DE69414541T2

DE69414541T2 - Laserapparat

Info

Publication number: DE69414541T2
Application number: DE69414541T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki C/O Fuji Photo Film Co. Ltd. Ashigarakami-Gun Kanagawa-Ken Hiiro
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 1999-04-15
Anticipated expiration: 2014-12-29
Also published as: EP0661785A3; US5661747A; JPH0876054A; DE69414541D1; EP0661785A2; EP0661785B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laservorrichtung. Speziell bezieht sich die Erfindung auf eine Laservorrichtung mit externem Resonator, der eine hohe Ausgangsleistung aufweist und zum Aufzeichnen oder zum Lesen von Information verwendet wird.

Beschreibung des Standes der Technik

Bislang wurden Laser als Abtaster oder dergleichen auf verschiedenen Gebieten eingesetzt, um Information von Trägern zu lesen, auf denen die Information aufgezeichnet wurde, oder um Information auf Aufzeichnungsträgern aufzuzeichnen. Die Laser müssen eine höhere Ausgangsleistung besitzen. Allerdings ist die Ausgangsleistung eines einzelnen Lasergeräts auf einen bestimmten Wert beschränkt. Deshalb wurden bislang Laservorrichtungen eingesetzt, bei denen mehrere Lasergeräte in einer eindimensionalen Anordnung oder einer zweidimensionalen Anordnung als Feld angeordnet waren, wobei die von den Lasergeräten abgestrahlten Laserstrahlen miteinander kombiniert wurden und dadurch ein kombiniertes Laserstrahlbündel mit hoher Ausgangsleistung erreicht wurde.
Solche Laservorrichtungen wurden als Laservorrichtung mit externem Resonator zum Beispiel in der japanischen ungeprüften Patentanmeldungs- Veröffentlichung Nr. 58(1983)-16350 und in den US-Patenten 4 813 762 und 4 649 351 offenbart. Beispielsweise besitzt der in der japanischen ungeprüften Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 58(1983)-16350 offenbarte Laser mit externem Resonator mehrere Lasergeräte, die in einer Resonatorstruktur angeordnet sind, die gebildet wird durch eine sphärische Linse und einen Planspiegel sowie ein Raum-Modenfilter, welches sich in nerhalb der Resonatorstruktur befindet und sämtliche Schwingungsformen dämpft, ausgenommen den Transversalmodus niedrigster Ordnung. Mit den durch das Raum-Modenfilter erhaltenen Interferenzeffekten werden die von den mehreren Lasergeräten erzeugten Laserstrahlen miteinander kombiniert und gleichphasig abgestrahlt, und es wird ein kombiniertes Laserstrahlbündel mit hoher Ausgangsleistung erhalten.
Mit der in dem US-Patent 4 649 351 offenbarten Methode ist es notwendig, ein spezielles Phasengitter einzusetzen, um die einzelnen aus einer Mehrzahl von Laserstrahlen aufzutrennen, die miteinander kombiniert werden sollen zu einer gleichen Anzahl von Laserstrahlen entsprechend der erwähnten Mehrzahl von Laserstrahlen, die miteinander kombiniert werden sollen, so daß die aufgetrennten Laserstrahlen gleiche Intensität besitzen. Notwendigerweise muß das Phasengitter derart optimal ausgestaltet sein, daß die Intensitätsverteilung der an dem Phasengitter kombinierten Laserstrahlen gleichförmig ist und somit der Wirkungsgrad beim Kombinieren der Strahlen groß bleiben kann. Wenn daher die Anzahl der miteinander zu kombinierenden Laserstrahlen groß wird, wird es schwierig, das Phasengitter optimal in der Weise auszubilden, daß die Intensitäten der aufgetrennten Laserstrahlen gleich groß gehalten werden können, so daß die Intensitätsverteilung der an dem Phasengitter kombinierten Laserstrahlen gleichförmig werden kann. Diese bekannte Methode hat also den Nachteil, daß der Wirkungsgrad beim Kombinieren von Strahlen nicht groß ist.
Wenn bei der in der US-PS 4 813 762 offenbarten Methode die Anzahl der zu kombinierenden Laserstrahlen groß wird, ist die Unterscheidung zwischen den Schwingungs-Eigenmoden (Supermoden), mit denen der Laserstrahl abgestrahlt wird, gering und damit neigt der Laserstrahl dazu, in Form mehrerer Arten von Eigenmoden abgestrahlt zu werden. Folglich ist es schwierig, den Laserstrahl nur in den Eigenmoden abzustrahlen, in denen der Laserstrahl mit gleicher Phase abgestrahlt wird. Solche Probleme sind ebenfalls behandelt in beispielsweise "Modal Analysis of Linear Talbot- Cavity Semiconductor Lasers" von David Mehuys, William Streifer, Robert G. Waarts und David F. Welch, OPTICS LETTERS/VOL. 16, Nr. 11/JUNI 1991.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Laservorrichtung, die mehrere Laserstrahlen miteinander kohärent kombiniert, ohne den Strahlungsenergie-Kombinierwirkungsgrad zu verringern, um dadurch ein kombiniertes Laserstrahlbündel mit hoher Ausgangsleistung abzustrahlen.
Erreicht wird dies durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die vorliegende Erfindung schafft außerdem eine Laservorrichtung, die konsistent nur einen Laserstrahl in einem vorbestimmten Eigenmodus mit gleicher Phase abstrahlt.
Die vorliegende Erfindung schafft außerdem eine Laservorrichtung, die ein kombiniertes Laserstrahlbündel mit gutem Einzelkeulen-Kennfeld erzeugt.
Mit der erfindungsgemäßen Laservorrichtung läßt sich ein kohärenter kombinierter Laserstrahl gewinnen. Wie oben erläutert, ist die Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik derart angeordnet, daß ihre Fouriertransformationsebene und die virtuelle Ebene zusammenfallen.
Bei der erfindungsgemäßen Laservorrichtung lassen sich die Brennweite der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik, die Feld-Teilung der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik, die Anzahl der mehreren Laserstrahlquellen, die Wellenlänge der Laserstrahlen und die Änderung des Winkelspektrums jedes der Laserstrahlen an den jeweiligen Stellen, an denen sich die Laserstrahlen schneiden, derart einstellen, daß eine Mehrzahl von fouriertransformierten Mustern der Laserstrahlen, welche Muster auf die Fouriertransformationsebene der Fouriertransformations- Linsenanordnungs-Optik reproduziert werden, insgesamt auf einer Linie mit einer vorbestimmten Teilung oder Schrittweite stehen können. In solchen Fällen läßt sich ein kohärenter kombinierter Laserstrahl mit einer einzigen Wellenfront erzielen. Der Begriff "vorbestimmte Teilung" umfaßt hier auch solche Fälle, in denen die fouriertransformierten Muster sich auf einer Linie mit gleichmäßiger Teilung befinden.
Außerdem läßt sich bei der erfindungsgemäßen Laservorrichtung der Wert des Produkts aus der Feldteilung der Fouriertransformations- Linsenanordnungs-Optik und der Änderung des Winkelspektrums jedes der Laserstrahlen an den jeweiligen Stellen, an denen sich die Laserstrahlen schneiden, auf "1" einstellen, so daß das Intensitätsverteilungsmuster des kombinierten Laserstrahls, welches sich aus der optischen Kopplung der mehreren Laserstrahlen ergibt, nahezu perfekt einer Einzelkeule angenähert ist. In derartigen Fällen lassen sich ein kohärenter kombinierter Laserstrahl mit gleicher Phase und eine hohe Ausgangsleistung erzielen.
Außerdem kann bei der erfindungsgemäßen Laservorrichtung der Wert des Produkts aus Feldteilung der Fouriertransformations-Linsenanordnungs- Optik und der Änderung des Winkelspektrums jedes der Laserstrahlen auf einen Wert eingestellt werden, der in den Bereich von größer als 0 bis zu kleiner als 2 fällt und verschieden von 1 ist, und die Laservorrichtung kann außerdem mit einer Phasenkorrektureinrichtung ausgestattet sein, die jede der Phasen der Laserstrahlen, die durch mehrere optische Fouriertransformations-Linsensysteme, die die Fouriertransformations-Linsenanordnungs- Optik bilden, laufen, derart korrigiert, daß die Wellenfronten der Laserstrahlen nach dem Durchgang durch die mehreren optischen Fouriertransformations-Linsensysteme als Gesamtheit glatt miteinander verbunden sind, wodurch das Intensitätsverteilungsmuster des kombinierten Laserstrahls, der sich aus der optischen Kopplung der mehreren Laserstrahlen ergibt, nahezu perfekt einer Einzelkeule approximiert wird.
Bei der Laservorrichtung, die erfindungsgemäß mit der Phasenkorrektureinrichtung ausgestattet ist, werden die Laserstrahlen mit den glatt untereinander verbundenen Wellenfronten derart zur Ausbreitung gebracht, daß sie an einem Punkt auf der optischen Achse konvergieren können. Deshalb hat die Laservorrichtung den Vorteil, daß der kombinierte Laserstrahl als konvergentes Strahlenbündel aus der Laservorrichtung abgestrahlt wird und keine Sammellinse eingesetzt zu werden braucht.
Außerdem können in der erfindungsgemäßen Laservorrichtung die mehreren Laserstrahlquellen in einem Schräggitter-Muster in einer zweidimensionalen Ebene senkrecht zur optischen Achse angeordnet werden, und die mehreren die Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik bildenden optischen Fouriertransformations-Linsensysteme können in dem reziproken Gittermuster angeordnet werden, entsprechend dem Schräggitter-Muster der Laserstrahlquellen.
Der Begriff "Anordnen in einem Schräggitter-Muster" bedeutet hier, daß die Laserstrahlquellen in einem schrägen periodischen Muster in vorbestimmten Intervallen in jeder von zwei Richtungen innerhalb eines vorbestimmten schrägen Koordinatensystems angeordnet sind.
Allgemein können die Laserstrahlquellen an Punkten eines Schräggitters angeordnet werden, welches sich als Lösungen der folgenden Simultangleichungen der Formeln (24) und (25) in einem orthogonalen x-y- Koordinatensystem ergibt.
a&sub1;x + b&sub1;y = n&sub1; n&sub1;: eine ganze Zahl (24)
α&sub2;x + b&sub2;y = n&sub2; n&sub2;: eine ganze Zahl (25)
wobei
d&sub1;: der orthogonale Abstand zwischen den durch die Formel (24) repräsentierten Schräggitterachsen
α: die Neigung gemäß Formel (24) bezüglich der x-Achse
a&sub2; = 0, b&sub2; = -1/d&sub2;
d&sub2;: der orthogonale Abstand zwischen den Schräggitterachsen gemäß Formel (25)
Der Begriff "reziprokes Gittermuster gemäß einem Schräggitter-Muster" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang das Muster der Punkte auf einem Gitter, gegeben durch die Lösungen der Simultangleichungen nach den Formeln (27) und (28) in einem orthogonalen u&sub1;-u&sub2;-Koordinatensystem, welches durch die Fouriertransformation des orthogonalen x-y- Koordinatensystems erhalten wird.
Δ = a&sub1;b&sub2; - a&sub2;b&sub1;
Bei der erfindungsgemäßen Laservorrichtung wird auf der vorderen Fouriertransformationsebene der Fouriertransformations-Linsenanordnungs- Optik durch die mehreren Laserstrahlen interferiertes Licht erzeugt. Das Interferenzmuster des interferierten Lichts besitzt periodische Spitzen. Das Intervall zwischen benachbarten Spitzen bestimmt sich durch die Änderung des Winkelspektrums jedes der Laserstrahlen, die miteinander zu kombinieren sind. Wenn außerdem die Anzahl von miteinander kombinierten Laserstrahlen größer wird, wird die den Spitzenwert belegende Breite der Intensität schmaler, und der Pegel der Spitzenintensität wird höher. Durch den Einsatz einer Linsenanordnung (eines Linsenfeldes) mit ausreichend großer numerischer Apertur läßt sich also selbst dann, wenn zahlreiche Laserstrahlen miteinander kombiniert werden, der Kombinationswirkungsgrad der Strahlungsenergie auf einem hohen Wert halten, und es kann ein kombinierter Laserstrahl mit hoher Ausgangsleistung abgestrahlt werden.
Außerdem werden die miteinander zu kombinierenden Laserstrahlen parallel gekoppelt, und die Differenz zwischen dem Wert der Leistungsschwellenverstärkung eines Laserstrahls, der in einem vorbestimmten Eigenmode und mit gleicher Phase abgestrahlt wird, und dem Wert der Leistungsschwellenverstärkung eines Laserstrahls in dem anderen Eigenmode kann ungeachtet der Anzahl von zu kombinierenden Laserstrahlen groß gehalten werden. Deshalb läßt sich nur der Laserstrahl in dem vorbestimmten Eigenmode und mit gleicher Phase einfach auswählen und läßt sich konsistent abstrahlen.
Außerdem läßt sich mit der erfindungsgemäßen Laservorrichtung, bei der sich der Wert des Produkts der Feldteilung der Fouriertransformations- Linsenanordnungs-Optik und der Änderung (das heißt der Differenz) des Winkelspektrums jedes der Laserstrahlen auf "1" einstellen läßt, das Auftreten von Seitenkeulen an einander abgewandten Seiten der Mittelkeule der Intensitätsverteilung, wie sie zum Beispiel in Fig. 5 der US-PS 4 813 762 dargestellt ist, niedrig halten. Damit läßt sich ein kombinierter Laserstrahl mit guten Einzelkeulen-Kennwerten erhalten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht, die eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung darstellt,
Fig. 2 ein Intensitätsverteilungsdiagramm, welches die Intensitätsverteilung eines kombinierten Laserstrahls zeigt, der von der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 (mit n = 9) abgestrahlt wird,
Fig. 3 eine anschauliche Skizze, die die optischen Wege von Laserstrahlen veranschaulicht, die von Laserstrahlquellen eines zweidimensionalen Feldes abgestrahlt werden,
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Ergebnisse von Berechnungen von Leistungs-Schwellenverstärkungswerten (mit N = 9),
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung,
Fig. 6 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung,
Fig. 7 eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung,
Fig. 8 eine schematische Ansicht einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung,
Fig. 9 eine anschauliche Darstellung des Zustands der Wellenfronten von Laserstrahlen, die keiner Phasenkorrektur unterzogen wurden, und die durch ein Fouriertransformations-Linsenfeld 33 gelaufen sind,
Fig. 9B eine anschauliche Darstellung des Zustands von Wellenfronten von Laserstrahlen, die einer Phasenkorrektur unterzogen wurden, und die durch das Fouriertransformations-Linsenfeld 33 gelaufen sind,
Fig. 10A eine anschauliche Darstellung, die zeigt, wie mehrere Laserstrahlquellen 11, 11, ..., die einen Feldlaser (Array-Laser) 10' bilden, in einer zweidimensionalen Ebene (das heißt ein x-y-Koordinatensystem) angeordnet sind,
Fig. 10B eine anschauliche Darstellung, die zeigt, wie die Stellen von Spitzenwerten einer Amplitudenverteilung ψ&sub1;(u&sub1;, u&sub2;) von Nahfeldmustern des Array-Lasers 10' in einer Fouriertransformationsebene (das heißt einem u&sub1;- u&sub2;-Koordinatensystem) darstellt,
Fig. 11 eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung zeigt, bei der ein Array-Laser 10' aus in einem schrägen periodischen Muster angeordneten Laserstrahlquellen verwendet wird,
Fig. 12 eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung zeigt, bei der ein Array-Laser 10" aus in einem Muster, welches in einer einzigen Richtung periodisch ist, angeordneten Laserstrahlquellen verwendet wird, und
Fig. 13 eine anschauliche Darstellung, die zeigt, wie die Nahfeldmuster des Array-Lasers als Gesamtheit mit gleichmäßiger Teilung (Mittenabstand) angeordnet sind.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Die nachstehend angegebene Analyse beruht auf folgenden Annahmen (i), (ii), (iii) und (iv).
(i) Jeder der einen Array-Laser bildenden Laser schwingt in einem einzigen Longitudinal- und Transversal-Mode.
(ii) Jeder der den Array-Laser bildenden Laser erzeugt einen Strahl in der Luft.
(iii) Von den den Array-Laser bildenden Laser erzeugte Laserstrahlen werden miteinander lediglich durch Koppeleffekte eines Umlaufs in einem Resonator gekoppelt.
(iv) Rücklauflicht, welches teilweise von einem Resonatorspiegel reflektiert wurde, wird über eine Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik auf die jeweiligen Laser verteilt, welche den Array-Laser bilden, so daß kein Verlust an Strahlungsenergie und keine Phasendifferenz entstehen kann.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung zeigt. Gemäß Fig. 1 enthält die Laservorrichtung einen Array-Laser 10, bestehend aus N Laserstrahlquellen 11, 11, ..., die kohärente Laserstrahlen Li mit einer Wellenlänge λ erzeugen und in einem zweidimensionalen Muster mit einer Teilung (Mittenabstand) d&sub1; angeordnet sind. Die Laservorrichtung enthält außerdem eine Fouriertransformations-Linse 20, die eine Brennweite f&sub1; αufweist und derart angeordnet ist, daß sie dem Array-Laser 10 gegenübersteht. Die Laservorrichtung enthält außerdem eine Fouriertransformations-Linsenanordnungs- Optik 30, die derart angeordnet ist, daß die Fouriertransformationsebene SB übereinstimmt mit der Fouriertransformationsebene SA der Fouriertransformationslinse 20, und die Fernfeldmuster des Array-Lasers 10 in kleine Zonen aufteilt. Die Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 setzt sich zusammen aus einem Strahlaufweitfeld (einem Aufweit- Linsenfeld) 31, einem Aperturfeld 32 und einem Fouriertransformations- Linsenfeld 33. Die Laservorrichtung enthält außerdem ein optisches Resonator-Spiegel-System 40, gebildet durch eine Sammellinse 41, die der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 gegenübersteht, einen ersten Resonatorspiegel 42 und einem zweiten Resonatorspiegel 50 auf der Rückseite des Array-Lasers 10, abgewandt von der Laserstrahl- Abstrahlfläche. Die Fouriertransformations-Linsenanordnungsoptik 30 ist derart gelegen, daß ihre vordere Fouriertransformationsebene SB übereinstimmen kann mit der Fouriertransformationsebene SA der Fouriertransformationslinse 20.
