用于相干合成激光射束的相对相位测量制造技术

公开一种相位调节系统(5)，其能够实现：提供经相位调节的总激光射束(19)。所述相位调节系统(5)的光学单元(7)包括射束输入端(33)，所述射束输入端用于接收为了形成总激光射束(19)而共线叠加的/待共线叠加的两个相干激光射束(17A，17B)的测量部分(19')并且提供测量射束(31A，31B，31C)或测量射束区域(131A，131B，131C)，所述测量射束或所述测量射束区域被用于借助所属的光电探测器(41A，41B，41C)来输出光电探测器信号。为了确定来自探测器信号的相对相位，相位调节系统(5)具有分析处理单元(9)和延迟设备(11)，所述延迟设备用于引入到两个激光射束(17A，17B)中的至少一个的射束路径中。光学单元如此构造，使得测量射束(31A，31B，31C)或测量射束区域(131A，131B，131C)配属有不同的相位偏移。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于相干合成激光射束的相对相位测量
本专利技术涉及激光射束的相干合成，本专利技术尤其涉及两个脉冲式激光射束的相干合成，所述激光射束例如能够由用于科学应用的(高功率放大器)激光器系统所产生。本专利技术尤其涉及一种相位调节系统以及一种具有这种相位调节系统的激光器系统，该相位调节系统用于调节待相干合成的两个激光射束的相对相位。本专利技术还涉及一种用于相干合成激光射束的方法。
技术介绍
相干合成能够实现：如此光学地汇集(zusammenführen)多个平行的放大器级(例如光纤放大器、多通放大器或再生放大器)和/或振动器，使得形成唯一的输出射束。在两个激光射束的相干合成中，总射束的偏振态——尤其偏振态的稳定性是决定性的功率特征。对于基于光纤的放大器系统，已经展示了不同研究组的相干合成，参见例如E.Seise等人的《Coherentadditionoffiber-amplifiedultrashortlaserpulses》(2010年12月20日，第18卷，No.26，OPTICSEXPRESS27827)以及A.Klenke等人的《Coherently-combinedtwochannelfemtosecondfiberCPAsystemproducing3mJpulseenergy》(2011年11月21日，第19卷，No.24，OPTICSEXPRESS24280)。通常已知借助测量方法如-Couillaud探测(HCD)或Pound-Drewer-Hall探测来确定偏振态，例如参见T.W.等人的《Laserfrequencystabilizationbypolarizationspectroscopyofareflectiongreferencecavity》(1980年Opt.Comm.35(3))。有时应用零差测量方法，然而这种方法不太适用于具有低重复率的短脉冲激光器系统，例如参见S.J.Augst等人的《Coherentbeamcombiningandphasenoisemeasurementsofytterbiumfiberamplifiers》，2004Opt.Lett.29(5)。
技术实现思路
本公开内容的一个方面基于如下任务：提供一种用于调节待合成的激光射束之间的相对相位的方案。另一方面基于如下任务：能够实现激光器系统中的稳定相干合成。这些任务中的至少一个通过根据权利要求1的相位调节系统、通过根据权利要求11或12的激光器系统并且通过根据权利要求17或20的用于相干合成激光射束的方法来解决。扩展方案在从属权利要求中说明。在本专利技术的一个方面中，相位调节系统具有光学单元，该相位调节系统用于调节激光器系统的待相干合成的两个激光射束的相对相位，该激光器系统设置用于提供经相位调节的总激光射束。该光学单元包括射束输入端，该射束输入端用于接收为了形成总激光射束而待共线叠加的两个相干激光射束的测量部分，所述两个相干激光射束尤其具有基本上正交的偏振态。该光学单元还包括分束器，该分束器用于由测量部分的相干激光射束产生至少三个测量射束，所述至少三个测量射束在所属的测量射束路径上传播或在如下传播区段上传播：在该传播区段中，测量部分的相干激光射束以一角度在空间上叠加地传播并且形成至少三个测量射束区域。