DE102019123533B4

DE102019123533B4 - Laser system and method for operating a laser system

Info

Publication number: DE102019123533B4
Application number: DE102019123533.2A
Authority: DE
Inventors: Daniel Kolbe
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2039-09-04
Also published as: DE102019123533A1

Abstract

Lasersystem (100), insbesondere Halbleiter-Lasersystem,umfassend eine Mehrzahl von laseraktiven Emittern (10), einen Resonator (50) zur Verstärkung der von den Emittern (10) emittierten Laserstrahlen (30), sowie ein Auskoppelelement (24) zum Auskoppeln eines Ausgangs-Laserstrahls (36),wobei der Resonator (50) wenigstens ein optisches Element (18) aufweist, welches kombiniert sowohl zur Phasenkopplung (14) als auch zur Wellenlängenkopplung (16) der Laserstrahlen (30) ausgebildet ist.Laser system (100), in particular semiconductor laser system, comprising a plurality of laser-active emitters (10), a resonator (50) for amplifying the laser beams (30) emitted by the emitters (10), and a decoupling element (24) for decoupling an output -Laser beam (36), wherein the resonator (50) has at least one optical element (18) which is designed combined both for phase coupling (14) and for wavelength coupling (16) of the laser beams (30).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem, insbesondere ein Halbleiter-Lasersystem, umfassend eine Mehrzahl von laseraktiven Emittern, einen Resonator für die von den Emittern emittierten Laserstrahlen, sowie umfassend ein Auskoppelelement zum Auskoppeln eines Ausgangs-Laserstrahls, und ein Verfahren zum Betreiben eines Lasersystems.The invention relates to a laser system, in particular a semiconductor laser system, comprising a plurality of laser-active emitters, a resonator for the laser beams emitted by the emitters, and comprising a decoupling element for decoupling an output laser beam, and a method for operating a laser system.

Lasersysteme auf Basis von Halbleitern haben eine bautechnische Limitierung der Ausgangsleistung bei guter Strahlqualität. Eine Vergrößerung der Strukturen führt zu einer Verminderung der Strahlqualität, was für viele Anwendungen unvorteilhaft ist. Die Ausgangsleistung solcher sogenannten Breitstreifendioden kann jedoch stark vergrößert werden. Für Pump- und Beleuchtungszwecke werden üblicherweise Laserdioden in linearen oder zweidimensional-matrixartigen Anordnungen, auch Arrays genannt, verbaut, um die aktive Strahlungsapertur zu vergrößern und damit eine Leistungsskalierung zu ermöglichen, was allerdings üblicherweise zu einer Verschlechterung der Strahlqualität führt.Laser systems based on semiconductors have a structural limitation of the output power with good beam quality. An enlargement of the structures leads to a reduction in the beam quality, which is disadvantageous for many applications. The output power of such so-called broad strip diodes can, however, be greatly increased. For pumping and lighting purposes, laser diodes are usually installed in linear or two-dimensional matrix-like arrangements, also called arrays, in order to enlarge the active radiation aperture and thus enable power scaling, which, however, usually leads to a deterioration in the beam quality.

Zur Skalierung der Leistung von Lasersystemen bei gleichzeitigem Erhalt einer guten Strahlqualität gibt es mehrere Ansätze.There are several approaches to scaling the performance of laser systems while maintaining good beam quality.

Bei einer Wellenlängenkopplung oder spektralen Kopplung von Laseremittern werden üblicherweise mehrere Laserfelder mit unterschiedlichen Wellenlängen mittels eines dispersiven Elements (dichroitischer Spiegel, Gitter, Prisma) überlagert. Die Ausgangsleistung dieser Systeme skaliert mit der Ausgangsleistung der einzelnen Laseremitter des Lasersystems bei gleichzeitigem Erhalt der Strahlqualität eines Einzelemitters. Anwendung findet dieses Verfahren bei Lasern zur Materialbearbeitung und für Pumplichtanwendungen. Obwohl es dadurch möglich ist, Systeme nahe der Beugungsgrenze darzustellen, werden Systeme meist mit Breitstreifenemittern oder Barren realisiert, um eine hohe Ausgangsleistung zu erreichen. Die sich ergebende Strahlung weist eine große Frequenzbandbreite auf, da jeder einzelne Laseremitter eine eigene Laserfrequenz benötigt, um eine spektrale Überlagerung zu ermöglichen.In the case of wavelength coupling or spectral coupling of laser emitters, several laser fields with different wavelengths are usually superimposed by means of a dispersive element (dichroic mirror, grating, prism). The output power of these systems scales with the output power of the individual laser emitters of the laser system while maintaining the beam quality of a single emitter. This process is used in lasers for material processing and for pump light applications. Although this makes it possible to display systems close to the diffraction limit, systems are usually implemented with broad area emitters or bars in order to achieve a high output power. The resulting radiation has a large frequency bandwidth, since each individual laser emitter requires its own laser frequency in order to enable spectral superimposition.

Bei einer passiven Phasenkopplung von Laseremittern durch Selbstorganisation werden Laser durch eine Rückkopplung einer geteilten Lasermode auf eine gemeinsame Laserfrequenz getrieben, deren Wellenlänge zu den Resonatorlängen der einzelnen beteiligten Laser passt. Die Resonatorlänge muss ein Vielfaches der Wellenlange betragen. Die Laserfrequenz des gekoppelten Systems stellt sich ähnlich wie in einem einzelnen Laser durch Selbstorganisation, getrieben durch Verstärkung und Verlust im gekoppelten System, ein.With a passive phase coupling of laser emitters by self-organization, lasers are driven to a common laser frequency by feedback of a divided laser mode, the wavelength of which matches the resonator lengths of the individual lasers involved. The length of the resonator must be a multiple of the wavelength. The laser frequency of the coupled system is similar to that in a single laser through self-organization, driven by amplification and loss in the coupled system.

Bei einer aktiven kohärenten Phasenkopplung von Laseremittern werden einzelne frequenzgleiche Laserfelder (meist in einer sogenannten Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) Konfiguration oder einer Master-Slave Konfiguration) überlagert und deren Phasen unabhängig geregelt, um konstruktive Interferenz zu ermöglichen. Phasenregelung und Phasenmessung können durch verschiedene Techniken durchgeführt werden, die unterschiedlich gut skalierbar sind.In the case of an active coherent phase coupling of laser emitters, individual laser fields with the same frequency (usually in a so-called Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) configuration or a master-slave configuration) are superimposed and their phases are regulated independently in order to enable constructive interference. Phase control and phase measurement can be carried out using various techniques that are scalable to different degrees.