Der Krümmungsradius der reflektierenden Fläche des ersten Resonatorspiegels 42 ist so eingestellt, daß er genauso groß ist wie der Krümmungsradius der Wellenfront des Laserstrahls, der durch die Sammellinse 41 zum Konvergieren gebracht wird, und zwar an der Stelle des ersten Resonatorspiegels 42.
Darüber hinaus sind die Anzahl N der Laserstrahlquellen 11, 11, ..., die den Array-Laser 10 bilden, der Mittenabstand d&sub1; des Array-Lasers 10, die Brennweite f&sub1; der Fouriertransformationslinse 20, der Linsen-Mittenabstand p der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30, die Brennweite f&sub2; der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 und die Wellenlänge λ des Laserstrahls derart eingestellt, daß die Bedingungen gemäß der Formeln (1) und (2) erfüllt sind.
d&sub1; p /λ &sub1; = I (1)
wobei d&sub1;/λ&sub1; der Änderung Δα des Winkelspektrums αm entspricht und I eine ganze Zahl verschieden von 0 ist.
f&sub2;/ &sub1; d&sub1; N = p (2)
Im folgenden soll beschrieben werden, wie diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung arbeitet. Als Hilfsmittel, welches die Erläuterung vereinfachen soll, erfolgt eine Analyse, die auf der Annahme beruht, daß der Array-Laser 10, die Fouriertransformations- Linsenanordnungs-Optik 30 usw. sich in eindimensionaler Form in der Zeichnungsebene der Fig. 1 befinden.
Die Laserstrahlen Li, die von den den Array-Laser 10 bildenden Laserstrahlquellen 11, 11, ..., abgestrahlt werden, werden von der Fouriertransformationslinse 20 dazu gebracht, einander zu schneiden und einander zu überlagern, so daß sie in der Fouriertransformationsebene SA der Fouriertransformationslinse 20 eine vorbestimmte Winkeldifferenz (λ · Δα) zueinander haben. Auf diese Weise werden Fernfeldmuster des Array-Lasers 10 in der Fouriertransformationsebene SA gebildet. Die Amplitudenverteilung ψ&sub1; (u) der Fernfeldmuster des Array-Lasers 10 in einem Abstand u von der optischen Achse innerhalb der Fouriertransformationsebene SA bildet ein Interferenzmuster, resultierend aus der Überlagerung der Amplitudenvertei lungen der abgestrahlten Laserstrahlen mit einem Mitten-Winkelspektrum αm, und das sich durch folgende Formel (3) darstellen läßt:
Ψ&sub1;(u) = Am exp(i φm)exp(-2 πi αm u) (3)
wobei Am: Amplitude jedes Laserstrahls Li
φm: Phase jedes Laserstrahls Li
: das Mitten-Winkelspektrum jedes Laserstrahls.
Das Interferenzmuster der Amplitudenverteilung ψ&sub1;(u) gemäß Formel (3) wird von der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 aufgeteilt in mehrere kleine Zonen entsprechend der Anzahl der Linsen (der Feld- Zahl). Außerdem werden die reproduzierten Nahfeldmuster des Array- Lasers 10 für die jeweiligen kleinen Zonen auf der rückwärtigen Fouriertransformationsebene SC der Fouriertransformations-Linsenanordungs- Optik 30 reproduziert. Die Amplitudenverteilung ψ&sub2;(w) der Nahfeldmuster des Array-Lasers 10 in einer Entfernung w von der optischen Achse der hinteren Fouriertransformationsebene SC (das heißt der optischen Achse der gesamten Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30, aber nicht der optischen Achse jeder der die Fouriertransformations- Linsenanordnungs-Optik 30 bildenden optischen Fouriertransformations- Linsensysteme) wird durch die Formel (4) dargestellt.
wobei 2L + 1: die Feld-Zahl der Fouriertranformations-Linsenanordnungs- Optik
-δ: Verschiebungsmaß der Fouriertransformations- Linsenanordnungs-Optik gegenüber dem Array-Laser;
c = ηp: der äquivalente Aperturdurchmesser des Apertur-Arrays;
η: der Wirkungsgrad des äquivalenten Aperturdurchmessers in Bezug auf den Linsendurchmesser der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik.
Die Formel (1) gibt an, daß der Feld-Mittenabstand der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 übereinstimmt mit ganzzahligen Vielfachen des Mittenabstands der Interferenzstreifen des Array-Lasers 10, projiziert auf die Fouriertransformationsebene SA der Fouriertransformationslinse 20. Das Einsetzen der Formel (1) in die Formel (4) und das Einstellen des Verschiebungsmaßes auf δ = 0, ermöglicht das Umwandeln der Amplitudenverteilung ψ&sub2;(w) des Array-Lasers 10 in die Formel (5):
Gemäß Formel (5) werden dann, wenn die Anzahl N der Laserstrahlquellen des Array-Lasers 10 ungerade ist, oder dann, wenn in der Formel (1) der Wert I gerade ist, die Schwingungsphase und die durch die Nahfeldmuster des Array-Lasers 10, reproduziert auf die hintere Fouriertransformationsebene SC der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30, repräsentierte Intensität, genauso groß gehalten wie die Schwingungsphase und die Intensität, die zur Zeit der Abstrahlung am Array-Laser 10 vorhanden sind. In solchen Fällen, in denen die Anzahl N der Laserstrahlquellen des Array-Lasers 10 gerade und I in der Formel (1) ungerade ist, wird die Phase abwechselnd bezüglich des Feld-Mittenabstands p der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 invertiert. In solchen Fällen, in denen die Phase auf diese Weise invertiert wird, läßt sich die Phasendifferenz π die entsprechend dem Feld-Mittenabstand p der Fouriertransformations- Linsenanordnungs-Optik 30 auftritt, dadurch kompensieren, daß man in der Nähe der Vorderseite oder der Rückseite des Apertur-Arrays 32 eine Phasenkorrekturplatte anbringt. Auf diese Weise läßt sich die Amplitudenverteilung des Array-Lasers 10, in der die Schwingungsphase unverändert gehalten wird, auf der hinteren Fouriertransformationsebene SC der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 reproduzieren. Als Phasenkorrekturplatte kann man eine Glasplatte mit Vorsprüngen und Vertiefungen vorsehen, die eine Höhendifferenz h [= λ{2(n-1)}, wobei λ die Wellenlänge und n den Brechungsindex der Glasplatte darstellt] aufweist, betrachtet in Richtung der optischen Achse, wobei die Periode der Anordnung zweimal so groß ist wie der Mittenabstand des Linsenfeldes. Die Vorsprünge und Ausnehmungen können abwechselnd für benachbarte Laserstrahl- Durchlaßteile des Apertur-Arrays 32 angeordnet werden, die Phasendifferenz π läßt sich mit Hilfe der Differenz der optischen Weglänge kompensieren.
Der Mittenabstand d&sub2; der Muster des Array-Lasers 10, die auf die hintere Fouriertransformationsebene SC der Fouriertransformations- Linsenanordnungs-Optik 30 in der oben erläuterten Weise reproduziert werden, der Strahlendurchmesser D des Array-Lasers 10, der Füllfaktor (d. i. das Verhältnis von Strahlendurchmesser D zu dem Mittenabstand d&sub2; der Muster des Array-Lasers 10) F werden durch die nachstehenden Formeln (6), (7) bzw. (8) angegeben.
Nach Formel (8) nimmt der Füllfaktor F bei I = 1 einen Maximalwert an. Dann ist der Füllfaktor F umgekehrt proportional zum Wirkungsgrad η. Deshalb kann man den Füllfaktor F dadurch groß machen, daß man den Wirkungsgrad η klein macht.
Diese Ausführungsform der Laservorrichtung ist derart eingerichtet, daß die Formel (2) erfüllt werden kann. Deshalb wird der Abstand zwischen den Nahfeldmustern des Array-Lasers 10, die von den optischen Fouriertransformations-Linsensystemen reproduziert werden, die unter den mehreren optischen Fouriertransformations-Linsensystemen der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 einander benachbart sind, gleich d&sub2;. Die Nahfeldmuster des Array-Lasers 10 werden in ihrer Gesamtheit mit gleichem Mittenabstand auf die rückseitige Fouriertranformationsebene SC der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 projiziert.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 13 erläutert, wie die Nahfeldmuster des Array-Lasers 10, die auf die hintere Fouriertransformationsebene SC der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 reproduziert werden, insgesamt mit gleichem Mittenabstand in einer Linie stehen. Wie in Fig. 13 zu sehen ist, werden Nahfeldmuster 10A, 10A... des Array-Lasers 10 durch die mehreren die Fouriertransformations- Linsenanordungs-Optik 30 bildenden optischen Fouriertransformations- Linsensysteme reproduziert. Jedes der Nahfeldmuster 10A, 10A... besitzt Spitzen 10Ai, 10Ai,..: in vorbestimmten Intervallen d&sub2;. Die Stellen, an denen die Spitzen 10Ai, 10Ai, ... liegen, entsprechen dem Mittenabstand d&sub2; der mehreren Laserstrahlquellen 11, 11, ..., die den Array-Laser 10 bilden. Wenn die zwei Nahfeldmuster 10A, 10A des Array-Lasers 10, die durch zwei benachbarte optische Fouriertransformations-Linsensysteme reproduziert werden, betrachtet werden, so wird in solchen Fällen, in denen die Formel (2) erfüllt ist, der Abstand dA zwischen den beiden Spitzen 10Ai, 10Ai der beiden Nahfeldmuster 10A, 10A, deren Spitzen einander benachbart sind, gleich dem Mittenabstand d&sub2; der Spitzen 10Ai, 10Ai des Nahfeldmusters 10A des Array-Lasers 10, die von einem einzelnen optischen Fouriertransformations-Linsensystem reproduziert wird. Wenn sämtliche · Abstände zwischen benachbarten Spitzen 10Ai, 10Ai der Nahfeldmuster 10A, 10A... des Array-Lasers 10, die in der hinteren Fouriertransformationsebene SC reproduziert werden, gleich sind, so bedeutet dies, daß die Nahfeldmuster des Array-Lasers 10 insgesamt in einer Linie mit gleichen Mittenabständen stehen.
Nun läßt sich die Formel (5) in die Formel (9) umsetzen. Es wird unterstellt, daß in solchen Fällen, in denen die Anzahl N der Laserstrahlquellen des Array-Lasers 10 gerade und I in der Formel (1) ungerade ist, die Phasenverteilung, die bezüglich des Feld-Mittenabstands p der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 abwechselnd invertiert wird, durch die Phasenkorrektureinrichtung, beispielsweise eine Phasenkorrekturplatte, korrigiert wird.
wobei
Die Amplitudenverteilung ψ&sub3;( w) des Array-Lasers 10 im Fernfeld der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 läßt sich dadurch erhalten, daß man die Formel (9) einer Fouriertransformation unterzieht, so daß sie dann durch die Formel (10) dargestellt wird:
wobei
w = tan θ/λ
q: Winkel des Fernfelds
Im folgenden wird eine konkretere Ausgestaltung beschrieben. Zunächst werden Parameter der jeweiligen Komponenten folgendermaßen eingerichtet:
Anzahl N der Laserstrahlquellen 11, 11, ..., die den Array-Laser 10 bilden = 9;
Mittenabstand d&sub1; zwischen benachbarten Laserstrahlquellen 11, 11, des Array-Lasers 10 = 125 um:
Wellenlänge λ des Laserstrahls = 781,25 nm;
Brennweite f&sub1; der Fouriertransformationslinse 20 = 8 mm;
I = 1,η = 1;
Feld-Zahl M der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 = 21;
Diese Werte werden in die Formeln (1), (2), (6), (7) und (8) eingesetzt, die Werte der übrigen Parameter werden folgendermaßen eingestellt:
Den Feld-Mittenabstand p der Fouriertransformations- Linsenanordnungs-Optik 30 = 50 um;
Brennweite f&sub2; der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 = 355,6 um;
Mittenabstand d&sub2; des Array-Lasers 10, reproduziert auf der hinteren Fouriertransformationsebene SC der Fouriertransformations- Linsenanordnungs-Optik 30 = 5,6 um;
Strahldurchmesser D des Array-Lasers 10, reproduziert auf der hinteren Fouriertransformationsebene SC der Fouriertransformations- Linsenanordnungs-Optik 30 = 9,1 um;
Füllfaktor F = 1,64
Fig. 2 zeigt die Ergebnisse der Intensitätsverteilung des Laserstrahls, der aus der Laservorrichtung ausgestrahlt wird, bei der die Parameter der jeweiligen Komponenten auf die oben angegebenen Werte eingestellt sind, und zwar die Intensität in Abhängigkeit des Fernfeldwinkels θ.
Anhand der Fig. 2 wurde bestätigt, daß diese Ausführungsform der Laservorrichtung den Laserstrahl mit einer Intensitätsverteilung abstrahlt, die in ausreichendem Maß einzelkeulig ist.
Im folgenden wird eine Analyse bezüglich des Schwingungs-Eigenmode dieser Ausführungsform der Laservorrichtung vorgestellt.
Die höheren Moden, die in der Resonatorstruktur dieser Laservorrichtung auftreten können, werden ermittelt anhand der Menge von Amplitude und Phase jedes Laserstrahls, der sich selbst konsistent in der Resonatorstruktur ausbreitet. Die höheren Moden werden ausgedrückt als die Lösungsvektoren der Eigengleichung der Formel (6) wenn N Moden vorhanden sind.
[r&sub0; r exp (i 2 σ L) Rr - I] e = 0 (11)
wobei Rr die Reflexionsmatrix in der Resonatorstruktur, e den Eigenvektor, r&sub0; das Amplituden-Reflexionsvermögen der hinteren Stirnfläche des Lasers, r das Amplituden-Reflexionsvermögen des Ausstrahlspiegels und σ die komplexe Ausbreitungskonstante des höheren Moden repräsentiert.
Aus der Formel (11) ergibt sich der Wert (r0 · r)&supmin;¹exp(-i2σL) als Eigenwert λν von Rr, und der obere Mode der Resonatorstruktur ist der Eigenwert der Matrix Rr. Deshalb ist die Leistungsschwellenverstärkung gν des oberen Mode dieser Resonatorstruktur gegeben durch die Formel (12) aus dem Eigenwert λν.
Außerdem repräsentiert die Reflexionsmatrix den Kopplungskoeflizienten zwischen den jeweiligen Laserstrahlen, die von den den Array-Laser 10 bildenden Laserstrahlquellen 11, 11, abgestrahlt werden, und zwar aufgrund der Effekte des Umlaufs in dem Resonator. Speziell aufgrund der Effekte des Umlaufs in der Resonatorstruktur wird jeder der Laserstrahlen, der von den den Array-Laser 10 bildenden Laserstrahlquellen 11, 11, abgestrahlt wird, zu der gegenüberliegenden Seite in Bezug auf die optische Achse reflektiert und mit dem an jener Stelle befindlichen Laserstrahl gekoppelt, an der der Laserstrahl reflektiert wird. Außerdem wird der Laserstrahl, der von dem ersten Resonatorspiegel 42 nicht reflektiert wurde, nicht zurück auf die hintere Fouriertransformationsebene SC zum Konvergieren gebracht und divergiert aufgrund der Beugungseffekte. Der Laserstrahl, der von dem ersten Resonatorspiegel 42 reflektiert wurde, wird folglich mit dem anderen Laserstrahl gekoppelt, welcher sich in der Nähe befindet.
