多孔径激光系统

技术领域

本发明涉及具有以下特征的光学系统：

-分割元件，将输入激光束分割为多个空间上分开的子光束，

-至少一个光放大器，空间上分开的子光束通过该光放大器传播，

-至少一个光程长度调节元件，其调节至少一个子光束的光程长度，以及

-组合元件，其将子光束相干地叠加在输出光束中。

背景技术

光学组件的性能，例如激光放大器、光谱加宽元件、传输光纤、光学器件(例如镜面、基板、透镜)等的性能，受到各种物理效应的限制。此处应在平均功率和脉冲峰值功率之间进行区分，这在脉冲系统中很重要。限制归因于热效应，该热效应发生在一定的平均功率之上，并取决于元件的几何形状以及外部影响。这些效应的一个例子就是由于热透镜效应而引起的经典固态激光器的输出光束的变化。另一方面，在光纤放大器中，由于热效应而导致的模式不稳定性的发生构成了对可获得的平均输出功率的限制。

而且，诸如自相位调制之类的非线性效应会在高脉冲峰值输出的介质中发生。这些引起激光辐射相位的空间或时间变化。在时域中，由于这个原因，脉冲可能会发生不希望的变形，从而导致脉冲质量下降和脉冲持续时间延长，尤其是在具有高带宽的脉冲中。在空间域中，这些非线性效应会导致光束的自聚焦，从而迅速导致相应介质的破坏。除了限制与给定脉冲形状或脉冲长度相关的最大可能脉冲峰值功率外，非线性效应还引起最大脉冲能量的限制。另外，在高脉冲峰值输出或脉冲能量下，介质可能会受到损坏，这同样会构成限制。

在元件中利用非线性效应来进行光谱展宽。但是，在那里也会发生有限的物理效应。如果将晶体或纤维形式的固态材料用作非线性介质，则首先通过已经描述的自聚焦来设置脉冲峰值功率的极限。如果将填充有惰性气体的毛细管用作非线性介质，则可能会产生显著更高的脉冲峰值输出，而使用现有的激光系统也已经实现了这些脉冲峰值输出。此外，高强度会导致气体的电离，这是不希望的。

从现有技术中已知用于克服这些限制并用于提高可获得的平均输出功率的各种方法。

例如，存在用于避免关于光放大和光谱展宽的限制的方法。

通过增大光束面积，可以减小所使用的光学元件中的功率密度和脉冲峰值强度。使用光纤元件的一个例子是使用所谓的大模面积光纤。由于较大的光束面积，因此可以相应地增加脉冲峰值功率而没有不利影响。但是，在保持高光束质量方面存在很大的挑战，因为随着组件尺寸的增大(对应于扩大的光束面积)，实际上几乎不能保证所用光学组件的足够高的表面质量。表面质量的缺陷最终导致不希望的激光束波前畸变。

例如，通过使用圆极化脉冲，可降低除其他原因外引起自聚焦发生的原因的克尔效应的强度。

谱相位或幅度的操纵可以补偿由于非线性效应而引起的脉冲质量下降。

在所谓的啁啾脉冲放大(CPA)中，脉冲的时间拉伸在放大之前发生，从而在放大期间相应地减小了脉冲峰值功率。在放大之后，脉冲再次在时间上被压缩。

在所谓的分脉冲放大(DPA)或分脉冲非线性压缩(DPNLC)中，一个脉冲被分为几个时间上分开的脉冲副本。在脉冲串的脉冲放大或展宽之后，发生重组为一个脉冲的情况。由于时间上的分割，每个脉冲副本的脉冲峰值功率小于单个脉冲的峰值功率。

可以使用在空间上分开的放大器或光谱展宽元件，其中借助于分束器将输入光束分成几个子光束。这些在几个空间上分开的独立光学元件/通道中被放大或光谱展宽，最后再次合并在一个光束中。在此，在相同或不同光谱的信号的组合之间要加以区别。在光谱相同的组合中，相同的光谱分量在各个通道中传播，并且在分束器处仅发生一次功率分割。另一方面，在光谱组合中，另外发生输入激光辐射的进一步光谱分割。两种方法的组合是可能的。另外，各个子光束的时间相位具有根本的重要性，并且必须在子波长范围内匹配。在某些情况下，由于构造的原因，可以保证连续满足此条件。否则可能需要主动稳定相位。此外，在脉冲操作中，在组合时必须保证各个脉冲的最精确的可能的时间重叠。偏差导致组合效率降低。对于频谱相同的组合，还必须使通道中的各个脉冲具有尽可能相同的相位和幅度曲线。此处的偏差也可能导致组合效率降低(请参见J.Limpert，A.Klenke，M.Kienel，S.Breitkopf，T.Eidam，S.

在用于空间上分开地传播或放大子光束的已知技术中，在输出激光束中的子光束的组合方面，在所谓的“填充孔径”方法和“平铺孔径”方法之间进行区分。在这种情况下，第一种方法(“填充孔径”)表示子光束在近场和远场中的相干叠加。这种方法的优点是叠加效率高(理论上可达100％)。然而，挑战是由于光束叠加需要一个或多个元件，这可能导致这些元件中或这些元件上不希望有的依赖输出的影响。在“平铺孔径”组合中，子光束组成了新的总发射。因此，人造地形成具有增大的孔径的输出激光束，当子光束的单次发射叠加在远场中时，该输出激光束表示人造地形成的孔径的衍射模式。优点是可以消除组合元素，从而将这种方法视为输出可缩放的。然而，一个明显的缺点是有限的组合效率通常小于60％。

已知与“填充孔径”方法相关的用于光束分割和组合的组件的各种方法。例如，光束可以在1：2分束器的帮助下进行分割和组合。借助偏振相关的分束器或部分反射的表面可以实现1：2的分束器。通过级联，可以使用多个分束器中的几个分束器实现1：N分割。因此，可以生产N个子光束。相同的原理也可以用于组合，即在输出光束中叠加几个子光束。缺点是通道数量的可伸缩性因所需元件的数量(1：2分束器)而变得困难。因此，例如对于1:32的分束器，需要31个1：2的光束分离器。

1：N分束器可以替代地实现为整体式衍射元件。但是，各个子光束的角度色散对于各种光束而言都不相同。当使用超短脉冲时，必须通过分别适配的补偿元件来消除不同的角度色散。这同样可能导致大量必要的元素，并使缩放到更高的通道数变得困难。因此，这种方法同样非常昂贵。

基于具有不同反射率区域的反射元件的分束器在此提供了一种优雅的解决方案。从现有技术中已知的是，在具有用于各个子光束的光束分割和空间上分开的光放大器(或光谱展宽元件)的系统中使用这种元件(参见A.Klenke，Müller，H.Stark，F.Stutzki，C.Hupel，T.Schreiber，A.Tünnermann和J.Limpert)，“Coherently combined 16-channelmulticore fiber laser system(相干结合的16通道多芯光纤激光器系统)”，Opt.Lett.43，2018)。

迄今已知的基于激光束或脉冲的空间和/或时间分割的方法旨在回避光放大器或光谱展宽元件的功率限制。所有已知方法都假定在放大和/或光谱展宽之后，依次进行子光束的组合。由于子光束的相干组合，特别是在超短脉冲激光辐射的情况下，新颖的参数范围可能是可行的。然而，在这种情况下出现功率密度，这不可避免地增大了输出激光束中的光束面积，以避免由于非线性效应或材料修改而对激光辐射的空间、光谱和/或时间特性产生破坏性影响。所需的光束横截面扩大导致对组合元件与施用物(例如，待加工的工件)之间的光束路径中所需的光学组件的光学表面或基板(例如反射镜、光栅、薄膜偏振器等)的表面质量的要求进一步提高。而且，发生功率限制效应，例如充气的空心纤维中的电离或者空气或基材中的克尔(Kerr)非线性，这实际上阻碍了增加功率的实际利用。

发明内容

在这种背景下，本发明的目的是提供一种与现有技术相比改进的光学系统。特别地，要在输出激光束中实现高光束质量，其中降低了对所使用的光学组件的表面质量的要求。

该目的通过本发明从开头指定类型的光学系统开始实现，提供了至少一个光学功能元件，该至少一个光学功能元件选自传输元件、光谱展宽元件、光束偏转元件、光隔离器、光调制器和脉冲压缩器，该功能元件布置在光束路径中的至少一个光放大器之后，并且空间上分开的子光束通过该功能元件传播。因此，子光束在输出激光束中的组合仅在通过该至少一个光学功能元件之后才发生。

本发明基于以下基本思想：继续光束分割的概念，即产生平行传播的子光束，然后进行相干组合。然而，根据本发明，子光束的空间上分开的传播在光学放大之后没有结束，而是例如直到施用物(实验/工件)为止一直保持。因此，最初不会发生子光束的组合，而是各个空间上分开的子光束传播通过例如脉冲压缩器、光谱展宽元件、传输元件等，直到最终在系统的光束出口打开之前不久或甚至直接在施用物的位置进行组合时。

