EP2810345A1 - Co2-laser mit schneller leistungssteuerung - Google Patents

Co2-laser mit schneller leistungssteuerung

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Publication number
EP2810345A1
EP2810345A1 EP13712472.3A EP13712472A EP2810345A1 EP 2810345 A1 EP2810345 A1 EP 2810345A1 EP 13712472 A EP13712472 A EP 13712472A EP 2810345 A1 EP2810345 A1 EP 2810345A1
Authority
EP
European Patent Office
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laser
resonator
power
radiation
workpiece
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13712472.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gisbert Staupendahl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Feha Lasertec GmbH
Original Assignee
IAI Industrial Systems BV
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Filing date
Publication date
Application filed by IAI Industrial Systems BV filed Critical IAI Industrial Systems BV
Publication of EP2810345A1 publication Critical patent/EP2810345A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/121—Q-switching using intracavity mechanical devices

Definitions

  • Modern solid-state laser systems (diode-pumped Nd: YAG lasers, disk lasers, fiber lasers, Ti: sapphire lasers, etc.) are characterized by wide-ranging variable pulsability (from 100 fs over ps and ns to the ts range), but are in view on the costs and above all the long-term experience in the industrial employment still far behind the C0 2 -Laser back.
  • Jump means several aspects: a) The applications that were previously realized with the C0 2 laser could be carried out even more efficiently. b) Numerous applications previously reserved for other laser types (eg precision drilling and cutting of copper and aluminum and other metals whose processing is linked to special pulse parameters - called titanium) or completely new applications could be achieved with such a C0 2 laser realize. c) The flexibility of the system would be extremely high, as it could handle a wide variety of tasks which, in the current state of the art, would be linked to different types of lasers. Here is the overall efficiency in the production, for example one
  • the C0 2 laser is available for a wide variety of Q-switching types with power up to one
  • Infrared by 1 ⁇ a variety of excellent suitable optical materials, e.g. Crystals or glasses, which are u.a. due to low absorption, high
  • a general problem is the limited radiation load capacity, whereby not primarily the destruction of the component by too high
  • the interference - decoupling element in the range of higher average power to the power sensitivity of the crucial component, the interference - decoupling element.
  • Pulse peak power relative to the cw power of the laser with a very high pulse repetition rate The problem of radiation exposure is not solved here either. Because of the significantly better optical properties of Ge compared to CdTe, the Q-switching of C0 2 lasers by means of acousto-optic modulators based on Ge is of interest. In DE 112008001338 T5 such a laser is described. Special arrangements in the
  • the aim of the arrangement according to the invention is to C0 2 laser conventional design, especially lasers used in material processing such as slow or fast lijnsgeströmte systems, but also those with stationary gas filling to modify so that completely novel ways of fast
  • Radiation pulses result, which are characterized by a very wide range of parameters, in particular on the one hand the timing down to the ns range and on the other hand, a power range, with peak pulse powers up to the order of 100 kW and in the average power up to the kW range.
  • a beam through the polarization beam splitter is not kinked only if its two major surfaces are exactly orthogonal to the beam.
  • angled polarization beam splitter is a twofold bend of the beam, wherein the beam path on the two sides (exit or entrance) is parallel to each other.
  • Pressure range to a maximum of about 0.1 bar, so that cw operation is possible by appropriate pumping power, and with respect to conventional C0 2 laser resonators, which by a highly reflective end mirror on the one and a decoupling element at the other end of the active medium are modified
  • a resonator characterized in that between the one end of the active medium and a first resonator end mirror of high reflectivity, which is preferably greater than 99%, a ⁇ / 4 phase shifter and between the other end of the active medium and a second Resonatorendador high reflectivity , which is also preferably greater than 99%, a polarization beam splitter is arranged and the
  • Polarization beam splitter one from the direction of the active medium impinging on him beam with any
  • Polarization divides into a linearly polarized outcoupling beam of power P A and a
  • the ⁇ / 4 phase shifter or the polarization beam splitter are rotatably mounted around the resonator axis, so that by setting a freely selectable angle ⁇ between a characteristic axis of the ⁇ / 4 phase shifter, which is perpendicular to the resonator axis , and a characteristic axis of the polarization beam splitter which is also perpendicular to the resonator axis, any desired power ratio P A / PR
  • Resonatorendspiegel ie in the feedback branch of
  • Resonator elements for beam shaping, in particular
  • the active medium can only in the area between the first Resonatorendapt and the
  • the electrodes are typically electrical electrodes.
  • the polarization beam splitter may be a ZnSe-based thin film polarizer arranged at Brewster angle a B to the resonator axis 11.
  • In the feedback branch of the resonator can be a
  • In the feedback branch of the resonator can be a
  • a telescope preferably of Galilei type, be arranged for adjusting the beam diameter D to the free opening d of the acousto-optic modulator, wherein the ratio D / d is preferably between 1.2 and 5, and that two absorbers intercept the beam components, which are bent out of the resonator beam path when a switching voltage is applied to the acousto-optic modulator.
  • acousto-optic modulator diffracted beam can be reflected from the second Resonatorendspiegel and as
  • Interference laser radiation modulator so be arranged at a small angle ⁇ its optical axis to the direction of the Wegzukoppelnden beam that reflected by him radiation components from the
  • the feedback branch of the resonator can optionally
  • Prisms preferably Doppelbrewster prisms of ZnSe or NaCl, or interference filters are used as wavelength-selective elements.
  • the resonator can be a Kepler-type telescope with intermediate focus and a
  • the second resonator end mirror may be a preferably fast tilt mirror and, between the latter and the polarization beam splitter, optionally a telescope, preferably of the Galilean type, for adapting the
  • Beam diameter D be arranged at the free opening d of the fast tilting mirror, wherein the ratio D / d is preferably between 1.2 and 10.
  • Power modulation elements can be either Galilei or Kepler telescopes in lens design or Galilei regarding. Kepler telescopes in mirror design or
  • Combinations of a collective lens or a Be collecting mirror with a second Resonatorendspiegel be suitable curvature.
  • the laser can be forced to work on a fixed, but freely selectable line of the rotational oscillation spectrum of the C0 2 laser in the range 9 ⁇ ⁇ ⁇ 11 ⁇ , the properties of the other optical elements of the laser , in particular the ⁇ / 4 phase shifter and the polarization beam splitter, adapted to this selected line.
  • All listed optical elements can be accommodated in a common vacuum-tight enclosure and the beam to be coupled out through a window of transparent material, preferably of ZnSe leaves the laser.
  • a material processing system can in the beam path between the laser output and the
  • the transmitted beam runs as a power-regulated beam in the direction of the workpiece and the reflected beam optionally one
  • Absorber / detector for destruction or for on-line measurement is supplied.
  • an acousto-optic modulator can be integrated with the proviso that the deflected beam as a power-regulated beam in the direction of workpiece (33) runs, while the non-deflected beam either an absorber / detector for destruction or on- line measurement is supplied, optionally between the
  • Modulator Elements for beam shaping e.g. a telescope and / or a special aperture, optionally arranged.
  • the basic idea of the solution according to the invention consists in modifying the usually used basic structure of the laser resonator with a 100% level at the one and the decoupling element at the other end of the system so that the resonator is subdivided into a high-power branch, which i.a. is formed by the active medium and a special decoupling element, and in a low-power feedback branch, u.a the
  • Feedback branch is a polarization beam splitter.
  • a thin film polarizer (TFP) based on ZnSe can be used for this purpose.
  • the latter is characterized in that the TFP is brought into the beam path at the Brewster angle a B and, as a result of the special coating, an incident beam of power P 0 is split so that its portion of the power P p polarized parallel to the plane of incidence of the TFP is fully transmitted and its polarized perpendicular to the plane of incidence
  • the TFP will be around in the place of the usual
  • Auskoppelspiegels positioned and also serves in the laser according to the invention as a decoupling element, ie either the TFP reflected or the transmitted beam is coupled out and leaves the resonator.
  • the other sub-beam is used for the resonator feedback, which is achieved, for example, by an adjustable 100% mirror, which sends the beam back into itself can be.
  • the beam path between this mirror and the TFP forms the said low-power feedback branch, in which any elements for the power control of the laser can be arranged.
  • a second central idea of the invention is devoted to the problem of how the power ratio P p / P s can be set as flexibly as possible, so that the laser modified in each case according to the invention corresponds to the gain of its active medium in accordance with its basic properties, in particular its performance the respective desired goal of the novel to be achieved
  • Parameter in particular special pulse parameters, is adjustable to the optimum. This is achieved by the targeted influencing of the polarization properties of the radiation generated in the laser by "at the other end" of the resonator, in front of the existing end mirror with about 100% reflectivity, a device with a phase shift of ⁇ / 4 per passage is arranged. For high-performance C0 2 laser one will be doing in the
  • each of these two beams can be considered a laser beam
  • the laser is to be operated without additional elements for power modulation, i. the beam transmitted at the TFP falls directly on the second 100% end mirror S2, where it is exactly in itself
  • Forming the known axial mode structure leads.
  • the two waves are also linear in the laser according to the invention, but polarized perpendicular to each other, so that no interference and thus no axial mode structure occurs.
  • the laser according to the invention has a very simple and flexible at the same time
  • the ⁇ / 4 phase shifter is rotatable about its beam axis, which in this case is the axis of the beam incident thereon from the direction of the active medium.
  • the phase shifter is rotated against its "ideal" position, no linear, but a more or less elliptically polarized one runs
  • the main application of the C0 2 laser according to the invention are applications requiring a fast
  • Interference laser radiation modulators the simple chopper disk and fast oscillating
  • EOM electro-optical modulators
  • Pulse repetition frequency off While in the visible and near infrared spectral range, many very suitable crystals for electro-optical
  • Wavelength range of C0 2 laser practically limited exclusively to commercially available CdTe modulators.
  • CdTe modulators By their compared to ZnSe substantially less favorable optical properties, in particular their relatively high absorption, these modulators
  • the laser according to the invention offers here by its special
  • Beam diameter e.g. with help of a
  • the switching or modulation function then runs as follows.
  • Resonator beam path out and intercepted by an absorber i. the feedback goes to zero. Radiation generation stops at the moment that it generates
  • AOM acousto-optic modulators
  • Modulators based on the acousto-optic effect are usually made of crystals for C0 2 lasers. These are, as well as CdTe, in their allowable load capacity, which is given by the requirement that the beam path in the resonator must remain largely unaffected even with changing loads, for example, when varying the laser power, significantly limited. 100 W / cm 2 should not be exceeded.
  • the principle of the laser according to the invention provides the way out. Since AOM is limited in its free opening analogous to the EOM, the basic structure is described in a) similar, ie a telescope is used and to the position of the EOM comes the AOM. The free laser function is typically given again for the stress-free AOM. The shutdown of the laser, so the reduction of the feedback below the threshold, can be achieved by
  • Modulation frequencies in the MHz range can be realized.
  • Advantages of the AOM use are u.a. the higher robustness and optical homogeneity of Ge compared to CdTe, the lower
  • Modulators of this type are based on the principle of the Fabry-Perot interferometer (FPI) and are typically equipped with two ZnSe plates as optically active elements. Because of the very favorable features of ZnSe and its great Range of application in C0 2 laser technology offers ILM the advantage that on the one hand they can be easily adapted to the intracavity beam diameter, so that in general no additional telescopes are required, and on the other hand the radiation load capacity is significantly higher than for CdTe and Ge. As a result, with such modulators and multi-kW laser of
  • ILMs operate as variable beam splitters, i.
  • the incident laser power becomes practical
  • Pulse repetition frequencies up to the order of 10 Hz. Since ILM modulators can be loaded with up to several 100 W, average laser output powers of several kW can be achieved.
  • Invention can also be simple mechanical
  • Tilting mirror be used advantageously.
  • a Kepler telescope with a sharp intermediate focus can be placed in the feedback branch, and at this point, this focus can be switched by means of a rapidly rotating perforated or slotted disk in short times in the ⁇ range, depending on the number and arrangement of the free openings on the disk and Their rotational speed can be a very efficient implementation of the available average power of the laser in pulse with high power increase at
  • Pulse repetition frequencies up to several 10 kHz and typical pulse durations in the ⁇ range can be achieved. Again, the low affects
  • Radiation intensity in the feedback branch favorable: When generating powerful pulses, the switching edges of the rotating Disc exposed to high intensities, which in conventional lasers can lead to Abtragsreaen and thus a relatively rapid destruction of the sharp switching edges, while this is avoided in the laser according to the invention.
  • the laser according to the invention due to its special resonator structure a very specific mode of operation -
  • Start radiation beam starts at the end of the active medium, which is at the TFP, and moves towards the interior of the active medium, ie in the direction of the ⁇ / 4 phase shifter.
  • the bundle is amplified, its unpolarized state, which is typical of the spontaneously emitted start radiation beam, remains practically preserved.
  • This also changes the path section phase shifter - 100% end mirror - phase shifter nothing, because here all radiation components are rotated equally by 90 °, so the bundle remains unpolarized.
  • After further amplification during the second pass through the active medium it now strikes the TFP and is essentially split into two equally strong sub-beams, which are polarized linearly but perpendicular to one another. One of them is decoupled, the other fed back. The latter now runs again in the direction of ⁇ / 4 phase shifter through the active medium, but is significantly modified in its properties compared to the start radiation beam: First, it is linearly polarized and has secondly through induced emission already a much higher
  • Resonator it is further amplified and - which is crucial for the self-oscillation - at
  • Pulse repetition frequency f imp of fimp c / 4L, where c is the speed of light. For typical resonator lengths of several meters arise
  • Pulse repetition frequencies in the order of 10 MHz.
  • the prerequisite is that the population inversion in the active medium by the quadruple passage of the
  • the C0 2 laser according to the invention offers a further attractive advantage in practical use in one
  • metals are processed, which reflect or scatter a significant portion of the incident radiation. Since this radiation is usually directed by the focusing element very well in parallel back towards the laser and through the
  • Decoupling element can penetrate into the resonator, the intracavity radiation generation is significantly disturbed, resulting in a deterioration of the
  • Laser radiation passes in the direction of the workpiece, but absorbs returning portions.
  • the effect of the ATFR mirror is inherent in the laser in the form of the polarization beam splitter.
  • the beam leaves the laser linearly polarized. Passing twice on a ⁇ / 4-phase retarder mirror on the way to and from the workpiece, its polarization plane is rotated by 90 °, so it is automatically on impact with the polarization beam splitter from the
  • Resonator beam path is deflected and can be intercepted by an absorber.
  • temperature-sensitive component itself absorbed, but deflected out of the beam path in the desired manner and fed to a suitable absorber.
  • Laser power vary. Usually this is done via an intervention in the laser process itself, i.a. via a variation of the pump energy supply. However, this will affect the beam quality, i. the K-number changes with the retrieved performance, resulting in a reduced processing quality.