Als Hilfe zum Erleichtern der Erläuterung kann man die Nahfeldmuster des Array-Lasers 10, die auf die Fouriertransformationsebene SC der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 reproduziert werden, als Sekundärarray-Laserstrahlquellen betrachten. In diesen Fällen ist die Kopplung zwischen den Laserstrahlen, die von den den Array-Laser 10 bildenden Laserstrahlquellen 11, 11, ... abgestrahlt werden, identisch mit der Kopplung zwischen den Laserstrahlen, die von den Sekundärarray- Laserstrahlquellen kommen, und zwar bedingt durch die Reflexion der Resonatorspiegel-Optik 40. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird in den Fällen, in denen der von der Sekundärarray-Laserstrahlquelle in der rückwärtigen Transformationsebene SC, welche Quelle sich in einem Abstand y&sub0; von der optischen Achse befindet, kommende Laserstrahl von dem ersten Resonatorspiegel 42 reflektiert und auf die rückwärtige Fouriertransformationsebene SC kondensiert, wobei der Abstand y von der optischen Achse zu der Stelle, an der der Laserstrahl gebündelt wird, mit der Formel (13) berechnet werden kann. (Die Stelle, an der der Laserstrahl gebündelt wird, wurde durch paraxiales Strahlverfolgen unter der Annahme nachgewiesen, daß der Strahldurchmesser jedes Laserstrahlbündels ausreichend klein ist).
wobei
B: Durchmesser des von der Fouriertransformations- Linsenanordnungs-Optik 30 abgestrahlten Laserstrahls ( P · M)
f&sub3;: Brennweite der Sammellinse 41
l&sub0;: Abstand zwischen dem Brennpunkt der Sammellinse 41 und dem ersten Resonatorspiegel 42
R: Krümmungsradius des ersten Resonatorspiegels 42
Durch entsprechende Ausgestaltung liefert die Formel (13)y = -y&sub0;. Dies bedeutet, daß der Laserstrahl auf die Stelle reflektiert wird, die bezüglich der optischen Achse symmetrisch ist, und mit dem anderen Laserstrahl gekoppelt wird. Deshalb lassen sich in solchen Fällen, in denen der Array-Laser 10 und die Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 in einem eindimensionalen Muster liegen und die Formel (1) erfüllt ist, durch synergistische Effekte des Koppelns und der Strahldivergenz aufgrund von Beugung, die jeweiligen Elemente {rij} der den Kopplungskoeffizienten repräsentierenden Reflexionsmatrix Rr durch folgende Formel (14) darstellen:
wobei D: Resonatorlänge
z: Abstand zwischen der Stelle der Sekundärarray- Laserstrahlquelle, die auf der rückwärtigen Fouriertransformationsebene SC der Fouriertransformations- Linsenanordnungs-Optik 30 gebildet wird, und derjenigen Stelle, an der der Laserstrahl von der Sekundärarray- Laserstrahlquelle reflektiert und veranlaßt wird, ein Bild der Resonatorspiegeloptik 40 zu erzeugen.
In den Fällen, in denen der Abstand z zwischen der Stelle der Sekundärarray-Laserstrahlquelle, die in der rückwärtigen Fouriertransformationsebene SC der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 gebildet wird, und der Stelle, an der der Laserstrahl von der Sekundärarray- Laserstrahlquelle reflektiert wird und dazu gebracht wird, ein Bild von der Resonatorspiegeloptik 40 zu erzeugen, auf einen großen Wert eingestellt ist, lassen sich die von dem Array-Laser 10 ausgestrahlten Laserstrahlen Li miteinander parallel und gleichmäßig koppeln.
Fig. 4 zeigt die Ergebnisse von Berechnungen von Leistungsschwellenverstärkungswerten mit der Eigengleichung der Formel (11) (wobei N = 9). Durch Fig. 4 wurde bestätigt, daß die Leistungsschwellenverstärkungswerte des Eigenmodus (ν = 1), bei dem die jeweiligen Laserstrahlen Li mit gleicher Phase aus dem Laser-Array abgestrahlt werden, die kleinsten sind, die Differenzen zwischen den Leistungsschwellenverstärkungswerten des Eigenmodus (ν = 1) und den Leistungsschwellenverstärkungswerten der anderen Eigenmoden (ν = 2 bis 9) ausreichend groß wird, wenn der Abstand z groß wird, und deshalb die Unterscheidung des Eigenmodus, bei dem die jeweiligen Laserstrahlen Li mit gleicher Phase von dem Array-Laser 10 abgestrahlt werden, gut möglich bleibt.
Wie oben beschrieben, können die von dem Array-Laser erzeugten Laserstrahlen kohärent miteinander kombiniert und von der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 und der Resonatorspiegeloptik 40 abgestrahlt werden. Auch in den Fällen, in denen die Parameter der jeweiligen Komponenten so eingestellt sind, daß sie den Formeln (1) und (2) Rechnung tragen, und die Entfernung z zwischen der Stelle der Sekundärarray- Laserstrahlquelle, die auf der rückwärtigen Fouriertransformationsebene SC der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 gebildet wird, und der Stelle, an der der Laserstrahl von der Sekundärarray-Laserstrahlquelle reflektiert und dazu gebracht wird, ein Abbild der Resonatorspiegeloptik 40 zu erzeugen, groß eingestellt wird, die jeweiligen Laserstrahlen gleichförmig miteinander gekoppelt werden können. Außerdem läßt sich in den Fällen, in denen I der Formel (1) auf den Wert "1" eingestellt wird, ein kombinierter Laserstrahl mit einer Intensitätsverteilung entsprechend einer guten Einzelkeulen-Kennlinie gemäß Fig. 2 von dem ersten Resonatorspiegel 42 abgestrahlt werden, und man kann in einfacher Weise einen Laserstrahl mit hoher Ausgangsleistung erhalten.
Die erfindungsgemäße Laservorrichtung ist nicht beschränkt auf die oben beschriebene erste Ausführungsform. Beispielsweise können als das in Fig. 5 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel anstelle des Array-Lasers 10 und der Fouriertransformationslinse 20 mehrere kollimierende optische Systeme, die jeweils ein Laserbauelement 12 und eine Kollimatorlinse 21 oder 22 enthalten, derart angeordnet werden, daß die jeweiligen Laserstrahlen einander unter einer vorbestimmten Winkeldifferenz (λ · Δα) in einer vorbestimmten Ebene schneiden können.
Bei der in Fig. 5 gezeigten zweiten Ausführungsform können die Änderung Δα (= αm &sbplus; &sub1; - αm) des Winkelspektrums αm jedes Laserstrahls, der Feld- Mittenabstand p der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30, die Anzahl N der kollimierenden optischen Systeme, die jeweils das Laserbauelement 12 und die Kollimatorlinse 21 oder 22 enthalten, die Brennweite f&sub2; der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 und die Wellenlänge λ des Laserstrahls so eingestellt werden, daß die Bedingungen gemäß den Formeln (15) und (16) erfüllt sind. Die Formel (15) erhält man durch Modifizieren von f&sub1; in der Formel (1) unter Verwendung der Schwankung Δα des Winkelspektrums (das heißt der Winkelspektrumdifferenz). Die Formel (16) erhält man durch Modifizieren von f&sub1; in der Formel (2) unter Verwendung der Änderung Δα im Winkelspektrum (das heißt der Winkelspektrumdifferenz).
p · Δα = I (15)
wobei I eine von 0 verschiedene ganze Zahl ist.
λ · Δα · f&sub2; · N = p (16)
Auch bei einer dritten Ausführungsform, die in Fig. 6 gezeigt ist, kann anstelle der Sammellinse 41, die in der Resonatorspiegeloptik 40 verwendet wird, eine Zerstreuungslinse 43 verwendet werden. Außerdem ist der von der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 abgestrahlte Strahl eine annähernd ebene Welle. Deshalb kann als vierte Ausführungsform gemäß Fig. 7 anstelle der Sammellinse und der Zerstreuungslinse ein Planspiegel 60 als Resonatorspiegel eingesetzt werden.
Die Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 braucht nicht notwendigerweise in derselben Ebene zu liegen. Beispielsweise kann die Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 auf einer Kugelebene liegen, deren Mittelpunkt der Array-Laser 10 ist. Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen setzt sich die Fouriertransformations- Linsenanordnungs-Optik 30 zusammen aus dem Strahlaufweiter-Array 31, dem Apertur-Array 32 und dem Fouriertransformationslinsen-Array 33. Allerdings braucht bei der erfindungsgemäßen Laservorrichtung die Fouriertransformations-Linsenanordungs-Optik 30 nicht notwendigerweise mit dem Strahlaufweiter-Array 31 und dem Apertur-Array 32 ausgebildet zu sein, sondern kann stattdessen aus bloß dem Fouriertransformationslinsen- Array 33 bestehen. Bei der Laservorrichtung ohne Apertur-Array kann der Wert für η in der Formel (4) auf 1 gesetzt werden.
