DE3904421A1 - Aktive stabilisierung von laser-resonatoren - Google Patents
Aktive stabilisierung von laser-resonatorenInfo
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Description
1. Aktive Stabilisierung von Laser-Resonatoren.
2. Die Erfindung betrifft solche Laser, deren Resonator aus
zwei oder mehreren Spiegeln besteht, von denen mindestens
einer teildurchlässig ist und damit das "Auskoppelfenster" der
Strahlung in den Raum bildet. Besonders geeignet ist die
Erfindung für Leistungslaser in der Materialbearbeitung und der
Medizin.
3. Sinn der Anwendung von Lasern in der Materialbearbeitung ist
es, das Material des Werkstücks durch hohe Strahlleistung örtlich
begrenzt aufzuschmelzen, zu verdampfen, zu verbrennen oder zu
koagulieren. Die dazu nötige hohe Leistungsdichte erhält man,
indem man den Strahl, der bei Lasern selbst schon eine hohe
Leistungsdichte hat, mittels einer Linse oder eines Spiegels auf
das Werkstück fokussiert.
Die Wirkung dort resultiert einerseits aus der Wellenlänge der
Strahlung, denn sie bestimmt, wie gut sie vom Werkstoff
absorbiert oder reflektiert wird und wie tief sie in den
Werkstoff eindringen kann. Andererseits aus der Leistung des
Lasers bzw. des Strahls, denn ihr entspricht die in der
Zeiteinheit ins Werkstück eingebrachte Energie.
Überdies hängt die Wirkung ab von der Leistungsdichte
(Watt/mm²) im Fokus, denn je höher sie ist, desto schneller wird
das zu bearbeitende Material aufgeschmolzen, verdampft oder
verbrannt.
Die Leistungsdichte im Fokus eines Lasers richtet sich bei
gegebener Gesamtleistung noch nach dem Durchmesser des Fokus d,
verallgemeinert:
f: Brennweite der Linse
λ: Wellenlänge der Strahlung
D: Durchmesser des Strahls auf der Linse
g ϕ gibt die Ordnung des axialen Transversalmodes an, g r die des radialen Transversalmode.
λ: Wellenlänge der Strahlung
D: Durchmesser des Strahls auf der Linse
g ϕ gibt die Ordnung des axialen Transversalmodes an, g r die des radialen Transversalmode.
Moden höherer Ordnung vergrößern den Fokusdurchmesser d. Bei
sonst gleichen Laserbedingungen, wie Strahldurchmesser auf der
Linse, Brennweite der Linse, Wellenlänge und Gesamtleistung
der Strahlung, sinkt die Leistungsdichte, das Ergebnis der
Bearbeitung wird dadurch schlechter.
Es ist demnach anzustreben
- A) eine Intensitätsverteilung mit einem Mode von möglichst niedriger Ordnung, und
- B) daß der erreichte Mode stabil ist.
Hierzu sei ein Beispiel aufgeführt (siehe dazu Abb. 1):
Dargestellt sind verschiedene Intensitätsverteilungen eines
Lasers mit Gaußverteilung, die Kurven stammen vom selben Laser.
Die Kurve (21) zeigt den optimal justierten Resonator, d. h. der
Laser schwingt im Grundmode, dem sogenannten "Transversalen
elektromagnetischen TEM00", mit g d =0 und g r =0.
Die Kurve (23) zeigt die Intensitätsverteilung desselben Lasers
bei leicht dejustiertem Resonator. Durch die Beimischung eines
Ringmodes, des "Transversalen elektromagnetischen Mode,
TEM01" (22), mit dem Ordnungszahlen g ϕ =0 und g r =1, zum
Grundmode ergibt sich ein deutlich flacherer Verlauf der
Intensitätsverteilung, sowie einen etwas größeren
Strahldurchmesser D 23 gegenüber D 21.
