Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Filtersystem. Ferner betrifft die Erfindung ein Lasersystem beispielsweise für die Materialbearbeitung.

Die Strahlqualität optischer Felder, die z.B. als Laserstrahlung von Hochleistungs- U1 trakurzpul sl asern emittiert werden, unterscheidet sich häufig leicht von der idealen Beu gungsgrenze. Beispielsweise kann eine Strahlqualität M ² im Bereich von 1,0 bis ca. 1,3 vor liegen, wobei die Strahlqualität M ² (beam propagation factor) die Abweichung des Mess strahls von einem beugungsbegrenzten Gauß-Strahl hinsichtlich Strahldurchmesser und Di vergenzwinkel beschreibt. Letzterer besitzt ein M ² von 1. Bei einem M ² von typischerweise kleiner oder gleich 1,3 spricht man zwar noch von Laserstrahlung in der Grundmode bzw. von einer nahezu beugungsbegrenzten Strahl qualität, jedoch können die vom Gauß-Strahl abwei chenden Strahlanteile negative Auswirkungen bei der Nutzung der Laserstrahlung hervorru- fen. Beispielsweise können sie zu einer vergrößerten Fokuszone, zu einem oder mehreren Ne benfokussen oder auch zu einer unerwünschten Erwärmung von optischen Komponenten füh ren. Derartige Strahlanteile können ferner in Kombination mit strahlformenden Elementen, die z.B. einen Flattop-Fokus erzeugen sollen, die Homogenität im Intensitätsprofil reduzieren und damit inhomogene Abtrags- oder Bohrergebnisse bewirken. Des Weiteren können derartige Strahlanteile bei der Formung eines Bessel-Strahls aus einem Grundmoden- Strahl Modulatio nen entlang der optischen Achse hervorrufen und damit verschieden starke Modifikationen in der länglichen Fokuszone im transparenten Material bewirken.

US 9,645,309 B2 offenbart eine optische Multimode-Faser zum Ausbreiten von Laserstrah lung in einer fundamentalen Mode mit niedrigem Biegeverlust und zum Unterdrücken von Moden höherer Ordnung. Des Weiteren offenbart US 8,009,948 B2 eine Hohlkernfaser mit einem im Durchmesser reduzierten zentralen Abschnitt, wodurch unterschiedlich große Kern durchmesser entlang der Faser realisiert werden.

Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System für eine zuverlässi ge Filterung von unerwünschten Strahlanteilen aus einer Laserstrahlung anzugeben. Eine wei tere Aufgabe kann darin liegen, für eine nachfolgende Strahlführung eine sich nahezu im (Freifeld-) Grundmode ausbreitende Laserstrahlung zu erzeugen. Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein optisches Filtersystem nach Anspruch 1 und durch ein Lasersystem nach Anspruch 13. Weiterbildungen sind in den Unteransprü chen angegeben.

In einem Aspekt weist ein optisches Filtersystem eine Lichtleitfaser zum Führen von Laser strahlung von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende auf, wobei die aus dem zweiten Ende der Lichtleitfaser austretende Laserstrahlung eine Fernfeldverteilung im Fernfeld ausbildet, die einen zentralen Strahlbereich und um den zentralen Strahlbereich der Femfeldverteilung angeordnete Nebenmaxima aufweist. Ferner weist das optische Filtersystem eine Raumfilter blende auf, die dazu ausgebildet ist, im Fernfeld mindestens eines der Nebenmaxima aus der Fernfeldverteilung zu entfernen.

In einem weiteren Aspekt weist ein Lasersystem eine Laserstrahlquelle zum Ausgeben von Laserstrahlung und ein wie zuvor beschriebenes optisches Filtersystem auf, das eine Lichtleitfaser und eine Raumfilterblende zur optischen Filterung von aus der Lichtleitfaser austretender Laserstrahlung aufweist. Ferner umfasst das Lasersystem eine Fasereinkopp lungseinheit zum Einkoppeln der Laserstrahlung in die Lichtleitfaser und optional eine Fokus siereinheit zum Fokussieren der mit der Raumfilterblende optisch gefilterten Laserstrahlung, insbesondere zur Materialbearbeitung. Das Lasersystem kann als Laserverstärkersystem aus gebildet sein, bei dem die Laserstrahlquelle als Laserverstärkerstufe ausgebildet ist. Alternativ oder ergänzend kann das Lasersystem eine Laserverstärkerstufe zum Verstärken der mit der Raumfilterblende optisch gefilterten Laserstrahlung umfassen. Optional kann dann eine Fo kussiereinheit zum Fokussieren von mit der Laserverstärkerstufe verstärkten Laserstrahlung, insbesondere zur Materialbearbeitung, vorgesehen sein.

Die Raumfilterblende kann einen zentralen Transmissionsbereich und mindestens einen an den Transmissionsbereich heranragenden Blendenbereich aufweisen. Der Transmissionsbe reich und der zentrale Strahlbereich sind derart in der Größe aufeinander abgestimmt, dass der zentrale Strahlbereich die Raumfilterblende passiert, und der mindestens eine Blendenbereich in seiner Lage mit der Lage des mindestens einen der Nebenmaxima zusammenfällt und die ses blockt.

Das optische Filtersystem kann insbesondere zum Filtern von ungewünschten Strahlanteilen aus einer Laserstrahlung ausgebildet sein sowie zum Bereitstellen von Laserstrahlung, die sich weitgehend in einem Grundmode für eine nachfolgende Nutzung, beispielsweise zur Fokus sierung des Laserstrahls auf ein Werkstück bei der Materialbearbeitung, ausbreitet.

