用于组合相干的激光束的设备和方法、激光系统与流程

本发明涉及一种用于将相干的激光束组合成至少一个组合的激光束的设备和方法。本发明还涉及一种激光系统。

背景技术：

1、从de 10 2020 201 161 a1已知一种用于组合多个相干的激光束的设备，该设备包括用于将输入激光束分离成多个相干的激光束的分离装置、用于调整相干的激光束之一的相应相位的多个相位调整装置、以及用于将从光栅组件的多个光栅位置发出的相干的激光束组合成至少一个组合的激光束的射束组合装置，其中射束组合装置具有微透镜组件，该微透镜组件具有恰好一个微透镜阵列，用以形成该至少一个组合的激光束。

2、从us 9,134,538 b1已知一种用于相干组合多个光学射束的系统，该系统包括：谐振腔；布置在谐振腔内的多个放大元件；与放大元件处于光学通信的射束组合元件，以将光学射束相干地组合成相干输出射束；传感器，该传感器与射束组合元件处于光学通信，以检测相干输出射束的至少一部分并且提供反馈信号，该反馈信号代表相干输出射束的至少一部分；以及与传感器耦合的相位控制装置，以便基于反馈信号调整光学射束中的至少一个光学射束的相位。

3、从wo 2017/125345 a1已知一种相位调节系统，该相位调节系统用于调节激光系统的要相干组合的两个激光束的相对相位，该激光系统被设置成用于提供经相位调节的总激光束。

技术实现思路

1、本发明基于的目的在于，提供一种开篇提及的设备和一种开篇提及的方法，借助于该设备和该方法可以在高时间和/或空间动态下可靠性高地实现相干的激光束的组合。

2、根据本发明，该目的在开篇提及的设备中以如下方式实现：该设备包括：相位调整装置，该相位调整装置用于调整相干的激光束之间的相应相位差；放大装置，该放大装置用于放大相干的激光束，其中经放大的相干的激光束从放大装置中耦合输出；控制装置，该控制装置基于预定的配属规则操控相位调整装置，以将经放大的相干的激光束之间的相应相位差调整到预定的目标相位差值；测量装置，该测量装置用于求取经放大的相干的激光束之间的相应相位差，其中借助于测量装置求取经放大的相干的激光束之间的实际相位差值；以及被配属给控制装置的优化单元，该优化单元基于借助于测量装置求取的实际相位差值优化配属规则。

3、在设备运行时，可能出现基于配属规则调整的目标相位差值与现实存在的实际相位差值之间的偏差。其原因例如可以在于设备的部件(例如相位调整装置和/或放大装置)的升温。这种升温可能影响经放大的相干的激光束之间的实际相位差。

4、因此在根据本发明的解决方案中，在设备运行时，基于借助于测量装置求取的实际相位差值优化配属规则。由此可以使要调整的目标相位差值与现实存在的实际相位差值之间的偏差最小化。由此可以确保设备的可靠运行。

5、尤其可以提出，在设备运行时，借助于该至少一个组合的激光束在工件上执行激光加工过程。尤其在设备运行时，配属规则在工件的激光加工过程期间被优化或在工件的激光加工过程期间是可优化的。

6、尤其可以提出，借助于优化单元以时间间隔更新配属规则。尤其以规律的时间间隔更新配属规则。然而原则上还可以实现的是，以不规律或随机的时间间隔进行更新。

7、以时间间隔更新配属规则应被理解为，配属规则在这些时间间隔内通过优化单元在原则上可以改变或是可改变的。这并不意味着在每次更新时配属规则的内容实际上发生变化。原则上可以实现的是，配属规则的内容在一次或多次更新时保持不变。

8、通过配属规则的上述更新，可以确保在设备运行期间目标相位差值与实际相位差值之间的偏差最小化。

9、尤其可以提出，借助于优化单元改变和/或调整配属规则，使得借助于控制装置根据配属规则调整的目标相位差值与借助于测量装置测量到的实际相位差值之间的偏差最小化。配属规则在此不一定完全改变，而是例如还可以部分和/或局部地改变。

10、可以有利的是，借助于控制装置以相位调整频率操控相位调整装置，并且以优化频率更新配属规则。尤其可以提出，相位调整频率大于优化频率。

11、相位调整频率尤其应被理解为在设备运行时，控制装置操控或可以操控相位调整装置的频率或由该频率得出的时间间隔。

12、优化频率尤其应被理解为在设备运行时，更新或可以更新配属规则的频率或由该频率得出的时间间隔。

13、相位调整频率和/或优化频率在设备运行时不一定是恒定的，而是可以在运行时变化。相位调整频率或优化频率尤其应被理解为在设备运行时的瞬时相位调整频率或优化频率。

14、相位调整频率或瞬时相位调整频率在设备运行时尤其为至少1mhz和/或最高1ghz，并且优选地为至少10mhz和/或最高50mhz。由此，相干的激光束可以以高时间和/或空间分辨率组合成不同的组合的激光束。这例如可以实现快速改变射束分布和/或脉冲参数，这例如进而可以以提高的速度以及提高的时间和/或空间分辨率实现工件的加工。

15、优化频率或瞬时优化频率在设备运行时尤其为至少0.5khz和/或最高5khz，并且优选地为至少2khz和/或最高5khz。

16、由于相对于相位调整频率降低的优化频率，因此可以比更新配属规则明显更快地调整经放大的相干的激光束之间的相位差。由此，用于优化配属规则所需的数据传输速率和/或计算能力降低，同时可以非常快速地调整相位差。

17、出于同样的原因可以有利的是，借助于测量装置以测量间隔频率求取经放大的相干的激光束之间的实际相位差值，其中相位调整频率大于测量间隔频率。

18、测量间隔频率尤其是至少0.5khz和/或最高5khz。

19、例如，测量间隔频率至少近似地与优化频率相对应。

20、可以有利的是，借助于测量装置以测量精度频率求取经放大的相干的激光束之间的实际相位差值，该测量精度频率大于或等于相位调整频率。由此可以确保各个相位差的测量足够精确。

21、原则上还可以实现的是，测量精度频率比相位调整频率小最多5倍。

22、测量精度频率在设备运行时不一定是恒定的，而是可以在运行时变化。测量精度频率尤其应被理解为在设备运行时的瞬时测量精度频率。

23、测量精度频率尤其是至少1mhz和/或最高50mhz。

24、尤其可以提出，配属规则具有操控值与各个经放大的相干的激光束的目标相位差值的配属关系，控制装置利用这些操控值操控相位调整装置，和/或配属规则是或包括配属表。

25、原则上还可以实现的是，配属规则是或包括数学函数。

26、尤其给控制装置配属有存储装置，配属规则存储在该存储装置中。控制装置例如包括存储装置。

27、在实施方式中，设备包括至少一个附加测量装置，该至少一个附加测量装置用于求取经放大的相干的激光束之间的相应相位差，其中借助于该至少一个附加测量装置，求取经放大的相干的激光束之间的实际相位差值。该至少一个附加测量装置尤其布置在测量装置之后。借助于该至少一个附加测量装置，尤其可以检测实际相位差值的附加测量值，由此可以以提高的准确性求取相应的相位差。例如可以借助于附加测量装置至少部分地补偿可能由借助于测量装置的测量导致的目标相位差值的偏差。由此，尤其改善配属规则的优化和/或降低目标相位差值与实际相位差值之间的偏差。

28、借助于该至少一个附加测量装置，尤其可以在射束路径中的与测量装置的测量位置不同的测量位置处执行附加测量。附加测量装置的测量位置例如可以位于工件的区域中，借助于该至少一个组合的激光束加工该工件。由此，可以有针对性地在与设备的应用特别相关的位置处调整或测量目标相位差值或实际相位差值。

29、还可以提出，借助于该至少一个附加测量装置执行校准测量，以定义配属规则的起始版本。

30、在此，设备的第一装置和/或第一元件相对于主传播方向布置在设备的第二装置和/或第二元件之后应被理解为，相干的激光束或经放大的相干的激光束在时间上首先入射到第二装置和/或第二元件上，并且随后入射到第一装置和/或第一元件上。于是，第二装置和/或第二元件布置在第一装置和/或第一元件之前。

31、该至少一个附加测量装置的测量精度频率和/或测量间隔频率可以在原则上至少近似地与测量装置的测量精度频率或测量间隔频率相对应。

32、尤其可以提出，该至少一个附加测量装置的测量精度频率和/或测量间隔频率低于测量装置的测量精度频率或测量间隔频率。

33、例如，该至少一个附加测量装置的测量精度频率为至少0.5khz和/或最高500khz。

34、在实施方式中，设备包括至少一个传感器元件，该至少一个传感器元件用于测量影响经放大的相干的激光束之间的相应相位差的参数，其中借助于该至少一个传感器元件求取的测量值被传输至控制装置和/或优化单元。

35、尤其可以提出，将借助于该至少一个传感器元件求取的测量值用于优化配属规则。由此，尤其改善配属规则的优化和/或降低目标相位差值与实际相位差值之间的偏差。

36、尤其借助于测量装置或该至少一个附加测量装置，求取所有存在的经放大的相干的激光束之间的实际相位差值和/或所有存在的经放大的相干的激光束之间的成对实际相位差值。尤其借助于测量装置求取存在的经放大的相干的激光束的所有可能组合的实际相位差值。