Die DE 11 2014 004 244 B4 offenbart Systeme und Verfahren zur Strahlwellenlängenstabilisierung und Ausgangsstrahlkombination in Systemen mittels sogenannter dichter Wellenlängenmultiplexierung. Es wird ein Verfahren beschrieben zum Stabilisieren der Wellenlänge der von mehreren Laseremittern emittierter Strahlen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Lenken der emittierten Strahlen zu einem ersten Reflexionsbeugungselement, Lenken eines Teils der vom ersten Reflexionsbeugungselement emittierten Strahlen in einen Rückkopplungszweig als Rückkopplungszweigeingabe und Lenken eines Teils der Rückkopplungszweigeingabe durch den Rückkopplungszweig und in die mehreren Strahlemitter zurück, wobei beim Lenken eines Teils der Rückkopplungszweigeingabe durch den Rückkopplungszweig sequenziell ein Teil der Rückkopplungszweigeingabe durch ein Raumfiltersystem gelenkt wird. Das Lenken eines Teils der Rückkopplungszweigeingabe durch den Rückkopplungszweig und in das Array von Strahlemittern zurück umfasst Folgendes: Lenken der Rückkopplungszweigeingabe in einen ersten Arm des Rückkopplungszweigs als Eingabe für den ersten Arm, Lenken der Eingabe für den ersten Arm zu einem ersten hochreflektierenden Spiegel, Lenken einer Reflexion der Eingabe für den ersten Arm vom ersten hochreflektierenden Spiegel zum ersten Reflexionsbeugungsgitter als Ausgabe des ersten Arms, Lenken einer Reflexion der Ausgabe des ersten Arms zu einem zweiten hochreflektierenden Spiegel eines zweiten Rückkopplungsarms als Eingabe für den zweiten Arm, Lenken einer Reflexion der Eingabe für den zweiten Arm vom zweiten hochreflektierenden Spiegel zum ersten Reflexionsbeugungsgitter als Ausgabe des zweiten Arms, Lenken einer Reflexion der Ausgabe des zweiten Arms in den ersten Arm des Rückkopplungszweigs als Eingabe für den ersten Arm und Lenken einer Beugung der Ausgabe des ersten Arms in das Array von Strahlemittern zurück.The DE 11 2014 004 244 B4 discloses systems and methods for beam wavelength stabilization and output beam combination in systems using so-called dense wavelength division multiplexing. A method is described for stabilizing the wavelength of the beams emitted by a plurality of laser emitters, the method comprising: directing the emitted beams to a first reflection diffractive element, directing a portion of the beams emitted by the first reflection diffractive element into a feedback branch as a feedback branch input, and directing a portion of the Feedback branch input through the feedback branch and back into the plurality of beam emitters, wherein as a portion of the feedback branch input is routed through the feedback branch sequentially, a portion of the feedback branch input is routed through a spatial filter system. Directing a portion of the feedback branch input through the feedback branch and back into the array of beam emitters includes: directing the feedback branch input into a first arm of the feedback branch as input for the first arm, directing the input for the first arm to a first high reflective mirror, directing a Reflecting the input for the first arm from the first highly reflective mirror to the first reflection diffraction grating as the output of the first arm, directing a reflection of the output of the first arm to a second highly reflective mirror of a second feedback arm as the input for the second arm, directing a reflection of the input for the second arm from the second highly reflective mirror to the first reflection diffraction grating as the output of the second arm, directing a reflection of the output of the second arm into the first arm of the feedback branch as input to the first arm, and directing a diffraction of the output of the first arm in back the array of beam emitters.

Die US 6 192 062 B1 beschreibt eine Laserquelle mit externem Resonator, die einen externen Hohlraum mit freiem Raum aufweist, der ein Laserarray, ein optisches Element, ein dispersives Element und ein teilweise reflektierendes Element umfasst. Das Laserarray umfasst mindestens zwei optische Verstärkungselemente, wobei jedes der mindestens zwei optischen Verstärkungselemente optische Strahlung mit einer eindeutigen Wellenlänge erzeugt. Das optische Element hat eine Brennebene und ist positioniert, um die Brennebene im Wesentlichen an den mindestens zwei optischen Verstärkungselementen anzuordnen und die erzeugte optische Strahlung aufzufangen. Das dispersive Element ist im Wesentlichen in der Brennebene des optischen Elements positioniert. Das teilweise reflektierende Element ist positioniert, um Strahlung von dem dispersiven Element aufzufangen. Das teilweise reflektierende Element und die Verstärkungselemente bilden zusammen den Freiraum-Laserresonator, der die mindestens erste und zweite Wellenlänge definiert.The US 6 192 062 B1 describes an external cavity laser source having an external free space cavity containing a laser array, an optical element, a dispersive element, and a partially reflective element includes. The laser array comprises at least two optical amplification elements, each of the at least two optical amplification elements generating optical radiation with a unique wavelength. The optical element has a focal plane and is positioned in order to essentially arrange the focal plane on the at least two optical amplifying elements and to intercept the generated optical radiation. The dispersive element is positioned essentially in the focal plane of the optical element. The partially reflective element is positioned to collect radiation from the dispersive element. The partially reflective element and the reinforcement elements together form the free space laser resonator which defines the at least first and second wavelengths.

Die US 9134538 B1 als auch die Publikation von Moti Fridman, Vardit Eckhouse, Nir Davidson, and Asher A. Friesem, „Simultaneous coherent and spectral addition of fiber lasers,“ Opt. Lett. 33, 648-650 (2008) beschreiben Lasersysteme mit wenigstens zwei optischen Elementen, von denen das eine eine Phasenkopplung und das andere eine Wellenlängenkopplung der erzeugten Laserstrahlen bewirkt.The US 9134538 B1 as well as the publication by Moti Fridman, Vardit Eckhouse, Nir Davidson, and Asher A. Friesem, "Simultaneous coherent and spectral addition of fiber lasers," Opt. Lett. 33, 648-650 (2008) describe laser systems with at least two optical elements, one of which effects a phase coupling and the other a wavelength coupling of the laser beams generated.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lasersystem, insbesondere ein Halbleiter-Lasersystem, zu schaffen, welches ein Skalieren der Leistung bei guter Strahlqualität ermöglicht.One object of the invention is to create a laser system, in particular a semiconductor laser system, which enables the power to be scaled with good beam quality.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines Lasersystems anzugeben.Another object is to specify a corresponding method for operating a laser system.

Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.The tasks are achieved by the features of the independent claims. Favorable configurations and advantages of the invention emerge from the further claims, the description and the drawing.

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem, insbesondere ein Halbleiter-Lasersystem, umfassend eine Mehrzahl von laseraktiven Emittern, einen Resonator zur Verstärkung der von den Emittern emittierten Laserstrahlen, sowie ein Auskoppelelement zum Auskoppeln eines Ausgangs-Laserstrahls. Der Resonator ist dabei für eine Phasenkopplung der Laserstrahlen und für eine Wellenlängenkopplung der Laserstrahlen ausgebildet. Der Resonator weist wenigstens ein optisches Element auf, welches kombiniert sowohl zur Phasenkopplung als auch zur Wellenlängenkopplung der Laserstrahlen ausgebildet ist.The invention relates to a laser system, in particular a semiconductor laser system, comprising a plurality of laser-active emitters, a resonator for amplifying the laser beams emitted by the emitters, and a decoupling element for decoupling an output laser beam. The resonator is designed for phase coupling of the laser beams and for wavelength coupling of the laser beams. The resonator has at least one optical element which is designed in combination both for phase coupling and for wavelength coupling of the laser beams.

Dadurch, dass das wenigstens eine optische Element sowohl zur Phasenkopplung als auch zur Wellenlängenkopplung der Laserstrahlen ausgebildet ist können so die beiden Funktionen der Phasenkopplung und der Wellenlängenkopplung in einem einzigen optischen Element kombiniert sein. Damit lassen sich vorteilhaft besonders kompakte Lasersysteme aufbauen. Beispielsweise kann dieses optische Element als zweidimensionales diffraktives optisches Element ausgebildet sein.Because the at least one optical element is designed both for phase coupling and for wavelength coupling of the laser beams, the two functions of phase coupling and wavelength coupling can be combined in a single optical element. In this way, particularly compact laser systems can advantageously be built. For example, this optical element can be designed as a two-dimensional diffractive optical element.

