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Title:
RAPID MODULATION OF HIGH-POWER LASER RADIATION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/158448
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device for generating amplitude-modulated laser radiation, with a splitting element (2) that splits a laser beam (1) between at least two beam holes, at least one optical amplifier (3, 7) that amplifies the laser radiation in one of the beam holes, and a combination element (9) that coherently superimposes the laser radiation (4, 8) propagating into the beam holes in at least one output beam (14). The aim of the invention is to provide a device by means of which pulsed or continuous laser radiation is very quickly amplitude-modulated, particularly switched, i.e. deactivated and reactivated. Only a few nanoseconds should pass between an electronic modulation signal and the switching process. A high switching contrast should be reached. The method should also be suitable for high power. According to the invention, at least one phase modulator (5) is provided, which is mounted upstream of the optical amplifier (7) in one of the beam holes and temporally modulates the laser radiation propagating in the beam hole, in terms of the phase. The invention further relates to a method for the amplitude modulation of laser radiation.

Inventors:
EIDAM TINO (DE)
LIMPERT BETTINA (DE)
Application Number:
PCT/EP2018/055218
Publication Date:
September 07, 2018
Filing Date:
March 02, 2018
Export Citation:
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Assignee:
ACTIVE FIBER SYSTEMS GMBH (DE)
International Classes:
H01S3/23; H01S3/13
Foreign References:
US20040179764A12004-09-16
US5424863A1995-06-13
Other References:
BRIAN ANDERSON ET AL: "Comparison of phase modulation schemes for coherently combined fiber amplifiers", OPTICS EXPRESS, vol. 23, no. 21, 19 October 2015 (2015-10-19), pages 27046, XP055477099, ISSN: 2161-2072, DOI: 10.1364/OE.23.027046
W. KOECHNER: "Solid State Laser Engineering", 2006, SPRINGER, pages: 6
Attorney, Agent or Firm:
SCHNEIDERS & BEHRENDT PARTMBB et al. (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1 . Verfahren zur Amplitudenmodulation von Laserstrahlung, mit den Verfahrensschritten:

- Erzeugen von Laserstrahlung,

Aufteilung der Laserstrahlung auf wenigstens zwei Strahlkanäle, und

kohärente Kombination der in den Strahlkanälen propagierenden Laserstrahlung in wenigstens einem Ausgangsstrahl,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die in den Strahlkanälen propagierende Laserstrahlung hinsichtlich der relativen Phasenlage zeitlich moduliert wird, so dass der Ausgangsstrahl hinsichtlich der Amplitude zeitlich moduliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstärkung der in wenigstens einem der Strahlkanäle propagierenden

Laserstrahlung erfolgt, wobei die in den Strahlkanälen propagierende Laserstrahlung vor der Verstärkung hinsichtlich der relativen Phasenlage zeitlich moduliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Phasenlage der in den Strahlkanälen propagierenden Laserstrahlung geregelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandbreite der Regelung kleiner ist als die Frequenz der zeitlichen Phasenmodulation.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Modulation der relativen Phasenlage nach Maßgabe eines Modulationssignals erfolgt, wobei der Sollwert der Regelung aus dem Modulationssignal abgeleitet wird. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Laserstrahlung gepulste Laserstrahlung ist, die zeitlich äquidistante Laserpulse mit einer Pulsfrequenz von mehr als 1 kHz, bevorzugt mehr als 10 kHz, weiter bevorzugt mehr als 100 kHz, besonders bevorzugt mehr als 1 MHz umfasst. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Laserstrahlung Dauerstrich-Laserstrahlung ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Leistung der erzeugten Laserstrahlung mehr als 10 W, bevorzugt mehr als 100 W, besonders bevorzugt mehr als 1 kW beträgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die kohärente Kombination im Fernfeld erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die kohärente Kombination auch im Nahfeld erfolgt. 1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die kohärente Kombination der in den Strahlkanälen propagierenden Laserstrahlung auf wenigstens zwei Ausgangsstrahlen erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die in den Strahlkanälen propagierende Laserstrahlung (4, 8) in jedem der wenigstens zwei Ausgangsstrahlen () in einer anderen Kombination kohärent überlagert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Modulation der relativen Phasenlage der in den Strahlkanälen propagierenden Laserstrahlung durch die kohärente Kombination in eine zeitliche Modulation des Verhältnisses der Aufteilung der Leistung der in den Strahlkanälen propagierenden Laserstrahlung auf die Ausgangsstrahlen umgesetzt wird.

14. Vorrichtung zur Erzeugung amplitudenmodulierter Laserstrahlung, mit

einem Aufteilungselement (2), das einen Laserstrahl (1 ) auf wenigstens zwei Strahlkanäle aufteilt,

einem Kombinationselement (9), das die in den Strahlkanälen propagierende Laserstrahlung (4, 8) in wenigstens einem Ausgangsstrahl (14) kohärent überlagert,

g e k e n n z e i c h n e t d u r c h wenigstens einen Phasenmodulator (5), der in einem der Strahlkanäle die in dem Strahlkanal propagierende Laserstrahlung hinsichtlich der Phase zeitlich moduliert.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch wenigstens einen optischen Verstärker (3, 7), der die Laserstrahlung in einem der Strahlkanäle verstärkt, wobei der Phasenmodulator (5) dem optischen Verstärker (7) vorgeschaltet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufteilungselement (2) einen Polarisationsstrahlteiler oder einen Intensitätsstrahlteiler umfasst. 17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Kombinationselement (9) wenigstens einen Polarisationsstrahlteiler oder wenigstens einen Intensitätsstrahlteiler oder wenigstens einen teilreflektiven Spiegel umfasst. 18 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, gekennzeichnet durch einen Regelkreis mit einem Regler (18), der die relative Phasenlage der in den Strahlkanälen propagierenden Laserstrahlung (4, 8) regelt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenmodulator (5) die Laserstrahlung nach Maßgabe eines dem