Fig. 8 zeigt eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung. Die fünfte Ausführungsform wird grundsätzlich dann angewendet, wenn der Wert auf der linken Seite der Formel (1) nicht gleich der ganzen Zahl I wird, und die Formel (17) in der in Fig. 1 gezeigten Laservorrichtung erfüllt ist. Speziell bei der fünften Ausführungsform wird der Wert des Produkts des Feld-Mittenabstands p des Fouriertransformationslinsen-Arrays 33 und die Änderung Δα des Winkelspektrums jedes der Laserstrahlen Li einem Wert gleichgesetzt, der in den Bereich von größer als 0 bis kleiner als 2 fällt und verschieden von 1 ist.
wobei I: eine ganze Zahl verschieden von 0
Δ: das Maß der Abweichung von den ganzen Zahlen
0 < Δ < 1
0 < I + Δ < 2
Die fünfte Ausführungsform der Laservorrichtung enthält einen Array-Laser 10, der sich aus N Laserstrahlquellen 11, 11, ... zusammensetzt, welche kohärente Laserstrahlen Li mit einer Wellenlänge λ erzeugen, und die sich auf einer Geraden mit einem Mittenabstand d&sub1; befinden. Die Laservorrichtung enthält außerdem eine Fouriertransformationslinse 20, die eine Brennweite f&sub1; besitzt und derart angeordnet ist, daß sie dem Array-Laser 10 gegenübersteht. Die Laservorrichtung beinhaltet weiterhin ein Transformationslinsen-Array 33 zum Unterteilen der Fernfeldmuster des Array-Lasers 10, die auf die Fouriertransformationsebene SA der Fouriertransformationslinse 20 fällt, in kleine Zonen. Die Laservorrichtung enthält weiterhin eine Resonatorspiegeloptik 40, gebildet durch einen ersten Resonatorspiegel 42' und einen zweiten Resonatorspiegel 50. Der erste Resonatorspiegel 42' ist so angeordnet, daß er dem Fouriertransformationslinsen-Array 33 gegenübersteht. Der erste Resonatorspiegel 42' reflektiert die von dem Fouriertransformationslinsen-Array 33 abgestrahlten Laserstrahlen senkrecht oder läßt einen Laserstrahl durch, dessen Strahlungsenergie nicht geringer ist als ein vorbestimmter Wert. Der zweite Resonatorspiegel 50 befindet sich auf der rückwärtigen Seite des Array-Lasers 10, abgewandt von der Laserstrahl-Abstrahlfläche. Wie bei der ersten Ausführungsform befindet sich das Fouriertransformationslinsen-Array 33 an einer solchen Stelle, daß seine vordere Fouriertransformationsebene SB zusammenfällt mit der Fouriertransformationsebene SA der Fouriertransformationslinse 20. Außerdem befindet sich in der Fouriertransformationsebene SA eine Phasenkorrekturplatte 70, welche die Phase für jede der kleinen aufgeteilten Zonen der Fernfeldmuster des Array-Lasers 10 korrigiert.
Bei der Phasenkorrekturplatte 70 handelt es sich um ein Feld (Array) von Phasenkorrekturelementen 71, 71, ..., welche die Phasen der Laserstrahlen korrigieren, die durch die mehreren Fouriertransformationslinsen laufen, welche das Fouriertransformationslinsen-Array 33 bilden, so daß die Wellenfronten der Laserstrahlen nach dem Durchgang durch die mehreren Fouriertransformationslinsen des Fouriertransformationslinsen-Arrays 33 insgesamt durchgehend glatt miteinander verbunden sein können. Die Intensitätsverteilungsmuster des kombinierten Laserstrahls, welches durch die optische Kopplung der mehreren Laserstrahlen zustande kommt, erhält somit eine annähernd perfekte Einzelkeulen-Form.
Fig. 9A ist eine anschauliche Darstellung, die den Zustand der Wellenfronten der Laserstrahlen zeigt, die nicht einer Phasenkorrektur mit der Phasenkorrekturplatte 70 unterzogen wurden und durch das Fouriertransformationslinsen-Array 33 gelangt sind. Fig. 9B ist eine anschauliche Darstellung des Zustands der Wellenfronten der Laserstrahlen, die der Phasenkorrektur unterzogen wurden und durch das Fouriertransformationslinsen-Array 33 gelangt sind.
Damit die Nahfeldmuster des Array-Lasers 10 mit einem gleichmäßigen Mittenabstand auf der rückseitigen Fouriertransformationsebene SC des Fouriertransformationslinsen-Arrays 33 erzeugt werden können, muß die Brennweite f&sub2; des Fouriertransformationslinsen-Arrays 33 so eingestellt werden, daß die Formel (18) erfüllt ist.
Außerdem wird der Krümmungsradius der reflektierenden Oberfläche des ersten Resonatorspiegels 42' derart eingestellt, daß er gleich ist dem Krümmungsradius der Wellenfront des Laserstrahls, der durch das Fouriertransformationslinsen-Array 33 gelaufen ist, und zwar an der Stelle des ersten Resonatorspiegels 42'.
In der unten erläuterten Weise wird das Phasenmodulationsmuster derart eingerichtet, daß die Phasenkorrekturplatte 70 die Phasen der durch die mehreren, das Fouriertransformationslinsen-Array 33 bildenden Fouriertransformationslinsen laufenden Laserstrahlen korrigiert werden können, und außerdem derart, daß das Intensitätsverteilungsmuster des kombinierten Laserstrahls, welches sich aus der optischen Kopplung der mehreren Laserstrahlen ergibt, als annähernd perfekte Seitenkeule gestaltet werden kann.
Die Laserstrahlen Li, die von den den Array-Laser 10 bildenden Laserstrahlquellen 11, 11, ..., abgestrahlt werden, werden von der Fouriertransformationslinse 20 dazu gebracht, einander zu schneiden und einander zu überlagern, mit der Folge, daß sie eine vorbestimmte Winkeldifferenz (λ · Δα) zueinander in der Fouriertransformationsebene SA der Fouriertransformationslinse 20 aufweisen (oder in der vorderen Fouriertransformationsebene SB des Fouriertransformationslinsen-Arrays 33). Die Fernfeldmuster des Array-Lasers 10 werden folglich in der Fouriertransformationsebene SA in einer vorbestimmten Richtung geformt. Die Amplitudenverteilung ψ&sub1;(u) der Fernfeldmuster des Array-Lasers 10 bildet ein Interferenzmuster, resultierend aus der Überlagerung der Amplitudenverteilungen der abgestrahlten Laserstrahlen mit einem Mitten-Winkelspektrum αm.
Das Interferenzmuster der Amplitudenverteilung ψ&sub1;(u) wird von dem Fouriertransformationslinsen-Array 33 in mehrere kleine Zonen entsprechend der Anzahl der Linsen (der Feld-Zahl oder Array-Zahl) unterteilt. Außerdem werden die Nahfeldmuster des Array-Lasers 10 für die jeweiligen kleinen Zonen in einer vorbestimmten Richtung w in der hinteren Fouriertranformationsebene SC des Fouriertransformationslinsen-Arrays 33 reproduziert. Zu dieser Zeit wird die Amplitude ψ&sub2;(w) der Nahfeldmuster des Array-Lasers 10 in der rückwärtigen Fouriertransformationsebene SC des Fouriertransformationslinsen-Arrays 33 durch die Formel (19) repräsentiert.
Fig. 9A zeigt den Zustand der Wellenfronten, die erhalten werden mit der Amplitude ψ&sub2;(w) des Array-Lasers 10 auf der rückwärtigen Fouriertransformationsebene SC des Fouriertransformationslinsen-Arrays 33, wobei die Amplitude durch die Formel (19) dargestellt wird. Wie in Fig. 9A dargestellt, verschiebt sich der Mittenabstand der Interferenzstreifen (durch ausgezogene Linien angedeutet) des auf die Fouriertransformationsebene SA der Fouriertransformationslinse 20 projizierten Array-Lasers 10 in der Position gegenüber dem Feld-Mittenabstand p des Fouriertransformationslinsen- Arrays 33. Daher beinhaltet die Wellenfront des Laserstrahls nach dem Durchgang durch das Fouriertransformationslinsen-Arrays 33 die Phasendifferenz für jede der Linsen des Fouriertransformations-Arrays 33. Im Falle von δ = 0 läßt sich die Formel (19) zur Formel (20) modifizieren.
Diese Ausführungsform der Laservorrichtung ist so eingerichtet, daß die Formel (2) erfüllt ist, und mithin läßt sich die Formel (20) zur Formel (21) modifizieren.
Wie durch die Exponentialfunktion im zweiten Term der Formel (21) zum Ausdruck kommt, besitzen die von dem Fouriertransformationslinsen-Array 33 ausgestrahlten Laserstrahlen eine Phasenverteilung, die sich bestimmt durch die Position des Linsenfeldes und durch die Position des Array- Lasers. Die Phasendifferenz an der Grenzstelle zwischen benachbarten Linsen innerhalb des Fouriertransformationslinsen-Arrays 33 wird durch die Formel (22) dargestellt.
Δ φl, = 2 π Δ{(N+1/2) + Nl} (22)
Deshalb kann durch den Betrieb bei gegebener Phasenmodulation (-Korrektur) gemäß der nachstehend angegebenen Formel an jeder Linsenposition des Fouriertransformationslinsen-Arrays 33 die Menge der von dem Fouriertransformationslinsen-Array 33 abgestrahlten Laserstrahlen die Wellenfronten bilden, welche miteinander insgesamt glatt verbunden sind, wie in Fig. 9B dargestellt ist. Außerdem kann in solchen Fällen, in denen die Bedingungen für die Feld-Mittenabstände gemäß Formel (1) erfüllt sind, ein Laserstrahl mit gutem Einzelkeulenverhalten im Fernfeld erzeugt werden. Außerdem kann ohne den Einsatz einer Sammellinse ein Laserstrahl erhalten werden, der an einer vorbestimmten Stelle auf der optischen Achse konvergiert.