  • external modulators which, while maintaining the beam quality, are a variation of the
  • the laser according to the invention has for a certain selected parameter set, e.g. Pulse duration,
  • acousto-optic and interference laser radiation modulators which can each be placed in the vicinity of the laser output and further beam shaping measures, if necessary, z, B.
  • the above-discussed radiation decoupling Läse - workpiece do not disturb.
  • the AOM it is convenient to use the diffracted beam as a processing beam, since it can be regulated in its power from 0 to the maximum value.
  • the undeflected portion can either be destroyed by an absorber or, for example, be supplied to a detector for on-line control of the laser power.
  • beam-shaping elements are provided for optimally adapting the radiation field coming from the laser to the modulator.
  • the ILM can be integrated into the beam path without such additional elements, since the free diameter of the interferometer plates can easily be adapted to the laser radiation.
  • the FPN plates made of ZnSe can be loaded with several hundred watts of radiant power, without a deterioration of the beam quality in the transmitted beam, which will typically be used as a processing beam occurs.
  • the unused reflected portion can either be destroyed by an absorber or used for on-line control.
  • FIG. 1 Schematic representation of the C0 2 laser according to the
  • FIG. 2 Basic arrangement of a ⁇ / phase retarder mirror (PRS) as ⁇ / phase shifter
  • PRS phase retarder mirror
  • FIG. 3 The Functioning of a ZnSe-based Thin-Film Polarizer (TFP)
  • Figure 8 arrangement variant for fast
  • FIG. 9 Arrangement variant for pulse generation by means of
  • Chopper disk Figure 10 Arrangement variant for pulse generation by means of
  • FIG. 11 Radiation decoupling laser - workpiece
  • FIG. 12 For external power control of the
  • FIG. 13 Vacuum-tight enclosure at the coupling-out end of the
  • FIG. 1 shows in a highly schematic manner the basic structure of the C0 2 laser according to the invention. It does not play at first Role, which concrete geometrical conditions, in particular with regard to the active medium 1,
  • the resonator is terminated at both ends by a highly reflective mirror 3 and 4 respectively.
  • the resonator is transformed into a high power branch, which i.a. contains the active medium 1, and the feedback branch 14, which is characterized by relatively low power divided. This desired division is made by the
  • End mirror 4 again the polarization beam splitter 5, is amplified in the active medium 1 and passes through the ⁇ / 4 phase shifter 2. Depending on which angle ⁇ now
  • Polarization beam splitter 5 and a characteristic axis 12 of the ⁇ / 4 phase shifter 2 has been set, this can change the polarization state of the incident linearly vertically polarized wave. In the first special case it remains unchanged, in the second special case it will be circular, in the general case elliptical.
  • low power can now different elements for beam shaping 15, in particular elements for fast Power modulation and / or wavelength selection and, for example, suitable spatial filter to ensure the high beam quality of the laser to be integrated.
  • elements for beam shaping 15 in particular elements for fast Power modulation and / or wavelength selection and, for example, suitable spatial filter to ensure the high beam quality of the laser to be integrated.
  • FIG. 2 A favorable practical solution for the ⁇ / phase shifter 2 is illustrated in FIG. 2, namely the use of a ⁇ / 4-phase retarder mirror (PRS) 16. These mirrors are also suitable for high powers in the kW range.
  • PRS 4-phase retarder mirror
  • adjustable end mirror 3 the right image the possibility of rotation of this unit about the resonator axis 11.
  • the relative arrangement of the components must be chosen so that the angle ß both between the resonator axis 11 and the
  • Polarization reflects, so runs virtually unchanged back into the active medium. However, as shown in the picture on the right, rotate the unit by an angle ⁇
  • a decisive feature of the laser according to the invention is that, by means of the described unit, linearly polarized radiation emerging from the active medium (for example perpendicularly polarized as in FIG.
  • a thin film polarizer (TFP) 17 based on ZnSe is suitable for C0 2 lasers. Its operation is illustrated in FIG. 3.
  • a specially coated ZnSe plate is brought into the beam path at the Brewster angle a B and divides an incident beam of arbitrary polarization into a transmitted beam which is incident in the beam path
  • the TFP 17 now allows the division according to the invention of a beam 6 coming from the direction of the active medium into a powerful beam 7 to be coupled out (power P A ) and a relatively low-power backfeed
  • Beam forming which can be integrated into the feedback branch 14, is extremely low. As already described, this ratio can easily be over the
  • Angle ⁇ can be set and optimized.
  • the beam splitting at the TFP 17 can in principle be done in two ways. Either one disengages the reflected beam and uses the transmitted to the feedback or vice versa. Both variants have advantages and disadvantages, which result mainly from two properties of the TFP 17: First, the absorption for the p-component is much higher than for the s-component of the radiation and, secondly, as shown in FIG. 3, the reflectivity strongly dependent on the wavelength for the p-component.
  • the reflected beam and the transmitted one are now coupled back, one has the two advantages of firstly reflecting the strong power component as the s-component at the front side of the TFP 17 and only minimal absorption losses, and secondly the ⁇ -dependence of the transmitted one and for the Feedback competent p-component even for the laser has a function-stabilizing effect.
  • a certain disadvantage is the double passage of the back-coupling beam as a p-component, ie at a relatively high level
  • Avoidance of the oscillation unwanted laser lines makes an additional wavelength selection in the feedback path 14 is required.
  • the latter variant is shown in FIG. 4 with a grating mirror 25 as a wavelength-selective element.
  • FIG. 5 a illustrates the most important case with the TFP 17 as a beam splitter and elements 15 for power modulation in the feedback branch 14 as well as the typical polarization ratios.
  • the returning beam 43 with linearly perpendicular polarization 9 is at the ⁇ / -phase slider 2 at the first pass in radiation with weakly elliptical polarization 46 and after reflection at the end mirror 3 at the second pass in radiation with highly elliptical polarization 47th
  • FIGS. 5b) and c) illustrate the special case of self-oscillation.
  • Phase shifter 2 which is set exactly (via the angle ⁇ ), that the bundle after the first round has exactly circular polarization 49 and therefore after
  • Radiation bundle 7 depends complex on the laser parameters and can be determined only by solving the balance equations or of course experimentally.
  • FIGS. 6 to 10 show characteristic examples.
  • an EOM 18 is first inserted into the feedback branch 14 of the resonator.
  • Switching crystals e.g. from CdTe, which require high switching voltages and in their optical
  • the laser according to the invention offers significant advantages, solve the mentioned problems.
  • FIG. 7 shows a similar arrangement, but with AOM 19. Since the switching speed depends, inter alia, on the free diameter d (small d-high switching speed), these modulators are generally only available with d ⁇ 10 mm, so that in most cases the integration of a telescope Galilei type 22 is required. Since germanium, which is used as an acousto-optic crystal in C0 2 lasers, also reacts relatively sensitively to high intensities, the low power is again in the
  • FIG. 7 shows two variants of the AOM insert.
  • the feedback ie the state in which the laser operates, takes place via the directly from the AOM 19 without
  • Control signal in the direction of end mirror 4 transmitted beam When applying a control signal, so the
  • the laser can be brought below its threshold and thus completely switched off - cleaner
  • the beam 29 diffracted by the modulator upon application of a control signal is used for the feedback.
  • control signal 0 also the feedback becomes 0, thus the laser is switched off.
  • lasers with a very high gain can be used, even for very small ones
  • Wavelength selectivity inherent in the diffraction process So may, if necessary, to others
  • Wavelength-selective elements are omitted in the resonator beam path.
  • Wavelength-selective elements are omitted in the resonator beam path.
  • FIG. 8 illustrates the use of ILM 20 for rapid power control of the C0 2 laser according to the invention.
  • Overcosting beam 8 is not "chopped" at its original diameter, but in the intermediate focus of a Kepler-type telescope 23rd
  • Feedback branch 14 is in this system is that despite the sharp focus in the telescope even when generating very powerful pulses at the switching edge no sparking and thus no material removal takes place, which would greatly reduce the life of the chopper wheel 21.
  • FIG. 10 illustrates, in order to show how the lens-based telescopes can be replaced by mirror versions, a Galilean telescope consisting of a concave mirror 50 and a curving mirror 51 is used here. That through this telescope in his
  • Diameter reduced beam 8 hits the tilting mirror 52, which replaces the end mirror 4.
  • Pulse repetition frequencies are in the order of 10 4 Hz. Since this pulse repetition frequency depends on the mass of the tilting mirror 52 and thus its diameter, the reduction of the bundle diameter makes sense. Again, the low power in the feedback path 14 is extremely advantageous because very small mirror diameter in the order mm and thus very high pulse repetition frequencies without risk
  • Polarization beam splitter in Figure 11 so the TFP 17, can automatically fulfill. After passing through the external ⁇ / 4-phase shifter 34 twice that is from the
  • FIG. 12 illustrates two possibilities that can be used in conjunction with the C0 2 laser according to the invention.
  • FIG. 12a shows the use of an ILM 54 for external power modulation.
  • the beam 35 coming from the laser is split by the ILM 54 into the power-regulated transmitted beam 59, which is fed to the workpiece 33, and into the reflected beam 58, with the remaining power.
  • the latter is in the component 55, the optional one
  • Absorber or a radiation detector can be either destroyed or used for on-line monitoring.
  • ILM in its relatively high radiation load capacity, but the modulation speed is limited to typical times in the range 10 to 100 ⁇ .
  • the achievable maximum-minimum modulation range of the power depends on the interferometer plates used. Allow typical ILM models Attenuation of the laser beam 35 by factors between 10 and 100.
  • the i.a. optical elements for beam shaping 56 e.g. a telescope for adjusting the beam diameter and a special aperture for securing the beam quality
  • the diffracted beam is supplied to the workpiece 33 as a power-regulated beam 59.
  • the residual beam 58 is selectively destroyed or measured again in an absorber / detector 55.
  • Another advantage of this arrangement is the fact that the beam 59 can be attenuated as much as desired, in the minimum to 0 W.
  • the controllable power is limited.
  • FIG. 13 shows in a highly schematized form a factor which is important for the practical realization of the C0 2 laser according to the invention.
  • the entire system should be housed in a vacuum-tight enclosure 31.
  • FIG. 12 shows this for the laser end with the
  • the outgoing beam 7 leaves the laser through the window 32 of transparent material, preferably of ZnSe.
  • the elements at the other end of the resonator, ie the ⁇ / 4-phase retarder mirror 16 and the end mirror 3 are to be included in the enclosure.
  • the entire vacuum-tight enclosure 31 can be connected to the volume of the active medium 1.
  • EOM Electro-Optical Modulator

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein CO2-Laser, der eine schnelle Leistungsmodulation, insbesondere eine hocheffiziente Güteschaltung ermöglicht. Kerngedanke ist dabei die Unterteilung des Resonators in einen Hochleistungszweig, der u.a. das aktive Medium (1) enthält, sowie einen Niederleistungs-Rückkoppelzweig (14), in dem die leistungsempfindlichen Elemente zur Strahlformung, insbesondere die Modulatoren, angeordnet sind. Ermöglicht wird dies durch eine geeignete Anordnung eines Polarisationsstrahlteilers (5) und eines lambda/4-Phasenschiebers (2). Die freie Einstellbarkeit eines Winkels phi zwischen diesen beiden Bauelementen gestattet die außerordentlich flexible Realisierung verschiedener Betriebsarten, insbesondere die Optimierung des Rückkoppelgrades bei der Impulserzeugung.

Description

C02-Laser mit schneller Leistungssteuerung
Für die Feinbearbeitung (Präzisionsbearbeitung)
unterschiedlichster Materialien mit Lasern wird in der weitaus größten Zahl der Anwendungsfälle gepulste
Strahlung eingesetzt. Das betrifft alle typischen
Materialbearbeitungslaser gleichermaßen. Anwendungsfälle sind z.B. das Schneiden, Bohren und der definierte
Materialabtrag von Metallen, Keramiken, Kunststoffen usw.
Moderne Festkörperlasersysteme (diodengepumpte Nd:YAG- Laser, Scheibenlaser, Faserlaser, Ti : Saphir-Laser u.a.) zeichnen sich durch in weiten Grenzen variable Pulsbarkeit aus (von 100 fs über ps und ns bis in den ts-Bereich) , liegen aber im Hinblick auf die Kosten und vor allem die langjährige Erfahrung im industriellen Einsatz noch wesentlich hinter dem C02-Laser zurück. Ein wesentlicher prinzipieller Nachteil aller bisher zur Verfügung
stehenden kommerziellen, für die Materialbearbeitung geeigneten C02-Laser ist jedoch ihre begrenzte schnelle LeistungsSteuerung und damit verbunden ihre begrenzte Pulsbarkeit. Grenzen sind vor allem dann gesetzt, wenn es darum geht, bei C02 -Hochleistungslasern mit beispielsweise cw-Ausgangsleistungen im kW-Bereich letztere möglichst effektiv in gepulste Strahlung umzusetzen. Nach wie vor gibt es keinen kommerziellen C02-Laser, der bei hoher mittlerer Leistung gepulste Strahlung abgibt mit Impulsen, die quasi-gütegeschaltete Eigenschaften haben, also
Leistungsüberhöhungen von mindestens einem Faktor 10 gegenüber der cw-Leistung bei Impulslängen im ns- und μβ- Bereich, wobei als zusätzliche Forderungen zu erfüllen sind, dass die für die meisten C02-Laser typische, relativ gute K-Zahl (mindestens 0,6) weitgehend erhalten bleibt und eine effektive Umsetzung der potentiell zur Verfügung stehenden Leistung (cw) in mittlere Leistung des gepulsten Systems realisierbar ist.
Die Ausrüstung einer Materialbearbeitungsanlage mit einem solchen C02-Laser würde einen großen technologischen
Sprung bedeuten unter mehreren Aspekten: a) Die bisher mit dem C02-Laser realisierten Anwendungen ließen sich noch effizienter durchführen. b) Zahlreiche, bisher anderen Lasertypen vorbehaltene Applikationen (z.B. das Präzisionsbohren und -schneiden von Kupfer und Aluminium und anderen Metallen, deren Bearbeitung an spezielle Impulsparameter gebunden ist - genannt sei Titan) bzw. völlig neue Anwendungen ließen sich mit einem solchen C02-Laser realisieren. c) Die Flexibilität der Anlage wäre außerordentlich hoch, da an ihr unterschiedlichste Aufgaben bearbeitet werden könnten, die beim gegenwärtigen technischen Stand an verschiedene Lasertypen gebunden wären. Hier ist wieder die Gesamteffizienz bei der Fertigung z.B. eines
komplizierten Bauteils mit feinen Bohrungen, schwierigen Schnittkonturen u.ä. zu nennen. Ebenso relevant ist der mögliche rasche Wechsel der Werkstoffart , z.B. von Metall zu Keramik. Der Stand der Technik kann zusammengefaßt folgendermaßen charakterisiert werden.