Phasenmodulator (5) zugeführten Modulationssignals (6) zeitlich moduliert, wobei der Regler (18) den Sollwert der Regelung aus dem Modulationssignal (6) ableitet.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis als Messeinrichtung (1 1 ) zur Erfassung der relativen

Phasenlage einen Hänsch-Couillaud-Detektor umfasst.

21 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis als Stellglied (17) eine in einem der Strahlkanäle angeordnete variable Verzögerungsstrecke aufweist. 22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenmodulator (5) ein elektro-optischer Modulator ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Kombinationselement (9) die in den Strahlkanälen propagierende Laserstrahlung (4, 8) in wenigstens zwei Ausgangsstrahlen kohärent überlagert.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Kombinationselement (9) die in den Strahlkanälen propagierende Laserstrahlung (4, 8) in jedem der wenigstens zwei Ausgangsstrahlen in einer anderen Kombination kohärent überlagert.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Kombinationselement (9) die zeitliche Modulation der relativen Phasenlage der in den Strahlkanälen propagierenden Laserstrahlung (4, 8) in eine zeitliche Modulation des Verhältnisses der Aufteilung der Leistung der in den Strahlkanälen propagierenden Laserstrahlung (4, 8) auf die Ausgangsstrahlen umsetzt.

Description:
Schnelle Modulation von Laserstrahluna hoher Leistung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Amplitudenmodulation von Laserstrahlung, mit den Verfahrensschritten:

Erzeugen von Laserstrahlung,

Aufteilung der Laserstrahlung auf wenigstens zwei Strahlkanäle, und

- kohärente Kombination der in den Strahlkanälen propagierenden

Laserstrahlung in wenigstens einem Ausgangsstrahl.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung amplitudenmodulierter Laserstrahlung, mit

einem Aufteilungselement, das einen Laserstrahl auf wenigstens zwei Strahlkanäle aufteilt, und

einem Kombinationselement, dass die in den Strahlkanälen propagierende Laserstrahlung in wenigstens einem Ausgangsstrahl kohärent überlagert.

Kurzpulslaser haben sich in den letzten Jahren als vielfältig einsetzbare Werkzeuge in der hochpräzisen Materialbearbeitung etabliert. Dabei zeigen ultrakurze Laserpulse (mit einer Pulsdauer < 10 ps) Vorteile gegenüber längeren Laserpulsen (mit einer Pulsdauer im Bereich einiger Nanosekunden) aufgrund eines geringeren Wärmeeintrages in das Werkstück (so genannte kalte Ablation). Die Geschwindigkeit der Bearbeitung ist bestimmt durch die Pulsfrequenz des Lasers. Um eine kosteneffiziente Materialbearbeitung zu erlauben, wurden in den letzten Jahren hochrepetierende Lasersysteme entwickelt. Bei gegebener Pulsenergie bedeutet dies eine ebenso gesteigerte mittlere Leistung.

Eine Vielzahl von Applikationen in der Materialbearbeitung erfordert, dass Laserpulse oder auch ganze Pulszüge eines gepulsten Lasersystems gezielt deaktiviert werden müssen oder ein kontinuierliches Lasersignal möglichst schnell in seiner Leistung geändert werden muss. Ein solcher Anwendungsfall kann z.B. vorliegen, wenn durch einen Bearbeitungsscanner, der den Ort des Fokus eines Laserstrahls steuert, eine Bewegung des Strahls zwischen zwei Punkten erfolgen soll, ohne dass während der Bewegung Laserstrahlung auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks trifft.

Werden Pulsfrequenzen im kHz-Bereich genutzt (Zeitabstand zwischen den Laserpulsen im Bereich s-ms), existieren eine Reihe von Modulationstechniken im Stand der Technik, um den Laserstrahl zu deaktivieren bzw. wieder zu reaktivieren bzw. in seiner Leistung wesentlich zu verändern. Dazu zählen neben mechanischen Schaltmethoden auch elektro-optische, akusto-optische und optisch-optische Schalter (siehe W. Koechner,„Solid State Laser Engineering", Springer, New York, 2006, 6. Ausgabe).

Technisch deutlich anspruchsvoller sind Fälle, in denen zwischen zwei Laserpulsen eines hochfrequent repetierenden Lasersystems (Pulsfrequenz » 1 MHz, Zeitabstand zwischen Laserpulsen « 1 s) oder bei einem kontinuierlich emittierenden Laser (Dauerstrich-Laser, auch als cw-Laser bezeichnet) schnell, d.h. während einer Schaltzeit von deutlich weniger als 1 s die Laseremission de- bzw. reaktiviert (bzw. in seiner Leistung wesentlich verändert) werden muss. In solchen Fällen muss ein verwendeter Modulationsmechanismus dazu in der Lage sein, nach dem Erscheinen eines Modulationssignals, das von einer Steuerelektronik bereitgestellt wird, innerhalb eines Zeitintervalls, das kleiner ist als der Pulsabstand, den Laser zu deaktivieren bzw. wieder zu aktivieren (oder in seiner Leistung wesentlich zu verändern).