Laserstrahlen der Emitter können dabei auf das zweidimensionale optische Element gestrahlt werden. Die Separierbarkeit in beispielsweise eine x-Richtung und eine darauf senkrecht stehende y-Richtung, parallel zur Oberfläche des optischen Elements, führt dazu, dass die Funktionen bekannter getrennter erster und zweiter optischer Elemente auch in einem optischen Element kombiniert werden können und somit eine weitere Kompaktierung und technische Vereinfachung des optischen Aufbaus realisiert werden kann.Laser beams from the emitter can be radiated onto the two-dimensional optical element. The separability in, for example, an x-direction and a y-direction perpendicular to it, parallel to the surface of the optical element, means that the functions of known separate first and second optical elements can also be combined in one optical element and thus further compacting and technical simplification of the optical structure can be realized.

Ein kombinierter Resonatorarm innerhalb der ersten Ordnung der Wellenlängenaufspaltung und das Auskoppelelement mit geeigneter Reflektivität am Resonatorausgang führen vorteilhaft zur Wellenlängenkopplung und Phasenkopplung der verschiedenen Emitter.A combined resonator arm within the first order of the wavelength splitting and the decoupling element with suitable reflectivity at the resonator output advantageously lead to wavelength coupling and phase coupling of the various emitters.

Die Wellenlängenkopplung, auch bekannt als spektrale Kopplung, ist begrenzt durch den minimalen Frequenzabstand zwischen den einzelnen überlagerten Teilstrahlen. Die Auswahl einer geeigneten Wellenlänge der optischen Komponenten und eine geforderte spektrale Eingrenzung für die Anwendung definieren einen maximalen Frequenzbereich der gekoppelten Strahlung. Die spektrale Breite der einzelnen Teilstrahlen und der minimale Frequenzabstand zwischen den einzelnen Teilstrahlen stellt damit eine maximale Obergrenze der koppelbaren Strahlen dar.The wavelength coupling, also known as spectral coupling, is limited by the minimum frequency spacing between the individual superimposed partial beams. The selection of a suitable wavelength for the optical components and the required spectral limitation for the application define a maximum frequency range of the coupled radiation. The spectral width of the individual partial beams and the minimum frequency spacing between the individual partial beams thus represent a maximum upper limit of the beams that can be coupled.

Die passive Phasenkopplung ist durch inhärente Phasenfluktuationen innerhalb der einzelnen Emitter limitiert. Je nach Ausprägung dieser Phasenfluktuationen können im Bereich 10 bis 100 Emitter gekoppelt werden. Eine weitere Skalierung ist bisher nicht oder nur auf Kosten der Effizienz der Kopplung möglich.The passive phase coupling is limited by inherent phase fluctuations within the individual emitters. Depending on the extent of these phase fluctuations, in the area 10 to 100 Emitter are coupled. Up to now, further scaling has not been possible or has only been possible at the expense of the efficiency of the coupling.

Optische Elemente, welche für eine Wellenlängenkopplung und/oder Phasenkopplung geeignet sind, weisen Oberflächenstrukturen in der Größenordnung der verwendeten Wellenlänge auf. Solche optische Elemente sind beispielsweise in einem Artikel von H. Dammann and K. Görtier, Opt. Comm. Vol. 3(5), 1971‟ beschrieben.Optical elements which are suitable for wavelength coupling and / or phase coupling have surface structures in the order of magnitude of the wavelength used. Such optical elements are for example in an article from H. Dammann and K. Görtier, Opt. Comm. Vol. 3 (5), 1971 ‟ described.

Die vorgeschlagene Kombination von passiver Phasenkopplung und Wellenlängenkopplung der Laserstrahlen ermöglicht dagegen eine weitere Skalierung der Leistung durch Skalierung der Anzahl an gekoppelten Emittern. Die Limitierungen von passiver Phasenkopplung und spektraler Wellenlängenkopplung werden durch die vorgeschlagene Kombination der beiden Techniken verringert und eine Skalierung um ein Vielfaches der Komponenten ermöglicht.The proposed combination of passive phase coupling and wavelength coupling of the laser beams, on the other hand, enables the power to be further scaled by scaling the number of coupled emitters. The limitations of passive phase coupling and spectral wavelength coupling are reduced by the proposed combination of the two techniques and a scaling by a multiple of the components is made possible.

Im Stand der Technik bekannte Lösungsansätze mit aktiver Phasenkopplung von Laserdioden sind zwar technisch hinzu vielen einzelnen Emittern skalierbar. Da jeder Einzelstrahl jedoch eine Phasenregelung benötigt, ist dieser Ansatz technisch sehr aufwendig. Dies wird durch das erfindungsgemäße Lasersystem vermieden.Approaches known in the prior art with active phase coupling of laser diodes are technically scalable to many individual emitters. However, since each individual beam requires phase control, this approach is technically very complex. This is avoided by the laser system according to the invention.

Die Kopplung von vielen Emittern ohne aktive Regelung stellt damit eine deutliche Reduktion der Komplexität und des technischen Aufwands dar. Dies ermöglicht einen deutlich weniger komplexen Aufbau als aktiv gekoppelte Systeme. Das vorgeschlagene Lasersystem hat die Vorteile von wellenlängengekoppelten und passiv phasengekoppelten Systemen, sodass keine weiteren aktiven Elemente, wie beispielsweise für eine Phasenmessung oder Phasenregelung, benötigt werden. Somit ist das Lasersystem technisch weniger komplex als aktiv gekoppelte Systeme.The coupling of many emitters without active regulation thus represents a significant reduction in complexity and technical effort. This enables a much less complex structure than actively coupled systems. The proposed laser system has the advantages of wavelength-coupled and passive phase-coupled systems, so that no further active elements, such as for phase measurement or phase control, are required. Thus, the laser system is technically less complex than actively coupled systems.

Die Kombination von passiver Phasenkopplung und Wellenlängenkopplung ermöglicht die weitere Skalierung der Anzahl der gekoppelten Emitter. Dadurch kann die Anzahl der koppelbaren Emitter stark erhöht werden. Insbesondere können so N * M Emitter gekoppelt werden, wobei N die maximale Anzahl der passiv phasenkoppelbaren Emitter und M die maximale Anzahl der wellenlängenkoppelbaren Emitter darstellt. Dadurch kann die Limitierung der Skalierbarkeit von Wellenlängen und passiver Phasenkopplung verringert werden.The combination of passive phase coupling and wavelength coupling enables the number of coupled emitters to be scaled further. This can greatly increase the number of emitters that can be coupled. In particular, N * M emitters can be coupled in this way, where N represents the maximum number of passively phase-coupled emitters and M the maximum number of wavelength-coupled emitters. As a result, the limitation of the scalability of wavelengths and passive phase coupling can be reduced.

Durch die erreichte Skalierbarkeit können vorteilhaft Strahlquellen hoher Strahlqualität gekoppelt werden und somit Hochleistungsquellen mit guter Strahlqualität realisiert werden. Hochleistungsquellen mit Wellenlängenkopplung sind sonst üblicherweise begrenzt durch die Strahlqualität der einzelnen Emitter, die durch die schlechte Skalierbarkeit der Kopplung ungünstig ausfallen kann. Typische Strahlqualitäten „guter“ Emitter, die durch Kopplung zu hoher Leistung skaliert werden sollen oder vorhandene Hochleistungsemitter können bei M²=1 und 1 µm Wellenlänge 0,3 mm*mrad betragen und ergeben sich bekanntermaßen aus der Fokusgröße wo (1/e-Radius) und dem halben Divergenzwinkel θ der Strahlung. M² stellt dabei die Beugungsmaßzahl dar, welche den Laserstrahl charakterisiert.Due to the scalability achieved, beam sources of high beam quality can be coupled and thus high-power sources with good beam quality can be realized. High-power sources with wavelength coupling are usually limited by the beam quality of the individual emitters, which can be unfavorable due to the poor scalability of the coupling. Typical beam qualities of "good" emitters that are to be scaled to high power by coupling or existing high power emitters can be ^{0.3 mm * mrad with M 2} = 1 and 1 µm wavelength and are known to result from the focus size wo (1 / e radius ) and half the divergence angle θ of the radiation. M ² represents the diffraction index which characterizes the laser beam.