Wegen der sehr guten Speichereigenschaften seines aktiven Mediums ist der C02-Laser für unterschiedlichste Arten der Güteschaltung mit Leistungsüberhöhungen bis zu einem
Faktor 100 und mehr geeignet. Demzufolge wurden bereits in den ersten zwei Jahrzehnten seiner rasanten Entwicklung von der aktiven Güteschaltung mittels einfacher
Drehspiegel über elektro- und akustooptische Modulation bis hin zur passiven Güteschaltung mittels SF6 und sogar Mode Locking in C02-TEA-Lasern (siehe W . J . itteman, „The C02 Laser", Springer-Verlag 1987) zahllose Varianten untersucht. Eine breite Übersicht findet man z.B. in: SPIE Milestone Series Vol. MS 22, „Selected Papers on C02 Lasers", ed. by James D. Evans, SPIE 1990. Auf Grund dieser Tatsache erscheint es im ersten Moment
verwunderlich, dass praktisch keine dieser Methoden in C02-Lasern für die Materialbearbeitung breite Anwendung gefunden hat. Sie blieben ein interessanter Gegenstand der Grundlagenforschung bis hin zu riesigen Anlagen für
Untersuchungen zur lasergesteuerten Kernfusion, spielten aber in der industriellen Anwendung nur in Nischen eine Rolle.
Im Gegensatz dazu hat sich die simple, aber
funktionssichere und billige Methode der Pulsung von C02- Lasern über die Gasentladung durchgesetzt, die praktisch in jedem Materialbearbeitungslaser genutzt wird, obwohl sie gravierende Schwächen wie geringe Leistungsüberhöhung der erzeugten Impulse, relativ große Impulsdauern und geringe Pulsfolgefrequenzen besitzt. Demzufolge ist der für zahllose Applikationen wichtige Kurzpulsbereich (με und darunter) fast ausschließlich durch die oben genannten Festkörperlasersysteme besetzt. Die Ursache dafür liegt weniger in den Verstärkungseigenschaften des aktiven
Mediums, als vielmehr in den Wellenlängen begründet.
Während es für die Laser im Sichtbaren und im Nahen
Infrarot um 1 μπι eine Vielzahl hervorragend geeigneter optischer Materialien, z.B. Kristalle oder Gläser, gibt, die sich u.a. durch geringe Absorption, hohe
Strahlungsbelastbarkeit, große elektro- und elastooptische Konstanten und ausgezeichnete Möglichkeiten zur
Bearbeitung und Beschichtung auszeichnen, ist das
Materialspektrum bei Wellenlängen um 10 μπι stark
eingeschränkt, insbesondere wenn es um spezielle
Eigenschaften geht wie den elektrooptischen Effekt, der praktisch auf CdTe beschränkt ist, oder um gute
akustooptische Eigenschaften, die nur Ge in der
gewünschten Weise besitzt. Ein generelles Problem ist die begrenzte Strahlungsbelastbarkeit, wobei nicht in erster Linie die Zerstörung des Bauteils durch zu hohe
Intensitäten zu sehen ist, sondern die bereits weit vor der Zerstörungsschwelle auftretenden und insbesondere an das relativ hohe dn/dT (Brechzahländerung pro
Temperaturänderung) dieser Werkstoffe gebundenen optischen Effekte, die zu Deformationen der Wellenfront führen und vor allem bei Anwendungen innerhalb des Laserresonators, also z.B. bei der Güteschaltung, inakzeptabel sind, da sie eine stark leistungsabhängige Strahlqualität des Lasers zur Folge haben. Einen vielversprechenden Ansatz zur optimalen Umsetzung der potentiell in einem C02-Laser zur Verfügung stehenden Leistung in intensive Strahlungsimpulse lieferte die Auskoppelmodulation mittels Interferenz-Auskoppelelement (siehe Schindler, K.; Staupendahl, G. : „Ein neuartiger C02 -Impulslaser für die Materialbearbeitung", Jahrbuch LASER (3. Ausgabe), Hrsg. H. Kohler, Vulkan-Verlag 1993, S. 9 - 14 und DDR-Patent WP H 01 S/ 286 072 5 (1986) „Anordnung zur Wellenlängenselektion und internen
Leistungsmodulation der Strahlung von Hochleistungs-C02 - Lasern") . Auch hier scheiterte jedoch die
industrietaugliche Umsetzung in den Bereich höherer mittlerer Leistungen an der Leistungsempfindlichkeit des entscheidenden Bauteils, des Interferenz - Auskoppelelementes.
Wegen der hohen Praxisrelevanz ist die Realisierung optimal gepulster C02-Laser nach wie vor eine wichtige Zielstellung der Laserentwicklung, so dass im letzten Jahrzehnt wieder Patentschriften zu dieser Problematik erschienen sind. Im US-Patent Nr. 6,826,204 wird z.B. ein gepulster C02-Laser für die Materialbearbeitung mit einem elektrooptischen CdTe-Güteschalter beschrieben. Für das Grundproblem der möglichst geringen Strahlungsbelastung des Güteschalters bei möglichst hohen mittleren Laser- Ausgangsleistungen, die für eine effiziente
Materialbearbeitung besondere Bedeutung besitzen, gibt es in der Patentschrift keine Lösung. Ähnlich verhält es sich mit einer Folgeschrift vom gleichen Anmelder, der US 7,058,093. Hier wird das Prinzip der elektrooptischen Güteschaltung mittels CdTe-Modulator mit dem Prinzip einer speziellen Leistungsauskopplung, dem cavity dumping, verknüpft. Ziel ist hier die Erzielung von Impulszügen mit möglichst starker Überhöhung der
Impulsspitzenleistung relativ zur cw-Leistung des Lasers bei gleichzeitig sehr hoher Impulsfolgefrequenz. Das Problem der Strahlungsbelastung wird auch hier nicht gelöst . Wegen der wesentlich besseren optischen Eigenschaften von Ge im Vergleich zu CdTe ist auch die Güteschaltung von C02 -Lasern mittels akustooptischer Modulatoren auf GeBasis von Interesse. In der DE 112008001338 T5 wird ein solcher Laser beschrieben. Spezielle Vorkehrungen im
Resonatordesign zur Realisierung hoher mittlerer
Ausgangsleistungen bei gleichzeitig guter Strahlqualität zeigt die Patentschrift nicht.
Ziel der erfindungsgemäßen Anordnung ist es, C02-Laser herkömmlicher Bauart, insbesondere Laser, die in der Materialbearbeitung eingesetzt werden wie langsam oder schnell längsgeströmte Systeme, aber auch solche mit stationärer Gasfüllung, so zu modifizieren, dass sich völlig neuartige Möglichkeiten der schnellen
Leistungssteuerung, speziell der Erzeugung von
Strahlungsimpulsen, ergeben, die durch einen sehr breiten Parameterbereich charakterisiert sind, insbesondere einerseits der zeitlichen Steuerung bis hinunter in den ns -Bereich und andererseits einen Leistungsbereich, der bei Pulsspitzenleistungen bis in die Größenordnung 100 kW und in der gemittelten Leistung bis in den kW-Bereich reicht .
Gelöst wird diese Aufgabe mit den Gegenständen der
Patentansprüche .
Sofern in den Ansprüchen von einem gradlinigem oder abgeknicktem Verlauf der Resonatorachse gesprochen wird, bezieht sich dies auf die geometrische Mittenlinie in Längserstreckung des Lasers. Dies ist nicht mit dem
Strahlengang zu verwechseln, denn ein Strahl durch den Polarisationsstrahlteiler wird nur dann nicht abgeknickt, wenn seine beiden Hauptflächen exakt orthogonal zu dem Strahl stehen. Bei zum (durchlaufenden) Strahl
abgewinkeltem Polarisationsstrahlteiler erfolgt eine zweifache Abknickung des Strahls, wobei der Strahlverlauf auf den beiden Seiten (Austritt bzw. Eintritt) zueinander parallel ist. Im Einzelnen bestehen verschiedene Möglichkeiten der Ausführung und diese werden folgend als nicht- limitierenden Varianten beschrieben, wobei einige oder alle technisch sinnvollerweise miteinander kombinierbaren Merkmale miteinander kombiniert werden können.
So wird die Erfindung auch gelöst mit einem mit einem C02 Laser mit aktiven Medium im niedrigen oder mittleren
Druckbereich bis maximal ca. 0,1 bar, so dass cw-Betrieb durch entsprechende Pumpenergiezufuhr möglich ist, und mit einem gegenüber herkömmlichen C02-Laser-Resonatoren, welche durch einen hochreflektierenden Endspiegel an dem einen und ein Auskoppelelement an dem anderen Ende des aktiven Mediums charakterisiert sind, modifizierten
Resonator, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen dem einen Ende des aktiven Mediums und einem ersten Resonatorendspiegel hoher Reflektivität , welche vorzugsweise größer als 99% ist, ein λ/4 -Phasenschieber und zwischen dem anderen Ende des aktiven Mediums und einem zweiten Resonatorendspiegel hoher Reflektivität , welche ebenfalls vorzugsweise größer als 99% ist, ein Polarisationsstrahlteiler angeordnet ist und der
Polarisationsstrahlteiler einen aus Richtung des aktiven Mediums auf ihn auftreffenden Strahl mit beliebiger
Polarisation aufteilt in einen linear polarisierten auszukoppelnden Strahl der Leistung PA und einen
rückzukoppelnden Strahl der Leistung PR mit ebenfalls linearer, aber senkrecht zur Polarisation des .
auszukoppelnden Strahles stehender Polarisation, wobei der λ/4 -Phasenschieber oder der Polarisationsstrahlteiler oder beide drehbar um die Resonatorachse gelagert sind, so dass durch Einstellen eines frei wählbaren Winkels φ zwischen einer charakteristischen Achse des λ/ 4 -Phasenschiebers, die senkrecht auf der Resonatorachse steht, und einer charakteristischen Achse des Polarisationsstrahlteilers, die ebenfalls senkrecht auf der Resonatorachse steht, ein beliebiges gewünschtes Leistungsverhältnis PA/ PR
eingestellt werden kann und dass zwischen dem
Polarisationsstrahlteiler und dem zweiten
Resonatorendspiegel, also im Rückkoppelzweig des
Resonators, Elemente zur Strahlformung, insbesondere
Elemente zur schnellen Leistungsmodulation und zur Wellenlängenselektion sowie Spezialblenden angeordnet werden können.
Das aktive Medium kann ausschließlich im Bereich zwischen dem ersten Resonatorendspiegel und dem
Polarisationsstrahlteiler eingerichtet sein. Dann ist dieser Bereich mit Gasdichten Wandungen gegen andere
Bereiche des Lasers und gegen die Umgebung abgedichtet (mit Ausnahme eventueller Gaszuführ- und/oder
Gasabführleitungen) .
Die Elektroden sind typischerweise elektrische Elektroden.
Der Polarisationsstrahlteiler kann ein Dünnfilmpolarisator auf ZnSe-Basis sein, der unter dem Brewsterwinkel aB zur Resonatorachse 11 angeordnet ist.
Im Rückkoppelzweig des Resonators können Elemente zur (vorzugsweise schnellen) Leistungsmodulation, vorzugsweise elektrooptische oder akustooptische Modulatoren,
Interferenz-Laserstrahlungsmodulatoren, mechanische
Zerhacker oder (vorzugsweise schnelle) Kippspiegel
angeordnet sein. Im Rückkoppelzweig des Resonators können ein
elektrooptischer Modulator sowie zwischen letzterem und dem Polarisationsstrahlteiler ein Teleskop, vorzugsweise vom Galilei-Typ, zur Anpassung des Strahldurchmessers D an die freie Öffnung d des elektrooptischen Modulators angeordnet sein, wobei das Verhältnis D/d vorzugsweise zwischen 1,2 und 5 liegt, und dass ein Absorber (26) den zurücklaufenden und bei Anlegen einer λ/4 -Wellenspannung an den elektrooptischen Modulator in seiner Polarisation um 90° gedrehten Strahl, der vom Polarisationsstrahlteiler aus dem Resonato strahlengang herausgelenkt wird, abfängt.
Im Rückkoppelzweig des Resonators können ein
akustooptischer Modulator sowie zwischen letzterem und dem Polarisationsstrahlteiler ein Teleskop, vorzugsweise vom Galilei-Typ, zur Anpassung des Strahldurchmessers D an die freie Öffnung d des akustooptischen Modulators angeordnet sein, wobei das Verhältnis D/d vorzugsweise zwischen 1,2 und 5 liegt, und dass zwei Absorber die Strahlanteile abfangen, die bei Anlegen einer Schaltspannung an den akustooptischen Modulator aus dem Resonatorstrahlengang herausgebeugt werden.
Der bei Anlegen einer SchaltSpannung an den
akustooptischen Modulator abgebeugte Strahl kann vom zweiten Resonatorendspiegel reflektiert und als
rückzukoppelnder Strahl genutzt und der nicht abgebeugte Strahlanteil von einem Absorber vernichtet werden, wobei zwischen dem Teleskop und dem akustooptischen Modulator wahlweise eine Spezialblende zur Sicherung der optimalen Strahlqualität angebracht ist.
Im Rückkoppelzweig des Resonators können erstens ein
Interferenz-Laserstrahlungsmodulator so unter einem kleinen Winkel ε seiner optischen Achse zur Richtung des rückzukoppelnden Strahls angeordnet sein, dass die von ihm reflektierten Strahlungsanteile aus dem
Resonatorstrahlengang herausgelenkt und von Absorbern abgefangen werden, und zweitens ein wellenlängenselektives Element die Funktion des Lasers auf genau einer
Wellenlänge sichert . Im Rückkoppelzweig des Resonators können wahlweise
Prismen, vorzugsweise Doppelbrewsterprismen aus ZnSe oder NaCl, oder Interferenzfilter als wellenlängenselektive Elemente eingesetzt werden. Im Rückkoppelzweig des Resonators kann sich ein Teleskop vom Kepler-Typ mit Zwischenfokus befinden und eine
Zerhackerscheibe mit Antriebselement so angeordnet sein, dass der rückzukoppelnde Strahl genau in diesem
Zwischenfokus von der Zerhackerscheibe gesperrt oder freigegeben wird.
Der zweite Resonatorendspiegel kann ein vorzugsweise schneller Kippspiegel ist sein und zwischen letzterem und dem Polarisationsstrahlteiler wahlweise ein Teleskop, vorzugsweise vom Galilei-Typ, zur Anpassung des
Strahldurchmessers D an die freie Öffnung d des schnellen Kippspiegels angeordnet sein, wobei das Verhältnis D/d vorzugsweise zwischen 1,2 und 10 liegt. Die wahlweise eingesetzten Elemente zur Anpassung des Strahldurchmessers D an die freien Öffnungen d der
Elemente zur Leistungsmodulation können entweder Galilei- bzw. Kepler-Teleskope in Linsenausführung oder Galileibzw. Kepler-Teleskope in Spiegelausführung oder
Kombinationen aus einer Sammellinse bzw. einem Sammelspiegel mit einem zweiten Resonatorendspiegel geeigneter Krümmung sein.
Mittels der wahlweise einsetzbaren wellenlängenselektiven Elemente kann der Laser gezwungen werden, auf einer festen, aber frei wählbaren Linie des Rotations- Schwingungsspektrums des C02-Lasers im Bereich 9 μιτι < λ < 11 μπι zu arbeiten, wobei die Eigenschaften der übrigen optischen Elemente des Lasers, insbesondere des λ/4- Phasenschiebers und des Polarisationsstrahlteilers, dieser gewählten Linie angepaßt sind.
Alle aufgeführten optischen Elemente können in einer gemeinsamen vakuumdichten Einhausung untergebracht sein und der auszukoppelnde Strahl durch ein Fenster aus transparentem Material, vorzugsweise aus ZnSe, den Laser verläßt .
Bei einer erfindungsgemäßen Materialbearbeitungsanlage kann in den Strahlweg zwischen dem Laserausgang und dem
Werkstück ein Interferenz-Laserstrahlungsmodulator mit der Maßgabe integriert sein, wobei der transmittierte Strahl als leistungsregulierter Strahl in Richtung Werkstück läuft und der reflektierte Strahl wahlweise einem
Absorber/Detektor zur Vernichtung oder zur On-line-Messung zugeführt wird. In den Strahlweg zwischen dem Laserausgang und dem Werkstück kann ein akustooptischer Modulator mit der Maßgabe integriert sein, dass der abgebeugte Strahl als leistungsregulierter Strahl in Richtung Werkstück (33) läuft, während der nicht abgebeugte Strahl wahlweise einem Absorber/Detektor zur Vernichtung oder zur On-line-Messung zugeführt wird, wobei wahlweise zwischen dem
Polarisationsstrahlteiler und dem akustooptischen
Modulator Elemente zur Strahlformung, z.B. ein Teleskop und/oder eine Spezialblende, optional angeordnet sind.
Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, den üblicherweise eingesetzten Grundaufbau des Laserresonators mit einem 100%-Spiegel an dem einen und dem Auskoppelelement an dem anderen Ende des Systems so zu modifizieren, dass der Resonator unterteilt wird in einen Hochleistungszweig, der u.a. durch das aktive Medium und ein spezielles Auskoppelelement gebildet wird, und in einen Niederleistungs- Rückkoppelzweig, der u.a die
Elemente zur schnellen Leistungssteuerung enthält. Die Leistungsverhältnisse zwischen Hoch- und
Niederleistungszweig können dabei durch die nachfolgend erläuterten Anordnungsvarianten in weiten Grenzen variiert werden, so dass für die Steuerung auch sehr hoher
Leistungen nur ein kleiner Bruchteil davon, z.B. 10%, erforderlich ist. Damit können alle für die C02- Lasertechnik zwar vorhandenen, aber relativ
leistungsempfindlichen Modulatorsysteme, z.B.
akustooptische , elektrooptische oder Interferenz- Laserstrahlungsmodulatoren, für die schnelle
Leistungssteuerung, insbesondere eine effektive
Güteschaltung, eingesetzt werden. Die neuartige Resonatoranordnung gemäß der Erfindung soll nun detailliert beschrieben werden (vgl. auch Fig. 1).
Zentrales Element für die Teilung des Resonators in einen Hochleistungszweig und einen Niederleistungs-
Rückkoppelzweig ist ein Polarisationsstrahlteiler. Im Falle des C02-Lasers kann dazu ein Dünnschichtpolarisator (Thin Film Polarizer - TFP) auf der Basis von ZnSe genutzt werden. Letzterer ist dadurch charakterisiert, dass der TFP unter dem Brewsterwinkel aB in den Strahlengang gebracht und infolge der speziellen Beschichtung ein einfallendes Strahlenbündel der Leistung P0 so aufgeteilt wird, dass dessen parallel zur Einfallsebene des TFP polarisierter Anteil der Leistung Pp voll transmittiert und dessen senkrecht zur Einfallsebene polarisierter
Anteil der Leistung Ps voll reflektiert wird. , d.h. es gilt
Po = Pp + Ps wobei Verluste, z.B. durch Absorption im TFP,
vernachlässigt wurden.
Der TFP wird etwa an der Stelle des sonst üblichen
Auskoppelspiegels positioniert und dient auch in dem Laser gemäß der Erfindung als Auskoppelelement, d.h. entweder der am TFP reflektierte oder der transmittierte Strahl wird ausgekoppelt und verläßt den Resonator. Der jeweils andere Teilstrahl wird für die Resonator-Rückkopplung genutzt, was z.B. durch einen justierbaren 100%-Spiegel , der den Strahl genau in sich zurückschickt, erreicht werden kann. Der Strahlweg zwischen diesem Spiegel und dem TFP bildet den genannten Niederleistungs-Rückkoppelzweig, in dem beliebige Elemente für die Leistungssteuerung des Lasers angeordnet werden können.
Ein zweiter zentraler Gedanke der Erfindung widmet sich dem Problem, wie das Leistungsverhältnis Pp / Ps möglichst flexibel eingestellt werden kann, so dass der jeweils gemäß der Erfindung modifizierte Laser entsprechend seinen Grundeigenschaften, insbesondere seiner Leistung, dem gain seines aktiven Mediums, und entsprechend dem jeweils angestrebten Ziel der zu erreichenden neuartigen
Parameter, insbesondere spezieller Impulsparameter, auf das Optimum einstellbar ist. Dies wird durch die gezielte Beeinflussung der Polarisationseigenschaften der im Laser erzeugten Strahlung erreicht, indem "am anderen Ende" des Resonators, vor dem vorhandenen Endspiegel mit ca. 100% Reflektivität, ein Bauelement mit einer Phasenverschiebung von λ/4 pro Durchgang angeordnet wird. Für Hochleistungs- C02-Laser wird man dabei die in der
Lasermaterialbearbeitung bewährten λ/4 -phase-retarder- Spiegel (PRS) einsetzen. Bei entsprechender geometrischer Anordnung transformiert dieses Bauelement linear
polarisierte Strahlung nach einem Durchgang in zirkulär polarisierte Strahlung. Wird letztere nun an dem ersten Endspiegel Sl reflektiert und durchläuft den λ/4- Phasenschieber ein zweites Mal, wird die zirkulär
polarisierte Strahlung wieder in linear polarisierte transformiert, allerdings um 90° gedreht gegenüber der ursprünglichen Richtung. Die geschilderten Eigenschaften des TFP und des λ/4- Phasenschiebers und deren Anordnung gemäß der Erfindung im Resonator gestatten nun eine Reihe neuartiger Optionen der Laserfunktion, die nachstehend detailliert diskutiert werden.
1. Der quasi-axialmodenfreie kontinuierlich arbeitende Laser
Wir starten die Betrachtung am TFP und nehmen an, dass ein beliebig polarisiertes Strahlenbündel aus dem Resonatorinneren, also aus Richtung des aktiven
Mediums, auf den TFP fällt. Hier erfolgt die
geschilderte Aufspaltung in transmittierten und reflektierten Strahl, die dann beide linear und senkrecht zueinander polarisiert sind. Im Prinzip kann jeder dieser beiden Strahlen als Laserstrahl
ausgekoppelt und der jeweils andere als
Rückkoppelstrahl genutzt werden. U.a. wegen der in den Ausführungsbeispielen noch genauer zu diskutierenden starken Wellenlängenabhängigkeit der Eigenschaften kommerziell verfügbarer TFP auf ZnSe-Basis ist es sinnvoll, den reflektierten Strahl auszukoppeln und den transmittierten rückzukoppeln, so dass den
folgenden Betrachtungen diese Option zugrunde liegt.
Zunächst soll der Laser ohne zusätzliche Elemente zur Leistungsmodulation betrieben werden, d.h. der am TFP transmittierte Strahl fällt direkt auf den zweiten 100%-Endspiegel S2, wird dort genau in sich
zurückreflektiert, passiert ein zweites Mal (praktisch verlustfrei) den TFP und wird dann im aktiven Medium verstärkt, wobei seine von der Stellung des TFP vorgegebene Richtung der Linearpolarisation erhalten bleibt. Nach Durchlaufen des aktiven Mediums erreicht der Strahl die Kombination aus λ/4 -Phasenschieber und Sl und würde, bei entsprechender präziser Einstellung des Phasenschiebers, wieder linear polarisiert, aber um 90° gegenüber dem einlaufenden Strahl gedreht, erneut das aktive Medium, nun in entgegengesetzter Richtung, passieren. An dieser Stelle offenbart sich ein gravierender Unterschied zwischen herkömmlichen Lasern und dem Laser gemäß der Erfindung: Die im aktiven Medium hin- und rücklaufenden Wellen sind bei ersteren typischerweise in gleicher Richtung linear polarisiert, also voll interferenzfähig, was zur
Ausbildung der bekannten axialen Modenstruktur führt. Beim Laser gemäß der Erfindung sind die beiden Wellen zwar ebenfalls linear, aber senkrecht zueinander polarisiert, so dass keine Interferenz und damit keine axiale Modenstruktur auftritt.
Bei Materialbearbeitungslasern wird der axialen
Modenstruktur meistens nur untergeordnete Beachtung geschenkt, was aber nicht a priori gerechtfertigt ist. Da sie äußerst empfindlich (μπι-Bereich) mit der
Resonatorlänge gekoppelt ist, reichen bei den relativ großen Resonatorlängen von C02- Materialbearbeitungslasern bereits
Temperaturänderungen der Größenordnung lCf2 °C aus, um die axiale Modenstruktur relevant zu verändern. Durch
Mittelungseffekte bleibt dies meistens unbemerkt, aber bei höchsten Genauigkeitsanforderungen stellt man fest, dass daraus sowohl Leistungs- als auch
Raumrichtungsschwankungen des Strahlbündels
resultieren können. Ein anderes Problem, das durch die axialen Moden, also die stehenden Wellen im Resonator, verursacht wird, ist das sogenannte „räumliche hole- burning", welches besonders bei Festkörperlasern die Ausgangsleistung des Lasers reduziert. Ursache dessen ist die periodische Intensitätsschwankung der
stehenden Welle zwischen 0 und einem Maximalwert mit der Periode K/2, was zu einem unvollständigen Abfragen der Besetzungsinversion über stimulierte Emission führt. Bei einem Laser ohne axiale Modenstruktur treten diese negativen Effekte nicht auf.
Der Weg des Strahlenbündels im Resonator soll nun weiter verfolgt werden. Nach der zweiten Passage durch das aktive Medium trifft es wieder auf den TFP mit dem fatalen Effekt, dass unter den bisher angenommenen und geschilderten Bedingungen der Strahl praktisch zu 100% reflektiert wird, d.h. es tritt keinerlei Rückkopplung auf, der Laserprozeß stoppt. Diese ganz spezielle Situation, die eine Spezifik des Lasers gemäß der Erfindung darstellt, wird später in der 3. Option, der sog. "Selbstoszillation" genauer diskutiert
Um die für eine „normale" Laserfunktion, sowohl
kontinuierlich als auch gepulst, erforderliche
Rückkopplung zu erzielen, besitzt der Laser gemäß der Erfindung eine sehr einfache und gleichzeitig flexible
Möglichkeit, eine definierte Rückkopplung einzustellen. Der λ/4 - Phasenschieber wird drehbar um seine Strahlachse, das ist in diesem Falle die Achse des aus Richtung des aktiven Mediums auf ihn einfallenden Strahles, angeordnet. Je nachdem, wie stark nun der Phasenschieber gegen seine "ideale" Position verdreht wird, läuft kein linear, sondern ein mehr oder weniger stark elliptisch polarisierter
Strahl zurück in Richtung des TFP mit der Folge, dass dann ein gewisser, genau einstellbarer Anteil vom TFP transmittiert wird und als rückgekoppelter Strahl zur Verfügung steht. Dieser Anteil wird einerseits so groß wie nötig gemacht, um eine sichere Laserfunktion bei möglichst optimalem Abfragen der Besetzungsinversion des aktiven Mediums zu erreichen, andererseits aber so klein wie möglich gehalten, so dass die dargestellten Vorzüge der Anordnung gemäß der Erfindung nicht verloren gehen, nämlich auf der einen Seite die möglichst geringe Strahlungsintensität im
Rückkoppelzweig und auf der anderen der quasi- axialmodenfreie Betrieb des Lasers.
An dieser Stelle muß eventuell je nach der gewünschten Betriebsart und der Leistungsklasse des Lasers wegen der Abhängigkeit zwischen Laserausgangsleistung und Rückkoppelgrad ein Kompromiß eingegangen werden. Wird angestrebt, den Laser insbesondere im kontinuierlichen Betrieb bei optimaler Ausgangsleistung arbeiten zu lassen, sind höhere Rückkoppelgrade erforderlich, als z.B. im nachfolgend beschriebenen gepulsten
(gütegeschalteten) Betrieb. Bei den hier diskutierten
C02-Lasern für die Materialbearbeitung mit einem typischen Leistungsbereich von mehreren 100 bis mehreren 1000 W sind jedoch bei relativ geringen Einbußen an cw-Leistung bereits Rückkoppelgrade zwischen 5 und 20% ausreichend, so dass die vorstehend genannte Forderung nach möglichst geringer Intensität im Rückkoppelzweig auch im cw-Betrieb gut erfüllt werden kann.
Der quasi-axialmodenfreie gütegeschaltete Laser
Haupteinsatzgebiet des C02 -Lasers gemäß der Erfindung sind Anwendungen, die eine schnelle
Leistungssteuerung, insbesondere die Erzeugung
definierter Strahlungsimpulse mittels Güteschaltung erfordern. Die dazu benötigten Elemente werden im
Rückkoppelzweig, der durch geringe Intensitäten charakterisiert ist, angeordnet. Im Gegensatz zu herkömmlichen C02-Lasern können hier alle typischen, für 10 μνη Wellenlänge verfügbaren Modulationsvarianten genutzt werden, die i.a. relativ empfindlich gegenüber hohen Intensitäten sind und z.B. bei direkter
Anordnung in Hochleistungsresonatoren entweder die Strahlqualität entscheidend verschlechtern oder sogar zerstört werden. Nachfolgend werden fünf Varianten einer solchen Leistungssteuerung diskutiert:
Elektrooptische und akustooptische Modulatoren,
Interferenz -Laserstrahlungsmodulatoren die einfache Zerhackerscheibe und schnell oszillierende
Kippspiegel . a) Einsatz elektrooptischer Modulatoren (EOM) Die Nutzung des linearen elektrooptischen Effektes (Pockels-Effekt ) für die resonatorinterne
LeistungsSteuerung von Lasern zeichnet sich vor allem durch die außerordentlich kurzen
erreichbaren Schaltzeiten bis in den sub-ns- Bereich, also durch extrem gute Eignung für die Güteschaltung von Lasern, und darüber hinaus durch eine sehr hohe Flexibilität bezüglich der
Schaltparameter wie Anstiegszeiten oder
Pulsfolgefrequenz aus. Während im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich zahlreiche sehr gut geeignete Kristalle für elektrooptische
Schalter existieren, ist diese Option im
Wellenlängenbereich des C02-Lasers praktisch ausschließlich auf kommerziell erhältliche CdTe- Modulatoren beschränkt. Durch ihre im Vergleich z.B. zu ZnSe wesentlich ungünstigeren optischen Eigenschaften, insbesondere ihre vergleichsweise hohe Absorption, können diese Modulatoren
allerdings nur bei relativ niedrigen Intensitäten eingesetzt werden. Der Laser gemäß der Erfindung bietet hier durch seinen speziellen
Rückkoppelzweig mit seiner gegenüber dem üblichen Laserresonator um etwa eine Größenordnung
reduzierten Intensität (bei gleicher
Laserausgangsleistung!), einen vorteilhaften
Ausweg. Eine weitere, außerordentlich günstige Besonderheit der neuartigen Anordnung stellt die Tatsache dar, dass das polarisationsempfindliche Element (der Analysator) , welches für die Modulationswirkung des EOM in herkömmlichen
Resonatoren zusätzlich eingebracht werden muß, im Resonator gemäß der Erfindung in Form des TFP bereits immanent vorhanden ist. Wegen der relativ kleinen Querschnittsfläche von CdTe-EOM, die i.a. kleiner als der typische Bündelquerschnitt eines Hochleistungs-C02 -Lasers ist, macht sich allerdings in den meisten Fällen eine Anpassung des
Strahldurchmessers, z.B. mit Hilfe eines
Teleskops, erforderlich.