Ein wesentlicher Aspekt ist dabei, dass bspw. in der Materialbearbeitung typischerweise eine hohe mittlere Leistung und/oder hohe Pulsenergie zur Verfügung stehen muss. Das Modulationsprinzip muss demnach einen hohen Kontrast liefern und auch hochleistungstauglich und möglichst effizient sein.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist, dass die Leistungsmodulation bzw. das De- oder Reaktivieren eines Laserpulses oder eines ganzen Pulszuges keine Rückwirkungen auf das verwendete Lasersystem haben darf, z.B. auf das Inversionsniveau des Laseroszillators oder des Laserverstärkers, welche unerwünschte und nicht kontrollierbare Leistungsschwankungen zur Folge haben würden.

Die meisten der aus dem Stand der Technik bekannten Ansätze zum Schalten bzw. zur Modulation von gepulster oder kontinuierlicher Laserstrahlung sind für Hochleistungsanwendungen bei gleichzeitig schnellen Schaltzeiten nicht verwendbar:

Bekannte mechanische Schalter besitzen eine inhärente Massenträgheit. Sie sind daher in ihrer Reaktionszeit auf 1 ms als Untergrenze beschränkt. Bei einem akusto-optischen Modulator (AOM) als elektronisch steuerbarer optischer Schalter wird eine sich bewegende akustische Welle in einem Kristall (oft S1O2 oder TeO2) erzeugt, an der der Laserstrahl gebeugt wird. Da jedoch die zum Schalten genutzte akustische Welle den kompletten Strahlquerschnitt durchqueren muss, dieser allerdings nicht beliebig klein gewählt werden kann, um ein Erreichen der Zerstörschwelle des Materials zu vermeiden, vergeht typischerweise eine Schaltzeit von mehr als 1 s. Trotz hoher Leistungsbeständigkeit und eines hohen Schaltkontrastes ist der AOM damit für viele Anwendungen zu träge. Außerdem übersteigt die Beugungseffizienz des AOMs selten 75%, was die Ausgangsleistung grundsätzlich herabsetzt. Ein weiterer häufig verwendeter elektronisch gesteuerter optischer Schalter ist die Pockels-Zelle. Es handelt sich um eine spannungsgesteuerte Wellenplatte, welche ebenfalls schnell schalten kann. Dabei wird die Doppelbrechung des Materials der Wellenplatte durch ein Steuersignal im kV-Bereich so eingestellt, dass das Licht durch einen nachfolgenden Polarisationsstrahlteller ausgekoppelt und damit deaktiviert werden kann. Die dabei typischerweise verwendeten Kristalle (LiNbO3, KTP, BBO, RTP etc.) weisen jedoch den Nachteil einer nicht zu vernachlässigenden Restabsorption auf. Der damit verbundene Wärmeeintrag im Kristall führt zu einer Degradation der Qualität der emittierten Strahlung durch eine thermische Linsenwirkung. Pockels-Zellen sind daher nicht für höchste mittlere Leistungen (im Bereich von einigen 100 W bis einigen kW und darüber hinaus) geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen, mit der gepulste oder kontinuierliche Laserstrahlung sehr schnell amplitudenmoduliert, insbesondere geschaltet, d.h. deaktiviert und reaktiviert werden kann. Es soll ein hoher Schaltkontrast erzielt werden. Außerdem soll das Verfahren hochleistungstauglich sein, d.h. für eine mittlere Leistung der Laserstrahlung von mehr als 10 W, vorzugsweise deutlich darüber hinaus, d.h. mehr als 100 W bis über 1 kW, geeignet sein. Die Modulation soll wenig verlustbehaftet sein (hohe Effizienz). Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, dass die in den Strahlkanälen propagierende Laserstrahlung bereits vor der Verstärkung hinsichtlich der relativen Phasenlage zeitlich moduliert wird, sodass der Ausgangsstrahl hinsichtlich der Amplitude zeitlich moduliert wird. Gemäß der Erfindung wird die Laserstrahlung zunächst bei niedriger Leistung mittels eines geeigneten Lasersystems erzeugt. Die Laserstrahlung wird sodann auf wenigstens zwei Strahlkanäle aufgeteilt. Die Aufteilung auf wenigstens zwei Strahlkanäle bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die Laserstrahlung auf wenigstens zwei räumlich separate Strahlwege aufgeteilt wird. In wenigstens einem der Strahlkanäle, vorzugsweise in allen Strahlkanälen, kann eine Verstärkung der in dem jeweiligen Strahlkanal propagierenden Laserstrahlung erfolgen. Hierzu kommen optische Verstärker an sich bekannter Art zum Einsatz. Nach der Verstärkung wird die in den Strahlkanälen propagierende Laserstrahlung hoher Leistung in einem Ausgangsstrahl oder auch in mehreren Ausgangsstrahlen kohärent kombiniert. Durch die Aufteilung der Laserstrahlung auf die wenigstens zwei Strahlkanäle und die nachfolgende kohärente Kombination wird, anders ausgedrückt, ein Interferometer realisiert, das z.B. nach Art eines Mach-Zehnder-Interferometers oder auch nach Art eines Michelson- Interferometers ausgebildet sein kann. Jeder der Strahlkanäle bildet dabei einen Interferometerzweig, wobei in wenigstens einem Interferometerzweig, vorzugsweise in allen Interferometerzweigen, eine Verstärkung der jeweils dort propagierenden Laserstrahlung erfolgen kann. Im Ausgangsstrahl wird die verstärkte Laserstrahlung kombiniert, wodurch es zu einer Addition der Strahlungsleistungen der Einzelstrahlen kommt.

