DE102012212672B4 - Laseroszillator und Verfahren zum gleichzeitigen Erzeugen zweier Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen - Google Patents

Laseroszillator und Verfahren zum gleichzeitigen Erzeugen zweier Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen Download PDF

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Abstract

Laseroszillator (1) zum gleichzeitigen Erzeugen zweier Laserstrahlen (A, B) unterschiedlicher Wellenlängen (λ, λ) im CW-Betrieb mit einem einstellbaren Auskoppelverhältnis der zwei Laserstrahlen (A, B),mit einem einen einzigen Resonatorpfad aufweisenden Laserresonator (2), der einen laseraktiven Festkörper (3) zum Erzeugen einer fundamentalen CW-Laserstrahlung (λ), einen nichtlinearen Festkörper (8) zum Erzeugen einer frequenzkonvertierten CW-Laserstrahlung (λ) aus der fundamentalen CW-Laserstrahlung (λ) und mindestens einen Auskoppelspiegel (5, 7) zum Auskoppeln der fundamentalen und der frequenzkonvertierten CW-Laserstrahlung (λ, λ) aus dem Laserresonator (2) aufweist, wobei der einzige Resonatorpfad (2) einen ersten Auskoppelspiegel (5) zum Auskoppeln nur der fundamentalen Laserstrahlung (λ) und einen zweiten Auskoppelspiegel (7) zum Auskoppeln nur der frequenzkonvertierten Laserstrahlung (λ) aufweist, undmit einer Modulationseinrichtung (10) zum Einstellen des Auskoppelverhältnisses von fundamentaler und frequenzkonvertierter CW-Laserstrahlung (λ, λ).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laseroszillator und ein Verfahren zum gleichzeitigen Erzeugen zweier Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen im CW-Betrieb mit einem einstellbaren Auskoppelverhältnis der zwei Laserstrahlen.
  • Für die Materialbearbeitung wird intensive Laserstrahlung mit stabilen Parametern, wie z.B. Laserenergie, Laserleistung und Strahlqualität, benötigt. Theoretisch fallen sehr viele Lasermoden in die Verstärkungsbandbreite eines aktiven Festkörpermediums innerhalb eines Laserresonators. Der Resonator lasert aber bevorzugt auf derjenigen Lasermode innerhalb der Verstärkungsbandbreite, welche die höchste Verstärkung erfährt. Arbeitet der Resonator exakt auf dieser Lasermode, befindet er sich in einem stabilen Zustand. Bei interner Frequenzkonversion hängt die Konversionseffizienz von Kristalleigenschaften, Temperatur, Phase, Einfallswinkel und Lasermode der zu konvertierenden Strahlung ab. Für den Laserresonator ist die Frequenzkonversion als Verlust der Laserstrahlung anzusehen, und er wird versuchen, auf einer anderen Lasermode innerhalb der Verstärkungsbandbreite zu arbeiten, welche ein günstigeres Verstärkungs-/Verlustverhältnis aufweist. Bei resonatorinterner Frequenzkonversion treten also bei der Erzeugung von frequenzkonvertiertem Laserlicht die Probleme der dynamischen Instabilität durch Modensprünge auf, wobei dieses Problem vor allem bei Hochleistungslasern bemerkbar wird. Die Faserkopplung von reinen infraroten Resonatoren führt mitunter zu starken unerwünschten Relaxationsoszillationen bei Rückreflexion in den Resonator. Des Weiteren werden bei der resonatorinternen Frequenzkonversion komplizierte frequenzselektive Elemente zur Fixierung der Wellenlänge benötigt (d. h. zur Erzeugung von Verlusten für Wellenlängen, die nicht konvertiert werden).
  • Aus der US 5 083 007 A sind ein Laseroszillator und ein Verfahren zum Erzeugen zweier Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen bekannt. Der Laseroszillator umfasst einen Laserresonator mit einem laseraktiven Festkörper zum Erzeugen einer fundamentalen Laserstrahlung, mit einem nichtlinearen Festkörper zum Erzeugen einer frequenzkonvertierten Laserstrahlung aus der fundamentalen Laserstrahlung und mit einem Auskoppelspiegel zum Auskoppeln der fundamentalen und der frequenzkonvertierten Laserstrahlung aus dem Laserresonator. Bei diesem bekannten Laseroszillator werden der fundamentale und der frequenzkonvertierte Laserstrahl über den gleichen Auskoppelspiegel in einem fest vorgegebenen Leistungsverhältnis ausgekoppelt. Das gewünschte Leistungsverhältnis der beiden Laserstrahlen wird resonatorextern über die gewählte Reflexionsbeschichtung des Strahlenteilers wie gewünscht, dann aber fest eingestellt.
