Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

CN117178443A - 叠加装置和光学系统 - Google Patents

叠加装置和光学系统 Download PDF

Info

Publication number
CN117178443A
CN117178443A CN202280030218.4A CN202280030218A CN117178443A CN 117178443 A CN117178443 A CN 117178443A CN 202280030218 A CN202280030218 A CN 202280030218A CN 117178443 A CN117178443 A CN 117178443A
Authority
CN
China
Prior art keywords
input
beams
polarization
superposition
superimposed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202280030218.4A
Other languages
English (en)
Inventor
M·库姆卡尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Publication of CN117178443A publication Critical patent/CN117178443A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
    • G02B27/144—Beam splitting or combining systems operating by reflection only using partially transparent surfaces without spectral selectivity
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/281—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for attenuating light intensity, e.g. comprising rotatable polarising elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/283—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/286—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising for controlling or changing the state of polarisation, e.g. transforming one polarisation state into another
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0057—Temporal shaping, e.g. pulse compression, frequency chirping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0071—Beam steering, e.g. whereby a mirror outside the cavity is present to change the beam direction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/1307—Stabilisation of the phase
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2383—Parallel arrangements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于将四个相互相干的输入光束(1至4)相干叠加成输出光束(6)的叠加装置(5)，包括：用于输入光束(1至4)中的相应一个输入光束的入射的四个输入端(E1至E4)，用于输出光束(6)的出射的输出端(A)，用于将第一输入光束(1)和第二输入光束(2)相干合并成第一叠加光束(U1)的第一合束装置(K1)，用于将第三输入光束(3)和第四输入光束(4)相干合并成第二叠加光束(U2)的第二合束装置(K2)，以及用于通过第一叠加光束(U1)和第二叠加光束(U2)的相干合并来形成输出光束(6)的第三合束装置(K3)，叠加装置(5)构造为根据提供给四个输入端(E1至E4)的输入光束(1至4)的各个相位相对于彼此的相对相位位置彼此独立地设置输出光束(6)的偏振态、特别是偏振方向(R)、以及功率(PA)。本发明还涉及一种光学系统，包括：用于生成激光束的光束源，用于将激光束分束成四个相互相干的输入光束(1至4)的分束装置，用于调制四个输入光束(1至4)的相对相位位置的相位调制装置，以及如上文所述设计的用于将四个输入光束(1至4)相干叠加成输出光束(6)的叠加装置(5)。