Bei einer möglichen Ausgestaltung werden mehrere Ausgangsstrahlen erzeugt, wobei mindestens einer dieser Ausgangsstrahlen gemäß der Erfindung moduliert wird.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die in den Strahlkanälen propagierende Laserstrahlung vor der Verstärkung hinsichtlich der relativen Phasenlage zeitlich moduliert werden kann. Hierfür kann ein Phasenmodulator (z.B. ein elektro-optischer Modulator, kurz EOM) verwendet werden, der nicht hochleistungstauglich ist.

Der Phasenmodulator ist erfindungsgemäß zur Amplitudenmodulation in die durch die Strahlkanäle gebildete Interferometer-Anordnung integriert. Die zeitliche Modulation, d.h. Änderung der relativen Phasenlage der in den Strahlkanälen, d.h. Interferometerzweigen propagierenden Strahlung bewirkt eine entsprechende Änderung des Interferenzzustands bei der kohärenten Kombination und damit eine Amplitudenmodulation im Ausgangsstrahl. Die Phasenmodulation (z.B. per EOM) ermöglicht entsprechend den oben ausgeführten Anforderungen hohe Schaltgeschwindigkeiten und schnelle Reaktionszeiten. Die in den Strahlkanälen, d.h. vor der kohärenten Kombination angeordneten optischen Verstärker werden kontinuierlich mit Laserstrahlung konstanter mittlerer Leistung beaufschlagt. Nur die Phase variiert zeitlich durch die erfindungsgemäß aufgeprägte Modulation. Dies führt dazu, dass das Inversionsniveau in jedem optischen Verstärker zeitlich konstant bleibt. Damit weisen alle nutzbaren Laserpulse dieselbe Pulsenergie auf. Die erfindungsgemäße Amplitudenmodulation bewirkt keine unerwünschte Fluktuation der Leistung während der Verstärkung. Die nutzbaren Laserpulse sind diejenigen Laserpulse, die - korrespondierend zur Phasenmodulation - im Ausgangsstrahl konstruktiv interferieren.

Die Laserstrahlung kann erfindungsgemäß im Nanosekundenbereich (oder sogar schneller) ein- und ausgeschaltet bzw. moduliert werden, indem die Phase in der Weise moduliert wird, dass die Laserstrahlung der Einzelstrahlen im Ausgangsstrahl entweder vollständig konstruktiv oder vollständig destruktiv interferiert. Ebenso kann eine kontinuierliche Amplitudenmodulation erfolgen, indem durch die relative Phasenlage der Einzelstrahlen entsprechend eine nur teilweise konstruktive Interferenz im Ausgangsstrahl erzeugt wird.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass diese vollständig mit kommerziell verfügbaren Komponenten realisiert werden kann.

Die erfindungsgemäß eingesetzte kohärente Kombination der in den Strahlkanälen propagierenden Laserstrahlung lässt sich in zwei Klassen unterteilen, nämlich „filled aperture" (Überlagerung der Strahlen im Nah- und Fernfeld und „tiled aperture" (Überlagerung nur im Fernfeld). Der erfindungsgemäße Ansatz ist für beide Klassen anwendbar, wobei bevorzugt die „filled aperture"-Kombination eingesetzt wird, und zwar wegen der höheren Kombinations- bzw. Auslöschungseffizienz gegenüber dem „tiled aperture"- Prinzip.

Die Laserstrahlung kann gepulst sein mit beliebiger Pulsdauer und Pulsfrequenz. Die Laserstrahlung kann eine beliebige Wellenlänge aufweisen, soweit geeignete Komponenten verfügbar sind. Die Laserstrahlung kann auch Dauerstrich- Laserstrahlung (cw-Laserstrahlung) sein, die kontinuierlich emittiert wird. Besonders eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Modulation von gepulster Laserstrahlung, d.h. von Laserstrahlung, die zeitlich äquidistante Laserpulse mit einer Pulsfrequenz von mehr als 1 kHz, bevorzugt mehr als 10 kHz, weiter bevorzugt mehr als 100 kHz, besonders bevorzugt mehr als 1 MHz umfasst. In sämtlichen genannten Frequenzbereichen ist eine pulsgenaue Modulation durch die Erfindung möglich. Die erfindungsgemäße Modulationstechnik eignet sich besonders für hohe Leistungen. Die mittlere Leistung der erzeugten Laserstrahlung kann mehr als 10 W, bevorzugt mehr als 100 W, besonders bevorzugt sogar mehr als 1 kW betragen. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die relative Phasenlage der in den Strahlkanälen propagierenden Laserstrahlung geregelt. Hierzu kann ein weiteres Phasenstellglied dienen. Ebenso kann der zur Modulation verwendete Phasenmodulator (z.B. EOM) zur Regelung verwendet werden, die In einem realen System treten unvermeidlich Schwankungen der optischen Weglängen in den Strahlkanälen auf, z.B. aufgrund thermischer Ausdehnung. Dies führt zu einer fluktuierenden relativen Phasenlage der in den Strahlkanälen propagierenden Laserstrahlung am Ort der kohärenten Kombination. Daraus resultiert wiederum eine unerwünscht fluktuierende Leistung im Ausgangsstrahl. Durch die Regelung der relativen Phasenlage wird der Unterschied der optischen Weglängen in den Strahlkanälen stabilisiert. Damit ergibt sich trotz äußerer Einflüsse auf das System eine stabile Emission im Ausgangstrahl, und zwar auch bei maximaler Ausgangsleistung. Die Bandbreite der Regelung kann dabei (deutlich) kleiner sein als die Frequenz der erfindungsgemäßen zeitlichen Phasenmodulation. Die Fluktuationen aufgrund äußerer Einflüsse haben typischerweise eine deutlich kleinere Frequenz als die Modulationsfrequenz.