In einigen Weiterbildungen kann die Lichtleitfaser derart ausgebildet sein, dass die Laser strahlung, in der Lichtleitfaser in einer (Grund-) Mode geführt wird, wobei in der Fernfeldver teilung nach der Lichtleitfaser, die sich optional nach einer Kollimationsoptikeinheit ausbildet, ein Phasensprung zwischen dem zentralen Strahlbereich und den Nebenmaxima vorliegt. Da bei kann die Fernfeldverteilung, insbesondere aufgrund des Phasensprungs, (erste) intensitäts freie Bereiche zwischen dem zentralen Strahlbereich und den Nebenmaxima aufweist. Weitere intensitätsfreie Bereiche und Phasensprünge können sich (in radialer Richtung) weiter außen ausbilden. Dabei kann die Raumfilterblende einen Transmissionsbereich und mindestens ei nen Blendenbereich aufweisen, wobei der Transmissionsbereich auf die Raumfilterblende einfallende Laserstrahlung passieren (durchtreten) lässt, und der mindestens eine Blendenbe reich auf die Raumfilterblende (F) einfallende Laserstrahlung blockt (eine weitere Ausbrei tung in Strahlrichtung verhindert). Ein geometrischer Verlauf des Übergangs zwischen dem Transmissionsbereich und dem mindestens einen Blendenbereich kann an den Verlauf der intensitätsfreien Bereiche angepasst sein und die Raumfilterblende kann derart im Strahlen gang angeordnet sein, dass die Raumfilterblende den zentralen Strahlbereich transmittiert und (in radialer Richtung) außerhalb der ersten intensitätsfreien Bereiche liegende Laserstrahlung blockt, insbesondere abschneidet oder ablenkt.

In einigen Weiterbildungen kann das Filtersystem eine Kollimationsoptikeinheit (z.B. als Fa- serauskopplungseinheit ausgebildet) umfassen, die zum Kollimieren der austretenden Laser strahlung angeordnet ist und insbesondere als fokussierende Linsen- und/oder Spiegeleinheit oder als Mikroskop-Objektiv ausgebildet ist. Dabei ist die Kollimationsoptikeinheit derart vom zweiten Ende der Lichtleitfaser beabstandet, dass sich strahlabwärts der Kollimationsop tikeinheit ein Strahlengangabschnitt ausbildet, in dem (im Wesentlichen) die Fernfeldvertei lung gegeben ist und in dem die Raumfilterblende angeordnet ist.

In einigen Weiterbildungen kann die Lichtleitfaser des optischen Filtersystems derart ausge bildet sein, dass, insbesondere für Laserstrahlung, die mit der Lichtleitfaser in einer (Grund-) Mode geführt wird, in der Femfeldverteilung ein Phasensprung zwischen dem zentralen Strahlbereich und den Nebenmaxima vorliegt. Die Femfeldverteilung kann, insbesondere auf- grund des Phasensprungs, intensitätsfreie Bereiche zwischen dem zentralen Strahlbereich und den Nebenmaxima aufweisen.

In einigen Weiterbildungen kann die Lichtleitfaser des optischen Filtersystems als Single- Mode-Lichtleitfaser, insbesondere als Hohlkern-Lichtleitfaser oder Stufenindex-Lichtleitfaser, ausgebildet sein, die im Wesentlichen Laserstrahlung nur in einem Grundmode führt. Zusätz lich oder alternativ kann die Lichtleitfaser als Ultrakurzpuls-Lichtleitfaser, insbesondere als Hohlkern-Lichtleitfaser, photonische Kristall-Lichtleitfaser wie Kagome-Lichtleitfaser oder Tubular-Lichtleitfaser oder als multimodale Hohlkern-Lichtleitfaser, ausgebildet sein.

In einigen Weiterbildungen kann die Lichtleitfaser als Hohlkern-Lichtleitfaser des Kagome- Typs mit sieben oder neun Nebenmaxima im Femfeld ausgebildet sein und der Transmissi onsbereich der Raumfilterblende kann eine entsprechend sieben-zählige oder neun-zählige Rotationssymmetrie aufweisen. Optional kann die Raumfilterblende eine mehreckige den Transmissionsbereich ausbildende Öffnung aufweisen.

In einigen Weiterbildungen kann die Lichtleitfaser als Hohlkern-Lichtleitfaser des Tubular- Typs mit vier bis zehn, optional acht, Glasstegringen und entsprechend vier bis zehn, optional acht, Nebenmaxima im Femfeld ausgebildet sein und der Transmissionsbereich der Raumfil terblende kann eine entsprechende Zähligkeit in der Rotationssymmetrie aufweisen. Die Raumfilterblende kann optional eine mehreckige den Transmissionsbereich ausbildende Öff nung aufweisen.

In einigen Weiterbildungen des optischen Filtersystems kann der zentrale Strahlbereich eine konstante Phase aufweisen. Insbesondere kann der zentrale Strahlbereich ein Bereich des Feldverlaufs mit einer konstanten Phase sein.

In einigen Weiterbildungen kann die Lichtleitfaser des optischen Filtersystems als Hohlkern- Lichtleitfaser ausgebildet sein, die einen hohlen Kern aufweist, der von einer Maten alstruktur, insbesondere von Glasstegen, umgeben ist. Die Material Struktur kann eine Hohlkerninnen wand ausbilden, die sich abschnittsweise einem Zentrum des hohlen Kerns annähert und/oder die einen uerschnittsverlauf mit einer ganzzahligen Rotationssymmetrie (mit einer ganzen Zahl größer 1, d.h. n-zählig mit n > 1; allgemein steht hierin „n“ für eine natürliche Zahl) aufweist und/oder deren Quer schnittsverl auf sich einer mehreckigen Grundgeometrie, insbe sondere einer hexagonalen oder einer oktogonalen Geometrie, annähert.