Description

叠加装置和光学系统
技术领域
本发明涉及一种用于将四个相互相干的输入光束相干叠加成输出光束的叠加装置。本发明还涉及一种光学系统，该光学系统包括至少一个这种用于将四个相互相干的输入光束叠加成输出光束的叠加装置。四个相互相干的输入光束以及当它们叠加时所形成的输出光束典型地是激光束。
背景技术
上述叠加装置优选地构造为将四个输入光束共线地叠加，特别是可以进行全等叠加成输出光束。对四个输入光束的相干叠加使得可以调制或操纵输出光束的特性，例如输出光束的功率和/或输出光束的偏振态。
快速偏振调制通常可以使用干涉仪系统来实现，单个输入光束被输入耦合到干涉仪系统中，并且在这种情况下，相位被集成在干涉仪中的相移器来操纵；例如，参见文章“The rotating linearly polarized light from apolarizing Mach-Zehnderinterferometer:Production and applications[来自偏振马赫-曾德尔干涉仪的旋转线偏振光：生产和应用]”，C.Pawong等人，《Opt.Lasers Tec.[光学与激光技术]》，第43期，第461-468页(2011年)，或者文章“Investigation of the use of rotating linearlypolarized light for characterizing SiO2 thin-film on Si substrate[使用旋转线偏振光来表征Si衬底上的SiO2薄膜的研究]”，C.Pawong等人，载于：《OptoelectronicMaterials and Devices[光电材料与器件]》，G.Duan编，SPIE[国际光学工程学会]会刊(2011年)第8308卷，第83081I号论文。
例如，快速偏振调制可以用于将偏振影响纳米结构写入透明材料，以进行具有高存储密度和超长使用寿命的数据存储；例如，参见J.Zhang等人的文章“Eternal 5D datastorage by ultrafast laser writing in glass[通过玻璃中超快激光写入的永久5D数据存储]”，SPIE[国际光学工程学会]会刊第9736卷，97360U，(2016)。US10,236,027B1中描述了一种基于纳米光栅的对应光学数据存储系统，这些纳米光栅被写入玻璃材料中并且在空间调制相位和偏振的光辐射进来时形成。针对相位和偏振的调制，该文件使用了液晶空间光调制器(SLM)。
US10,181,336B1描述了一种光学数据存储系统，该光学数据存储系统包括具有独立可编程全息区的动态数字全息图。动态数字全息图可以构造为光学致动SLM。
在用于将纳米结构或体素写入透明材料的上述方法和设备的情况下，由于多点阵列在其偏振态方面的复用和/或分割，动态受到限制。
US 9792945 B1描述了一种3D光学数据存储介质。存储单元的电特性是使用光能来改变的。没有提到如何可以实现对光能参数的设置(这是以高数据速率写入所必需的)，特别是还在偏振定向方面。
同样已知使用相干叠加或耦合来快速调制激光功率；例如，参见文章“Coherentcombining of second-harmonic generators by active phase control of thefundamental waves[通过对基波的有源相位控制实现二次谐波发生器的相干合并]”，A.Odier等人，《Optics Letters[光学快报]》，42(16)，2017，3201ff。在该文章中，使用了在基波处的有源相位控制，以便控制在频率转换波长处的叠加。
DE 10 2017 104 392 A1披露了使用干涉仪作为叠加装置来调制输出激光束的幅度，在干涉仪的情况下，相对相位位置被干涉仪的两个光束通道在时间上调制。如果使用偏振分束器作为用于分束输入激光束的分束元件并作为用于相干合并的合束元件，则对相对相位位置的调制引起对相干叠加输出光束的偏振态的调制。在这种情况下，借助波片和偏振器，可以将对输出激光束的偏振态的调制转换为对输出激光束的幅度的调制。
US 9,042,009 B2描述了一种用于相干叠加的无源设备，包括具有至少四个分支的幅度划分干涉仪。
发明目的
本发明的目的是提供一种叠加装置和一种包括这种叠加装置的光学系统，使得可以独立地设置或调制相干叠加输出激光束的功率和偏振态。
发明内容
根据本发明，这个目的通过引言中提到的类型的叠加装置来实现，该叠加装置包括：用于输入光束中的相应一个输入光束的入射的四个输入端，用于输出光束的出射的输出端，用于将第一输入光束和第二输入光束相干合并(Kombination)以形成第一叠加光束的第一合束装置，用于将第三输入光束和第四输入光束相干合并成第二叠加光束的第二合束装置，以及用于通过第一叠加光束和第二叠加光束的相干合并来形成输出光束的第三合束装置，该叠加装置构造为，根据提供给四个输入端的输入光束的各个相位相对于彼此的相对相位位置彼此独立地设置输出光束的偏振态、特别是偏振方向，以及功率。
在这里所述的叠加装置的情况下，存在四个输入光束的两级叠加，也就是说，首先将所有两个输入光束叠加以分别形成两个叠加光束中的一个，然后将两个叠加光束叠加成输出光束。这三个合束装置可以是不同的光学组件，或单独的光学部件。然而，同一个光学元件或部件也可以执行两个或可能所有三个合束装置的功能。在这种情况下，相应的光束被典型地在光学元件或部件的不同位置处叠加。
与引言中引用的DE 10 2017 104 392 A1相比，在这里所述的两级叠加装置的情况下，输出光束的偏振态和功率被彼此独立地设置或调制。对输出光束的偏振态的设置特别是可以涉及设置输出光束的线偏振，其偏振方向(方位角)可以自由地选择(0°至180°)。
叠加装置可以是无源装置，该无源装置不具有其光学特性可以被设置的光学元件。如果叠加装置具有其光学特性可以被设置的光学元件(例如，相移器、光学旋转器等)，则这种设置通常不用于动态地设置或调制输出光束的偏振态和功率，而是典型地仅用于校正叠加装置的光学部件的光学特性的不利的变化(例如，与温度相关的变化)，以便由此例如能够实现输入光束的完全相长干涉(见下文)。
输出激光束的偏振态和/或功率典型地仅通过设置或预给定输入光束的各个相位相对于彼此的相对相位位置来设置。由于四个输入光束的绝对相位对于叠加而言并不重要，因此构造为设置或调制四个输入光束中的三个输入光束的相位的相位调制单元足以设置相对相位位置。借助相位调制单元，通过预给定或设置四个输入光束的(相对)相位位置，可以以高度动态的方式设置输出光束的偏振态和/或功率，切换持续时间例如在MHz范围内。
特别是，通过偏振的快速切换，在用于将偏振影响纳米结构写入透明材料的情况下或在使透明材料中的偶极子特性对准铁电特性的情况下，可以在没有扩展的复用的情况下实现更快的写入率。此外，与基于对要写入的区域的在偏振方面的分割的写入方法相比，可以降低光学要求并典型地提高效率。此外，与在各自具有相同偏振的体素场的连续写入时保持相同的重复频率，如US10,181,336B1所述，还可以实现提高的效率并增加有效的写入率。与允许使用SLM独立控制功率/相位和偏振方向的2D多点分布的方法(例如，US10,236,027B1中的情况)相比，结果是由于更高的调制率而具有上述优点，并且由于在所使用或输出的光束中不进行调制而具有下文提到的优点：
将相位调制单元布置在叠加装置前方意味着，相位调制单元不必直接从输入光束提供具有所需输出参数的输出光束。例如，这使得可以使用较低性能的部件来调制相对相位位置。此外，在由超短脉冲激光器产生的输入光束的情况下，相位调制单元中的功率可以通过切换在时间上拉长的脉冲来降低。在不会对整个系统的效率造成过大负面影响的情况下，也可以使用损耗增加的光学部件。输入光束的相对相位位置可以附加地以与输出光束的波长不同的波长来调制。
叠加装置优选地构造为，在四个输入光束的各个相位的至少一个相对相位位置的情况下设置输出光束的功率，其中功率(除了在穿过叠加装置的光学部件时发生的寄生损耗之外)对应于四个输入光束的功率之和。因此，叠加装置使得可以在适当选择输入光束的相对相位位置的情况下在输出端处产生输入光束的完全相长干涉，使得输出光束具有最大可能的功率(输入光束的功率之和的100％)。如上所述，除了在这种情况下输出光束的最大功率之外，还可以独立于此来设置输出光束的偏振态。叠加装置典型地还构造为独立于偏振态来调制功率，具体来说直到在输出端处四个输入光束的完全相消干涉，也就是说直到输出光束的功率为四个输入光束的功率之和的0％。
在四个输入端处进入叠加装置的输入光束的功率典型地在所有四个输入光束的情况下是基本上相同的，也就是说相应输入光束的功率不用于动态地设置输出光束的偏振态或功率。然而，原则上，当输入光束被叠加成输出光束时，可以与四个输入光束的相同强度有所偏离(通常稍微有所偏离)，以便确保四个输入光束的上述完全相长干涉。例如，如果在输入光束穿过叠加装置后，输入光束的损耗就表现出不同的幅度，则这可能是必要的。
除了输出光束之外，通常，叠加装置(更具体地说，至少一个合束装置)在另外的(“反相”)输出端处生成至少一个另外的光束，该至少一个另外的光束可以用作诊断光束。诊断光束典型地具有与从另一输出端出射的光束的偏振方向垂直定向的偏振方向。同样的情况是，在输出端处和另外的输出端处出射的功率之和是恒定的，并不取决于四个输入光束的相对相位位置。
因此，诊断光束可以用于确定和监测输出光束或相应叠加光束的偏振态和功率。在此(间接)测量的偏振态的实际值和输出光束的功率的实际值可以用于调整或调节输入光束的功率和相对相位位置，以便设置输出光束的偏振态或功率的目标值。为此，还可以作用在上述的叠加装置的一个或多个可设置光学部件上，例如构造为一个或多个相移器、光学旋转器等形式。如上所述，与输入光束的相对相位位置的高度动态设置相比，这种调节典型地是在更慢的时间尺度上执行的。
在一种实施方式中，第一、第二和/或第三合束装置包括干涉仪、优选地马赫-曾德尔干涉仪，具有用于传播第一部分光束的第一光束通道和用于传播第二部分光束的第二光束通道。原则上，所有三个合束装置都可以包括干涉仪或构造为干涉仪。在一种实施方式中，仅第三合束装置包括干涉仪或构造为干涉仪。在替代性实施例中，第一合束装置和第二合束装置包括干涉仪或构造为干涉仪，第三合束装置不包括干涉仪或构造为干涉仪。
在一种扩展方案中，第一合束装置的干涉仪包括用于将相干叠加的第一和第二输入光束分束成两个部分光束的分束元件以及用于将两个部分光束相干叠加以形成第一叠加光束的合束元件，和/或第二合束装置的干涉仪包括用于将相干叠加的第二和第三输入光束分束成两个部分光束的分束元件以及用于将两个部分光束相干叠加以形成第二叠加光束的合束元件。如上所述，在这个扩展方案中，第一合束装置和第二合束装置优选地都包括干涉仪，而第三合束装置优选地不包括干涉仪。应该理解的是，分束元件不仅用于将相应的输入光束分束成两个部分光束，而且还用于将其相干叠加。
在另一实施方式中，第三合束装置的干涉仪包括用于将第一和第二相干叠加的叠加光束分束成两个部分光束的分束元件以及用于将两个部分光束相干叠加以形成输出光束的合束元件。如上所述，在这种情况下，第一和第二合束装置优选地不构造为干涉仪。
借助干涉仪、特别是马赫-曾德尔干涉仪，既可以经由降低相长干涉来降低输出光束的功率，也可以通过对各个输入光束相对于彼此的相位的受控匹配来设置输出光束的偏振态或偏振方向。应该理解的是，这种干涉仪也可以用于仅设置输出光束的功率或仅设置其偏振态。干涉仪通常具有至少一个光学部件、或光学部件的组合，用于两个部分光束之间或两个光束通道之间的相位和/或偏振匹配，以便确保当两个部分光束相对于彼此的相对相位位置被适当地选择时，在进行两个部分光束的相干叠加的合束元件处出现最大相长干涉。干涉仪的合束元件通常在两个部分光束的相干叠加时产生诊断光束，并且诊断光束可以例如用于确定两个部分光束的功率和相对相位位置以及干涉仪的两个光束通道之间的相移，并可能以上述方式匹配它们。
在另一扩展方案中，干涉仪具有至少一个偏振影响装置，该至少一个偏振影响装置用于优选地以固定预给定的方式影响部分光束中的至少一个部分光束的偏振态、特别是偏振方向。如上所述，合适的偏振影响装置使得可以影响一个或两个部分光束的偏振态，使得在合束元件处、在两个部分光束相对于彼此的至少一个相位位置中出现最大相长干涉。以固定预给定的方式影响偏振态应被理解为是指，不存在对偏振态的动态影响，因为输出光束的偏振态和/或功率仅通过输入光束的相对相位位置的设置来动态地设置。然而，偏振影响装置原则上可以构造为可控的，以便补偿两个光束通道中的不同寄生损耗、热效应等，如上所述。