  • Aus GB 2 175 737 A ist es bekannt, dass die Einkopplung eines hochenergetischen Laserstrahls in ein Werkstück durch Verwendung eines zweiten Laserstrahls kürzerer Wellenlänge verbessert wird, der gleichzeitig und im gleichen Bearbeitungspunkt wie der erste Laserstrahl auf das Werkstück auftrifft. Der Laserstrahl längerer Wellenlänge wird mit einem CO2-Laser und der Laserstrahls kürzerer Wellenlänge mit einem YAG-Laser erzeugt.
  • Aus US 2008/0296272 A1 ist weiterhin ein Laseroszillator bekannt, bei dem zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge mit einstellbarer Modulationsfrequenz abwechselnd aus dem Laserresonator ausgekoppelt und jeweils auf den gleichen Bearbeitungspunkt gerichtet werden. Der Laserresonator umfasst einen ersten optischen Resonatorpfad zum Erzeugen des ersten Laserstrahls und einen ersten Auskoppelspiegel zum Auskoppeln ausschließlich des ersten Laserstrahls, einen zweiten optischen Resonatorpfad zum Erzeugen des zweiten Laserstrahls und einen zweiten Auskoppelspiegel zum Auskoppeln ausschließlich des zweiten Laserstrahls, sowie einen elektrooptischen Modulator, der entweder den einen oder den anderen optischen Resonatorpfad schaltet. Die Modulationsfrequenz der zwei Laserstrahlen wird durch die am elektrooptischen Modulator angelegte Spannungspulsfolge bestimmt. In einer gezeigten Ausführungsvariante werden in den beiden optischen Resonatorpfaden jeweils die fundamentale Laserstrahlung des laseraktiven Festkörpers und die zweite harmonische Laserstrahlung abwechselnd mit der Modulationsfrequenz erzeugt und über die jeweiligen Auskoppelspiegel aus dem Laserresonator ausgekoppelt, wobei resonatorextern noch eine Frequenzkonversion der ausgekoppelten Laserstrahlen auf die dritte und vierte Harmonische stattfindet.
  • Schließlich ist aus der DE 10 2006 006 582 A1 noch ein Laserresonator zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung aus einem resonatorinternen, gepulsten Laserstrahl bekannt. Dabei wird zur Pulsformung der auszukoppelnden Laserpulse (vgl. Kurven K2, K3 in 3) eine Pockelszelle entsprechend einem Trigger-Signal mit rechteckförmigem Verlauf (vgl. Kurve K4 in 3) angesteuert, um einen gepulsten Betrieb bereitzustellen.
  • Es ist demgegenüber die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Laseroszillator und ein Verfahren zum Erzeugen zweier Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen anzugeben, bei denen das Leistungsverhältnis der beiden ausgekoppelten Laserstrahlen leicht und schnell geändert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Laseroszillator mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
  • Mit dem erfindungsgemäße Laseroszillator können bei hoher Gesamteffizienz und bei hoher Leistung (> 100 Watt cw) die fundamentale und die frequenzkonvertierte Laserstrahlung in nahezu beliebig einstellbarem Leistungsverhältnis ausgekoppelt werden und stehen für den Bearbeitungsprozess zur Verfügung. Das variable Auskopplungsverhältnis ermöglicht eine optimale Bearbeitung des Werkstücks mittels der beiden Laserstrahlen. So ist bei Bearbeitungsbeginn (Einstechvorgang) das Werkstückmaterial noch kalt und benötigt viel Energie, so dass mit nahezu 100% frequenzkonvertierter Laserstrahlung gearbeitet wird. Im weiteren Bearbeitungsverlauf spielt vor allem die Gesamtleistung eine Rolle, so dass der Anteil der frequenzkonvertierten Laserstrahlung zurückgefahren werden kann.