Die Regelung sollte so ausgelegt sein, dass sie nicht gegen die erfindungsgemäße Phasenmodulation arbeitet. Eine von der Phasenmodulation unabhängige Regelung würde (nach einer durch die Bandbreite der Regelung vorgegebenen Zeit) der Modulation entgegen wirken, sobald die durch die Modulation einzustellende relative Phasenlage der Laserstrahlung von dem Sollwert der Regelung abweicht.

Die zeitliche Modulation der relativen Phasenlage erfolgt zweckmäßig nach Maßgabe eines Modulationssignals. Das Modulationssignal ist ein von einem übergeordneten Steuersystem vorgegebenes Signal, das entweder direkt die einzustellende relative Phase oder die Amplitude des Ausgangsstrahls vorgibt. Im letzteren Fall ist das Modulationssignal entsprechend der durch das Modulationspnnzip vorgegebenen Beziehung zwischen Amplitude und relativer Phasenlage in ein Ansteuersignal für den verwendeten Phasenmodulator (z.B. EOM) umzusetzen. Bei Regelung der relativen Phasenlage sollte zweckmäßig der momentane Sollwert der Regelung in der Weise dem Modulationssignal nachgeführt werden, dass sichergestellt ist, dass die Regelung nicht gegen die gewünschte Modulation arbeitet. Ist die Modulationsfrequenz im Bereich oder kleiner der Bandbreite der Regelung zur Stabilisierung des Interferometers, so sollte der momentane Sollwert der Regelung der gemäß dem vorgegebenen Modulationssignal einzustellenden relativen Phasenlage entsprechen. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die kohärente Kombination der in den Strahlkanälen propagierenden Laserstrahlung auf wenigstens zwei Ausgangsstrahlen. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zu Grunde, dass eine Vielzahl von Applikationen (z.B. in der Materialbearbeitung) eine flexible Aufteilung von Laserleistung auf einzelne räumlich getrennte Bearbeitungsstationen bzw. Ausgangsports erfordern. Dies kann sowohl die Anschaffungskosten reduzieren als auch die Produktivität und das Bearbeitungsspektrum der gesamten verwendeten Bearbeitungsanlage im Vergleich zur diskreten Bearbeitung mittels eines einzelnen Lasers an jeder Bearbeitungsstation deutlich erhöhen. Die Realisierung einer Vorrichtung mit mehreren Ausgangsstrahlen gelingt erfindungsgemäß vorteilhaft über den Ansatz der kohärenten Kombination von mehreren (mindestens zwei) Strahlkanälen. Dies ist möglich für kontinuierliche als auch für gepulste Laserstrahlung. Die relative Phasenlage der Laserstrahlung der Einzelkanäle, welche kohärent überlagert werden, bestimmt dabei die Leistungsverteilung in die zwei oder mehr möglichen Ausgangsstrahlen. Mit anderen Worten wird die zeitliche Modulation der relativen Phasenlage der in den Strahlkanälen propagierenden Laserstrahlung durch die kohärente Kombination in eine zeitliche Modulation des Verhältnisses der Aufteilung der Leistung der in den Strahlkanälen propagierenden Laserstrahlung auf die Ausgangsstrahlen übertragen.

Auch bei dieser Ausgestaltung erfolgt zweckmäßig für eine stabile Ausgangsleistung eine Stabilisierung der relativen Phasenlage, um Schwankungen durch z. B. thermische oder akustische Störungen in den einzelnen Strahlkanälen zu kompensieren. Zum Umverteilen der Ausgangsleistung zwischen den Ausgangsstrahlen ist gemäß der Erfindung eine gezielte Veränderung der relativen Phasenlage zwischen den einzelnen Strahlkanälen nötig und, falls diese Umverteilung länger als es der Bandbreite der Stabilisierung entspricht aufrecht erhalten werden soll, ist ebenso eine Veränderung des Sollwertes der Stabilisierung der kohärenten Kombination erforderlich. Zur Stabilisierung der Ausgangsleistungsverteilung in den Ausgangsstrahlen entsprechend der Phasenlage der Laserstrahlung in den Strahlkanälen können konventionelle Methoden der Stabilisierung, wie beispielsweise LOCSET und Hänsch-Couillaud, verwendet werden.