In einigen Weiterbildungen kann die Hohlkeminnenwand einen Quer schnittsverl auf aufwei sen, welcher zu der Femfeldverteilung des Grundmodes führt.

Ferner kann die Raumfilterblende kann Blendenstruktur aufweisen, die einen Transmissions bereich der Laserstrahlung abgrenzen, der dem Querschnittsverlauf der Fernfeldverteilung eines Freifeld-Grundmodes unter Ausschluss der Nebenmaxima angenähert ist.

In einigen Weiterbildungen können die Nebenmaxima der Lichtleitfaser azimutal, insbesonde re mit einer n-zähligen Rotationssymmetrie mit einer ganzen Zahl n > 1, um den zentralen Strahlbereich verteilt sein, und die Raumfilterblende kann einen Transmissionsbereich und Blendenbereiche aufweisen. Dabei sind die Blendenbereiche ebenso azimutal, und insbeson dere mit der gleichen n-zähligen Rotationssymmetrie mit n > 1 um den Transmissionsbereich verteilt angeordnet.

In einigen Weiterbildungen der Material Struktur kann diese eine Hohlkerninnenwand bilden, deren Querschnittsverlauf eine Form einer Grundmode der Lichtleitfaser im Nahfeld ausbil det. Ferner kann die Raumfilterblende einen Transmissionsbereich und Blendenbereiche der art aufweisen, dass ein geometrischer Verlauf des Übergangs zwischen dem Transmissionsbe reich und den Blendenbereichen der Form der Grundmode angepasst ist. Optional kann der geometrische Verlauf des Übergangs zwischen dem Transmissionsbereich und den Blenden bereichen zumindest abschnittsweise dem Verlauf des Phasenwechsels folgen. Alternativ oder ergänzend kann der geometrische Verlauf den zentralen Strahlbereich, der insbesondere durch eine konstante Phase der Laserstrahlung gegeben ist, im Wesentlichen umgeben.

In einigen Weiterbildungen des optischen Filtersystems können von einer Rotationssymmetrie im engeren Sinne (circular symmetry) abweichende Intensitätsanteile einer (Freifeld-) Grundmode mit der Raumfilterblende aus der Femfeldverteilung entfernt werden. Alternativ oder ergänzend kann Laserstrahlung in mindestens einem der Nebenmaxima der Fernfeldver teilung mit der Raumfilterblende wechselwirken, insbesondere von dieser absorbiert oder ab gelenkt werden. In einigen Weiterbildungen kann das optische Filtersystem eine Rotationseinheit umfassen, an der die Raumfilterblende oder die Hohlkem-Lichtleitfaser angebracht ist und die zum Anpas sen der azimutalen Orientierung (um die Strahlachse) der Raumfilterblende an die Fernfeld verteilung ausgebildet ist. Mit der Rotationseinheit können die Winkelstellungen von Blen denbereichen derart einstellbar sein, dass sie den Winkelpositionen der Nebenmaxima der Fernfeldverteilung entsprechen.

Die hierin beschriebenen Konzepte können einen (hoch-) leistungstauglichen Modenfilter er möglichen, an dessen Ausgang Laserstrahlung im Wesentlichen im Gauß-Mode vorliegt.

Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeit aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figu ren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Skizze eines Lasersystems mit einem optischen Filtersystem basie rend auf einer ersten beispielhaften Lichtleitfaser und Fig. 2 eine schematische Skizze eines Lasersystems mit einem optischen Filtersystem basie rend auf einer zweiten beispielhaften Lichtleitfaser.

Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass eine (leistungstaugli che) optische Faser, wie eine (Hohlkem-) photonische Kristallfaser (hollow-core photonic crystal fiber: HC-PCF), als Teil eines „Moden“ -Filters (hierin auch als optisches Filtersystem bezeichnet) eingesetzt werden kann. Eine HC-PCF stellt einen Lichtführungsmechanismus bereit, der auf photonischen Bandlücken (photonic bandgaps) oder einer gehemmten Kopp lung (inhibited coupling) basiert. Man unterscheidet Fasern vom Typ „Kagome“ (mit 7 oder 19 Zellen, wobei die Anzahl der Zellen der Anzahl der fehlenden sternartigen Zellen im Kern entspricht) und Fasern vom Typ „Tubulär“ (mit einer Anzahl von 4, 5, 6, ... Tubes bzw. (Glassteg-) Ringen im Brechzahlprofil).

Beispiele für Hohlkemfasern umfassen allgemein single-mode oder multimodale Hohlkern- Lichtleitfaser. Weitere Beispiele für Single-Mode-Lichtleitfasern sind insbesondere Stufenin dex-Lichtleitfasern, die im Wesentlichen Laserstrahlung nur in einem (Faser-) Grundmode führen. Ausgehend von der aus der Faser austretenden Laserstrahlung wurde erkannt, dass mit der Kombination aus Faser und einem in einem erzeugten Fernfeld angeordneten Raumfilter die Strahlqualität verbessert werden kann, indem Leistungsbereiche geblockt/gefiltert werden, die nicht der (Freiraum-) Grundmode zugeordnet werden. (Unter Freiraum wird hierin die Aus breitung von Laserstrahlung im freien Raum, z.B. in Luft oder in einem Gas oder in Vakuum verstanden, im Unterschied zur in einer Faser geführten Ausbreitung von Laserstrahlung.) Ein derartiges optisches Filtersystem kann es insbesondere ermöglichen, eine fast „ideale“ Strahl qualität mit M ² ~ 1 zur Verwendung in der Materialbearbeitung für hochintensive Laserpulse zu liefern. Hierzu kann man ein Überlappintegral I Überlapp gefiltert des gefilterten opti schen Feldes (U gefiltert) zum Feld eines Gauß-förmigen Grundmodes (U Grundmode) be trachten, das gegeben ist durch:

I Überlapp gefiltert = \\dxdy U gefiltert (x,y) x U Grundmode (x,y).

