DE3904421A1

DE3904421A1 - Aktive stabilisierung von laser-resonatoren

Info

Publication number: DE3904421A1
Application number: DE19893904421
Authority: DE
Inventors: Eckhard Lessmueller; Peter Dr Arnold
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-02-14
Filing date: 1989-02-14
Publication date: 1990-08-23
Also published as: DE3904421C2

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.

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

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).