Bei den oben beschriebenen ersten bis fünften Ausführungsbeispielen ist zum Zweck der Vereinfachung der analytischen Formeln und zum leichteren Verständnis der Effekte der Laservorrichtung die Fouriertransformations- Linsenanordnungs-Optik 30 (oder das Fouriertransformationslinsen-Array 33) derart angeordnet, daß ihre vordere Fouriertransformationsebene SB übereinstimmen kann mit der Fouriertransformationsebene SA der Fouriertransformationslinse 20. Allerdings braucht die Fouriertransformationsebene SB nicht notwendigerweise mit der Fouriertransformationsebene SA der Fouriertransformationslinse 20 zusammenzufahren. In den Fällen, in denen die beiden Fouriertransformationsebenen SA und SB in Richtung der optischen Achse verschoben sind, haben die Laserstrahlen der kleinen Zonen nach dem Durchgang durch die Fouriertransformations-Linsenanordnungs- Optik 30 den Wert der Phasendifferenz entsprechend dem Ausmaß der Verschiebung. Deshalb läßt sich ein Laserstrahl mit guter Einzelkeulen- Charakteristik dadurch abstrahlen, daß man die Phasendifferenz durch die Korrektur der Positionen der Laserstrahlquellen 11, 11, ... des Array-Lasers 10 in Richtung der optischen Achse, durch optimales Ausgestalten der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30 oder mit Hilfe einer Phasenkorrektureinrichtung, beispielsweise einer Phasenkorrekturplatte, beseitigt.
Außerdem wird bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen zum leichteren Verständnis der Darstellung der Array-Laser 10 gebildet durch Laserstrahlquellen 11, 11, ..., die in eindimensionaler Richtung angeordnet sind. Allerdings ist die erfindungsgemäße Laservorrichtung auch anwendbar, wenn der Array-Laser sich aus Laserstrahlquellen 11, 11, ... zusammensetzt, die sich in einer zweidimensionalen Ebene senkrecht zur optischen Achse befinden. Eine Laservorrichtung, bei der sich der Array-Laser aus Laserstrahlquellen 11, 11, ... zusammensetzt, die in einer zweidimensionalen Ebene liegen, wird im folgenden beschrieben.
Fig. 10A ist eine anschauliche Darstellung, die zeigt, wie eine Mehrzahl von Laserstrahlquellen 11, 11, ..., die einen Array-Laser 10' bilden, in einer zweidimensionalen Ebene (d. i. in einem x-y-Koordinatensystem) angeordnet sind. Innerhalb des Array-Lasers 10' befinden sich die Laserstrahlquellen 11, 11, ... in einem periodischen schrägen Muster. Eine der Schräggitter- Achsen wird als x-Achse genommen, und die Laserstrahlquelle 11, die sich in der Nähe der Mitte des Array-Lasers 10' befindet, befindet sich an dem Ursprung. In diesen Fällen wird davon ausgegangen, daß der Schnittpunkt der Schräggitter-Achsen, d. i. jede der Stellen der jeweiligen Laserstrahlquellen 11, 11, ..., so eingerichtet ist, daß die Simultangleichungen gemäß den Formeln (24) und (25) erfüllt sind.
a&sub1;x + b&sub1;y = n&sub1; n&sub1;: eine ganze Zahl (24)
a&sub2;x + b&sub2;y = n&sub2; n&sub2;: eine ganze Zahl (25)
wobei
d&sub1;: der orthogonale Abstand zwischen den durch die Formel (24) repräsentierten Schräggitterachsen
α: die Neigung gemäß Formel (24) bezüglich der x-Achse
a&sub2; = 0, b&sub2; = -1/d&sub2;
d&sub2;: der orthogonale Abstand zwischen den Schräggitterachsen gemäß Formel (25).
Fig. 11 zeigt die Laservorrichtung, bei der der Array-Laser 10 in der Laservorrichtung gemäß Fig. 1 durch den Array-Laser 10' ersetzt ist. Bezugnehmend auf Fig. 11 werden Laserstrahlen, die von dem Array-Laser 10' abgestrahlt wurden, von der Fouriertransformationslinse 20 dazu gebracht, einander zu schneiden und einander zu überlagern, so daß sie zueinander eine vorbestimmte Winkeldifferenz in der Fouriertransformationsebene SA der Fouriertransformationslinse 20 (im u&sub1;-u&sub2;-Koordinatensystem) haben. Auf diese Weise entsteht ein Interferenzmuster. Somit werden Fernfeldmuster des Array-Lasers 10' in der Fouriertransformationsebene SA erzeugt. Die Amplitudenverteilung ψ&sub1;(u&sub1;, u&sub2;) der Fernfeldmuster des Array-Lasers 10' wird durch die Formel (26) repräsentiert:
wobei An&sub1;, n&sub2;: Amplitude jedes Laserstrahls Ln&sub1;, n&sub2;
φn&sub1;, n&sub2;: Phase jedes Laserstrahls Ln&sub1;, n&sub2;
N&sub1; = N1b + N1a + 1: Laser-Feldzahl in der x-Achsen-Richtung
N&sub2; = N2b + N2a + 1: Laser-Feldzahl in der y-Achsen-Richtung
f&sub1;: Brennweite der Fouriertransformationslinse 20.
Gemäß Formel (26) wird die Amplitudenverteilung ψ&sub1;(u&sub1;, u&sub2;) zu der periodischen Verteilung mit Spitzen in dem reziproken Gitter bezüglich des Schräggitters, das heißt des Musters des Array-Lasers 10'. Die jede Spitze repräsentierende Stelle ist gegeben durch Lösungen der Simultangleichungen der Formeln (27) und (28).
Δ = a&sub1; b&sub2; - a&sub2; b&sub1;
Die Stellen der Spitzen in der Fouriertransformationsebene SA (des u&sub1;-u&sub2;- Koordinatensystems) sind in Fig. 10B dargestellt. Der orthogonale Abstand zwischen den reziproken Gitterachsen wird durch die Formeln (29) und (30) dargestellt.
: der orthogonale Abstand zwischen den reziproken Gitterachsen, dargestellt durch die Formel (27)
: der orthogonale Abstand zwischen den reziproken Gitterachsen, dargestellt durch die Formel (28)
wobei
Deshalb läßt sich eine Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30' (oder ein Fouriertransformationslinsen-Array 33') mit einer periodischen Struktur ähnlich dem reziproken Gitter derart anordnen, daß die vordere Fouriertransformationsebene SB übereinstimmen kann mit der Ebene SA in den u&sub1;-u&sub2;-Koordinaten. In diesen Fällen werden die Fernfeldmuster des Array-Lasers 10' mit einer periodischen Verteilung, bei der die Spitzen auf dem reziproken Gitter liegen, in mehrere kleine Zonen unterteilt. Außerdem werden Nahfeldmuster des Array-Lasers 10' für die jeweiligen kleinen Zonen auf der rückwärtigen Fouriertransformationsebene SC (dem w&sub1;-w&sub2;- Koordinatensystem) der Fouriertranformations-Linsenanordnungs-Optik 30' reproduziert. (In Fig. 11 ist die Fouriertransformations- Linsenanordnungs-Optik 30' in vereinfachter Form dargestellt). Deshalb dienen wie bei den obigen Ausführungsformen die Nahfeldmuster des Array-Lasers 10' als Sekundärarray-Laserstrahlquellen. Die Amplitudenverteilung ψ(w&sub1;, w&sub2;) der Nahfeldmuster des Array-Lasers 10' in der hinteren Fouriertransformationsebene SC der Fouriertransformations- Linsenanordnungs-Optik 30' wird durch die Formel (31) dargestellt.
wobei
f&sub2;: Brennweite der Fouriertranformations-Linsenanordnungs- Optik
δ&sub1;, δ&sub2;: Ausmaß der Verschiebung der Fouriertransformations- Linsenanordnungs-Optik gegenüber dem Array-Laser
wobei P&sub1; und P&sub2; jeweils den orthogonalen Abstand zwischen den Schräggitter-Achsen, die die periodische Struktur des Linsenfeldes repräsentieren, sind.
P&sub1;: orthogonaler Abstand zwischen den Achsen parallel zur Formel (27)
P&sub2;: orthogonaler Abstand zwischen den Achsen parallel zur Formel (28).
Der Feld-Mittenabstand der Fouriertransformations-Linsenanordnungs- Optik 30' und die Änderung des Winkelspektrums des Laserstrahls, der von der jeweiligen Laserstrahlquelle 11, 11, ... des Array-Lasers 10' abgestrahlt wird, werden so eingestellt, daß die Relation gemäß den Formeln (32) und (33) erfüllt ist. Die Formeln (32) und (33) geben an, daß die Feld- Mittenabstände P&sub1; und P&sub2; in zwei Richtungen der Fouriertransformations- Linsenanordnungs-Optik 30', welche die periodische Struktur ähnlich dem reziproken Gitter bezüglich des Schräggitter-Musters des Array-Lasers 10' aufweist, übereinstimmt mit den ganzzahligen Vielfachen der Mittenabstände in den entsprechenden Richtungen der Interferenzstreifen, die auf die Fouriertransformationsebene SA der Fouriertransformationslinse 20 projiziert werden und auf dem reziproken Gitter periodische Spitzen besitzen.
wobei I&sub1; und I&sub2; jeweils eine von 0 verschiedene ganze Zahl sind.
Deshalb läßt sich die Formel (31) in die untenstehende Formel (34) modifizieren. Die Phasendifferenzen werden derart eingestellt, daß δ&sub1; = 0 und δ&sub2; = 0, wobei angenommen wird, daß die Interferenzstreifen des Array-Lasers 10', die auf die Fouriertransformationsebene SA der Fouriertransformationslinse 20 projiziert werden, keine Verschiebung bezüglich der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30' besitzen.
Damit die Nahfeldmuster des Array-Lasers 10', die auf die rückwärtige Fouriertransformationsebene SC (dem w&sub1;-w&sub2;-Koordinatensystem) projiziert werden, in einer Linie mit vorbestimmtem Mittenabstand in jeder Richtung stehen können, ist es notwendig, daß die Formeln (35), (36) und (37) erfüllt sind.
wobei H eine ganze Zahl ist.
Die Formel (37) repräsentiert die Bedingungen, unter denen keine Verschiebung zwischen benachbarten Nahfeldmustern des Array-Lasers 10' zustandekommt.
In Fällen, in denen die Laserstrahlpositionen in den Nahfeldmustern des Array-Lasers 10', die auf die hintere Fouriertransformationsebene SC der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30' reproduziert werden, einander überlappen, ist es notwendig, den Verstärkungsfaktor (die Ausgangsleistung des Laserstrahls) für jede Laserstrahlquelle 11 derart zu steuern, daß die optische Intensität in der hinteren Fouriertransformationsebene SC der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30' insgesamt gleichmäßig wird.
Damit außerdem die Intensitätsverteilung des von der Fouriertransformations-Linsenanordnungs-Optik 30' abgestrahlten Laserstrahls annähernd eine perfekte Einzelkeule im Fernfeld wird, muß in den Formeln (32) und (33) I&sub1; = 1 und I&sub2; = 1 gelten.
Die Laserstrahlquellen 11, 11, ... des Array-Lasers brauchen nicht notwendigerweise in jeder der zwei verschiedenen Richtungen in der oben erläuterten Weise periodisch angeordnet zu sein. Beispielsweise kann gemäß Fig. 12 ein Array-Laser 10" sich aus Laserstrahlquellen zusammensetzen, die mindestens in einer Richtung periodisch liegen. In diesen Fällen werden die Fernfeldmuster mit einer periodischen Feldstruktur entsprechend der Struktur des Array-Lasers 10" in der Fouriertransformationsebene SA der Fouriertransformationslinse 20 gebildet. Ein Fouriertransformationslinsen- Array 33' mit einem Aufbau, der der Array-Struktur der Fernfeldmuster entspricht, ist derart angeordnet, daß seine vordere Fouriertransformationsebene SB übereinstimmen kann mit der Fouriertransformationsebene SA der Fouriertransformationslinse 20. Auf diese Weise werden die Nahfeldmuster des Array-Lasers 10" ausreichend nahe beieinander als Gesamtes auf der hinteren Fouriertransformationsebene SC des Fouriertransformationslinsen-Arrays 33" reproduziert. In solchen Fällen, in denen die so reproduzierten Nahfeldmuster ausreichend dicht beieinander liegen, lassen sich die Laserstrahlen, die von der Laserresonator-Spiegeloptik reflektiert wurden, optisch miteinander koppeln. Deshalb können die Laserstrahlen, die von dem Array-Laser erzeugt wurden, kohärent miteinander kombiniert und ausgestrahlt werden.

Claims

1. Laservorrichtung, umfassend:

i) eine Mehrzahl von Laserstrahlquellen (11) zum Abstrahlen einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (Li) in der Weise, daß die Laserstrahlen (Li) einander in einer vorbestimmten virtuellen Ebene (SA), durch die die Laserstrahlen (Li) laufen, schneiden können,

ii) eine Fouriertransformations-Linsenanordnungsoptik (30), die sich an einer solchen Stelle befindet, daß ihre vordere Fouriertransformationsebene übereinstimmt mit der virtuellen Ebene (SA), und die das Interferenzmuster der Amplitudenverteilung der Fernfeldmuster der einander in der virtuellen Ebene (SA) schneidenden Laserstrahlen (Li) aufteilt in eine Mehrzahl kleiner Zonen entsprechend der Anzahl der Linsen in der Fouriertransformations- Linsenanordnungsoptik, während die Nahfeldmuster der mehreren Laserstrahlquellen für die jeweiligen kleinen Zonen in der hinteren Fouriertransformationsebene (SA) der Fouriertransformations- Linsenanordnung reproduziert werden, und außerdem eine Fouriertransformation der kleinen Zonen durchführt, und

iii) eine Laserresonator-Spiegeloptik, umfassend:

a) einen ersten Laserresonatorspiegel (42, 42'; 60), der sich an einer Stelle befindet, welche die Laserstrahlen (L) empfängt, die von der Fouriertransformations-Laseranordnungsoptik (30) ausgestrahlt wurden, und

b) einen zweiten Laserresonatorspiegel (50), der sich an einer Stelle rückwärtig bezüglich der Laserstrahlquelleneinrichtung (11) befindet, wodurch die von der Fouriertransformations- Linsenanordnungsoptik (30) abgestrahlten Laserstrahlen kohärent gekoppelt werden und ein kohärenter, kombinierter Laserstrahl erhalten wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Brennweite der Fouriertransformations-Linsenanordnungsoptik, der Feld-Mittenabstand (P) der Fouriertransformations-Linsenanordnungsoptik, die Anzahl der Laserstrahlquellen der mehreren Laserstrahlquellen (11), die Wellenlängen der Laserstrahlen (Li), und die Änderung des Winkelspektrums jedes der Laserstrahlen (Li) an den jeweiligen Stellen, an denen die Laserstrahlen einander schneiden, derart eingestellt sind, daß mehrere fouriertransformierte Muster der Laserstrahlen (Li), welche Muster in der Fouriertransformationsebene der Fouriertransformations-Linsenanordnungsoptik (30) reproduziert werden, als Ganzes in einer Linie mit einem vorbestimmten Mittenabstand stehen können.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Wert des Produkts des Feld-Mittenabstands (P) der Fouriertransformations-Linsenanordnungsoptik (30) und die Änderung des Winkelspektrums jedes der Laserstrahlen an den jeweiligen Stellen, an denen die Laserstrahlen (Li) einander schneiden, auf "1" eingestellt ist, so daß das Intensitätsverteilungsmuster des kombinierten Laserstrahls (L), der durch die optische Kopplung der mehreren Laserstrahlen (Li) entsteht, annähernd zu einer perfekten Einzelkeule werden kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Wert des Produkts des Feld-Mittenabstands (P) der Fouriertransformations-Linsenanordnungsoptik (30) und die Änderung des Winkelspektrums jedes der Laserstrahlen (Li) auf einen Wert eingestellt wird, der in den Bereich von größer als 0 und kleiner als 2 mit Ausnahme des Wertes von 1 fällt, und die Laservorrichtung außerdem mit einer Phasenkorrektureinrichtung ausgestattet ist, die jede der Phasen der Laserstrahlen, die durch mehrere die Fouriertransformations- Linsenanordnungsoptik (30) bildende optische Fouriertransformations- Linsensysteme (31) laufen, derart korrigiert, daß die Wellenfronten der Laserstrahlen nach dem Durchgang durch die mehreren optischen Fouriertransformations-Linsensysteme (31) als Gesamtheit glatt miteinander verbunden sein können, wobei das Intensitätsverteilungsmuster des kombinierten Laserstrahls (L), der aus der optischen Kopplung der mehreren Laserstrahlen (Li) entsteht, annähernd zu einer perfekten Einzelkeule wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Laserstrahlquelleneinrichtung (11) in einem Schräggitter-Muster in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse angeordnet ist, und die mehreren optischen Fouriertransformations-Linsensysteme (31), welche die Fouriertransformations- Linsenanordnungsoptik (30) bilden, in einem reziproken Gittermuster nach Maßgabe des Schräggitter-Musters der Laserstrahlquelleneinrichtung angeordnet sind.