Zweckmäßig wird bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel die in den Strahlkanälen propagierende Laserstrahlung in jedem der wenigstens zwei Ausgangsstrahlen unterschiedlich, d.h. in einer anderen Kombination kohärent überlagert, z.B. in der Weise, dass bei einer gegebenen Phasendifferenz zwischen zwei Strahlkanälen konstruktive Interferenz in einem ersten Ausgangsstrahl und destruktive Interfenz in einem zweiten Ausgangsstrahl vorliegt.

Im einfachsten Beispiel der Kombination von zwei Strahlkanälen erlaubt der zuvor beschriebene Ansatz die flexible Verteilung der Ausgangsleistung auf zwei Ausgangsstrahlen. Eine Veränderung der relativen Phasenlage um π (ausgehend von perfekter konstruktiver im ersten Ausgangsstrahl und perfekter destruktiver Interfenz im zweiten Ausgangsstrahl) verlagert die Ausgangsleistung vollständig in den zweiten Ausgangsstrahl und steht dort für Applikationen zur Verfügung. Alle Leistungswerte dazwischen sind durch entsprechende Wahl der Phasenlage ebenso einstellbar. Anzumerken ist, dass diese Methode die mögliche maximale Leistung der einzelnen Ausgangsstrahlen gegenüber der Emission eines einzelnen Lasers erhöht. Unter Annahme einer Kombinationseffizienz von 100% kann jeder Ausgangsstrahl zwischen 0% und 200% der Leistung der Einzelemission emittieren.

Je nach erforderlicher Geschwindigkeit der Umverteilung der Leistung auf die verschiedenen Ausgangsstrahlen können verschiedene Elemente zur Veränderung der relativen Phasenlage in den Strahlkanälen eingesetzt werden. Ein piezo-getriebener Spiegel in einer Verzögerungsstrecke erlaubt z.B. eine Veränderung der Leistungsverteilung im kHz-Bereich, ein elektro-optischer Modulator im GHz-Bereich, was eine pulsgenaue Umverteilung der Laserstrahlung auf verschiedene Ausgangsstrahlen erlaubt.

Ein konkretes Anwendungsszenario ist das Ausschalten der Laserstrahlung an einer oder mehreren Bearbeitungsstationen, um z.B. Werkstücke zu tauschen. Während dieser Umrüstzeit kann die Laserleistung auf andere Bearbeitungsstationen umgeleitet und entsprechend effektiv genutzt werden. Des Weiteren wird die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass wenigstens ein Phasenmodulator vorgesehen ist, der in einem der Strahlkanäle die in diesem Strahlkanal propagierende Laserstrahlung hinsichtlich der Phase zeitlich moduliert. Als passive, wenig verlustbehaftete und leistungsbeständige Aufteilungsund/oder Kombinationselemente eignen sich Polarisationsstrahlteiler (z.B. Dünnschichtpolarisatoren) oder Intensitätsstrahlteiler, wie sie in guter Qualität zu geringen Kosten kommerziell erhältlich sind. Diffraktive Elemente (z.B. Gitter) als Aufteilungs- und/oder Kombinationselemente sind ebenfalls denkbar. Zweckmäßig weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Regelkreis auf, der die relative Phasenlage der in den Strahlkanälen propagierenden Laserstrahlung regelt, um auf diese Weise, wie oben beschrieben, die optischen Weglängen in den Strahlkanälen bei unvermeidlich auftretenden äußeren Einflüssen zu stabilisieren. Der Regelkreis kann als Messeinrichtung zur Erfassung der relativen Phasenlage z.B. einen Hänsch-Couillaud-Detektor an sich bekannter Art umfassen. Als Stellglied kann der Regelkreis z.B. eine in einem der Strahlkanäle angeordnete (z.B. über Piezo-Aktoren) variable Verzögerungsstrecke aufweisen. Damit lässt sich die Regelung besonders einfach realisieren. Das Stellglied kann aber auch der Phasenmodulator selbst sein, wobei dann dem Phasenmodulator das Modulationssignal und, diesem überlagert, das Stellsignal des Reglers zugeführt werden. Als Phasenmodulator zum schnellen Schalten kommt bevorzugt ein EOM zum Einsatz. Es sind EOMs kommerziell verfügbar, die Schaltzeiten im ns-Bereich aufweisen. Damit ist eine schnelle Amplitudenmodulation entsprechend den Anforderungen im Bereich der laserbasierten Materialbearbeitung (siehe oben) möglich. Ein für niedrige Leistungen ausgelegter EOM (z.B. faseroptischer EOM), der zu geringen Kosten am Markt verfügbar ist, kann erfindungsgemäß als Phasenmodulator verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht das Deaktivieren bzw. Reaktivieren des Laserstrahls zwischen zwei Laserpulsen eines hoch repetierenden Kurzpulslasers. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht damit Schaltzeiten im Bereich von nur wenigen Nanosekunden. Entsprechend schnell kann, wie oben erläutert, auch kontinuierlich emittierte (cw) Laserstrahlung stufenlos moduliert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausgestaltung,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Ausgestaltung mit einer Mehrzahl von Ausgangsstrahlen.

In Figur 1 wird ein Eingangspulszug 1 mittels eines (nicht dargestellten) Lasersystems erzeugt und mittels eines Aufteilungselementes 2 in Form eines Strahlteilers auf zwei (oder mehrere) Strahlkanäle aufgeteilt. In Figur 1 ist ein 1 - auf-2 Strahlteiler (z.B. Polarisationsstrahlteiler) dargestellt. Denkbar sind auch Intensitätsstrahlteiler (z.B. 50/50 Strahlteiler, segmentierte Spiegel oder 1 -auf-N- Strahlteiler, wie z.B. diffraktive Elemente). Durch kaskadierte Anordnung von 1 - auf-2-Strahlteilern oder die Verwendung von 1 -auf-N-Strahlteilern lassen sich mehr als zwei Strahlkanäle realisieren. Die räumlich separierten Pulszüge 4 und 8 durchlaufen optische Verstärker 3 und 7 bzw. Verstärkerketten zur Erzielung der gewünschten Leistung. In einem der Strahlkanäle befindet sich ein Phasenmodulator 5 (z.B. Pockelszelle / EOM), welcher dem Pulszug 8 ein zeitliches Phasenmuster aufprägt. Dieses wird durch eine externes Modulationssignal in Form einer Steuerspannung 6 vorgegeben. Das Phasenmuster bestimmt erfindungsgemäß die Modulationstiefe der Amplitudenmodulation. An einem Kombinationselement 9 wird die in den Strahlkanälen propagierende Laserstrahlung 4, 8 in einem einzigen Ausgangsstrahl kohärent überlagert. Dabei ist wesentlich, dass der optische Wegunterschied der Strahlkanäle kleiner, vorzugsweise deutlich kleiner als die Kohärenzlänge der Laserstrahlung ist.

Bei der anhand des Ausführungsbeispiels der Figur 1 erläuterten Polarisationskombination ist das Kombinationselement 9 ein polarisierendes Element (z.B. Polarisationsstrahlteiler oder Dünnschichtpolarisator). Bei der Überlagerung am Kombinationselement 9 vereint sich vorerst die gesamte Strahlungsleistung des p-polarisierten Strahles im ersten Strahlkanal (Pulszug 8) und die gesamte Leistung des s-polarisierten Strahls im zweiten Strahlkanal (Pulszug 4) zu einem Ausgangsstrahl. Ist die relative Phasenlage der in den beiden Strahlkanälen propagierenden Laserstrahlung 4, 8 gleich Null (oder ein ganzzahliges Vielfaches von 2π), dann ist die Interferenz maximal konstruktiv und die Ausgangsstrahlung durch eine lineare Polarisation gekennzeichnet, wobei die Orientierung der Polarisation um 45° geneigt ist. Eine Wellenplatte 12 dient nun dazu, die Orientierung auf p-Polarisation eines nachfolgenden Polarisators 13 (ein beliebiges polarisierendes Element, z.B. ein Gitterkompressor mit polarisationsabhängiger Transmission) zu drehen. Dieser Zustand bedeutet eine maximale Amplitude der Laserstrahlung im Ausgangsstrahl. Verändert sich die relative Phasenlage der Laserstrahlung in den beiden Strahlkanälen durch die Phasenmodulation, reduziert sich die konstruktive Interferenz und entsprechend die Amplitude im Ausgangsstrahl. Darauf basiert das erfindungsgemäße Prinzip der Amplitudenmodulation. Wird auf den nachfolgenden Polarisator 13 verzichtet, so kann der beschriebene Aufbau zwar nicht zur pulsgenauen Modulation der Amplitude, jedoch zur pulsgenauen Modulation des Polarisationszustandes genutzt werden. Unter realen Bedingungen treten Schwankungen der optischen Weglänge in den Strahlkanälen auf, was zu einem entsprechend fluktuierenden Polarisationszustand und damit zu einer fluktuierenden Leistung im Ausgangsstrahl führt. Daher wird bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 ein Bruchteil des kombinierten Laserstrahls durch einen Strahlteiler 10 auf einen Hänsch- Couillaud-Detektor (HCD) 1 1 gelenkt. Dieser analysiert den Polarisationszustand und damit die relative Phasenlage der in den beiden Strahlkanälen propagierenden Laserstrahlung 4, 8. Der HCD 1 1 wird zur Erzeugung eines Fehlersignals genutzt, welches zur Regelung und damit zur Stabilisierung des optischen Weglängenunterschiedes der Strahlkanäle herangezogen wird.

Der zur Stabilisierung des Interferometers vorgesehenen Regelung muss jeweils die gemäß der Steuerspannung 6 durch den Phasenmodulator 5 eingestellte relative Phasenlage als Regelungssollwert vorgegeben werden. Dies ist insbesondere wichtig, wenn eine größere Anzahl von Laserpulsen abgeschwächt werden sollen. Die Reaktionszeit der Regelung ist durch die Geschwindigkeit des Stellgliedes 17 bestimmt. Falls das Stellglied 17 z.B. ein EOM ist, kann die Reaktionszeit im Bereich von Nanosekunden liegen, falls das Stellglied 17 z.B. durch einen piezo-getriebenen Spiegel in einer Verzögerungsstrecke realisiert wird, ergeben sich Reaktionszeiten im ms-Bereich. Dieser weite Bereich der Reaktionszeit ist tolerabel, da intrinsische Phasenfluktuationen aufgrund äußerer Einflüsse langsam sind (typ. im Bereich von 1000 Hz oder weniger).