Das erfindungsgemäße Lasersystem kann Halbleiterlaseremitter aufweisen, welche eine Vielzahl von Emitterstrukturen aufweisen können. Beispielsweise können die Emitter des Lasersystems aus einer Vielzahl von Halbleiterdioden auf oder in einem Substrat bestehen, als Diodenbarren oder als Trapezlaser ausgebildet sein.The laser system according to the invention can have semiconductor laser emitters which can have a multiplicity of emitter structures. For example, the emitters of the laser system can consist of a multiplicity of semiconductor diodes on or in a substrate, be designed as diode bars or as trapezoidal lasers.

Bei einem Diodenbarren, auch genannt Barrenstruktur, sind einzelne Emitter auf einem streifenförmigen Chip zusammengefasst. Mehrere solcher Barren können zu einem Stapel zusammengesetzt sein (Barrenstapel).In the case of a diode bar, also known as a bar structure, individual emitters are combined on a strip-shaped chip. Several such bars can be put together to form a stack (bar stack).

Ein Trapezlaser ist aus einer lateral einmodigen Rippenwellenleiter-Sektion und einer trapezförmigen Sektion, in welcher die Laserstrahlung verstärkt wird, gebildet.A trapezoidal laser is formed from a laterally single-mode rib waveguide section and a trapezoidal section in which the laser radiation is amplified.

Eine Kopplung der Laserstrahlen der Emitter erfolgt über einen gemeinsamen Resonatorarm, der sowohl spektral als auch phasenkohärent auf die einzelnen Emitter aufgeteilt wird. Die Rückseite von beispielsweise als Einzelbauteile ausgebildeten Emittern und das Auskoppelelement bilden Einzelresonatoren der von den einzelnen Emitter erzeugten Teilstrahlen.The laser beams from the emitters are coupled via a common resonator arm, which is distributed both spectrally and phase-coherently to the individual emitters. The rear side of emitters embodied as individual components, for example, and the decoupling element form individual resonators of the partial beams generated by the individual emitters.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann das wenigstens eine optische Element scheibenartig ausgebildet sein. Insbesondere können die optischen Eigenschaften des wenigstens einen optischen Elements anisotrop ausgebildet sein. Beispielsweise kann dieses optische Element als zweidimensionales diffraktives optisches Element ausgebildet sein. Dabei kann die Funktion der Phasenkopplung in einer Richtung ausgebildet sein und die Funktion der Wellenlängenkopplung in einer dazu senkrechten Richtung.According to an advantageous embodiment of the laser system, the at least one optical element can be designed in the form of a disk. In particular, the optical properties of the at least one optical element can be embodied anisotropically. For example, this optical element can be designed as a two-dimensional diffractive optical element. The function of the phase coupling can be designed in one direction and the function of the wavelength coupling in a direction perpendicular thereto.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann der Resonator geteilt ausgebildet sein und insbesondere zwischen der Mehrzahl von Emittern und dem Auskoppelelement wenigstens einen ersten Resonatorarm und einen daran anschließenden zweiten Resonatorarm aufweisen. Dabei kann vorteilhaft der erste Resonatorarm den Bereich zwischen den Emittern und dem optischen Element umfassen, während der zweite Resonatorarm den Bereich zwischen dem optischen Element und dem Auskoppelelement umfasst.According to an advantageous embodiment of the laser system, the resonator can be designed to be divided and in particular have at least one first resonator arm and a second resonator arm connected to it between the plurality of emitters and the coupling-out element. The first resonator arm can advantageously encompass the area between the emitters and the optical element, while the second resonator arm encompasses the area between the optical element and the coupling-out element.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann der zweite Resonatorarm ausgangsseitig durch das Auskoppelelement abgeschlossen sein. Insbesondere kann dabei der zweite Resonatorarm zwischen dem Auskoppelelement und dem wenigstens einen optischen Element ausgebildet sein.According to an advantageous embodiment of the laser system, the second resonator arm can be closed on the output side by the decoupling element. In particular, the second resonator arm can be formed between the decoupling element and the at least one optical element.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann der zweite Resonatorarm ausgangsseitig durch das Auskoppelelement abgeschlossen sein. Insbesondere kann dabei bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der zweite Resonatorarm einen sowohl phasengekoppelten wie auch wellenlängengekoppelten Laserstrahl aufweisen.According to an advantageous embodiment of the laser system, the second resonator arm can be closed on the output side by the decoupling element. In particular, in this case When used as intended, the second resonator arm can have a phase-coupled as well as wavelength-coupled laser beam.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann der Resonator einen Resonatorarm mit Einzelresonatoren zwischen der Mehrzahl von Emittern und dem Auskoppelelement umfassen. Die jeweilige Strecke zwischen der Rückseite eines der Emitter und dem Auskoppelelement bildet dabei den Einzelresonator des betreffenden Em itters.According to an advantageous embodiment of the laser system, the resonator can comprise a resonator arm with individual resonators between the plurality of emitters and the decoupling element. The respective path between the back of one of the emitters and the decoupling element forms the individual resonator of the emitter in question.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems können die Einzelresonatoren unterschiedliche Resonatorlängen aufweisen. Die Resonatorlängen der Einzelresonatoren können dabei zweckmäßig so unterschiedlich gewählt werden, um den Frequenzabstand der gemeinsamen Moden klein zu halten und stets in einer gewünschten Wellenlängenaufspaltung des wenigstens einen optischen Elements eine ausreichende Anzahl gemeinsamer Moden der Phasenkopplung zu erhalten. Zweckmäßig kann die Wellenlängenkopplung dabei trotzdem so gewählt werden, dass eine möglichst dichte spektrale Wellenlängenkopplung ermöglicht wird und ein hoher Anteil der Leistung in die erste Ordnung einer Gitterreflexion des wenigstens einen optischen Elements fällt. Dies ermöglicht eine effiziente Kopplung.According to an advantageous embodiment of the laser system, the individual resonators can have different resonator lengths. The resonator lengths of the individual resonators can expediently be chosen so differently in order to keep the frequency spacing of the common modes small and always to obtain a sufficient number of common modes of the phase coupling in a desired wavelength split of the at least one optical element. In spite of this, the wavelength coupling can expediently be selected in such a way that the closest possible spectral wavelength coupling is made possible and a high proportion of the power falls in the first order of a grating reflection of the at least one optical element. This enables efficient coupling.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann die Wellenlängenkopplung des wenigstens einen optischen Elements so ausgebildet sein, dass ein Anteil von mindestens 50% der Laserleistung in einer ersten Ordnung der Gitterreflexion liegt, bevorzugt von mindestens 70%, ganz besonders bevorzugt von mindestens 90% der Laserleistung in einer ersten Ordnung einer Gitterreflexion liegt. Zweckmäßig kann die Wellenlängenkopplung auf diese Weise so gewählt werden, dass eine möglichst dichte spektrale Wellenlängenkopplung ermöglicht wird und ein hoher Anteil der Leistung in die erste Ordnung der Gitterreflexion fällt, um eine effiziente Kopplung zu ermöglichen.According to an advantageous embodiment of the laser system, the wavelength coupling of the at least one optical element can be designed so that a proportion of at least 50% of the laser power is in a first order of the grating reflection, preferably at least 70%, very particularly preferably at least 90% of the laser power lies in a first order of a grating reflection. The wavelength coupling can expediently be selected in this way in such a way that the closest possible spectral wavelength coupling is made possible and a high proportion of the power falls into the first order of the grating reflection in order to enable efficient coupling.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann das wenigstens eine optische Element so ausgebildet sein, dass eine im Wesentlichen homogene Aufspaltung auf wenigstens eine Anzahl N an Teilstrahlen erfolgt, wobei N wenigstens 5, bevorzugt wenigstens 20, ganz besonders bevorzugt von wenigstens 50 beträgt.According to an advantageous embodiment of the laser system, the at least one optical element can be designed in such a way that an essentially homogeneous splitting into at least a number N of partial beams takes place, where N is at least 5, preferably at least 20, very particularly preferably at least 50.

Durch das gezielte Ausblenden von Teilstrahlen der Phasenüberlagerung, was durch die Vielzahl an Teilstrahlen vorteilhaft möglich ist, und der Rückkopplung des ausgewählten überlagerten Teilstrahls durch das Auskoppelelement, kann die gemeinsame Mode mit kohärenter Phasenüberlagerung selbstorganisiert ausgewählt werden.The common mode with coherent phase superposition can be selected in a self-organized manner through the targeted masking out of partial beams of the phase superposition, which is advantageously possible due to the large number of partial beams, and the feedback of the selected superimposed partial beam by the decoupling element.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann das wenigstens eine optische Element so ausgebildet sein, dass eine im Wesentlichen homogene Aufspaltung auf wenigstens eine Anzahl M an Teilstrahlen erfolgt, wobei M wenigstens 5, bevorzugt wenigstens 50, ganz besonders bevorzugt von wenigstens 100 beträgt. Zweckmäßig kann die Anzahl an Teilstrahlen dabei so gewählt werden, dass eine möglichst dichte spektrale Wellenlängenkopplung ermöglicht wird.According to an advantageous embodiment of the laser system, the at least one optical element can be designed in such a way that an essentially homogeneous splitting takes place into at least a number M of partial beams, where M is at least 5, preferably at least 50, very particularly preferably at least 100. The number of partial beams can expediently be selected in such a way that the closest possible spectral wavelength coupling is made possible.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann die Vielzahl von laseraktiven Emittern in Form einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sein. Solche Anordnungen werden üblicherweise als Arrays bezeichnet. Durch die Integration der einzelnen Emitter zu einem kompakten Array, insbesondere zu einem zweidimensionalen Array in Form einer Matrix, lässt sich eine möglichst hohe Packungsdichte des Lasersystems erreichen, welche besonders vorteilhaft für Pump- oder Beleuchtungszwecke einsetzbar ist.According to an advantageous embodiment of the laser system, the multiplicity of laser-active emitters can be arranged in the form of a two-dimensional matrix. Such arrangements are commonly referred to as arrays. By integrating the individual emitters into a compact array, in particular into a two-dimensional array in the form of a matrix, the highest possible packing density of the laser system can be achieved, which can be used particularly advantageously for pumping or lighting purposes.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann die Vielzahl von laseraktiven Emittern in Form einer Barrenstruktur, insbesondere in Form einer gestapelten Barrenstruktur angeordnet sein. Durch die Integration der einzelnen Emitter in Form einer Barrenstruktur, insbesondere in Form einer gestapelten Barrenstruktur, lässt sich eine möglichst hohe Packungsdichte des Lasersystems erreichen, welche besonders vorteilhaft für Pump- oder Beleuchtungszwecke einsetzbar ist. According to an advantageous embodiment of the laser system, the plurality of laser-active emitters can be arranged in the form of a bar structure, in particular in the form of a stacked bar structure. By integrating the individual emitters in the form of a bar structure, in particular in the form of a stacked bar structure, the highest possible packing density of the laser system can be achieved, which can be used particularly advantageously for pumping or lighting purposes.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann die Vielzahl von laseraktiven Emittern in einem integrierten Festkörperbauteil angeordnet sein. Durch die Integration der Emitter in ein einziges integriertes Festkörperbauteil, lässt sich eine möglichst hohe Packungsdichte des Lasersystems erreichen, welche besonders vorteilhaft für Pump- oder Beleuchtungszwecke einsetzbar ist.According to an advantageous embodiment of the laser system, the multiplicity of laser-active emitters can be arranged in an integrated solid-state component. By integrating the emitters in a single integrated solid-state component, the laser system can achieve the highest possible packing density, which can be used particularly advantageously for pumping or lighting purposes.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Lasersystems vorgeschlagen, bei dem eine Mehrzahl von laseraktiven Emittern Laserstrahlen emittiert, die in einem Resonator verstärkt werden, und von einem Auskoppelelement ausgekoppelt werden, wobei der Resonator eine Phasenkopplung der Laserstrahlen und eine Wellenlängenkopplung der Laserstrahlen bewirkt. Dabei weist der Resonator wenigstens ein optisches Element auf, welches eine Phasenkopplung als auch eine Wellenlängenkopplung der Laserstrahlen bewirkt.According to a further aspect of the invention, a method for operating a laser system is proposed in which a plurality of laser-active emitters emit laser beams which are amplified in a resonator and are decoupled by a decoupling element, the resonator being a phase coupling of the laser beams and a wavelength coupling of the Causes laser beams. The resonator has at least one optical element, which effects a phase coupling as well as a wavelength coupling of the laser beams.

Die Kombination von passiver Phasenkopplung und Wellenlängenkopplung der Laserstrahlen ermöglicht eine weitere Skalierung der Leistung durch Skalierung der Anzahl an gekoppelten Emittern. Die Limitierungen von passiver Phasenkopplung sowie spektraler Kopplung wird durch Kombination der Techniken verringert und eine Skalierung um ein Vielfaches der Komponenten ermöglicht.The combination of passive phase coupling and wavelength coupling of the laser beams enables the power to be further scaled by scaling the number of coupled emitters. The limitations of passive phase coupling and spectral coupling are reduced by combining the technologies and scaling by a multiple of the components is made possible.

Durch die Kombination von spektraler und passiver Kopplung kann die Skalierbarkeit deutlich erhöht werden. Die Limitierung der passiven Kopplung und der Wellenlängenkopplung wird somit umgangen. Die Kombination von passiver Kopplung und Wellenlängenkopplung ermöglicht weiter eine Skalierung der Anzahl der gekoppelten Emitter. Dadurch kann die Anzahl der koppelbaren Elemente stark erhöht werden. Insbesondere können so N x M Elemente gekoppelt werden, wobei N die maximale Anzahl der passiv phasenkoppelbaren Elemente und M die maximale Anzahl der wellenlängenkoppelbaren Elemente darstellt. Dadurch kann die Limitierung der Skalierbarkeit von Wellenlängen und passiver Kopplung verringert werden.The combination of spectral and passive coupling can significantly increase the scalability. The limitation of passive coupling and wavelength coupling is thus circumvented. The combination of passive coupling and wavelength coupling also enables the number of coupled emitters to be scaled. This can greatly increase the number of elements that can be coupled. In particular, N x M elements can be coupled in this way, where N represents the maximum number of passively phase-couple elements and M the maximum number of wavelength-couple elements. As a result, the limitation of the scalability of wavelengths and passive coupling can be reduced.