Bei entsprechend angepassten räumlichen Skalierungsparametern können Überlappungswerte von (weit) über 99% erreicht werden. Liegt ein Überlappintegral des gefilterten optischen Fel des zum Feld eines Gauß-förmigen Grundmodes vor, das größer als 99% ist, kann von einer (nahezu) „idealen“ Strahlqualität gesprochen werden.

Es wurde ferner erkannt, dass die Verwendung einer Hohlkemfaser es ermöglichen kann, dass je nach Art und Grad der Aberrationen beim Einkoppeln von wellenfront-aberrierten oder Multi -Moden-opti sehen Feldern ein signifikanter Anteil an Leistung der eingekoppelten La serstrahlung vom Grundmode der Hohlkernfaser geführt wird. Abweichungen von der Feld verteilung des Grundmodes beim Einkoppeln werden jedoch meist nicht stabil von der Hohl kernfaser geführt. Abweichungen können beispielsweise mit einem Moden-Überlappintegral (7 Moden-Überlapp) bestimmt werden, das gegeben ist durch:

I Moden-Überlapp = \\dxdy U in (x,y) x U Grundmode (x,y), wobei U_in das Einkoppelfeld (d.h. das in die Faser eingekoppelte Feld) und U Grundmode das Feld des Grundmodes der z.B. HC-PCF ist. Bei einem reduzierten Moden- Überlappintegral können sich Leistungsverluste ergeben. Allgemein kann die aus der Hohlkemfaser austretende Laserstrahlung bereits eine (erhöhte) hohe Strahlqualität M ² im Bereich von z.B. ca. 1,1 bis 1,2 aufweisen. Die hierin vorgeschla genen Konzepte ermöglichen es nun, die Strahlqualität M ² durch Raumfrequenzfilterung nä her bzw. nahezu ganz an die Beugungsgrenze heran zu transformieren.

Mit anderen Worten erfolgt das Erreichen einer verbesserten (nahezu „idealen“) Strahlqualität mittels Hohlkernfaser und Raumfrequenzfilterung am Beispiel eines Hochleistungs- Ultrakurzpulslasers in zwei Stufen:

Stufe 1:

Eine potentiell aberrierte Laserstrahlung (1,0 < M ² < ca. 1,3) des Hochleistungs- Ultrakurzpulslasers wird mittels einer Fasereinkopplungseinheit (z.B. ein Mikroskop- Objektiv) in die Hohlkemfaser eingekoppelt. Von der Hohlkernfaser wird lediglich die Grundmode geführt. Abhängig von der Strahl qualität des eingekoppelten Feldes kann es zu Transmissionsverlusten kommen. Am Ausgang einer beispielsweise wenige Dezimeter langen Hohlkernfaser kann bereits eine verbesserte Strahlqualität vorliegen, die durch die Strahlquali tät des (Faser-) Grundmodes der Hohlkernfaser vorgegeben ist.

Stufe 2:

Je nach Faserdesign der Hohlkernfaser kann der (Freiraum-) Grundmode der austretenden Laserstrahlung im Nahfeld eine nicht "rotationssymmetrisch im engeren Sinne“, allgemeine eine n-zählig rotationssymmetrische Geometrien mit n > 1, beispielsweise mehreckige wie z.B. hexagonal-artige, Feldverteilung aufweisen. Diese Feldverteilung unterscheidet sich leicht von der idealen (Freiraum-) Grundmode und kann z.B. eine Strahl qualität M ² von ca.

1,1 aufweisen.

Für die vorliegenden Betrachtungen ist die ideale (Freiraum-) Grundmode rotationssymmet risch im engeren Sinne, wobei hierin unter „rotationssymmetrisch im engeren Sinne“ verstan den wird, dass eine Feldverteilung um eine Rotationsachse um beliebige Winkel gedreht wer den kann, ohne dass die Feldverteilung sich ändert. Eine ganzzahlige Rotationssymmetrie ei ner Feldverteilung (mit einer ganzen Zahl größer 1, d.h. n-zählig mit n > 1; allgemein steht hierin „n“ für eine natürliche Zahl) liegt vor, wenn die Feldverteilung nur um vorgegebene Winkel (z.B. 360°/n) um eine Rotationsachse gedreht werden kann, ohne dass die Feldvertei lung sich ändert. Die aus der Hohlkemfaser austretende Laserstrahlung wird kollimiert. Durch die Kollimation der Laserstrahlung kann man eine zugehörige Fernfeldverteilung erhalten, bei der die Feldan teile, die die Strahlqualität verschlechtern, räumlich getrennt vom Nutzstrahl (d.h. versetzt zur Strahlachse/offaxis), vorliegen. Hinsichtlich der Fernfeldverteilung kann eine Raumfrequenz filterung, also das Blockieren der unerwünschten Strahlanteile, mit einer geometrisch ange passten, bspw. hexagonalen, leistungstauglichen Blende vorgenommen werden. Die Blende kann beispielsweise refraktiv oder diffraktiv ausgebildet sein. Auf diese Weise kann ein La serstrahl mit einer (nahezu) idealen, wohl definierten Strahlqualität nach erneuter Fokussierung z.B. auf ein zu bearbeitendes Werkstück geführt werden.

