chin-Hui, et al. "A WDM silicon photonic transmitter based on carrierinjection microring modulators." 2014 Optical Interconnects Conference. IEEE, 2014, und Weiner, Andrew M. "Ultrafast optical pulse shaping: A tutorial review." Optics Communications 284.15 (2011): 3669-3692, bekannt.
Beispielsweise werden nicht in den Ausgangsstrahl 160 transmittierte spektrale Komponenten des Eingangslaserstrahls 158 mittels des Gitterelements 164 gestreut und/oder aus einem Strahlpfad zur Seite abgelenkt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Aufteilungseinrichtung 112 und die Phaseneinstelleinrichtung 114 als PIC ausgeführt sind (Fig. 8). Beispielsweise sind die Aufteilungseinrichtung 112 und die Phaseneinstelleinrichtung 114 auf demselben als PIC ausgeführten Abschnitt 126 ausgebildet.
Bei dem in Fig. 8 gezeigten Beispiel wird der kohärente Eingangslaserstrahl 110 mittels eines Einkopplungselements 150 in ein auf dem Abschnitt 126 ausgeführtes Wellenleiterelement 128 eingekoppelt. Der kohärente Eingangslaserstrahl 110 wird dann in mehrere kohärente Laserstrahlen 108 aufgeteilt, wobei hierzu beispielsweise ein oder mehrere Splitterelemente 138 vorgesehen sein können. Beispielsweise sind mehrere Splitterelemente 138 kaskadiert angeordnet, um den kohärenten Eingangslaserstrahl 110 mehrfach aufzuteilen. Bei dem in Fig. 8 gezeigten Beispiel wird der kohärente Eingangslaserstrahl 110 in vier kohärente Laserstrahlen 108 aufgeteilt. Zur Einstellung einer jeweiligen Phase der kohärenten Laserstrahlen 108 ist jedem der kohärenten Laserstrahlen 108 ein Phaseneinstellelement 116 der Phaseneinstelleinrichtung 114 zugeordnet.
Das Lasersystem 100 kann grundsätzlich mehrere unterschiedliche und/oder aneinander angrenzende als PIC ausgeführte Abschnitte 126 aufweisen. Bei dem in Fig. 8 gezeigten Beispiel sind drei unterschiedliche als PIC ausgebildete Abschnitte 126 vorgesehen, wobei das Einkopplungselement 150 auf einem ersten als PIC ausgeführten Abschnitt 126a angeordnet ist, die Aufteilungseinrichtung 112 auf einem zweiten als PIC ausgeführten Abschnitt 126b angeordnet ist und die Phaseneinstelleinrichtung 114 auf einem dritten als PIC ausgeführten Abschnitt 126c angeordnet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die unterschiedlichen Abschnitte 126a, 126b und 126c jeweils aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind.
Bei dem in Fig. 9a gezeigten Beispiel ist ein Mach-Zehnder-Interferometer- Element 165 als PIC ausgeführt. Ein Eingangslaserstrahl 166, welcher beispielsweise einer der vorhandenen kohärenten Laserstrahlen 108 sein kann, wird mittels eines Splitterelements 138 in zwei Teilstrahlen 168a und 168b aufgeteilt, wobei eine Phase von zumindest einem dieser Teilstrahlen 168a, 168b mittels eines jeweils zugeordneten Phaseneinstellelements 116 einstellbar ist (bei dem gezeigten Beispiel die Phase des Teilstrahls 168a). Die Teilstrahlen 168a, 168b werden anschließend mittels eines 2x2-Kopplungselements (angedeutet durch eine Kombination eines Kombinationselements 138 und eines Splitterelements 138) in die Ausgangslaserstrahlen 170a und 170b aufgeteilt.
In dem genannten Kombinationselement 140 und dem weiteren Splitterelement 138 werden die Teilstrahlen 168a und 168b gemischt und interferieren dort. Durch Einstellung einer Phasendifferenz zwischen den Teilstrahlen 168a, 168b mittels des Phaseneinstellelements 116 lässt sich ein Intensitätsverhältnis der Ausgangsstrahlen 170a, 170b zueinander einstellen. Beispielsweise ist dadurch mittels des Mach-Zehnder-Interferometer-Elements 165 ein variabler Schalter realisiert. Verschiedene technische Realisierungen von Mach-Zehner-Interferometern und variablen Schaltern sind beispielsweise aus der wissenschaftlichen Veröffentlichung Duan, Fei, et al. "Low-power and high-speed 2x 2 thermo-optic MMI-MZI switch with suspended phase arms and heater-on-slab structure." Optics Letters 46.2 (2021): 234-237, bekannt.
Mittels des Mach-Zehnder-Interferometer-Elements 165 lässt sich beispielsweise ein Burst-Erzeugungselement 171 realisieren. Beispielsweise wird hierzu der Ausgangsstrahl 170a gegenüber des Ausgangsstrahls 170b mittels eines Verzögerungselements 137 zeitlich verzögert (Fig. 9b). Anschließend werden die Ausgangsstrahlen 170a, 170b zu einem kombinierten Ausgangsstrahl 170' kombiniert.
Dieser Ausgangsstrahl 170' umfasst beispielsweise zwei zeitversetzte Laserpulse ("2er-Burst"), deren Amplitudenverhältnis zueinander mittels des Mach-Zehnder- Interferometer-Elements 165 einstellbar ist, beispielsweise durch Variation der Phasendifferenz zwischen den Teilstrahlen 168a und 168b mittels des Phaseneinstellelements 116.
Bei dem in Fig. 10 gezeigten Beispiel ist ein variables Verzögerungselement 137' als PIC realisiert. Dieses weist grundsätzlich dieselbe Funktionsweise auf wie das vorstehend beschriebene Verzögerungselement 137, umfasst allerdings zusätzlich ein oder mehrere Phaseneinstellelemente 116, welche beispielsweise aufeinanderfolgend und/oder kaskadiert von dem durch das variable Verzögerungselement geführten Eingangslaserstrahl 139 durchlaufen werden. Mittels dieser Phaseneinstellelemente 116 lässt sich eine durch das variable Verzögerungselement bewirkte Verzögerung des Eingangslaserstrahls 139 gegenüber des Referenz-Laserstrahls 139' einstellen.
Bei einer Ausführungsform kann das Lasersystem eine optische Isolatoreinrichtung 172 aufweisen, welche ausgebildet ist, ein Eindringen von rücklaufenden Laserstrahlen 109' in den als PIC ausgeführten Abschnitt 126 und/oder in die Phaseneinstelleinrichtung 114 zu vermeiden, wobei die rücklaufenden Laserstrahlen von der Verstärkungseinrichtung 118 in Richtung der Phaseneinstelleinrichtung 114 und/oder des Abschnitts 126 propagieren (angedeutet in Fig. 1). Die rücklaufenden Laserstrahlen 109' sind insbesondere entgegen und/oder antiparallel zur Haupt-Propagationsrichtung 136 orientiert.
Im Betrieb des Lasersystems 100 können rücklaufende Laserstrahlen 109' beispielsweise durch Streuung und/oder Reflektion der manipulierten Laserstrahlen 109 an der Verstärkungseinrichtung 118 bzw. des Ausgangslaserstrahls 102 an dem Werkstück 104 entstehen.
Beispielsweise weist die optische Isolatoreinrichtung 172 ein oder mehrere optische Isolatorelemente 173 auf. Bevorzugt sind ein oder mehrere optische Isolatorelemente 173 bezüglich der Haupt-Propagationsrichtung 136 zwischen der Phaseneinstelleinrichtung 114 und/oder dem als PIC ausgeführten Abschnitt 126 und der Verstärkungseinrichtung 118 angeordnet. Diese optischen Isolatorelemente 173 sind beispielsweise den zwischen der Phaseneinstelleinrichtung 114 und der Verstärkungseinrichtung 118 geführten manipulierten Laserstrahlen 109 zugeordnet.
Beispielsweise kann die optische Isolatoreinrichtung 172 als Multikanalisolator mit mehreren optischen Isolatorelementen 173 ausgebildet sein oder einen solchen umfassen.
Die optische Isolatoreinrichtung 172 und/oder die optischen Isolatorelemente 173 können beispielsweise auf Faraday-Rotator-Basis ausgeführt sein.
Hinsichtlich möglicher technischer Realisierungen der optischen Isolatoreinrichtung 172 und/oder der optischen Isolatorelemente 173 wird auf das Lehrbuch "Fundamentals of Photonics"; Saleh, B. E., & Teich, M.; John Wiley & Sons, Inc, verwiesen.
Bei einer Ausführungsform kann das Lasersystem 100 mindestens ein Sensorelement 174 aufweisen, welches beispielsweise dem als PIC ausgeführten Abschnitt 126 zugeordnet ist und/oder auf dem als PIC ausgeführten Abschnitt 126 angeordnet ist. Das Sensorelement 174 kann beispielsweise ein Temperatursensorelement und/oder ein Temperatursensor sein, mittels welchem eine Temperatur des zugeordneten als PIC ausgeführten Abschnitts 126 messbar ist. Weiter kann das Sensorelement 174 beispielsweise ein Phasenmesselement sein, mittels welchem eine Phasendifferenz zwischen zwei bestimmten der vorhandenen kohärenten Laserstrahlen 108 messbar ist.
Bei einer Ausführungsform kann das Lasersystem 100 ein Kühlelement 176 aufweisen, welches dem als PIC ausgebildeten Abschnitt 126 zugeordnet ist und mittels welchem der Abschnitt 126 kühlbar ist. Das Kühlelement 176 kann beispielsweise als Peltierelement ausgebildet sein oder ein Peltierelement umfassen.
Beispielsweise können ein oder mehrere Kühlelemente 176 an einem bestimmten als PIC ausgeführten Abschnitt 126 angeordnet sein (angedeutet in Fig. 1).
Das Lasersystem 100 funktioniert wie folgt:
Der kohärente Eingangslaserstrahl 110 wird mittels der Laserstrahlquelle 106 bereitgestellt und in die Aufteilungseinrichtung 112 eingekoppelt. Durch Aufteilung des kohärenten Eingangslaserstrahls 110 mittels der Aufteilungseinrichtung 112 werden mehrere kohärente Laserstrahlen 108 ausgebildet.
Die ausgebildeten kohärenten Laserstrahlen 108 werden in die Phaseneinstelleinrichtung 114 eingekoppelt, um gewünschten Phasendifferenzen zwischen den einzelnen kohärenten Laserstrahlen 108 einzustellen.
Die aus der Phaseneinstelleinrichtung 114 ausgekoppelten manipulierten Laserstrahlen 109 werden zur Verstärkung in die Verstärkungseinrichtung 118 eingekoppelt, wobei die manipulierten Laserstrahlen 109 nach erfolgter Verstärkung als verstärkte Laserstrahlen 122 aus der Verstärkungseinrichtung 118 ausgekoppelt werden. Durch Kombination der verstärkten Laserstrahlen 122 werden anschließend ein oder mehrere Ausgangslaserstrahlen 102 ausgebildet, wobei die Kombination insbesondere mittels der Kombinationseinrichtung 124 durchgeführt wird.
Bei dem Lasersystem 100 ist zumindest die Phaseneinstelleinrichtung 114 auf dem als PIC ausgeführten Abschnitt 126 ausgebildet. Mittels den vorstehend beschriebenen Elementen 116, 137, 138, 140, 150, 152, 154 und/oder durch geeignete Kombination dieser Elemente lassen sich eine Vielzahl von Funktionen auf realisieren, welche auf einem oder mehreren als PIC ausgeführten Abschnitten 126 des Lasersystems 100 realisiert sein können. Beispielsweise können eine Burstfunktion (vgl. Burst-Erzeugungselement 171), eine variable Phasenmodulation von Laserpulsen der kohärenten Laserstrahlen 108 (vgl. Phaseneinstellelement 116), eine Amplitudenmodulation von Laserpulsen der kohärenten Laserstrahlen 108 (vgl. Mach-Zehnder-Interferometer-Element 165) eine Funktion zur spektralen Pulsformung von Laserpulsen der kohärenten Laserstrahlen 108 (vgl. spektrales Filterelement 154) sowie Funktionen zur Kontrolle von spektralen Phasen und/oder spektraler Dispersion von Laserpulsen der kohärenten Laserstrahlen 108 realisiert sein.
Es kann vorgesehen sein, dass mittels vorhandener Sensorelemente 174 bestimmte Elemente und/oder Funktionen des Lasersystems 100 überwacht werden. Beispielsweise können als Phasenmesselemente ausgebildete Sensorelemente 174 vorgesehen sein, um jeweilige Ist- Phasendifferenzwerte zwischen den kohärenten Laserstrahlen 108 bzw. manipulierten Laserstrahlen 109 vor bzw. nach der Phaseneinstelleinrichtung 114 zu messen. Weiter kann dann beispielsweise eine Steuerungseinrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen sein, welche auf Grundlage der mittels den Sensorelementen 174 ermittelten Ist- Phasendifferenzwerte die Phasendifferenzen zwischen diesen Laserstrahlen auf vorgegebene Soll-Phasendifferenzwerte regelt.
Ferner können beispielsweise als Temperatursensorelemente ausgebildete Sensorelemente 174 vorgesehen sein, mittels welchen sich beispielsweise eine Temperatur des Lasersystems 100 und insbesondere des als PIC ausgeführten Abschnitts 126 überwachen und insbesondere regeln lässt. Dies kann beispielsweise ebenfalls mittels einer Steuerungseinrichtung (nicht gezeigt) erfolgen.
Mittels des Kühlelements 176 kann im Betrieb des Lasersystems 100 eine Kühlung des als PIC ausgeführten Abschnitts 126 erfolgen. Weiter kann das Kühlelement 176 beispielsweise in Verbindung mit dem genannten Temperatursensorelement und der Steuerungseinrichtung zur Regelung der Temperatur des als PIC ausgeführten Abschnitts 126 eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste
D Durchmesser
100 Lasersystem
102 Ausgangslaserstrahl
104 Werkstück
106 Laserstrahlquelle
108 kohärenter Laserstrahl
109 manipulierter Laserstrahl
109’ rücklaufender kohärenter Laserstrahl
110 kohärenter Eingangslaserstrahl
112 Aufteilungseinrichtung
114 Phaseneinstelleinrichtung
116 Phaseneinstellelement
118 Verstärkungseinrichtung
120 Verstärkungselement
122 verstärkte Laserstrahlen
124 Kombinationseinrichtung
126 Abschnitt
126a erster Abschnitt
126b zweiter Abschnitt
126c dritter Abschnitt
128 Wellenleiterelement
130 Substrat
132 Begrenzungsfläche
134 Elektrode
136 Haupt- Propagationsrichtung
137 Verzögerungselement
137’ variables Verzögerungselement
138 Splitterelement
139 Eingangslaserstrahl
139’ Ref e re n z - La se rst ra h I
140 Kombinationselement
142 Eingangslaserstrahl
144 Ausgangslaserstrahl Eingangslaserstrahl Ausgangslaserstrahl Einkopplungselement Auskopplungselement spektrales Filterelement Ringresonatorelement Eingangslaserstrahl Ausgangslaserstrahl weiterer Ausgangslaserstrahl Gitterelement
Mach-Zehnder-Interferometer- Element Eingangslaserstrahl a, b Teilstrahl a, b Ausgangslaserstrahl ’ Ausgangslaserstrahl Burst- Erzeugungselement optische Isolatoreinrichtung optische Isolatorelement Sensorelement
Kühlelement

Claims

Patentansprüche Lasersystem zur Bereitstellung mindestens eines Ausgangslaserstrahls (102) zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (104), umfassend mindestens eine Laserstrahlquelle (106) zur Bereitstellung einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (108), eine Phaseneinstelleinrichtung (114) zur Einstellung einer Phasendifferenz zwischen den jeweiligen kohärenten Laserstrahlen (108), zumindest einen als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt (126), wobei zumindest die Phaseneinstelleinrichtung (114) in mindestens einem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt (126) des Lasersystems ausgebildet ist und wobei aus dem mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt (126) mindestens ein manipulierter Laserstrahl (109) ausgekoppelt wird, und eine Verstärkungseinrichtung (118) zur Bereitstellung mindestens eines verstärkten Laserstrahls (122) durch Verstärkung des mindestens einen manipulierten Laserstrahls (109), wobei der mindestens eine Ausgangslaserstrahl (102) dem mindestens einen verstärkten Laserstrahl (122) entspricht oder aus dem mindestens einen verstärkten Laserstrahl (122) ausgebildet wird. Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels der mindestens einen Laserstrahlquelle (106) bereitgestellten kohärenten Laserstrahlen (108) jeweils Laserpulse mit einer Pulsdauer von höchstens 50 ns und bevorzugt höchstens 10 ps und/oder mindestens 1 fs aufweisen. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt (126) des Lasersystems ein Wellenleiterelement (128) zur Durchführung eines bestimmten kohärenten Laserstrahls (108) ausgebildet ist, und insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass alle in dem mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitt (126) ausgebildeten Wellenleiterelemente (128) in Planartechnologie und/oder Dünnschichttechnologie aufgebaut sind. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als Photonic Integrated Circuit ausgeführte Phaseneinstelleinrichtung (114) ein elektro-optisches oder plasmonisches Material umfasst und/oder aus einem elektro-optischen oder plasmonischen Material ausgebildet ist. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phaseneinstelleinrichtung (114) ausgebildet ist, um die Phasendifferenz zwischen den jeweiligen kohärenten Laserstrahlen mit einer Phaseneinstellfrequenz von mindestens 100 kHz und/oder höchstens 10 GHz und bevorzugt von mindestens 1 MHz und/oder höchstens 500 MHz einzustellen. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein Sensorelement (174), welches mindestens einem als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitt (126) des Lasersystems zugeordnet ist oder an mindestens einem als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitt (126) des Lasersystems angeordnet ist. Lasersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (174) ein Temperatursensorelement zur Messung einer Temperatur des als Photonic Integrated Circuit ausgebildeten Abschnitts (126) ist, und/oder dass das mindestens eine Sensorelement (174) ein Phasenmesselement zur Messung einer Phasendifferenz zwischen zwei oder mehr der vorhandenen kohärenten Laserstrahlen (108) ist. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein Kühlelement (176) zur Kühlung zumindest eines als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitts (126) des Lasersystems, wobei das mindestens eine Kühlelement (176) insbesondere ein Peltierelement ist oder umfasst. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Aufteilungseinrichtung (112) zur Aufteilung eines mittels einer Laserstrahlquelle (106) des Lasersystems bereitgestellten kohärenten Eingangslaserstrahls (110) in mehrere kohärente Laserstrahlen (108), wobei die Aufteilungseinrichtung (112) insbesondere als Photonic Integrated Circuit ausgeführt ist oder auf mindestens einem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt (126) des Lasersystems ausgebildet ist. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Laserstrahlquelle (106) des Lasersystems einen Laseroszillator und/oder eine Laserdiode umfasst, und/oder dass mindestens eine Laserstrahlquelle (106) des Lasersystems als Photonic Integrated Circuit ausgeführt ist oder auf mindestens einem als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt (126) des Lasersystems ausgebildet ist. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungseinrichtung (118) mindestens einen Faserverstärker und/oder mindestens einen Stabverstärker und/oder mindestens einen Slabverstärker und/oder mindestens einen Scheibenverstärker und/oder mindestens einen Multipass-Verstärker umfasst. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kombinationseinrichtung (124) zur Kombination mehrerer kohärenter Laserstrahlen (108) und/oder mehrerer manipulierter Laserstrahlen (109) und/oder mehrerer verstärkter Laserstrahlen (122). Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein als Photonic Integrated Circuit ausgeführter Abschnitt (126) des Lasersystems zumindest eines der folgenden Elemente umfasst: - mindestens ein Splitterelement (138) zur Aufteilung eines Eingangslaserstrahls (139) in zwei oder mehr Ausgangslaserstrahlen (144), wobei das mindestens eine Splitterelement (138) bevorzugt als Multi-Mode-Interferenz-Koppler ausgeführt ist oder einen Multi-Mode- Interferenz-Koppler umfasst;
- mindestens ein Kombinationselement (140) zur Kombination von zwei oder mehr Eingangslaserstrahlen (146) zu einem Ausgangslaserstrahl (148), wobei das mindestens eine Kombinationselement (140) bevorzugt als Multi-Mode-Interferenz-Koppler ausgeführt ist oder einen Multi-Mode-Interferenz- Koppler umfasst;
- mindestens ein Phaseneinstellelement (116) zur Änderung einer Phase eines bestimmten kohärenten Laserstrahls (108) oder eines aus einem bestimmten kohärenten Laserstrahl (108) gebildeten Teilstrahls (168a, 168b);
- mindestens ein Verzögerungselement (137) zur zeitlichen Verzögerung eines durch dieses durchgeführten Eingangslaserstrahls (139) gegenüber eines Referenz- Laserstrahls (139');
- mindestens ein spektrales Filterelement (154) zur spektralen Filterung eines Eingangslaserstrahls (158). Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein als Photonic Integrated Circuit ausgeführter Abschnitt (126) des Lasersystems mindestens ein Einkopplungselement (150) zur Einkopplung eines in einem Lichtleitkabel geführten Laserstrahls in ein in diesem Abschnitt (126) ausgebildetes Wellenleiterelement (128) aufweist, und/oder dass zumindest ein als Photonic Integrated Circuit ausgeführter Abschnitt (126) des Lasersystems mindestens ein Auskopplungselement (152) zur Auskopplung eines Laserstrahls aus einem in diesem Abschnitt (126) ausgebildeten Wellenleiterelement (128) in ein Lichtleitkabel aufweist. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine optische Isolatoreinrichtung (172) zur Verringerung und/oder Vermeidung eines Eindringens von rücklaufenden Laserstrahlen (109') von der Verstärkungseinrichtung (118) in den mindestens einen als Photonic Integrated Circuit ausgeführten Abschnitt (126). Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem mindestens zwei als Photonic Integrated Circuit ausgeführte Abschnitte (126a, 126b, 126c) aufweist, wobei insbesondere zumindest zwei der vorhandenen Abschnitte (126a, 126b, 126c) aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind.
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