DD248229A1

DD248229A1 - Anordnung zur erzeugung mehrerer arbeitsstrahlenbuendel eines co tuef 2-hochleistungslasers bei gleichzeitiger externer modulation der strahlung

Info

Publication number: DD248229A1
Application number: DD28907986A
Authority: DD
Inventors: Gisbert Staupendahl; Manfred Poehler; Klaus Schindler
Original assignee: Halle Feinmech Werke Veb
Priority date: 1986-04-14
Filing date: 1986-04-14
Publication date: 1987-07-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung mehrerer Arbeitsstrahlenbuendel eines CO2-Hochleistungslasers bei gleichzeitiger externer Modulation der Strahlung, die die optimale Ausnutzung der vom Laser abgegebenen Strahlungsleistung z. B. in Materialbearbeitungseinrichtungen garantiert. Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer entsprechenden Anordnung, die bei einfacher Handhabung, relativ niedrigen Kosten und hoher Lebensdauer die Arbeitsproduktivitaet einer fuer Materialbearbeitungseinrichtungen eingesetzten Laseranlage betraechtlich steigert. Gemaess der Erfindung wird diese Aufgabe durch vorteilhafte Anordnungen eines oder mehrerer spezieller Modulatoren, die auf einem Interferometerprinzip beruhen, geloest. Dabei werden die Modulatoren unter einem definierten kleinen Neigungswinkel ihrer optischen Achse zur Achse des Laserstrahles so angeordnet, dass sowohl die reflektierten als auch die transmittierten Strahlungsanteile fuer Bearbeitungsaufgaben genutzt bzw. in nachgeschalteten Modulatoren weiter verarbeitet werden koennen. Dadurch ist die Loesung zahlreicher Arbeitsaufgaben bei optimaler Ausnutzung der Laserleistung moeglich.

Description

Die in der DE-OS 2928283 beschriebene Vorrichtung zur optischen Zerhackung eines Laserstrahles in diskrete Lichtimpulse besitzt ähnliche Nachteile wie der Kippspiegel. Da in dieser Vorrichtung mittels eines rotierenden Prismenspiegels erreicht wird, daß sequentiell und wiederholt eine Anzahl von Zielpunkten mit den erzeugten Strahlungsimpulsen beaufschlagt werden, kommt hier noch der Nachteil ausschließlich periodischer Modulationen hinzu. Ein echtes räumliches „Umschalten" der Laserstrahlung ist noch mit den bekannten akusto-optischen und den integriert-optischen Modulatoren möglich. Das Umschalten mittels akusto-optisch erzeugter Gitterstrukturen in Festkörpern besitzt u.a. den großen Nachteil, daß erstens der Beugungswirkungsgrad dieser Gitter merklich unter 1 liegt und außerdem die Strahlung nicht definiert in genau eine Beugungsordnung gelenkt werden kann, so daß insgesamt beträchtliche Verluste auftreten.

Integriert-optische Modulatoren auf der Basis gekoppelter Wellenleiter (siehe z. B. „Integrierte Optik", Herausg. T. Tamir, Verlag „Mir", Moskau 1978) haben u.a. den großen Nachteil, daß die modulierbare Strahlungsleistung durch die Zerstörungsschwelle der Wellenleiterstrukturen begrenzt wird. Wegen der geringen Querschnitte der Wellenleiter liegt die obere Grenze der modulierbaren Strahlungsleistung bei etwa 10OW.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, eine Anordnung zur Erzeugung mehrerer Arbeitsstrahlenbündel eines CO₂-Hochleistungslasers bei gleichzeitiger externer Modulation der Strahlung zu schaffen, die bei einfacher Handhabung, relativ niedrigen Kosten und hoher Lebensdauer die Arbeitsproduktivität einer für Materialbearbeitungsaufgaben, z. B. Gravur anspruchsvoller Dekors oder Ritzen und Trennen in der Mikroelektronik-Technologie, eingesetzten Laseranlage beträchtlich steigert.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, die die Strahlung eines CO₂-Hochleistungslasers in mehrere Arbeitsstrahlenbündel aufteilt und gleichzeitig die externe Modulation der Intensität dieser Arbeitsstrahlenbündel gestattet, wobei im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden die Modulation nicht durch definierte Vernichtung von Teilen der Laserstrahlung erfolgt, sondern nach dem Prinzip, daß der Strahlungsanteil, der aus dem Haupt-Arbeitsstrahl zum Zwecke der Realisierung eines vorgegebenen zeitlichen Intensitätsverlaufes „entfernt" werden muß, umgeschaltet und zu einem oder mehreren zusätzlichen Arbeitsstrahlen geformt wird. Damit kommt man dem Ideal einer externen Modulation, nämlich Realisierung eines vorgegeben zeitlichen Intensitätsverlaufes bei gleichzeitiger Ausnutzung der gesamten zur Verfügung stehenden Laserleistung, ziemlich nahe.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch vorteilhafte Anordnungen e'ines Modulators oder mehrerer Modulatoren der folgenden prinzipiellen Bauart gelöst. Die Modulatoren bestehen jeweils aus zwei planparallel zueinander angeordneten, einen Spalt definierter Breite bildenden, auf beiden Seiten ebenen Platten aus für die Laserstrahlung transparentem Material, z. B. Ge, GaAs oder ZnSe, deren einander zugewandte Seiten in definiertem Maße verspiegelt und die beiden anderen Seiten entspiegelt sind. Der Abstand dieser Platten zueinander kann variiert werden, indem eine der Platten feststehend angeordnet und die andere Bestandteil eines schwingungsfähigen Systems ist, das aus einer Spule, die sich im Wirkungsbereich eines Permanentmagneten befindet, und einem Spezialhohlzylinder besteht. Die feststehende Platte ist mit einem massiven, gekühlten Grundkörper fest verbunden, der eine elastische Metallmembran enthält, mit der die zweite Platte und der Spezialhohlzylinder einschließlich der Spule so verbunden sind, daß sie das schwingungsfähige System bilden. In dem Spezialhohlzylinder ist ein Hohlkörper, vorzugsweise der Eisenkern des Permanentmagneten, verschiebbar angeordnet und der Spalt, der durch die Innenfläche des Spezialhohlzylinders sowie die Außenfläche des Hohlkörpers gebildet wird, ist mit einem Dämpfungsmedium definiert hoher Viskosität gefüllt.

Durch definierte Stromzufuhrfür die Spule kann nun die auf Modulatoren der geschilderten Bauart auffallende Laserstrahlung in ihrer Leistung in durch die Parameter des Modulators vorgegebenen Grenzen frei moduliert werden. Dabei zeichnen sich die Modulatoren dadurch aus, daß die Modulation auf einem Interferometerprinzip beruht, d. h. die Modulation erfolgt durch definierte Aufteilung der Strahlung in einen reflektierten und einen transmittierten Anteil bei verschwindend kleinen Verlusten im Modulator selbst.

Zur Erzeugung zweier Arbeitsstrahlen und gleichzeitiger externer Modulation der Strahlung eines CO₂-Hochleistungslasers bei Ausnutzung der gesamten vom Laser abgegebenen Strahlungsleistung ist nun folgende Anordnung vorteilhaft. Der Modulator wird außerhalb des Lasers unter einem möglichst kleinen Neigungswinkel seiner optischen Achse zur Achse des Laserstrahles angeordnet. Dieser Winkel wird so gewählt, daß die Funktion des Modulators nicht durch mangelhafte Interferenz beeinträchtigt und daß andererseits das vom Modulator reflektierte Bündel nicht auf den Laserresonator zurückgekoppelt wird. Durch die Anordnung eines zusätzlichen Spiegels für den reflektierten Strahlungsan'teil kann somit die auf den Modulator auftreffende Strahlung so genutzt werden, daß der transmittierte Strahl des Modulators zur Erfüllung einer Arbeitsaufgabe mit einem vorgegebenen zeitlichen Intensitätsverlauf und der reflektierte Strahl zur Erfüllung einer analogen Arbeitsaufgabe, jedoch mit einem inversen zeitlichen Intensitätsverlauf, genutzt wird.

Diese Grundanordnung kann erweitert werden, indem dem ersten Modulator noch weitere Modulatoren nachgeschaltet und so angeordnet werden, daß der reflektierte oder transmittierte Strahlungsanteil des ersten Modulators durch den ersten nachgeschalteten Modulator wiederum in zwei Strahlungsanteile mit einem zueinander inversen zeitlichen Intensitätsverlauf aufgeteilt wird, wobei der eine Strahl direkt weiter verarbeitet und der andere Strahl wahlweise entweder über einen Spiegel umgelenkt und einer Nutzung zugeführt, oder durch einen weiteren Modulator wiederum moduliert und in zwei Strahlungsanteile aufgeteilt wird, so daß bei Verwendung von η Modulatoren insgesamt η + 1 Arbeitsstrahlen entstehen. Durch völlig frei wählbare, bei Bedarf auch unterschiedliche Ansteuerung der einzelnen Modulatoren können mit einer solchen Anordnung die verschiedenartigsten Kombinationen von Arbeitsaufgaben realisiert werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: einen Schnitt durch den in der Anordnung gemäß der Erfindung eingesetzten Modulator; Fig. 2: die Grundanordnung zur Erzeugung zweier Arbeitsstrahlen eines C02-Hochleistungslasers bei gleichzeitiger externer Modulation der Strahlung gemäß der Erfindung;

Fig. 3: eine Anordnungsvariante zur Erzeugung mehrerer Arbeitstrahlenbündel bei gleichzeitiger externer Vielfachmodulation gemäß der Erfindung.

In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des in der erfindungsgemäßen Anordnung eingesetzten Modulators bilden die einander zugewandten und verspiegelten, ebenen Flächen 1 derfür die Laserstrahlung 2 transparenten Platten 3 und 4, deren Rückseiten 5 entspiegelt sind, die Interferometeranordnung. Die Platte 3 ist fest verbunden mit dem Oberteil 6 des Gerätegrundkörpers, das mittels der drei Justierschrauben 7 gegen das massive Unterteil 8 des Gerätegrundkörpers justiert werden kann, wodurch Abstand und Parallelität der zwei Platten 3; 4 zueinander eingestellt werden. Das Unterteil 8 schwingungsstabilen Gehäuse 9, das den starken Permanentmagneten 10 einschließlich der magnetischen Leiteisen 11 und des verschiebbaren Hohlkörpers 12, vorzugsweise des Eisenkerns des Permanentmagneten 10 umschließt. Diese stabile Einheit bildet die Basis für das schwingungsfähige System, das aus der elastischen Membran 13, an welcher die Platte 4 befestigt ist, und einem Spezial hohlzylinder 14, dereine Spule 15 trägt, besteht. Dieses schwingungsfähige System gewährleistet, daß entsprechend einer vorgegebenen, an die Spule 15 angelegten Steuerspannung der Abstand der Platten 3; 4 zueinander und damit die Transmission des Modulators dadurch geändert wird, daß es einerseits angetrieben wird durch die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem Permanentmagneten 10 und der vom Steuerstrom durchflossenen Spule 15, die sich im Luftspalt zwischen den Polen des Permanentmagneten 10 befindet, und andererseits gedämpft wird durch die Reibungskraft, die mittels eines hochviskosen Mediums 16 erzeugt wird, das sich im Spalt zwischen dem Spezialhohlzylinder 14 und dem Hohlkörper 12 befindet, der vorzugsweise vom Eisenkern des Elektromagneten 10 gebildet wird. Der gesamte Modulator wird durch eine Umlaufkühlung thermisch stabil gehalten. Nach dem Eintritt 17 gelangt die thermostatierte Kühlflüssigkeit über Kanäle 19 in Kühlbohrungen 20 des Oberteiles 6 des Gerätegrundkörpers, wodurch die Platte 3 gekühlt wird. Anschließend strömt sie durch die Kammer 21, wobei die in der Platte 4 absorbierte Strahlungsleistung und beim darauffolgenden Umströmen der Spule 15 die hier entstehende Stromwärme abgeführt werden. Nach Passieren der Kammer 22 gelangt die Kühlflüssigkeit an den Austritt 18.

In der in Fig. 2 dargestellten Grundanordnung zur Erzeugung zweier Arbeitsstrahlen bei gleichzeitiger externer Modulation der Strahlung fällt die Strahlung 2 des Lasers 23 auf den mittels der elektrischen Versorgungseinrichtung 27.1 angesteuerten Modulator 26.1, dessen optische Achse unter einem kleinen Winkel α gegen die Achse des Laserstrahles 2 verkippt ist, so daß Rückkopplungseffekte mit dem Laser vermieden werden und der vom Modulator reflektierte Anteil 24.1 der Laserstrahlung 2 mit dem Spiegel 28 aufgefangen werden kann. Auf diese Weise erhält man zwei Arbeitsstrahlen, und zwar den transmittierten Anteil 25.1 und den reflektierten Anteil 24.1, die zeitlich inverses Verhalten der Intensitätsmodulation zeigen. Eine Weiterführung des Grundaufbaus für spezielle Arbeitsaufgaben zeigt Figur 3. Die kaskadenförmige Anordnung der Modulatoren 26.1,26.2,...,26.n, deren Achsen ebenfalls um den kleinen Winkel α gegen die jeweilige Strahlachse verkippt sind, liefert η + 1 Arbeitsstrahlen 25.1, 24.2,... ,24.(n + 1), die bei entsprechender Ansteuerung der Modulatoren die Realisierung der unterschiedlichsten Arbeitsaufgaben gestatten.

In Fig.3 wurde die kaskadenförmige Anordnung der Modulatoren 26.1, 26.2,...,26.n auf den reflektierten Anteil 24.1 des Modulators 26.1 und die jeweils transmittierten Anteile 25.2,....,25.η der Modulatoren 26.2,...,26.η aufgefädelt. Gemäß der Erfindung können jedoch die unterschiedlichsten Anordnungskombinationen bzw. Netzwerke erzeugt werden, die sich durch Ausnutzung der Aufspaltung des auf einen Modulator 26.i auffallenden Strahlung in einen transmittierten Anteil 25.i und einen reflektierten Anteil 24.i realisieren lassen.

Bereits mit einer aus nur zwei Modulatoren bestehenden Anordnung gemäß Fig.3 lassen sich aus der Strahlung eines kontinuierlich arbeitenden CO2-Lasers ausreichender Leistung beispielsweise drei annähernd äquivalente Impulszüge erzeugen, die sich bei hoher Steigerung der Arbeitsproduktivität z. B. zum Ritzen von Keramiksubstraten einsetzen lassen.

Claims

1. Anordnung zur Erzeugung mehrerer Arbeitsstrahlenbündel eines CO₂-Hochleistungslasers bei gleichzeitiger externer Modulation der Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster von der Laserstrahlung (2) des COa-Hochleistungslasers (23) beaufschlagter Modulator (26.1) in einem Winkel bezüglich der optischen Achse des Lasers (23) angeordnet ist, der einerseits so klein ist, daß die Interferenzfähigkeit des Modulatorsystems nur unwesentlich beeinflußt wird und andererseits so groß ist, daß eine unerwünschte Rückkopplung des vom Modulator (26.1) reflektierten Strahlungsanteils (24.1) mit dem Laserresonator ohne die Verwendung optischer Hilfsmittel vermieden wird, daß im Weg des reflektierten Strahlungsanteils (24.1) oder des transmittierten Strahlungsanteils (25.1) entweder ein Spiegel (28) oder ein zweiter Modulator (26.2) angeordnet ist, dessen reflektierter (24.2) odertransmittierter Strahlungsanteil (25.2) wiederum wahlweise auf einen Spiegel (28) oder auf einen Modulator (26.3) trifft, so daß in Abhängigkeit von der Anzahl der nachgeschalteten Modulatoren (26.2 bis 26.η) η + 1 Arbeitsstrahlenbündel entstehen, wobei die frei wählbare, bei Bedarf auch unterschiedliche Ansteuerung der einzelnen Modulatoren (26.1 bis 26.n) die Realisierung der verschiedenartigsten Kombinationen von Arbeitsaufgaben ermöglicht.

2, Anordnung zur Erzeugung mehrerer Arbeitsstrahlenbündel eines CO₂-Hochleistungslasers nach Punkt 1., dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Modulatoren (26.1 bis 26.n) jeweils aus zwei planparallel zueinander angeordneten, einen Spalt definierter Breite bildenden, auf beiden Seiten (1; 5) ebenen Platten (3; 4) bestehen, deren Abstand zueinander variiert werden kann, indem die eine Platte (3) feststehend angeordnet und die andere Platte (4) Bestandteil eines schwingungsfähigen Systems, bestehend aus einer Spule (15), die sich im Wirkungsbereich eines Permanentmagneten (10) befindet, ist, wobei die feststehende Platte (3) mit einem massiven, gekühlten Grundkörper (6; 8) fest verbunden ist, der eine elastische Metallmembran (13) mit einem Spezialhohlzylinder (14) und der zweiten Platte (4) enthält und in dem Spezialhohlzylinder (14) ein Hohlzylinder (12), vorzugsweise der Eisenkern des Permanentmagneten (10), verschiebbar angeordnet ist sowie der durch die Innenfläche des Spezialhohlzylinders (14) und die Außenfläche des Hohlkörpers (12) gebildete Spalt mit einem Dämpfungsmedium (16) definiert hoher Viskosität gefüllt ist.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung mehrerer Arbeitsstrahlenbündel eines CCVHochleistungslasers bei gleichzeitiger externer Modulation der Strahlung, die die optimale Ausnutzung der vom Laser abgegebenen Strahlungsleistung garantiert. Vorrangiges Anwendungsgebiet der Erfindung sind Materialbearbeitungsaufgaben,wie z. B. Gravur anspruchsvoller Dekors oder Ritzen und Trennen mittels periodischer Strahlungsimpulse definierter Intensität.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei herkömmlichen Methoden bedeutet externe Modulation gezielte Vernichtung von Teilen der Laserstrahlung, um den gewünschten zeitlichen Verlauf der Laserintensität im Arbeitsstrahl zu erhalten. Durch eine Reihe von Anordnungen wurde nun bereits versucht, keine Laserstrahlung zu vernichten, sondern sie in verschiedene Arbeitskanäle „umzuschalten" und damit sämtliche Strahlungsanteile zu nutzen.

Die einfachste Variante dazu ist der bekannte Kippspiegel. Mit ihm können jedoch nur die Zustände „An" und „Aus" realisiert werden. Ferner wird mit wachsender Laserleistung seine Arbeitsgeschwindigkeit immer geringer, da die erforderliche Spiegelmasse steigt.