Es wird angemerkt, dass im ersten Schritt die optische Filterung auch mittels einer mehrmodi- gen (multi-modalen) Hohlkernfaser (auch als few-mode HCF bezeichnet) umgesetzt werden kann, wobei die Strahlanteile höherer Moden entweder als Teil der gefilterten Laserstrahlung beibehalten werden oder ähnlich wie die Nebenmaxima der Grundmode der Hohlkernfaser mit dem Raumfilter aus der Laserstrahlung entfernt werden.

Bezugnehmend auf Fig. 1 umfasst ein Lasersystem 11 eine Laserstrahlquelle 13, eine Fa sereinkopplungseinheit 15 und ein optisches Filtersystem 17.

Das Lasersystem 11 ist beispielsweise ein Laseroszillator oder ein Laserverstärkungssystem und erzeugt Laserstrahlung 13A, beispielsweise gepulste hochintensive Laserstrahlung mit Pulsdauem im Nanosekunden- bis Femtosekundenbereich und Pulsenergien im Bereich von 1 pj bis 100 mJ. Die erzeugte Laserstrahlung 13 A kann eine Strahl qualität aufweisen, die von einer idealen Gauß-Strahlqualität abweicht. Um wie bereits angesprochen Nachteile beim Ein satz derartiger Laserstrahlung zu vermeiden, kann das hierin vorgeschlagene optische Filter system 17 eingesetzt werden.

Das optische Filtersystem 17 umfasst eine Hohlkem-Lichtleitfaser 18, eine Kollimationsop tikeinheit 23 (auch als Kollimationseinheit oder Faserauskopplungseinheit bezeichnet) und eine Raumfilterblende F. Die Kollimationsoptikeinheit 23 (und auch die Fasereinkopplungs einheit 15) kann beispielsweise eine Linsen- und/oder Spiegel einheit oder ein Mikroskop- Objektiv umfassen, die zum Kollimieren der austretendem Laserstrahlung 21 (Fokussieren der Laserstrahlung 13A) konfiguriert und angeordnet ist. Beispielsweise ist die Kollimationsop- tikeinheit 23 derart vom zweiten Ende 19B beabstandet, dass sich strahlabwärts ein Strahlen gangabschnitt ausbildet, in dem die Fernfeldverteilung 2 gegeben ist, die als Femfeld der aus gekoppelten Laserstrahlung betrachtet werden kann.

Ferner kann das optische Filtersystem 17 eine Rotationseinheit R, R‘ umfassen, die zur relati ven Ausrichtung der Hohlkern-Lichtleitfaser 18 bezüglich der Raumfilterblende F vorgesehen ist. Die Rotationseinheit R, R‘ kann z.B. die Hohlkernfaser oder die Raumfilterblende um die Strahlachse rotieren und damit im Rotationswinkel zueinander ausrichten. Die Rotationsein heit ist zum Anpassen der Orientierung der Raumfilterblende F an die Fernfeldverteilung 2 ausgebildet. Allgemein sind die Winkel Stellungen der Blendenbereichen 43 bezüglich der Strahlachse einstellbar und entsprechen bevorzugt Winkelpositionen der Nebenmaxima 37 der Fernfeldverteilung 2.

Ferner erkennt man in Fig. 1 eine Fokussiereinheit 27, die strahlabwärts des optischen Filter systems 17 angeordnet ist und die den gefilterten Strahl für die Materialbearbeitung (als Bei spiel einer Anwendung) auf eine Material Oberfläche fokussiert.

Hinsichtlich des Strahlengangs der von der Laserstrahl quelle 13 erzeugten Laserstrahlung 13 A wird die Laserstrahlung in Fig. 1 in eine aus der Hohlkern-Lichtleitfaser 18 austretende Laser strahlung 21, eine optisch gefilterte Laserstrahlung 25 und einen sich ergebenden (beugungs begrenzt fokussierten) Laserstrahl 29 untergliedert.

Wie in Fig. 1 gezeigt wird die zu filternde Laserstrahlung 13A mit einer Fasereinkopplungs einheit 15 (beispielsweise ein (asphärisches) Mikroskop-Objektiv) in die Hohlkem- Lichtleitfaser 18 an einem ersten Ende 19A eingekoppelt. Ist die Hohlkern-Lichtleitfaser 18 als grundmodige Lichtleitfaser ausgebildet, wird die eingekoppelte Laserstrahlung lediglich in einer (Faser-) Grundmode der Hohlkern-Lichtleitfaser 18 geführt.

In Fig. 1 ist eine beispielhafte Kristall Struktur in einem Faserquerschnitt 51 für eine Hohlkern- Lichtleitfaser 18 des Kagome-Typs mit sieben Zellen dargestellt. Die Kristall Struktur bildet um ein Zentrum Z einen Hohlkem 53 aus. Dadurch kann sich hochintensive Laserstrahlung in einem mit Gas gefühlten (oder unter Vakuum sogar gasfreien) Bereich ausbreiten. Eine der Kristall Struktur zugrundeliegende Material Struktur 55 umfasst eine Mehrzahl von Glasstegen 57, die insbesondere eine Hohlkerninnenwand 59 ausbilden. Man erkennt, dass die Geometrie des Hohlkerns 53 nicht rotationssymmetrisch im engeren Sinne ausgebildet ist, sondern eine ganzzahlige Anzahl (hier beispielhaft 6) von am weitesten in Richtung des Zentrums Z hineinragenden Kristallzellen aufweist. Der Querschnitt der Hohlkerninnenwand 59 ist rotationssymmetrisch mit der Zähligkeit 6 („6-fold rotational Symmetrie“). Entsprechend ist die (Faser-) Grundmode der Hohlkem-Lichtleitfaser 18 nicht rotationssymmetrisch, und auch das Strahlprofil der an einem zweiten Ende 19A der Hohl- kern-Lichtleitfaser 18 austretenden Laserstrahlung 21 weicht von einer Rotationssymmetrie im engeren Sinne ab.

Fig. 1 zeigt hierzu eine Nahfeldamplitudenverteilung 1 mit einer beispielhaften Feldverteilung 31 im Nahfeld des zweiten Endes 19B der Hohlkem-Lichtleitfaser 18. Die Nahfeldamplitu denverteilung 1 ist als Graustufenbild dargestellt. Eine Phasendarstellung erübrigt sich, da an dieser Stelle eine einheitliche Phase vorliegt. Eine Nahfeldamplitudenverteilung V stellt eine entsprechend schematisierte Strichzeichnung der Nahfeldamplitudenverteilung 1 dar. Man erkennt, dass die Feldverteilung 31 in ihrer geometrischen Form und insbesondere in ihrer Zähligkeit dem Verlauf der Hohlkerninnenwand 59 im Faserquerschnitt 21 entspricht.

Die Feldverteilung 31 im Nahfeld wird durch die Fokussiereinheit 27, z.B. ebenfalls ein Mik roobjektiv, in eine Femfeldverteilung in einem Fernfeld 33 überführt.

Fig. 1 zeigt eine Femfeldamplitudenverteilung 2 im Fernfeld 33. Die Femfeldamplitudenver- teilung 2 umfasst einen zentralen Strahlbereich 35 sowie sechs schematisch hervorgehobene Nebenmaxima 37. Die zugrundeliegende Symmetrie ist somit sechs-zählig. Zwischen dem zentralen Strahlbereich 35 und jedem der Nebenmaxima 37 befindet sich ein intensitätsfreier Bereich 39, der sich aufgrund eines Phasensprungs 39A in der Feldverteilung (schematisch in Fig. 1 gestrichelt angedeutet) ergibt. Wie für das Nahfeld zeigt Fig. 1 eine Fernfeldamplitu denverteilung 2‘ als schematisierte Strichzeichnung der Fernfeldamplitudenverteilung 2.

Beispielhaft wurde für die abgebildeten Feldverteilungen im Nahfeld und im Fernfeld 33 eine Strahl qualität M2effvon ungefähr 1,12 bestimmt.

Im Fernfeld 33 ist die Raumfilterblende F angeordnet. Die Raumfilterblende F ist derart ge formt und bezüglich der Geometrie der Fernfeldamplitudenverteilung 2 ausgerichtet, dass die gewünschte optische Filterung eintritt. Mit anderen Worten wird die Fernfeldamplitudenver teilung 2 (bzw. die aus der Faser ausgetretene Laserstrahlung 21) nach der Kollimation mit einer angepassten Blende raumfrequenzgefiltert. Die gesamte Feldverteilung im Fernfeld wird als Raumfrequenzverteilung bezeichnet. Im Femfeld werden nun die Raumfrequenzen gefil tert, deren Phase sich gerade um „Pi“ (p) von der zentralen Verteilung mit konstanter Phase unterscheiden. In weiter außen liegenden Bereichen gibt es noch weitere Raumfrequenzen, die wieder den Phasenwert „0“ aufweisen, d.h. wieder in Phase mit dem Hauptmaximum sind. Diese Bereiche weisen allerdings wenig Leistung auf und können somit vernachlässigt und damit ebenfalls gefiltert werden.

Die auf die im Faserquerschnitt 51 abgestimmte Raumfilterblende F umfasst einen hexagonal ausgebildeten Transmissionsbereich 41 sowie Blendenbereiche 43, die den Seiten des Hexa gons zugeordnet sind. Die Blendenbereiche 43 blocken die Nebenmaxima 37 der Fernfeld amplitudenverteilung 2, wobei allgemein mindestens ein Blendenbereich 43 in seiner Lage mit der Lage des mindestens einen der Nebenmaxima 37 zusammenfällt. Der Transmissions bereich 41 und der zentrale Strahlbereich 35 sind jedoch derart in der Größe aufeinander ab gestimmt, dass der zentrale Strahlbereich 35 die Raumfilterblende F passiert. Beispielhaft ist in Fig. 1 ein Feldanteil, der um einen der Blendenbereiche 43 auftrifft und damit aus der La serstrahlung herausgefiltert wird, mit Punkten angedeutet. Man erkennt in Fig. 1 somit, dass von einer Rotationssymmetrie im engeren Sinne abweichende Intensitätsanteile einer Grund mode mit der Raumfilterblende F aus der Fernfeldverteilung 2 entfernt werden.

In anderen Worten weist die Raumfilterblende F eine Blendenstruktur auf, die einen Trans missionsbereich für die Laserstrahlung abgrenzt, wobei der Transmissionsbereich in seine Geometrie dem Querschnittsverlauf einer Fernfeldverteilung eines Freifeld-Grundmodes unter Ausschluss der Nebenmaxima angenähert ist.

Fig. 1 zeigt eine gefilterte Femfeldamplitudenverteilung 3 mit entsprechend reduzierten Ab weichungen von der Rotationssymmetrie. Beispielhaft kann der abgebildeten gefilterten Fem feldamplitudenverteilung 3 eine Strahl qualität M2eff von ungefähr 1,02 zugeordnet werden. Somit steht die optisch gefilterte Laserstrahlung 25 nunmehr strahlabwärts der Raumfilter blende F im Wesentlichen beugungsbegrenzt zur Verfügung. Fig. 1 zeigt auch für die gefilterte Fernfeldamplitudenverteilung 3 eine Fernfeldamplituden verteilung 3‘ in Form einer schematisierten Strichzeichnung.

Zur weiteren Ergänzung zeigt Fig. 1 schematisch eine Phasenverteilung 61 der auf die Raum filterblende auftreffenden Laserstrahlung. Der Laserstrahlung kann im Bereich des Transmis sionsbereichs 41 beispielsweise eine Phase von „0“ zugeordnet werden. Der Laserstrahlung im Bereich der Nebenmaxima 37 kann beispielsweise eine Phase von „Pi“ zugeordnet werden. (Die zuvor angesprochenen weiter außenliegende Bereiche mit einer Phase von „Pi“ sind nicht gezeigt.) Beispielsweise ist die Lichtleitfaser derart ausgebildet, dass für Laserstrahlung, die mit der Lichtleitfaser in einer (Grund-) Mode geführt wird, in der Fernfeldverteilung ein Pha sensprung zwischen dem zentralen Strahlbereich 35 und den Nebenmaxima 37 vorliegt. Auf grund des Phasensprungs weist die Femfeldverteilung intensitätsfreie Bereiche zwischen dem zentralen Strahlbereich 35 und den Nebenmaxima 37 auf. Üblicherweise weist der zentrale Strahlbereich 35 der Grundmode eine konstante Phase auf. Derartige Phasenunterschiede kön nen zusätzlich nachteilige Effekte z.B. bei der Fokussierung hervorrufen.

Im Vergleich von Filtergeometrie und Phasenverlauf erkennt man in Fig. 1 (sowie in Fig. 2), dass der geometrische Verlauf des Übergangs zwischen dem Transmissionsbereich 41 und den Blendenbereichen 43 abschnittsweise dem Verlauf des Phasenwechsels folgt und den zentra len Strahlbereich 35 im Wesentlichen umgibt. Der (erste) Phasensprung zwischen Hauptma ximum und erstem Nebenmaxima definiert somit den geometrischen Verlauf der Blende. Au ßerhalb von diesem ersten Phasensprung liegende Bereiche werden mit der gewählten Filter geometrie weggeschnitten. Entsprechend werden auch weitere Nebenmaxima, die wieder eine Phase des Hauptmaximums aufweisen, gefiltert. Wesentlich ist, dass Laserstrahlung in min destens einem der Nebenmaxima 37 der Femfeldverteilung 2 mit der Raumfilterblende F wechselwirken kann und insbesondere von dieser absorbiert oder abgelenkt wird.

Wird jedoch die gefilterte Laserstrahlung 25 mit der Fokussiereinheit 27 fokussiert, weist die Laserstrahlung im Fokus eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Nahfeldamplitudenver teilung 4 auf. Der fokussierten Laserstrahlung kann entsprechend ebenfalls eine Strahlqualität M2eff von ungefähr 1,02 zugeordnet werden. Fig. 1 zeigt als Strichzeichnung eine Nahfeld amplitudenverteilung 4‘ des gefilterten und fokussierten Laserstrahls. Mithilfe der optischen Filterung wird somit ein nahezu beugungsbegrenzter Laserstrahl er zeugt, der beispielsweise hochpräzise Materialbearbeitung erlaubt.

Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Modenfilterung mithilfe einer per Design als single-mode Faser ausgebildeten Hohlkern-Lichtleitfaser 18. Dies mag eine bevorzugte Ausbildung des opti schen Filtersystems darstellen. Jedoch sind wie bereits erwähnt auch multi-mode Fasern ein- setzbar, wobei hier zusätzlich auch auf die Beiträge der höheren Moden mithilfe der Raumfil terblende F eingewirkt werden kann.

Fig. 2 zeigt als weiteres Beispiel ein Lasersystem 1 V mit einem optischen Filtersystem 17‘ basierend auf einer Hohlkern-Lichtleitfaser 18‘ des Tubular-Typs mit acht Ringen (tubes) und stellt ergänzend die Entwicklung der Feldverteilungen aufgrund der optischen Filterung dar, d.h. insbesondere die Feldverteilungen im Nahfeld, im Fernfeld sowie im gefilterten Fernfeld und im gefilterten Nahfeld. Ferner verdeutlicht Fig. 2 die entsprechend zugeordnete Grundge ometrie der Raumfilterblende F‘ des optischen Filtersystems 17‘, wie sie an die Hohlkern- Lichtleitfaser 18‘ angepasst wurde, sowie eine sich ergebende Phasenverteilung 61‘.

Im Faserquerschnitt 51‘ erkennt man acht kreisförmig aneinander angeordnete Glasstegringe 57‘ (tubes). Somit ergibt sich für das Nahfeld eine 8-zählige Rotationssymmetrie. Diese ist in den Nahfeldamplitudenverteilung 101 und 101 ‘ erkennbar und wurde in den Femfeldamplitu- denverteilung 102‘ schematisch hervorgehoben. Der Nahfeldamplitudenverteilung 101 und der Fernfeldamplitudenverteilung 102 können eine Strahlqualität M2eff von ungefähr 1,14 zugeordnet werden.

