A modified setup of a CMD technique for high power coherent beam combining was presented to address an issue of low damage threshold of electro-optic modulators. The feasibility of the modified setup was demonstrated by combining eight fiber beams, and it was successfully performed with ${\lambda}/44$ of residual phase error and 100 Hz of control bandwidth. It is expected that the modified CMD setup facilitates ultra-high power coherent beam combination without a limitation caused by the low damage threshold of electro-optic modulators.
Ben Tordoff;Cheryl Hartfield;Andrew J. Holwell;Stephan Hiller;Marcus Kaestner;Stephen Kelly;Jaehan Lee;Sascha Muller;Fabian Perez-Willard;Tobias Volkenandt;Robin White;Thomas Rodgers
Applied Microscopy
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v.50
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pp.24.1-24.11
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2020
The development of the femtosecond laser (fs laser) with its ability to provide extremely rapid athermal ablation of materials has initiated a renaissance in materials science. Sample milling rates for the fs laser are orders of magnitude greater than that of traditional focused ion beam (FIB) sources currently used. In combination with minimal surface post-processing requirements, this technology is proving to be a game changer for materials research. The development of a femtosecond laser attached to a focused ion beam scanning electron microscope (LaserFIB) enables numerous new capabilities, including access to deeply buried structures as well as the production of extremely large trenches, cross sections, pillars and TEM H-bars, all while preserving microstructure and avoiding or reducing FIB polishing. Several high impact applications are now possible due to this technology in the fields of crystallography, electronics, mechanical engineering, battery research and materials sample preparation. This review article summarizes the current opportunities for this new technology focusing on the materials science megatrends of engineering materials, energy materials and electronics.
The laser/arc hybrid welding process is a new process combining the laser beam and the arc as welding heat source. The laser beam and arc influence and assist one another. By application of hybrid welding, synergistic effects are achievable, and disadvantage of the respective processes can be compensated. The laser-arc hybrid welding process has good potential to extend the field of applications of laser technology, and provide significant improvements in weld quality and process efficiency in manufacturing applications. This review analyses the recent advances in the fundamental understanding of hybrid welding processes using the works of the data base of Web of Science (SCI-Expanded) since the 2000 year. The research activity on the hybrid welding has been become more actively since 2006, especially in China, presenting the most research papers in the world. Since the hybrid welding process was adopted in manufacturing of the automobile in Europe in the early of 2000's, its adopting is widely expanded in the field of manufacturing of automobile, ship building, steel construction and the other various industry. The hybrid welding process is expected to advance toward higher productivity, higher precision, higher reliability through the mixing of high power and flexible fiber laser or disk laser and digitalized pulsed arc source.
The major error factors that degrade the efficiency of coherent beam combining (CBC) are numerically studied in a comprehensive manner, paying particular attention to phase, tip-tilt, polarization angle, and beam quality. The power in the bucket (PIB), normalized to the zero-error PIB, is used as a figure of merit to quantify the effect of each error factor. To maintain a normalized PIB greater than or equal to 95% in a 3-channel CBC configuration, the errors in phase, tip-tilt, and polarization angle should be less than 1.06 radians, 1.25 ㎛, and 1.06 radians respectively, when each of the three parameters is calculated independently with the other two set to zero. In a worst-case scenario of the composite errors within the parameter range for the independent-95%-normalized-PIB condition, the aggregate effect would reduce the normalized PIB to 83.8%. It is noteworthy that the PIB performances of a CBC system, depending on phase and polarization-angle errors, share the same characteristic feature. A statistical approach for each error factor is also introduced, to assess a CBC system with an extended number of channels. The impact of the laser's beam-quality factor M2 on the combining efficiency is also analyzed, based on a super-Gaussian beam. When M2 increases from 1 to 1.3, the normalized PIB is reduced by 2.6%, 11.8%, 12.8%, and 13.2% for a single-channel configuration and 3-, 7-, and 19-channel CBC configurations respectively. This comprehensive numerical study is expected to pave the way for advances in the evaluation and design of multichannel CBC systems and other related applications.
Dahmen, M.;Kaierle, S.;Kapper, G.;Michel, J.;Schulz, W.;Spielvogel, K.;Poprawe, R.
Proceedings of the KWS Conference
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2002.10a
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pp.589-594
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2002
In manufacturing of welded parts which require a proof on acceptance close observation of the process is mandatory. The manufacturer is obliged to document the welding process. An approach for monitoring and recording the process of laser beam welding combining theoretical knowledge, process monitoring and welding experience will be presented. The range of application of a device for co-axial process monitoring was extended up to 20 mm sheet thickness welded in one pass at beam powers of up to 20 kW. Crucial features of the process which refer to the formation of failures were observed. The results presented give rise to the general applicability of the approach for process monitoring and recording as well as failure management.
We fabricate a polarization-independent dielectric multilayer thin-film diffraction grating for a spectral-beam-combining (SBC) system with a simple grating structure and low aspect ratio. Due to the refractive index and thickness error of the manufactured thin films, the diffraction efficiency of the fabricated diffraction grating was lower than that of the design. The causes of the errors were analyzed, and it was confirmed through simulation that diffraction efficiency could be compensated through an additional coating on the manufactured diffraction grating. As a result of sputtering an additional Ta2O5 layer on a fabricated diffraction grating, the diffraction efficiency was corrected and a maximum 91.7% of polarization-independent diffraction efficiency was obtained.
A numerical model for multiple reflection effects of a polarized beam on laser grooving has been developed. The surface of the treated material is assumed to reflect laser irradiation in a fully specular fashion. Combining electromagnetic wave theory with Fresnel's relation, the reflective behavior of a groove surface can be obtained as well as the change of the polarization status in the reflected wave field. The material surface is divided into a number of rectangular patches using a bicubic surface representation method. The net radiative flux far these patch elements is obtained by standard ray tracing methods. The changing state of polarization of the electric field after reflection was included in the ray tracing method. The resulting radiative flux is combined with a set of three-dimensional conduction equations governing conduction losses into the medium, and the resulting groove shape and depth are found through iterative procedures. It is observed that reflections of a polarized beam play an important role not only in increasing the material removal rate but also in forming different final groove shapes. Comparison with available experimental results for silicon nitride shows good agreement for the qualitative trends of the dependence of groove shapes on the electric field vector orientation.
We report an in-depth analysis of the design and fabrication of multilayer dielectric (MLD) diffraction gratings for spectral beam combining at a wavelength of 1055 nm. The design involves a near-Littrow grating and a modal analysis for high diffraction efficiency. A range of wavelengths, grating periods, and angles of incidence were examined for the near-Littrow grating, for the $0^{th}$ and $-1^{st}$ diffraction orders only. A modal method was then used to investigate the effect of the duty cycle on the effective indices of the grating modes, and the depth of the grating was determined for only the $-1^{st}$-order diffraction. The design parameters of the grating and the matching layer thickness between grating and MLD reflector were refined for high diffraction efficiency, using the finite-difference time-domain (FDTD) method. A high reflector was deposited by electron-beam evaporation, and a grating structure was fabricated by photolithography and reactive-ion etching. The diffraction efficiency and laser-induced damage threshold of the fabricated MLD diffraction gratings were measured, and the diffraction efficiency was compared with the design's value.
We have developed a linearly polarized high-power Yb-doped fiber laser in the master oscillator power amplifier (MOPA) scheme for efficient spectral beam combining. We modulated the phase of the seed laser by pseudo-random binary sequence (PRBS), with the bit length optimized to suppress stimulated Brillouin scattering (SBS), and subsequently amplified seed power in a 3-stage amplifier system. We have constructed by coiling the polarization-maintaining (PM) Yb-doped fiber, with core and cladding diameters of 20 ㎛ and 400 ㎛ respectively, to a diameter of 9-12 cm for suppression of the mode instability (MI). Finally, we obtained an output power of 1.004 kW with a slope efficiency of 83.7% in the main amplification stage. The beam quality factor M2 and the polarization extinction ratio (PER) were measured to be 1.12 and 21.5 dB respectively. Furthermore, the peak-intensity difference between the Rayleigh signal and SBS signal was observed to be 2.36 dB in the backward spectra, indicating that SBS is successfully suppressed. In addition, it can be expected that the MI does not occur because not only there is no decrease in slope efficiency, but also the beam quality for each amplified output is maintained.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2005.06a
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pp.573-576
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2005
A compact linear and angular displacement measurement device was developed by combining a Michelson interferometer and an autocollimator to characterize the movement of a precision stage. A Michelson interferometer and an autocollimator are typical devices for measuring linear and angular displacement, respectively. By controlling the polarization of reflected beam from the target mirror of the interferometer, some part of light was retro-reflected to the light source and the reflected beam was used for angle measurement. The interferometer and the autocollimator use the same optic axis and the target mirror can be easily and precisely aligned orthogonal to the optic axis by monitoring the autocollimator s signal. The autocollimator was designed for angular resolution of 0.1 arcsec and dynamic range of 60 arcsec. The nonlinearity error of interferometer was minimized by trimming the gain and offset of the photodiode signals. Through the experiments, we evaluate the performance of measurement device and discuss its applications.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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