Durch die hohe Skalierbarkeit können vorteilhaft Strahlquellen hoher Strahlqualität gekoppelt werden und somit eine Hochleistungsquelle mit guter Strahlqualität realisiert werden. Hochleistungsquellen mit Wellenlängenkopplung sind sonst üblicherweise begrenzt durch die Strahlqualität der Emitter, die durch die schlechte Skalierbarkeit der Phasenkopplung schlechter ausfallen kann. Typische Strahlqualitäten „guter“ Emitter, die durch Kopplung zu hoher Leistung skaliert werden sollen oder vorhandene Hochleistungsemitter können bei M²=1 und 1 µm Wellenlänge 0,3 mm*mrad betragen und ergeben sich aus der Fokusgröße wo (1/e-Radius) und dem halben Divergenzwinkel θ der Strahlung. M² stellt dabei die Beugungsmaßzahl dar, welche den Laserstrahl charakterisiert.Due to the high scalability, beam sources of high beam quality can advantageously be coupled and thus a high-power source with good beam quality can be realized. High-power sources with wavelength coupling are usually limited by the beam quality of the emitter, which can be poorer due to the poor scalability of the phase coupling. Typical beam qualities of "good" emitters that are to be scaled to high power by coupling or existing high-power emitters can be ^{0.3 mm * mrad with M 2} = 1 and 1 µm wavelength and result from the focus size wo (1 / e radius) and half the divergence angle θ of the radiation. M ² represents the diffraction index which characterizes the laser beam.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können die Laserstrahlen in wenigstens einem Resonatorarm zu einem phasengekoppelten und wellenlängengekoppelten Laserstrahl verstärkt werden.According to an advantageous embodiment of the method, the laser beams can be amplified in at least one resonator arm to form a phase-coupled and wavelength-coupled laser beam.

Eine Kopplung der Emitter erfolgt über den gemeinsamen Resonatorarm, der sowohl spektral als auch phasenkohärent über das erste optische Element der Phasenkopplung auf die Emitter aufgeteilt wird. Die Rückseite der Emitter und das Auskoppelelement bilden jeweils Einzelresonatoren der einzelnen Emitter.The emitters are coupled via the common resonator arm, which is distributed both spectrally and phase-coherently to the emitters via the first optical element of the phase coupling. The back of the emitter and the decoupling element each form individual resonators of the individual emitters.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann an dem wenigstens einen optischen Element eine im Wesentlichen homogene Aufspaltung auf wenigstens eine Anzahl N an Teilstrahlen erfolgen, wobei N wenigstens 5, bevorzugt wenigstens 20, ganz besonders bevorzugt von wenigstens 50 beträgt. Die Phasenkopplung kann zweckmäßig so gewählt werden, dass eine im Wesentlichen homogene Aufspaltung auf N Teilstrahlen erzielt wird, wobei N die Anzahl der phasengekoppelten Teilstrahlen darstellt. Durch das gezielte Ausblenden von Teilstrahlen der Phasenüberlagerung und der Rückkopplung des ausgewählten überlagerten Teilstrahls durch das Auskoppelelement, wird die gemeinsame Mode mit kohärenter Phasenüberlagerung selbstorganisiert ausgewählt.According to an advantageous embodiment of the method, an essentially homogeneous splitting into at least a number N of partial beams can take place on the at least one optical element, where N is at least 5, preferably at least 20, very particularly preferably at least 50. The phase coupling can expediently be selected so that an essentially homogeneous split into N partial beams is achieved, where N represents the number of phase-coupled partial beams. By specifically hiding partial beams of the phase superposition and the feedback of the selected superimposed partial beam by the decoupling element, the common mode with coherent phase superposition is selected in a self-organized manner.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann an dem wenigstens einen optischen Element eine im Wesentlichen homogene Aufspaltung auf wenigstens eine Anzahl M an Teilstrahlen erfolgen, wobei M wenigstens 5, bevorzugt wenigstens 50, ganz besonders bevorzugt von wenigstens 100 beträgt. Zweckmäßig kann die Anzahl an möglichen Teilstrahlen dabei so gewählt werden, dass eine möglichst dichte spektrale Wellenlängenkopplung ermöglicht wird.According to an advantageous embodiment of the method, an essentially homogeneous splitting into at least a number M of partial beams can take place at the at least one optical element, where M is at least 5, preferably at least 50, very particularly preferably at least 100. The number of possible partial beams can expediently be selected so that the closest possible spectral wavelength coupling is made possible.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann ein Anteil der Laserleistung erster Ordnung der Gitterreflexion an dem wenigstens einen optischen Element bei mindestens 50%, bevorzugt bei mindestens 70%, besonders bevorzugt bei mindestens 90%, liegen. Zweckmäßig kann die Wellenlängenkopplung auf diese Weise so gewählt werden, dass eine möglichst dichte spektrale Kopplung ermöglicht wird und ein hoher Anteil der Leistung in die erste Ordnung der Gitterreflexion fällt, um eine effiziente Kopplung zu ermöglichen.According to an advantageous embodiment of the method, a proportion of the first order laser power of the grating reflection at the at least one optical element can be at least 50%, preferably at least 70%, particularly preferably at least 90%. The wavelength coupling can expediently be selected in this way in such a way that the most dense possible spectral coupling is made possible and a high proportion of the power falls in the first order of the grating reflection in order to enable efficient coupling.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können die Phasenkopplung der Laserstrahlen und die Wellenlängenkopplung der Laserstrahlen in dem wenigstens einen optischen Element, insbesondere gleichzeitig, erfolgen. Vorteilhaft können so die beiden Funktionen der Phasenkopplung und der Wellenlängenkopplung in einem optischen Element kombiniert sein. Laserstrahlen der Emitter können dabei auf ein zweidimensionales diffraktives optisches Element gestrahlt werden.According to an advantageous embodiment of the method, the phase coupling of the laser beams and the wavelength coupling of the laser beams can take place in the at least one optical element, in particular at the same time. The two functions of phase coupling and wavelength coupling can thus advantageously be combined in one optical element. Laser beams from the emitters can be radiated onto a two-dimensional diffractive optical element.

Die Separierbarkeit in beispielsweise eine x-Richtung und eine darauf senkrecht stehende y-Richtung führt dazu, dass die Wellenlängenkopplung und Phasenkopplung in dem einen optischen Element kombiniert werden können und somit eine weitere Kompaktierung und technische Vereinfachung des optischen Aufbaus realisiert werden kann. Der kombinierte Resonatorarm innerhalb der ersten Ordnung der Wellenlängenaufspaltung und das Auskoppelelement mit geeigneter Reflektivität führen vorteilhaft zur Wellenlängenkopplung und Phasenkopplung der Emitter.The separability in, for example, an x-direction and a y-direction perpendicular to it means that the wavelength coupling and phase coupling can be combined in the one optical element and thus a further compacting and technical simplification of the optical structure can be realized. The combined resonator arm within the first order of the wavelength division and that Outcoupling elements with suitable reflectivity advantageously lead to wavelength coupling and phase coupling of the emitters.

FigurenlisteFigure list

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figur, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages emerge from the following description of the drawings. In the figure, an embodiment of the invention is shown. The figure, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into meaningful further combinations.

Es zeigt beispielhaft:

1 eine schematische Darstellung eines Lasersystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

It shows as an example:

1 a schematic representation of a laser system according to an embodiment of the invention.

Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of the invention

Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.Directional terminology used in the following with terms such as “left”, “right”, “up”, “down”, “in front of” “behind”, “after” and the like serves only for a better understanding of the figures and is in no way intended to restrict the Representing the general public. The components and elements shown, their design and use can vary according to the considerations of a person skilled in the art and can be adapted to the respective applications.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Lasersystems 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem kombinierten optischen Element 18. 1 shows a schematic representation of a laser system 100 according to an embodiment of the invention with a combined optical element 18th .

Das Lasersystem 100, das insbesondere als Halbleiter-Lasersystem ausgebildet sein kann, umfasst eine Mehrzahl von laseraktiven Emittern 10, einen Resonator 50 zur Verstärkung der von den Emittern 10 emittierten Laserstrahlen 30, sowie ein Auskoppelelement 24 zum Auskoppeln eines Ausgangs-Laserstrahls 36. Der Resonator 50 ist dabei für eine Phasenkopplung der Laserstrahlen 30 und für eine Wellenlängenkopplung der Laserstrahlen 30 ausgebildet. Die Emitter 10 sind in einzelnen Arrays 40, 42, 44 linear angeordnet. Die Vielzahl von laseraktiven Emittern 10 können zweckmäßigerweise in einem integrierten Festkörperbauteil angeordnet sein, um eine möglichst kompakte Bauform darzustellen.The laser system 100 , which can in particular be designed as a semiconductor laser system, comprises a plurality of laser-active emitters 10 , a resonator 50 to reinforce the from the emitters 10 emitted laser beams 30th , as well as a decoupling element 24 for coupling out an output laser beam 36 . The resonator 50 is for a phase coupling of the laser beams 30th and for wavelength coupling of the laser beams 30th educated. The emitter 10 are arranged linearly in individual arrays 40, 42, 44. The multitude of laser-active emitters 10 can expediently be arranged in an integrated solid-state component in order to represent a design that is as compact as possible.

Der erste Resonatorarm 52 umfasst Einzelresonatoren 56, welche zwischen der Mehrzahl von Emittern 10 und dem Auskoppelelement 24 ausgebildet sind.The first resonator arm 52 includes single resonators 56 which between the plurality of emitters 10 and the decoupling element 24 are trained.

Die Mehrzahl von laseraktiven Emittern 10 des Lasersystems 100 emittiert Laserstrahlen 30, die in dem Resonator 50 verstärkt werden, und von dem Auskoppelelement 24 ausgekoppelt werden, wobei der Resonator 50 eine Phasenkopplung der Laserstrahlen 30 und eine Wellenlängenkopplung der Laserstrahlen 30 bewirkt.The majority of laser-active emitters 10 of the laser system 100 emits laser beams 30th that are in the resonator 50 are amplified, and of the decoupling element 24 are coupled out, the resonator 50 a phase coupling of the laser beams 30th and wavelength coupling of the laser beams 30th causes.

Die Kopplung der Laserstrahlen 30 der Emitter 10 erfolgt so über den gemeinsamen Resonatorarm 52, der sowohl spektral über das zweite optische Element 16 der Wellenlängenkopplung und phasenkohärent über das erste optische Element 14 der Phasenkopplung auf die Emitter 10 aufgeteilt wird. Die Rückseite 26 der Emitter 10 und das Auskoppelelement 24 bilden die Einzelresonatoren 56 der Emitter 10. Zweckmäßig kann die Wellenlängenkopplung so gewählt werden, dass eine möglichst dichte spektrale Kopplung ermöglicht wird und ein hoher Anteil der Leistung in die erste Ordnung der Gitterreflexion fällt, um eine effiziente Kopplung zu ermöglichen.The coupling of the laser beams 30th the emitter 10 takes place via the common resonator arm 52 which is both spectrally via the second optical element 16 the wavelength coupling and phase coherent via the first optical element 14th the phase coupling to the emitter 10 is divided. The backside 26th the emitter 10 and the decoupling element 24 form the individual resonators 56 the emitter 10 . The wavelength coupling can expediently be selected in such a way that the closest possible spectral coupling is made possible and a high proportion of the power falls in the first order of the grating reflection in order to enable efficient coupling.

Die Phasenkopplung kann zweckmäßig so gewählt werden, dass eine im Wesentlichen homogene Aufspaltung auf die N Teilstrahlen 32 erzielt wird.The phase coupling can expediently be chosen so that an essentially homogeneous split into the N partial beams 32 is achieved.

Die Resonatorlängen der Einzelresonatoren 56 können dabei zweckmäßig unterschiedlich gewählt werden, um den Frequenzabstand der gemeinsamen Moden klein zu halten und stets in einer gewünschten Wellenlängenaufspaltung des zweiten optischen Elements 16 der Wellenlängenkopplung genug gemeinsame Moden der Phasenkopplung zu erhalten.The resonator lengths of the individual resonators 56 can expediently be chosen differently in order to keep the frequency spacing of the common modes small and always in a desired wavelength division of the second optical element 16 of the wavelength coupling to obtain enough common modes of the phase coupling.

Die Einzelresonatoren 56, welche zwischen dem Auskoppelelement 24 und der Rückseite 26 der Emitter 10 ausgebildet sind, können unterschiedliche Resonatorlängen aufweisen.The single resonators 56 , which between the decoupling element 24 and the back 26th the emitter 10 are formed can have different resonator lengths.

Die Vielzahl von laseraktiven Emittern 10 ist in Form eines zweidimensionalen Arrays 46 matrixartig angeordnet und kann beispielsweise in einem Halbleiterbauteil integriert sein. Alternativ ist auch möglich, dass die Vielzahl von laseraktiven Emittern 10 in Form einer Barrenstruktur, insbesondere in Form einer gestapelten Barrenstruktur angeordnet ist.The multitude of laser-active emitters 10 is in the form of a two-dimensional array 46 Arranged like a matrix and can for example be integrated in a semiconductor component. Alternatively, it is also possible that the large number of laser-active emitters 10 is arranged in the form of a bar structure, in particular in the form of a stacked bar structure.

Der für die Laserstrahlen 30 der Emitter 10 gemeinsame Resonator 50 weist ein optisches Element 18 auf, welches sowohl zur Phasenkopplung als auch zur Wellenlängenkopplung der Laserstrahlen 30 ausgebildet ist. Das eine optische Element 18 kann beispielsweise scheibenartig ausgebildet sein. Insbesondere können die optischen Eigenschaften des einen optischen Elements 18 anisotrop ausgebildet sein.The one for the laser beams 30th the emitter 10 common resonator 50 has an optical element 18th on, which is used both for phase coupling and for wavelength coupling of the laser beams 30th is trained. The one optical element 18th can for example be designed like a disk. In particular, the optical properties of the one optical element 18th be anisotropic.

Der Resonator 50 weist zwei Resonatorarme 52, 54 auf, wobei der erste Resonatorarm 52 zwischen dem optischen Element 18 und den Emittern 10 ausgebildet ist. Der zweite Resonatorarm 54 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ausgangsseitig durch das Auskoppelelement 24 abgeschlossen, und zwischen dem Auskoppelelement 24 und dem einen optischen Element 18 ausgebildet. Insbesondere weist bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der zweite Resonatorarm 54 einen sowohl phasengekoppelten wie auch wellenlängengekoppelten Laserstrahl 34 auf.The resonator 50 has two resonator arms 52 , 54 on, the first resonator arm 52 between the optical element 18th and the emitters 10 is trained. The second resonator arm 54 is in this embodiment on the output side through the decoupling element 24 completed, and between the decoupling element 24 and one optical element 18th educated. In particular, when used as intended, the second resonator arm 54 a both phase-locked and wavelength-locked laser beam 34 on.