Die Raumfilterblende F‘ weist eine achteckige Öffnung auf, wobei die Orientierung bezüglich der Nebenmaxima 37‘ derart ausgerichtet ist, dass die Raumfilterblende F‘ für die Nebenma- xima 37‘ als Raumfilter wirkt. Entsprechend werden, wie an der Phasenverteilung 61 ‘ gesehen werden kann, die Intensitätsbereiche der kollimierten Laserstrahlung mit abweichender Phase (hier mit „Pi“ gekennzeichnet) geblockt. Die Öffnung hindert somit die Ausbreitung der La serstrahlung, die (in radialer Richtung zur Strahlachse) außerhalb eines zentrealen Strahlbe reichs mit konstanter Phase vorliegt.

Den gefilterten Fernfeldamplitudenverteilungen 103, 103 und Nahfeldamplitudenverteilung 104, 104‘ können Strahlqualitäten von ungefähr 1,03 zugeordnet werden. Man erkennt dies auch an den hinsichtlich der Rotationssymmetrie verbesserten Feldverläufen (nahezu Rotati onssymmetrie im engeren Sinne). Allgemein kann die Raumfilterung z.B. Strahl qualitäten größer 1,1 für ungefilterte Laserstrahlung auf Strahl qualitäten kleiner 1,1 für gefilterte Laser strahlung verbessern, welche sodann für den weiteren Einsatz bereitsteht.

Hinsichtlich Fig. 2 werden nachfolgend die nicht angesprochenen Bezugszeichen kurz zu sammengefasst. Sie beziehen sich auf die bereits im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrie benen Aspekte: 11‘ Lasersystem, 13‘ Laserstrahlquelle, 13A‘ Laserstrahlung, 15‘ Faserein kopplungseinheit, 17‘ optische Filtersystem, 19A‘, 19B‘ erstes Ende/zweites Ende der Hohl kernfaser, 21 ‘ austretende Laserstrahlung, 23 ‘ Kollimationsoptikeinheit, R, R' Rotationsein heiten, 25‘ optisch gefilterte Laserstrahlung, 27‘ Fokussiereinheit, 29‘ beugungsbegrenzter Laserstrahl, 31‘ Feldverteilung, 33‘ Fernfeld, 35 zentraler Strahlbereich, 37‘ Nebenmaximum, 39‘ intensitätsfreier Bereich, 4L Transmissionsbereich, 43 ‘ Blendenbereich, 51‘ Faserquer schnitt, 53‘ Hohlkem, 55‘ Material Struktur, 57 Glasstegring, 59‘ Hohlkeminnenwand, Bei spielphasenwerte „0“, „Pi“.

In den Figuren 1 und 2 erkennt man, dass die Nebenmaxima der Lichtleitfaser azimutal, ins besondere mit einer n-zähligen Rotationssymmetrie mit n > 1 (beispielhaft n = 6 bzw. n = 8), um den zentralen Strahlbereich verteilt sein. Ferner sind die Blendenbereiche ebenso azimutal, und insbesondere mit der gleichen n-zähligen Rotationssymmetrie mit n > 1 (beispielhaft n =

6 bzw. n = 8) um den Transmissionsbereich verteilt angeordnet. Die azimutale Verteilung der Nebenmaxima bezieht sich dabei auf eine Strahlachse der Laserstrahlung, die durch eine Strahlmitte des zentralen Strahlbereichs gegeben ist, und die azimutale Anordnung der Blen denbereiche bezieht sich auf eine Blendenmitte des Transmissionsbereichs, wobei die Blen denmitte derart justiert ist, dass sie mit der Strahlachse übereinstimmt. Man erkennt ebenfalls, dass der geometrische Verlauf des Übergangs zwischen dem Transmissionsbereich und den Blendenbereichen einen zentralen Bereich der (Freifeld-) Grundmode umgibt.

Die Figuren 1 und 2 stehen mit entsprechenden Simulationen in Verbindung, die hinsichtlich Einkoppeleffizienz, Filtereffizienz sowie Anwendung des erfinderischen Konzepts auf ver schiedene Strahlformungstechniken (Flattop-Strahlprofile etc.) durchgeführt wurden. Dabei wurde erkannt, dass die Resultate vom jeweiligen HCF-Design abhängen. Beispielsweise ha ben die verschiedenen Typen von Hohlkem-Lichtleitfasem (Kagome-Typ etc.) unterschiedli- che Brechzahlverteilungen und Hohlkem-Geometrien, sodass sich die Filtergeometrien und die zu erreichenden Strahlqualitäten entsprechend unterscheiden.

Allgemein wurde jedoch festgestellt, dass Leistungsverluste bei der Raumfrequenzfilterung unter 2% betragen können.

Ferner wird angemerkt, dass die hierin beschriebenen Konzepte eines optischen Filtersystems am Ausgang eines jeden Lasersystems, insbesondere auch am Ausgang von Verstärkerstufen oder vor und zwischen Verstärkerstufen, eingesetzt werden können, um eine wohl definierte, reproduzierbare Schnittstelle hinsichtlich der Parameter Ort, Winkel und Strahlqualität für eine nachfolgende Anwendung zu liefern. Beispielhaft ist in Fig. 2 eine (Nach-) Verstärker stu fe 71 gestrichelt angedeutet, der der gefilterte Laserstrahl zur Verstärkung zugeführt wird.

Es wird angemerkt, dass in einigen Ausführungsformen die Fasereinkopplungseinheit als Teil des optischen Filtersystems ausgeführt sein kann.

Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenba rung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder jede mögliche Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschrän kens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Be reichsangabe.