一个或多个偏振影响装置优选地构造为偏振旋转光学装置或元件(偏振旋转器)，特别是构造为光学旋转器，例如构造为光学晶体，光学晶体由于其晶状结构而在被适当地定向时具有固有的偏振旋转，例如晶状石英在从紫外到近红外的宽波长范围内表现出高透明度和功率能力。原则上，法拉第旋转器也可以用作偏振影响装置。然而，法拉第旋转器需要外部磁场来进行偏振旋转，因此与光学晶体相比，制造和操作更加复杂。对于本申请，有利的或必要的是，一个或多个部分光束的偏振旋转独立于相应部分光束的偏振方向进行。对于双折射延迟装置、例如λ/2延迟元件，这种偏振旋转通常是不可能的，因为它们仅在相应部分光束的偏振方向被规定好的情况下才允许偏振方向的旋转。
在一种实施方式中，分束元件和合束元件构造为强度分束器，并且干涉仪具有至少一个偏振旋转光学装置、特别是光学旋转器作为偏振影响装置，该至少一个偏振旋转光学装置用于使两个部分光束的偏振方向相对于彼此垂直定向。在本申请的含义内，强度分束器应被理解为是指，允许两个或更多个部分光束基本上独立于它们的偏振态分束或组合的分束器。这里所述的强度分束器通常是50％分束器的形式，也就是说它们将进入强度分束器的两个光束以相同的权重组合以形成出射光束。强度分束器可以例如是透明衬底的表面上的介质层系统的形式。通过将表面相对于光束入射方向合适地定向，分别都可以实现所期望的、基本上50％的与偏振无关的反射率和透射率。
在最简单的情况下，为了定向两个部分光束的偏振方向，可以在干涉仪的两个光束通道之一中布置光学旋转器，该光学旋转器使在这个光束通道中传播的部分光束的偏振方向旋转90°。然而，不言而喻，也可以在干涉仪的光束通道中布置两个或必要时多于两个的偏振旋转光学装置或元件，以便使两个部分光束的偏振方向相对于彼此成90°的角度定向。
在这个实施方式的扩展方案中，叠加装置或集成了该叠加装置的光学系统构造为以圆偏振和相应相反的旋转方向将第一输入光束和第二输入光束、第三输入光束和第四输入光束、或第一叠加光束和第二叠加光束提供给干涉仪的分束元件。在上述三种情况下，第一合束装置、第二合束装置和第三合束装置分别地包括干涉仪。如果干涉仪被集成在第三合束装置中，则在第一合束装置中设置第一输入光束和第二输入光束的相对相位位置并且在第二合束装置中设置第三输入光束和第四输入光束的相对相位位置使得可以设置第一叠加光束和第二叠加光束的功率。为了设置相应叠加光束的功率，第一合束装置和/或第二合束装置可以例如包括强度分束器。在这种情况下，第一输入光束和第二输入光束典型地是圆偏振的，并且具有相同的旋转方向。相应地，第三输入光束和第四输入光束也是圆偏振的，并且具有与第一输入光束和第二输入光束相反的旋转方向。以这种方式，两个叠加光束的功率可以彼此独立地设置。
在输出光束应具有最大功率的情况下，第一合束装置中的第一输入光束和第二输入光束必须具有最大相长干涉以形成第一叠加光束，并且第二合束装置中的第三输入光束和第四输入光束必须具有最大相长干涉以形成第二叠加光束。例如，如果第一输入光束和第二输入光束具有相对于彼此的0°的相对相位位置，或-取决于叠加光束从其出射的强度分束器的输出-如果第一输入光束和第二输入光束具有相对于彼此的90°的相位位置，则可能是这种情况。如果进入叠加装置的输入光束的相对相位位置发生了变化然后输入光束被叠加成相应的叠加光束，例如在反射的情况下出现了相位跳跃，则应对应地匹配输入光束的相位位置，以便使叠加光束中的相对相位位置对应于0°。这同样适用于第三输入光束和第四输入光束以及第二合束装置。
设置第一叠加光束和第二叠加光束相对于彼此的相对相位位置使得可以预给定干涉仪的两个光束通道中线偏振部分光束的偏振方向。在相干叠加之后在干涉仪的分束元件处线偏振的两个部分光束的偏振方向被相对于彼此垂直定向。将两个部分光束的偏振方向相对于彼此旋转90°的偏振旋转装置或偏振旋转元件用于使得在干涉仪的合束元件处两个叠加光束的偏振方向的定向相同。如果两个叠加光束具有相同的功率，则在叠加装置的输出端处生成输出光束，该输出光束是线偏振的并且具有可以通过预给定第一叠加光束与第二叠加光束之间的相对相位位置来设置的偏振方向。如果两个叠加光束具有最大功率，则在干涉仪的合束元件处的叠加的情况下，就生成具有与输入光束的功率之和相对应的最大功率的输出光束。理想情况下，在干涉仪的输出端处的叠加时始终存在完全的相长干涉。
在替代性实施例中，分束元件和合束元件构造为偏振分束器，并且干涉仪具有两个偏振旋转光学装置、特别是两个光学旋转器作为偏振影响装置，该两个偏振旋转光学装置用于将两个部分光束中的相应一个部分光束的偏振方向旋转45°。与上述实施例相比，其中两个部分光束的偏振方向相对于彼此旋转90°如何在两个光束通道上分束并不重要，如果使用偏振分束器，则有利的是两个光束通道中偏振方向的旋转是对称的，也就是说两个部分光束都要旋转45°。
在这个实施例中，在干涉仪的两个光束通道中传播的两个部分光束典型地是椭圆偏振部分光束。将两个部分光束的相位位置旋转45°使得可以生成线偏振输出光束，当适当地选择相对相位位置时，可以实现叠加成具有最大相长干涉的输出光束。在使用这里所述的偏振分束器的情况下，由于与强度分束器相比对称度更低，需要更大的开销以确保最大相长干涉。在这里所述的实施例中，为此需要上述的两个光学旋转器。
在这个实施例的扩展方案中，叠加装置还包括至少两个偏振影响、特别是偏振旋转光学元件，特别是构造为光学旋转器，它们在光束路径中被布置在干涉仪的分束元件的前方并且优选地构造为将第一输入光束和第二输入光束、第三输入光束和第四输入光束或第一叠加光束和第二叠加光束的偏振方向旋转45°。如果第三叠加装置包括干涉仪，则相应的偏振旋转光学元件在第一叠加光束和第二叠加光束的光束路径中可以被布置在干涉仪的分束元件的前方。
如果干涉仪被集成在第一合束装置或第二合束装置中，则可以在第一输入光束和第二输入光束的光束路径中以及在第三输入光束和第四输入光束的光束路径中布置相应的偏振旋转元件，然后将这些光束叠加以分别形成第一叠加光束和第二叠加光束。如果干涉仪的偏振分束器和其他合束装置的偏振分束器的优选轴线(多条轴线)的适当定向(相对于彼此成45°)，则可以省略其他的偏振旋转光学装置。
在这里所述的实施例中，其中分束元件和合束元件构造为偏振分束器，第一输入光束和第二输入光束典型地是线偏振的，并且其偏振方向相对于彼此旋转90°。相应地，第三输入光束和第四输入光束是线偏振的，并且它们的偏振方向相对于彼此旋转90°。当设置第一输入光束和第二输入光束的相对相位位置以及第三输入光束和第四输入光束的相对相位位置时，典型地生成椭圆偏振叠加光束。设置第一输入光束和第二输入光束相对于彼此的相位位置、第三输入光束和第四输入光束相对于彼此的相位位置以及两个叠加光束相对于彼此的相位位置，结合在干涉仪或多个干涉仪的前方或者在干涉仪或多个干涉仪中椭圆偏振的偏振方向的旋转，还使得可以在这种情况下彼此独立地设置输出光束的功率和偏振态。
在另一实施方式中，用于将第一输入光束和第二输入光束相干合并的第一合束装置、用于将第三输入光束和第四输入光束相干合并的第二合束装置、和/或用于将第一叠加光束和第二叠加光束相干合并的第三合束装置具有强度分束器或偏振分束器。在这个实施例中，相应的合束装置典型地不包括干涉仪或不构造为干涉仪。相应的合束装置通常具有用于第一输入光束和第二输入光束、第三输入光束和第四输入光束以及第一叠加光束和第二叠加光束的相干合并的恰好一个偏振分束器或恰好一个强度分束器。
如果叠加装置不包括干涉仪，则典型地需要第一合束装置和第二合束装置都包括偏振分束器或者第三合束装置包括偏振分束器。应该理解的是，所有三个合束装置都还可以包括相应的偏振分束器。如果离开相应的合束装置的光束要具有线偏振，则典型地需要λ/4延迟装置形式的相移装置，该相移装置在光束路径中被布置在偏振分束器的后方(见下文)。
在这个实施例的扩展方案中，叠加装置或集成了其的光学系统构造为以相应相同的偏振态、特别是以相同的偏振方向将第一输入光束和第二输入光束、第三输入光束和第四输入光束或第一叠加光束和第二叠加光束提供给强度分束器。在相干合并后，在这种情况下，离开强度分束器的光束的功率就可以通过设置进入强度分束器的光束的相对相位位置来设置。进入强度分束器的光束的(线)偏振态、特别是偏振方向在这里保持相同。设置相对相位位置使得可以在强度分束器中在相干合并后通常生成与相应的叠加光束或输出光束相关的最大相长干涉和最大相消干涉。
在另一实施方式中，叠加装置或集成了其的光学系统构造为将第一输入光束和第二输入光束、第三输入光束和第四输入光束或第一叠加光束和第二叠加光束(其分别具有两个相互垂直的偏振方向)提供给偏振分束器。在这种情况下，一个或多个偏振器的轴线典型地与两个相互垂直的偏振方向平行定向。在进入偏振分束器的光束的相干合并后，在一般情况下形成椭圆偏振的出射光束，其中椭圆偏振的半轴(优选地轴线或方向)相对于入射光束的两个相互垂直的偏振方向成45°定向。通过定向λ/4延迟装置的优选轴线以与45°的优选方向相匹配，椭圆偏振被转换成线偏振，该线偏振的偏振方向通过椭圆偏振的主轴比和旋转方向来确定。设置进入偏振分束器的光束之间的相对相位位置改变了椭圆偏振的半轴之间的纵横比，但是不改变半轴相对于两个相互垂直的偏振方向成45°的定向。进入偏振分束器的光束的偏振分量不与相应的偏振轴线平行定向，这对出射光束的功率没有贡献。因此，通过进入偏振分束器的光束的偏振方向的定向，可以设置出射光束的功率。
在一种扩展方案中，第一合束装置构造为根据第一、优选地线偏振的输入光束与第二、优选地线偏振的输入光束之间的相对相位位置来设置第一叠加光束的偏振态、特别是旋转偏振方向，和/或第二合束装置构造为根据第三、优选地线偏振的输入光束与第四、优选地线偏振的输入光束之间的相对相位位置来设置第二叠加光束的偏振态、特别是旋转偏振方向，和/或第三合束装置构造为根据第一叠加光束与第二叠加光束之间的相对相位位置来设置输出激光束的偏振态、特别是旋转输出激光束的偏振方向。在这里所述的扩展方案中，用于相干合并的第一合束装置、第二合束装置和/或第三合束装置包括强度分束器或偏振分束器。在这种情况下，使用合适的光学元件使得可以设置相应叠加光束或输出光束的偏振态、特别是旋转其偏振方向。
在另一扩展方案中，为了生成第一叠加光束、第二叠加光束和/或输出光束的线偏振，第一合束装置、第二合束装置和/或第三合束装置具有相移元件、特别是λ/4延迟装置，该相移元件在光束路径中被布置在强度分束器或偏振分束器的后方。例如，λ/4延迟装置可以是λ/4延迟片，尽管λ/4延迟装置也可以以其他方式来设计，例如构造为集成的、例如光纤部件的形式。λ/4延迟装置也可以包括多个光学部件，以便产生相移作用。λ/4延迟装置的光轴或优选方向典型地平行于通常椭圆偏振的半轴之一、例如长半轴，相应光束以该椭圆偏振进入λ/4延迟装置。这确保了λ/4延迟装置产生相应出射光束的线偏振。如果λ/4延迟装置在光束路径中被布置在偏振分束器的后方，则λ/4延迟装置的光轴或优选方向典型地相对于偏振轴线成45°角定向。
通过适当选择第一输入光束和第二输入光束、第三和第四输入光束和/或第一叠加光束和第二叠加光束的偏振态或偏振方向使得可以确保进入λ/4延迟装置的光束的椭圆偏振态的主轴始终相对于λ/4延迟装置的光轴成45°定向。如上文结合偏振分束器所述，设置第一输入光束和第二输入光束、第二输入光束和第三输入光束、或第一叠加光束和第二叠加光束相对于彼此的相对相位位置使得可以设置椭圆偏振态的纵横比，这使离开λ/4延迟装置的光束的偏振方向旋转。
在另一种实施方式中，四个输入端构造用于至少四个另外的输入光束的入射，并且输出端构造用于至少一个另外的输出光束的出射，该至少一个另外的输出光束是这四个另外的输入光束的相干合并。原则上，通过使用叠加装置的相干叠加，可以从4N个输入光束中生成N个输出光束。在这个方面，可以将多个组(每个组具有四个输入光束)提供给相应的第一合束装置、第二合束装置和第三合束装置，各输入光束的相对相位位置相对于彼此且彼此独立地设置，使得每个输出光束的功率和偏振态可以彼此独立地设置。在最简单的情况下，这些组(每个组具有四个输入光束)有横向偏移地被提供给第一合束装置、第二合束装置和第三合束装置的光学元件，使得所有组的输入光束以及由此形成的叠加光束均穿过同一个光学元件。
本发明的另一方面涉及一种光学系统，包括：用于生成激光束的光束源；用于将激光束分束成四个相互相干的输入光束的分束装置；用于调制四个输入光束的相对相位位置的相位调制装置；以及如上文所述设计的用于将四个输入光束相干叠加成输出光束的叠加装置。光学系统以及叠加装置可以被实现为具有分立光学部件，使用光纤、使用集成的光学器件、以及混合系统的形式。
光束源优选地是MOPA(主振式功率放大器)系统的种子激光器。在这种情况下，四个输入光束是通过放大种子激光束来生成的。原则上，可以将相位调制装置在光束路径中直接布置在叠加装置的输入端的前方。然而，如果涉及MOPA系统，则有利的是，使用布置在MOPA系统的功率放大器的前方的相位调制装置，设置四个输入光束的相对相位位置。由此，在相位调制装置中，可以使用既不需要高性能也不需要高效率的光学元件。在这种MOPA系统中，输出光束的平均功率和/或峰值功率可以很高，并且可以例如超过1W、10W、1kW、10kW、或甚至1MW。
输出光束典型地被提供给光学系统的应用装置，该应用装置通常是用于加工目的的加工装置(例如，加工头)，该加工装置用于借助于输出光束对工件进行加工。还可以提供用于使加工头和/或工件移动的平移运动单元，以便将一个或多个输出光束相对于工件定位(见下文)。还可以执行动态光束定位(2D、2.5D)、时空光束整形、位置检测(在工艺之前)、以及工艺控制(原位、非原位)。
当输出光束被提供给工件时，应用装置中也存在偏振影响。举例来说，为了将输出光束提供给工件，应用装置可以具有双折射部件，例如光纤、特别是基于光纤的放大器。在这种情况下，叠加装置可以对在输出光束被提供给工件时产生的双折射执行初步补偿。典型地，通过适当地调整由相位调制装置设置的相对相位位置，执行初步补偿，以便在工件处实现输出光束的偏振态和功率的期望组合。由此，也可以使用非偏振保持型传输光纤，或者通过在(典型地基于光纤的)功率放大器的前方进行叠加来改变MOPA概念(MOPA-Konzept)，在这种情况下，该功率放大器被集成在应用装置中。
除了上述将光学系统用于将体素(Voxeln)写入透明材料中以进行数据存储之外，该光学系统还可以尤其用于基于空间相关的偏振操纵生产光学部件。由光学系统产生的快速偏振变化也可以有利地用于其他应用，例如用于分析方法。
该光学系统还可以具有转换装置，该转换装置被布置在相位调制装置与叠加装置之间。转换装置可以是光学放大器装置，例如上文所述的MOPA系统的一个或多个功率放大器。转换装置也可以执行另一种功能。
转换装置可以例如构造用于对输入光束进行频率转换。这是有利的，因为以下波长通常是(相应)输出光束或使用(相应)输出光束的应用所感兴趣的：对于所述波长没有高性能放大器系统、没有高性能相位调制装置或其他光学部件可适用。在这种情况下，叠加装置中的相干耦合可以与通常在光束路径中于叠加装置的前方进行的频率转换相组合。这里所述的(特别是MOPA系统形式的)光学系统与布置在光束源与叠加装置之间的频率转换装置兼容。
用于生成激光束的光束源可以构造为生成cw激光束和/或脉冲激光束。光束源可以特别是构造为生成包含激光脉冲的超短脉冲激光束，这些激光脉冲的脉冲持续时间的量级为皮秒(ps)或飞秒(fs)。在超短脉冲激光器的情况下，通常使用所谓的啁啾脉冲放大(CPA)，其中在时间上拉长的脉冲先被放大、然后被压缩。如这里所述的，CPA技术可以与四个输入光束的相干耦合相组合以形成输出光束，特别是与输出光束的偏振态和功率的独立设置相组合。在这种情况下，转换装置可以例如形成CPA系统的脉冲压缩器。然而，转换装置通常也可以构造用于对输入光束进行脉冲整形，在这种情况下，这些输入光束是脉冲式的。
不言而喻，转换装置也可以构造为执行上述功能中的若干个功能，或者光学系统可以具有多个转换装置。
在光束源与叠加装置之间的光束路径中、特别是在转换装置与叠加装置之间的光束路径中，以及在输出光束的在叠加装置的后方的光束路径中，可以设置有合适的光束导向器，该光束导向器可以例如包括扫描仪光学单元。
在另一实施方式中，分束装置构造为激光束或将由光束源生成的另外的激光束分束成至少四个另外的相互相干的输入光束，相位调制单元构造为调制至少四个另外的输入光束的相对相位位置，并且叠加装置构造用于将至少四个另外的输入光束相干叠加成至少一个另外的输出光束。
在这个实施方式中，光学系统构造为通过相干叠加从多个组(每个组具有四个输入光束)中形成相应的输出光束。相干叠加使得可以针对每个输出光束彼此独立地设置功率和偏振态，也就是说输出光束的功率和偏振态可以彼此独立地调制。然而，在光学系统中也可以生成多个输出光束，其功率和偏振态无法彼此独立地调制。在不同输出光束之间的同时再分配或者基于扩大的相干耦合对输出光束的扫描、以及2D或3D复用也是可能的。
不言而喻，光学系统还可以构造为生成至少一个输出光束，该至少一个输出光束不是通过输入光束的相干叠加来生成的并且其功率和/或偏振态无法设置。对于某些应用，使用这种输出光束可能是有利的。
在一种实施方式中，光学系统构造为以基本上相同的功率将四个输入光束和/或至少四个另外的输入光束提供给叠加装置的四个输入端。如上文结合叠加装置所述的，如果四个相互相干的输入光束具有基本上相同的功率或强度，则相干叠加是有利的。这一点可以例如当由光束源生成的激光束的功率在分束装置中等分地分束成四个相互相干的输入光束时实现。如上所述，如果四个输入光束在穿过叠加装置时所经历的损耗有所不同，则可以与这些输入光束的相同功率有所偏离。可以调整各个输入光束的功率，以便补偿在穿过叠加装置时的不同损耗。以这种方式可以实现：能够从输入光束耦合到相应叠加光束中的功率与能够从叠加光束耦合到输出光束中的功率相匹配，使得可以在叠加光束和输出光束中分别地获得理想的完全干涉对比。
在另一实施方式中，光学系统构造为以具有预定偏振方向的线偏振或以圆偏振将四个输入光束和/或四个另外的输入光束提供给叠加装置的四个输入端。如上文结合叠加装置所述，将输入光束以限定的偏振态提供给叠加装置是有利的。
本发明的其他优点将从描述和附图中显现。同样，上文所提及的特征和仍要呈现的特征可以在各自情况下独立使用或作为任何期望的组合中的多个特征使用。所示出和描述的实施例不应被理解为穷举，而是具有用于概述本发明的示例性特性。
附图说明
在附图中：
图1a-c示出了叠加装置的三个实施例的示意图，该叠加装置包括三个合束装置，其中一个或两个合束装置构造为马赫-曾德尔干涉仪，用于四个相互相干的输入光束的相干叠加，
图2a-d示出了四个叠加装置的示意图，与图1a-c类似，在这种情况下至少一个合束装置包括λ/4延迟装置，该延迟装置在光束路径中被布置在强度分束器或偏振分束器的后方，
图3a,b分别示出了叠加装置的示意图，与图2b和图2d类似，在这种情况下使用用于两个和所有三个合束装置的公共偏振分束器，
图4示出了叠加装置的示意图，与图2d类似，该叠加装置构造为将三个组叠加成相应的相干输出光束，每个组具有四个相互相干的输入光束，
图5a-c分别示出了包括根据图1a-c、图2a-d和图3a,b的叠加装置的光学系统的示意图，以及
图6示出了包括根据图4的叠加装置的光学系统的示意图。
在以下对附图说明中，相同的附图标记用于相同的或具有相同功能的部件。
具体实施方式
图1a-c各自示出了用于将四个相互相干的输入光束1至4相干叠加成叠加的输出光束6的叠加装置5。叠加装置5具有四个输入端E1至E4，这四个输入端允许四个输入光束1至4中的相应一个输入光束入射。叠加装置5还具有输出端A，该输出端用于将在相干叠加期间形成的输出光束6出射。叠加装置5构造为将四个输入光束1至4共线地叠加，所示示例涉及全等叠加成输出光束6。
图1a-c所示的叠加装置5以及下文所述的叠加装置具有共同的特征，即它们使得可以彼此独立地设置输出光束6的功率PA和偏振态。在所示示例中，使用叠加装置5设置的偏振态是线偏振的输出光束6的偏振方向R。
虽然图1a-c和以下附图中的光束变化过程是在附图平面中展示的，但是偏振态是沿垂直于附图平面的传播方向展示的。图1a-c中所示的偏振态的X方向对应于偏振的s分量，并且Y方向对应于偏振的p分量。
图1a-c中所示的叠加装置5和下文所述的叠加装置5使得可以设置输出光束6的功率PA，其中功率-除了在穿过叠加装置5的光学元件时发生的寄生损耗之外-对应于四个输入光束1至4的功率P1至P4之和。原则上，输出光束6的功率PA可以在与输入光束1至4的功率P1至P4之和的值(也就是说输入功率的100％)与输入光束1至4的输入功率P1至P4的0％的值之间连续设置。
输出光束6的功率PA和偏振方向R的独立设置是通过设置四个输入光束1至4的相位(如图1a-c所示)的相对相位位置/> 来实现的。输出光束6的功率PA和偏振方向R典型地完全通过设置四个输入光束1至4的相对相位位置 来独立地设置，也就是说，为此无需使用四个输入光束1至4的其他参数或叠加装置5的光学部件的参数。四个输入光束1至4的功率P1至P4通常是相同的，或者这些功率被选择为不同的，以便对寄生损耗进行初步补偿。同样，四个输入光束1至4的功率P1至P4不会因设置而改变。由于四个输入光束1至4的相对相位位置/> 可以以高度动态的方式来设置，因此输出光束6的功率PA和偏振方向R也可以使用叠加装置5以高度动态的方式来设置。
图1a-c所示的叠加装置5和下文所述的叠加装置具有共同的特征，即这些叠加装置构造为使用三个合束装置K1至K3来进行两级相干叠加：第一合束装置K1用于将第一输入光束1和第二输入光束2相干合并成第一叠加光束U1。第二合束装置K2用于将第三输入光束3和第四输入光束4相干合并成第二叠加光束U2。第三合束装置K3用于通过将第一叠加光束U1和第二叠加光束U2相干叠加来形成输出光束6。
第一叠加光束U1是在第一合束装置K1中第一和第二输入光束1、2相干合并或叠加时形成的，其特性取决于第一和第二输入光束1、2的相对相位位置其对应于第一输入光束1的相位/>与第二输入光束2的相位/>之间的相位差/>相应地，第二叠加光束U2是在第二合束装置K2中第三和第四输入光束3、4相干合并或叠加时形成的，其特性取决于第三和第四输入光束3、4的相对相位位置/>其对应于第三输入光束3的相位与第四输入光束4的相位/>之间的相位差/>
输出光束6的特性取决于第一叠加光束U1的特性、第二叠加光束U2的特性以及第一和第二输入光束1、2与第三和第四输入光束3、4之间的相对相位差由于在形成相对相位位置/> 时四个输入光束1至4的绝对相位并不重要，因此可以将相对相位差/>例如定义为第一输入光束1与第三输入光束3之间的相位差 因此，为了在相干叠加时独立地设置功率PA和偏振方向R而设置的参数是四个输入光1至4的这里所述的三个相对相位位置/>
图1a-c所示的叠加装置5各自具有至少一个合束装置K1、K2、K3，合束装置形成马赫-曾德尔干涉仪7a-c。在图1a,b所示的叠加装置5的情况下，第三合束装置K3构造为马赫-曾德尔干涉仪7c，而在图1c所示的示例中，第一和第二合束装置K1、K2构造为马赫-曾德尔干涉仪7a,b。
图1a所示的叠加装置5具有第一合束装置K1，该第一合束装置具有用于将第一和第二输入光束1、2相干叠加成第一叠加光束U1的强度分束器8a。相应地，叠加装置5的第二合束装置K2也具有用于将第二和第三输入光束3、4相干叠加成第二叠加光束U2的强度分束器8b。
如上所述，第三合束装置K3构造为马赫-曾德尔干涉仪7c，并且具有第一光束通道10和第二光束通道11。马赫-曾德尔干涉仪7c还包括用于将两个叠加光束U1、U2相干叠加以及分束成第一部分光束T1(其在第一光束通道10中传播)和第二部分光束T2(其在第二光束通道11中传播)的分束元件12。合束元件13用于将两个部分光束T1、T2相干叠加成输出光束6。第一反射器14被布置在第一光束通道10中，并且使第一部分光束T1相对于合束元件13偏转90°。相应地，第二反射器15被布置在第二光束通道11中，并且使第二部分光束T2相对于合束元件13偏转90°。
在图1a所示的叠加装置5的情况下，分束元件12和合束元件13构造为(非偏振)50％强度分束器。图1a中的马赫-曾德尔干涉仪7c具有偏振旋转光学元件形式的偏振影响装置，该偏振旋转光学元件是适当定向的石英晶体形式的光学旋转器16。光学旋转器16使第二部分光束T2的偏振方向R2旋转90°，使得在穿过光学旋转器16之后第二部分光束T2的偏振方向R2与第一部分光束T1的偏振方向R1平行定向。不言而喻，如果在相应的光束通道10、11中布置了两个或更多个光学旋转器而不是单个光学旋转器16，则也可以实现两个部分光束T1、T2的这种平行定向，这些旋转器使两个部分光束T1、T2的相应的偏振方向R1、R2适当旋转。
在图1a所示的叠加装置5的情况下，用于相干叠加的第一和第二合束装置K1、K2各自具有强度分束器8a、8b。针对在图1a的叠加装置中的相干叠加，以圆偏振(也就是说圆偏振态)将第一输入光束1和第二输入光束2提供给第一合束装置K1。相应地，以圆偏振态将第三输入光束3和第四输入光束4提供给第二合束装置K2。第一和第二输入光束1、2的圆偏振态的旋转方向D1与第三和第四输入光束3、4的圆偏振态的旋转方向D2相反。
通过设置第一输入光束1与第二输入光束2之间的相对相位位置在第一合束装置K1的强度分束器8a中相干叠加的情况下，可以将第一叠加光束U1的功率的值设置在第一和第二输入光束1、2的功率P1、P2之和的0％与100％之间。相应地，通过设置第三输入光束3与第四输入光束4之间的相对相位位置/>在第二合束装置K2的强度分束器8b中相干叠加的情况下，可以将第二叠加光束U2的功率的值设置在第三和第四输入光束3、4的功率P3、P4之和的0％与100％之间。以这种方式可以借助第一和第二合束装置K1、K2来设置输出光束6的功率PA或强度。
在图1a所示的示例中，输出光束6的偏振方向R是通过设置或预给定两对输入光束1、2与3、4之间的相位位置来设置的：在第三合束装置K3的马赫-曾德尔干涉仪7c的分束元件12处相干叠加的情况下，两个相反圆偏振的叠加光束U1、U2就用于形成上述两个线偏振的部分光束T1、T2，其偏振方向R1、R2相对于彼此最初被旋转90°，但使用光学旋转器16彼此平行定向，使得以期望的偏振方向R生成线偏振输出光束6，该期望的偏振方向可以独立于功率PA来设置。
图1a所示的叠加装置5具有三个诊断输出端D，这三个诊断输出端形成第一合束装置K1的第一强度分束器8a、第二合束装置K2的第二强度分束器8b以及第三合束装置K3的合束元件13的相应第二反相输出端。三个诊断光束可以用于确定和监测输出光束6或相应叠加光束U1、U2的偏振态或偏振方向R和功率PA，这三个诊断光束出现在三个诊断输出端D处。
这是可能的，因为诊断输出端D处的诊断光束的功率与第三合束装置K3的输出端A处的功率之和是恒定的，并且与相对相位位置 无关。此外，诊断光束的偏振方向与输出光束6的偏振方向R垂直。因此，可以在诊断输出端D处间接测量偏振方向R的实际值和输出光束6的功率PA的实际值。这个测量值可以用于调整或调节输入光束1至4的相应功率P1至P4和相应相位位置/> 以便设置输出光束6的偏振方向R或功率PA的设置值。为此，也可以作用于光学旋转器16上或叠加装置5的其他光学部件上，这些光学部件可以为此具有可设置的设计。然而，与输入光束1至4的相对相位位置/> 的高度动态设置相比，借助诊断输出光束D的调节典型地在更长的时间尺度上运行。
由于在诊断输出端D处出射的诊断光束相对于输出光束6是反相的，因此该诊断光束不仅可以用于诊断目的，还用作另外的输出光束，其用于与输出光束6类似的应用中。例如，在由写入透明材料的体积中以进行光学数据存储的体素组成的应用的情况下，诊断输出端D或诊断光束可以用于并行写入“反相”体素，这些体素可以用于提高数据安全性并在读出数据时校正错误。这同样适用于下述叠加装置5的诊断输出端D。
图1b所示的叠加装置5与图1a所示的叠加装置5的主要区别在于，第一合束装置K1和第二合束装置K2具有偏振分束器9a和9b，而不是图1a所示的强度分束器8a,b。在图1b所示的示例中，马赫-曾德尔干涉仪7c的分束元件12和合束元件13也是偏振分束器的形式。偏振分束器9a,b、12、13在图1b和下图中通过圆点和双头箭头(s/p偏振)来表征，以便使其区别于强度分束器。
图1b所示的叠加装置5与图1a所示的叠加装置的不同之处还在于，干涉仪7c具有两个偏振旋转光学旋转器16a,b形式的两个偏振影响装置，这两个偏振旋转光学旋转器构造为将两个部分光束T1、T2中的相应一个部分光束的偏振方向R1、R2旋转45°并被分别地布置在第一光束通道10和第二光束通道11中。
此外，图1b所示的叠加装置5与图1a所示的叠加装置的不同之处在于，用于将第一叠加光束U1的偏振方向旋转45°和用于将第二叠加光束U2的偏振方向旋转45°的相应另外的偏振旋转光学元件17a,b被分别地布置在光束路径中第一和第二合束装置K1、K2的相应偏振分束器9a、9b的后方。
从图1b中可以看出，提供给第一合束装置K1的第一和第二输入光束1、2是线偏振的，并且它们的偏振方向相对于彼此垂直定向。相应地，提供给第二合束装置K2的第三和第四输入光束3、4也是线偏振的，并且它们的偏振方向相对于彼此垂直定向。如图1b所示，在一般情况下，第一和第二输入光束1、2用于形成第一椭圆偏振叠加光束U1，其偏振方向(椭圆偏振的长半轴)借助第一合束装置K1的另外的光学旋转器17a旋转45°，并且第三和第四输入光束3、4用于形成第二椭圆偏振叠加光束U2，其偏振方向借助第二合束装置K2的另外的光学旋转器17b旋转45°。
图1b所示的叠加装置5，以与图1a所示的叠加装置5类似的方式，使得可以独立地设置输出光束6的功率PA和偏振方向R。从图1b中可以看出，叠加装置5在第三合束装置K3处仅具有单个“反相”诊断输出端D。
与图1b中的图示不同，如果第一和第二合束装置K1和K2中偏振分束器9a,b的优选轴线相对于第三合束装置K3的构造为偏振分束器形式的分束元件12和合束元件13的优选轴线相对于彼此旋转45°，则可以省去第一和第二合束装置17a,b中的另外的光学旋转器17a,b。
图1c所示的叠加装置5与图1b所示的叠加装置5不同之处在于，不是第三合束装置K3，而是马赫-曾德尔干涉仪7a,b构造为第一和第二合束装置K1、K2。在图1c所示的示例中，相应的另外的光学旋转器17a,b(其使相应的偏振方向旋转45°)被布置在第一和第二输入光束1、2的光束路径中第一合束装置K1的干涉仪7a的分束元件12的前方。相应地，相应的另外的光学旋转器17c,d(其使偏振方向旋转45°)被布置在第三和第四输入光束3、4的光束路径中第二合束装置K2的干涉仪7b的分束元件12的前方。在第一和第二合束装置K1、K2中形成的叠加光束U1、U2在第三合束装置K3中被相干叠加，该第三合束装置构造为强度分束器8c。图1c中的四个输入光束1至4的偏振方向对应于图1b中的四个输入光束1至4的偏振方向。
如上所述，借助图1a-c中所述的叠加装置5(其中合束装置K1至K3中的至少一个包括相应的干涉仪7a-c)可以仅通过设置相对相位位置 来彼此独立地设置输出光束6的偏振方向R和功率PA。图1a-c所示的叠加装置5也可以借助非马赫-曾德尔干涉仪7a-c的干涉仪来实现。
在图1a所示的叠加装置5的情况下，仅使用了强度分束器8a、8b、12、13；在图1b所示的叠加装置5的情况下，仅使用了偏振分束器9a、9b、12、13。然而，不言而喻，也可以使用偏振分束器和强度分束器的组合，例如图1c中的叠加装置5就是这种情况。图1a-c所示的叠加装置5从设计角度来看基本上可以按比例缩放并且可以级联，并且在干涉仪7a,b,c和其他叠加部件的顺序方面也是灵活的。
图2a-d示出了叠加装置5的示例，这些叠加装置同样使得可以独立地设置输出光束6的偏振方向R和功率PA，并且在这种情况下同样可以产生四个输入光束1至4的最大相长干涉。与图1a-c中所示的示例相比，在图2a-d中所示的叠加装置5的情况下，这不需要干涉仪7a-c。
图2a-d所示的叠加装置5具有共同的特征，即第一、第二和第三合束装置K1、K2、K3各自具有用于将第一和第二输入光束1、2、第三和第四输入光束3、4以及第一和第二叠加光束U1、U2相干叠加的强度分束器8a-c或偏振分束器9a-c。针对相干叠加，典型地需要至少一个合束装置K1、K2、K3具有偏振分束器9a-c。在图2a所示的叠加装置5的情况下，第三合束装置K3具有偏振分束器9c，而在图2b-d所示的叠加装置5的情况下，第一和第二合束装置K1、K2各自具有偏振分束器9a、9b。在图2a-d所示的叠加装置5的合束装置K1至K3的情况下，不会发生如图1a-c的干涉仪7a-c的情况那样分束成两个部分光束T1、T2。
图2a-d所示的叠加装置5还具有共同的特征，即第一、第二和第三合束装置K1、K2和K3中的至少一个具有相移元件，该相移元件在所示的示例中是λ/4延迟装置20a-c的形式并且在光束路径中布置在相应的合束装置K1至K3的强度分束器8a-c或偏振分束器9a-c的后方，分别用于产生第一叠加光束U1、第二叠加光束U2和输出光束6的线偏振。λ/4延迟装置20a-c使得可以通过设置第一与第二输入光束1、2、第三与第四输入光束3、4、以及第一与第二叠加光束U1、U2之间的相位差 来使在相干叠加期间形成的第一叠加光束U1、第二叠加光束U2和输出光束6的偏振方向R1、R2、R旋转。结合两级叠加中的相应其他级，结果是输出光束6的功率PA的附加可设置性。
在图2a-d所示的叠加装置5的情况下，入射的光束(各自具有相同的偏振态，在图2a-c中具有相同的偏振方向)被分别地提供给第一、第二和第三合束装置K1、K2和K3的相应强度分束器8a-c。
在图2a所示的叠加装置5的情况下，第一和第二输入光束1、2(其在第一合束装置K1的强度分束器8a中被相干叠加)各自具有偏振方向相同的线偏振。相应地，图2a的叠加装置5的第二合束装置K2的第三和第四输入光束3、4也各自具有偏振方向相同的线偏振态。在图2c所示的叠加装置5的情况下，两个叠加光束U1、U2(其被提供给第三合束装置K3的强度分束器8c)各自具有偏振方向相同的线偏振态。在图2d所示的叠加装置5的情况下，第一和第二叠加光束U1、U2各自以分别相同的椭圆偏振态被提供给第三合束装置K3。
如果相应的合束装置K1至K3具有用于相干叠加的偏振分束器9a-c，则在图2a-d所示的示例情况下，进入该合束装置的光束的偏振方向R1、R2相对于彼此垂直定向。对于图2a、b所示的叠加装置5，在这种情况下，用于相干叠加的第三合束装置K3具有偏振分束器9c，第一和第二叠加光束U1、U2的偏振方向R1、R2相对于彼此垂直定向。这同样适用于图2b所示的叠加装置5。为了使输出光束6的功率PA为输入光束1至4的功率P1至P4之和的100％或0％，也就是说为了使干涉最大化，以便能够分别地设置完全相长干涉或完全相消干涉，这是必要的。如果偏转装置5不旨在产生最大或最小的相长干涉，则在适当的情况下，可以与偏振方向R1、R2的垂直定向有所偏离。类似地，在图2b-d所示的叠加装置5的情况下，第一和第二输入光束1、2以及第三和第四输入光束3、4(其分别地进入第一和第二合束装置K1、K2的相应偏振分束器9a,b)的偏振方向R1、R2被分别地各自相对于彼此垂直定向。图2a-d的叠加装置5的合束装置K1、K2、K3的偏振分束器9a-c的偏振轴线各自与相应的输入光束1至4的偏振方向R1、R2平行定向。
在图2a所示的叠加装置5的情况下，第一合束装置K1可以用于通过将第一输入光束1与第二输入光束2之间的相对相位位置设置在两个输入光束1、2的功率P1和P2之和的0％与100％之间来设置第一叠加光束U1的功率。这同样适用于第二叠加光束U2，其功率基于第三与第四输入光束3、4之间的相对相位位置/>来设置。第一与第二输入光束1、2之间的相对相位位置/>以及第三与第四输入光束3、4之间的相对相位位置/>优选地被选择为具有相同的幅度，使得两个叠加光束U1、U2以相同的功率入射在第三合束装置K3的偏振分束器9c上。
通过设置第一叠加光束U1与第二叠加光束U2之间的相对相位位置设置了椭圆度，更具体地说，设置了第三合束装置K3的偏振分束器9c的输出端处的椭圆偏振的两个半轴之间的纵横比。由于偏振分束器9c的偏振轴线相对于两个叠加光束U1、U2的偏振方向R1、R2的平行定向，因此在第三合束装置K3的偏振分束器9c中相干叠加的情况下就产生了椭圆偏振，该椭圆偏振的半轴相对于两个叠加光束U1、U2的偏振方向R1、R2成45°定向。通过在光束路径中跟随的λ/4延迟装置20c，该λ/4延迟装置20c在所示的示例中构造为λ/4片，并且其优选方向与椭圆偏振的优选方向平行(也就是说，在图2b所示的示例中，相对于偏振轴线或偏振方向R1、R2成45°)定向，将输出光束6的椭圆偏振转换为线偏振。输出光束6的偏振方向R取决于椭圆偏振的纵横比，并且因此可以通过设置相对相位位置/>来设置。
在图2b所示的叠加装置5的情况下，第一和第二合束装置K1和K2各自具有偏振分束器9a、9b，而不是强度分束器8a、8b，其后方是构造为λ/4片的λ/4延迟装置20a,b。第一和第二合束装置K1、K2的功能方式对应于图2a的第三合束装置K3的功能：由第一和第二输入光束1、2形叠加光束U1，叠加光束U1在第一合束装置K1的λ/4延迟装置20a处被线偏振之前，最初处于椭圆偏振态。这同样适用于第三和第四输入光束3、4，由此在第二合束装置K2中形成第二叠加光束U2。因此，设置第一和第二输入光束1、2的相对相位位置以及第三和第四输入光束3、4的相对相位位置/>使得可以设置第一和第二叠加光束U1、U2的相应的线偏振方向R1、R2。将叠加光束U1、U2的偏振方向R1、R2相对于第三合束装置K3的偏振分束器9c的优选轴线V定向使得可以对叠加光束U1、U2的功率到输出端A和诊断输出端D的分束进行设置，并且因此设置输出光束6的功率PA。
与图2b所示的图示不同如果第三合束装置K3的偏振分束器9c的偏振轴线V相对于第一和第二偏振方向R1、R2成45°角定向，则可以省去两个λ/4延迟装置20a、20b，如图2b所示。在图2b中，也可以使用使两个叠加光束U1、U2的偏振方向旋转45°的光学旋转器，而不是λ/4延迟装置20a、20b，并且因此产生与第三合束装置K3的偏振分束器9c的偏振轴线V相对于第一和第二偏振方向R1、R2旋转45°相同的效果。在这种情况下，第三合束装置K3的偏振分束器9c的偏振轴线与第一和第二偏振方向R1、R2平行定向。在这里所述的所有情况下，叠加光束U1、U2的优选偏振方向与第三合束装置K3的偏振分束器9c的偏振轴线平行定向，因为否则叠加光束U1、U2的一些功率被提供给诊断输出端D而无法被引入输出光束6中。
两个叠加光束U1、U2的偏振方向R1、R2在这里优选地被选择为使得它们将相同比例的功率引入输出光束6中。以这种方式，像在图2b的叠加装置5的情况中一样，产生与两个叠加光束U1、U2的偏振方向R1、R2成45°定向的椭圆偏振。借助第三合束装置K3的λ/4延迟装置20c，从输出光束6的椭圆偏振态形成具有可设置偏振方向R的输出光束6的线偏振态。
图2c所示的叠加装置5具有第一和第二合束装置K1、K2，第一和第二合束装置构造为与图2b所示的叠加装置5类似并且使得可以通过分别设置第一和第二输入光束1、2以及第三和第四输入光束3、4的相对相位位置来分别预给定第一和第二叠加光束U1、U2的线偏振方向R1、R2。在图2c所示的叠加装置5的情况下，相对相位位置/>优选地被设置为使得两个叠加光束U1、U2具有相同的偏振方向R1、R2。输入光束1至4的功率被设置为使得，在没有叠加的情况下，相同的功率被传输至输出光束6。设置两个叠加光束U1、U2之间的相对相位位置/>使得可以借助第三合束装置K3的上述强度分束器8c来设置输出光束6的功率PA，具体来说，设置在输入光束1至4的功率P1至P4之和的0％至100％之间的范围内。
在图2d所示的叠加装置5的情况下，用于相干叠加的第一和第二合束装置K1、K2各自具有偏振分束器9a,b，这些偏振分束器生成第一和第二椭圆偏振叠加光束U1、U2。在四个输入光束1至4的这里规定的相同功率P1至P4的情况下，结果是椭圆偏振，其主轴相对于一个或多个偏振轴线V以及相对于相应输入光束1、2和3、4的两个偏振方向R1、R2成45°定向。如果相对相位位置 发生变化，则极值可以从圆偏振到线偏振。此外，还可以设置输入耦合至第一叠加光束U1和第二叠加光束U2的功率。优选地，两个相对相位位置/> 被选择为具有相同的幅度，以便将两个叠加光束U1、U2以基本上相同的功率提供给第三合束装置的强度分束器8c。同样，两个叠加光束U1、U2的偏振、更具体地说椭圆偏振态以这种方式设置为相同的。以这种方式，在两个叠加光束U1、U2通过布置在第三合束装置K3的强度分束器8c后方的λ/4延迟装置20c叠加时，生成具有可设置偏振方向R的线偏振输出光束6。
在图2a-d所示的叠加装置5的情况下，用于相干叠加的三个合束装置K1、K2、K3各自具有单独的光学部件形式的强度分束器8a-c或偏振分束器9a-c。然而，不一定是这种情况，相反，可以使用具有一个或多个公共光学部件的两个或更多个合束装置K1、K2、K3用于相干叠加。
图3a示出了叠加装置5，其功能对应于图2b所示的叠加装置5的功能，并且在这种情况下，三个偏振分束器9a-c被组合在构造为公共偏振分束器形式的单个光学部件中。这里，第一和第二输入光束1、2、第三和第四输入光束3、4以及两个叠加光束U1、U2沿着公共偏振分束器9a、9b、9c在不同的位置处被叠加。同样，图2b的叠加装置5的第一和第二合束装置K1、K2的两个λ/4延迟装置20a,b构造为公共λ/4延迟片20a,b的形式。两个偏转反射镜14、15用于将第一和第二叠加光束U1、U2偏转至公共偏振分束器9a,b,c以相干叠加成输出光束6。
图3b所示的叠加装置5在功能上对应于图2d所示的叠加装置5，但第一和第二合束装置K1、K2构造为公共偏振分束器9a、9b的形式。偏转反射镜14用于使第一叠加光束U1偏转至强度分束器8c，该强度分束器与λ/4延迟片20c一起形成叠加装置5的第三合束装置K3。
上述叠加装置5构造用于将四个输入光束1至4相干叠加成相干叠加的输出光束6。然而，叠加装置5也可以用于将多个组的四个输入光束叠加成分配给相应组的相应输出光束。
举例来说，图4示出了这种叠加装置5'，该叠加装置构造用于将三个组(每个组具有四个输入光束1a-c、2a-c、3a-c、4a-c)相干叠加，以形成相应的公共输出光束6a-c。如图3a、3b所示的示例，这通过以下方式实现：两个偏振分束器9a、9b足够大以能够使第一和第二输入光束1a-c、2a-c以及第三和第四输入光束3a-c、4a-c分别在不同的横向偏移位置处相干叠加。这里分别形成的叠加光束在公共强度分束器8c的不同的横向偏移位置处被对应地相干叠加。以这种方式，可以彼此独立地设置三个输出光束6a-c的线偏振态(图4所示)及其功率。不言而喻，不仅将三组输入光束1a-c、2a-c、3a-c、4a-c相干叠加，通过使用适当设计的叠加装置5'，还可以将更多或更少数量组的输入光束相干叠加。
图5a-c示出了光学系统30，该光学系统具有用于生成激光束E的光束源31和用于将激光束E(更精确地说，激光束E的功率)等分地分束成四个相互相干的输入光束1至4的分束装置32，使得四个输入光束1至4在分束后具有相同的功率P1至P4。光学系统30还包括相位调制装置33，该相位调制装置构造为快速调制四个输入光束1至4的相对相位位置 (参见图1a)。叠加装置5(其相干叠加四个输入光束1至4并形成输出光束6)在光束路径中被布置在在相位调制装置33的后方。叠加装置5可以例如如图1a-c、图2a-d或图3a,b所示构造。
光学系统30还具有应用装置34，在所示的示例中，该应用装置是加工头形式的加工装置，该加工装置用于使用输出光束6对工件进行加工。为了将输出光束6或多个输出光束6a-c(见下文)相对于工件定位，应用装置34可以具有用于移动加工头和/或工件的平移运动单元。应用装置还可以具有扫描仪装置，该扫描仪装置用于动态光束定位(2D、2.5D)、和/或构造为进行时空光束成形、位置检测(在工艺之前)和/或工艺控制(原位、非原位)。
在图5a所示的光学系统30情况下，分束装置32被布置在光束源31中，并且光束源31将四个输入光束1至4输入耦合至相位调制装置33中。在图5b所示的光学系统30情况下，分束装置32被布置在相位调制装置33中，并且光束源31将激光束E输入耦合至相位调制装置33中。在图5c所示的光学系统30情况下，转换装置35被布置在相位调制装置33与叠加装置5之间。转换装置35可以执行一个或多个功能，并且可以以各种方式设计，如下文将更详细地描述的。
在图5c所示的示例的情况下，光束源31是MOPA(主振式功率放大器)系统的种子激光器。在这种情况下，转换装置35是MOPA系统的功率放大器，其中四个输入光束1至4在提供给叠加装置5之前被放大。在这种情况下，相位调制装置33在光束路径中被布置在功率放大器或转换装置35的前方。这是有利的，因为在这种情况下，在相位调制装置33中，可以使用不必具有高性能或高效率的光学部件。相比之下，在构造为MOPA系统形式的光学系统30情况下，由于使用了功率放大器，输出光束6的平均功率和/或峰值功率较大。然而，光学系统30的转换装置35也可以是不同类型的光学放大器。
光束源31可以构造为用于生成cw激光束和/或脉冲激光束E。例如，光束源31可以生成具有激光脉冲的超短脉冲激光束，这些激光脉冲的脉冲持续时间的量级为皮秒(ps)或飞秒(fs)。在超短脉冲激光器的情况下，通常使用所谓的啁啾脉冲放大(CPA)，其中在时间上拉长的脉冲先被放大、然后被压缩。CPA技术可以与四个输入光束1至4的如这里所述的相干耦合相组合以在叠加装置5中形成输出光束6。在这种情况下，转换装置35可以例如形成或包括CPA系统的脉冲压缩器。然而，转换装置35通常也可以构造用于对输入光束1至4进行脉冲整形，在这种情况下，这些输入光束是脉冲式的。
转换装置35也可以用于对四个输入光束1至4进行频率转换。在这种情况下，叠加装置5中的相干叠加与在光束路径中位于合束装置5前方的转换装置35中进行的频率转换相组合。光学系统30(也构造为MOPA系统的形式)与布置在光束源31与叠加装置5之间的频率转换装置兼容。
不言而喻，转换装置35也可以构造为执行上述功能中的若干个功能、或其他功能。例如，转换装置35可以用于设置或调整相应应用所需的光束参数或脉冲参数，比如脉冲能量、脉冲持续时间等。转换装置35还可以用于光束传输或灵活的光束导向。光学系统30也可以具有多个转换装置35。
举例来说，转换装置35可以被集成在应用装置34中并用于影响输出光束6的偏振。举例来说，为了将输出光束6提供给工件，应用装置34或转换装置35可以具有双折射部件，例如光纤、特别是基于光纤的放大器。在这种情况下，叠加装置5可以对在输出光束6被提供给工件时产生的双折射执行初步补偿。典型地，初步补偿是通过适当地调整由相位调制装置33设置的相对相位位置 来执行的，以便在工件处实现输出光束6的偏振态或偏振方向R与功率PA的期望组合。由此，也可以在光学系统30中使用非偏振保持型传输光纤，或者借助于在(典型地基于光纤的)功率放大器的前方进行叠加来改变MOPA概念，在这种情况下，该功率放大器被集成在应用装置34中。
图6所示的光学系统30'与图5a-c所示的光学系统30的不同之处在于，三个组(每个组具有四个输入光束1a至4a、1b至4b、1c至4c)被提供给叠加装置5'，该叠加装置构造为如图4所示。相应组的四个输入光束1a至4a、1b至4b、1c至4c在叠加装置5'中被相干合并，以形成相应的公共输出光束6a-c，该公共输出光束被提供给应用装置34'。相位调制装置33'和分束装置32'被调整以与总共十二个输入光束1a至4a、1b至4b、1c至4c的数量相匹配。不言而喻，在图6所示的示例中，光束源31'不一定需要生成单个输入光束E，该单个输入光束被分束成总共十二个输入光束1a至4a、1b至4b、1c至4c，因为仅相应组中的四个输入光束1a至4a、1b至4b、1c至4c需要相对于彼此相干。
因此，图6的光学系统30'还可以具有光束源31'，该光束源包括用于为每组输入光束1a至4a、1b至4b、1c至4c产生相应的专用激光束E的三个激光源。在这种情况下，相位调制单元33'如上所述被设计，并用于为每组四个输入光束1a至4a、1b至4b、1c至4c彼此独立地设置相对相位位置。转换装置35也可以构造为针对三组输入光束1a至4a、1b至4b、1c至4c中的每一组彼此独立地执行转换。这使得可以特别是通过例如以不同的参数操作光束源31'的三个激光源或通过在转换装置35中以不同的方式转换三组输入光束1a至4a、1b至4b、1c至4c，来在三个输出光束6a-c中组合不同的参数。不同的参数可以分别涉及功率、重复频率、脉冲持续时间、波长或者三组输入光束1a至4a、1b至4b、1c至4c与相关联的输出光束6a-c之间的时间偏移。
如图4所示，图6所示的三个输出光束6a-c也可以在叠加装置5'的空间合束装置36中在空间上被叠加或组合。在(可选)空间组合的情况下，仅单个输出光束6被提供给应用装置34'。如果在转换装置35中执行到三组输入光束1a至4a、1b至4b、1c至4c的相应不同光谱分布的转换或者如果光束源31'构造为生成具有不同波长的三个激光束(这些激光束能够进行波长选择性偏转以在空间合束装置36中叠加)，则输出光束6a-c可以例如通过波长复用来叠加。不言而喻，作为三个输出光束6a-c的替代性方案，也可以在叠加装置5'中或其前方在空间上叠加相应组的输入光束1a至4a、1b至4b、1c至4c。
例如，上述光学系统30、30'可以用于将体素写入透明材料以进行数据存储。光学系统30、30'还可以用于基于在空间上相关的偏振操纵来生产光学部件。由光学系统30、30'产生的快速偏振变化也可以有利地用于其他应用，例如用于分析方法。
不言而喻，使用上述光学系统30、30'的光学部件或零部件实现的功能也可以使用提供相同功能的、设计有所不同的光学部件来实现。

Claims (19)

1.一种用于将四个相互相干的输入光束(1至4，1a至4a)相干叠加成输出光束(6，6a)的叠加装置(5，5')，包括：
四个输入端(E1至E4)，用于所述输入光束(1至4，1a至4a)中的相应一个输入光束的入射，
用于所述输出光束(6，6a)的出射的输出端(A)，
用于将第一输入光束(1，1a)和第二输入光束(2，2a)相干合并成第一叠加光束(U1)的第一合束装置(K1)，
用于将第三输入光束(3，3a)和第四输入光束(4，4a)相干合并成第二叠加光束(U2)的第二合束装置(K2)，以及
用于通过所述第一叠加光束(U1)和所述第二叠加光束(U1)的相干合并来形成所述输出光束(6，6a)的第三合束装置(K3)，
其中，所述叠加装置(5，5)构造为，根据提供给所述四个输入端(E1至E4)的输入光束(1至4，1a至4a)的各个相位(φ1，φ2，φ3，φ4)相对于彼此的相对相位位置(Δφ12；Δφ34；Δφ12,34)，彼此独立地设置所述输出光束(6，6a)的偏振态、特别是偏振方向(R)、以及功率(PA)。
2.根据权利要求1所述的叠加装置，其中，所述第一、第二和/或第三合束装置(K1，K2，K3)具有或形成干涉仪、优选地马赫-曾德尔干涉仪(7a-c)，具有用于传播第一部分光束(T1)的第一光束通道(10)和用于传播第二部分光束(T2)的第二光束通道(11)。
3.根据权利要求2所述的叠加装置，其中，所述第一合束装置(K1)的干涉仪(7a)包括用于将相干叠加的第一和第二输入光束(1)分束成两个部分光束(T1，T2)的分束元件(12)、以及用于将所述两个部分光束(T1，T2)相干叠加以形成所述第一叠加光束(U1)的合束元件(13)，
和/或
其中，所述第二合束装置(K3)的干涉仪(7b)包括用于将相干叠加的第二和第三输入光束(3，4)分束成两个部分光束(T1，T2)的分束元件(12)、以及用于将所述两个部分光束(T1，T2)相干叠加以形成所述第二叠加光束(U2)的合束元件(13)。
4.根据权利要求2或3所述的叠加装置，其中，所述第三合束装置(K3)的干涉仪(7c)包括用于将所述第一和第二叠加光束(U1，U2)分束成两个部分光束(T1，T2)的分束元件(12)、以及用于将所述两个部分光束(T1，T2)相干叠加以形成所述输出光束(6)的合束元件(13)。
5.根据权利要求2至4之一所述的叠加装置，其中，所述干涉仪(7a-c)具有至少一个偏振影响装置(16)，所述至少一个偏振影响装置用于优选地以固定预给定的方式影响所述部分光束(T1，T2)中的至少一个部分光束的偏振态、特别是偏振方向(R1，R2)。
6.根据权利要求5所述的叠加装置，其中，所述分束元件(12)和所述合束元件(13)构造为强度分束器，所述干涉仪(7c)具有偏振旋转光学装置、特别是光学旋转器(16)作为偏振影响装置，所述偏振旋转光学装置用于使所述两个部分光束(T1，T2)的偏振方向(R1，R2)相对于彼此垂直定向。
7.根据权利要求6所述的叠加装置，所述叠加装置构造为以圆偏振和相应相反的旋转方向(D1，D2)将所述第一和第二输入光束(1，2)、所述第三和第四输入光束(3，4)或所述第一和第二叠加光束(U1，U2)提供给所述干涉仪(7c)的分束元件(12)。
8.根据权利要求5所述的叠加装置，其中，所述分束元件(12)和所述合束元件(13)构造为偏振分束器，所述干涉仪(7c)具有两个偏振旋转光学装置、特别是两个光学旋转器(16a，16b)作为偏振影响装置，所述两个偏振旋转光学装置用于将所述两个部分光束(T1，T2)中的相应一个部分光束的偏振方向(R1，R2)旋转45°。
9.根据权利要求8所述的叠加装置，还包括：至少两个偏振影响光学元件、特别是偏振旋转光学元件(17a，17b；17c，17d)，所述偏振影响光学元件在所述光束路径中布置在所述干涉仪(7a-c)的分束元件(12)的前方，并且优选地构造为将所述第一和第二输入光束(1，2)、所述第三和第四输入光束(3，4)或所述第一和第二叠加光束(U1，U2)的偏振方向旋转45°。
10.根据前述权利要求中任一项所述的叠加装置，其中，用于将所述第一输入光束(1)和所述第二输入光束(2)相干合并的所述第一合束装置(K1)、用于将所述第三输入光束(3)和所述第四输入光束(4)相干合并的所述第二合束装置(K2)、和/或用于将所述第一叠加光束(U1)和所述第二叠加光束(U2)相干合并的所述第三合束装置(K3)具有强度分束器(8a-c)或偏振分束器(9a-c)。
11.根据权利要求10所述的叠加装置，所述叠加装置构造为以相应相同的偏振态、特别是以相同的偏振方向(R1，R2)将所述第一和第二输入光束(1，2)、所述第三和第四输入光束(3，4)或所述第一和第二叠加光束(U1，U2)提供给所述强度分束器(8a；8b，8c)。
12.根据权利要求10或11所述的叠加装置，所述叠加装置构造为将分别具有两个相互垂直的偏振方向(R1，R2)的第一和第二输入光束(1，2)、第三和第四输入光束(3，4)或第一和第二叠加光束(U1，U2)提供给所述偏振分束器(9a-c)。
13.根据权利要求10至12之一所述的叠加装置，其中，所述第一合束装置(K1)构造为用于根据所述第一输入光束、优选地线偏振的第一输入光束(1)与所述第二输入光束、优选地线偏振的第二输入光束(2)之间的相对相位位置(Δφ12)来设置所述第一叠加光束(U1)的偏振态、特别是旋转偏振方向(R1)，
和/或
其中，所述第二合束装置(K2)构造为用于根据所述第三输入光束、优选地线偏振的第三输入光束(3)与所述第四输入光束、优选地线偏振的第四输入光束(4)之间的相对相位位置(Δφ34)来设置所述第二叠加光束(U2)的偏振态、特别是旋转偏振方向(R2)，
和/或
其中，所述第三合束装置(K3)构造为用于根据所述第一叠加光束(U1)与所述第二叠加光束(U2)之间的相对相位位置(Δφ12；34)来设置所述输出激光束(6)的偏振态、特别是旋转所述输出激光束(6)的偏振方向(R)。
14.根据权利要求10至13之一所述的叠加装置，其中，为了产生所述第一叠加光束(U1)、所述第二叠加光束(U2)和/或所述输出光束(6)的线偏振，所述第一、第二和/或第三合束装置(K1，K2，K3)具有相移元件、特别是λ/4延迟装置(20a-c)，所述相移元件在所述光束路径中布置在所述强度分束器(8a-c)或所述偏振分束器(9a-c)的后方。
15.根据前述权利要求中任一项所述的叠加装置，其中，所述四个输入端(E1至E4)构造用于至少四个另外的输入光束(1b，c；2b，c；3b，c；4b，c)的入射，所述输出端(A)构造用于由所述至少四个另外的输入光束(1b，c；2b，c；3b，c；4b，c)相干合并而成的至少一个另外的输出光束(6b，c)的出射。
16.一种光学系统(30，30')，包括：
用于生成激光束(E)的光束源(31，31')，
用于将所述激光束(E)分束成四个相互相干的输入光束(1至4，1a至4a)的分束装置(32，32')，
用于调制所述四个输入光束(1至4，1a至4a)的相对相位位置(Δφ1,2，Δφ2,3，Δφ12,34)的相位调制装置(33，33')，以及
根据前述权利要求中任一项所述的用于将所述四个输入光束(1至4，1a至4a)相干叠加成输出光束(6，6a)的叠加装置(5，5')。
17.根据权利要求16所述的光学系统，其中，所述分束装置(32')构造为将所述激光束(E)或由所述光束源(31')生成的另外的激光束分束成至少四个另外的相互相干的输入光束(1b，c至4b，c)，其中，所述相位调制装置(33')构造为调制所述至少四个另外的输入光束(1b，c至4b，c)的相对相位位置，其中，所述叠加装置(5')构造用于将所述至少四个另外的输入光束(1b，c至4b，c)相干叠加成至少一个另外的输出光束(6b，6c)。
18.根据权利要求16或17所述的光学系统，所述光学系统构造为用于以基本上相同的功率(P1至P4)将所述四个输入光束(1至4，1a至4a)和/或所述至少四个另外的输入光束(1b，c至4b，c)提供给所述叠加装置(5，5')的四个输入端(E1至E4)。
19.根据权利要求16至18之一所述的光学系统，所述光学系统构造为用于以具有预给定偏振方向(R1，R2)的线偏振或以圆偏振将所述四个输入光束(1至4，1a至4a)和/或所述四个另外的输入光束(1b，c至4b，c)提供给所述叠加装置(5，5')的四个输入端(E1至E4)。
CN202280030218.4A 2021-04-23 2022-04-22 叠加装置和光学系统 Pending CN117178443A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021204057.8 2021-04-23
DE102021204057.8A DE102021204057A1 (de) 2021-04-23 2021-04-23 Überlagerungseinrichtung und optisches System
PCT/EP2022/060657 WO2022223761A1 (de) 2021-04-23 2022-04-22 Überlagerungseinrichtung und optisches system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117178443A true CN117178443A (zh) 2023-12-05

Family

ID=81841783

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202280030218.4A Pending CN117178443A (zh) 2021-04-23 2022-04-22 叠加装置和光学系统
CN202280029848.XA Pending CN117178442A (zh) 2021-04-23 2022-04-22 合并装置和光学系统

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202280029848.XA Pending CN117178442A (zh) 2021-04-23 2022-04-22 合并装置和光学系统

Country Status (5)

Country Link
US (2) US20240045223A1 (zh)
EP (2) EP4327419A1 (zh)
CN (2) CN117178443A (zh)
DE (1) DE102021204057A1 (zh)
WO (2) WO2022223780A2 (zh)

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6856459B1 (en) * 2000-12-22 2005-02-15 Cheetah Omni, Llc Apparatus and method for controlling polarization of an optical signal
US7193765B2 (en) * 2005-03-31 2007-03-20 Evans & Sutherland Computer Corporation Reduction of speckle and interference patterns for laser projectors
US7817688B2 (en) 2008-02-19 2010-10-19 Lockheed Martin Coherent Technologies, Inc. Phase and polarization controlled beam combining devices and methods
FR2977989B1 (fr) 2011-07-11 2013-10-25 Ecole Polytech Dispositif et procede passif de combinaison coherente d'une pluralite d'amplificateurs optiques
WO2016133707A1 (en) * 2015-02-17 2016-08-25 President And Fellows Of Harvard College Method and system for polarization state generation
US9792945B1 (en) 2016-11-07 2017-10-17 Seagate Technology Llc 3D optical memory storage cells
DE102017104392A1 (de) 2017-03-02 2018-09-06 Active Fiber Systems Gmbh Schnelle Modulation von Laserstrahlung hoher Leistung
US10181336B1 (en) 2017-08-08 2019-01-15 Microsoft Technology Licensing, Llc Multi-beam optical system for fast writing of data on glass
US10236027B1 (en) 2018-02-12 2019-03-19 Microsoft Technology Licensing, Llc Data storage using light of spatially modulated phase and polarization
SG11202010950RA (en) * 2018-05-14 2020-12-30 Civan Advanced Technologies Ltd Laser beams methods and systems
US11139894B2 (en) * 2019-10-22 2021-10-05 Nokia Solutions And Networks Oy Data transmission on phase components of an optical carrier by direct modulation of reflectors of a laser

Also Published As

Publication number Publication date
EP4327419A1 (de) 2024-02-28
US20240045223A1 (en) 2024-02-08
US20240045222A1 (en) 2024-02-08
DE102021204057A1 (de) 2022-10-27
WO2022223780A2 (de) 2022-10-27
EP4327420A2 (de) 2024-02-28
CN117178442A (zh) 2023-12-05
WO2022223780A3 (de) 2022-12-15
WO2022223761A1 (de) 2022-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lavery et al. Robust interferometer for the routing of light beams carrying orbital angular momentum
JP6453266B2 (ja) 顕微鏡および顕微鏡検査法
US7817688B2 (en) Phase and polarization controlled beam combining devices and methods
TWI810703B (zh) 用於組合與光調制器之相鄰像素相互作用之光束的裝置
CN109164663B (zh) 一种小型化纠缠源及其制备方法、以及设备无关量子随机数发生器
Liu et al. Generation of arbitrary cylindrical vector vortex beams with cross-polarized modulation
US20170176762A1 (en) Universal Polarization Converter
CN101681030B (zh) 光波形整形装置
CN105977780A (zh) 一种用于空间线偏光双向收发的阵列式全光纤自适应耦合控制系统
JP5659631B2 (ja) 偏波制御装置
CN107102436A (zh) 一种补偿任意光学相位延迟的波片组设计方法
Fang et al. Vector mode excitation in few-mode fiber by controlling incident polarization
CN104954120B (zh) 一种基于纯相位型的光学加密‑解密系统
CN112558203B (zh) 一种径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置及方法
CN107065213A (zh) 一种基于单个分光棱镜产生非均匀偏振光束的方法及装置
CN102985870B (zh) 退偏器
CN117178443A (zh) 叠加装置和光学系统
CN102928990A (zh) 改变光束偏振方向二维分布的装置
CN110346939A (zh) 一种基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置及方法
CN210090832U (zh) 一种激光分光和独立输出控制装置
Karpeev et al. Interference shaper of polarization-inhomogeneous laser beams based on a spatial light modulator
CN102545001A (zh) 再生激光放大器
EP3929652B1 (en) Optical converter, optical coupler, optical device, and method for generating polarized radiation
WO2023145524A1 (ja) 光学装置及び光生成方法
Wan et al. Geometric-Phase Polarization Fan-out Grating Fabricated with Deep-UV Interference Lithography

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination