WO2024120726A1 - Laserstrahlvorrichtung und verfahren zur kohärenzerzeugung - Google Patents

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WO2024120726A1
WO2024120726A1 PCT/EP2023/081080 EP2023081080W WO2024120726A1 WO 2024120726 A1 WO2024120726 A1 WO 2024120726A1 EP 2023081080 W EP2023081080 W EP 2023081080W WO 2024120726 A1 WO2024120726 A1 WO 2024120726A1
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laser
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Markus Jung
Benjamin Neumann
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Rheinmetall Waffe Munition Gmbh
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    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/1305—Feedback control systems

Definitions

  • the invention relates to a laser beam device for irradiating a target object with effective laser radiation, for example a HEL effector, high-energy laser effector.
  • a HEL effector include at least one laser source and a beam guidance system.
  • the beam guidance system comprises, for example, functions and/or subassemblies such as a fine imaging system (FIS), a fine tracking system (FTS), a telescope and adaptive optics.
  • FIS fine imaging system
  • FTS fine tracking system
  • telescope adaptive optics
  • Gas lasers or solid-state lasers, such as fiber lasers, are used as laser sources.
  • the invention further relates to a laser beam device with a plurality of, at least two amplifier paths, wherein effective laser radiation generated by an effective laser source is directed and/or split at least partially into a first and at least partially into a second amplifier path by means of a beam steering and/or beam splitting device.
  • a respective amplifier path comprises an amplifier device for amplifying the effective laser radiation.
  • the laser beam device is designed to irradiate the target object at least temporarily simultaneously with an effective laser beam emanating from the first amplifier path and an effective laser beam emanating from the second amplifier path.
  • phase relationship between the two effective laser beams required to generate coherence cannot be measured directly.
  • indirect measurements are carried out to determine the phase, in which the intensity of the superposition is evaluated.
  • the output power can vary greatly. This sometimes places very high demands on the dynamics of the evaluation.
  • Laser power can also be modulated in amplitude. Such modulation can only be applied to high-power fiber lasers to a limited extent, as the modulation leads to non-linear processes, which in turn limits the output power of the high-power fiber laser.
  • phase fluctuations occur particularly when switching on, which in turn generate large fluctuations in power. This in turn places very high demands on the dynamics of measurement, evaluation and control.
  • phase changes along the propagation path caused for example by turbulence, occur in addition to the phase changes in the device itself.
  • a luminous phenomenon can occur on the target due to the high intensity, which in turn negatively influences the evaluation of the intensity on the target.
  • the laser beam device comprises a calibration laser source for generating calibration laser radiation, wherein the wavelength of the calibration laser radiation deviates from the wavelength of the effective laser radiation, wherein the laser beam device is designed such that at least a portion of the calibration laser radiation generated by the calibration laser source can be divided and/or deflected into the first and second amplifier paths at the beam steering and/or beam splitting device, and a respective amplifier path comprises a wavelength-dependent coupling element for coupling out at least a portion of the calibration laser light, and wherein the laser beam device comprises means for determining a phase of the calibration laser light of the first amplifier path and/or the calibration laser light of the second amplifier path, and wherein at least one amplifier path comprises at least one means for shifting the phase of laser radiation, and the at least one means for shifting the phase can be controlled as a function of the phase of the calibration laser light of the first amplifier path and/or the calibration laser light of the second amplifier path.
  • the wavelength of the calibration laser radiation deviates from the wavelength of the effective laser radiation at least to a small extent.
  • the wavelength of the calibration laser radiation lies outside the amplifier bandwidth.
  • the effective laser source and the calibration laser source are operated in such a way that the calibration laser radiation has a significantly lower power than the effective laser radiation.
  • the power of the calibration laser source is, for example, between 1 watt and 100 watts.
  • the power of the effective laser source is, for example, between 100 watts and several 1000 watts.
  • the effective laser light and the calibration laser light have, for example, a matching polarization.
  • the effective laser light and the calibration laser light can also be polarized perpendicular to each other.
  • both the effective laser light and the calibration laser light are directed and/or split in each amplifier path.
  • a beam steering device is, for example, a mirror.
  • a beam splitting device is, for example, a beam splitter.
  • the effective laser radiation is amplified by means of the amplifier device.
  • the amplifier device is designed in a respective amplifier path, for example, such that the effective laser radiation is amplified, while calibration laser radiation is not amplified or only a relatively small amount. This is achieved, for example, by means of wavelength-dependent amplification.
  • the wavelengths of calibration laser light and effective laser light differ.
  • the wavelengths are advantageously close to each other. This ensures that an influence, for example phase error, on the phase of the calibration laser light and the effective laser light of the two wavelengths is the same or approximately the same.
  • the wavelength of the effective laser light is, for example, 1035 nm or 1090 nm (Ai) and the wavelength of the calibration laser light is, for example, ⁇ 1035 nm or > 1095 nm , at least outside the amplifier bandwidth.
  • the effective laser radiation and the calibration laser radiation travel through the same optical path in each amplifier stage and experience the same runtime effects during operation, such as changes in length due to temperature expansion and changes in the refractive index. As a result, both receive almost the same phase error.
  • the wavelengths of the effective laser radiation and the calibration laser radiation are therefore in a phase relationship.
  • the wavelength-dependent coupling element By means of the wavelength-dependent coupling element, a part of the calibration laser radiation or the entire calibration laser radiation is coupled out of a respective amplifier path.
  • the wavelength-dependent coupling element is, for example, a beam splitter.
  • effective laser light is transmitted and calibration laser light is reflected and thus deflected and coupled out.
  • the coupled-out calibration laser light is fed to a means or to a respective means for determining a phase of the calibration laser light. If a common means for phase determination, for example a central processing unit, is used, a ratio of the phases of the calibration laser radiation coupled out of the first amplifier path and the calibration laser radiation coupled out of the second amplifier path can be determined, for example.
  • a respective phase can be determined, in particular relative to a reference value.
  • intensity-based methods such as power-in-the-bucket, PiB, or an evaluation of the interference pattern, can be used to determine the phase.
  • the calibration laser radiation is a power-independent input variable for the intensity measurement and the phase determination based on it.
  • a phase relationship of the calibration laser radiation of the first and second beam paths is determined.
  • This phase relationship is used to adjust the laser radiation of the first and second amplifier paths.
  • the phase relationship of the effective laser radiation does not have to be determined. Since the effective laser radiation and the calibration laser radiation travel through the same optical path in each amplifier path and thus have the same phase error, the phase relationship of the effective laser radiation can be used to determine the phase relationship.
  • the advantage of using the calibration laser radiation and not the effective laser radiation to determine the phase relationship is that the calibration laser radiation has a significantly lower power than the effective laser radiation. Due to the lower power, the calibration laser source can be operated continuously, for example even when the target object has not yet been irradiated with effective laser radiation.
  • the phase relationship can be determined and, in particular, a phase coupling can be generated even before the active laser source is switched on.
  • At least one amplifier path comprises at least one means for shifting the phase, also called a phase shifter, of the laser radiation.
  • the means for shifting the Phase can be controlled depending on the phase of the calibration laser light of the first amplifier path and/or the calibration laser light of the second amplifier path, in particular depending on a ratio of the two phases.
  • the phase shifter is designed, for example, as a single-stage or two-stage phase shifter.
  • the phase shifter is designed, for example, as a piezo phase shifter and/or as an EOM phase shifter.
  • a piezo phase shifter is used, for example, for large phase changes.
  • An EOM phase shifter is used, for example, for small, rapid phase changes.
  • a control signal for the phase shifter can be determined on the basis of the phase or phases or the ratio of the phases, in particular by means of an electronic computing device, and the phase shifter can be controlled accordingly on the basis of the control signal.
  • phase shifter By shifting the phases of the laser radiation using the phase shifter, the phase relationship of the laser radiation of the first amplifier path and the laser radiation of the second amplifier path can be coordinated in such a way that a coherent superposition of the laser radiation can be achieved. This can also be referred to as phase coupling.
  • a respective amplifier circuit has at least one means for shifting the Phase of the laser radiation, and a respective means can be controlled depending on the phase of the calibration laser light of the first amplifier path and/or the calibration laser light of the second amplifier path.
  • the adjustment of the phase relationship of the laser radiation of the first amplifier path and the laser radiation of the second amplifier path to achieve a coherent superposition can be achieved by shifting the phase of the laser radiation of the first amplifier path and the laser radiation of the second amplifier path.
  • the decoupling element is arranged and designed in such a way that at least part of the calibration laser radiation can be decoupled from the amplifier path before it exits the amplifier path in the direction of the target object.
  • This can also be referred to as decoupling in the near field or near-field decoupling or phase determination in the near field.
  • the coupling-out element is designed such that calibration laser radiation reflected from the target object is Amplifier path can be decoupled.
  • This can also be referred to as far-field decoupling or far-field phase determination in the far field.
  • At least a portion of the calibration laser radiation is directed to the target object by a respective amplifier path, in particular via suitable optical means, for example a telescope. Due to reflections from the target object, at least a small portion of the calibration laser radiation returns to the amplifier path, in particular via the telescope.
  • the reflected part of the calibration laser radiation is subjected to a phase determination via the output coupling element, in particular a wavelength-dependent output coupling element.
  • the Calibration laser radiation has the same or at least almost the same influence, for example phase change, refraction, particularly caused by turbulence, as the effective laser radiation. Therefore, the calibration laser radiation can also be used to determine the phase relationship in the far field.
  • the determination of the phase relationship according to the invention can be used to determine control parameters for achieving a coherent superposition even before the active laser source is switched on.
  • the phase relationships and thus the control parameters can only be determined when the active laser is switched on and can then be corrected.
  • a luminous phenomenon can occur on the target due to the high intensity of the active laser. This can also have a negative influence on the determination of the phase relationships and the control parameters in the methods and devices known from the prior art.
  • the phase determination in the far field can be used to compensate for the influences on the phases caused by turbulence, despite the luminous phenomenon on the target generated by the active laser.
  • a respective beam path comprises at least one optical element, in particular a telescope and/or a tip/tilt mirror, for directing laser radiation onto the target object.
  • the optical element, in particular the telescope and/or the tip/tilt mirror in addition to or as an alternative to the phase shifter, can be controlled depending on the phase of the calibration laser light of the first amplifier path and/or the calibration laser light of the second amplifier path, in particular depending on a ratio of the two phases, in particular to achieve a coherent superposition of effective laser radiation on the target object.
  • a control signal for the telescope and/or the tip/tilt mirror can be determined, in particular by means of an electronic computing device, and the telescope and/or the tip/tilt mirror can be controlled accordingly using the control signal.
  • a control signal for the telescope and/or the tip/tilt mirror can also be determined depending on an evaluation of a visual detection of the laser radiation in the target.
  • a corresponding optical sensor for detecting the laser radiation in the target for example a camera, is provided.
  • the telescope and/or the tip/tilt mirror of a respective amplifier path can then be controlled, for example, in such a way that the laser radiation in the target is superimposed at one point.
  • a respective or at least one amplifier path has a decoupling element for the Near-field decoupling and a decoupling element for far-field decoupling.
  • a decoupling element is designed for both near-field and far-field decoupling.
  • a decoupling element it is possible to switch between near-field and far-field decoupling.
  • the laser beam device is advantageously designed to carry out a calibration of the phase relationship of the wavelength A ⁇ of the effective laser light and the wavelength A ⁇ - of the calibration laser light.
  • the laser beam device comprises at least one beam combiner device for combining the calibration laser radiation with the effective laser radiation, wherein the beam combiner device is arranged such that the combining takes place before the division and/or deflection of the effective and/or calibration laser radiation into the at least two amplifier paths.
  • the laser beam device comprises a modulation device for modulating the calibration laser radiation, in particular for modulating an amplitude.
  • the modulation of the amplitude takes place, for example, in the form of cw modulation or pulsed.
  • the type of modulation can, for example, be
  • the calibration laser radiation can also be varied.
  • the modulation device is arranged, for example, in front of the beam combiner device.
  • the modulation device is, for example, controllable.
  • the calibration laser radiation can be modulated without influencing the dynamics of the effective laser radiation.
  • the modulation device can be used, for example, in combination with certain receivers, in particular receiving methods, which can be used for phase determination and/or are part of a means for phase determination.
  • exemplary means, in particular receiving methods are lock-in amplifiers, homodyne receivers or heterodyne receivers.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the signal-to-noise ratio can also be improved when determining the phase relationship in the far field, for example by reducing the influence of the luminous phenomenon on the target object caused by the effective laser radiation on the calibration laser radiation by appropriate modulation of the calibration laser radiation.
  • the method comprises at least the following steps: generating calibration laser radiation and directing and/or splitting at least a portion of the calibration laser radiation generated into at least a first and at least a second amplifier path, wherein in a respective amplifier path at least a portion of the calibration laser radiation is coupled out by means of a wavelength-dependent coupling-out element; determining a phase of the calibration laser light of the first amplifier path and/or the calibration laser light of the second amplifier path, and depending on the phase of the calibration laser light of the first amplifier path and/or the calibration laser light of the second amplifier path, controlling at least one means for shifting the phase of laser radiation.
  • the method comprises the emission of effective laser radiation and that the at least one means for shifting the phase of the laser radiation is controlled such that a coherent superposition of the effective laser radiation is achieved when the effective laser radiation is emitted.
  • the laser beam device is operated at least temporarily in such a way that only calibration laser radiation is emitted.
  • This is, for example, a configuration mode. In the configuration mode, no effective laser radiation is emitted, but only Calibration laser radiation is emitted.
  • the means for shifting the phase of the laser radiation can, however, already be controlled in such a way that a coherent superposition of the effective laser beams emitted by the amplifier paths can be achieved immediately when the effective laser source is switched on.
  • the laser beam device is operated at least temporarily in such a way that calibration laser radiation and effective laser radiation are emitted simultaneously.
  • This is, for example, a normal operation, in particular one that is intended.
  • the normal operation follows, for example, a configuration operation.
  • the method includes a step for modulating the calibration laser light. This is done, for example, by means of a modulation device, which is in particular controllable.
  • the calibration laser radiation can advantageously be modulated without influencing the dynamics of the effective laser radiation.
  • the modulation of the amplitude is done, for example, in the form of cw modulation or pulsed.
  • the type of modulation can also be varied, for example, depending on the operating mode. For example, the modulation is done at the start of operation, for example during configuration operation, in pulsed form for length adjustment. For example, the modulation is then done in Operation, for example during normal operation, in the form of cw modulation.
  • Modulating the calibration laser light can be used, for example, in combination with reception methods that can be used for phase determination.
  • reception methods are lock-in amplification, homodyne reception or heterodyne reception.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the method includes a step for calibrating the phase relationship of the wavelength A ⁇ of the effective laser light and the wavelength X2 of the calibration laser light.
  • Calibration also referred to as the calibration process, includes determining and, if necessary, adjusting the phase relationship. This is done, for example, by means of the means or means for phase determination, for example separately for a respective amplifier path or also jointly for two or more amplifier paths.
  • the coupling-out element is, for example, a switchable wavelength-dependent coupling-out element, for example a beam splitter.
  • the coupling-out element can be switched between a switching state in which only calibration laser light is coupled out and between a switching state in which calibration laser light and active laser light are coupled out.
  • the coupled calibration and effective laser light is fed to the means for determining the phase relationship.
  • a control signal for a respective phase shifter can be determined, in particular by means of an electronic computing device, and a respective phase shifter can be controlled accordingly using the control signal.
  • the phase relationship of the wavelength A ⁇ of the effective laser light and the wavelength A ⁇ - for a respective amplifier path can be adjusted accordingly.
  • the phase relationship is advantageously adjusted in such a way that the wavelengths A ⁇ of the effective laser light of all amplifier paths are coherently superimposed.
  • the calibration is carried out at the beginning of the method for operating the laser beam device.
  • the calibration is carried out repeatedly during the running time of the method for operating the laser beam device.
  • the calibration can be repeated, for example, at predeterminable time intervals. It can also be provided that the calibration is repeated after a certain number of wavelength shifts have been carried out.
  • a permissible phase error for example
  • Fig. 1 shows a laser beam device according to a first embodiment
  • Fig. 2 shows a laser beam device according to a further embodiment
  • Fig. 3 shows a method for operating a laser beam device according to Fig. 1 or 2 or 4 or 5;
  • Fig. 4 shows a laser beam device according to another embodiment
  • Fig. 5 shows a laser beam device according to a further embodiment.
  • Fig. 1 shows a laser beam device which is identified in its entirety with the reference number 10.
  • the laser beam device 10 is designed, for example, and can be operated, for example, such that a target object (not shown in the figures), in particular a target object which is far away, for example between 10 m, in particular 50 m, to 1000 m or even more, can be irradiated with laser radiation, in particular effective laser radiation.
  • the laser beam device is, for example, a laser weapon or a laser weapon system.
  • Laser weapons or laser weapon systems are used, for example, to protect objects, whether moving or stationary.
  • a laser weapon or laser weapon system can comprise one or more HEL (high-energy laser) effectors. Several HEL effectors can be aimed at one or more target objects at the same time.
  • HEL high-energy laser
  • LSS targets can be destroyed or annihilated more easily by such a weapon system.
  • LSS targets also include so-called UAVs (unmanned air vehicles), such as drones, which are often misused to transport explosives.
  • the key components of a HEL effector include a laser source and a beam guidance system.
  • the beam guidance system can accommodate subassemblies such as a fine imaging system (FIS), a fine tracking system (FTS), a telescope and, if necessary, at least one adaptive optics (AO).
  • subassemblies such as a fine imaging system (FIS), a fine tracking system (FTS), a telescope and, if necessary, at least one adaptive optics (AO).
  • Well-known laser sources are gas lasers, such as CO2 lasers, and solid-state lasers, such as diode lasers.
  • HEL effectors can be mounted on a fixed or mobile platform.
  • weapon stations are also referred to as platforms.
  • platforms can in turn be mounted on stationary objects (e.g. houses, bunkers, containers, etc.) or mobile objects (e.g. vehicles on land, air and sea, containers, etc.).
  • Aiming a high-energy laser beam at a target in a military environment represents a major technical challenge. This involves transmitting high laser power (high laser density) using optical systems such as mirrors and lenses. There are also high demands on tracking accuracy and target tracking, as well as focusing on a moving target, e.g. using a telescope. A further problem is compensating for interference from the atmosphere. In addition, high environmental loads such as shock, vibration, temperature and EMC for the entire transmission system, as well as tracking the effect on the target in real time, present the specialist with various complex tasks.
  • the present invention addresses the challenge of achieving a coherent superposition of effective laser beams emitted by different amplifier paths. This is explained below using the figures.
  • the laser beam device 10 comprises an effective laser source
  • the Effective laser radiation is shown in Figure 1 as a dotted line and is designated Xi .
  • the effective laser source 12 is a high-power laser .
  • the effective laser radiation generated by the effective laser source 12 is directed and/or split at least partially into a first amplifier path 16-1 and at least partially into a second amplifier path 16-2 by means of a beam steering and/or beam splitting device 14.
  • the representation in the figures is merely an example. It may be advantageous, for example, to use more than two amplifier paths, for example between two and ten, or even twenty or more amplifier paths.
  • a respective amplifier path 16-1, 16-2 comprises an amplifier device 18 for amplifying the effective laser radiation.
  • the amplifier device 18 amplifies, for example, in a wavelength-dependent manner depending on the wavelength Xi.
  • the laser beam device 10 is designed and can be operated such that the target object is irradiated at least temporarily simultaneously with an effective laser beam emanating from the first amplifier path 16-1 and an effective laser beam emanating from the second amplifier path 16-2.
  • the laser beam device 10 can also comprise more than two amplifier stages 16-1, 16-2.
  • the laser beam device 10 comprises a calibration laser source 20 for generating calibration laser radiation.
  • the calibration laser source 20 and the effective laser source 12 are designed such that a wavelength X 2 of the calibration laser radiation deviates from the wavelength Xi of the effective laser radiation.
  • the calibration laser radiation is shown in Figure 1 as a solid line and designated by X 2 .
  • the wavelength of the calibration laser radiation X 2 can be greater or smaller than Xi .
  • X 2 lies outside the amplifier bandwidth of the respective laser system, for example with Xi 1040 nm amplifier, X 2 ⁇ 1030 nm or Xi 1085 nm X 2 > 1090 nm).
  • the laser beam device 10 comprises at least one beam combiner device 22 for combining the calibration laser radiation with the effective laser radiation.
  • the beam combiner device 22 is arranged in such a way that the combining takes place before the splitting and/or deflection of the combined effective and/or Calibration laser radiation is fed into at least two amplifier paths 16-1, 16-2.
  • the combined effective and/or calibration laser radiation is shown in Fig . 1 as a dash-dotted line and is designated Xi + X 2 .
  • the beam steering and/or beam splitting device 14 the combined effective and/or calibration laser radiation, and thus at least a portion of the calibration laser radiation generated by the calibration laser source, is directed into the first and second amplifier paths 16-1, 16-2, respectively.
  • the calibration laser radiation is not amplified or is only a relatively small amplification by the amplifier device 18, since the amplification is wavelength-dependent, for example as a function of the wavelength X l .
  • a respective amplifier path 16-1, 16-2 comprises a wavelength-dependent coupling element 24 for coupling out at least a portion of the calibration laser light.
  • the coupling element 24, also designated 24-1 is arranged and designed such that at least part of the calibration laser radiation from the respective amplifier path 16-1, 16-2 can be decoupled before it exits the amplifier path in the direction of the target object.
  • near-field decoupling This can also be referred to as near-field decoupling or near-field decoupling, especially for phase determination in the near field.
  • the laser beam device 10 comprises means 26 for determining a phase of the calibration laser light of the first amplifier path 16-1 and/or the calibration laser light of the second amplifier path 16-2. According to the embodiment shown, both the calibration laser radiation coupled out of the first and the second amplifier path 16-1, 16-2 is fed to a respective means 26 for phase determination. A respective phase is determined, for example, relative to a reference value. As a reference value, the means 26 for phase determination is fed, for example, a reference signal from an output on the elements labeled 14 or 30.
  • a common means 26 ' (compare the dotted outline in Figures 1 and 2) could be used for phase determination and, accordingly, for example, a ratio of the phases of the calibration laser radiation coupled out of the first amplifier path 16-1 and the calibration laser radiation coupled out of the second amplifier path 16-2 could be determined.
  • a respective amplifier path 16-1, 16-2 comprises means 28 for Shifting the phase of laser radiation.
  • a means 28 for shifting the phase of the laser radiation is a phase shifter.
  • the phase shifters 28 can be controlled depending on the phase of the calibration laser light of the first amplifier path 16-1 and/or depending on the phase of the calibration laser light of the second amplifier path 16-2.
  • the phase shifter 28 of the first amplifier path 16-1 can be controlled depending on the phase of the calibration laser light of the first amplifier path 16-1
  • the phase shifter 28 of the second amplifier path 16-2 can be controlled depending on the phase of the calibration laser light of the second amplifier path 16-2.
  • a control signal for a respective phase shifter can be determined based on the phase or phases or the ratio of the phases, in particular by means of an electronic computing device, and a respective phase shifter can be controlled accordingly based on the control signal.
  • the computing device for determining the control signal is not explicitly shown in Fig. 1.
  • phase shifters 28 By modulating the phases of the laser radiation by means of the phase shifters 28, the phase relationship of the laser radiation of the first amplifier path 16-1 and the laser radiation of the second amplifier path 16-2 can be coordinated in such a way that a coherent superposition of the laser radiation can be achieved. This can also be referred to as phase coupling. According to the embodiment shown in Fig. 1, a coherent superposition on a nearby target can be achieved by means of phase determination in the near field.
  • the laser beam device 10 comprises a modulation device 30 for modulating the calibration laser radiation, in particular for modulating an amplitude of the calibration laser radiation.
  • the modulation device 30 is arranged, for example, in front of the beam combiner device.
  • the modulation device 30 is, for example, controllable.
  • the calibration laser radiation can be modulated without influencing the dynamics of the effective laser radiation.
  • a signal-to-noise ratio, SNR can be improved and thus the phase determination can be improved, for example accelerated and/or made more precise.
  • Fig. 2 shows a further embodiment of a laser beam device 10.
  • the coupling element 24, also referred to as 24-2 is designed such that calibration laser radiation reflected from the target object can be coupled out of the respective amplifier path 16-1, 16-2.
  • This can also be referred to as coupling out in the far field or far-field coupling out, in particular for phase determination in the far field.
  • At least a portion of the calibration laser radiation is directed to the target object by a respective amplifier path 16-1, 16-2, in particular via suitable optical means, for example a telescope 32 and/or a tip/tilt mirror 34. Due to reflections on the target object, at least a small portion of the calibration laser radiation returns to the respective amplifier path 16-1, 16-2, in particular via the telescope 32.
  • the reflected part of the calibration laser radiation is fed to a phase determination 26 via the coupling-out element 24, 24-2, in particular a wavelength-dependent coupling-out element 24, 24-2.
  • the calibration laser radiation experiences the same or at least almost the same influence, for example phase change, refraction, as the effective laser radiation. Therefore, the calibration laser radiation can also be used to determine the phase relationship in the far field.
  • phase shifter 28 or the phase shifters depending on the phase of the calibration laser light of the first amplifier path 16-1 and/or the calibration laser light of the second amplifier path 16-2, a coherent superposition at a distant target can be achieved by means of the phase determination in the far field.
  • the optical elements, in particular the telescope 32 and/or the tip/tilt mirror 34, in addition to or as an alternative to the phase shifter 28, can be controlled as a function of the phase of the calibration laser light of the first amplifier path 16-1 and/or the calibration laser light of the second amplifier path 16-2, in particular as a function of a ratio of the two phases, in particular to achieve a coherent superposition of effective laser radiation on the target object.
  • the method 300 comprises at least the following steps: a step 310 for generating and emitting calibration laser radiation, in particular by means of a calibration laser source 20 and directing and/or splitting at least a portion of the generated calibration laser radiation into at least one first and at least one second amplifier path 16-1, 16-2, in particular by means of a beam directing and/or beam splitting device 14, a step 320 for coupling out at least a portion of the calibration laser radiation from a respective amplifier path 16-1, 16-2, in particular by means of a wavelength-dependent coupling-out element a step 330 for determining a phase of the
  • Calibration laser light of the first amplifier path 16-1 and/or the calibration laser light of the second amplifier path 16-2 and a step 340 for controlling at least one means 28 for shifting the phase of laser radiation depending on the phase of the calibration laser light of the first amplifier path 16-1 and/or the calibration laser light of the second amplifier path 16-2.
  • the step 340 can alternatively or additionally also comprise the control of optical elements, in particular telescope 32 and/or tip/tilt mirror 34, in particular an alignment of these elements in addition to or alternatively to the phase shifter 28.
  • a control signal for the phase shifter 28 and/or for the telescope 32 and/or the tip/tilt mirror 34 is determined, in particular by means of an electronic computing device, and the phase shifter 28 and/or the telescope 32 and/or the tip/tilt mirror 34 are controlled accordingly using the control signal.
  • the method 300 may further comprise a step 350 for emitting effective laser radiation, in particular by means of an effective laser source 12.
  • the at least one means 28 for shifting the phase of the laser radiation is advantageously controlled such that when emitting 350 effective laser radiation, a coherent superposition of the at least two Amplifier circuits 16-1 , 16-2 emitted
  • the laser beam device 10 is operated at least temporarily in such a way that only calibration laser radiation is emitted.
  • This is, for example, a configuration mode 300a.
  • the configuration mode 300a no effective laser radiation is emitted, but only calibration laser radiation.
  • the configuration mode 300a comprises, for example, the steps 310, 320, 330, 340.
  • the means 28 for shifting the phase of the laser radiation can already be controlled according to step 340 in such a way that a coherent superposition of the effective laser beams emitted by the at least two amplifier paths 16-1, 16-2 can be achieved immediately when the effective laser source 12 is switched on later.
  • the laser beam device 10 is operated at least temporarily in such a way that calibration laser radiation and effective laser radiation are emitted simultaneously.
  • a normal operation 300b in particular as intended.
  • the normal operation 300b follows, for example, a configuration operation 300a.
  • the steps 310, 320, 330, 340 and 350 are carried out.
  • the method includes a step 360 for modulating the calibration laser light.
  • the step 360 can be carried out, for example, both in the configuration mode 300a and in the normal mode 300b.
  • the laser device 10 is designed to carry out a calibration process.
  • the method 300 may include a step of performing the calibration process.
  • the calibration process is illustrated in the example as step 370.
  • the calibration procedure can be performed at the beginning of operation and repeatedly during operation of the laser device.
  • the calibration process includes calibrating the phase relationship between the wavelength A ⁇ of the effective laser light and the wavelength A ⁇ - of the calibration laser light.
  • Calibration includes determining and, if necessary, adjusting the phase relationship.
  • the coupling-out element is, for example, the wavelength-dependent coupling-out element 24, 24-1, 24-2.
  • the coupling-out element 24, 24-1, 24-2 is, for example, a switchable wavelength-dependent coupling-out element.
  • the coupling-out element can be switched between a switching state in which only calibration laser light is coupled out and between a switching state in which calibration laser light and effective laser light are coupled out.
  • phase relationship of calibration laser light and effective laser light are coupled out of a respective amplifier path and fed to the means 26, 26' or the means 26 for phase determination.
  • the phase relationship of calibration laser light and effective laser light can be determined, for example, separately for a respective amplifier path or also jointly for two or more amplifier paths.
  • a control signal for a respective phase shifter 28 can be determined, in particular by means of an electronic computing device, and a respective phase shifter 28 can be controlled accordingly using the control signal.
  • the phase relationship of the wavelength A ⁇ of the effective laser light and the wavelength A ⁇ for a respective amplifier path can be adjusted accordingly.
  • the phase relationship is advantageously adjusted in such a way that the wavelengths Aj of the effective laser light of all amplifier paths are coherently superimposed.
  • the calibration is carried out at the beginning of the method for operating the laser beam device.
  • the calibration is carried out repeatedly during the runtime of the method for operating the laser beam device.
  • the calibration can be repeated, for example, at predeterminable time intervals. It can also be provided that the calibration is repeated after a certain number of wavelength shifts have been carried out.
  • a permissible phase error li for example ⁇ — can be specified.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserstrahlvorrichtung (10) zum Bestrahlen eines Zielobjekts und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Laserstrahlvorrichtung (10). Erfindungsgemäß ist eine Kohärenzerzeugung von wenigstens zwei Laserstrahlen vorgesehen.

Description

Titel : Laserstrahlvorrichtung und Verfahren zur
Kohärenzerzeugung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Laserstrahlvorrichtung zum Bestrahlen eines Zielobj ekts mit Wirklaserstrahlung, beispielsweise ein HEL-Ef fektor, Hochenergielasereffektor . Zu den Schlüsselkomponenten eines HEL-Ef fektors gehören wenigstens eine Laserquelle und ein Strahlführungssystem . Das Strahlführungssystem umfasst beispielsweise Funktionen und/oder Unterbaugruppen wie Feinimagingsystem (FIS ) , Feintrackingsystem (FTS ) , Teleskop und adaptive Optiken .
Als Laserquellen kommen beispielsweise Gaslaser oder Festkörperlaser, beispielsweise Faserlaser zum Einsatz . Die Erfindung geht weiter aus von einer Laserstrahlvorrichtung mit mehreren, wenigstens zwei Verstärkergängen, wobei von einer Wirklaserquelle erzeugte Wirklaserstrahlung mittels einer Strahllenk und/oder Strahlteil-Einrichtung, wenigstens teilweise in einen ersten und wenigstens teilweise in einen zweiten Verstärkergang gelenkt und/oder aufgeteilt wird .
Ein j eweiliger Verstärkergang umfasst eine Verstärkereinrichtung zum Verstärken der Wirklaserstrahlung . Die Laserstrahlvorrichtung ist dazu ausgebildet, das Zielobj ekt zumindest zeitweise gleichzeitig mit einem von dem ersten Verstärkergang ausgehenden Wirklaserstrahl und einem von dem zweiten Verstärkergang ausgehenden Wirklaserstrahls zu bestrahlen .
Um das Zielobj ekt möglichst effektiv zu bestrahlen, soll möglichst eine kohärente Überlagerung der von den Verstärkergängen ausgestrahlten Wirklaserstrahlen erreicht werden .
Die zur Kohärenzerzeugung benötigte Phasenbeziehung der beiden Wirklaserstrahlen kann nicht direkt gemessen werden . Üblicherweise werden zur Bestimmung der Phase indirekte Messungen durchgeführt, bei denen die Intensität der Überlagerung ausgewertet wird . Beim Einsatz von Hochleistungsfaserlasern kann die Ausgangsleistung sehr stark variieren . Dies stellt mitunter sehr hohe Anforderungen an die Dynamik der Auswertung . Zur Verbesserung der Auswertung ist es auch bekannt die Laserleistung zusätzlich in der Amplitude zu modulieren . Eine solche Modulation lässt sich nur eingeschränkt auf Hochleistungsfaserlaser übertragen, da die Modulation zu nichtlinearen Prozessen führt, was wiederrum zu einer Limitierung der Ausgangsleistung des Hochleistungsfaserlasers führt . Ein weiteres Problem stellt sich beim Einschalten von Hochleistungsfaserlaser . Insbesondere beim Einschalten kommt es bauartbedingt zu Phasenschwankungen, die wiederrum große Leistungsschwankungen erzeugen . Dies stellt wiederrum sehr hohe Anforderungen die Dynamik von Messung, Auswertung und auch Regelung .
Wird die Laserstrahlvorrichtung zum Bestrahlen eines entfernten Ziels eingesetzt, kommen zu den Phasenänderungen in der Vorrichtung selbst noch Phasenänderungen entlang des Ausbreitungsweges , die z . B . durch Turbulenzen verursacht werden, hinzu . Dies führt zu einer weiteren Einflussgröße auf die Regelung, die erst mit dem Einschalten des Hochleistungsfaserlasers ermittelt und korrigiert werden kann . Ferner kann es mit dem Einschalten des Hochleistungsfaserlasers aufgrund der hohen Intensität auf dem Ziel zu einer Leuchterscheinung kommen, was wiederum die Auswertung der Intensität auf dem Ziel negativ beeinflusst .