Das Fehlersignal wird bei dem Ausführungsbeispiel einem Regler 18 zugeführt, der die relative Phasenlage der in den Strahlkanälen propagierenden Laserstrahlung regelt. Als Stellglied 17 dient bei dem Ausführungsbeispiel ein separates Element, wie z.B. ein piezo-getriebener Spiegel in einer Verzögerungstrecke in einem der beiden Strahlkanäle. Alternativ könnte das Fehlersignal auch direkt dem Phasenmodulator 5 zugeführt, wobei das Fehlersignal der Steuerspannung 6 geeignet überlagert wird. Die Steuerspannung 6 wird außerdem dem Regler 18 zugeführt. Die Steuerspannung 6 gibt dem Regler 18 den momentanen Sollwert für die Regelung der relativen Phasenlage ab. Damit ergibt sich trotz äußerer Einflüsse auf das System eine stabile Emission am Ausgang. Die relative Phasenlage ist auf den durch die Steuerspannung 6 vorgegebenen Sollwert stabilisiert.

Wie oben erläutert, führt eine Veränderung der relativen Phasenlage der Laserstrahlung in den Strahlkanälen in der Weise, dass keine maximal konstruktive Interferenz mehr vorliegt, zu einer Reduktion der Amplitude im Ausgangsstrahl. Beträgt der Phasenunterschied π (bzw. 3ττ, 5 ττ, usw.), ergibt sich wiederum eine lineare Polarisation der Laserstrahlung hinter dem Kombinationselement 9, wobei die Orientierung der Polarisation um 90° verdreht ist (verglichen mit der Situation ohne Phasenunterschied). Demzufolge ergibt sich bei unveränderter Stellung der Wellenplatte 12 am Polarisator 13 eine komplette Auslöschung. Die Amplitude sinkt auf einen Minimalwert.

Für eine schnelle (pulsgenaue) Veränderung der Amplitude werden die entsprechenden Phasensprünge durch den Phasenmodulator 5 aufgeprägt. Laserpulse, die keine zusätzliche Phase aufgeprägt bekommen, stehen als Nutzstrahlung 14 im Ausgangsstrahl zur Verfügung. Pulse mit zusätzlich aufgeprägter Phase werden abgeschwächt, so dass sie teilweise bzw. bei einem Phasensprung von π vollständig am Polarisator 13 abgelenkt werden und einen abgezweigten Pulszug 15 bilden, welcher anderweitig genutzt werden kann oder in einer Strahlfalle 16 absorbiert wird.

Der erfindungsgemäße Ansatz ist auch mit mehr als zwei Strahlkanälen realisierbar, wobei entweder mehrere Phasenmodulatoren verwendet werden oder bei einer kaskadierten Aufteilung der Laserstrahlung auf die Strahlkanäle beispielsweise nach der ersten 1 -auf-2-Aufteilung die Phase in einem Strahlkanal moduliert und anschließend die modulierte Laserstrahlung auf weitere Strahlkanäle aufgeteilt wird. Auch ist eine asymmetrische Aufteilung denkbar, bei der beispielsweise die Laserstrahlung auf einen phasenmodulierten, leistungsstärkeren und mehrere nicht modulierte, leistungsschwächere Strahlkanäle aufgeteilt wird. Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 wird die Laserstrahlung einer nicht dargestellten Signalquelle (z.B. Laseroszillator oder Vorverstärkersystem) über einen Strahlteiler S als Aufteilungselement auf mehrere Strahlkanäle aufgeteilt. Bei dem Ausführungsbeispiel befindet sich in jedem der vier Strahlkanäle ein optischer Verstärker Vi-V 4 . Vor jedem der Verstärker befindet sich ein Phasenmodulator Φι-Φ 4 , z.B. ein elektro-optischer Modulator. Als Kombinationselement dient die dargestellte Anordnung aus Spiegeln und Strahlkombinierern K1-K3 (z.B. teilreflektierende Spiegel oder Polarisationsstrahlteiler). Die Erfindung ermöglicht die Nutzung aller vier Ausgangsstrahlen P1 -P4, in denen die in den Strahlkanälen propagierende Laserstrahlung mittels der Spiegel und Strahlkombinierer Ki-K3 kohärent überlagert wird. Je nach Phasenlage der Phasenmodulatoren Φ·ι-Φ 4 ergibt sich eine Leistungsverteilung auf die vier Ausgangsstrahlen P1-P4 von jeweils 0-200 % und auf P2 und P3 sogar von 0-400 %, bezogen auf die Leistung eines einzelnen Strahlkanals.

Auch bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 sollte in der Praxis eine Regelung der Phasenlage der in den Strahlkanälen propagierenden Laserstrahlung vorgesehen sein, um Schwankungen aufgrund von Umgebungseinflüssen (thermische und akustische Störungen) zu kompensieren, entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 . Diese Regelung ist in der Fig. 2 nicht dargestellt.

Der in Figur 2 illustrierte Ansatz kann auf eine beliebige Zahl N von Strahlkanälen und M Ausgangsstrahlen erweitert werden, wobei M zwischen 2 und N liegen kann.