Die Phasenkopplung der Laserstrahlen 30 und die Wellenlängenkopplung der Laserstrahlen 30 erfolgen in diesem Ausführungsbeispiel gleichzeitig in dem optischen Element 18.The phase coupling of the laser beams 30th and the wavelength coupling of the laser beams 30th take place in this embodiment at the same time in the optical element 18th .

Laserstrahlen 30 der Emitter 10 werden dabei mittels der Abbildungsoptik 12 auf das zweidimensionale optische Element 46 abgebildet. Die Separierbarkeit in beispielsweise eine x-Richtung und eine darauf senkrecht stehende y-Richtung in der Ebene des flächenartig ausgebildeten optischen Elements 18 führt dazu, dass Wellenlängenkopplung und Phasenkopplung in dem optischen Element 18 kombiniert werden können und somit eine weitere Kompaktierung und technische Vereinfachung des optischen Aufbaus realisiert werden kann. Die Phasenkopplung der Laserstrahlen 30 kann beispielsweise in der Richtung des optischen Elements 18 stattfinden, die mit dem Pfeil 14 dargestellt ist und die Wellenlängenkopplung in der dazu senkrechten Richtung, die mit dem Pfeil 16 dargestellt ist.Laser beams 30th the emitter 10 are done by means of the imaging optics 12th on the two-dimensional optical element 46 pictured. The ability to be separated in, for example, an x-direction and a y-direction perpendicular to it in the plane of the planar optical element 18th leads to wavelength coupling and phase coupling in the optical element 18th can be combined and thus a further compacting and technical simplification of the optical structure can be realized. The phase coupling of the laser beams 30th can for example in the direction of the optical element 18th take place that with the arrow 14th is shown and the wavelength coupling in the direction perpendicular thereto, indicated by the arrow 16 is shown.

Der kombinierte Resonatorarm 54 innerhalb der ersten Ordnung der Wellenlängenaufspaltung und das Auskoppelelement 24 mit geeigneter Reflektivität führen somit zur Wellenlängenkopplung und Phasenkopplung der Emitter 10. Der phasengekoppelte und wellenlängengekoppelte Laserstrahl 34 wird über das Auskoppelelement 24 als Ausgangs-Laserstrahl 36 ausgekoppelt.The combined resonator arm 54 within the first order of the wavelength division and the decoupling element 24 with suitable reflectivity thus lead to wavelength coupling and phase coupling of the emitters 10 . The phase-locked and wavelength-locked laser beam 34 is via the decoupling element 24 as an output laser beam 36 decoupled.

Das zweidimensionale Array 46 an Emittern 10 weist eine Zahl N * M mit N=10 und M=5, also insgesamt N * M=50 Teilstrahlen 32 einzelner Emitter 10 für die Phasenkopplung und für die Wellenlängenkopplung auf. The two-dimensional array 46 on emitters 10 has a number N * M with N = 10 and M = 5, so a total of N * M = 50 partial beams 32 single emitter 10 for phase coupling and for wavelength coupling.

1010: EmitterEmitter
1212th: AbbildungsoptikImaging optics
1414th: PhasenkopplungPhase coupling
1616: WellenlängenkopplungWavelength coupling
1818th: 2DDOE2DDOE
2424: AuskoppelelementDecoupling element
2626th: Rückseite EmitterRear emitter
3030th: LaserstrahlenLaser beams
3232: TeilstrahlPartial beam
3434: gekoppelter Laserstrahlcoupled laser beam
3636: Ausgangs-Laserstrahl Output laser beam
4646: 2D-Array 2D array
5050: ResonatorResonator
5252: ResonatorarmResonator arm
5454: ResonatorarmResonator arm
5656: EinzelresonatorSingle resonator
100100: LasersystemLaser system

Claims

Laser system (100), in particular semiconductor laser system, comprising a plurality of laser-active emitters (10), a resonator (50) for amplifying the laser beams (30) emitted by the emitters (10), and a decoupling element (24) for decoupling an output laser beam (36), wherein the resonator (50) has at least one optical element (18) which is designed combined both for phase coupling (14) and for wavelength coupling (16) of the laser beams (30).

Laser system according to Claim 1 wherein the at least one optical element (18) is designed like a disk, in particular wherein the optical properties of the at least one optical element (18) are designed anisotropically.

Laser system according to Claim 1 or 2 , wherein the resonator (50) is designed to be divided and in particular has at least one first resonator arm (52) and an adjoining second resonator arm (54) between the plurality of emitters (10) and the decoupling element (24).

Laser system according to Claim 3 , the second resonator arm (54) being closed on the output side by the decoupling element (24), in particular the second resonator arm (54) having a phase-coupled and wavelength-coupled laser beam (34) when used as intended.

Laser system according to Claim 3 or 4th , the second resonator arm (54) being closed on the output side by the decoupling element (24), in particular the second resonator arm (54) being formed between the decoupling element (24) and the at least one optical element (18).

Laser system according to one of the preceding claims, wherein the resonator (50) comprises a resonator arm (52) with individual resonators (56) between the plurality of emitters (10) and the decoupling element (24), in particular wherein the Individual resonators (56) have different resonator lengths.

Laser system according to one of the preceding claims, wherein the wavelength coupling (16) of the at least one optical element (18) is designed so that a proportion of at least 50% of the laser power is in a first order of a grating reflection, preferably of at least 70%, very particularly preferably at least 90% of the laser power is in a first order of the grating reflection.

Laser system according to one of the preceding claims, wherein the at least one optical element (18) is designed such that an essentially homogeneous splitting into at least a number N of partial beams (32) takes place, where N is at least 5, preferably at least 20, very particularly preferably is at least 50.

Laser system according to one of the preceding claims, wherein the at least one optical element (18) is designed such that an essentially homogeneous splitting into at least a number M of partial beams (32) takes place, M at least 5, preferably at least 50, very particularly preferably is at least 100.

Laser system according to one of the preceding claims, wherein the plurality of laser-active emitters (10) is arranged in the form of a two-dimensional matrix (46), in particular wherein the plurality of laser-active emitters (10) is arranged in the form of a bar structure, in particular in the form of a stacked bar structure .

Laser system according to one of the preceding claims, wherein the plurality of laser-active emitters (10) are arranged in an integrated solid-state component.

Method for operating a laser system (100) according to one of the preceding claims, wherein a plurality of laser-active emitters (10) emit laser beams (30) which are amplified in a resonator (50) and are coupled out by a decoupling element (24), wherein the resonator (50) has at least one optical element (18) which simultaneously effects both phase coupling (14) and wavelength coupling (16) of the laser beams (30).

Procedure according to Claim 12 wherein the laser beams (30) are amplified in at least one resonator arm (54) to form a phase-coupled and wavelength-coupled laser beam (34).

Procedure according to Claim 12 or 13th , an essentially homogeneous splitting into at least a number N of partial beams (32) taking place at the at least one optical element (18), where N is at least 5, preferably at least 20, very particularly preferably at least 50.

Method according to one of the Claims 12 to 14th , an essentially homogeneous splitting into at least a number M of partial beams (32) taking place at the at least one optical element (18), where M is at least 5, preferably at least 50, very particularly preferably at least 100.

Method according to one of the Claims 12 to 15th , wherein a proportion of the first order laser power of the grating reflection on the at least one optical element (18) is at least 50%, preferably at least 70%, particularly preferably at least 90%.