Diese Nachteile sollen mit der vorliegenden Erfindung überwunden werden . Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, dass die Laserstrahlvorrichtung eine Kalibrierlaserquelle zum Erzeugen von Kalibrierlaserstrahlung umfasst, wobei die Wellenlänge der Kalibrierlaserstrahlung von der Wellenlänge der Wirklaserstrahlung abweicht wobei die Laserstrahlvorrichtung derart ausgebildet ist, dass an der Strahllenk- und/oder Strahlteil-Einrichtung wenigstens ein Teil der von der Kalibrierlaserquelle erzeugten Kalibrierlaserstrahlung in den ersten und in den zweiten Verstärkergang aufteilbar und/oder umlenkbar ist, und ein j eweiliger Verstärkergang ein wellenlängenabhängiges Auskoppelelement zum Auskoppeln wenigstens eines Teils des Kalibrierlaserlichts umfasst, und wobei die Laserstrahlvorrichtung Mittel zum Bestimmen einer Phase des Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs und/oder des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs umfasst und wobei wenigstens ein Verstärkergang wenigstens ein Mittel zum Verschieben der Phase von Laserstrahlung umfasst, und das wenigstens eine Mittel zum Verschieben der Phase in Abhängigkeit der Phase des Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs und/oder des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs ansteuerbar ist .
Die Wellenlänge der Kalibrierlaserstrahlung weicht von der Wellenlänge der Wirklaserstrahlung wenigstens in geringem Maße ab . Die Wellenlänge der Kalibrierlaserstrahlung liegt außerhalb der Verstärkerbandbreite . Die Wirklaserquelle und die Kalibrierlaserquelle werden derart betrieben, dass die Kalibrierlaserstrahlung eine deutlich geringere Leistung umfasst als die Wirklaserstrahlung . Die Leistung der Kalibrierlaserquelle beträgt beispielsweise zwischen 1 Watt und 100 Watt . Die Leistung der Wirklaserquelle beträgt beispielsweise zwischen 100 Watt bis einige 1000 Watt . Das Wirklaserlicht und das Kalibrierlaserlicht weisen beispielsweise eine übereinstimmende Polarisation auf . Wirklaserlicht und das Kalibrierlaserlicht können auch senkrecht zueinander polarisiert sein .
Mittels der Strahllenk- und/oder Strahlteil-Einrichtung wird in j eden Verstärkergang sowohl Wirklaserlicht als auch Kalibrierlaserlicht gelenkt und/oder aufgeteilt . Eine Strahllenk-Einrichtung ist beispielsweise ein Spiegel . Eine Strahlteil-Einrichtung ist beispielsweise ein Beamsplitter .
In dem Verstärkergang erfährt zumindest die Wirklaserstrahlung eine Verstärkung mittels der Verstärkereinrichtung . Die Verstärkereinrichtung ist in einem j eweiligen Verstärkergang beispielsweise derart ausgebildet, dass die Wirklaserstrahlung eine Verstärkung erfährt, während Kalibrierlaserstrahlung keine oder nur eine verhältnismäßig geringe Verstärkung erfährt . Dies wird beispielsweise durch eine wellenlängenabhängige Verstärkung erreicht .
Die Wellenlängen von Kalibrierlaserlicht und Wirklaserlicht unterscheiden sich . Die Wellenlängen liegen vorteilhafterweise nahe beieinander . Damit kann sichergestellt werden, dass ein Einfluss , beispielsweise Phasenfehler, auf die Phase von Kalibrierlaserlicht und Wirklaserlicht der beiden Wellenlängen gleich bzw . annähernd gleich ist . Die Wellenlänge des Wirklaserlichts beträgt beispielsweise 1035 nm bzw 1090 nm (Ai)und die Wellenlänge des Kalibierlaserlichts ist beispielsweise < 1035 nm oder > 1095 nm
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, j edenfalls außerhalb einer Verstärkerbandbreite .
Wirklaserstrahlung und Kalibrierlaserstrahlung durchlaufen in j edem Verstärkergang den gleichen optischen Weg und erfahren nun im Betrieb die gleichen Laufzeiteffekte, wie beispielsweise Längenänderung durch Temperaturausdehnung und Änderungen der Brechzahl . Dadurch erhalten beide den nahezu gleichen Phasenfehler . Die Wellenlängen der Wirklaserstrahlung und Kalibrierlaserstrahlung stehen somit in einer Phasenbeziehung .
Mittels des wellenlängenabhängigen Auskoppelelements wird aus einem j eweiligen Verstärkergang ein Teil der Kalibierlaserstrahlung oder die gesamte Kalibierlaserstrahlung ausgekoppelt . Das wellenlängenabhängige Auskoppelelement ist beispielsweise ein Strahlteiler . Beispielsweise wird Wirklaserlicht transmittiert und Kalibrierlaserlicht reflektiert und damit umgelenkt und ausgekoppelt . Das ausgekoppelte Kalibierlaserlicht wird einem Mittel beziehungsweise j eweils einem Mittel zum Bestimmen einer Phase des Kalibrierlaserlichts zugeführt . Wenn ein gemeinsames Mittel zur Phasenbestimmung, beispielsweise eine zentrale Recheneinheit, verwendet wird, kann beispielsweise ein Verhältnis der Phasen der aus dem ersten Verstärkergang ausgekoppelten Kalibrierlaserstrahlung und der aus dem zweiten Verstärkergang ausgekoppelten Kalibrierlaserstrahlung bestimmt werden .
Wenn die ausgekoppelte aus dem ersten und aus dem zweiten Verstärkergang ausgekoppelte Kalibrierlaserstrahlung einem j eweiligen Mittel zur Phasenbestimmung zugeführt wird, kann eine j eweilige Phase, insbesondere relativ zu einem Referenzwert ermittelt werden .
Zur Phasenbestimmung können verschiedene Intensitätsbasierte Verfahren, beispielsweise Power-in-the- Bucket, PiB, oder eine Auswertung des Interferenzmusters eingesetzt werden .
Die Kalibrierlaserstrahlung ist anders als Wirklaserstrahlung eine leistungsunabhängige Eingangsgröße für die Intensitätsmessung, und die darauf basierende Phasenbestimmung .
Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass eine Phasenbeziehung der Kalibrierlaserstrahlung des ersten und des zweiten Strahlengangs ermittelt wird . Diese Phasenbeziehung wird zur Abstimmung der Laserstrahlung des ersten und des zweiten Verstärkergangs verwendet . Die Phasenbeziehung der Wirklaserstrahlung muss erfindungsgemäß nicht ermittelt werden . Da Wirklaserstrahlung und Kalibrierlaserstrahlung in j edem Verstärkergang den gleichen optischen Weg durchlaufen und damit den gleichen Phasenfehler erhalten, kann von der Phasenbeziehung der Kalibrierlaserstrahlung auf die Phasenbeziehung der Wirklaserstrahlung geschlossen werden . Der Vorteil , dass zur Ermittlung der Phasenbeziehung die Kalibrierlaserstrahlung und nicht die Wirklaserstrahlung verwendet wird, liegt darin, dass die Kalibrierlaserstrahlung eine deutlich geringere Leistung umfasst als die Wirklaserstrahlung . Aufgrund der geringeren Leistung kann die Kalibrierlaserquelle kontinuierlich, beispielsweise auch wenn noch keine Bestrahlung des Zielobj ekts mit Wirklaserstrahlung erfolgt, betrieben werden . Durch die Verwendung der Kalibrierlaserstrahlung zum Bestimmen der Phasenbeziehung werden die Anforderungen an den Regelkreis bezüglich der Messdynamik und der Regeldynamik reduziert .
Weiter kann durch die Verwendung Kalibrierlaserstrahlung das Ermitteln der Phasenbeziehung und insbesondere das Erzeugen einer Phasenkopplung schon vor dem Einschalten der Wirklaserquelle erfolgen .
Bei der Laserstrahlvorrichtung ist weiter vorgesehen, dass wenigstens ein Verstärkergang wenigstens ein Mittel zum Verschieben der Phase, auch Phasenschieber genannt, der Laserstrahlung umfasst . Das Mittel zum Verschieben der Phase ist in Abhängigkeit der Phase des Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs und/oder des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs , insbesondere in Abhängigkeit eines Verhältnisses der beiden Phasen, ansteuerbar .
Der Phasenschieber ist beispielsweise einstufig oder zweistufig ausgebildet . Der Phasenschieber ist beispielsweise als Piezo-Phasenschieber und/oder als EOM- Phasenschieber ausgebildet . Ein Piezo-Phasenschieber wird beispielsweise für große Phasenänderungen verwendet . Ein EOM- Phasenschieber wird beispielsweise für kleine schnelle Phasenänderungen verwendet .
Beispielsweise ist anhand der Phase oder der Phasen oder des Verhältnisses der Phasen, insbesondere mittels einer elektronischen Recheneinrichtung, ein Steuersignal für den Phasenschieber bestimmbar und der Phasenschieber anhand des Steuersignal entsprechend ansteuerbar .
Durch Verschieben der Phasen der Laserstrahlung mittels des Phasenschiebers , kann die Phasenbeziehung der Laserstrahlung des ersten Verstärkergangs und der Laserstrahlung des zweiten Verstärkergangs derart aufeinander abgestimmt werden, dass eine kohärente Überlagerung der Laserstrahlung erreicht werden kann . Dies kann auch als Phasenkopplung bezeichnet werden .
Es kann vorteilhaft sein, wenn ein j eweiliger Verstärkergang wenigstens ein Mittel zum Verschieben der Phase der Laserstrahlung umfasst, und ein j eweiliges Mittel in Abhängigkeit der Phase des Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs und/oder des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs ansteuerbar ist .
Die Abstimmung der Phasenbeziehung der Laserstrahlung des ersten Verstärkergangs und der Laserstrahlung des zweiten Verstärkergangs zum Erreichen einer kohärenten Überlagerung kann in diesem Fall durch Verschieben der Phase der Laserstrahlung des ersten Verstärkergangs und der Laserstrahlung des zweiten Verstärkergangs erreicht werden .
Gemäß einer Aus führungs form ist vorgesehen, dass das Auskoppelelement derart angeordnet und ausgebildet ist, dass wenigstens ein Teil der Kalibrierlaserstrahlung aus dem Verstärkergang auskoppelbar ist, bevor diese aus dem Verstärkergang in Richtung des Zielobj ekts austritt . Dies kann auch als Auskopplung im Nahfeld oder Nahfeld- Auskopplung oder Phasenbestimmung im Nahfeld bezeichnet werden . Durch geeignete Ansteuerung des Phasenschiebers beziehungsweise der Phasenschieber in Abhängigkeit der Phase des Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs und/oder des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs kann mittels der Phasenbestimmung im Nahfeld eine kohärente Überlagerung an einem nahen Ziel erreicht werden .
Gemäß einer Aus führungs form ist vorgesehen, dass das Auskoppelelement derart ausgebildet ist, dass an dem Zielobj ekt reflektierte Kalibrierlaserstrahlung aus dem Verstärkergang auskoppelbar ist . Dies kann auch als Auskopplung im Fernfeld oder Fernfeld-Auskopplung oder Phasenbestimmung im Fernfeld bezeichnet werden . Durch geeignete Ansteuerung des Phasenschiebers beziehungsweise der Phasenschieber in Abhängigkeit der Phase des vom Ziel reflektierten Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs und/oder des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs kann mittels der Phasenbestimmung im Fernfeld eine kohärente Überlagerung an einem entfernten Ziel erreicht werden .
Wenigstens ein Teil der Kalibrierlaserstrahlung wird von einem j eweiligen Verstärkergang, insbesondere über geeignete optische Mittel , beispielweise ein Teleskop, auf das Zielobj ekt ausgerichtet . Aufgrund von Reflexionen am Zielobj ekt gelangt zumindest ein kleiner Teil der Kalibrierlaserstrahlung, insbesondere über das Teleskop, in den Verstärkergang zurück .
Über das Auskoppelelement, insbesondere ein wellenlängenabhängiges Auskoppelelement, wird der reflektierte Teil der Kalibrierlaserstrahlung einer Phasenbestimmung zugeführt .
Bei der Phasenbestimmung im Fernfeld kommen zusätzlich zu den bereits beschriebenen Phasenänderungen in der Vorrichtung selbst, insbesondere innerhalb eines j eweiligen Verstärkergangs , noch Phasenänderungen entlang des Ausbreitungsweges , die z . B . durch Turbulenzen verursacht werden, hinzu . Entlang der optischen Achse erfährt die Kalibrierlaserstrahlung den gleichen oder zumindest nahezu den gleichen Einfluss , beispielsweise Phasenänderung, Refraktion, insbesondere durch Turbulenzen verursacht, wie die Wirklaserstrahlung . Daher kann die Kalibrierlaserstrahlung auch zur Bestimmung der Phasenbeziehung im Fernfeld herangezogen werden .
Die erfindungsgemäße Bestimmung der Phasenbeziehung kann zur Bestimmung von Regelparameter zum Erreichen einer kohärenten Überlagerung bereits vor dem Einschalten der Wirklaserquelle erreicht werden . Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen können die Phasenbeziehungen und damit die Regelparameter erst mit dem Einschalten des Wirklaser ermittelt und dann korrigiert werden kann . Mit dem Einschalten des Wirklasers , kann es aufgrund der hohen Intensität des Wirklaser zu einer Leuchterscheinung auf dem Ziel kommen . Auch dies kann die Ermittlung der Phasenbeziehungen und der Regelparameter bei der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen negativ beeinflusst . Gemäß der vorliegenden Erfindung kann anhand der Phasenbestimmung im Fernfeld eine Kompensation der durch Turbulenzen verursachten Einflüssen auf die Phasen trotz der vom Wirklaser erzeugten Leuchterscheinung auf dem Ziel erreicht werden .
Gemäß einer Aus führungs form ist weiter vorgesehen, dass ein j eweiliger Strahlengang, wenigstens ein optisches Element, insbesondere ein Teleskop und/oder einen Tip/Tilt-Spiegel , zum Ausrichten von Laserstrahlung auf das Zielobj ekt, umfasst . Es kann vorgesehen sein, dass das optische Element, insbesondere das Teleskop und/oder der Tip/Tilt-Spiegel , zusätzlich oder alternativ zum Phasenschieber, in Abhängigkeit der Phase des Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs und/oder des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs , insbesondere in Abhängigkeit eines Verhältnisses der beiden Phasen, insbesondere zum Erreichen einer kohärenten Überlagerung von Wirklaserstrahlung am Zielobj ekt, ansteuerbar ist . In diesem Zusammenhang ist insbesondere mittels einer elektronischen Recheneinrichtung, ein Steuersignal für das Teleskop und/oder den Tip/Tilt-Spiegel bestimmbar und das Teleskop und/oder der Tip/Tilt-Spiegel anhand des Steuersignal entsprechend ansteuerbar .
Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Steuersignal für das das Teleskop und/oder den Tip/Tilt-Spiegel zusätzlich in Abhängigkeit einer Auswertung einer visuellen Erfassung das Laserstrahlung im Ziel bestimmbar ist . In diesem Fall ist beispielsweise ein entsprechender optischer Sensor zur Erfassung der Laserstrahlung im Ziel , beispielsweise eine Kamera vorgesehen . Das Teleskop und/oder der Tip/Tilt- Spiegel eines j eweiligen Verstärkergangs können dann beispielweise so angesteuert werden, dass die Laserstrahlung im Ziel in einem Punkt überlagert wird .
Es kann auch vorgesehen sein, dass ein j eweiliger oder wenigstens ein Verstärkergang ein Auskoppelelement für die Nahfeld-Auskopplung und ein Auskoppelelement für die Fernfeld-Auskopplung umfasst .
Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Auskoppelelement sowohl für die Nahfeld- als auch für die Fernfeld- Auskopplung ausgebildet ist . Beispielsweise kann bei einem solchen Auskoppelelement zwischen Nahfeld- und Fernfeld- Auskopplung umgeschaltet werden .
Die Laserstrahlvorrichtung ist vorteilhafterweise dazu ausgebildet, ein Kalibrieren der Phasenbeziehung der Wellenlänge A^ des Wirklaserlichts und der Wellenlänge A^- des Kalibrierlaserlichts durchzuführen .
Gemäß einer Aus führungs form ist vorgesehen, dass die Laserstrahlvorrichtung wenigstens eine Strahlkombinierer- Einrichtung zum Kombinieren der Kalibrierlaserstrahlung mit der Wirklaserstrahlung umfasst, wobei die Strahlkombinierer-Einrichtung derart angeordnet ist, dass das Kombinieren vor dem Aufteilen und/oder Umlenken der Wirk- und/oder Kalibrierlaserstrahlung in die wenigstens zwei Verstärkergänge erfolgt .
Gemäß einer Aus führungs form ist vorgesehen, dass die Laserstrahlvorrichtung eine Modulationseinrichtung zum Modulieren der Kalibrierlaserstrahlung, insbesondere zum Modulieren einer Amplitude, umfasst . Die Modulation der Amplitude erfolgt beispielsweise in Form von cw- Modulation oder gepulst . Die Art der Modulation kann beispielsweise in Abhängigkeit einer Betriebsart der Laserstrahlvorrichtung auch variiert werden . Die Modulationseinrichtung ist beispielsweise vor der Strahlkombinierer-Einrichtung angeordnet . Die Modulationseinrichtung ist beispielsweise steuerbar . Die Kalibrierlaserstrahlung kann moduliert werden, ohne die Dynamik der Wirklaserstrahlung zu beeinflussen .
Die Modulationseinrichtung kann beispielsweise in Kombination mit bestimmten Empfängern, insbesondere Empfangsverfahren, die zur Phasenbestimmung verwendet werden können und/oder Teil eines Mittels zur Phasenbestimmung sind, verwendet werden . Beispielhafte Mittel , insbesondere Empfangsverfahren, sind Lockin- Verstärker, Homodyn-Empfänger oder Heterodyn-Empfänger . In Kombination mit der Modulation der Kalibrierlaserstrahlung kann ein Signal-zu-Rauschverhältnis , SNR, verbessert und damit die Phasenbestimmung verbessert, beispielsweise beschleunigt und/oder präzisiert, werden .
Durch Modulation der Kalibrierlaserstrahlung kann auch beim Bestimmen der Phasenbeziehung im Fernfeld das Signal-zu- Rauschverhältnis verbessert werden, indem beispielsweise durch geeignete Modulation der Kalibrierlaserstrahlung, der Einfluss der durch die Wirklaserstrahlung erzeugte Leuchterscheinung am Zielobj ekt auf die Kalibrierlaserstrahlung reduziert wird .
Weitere Aus führungs formen betreffen ein Verfahren zum
Betreiben einer Laserstrahlvorrichtung gemäß den vorstehend beschriebenen Aus führungs formen . Das Verfahren umfasst wenigstens die folgenden Schritte : Erzeugen von Kalibrierlaserstrahlung und Lenken und/oder Aufteilen wenigstens eines Teils der erzeugten Kalibrierlaserstrahlung in wenigstens einen ersten und in wenigstens einen zweiten Verstärkergang, wobei in einem j eweiligen Verstärkergang wenigstens ein Teil der Kalibrierlaserstrahlung mittels eines wellenlängenabhängigen Auskoppelelement ausgekoppelt wird; Bestimmen einer Phase des Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs und/oder des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs , und in Abhängigkeit der Phase des Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs und/oder des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs Ansteuern von wenigstens einem Mittel zum Verschieben der Phase von Laserstrahlung .
Gemäß einer Aus führungs form ist vorgesehen, dass das Verfahren das Aussenden von Wirklaserstrahlung umfasst und dass das wenigstens eine Mittel zum Verschieben der Phase der Laserstrahlung derart angesteuert wird, dass beim Aussenden von Wirklaserstrahlung eine kohärente Überlagerung der Wirklaserstrahlung erreicht wird .
Gemäß einer Aus führungs form ist vorgesehen, dass die Laserstrahlvorrichtung zumindest zeitweise so betrieben wird, dass nur Kalibrierlaserstrahlung ausgesendet wird . Dabei handelt es sich beispielsweise um einen Konfigurationsbetrieb . Im Konfigurationsbetrieb wird noch keine Wirklaserstrahlung, sondern nur Kalibrierlaserstrahlung ausgesendet . Die Mittel zum Verschieben der Phase der Laserstrahlung können aber bereits derart angesteuert werden, dass unmittelbar beim Einschalten der Wirklaserquelle eine kohärente Überlagerung der von den Verstärkergängen ausgestrahlten Wirklaserstrahlen erreicht werden kann .
Gemäß einer Aus führungs form ist vorgesehen, dass die Laserstrahlvorrichtung zumindest zeitweise so betrieben wird, dass Kalibrierlaserstrahlung und Wirklaserstrahlung gleichzeitig ausgesendet wird . Dies ist beispielsweise ein, insbesondere bestimmungsgemäßer, Normalbetrieb . Der Normalbetrieb schließt sich beispielsweise an einen Konfigurationsbetrieb an .
Gemäß einer Aus führungs form ist vorgesehen, dass das Verfahren einen Schritt zum Modulieren des Kalibrierlaserlichts umfasst . Dies erfolgt beispielsweise mittels einer insbesondere steuerbaren Modulationseinrichtung . Die Kalibrierlaserstrahlung kann vorteilhafterweise moduliert werden, ohne die Dynamik der Wirklaserstrahlung zu beeinflussen . Die Modulation der Amplitude erfolgt beispielsweise in Form von cw- Modulation oder gepulst . Die Art der Modulation kann beispielsweise in Abhängigkeit einer Betriebsart auch variiert werden . Beispielsweise erfolgt die Modulation zu Beginn des Betriebs , beispielsweise während eines Konfigurationsbetriebs , zum Längenabgleich gepulst . Beispielsweise erfolgt die Modulation anschließend im Betrieb, beispielsweise während eines Normalbetriebs , in Form von cw-Modulation .
Das Modulieren des Kalibrierlaserlichts kann beispielsweise in Kombination mit Empfangsverfahren, die zur Phasenbestimmung verwendet werden können, verwendet werden . Beispielhafte Empfangsverfahren, sind Lockin-Verstärkung, Homodyn-Empfang oder Heterodyn-Empfang . In Kombination mit der Modulation der Kalibrierlaserstrahlung kann ein Signal- zu-Rauschverhältnis , SNR, verbessert und damit die Phasenbestimmung verbessert, beispielsweise beschleunigt und/oder präzisiert, werden .
Gemäß einer Aus führungs form ist vorgesehen, dass das Verfahren einen Schritt zum Kalibrieren der Phasenbeziehung der Wellenlänge A^ des Wirklaserlichts und der Wellenlänge X2 des Kalibrierlaserlichts umfasst . Das Kalibrieren, auch als Kalibiervorgangs bezeichnet, umfasst das Ermitteln und gegebenenfalls Einstellen der Phasenbeziehung . Dies erfolgt beispielsweise mittels dem Mittel bzw . den Mitteln zu Phasenbestimmung, beispielsweise separat für einen j eweiligen Verstärkergang oder auch gemeinsam für zwei oder mehr Verstärkergänge .
Zum Kalibrieren der Phasenbeziehung wird mittels einem Auskoppelelement ein Teil der Kalibrierlaserstrahlung und ein Teil der Wirklaserstrahlung aus dem Verstärkergang ausgekoppelt . Das Auskoppelelement ist beispielsweise ein schaltbares wellenlängenabhängiges Auskoppelelement, beispielsweise ein Strahlteiler . Beispielsweise kann das Auskoppelelement umgeschaltet werden, zwischen einem Schaltzustand in dem nur Kalibrierlaserlicht ausgekoppelt wird und zwischen einem Schaltzustand, in dem Kalibrierlaserlicht und Wirklaserlicht ausgekoppelt wird .
Das ausgekoppelte Kalibier- und Wirklaserlicht wird dem Mittel zum Bestimmen der Phasenbeziehung zugeführt .
In Abhängigkeit der ermittelten Phasenbeziehung kann, insbesondere mittels einer elektronischen Recheneinrichtung, ein Steuersignal für einen j eweiligen Phasenschieber bestimmt werden und ein j eweiliger Phasenschieber anhand des Steuersignal entsprechend angesteuert werden . Dadurch kann die Phasenbeziehung der Wellenlänge A^ des Wirklaserlichts und der Wellenlänge A^- für einen j eweiligen Verstärkergang entsprechend eingestellt werden . Die Einstellung der Phasenbeziehung erfolgt vorteilhafterweise derart, dass die Wellenlängen A^ des Wirklaserlichts aller Verstärkergänge kohärent überlagert werden .
Es kann vorgesehen sein, dass das Kalibrieren zu Beginn des Verfahrens zum Betreiben der Laserstrahlvorrichtung durchgeführt wird . Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass das Kalibrieren zur Laufzeit des Verfahrens zum Betreiben der Laserstrahlvorrichtung wiederholt durchgeführt wird . Das Kalibrieren kann beispielsweise in vorgebbaren Zeitintervallen wiederholt werden . Es kann auch vorgesehen sein, das Kalibrieren nach einer bestimmten Anzahl von durchgeführten Wellenlängenhüben zu wiederholen .
Beispielsweisen kann ein zulässiger Phasenfehler, beispielsweise
Figure imgf000022_0001
festgelegt werden . Der Phasenunterschied A wird bestimmt über_4 = |n * Ai — n * X2 | in Abhängigkeit von Ai und A2 , so dass ein zulässige Anzahl n von richtungsabhängigen Wellenlängenhüben bestimmt werden kann . Wird die zulässige Anzahl n der Wellenlängenhübe erreicht oder überschritten, wird die Kalibrierung erneut durchgeführt .
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Leistung des Wirklaserlichts während des Kalibiervorgangs reduziert wird .
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen . Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert . Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren j eweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente . Bei der Beschreibung einzelner Figuren wird gegebenenfalls auch auf Elemente aus anderen Figuren Bezug genommen . Es zeigen j eweils in schematischer Form :
Fig . 1 eine Laserstrahlvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig . 2 eine Laserstrahlvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig . 3 ein Verfahren zum Betreiben einer Laserstrahlvorrichtung gemäß den Fig . 1 oder 2 oder 4 oder 5 ;
Fig . 4 eine Laserstrahlvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform, und
Fig . 5 eine Laserstrahlvorrichtung gemäß einer weiteren Aus führungs form .
Fig . 1 zeigt eine Laserstrahlvorrichtung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist . Die Laserstrahlvorrichtung 10 ist beispielsweise dazu ausgebildet und kann beispielsweise derart betrieben werden, dass ein Zielobj ekt (in den Figuren nicht dargestellt) , insbesondere ein weit entferntes Zielobj ekt, beispielsweise zwischen 10 m, insbesondere 50 m, bis 1000m oder auch mehr, _mit Laserstrahlung, insbesondere Wirklaserstrahlung bestrahlt werden kann .
Die Laserstrahlvorrichtung ist beispielsweise eine Laserwaffe bzw . ein Laserwaffensystem . Laserwaffen bzw . Laserwaffensysteme werden beispielsweise zum Schutz von Obj ekten, beweglicher oder stationärer Art . Eine Laserwaffe bzw . ein Laserwaffensystem kann einen oder mehrere HEL, Hochenergielaser, -Effektoren umfassen . Mehrere HEL-Ef fektoren können gleichzeitig auf ein Zielobj ekt oder auf mehrere Zielobj ekte ausgerichtet werden .
Darunter können statische Zielobj ekte, wie Minen, IED ( Improvised Explosive Devices ) etc . , aber auch dynamische Ziele, wie beispielsweise Raketen, Artilleriegeschosse oder RAM-Geschosse etc . , fallen . Diese Ziele werden dann im Rahmen der Abwehr der Bedrohung zerstört und/oder vernichtet . Insbesondere kleine Ziele (Low, Siow & Small = LSS Ziele) können durch ein derartiges Waffensystem einfacher zerstört oder vernichtet werden . Unter LSS-Ziele fallen auch so genannte UAV (Unmanned Air Vehicle) , wie Drohnen, die häufig missbräuchlich zum Transport von Sprengstoffen genutzt werden .
Zu den Schlüsselkomponenten eines HEL-Ef fektors gehören eine Laserquelle und ein Strahlführungssystem . In dem Strahlführungssystem können Unterbaugruppen wie Feinimagingsystem (FIS ) , Feintrackingsystem (FTS ) , Teleskop und, falls notwendig, zumindest eine adaptive Optik (AO) untergebracht sein . Bekannte Laserquellen sind Gaslaser, wie CO2 Laser, sowie Festkörperlaser, wie Diodenlaser,
Faserlaser etc . HEL-Ef fektoren können, wie andere Waffensysteme, auf einer festen oder beweglichen Plattform lafettiert werden . Als Plattform werden hierbei auch Waffenstationen bezeichnet . Diese Plattformen können ihrerseits auf stationären Obj ekten ( z . B . Häuser, Bunker, Container, etc . ) oder beweglichen Obj ekten ( z . B . Fahrzeuge zu Land, Luft und See, Container, etc . ) angebracht sein .
Das Ausrichten eines Hochenergie-Laserstrahls auf ein Ziel im militärischen Umfeld stellt eine große technische Herausforderung dar . Das betrifft die Übertragung von hohen Laserleistungen (hohe Laserdichte) mittels optischen Systemen, wie Spiegel , Linsen . Auch bestehen hohe Anforderungen an die Track-Genauigkeit bzw . Zielverfolgung sowie die Fokussierung auf ein sich bewegendes Ziel z . B . mittels Teleskop . Ein weiteres Problem stellt die Kompensation der Störungen durch die Atmosphäre dar . Zudem stellen hohe Umweltbelastungen, wie Schock, Vibration, Temperatur und EMV für das gesamte Übertragungssystem sowie die Verfolgung der Wirkung im Ziel in Echtzeit den Fachmann vor diverse komplexe Aufgaben .
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Herausforderung eine kohärente Überlagerung von verschiedenen Verstärkergängen ausgestrahlten Wirklaserstrahlen zu erreichen . Dies wird im Folgenden anhand der Figuren erläutert .
Die Laserstrahlvorrichtung 10 umfasst eine Wirklaserquelle
12 zum Erzeugen von Wirklaserstrahlung . Die Wirklaserstrahlung ist in Figur 1 als gepunktete Linie dargestellt und mit Xi bezeichnet . Die Wellenlänge der Wirklaserstrahlung beträgt beispielsweise Xi= 1040 nm . Bei der Wirklaserquelle 12 handelt es sich um einen Hochleistungslaser .
Gemäß der dargestellten Aus führungs form wird die von der Wirklaserquelle 12 erzeugte Wirklaserstrahlung mittels einer Strahllenk- und/oder Strahlteil-Einrichtung 14 wenigstens teilweise in einen ersten Verstärkergang 16-1 und wenigstens teilweise in einen zweiten Verstärkergang 16-2 gelenkt und/oder aufgeteilt . Die Darstellung in den Figuren ist lediglich beispielhaft . Es kann beispielsweise vorteilhaft sein mehr als zwei Verstärkergänge, beispielsweise zwischen zwei bis zehn, oder auch zwanzig oder mehr Verstärkergängen zu verwenden .
Ein j eweiliger Verstärkergang 16-1 , 16-2 umfasst eine Verstärkereinrichtung 18 zum Verstärken der Wirklaserstrahlung . Die Verstärkereinrichtung 18 verstärkt beispielsweise wellenlängenabhängig in Abhängigkeit der Wellenlänge Xi .
Vorteilhafterweise ist die Laserstrahlvorrichtung 10 dazu ausgebildet und kann derart betrieben werden, dass das Zielobj ekt zumindest zeitweise gleichzeitig mit einem von dem ersten Verstärkergang 16-1 ausgehenden Wirklaserstrahl und einem von dem zweiten Verstärkergang 16-2 ausgehenden Wirklaserstrahls bestrahlt wird . Die Laserstrahlvorrichtung 10 kann auch mehr als zwei Verstärkergänge 16-1 , 16-2 umfassen .
Um das Zielobj ekt möglichst effektiv zu bestrahlen, soll möglichst eine kohärente Überlagerung der von den Verstärkergängen 16-1 , 16-2 ausgestrahlten Wirklaserstrahlen erreicht werden . Dies wird im Folgenden erläutert .
Gemäß der Aus führungs form ist vorgesehen, dass die Laserstrahlvorrichtung 10 eine Kalibrierlaserquelle 20 zum Erzeugen von Kalibrierlaserstrahlung umfasst . Die Kalibrierlaserquelle 20 und die Wirklaserquelle 12 sind derart ausgebildet, dass eine Wellenlänge X2 der Kalibrierlaserstrahlung von der Wellenlänge Xi der Wirklaserstrahlung abweicht . Die Kalibrierlaserstrahlung ist in Figur 1 als durchgezogene Linie dargestellt und mit X2 bezeichnet . Die Wellenlänge der Kalibrierlaserstrahlung X2 kann größer oder kleiner als Xi sein . Vorzugsweise liegt X2 außerhalb der Verstärkerbandbreite des j eweiligen Lasersystems , beispielsweise bei Xi 1040 nm Verstärker ist X2 < 1030 nm bzw . Xi 1085 nm X2 > 1090 nm) .
Gemäß der Aus führungs form ist vorgesehen, dass die Laserstrahlvorrichtung 10 wenigstens eine Strahlkombinierer-Einrichtung 22 zum Kombinieren der Kalibrierlaserstrahlung mit der Wirklaserstrahlung umfasst . Die Strahlkombinierer-Einrichtung 22 ist derart angeordnet ist, dass das Kombinieren vor dem Aufteilen und/oder Umlenken der kombinierten Wirk- und/oder Kalibrierlaserstrahlung in die wenigstens zwei Verstärkergänge 16-1 , 16-2 erfolgt .
Die kombinierte Wirk- und/oder Kalibrierlaserstrahlung ist in Fig . 1 als strichpunktierte Linie dargestellt und mit Xi + X2 bezeichnet .
Mittels der Strahllenk- und/oder Strahlteil-Einrichtung 14 wird schließlich die kombinierte Wirk- und/oder Kalibrierlaserstrahlung, und damit wenigstens ein Teil der von der Kalibrierlaserquelle erzeugten Kalibrierlaserstrahlung, j eweils in den ersten und in den zweiten Verstärkergang 16-1 , 16-2 gelenkt .
Die Kalibrierlaserstrahlung erfährt durch die Verstärkereinrichtung 18 keine oder nur eine verhältnismäßig geringe Verstärkung, da die Verstärkung wellenlängenabhängig beispielsweise in Abhängigkeit der Wellenlänge Xl erfolgt .
