用于组合相干激光射束的设备、激光系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于组合N多个相干激光射束(3.1...3.N)的设备(16)，其包括：至少N‑1个用于调整相干激光射束(3.1...3.N)中的一束的相应相位的相位调整装置(6.1...6.N)，以及用于组合所述相干激光射束(3.1...3.N)以便形成至少一束组合激光射束(12)的射束组合装置(10)。为了形成至少一束组合激光射束(12)，所述射束组合装置(10)具有带有至少两个微透镜阵列(17a，b)的微透镜组件(11)。本发明专利技术还涉及一种激光系统，其包括至少一个用于产生多个相干激光射束(3.1...3.N)的激光源、多个用于发射所述多个相干激光射束(3.1...3.N)的发射面(8.1...8.N)，以及上面所说明的、用于将多个相干激光射束(3.1...3.N)组合为至少一束组合激光射束(12)的设备(16)。本发明专利技术还涉及一种用于组合多个相干激光射束(3.1...3.N)的所属的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于组合相干激光射束的设备、激光系统和方法
本专利技术涉及一种用于组合N多个相干激光射束的设备，其包括：至少N-1个用于调整相干激光射束中的一束的相应相位的相位调整装置；用于组合相干激光射束以形成至少一束、尤其恰好一束组合激光射束的射束组合装置。本专利技术还涉及一种激光系统，其包括：用于产生多个相干激光射束、尤其超短脉冲激光射束的至少一个激光源、用于发射多个相干激光射束的多个发射面以及上述用于组合多个相干激光射束的设备。本专利技术还涉及一种用于组合相干激光射束的方法。在本申请的意义下，“相干激光射束”理解为激光射束彼此间的时间相干性。通常，激光射束空间相干性可能降低，即激光射束在空间上可能部分相干，即不一定涉及单模激光射束。例如，激光射束可以由多模源产生并且形成例如较高模的高斯模、例如拉盖尔-高斯模、厄密高斯模或者它们的叠加。然而，优选地，激光射束不仅在时间上而且在空间上相干。
技术介绍
在射束组合时，多个激光射束叠加为组合激光射束，所述组合激光射束具有相应的较高的功率。在相干的“平铺的孔径”射束组合(也称作并排射束组合)中，增大组合激光射束的射束横截面，但是降低扩散度，这通常在没有功率或者射束质量的损耗的情况下是不可能的。在相干的“平铺的孔径”射束组合中，多个激光射束叠加为组合激光射束，所述组合激光射束典型地具有与单个的激光射束相同的射束横截面和(理想地)相同的扩散度。这样的射束组合可以(几乎没有射束质量的损耗地)衍射地、干涉测量地或者通过偏振耦合进行。在US2017/0201063A1中说明了一种用于对数量M的激光源进行相位匹配的系统，所述激光源布置成周期性的空间排列。系统具有用于准直和用于将数量M的激光射束对准进行组合的衍射的光学元件的器件，所述器件包括相栅。衍射的光学元件布置在傅立叶透镜的物镜平面内。系统也具有用于在来源于组合激光射束的负的反馈信号的基础上进行激光源的相位匹配的器件。从US7,924,894B2已知一种高功率激光系统，所述高功率激光系统具有主振荡器以及多个用于产生输出小束波的光纤激光器-放大器。衍射的光学元件将输出小束波组合为组合的输出射束。调节装置使用于，使归因于输出小束波的组合的误差最小化，所述误差降低组合的输出射束的质量。小束波的相位借助相位调制器根据误差信号调整。在US8,248,700B1中说明了用于相干的射束组合的系统和方法。该系统具有相干的激光器发射体的阵列，所述相干的激光器发射体的阵列产生输出射束的阵列，所述输出射束的阵列被准直透镜的阵列准直。经准直的输出射束被透镜聚焦在焦点平面内，在所述焦点平面内布置有相位屏，以便由输出射束的阵列产生一束或多束相干地叠加的射束，所述一束或多束相干地叠加的射束相应于输出射束的阵列的相位组合。相位屏可以涉及衍射的光学元件。
技术实现思路
本专利技术所基于的任务在于，提供一种用于组合多个相干激光射束的设备、一种具有这种设备的激光系统和一种所属的方法，该方法实现至少一束组合相干激光射束中的相应的单个激光射束的射束质量几乎完全地保持。根据本专利技术，通过一种开头提及类型的设备来解决该任务，在该设备中，射束组合装置具有带有至少两个微透镜阵列的微透镜组件，以形成至少一束组合激光射束。专利技术人已认识到，在合适地确定相干激光射束之间的(相对的)相位或相位差的情况下，可以将微透镜组件用作用于将多个相干激光射束相干地组合为具有高射束质量的至少一束组合激光射束的射束组合装置。虽然原则上已知将微透镜组件或成像均化器用于均化辐射、尤其用于均化激光射束，然而，根据本专利技术，将微透镜组件用于相干地组合多个激光射束。此外，在合适地设计微透镜组件(例如合适地选择微透镜阵列的微透镜的焦距)以及在合适地匹配入射到微透镜组件上的激光射束的相位波前(尤其通过合适地选择相干激光射束的(相对的)相位)的情况下，可以实现耦合时的高效率。原则上，相位匹配可以仅通过用于将相干激光射束耦合输入到微透镜组件中的合适的耦合输入光学器件(即通过一个或多个合适地设计的光学元件)实现。在实践中，通常使用相位调整装置来个性化地调整相干激光射束的(相对的)相位附加地，可以组合地使用合适的耦合输入光学器件，以便进行相位匹配。这是有利的，因为通常总是需要相位调整装置，以便修正或调节相干激光射束的相位，例如以便补偿对设备的由温度决定的影响。相位调整装置用于，通常在相干激光射束在发射面上射出之前(即在其在自由射流传播中到达微透镜组件之前)调整相干激光射束的相应相位。对于通常构造为用于调整可变的相位延迟的相位调整装置的实现，存在多种可能性：例如，相位调整装置可以是呈电光调制器(EOM，elektro-optischeModulatoren)、空间光调制器(SLM，SpatialLightModulators)形式的调制器、呈镜组件形式的光学延迟区段等。对于相干激光射束在发射面上发射之前在光纤中被导向的情况，对于相位调整，(例如借助压电调节元件)对光纤施加拉应力、影响光纤的温度等。对于相干激光射束在发射面上发射之前在放大介质中被导向和光学地放大的情况，可以匹配相应的光学放大器的特定放大特征，借此调整在各个通道或各个激光射束之间的相位关系。在此，放大特性可以表示相干的单射束的所达到的总放大(增益)和/或所达到的绝对输出功率。在此，相位关系不同的原因可能是放大介质中被激发的激光激活离子的不同数量，或者可能是不同的光学强度变化曲线，所述不同的光学强度变化曲线由于在放大器介质自身中或在其他光学的元件中的光学非线性而导致相位位置的改变。优选地，相干激光射束和微透镜组件满足以下等式：N＝p2/(λLfE)(1)其中，N表示用于组合的相干激光射束的数量，p表示相应的微透镜阵列的微透镜的网栅间距，λL表示相干激光射束的(通常相同的)激光波长，fE表示微透镜组件的(有效)焦距。在最简单的情况下，微透镜组件具有两个带有相同焦距的微透镜阵列，所述两个微透镜阵列彼此间以其焦距作为间距布置。在这种情况下，微透镜组件的焦距与两个微透镜阵列的(共同的)焦距一致。专利技术人已认识到，在组合为组合激光射束时，当满足以上等式(1)时，单个相干激光射束的射束质量几乎完全地保持。在此，充分利用：微透镜组件或成像均化器(所述均化器被以经准直的相干激光射束照射)对于满足等式(1)的情况产生具有N个相同强度的衍射斑点的衍射图样，参见M.Zimmermann等人的论文“RefractiveMicro-opticsforMulti-spotandMulti-lineGeneration”(LPM2008-第9届关于激光精密微细加工的国际研讨会，会议录)。专利技术人提出，通过成像均化器使射束路径逆转并且将用于相干激光射束的发射的发射面布置在一些位置(在所引用的论文中，在所述位置上产生衍射斑点)上或者朝微透镜组件的方向发射相干激光射束。如果相干激光射束具有(大致)相同的强度，则在逆转射束方向时产生高射束质量的组合相干激光射束。应当理解，在实践中无法精确地遵守等式(1)。对于偏离等式(1)的情况，叠加的激光射束本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于组合N多个相干激光射束(3.1，...，3.N)的设备(16)，其包括：/n至少N-1个用于调整所述相干激光射束(3.1，...，3.N)中的一束的相应相位

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180718 DE 102018211971.61.一种用于组合N多个相干激光射束(3.1，...，3.N)的设备(16)，其包括：
至少N-1个用于调整所述相干激光射束(3.1，...，3.N)中的一束的相应相位的相位调整装置(6.1，...，6.N)；用于组合所述相干激光射束(3.1，...，3.N)以形成至少一束组合激光射束(12；12a，b)的射束组合装置(10)，
其特征在于，
所述射束组合装置(10)具有带有至少两个微透镜阵列(17a，b；17a-c)的微透镜组件(11)，以形成所述至少一束组合激光射束(12，12a，b)。


2.根据权利要求1所述的设备，在所述设备中，所述相干激光射束(3.1，...，3.N)和所述微透镜组件(11)满足以下条件：
N＝p2/(λLfE)，
其中，N表示所述相干激光射束(3.1，...，3.N)的数量，p表示相应的微透镜阵列(17a，b；17a-c)的微透镜(20a，b；20a-c)的网栅间距，λL表示激光波长，fE表示所述微透镜组件(11)的焦距。


3.根据权利要求1或2所述的设备，在所述设备中，所述微透镜组件(11)具有至少三个微透镜阵列(17a-c)并且构造为用于调整所述微透镜组件的焦距(fE)。


4.根据权利要求3所述的设备，在所述设备中，所述微透镜组件(11)构造成为了调整其焦距(fE)而改变至少一个第一微透镜阵列(17a，17b)和第二微透镜阵列(17b，17c)之间的间距(d1，d2)。


5.根据以上权利要求中任一项所述的设备，所述设备进一步包括：运动装置(35)，所述运动装置用于在所述微透镜组件(11)的至少一个第一微透镜阵列(17a)和至少一个第二微透镜阵列(17b)之间产生优选能调整的横向偏移(Δ)。


6.根据以上权利要求中任一项所述的设备，在所述设备中，为了形成两束组合激光射束(12a，b)，所述第一和第二微透镜阵列(17a，b)具有横向偏移Δ，对于该横向偏移适用：
Δ＝±p/(2N)，
其中，N表示所述相干激光射束(3.1，...，3.N)的数量，p表示相应的微透镜阵列(17a，b；17a-c)的微透镜(20a，b；20a-c)的网栅间距。


7.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，在所述设备中，为了将偶数数量N个相干激光射束(3.1，...，3.N)组合为组合激光射束(12)，所述第一和第二微透镜阵列(17a，b)具有横向偏移Δ，对于该横向偏移适用：
Δ＝±p/(2N+1)，
其中，N表示所述相干激光射束(3.1，...，3.N)的数量，p表示相应的微透镜阵列(17a，b)的微透镜(20a，b；20a-c)的网栅间距，并且其中，对于在所述第一微透镜阵列(17a)和所述第二微透镜阵列(17b)之间的优选能调整的间距d适用：
d＝p2/(NλL)，
其中，λL表示激光波长。


8.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，在所述设备中，为了形成朝不同于零的衍射级次B衍射的组合激光射束(12)，所述第一和第二微透镜阵列(17a，b)具有横向偏移Δ，对于该横向偏移适用：
Δ＝p/NB，
其中，N表示所述相干激光射束(3.1，...，3.N)的数量，p表示相应的微透镜阵列(17a，b；17a-c)的微透镜(20a，b；20a-c)的网栅间距。


9.根据以上权利要求中任一项所述的设备，所述设备进一步包括：耦合输入光学器件(18)，所述耦合输入光学器件用于将所述相干激光射束(3.1，...，3.N)耦合输入到所述微透镜组件(11)中，其中，所述耦合输入光学器件(18)优选地构造为将相邻的相干激光射束(3.1，3.2；3.2，3.3)以预给定的角度差δθ耦合输入到所述微透镜组件(11)中，对于该角度差适用：
δθ＝λL/p，
其中，λL表示激光波长，p表示相应的微透镜阵列(17a，b；17a-c)的微透镜(20a，b；20a-c)的网栅间距。


10.根据权利要求9所述的设备，在所述设备中，所述耦合输入光学器件(18)具有至少一个聚焦装置、尤其至少一个聚焦透镜(19)，以便将多个相干激光射束(3.1，...，3.N)聚焦到所述微透镜组件(11)上。


11.根据权利要求10所述的设备，在所述设备中，为了校正所述多个相干激光射束(3.1，...，3.N)的相位波前所述耦合输入光学器件(18)包括至少一个另外的成像光学器件、尤其至少一个另外的透镜(21，21a，b)。


12.一种激光系统(1)，其包括：
至少一个用于产生多个(N)相干激光射束(3.1，...，3.N)的激光源(2)、多个用于发射多个相干激光射束(3.1，...，3.N)的发射面(8.1，...，8.N)以及根据以上权利要求中任一项所述的设备(16)，所述设备用于将多个(N)相干激光射束(3.1，...，3.N)组合为组合激光射束(12)。


13.根据权利要求12所述的激光系统，在所述激光系统中，所发射的相干激光射束(3.1，...，3.N)具有高斯形射束轮廓、甜甜圈形射束轮廓或高帽射束轮廓。


14.根据权利要求12或13所述的激光系统，所述激光系统进一步包括：控制装置(15)，所述控制装置构造为用于根据所发射的相干激光射束(3.1，...，3.N)的数量N来调整所述微透镜组件(11)的焦距(fE)。


15.根据权利要求14所述的激光系统，在所述激光系统中，所述聚焦装置(19)和所述微透镜组件(11)之间的间距(L2)能调整，并且在所述激光系统中，所述控制装置(15)构造为用于根据所发射的相干激光射束(3.1，...，3.N)的数量N来调整所述间距(L2)。


16.根据权利要求12至14中任一项所述的激光系统，在所述激光系统中，所述聚焦装置(19)布置为距离所述微透镜组件(11)的第一微透镜阵列(17a)隔开所述聚焦装置的焦距f2大小的间距(L2)，并且所述聚焦装置(19)的焦距f2、所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·蒂尔科恩，D·弗拉姆，F·扬森，T·贝克，HJ·奥托，J·黑尔斯特恩，A·海梅斯，M·普罗索托维奇，
申请(专利权)人：通快激光有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE