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Die
Erfindung betrifft Verfahren zur kohärenten Überlagerung von Laserstrahlen,
insbesondere Verfahren zur additiven, räumlichen Überlagerung von Laserstrahlen
mit einer Strahlüberlagerungseinrichtung.
Die Erfindung betrifft auch eine Lasereinrichtung zur Erzeugung
eines kombinierten Laserstrahls, der durch kohärente Addition von mindestens zwei
Laserstrahlen gebildet ist.
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In
der Lasertechnik gibt es zahlreiche Anwendungen von Laserstrahlen
mit hoher Leistung. Als Hochleistungslaser sind bspw. Hochleistungslaserdioden
verfügbar.
Diese besitzen jedoch einen beschränkten Anwendungsbereich, da
sie relativ teuer und nur mit bestimmten Emissionswellenlängen verfügbar sind.
Des Weiteren sind Hochleistungslaserdioden multimodal, so dass sie
ein kompliziertes, insbesondere nicht-gaussförmiges Strahlprofil und eine relativ
große
Frequenzbreite besitzen. Damit sind Anwendungen bei der optischen
Datenübertragung oder
bei optischen Messmethoden nur beschränkt möglich.
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Eine
erhöhte
Strahlungsleistung kann alternativ durch eine Überlagerung von Laserstrahlen
aus verschiedenen Quellen erzeugt werden. Es sind zwei Ansätze zur Überlagerung
von Laserstrahlen bekannt, die einerseits auf einer nichtlinearen
Verstärkung
und andererseits auf einer additiven (linearen) Überlagerung von Laserstrahlen
beruhen.
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Die
nichtlineare Verstärkung
von Laserstrahlen unter Verwendung eines optisch nichtlinearen Materials
wird bspw. in
US 5 121 400 und
US 4 869 579 beschrieben.
Aus der Verwendung des nichtlinearen Materials ergeben sich mehrere
Nachteile. Die Realisierung der nichtlinearen Effekte erfordert
eine hohe Pumplaser- Leistung.
Des Weiteren ist ein hoher Justieraufwand erforderlich, um Laserstrahlen zeitlich
stabil zu überlagern.
Die Anwendung des nichtlinearen Materials führt zu hohen Kosten und zur Beschränkung auf
bestimmte Wellenlängen.
Nicht für alle
in der Praxis interessierenden Wellenlängen sind passende Materialien
verfügbar.
Aus
US 5 027 360 ist
die Abstimmung der Frequenz eines Halbleiterlasers auf die Frequenz
eines Pump-Referenzlasers zur Erzeugung eines Dauerstrich-Laserstrahls
mit hoher Leistung bekannt. Diese Technik besitzt den Nachteil,
dass durch nichtlineares optisches Pumpen zwar hohe Emissionsleistungen
ermöglicht
werden, dies allerdings mit einem erheblichen gerätetechnischen
Aufwand und mit einer Beschränkung
auf bestimmte Lasermaterialien.
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Zur
additiven Überlagerung
von Laserstrahlen werden Emissionen von Laserquellen mit relativ geringer
Leistung zu einem gemeinsamen kohärenten Laserstrahl mit erhöhter Leistung
ohne Zwischenschaltung eines nichtlinearen Prozesses räumlich überlagert.
Zur Erzielung kohärenten
Lichtes, das nach der Überlagerung äquivalent
zum Laserstrahl aus einer einzelnen Laserquelle ist, müssen die
Laserquellen bei identischen Frequenzen und einer konstanten Phasenbeziehung
so betrieben werden, dass das Strahlprofil (insbesondere Divergenz,
Modenprofil) und die Propagation der Strahlen identisch sind.
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Ein
bekanntes Standardverfahren zur Einstellung einer festen Phasenbeziehung
zwischen zwei Laserstrahlen mit identischen spektralen Eigenschaften
basiert auf der optischen Injektion (sogenanntes Injection Locking)
(siehe Siegmann in "Lasers", University Science
Books, 1986, Kapitel 29, Seite 1134; Bouyer et al. in "Journal of Physics
III", Bd, 2, Satz
92, Seite 1623; Gertsvolf et al. in "Optics Communications", Bd. 170, 1999,
Seite 269; Mercier et al. in "Optics
Communications",
Bd. 138, 1997, Seite 200). Referenzlicht von einem Referenzlaser wird
in eine Laserquelle, z. B. einen aktiven Laseremitter (Laserdiode) oder
einen Laserverstärker
eingestrahlt (injiziert). Durch Änderung
der Temperatur und/oder des Stroms z. B. der Laserdiode kann deren Verstärkungsprofil
derart eingestellt werden, dass sie mit spektralen Eigenschaften
betrieben wird, die identisch mit den spektralen Eigenschaften des
Referenzlichts sind. In diesem Zustand ist die Laserdiode mit der
Frequenz und Phase des Referenzlasers gekoppelt. Der von der Laserdiode
emittierte Strahl ist vollständig
mit dem Referenzlaserstrahl kohärent. Durch
Injektion in zwei oder mehr Laserdioden kann eine feste relative
Phasenbeziehung zwischen sämtlichen
Strahlen eingestellt werden. Ein Nachteil der optischen Injektion
für die Überlagerung
von Laserstrahlen besteht jedoch darin, dass die feste relative Phasenbeziehung
durch Instabilitäten
der optischen Bedingungen auf dem Weg bis zu einer Überlagerungseinrichtung
verloren gehen kann.
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Ein
Verfahren zur additiven Laserstrahlüberlagerung ist beispielsweise
aus
US 5 404 365 bekannt.
Mit einer Vielzahl von Halbleiterlasern, Polarisatoren und Phasenplatten
wird ein optischer Resonator geschaffen, in dem die Emissionen der
einzelnen Laser konstruktiv überlagert
werden. Diese Technik besitzt den Nachteil, dass ein relativ großer Resonator
aufgebaut wird, der eine aufwändige
Justierung erfordert und zu Instabilitäten neigt. Die Anwendungen
dieser Technik sind eingeschränkt,
da keine Möglichkeiten
zur aktiven Stabilisierung oder Modulation der Eigenschaften des überlagerten
Laserlichts vorgesehen sind.
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Von
M. Tempus et al. ("Applied
Physics B", Bd.
56, 1993, Seite 79) wird eine Aufteilung des Laserlichts aus einer
einzelnen Laserquelle auf mehrere optische Fasern und eine anschließende Rekombination
des mit den Fasern übertragenen
Lichtes beschrieben. Zur Rekombination werden jeweils zwei Strahlen
mit einem optischen Strahlteiler überlagert. Die optischen Weglängen von
der Laserquelle über die
Fasern zum Strahlteiler werden so eingestellt, dass sich die Strahlen
in der ersten Ausgangsrichtung des Strahlteilers konstruktiv und
in der zweiten Ausgangsrichtung destruktiv überlagern. Diese Methode hat
den Nachteil, dass bei verschwindendem Phasenunterschied, wenn also
die Intensität
des konstruktiv überlagerten
Lichtes maximal ist, gerade kein Licht in der zweiten Ausgangsrichtung
austritt und somit kein Regelsignal gebildet werden kann. Zur Stabilisierung
relativer Phasenänderungen
zwischen den Strahlen muss daher eine Phasenmodulation eingeführt werden,
die mit einer komplizierten Auswertung des Regelsignals verbunden
ist. Des weiteren ist die Methode von M. Tempus et al. auf die Überlagerung
von Teilstrahlen aus einer gemeinsamen Quelle beschränkt.
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Aus
WO 01/25835 A1 ist bekannt, eine Vielzahl von Laserdioden (sogenannte
Slave-Laserdioden) durch optische Injektion in Bezug auf eine Referenzlaserdiode
(sogenannte Master-Laserdiode) abzustimmen. Die Emissionen der Laserdioden
werden mit einer Transformationsoptik zu einem gemeinsamen Strahlungsfeld überlagert.
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Zur
Einstellung fester Phasenbeziehungen zwischen den Slave-Laserdioden wird
in WO 01/25835 A1 ein Stromversorgungsnetzwerk beschrieben, in dem
die Stromversorgungen der einzelnen Slave-Laserdioden abgestimmt werden können. Diese
Technik besitzt den Nachteil, dass die Einstellung der Phasenbeziehungen über die
Stromversorgungen kompliziert ist, da kein zuverlässiges Fehlersignal
vorhanden ist, auf dessen Grundlage die Stromregelung erfolgen kann.
Eine aktive Stabilisierung der Phasenbeziehungen ist nicht möglich, so dass
der herkömmliche
Aufbau nur über
beschränkte Zeiträume stabil
arbeitet. Ferner ist nachteilig, dass zwar eine Modulation der Intensität des Gesamtlaserfeldes
durch eine Verstimmung der Referenzfrequenz möglich ist. Diese Modulation
besitzt jedoch eine auf 50% beschränkte Modulationstiefe, eine vollständige Auslöschung des
Strahlenfeldes ist nicht möglich.
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Aus
US 5 717 516 ,
US 5 440 576 ,
US 4 661 786 und der Publikation von
L. Bartelt-Berger et al. in „LaserOpto", Bd. 31, 1999, S.
58–65
sind Lasereinrichtungen mit einer additiven, linearen Überlagerung von
Laserstrahlen bekannt, bei denen eine Phasenanpassung zwischen den überlagerten
Teilstrahlen in Abhängigkeit
von einer gemessenen Intensität der überlagerten
Teilstrahlen erfolgt. Insbesondere aus
US 5 717 516 gehen Verfahren und Vorrichtungen
mit den Merkmalen der Oberbegriffe der nebengeordneten Ansprüche hervor.
Aus
DE 43 16 829 A1 ist
ein Verfahren zur Materialbearbeitung mit Diodenstrahlung bekannt,
die durch die Überlagerung
der Emissionen einer Vielzahl von Laserdioden erzeugt wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Verfahren und Vorrichtungen
zur kohärenten Überlagerung
von Laserstrahlen aus verschiedenen Quellen bereitzustellen, mit
denen die Nachteile der herkömmlichen
Techniken überwunden
werden und die insbesondere eine Laseremission mit hoher Stabilität, hoher
Leistung und geringen Justieranforderungen ermöglichen. Die Erfindung soll
insbesondere mit an sich verfügbaren
optischen Komponenten ohne Beschränkung auf bestimmte Materialien
oder bestimmte Wellenlängen
realisierbar sein und einen erweiterten Anwendungsbereich besitzen.
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Diese
Aufgaben werden durch Verfahren und Lasereinrichtungen zur kohärenten Überlagerung
von Laserstrahlen mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 oder 12 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Es
wird ein Verfahren zur kohärenten,
räumlichen Überlagerung
von Laserstrahlen aus optisch mit einem Referenzlaser frequenz- und phasengekoppelten
Laserquellen dahingehend verändert, dass
zur Einstellung einer vorbestimmten Phasenbeziehung zwischen den
Laserstrahlen ein Teilstrahl aus überlagerten Laserstrahlen (Monitorstrahl)
mit einer Detektoreinrichtung erfasst wird, deren Detektorsignal
(Monitorsignal) für
die relative Phase zwischen den Laserstrahlen charakteristisch ist
und zur Steuerung einer Stelleinrichtung zur Einstellung der Phasenbeziehung
verwendet wird. Erfindungsgemäß erfolgt
somit in Abhängigkeit
von den Eigenschaften des Monitorstrahls eine Phaseneinstellung
bei der Überlagerung
von Laserstrahlen. Die Phaseneinstellung verschiedener, optisch
gekoppelter Laserquellen besitzt den Vorteil, dass mit relativ einfachen
Mitteln eine kohärente
Addition von Laserstrahlen bereitgestellt wird, bei der die Nachteile
und Beschränkungen
der herkömmlichen
Technik vermieden werden. Es ist insbesondere möglich, die Erfindung ohne Beschränkung auf
bestimmte Laserquellen oder Wellenlängen umzusetzen. Die Verwendung
nichtlinearer Materialien wird vermieden. Der optische Aufbau ist
mit an sich üblichen,
kostengünstigen Komponenten
zu realisieren. Es können
vorteilhafterweise Laserquellen zur Bereitstellung von Laserlicht
mit hoher Leistung kombiniert werden, das sich im Unterschied zu
den herkömmlichen
Verfahren durch eine einzelne Strahlungsmode (monomodales Licht),
ein Gauss'sches
Strahlprofil, eine feste Phase und eine geringe Frequenzbandbreite
auszeichnet. Das kombinierte Laserlicht ist von einem Laserstrahl
aus einer einzelnen Quelle nicht mehr unterscheidbar.
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Es
werden Laserstrahlen aus verschiedenen Laserquellen kohärent überlagert.
Die Laserquellen umfassen aktive Laseremitter (z. B. Laserdioden) oder
Laserverstärker,
die zur Emission von Laserstrahlen gepumpt werden.
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Gemäß der Erfindung
wird als Strahlüberlagerungseinrichtung
ein polarisierender Strahlteiler verwendet, auf den die Laserstrahlen
mit zueinander senkrechten Polarisationen gerichtet werden, wobei das
Monitorsignal für
die Polarisation des Teilstrahls charakteristisch ist, die durch
die relative Phase der Laserstrahlen bestimmt wird. In diesem Fall
kann die relative Phase zwischen den Laserstrahlen besonders einfach
aus den Polarisationseigenschaften des Teilstrahls ermittelt werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung erfolgt die Phaseneinstellung mit einem aktiven Regelkreis,
in dem nach einem Vergleich des Monitorsignals mit einer Bezugsgröße ein Steuersignal
für die
Stelleinrichtung erzeugt wird. Vorteilhafterweise kann das Monitorsignal
insbesondere als Differenzsignal zwischen verschieden polarisierten
Komponenten des Monitorstrahls so gebildet werden, dass die Bezugsgröße dem Nulldurchgang
des Monitorsignals entspricht. Das Monitorsignal kann unmittelbar
als Bezugsgröße verwendet werden.
Dies ermöglicht
eine schnelle und empfindliche Regelung, so dass die Stabilität der Phasenkopplung
zwischen den überlagerten
Laserstrahlen verbessert werden kann.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass in Abhängigkeit
von den konkreten Anforderungen verschiedenartige Stelleinrichtungen
zur Einstellung der Phasenbeziehung verwendet werden können. Die
Stelleinrichtung kann vorzugsweise zur mechanischen oder optischen
Einstellung der relativen optischen Weglänge der Laserstrahlen und/oder zur
Einstellung des Steuerstroms oder der Temperatur mindestens einer
der Laserquellen eingerichtet sein. Eine Stellkomponente umfasst
z. B. einen piezoelektrischen Stellantrieb an Spiegel- oder Laserquellenpositionen,
einen elektrooptischen Modulator, eine Zelle mit veränderlichem
Gasdruck, eine Gasentladungszelle o. dgl.)
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung kann der optische Aufbau zur Überlagerung der Laserstrahlen
so gebildet werden, dass einerseits das Referenzlaserlicht zur optischen
Injektion und andererseits die Laserstrahlen mit entgegengesetzten
Strahlrichtungen einen gemeinsamen optischen Aufbau durchlaufen.
Das Referenzlaserlicht wird vorzugsweise mit der Strahlüberlagerungseinrichtung
in die Laserquellen eingekoppelt. Dadurch kann der Aufwand an optischen Komponenten
vermindert werden. In der optischen Wegstrecke kann insbesondere
ein Strahlformer, z. B. ein anamorphes Prismenpaar vorgesehen sein, der
vom Referenzlaserlicht und den überlagerten
Laserstrahlen entgegengesetzt durchlaufen wird. Der Strahlformer
kann vorteilhafterweise eine Doppelfunktion erfüllen, indem er einerseits das
Strahlprofil des Referenzlaserlichtes an die Emissionsprofile der Laserquellen
und umgekehrt das Strahlprofil der überlagerten Laserstrahlen für eine optimale
Einkopplung z. B. in eine Faseroptik anpasst.
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Weitere
Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass das aus den überlagerten
Laserstrahlen gebildete Laserlicht durch einfache Maßnahmen
mit hoher Frequenz intensitätsmoduliert
werden kann. Es kann eine schnelle Amplitudenmodulation durch eine Strommodulation
mindestens einer der Laserquellen und/oder des Referenzlasers oder
eine mechanische oder optische Modulation der optischen Weglänge (z. B.
mit einem elektrooptischen Modulator) erzielt werden. Im Unterschied
zu den o. g. herkömmlichen Überlagerungstechniken
ist eine Modulationstiefe bis zum vollständigen Verlöschen des überlagerten Laserlichts möglich.
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Wenn
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung die Laserquellen mit einer gemeinsamen Stromversorgung
in Reihe geschaltet betrieben werden, kann vorteilhafterweise eine
weitere Stabilisierung des überlagerten
Laserlichts erzielt werden. Durch die Reihenschaltung kann der Einfluss
des Schrotrauschens vermindert werden.
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Als
Laserquellen werden vorzugsweise Halbleiterlaserdioden verwendet.
Laserdioden können
Vorteile in Bezug auf die Effektivität der optischen Injektion und
die Kompaktheit des optischen Aufbaus haben. Alternativ ist mindestens
eine der Laserquellen eine Lasereinrichtung, mit der räumlich überlagertes
Laserlicht aus mindestens zwei Laserquellen erzeugt wird. Die Lasereinrichtung
wird vorzugsweise selbst mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben. Vorteilhafterweise
können
kaskadenartig jeweils zwei Laserquellen erfindungsgemäß überlagert
und der dabei er zeugte kombinierte Laserstrahl mit den Emissionen
weiterer Laserquellen oder weiteren kombinierten Laserstrahlen kohärent überlagert
werden. Erfindungsgemäß können vorteilhafterweise
beliebig viele Laserquellen (z. B. Halbleiterlaserdioden oder Laserverstärker) kombiniert
werden.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Lasereinrichtung zur
kohärenten,
räumlichen Überlagerung
von Laserstrahlen, die zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens
eingerichtet ist. Die erfindungsgemäße Lasereinrichtung umfasst
insbesondere eine Kombination aus einem Referenzlaser und Laserquellen,
die mit dem Referenzlaser optisch gekoppelt sind, eine Strahlüberlagerungseinrichtung
zur Überlagerung
der Laserstrahlen der Laserquellen, eine Detektoreinrichtung zur
Erfassung eines Teilstrahls aus überlagerten
Laserstrahlen und eine Stelleinrichtung zur Einstellung einer bestimmten
Phasenbeziehung zwischen den Laserstrahlen.
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Die
Erfindung besitzt die folgenden weiteren Vorteile. Die Lasereinrichtung
zeichnet sich durch eine hohe Stabilität, Kompaktheit des optischen
Aufbaus und breite Anwendbarkeit aus. Weitere Vorteile bestehen
in der Miniaturisierbarkeit, insbesondere unter Verwendung von Laserdiodenarrays
und in der Verwendung kostengünstiger
Bauteile.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren konnte
eine effektive Einkopplung der Laserstrahlen der Laserdioden als
gemeinsames, kohärentes Strahlungsfeld
in einen Monomode-Lichtleiter erreicht werden. Von jeder der Laserdioden
konnten über
80% der Leistung in den Lichtleiter eingekoppelt werden. Das Strahlungsfeld
war nach der Überlagerung,
insbesondere nach Passage des Monomode-Lichtleiters nicht mehr vom Strahlungsfeld
einer einzelnen Laserquelle unterscheidbar.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden unter
Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1:
eine erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Lasereinrichtung,
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2:
eine abgewandelte Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Lasereinrichtung
mit einem Regelkreis zur Phaseneinstellung, und
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3:
eine weitere abgewandelte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Lasereinrichtung
mit einer Vielzahl von Laserquellen.
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Die
erfindungsgemäße Lasereinrichtung wird
im folgenden unter beispielhaftem Bezug auf die Verwendung von aktiven
Emittern als Laserquellen, insbesondere Laserdioden, beschrieben.
Es wird betont, dass die Erfindung analog mit gepumpten Laserverstärkern umsetzbar
ist.
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Eine
erfindungsgemäße Lasereinrichtung umfasst
gemäß der ersten,
in 1 schematisch gezeigten Ausführungsform Laserquellen 10 mit
einer ersten Laserdiode 11 und einer zweiten Laserdiode 12,
einen Referenzlaser 20, mit dem die ersten und zweiten
Laserdioden 11, 12 frequenz- und phasengekoppelt
sind, eine Strahlüberlagerungseinrichtung 30 und
eine Stabilisierungseinrichtung 40. Diese Komponenten sind über optische
Wege S1, S2, SG und SM und optische Bauteile 50 verbunden.
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Die
ersten und zweiten Laserdioden 11, 12, die auch
als Slave-Laser
bezeichnet werden, sind temperatur- und stromstabilisierte Laserdioden.
Die Verwendung von Monomode-Laserdioden ist zur Erzeugung eines
kombinierten Laserstrahls mit einer einzigen Strahlungsmode besonders
vorteilhaft. Die Laserdioden emittieren z. B. in einem Frequenzbereich,
der Wellenlängen
von 780 nm bis 790 nm entspricht, und mit einer Ausgangsleistung
von 80 mW (z. B. Laserdioden vom Typ DL 7140-201, Hersteller Sanyo).
Die Laserdioden werden mit einer Stromversorgung 70 angesteuert,
die zwei Stromquellen 71, 72 (jeweils ggf. mit
einem Modulator) oder eine gemeinsame Stromquelle (siehe 2)
umfasst. Von der ersten Laserdiode 11 geht der optische
Weg S1 über
einen ersten Umlenkspiegel 51, eine erste Halbwellenplatte 33 (λ/2-Platte)
und einen zweiten Umlenkspiegel 52 zu einem Strahlteiler 31.
Der Strahlteiler 31 ist ein polarisierender Strahlteilerwürfel (Glan-Thompson-Prisma).
Von der zweiten Laserdiode 12 geht der optische Weg S2
entsprechend über eine
zweite Halbwellenplatte 32 ebenfalls zum Strahlteiler 31.
Die Halbwellenplatten 32, 33 sind so angeordnet,
dass die Polarisationen der Laserstrahlen der Laserdioden 11, 12 beim
Eintritt in den Strahlteiler 31 zueinander senkrecht stehen
(beispielsweise auf dem Weg S1 nahezu parallel und auf dem Weg S2
nahezu senkrecht zur Papierebene). Der Strahlteiler und die Halbwellenplatten
bilden die bevorzugt verwendete Strahlüberlagerungseinrichtung 30.
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Vom
Strahlteiler 31 verlaufen die überlagerten Laserstrahlen in
der ersten Ausgangsrichtung als kombinierter Laserstrahl entlang
einem gemeinsamen optischen Weg SG über einen Strahlformer 53, eine
dritte Halbwellenplatte 54 und einen optischen Isolator 55, 56 zum
Ausgangs-Strahlteiler 57.
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Der
optische Isolator (Faraday-Isolator) besteht aus einem um 45° gedrehten
Polarisator 55, einer Magnetfeldquelle 56 mit
einem Kristall, in dem die Polarisation des durchgehenden Lichtes
um 45° gedreht
wird, und den polarisierenden Ausgangsstrahlteiler 57.
Der optische Isolator besitzt bspw. eine Abschwächung von –30 dB. Er ermöglicht den Durchgang
des Referenzlaserlichts und die seitliche Ablenkung des kombinierten
Laserstrahls und bewirkt eine Abschwächung des ggf. vom optischen System 60 rückreflektierten
Lichts.
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Am
Ausgangs-Strahlteiler 57 erfolgt eine Einkopplung des kombinierten
Laserstrahls in ein optisches System 60, wie z. B. in einen
Lichtleiter 61 einer Faseroptik. Der Strahlformer 53 ist
bspw. ein anamorphes Prismenpaar, das beim Strahldurchgang vom Strahlteiler 31 zur
dritten Halbwellenplatte 54 ein elliptisches Strahlprofil
in ein kreisrundes Strahlprofil komprimiert oder aufweitet und beim
entgegengesetzten Durchgang ein rundes Strahlprofil in ein elliptisches
Strahlprofil aufweitet oder komprimiert.
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Der
Referenzlaser 20, der auch als Master-Laser bezeichnet
wird, ist ebenfalls eine temperatur- und stromstabilisierte Laserdiode
mit einer Stromversorgung 21 (ggf. mit einem Modulator).
Die Frequenzbreite des Referenzlasers 20 ist vorzugsweise
durch einen externen Resonator reduziert (gitterstabilisierter Laser).
Als Referenzlaser 20 wird bspw. eine Laserdiode vom Typ
HL 7851 G (Hersteller Hitachi) mit einem externen Resonantor (Emissionsfrequenz
entsprechend 780 nm, Frequenzbreite: 100 kHz, Leistung: 20 mW) verwendet
(siehe z. B. L. Ricci et al. in "Opt.
Comm.", Bd. 117,
1995, S. 541). Der optische Weg vom Referenzlaser 20 zu
den ersten und zweiten Laserdioden 11, 12 verläuft entgegengesetzt
zu deren Strahlrichtung über
die Komponenten 57 bis 53 zum Strahlteiler 31,
an dem eine Aufspaltung auf die optischen Wege S1 und S2 zur optischen
Injektion in die ersten und zweiten Laserdioden 11, 12 erfolgt.
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Die
Stabilisierungseinrichtung 40 umfasst eine Detektoreinrichtung 41 und
eine Stelleinrichtung 42. Die Detektoreinrichtung 41 dient
der Erfassung eines Teilstrahls (sog. Monitorstrahl) aus überlagerten
Laserstrahlen der Laserdioden 11, 12, der vom Strahlteiler 31 in
der zweiten Ausgangsrichtung entlang des optischen Weges SM verläuft. Die
Detektoreinrichtung 41 generiert ein Monitorsignal, das
von den Polarisationseigenschaften des Monitorstrahls auf dem optischen
Weg SM abhängig
ist. Hierzu um fasst die Detektoreinrichtung 41 mindestens
einen Polarisator und mindestens ein lichtempfindliches Element,
dessen Ausgangssignal das Monitorsignal bildet. Die Stelleinrichtung 42 wird
in Abhängigkeit vom
Monitorsignal betätigt.
Dies kann je nach der konkreten Umsetzung der Erfindung im Rahmen
eines Regelkreises direkt erfolgen (siehe 2) oder auf
einer anderen Einstellprozedur beruhen (z. B. manuelle Nachstellung).
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Die
Stelleinrichtung 42 ist zur Einstellung der relativen Phasenbeziehung
der Laserstrahlen vorgesehen, die entlang der optischen Wege S1
und S2 auf den Strahlteiler 31 gerichtet werden. Die Stelleinrichtung 42 ist
bspw. ein piezoelektrischer Antrieb, mit dem der Strahlteiler 31 bspw.
parallel zum optischen Weg S2 bewegt werden kann. Gemäß abgewandelten
Ausführungsformen
kann als Stelleinrichtung 42 (siehe gestrichelte Komponenten,
Bezugszeichen in Klammern) ein Stellantrieb an den Umlenkspiegeln 51, 52 oder
an mindestens einer der Laserdioden, ein elektrooptischer Modulator
oder eine druckgeregelte Gaszelle in einem oder beiden optischen
Wegen S1 und S2, eine Temperaturregelung an mindestens einer der
Laserdioden 11, 12 und/oder eine Stromregelung
an mindestens einer der Laserdioden 11, 12 vorgesehen
sein.
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Zur
Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wirken die Komponenten der Lasereinrichtung gemäß 1 wie folgt
zusammen. Zur kohärenten Überlagerung
von Laserstrahlen der Laserdioden 11, 12 werden
diese durch optische Injektion von Referenzlaserlicht aus dem Referenzlaser 20 frequenz-
und phasengekoppelt. Das Referenzlaserlicht gelangt über den
Ausgang-Strahlteiler 57 und den optischen Isolator 55, 56 zur
dritten Halbwellenplatte 54. Im optischen Isolator 55, 56 wird
die Polarisationsrichtung des Referenzlaserlichts auf 45° (relativ
zur Zeichenebene) gedreht. Anschließend erfolgt am Strahlformer 53 eine
Anpassung des ursprünglich
runden Strahlprofils des Referenzlasers an die Emissionsprofile
der Laserdioden 11, 12 durch Dekomprimierung oder
Komprimierung in Bezug auf eine Richtung. Nach dem Strahlformer 53 besitzt
das Referenzlaserlicht ein elliptisches Strahlprofil. Die Erzeugung
des elliptischen Strahlprofils besitzt bei Verwendung von Laserdioden
als Laserquellen den Vorteil, dass die Qualität der Injektion durch eine
größere räumliche Überlappung
des injizierten Referenzlaserlichts und des Emissionsprofils der
Laserdioden verbessert werden kann.
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Die
nach dem Polarisator 55 gegebenen vertikal und horizontal
polarisierten Komponenten des Referenzlaserlichts werden am Strahlteiler 31 auf
die optischen Wege S1 und S2 verteilt. Wegen der Drehung der Polarisation
auf 45° erfolgt
die Aufteilung mit im Wesentlichen identischen Leistungen. Die aufgetrennten
Referenzlaserlicht-Strahlen werden in die ersten und zweiten Laserdioden 11, 12 injiziert.
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Durch Überlagerung
der senkrecht zueinander polarisierten Laserstrahlen am Strahlteiler 31 wird
der kombinierte Laserstrahl mit fester Polarisation und additiv überlagerter
Intensität
erzeugt. Die Halbwellenplatten 32 und 33 dienen
der Einstellung der senkrechten Polarisation, dies jedoch mit einer Verstellung
(Drehung) der Polarisationen beider Laserstrahlen gegenüber der
Polarisationsrichtung des Strahlteilers 31 um wenige Grad
(z. B. 5 Grad). Damit wird am zweiten Ausgang des Strahlteilers 31 entlang
dem optischen Weg SM ein Monitorstrahl durchgelassen, der von der
Detektoreinrichtung 41 erfasst wird. Der kombinierte Laserstrahl
auf dem optischen Weg SG wird am Strahlformer 53 einer
Profilformung unterzogen und durchläuft dann die dritte Halbwellenplatte 54.
Die dritte Halbwellenplatte 54 dient der Anpassung der
Polarisation des kombinierten Laserstrahls an den optischen Isolator 55, 56.
Wenn beide Laserdioden bei einer relativen Phasendifferenz Φ = 0 exakt
die identische Intensität
liefern würden,
wäre die
dritte Halbwellenplatte 54 überflüssig, da dann eine feste Polarisationsrichtung
des kombinierten Laserlichts gegeben wäre.
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Wenn
das Referenzlaserlicht und die Laserstrahlen der Laserdioden räumlich ausreichend überlagert
und die Betriebsbedingungen der Laserdioden (insbesondere Strom,
Temperatur) geeignet gewählt sind,
dann ist das Laserlicht der Laserdioden 11, 12 an
die Frequenz und Phase des Referenzlasers 20 gekoppelt.
Wenn eine relative Phasendifferenz z. B. durch thermische Drifts
der optischen Weglängen zwischen
den Laserstrahlen auf den optischen Wegen S1 und S2 auftritt, entstehen
im kombinierten Laserstrahl auf dem Weg SG und im Monitorstrahl
auf dem Weg SM zirkulare Polarisationskomponenten. Gemäß der Erfindung
ist vorgesehen, die zirkularen Polarisationskomponenten im Monitorstrahl
auf dem optischen Weg SM zu erfassen und die Stelleinrichtung 42 derart
zu betätigen,
dass die zirkularen Polarisationskomponenten verschwinden. In diesem
Fall verschwinden die zirkularen Polarisationskomponenten auch im
kombinierten Laserstrahl auf dem optischen Weg SG. Dies bedeutet,
dass der kombinierte Laserstrahl linear polarisiert ist und zwischen
den Laserstrahlen auf den Wegen S1 und S2 eine feste Phasenbeziehung Φ = 0 besteht.
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Der
kombinierte Laserstrahl wird mit dem Strahlteiler 57 auf
das optische System 60 gerichtet. Der Lichtleiter 61 ist
bspw. eine Monomode-Faser. Nach Durchlauf durch die Monomode-Faser
ist der kombinierte Laserstrahl von einem Laserstrahl einer Monomode-Quelle nicht mehr
zu unterscheiden.
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Die
Polarisation des kombinierten Laserstrahls hängt von der relativen Phase
und den Intensitäten
der einzelnen Laserstrahlen der Laserdiode ab. Als Phasenbeziehung
wird vorzugsweise eine Phasendifferenz Φ = 0 eingestellt, damit der
kombinierte Laserstrahl eine lineare Polarisation und entsprechend
nach Durchgang durch den optischen Isolator eine maximale Leistung
besitzt. Bei identischen Intensitäten der Laserquellen und einem
Phasenunterschied Φ =
0 ergibt sich eine lineare Polarisation von 45°. Da der Polarisator 55 nur
Licht mit linearer Polarisation von 45° durchlässt, kann die gesamte Intensität der Laserdioden
zum optischen Isolator 55, 56 übertragen werden, und die Intensität nach dem optischen
Isolator 55, 56 entspricht der Summe der einzelnen
Intensitäten.
Falls eine andere Phasenbeziehung auftritt oder die Intensitäten verschieden sind,
wird die übertragene
Intensität
entsprechend vermindert.
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Um
im laufenden Betrieb eine konstante lineare Polarisation des kombinierten
Laserstrahls sicherzustellen, wird die Stabilisierungseinrichtung 40 vorzugsweise
gemäß 2 als
Regelkreis gebildet. Der Monitorstrahl auf dem optischen Weg SM
wird über
eine Viertelwellenplatte 43 (λ/4-Platte) auf einen polarisierenden
Strahlteiler 44 gerichtet, an dem die horizontalen und
vertikalen Polarisationskomponenten des Monitorstrahls getrennt
und auf Photodioden 45, 46 gerichtet werden. Die
Photodioden (z. B. vom Typ Hamamatsu S 2386) liefern Messsignale,
die im Subtraktionskreis 47 subtrahiert werden. Das Differenzsignal
ist ein erfindungsgemäß verwendetes
Monitorsignal, das für
Polarisationseigenschaften des Teilstrahls charakteristisch ist.
Das Monitorsignal ist proportional zu sin(Φ). Für einen Phasenunterschied Φ = 0 (lineare
Polarisation: 45°)
ist das Differenzsignal gleich 0, während es für Phasenunterschiede von π/2 oder – π/2 maximal
oder minimal wird. Für
kleine Phasenunterschiede variiert das Monitorsignal bipolar im
linearen Bereich der Sinusfunktion und damit linear mit dem Phasenunterschied.
Das bipolare Monitorsignal kann daher nach Verstärkung im Verstärker 48 vorteilhafterweise
direkt zur Ansteuerung der Stelleinrichtung 42 verwendet
werden. Der Verstärker 48 ist
z. B. ein PID-Regelverstärker, ggf.
mit einem Hochvoltverstärker.
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Die
Stelleinrichtung 42 wird betätigt, bis das Monitorsignal
gleich Null wird. Um ein Fehlersignal mit einem maximalen Kontrast
bereitzustellen, wird die Hauptachse der Viertelwellen platte vorzugsweise senkrecht
oder parallel zur Polarisation des Monitorstrahl eingestellt. Mit
dem Monitorsignal als Bezugsgröße können entsprechend
alternative Stelleinrichtungen 42 angesteuert werden, die
in 1 illustriert sind.
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Der
Vorteil der in 2 illustrierten Regelung besteht
insbesondere darin, dass zur Erzielung eines Regelsignals im Unterschied
zu Tempus et al. (siehe oben) keine Phasenmodulation erforderlich
ist und Intensitätsfluktuationen
vermieden werden. Damit wird der optische Aufbau vereinfacht. Des
Weiteren ermöglicht
die Regelung eine hochstabile kohärente Überlagerung von Laserstrahlen
aus verschiedenen Laserquellen, so dass erfindungsgemäß eine hohe Effizienz
bei der Addition der Strahlungsfelder erzielt wird.
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Ein
besonderer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit,
dem kombinierten Laserstrahl eine schnelle Intensitätsmodulation
aufzuprägen. Durch
impulsförmige
Verstimmung der Frequenz des Referenzlaserlichts, z. B. durch eine
Strommodulation (Modulator in der Stromversorgung 21) oder
eine piezoelektrische Verstellung des externen Resonators des Referenzlasers
kommt es zu einer Frequenzmodulation der Laserstrahlen der Laserdioden 11, 12.
Wegen des Wegunterschieds zwischen den Laserdioden und dem Strahlteiler 31 kommt
es im kombinierten Laserstrahl auf dem optischen Weg SG zu einer
Polarisationsmodulation, die sich nach Durchtritt durch den optischen
Isolator 55, 56 in einer Intensitätsmodulation
auswirkt. Die Modulation kann bspw. mit einer Frequenz von 100 kHz
erfolgen.
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Anstelle
einer Laserdiode als Referenzlaser kann ein anderer Laser, z. B.
ein Titan-Saphir-Laser verwendet werden. Analog können auch
anstelle der optisch gekoppelten Laserdioden andere Lasertypen,
Strahlungsquellen oder Strahlungsverstärker, die Laserstrahlen emittieren,
wie z. B. Trapezverstärker
("Tapered Amplifier") verwendet werden.
Der optische Isolator 55, 56 kann weggelassen
werden, wenn die Gefahr einer unerwünschten Rückstrahlung nicht gegeben ist.
Die optischen Bauteile 50 können mit weiteren optischen
Bauelementen zur Strahllenkung oder – formung ergänzt werden.
Jede der Laserdiode 11, 12 kann mit einem Kollimator
ausgestattet sein, der die Laserstrahlen in den optischen Wegen
S1 und S2 kollimiert.
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Die
Einstrahlrichtung des Referenzlaserlichts kann von der Emissionsrichtung
der Laserstrahlen aus den Laserdioden abweichen. Bspw. kann die
Injektion an einer Rückseite
der Laserdioden entgegengesetzt zur Hauptemissionsrichtung erfolgen.
Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße Stabilisierung der relativen
Phase zwischen den Laserstrahlen auch bei dieser Gestaltung mit
hoher Stabilität
erzielt werden.
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Gemäß einer
weiteren abgewandelten Ausführungsform
der Erfindung kann die Lasereinrichtung zur Überlagerung einer Vielzahl
von Laserquellen erweitert werden. Diese Erweiterung ist schematisch
beispielhaft in 3 gezeigt. Zur kohärenten Kopplung
von acht Diodenlasern 11–18 werden die Laserstrahlen
aus jeweils zwei Laserdioden entsprechend den oben erläuterten
Prinzipien zu einem kombinierten Laserstrahl überlagert. Jeweils zwei kombinier te
Laserstrahlen (z. B. 11, 12; 13, 14 etc.)
werden zu einem gemeinsamen, kombinierten Laserstrahl überlagert,
der mit einem entsprechend zusammengesetzten Laserstrahl addiert
wird. Das genannte Prinzip kann mit weiteren Stufen fortgesetzt
werden. Vorteilhafterweise hat das Gesamtsystem die gleichen optischen
Eigenschaften (insbesondere spektrale Güte, definierte Polarisation)
wie jede einzelne Laserdiode, dies jedoch mit der vielfachen Leistung. Für N-Laser,
die kohärent überlagert
in das optische System 60 eingekoppelt werden, sind N-1
Stabilisierungseinrichtungen 40 benötigt. Es sind nur ein Referenzlaser 20 und
ggf. nur ein optischer Isolator erforderlich.