Die Schalt- bzw. Modulationsfunktion läuft dann einfach folgendermaßen ab. Das vom TFP in den Rückkoppelzweig gelangende Bündel, das linear und parallel zur Einfallsebene des TFP polarisiert ist, durchläuft die Strahlformung (Teleskop) und den spannungsfreien EOM und wird vom 100%-Spiegel rückgekoppelt, wobei bei optimaler Einstellung der genannten Elemente das in das aktive Medium rücklaufende Bündel die gleichen
Ausbreitungseigenschaften (Divergenz) und die gleiche Polarisation wie das ankommende Bündel hat, so dass eine quasi-ideale Resonatorfunktion (transversale Modenstruktur!) gewährleistet ist, d.h. der Laser läuft bei optimaler Leistung. Legt man nun an den EOM eine λ/4 -Spannung an, die aus dem linear ein zirkulär polarisiertes Bündel macht, wird letzteres nach Reflexion an dem 100%- Spiegel und dem zweiten Durchlaufen des EOM wieder linear polarisiert, aber jetzt senkrecht zum einlaufenden Strahl. Gelangt dieser Strahl auf den TFP, wird er komplett aus dem
Resonatorstrahlengang herausreflektiert und von einem Absorber abgefangen, d.h. die Rückkopplung geht gegen 0. Die Strahlungserzeugung stoppt in dem Moment, in dem die dadurch erzeugten
Resonatorverluste so groß sind, dass sich das System unter der „Laserschwelle" befindet. Es sei noch einmal betont, dass auf diese Weise eine Laserleistung geschaltet wird, die etwa eine
Größenordnung über der Leistung im Rückkoppelzweig liegt! Die erreichbaren minimalen Schaltzeiten werden durch die Eigenschaften des EOM selbst und seiner Ansteuerung sowie die Resonatorlänge bestimmt und liegen typischerweise in der
Größenordnung ns .
Einsatz akustooptischer Modulatoren (AOM)
Modulatoren auf Basis des akustooptischen Effekts werden für C02-Laser üblicherweise aus Ge- ristallen gefertigt. Diese sind, ebenso wie CdTe, in ihrer zulässigen Belastbarkeit, die durch die Forderung gegeben ist, dass der Strahlengang im Resonator auch bei wechselnden Belastungen, z.B. bei Variation der Laserleistung, weitgehend unbeeinflußt bleiben muß, merklich eingeschränkt. 100 W/cm2 sollten nicht überschritten werden. Auch hier liefert das Prinzip des Lasers gemäß der Erfindung den Ausweg. Da AOM ganz analog zum EOM in ihrer freien Öffnung begrenzt sind, wird der prinzipielle Aufbau dem in a) geschilderten ähneln, d.h. ein Teleskop wird eingesetzt und an die Position des EOM kommt der AOM . Die freie Laserfunktion ist im typischen Fall wieder für den spannungsfreien AOM gegeben. Das Abschalten des Lasers, also die Reduzierung der Rückkopplung unter den Schwellwert, erreicht man durch
Aktivieren des AOM, so dass bei dessen zweimaligem Durchlaufen jeweils so viel Strahlung aus dem Rückkoppelzweig herausgebeugt und mit Absorbern abgefangen wird, dass die Laserfunktion stoppt. In den Ausführungsbeispielen wird auch die zweite Möglichkeit beschrieben, bei der der abgebeugte Strahl für die Rückkopplung genutzt wird.
Die erreichbaren Schaltzeiten liegen im
und darunter, d.h. auch mit AOM können
Modulationsfrequenzen im MHz-Bereich realisiert werden. Vorteile des AOM-Einsatzes sind u.a. die höhere Robustheit und optische Homogenität des Ge im Vergleich zu CdTe, die niedrigeren
erforderlichen SchaltSpannungen sowie die
niedrigeren Kosten.
Einsatz von Interferenz-Laserstrahlungsmodulatoren (ILM)
Modulatoren dieser Bauart beruhen auf dem Prinzip des Fabry-Perot-Interferometers (FPI) und werden typischerweise mit zwei ZnSe-Platten als optisch wirksamen Elementen ausgerüstet. Wegen der sehr günstigen Eigenschaften des ZnSe und seiner großen Einsatzbreite in der C02-Lasertechnik bieten ILM den Vorzug, dass sie einerseits problemlos dem resonatorinternen Strahldurchmesser angepaßt werden können, so dass i.a. keine zusätzlichen Teleskope erforderlich sind, und andererseits die Strahlungsbelastbarkeit wesentlich höher als bei CdTe und Ge ist. Dadurch können mit solchen Modulatoren auch Multi-kW-Laser der
erfindungsgemäßen Bauart geschaltet werden.
ILM arbeiten als variable Strahlteiler, d.h. die auftreffende Laserleistung wird praktisch
verlustfrei in einen transmittierten und einen reflektierten Strahl aufgeteilt, wobei das
Teilerverhältnis sehr flexibel, allerdings nur im kHz-Bereich, durch eine entsprechende Ansteuerung variiert werden kann. Da ein ILM im
Transmissionsmaximum den Wert 1 erreicht, wird er im Strahlengang (an ähnlicher Stelle wie EOM und AOM) so angeordnet, dass dies dem Zustand voller Laserfunktion entspricht. Je stärker man ihn nun mittels eines Steuerstroms in Richtung steigender Reflexion durchstimmt, steigen die
Resonatorverluste, da die reflektierten Anteile durch eine kleine Neigung der ILM-Achse gegen die Resonatorachse aus dem Rückkopplungsstrahlengang herausreflektiert und von Absorbern vernichtet werden. Sinkt man durch die Verluste wieder unter die Laserschwelle, stoppt die Laserfunktion. Typische erreichbare Schalt- bzw. Impulsparameter dieser Anordnungsvariante sind Schaltzeiten und Impulsdauern im s -Bereich sowie
Impulsfolgefrequenzen bis in die Größenordnung 10 Hz. Da Modulatoren vom Typ ILM mit bis zu einigen 100 W belastet werden können, sind mittlere Laser Ausgangsleistungen von mehreren kW erreichbar.
Einsatz mechanischer Schalter
Für die Güteschaltung des Lasers gemäß der
Erfindung können auch einfache mechanische
Schalter, insbesondere rotierende Loch- oder Schlitzblenden oder schnell oszillierende
Kippspiegel, vorteilhaft eingesetzt werden. Z. B. kann in den Rückkoppelzweig ein Kepler-Teleskop mit scharfem Zwischenfokus gesetzt und an der Stelle dieses Fokus" mittels einer schnell rotierenden Loch- oder Schlitzscheibe in kurzen Zeiten im μΞ-Bereich geschaltet werden. Je nach Zahl und Anordnung der freien Öffnungen auf der Scheibe und deren Rotationsgeschwindigkeit kann eine sehr effiziente Umsetzung der zur Verfügung stehenden mittleren Leistung des Lasers in Impuls mit starker Leistungsüberhöhung bei
Impulsfolgefrequenzen bis zu einigen 10 kHz und typischen Impulsdauern im μΞ-Bereich erreicht werden. Auch hier wirkt sich die niedrige
Strahlungsintensität im Rückkoppelzweig günstig aus: Bei der Erzeugung leistungsstarker Impulse sind die schaltenden Kanten der rotierenden Scheibe hohen Intensitäten ausgesetzt, was bei herkömmlichen Lasern zu Abtragsprozessen und damit einer relativ raschen Zerstörung der scharfen Schaltkanten führen kann, während dies im Laser gemäß der Erfindung vermieden wird.
In den Ausführungsbeispielen wird auch eine
Variante mit schnell oszillierendem Kippspiegel beschrieben.
Die Selbstoszillation
Wie bereits oben angedeutet, zeigt der Laser gemäß der Erfindung auf Grund seines speziellen Resonatoraufbaus eine ganz spezifische Betriebsart - die
Selbstoszillation. Dieser neuartige Effekt soll nachstehend genauer erläutert werden. Basis für das Auftreten der Selbstoszillation ist die präzise
Einstellung der beiden für den beschriebenen Laser charakteristischen Elemente, dem λ/4 -Phasenschieber an dem einen Ende des Resonators und dem TFP am anderen, wobei bei Bedarf ein wellenlängenselektives Element sichern muß, dass der Laser auf einer genau
definierten, den Spezifika von Phasenschieber und TFP entsprechenden Wellenlänge arbeitet. „Präzise
Einstellung" bedeutet dabei, dass die Einfallsebenen des λ/ 4 -Phasenschiebers (wenn man annimmt, dass es sich dabei um einen üblichen PRS handelt) und TFP genau 45° gegeneinander verdreht sind. Die beiden 100%- Endspiegel des Resonators müssen ebenfalls in der üblichen Weise genau einjustiert sein. Für das qualitative Verständnis der ablaufenden
Vorgänge nach Einschalten des Lasers werde angenommen, dass die Besetzungsinversion im aktiven Medium einen Quasi-Gleichgewichtszustand erreicht hat und nun verfolgt wird, wie sich ein Start-Strahlungsbündel, welches zunächst ausschließlich aus spontan
emittierten Photonen besteht, die zufällig genau in Richtung der Laserachse laufen, auf dem Weg der weiteren Ausbreitung im Resonator verhält. Der Effekt wird am deutlichsten, wenn man annimmt, dass dieses
Start-Strahlungsbündel an dem Ende des aktiven Mediums losläuft, welches beim TFP liegt, und sich in Richtung des Inneren des aktiven Mediums, also in Richtung des λ/ 4 -Phasenschiebers bewegt. Auf dem Weg dorthin wird das Bündel verstärkt, sein unpolarisierter Zustand, der typisch für das spontan emittierte Start- Strahlungsbündel ist, bleibt dabei praktisch erhalten. Daran ändert auch der Wegabschnitt Phasenschieber - 100%-Endspiegel - Phasenschieber nichts, denn es werden hier alle Strahlungsanteile gleichermaßen um 90° gedreht, das Bündel bleibt also unpolarisiert . Nach weiterer Verstärkung beim zweiten Durchgang durch das aktive Medium trifft es nun auf den TFP und wird dort im wesentlichen in zwei gleich starke Teilbündel, die linear, aber senkrecht zueinander polarisiert sind, aufgespaltet. Davon wird eines ausgekoppelt, das andere rückgekoppelt. Letzteres läuft nun wieder in Richtung λ/ 4 -Phasenschieber durch das aktive Medium, ist aber in seinen Eigenschaften signifikant gegenüber dem Start-Strahlungsbündel modifiziert: Es ist erstens linear polarisiert und besitzt zweitens durch induzierte Emission bereits eine wesentlich höhere
Leistung. Beim zweiten „round trip" durch den
Resonator wird es weiter verstärkt und - was das entscheidende für die Selbstoszillation ist - beim
Doppeldurchgang durch den λ/4 -Phasenschieber in seiner Polarisationsrichtung um 90° gedreht, so dass es jetzt bei Erreichen des TFP vollständig ausgekoppelt wird, die Rückkopplung ist 0. Damit bricht die weitere Verstärkung über induzierte Emission zusammen, die Ausgangsleistung des Lasers geht kurzzeitig praktisch auf 0, bevor ein neuer Zyklus der geschilderten Form startet. Aus der qualitativen Beschreibung des
Prozesses wird klar, dass die Laserausgangsleistung jeweils maximal wird, wenn das Bündel zwei Umläufe, also die Strecke 4L (L ist die Resonatorlänge)
absolviert hat. Daraus ergibt sich eine
Pulsfolgefrequenz fimp von fimp = c / 4L , wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Für typische Resonatorlängen von mehreren Metern ergeben sich
Pulsfolgefrequenzen in der Größenordnung 10 MHz.
Voraussetzung ist dabei, dass die Besetzungsinversion im aktiven Medium durch den Vierfachdurchgang des
Strahlungsbündels nicht so stark abgebaut wird, dass eine gewisse „Pumpzeit", die von der Pumprate des jeweiligen Lasers abhängt, erforderlich ist, um den Zyklus neu zu starten. Ist letzteres der Fall, sinkt natürlich die Pulsfolgefrequenz. Der Effekt der Selbstoszillation, der neuartig und an die spezielle Resonatorkonfiguration gemäß der
Erfindung gebunden ist, führt also bei
kontinuierlichem Pumpen zu entsprechenden periodischen Impulszügen, ohne dass ein zusätzliches
leistungsmodulierendes Bauelement in den
Resonatorstrahlengang integriert werden muß!
Bemerkenswert ist auch, dass die mittlere Leistung der „selbstoszillierenden Strahlung" praktisch dem cw-Wert des Lasers entspricht.
Die Strahlungsentkopplung Laser - Werkstück
Über die vorstehend geschilderten Möglichkeiten der schnellen Leistungsmodulation hinaus bietet der C02- Laser gemäß der Erfindung einen weiteren attraktiven Vorteil beim praktischen Einsatz in einer
Materialbearbeitungsanlage .
Häufig müssen hochreflektierende Materialien,
insbesondere Metalle, bearbeitet werden, die einen erheblichen Anteil der auftreffenden Strahlung reflektieren oder streuen. Da diese Strahlung durch das Fokussierelement meistens sehr gut parallel zurück in Richtung Laser gelenkt wird und durch das
Auskoppelelement in den Resonator eindringen kann, wird die resonatorinterne Strahlungserzeugung merklich gestört, was sich in einer Verschlechterung der
Strahlqualität sowie in LeistungsSchwankungen, insbesondere bei der Spitzenleistung von Impulsen, bemerkbar macht. Deshalb ist es gängiger Stand der Technik, für eine Strahlungsentkopplung zwischen Laser und Werkstück mittels einer Kombination aus ATFR- Spiegel, also einem polarisationsabhängigen
Reflektor/Absorber, und einem λ/ -phase-retarder- Spiegel eine Art „Optische Diode" aufzubauen, die die
Laserstrahlung in Richtung Werkstück passieren läßt, aber zurücklaufende Anteile absorbiert.
Arbeitet man nun mit einem C02-Laser gemäß der
Erfindung, ist die Wirkung des ATFR-Spiegels immanent im Laser in Form des Polarisationsstrahlteilers gegeben. Wie bereits dargelegt, verläßt der Strahl den Laser linear polarisiert. Passiert er auf dem Hin- und Rückweg zum/vom Werkstück zweimal einen λ/4-phase- retarder-Spiegel, wird seine Polarisationsebene um 90° gedreht, damit wird er automatisch bei Auftreffen auf den Polarisationsstrahlteiler aus dem
Resonatorstrahlengang herausgelenkt und kann durch einen Absorber abgefangen werden.
Es ergeben sich also zwei Vorteile: Erstens kann auf das Bauelement ATFR-Spiegel verzichtet werden und zweitens werden die zu vernichtenden Strahlanteile nicht - wie beim ATFR-Spiegel - vom
temperaturempfindlichen Bauelement selbst absorbiert, sondern aus dem Strahlengang in gewünschter Weise herausgelenkt und einem geeigneten Absorber zugeführt.
Externe Leistungsmodulation Bei zahlreichen Aufgaben der Lasermaterialbearbeitung muß man während des Bearbeitungsprozesses die
Laserleistung variieren. Meistens erfolgt dies über einen Eingriff in den Laserprozeß selbst, i.a. über eine Variation der Pumpenergiezufuhr. Dadurch wird allerdings die Strahlqualität beeinflußt, d.h. die K- Zahl ändert sich mit der abgerufenen Leistung, was eine verminderte Bearbeitungsqualität zur Folge hat. Einen Ausweg bieten hier externe Modulatoren, die bei Erhaltung der Strahlqualität eine Variation der
Leistung auf dem Werkstück in weiten Grenzen
gestatten.
Auch der Laser gemäß der Erfindung hat für einen bestimmten ausgewählten Parametersatz, z.B. Pulsdauer,
-folgefrequenz und -Spitzenleistung, ein definiertes optimales Betriebsregime im Hinblick auf beste
Strahlqualität. Deshalb ist es vorteilhaft,
erforderliche Leistungsvariationen über einen externen Modulator, der die Laserfunktion selbst nicht
beeinflußt, zu realisieren.
Dazu bieten sich u.a. zwei effiziente Möglichkeiten an, nämlich akustooptische und Interferenz- Laserstrahlungsmodulatoren, die jeweils in der Nähe des Laserausgangs plaziert werden können und weitere eventuell erforderliche Strahlformungsmaßnahmen, z,B. die vorstehend diskutierte Strahlungsentkopplung Läse - Werkstück, nicht stören. Beim AOM ist es günstig, den abgebeugten Strahl als Bearbeitungsstrahl zu nutzen, da er in seiner Leistung von 0 bis zum Maximalwert reguliert werden kann. Der nicht abgebeugte Anteil kann entweder durch einen Absorber vernichtet oder z.B. zur On-line-Kontrolle der Laserleistung einem Detektor zugeführt werden. Je nach Erfordernis sind zur optimalen Anpassung des vom Laser kommenden Strahlungsfeldes an den Modulator strahlformende Elemente (Teleskop, Blende)
einzusetzen.
Der ILM kann ohne solche zusätzlichen Elemente in den Strahlengang integriert werden, da man den freien Durchmesser der Interferometerplatten problemlos der Laserstrahlung anpassen kann. Die FPI -Platten aus ZnSe können mit mehreren Hundert Watt Strahlungsleistung belastet werden, ohne dass eine Verschlechterung der Strahlqualität im transmittierten Strahl, den man typischerweise als Bearbeitungsstrahl nutzen wird, auftritt. Der nicht genutzte reflektierte Anteil kann wieder entweder durch einen Absorber vernichtet oder zur On-line-Kontrolle genutzt werden.
Es sei noch erwähnt, dass es vorteilhaft ist, den Laser gemäß der Erfindung insgesamt so einzuhausen, dass alle direkt zum Laser gehörigen Bauelemente gegen äußere
Einflüsse wie Staub, Luftfeuchtigkeit und
Klimaschwankungen allgemein geschützt sind. Typischerweise wird dies konstruktiv so gelöst sein, dass die gesamte Einhausung mit dem aktiven Medium in direkter Verbindung steht, d.h. die Bauelemente sind von dem Lasergas umgeben. Dadurch kann ihre Lebensdauer den für Laser üblichen
Standards angepaßt werden.
Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind, erläutert. In diesen zeigen:
Figur 1: Schematische Darstellung des C02-Lasers gemäß der
Erfindung
Figur 2: Prinzipielle Anordnung eines λ/ -phase-retarder- Spiegels (PRS) als λ/ -Phasenschieber
Figur 3 Zur Funktionsweise eines Dünnfilm-Polarisators auf ZnSe-Basis (TFP)
Figur 4 Anordnungsvariante mit TFP und transmittiertem
Strahl als auszukoppelndem Strahl und reflektiertem Strahl als rückzukoppelndem Strahl
Figur 5 Anordnungsvarianten des C02-Lasers gemäß der
Erfindung
a) Variante mit TFP und Elementen zur schnellen Leistungsmodulation
b) Variante zur Realisierung der
Selbstoszillation - erster Resonatorumlauf c) Variante zur Realisierung der
Selbstoszillation - zweiter Resonatorumlauf Figur 6 Anordnungsvariante zur schnellen
Leistungsmodulation mittels EOM
Figur 7 Zwei Anordnungsvarianten zur schnellen
Leistungsmodulation mittels AOM
a) Rückkopplung mittels transmittiertem Strahl b) Rückkopplung mittels abgebeugtem Strahl
Figur 8 : Anordnungsvariante zur schnellen
Leistungsmodulation mittels ILM
Figur 9: Anordnungsvariante zur Impulserzeugung mittels
Zerhackerscheibe Figur 10: Anordnungsvariante zur Impulserzeugung mittels
Kippspiegels
Figur 11: Strahlungsentkopplung Laser - Werkstück,
Anordnung bei Einsatz eines C02-Lasers gemäß der Erfindung
Figur 12: Zur externen LeistungsSteuerung der
Laserstrahlung
a) Variante mittels ILM
b) Variante mittels AOM
Figur 13 : Vakuumdichte Einhausung am Auskoppelende des
Resonators Figur 1 zeigt stark schematisiert den Grundaufbau des C02- Lasers gemäß der Erfindung. Dabei spielt es zunächst keine Rolle, welche konkreten geometrischen Verhältnisse, insbesondere im Hinblick auf das aktive Medium 1,
vorliegen. Die Skizze zeigt, dass der Resonator an beiden Enden jeweils von einem hochreflektierenden Spiegel 3 und 4 abgeschlossen wird. Durch den Polarisationsstrahlteiler 5 wird der Resonator in einen Hochleistungszweig, der u.a. das aktive Medium 1 enthält, und den Rückkoppelzweig 14, der durch relativ niedrige Leistung charakterisiert ist, geteilt. Diese gewünschte Aufteilung wird durch das
Zusammenspiel des Polarisationsstrahlteilers 5 mit dem λ/4 -Phasenschieber 2 am anderen Ende des Resonators auf folgende Weise erreicht. Trifft, aus Richtung des aktiven Mediums 1 kommend, Strahlung 6 mit zunächst beliebiger Polarisation auf den Polarisationsstrahlteiler 5, so wird sie aufgeteilt in zwei senkrecht zueinander linear
polarisierte Anteile, von denen der eine reflektiert und der andere transmittiert wird. In Figur 1 sind dies der auszukoppelnde Strahl 7 mit horizontaler Polarisation 10 und der rückzukoppelnde Strahl 8 mit vertikaler
Polarisation 9. Letzterer passiert nach Reflexion am
Endspiegel 4 wieder den Polarisationsstrahlteiler 5, wird im aktiven Medium 1 verstärkt und durchläuft den λ/4- Phasenschieber 2. Je nachdem, welcher Winkel φ nun
zwischen einer charakteristischen Achse 13 des
Polarisationsstrahlteilers 5 und einer charakteristischen Achse 12 des λ/4 -Phasenschiebers 2 eingestellt wurde, kann sich dadurch der Polarisationszustand der einfallenden linear vertikal polarisierten Welle ändern. Im ersten Spezialfall bleibt er unverändert, im zweiten Spezialfall wird er zirkulär, im allgemeinen Fall elliptisch sein.
Nach der Reflexion der Welle am Endspiegel 3 und einem zweiten Durchgang durch den λ/ -Phasenschieber 2 wird im zweiten Spezialfall wieder linear polarisierte Strahlung, allerdings jetzt mit horizontaler Polarisation entstehen, im allgemeinen Fall bleibt die elliptische Polarisation erhalten, jedoch mit verändertem Achsenverhältnis. Die Relation zwischen dem vertikalen und dem horizontalen Anteil dieser Polarisationsellipse ist nun entscheidend für die angestrebte Leistungsaufteilung am
Polarisationsstrahlteiler 5, der schließlich nach weiterer Verstärkung im aktiven Medium 1 von der modifizierten
Welle wieder erreicht wird. Wie bereits ausgeführt, ist es ein Hauptziel des C02-Lasers gemäß der Erfindung, die Leistung des rückzukoppelnden Strahls 8 mit vertikaler Polarisation 9 so niedrig wie möglich zu halten, ohne dabei die gewünschte Funktion des Lasers zu
beeinträchtigen. Das Optimum kann problemlos durch
entsprechende Einstellung des Winkels φ gefunden werden, wenn der λ/ -Phasenschieber 2 (was man vorzugsweise realisieren wird) oder der Polarisationsstrahlteiler 5 oder beide drehbar um die Resonatorachse 11 angeordnet sind. Hier liegt ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber herkömmlichen Lasern: Während bei letzteren die Optimierung des Rückkoppelgrades durch aufwendiges Auswechseln von Auskoppelelementen mit unterschiedlicher Reflektivität erfolgen muß, genügt hier die einfache Änderung des Winkels cp, um das Optimum der Laserfunktion zu finden.
In den Rückkoppelzweig 14 mit optimierter relativ
niedriger Leistung können nun unterschiedlichste Elemente zur Strahlformung 15, insbesondere Elemente zur schnellen Leistungsmodulation und/oder Wellenlängenselektion sowie beispielsweise geeignete Raumfilter zur Sicherung der hohen Strahlqualität des Lasers, integriert werden. Ein besonderer Vorzug der Anordnung ist dabei, dass z.B.
Elemente mit hoher Funktionalität, aber großer
Leistungsempfindlichkeit, die in herkömmlichen Lasern dieser Leistungsklasse deshalb nicht vorteilhaft
einsetzbar sind, im C02-Laser gemäß der Erfindung
problemlos genutzt werden können.
Eine günstige praktische Lösung für den λ/ -Phasenschieber 2 illustriert Figur 2, nämlich den Einsatz eines λ/4- Phase-Retarder-Spiegels (PRS) 16. Diese Spiegel sind auch für hohe Leistungen im kW-Bereich geeignet. Das linke Bild zeigt im Schnitt seine kompakte Anordnung mit dem
justierbaren Endspiegel 3, das rechte Bild die Möglichkeit der Rotation dieser Einheit um die Resonatorachse 11. Wie im linken Bild, bei dem die Zeichenebene der Einfallsebene der Strahlung entspricht, gezeigt wird, muß die relative Anordnung der Komponenten so gewählt werden, dass der Winkel ß sowohl zwischen der Resonatorachse 11 und dem
Einfallslot 43 des PRS 16 als auch zwischen letzterem und dem Einfallslot 44 des Endspiegels 3 45° beträgt. Nimmt man nun an, dass das auf diese Einheit auftreffende
Strahlungsbündel in der Einfallsebene, also in der
Zeichenebene des linken Bildes, linear polarisiert ist, wird es an beiden Spiegeln ohne Veränderung der
Polarisation reflektiert, läuft also quasi unverändert zurück in das aktive Medium. Dreht man jedoch, wie im rechten Bild gezeigt, die Einheit um einen Winkel φ
gegenüber dieser Ausgangsposition, ergibt sich beim Spezialfall φ = 45° zirkulär polarisierte Strahlung nach der ersten Reflexion am PRS 16 und nach der Reflexion am Endspiegel 3 und der folgenden zweiten Reflexion an ihm wieder linear, aber senkrecht zur ursprünglichen Richtung polarisierte Strahlung. Für Werte im Intervall 0° < φ < 45° erhält man elliptisch polarisierte Strahlung.
Ein entscheidendes Merkmal des Lasers gemäß der Erfindung ist es, dass mittels der geschilderten Einheit linear polarisierte Strahlung, die aus dem aktiven Medium kommt (z.B. senkrecht polarisiert wie in Figur 1) durch
Einstellen eines geeigneten Winkels φ so modifiziert wird, dass die zurücklaufende Strahlung ein gewünschtes
Leistungsverhältnis zwischen der senkrecht und der
parallel polarisierten Komponente hat.
Als praktische Lösung für den Polarisationsstrahlteiler 5 bietet sich für C02 -Laser ein Dünnfilmpolarisator (TFP) 17 auf Basis von ZnSe an. Seine Wirkungsweise illustriert Figur 3. Eine speziell beschichtete ZnSe-Platte wird unter dem Brewsterwinkel aB in den Strahlengang gebracht und teilt einen einfallenden Strahl beliebiger Polarisation auf in einen transmittierten Strahl, der in der
Einfallsebene, und einen reflektierten Strahl, der
senkrecht dazu linear polarisiert ist. Wie die
dargestellte Abhängigkeit der Reflektivität des TFP 17 von der Wellenlänge für diese beiden Strahlanteile zeigt, ist bei der Hauptwellenlänge des C02-Lasers von 10,59 μπι diese Aufteilung nahezu perfekt. Im Zusammenspiel mit dem λ/ 4 -Phasenschieber 2 ermöglicht der TFP 17 nun die erfindungsgemäße Aufteilung eines aus Richtung des aktiven Mediums kommenden Strahles 6 in einen leistungsstarken auszukoppelnden Strahl 7 (Leistung PA) und einen relativ leistungsschwachen rückzukoppelnden
Strahl 8 (Leistung PR) . In realen C02-Lasern hoher Leistung für die Materialbearbeitung genügen oft wenige Prozent der einfallenden Strahlung für eine effektive Rückkopplung, so dass Leistungsverhältnisse PA/PR von 10 und mehr anwendbar sind, d.h. die Strahlungsbelastung der Elemente zur
Strahlformung, die in den Rückkoppelzweig 14 integriert werden können, ist außerordentlich gering. Wie bereits beschrieben, kann dieses Verhältnis einfach über den
Winkel φ eingestellt und optimiert werden.
Die Strahlaufteilung am TFP 17 kann prinzipiell auf zwei Arten erfolgen. Entweder koppelt man den reflektierten Strahl aus und nutzt den transmittierten zur Rückkopplung oder umgekehrt. Beide Varianten haben Vor- und Nachteile, die sich vor allem aus zwei Eigenschaften des TFP 17 ergeben: Erstens ist die Absorption für die p-Komponente wesentlich höher als für die s-Komponente der Strahlung und zweitens ist, wie Figur 3 zeigt, die Reflektivität für die p- Komponente stark wellenlängenabhängig.
Koppelt man nun den reflektierten Strahl aus und den transmittierten zurück, hat man die zwei Vorteile, dass erstens der starke Leistungsanteil als s-Komponente gleich an der Vorderseite des TFP 17 reflektiert wird und nur minimale Absorptionsverluste erleidet, sowie zweitens die λ-Abhängigkeit der transmittierten und für die Rückkopplung zuständigen p-Komponente sogar für den Laser eine funktionsstabilisierende Wirkung hat. Ein gewisser Nachteil ist der zweifache Durchgang des rückzukoppelnden Strahles als p-Komponente, also bei relativ hoher
Absorption, durch den TFP 17 mit der Gefahr einer
Verzerrung der resonatorinternen Wellenfront. Dieses
Problem verschwindet, wenn der reflektierte Anteil rückgekoppelt wird. Allerdings treten dafür zwei andere auf, nämlich die Gefahr einer beträchtlichen Beeinflussung der Divergenz des intensiven ausgekoppelten Strahls 7 durch eine „thermische Linse" im TFP 17 und durch die
Wellenlängenabhängigkeit der p-Komponente, die zur
Vermeidung des Anschwingens unerwünschter Laserlinien eine zusätzliche Wellenlängenselektion im Rückkoppelzweig 14 erforderlich macht. Die letztere Variante zeigt Figur 4 mit einem Gitterspiegel 25 als wellenlängenselektivem Element .
Die häufiger eingesetzte Version wird die in Figur 5 gezeigte sein, bei der der reflektierte Strahl
ausgekoppelt wird. Figur 5a) illustriert den wichtigsten Fall mit dem TFP 17 als Strahlteiler und Elementen 15 zur Leistungsmodulation im Rückkoppelzweig 14 sowie die typischen Polarisationsverhältnisse. Das rücklaufende Strahlenbündel 43 mit linear senkrechter Polarisation 9 wird am λ/ -Phasenschieber 2 beim ersten Durchlauf in Strahlung mit schwach elliptischer Polarisation 46 und nach Reflexion am Endspiegel 3 beim zweiten Durchlauf in Strahlung mit stark elliptischer Polarisation 47
umgeformt, deren Haupt-Polarisationskomponente horizontal liegt, so dass das im aktiven Medium 1 verstärkte Bündel 6 am TFP 17 in den starken auszukoppelnden und als s- Komponente reflektierten Strahl 7 und den schwachen und als p-Komponente transmittierten Strahl 8 aufgeteilt wird. Letzterer passiert zweimal die strahlformenden,
insbesondere leistungsmodulierenden Elemente 15,
anschließend ohne weitere Leistungsverluste den TFP 17 und läuft wieder als rücklaufendes Strahlenbündel 43 mit linear senkrechter Polarisation 9 durch das aktive Medium 1.
Die Figuren 5b) und c) illustrieren den Spezialfall der Selbstoszillation. Zur besseren Verdeutlichung des
Effektes wurde die Darstellung in den ersten
Resonatorumlauf (5b) ) und den zweiten Resonatorumlauf (5c) ) , welche zusammen einer Periode der Selbstoszillation entsprechen, unterteilt. In Figur 5b) startet ein
herausgegriffenes Strahlungsbündel 45 am Punkt 44, welches zunächst ausschließlich aus jenen spontan emittierten Photonen besteht, die genau in Richtung der Resonatorachse 11 laufen. Dieses unpolarisierte (48) Bündel wird im aktiven Medium 1 verstärkt, durchläuft zweimal den λ/4- Phasenschieber 2 und erreicht nach weiterer Verstärkung schließlich als nach wie vor unpolarisiertes Bündel 6 den TFP 17. Dieser teilt es nun in zwei gleich große Anteile 7 und 8 auf, die in der dargestellten Weise jeweils linear polarisiert sind. Der Strahl 8 wird rückgekoppelt und beim Erreichen des Punktes 44 ist der erste Umlauf
abgeschlossen . Der nun bereits relativ starke Strahl 8 mit der linearen Polarisation 9 erreicht nach weiterer Verstärkung den λ/4- Phasenschieber 2, der genau so eingestellt ist (über den Winkel φ) , dass das Bündel nach dem ersten Durchgang exakt Zirkularpolarisation 49 besitzt und folglich nach
Reflexion am Endspiegel 3 und dem zweiten Durchgang wieder linear, aber nun horizontal (10) polarisiert ist. Dieses Bündel erreicht nach weiterer Verstärkung den TFP 17 und wird jetzt komplett reflektiert, also ausgekoppelt. Die Rückkopplung ist 0, der dargestellte Prozeß muß wieder neu starten, d.h. die Pulsfolgefrequenz der
Selbstoszillation wird im Prinzip durch einen zweifachen „round trip" durch den Resonator vorgegeben. Der genaue zeitliche Leistungsverlauf im ausgekoppelten
Strahlungsbündel 7 hängt komplex von den Laserparametern ab und kann nur durch Lösung der Bilanzgleichungen oder natürlich experimentell ermittelt werden.
Aus der Vielzahl möglicher Anordnungsvarianten des C02- Lasers gemäß der Erfindung zeigen die Figuren 6 bis 10 charakteristische Beispiele.
In Figur 6 wird zunächst ein EOM 18 in den Rückkoppelzweig 14 des Resonators eingesetzt. Der Einsatz solcher
Modulatoren ist für die großen Wellenlängen des C02-Lasers problematisch, man muß auf relativ kleine und teure
Schaltkristalle, z.B. aus CdTe zurückgreifen, die hohe SchaltSpannungen erfordern und in ihren optischen
Parametern (Strahlungsbelastbarkeit und Absorption) nicht optimal sind. Positiv steht dem jedoch ihre extrem hohe Schaltgeschwindigkeit gegenüber, die ihren Einsatz
wünschenswert macht. Gegenüber herkömmlichen C02-Lasern bietet der Laser gemäß der Erfindung signifikante Vorzüge, die die genannten Probleme lösen. Erstens kann die
Leistung im Rückkoppelzweig 14, auch bei vergleichsweise hohen mittleren Leistungen im auszukoppelnden Strahl 7, so stark reduziert werden, dass z.B. durch Einsatz eines Teleskops vom Galilei-Typ 22 der Durchmesser D des rückzukoppelnden Strahles 8 an die freie Öffnung d der kleinen Schaltkristalle 18 angepaßt werden kann, ohne dass eine Zerstörung des Kristalls durch die erhöhte
Leistungsdichte befürchtet werden muß. Zweitens ist mit dem TFP 17 bereits das polarisationsselektive Element, welches bei Modulation mittels elektrooptischer Kristalle erforderlich ist, bereits immanent im Resonator enthalten, muß also nicht zusätzlich eingebracht werden. Für das vollständige Abschalten der Rückkopplung reicht das
Anlegen einer Viertelwellenspannung am Modulator aus, um den rückzukoppelnden Strahl 8 in seiner Polarisation um 90° zu drehen, so dass er beim Rückläufen vom TFP 17 vollständig als Strahl 28 reflektiert und vom Absorber 26 vernichtet wird.
Figur 7 zeigt eine ähnliche Anordnung, aber mit AOM 19. Da die Schaltgeschwindigkeit u.a. vom freien Durchmesser d abhängt (kleines d - hohe Schaltgeschwindigkeit) , sind diese Modulatoren i.a. nur mit d < 10 mm verfügbar, so dass auch hier meistens die Integration eines Teleskops vom Galilei-Typ 22 erforderlich ist. Da Germanium, welches als akustooptischer Kristall bei C02-Lasern eingesetzt wird, ebenfalls relativ empfindlich auf hohe Intensitäten reagiert, ist wieder die niedrige Leistung im
Rückkoppelzweig der entscheidende Vorteil des Lasers gemäß der Erfindung. Figur 7 zeigt zwei Varianten des AOM-Einsatzes . In Figur 7a) erfolgt die Rückkopplung, also der Zustand, in dem der Laser arbeitet, über den direkt vom AOM 19 ohne
Steuersignal in Richtung Endspiegel 4 durchgelassenen Strahl. Bei Anlegen eines Steuersignals, also der
Erzeugung eines Brechzahlgitters im Modulator, werden hin- und rücklaufender Strahl zu einem in Abhängigkeit vom Steuersignal mehr oder weniger hohen Maße aus dem
Resonatorstrahlengang herausgebeugt (Strahlen 29) . Dadurch ist es möglich, die Rückkopplung und folglich die
Laserausgangsleistung zu modulieren. Bei ausreichend hohen Beugungsverlusten, die von den Absorbern 26 aufgenommen werden, kann der Laser unter seine Schwelle gebracht und damit vollständig ausgeschaltet werden- sauberer
Impulsbetrieb ist möglich.
In der zweiten, in Figur 7b) gezeigten Variante wird der vom Modulator bei Anlegen eines Steuersignals abgebeugte Strahl 29 für die Rückkopplung genutzt. Hier ist klar, dass bei Steuersignal = 0 auch die Rückkopplung 0 wird, also der Laser ausgeschaltet ist. So können auch Laser mit sehr hohem gain, die bereits bei sehr kleinen
Rückkopplungen anschwingen, sauber gepulst werden. Ein weiterer positiver Aspekt dieser Anordnung ist ihre
Wellenlängenselektivität, die dem Beugungsprozeß immanent ist. So kann gegebenenfalls auf andere
wellenlängenselektive Elemente im Resonatorstrahlengang verzichtet werden. Zur Sicherung der hohen Strahlqualität und zur Eliminierung einer möglichen Beeinflussung der transversalen Modenstruktur des Lasers durch unerwünschte Beugungseffekte im Randbereich des AOM kann eine
Spezialblende 53 als geeigneter Raumfilter zwischen das Teleskop 22 und den Modulator 19 gesetzt werden. Figur 8 illustriert den Einsatz von ILM 20 zur schnellen Leistungssteuerung des C02-Lasers gemäß der Erfindung. In der dargestellten Anordnung arbeitet der Laser, wenn der Modulator im Idealfall auf Transmission = 1 eingestellt ist und der rückzukoppelnde Strahl 8 quasi verlustfrei passieren kann. Legt man einen entsprechenden Steuerstrom an, wird der Abstand der Interferometerplatten geändert und es treten mehr oder weniger intensive reflektierte Strahlungsanteile 30 auf, die wieder von Absorbern 26 vernichtet werden. Wegen T = 1 - R sinkt in analogem Maße der transmittierte Anteil und damit die Rückkopplung, der Laser kann in seiner Ausgangsleistung moduliert oder auch ausgeschaltet und damit Impulsbetrieb realisiert werden.
Das geschilderte Szenario funktioniert nur einwandfrei, wenn der Laser gezwungen wird, auf genau einer Wellenlänge zu arbeiten. Dafür muß ein wellenlängenselektives Element sorgen - in Figur 8 ist dies das Beugungsgitter 25, das gleichzeitig den Endspiegel 4 ersetzt. Auch ILM reagieren relativ empfindlich auf hohe
Leistungen, da die zwei Interferometerplatten bei hoher Belastung merklich die transmittierten Wellenfronten beeinflussen können. Folglich ist auch hier die geringe Strahlungsbelastung im Rückkoppelzweig 14 ein relevanter Faktor. Eine weitere Variante, die nicht so flexibel wie die vorstehend geschilderten, aber dafür sehr einfach und billig ist, zeigt Figur 9. Mittels einer schnell
rotierenden ZerhackerScheibe 21, die von einem steuerbaren Motor 24 angetrieben wird und zumindest in der Drehzahl gut reguliert werden kann, wird der rückzukoppelnde Strahl 8 periodisch an- und ausgeschaltet. Damit speziell der Anschaltvorgang möglichst schnell im μβ -Bereich erfolgt und zu einem echten Güteschaltungseffekt mit starker
Leistungsüberhöhung führt, wird der rückzukoppelnde Strahl 8 nicht bei seinem Originaldurchmesser "zerhackt", sondern im Zwischenfokus eines Teleskops vom Kepler-Typ 23.
Weitere Elemente sind im Prinzip nicht erforderlich. Der abermalige Vorteil der geringen Leistung im
Rückkoppelzweig 14 liegt bei diesem System darin, dass trotz der scharfen Fokussierung im Teleskop auch bei der Erzeugung sehr leistungsstarker Impulse an der schaltenden Kante keine Funkenbildung und damit kein Materialabtrag stattfindet, der die Lebensdauer der Zerhackerscheibe 21 stark reduzieren würde.
Eine Variante, die durch die Entwicklung moderner
Hochleistungs-Scannersysteme von Interesse ist,
illustriert Figur 10. Um gleichzeitig zu zeigen, wie die Teleskope auf Linsenbasis durch Spiegelversionen ersetzt werden können, wird hier ein Galilei-Teleskop, das aus einem Hohlspiegel 50 und einem Wölbspiegel 51 besteht, eingesetzt. Das durch dieses Teleskop in seinem
Durchmesser verkleinerte Strahlenbündel 8 trifft auf den Kippspiegel 52, der den Endspiegel 4 ersetzt. Durch schnelle Oszillation dieses Kippspiegels 52 kann der Laserresonator rasch zwischen justiertem und unjustiertem Zustand hin- und hergeschaltet und auf diese Weise
Strahlungsimpulse erzeugt werden. Die erreichbaren
Pulsfolgefrequenzen liegen in der Größenordnung 104 Hz. Da diese Pulsfolgefrequenz von der Masse des Kippspiegels 52 und damit seinem Durchmesser abhängt, ist die Reduzierung des Bündeldurchmessers sinnvoll. Auch hier ist die geringe Leistung im Rückkoppelzweig 14 äußerst vorteilhaft, da sehr kleine Spiegeldurchmesser in der Größenordnung mm und damit sehr hohe Pulsfolgefrequenzen ohne Gefahr der
Spiegelzerstörung genutzt werden können.
Die Vorzüge des C02-Lasers gemäß der Erfindung sind nicht nur auf die Strahlungseigenschaften des Lasers selbst beschränkt. Figur 11 zeigt einen signifikanten Vorteil, den dieser Laser beim Einsatz in einer
Materialbearbeitungsanlage bringt. Für solche Anlagen ist es typisch, dass einerseits nicht linear, sondern zirkulär polarisierte Strahlung 36 auf das Werkstück 33 geschickt wird und andererseits Maßnahmen zur Strahlungsentkopplung zwischen Laser und Werkstück getroffen werden, damit die z.B. von hochreflektierenden Werkstoffen in Richtung Laser zurücklaufende Strahlung 37 nicht zu Instabilitäten beim Prozeß der Strahlungsbildung im Laser führt. In
herkömmlichen Anlagen werden zu diesem Zweck zwei
Bauelemente, ein ATFR-Spiegel , der s-polarisierte
Strahlung reflektiert und p-polarisierte absorbiert, und ein λ/4 -Phasenschieber 34 in Kombination genutzt. Wird der C02-Laser gemäß der Erfindung eingesetzt, kann auf den ATFR-Spiegel verzichtet werden, da seine Aufgabe der
Polarisationsstrahlteiler, in Figur 11 also der TFP 17, automatisch erfüllen kann. Nach zweimaligem Passieren des externen λ/4 -Phasenschiebers 34 ist nämlich das vom
Werkstück 33 kommende Strahlungsbündel 38 linear, aber senkrecht zur Laserstrahlung 35 polarisiert und wird folglich vom TFP 17 vollständig durchgelassen, also aus dem Resonatorstrahlengang eliminiert. Ein Absorber 26 vernichtet diese Strahlung.
Während realer Materialbearbeitungsprozesse ist meistens eine Variation der Laserleistung erforderlich. Um dabei optimal eingestellte Parameter der Laserfunktion selbst, insbesondere die Qualität der LaserStrahlung, nicht zu beeinflussen, ist eine externe Leistungsmodulation
vorteilhaft. Figur 12 illustriert zwei Möglichkeiten, die in Verbindung mit dem C02-Laser gemäß der Erfindung dazu genutzt werden können. In Figur 12 a) ist der Einsatz eines ILM 54 zur externen Leistungsmodulation dargestellt. Der vom Laser kommende Strahl 35 wird dabei vom ILM 54 in den in seiner Leistung regulierten transmittierten Strahl 59, der dem Werkstück 33 zugeführt wird, und in den reflektierten Strahl 58 mit der Restleistung aufgeteilt. Letzterer wird im Bauelement 55, das wahlweise ein
Absorber oder ein Strahlungsdetektor sein kann, entweder vernichtet oder zur On-line-Uberwachung genutzt. Der
Vorteil des ILM-Einsatzes liegt in dessen relativ hoher Strahlungsbelastbarkeit, die Modulationsgeschwindigkeit ist allerdings begrenzt auf typische Zeiten im Bereich 10 bis 100 μβ . Der erreichbare Maximum-Minimum- Modulationsbereich der Leistung hängt von den eingesetzten Interferometerplatten ab. Typische ILM-Modelle erlauben Abschwächungen des Laserstrahles 35 um Faktoren zwischen 10 und 100.
Sehr hohe Modulationsgeschwindigkeiten bis in den sub-^s- Bereich erlaubt der in Figur 12 b) dargestellte Einsatz eines AOM 57, dem i.a. optische Elemente zur Strahlformung 56, z.B. ein Teleskop zur Anpassung des Strahldurchmessers und eine Spezialblende zur Sicherung der Strahlqualität, vorgeschaltet sind. In diesem Beispiel wird der abgebeugte Strahl als leistungsregulierter Strahl 59 dem Werkstück 33 zugeführt. Der Reststrahl 58 wird wieder wahlweise in einem Absorber/Detektor 55 vernichtet oder gemessen. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist die Tatsache, dass der Strahl 59 beliebig stark abgeschwächt werden kann, im Minimum bis auf 0 W. Je nach AOM-Modell ist allerdings die regelbare Leistung begrenzt.
Figur 13 zeigt stark schematisiert noch einen für die praktische Realisierung des C02-Lasers gemäß der Erfindung wichtigen Faktor. Um die Langzeitstabilität der
empfindlichen resonatorinternen Bauelemente zu
garantieren, sie also insbesondere vor Staub und
Klimaeinflüssen zu schützen, sollte das gesamte System in einer vakuumdichten Einhausung 31 untergebracht sein.
Figur 12 zeigt dies für das Laserende mit dem
Dünnfilmpolarisator 17 und den Elementen des
Rückkoppelzweiges 14. Der auszukoppelnde Strahl 7 verläßt den Laser durch das Fenster 32 aus transparentem Material, vorzugsweise aus ZnSe. Analog sind die Elemente am anderen Ende des Resonators, also der λ/4 -Phase-Retarder-Spiegel 16 und der Endspiegel 3 in die Einhausung einzubeziehen. Praktischerweise kann die gesamte vakuumdichte Einhausung 31 mit dem Volumen des aktiven Mediums 1 verbunden werden.
Bezugszeichenliste
1 Aktives Medium
2 λ/4 -Phasenschieber
3 Endspiegel 1
4 Endspiegel 2
5 Polarisationsstrahlteiler
6 Auf Polarisationsstrahlteiler 5 bzw. 17
auftreffender Strahl
7 Auszukoppelnder Strahl
8 Rückzukoppelnder Strahl
9 Vertikale Polarisationsrichtung
10 Horizontale Polarisationsrichtung
11 Resonatorachse
12 Charakteristische Achse des λ/4 -Phasenschiebers 2
13 Charakteristische Achse des
Polarisationsstrahlteilers 5
14 Rückkoppelzweig des Resonators
15 Elemente zur Strahlformung
16 λ/4 -Phase-Retarder-Spiegel (PRS)
17 Dünnfilmpolarisator (TFP)
18 Elektrooptischer Modulator (EOM)
19 Akustooptischer Modulator (AOM)
20 Interferenz-Laserstrahlungsmodulator (ILM)
21 Zerhackerscheibe
22 Teleskop vom Galilei-Typ
23 Teleskop vom Kepler-Typ
24 Antriebselement
25 Reflexionsgitter
26 Absorber
27 Optische Achse des ILM 20 28 Vom EOM 18 in seiner Polarisationsrichtung um 90° gedrehter Strahl
29 Vom AOM 19 abgebeugter Strahl
30 Vom ILM 20 reflektierter Strahl
31 Vakuumdichte Einhausung
32 Fenster aus transparentem Material
33 Werkstück
34 externer λ/ -Phasenschieber
35 Linear polarisierte Strahlung des Lasers
36 In Richtung Werkstück laufende zirkulär polarisierte Strahlung
37 Vom Werkstück in Richtung Laser laufende zirkulär polarisierte Strahlung
38 Vom Werkstück kommende und vom λ/ -Phasenschieber
(34) linear polarisierte Strahlung
39 Umlenkspiegel
40 Bearbeitungskopf
41 Einfallslot des PRS 16
42 Einfallslot des Endspiegels 3
43 In Richtung des λ/4 -Phasenschiebers 2 laufender
Strahl
44 Startpunkt der spontanen Strahlung
45 Schwacher, in Richtung Resonatorachse 11 laufender spontan emittierter Strahl
46 Schwache elliptische Polarisation
47 Starke elliptische Polarisation
48 Unpolarisierte Strahlung
49 Zirkulare Polarisation
50 Hohlspiegel
51 Wölbspiegel
52 Kippspiegel 53 Spezialblende
54 extern angeordneter ILM
55 Wahlweise Absorber oder Detektor
56 Externe Elemente zur Strahlformung
57 Externer AOM
58 Eliminierter Strahlungsanteil
59 Leistungsregulierte Strahlung c Lichtgeschwindigkeit
d reduzierter Durchmesser des Laserstrahls
D Durchmesser des Laserstrahls
fimp Impulsfolgefrequenz
L Resonatorlänge
P0 Strahlungsleistung vor Aufspaltung
Pp Leistung des parallel polarisierten
Strahlungsanteils
Ps Leistung des senkrecht polarisierten
Strahlungsanteils
PA Leistung des auszukoppelnden Strahls PR Leistung des rückzukoppelnden Strahls
Si, S2 Endspiegel
AOM Akustooptischer Modulator
ATFR Absorbing Thin Film Reflector
cw continuous wave
EOM Elektrooptischer Modulator
FPI Fabry-Perot-Interferometer
ILM Interferenz-Laserstrahlungsmodulator
PRS λ/4-Phase-Retarder-Spiegel
TFP Dünnfilmpolarisator
aB Brewsterwinkel ß Winkel zwischen Resonatorachse und Einfallslot des
PRS
ε Neigung der ILM-Achse gegen Resonatorachse
λ Wellenlänge
φ Winkel zwischen charakteristischen Achsen von
Polarisationsstrahlteiler und λ/ -Phasenschieber

Claims

Patentansprüche
C02-Laser mit einem an beiden Enden mit
Resonatorendspiegeln (3, 4) abgeschlossenen Resonator enthaltend ein aktives Medium (1) und mit Elektroden für die Pumpenenergiezufuhr, wobei der Resonator in Richtung einer Resonatorachse (11) , verlaufend orthogonal zu den
Resonatorendspiegeln (3, 4), zwischen den
Resonatorendspiegeln (3, 4) in einen
Hochleistungszweig und in einen Rückkoppelzweig (14) unterteilt ist, wobei der Hochleistungszweig und der Rückkoppelzweig (14) durch einen Polarisationsstrahlteiler (5) zur Auskoppelung eines Teils des im Resonator erzeugten Laserstrahls (7) voneinander getrennt sind, wobei in dem Hochleistungszweig zwischen einem ersten Resonatorendspiegel (3) und dem
Polarisationsstrahlteiler (5) das aktive Medium (1) und ein lambda/4 Phasenschieber (2) angeordnet ist, wobei in dem Rückkoppelzweig (14) zwischen einem zweiten Resonatorendspiegel (4) und dem
Polarisationsstrahlteiler (5) Elemente zur
Strahlformung (15) angeordnet sind, wobei der lambda/4 Phasenschieber (2) und der
Polarisationsstrahlteiler (5) gegeneinander um Winkel φ verdrehbar sind, und zwar um eine Drehachse mit zumindest einer Drehkomponente parallel zur
Resonatorachse (11) oder um die Resonatorachse (11) , wobei die Resonatorachse (11) entweder geradlinig oder abgeknickt durch den Polarisationsstrahlteiler (5) verläuft und wobei der zweite Resonatorendspiegel (4) durch ein wellenlängenselektives Element als Element zur
Strahlformung (15) ersetzt sein kann.
C02-Laser nach Anspruch 1, wobei das aktive Medium im Resonator (14) , insbesondere dem Hochleistungszweig, einen Druck von weniger als 0,2 bar, insbesondere weniger als 0,1 bar, aufweist, und/oder wobei der lambda/4 Phasenschieber (2) zwischen dem aktiven
Medium (1) und dem ersten Resonatorendspiegel (3) angeordnet ist.
C02-Laser nach Anspruch 1 oder 2, wobei beide
Resonatorendspiegel (3, 4) eine Reflektivität von mehr als 95%, insbesondere mehr als 99%, aufweisen. C02-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Elemente zur Strahlformung (15) ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Elementen zur
Leistungsmodulation, zur Wellenlängenselektion,
Spezialblenden und Kombinationen von 2 oder mehr solcher Elemente. C02-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der λ/ -Phasenschieber (2) ein λ/ -phase-retarder-Spiegel (16), vorzugsweise für hohe Leistungen, ist.
C02-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei der Winkel φ mit der Maßgabe einstellbar ist, dass der durch das aktive Medium (l) in Richtung des Polarisationsstrahlteilers (5) laufende Strahl (6) und der in Richtung des λ/4 -Phasenschiebers (2) laufende Strahl (43) jeweils linear, aber senkrecht zueinander polarisiert sind, oder
wobei der Winkel φ mit der Maßgabe einstellbar ist, dass der durch das aktive Medium (1 in Richtung des λ/4 -Phasenschiebers (2) laufende Strahl (43) linear und der durch das aktive Medium (1) in Richtung des Polarisationsstrahlteilers (5) laufende Strahl (6) elliptisch polarisiert ist, wobei Exzentrizität und Lage der Ellipse durch φ bestimmt sind,
wobei vorzugsweise der vom
Polarisationsstrahlteiler (5) reflektierte Strahl als auszukoppelnder Strahl (7) und der transmittierte Strahl als rückzukoppelnder Strahl (8) genutzt werden und wobei die Resonatorachse (11) vorzugsweise
geradlinig durch den Polarisationsstrahlteiler (5) verläuft .
C02-Laser nach Anspruch 1 bis 6, wobei der vom
Polarisationsstrahlteiler (5) transmittierte Strahl als auszukoppelnder Strahl (7) und der reflektierte Strahl als rückzukoppelnder Strahl (8) genutzt werden und wobei die Resonatorachse (11) vorzugsweise abgeknickt durch den Polarisationsstrahlteiler (5) verläuft .
C02-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei im Rückkoppelzweig (14) des Resonators als
wellenlängenselektives Element ein Beugungsgitter (25) an Stelle des zweiten Resonatorendspiegels (4)
eingesetzt wird.
Materialbearbeitungsanlage mit einer
Werkstückhalterung für ein Werkstück und mit einem C02- Laser (35) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Werkstück mittels der Werkstückhalterung relativ zu einem Laserausgang des Lasers positionierbar ist, wobei in den Strahlweg zwischen dem Laserausgang und dem Werkstück (33) , vorzugsweise unmittelbar bei dem Laserausgang, ein λ/4 -Phasenschieber (34) mit der Maßgabe eingerichtet ist, dass die linear polarisierte Strahlung des Lasers (35) in zirkulär polarisierte Strahlung (36) transformiert wird, ein nach Reflexion oder Streuung am Werkstück zurück in Richtung Laser laufende Strahlungsanteil (37) nach dem zweiten
Durchlaufen des λ/4 -Phasenschiebers (34) wieder linear, aber senkrecht zur emittierten Laserstrahlung (35) polarisiert wird und dieser Strahlungsanteil (38) vor Eindringen in das aktive Medium (1) im Resonator vom Polarisationsstrahlteiler (5, 17) aus der Richtung des Laserstrahles abgelenkt und von einem Absorber (26) vernichtet wird.
10. Materialbearbeitungsanlage mit einer
Werkstückhalterung für ein Werkstück und mit einem C02- Laser (35) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Werkstück mittels der Werkstückhalterung relativ zu einem Laserausgang des Lasers positionierbar ist, wobei in den Strahlweg zwischen dem Laserausgang und dem Werkstück (33) Elemente zur Leistungsmodulation, vorzugsweise Interferenz -Laserstrahlungsmodulatoren (54) oder akustooptische Modulatoren (57) , mit der Maßgabe integriert sind, dass der in Richtung
Werkstück (33) laufende Strahl (59) in seiner Leistung in weiten Grenzen regelbar ist, ohne dass
Steuerungsparameter in dem Laser verändert werden..
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