在此，至少三个测量射束的至少三个测量射束路径通过投影到经匹配的偏振方向上而构造用于产生所属的测量射束的相位偏移，或者，至少三个测量射束区域通过路程长度差而构造用于产生所属的测量射束区域的不同相位偏移。该光学单元还包括至少三个光电探测器，所述至少三个光电探测器用于输出光电探测器信号，其中，这些光电探测器被分别分配给这些测量射束路径中的一个或被分别分配给这些测量射束区域中的一个，并且光电探测器信号相应于不同相位偏移情况下的测量射束或测量射束区域。光学单元还包括：分析处理单元，该分析处理单元基于至少三个光电探测器信号产生控制信号，该控制信号基于对测量部分的偏振态或测量部分的干涉表现的分析处理而相应于相干激光射束之间的相对相位；光学单元还包括延迟设备，所述延迟设备用于引入到待共线叠加的两个激光射束中的至少一个的射束路径中，该延迟设备具有如下光程长度：所述光程长度能够根据控制信号调整。在一种实施方式中，该相位调节系统具有光学单元，该相位调节系统用于调节激光器系统的待相干合成的两个激光射束的相对相位，该激光器系统设置用于提供经相位调节的总激光射束。该光学单元包括：射束路径，该射束路径用于接收为了形成总激光射束而待共线叠加的两个相干激光射束的测量部分；分束器，该分束器用于由所述测量部分产生(至少)三个测量射束；用于所述(至少)三个测量射束的(至少)三个测量射束路径，所述(至少)三个测量射束路径分别构造用于将所属的测量射束的偏振态投影到一偏振方向上；(至少)三个光电探测器，这些光电探测器被分别分配给所述测量射束路径中的一个，这些光电探测器用于输出光电探测器信号，所述光电探测器信号相应于投影到偏振方向上的测量射束。相位调节系统还包括分析处理单元和延迟设备，所述分析处理单元基于(至少)三个光电探测器信号产生控制信号，所述控制信号基于对测量部分的偏振态的分析处理而相应于相干激光射束之间的相对相位，所述延迟设备用于引入到待共线叠加的两个激光射束中的至少一个的射束路径中，所述延迟设备具有如下光程长度：该光程长度能够根据控制信号调整。在另一实施方式中，这种相位调节系统具有光学单元，所述光学单元用于产生相应于相干激光射束的两个测量射束，这两个测量射束在传播区段中成一分束角地传播并且在中央区域中在空间上叠加。光学单元例如在用于产生干涉偏振态的干涉区域中还具有偏振滤光器，这些偏振态在由分束角给定的方向上导致产生干涉条纹图案。中央区域包括至少三个测量射束区域，这三个测量射束区域具有定义的局部不同的相位偏移。该光学单元还具有至少三个光电探测器、之前描述的分析处理单元以及之前描述的延迟设备，所述至少三个光探测器被分别分配给这些测量射束区域中的一个，所述光电探测器用于输出关于不同相位偏移的光电探测器信号。在另一方面中，用于提供基于相干合成的总激光射束的激光器系统包括：种子激光射束源，所述种子激光射束源用于提供第一种子激光射束以及与第一种子激光射束相干的第二种子激光射束；第一放大器分支该第一放大器分支具有第一光学放大器单元，所述第一光学放大器单元用于基于第一种子激光射束产生第一经放大的激光射束；第二放大器分支，该第二放大器分支具有第二光学放大器单元，所述第二光学放大器单元用于基于第二种子激光射束产生第二经放大的激光射束。激光器系统还包括合成单元，所述合成单元用于将第一经放大的激光射束的射束路径与第二经放大的激光射束的射束路径共线叠加来产生总激光射束。在此，将第一偏振态中的第一激光射束与不同于第一偏振态的第二偏振态中的第二激光射束叠加。激光器系统还具有之前描述的相位调节系统，其中，将总激光射束的一部分作为测量部分耦合到光学单元的射束路径中，并且延迟设备设置在第一放大器分支和/或第二放大器分支中。在另一方面中，用于提供基于相干合成的总激光射束的激光器系统包括：激光射束源、合成单元以及之前描述的相位调节系统，所述激光射束源用于提供第一激光射束和与第一激光射束相干的第二激本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种相位调节系统(5)，其用于调节激光器系统(1)的待相干合成的两个激光射束(17A，17B)的相对相位

