DE112007002368B9

DE112007002368B9 - Verfahren und System zur diffraktiven Hybrid-Kombination von kohärenten und inkohärenten Strahlen durch einen Strahlformer

Info

Publication number: DE112007002368B9
Application number: DE112007002368.6T
Authority: DE
Inventors: Joshua E. Rothenberg; Robert R. Rice; Michael G. Wickham
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 2006-10-05
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2014-02-20
Anticipated expiration: 2027-09-13
Also published as: DE112007002368B4; DE112007002368T5; WO2008045654A3; WO2008045654A2; US20080084605A1; US7436588B2

Abstract

Ein System zum Kombinieren von Lichtstrahlen unterschiedlicher und identischer Wellenlängen zu einem einzigen kombinierten Strahl, welcher im Wesentlichen die gleiche Form wie die einzelnen Strahlen hat, mit: N Oszillatoren, wovon jeder einen Lichtstrahl mit einer anderen von N Wellenlängen aussendet; einem oder mehreren Strahlteilern zum Teilen von jedem der N Strahlen in M Strahlen mit gleicher Wellenlänge; einer Phasenmodulations-Stufe zum Fixieren der Phasen der M Strahlen für jede der N Wellenlängen entsprechend von Phasen-Korrektursignalen; einem diffraktiven optischen Element zum Kombinieren von M × N Lichtstrahlen in N Strahlen, wobei jeder der N Strahlen eine Kombination von M Strahlen ist, die die gleiche Wellenlänge wie die N Strahlen haben; ...

Description

Diese Anmeldung ist artverwandt mit der U.S. Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 11/361,352, eingereicht am 24. Februar 2006; der U.S. Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 11/543,677, eingereicht am 5. Oktober 2006, mit dem Titel ”Method And System For Coherent Beam Combining Using An Integrated Diffractive Beam Combiner and Sampler”, welche gleichzeitig hiermit eingereicht wurde; der U.S. Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 11/543,613, eingereicht am 5. Oktober 2006, mit dem Titel ”Method And System For Difractive Beam Combining Using an Integrated DOE Combiner And Sampler With Passive Phase Control”, welche gleichzeitig hiermit eingereicht wurde; und der U.S. Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 11/543,567, eingereicht am 5. Oktober 2006, mit dem Titel ”Multi-Stage Method and System For Coherent Diffractive Beam Combining”, welche gleichzeitig hiermit eingereicht wurde, wobei all diese Anmeldungen durch Bezugnahme in diese Offenbarung eingeschlossen werden.
Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Kombination von Lichtstrahlen unter Verwendung von diffraktivem Strahlformen in Verbindung mit spektralem Strahlformen.
2. Beschreibung des relevanten Standes der Technik
Hochleistungs-Laser haben viele mögliche Anwendungen. Bei militärischer Anwendung kann ausreichend fokussierte Energie in einem Laserstrahl ein wirksames Mittel für eine Verteidigungsmaßnahme gegen ballistische Projektile sein. In der kommerziellen Anwendung können Hochleistungs-Laser zum Verschweißen von Metallteilen verwendet werden, welche zu dick sind, um durch konventionelle Verfahren verschweißt zu werden. Um die Wirksamkeit der Laser in jeder dieser Anwendungen zu verbessern, kann die von dem Strahl übertragene Leistung durch Fokussieren des Strahls bis auf die Fernfeld-Beugungsgrenze erhöht werden, d. h. auf eine so kleine Querschnittsfläche, wie kohärent theoretisch möglich ist. Ein Laserstrahl, welcher bis hin zu seiner theoretischen Grenze fokussiert wurde, wird als beugungsbegrenzt bezeichnet. Generell betrachtet ist die Leistungssteigerung von Hochleistungs-Lasern durch die physikalischen Grenzen beschränkt, wenn versucht wird, diese Grenze zu erreichen.
Laser sind idealer Weise beugungsbegrenzt ausgelegt, so dass die kleinstmögliche Fokalfläche durch das Produkt aus Brennweite und Beugungs-Grenzwinkel beschränkt ist, was der Wellenlänge des Lichtes geteilt durch die Blendenweite entspricht. D. h., je größer die Blende, umso enger der Brennpunkt. Es gibt jedoch praktische Grenzwerte, was die Weite der Blende angeht, die für jeden optischen Apparat vorgesehen sein kann. Ungenauigkeiten in der Optik resultieren in einer Verschlechterung der Laserstrahl-Wellenfront, welche die Fokussierung beeinträchtigen, und in der Hochleistungsanwendung führen auch thermische Änderungen zu einer Verschlechterung. Das setzt dem Konstrukteur Grenzen in der Fokussierung des Lichtstrahls, was dazu führt, dass der Brennpunkt etwas größer als 1.0-mal der Beugungsgrenze ist (1.0 × DL). In der Praxis versucht der Konstrukteur das Ziel zu erreichen, einen fast an der Beugungsgrenze liegenden Laserstrahl zu erzielen (d. h. einen, welcher sich 1.0 × DL annähert) und so auf höchstmöglichem Energieniveau arbeitet.
Derzeit können selbst die am weitesten entwickelten Laser, welche an der Beugungsgrenze liegende Laserstrahlen erzeugen, nicht genug Leistung per Einheitsfläche liefern, um wirksam für Hochleistungsanwendungen zu dienen. In einem Beispiel kann der optimierte Strahl einen 3 kW Strahl liefern, welcher an der Beugungsgrenze von fast 1.0 liegt. In einem anderen Fall kann der optimierte Strahl einen 10 bis 12 kW Strahl liefern, welcher etwa bei 1,5-mal der Beugungsgrenze liegt. Ein Ziel der weiteren Forschung auf diesem Gebiet ist es, einen Laser zu konstruieren, welcher 100 kW oder mehr mit einem fast beugungsbegrenzten Strahl liefern kann.