输入的激光辐射(例如激光源)被分成几个通道，其中每个通道与一个子光束相关联。通道数N应该大于或等于2。然后进行空间上分开的光学放大(例如，通过几个并行的光放大器单元)。现在，通过激光系统的一个或多个功能元件，以尽可能紧凑的布置，将空间上分开的放大的子光束作为多光束阵列并行传输。这些元素可以是脉冲压缩器、用于输出调制或光开关的元件(例如，电光调制器或声光调制器、EOM或AOM)、光隔离器、用于光谱展宽的几个空间上分开的元件(例如，具有多个纤芯/毛细管的空芯纤维)以及承载子光束的元件，这些子光束用于将辐射传输到施用物。

该方法的优点在于，与子光束相关联的各个孔径的光束面积不必随着总输出而增大。因此，由于在光路中使用的光学组件的表面质量较低，因此仅单个孔径的区域上的表面变形才可能对波前质量产生潜在的损害。即使对于大型基板，这通常也是极好的。实际上，仅在组件的整个表面上通常不能将表面质量维持在较高水平。本发明解决了这个问题。

在根据本发明的布置中，光学功能元件中使用的组件的整个表面上的变形纯粹是作为静态路径长度差起作用的，并且可以容易地由(在N个子光束的情况下)N-1光程长度调节元件补偿，这在任何情况下都是相干组合所必需的。因此，光程长度调节元件还承担了分段(在空间上细分)的自适应光学器件的任务，这些自适应光学器件校正整个系统中的所有波前变形。只有组合元件后面的光束路径中的其他任何光学组件或基板都必须具有出色的表面质量。

在优选的配置中，分割元件和/或组合元件分别形成为衍射分束器。

如原则上从现有技术中已知的，分割元件和/或组合元件可以优选分别形成为具有不同反射率区域的反射元件。特别优选的是，分割元件和/或组合元件分别包括两个或更多个反射元件，在该反射元件处激光辐射被连续地单次或多次反射，其中，子光束在横向于传播方向的平面中形成二维阵列。因此可以实现子光束的更紧凑的平行光束路径。

在另一优选配置中，提供了误差信号检测器，其从输出激光束或子光束中导出误差信号，以及控制器，其从误差信号中导出至少一个用于控制至少一个光程长度调节元件的控制信号。该控制电路可以有利地用于主动控制输出激光束中的相干叠加。该控制可以例如根据已知的LOCSET原理或通过顺序相位稳定来进行(请参阅A.Klenke，M.Müller，H.Stark，A.Tünnermann和J.Limpert，“Sequential phase locking scheme for a filledaperture intensity coherent combination of beam arrays(用于光束阵列的填充孔径强度相干组合的顺序锁相方案)”，Opt.Express 9，12072-12080，2018)。

该至少一个光放大器可以有利地是光泵浦的多芯波导，其掺杂有稀土离子并且其中集成有多个波导结构，其中每个波导结构承载子光束之一。因此可以实现特别紧凑的结构。任何(热或声)干扰都会以基本上相同的方式影响所有子光束，因此在输出光束中几乎不会削弱相干叠加。但是，该放大器也可以是不具有波导结构的体光放大器，其中全部或部分子光束在其中传播。

该至少一个光程长度调节元件应该在光路中布置在该至少一个光放大器之前。因此，不必为高输出额定光程长度调节元件。

像传输元件一样，光谱展宽元件也可以是其中集成有多个波导结构的多芯波导，其中每个波导结构都携带子光束中的一个。可替代地，光谱展宽元件可以是不具有波导结构的体光学元件。

附图说明

下面参照附图说明本发明的示例性实施例。其中示出了：

图1是根据本发明的光学系统的框图的示意图；

图2是根据本发明的光学系统在另一配置中的框图的示意图；

图3是基于多重反射的分割元件和组合元件。

具体实施方式

在图1的示例性实施例中，来自激光源1的输入激光束被分成N个通道。为此，级联布置的部分反射镜或偏振分束器的布置，衍射元件或具有不同反射率区域的反射镜的布置(参见下文)可以用作用于这个的分割元件2。现在通过光放大器4在空间上分别放大N个空间上分开的子光束。为此，可以使用经典的单个放大器(例如，基于光纤的放大器)或一根或多根多芯光纤，它们以紧凑的方式实现了空间上分开放大的概念。理想地，用于控制相干组合的必要的光程长度调节元件3位于光束路径中，在分割元件2之后，在光放大器4之前。为此，压电元件，例如EOM或通过致动器可移动的光学楔形件是可能的。

如果系统是连续(cw)发射式激光系统，则可以直接在施用物之前进行子光束在空间上的分开传播(多孔径发射)。光束偏转元件(例如扫描仪、声光偏转器等)和输出调制元件(快门、EOM、AOM等)或光纤传输纤维(例如多芯光纤或多芯空芯光纤)会被多孔径发射穿透。这些元件用附图标记5概括。在本发明的意义上，这些元件是光学功能元件。在这种情况下，偏转或调制也可能仅作用于子光束的部分上。子光束仅在施用之前不久叠加并相干地组合(“填充孔径”组合)，确切地说，是通过组合元件6来实现的，该组合元件以与分割元件2互补的方式构造。“平铺孔径”组合在此处明确排除。

如果系统是脉冲激光系统并且特别是超短脉冲激光系统，则与现有技术相比，根据本发明的方法具有其他优点。经过分割和空间上分开的放大后，空间上分开但非常紧凑布置的子光束传播通过作为光学功能元件5的脉冲压缩器(例如光栅布置)。子光束不超过在这里的材料破坏或非线性脉冲或光束退化的阈值，因为表面缩放成功地通过分割为子光束而得以实现。在脉冲压缩之后，可以进行光束组合。在空间上分开的子光束同样可以预先经历光谱展宽。例如，这是在空间上分开布置的波导(例如玻璃纤维或充气的空芯纤维)中完成的。然后，可以将目前光谱展宽的子光束单独压缩(例如通过啁啾反射镜)，或者在空间上分别传播直至施用物。代替光谱展宽或作为光谱展宽的附加，可以穿过用于光束或脉冲修改的其他元件。可以考虑用于脉冲选择、脉冲或输出调制或光束偏转的元件。这些功能在图1中总体上由附图标记5进行了概述。放大的、光谱展宽的(如果可适用)和调制的脉冲现在可以作为空间上分开和准直的子光束传播远至施用物，然后在6中根据“填充孔径”原理最终进行相干组合。

在图2的示例性实施例中，稀土掺杂的多芯光纤(芯数＝N)被用作光学多通道放大器4。通过使用基于具有不同反射率区域的反射器的反射镜布置2(见图3)来实现在激光源1之后分成N个子束，其在紧凑的设计中可以产生大量的子光束。N-1个光程长度调节元件由压电阵列3实现，该压电阵列在其布置上适合于子光束的几何形状。放大的多芯光纤4的发射的激光辐射被准直，并且所产生的光束穿过光栅压缩器5'。在光栅压缩器5'之后，光谱展宽发生在无源多芯光纤或充气多空芯光纤6'中。为此，来自放大多芯光纤4的子光束阵列可以在通过光栅压缩器5'之后直接复制到多芯扩宽光纤6'中。多孔径传播发生在7处，例如以桥接到施用物11的距离和/或插入功率调制或光束偏转。对于相干组合，小部分多孔径发射被转移到光电二极管阵列9上以检测误差信号。控制器(未示出)据此通过光程长度调节元件3计算必要的校正。紧接施用物11之前，光束组合在8处发生。随后在10处发生了借助于啁啾反射镜的脉冲压缩。

图3示出了基于多重反射的分割元件和组合元件，其例如可以在图1和2的示例性实施例中使用。

该元件由四个子元件A、B、C、D组成。第一子元件A是具有最高可能反射率的反射镜。第二子元件B包括(在所示的示例中)具有不同反射率的四个区域。激光束沿图3所示的路径移动。可以选择子元件B的区域的反射率，以使入射的输入激光束EL以一定比率分成子光束。一个示例是将所有子光束分成相等的部分。这可以通过选择四个区域的反射率分别为75％、66％、50％和0％来实现。然后，离开的四个子光束落在两个子元件C和D的平面平行表面上，该两个子元件朝着子元件A、B倾斜。子元件C再次具有高反射性。子元件D又包括四个反射率不同的区域(如前)。因此，如图所示，在垂直于光束路径的平面上产生了16个子光束的二维阵列。在子元件B和D的情况下，根据所需的子光束数，即根据分割比率，具有不同反射率的区域的数目可以是任意的。

如先前所述，组合元件可以被相同地实现并且被布置为使得所产生的16个子光束的路径长度差彼此精确地抵消。由于将分割和组合集成到单个元件中，因此可以实现紧凑的设计，并且可以保证简单的调整。子光束对波长的角度依赖性也不存在，因此该元件也适用于光谱宽带辐射，因此适用于超短脉冲。