Gemäß der Aus führungs form ist vorgesehen, dass ein j eweiliger Verstärkergang 16-1 , 16-2 ein wellenlängenabhängiges Auskoppelelement 24 zum Auskoppeln wenigstens eines Teils des Kalibrierlaserlichts umfasst .
Gemäß der in Fig . 1 dargestellten Aus führungs form ist das Auskoppelelement 24 , auch 24-1 bezeichnet, derart angeordnet und ausgebildet, dass wenigstens eines Teils der Kalibrierlaserstrahlung aus dem j eweiligen Verstärkergang 16-1 , 16-2 auskoppelbar ist, bevor diese aus dem Verstärkergang in Richtung des Zielobj ekts austritt .
Dies kann auch als Auskopplung im Nahfeld oder Nahfeld- Auskopplung, insbesondere zur Phasenbestimmung im Nahfeld, bezeichnet werden .
Die Laserstrahlvorrichtung 10 umfasst Mittel 26 zum Bestimmen einer Phase des Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs 16-lund/oder des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs 16-2 . Gemäß der dargestellten Aus führungs form wird sowohl die aus dem ersten als auch die aus dem zweiten Verstärkergang 16-1 , 16-2 ausgekoppelte Kalibrierlaserstrahlung einem j eweiligen Mittel 26 zur Phasenbestimmung zugeführt . Eine j eweilige Phase wird beispielsweise relativ zu einem Referenzwert ermittelt . Als Referenzwert wird dem Mittel 26 zu Phasenbestimmung beispielsweise ein Referenzsignal von einem Ausgang an den mit 14 oder 30 beschrifteten Elementen zugeführt .
Alternativ könnte auch ein gemeinsames Mittel 26 ’ , vergleiche die gepunktete Umrandung in den Figuren 1 und 2 , zur Phasenbestimmung verwendet und dementsprechend beispielsweise ein Verhältnis der Phasen der aus dem ersten Verstärkergang 16-1 ausgekoppelten Kalibrierlaserstrahlung und der aus dem zweiten Verstärkergang 16-2 ausgekoppelten Kalibrierlaserstrahlung bestimmt werden .
Gemäß der dargestellten Aus führungs form umfasst ein j eweiliger Verstärkergang 16-1 , 16-2 Mittel 28 zum Verschieben der Phase von Laserstrahlung . Bei einem Mittel 28 zum Verschieben der Phase der Laserstrahlung handelt es sich um einen Phasenschieber .
Die Phasenschieber 28 sind in Abhängigkeit der Phase des Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs 16-1 und/oder in Abhängigkeit der Phase des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs 16-2 ansteuerbar . Beispielsweise ist der Phasenschieber 28 des ersten Verstärkergangs 16-1 in Abhängigkeit der Phase des Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs 16-1 und der Phasenschieber 28 des zweiten Verstärkergangs 16-2 in Abhängigkeit der Phase des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs 16-2 ansteuerbar .
Beispielsweise ist anhand der Phase oder der Phasen oder des Verhältnisses der Phasen, insbesondere mittels einer elektronischen Recheneinrichtung, ein Steuersignal für einen j eweiligen Phasenschieber bestimmbar und ein j eweiliger Phasenschieber anhand des Steuersignal entsprechend ansteuerbar . Die Recheneinrichtung zum Bestimmen des Steuersignals ist in Fig . 1 nicht explizit dargestellt .
Durch Modulation der Phasen der Laserstrahlung mittels der Phasenschieber 28 , kann die Phasenbeziehung der Laserstrahlung des ersten Verstärkergangs 16-1 und der Laserstrahlung des zweiten Verstärkergangs 16-2 derart aufeinander abgestimmt werden, dass eine kohärente Überlagerung der Laserstrahlung erreicht werden kann . Dies kann auch als Phasenkopplung bezeichnet werden . Gemäß der in Fig . 1 dargestellten Aus führungs form kann mittels der Phasenbestimmung im Nahfeld eine kohärente Überlagerung an einem nahen Ziel erreicht werden .
Gemäß der Aus führungs form ist vorgesehen, dass die Laserstrahlvorrichtung 10 eine Modulationseinrichtung 30 zum Modulieren der Kalibrierlaserstrahlung, insbesondere zum Modulieren einer Amplitude der Kalibrierlaserstrahlung, umfasst . Die Modulationseinrichtung 30 ist beispielsweise vor der Strahlkombinierer-Einrichtung angeordnet . Die Modulationseinrichtung 30 ist beispielsweise steuerbar . Die Kalibrierlaserstrahlung kann moduliert werden, ohne die Dynamik der Wirklaserstrahlung zu beeinflussen . In Kombination mit der Modulation der Kalibrierlaserstrahlung kann ein Signal-zu-Rauschverhältnis , SNR, verbessert und damit die Phasenbestimmung verbessert, beispielsweise beschleunigt und/oder präzisiert, werden .
Fig . 2 zeigt eine weitere Aus führungs form eine Laserstrahlvorrichtung 10 .
Gemäß der dargestellten Aus führungs form ist vorgesehen, dass das Auskoppelelement 24 , auch 24-2 bezeichnet, derart ausgebildet ist, dass an dem Zielobj ekt reflektierte Kalibrierlaserstrahlung aus dem j eweiligen Verstärkergang 16-1 , 16-2 auskoppelbar ist . Dies kann auch als Auskopplung im Fernfeld oder Fernfeld-Auskopplung, insbesondere zur Phasenbestimmung im Fernfeld, bezeichnet werden . Wenigstens ein Teil der Kalibrierlaserstrahlung wird von einem j eweiligen Verstärkergang 16-1 , 16-2 , insbesondere über geeignete optische Mittel , beispielweise ein Teleskop 32 und/oder ein Tip/Tilt-Spiegel 34 , auf das Zielobj ekt ausgerichtet . Aufgrund von Reflexionen am Zielobj ekt gelangt zumindest ein kleiner Teil der Kalibrierlaserstrahlung, insbesondere über das Teleskop 32 , in den j eweiligen Verstärkergang 16-1 , 16-2 zurück .
Über das Auskoppelelement 24 , 24-2 , insbesondere ein wellenlängenabhängiges Auskoppelelement 24 , 24-2 , wird der reflektierte Teil der Kalibrierlaserstrahlung einer Phasenbestimmung 26 zugeführt .
Entlang der optischen Achse erfährt die Kalibrierlaserstrahlung den gleichen oder zumindest nahezu den gleichen Einfluss , beispielsweise Phasenänderung, Refraktion, wie die Wirklaserstrahlung . Daher kann die Kalibrierlaserstrahlung auch zur Bestimmung der Phasenbeziehung im Fernfeld herangezogen werden .
Durch geeignete Ansteuerung des Phasenschiebers 28 beziehungsweise der Phasenschieber in Abhängigkeit der Phase des Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs 16-1 und/oder des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs 16-2 kann mittels der Phasenbestimmung im Fernfeld eine kohärente Überlagerung an einem entfernten Ziel erreicht werden . Es kann weiter vorgesehen sein, dass die optischen Elemente, insbesondere das Teleskop 32 und/oder der Tip/Tilt-Spiegel 34 , zusätzlich oder alternativ zum Phasenschieber 28 , in Abhängigkeit der Phase des Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs 16-1 und/oder des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs 16-2 , insbesondere in Abhängigkeit eines Verhältnisses der beiden Phasen, insbesondere zum Erreichen einer kohärenten Überlagerung von Wirklaserstrahlung am Zielobj ekt, ansteuerbar sind .
Anhand der Fig . 3 wird ein beispielhaftes Verfahren 300 zum Betreiben einer Laserstrahlvorrichtung 10 erläutert .
Das Verfahren 300 umfasst wenigstens die folgenden Schritte : einen Schritt 310 zum Erzeugen und Aussenden von Kalibrierlaserstrahlung, insbesondere mittels einer Kalibrierlaserquelle 20 und Lenken und/oder Aufteilen wenigstens eines Teils der erzeugten Kalibrierlaserstrahlung in wenigstens einen ersten und in wenigstens einen zweiten Verstärkergang 16-1 , 16-2 , insbesondere mittels einer Strahllenk- und/oder Strahlteil- Einrichtung 14 , einen Schritt 320 zum Auskoppeln wenigstens eines Teils der Kalibrierlaserstrahlung aus einem j eweiligen Verstärkergang 16-1 , 16-2 , insbesondere mittels eines wellenlängenabhängigen Auskoppelelement einen Schritt 330 zum Bestimmen einer Phase des
Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs 16-1 und/oder des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs 16-2 , und einen Schritt 340 zum Ansteuern von wenigstens einem Mittel 28 zum Verschieben der Phase von Laserstrahlung in Abhängigkeit der Phase des Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs 16-1 und/oder des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs 16-2 . Der Schritt 340 kann alternativ oder zusätzlich auch das Ansteuern von optischen Elementen, insbesondere Teleskop 32 und/oder Tip/Tilt- Spiegel 34 , insbesondere eine Ausrichtung dieser Elemente zusätzlich oder alternativ zum Phasenschieber 28 umfassen . In diesem Zusammenhang wird insbesondere mittels einer elektronischen Recheneinrichtung, ein Steuersignal für den Phasenschieber 28 und/oder für das Teleskop 32 und/oder den Tip/Tilt-Spiegel 34 bestimmt und der Phasenschieber 28 und/oder das Teleskop 32 und/oder der Tip/Tilt-Spiegel 34 anhand des Steuersignal entsprechend angesteuert .
Das Verfahren 300 kann weiter einen Schritt 350 zum Aussenden von Wirklaserstrahlung, insbesondere mittels einer Wirklaserquelle 12 umfassen . Im Schritt 340 wird das wenigstens eine Mittel 28 zum Verschieben der Phase der Laserstrahlung vorteilhafterweise derart angesteuert wird, dass beim Aussenden 350 von Wirklaserstrahlung eine kohärente Überlagerung der von den wenigstens zwei Verstärkergängen 16-1 , 16-2 ausgestrahlten
Wirklaserstrahlen erreicht wird .
Gemäß einer Aus führungs form ist vorgesehen, dass die Laserstrahlvorrichtung 10 zumindest zeitweise so betrieben wird, dass nur Kalibrierlaserstrahlung ausgesendet wird . Dabei handelt es sich beispielsweise um einen Konfigurationsbetrieb 300a . Im Konfigurationsbetrieb 300a wird noch keine Wirklaserstrahlung, sondern nur Kalibrierlaserstrahlung ausgesendet . Der Konfigurationsbetrieb 300a umfasst beispielsweise die Schritte 310 , 320 , 330 , 340 .
Die Mittel 28 zum Verschieben der Phase der Laserstrahlung können aber gemäß Schritt 340 bereits derart angesteuert werden, dass mit einem späteren Einschalten der Wirklaserquelle 12 unmittelbar eine kohärente Überlagerung der von den wenigstens zwei Verstärkergängen 16-1 , 16-2 ausgestrahlten Wirklaserstrahlen erreicht werden erreicht werden kann .
Gemäß einer Aus führungs form ist vorgesehen, dass die Laserstrahlvorrichtung 10 zumindest zeitweise so betrieben wird, dass Kalibrierlaserstrahlung und Wirklaserstrahlung gleichzeitig ausgesendet wird . Dies ist beispielsweise ein, insbesondere bestimmungsgemäßer, Normalbetrieb 300b . Der Normalbetrieb 300b schließt sich beispielsweise an einen Konfigurationsbetrieb 300a an . Im Normalbetrieb 300b werden beispielsweise die Schritte 310 , 320 , 330 , 340 und 350 ausgeführt . Gemäß einer Aus führungs form ist vorgesehen, dass das Verfahren einen Schritt 360 zum Modulieren des Kalibrierlaserlichts umfasst . Der Schritt 360 kann beispielsweise sowohl im Konfigurationsbetrieb 300a als auch im Normalbetrieb 300b durchgeführt werden .
Die dargestellte Reihenfolge der Schritte ist beispielhaft . Die Schritte können auch in einer anderen Reihenfolge und/oder zumindest teilweise auch parallel ausgeführt werden .
Gemäß einer Aus führungs form ist vorgesehen, dass die Laservorrichtung 10 zum Ausführen eines Kalibriervorgangs ausgebildet ist .
Dementsprechend kann das Verfahren 300 einen Schritt zum Durchführen des Kalibriervorgangs umfassen . Der Kalibriervorgang ist im Beispiel als Schritt 370 dargestellt .
Der Kalibriervorgang kann zu Beginn des Betriebs und während des Betreibens der Laservorrichtung wiederholt durchgeführt werden .
Das Kalibrieren wird beispielsweise anhand der Figuren 4 und 5 erläutert . Der Kalibriervorgang umfasst das Kalibrieren der Phasenbeziehung der Wellenlänge A^ des Wirklaserlichts und der Wellenlänge A^- des Kalibrierlaserlichts . Das Kalibrieren umfasst das Ermitteln und gegebenenfalls Einstellen der Phasenbeziehung .
Zum Kalibrieren der Phasenbeziehung wird mittels einem Auskoppelelement ein Teil der Kalibrierlaserstrahlung und ein Teil der Wirklaserstrahlung aus dem Verstärkergang ausgekoppelt . Bei dem Auskoppelelement handelt es sich beispielsweise um das wellenlängenabhängiges Auskoppelelement 24 , 24-1 , 24-2 . Das Auskoppelelement 24 , 24-1 , 24-2 ist beispielsweise ein schaltbares wellenlängenabhängiges Auskoppelelement ausgebildet . Beispielsweise kann das Auskoppelelement umgeschaltet werden, zwischen einem Schaltzustand in dem nur Kalibrierlaserlicht ausgekoppelt wird und zwischen einem Schaltzustand, in dem Kalibrierlaserlicht und Wirklaserlicht ausgekoppelt wird .
Zum Ermitteln der Phasenbeziehung wird Kalibrierlaserlicht und Wirklaserlicht aus einem j eweiligen Verstärkergang ausgekoppelt und dem Mittel 26 , 26 ’ bzw . den Mitteln 26 zu Phasenbestimmung zugeführt . Das Ermitteln der Phasenbeziehung von Kalibrierlaserlicht und Wirklaserlicht kann erfolgt beispielsweise separat für einen j eweiligen Verstärkergang oder auch gemeinsam für zwei oder mehr Verstärkergänge . In Abhängigkeit der ermittelten Phasenbeziehung kann, insbesondere mittels einer elektronischen Recheneinrichtung, ein Steuersignal für einen j eweiligen Phasenschieber 28 bestimmt werden und ein j eweiliger Phasenschieber 28 anhand des Steuersignal entsprechend angesteuert werden . Dadurch kann die Phasenbeziehung der Wellenlänge A^ des Wirklaserlichts und der Wellenlänge A^ für einen j eweiligen Verstärkergang entsprechend eingestellt werden . Die Einstellung der Phasenbeziehung erfolgt vorteilhafterweise derart, dass die Wellenlängen Aj des Wirklaserlichts aller Verstärkergänge kohärent überlagert werden .
Es kann vorgesehen sein, dass das Kalibrieren zu Beginn des Verfahrens zum Betreiben der Laserstrahlvorrichtung durchgeführt wird .
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass das Kalibrieren zur Laufzeit des Verfahrens zum Betreiben der Laserstrahlvorrichtung wiederholt durchgeführt wird . Das Kalibrieren kann beispielsweise in vorgebbaren Zeitintervallen wiederholt werden . Es kann auch vorgesehen sein, das Kalibrieren in eine bestimmten Anzahl von durchgeführten Wellenlängenhüben zu wiederholen .
Beispielsweisen kann ein zulässiger Phasenfehler, li beispielsweise < — festgelegt werden . Der Phasenunterschied A wird bestimmt über_4 = |n * A^ — n * A2 | in Abhängigkeit von A^ undA.2 , so dass ein zulässige Anzahl n von richtungsabhängigen Wellenlängenhüben bestimmt werden kann . Wird die zulässige Anzahl n der Wellenlängenhübe erreicht oder überschritten, kann die Kalibrierung erneut durchgeführt .
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Leistung des Wirklaserlichts während des Kalibiervorgangs reduziert wird .

Claims
Patentansprüche Laserstrahlvorrichtung (10) zum Bestrahlen eines Zielobjekts mit Wirklaserstrahlung, wobei die Laserstrahlvorrichtung (10) eine Strahllenk- und/oder Strahlteil-Einrichtung (14) zum Lenken und/oder Aufteilen wenigstens eines Teils von einer Wirklaserquelle (12) erzeugten Wirklaserstrahlung in wenigstens einen ersten und in wenigstens einen zweiten Verstärkergang (16-1, 16-2) umfasst, und wobei ein jeweiliger Verstärkergang (16-1, 16-2) eine Verstärkereinrichtung (18) zum Verstärken der Wirklaserstrahlung umfasst, und die Laserstrahlvorrichtung (10) dazu ausgebildet ist, das Zielobjekt zumindest zeitweise gleichzeitig mit einem von dem ersten Verstärkergang (16-1) ausgehenden Wirklaserstrahl und einem von dem zweiten Verstärkergang (16-2) ausgehenden Wirklaserstrahls zu bestrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlvorrichtung (10) eine Kalibrierlaserquelle (20) zum Erzeugen von Kalibrierlaserstrahlung umfasst, wobei eine Wellenlänge (X2) der Kalibrierlaserstrahlung von einer Wellenlänge (Xi) der Wirklaserstrahlung abweicht, wobei die Laserstrahlvorrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass an der Strahllenk-und/oder Strahlteil- Einrichtung (14) wenigstens ein Teil der von der Kalibrierlaserquelle (20) erzeugten Kalibrierlaserstrahlung in den ersten und in den zweiten Verstärkergang (16-1, 16-2) aufteilbar und/oder umlenkbar ist, und ein jeweiliger Verstärkergang (16-1, 16-2) ein wellenlängenabhängiges Auskoppelelement (24, 24-1, 24-2) zum Auskoppeln wenigstens eines Teils des Kalibrierlaserlichts umfasst, und wobei die Laserstrahlvorrichtung (10) Mittel (26) zum Bestimmen einer Phase des Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs (16-1) und/oder des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs (16- 2) umfasst und wobei wenigstens ein Verstärkergang (16-1) wenigstens ein Mittel (28) zum Verschieben der Phase von Laserstrahlung umfasst, und das wenigstens eine Mittel (28) zum Verschieben der Phase in Abhängigkeit der Phase des Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs (16-1) und/oder des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs (16- 2) ansteuerbar ist. Laserstrahlvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei ein jeweiliger Verstärkergang (16-1, 16-2) wenigstens ein Mittel (28) zum Verschieben der Phase der Laserstrahlung umfasst, und ein jeweiliges Mittel (28) in Abhängigkeit der Phase des Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs (16- 1) und/oder des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs (16-2) ansteuerbar ist. Laserstrahlvorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine
Mittel (28) zum Verschieben der Phase der Laserstrahlung eine Modulationseinrichtung, insbesondere eine elektrooptische Modulationseinrichtung, EOM, insbesondere zum Modulieren einer Phase, ist oder umfasst.
4. Laserstrahlvorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Auskoppelelement (24, 24-1) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass wenigstens eines Teils der Kalibrierlaserstrahlung aus dem Verstärkergang (16-1, 16-2) auskoppelbar ist, bevor diese aus dem Verstärkergang (16-1, 16-2) in Richtung des Zielobjekts austritt.
5. Laserstrahlvorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Auskoppelelement (24, 24-2) derart ausgebildet ist, dass an dem Zielobjekt reflektierte Kalibrierlaserstrahlung aus dem Verstärkergang (16-1, 16-2) auskoppelbar ist.
6. Laserstrahlvorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein jeweiliger Verstärkergang (16-1, 16-2) , wenigstens ein optisches Element, insbesondere ein Teleskop (32) und/oder einen Tip/Tilt-Spiegel (34) , zum Ausrichten von Laserstrahlung auf das Zielobjekt, umfasst.
7. Laserstrahlvorrichtung (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserstrahlvorrichtung wenigstens eine Strahlkombinierer-Einrichtung (22 ) zum Kombinieren der Kalibrierlaserstrahlung mit der Wirklaserstrahlung umfasst, wobei die Strahlkombinierer-Einrichtung (22 ) derart angeordnet ist, dass das Kombinieren vor dem Aufteilen und/oder Umlenken der Wirk- und/oder Kalibrierlaserstrahlung in die wenigstens zwei Verstärkergänge ( 16-1 , 16-2 ) erfolgt .
8 . Laserstrahlvorrichtung ( 10 ) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserstrahlvorrichtung ( 10 ) eine Modulationseinrichtung (30 ) zum Modulieren des Kalibrierlaserlichts , insbesondere zum Modulieren einer Amplitude, umfasst .
9 . Verfahren (300 ) zum Betreiben einer Laserstrahlvorrichtung ( 10 ) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (300 ) wenigstens die folgenden Schritte umfasst :
Erzeugen (310 ) von Kalibrierlaserstrahlung und Lenken und/oder Aufteilen wenigstens eines Teils der erzeugten Kalibrierlaserstrahlung in wenigstens einen ersten und in wenigstens einen zweiten Verstärkergang, wobei in einem j eweiligen Verstärkergang wenigstens ein Teil der Kalibrierlaserstrahlung mittels eines wellenlängenabhängigen Auskoppelelement ausgekoppelt (320 ) wird; Bestimmen (330 ) einer Phase des Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs und/oder des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs , und in Abhängigkeit der Phase des Kalibrierlaserlichts des ersten Verstärkergangs und/oder des Kalibrierlaserlichts des zweiten Verstärkergangs Ansteuern (340 ) von wenigstens einem Mittel zum Modulieren von Laserstrahlung .
10 . Verfahren (300 ) nach Anspruch 9 , wobei das Verfahren (300 ) das Aussenden von Wirklaserstrahlung umfasst und das wenigstens eine Mittel (28 ) zum Verschieben der Phase der Laserstrahlung derart angesteuert wird, dass beim Aussenden von Wirklaserstrahlung eine kohärente Überlagerung der Wirklaserstrahlung erreicht wird .
11 . Verfahren (300 ) nach einem der Ansprüche 8 oder 9 , wobei die Laserstrahlvorrichtung ( 10 ) zumindest zeitweise so betrieben wird, dass nur Kalibrierlaserstrahlung ausgesendet wird (300a) .
12 . Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , wobei die Laserstrahlvorrichtung ( 10 ) zumindest zeitweise so betrieben wird, dass Kalibrierlaserstrahlung und Wirklaserstrahlung gleichzeitig ausgesendet wird (300b) .
13 . Verfahren (300 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 12 , wobei das Verfahren einen Schritt (360 ) zum Modulieren des Kalibrierlaserlichts umfasst . Verfahren (300 ) nach Anspruch 13 , wobei das
Modulieren eine Modulation der Amplitude umfasst, und die Modulation als cw- Modulation und/oder gepulst erfolgt .
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