Ein Verfahren zum Erhöhen der von einem Laser lieferbaren Leistung ist es, die Leistung von vielen kohärenten Strahlen mit gleicher Phase einer gleichen Wellenlänge durch Vorsehen einer Mehrzahl von optischen Faser-Emittern in einem zweidimensionalen Feld vorzusehen. Ein Strahlteiler kann am Ausgang des Feldes angeordnet sein, um ein Probestrahlnehmen von dem Komponenten-Strahl vorzunehmen. Jeder der Probestrahlen kann zu einem Phasensensor übertragen werden, und ein gemessenes Fehlersignal wird erzeugt und an einen Phasenmodulator für jeden Strahl übermittelt, um sicherzustellen, dass alle Strahlen die gleiche Phase haben. Jedoch auch in dem möglichst dicht gepackten Feld ist der „Füllfaktor” des zusammengesetzten Strahls (das Verhältnis der zusammengesetzten Strahlleistung zu dem Strahl, welcher gleichmäßig das gesamte Feld der Blende ausfüllt und eine gleichmäßige Maximal-Intensität hat) nur ungefähr 70% aufgrund von Lücken zwischen den Fasern und auch aufgrund der Gauß'schen Form jedes einzelnen Strahls. Das Resultat ist eine Verringerung in der Helligkeit um das „Füllfaktor” Verhältnis – Der fokussierte zusammengesetzte Strahl weist eine mittige Maximal-Intensität auf, welche dem Füllfaktor-Verhältnis multipliziert mit der Maximal-Intensität entspricht, welche mit einen homogenen Strahl möglich ist, wobei sich die verbleibende Leistung in weit abseits liegenden Strahlengänge verteilt. In anderen Worten hat der zusammengesetzte Strahl eine von den Einzelstrahlen deutlich abweichende Form, womit der zusammengesetzte Strahl sich nicht so gut fokussieren lässt wie seine Einzelstrahlen.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zum Kombinieren von Laserstahlen ist die Spektral-Kombination, bei welcher viele inkohärente Strahlen, z. B. Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge, einander überlagert werden. Die Strahlen werden durch ein Prisma oder ein Gitter gesendet, welche die Strahlen entlang eines gemeinsamen Strahlengangs ausrichtet, wodurch im Ergebnis ein einzelner Strahl mit mehreren Farben gebildet wird. Dieser zusammengesetzte Strahl hat eine Form, welche im Wesentlichen identisch mit der Form der einzelnen Strahlen ist. Während diese Technik das Füllfaktor-Problem beseitigt, welches sich aus dem zweidimensionalen Feld ergibt, treten andere Probleme durch die Verwendung von mehreren Wellenlängen auf. Einerseits verkompliziert sich dadurch das System, weil jede der Wellenlängen einen anderen Oszillator erfordert. Darüber hinaus muss der Strahlwinkel für jede Wellenlänge genau justiert werden, so dass der Einfallswinkel auf das Gitter genau stimmt, weil anderenfalls die Strahlen nicht aufeinander ausgerichtet sind. Noch wichtiger verhält sich jede Wellenlänge unterschiedlich, wenn die Strahlen durch verschiedene Medien laufen. Absorption in der Atmosphäre ist eine Funktion der Wellenlänge, und deshalb ist der spektral kombinierte Strahl, welcher durch die Luft geschickt wird, anfälliger für einen Energieverlust, als ein aus nur einer Wellenlänge bestehender Strahl, welcher für einen optimalen Übertragungs-Wirkungsgrad gewählt wird. Spektral-Kombination wurde beispielsweise in dem US. Patent Nr. 6,697,192 , dem U.S. Patent 6,327,292 dem U.S. Patent 6,208,679 und dem U.S. Patent Nr. 6,192,062 vorgeschlagen.
Gemäß einer weiteren vorgeschlagenen Technik zum Erhöhen der Leistung in einem Laserstrahl ist eine (kohärente) Kombination durch konstruktive Interferenz vorgeschlagen, wobei eine Mehrzahl von Strahlen in einen einzigen kohärenten Strahl kombiniert werden. Diese Technik, auch als kohärente diffraktive Strahlkombination bekannt, ist Gegenstand der gleichzeitig anhängigen U.S. Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 11/361,352 mit dem Anmeldetag 24. Februar 2006, welche in ihrem Offenbarungsgehalt hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen wird. Allgemein lehrt diese gleichzeitig anhängige Patentanmeldung die Erzeugung einer Mehrzahl von Eingangs-Strahlen, welche alle jeweils eine gemeinsame Wellenlänge haben, unter Verwendung eines Master-Oszillators. Jeder Strahl wird individuell verstärkt und durch einen Faser-Emitter übertragen, und der Emitter-Ausgang wird zu einem einzigen Ausgangs-Strahl unter Verwendung eines diffraktiven optischen Elements (DOE) kombiniert. Diese Technik weist Einrichtungen zum aktiven Steuern der Phase der Mehrzahl von Strahlen unter Verwendung einer Rückkopplung zum Optimieren der Wirksamkeit der Kombination der Strahlen auf. Das kann durch die Kopplung eines Phasenmodulators mit jedem der Eingangs-Strahlen erfolgen, und durch Kopplung eines Phasen-Detektors mit einem Probe-Teilstrahl des Ausgangsstrahls. Das Probestrahlnehmen wird durch die Platzierung eines vom Strahlengang durchdrungenen Strahlteilers in dem Ausgangs-Strahlengang erreicht, welcher einen Niederleistungs-Teil des Ausgangsstrahls zu dem Phasendetektor reflektiert. Durch Verwendung von Elektronik wird ein Korrektursignal, welches auf Phasenabweichungen basiert, welche am Ausgang ermittelt wurden, unter einer Rückkopplung zurück an den Modulator übertragen. Ein Beispiel zur Verwirklichung einer aktiven Phasen-Steuerung dieser Art ist in dem U.S. Patent 6,708,003 offenbart, welches in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt eingeschlossen wird. Eine weitere aktive Phasen-Detektions- und Steuerungsmethode wurde von T. M. Shay et al. Proceeding of the SPIE, Vol. 5550, Seiten 313–319 (2004) beschrieben, welche Druckschrift ebenfalls in ihrem Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme eingeschossen wird. Ein Vorteil dieser Lösung ist, dass ähnlich wie bei SBC der kombinierte Ausgangs-Strahl eine Form hat, welche im Wesentlichen identisch der Form der Teilstrahlen ist und deshalb die Füllfaktor-Verringerung in der Intensität des fokussierten, kohärenten Ausgangsstrahls vermieden wird. Jedoch treten Nachteile auf, wenn ein Probenehmen der Phase eines Hochleistungs-Kombinations-Ausgangsstrahls erfolgt. Ein durch einen Transmissions-Strahlteiler geschickter Hochleistungs-Strahl ruft eine thermische Verzerrung hervor, welche die Messung der Phase in ihrer Genauigkeit beeinträchtigt, und die Fokussierbarkeit des Ausgangsstrahls beeinträchtigt. Auch bei dieser Methode wird ein einzelner Detektor verwendet, um die Phase von allen Komponenten-Strahlen zu messen. Für eine sehr große Anzahl von kombinierten Strahlen wird die Messung der Phase hinsichtlich der Genauigkeit mit nur einem einzigen Detektor zunehmend schwieriger.
Überblick über die Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und System zur diffraktiven Hybrid-Kombination von kohärenten und inkohärenten Strahlen durch einen Strahlformer, wobei eine Mehrzahl von Lichtstrahlen identischer und unterschiedlicher Wellenlängen miteinander zu einem beugungsbegrenzten, zusammengesetzten Strahl hoher Leistung kombiniert werden. Ein System gemäß der Erfindung weist N Oszillatoren auf, wovon jeder Licht mit einer der N unterschiedlichen Wellenlängen aussendet. Unter Verwendung von Strahlteilern wird jede Wellenlänge im M Komponenten-Strahlen geteilt, und die N Strahlen in jeder der N Gruppen werden hinsichtlich ihrer Phasen durch einen Phasenmodulator entsprechend von Korrektursignalen fixiert, welche mittels einer Rückkopplungs-Schleife den Phasenmodulatoren zugeführt wird. Die Strahlen mit fixierter Phase werden verstärkt und in ein M × N Feld von optischen Emittern eingekoppelt. Strahlen, welche von dem Feld ausgesendet werden, werden kollimiert und auf ein diffraktives optisches Element (DOE) geworfen, welches als ein Strahlteiler fungiert, das DOE kombiniert die M Komponenten-Strahlen von jedem der N Wellenlängen zu einem einzigen Strahl, wodurch N inkohärente Strahlen erzeugt werden. Die N Strahlen werden auf ein Strahlen kombinierenden Spektral-Strahlformer(SBC)-Gitter geworfen und dort spektral kombiniert, wobei der Ausgang ein zusammengesetzter Strahl ist, welcher im Wesentlichen identisch zu den Komponenten-Eingangsstrahlen ist, und dabei nominell 100 Prozent Füllfaktor aufweist. N Niederleistungs-Probe-Teilstrahlen, welche von den N Strahlen abgezweigt wurden, welche von dem DOE ausgesandt werden, werden hinsichtlich von Phasen-Abweichungen gemessen und daraus werden Phasen-Korrektursignale abgeleitet und zurück zu den Phasenmodulatoren geführt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das DOE ein schwaches, periodisches Gitter zum Beugen von Niederleistungs-Probe-Teilstrahlen aufweisen, oder die Probe-Teilstrahlen können von einer Streustrahlungs-Beugungsordnung des SBC-Gitters genommen werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein einziges optisches Element ein DOE-Gitter und ein SBC-Gitter aufweisen, welches ebenfalls Niederleistungs-Probe-Teilstrahlen der N kombinierten Strahlen liefert.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung werden Lichtstrahlen von unterschiedlicher und identischer Wellenlänge miteinander zu einem einzigen Hochleistungs-Stahl dadurch kombiniert, dass Lichtstrahlen von N unterschiedlichen Wellenlängen ausgesendet werden, wovon jeder der N Strahlen in M Strahlen von gemeinsamer Wellenlänge geteilt werden, die Phasen der M Strahlen für jede der N Wellenlängen durch Phasen-Korrektursignale synchronisiert werden und die M × N Lichtstrahlen zu N inkohärenten Strahlen kombiniert werden, wobei jeder inkohärente Strahl eine kohärente Kombination von M Strahlen von einer der N der Wellenlängen aufweist. Gemäß diesem Verfahren wird weiter ein Probe-Teilstrahl von dem kombinierten inkohärenten Strahl abgezweigt, die Phasen dieser M Strahlen für jede der N Wellenlängen ermittelt, die Phasen-Korrektursignale von den ermittelten Phasen abgeleitet, und eine spektralen Kombination der N inkohärenten Strahlen zu einem einzigen zusammengesetzten Strahl vorgenommen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann durch Studium der nachfolgenden Figuren der Zeichnung und der Figurenbeschreibung deutlich. Es ist beabsichtigt, dass all diese weiteren Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile in dieser Beschreibung eingeschlossen sind und innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen, und von den beigefügten Patentansprüchen geschützt werden. Die Erfindung wird besser durch die Zuhilfenahme der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung deutlich, in welcher gleiche Teile durchgehend durch alle Figuren mit den gleichen Bezugszeichen definiert sein sollen, wobei in der Zeichnung:
1 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Hybrid-Systems ist, welches ein spektrales Strahlkombinieren mit einem diffraktiven Strahl-Kombinieren vereint.
2 ein Plotter-Diagramm eines Beispiels eines periodischen Phasen-Musters in einer fünf Strahlen miteinander kombinierenden DOE zum Spalten eines Einzelstahls in fünf Beugungsordnungen ist.
3 ein Plotter-Diagramm ist, welches die normierten Intensitäten von fünf Beugungsordnungen zeigt, welche von dem DOE gemäß 2 erzeugt wurden, wenn dieses als Strahlteiler verwendet wird.
4 ein logarithmisches Plotter-Diagramm der normierten Intensitäten über den Beugungsordnungen ist, welches daraus resultiert, dass das DOE gemäß 4 verwendet wird, um die fünf Strahlen mit idealer Phase miteinander zu kombinieren.
5 ein weiteres Plotter-Diagramm eines Beispiels eines periodischen Phasen-Musters in einer fünf Strahlen miteinander kombinierenden DOE ist, welches zusätzlich ein sinusartiges Probestrahlnehmer-Gitter aufweist.
6 ist ein logarithmisches Plotter-Diagramm der normierten Intensitäten über der Beugungsordnung ist, welche von dem DOE gemäß 5 resultiert, wenn dieses verwendet wird, um die fünf Strahlen mit idealer Phase miteinander zu kombinieren.
7 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hybrid-Systems ist, welches einen DOE-Strahlformer-und-Probestrahlnehmer aufweist.
8 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hybrid-Systems ist, wobei das SBC-Gitter als ein spektraler Strahlformer-und-Probestrahlnehmer dient.
9 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hybrid-Systems ist, wobei die Funktionen des DOE-Gitters und des SBC-Gitters in ein einziges optisches Element integriert sind.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Strahlformen durch Beugungs-Kombination von kohärenten Strahlen
Ein Verfahren zum Strahlformen durch Kombination von kohärenten, diffraktiven Strahlen ist in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 11/361,352 durch die gleichen Erfinder wie in der vorliegenden Anmeldung beschrieben. Die gesamte Offenbarung davon wird hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen. Allgemein verwendet das Verfahren zum Kombinieren von gebeugten Strahlen eine DOE zum Ermöglichen einer kohärenten Kombination eines Ausgangs einer Mehrzahl von Faser-Verstärkern, welche Laserstrahlen ausgeben, welche von einem gemeinsamen Oszillator stammen. Das Kombinations-Verfahren erfordert eine aktive Phasen-Steuerung des Ausgangs von den Faserverstärkern, um die Phasen des Ausgangs-Stahls zu fixieren, um die Intensität des Kombinations-Stahls mittels konstruktiver Überlagerung zu optimieren. Aktive Phasen-Steuerung wird durch Platzieren eines Strahlteilers in dem Strahlengang des Kombinations-Stahls erreicht, welcher von dem DOE gebeugt wird. Der Strahlteiler erzeugt einen Niederleistungs-Probe-Teilstrahl des Kombinations-Stahls, und dieser Probe-Teilstrahl wird auf den Phasen-Detektor fokussiert. In den Phasendetektor wird die Ausgangs-Phase von jedem Komponenten-Strahl erfasst, indem Signale dekodiert werden, welche bezogen auf jeden der Komponenten-Strahlen kodiert sind. Unter Verwendung von Elektronik werden die Phasen gemessen, indem diese mit Referenz-Signalen verglichen werden, welche von dem Master-Oszillator stammen, und Korrektur-Signale werden aus diesem Vergleich hergeleitet und in den Phasen-Modulator in einem Niederleistungs-Abschnitt von jedem der Faser-Verstärker zurückgespeist, um eine optimierte Phasen-Steuerung zu erzielen.
Diffraktive Hybrid-Kombination von Strahlen
Hybrid-Kombination von Strahlen, wie dieser Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf ein Verfahren und System zur Kombination sowohl von kohärenten, als auch inkohärenten Strahlen. In einem rein kohärenten System, wie dieses in dem vorherigen Absatz beschrieben ist, ist die Anzahl von Eingangs-Strahlen begrenzt, welche kombiniert werden können, was durch Beschränkungen in der Bandbreite oder durch kumulative Fehler durch das Kodieren und durch die Kodiertechniken und Messtechniken hervorgerufen wird. Es kann wünschenswert sein, ein Verfahren zum Kombinieren von inkohärenten Strahlen wie beispielsweise die Spektral-Kombination zu wählen (welche kein Kodieren erfordert) in Verbindung mit einer kohärenten Kombination, um die Anzahl von Strahlen, welche miteinander kombiniert werden, zu maximieren, und so die gesamte Ausgangsleistung des Systems zu steigern.