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.18 DE 102016100721.81.一种相位调节系统(5)，其用于调节激光器系统(1)的待相干合成的两个激光射束(17A，17B)的相对相位所述激光器系统设置用于提供经相位调节的总激光射束(19)，所述相位调节系统具有：光学单元(7，107)、分析处理单元(9)和延迟设备(11)，所述光学单元具有射束输入端(33)、分束器(37)和至少三个光电探测器(141A，141B，141C)，所述射束输入端用于接收为了形成总激光射束(19)而待共线叠加的两个相干激光射束(17A，17B)的测量部分(19')，所述两个相干激光射束尤其具有基本上正交的偏振态，所述分束器用于由所述测量部分(19')的相干激光射束(17A，17B)产生至少三个测量射束(31A，31B，31C)，所述至少三个测量射束在所属的测量射束路径(32A，32B，32C)上传播或在如下传播区段上传播：在所述传播区段中，所述测量部分(19')的相干激光射束(17A，17B)以一角度在空间上叠加地传播并且形成至少三个测量射束区域(131A，131B，131C)，其中，所述至少三个测量射束(31A，31B，31C)的至少三个测量射束路径(32A，32B，32C)通过投影到经匹配的偏振方向上而构造用于产生所属的测量射束(31A，31B，31C)的不同相位偏移，或者，所述至少三个测量射束区域(131A，131B，131C)通过路程长度差而构造用于产生所属的测量射束区域(131A，131B，131C)的不同相位偏移，所述至少三个光电探测器用于输出光电探测器信号，其中，所述光电探测器(141A，141B，141C)被分别分配给所述测量射束路径(32A，32B，32C)中的一个或被分别分配给所述测量射束区域(131A，131B，131C)中的一个，并且所述光电探测器信号相应于不同相位偏移情况下的测量射束(31A，31B，31C)或测量射束区域(131A，131B，131C)；所述分析处理单元基于所述至少三个光电探测器信号产生控制信号(45)，所述控制信号基于对所述测量部分(19')的偏振态或所述测量部分(19')的干涉表现的分析处理而相应于所述相干激光射束(17A，17B)之间的相对相位所述延迟设备用于引入到待共线叠加的两个激光射束(17A，17B)中的至少一个的射束路径中，所述延迟设备具有如下光程长度：所述光程长度能够根据所述控制信号(45)调整。2.根据权利要求1所述的相位调节系统(5)，所述相位调节系统用于调节激光器系统(1)的待相干合成的两个激光射束(17A，17B)的相对相位所述激光器系统设置用于提供经相位调节的总激光射束(19)，其中，所述光学单元(7)的射束路径(33)构造用于接收为了形成总激光射束(19)而共线叠加的两个相干激光射束(17A，17B)的测量部分(19')并且所述测量部分(19')的至少三个测量射束路径(32A，32B，32C)分别构造用于将所属的测量射束的偏振态投影到一偏振方向上。3.根据权利要求1或2所述的相位调节系统(5)，其中，为了将所述测量部分(19')分配到所述三个测量射束路径(32A，32B，32C)上，所述分束器(37)构造成非偏振分束器——尤其构造成衍射光栅或部分反射镜组合，和/或，其中，为了将偏振态投影到一偏振方向上，所述至少三个测量射束路径(32A，32B，32C)中的至少一个具有偏振器(39A，39B，39C；49)，和/或，为了增大信号，所述至少三个测量射束路径中的至少一个具有聚焦透镜(37)。4.根据权利要求2或3所述的相位调节系统(5)，其中，所述光学单元(7A)具有λ/4波片(35)，所述λ/4波片布置在所述射束路径(33)的射束下游并且布置在所述分束器(37)的射束上游，并且所述λ/4波片尤其设置用于将所述相干激光射束(17A，17B)的正交的线偏振(27)转换成左旋转的或右旋转的圆偏振(27')，其中，所述测量射束(31A，31B，31C)的投影所对应的三个偏振方向相对于彼此旋转45°或90°，并且所属的三个测量射束(31A，31B，31C)尤其分别具有一个线性偏振器，所述线性偏振器如此定向，使得所透射的偏振方向相对于彼此旋转45°或90°。5.根据权利要求2或3所述的相位调节系统(5)，其中，所述至少三个测量射束路径(32A，32B，32C)分别构造用于将特定于测量射束路径的偏振态投影到共同的偏振方向上并且尤其分别具有一个线性偏振滤光器(49)，所述至少三个测量射束路径的所透射的偏振方向基本上相同地定向，并且其中，为了产生特定于测量射束路径的偏振态，所述至少三个测量射束路径(32A，32B，32C)中的两个具有相移光学元件(51A，51B，53)，所述相移光学元件引起所述偏振方向中的一个具有定义的相对相位延迟，从而得到经相移的光电探测器信号变化过程(43A，43B，43C)。6.根据权利要求5所述的相位调节系统(5)，其中，为了产生特定于测量射束路径的偏振态，所述至少三个测量射束路径中的两个分别具有一个λ/4波片(51A，51B)，其中，所述λ/4波片(51A，51B)在其关于相应测量射束路径(32A'，32C')中的偏振的定向方面相对于彼此旋转90°，并且快轴线以及慢轴线的定向尤其互换并且与所述测量射束的偏振方向对齐，或者，其中，为了产生特定于测量射束路径的偏振态，所述至少三个测量射束路径中的一个具有λ/4波片(51A)并且所述至少三个测量射束路径(32A'，32B'，32C”)中的一个具有λ/2波片(53)，其中，所述波片(51A，53)在其关于相应测量射束路径(32A'，32C”)中的偏振的定向方面如此取向，使得所述快轴线彼此平行并且尤其同时平行于所述测量射束的偏振方向中的一个，使得在相应测量射束路径(32A'，32C”)中出现彼此相移的线偏振。7.根据权利要求1所述的相位调节系统(5)，所述相位调节系统用于调节所述激光器系统(1)的待相干合成的两个激光射束(17A，17B)的相对相位所述激光器系统设置用于提供经相位调节的总激光射束(19)，其中，在所述光学单元(107)的所述传播区段中，所述相干激光射束(17A，17B)以一角度传播并且在中央区域中在空间上叠加，其中，所述光学单元(107)还具有尤其布置在所述传播区段中的偏振滤光器，所述偏振滤光器用于产生所述相干激光射束(17A，17B)的干涉偏振态，其中，所述偏振态在由所述角度给定的方向上导致产生干涉图案，所述干涉图案将不同的相位偏移分配给所述至少三个测量射束区域(131A，131B，131C)。8.根据权利要求6所述的相位调节系统(5)，其中，所述射束输入端(33)构造用于接收共线叠加的相干激光射束(17A，17B)的测量部分(19')，其中，所述光学单元(107)还具有与偏振态相关的分束器(137)、尤其双折射棱镜，所述分束器用于在所述两个相干激光射束(17A，17B)之间产生所述角度，使得所述相干激光射束(17A，17B)在所述中央区域中形成所述至少三个测量射束区域(131A，131B，131C)，或者，其中，所述光学单元(107)还具有：与偏振态相关的第一分束器，以便分离所述测量部分的偏振的射束部分；尤其与偏振态相关的或与偏振态不相关的第二分束器；光学元件，所述光学元件用于将所分离的射束部分偏转到所述第二分束器上，其中，所提及的光学元件中的至少一个如此布置，使得叠加在所述第二分束器的输入端上的射束部分以一角度进入到所述传播区段中。9.根据上述权利要求中任一项所述的相位调节系统(5)，其中，所述分析处理单元(9)还构造用于将所述相干激光射束(17A，17B)之间的相对相位的时间波动转换成相位矢量(45)的方向变化。10.根据上述权利要求中任一项所述的相位调节系统(5)，其中，所述分析处理单元(9)构造用于两对光电探测器信号的求差并且尤其包括基于所述求差的正交信号处理(47)，和/或，其中，所述延迟设备(11)构造用于所述光程长度的粗略匹配和所述光程长度的精细匹配，并且所述延迟设备尤其具有折叠镜的或后向反射器的马达式的、例如压电机械式的移动单元，和/或，其中，尤其使用声光学的延迟单元，以便稳定输入射束的相位位置和/或有针对性地改变输入射束的...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·黑夫纳，T·梅茨格，
申请(专利权)人：通快科研激光两合公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE