WO2008000237A1 - Gaslaser mit einem instabilen laserresonator und einer lichtleiterfaser - Google Patents

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Michael Von Borstel
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • H01S3/08081Unstable resonators

Definitions

  • the present invention relates to a gas laser with a provided in a laser housing unstable laser resonator and with a device for taking out the laser beam generated in the laser resonator from the laser housing.
  • Such a gas laser with optically unstable laser resonator has become known, for example, by the slab laser of EP 0 305 893 A2 and the coaxial laser of EP 0 911 922 A1.
  • the two gas lasers mentioned have laser resonators that are unstable in one direction.
  • the slab laser is a modification of a waveguide laser in which the volume of gas is confined in two directions by wall surfaces that form an optical waveguide. In the slab laser, the waveguide exists only in one direction, while the laser beam in the second direction is not limited by wall surfaces and can propagate freely.
  • the coaxial laser has an unstable laser resonator in the azimuthal direction and a stable laser resonator with free beam propagation in the radial direction.
  • the invention can be applied to all gas lasers which have an unstable laser resonator in at least one direction and the laser beam is coupled out of the laser resonator via a coupling-out opening in or next to a resonator mirror.
  • the laser resonator In the case of gas lasers, the laser resonator must be sealed against the environment due to the gaseous laser medium. In optically unstable laser resonators, the laser beam passes through an opening in or next to the
  • This coupling-out opening is closed by a ZnSe or diamond coupling-out window, so that the laser resonator is sealed gas-tight.
  • optical fibers optical fibers
  • Gas lasers such as CO 2 and Er: YAG gas lasers
  • CO 2 and Er: YAG gas lasers can not be routed via conventional glass fibers, since at wavelengths greater than 2 ⁇ m, the laser radiation is absorbed to an increased extent and losses increase drastically.
  • the beam guidance is therefore carried out in lasers with wavelengths greater than 2 microns in free beam propagation via transmitting and reflecting optical elements, such as lenses, mirrors.
  • This object is achieved in that the device for leading out a led out of the laser housing optical fiber is coupled into the decoupled from the laser resonator laser beam and from the Laser housing is led out.
  • the idea of the present invention is to form an optical fiber fiber as the end of the laser resonator against the environment and to dispense with a coupling window for gas-tight termination of the laser resonator, so that no transmissive optics between laser resonator and optical fiber are present.
  • a significant advantage is that beam changes caused by a warm / cold behavior of transmissive optical elements can be avoided and expensive transmissive optics, eg diamond windows, can be dispensed with.
  • the laser resonator has a coupling-out opening, through which the laser beam is coupled out of the laser resonator and enters a coupling chamber of the laser housing, in which the laser beam coupled out of the laser resonator is coupled into the optical fiber.
  • the coupling chamber is connected via the coupling-out opening with the laser resonator and therefore also filled with laser gas.
  • focusing optics for example a focusing mirror
  • An advantage of this arrangement is that the injection chamber, i. the space between laser resonator and fiber input, filled with laser gas and thus the focusing optics is protected from contamination.
  • the optical fiber is formed of solid material or consists for example of an outer hollow fiber whose Cavity is filled with a transmissive to the laser beam wavelength material.
  • the optical fiber is a hollow fiber (waveguide).
  • This hollow fiber is a small resonator leak, which leads to a gas flow in one direction or the other depending on the pressure conditions between the laser resonator and the environment.
  • the leakage rate is low and can be neglected.
  • the invention works for all types of hollow fibers, e.g. inner coated hollow fibers of quartz, Bragg reflection fibers or photonic bandgap fibers of chalcogenide.
  • the inner diameters of the hollow fibers are preferably less than or equal to 1, 2 mm, more preferably less than 0.8 mm.
  • the hollow fiber forms the conclusion of the laser resonator against the environment, so that can be dispensed with a coupling window for gas-tight termination of the laser resonator and no transmissive optics between laser resonator and hollow fiber are available.
  • the hollow optical fiber is closed at its end led out of the laser housing by a transmissive window, in which case an already required focusing lens is preferably used.
  • This solution allows any pressure adjustment in the hollow fiber.
  • the exit end of the hollow fiber can for example be operated at the pressure level of the laser resonator and the hollow fiber itself can be used as a pressure-tight laser gas termination. It is therefore also possible to place under vacuum the space into which the outlet end of the optical fiber leads out of the laser housing, so that laser gas can be pumped out of the laser resonator via the hollow optical fiber.
  • Another solution is to use an aerodynamic window behind the hollow fiber optic fiber.
  • the hollow optical fiber is open to the atmosphere at its outlet end led out of the laser housing.
  • the hollow optical fiber is connected at its outgoing from the laser housing outlet end to a laser gas exchange unit, via the hollow optical fiber Pumping laser gas out of the laser housing and / or pumping laser gas into the laser housing.
  • this laser gas exchange unit is a laser gas source which effects laser gas flow in one or the other direction by means of appropriate overpressure or vacuum control within the hollow optical fiber.
  • the prevailing in the laser resonator is a laser gas source which effects laser gas flow in one or the other direction by means of appropriate overpressure or vacuum control within the hollow optical fiber.
  • the laser gas exchange unit can also be a vacuum pump to pump out laser gas from the laser resonator or the laser housing.
  • the gas laser according to the invention is in particular a slab laser of the type shown in EP 0 305 893 A2 or a coaxial laser of the type shown in EP 0 911 922 A1.
  • the invention can also be applied to other gas laser types with an unstable laser resonator.
  • the invention also relates to a method for exchanging laser gas in an unstable laser resonator of a gas laser provided in a laser housing, wherein laser gas is pumped out of the laser housing via a hollow optical fiber over which the laser beam generated in the laser resonator is led out of the laser housing and / or laser gas the laser housing is pumped into it.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the gas laser according to the invention with an open to the atmosphere hollow optical fiber for Removing the laser beam generated in the unstable laser resonator from the laser housing;
  • 2 shows a second embodiment of the gas laser according to the invention with a hollow optical fiber terminated by a transmissive window for leading out the laser beam generated in the unstable laser resonator from the laser housing;
  • Fig. 3 shows a third embodiment of the gas laser according to the invention with a connected to a laser gas exchange unit hollow
  • Optical fiber for removing the laser beam generated in the unstable laser resonator from the laser housing
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment of the gas laser according to the invention with an optical fiber made of solid material for taking out the laser beam generated in the unstable laser resonator from the
  • FIG. 5 shows schematically the structure of the in FIG. 1 to 4 shown unstable
  • FIG. 6 schematically shows the structure of the embodiment shown in FIGS. 1 to 4 shown unstable
  • the gas laser 1 shown schematically in FIG. 1 has a laser housing 2 with a laser resonator 3 which is optically unstable at least in one direction and whose resonator chamber is a discharge space 4 filled with laser gas.
  • the laser beam generated in the laser resonator 3 is coupled out of the laser resonator 3 via a coupling-out opening 5 and enters a coupling-in chamber 6 of the laser resonator 3
  • Laser housing 2 a There, the coupled out of the laser resonator 3 laser beam 7 via a focusing lens (eg a focusing mirror) 8 is bundled in the direction of the inlet end 10 of an optical fiber 9 and coupled into the hollow optical fiber (hollow fiber) 9, which led out of the laser housing 2 and at its outlet end 11 is open to the atmosphere.
  • the coupling chamber 6 is connected via the coupling-out opening 5 with the gas-filled discharge space 4 of the laser resonator 3 and therefore also filled with laser gas.
  • the hollow optical fiber 9 thus represents a small Resonatorleck, depending on the pressure conditions to a gas flow within the hollow optical fiber 9 leads in one or the other direction. For long hollow fibers, the leakage rate is low and can be neglected. The leaked from the hollow optical fiber 9 at the outlet end 11 laser beam is denoted by 12.
  • the laser resonator 3 differs from the gas laser 1 shown in FIG. 2 in that here the hollow optical fiber 9 is closed at its exit end 11 led out of the laser housing 2 by a transmissive window 13 designed as a focusing lens.
  • the laser resonator 3 also forms part of the laser housing 2 and, unlike in FIG. 1, is not disposed within the coupling chamber 6.
  • the coupling-in chamber 6 together with the focusing optics 8 forms another part of the laser housing 2 and is arranged next to the laser resonator 3.
  • the laser resonator 3 and the coupling chamber 6 are connected to each other via the coupling-out opening 5.
  • the hollow optical fiber 9 is guided on its exit end 11 led out of the laser housing 2 via the machining head 14 of a laser processing machine, for example for cutting or welding (not shown). is connected to a laser gas exchange unit 15.
  • This laser gas exchange unit 15 is, for example, a laser gas source whose pressure is adjustable.
  • the hollow optical fiber 9 terminates in a focusing chamber 16 of the processing head 14, in which the laser beam emerging from the optical fiber 9 is focused on a focusing mirror (e.g., parabolic or ellipsoidal mirror) 17 on the workpiece (not shown).
  • the leaked from the processing head 14 laser beam is denoted by 12.
  • the laser gas exchange unit 15 is connected to the focusing chamber 16 and can thus pump laser gas out of the laser housing 2 or laser resonator 3 via the hollow optical fiber 9 or pump laser gas into the laser housing 2 or the laser resonator 3.
  • Laser resonator 3 ruling laser gas pressure can be controlled to a desired value.
  • the gas laser 1 shown in Fig. 4 differs in that here the optical fiber 9 'is not hollow, but of solid material and the Auskoppelö réelle 5 closes and that the laser resonator 3 simultaneously forms the laser housing 2.
  • the decoupled from the laser resonator 3 laser beam is directly, ie without coupling chamber, in the
  • chalcogenide glass fibers or crystalline fibers made of AgBrCl or sapphire are suitable as optical fiber fibers 9 'made of solid material.
  • the coupled out of the laser resonator 3 laser beam is coupled without coupling chamber and focusing optics in the inlet end 10 of a hollow optical fiber 9 and led out of the laser housing 2.
  • Fig. 5 shows schematically the structure of the unstable laser resonator 3 using the example of a diffusion-cooled slab laser (stripline laser) 18.
  • the laser resonator 3 has a concave resonator mirror 19, a convex resonator mirror 20 and in between a limited by side walls 21 and filled with laser gas discharge space 22 with not shown plate-shaped electrodes. All of the light beams 23 propagating in the longitudinal direction of the slab laser 18 between the two resonator mirrors 19, 20 are reflected back and forth between the two resonator mirrors 19, 20 until they have traveled in the direction transverse to the longitudinal direction 24 to the coupling-out opening 5 and out of the laser resonator 3 are coupled out as a laser beam 7.
  • EP 0 305 893 A2 For further details of the Slablasers, reference is expressly made to EP 0 305 893 A2, the entire disclosure of which is hereby incorporated by reference. Unlike in EP 0 305 893 A2, the laser resonator 3 does not form a self-contained gas-tight unit due to the non-closed coupling-out opening 5.
  • the laser resonator 3 has two annular resonator mirrors 26, 27 and an annular discharge space 28 delimited by cylindrical electrodes (not shown) and filled with laser gas.
  • the one resonator mirror 26 is in the azimuthal direction configured such that the laser beam 29 rotates azimuthally in the annular discharge space 28.
  • the other resonator mirror 27 is conical with a cone angle less than or equal to 90 ° and deflects the laser beam 29 in an opposite azimuthal region.
  • the laser beam 29 is again reflected back onto the resonator mirror 26 until the laser beam 29 is finally decoupled from the laser resonator 3 as a laser beam 7 through the decoupling opening 5 provided in the resonator mirror 26.
  • EP 0 911 922 A1 the entire disclosure of which is hereby incorporated by reference.
  • the laser resonator 3 does not form a self-contained gas-tight unit due to the non-closed coupling-out opening 5.

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Abstract

Bei einem Gaslaser (1) mit einem in einem Lasergehäuse (2) vorgesehenen instabilen Laserresonator (3) und mit einer Vorrichtung zum Herausführen eines im Laserresonator (3) erzeugten Laserstrahls (7) aus dem Lasergehäuse (2) ist die Vorrichtung zum Herausführen erfindungsgemäß eine aus dem Lasergehäuse (2) herausgeführte Lichtleiterfaser (9), in die der aus dem Laserresonator (3) ausgekoppelte Laserstrahl (7) eingekoppelt wird. Ist die Lichtleiterfaser hohl, so kann über sie Lasergas in das Lasergehäuse hinein oder heraus gepumpt werden.

Description

Gaslaser mit einem instabilen Laserresonator und einer Lichtleiterfaser
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gaslaser mit einem in einem Lasergehäuse vorgesehenen instabilen Laserresonator und mit einer Vorrichtung zum Herausführen des im Laserresonator erzeugten Laserstrahls aus dem Lasergehäuse.
Ein derartiger Gaslaser mit optisch instabilem Laserresonator ist beispielsweise durch den Slablaser der EP 0 305 893 A2 und den koaxialen Laser der EP 0 911 922 A1 bekannt geworden. Die beiden genannten Gaslaser weisen Laserresonatoren auf, die in einer Richtung .instabil sind. Der Slablaser stellt eine Abwandlung eines Wellenleiterlasers dar, bei dem das Gasvolumen in zwei Richtungen von Wandflächen begrenzt wird, die einen optischen Wellenleiter bilden. Beim Slablaser besteht der Wellenleiter nur in einer Richtung, während der Laserstrahl in der zweiten Richtung nicht durch Wandflächen begrenzt ist und frei propagieren kann. Der koaxiale Laser weist in azimutaler Richtung einen instabilen Laserresonator und in radialer Richtung einen stabilen Laserresonator mit freier Strahlpropagation auf. Die Erfindung kann bei allen Gaslasern angewandt werden, die in mindestens einer Richtung einen instabilen Laserresonator aufweisen und der Laserstrahl über eine Auskoppelöffnung im oder neben einem Resonatorspiegel aus dem Laserresonator ausgekoppelt wird.
Bei Gaslasern muss der Laserresonator aufgrund des gasförmigen Lasermediums gasdicht gegen die Umgebung abgeschlossen werden. Bei optisch instabilen Laserresonatoren tritt der Laserstrahl über eine Öffnung im oder neben dem
Resonatorspiegel aus dem Laserresonator aus. Diese Auskoppelöffnung wird über ein ZnSe- oder Diamant-Auskoppelfenster verschlossen, so dass der Laserresonator gasdicht abgeschlossen ist.
Die Strahlführung von Laserstrahlen über optische Fasern (Lichtleiterfasern) gehört seit langem zum Stand der Technik bei Festkörper- und Diodenlasern. Gaslaser, wie beispielsweise CO2- und Er:YAG-Gaslaser, können nicht über konventionelle Glasfasern geführt werden, da bei Wellenlängen größer als 2 μm die Laserstrahlung verstärkt absorbiert wird und die Verluste drastisch ansteigen. Die Strahlführung erfolgt daher bei Lasern mit Wellenlängen größer als 2 μm in freier Strahlpropagation über transmittierende und reflektierende optische Elemente, wie z.B. Linsen, Spiegel.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei einem Gaslaser der eingangs genannten Art den im instabilen Laserresonator erzeugten Laserstrahl aus dem Lasergehäuse kostengünstig und zuverlässig herauszuführen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung zum Herausführen eine aus dem Lasergehäuse herausgeführte Lichtleiterfaser ist, in die der aus dem Laserresonator ausgekoppelte Laserstrahl eingekoppelt und aus dem Lasergehäuse herausgeführt wird.
Durch die Entwicklung neuer optischer Fasern, wie z.B. „Photonic Bandgap"-Fasern und „Hollow Silica Waveguide"-Fasem, können nun auch Laserstrahlen mit langen Wellenlängen größer als 2 μm, wie z.B. von CO2- und EπYAG-Lasem, über Lichtleiterfasern geführt werden. Erfindungsgemäß wird der im instabilen Laserresonator erzeugte Laserstrahl innerhalb des Lasergehäuses in eine Lichtleiterfaser eingekoppelt und so aus dem Lasergehäuse herausgeführt. Dadurch kann auf ein bei instabilen Laserresonatoren bisher erforderliches Auskoppelfenster, beispielsweise aus ZnSe oder Diamant, verzichtet werden. Mit anderen Worten besteht die Idee der vorliegenden Erfindung darin, eine Lichtleiterfaser als Abschluss des Laserresonators gegen die Umgebung auszubilden und auf ein Auskoppelfenster zum gasdichten Abschluss des Laserresonators zu verzichten, so dass keine transmissiven Optiken zwischen Laserresonator und Lichtleiterfaser vorhanden sind. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass Strahlveränderungen, die durch ein Warm/Kalt-Verhalten von transmissiven optischen Elementen entstehen, vermieden werden und auf teure transmissive Optiken, z.B. Diamantfenster, verzichtet werden kann.
Vorzugsweise weist der Laserresonator eine Auskoppelöffnung auf, durch die der Laserstrahl aus dem Laserresonator ausgekoppelt wird und in eine Einkoppelkammer des Lasergehäuses eintritt, in welcher der aus dem Laserresonator ausgekoppelte Laserstrahl in die Lichtleiterfaser eingekoppelt wird. Die Einkoppelkammer ist über die Auskoppelöffnung mit dem Laserresonator verbunden und daher auch mit Lasergas gefüllt. Besonders vorteilhaft ist in der Einkoppelkammer eine Fokussieroptik (z.B. ein Fokussierspiegel) angeordnet, die den aus dem Laserresonator ausgekoppelten Laserstrahl auf das Eintrittsende der Lichtleiterfaser bündelt und in die Lichtleiterfaser einkoppelt. Ein Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Einkoppelkammer, d.h. der Raum zwischen Laserresonator und Fasereingang, mit Lasergas gefüllt ist und dadurch die Fokussieroptik vor Verschmutzungen geschützt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Lichtleiterfaser aus Vollmaterial gebildet oder besteht beispielsweise aus einer äußeren Hohlfaser, deren Hohlraum mit einem für die Laserstrahlwellenlänge transmissiven Material gefüllt ist.
Bei einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Lichtleiterfaser eine Hohlfaser (Hohlleiter). Diese Hohlfaser stellt ein kleines Resonatorleck dar, das je nach Druckverhältnissen zwischen dem Laserresonator und der Umgebung zu einer Gasströmung in die eine oder andere Richtung führt. Für lange Hohlfasern ist die Leckrate gering und kann vernachlässigt werden. Die Erfindung funktioniert für alle Typen von Hohlfasern, wie z.B. innen beschichtete Hohlfasern aus Quarz, Bragg-Reflexionsfasern oder Photonic-Bandgap-Fasern aus Chalcogenid. Die Innendurchmesser der Hohlfasern sind bevorzugt kleiner oder gleich 1 ,2 mm, besonders bevorzugt kleiner als 0,8 mm. Die Hohlfaser bildet den Abschluss des Laserresonators gegen die Umgebung, so dass auf ein Auskoppelfenster zum gasdichten Abschluss des Laserresonators verzichtet werden kann und keine transmissiven Optiken zwischen Laserresonator und Hohlfaser vorhanden sind.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die hohle Lichtleiterfaser an ihrem aus dem Lasergehäuse herausgeführten Ende durch ein transmissives Fenster verschlossen, wobei hier bevorzugt eine ohnehin benötigte Fokussierlinse verwendet wird. Diese Lösung ermöglicht eine beliebige Druckeinstellung in der Hohlfaser. Das Austrittsende der Hohlfaser kann beispielsweise auf dem Druckniveau des Laserresonators betrieben und die Hohlfaser selbst als druckdichter Lasergasabschluss genutzt werden. Es ist also auch möglich, den Raum, in den das aus dem Lasergehäuse herausgeführte Austrittsende der Lichtleiterfaser mündet, unter Vakuum zu setzen, sodass über die hohle Lichtleiterfaser Lasergas aus dem Laserresonator abgepumpt werden kann. Eine andere Lösung ist die Verwendung eines aerodynamischen Fensters hinter der hohlen Lichtleiterfaser.
In einer anderen Weiterbildung ist die hohle Lichtleiterfaser an ihrem aus dem Lasergehäuse herausgeführten Austrittsende zur Atmosphäre hin offen.
In einer weiteren, ganz besonders vorteilhaften Weiterbildung ist die hohle Lichtleiterfaser an ihrem aus dem Lasergehäuse herausgeführten Austrittsende an eine Lasergas-Austauscheinheit angeschlossen, die über die hohle Lichtleiterfaser Lasergas aus dem Lasergehäuse abpumpt und/oder Lasergas in das Lasergehäuse hinein pumpt. Diese Lasergas-Austauscheinheit ist beispielsweise eine Lasergasquelle, die durch entsprechende Überdruck- oder Unterdruckansteuerung innerhalb der hohlen Lichtleiterfaser eine Lasergasströmung in die eine oder andere Richtung bewirkt. Vorzugsweise wird der im Laserresonator herrschende
Lasergasdruck durch entsprechende Ansteuerung der Lasergas-Austauscheinheit auf den gewünschten Wert geregelt. Die Lasergas-Austauscheinheit kann auch eine Vakuumpumpe sein, um Lasergas aus dem Laserresonator bzw. dem Lasergehäuse abzupumpen.
Der erfindungsgemäße Gaslaser ist insbesondere ein Slablaser des in EP 0 305 893 A2 gezeigten Typs oder ein koaxialer Laser des in EP 0 911 922 A1 gezeigten Typs. Die Erfindung lässt sich aber auch auf andere Gaslasertypen mit instabilem Laserresonator übertragen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Austauschen von Lasergas in einem in einem Lasergehäuse vorgesehenen instabilen Laserresonator eines Gaslasers, wobei Lasergas über eine hohle Lichtleiterfaser, über die der im Laserresonator erzeugte Laserstrahl aus dem Lasergehäuse herausgeführt wird, aus dem Lasergehäuse abgepumpt und/oder Lasergas in das Lasergehäuse hinein gepumpt wird.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gaslasers mit einer zur Atmosphäre hin offenen hohlen Lichtleiterfaser zum Herausführen des im instabilen Laserresonator erzeugten Laserstrahls aus dem Lasergehäuse; Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gaslasers mit einer durch ein transmissives Fenster verschlossenen hohlen Lichtleiterfaser zum Herausführen des im instabilen Laserresonator erzeugten Laserstrahls aus dem Lasergehäuse; Fig. 3 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gaslasers mit einer an eine Lasergas-Austauscheinheit angeschlossenen hohlen
Lichtleiterfaser zum Herausführen des im instabilen Laserresonator erzeugten Laserstrahls aus dem Lasergehäuse;
Fig. 4 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gaslasers mit einer Lichtleiterfaser aus Vollmaterial zum Herausführen des im instabilen Laserresonator erzeugten Laserstrahls aus dem
Lasergehäuse; Fig. 5 schematisch den Aufbau des in Fign. 1 bis 4 gezeigten instabilen
Laserresonators am Beispiel eines Slablasers; und Fig. 6 schematisch den Aufbau des in Fign. 1 bis 4 gezeigten instabilen
Laserresonators am Beispiel eines koaxialen Lasers.
Der in Fig. 1 schematisch gezeigte Gaslaser 1 weist ein Lasergehäuse 2 mit einem zumindest in einer Richtung optisch instabilen Laserresonator 3 auf, dessen Resonatorraum ein mit Lasergas gefüllter Entladungsraum 4 ist. Der im Laserresonator 3 erzeugte Laserstrahl wird über eine Auskoppelöffnung 5 aus dem Laserresonator 3 ausgekoppelt und tritt in eine Einkoppelkammer 6 des
Lasergehäuses 2 ein. Dort wird der aus dem Laserresonator 3 ausgekoppelte Laserstrahl 7 über eine Fokussieroptik (z.B. einen Fokussierspiegel) 8 in Richtung auf das Eintrittsende 10 einer Lichtleiterfaser 9 gebündelt und in die hohle Lichtleiterfaser (Hohlfaser) 9 eingekoppelt, die aus dem Lasergehäuse 2 herausgeführt und an ihrem Austrittsende 11 zur Atmosphäre hin offen ist. Die Einkoppelkammer 6 ist über die Auskoppelöffnung 5 mit dem gasgefüllten Entladungsraum 4 des Laserresonators 3 verbunden und daher auch mit Lasergas gefüllt. Die hohle Lichtleiterfaser 9 stellt somit ein kleines Resonatorleck dar, das je nach Druckverhältnissen zu einer Gasströmung innerhalb der hohlen Lichtleiterfaser 9 in die eine oder andere Richtung führt. Für lange Hohlfasern ist die Leckrate gering und kann vernachlässigt werden. Der aus der hohlen Lichtleiterfaser 9 am Austrittsende 11 ausgetretene Laserstrahl ist mit 12 bezeichnet.
Vom Gaslaser der Fig. 1 unterscheidet sich der in Fig. 2 gezeigte Gaslaser 1 dadurch, dass hier die hohle Lichtleiterfaser 9 an ihrem aus dem Lasergehäuse 2 herausgeführten Austrittsende 11 durch ein als Fokussierlinse ausgeführtes transmissives Fenster 13 verschlossen ist. Der Laserresonator 3 bildet außerdem einen Teil des Lasergehäuses 2 und ist anders als in Fig. 1 nicht innerhalb der Einkoppelkammer 6 angeordnet. Die Einkoppelkammer 6 bildet zusammen mit der Fokussieroptik 8 einen anderen Teil des Lasergehäuses 2 und ist neben dem Laserresonator 3 angeordnet. Der Laserresonator 3 und die Einkoppelkammer 6 sind über die Auskoppelöffnung 5 miteinander verbunden.
Vom Gaslaser der Fig. 1 unterscheidet sich der in Fig. 3 gezeigte Gaslaser 1 dadurch, dass hier die hohle Lichtleiterfaser 9 an ihrem aus dem Lasergehäuse 2 herausgeführten Austrittsende 11 über den Bearbeitungskopf 14 einer Laserbearbeitungsmaschine, beispielsweise zum Schneiden oder Schweißen, (nicht gezeigt) an eine Lasergas-Austauscheinheit 15 angeschlossen ist. Diese Lasergas- Austauscheinheit 15 ist beispielsweise eine Lasergasquelle, deren Druck einstellbar ist. Die hohle Lichtleiterfaser 9 mündet in eine Fokussierkammer 16 des Bearbeitungskopfes 14, in welcher der aus der Lichtleiterfaser 9 austretende Laserstrahl an einem Fokussierspiegel (z.B. Parabol- oder Ellipsoidspiegel) 17 auf auf das zu bearbeitende Werkstück (nicht gezeigt) fokussiert wird. Der aus dem Bearbeitungskopf 14 ausgetretene Laserstrahl ist mit 12 bezeichnet. Die Lasergas- Austauscheinheit 15 ist an die Fokussierkammer 16 angeschlossen und kann so über die hohle Lichtleiterfaser 9 Lasergas aus dem Lasergehäuse 2 bzw. Laserresonator 3 abpumpen oder Lasergas in das Lasergehäuse 2 bzw. den Laserresonator 3 hinein pumpen. Durch entsprechende Überdruck- oder Unterdruckansteuerung der Lasergas-Austauscheinheit 15 kann der im
Laserresonator 3 herrschende Lasergasdruck auf einen gewünschten Wert geregelt werden. Von den Gaslasern der Fign. 1 bis 3 unterscheidet sich der in Fig. 4 gezeigte Gaslaser 1 dadurch, dass hier die Lichtleiterfaser 9' nicht hohl, sondern aus Vollmaterial ist und die Auskoppelöffnung 5 verschließt und dass der Laserresonator 3 gleichzeitig das Lasergehäuse 2 bildet. Der aus dem Laserresonator 3 ausgekoppelte Laserstrahl wird direkt, d.h. ohne Einkoppelkammer, in das
Eintrittsende 10' der Lichtleiterfaser 9J eingekoppelt. Als Lichtleiterfasern 9' aus Vollmaterial eignen sich zum Beispiel Chalcogenid-Glasfasern oder kristalline Fasern aus AgBrCI oder Saphir.
Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform wird der aus dem Laserresonator 3 ausgekoppelte Laserstrahl ohne Einkoppelkammer und Fokussieroptik in das Eintrittsende 10 einer hohlen Lichtleiterfaser 9 eingekoppelt und aus dem Lasergehäuse 2 herausgeführt.
Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau des instabilen Laserresonators 3 am Beispiel eines diffusionsgekühlten Slablasers (Bandleiterlaser) 18. Der Laserresonator 3 weist einen konkaven Resonatorspiegel 19, einen konvexen Resonatorspiegel 20 und dazwischen einen durch Seitenwände 21 begrenzten und mit Lasergas gefüllten Entladungsraum 22 mit nicht gezeigten plattenförmigen Elektroden auf. Sämtliche sich in Längsrichtung des Slablasers 18 zwischen den beiden Resonatorspiegeln 19, 20 ausbreitende Lichtstrahlen 23 werden so lange zwischen den beiden Resonatorspiegeln 19, 20 hin- und herreflektiert, bis sie in der zur Längsrichtung transversalen Richtung 24 zur Auskoppelöffnung 5 gewandert sind und aus dem Laserresonator 3 als Laserstrahl 7 ausgekoppelt werden. Bezüglich weiterer Einzelheiten des Slablasers wird ausdrücklich auf die EP 0 305 893 A2 verwiesen, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme einbezogen wird. Anders als bei der EP 0 305 893 A2 bildet der Laserresonator 3 aufgrund der nicht verschlossenen Auskoppelöffnung 5 keine in sich abgeschlossene gasdichte Einheit.
Fig. 6 zeigt schematisch den Aufbau des instabilen Laserresonators 3 am Beispiel eines diffusionsgekühlten koaxialen Lasers 25. Der Laserresonator 3 weist zwei ringförmige Resonatorspiegel 26, 27 und dazwischen einen durch zylinderförmige Elektroden (nicht gezeigt) begrenzten und mit Lasergas gefüllten ringförmigen Entladungsraum 28 auf. Der eine Resonatorspiegel 26 ist in azimutaler Richtung derart gestaltet, dass der Laserstrahl 29 im ringförmigen Entladungsraum 28 azimutal umläuft. Der andere Resonatorspiegel 27 ist konisch mit einem Konuswinkel kleiner oder gleich 90° ausgebildet und lenkt den Laserstrahl 29 in einen gegenüberliegenden azimutalen Bereich um. Von dort wird der Laserstrahl 29 wieder auf den Resonatorspiegel 26 zurück reflektiert, bis der Laserstrahl 29 schließlich aus dem Laserresonator 3 durch die im Resonatorspiegel 26 vorgesehene Auskoppelöffnung 5 als Laserstrahl 7 ausgekoppelt wird. Bezüglich weiterer Einzelheiten des koaxialen Lasers wird ausdrücklich auf die EP 0 911 922 A1 verwiesen, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme einbezogen wird. Anders als bei der EP 0 911 922 A1 bildet der Laserresonator 3 aufgrund der nicht verschlossenen Auskoppelöffnung 5 keine in sich abgeschlossene gasdichte Einheit.

Claims

27.06.2007- 5 Patentansprüche
1. Gasiaser (1) mit einem in einem Lasergehäuse (2) vorgesehenen instabilen Laserresonator (3) und mit einer Vorrichtung zum Herausführen eines aus dem Laserresonator (3) ausgekoppelten Laserstrahls (7) aus dem
10 Lasergehäuse (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Herausführen eine aus dem Lasergehäuse (2) herausgeführte Lichtleiterfaser (9; 9') ist, in die der aus dem Laserresonator (3) ausgekoppelte Laserstrahl (7) eingekoppelt wird.
15
2. Gaslaser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Laserresonator (3) eine Auskoppelöffnung (5) aufweist, durch die der Laserstrahl (7) aus dem Laserresonator (3) ausgekoppelt wird und in eine Einkoppelkammer (6) des Lasergehäuses (2) eintritt, in welcher der aus dem
20 Laserresonator (3) ausgekoppelte Laserstrahl (7) in die Lichtleiterfaser (9; 9') eingekoppelt wird.
3. Gaslaser nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine insbesondere in der Einkoppelkammer (6) angeordnete Fokussieroptik (8), die den
25 Laserstrahl (7) in die Lichtleiterfaser (9; 9') einkoppelt.
4. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiterfaser (9') aus Vollmaterial ist.
30 5. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiterfaser (9) eine Hohlfaser ist.
6. Gaslaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die hohle Lichtleiterfaser (9) an ihrem aus dem Lasergehäuse (2) herausgeführten Austrittsende (11) durch ein transmissives Fenster (13), insbesondere durch eine Fokussierlinse oder ein aerodynamisches Fenster, verschlossen ist.
7. Gaslaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die hohle
5 Lichtleiterfaser (9) an ihrem aus dem Lasergehäuse (2) herausgeführten
Austrittsende (11) zur Atmosphäre hin offen ist.
8. Gaslaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die hohle Lichtleiterfaser (9) an ihrem aus dem Lasergehäuse (2) herausgeführten
10 Austrittsende (11) an eine Lasergas-Austauscheinheit (15) angeschlossen ist, die über die hohle Lichtleiterfaser (9) Lasergas aus dem Lasergehäuse (2) abpumpt und/oder Lasergas in das Lasergehäuse (2) hinein pumpt.
9. Gaslaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasergas- 15 Austauscheinheit (15) über den Lasergasdruck im Laserresonator (3) gesteuert ist.
10. Gaslaser nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die hohle Lichtleiterfaser (9) an ihrem aus dem Lasergehäuse (2)
20 herausgeführten Austrittsende (11) in einen Bearbeitungskopf (14) einer
Laserbearbeitungsmaschine mündet.
11. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaslaser ein Slablaser (15) oder ein koaxialer
25 Laser (22) ist.
12. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiterfasern (9; 9') als innen beschichtete Hohlfasern aus Quarz, Bragg-Reflexionsfasern oder Photonic-Bandgap-
30 Fasern aus Chalcogenid ausgebildet sind.
13. Verfahren zum Austauschen von Lasergas in einem in einem Lasergehäuse (2) vorgesehenen instabilen Laserresonator (3) eines Gaslasers (1), dadurch gekennzeichnet, dass Lasergas über eine hohle Lichtleiterfaser (9), über die der im Laserresonator (3) erzeugte Laserstrahl (7) aus dem Lasergehäuse (2) herausgeführt wird, aus dem Lasergehäuse (2) abgepumpt und/oder Lasergas in das Lasergehäuse (2) hinein gepumpt wird.
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