37、尤其提出的是，借助于测量装置或该至少一个附加测量装置，在经放大的相干的激光束组合成至少一个组合的激光束之前测量经放大的相干的激光束之间的相应相位差。

38、测量装置例如包括多个测量单元，其中相应一个经放大的相干的激光束和另一经放大的相干的激光束耦合输入到测量单元中。

39、测量装置的测量单元包括至少一个测量元件，该至少一个测量元件用于测量这两个经放大的相干的激光束的空间叠加的强度。测量元件例如被设计为光电探测器，或包括光电探测器。光电探测器例如可以是快速光电探测器和/或时钟光电探测器和/或光电二极管。

40、相干的激光束可以是脉冲激光束或连续波激光束。相干的激光束尤其是超短脉冲激光束。

41、设备尤其设置成将经放大的相干的激光束组合成至少一个相干的激光束。相干的激光束和/或经放大的相干的激光束尤其分别是以被组合成至少一个组合的激光束为目的的激光束。

42、放大装置例如可以包括光纤放大器、平板放大器、棒式放大器或盘式放大器。

43、可以提出，放大装置具有频率转换级或放大装置配属有设备的频率转换级。

44、尤其借助于相位调整装置可以调整相干的激光束之间和/或经放大的相干的激光束之间的相应相位差。

45、借助于相位调整装置执行的相干的激光束之间的相位差的变化尤其引起对应的经放大的相干的激光束之间的相位差的变化。

46、在实施方式中，设备包括组合装置，该组合装置用于将经放大的相干的激光束组合成至少一个组合的激光束。组合装置例如包括至少一个微透镜阵列和/或至少一个衍射光学元件和/或至少一个干涉仪光学系统和/或至少一个影响偏振的元件。

47、组合装置例如包括至少一个衍射光学元件，其中该至少一个衍射光学元件例如包括具有周期性图案的光栅结构。由此，例如可以根据“填充孔径(filled-aperture)”原理实现相干的激光束的组合。

48、可以提出，组合装置包括用于组合相干的激光束的至少一个微透镜阵列。由此，例如可以根据“混合孔径(mixed-aperture)”原理实现相干的激光束的组合。

49、原则上还可以实现的是，在没有组合装置的情况下将经放大的相干的激光束组合成至少一个组合的激光束。例如经放大的相干的激光束通过在远场中的传播而组合成该至少一个组合的激光束(“平铺孔径(tiled-aperture)”原理)。

50、至少一个透镜元件例如可以被设置成用于将经放大的相干的激光束成像成至少一个组合的激光束。由此，例如可以根据“平铺孔径”原理实现相干的激光束的组合。

51、可以提出，组合装置具有频率转换级或组合装置配属有设备的频率转换级。频率转换级尤其连接在组合装置上游。

52、尤其可以提出，设备包括用于提供相干的激光束的至少一个激光源。

53、根据本发明，开篇提及的激光系统包括用于提供相干的激光束的至少一个激光源和用于组合相干的激光束的上述设备。

54、尤其可以设置有唯一或多个激光源，以提供相干的激光束。在唯一激光源的情况下，通过分离借助于该激光源提供的输入激光束产生多个相干的激光束。在多个激光源的情况下，例如借助于激光源之一分别提供至少一个相干的激光束。

55、根据本发明，在开篇提及的用于组合相干的激光束的方法中提出，借助于相位调整装置调整相干的激光束之间的相应相位差；借助于放大装置放大相干的激光束，其中经放大的相干的激光束从放大装置中耦合输出；借助于控制装置基于预定的配属规则操控相位调整装置，以将经放大的相干的激光束之间的相应相位差调整到预定的目标相位差值；借助于测量装置求取经放大的相干的激光束之间的相应相位差，其中借助于测量装置求取经放大的相干的激光束之间的实际相位差值；以及借助于被配属给控制装置的优化单元基于借助于测量装置求取的实际相位差值优化配属规则。

56、根据本发明的方法尤其具有根据本发明的设备的一个或多个另外的特征和/或优点。已经结合根据本发明的设备阐述了根据本发明的方法的有利的实施方式。

57、尤其根据本发明的方法借助于根据本发明的设备实施，和/或根据本发明的设备构造成用于执行根据本发明的方法。

58、尤其可以提出，预先规定目标相位差值，并且控制装置利用操控值根据配属规则操控相位调整装置，以将经放大的相干的激光束之间的相应相位差调整到预定的目标相位差值。

59、尤其可以提出，为了优化配属规则，将借助于控制装置根据配属规则调整的目标相位差值与借助于测量装置测量到的实际相位差值进行比较。然后，尤其如此改变和/或调整配属规则，使得目标相位差值与实际相位差值之间的差最小化。

60、尤其，表述“至少近似”或“近似”通常意味着偏差至多10％。除非另有说明，否则表述“至少近似”或“近似”尤其应被理解为实际的值和/或间距和/或角度与理想的值和/或间距和/或角度偏差至多10％。