Ein einfaches Hybrid-Strahlkombinations-Schema ist in 1 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel erzeugen N Master-Oszillatoren 11 N leicht voneinander abweichende Wellenlängen λ₁, λ₂, ... λ_N. Eine Gesamtzahl von N 1:M Strahlteilern 13 Teilen jeden Oszillator-Ausgangs-Strahl im M Strahlen. Jeder der M Strahlen von jedem der N Oszillatoren 11 ist dahingehend modifiziert, dass eine aktive Phasensteuerung mittels eines jeweiligen abhängigen Rückkopplungs-Phasenmodulators 14 möglich ist. Gemeinsam formen die N × M Phasenmodulatoren 14 eine Phasenmodulations-Stufe.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen einer oder mehrere Phasenmodulatoren einen Lithium Niobat Modulator auf. Jeder der Phasenmodulatoren modifiziert die Phase von jedem der M Signale um eine gegebene Wellenlänge. Das Ausführungsbeispiel nach 1 zeigt fünf Modulatoren 14, wovon M einen Wert von 5 hat, während N als eine indefinierte natürliche Zahl angezeigt ist. Jedoch sind auch andere Ausführungsbeispiele möglich, wobei M und N jede beliebige natürliche Zahl annehmen können.
Jeder der M Strahlen wird auf ein gewünschtes Leistungsniveau mittels eines zugehörigen Verstärkers 15 verstärkt. Jede Gruppe von M Verstärker-Ausgängen ist an das lineare Feld von M Faser-Emittern 17 gekoppelt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist jedes Feld von Faser-Emittern 17 so gewählt, dass Strahlen von gleicher Polarisation ausgesendet werden. Die N linearen Felder von M Faser-Emittern 17 sind in einem zweidimensionalen M × N Feld 19 anordnet. In dem Feld 19 weist jede der N Spalten eine lineares Feld von M Faser-Emittern von den M Verstärker-Ausgängen einer bestimmten Wellenlänge λ₁, λ₂, ... oder λ_N auf.
Die M × N Ausgangs-Strahlen 21 des Feldes 19 werden mittels einer geeigneten reflektierenden oder lichtdurchlässigen Kollimator-Optik 23 kollimiert, so dass alle Strahlen kollimiert sind, und einen leicht unterschiedlichen, aber genau bestimmten Strahlengang-Winkel aufweisen. Die kollimierten Strahlen werden auf ein DOE 25 geworfen, welches in einer hinteren Brennpunkt-Ebene der Kollimator-Optik 23 anordnet ist, um ein optimales Überlappen der vielen darauf geworfenen Strahlen zu gewährleisten. Das DOE 25 arbeitet als ein M:1 Strahlformer, so dass die M Strahlen, welche auf das DOE 25 von jeder der Wellenlängen λ₁, λ₂, ... λ_N geworfen werden, kohärent miteinander zu einem einzigen Strahl mit einem hohen Wirkungsgrad kombiniert werden. Durch eine gute Konstruktion des DOEs kann ein Kombinations-Wirkungsgrad von 95% überschritten werden. Dieses Verfahren erfordert kein Feld von dicht gepackten Faser-Emittern, und der kombinierte Strahl leidet nicht unter einer Verringerung der Helligkeit durch einen geringeren Füllfaktor des Feldes. Daher weist der Ausgang des DOEs 25 N (inkohärente) Strahlen 57 auf, welche die Wellenlängen λ₁, λ₂, ... oder λ_N aufweisen, wovon jeder der N Strahlen aus M kohärent miteinander kombinierten Strahlen besteht. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Intensität von jedem der kohärent kombinierten M Strahlen entlang einer einzigen Beugungsordnung maximiert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist diese einzige Beugungsordnung die 0-te Beugungsordnung. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist wenigstens eine kohärente Kombination von M Strahlen eine maximale Intensität entlang einer Beugungsordnung auf. Etwas Ausgangs-Strahl-Streustrahlung 29 von minimaler Intensität wird auch von dem DOE 25 ausgesendet.
In dem Ausführungsbeispiel nach 1 stellt eine Optik wie ein Strahlteiler 59 eine Einrichtung zum Aussondern eines Probe-Teilstrahls der M × N Lichtstrahlen bereit, welche von dem DOE 25 kombiniert wurden. Der Strahlteiler 59 ist in dem Strahlengang der kombinierten Strahlen 57 platziert und reflektiert ein Niederleistungs-Probe-Teilstrahl der kombinierten N Strahlen 61, nämlich jeweils einen der Wellenlängen λ₁, λ₂, ..., λ_N. Jeder der kombinierten Strahlen in 57 der Wellenlängen λ₁, λ₂, ..., λ_N weist einen unterschiedlichen Winkel-Versatz durch eine Verlagerung von jeder der Spalten in dem M × N Feld 19 auf. Daher kann eine Linse 63 in dem optischen Strahlengang anordnet sein, um die N Probe-Teilstrahlen 61 zu den räumlich getrennten Phasendetektoren 35 zu fokussieren. Jeder der Phasendetektoren 35 ermittelt dann die Phasen von nur den M Komponenten-Strahlen bei einer gegebenen Wellenlänge λ, welche von dem DOE 25 kombiniert wird. Eine aktive Phasen-Synchronisation, welche mittels der N Phasenregler 37 erzielt wird, resultiert in einer wirksamen Kombination der M Strahlen für jede Wellenlänge λ. Für einen senkrecht auftreffenden Eingangs-Strahl, welcher auf das DOE auftrifft, ist der Beugungswinkel der m-ten Ordnung sinΘ_m = mλ/P (1) wobei λ die Wellenlänge und P die Periode des Phasen-Musters auf dem DOE ist. Daher ist der Trennungs-Winkel etwas unterschiedlich unter den M Strahlen von jeder Wellenlänge (für kleine Winkel ist der Trennungs-Winkel ~λ/P). Das M × N Feld ist daher nicht ganz rechteckig, wie (übertrieben) in 1 dargestellt ist. Diese Abweichung im Trennungs-Winkel für jede der N Spalten ist grundsätzlich sehr klein und ist proportional zu der relativen Änderung in der Wellenlänge. Eine typische Wellenlängen-Bandbreite ist Δλ/λ von ~1% für ein SBC-System.
Die N winkelversetzten, kombinierten Strahlen 57 passieren durch eine wahlweise Relais-Optik 65 und werden auf ein SBC-Gitter 67 projiziert, um ein vollständiges Überlappen der Strahlen zu gewährleisten, während die erforderlichen Auftreff-Winkel beibehalten werden. Die entsprechenden Wellenlängen in den N kombinierten Strahlen 57 (mittels der N Master-Oszillatoren) werden entsprechend der Winkel-Streuung des SBC-Gitters 67 gewählt, um die Winkel-Abweichungen genau auszugleichen. Daher kann ein einziger, beugungsbegrenzter Strahl 69 an dem Ausgang geformt werden, welcher M × N Strahlen mit hohem Wirkungsgrad und wenig Leistung in den Streu-Beugungsordnungen miteinander kombiniert.
Auf Grund von Längenunterschieden in den Fasern des Feldes 19 und Abweichungen, welche durch Vibrationen und Temperaturschwankungen hervorgerufen werden, können leichte Abweichungen in der Phase bei jedem der M × N Strahlen 21 auftreten, welche von dem Feld ausgesendet werden. Eine Rückkopplungs-Regelungsschleife ist vorgesehen, um diese Abweichungen auszugleichen und die Phasen der Strahlen 21 zu fixieren, welche gemeinsame Wellenlängen aufweisen, um einen maximalen Wirkungsgrad bei kohärenter Kombination zu erzielen. In der Rückkopplungs-Regelungsschleife wird ein Probe-Teilstrahl 61 auf eine geeignete Optik 63 fokussiert (beispielsweise eine Linse oder ein gekrümmter Spiegel), um die Probe-Teilstrahlen 61 zu einer Phasen-Detektor-Stufe 35 zu übermitteln. Die Phasen-Detektor-Stufe 35 stellt eine Einrichtung zum Ermitteln der Phasen von jedem der M Strahlen dar, welche einen der N kohärenten Ausgangs-Strahlen des zusammengesetzten Ausgangs-Strahls 57 darstellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein kodiertes Signal auf die M × N optischen Signale in der Phasenmodulations-Stufe angewendet werden. Dann wird bei jedem der N Phasen-Detektoren 35, jeweils einer für eine bestimmte Wellenlänge, synchron das kodierter Signal für jeden Strahl erfasst und kann verwendet werden, um die Ausgangs-Phase für jeden der Komponenten-Strahlen zu ermitteln. Im Idealfall wenden N Phasen-Regler 37 Korrektursignale an, um die M gemessenen Phasen für jede der Wellenlängen auf einen einzigen, einheitlichen Wert zu fixieren. Jedoch gibt es systembedingte Abweichungen, welche von der Probestrahlnehmer-Optik oder der Kodier-Elektronik her stammen können, und erfordern einen Ausgleich für jede der M Phasen auf einem unterschiedlichen, optimierten Wert. Diese Werte können durch einen Kalibrierungs-Prozess ermittelt werden, welcher den Wirkungsgrad für die Kombination für jede Gruppe von M Strahlen für die gewünschte Beugungsordnung optimiert. Die Phasen-Regler 37 vergleichen die gemessenen Phasen mit diesen optimierten Bezugs-Werten, und leiten M Korrektursignale ab, welche auf einem Vergleich bei jeder der N Wellenlänge basieren. Die M × N Korrektursignale werden zurück in die M × N Phasen-Modulatoren 14 gesendet, welche die Phasen für jede Gruppe der N optischen Signale zusammen mit den entsprechenden Korrektursignalen fixieren. Verschiedene bekannte Techniken für die Synchronisation der Phasen der optischen Signale (beispielsweise ein Kodieren unter Verwendung von unterschiedlichen Zittersignal-Frequenzen, CDMA, TDMA, usw.) können in der Rückkopplungs-Schleife ohne eine Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung angewendet werden. Beispiele für solche Techniken werden im Detail in der US Patentanmeldungen 11/361,352, dem US Patent 6,366,356, dem US Patent 6,708,003 und T. M. Shay et al., Proceedings of the SPIE, Volume 5550, Seiten 313–319 (2004) beschrieben. Diese Techniken sollten gewählt werden, um das Kombinieren der Strahlen mit optimaler Phase für eine Maximierung des Kombinations-Wirkungsgrads zu erzielen.
Verglichen mit herkömmlichen SBC-Verfahren kommt das erfindungsgemäße Hybrid-Beugungs-Strahlform-Verfahren mit weit weniger Wellenlängen aus: N im Vergleich zu M × N. Darüber hinaus ist mit N einzelnen Detektoren die Anzahl von kombinierten Quellen in den M × N Feld, deren Phasen jeweils mit einem einzelnen Detektor gemessen werden müssen, auf M reduziert. Im Ergebnis wird eine weit geringere Bandbreite für das Aussenden und Verarbeiten von Signalen in den Rückkopplungs-Schleifen erforderlich, und das Vorhandensein von weniger Signalen reduziert die kumulative Verschlechterung des Signals durch Rauschen in den einzelnen Phasen-Detektoren. Diese Merkmale eröffnen die Möglichkeit, eine breitere Klasse von Verstärkern (und zugehöriger Elektronik) durch den Konstrukteur zu verwenden, wenn die Komponenten des Hybrid-Systems gemäß der Erfindung ausgewählt werden.
Um weiter eine Konstruktion eines DOEs zu veranschaulichen, welches für die Verwendung in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen geeignet ist, wird ein einfaches DOE betrachtet, welches einen einzigen Strahl in fünf diffraktive Strahlen in einem eindimensionalen Feld teilt. Dieses vereinfachte Beispiel ist ausschließlich für Veranschaulichungszwecke beschrieben. DOEs können so gestaltet sein, dass diese wirksam ein Kombinieren oder ein Teilen von einer beliebig großen Anzahl von Strahlen vornehmen, sowohl in einem eindimensionalen Feld, als auch einem zweidimensionalen Feld. Das DOE weist ein Muster von einander parallelen, mit hoher Präzision geformten Hauptspalten auf, welche in seine Oberfläche eingeätzt sind, welche auf Grund von Reflexion oder Lichtdurchlässigkeit das eindimensionale, periodische Phasen-Muster 43 ausbilden, wie dieses in einem Plotter-Diagramm gemäß 4 in Wellenform ausgebildet ist (eine Welle entspricht einem Winkel von 2π im Bogenmaß). Für ein reflektierendes oder lichtdurchlässiges DOE entspricht eine Welle einer Phase, welche einer Ätztiefe von λ/2 entspricht bzw. von λ/(n – 1), wobei n der Brechungsindex des DOE-Substrats ist und λ die Wellenlänge. Daher entspricht das Phasen-Muster 43 einem geeignet dimensionierten Ätziefe-Muster des DOEs. Falls ein einzelner Strahl auf das DOE geworfen wird, werden etwa 98% der Leistung auf die fünf Beugungsordnungen in dem linearen Feld aufgeteilt. Die verbleibenden 2% der Leistung werden als Streu-Ausgangsstrahlen mit höherer Beugungsordnung gebeugt. Ein normiertes Plotter-Diagramm der Verteilung der Intensität der Strahlen über alle Beugungsordnungen ist in 3 dargestellt. Dabei fällt auf, dass die Winkel der Beugungsordnungen des DOEs durch die übliche Gitter-Gleichung gegeben sind. Für einen Eingangs-Strahl, welcher senkrecht auftrifft, ist der Brechungs-Winkel der m-ten Ordnung durch die Gitter-Gleichung (1) gegeben.
Ein kohärentes Strahl-Kombinieren wird durch Verwendung des DOEs in umgekehrter Weise erzielt. Das heißt, in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, wenn N = 5 Eingangs-Strahlen mit genau gesteuerter Phase und Ausrichtung bereitgestellt sind und gleiche Leistung aufweisen, ist das DOE so ausgelegt, dass ein optimierter Wirkungsgrad für das Kombinieren von etwa 96% erzielt wird. Dieser Wirkungsgrad ist durch die normierten Intensitäten 45 der Beugungsordnungen veranschaulicht, wie in dem Plotter-Diagramm gemäß 4 zu sehen ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der gewünschte Ausgangs-Strahl derjenige der 0-ten Beugungsordnung, welche eine Intensität aufweist, welche etwa zwei Zehnerpotenzen höher als die Intensitäten jeder weiteren Beugungsordnungen ist, wie in dem Diagramm zu sehen ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wenn die relative Leistung des Eingangs-Strahls angepasst wird, um der Verteilung gemäß 3 zu entsprechen, stellte das DOE einen optimalen Kombinier-Wirkungsgrad bereit, welcher dem Teilungs-Wirkungsgrad von etwa 98% entspricht.
In den 5–6 ist die Fähigkeit des DOEs veranschaulicht, einen Probe-Teilstrahl abzuzweigen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Gestaltung des fünfstrahligen Strahlformer-DOEs gemäß 2–3 dadurch modifiziert werden, dass ein schwaches, sinusförmiges Probestrahlnehmer-Gitter mit kurzer Periode vorgesehen ist. Der Phasenwert von Maximum zu Maximum von diesem speziellen Probestrahlnehmer-Gitter ist als 1/50 einer Welle gewählt. Ein Plotter-Diagramm der Phase des modifizierten DOEs mit dem Probestrahlnehmer-Gitter ist in 5 dargestellt. Bier ist das resultierende Phasen-Muster 47 als eine überlagerte, sinusförmige, periodische Welle mit kurzer Wellenlänge im Phasenmuster 43 gezeigt. Wenn eine genaue Ausrichtung auf das modifizierte DOE erfolgt, wird der mit idealer Phasen-Steuerung gesteuerte Eingangs-Strahl so gebeugt, dass der Ausgangs-Strahl wie in 6 gezeigt erzeugt wird. Dabei fällt auf, dass gemäß 6 die zentrale Gruppe der Brechungs-Ordnungs-Intensitäten 45 um die 0-te Ordnung zentriert ist, und die gleiche relative Verteilung von Intensität wie in dem Plotter-Diagramm gemäß 4 zeigt. Die auf der linken Seite befindlichen Brechungs-Ordnungs-Intensitäten 49, und die auf der rechten Seite befindlichen Brechungs-Ordnungs-Intensitäten 51 sind um die –50-te bzw +50-te Ordnung zentriert. Jede dieser Intensitäts-Gruppen 49 und 51 liefert eine Repräsentation der Verteilung der Intensitäten 45, jedoch mit geringerer Leistung.
Das in den 5–6 dargestellte DOE Ausführungsbeispiel weist Probestrahlnehmer-Gitter-Nuten auf, welche sich parallel zu den Haupt-Nuten erstrecken, und sich der abgezweigte Probe-Teilstrahl daher in der gleichen Ebene wie das Faser-Feld und die gebeugten Streu-Ausgangsstrahlen erstreckt. Die Periode in dem Probestrahlnehmer-Gitter gemäß diesem Beispiel ist als 1/50 der Periode des DOE-Strahlformers ausgewählt, so dass der Probe-Teilstrahl mit einem Winkel gebeugt wird, welcher der ±50-ten Ordnung der DOE-Strahlformer-Ordnung entspricht. Wie in 6 dargestellt ist, unterscheiden sich die Intensitäten 49 und 51 der Probe-Teilstrahl-Beugungsordnung deutlich von den Streu-Beugungsordnungen der DOE-Strahlformer-Funktion. Der Fachmann erkennt, dass viele andere DOE-Ausführungsbeispiele möglich sind, wobei ein Probestrahlnehmer-Gitter einen Satz von Nuten aufweist, welche sich in jeder beliebigen Richtungen relativ zu dem DOE-Strahlformer-Funktion erstrecken können, so dass sich der Probe-Teilstrahl von dem DOE-Strahl in jeder gewünschten Richtung unterscheiden kann.
Gemäß dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel beträgt die Probestrahlnehmer-Phasentiefe 1/50 der Wellenlänge. Dadurch ist die Intensität des Probe-Teilstrahls von der ±50-ten Ordnung etwa 1 × 10^–3 der Haupt-Ordnung (0-ten Ordnung) des Ausgangs-Strahls. Wie in 6 dargestellt ist, stellt die ±50-te Beugungsordnung des Probe-Teilstrahls eine identische Niederleistungs-Kopie des vollständigen, kombinierten Ausgangs-Strahls dar. Allgemein kann ein schwaches, sinusförmiges Fasern-Gitter entsprechend der gewünschten Probe-Teilstrahl-Abzweigung von etwa 2,5 φ² angepasst sein, wobei φ² die Phasen-Amplitude von Maximum zu Maximum des Gitters gemessen in Wellen ist. Diese sinusförmige Form des Probestrahlnehmer-Gitters führt zu gleichen Probestrahlnehmer-Strahl-Intensitäten sowohl der +50-ten, als auch der –50-ten Ordnung. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen eines DOE-Probestrahlnehmer-Gitters kann eine Blazegitter-Form (das heißt eine mehr dreieckförmige Form) verwendet werden, um vorzugsweise Licht hauptsächlich in einer der beiden Ordnungen zu beugen, wie aus dem Stand der Technik der Probestrahlnehmer-Gitter wohlbekannt ist. Jedoch kann es für sehr starke Hochleistungs-Anwendungen erforderlich sein, dass die Oberfläche des DOEs so geätzt ist, dass diese glatt ist, ohne steilwandige Unebenheiten aufzuweisen. Das ermöglicht vorteilhaft das DOE mit einem hochreflektierendem Material zu überziehen, welches eine geringe Absorption aufweist und aus mehreren übereinander angeordneten Schichten aufgebaut ist, welche ermöglichen, an die genaue Oberflächenformen des DOEs angepasst zu sein und diese Form aufrechtzuerhalten.
Es ist anzumerken, dass das Probestrahlnehmer-Gitter und der DOE-Strahlformer selbst streuungsabhängig sind, das heißt, diese haben Beugungsordnungs-Winkel, welche von der Wellenlänge abhängig sind. Bei senkrechtem Einfallswinkel ist die Streuung für ein Gitter mit der Periode P durch folgende Formel gegeben: dθ/mλ = m/Pcosθ = tanθ/λ (2)
Das heißt, je kleiner die Periode und je größer der Beugungswinkel, umso größerer die Streuung. In Abhängigkeit von den Anforderungen an die Bandbreite für ein bestimmtes System führt dies zu Beschränkungen im Beugungswinkel. In manchen Ausführungsbeispielen kann es erforderlich sein, eine Kompensation für einen Probe-Teilstrahl vorzunehmen, welcher eine solch große Streuung aufweist, beispielsweise durch Anordnen eines Kompensations-Gitters in dem Strahlengang des gebeugten Probe-Teilstrahls.
In den 7–9 ist ein Hybrid-Strahlformer-Konzept mit einer vereinfachten, optischen Anordnung dargestellt. In 7 ist anstatt eines Strahlteilers eine Einrichtung zum Abzweigen eines Probe-Teilstrahls 61 der M × N Lichtstrahlen dadurch erzielt, dass das DOE 39 durch Anbringen eines periodischen Probestrahlnehmer-Gitters auf seiner Oberfläche modifiziert ist. Das Prabestrahlnehmer-Gitter ermöglicht dem DOE 39 einen Niederleistungs-Probe-Teilstrahl durch Beugung zu nehmen und den Phasen-Detektoren 35 zuzuführen. Eine geeignete Linse oder Spiegel 63 können verwendet werden, um die Probe-Teilstrahlen 61 auf die Detektoren 35 zu fokussieren. Deshalb führt das DOE 39 die folgenden Funktionen aus: Kombinieren einer Mehrzahl von Eingangs-Strahlen zu kohärenten Ausgangs-Strahlen, und jeweiliges Beugen eines Niederleistungs-Probe-Teilstrahls aus den kohärenten Ausgangs-Strahlen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein DOE durch ein Fokussieren des Probe-Teilstrahls 61 eine Niederleistungs-Beugungs-Einrichtung weiter vereinfachen. Die Niederleistungs-Beugungs-Einrichtung kann ein schwaches Gitter (nicht dargestellt) sein, welches auf der Oberfläche des DOEs 39 überlagert ist. Die N Probe-Teilstrahlen 61, welche aus einer kohärenten Kombination von N Strahlen einer gegebenen Wellenlänge λ zusammengesetzt sind und wovon jeder einen etwas unterschiedlichen Strahlengang-Winkel aufweist, werden durch das Probestrahlnehmer-Gitter auf die einzelnen, separaten Phasen-Detektoren 35 fokussiert. Falls ein separates, lichtdurchlässiges Elemente für das Probestrahlnehmen verwendet wird, würde sich Wärme im Inneren des Elements anreichern und zu einer Deformation des Elements tendieren. Das führt zu Verzerrungen in dem Ausgangs-Strahl und macht diesen schlechter fokussierbar. Allgemein gesagt, jedes Mal wenn ein Element aus dem optischen Kreis entfernt werden kann, wird das System dazu befähigt, näher an der Beugungsgrenze zu arbeiten.
Ein DOE 39, welches fokussierte Probe-Teilstrahlen erzeugt, kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass ein komplizierteres Muster von Nuten anstatt eines einfacheren Gitters aus parallelen Nuten angewendet wird. Das erforderliche Nuten-Muster kann durch herkömmliche Holographie hergestellt werden, wobei die Nuten durch Interferenz einer punktförmigen Quelle an einer gewünschten Fokus-Stelle mit einer ebenen Welle erfolgen kann. Alternativ kann eine herkömmliche, digitale Lithographie zum Erzeugen des geeigneten Nuten-Musters angewendet werden.
Alternativ kann wie in 8 dargestellt ein gewünschter Probe-Teilstrahl durch einfaches Ausnutzen der Tatsache erzielt werden, dass in einem SBC-Gitter ein kleiner Prozentsatz von Streustrahlung in der 0-ten Beugungsordnung gebeugt werden. Deshalb können anstatt eines separaten Strahlteilers oder einem DOE-Probestrahlnehmer-Gitter die N Streustrahlen der 0-ten Beugungsordnung des SBC-Gitters 67 als Probe-Teilstrahlen 68 festgehalten werden.
Durchgehend durch diese Offenbarung sind die in den Figuren schematisch dargestellten DOEs als reflektierende optische Elemente ausgebildet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das DOE einen hochreflektierenden, dielektrischen Schichtaufbau auf seiner Oberfläche auf, welcher einen Reflexions-Wirkungsgrad von über 99% aufweist, um die Absorption von Leistung zu minimieren. Alternativ kann jedes hierin beschrieben DOE als ein lichtdurchlässiges Element ausgebildet sein. Jedoch werden reflektierende Elemente vorwiegend deshalb bevorzugt, weil die nichtreflektierende Seite eines reflektierenden Elements zwecks Kühlung ausgestaltet sein kann, ohne Material in den optischen Strahlengang einbringen zu müssen. In dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gitter 67 mit einer wahlweisen Kühleinrichtung 42 versehen, welche sich an die nichtreflektierende Seite anschließt. Kühleinrichtungen 42 können jede Art von Wärmeleitern sein, welche zum Ableiten der Wärme von dem dem Gitter 67 oder DOE 25 geeignet sind, um optische Stabilität zu gewährleisten. Beispielsweise können Kühleinrichtungen 42 mit metallischen Kühllamellen versehene Wärmeleiter sein, welche mit dem Gitter oder DOE mittels eines Klebstoffes hoher Wärmeleitfähigkeit in Verbindung stehen, eine einem aufgeblasenen Luftstrom ausgesetzte Oberfläche sein, oder eine Leiteinrichtung für einen Strom von Kühlmedium wie Wasser sein, oder eine Kombination all dieser vorgenannten Maßnahmen sein.
9 veranschaulicht eine weitere Variation eines Hybrid-Systems gemäß der Erfindung. Das System arbeitet ähnlich wie die zuvor beschriebenen Hybrid-Ausführungsbeispiele, außer dass in diesem Ausführungsbeispiel die Funktionen des DOEs und des SBC-Gitters in ein einziges optisches Element 71 integriert sind. Gemäß einer Anwendung dieses Ausführungsbeispiels sind das DOE-Gitter und die SBC-Nuten auf der Optik 71 so kombiniert, dass sich ein periodisches Muster von DOE-Gitter rechtwinklig zu den SBC-Nuten erstrecken. Andere Arten der Verwirklichung sind möglich, wobei sich der Winkel des DOE-Gitter-Musters relativ zu dem SBC-Gitter-Muster in einem anderen als einem rechten Winkel erstreckt. Was auch immer für ein relativer Winkel gewählt wird, eine entsprechende Anpassung in dem Abstände der Emitter in dem Feld 19 kann erforderlich sein, um eine genauere Ausrichtung der Strahlen zu erzielen, welche auf die Optik 71 geworfen werden. Ein Herstellungsverfahren zum Herstellen dieser Kombinationen von Mustern auf dieser Optik 71 kann dadurch erzielt werden, dass beispielsweise ein Präzisions-Ätzen einer lichtdurchlässigen Schicht vorgenommen wird, welche über einer oder mehreren der hochreflektierenden Lagen anordnet ist. Solche Verfahren zum Herstellen von herkömmlichen Gittern wurden bereits in dem US Patent mit der Nummer 5,907,436 beschrieben.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 liefert die 0-te Beugungsordnung der SBC-Gitter-Nuten N Probe-Teilstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen und Winkeln. Jeder dieser N Probe-Teilstrahlen setzt sich aus M Strahlen zusammen, welche kohärent mittels des DOE-Gitter-Musters kombiniert wurden. Die Probe-Teilstrahlen werden in ähnlicher Weise wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen zum Liefern von Phasen-Korrektursignalen zu den Phasenmodulatoren in einer Rückkopplungs-Schleife verwendet. Zusätzlich zu dem Kombinieren des DOE-Gitters und des SBC-Gitters zu einem einzigen optischen Element 71 liefert das Ausführungsbeispiel einen weiteren Vorteil durch Entfernen von störenden Bildformungs- und Probestrahlnehmer-Optiken.
In allen vorgenannten Verfahren müssen die Strahlen, welche kohärent durch das DOE miteinander kombiniert werden, die entsprechenden Phasen aufweisen, um einen maximalen Kombinations-Wirkungsgrad zu erzielen. Die verschiedenen Möglichkeiten, um dies zu erzielen (beispielsweise Verwendung von unterschiedlichen Zittersignal-Frequenzen, CDMA, TDMA, usw.) werden hier nicht im Einzelnen beschrieben, weil diese bereits im Stand der Technik beschrieben sind, beispielsweise in dem US Patent 6,708,003 und T. M. Shay et al., Proceedings of the SPIE, Volume 5550, Seiten 313–319 (2004).

Claims

Ein System zum Kombinieren von Lichtstrahlen unterschiedlicher und identischer Wellenlängen zu einem einzigen kombinierten Strahl, welcher im Wesentlichen die gleiche Form wie die einzelnen Strahlen hat, mit: N Oszillatoren, wovon jeder einen Lichtstrahl mit einer anderen von N Wellenlängen aussendet; einem oder mehreren Strahlteilern zum Teilen von jedem der N Strahlen in M Strahlen mit gleicher Wellenlänge; einer Phasenmodulations-Stufe zum Fixieren der Phasen der M Strahlen für jede der N Wellenlängen entsprechend von Phasen-Korrektursignalen; einem diffraktiven optischen Element zum Kombinieren von M × N Lichtstrahlen in N Strahlen, wobei jeder der N Strahlen eine Kombination von M Strahlen ist, die die gleiche Wellenlänge wie die N Strahlen haben; einer Phasen-Detektor-Einrichtung zum Ermitteln der Phase der M Strahlen in den N Strahlen; einer Einrichtung zum Herleiten von Phasen-Korrektursignalen aus den ermittelten Phasen; und einem Gitter zum spektralen Strahlformen durch Kombinieren der N Strahlen zu einem einzigen, kombinierten Strahl; wobei M und N natürliche Zahlen sind.
Das System nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine Kombination von N Strahlen eine maximale Intensität entlang der 0-ten Beugungsordnung des diffraktiven optischen Elements aufweist.
Das System nach Anspruch 1, wobei weiter ein Feld von Fasern zum Richten der M × N Lichtstrahlen von der Phasen-Modulator-Stufe zu dem diffraktiven optischen Element vorgesehen ist.
Das System nach Anspruch 1, wobei die Phasen-Detektor-Einrichtung eine Optik zum Aussondern eines Niederleistungs-Probe-Teilstrahls von den M × N Lichtstrahlen aufweist, welche von dem diffraktiven optischen Element kombiniert wurden.
Das System nach Anspruch 1, wobei die Phasen-Detektor-Einrichtung die Niederleistungs-Probe-Teilstrahlen der M × N Lichtstrahlen empfängt, welche von dem diffraktiven optischen Element gebeugt wurden.
Das System nach Anspruch 1, wobei die Phasen-Detektor-Einrichtung die Niederleistungs-Probe-Teilstrahlen der M × N Lichtstrahlen empfängt, welche von dem Gitter gebeugt wurden.
Das System nach Anspruch 6, wobei der Niederleistungs-Probe-Teilstrahl Streustrahlen enthält, welche in der 0-ten Beugungsordnung des Gitters gestreut wurden.
Das System nach Anspruch 5, wobei das diffraktive optische Element ein Probestrahlnehmer-Gitter zum Beugen eines Niederleistungs-Probe-Teilstrahls enthält.
Ein System zum Kombinieren von Lichtstrahlen unterschiedlicher und identischer Wellenlängen zu einem einzigen kombinierten Strahl, welcher im Wesentlichen die gleiche Form wie die einzelnen Strahlen aufweist, mit: N Oszillatoren, wovon jeder einen Lichtstrahl mit einer anderen von N Wellenlängen aussendet; einem oder mehreren Strahlteilern zum Teilen von jedem der N Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge in M Strahlen mit gleicher Wellenlänge; einer Phasenmodulations-Stufe zum Fixieren der Phasen der M Strahlen für jede der N Wellenlängen entsprechend von Phasen-Korrektursignalen; einem optischen Element, welches sowohl ein Strahlen kombinierendes Spektral-Strahlformer(SBC)-Gitter, als auch ein diffraktives optisches Element aufweist, wobei die darauf auftreffenden M × N Lichtstrahlen zu einem einzigen, kombinierten Lichtstrahl kombiniert werden, welcher N Strahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge aufweist, welche spektral von dem Gitter kombiniert wurden, wobei jeder der N Strahlen eine Kombination von M Strahlen ist, welche von dem Beugungs-Gitter kombiniert wurden und die gleiche Wellenlänge wie die Wellenlänge der N Strahlen haben; einer Phasendetektor-Einrichtung zum Ermitteln der Phasen der M Strahlen für jede der N Wellenlängen; und einer Einrichtung zum Herleiten von Phasen-Korrektursignalen aus den ermittelten Phasen; wobei M und N natürliche Zahlen sind.
Das System nach Anspruch 9, wobei das Beugungs-Element rechtwinklig zu dem der SBC-Gitter angeordnet ist.
Das System nach Anspruch 10, wobei das optische Element einen Probe-Teilstrahl zu der Phasen-Detektor-Einrichtung liefert.
Ein Verfahren zum Kombinieren von Lichtstrahlen unterschiedlicher und identischer Wellenlängen zu einem einzigen kombinierten Strahl, welcher im Wesentlichen die gleiche Form wie die einzelnen Strahlen hat, mit: Aussenden von Lichtstrahlen mit N unterschiedlichen Wellenlängen; Teilen von jedem der N Strahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge in M Strahlen, die die gleiche Wellenlänge haben; Synchronisieren der Phasen der M Strahlen für jede der N Wellenlängen entsprechend von Phasen-Korrektursignalen; Kombinieren von M × N Lichtstrahlen in N Strahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge, wobei jeder der N Strahlen eine Kombination von M Strahlen ist, die die gleiche Wellenlängen wie die N Strahlen haben; Abzweigen eines Probe-Teilstrahls von jedem der kombinierten N Strahlen; Ermitteln der Phasen der M Strahlen für jede der Wellenlängen der N Strahlen in dem Probe-Teilstrahl; Herleiten von Phasen-Korrektursignalen aus den ermittelten Phasen; und spektrales Strahlformen durch Kombinieren der N Strahlen mit unterschiedlicher Welenlänge zu einem einzigen, kombinierten Strahl; wobei M und N natürliche Zahlen sind.
Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei vor dem Kombinations-Schritt die Lichtstrahlen durch ein Feld von M × N Fasern zu dem diffraktiven optischen Element geschickt worden sind.
Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei jeder der N Strahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge eine maximale Intensität entlang einer einzigen Beugungsordnung eines diffraktiven optischen Elements aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Abzweigungs-Schritt weiter das Beugen eines Niederleistungs-Probe-Teilstrahls der kombinierten M × N Lichtstrahlen mittels des diffraktiven optischen Elements aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Kombinations-Schritt und der Abzweigungs-Schritt von dem gleichen diffraktiven optischen Element bewirkt werden.
Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Abzweigungs-Schritt weiter das Beugen eines Niederleistungs-Probe-Teilstrahls der kombinierten M × N Lichtstrahlen mittels eines Strahlen kombinierenden Spektral-Strahlformer(SBC)-Gitters aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Niederleistungs-Probe-Teilstrahl Streustrahlen enthält, welche in der 0-ten Beugungsordnung des SBC-Gitters gebeugt wurden.
Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Abzweigungs-Schritt weiter das Beugen eines Niederleistungs-Probe-Teilstrahls der kombinierten M × N Lichtstrahlen aufweist, wobei der Probe-Teilstrahl eine Gesamtleistung aufweist, welche weniger als etwa ein Prozent der Gesamtleistung des aus den M × N Lichtstrahlen kombinierten Strahls aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Schritte des Kombinierens, Abzweigens und spektralen Kombinierens durch ein einziges optisches Element ausgeführt werden.