Wenn man die entsprechenden Zahlen in die Gleichung [1] einsetzt,
und berücksichtigt, daß die Fokusfläche mit dem Quadrat des
Fokusdurchmessers d wächst, ergibt sich für den dejustierten
Laser (23) eine um gut 20% verringerte Leistungsdichte, das
Ergebnis der Bearbeitung wird schlechter.
Die Leistung P ist in beiden Fällen annähernd gleich. Sie ist
bestimmt durch das Integral der Intensität I(r) über die
Strahlquerschnittsfläche:
Durch Rotation der Intensitätsverteilung (21) bzw. (23) um die
Strahlachse (12) kann man sich die Leistung anschaulich machen.
Eine drastische Verringerung des Volumens im Zentrum durch
schwächeres I max wird leicht durch das zusätzliche Volumen
einer nur geringen Aufweitung des Strahls ausgeglichen.
Durch thermische und mechanische Störungen des optischen
Resonators, insbesondere geringste Längenänderungen des Aufbaus,
Verstellungen der Spiegel, oder Dickenänderungen des
Auskoppelfenstes, zeigt jeder Laser Instabilitäten des Modes.
Besonders gilt dies für Leistungslaser, bei denen die optischen
Bauelemente starken thermischen Belastungen ausgesetzt sind.
4. Üblicherweise versucht man mit mechanischen und
thermischen Mitteln den Laser passiv zu stabilisieren, so daß
eine einmal vorgenommene Justierung des Resonators auf optimalen
Mode möglichst lange bestehen bleibt.
5. Trotzdem ist eine Modenstabilität während der Aufwärmephase,
die unter Umständen Stunden dauern kann, nicht gewährleistet.
Dasselbe gilt für den Mischbetrieb mit unterschiedlich langen An-Aus-Phasen.
Auch ist die optimale Grundjustierung des Lasers über Wochen oder
Monate nicht garantiert, als Beispiel sei das Setzen der Spiegel
in ihren Fassungen erwähnt.
6. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser vom
Beginn der Aufwärmphase an ständig und automatisch auf seinen
maximalen Mode aktiv zu regeln und so Kurzzeit- und
Langzeitstabilität zu erreichen. Außerdem soll sie, unter
Verzicht auf Vorrichtungen zur passiven Stabilisierung, die
aufwendige mechanische Elemente enthält, zu leichteren und
billigeren Laserkonstruktionen führen.
7. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Vorrichtung und
Verfahren nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.1.
(Abb. 2).
Ein Meßgerät (6) ist entweder hinter dem leicht durchlässigen
Rückspiegel (5) eines Lasers angeordnet (1-3% Transmission), oder
auch vor dem Auskoppelspiegel (8) oder zwischen den Spiegeln. In
den letztgenannten beiden Fällen muß es so gestaltet sein, daß es
nur einen geringen Teil der Strahlung zu Meßzwecken nutzt, den
Großteil der Strahlung ungehindert passieren läßt.
Es dient zur Aufnahme der Intensitätsverteilung. Insbesondere das
zeitlich veränderliche Maximum der Intensität, I max (Abb. 1), muß
sich aus seinem Signal ermitteln lassen.
Das Signal des Meßgeräts wird einer Regeleinheit (7), zum
Beispiel einem programmierbaren Rechner, zugeleitet, dort
aufbereitet und abgespeichert. Nach Vergleich mit früheren
Intensitätsverteilungen wird - gegebenenfalls - die
Stellvorrichtung (1, 2, 3, 8) aktiviert, bis der optimale Mode
wiederhergestellt ist. Das Programm des Rechners ist angepaßt
dem thermischen Verhalten des Lasertyps, seinen Zeitkonstanten
und kann u. U. lernfähig gestaltet sein. Durch tastende
Bewegungen der Stellelemente und "Suchläufe" wird der Laser auf
absolute
Modenmaxima geführt.
8.1. Leistungslaser weisen verstärkt thermische Instabilitäten
auf, die sich bevorzugt in Laserlängsrichtung auswirken. In
diesem Fall ist es angebracht, die Stellvorrichtung nach Anspruch
1.2. und 2.2. zu konstruieren (siehe Abb. 3).
Hier sind drei Aktuatoren (1, 2, 3) an den Eckpunkten eines
gleichseitigen Dreiecks auf einem Teilkreis um den
Durchstoßungspunkt der Laserlängsachse am Spiegelhalter (8)
montiert und werden mittels Federn o. ä. gegen ein Widerlager (10)
gedrückt.
Der Vorteil dieser Stellvorrichtung besteht darin, daß durch
gleichzeitiges sowie gleichsinniges Bewegen der drei Aktuatoren
bzw. Motore der Spiegelhalter (8) und damit der an ihm befestigte
Spiegel (4), Bewegungen ausschließlich in Richtung der
Laserlängsachse (12) ausführen kann. So lassen sich
Längenänderungen des Resonators über ein Vielfaches der
Laserwellenlänge abfangen, ohne daß dadurch die Winkeljustage der
Spiegel verändert werden muß.
Diese wird gegebenenfalls vorgenommen, indem die Motoren
gegeneinander bewegt werden; Motor (1) mit Motor (2) gegen den
Motor (3) kippt den Spiegel um die Querachse (13), Motor (1)
gegen Motor (2) bei stehendem Motor (3) schwenkt den Spiegel um
die Hochachse (14).
8.2. Eine besonders einfache Bauform des Meßgeräts (6) ergibt sich
aus dem Anspruch 3.1. (Abb. 4).
Diese macht sich die Erkenntnis zunutze, daß das Maximum der
Strahlintensität, I max, eindeutig und besonders empfindlich auf
Änderungen des Modes, respektive Dejustierungen des Resonators
reagiert, es folglich sinnvoll ist, die übrigen Strahlanteile
einfach auszublenden und allein die Zone des Strahls mit höchster
Intensität zu messen.
So gewinnt man den Mittelwert der Strahlintensität dieser Zone,
und wählt man die Blendenöffnung (18) klein genug, so entspricht
er mit guter Näherung dem tatsächlichen Maximum, I max. Die
Übereinstimmung ist um so besser, je kleiner die Blendenöffnung
gewählt wird, und je besser sie der Zone höchster Intensität
angepaßt ist.
Für Laser mit gaußförmiger Verteilung (TEM00) ist eine günstige
Blendenform eine Lochblende auf der Strahlachse mit einem
Durchmesser der klein gegen dem Laserdurchmesser ist (Abb. 5).
Für Laser mit ringförmigem Mode, TEM10, ist eine günstige
Blendenform ein schmaler Ringspalt um das Zentrum des Strahls mit
geringerer Intensität.
8.3. Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei der Verwendung eines
Meßgeräts nach Anspruch 3.1. daraus, daß die Lage der
Blendenöffnung fixiert ist. Da die Resonatorstabilisierung auf
maximales I max hinter dieser feststehenden Blende regelt, so ist
gleichzeitig eine stabile Lage des werkstückseitigen Fokus die
Folge.
8.4. In Abb. 6 ist eine Blende nach Anspruch 3.3. gezeigt. Diese
ist in erster Linie für Laser mit TEM00 Mode geeignet.
Durch die mittlere Öffnung der Blende wird der Strahlanteil mit
höchster Intensität ausgeblendet und über den Miniaturspiegel
(18) auf den Detektor (16) geworfen. Der zusätzliche ringförmige
Spalt läßt einen Teil des Strahls aus der Zone mittlerer
Intensität passieren (vgl. Abb. 1) und auf einen weiteren
Detektor (17) fallen. Die Intensität dieser Zone ist nur in
geringem Maße von der Modenform abhängig. Durch Vergleich des
Signals von Detektor (16) mit Detektor (17) läßt sich ein
empfindliches Regelsignal für den Resonatorzustand gewinnen,
unabhängig von weiteren Betriebsparametern des Lasers. Das ist von
Bedeutung bei Mischbetrieb des Lasers, wo die aktive
Resonatorstabilisierung auch funktionieren soll, wenn die
Leistung des Lasers durch Variation der Betriebsparameter
(Entladungsstrom, Gaszusammensetzung bei CO₂-Lasern) ständig
verändert wird.
Durch geeignete elektronische Schaltung ist bei den Meßgeräten
sicherzustellen, daß die Drift der Detektoren kompensiert wird.
Claims (7)
1.1. Vorrichtung und Verfahren zur aktiven Stabilisierung von
Laser-Resonatoren,
- - gekennzeichnet durch eine Stellvorrichtung an
mindestens einem oder beiden Resonatorspiegel(n) (1, 2, 3, 8),
sowie ein Meßgerät (6), das die Intensitätsverteilung des Lasers mißt,
sowie eine Regeleinheit (7), beispielsweise ein programmgesteuerter Rechner, die die Signale des Meßgeräts auswertet und den Resonator mittels der Stelleinrichtung ständig auf optimale Intensitätsverteilung regelt.
1.2. Aktive Stabilisierung nach Anspruch 1.1.
- - gekennzeichnet durch eine Stellvorrichtung, die reine Längenänderungen des Resonators über ein Vielfaches der Laserwellenlänge ermöglicht und getrennt davon den Resonatorspiegel (4) um zwei Achsen kippen läßt, die senkrecht aufeinander und zur optischen Achse des Lasers (12) stehen.
2.1. Eine Stellvorrichtung für Resonatorspiegel,
- - gekennzeichnet durch eine Spiegelhalterung, bei der drei Akkuatoren so angeordnet sind, daß sie die Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks auf dem Spiegelhalter (8) bilden.
2.2. Eine Stellvorrichtung nach Anspruch 2.1.,
- - gekennzeichnet dadurch, daß die Bewegung mittels Mikrometerschrauben und Schrittmotore und/oder Piezostellelementen erfolgt.
3.1. Ein Meßgerät zur Messung der maximalen örtlichen Strahlintensität
eines Lasers an einem beliebigen Ort des Strahls,
- - gekennzeichnet durch eine feststehende Blende (15), deren Aussparung (18) der Modenform (= Intensitätsverteilung) des Lasers entsprechend gewählt wird, so daß nur ein kleiner Teil des Strahls aus der Zone höchster Intensität die Blende passiert und dahinter auf einen Detektor (16) fällt.
3.2. Ein Meßgerät nach Anspruch 3.1.,
- - gekennzeichnet durch Auswechselbarkeit der Blenden,
- - gekennzeichnet durch eine Lochblende für TEM00-Laser (15 a),
- - gekennzeichnet durch eine schmale Ringblende für TEM01-Laser (15 b).
3.3. Ein Meßgerät nach Anspruch 3.1.,
- - gekennzeichnet durch eine Blende mit einer oder mehreren zusätzlichen Aussparungen in Zonen geringerer Strahlintensität (15 c) und getrennter Messung der sie passierenden Strahlung mit separatem Detektor (17).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893904421 DE3904421A1 (de) | 1989-02-14 | 1989-02-14 | Aktive stabilisierung von laser-resonatoren |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893904421 DE3904421A1 (de) | 1989-02-14 | 1989-02-14 | Aktive stabilisierung von laser-resonatoren |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3904421A1 true DE3904421A1 (de) | 1990-08-23 |
DE3904421C2 DE3904421C2 (de) | 1992-06-11 |
Family
ID=6374063
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19893904421 Granted DE3904421A1 (de) | 1989-02-14 | 1989-02-14 | Aktive stabilisierung von laser-resonatoren |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3904421A1 (de) |
Cited By (1)
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- 1989-02-14 DE DE19893904421 patent/DE3904421A1/de active Granted
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE3904421C2 (de) | 1992-06-11 |
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