  • In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Auskoppelverhältnis-Modulationseinrichtung durch einen polarisationsabhängigen Auskoppelspiegel zum polarisationsabhängigen Auskoppeln der fundamentalen Laserstrahlung und einen Polarisationsmodulator zum Einstellen der Polarisationsrichtung der auf den Auskoppelspiegel treffenden fundamentalen Laserstrahlung gebildet. Diese Polarisationsmodulation kann mechanisch im ms-Bereich, z.B. mit einer motorisch verdrehbaren Verzögerungsplatte, oder elektrooptisch (oder auch photoelastisch oder magnetooptisch) im ns- bis µs-Bereich mit einem elektrisch ansteuerbaren Polarisationsmodulator (z.B. Pockelszelle) erfolgen.
  • In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Auskoppelverhältnis-Modulationseinrichtung durch eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung zum Regeln der Temperatur des nichtlinearen Festkörpers gebildet. Die Frequenzkonversionseffizienz des nichtlinearen Festkörpers ist temperaturabhängig und kann daher gezielt über die Temperatur des nichtlinearen Festkörpers eingestellt werden.
  • In einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Auskoppelverhältnis-Modulationseinrichtung durch eine Einrichtung zum Verdrehen des nichtlinearen Festkörpers gegenüber der einfallenden fundamentalen Laserstrahlung gebildet. Die Frequenzkonversionseffizienz des nichtlinearen Festkörpers ist abhängig vom Einfallswinkel der fundamentalen Laserstrahlung und kann daher gezielt über den Drehwinkel des nichtlinearen Festkörpers eingestellt werden.
  • Das laseraktive Medium kann beispielsweise einen Wirtskristall aufweisen, welcher ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: YAG, YVO4, YO3, Sc2O3, Lu2O3, KGdWO4, KYWO4, YAP, YALO, GGG, GSGG, GSAG, LBS, GCOB, FAP, SFAP, YLF etc. Diese Wirtskristalle können jeweils mit Yb3+ oder Nd3+, Ho, Tm3 etc. als aktivem Material dotiert sein. Der laseraktive Festkörper kann beispielsweise Yb:YAG oder Nd:YAG sein, wobei Yb:YAG aufgrund seiner höheren Effizienz bevorzugt ist, aber aufgrund seines im Vergleich zu Nd:YAG breiteren Verstärkungsspektrums wellenselektive Elemente benötigt werden.
  • Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst.
  • Vorzugsweise wird das Auskoppelverhältnis von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung im Laufe eines Bearbeitungsprozesses geändert. So kann beispielsweise zu Beginn des Bearbeitungsprozesses der Leistungsanteil an ausgekoppelter frequenzkonvertierter Laserstrahlung mindestens 25%, bevorzugt mindestens 50%, besonders bevorzugt mindestens 90%, betragen und dann im weiteren Bearbeitungsprozess auf kleiner als 50%, bevorzugt zwischen 0,1% und 20%, reduziert werden. Dieses variable Auskopplungsverhältnis ermöglicht eine optimale Bearbeitung des Werkstücks mittels der beiden Laserstrahlen. So ist bei Bearbeitungsbeginn (Einstechvorgang) das Werkstückmaterial noch kalt und weist noch eine geringere Absorption für Infrarotstrahlung auf, so dass ein höherer Anteil an frequenzkonvertierter Laserstrahlung benötigt wird. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei Cu-Werkstoffen. Im weiteren Bearbeitungsverlauf spielt vor allem die Gesamtleistung eine Rolle, so dass der Anteil der frequenzkonvertierten Laserstrahlung zurückgefahren werden kann.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, 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 Ausführungsbeispiele sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Es zeigen:
    • 1-4 verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Laseroszillators mit jeweils einer Modulationseinrichtung zur Modulation des Auskoppelverhältnisses von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung, nämlich mit einer verdrehbaren Wellenplatte (1), mit einem elektrooptischen Polarisationsmodulator (2), mit einer Temperaturregelung (3) und mit einem Drehantrieb (4);
    • 5a-5c verschiedene Varianten einer Freistrahlführung der ausgekoppelten Laserstrahlen des erfindungsgemäßen Laseroszillators;
    • 6a, 6b verschiedene Variante einer Faserführung der ausgekoppelten Laserstrahlen des erfindungsgemäßen Laseroszillators; und
    • 7a, 7b verschiedene Variante einer Fokussierung der ausgekoppelten Laserstrahlen des erfindungsgemäßen Laseroszillators.
  • Der erfindungsgemäße Laseroszillator 1 dient zum Erzeugen zweier Laserstrahlen A, B unterschiedlicher Wellenlängen λω , λ2ω und wird in den Figuren am Beispiel eines Scheibenlasers beschrieben. In den Figuren ist die zum optischen Pumpen des Scheibenlasers erforderliche Pumpquelle (z.B. Laserdioden) ausgelassen. Gleiche oder funktionsgleiche Komponenten sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
  • Die in 1 bis 4 gezeigten Laseroszillatoren 1 umfassen jeweils einen Laserresonator 2 mit einem laseraktiven Festkörper in Form eines Yb:YAG-Scheibenlaser-kristalls 3 zum Erzeugen einer fundamentalen Laserstrahlung λω . Der Laserresonator 2 ist durch zwei bezüglich der fundamentalen Laserstrahlung λω hochreflektive λω-Endspiegel 4a, 4b definiert, zwischen denen die fundamentale Laserstrahlung λω hin und her reflektiert wird. Im Laserresonator 2 sind weiterhin ein Auskoppelspiegel 5 zum Auskoppeln nur der fundamentalen Laserstrahlung λω , zwei (oder auch mehr) bezüglich der fundamentalen Laserstrahlung λω hochreflektive λω-Umlenkspiegel 6, 7 sowie ein nichtlinearer Festkörper (SHG-Kristall) 8 zum Erzeugen einer frequenzverdoppelten Laserstrahlung λ2ω aus der fundamentalen Laserstrahlung λω angeordnet. Der λω-Endspiegel 4a ist auch für die frequenzverdoppelte Laserstrahlung λ2ω hochreflektiv und stellt somit auch einen hochreflektiven λ2ω-Endspiegel dar. Der zweite λω-Umlenkspiegel 7 ist für die frequenzverdoppelte Laserstrahlung λ2ω transmissiv und bildet somit einen Auskoppelspiegel zum Auskoppeln nur der frequenzverdoppelten Laserstrahlung λ2ω .
  • Wenn der Laseroszillator 1 im CW-Betrieb oder quasi-CW-Betrieb arbeitet, können andere Wellenlängen als die, bei denen die höchste Effizienz im Verdopplungsprozess erhalten wird, anschwingen. Um einen effizienten, stabilen Frequenzkonversions-prozess zu erhalten, werden frequenzselektive Elemente, wie z.B. Wellenlängenfilter, eingebaut. In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind solche Wellenlängenfilter 9 beispielhaft zwischen λω-Endspiegel 4b und Scheibenlaserkristall 3 angeordnet, können aber auch an anderer Stelle im Laserresonator 2 stehen. Die Filterung kann auch nur mit einem Filter realisiert werden.
  • Im Laseroszillator 1 wird ein resonatorinternes Strahlungsfeld mit der fundamentalen Yb:YAG-Laserstrahlung λω von 1030 nm erzeugt. Ein Teil dieser fundamentalen Laserstrahlung λω wird über den λω-Auskoppelspiegel 5 aus dem Laserresonator 2 als Laserstrahl A ausgekoppelt. Ein weiterer Teil der fundamentalen Laserstrahlung λω wird mittels des SHG-Kristalls 8 auf 515 nm frequenzverdoppelt und über den frequenzselektiven λ2ω-Auskoppelspiegel 7 aus dem Laserresonator 2 als Laserstrahl B ausgekoppelt. Um einen effizienten, stabilen Frequenzkonversionsprozess zu erhalten, ist der Wellenlängenfilter 9 als frequenzselektives Element im Strahlengang eingebaut. Es besteht kein linearer, sondern ein näherungsweise quadratischer Konversionszusammenhang zwischen der frequenzverdoppelten Laserstrahlung λ2ω und der zugrundeliegenden fundamentalen Laserstrahlung λω . Je höher also die Leistung der auf den SHG-Kristall 8 auftreffenden fundamentalen Laserstrahlung λω ist, umso stärker steigt auch die Leistung der im SHG-Kristall 8 erzeugten frequenzverdoppelten Laserstrahlung λ2ω an.
  • Der in 1 und 2 gezeigte Laseroszillator 1 weist weiterhin im Strahlengang der fundamentalen Laserstrahlung λω eine Modulationseinrichtung 10 zur Modulation des Auskoppelverhältnisses von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung λω , λ2ω auf. Diese Modulationseinrichtung 10 ist durch einen polarisationsabhängigen Auskoppelspiegel 5 zum polarisationsabhängigen Auskoppeln der fundamentalen Laserstrahlung λω und durch einen Polarisationsmodulator zum Einstellen der Polarisationsrichtung der auf den Auskoppelspiegel 5 treffenden fundamentalen Laserstrahlung λω gebildet. Der Polarisationsmodulator ist in 1 durch eine motorisch in Doppelpfeilrichtung 12 um die optische Achse verdrehbare Lambda-Verzögerungsplatte 11 für eine Modulation bis in den ms-Bereich und in 2 durch einen elektrooptischen Polarisationsmodulator 21, wie z.B. eine Pockelszelle, oder einen photoelastischen oder magnetooptischen Modulator für eine Modulation bis in den ns- bis µs-Bereich ausgebildet.
  • Der polarisationsabhängige Auskoppelspiegel 5 weist für unterschiedliche Polarisationsrichtungen der fundamentalen Laserstrahlung λω unterschiedlich starke Transmission auf. Abhängig von der Polarisationsrichtung der auftreffenden fundamentalen Laserstrahlung λω bildet der Auskoppelspiegel 5 einen teilreflektiven λω-Auskoppelspiegel, an dem ein Teil der fundamentalen Laserstrahlung λω als Laserstrahl A aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelt wird, oder einen hochreflektiven λω-Umlenkspiegel, an dem keine fundamentale Laserstrahlung λω aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelt wird. Über den Polarisationsmodulator 11, 21 kann somit die Teilreflektivität des Auskoppelspiegels 5 für die fundamentale Wellenlänge λω - und folglich auch die ausgekoppelte Leistung der fundamentalen Laserstrahlung λω und der jeweils zugehörigen frequenzverdoppelten Laserstrahlung λ2ω - variiert werden. Für jeden am Polarisationsmodulator 11, 21 eingestellten Auskoppelgrad der fundamentalen Laserstrahlung λω ergibt sich eine unterschiedliche Leistung der Laserstrahlung λω im Resonator und aufgrund des nichtlinearen Konversionszusammenhangs ein unterschiedliches Auskopplungsverhältnis von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung, das von nahezu 0% bis 100% frequenzkonvertierte Laserstrahlung eingestellt werden kann.
  • Dieses variable Auskopplungsverhältnis ermöglicht eine optimale Bearbeitung eines Werkstücks mittels der beiden Laserstrahlen A, B. So ist bei Bearbeitungsbeginn (Einstechvorgang) das Werkstückmaterial noch kalt und weist noch eine geringere Absorption für Infrarotstrahlung auf, so dass ein höherer Anteil an frequenzkonvertierter Laserstrahlung benötigt wird. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei Cu-Werkstoffen Im weiteren Bearbeitungsverlauf spielt vor allem die Gesamtleistung eine Rolle, so dass der Anteil der frequenzkonvertierten Laserstrahlung zurückgefahren werden kann. Beispielsweise können die beiden Laserstrahlen A, B gleichzeitig im gleichen Punkt mit unterschiedlicher Fokuslage oder an unterschiedlichen Positionen, z.B. die frequenzkonvertierte Laserstrahlung im Vorlauf der fundamentalen Laserstrahlung, auf das Werkstück auftreffen, um so die Einkopplung der fundamentalen Laserstrahlung λω in das Werkstück durch Verwendung der frequenzverdoppelten Laserstrahlung λ2ω zu verbessern.
  • Der Laseroszillator Oszillator 1 könnte beispielsweise wie folgt ausgebildet sein: Ein Yb:YAG-Scheibenlaserkopf bildet einen Multimode CW-Laser. Typische resonatorinterne umlaufende Leistung beträgt 10 kW. Eine gesamte Auskopplung aus fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung von 10% wird gewählt. Bei der Gesamtauskopplung von 1 kW ist eine Verdopplungseffizienz von 1% notwendig, um 100 W frequenzkonvertiertes Licht zu erzeugen. Dies ist ausreichend, um frequenzselektive Elemente weglassen zu können. Typische Kristalllängen liegen zwischen einigen 100 µm und einigen mm. Insbesondere bei hohen CW-Intensitäten könnte es sinnvoll sein, den frequenzkonvertierenden Kristall mit einer hochreflektiven HR-Beschichtung zu versehen und analog zum Scheibenlaserkristall auf einer Wärmesenke anzuordnen. Leistungsskalierung durch Verwendung mehrerer Laserköpfe ist möglich.
  • In einer hier nicht gezeigten Variante der 2 kann der Polarisationsmodulator 21 auch zwischen dem Auskoppelspiegel 5 und dem SHG-Kristall 8 angeordnet sein, um die Polarisation des auf den SHG-Kristall 8 auftreffenden Laserstrahls und dadurch die Konversionseffizienz des SHG-Kristalls 8 zu ändern. So gibt es beispielsweise bei Verwendung einer Lambda/2-Platte keine zusätzliche Auskopplung am Auskoppelspiegel 5, sondern nur eine andere Polarisation im SHG-Kristall 8.
  • Von 1 und 2 unterscheidet sich der in 3 gezeigte Laseroszillator 1 dadurch, dass hier der λω-Auskoppelspiegel 5 auch den Endspiegel 4b bildet und nicht polarisationsabhängig ist, dass ein weiterer Umlenkspiegel 16 vorgesehen ist und dass die Modulationseinrichtung 10 zur Modulation des Auskoppelverhältnisses von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung λω , λ2ω durch eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung 31 mit zugehöriger Temperaturregelung gebildet ist, die in thermischem Kontakt mit dem SHG-Kristall 8 steht. Die Frequenzkonversionseffizienz des SHG-Kristalls 8 ist temperaturabhängig und kann daher gezielt, wenn auch nur langsam, über die Temperatur des SHG-Kristalls 8 eingestellt werden.
  • Von 3 unterscheidet sich der in 4 gezeigte Laseroszillator 1 dadurch, dass hier die Modulationseinrichtung 10 zur Modulation des Auskoppelverhältnisses von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung λω , λ2ω durch einen Drehantrieb 41 zum Verkippen (Doppelpfeil 42) des SHG-Kristalls 8 gegenüber der einfallenden fundamentalen Laserstrahlung λω gebildet ist. Die Frequenzkonversionseffizienz des nichtlinearen Festkörpers 8 ist abhängig vom Einfallswinkel der fundamentalen Laserstrahlung λω und kann daher gezielt über den Kippwinkel des SHG-Kristalls 8 eingestellt werden. Hier wurde die Drehung um eine Achse, die senkrecht zur Strahlsachse steht, gewählt; eine Drehung um die Strahlachse ist auch denkbar.
  • Obwohl in den 1 bis 4 nur lineare Laserresonatoren gezeigt sind, kann der Laserresonator des erfindungsgemäßen Laseroszillators auch ein Ringresonator sein, in dem die fundamentale Laserstrahlung λω umläuft, also keine Endspiegel sondern nur Umlenkspiegel vorgesehen sind, und die fundamentale und die frequenzverdoppelte Laserstrahlung λω , λ2ω entweder am gleichen Auskoppelspiegel analog zu 1 oder an zwei unterschiedlichen Auskoppelspiegeln analog zu 2 aus dem Ringresonator ausgekoppelt werden. Im ersten Fall wird ein einziger Auskoppelstrahl mit λω und λ2ω und im zweiten Fall ein erster Auskoppelstrahl mit λω und ein zweiter Auskoppelstrahl mit λ2ω ausgekoppelt.
  • Wie in 5a-5c am Beispiel von separat aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelten Laserstrahlen A, B gezeigt ist, können die beiden Laserstrahlen A, B über Freistrahlpropagation entweder separat (5a) oder nach räumlicher Überlagerung gemeinsam (5b, 5c) zum Bearbeitungskopf (nicht gezeigt) einer Laserbearbeitungsmaschine geführt werden. In 5b wird der Laserstrahl A über zwei für die fundamentale Wellenlänge λω hochreflektive λω-Umlenkspiegel 51, 52 kollinear zum Laserstrahl B umgelenkt, wobei der zweite Umlenkspiegel 52 transmissiv für die frequenzkonvertierte Wellenlänge λ2ω ist. In 5c wird der Laserstrahl B über zwei für die frequenzkonvertierte Wellenlänge λ2ω hochreflektive λ2ω-Umlenkspiegel 53, 54 kollinear zum Laserstrahl A umgelenkt, wobei der zweite Umlenkspiegel 54 transmissiv für die fundamentale Wellenlänge λω ist.
  • Wie in 6a und 6b am Beispiel von separat aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelten Laserstrahlen A, B gezeigt ist, können die beiden Laserstrahlen A, B entweder jeweils über eine Einkoppellinse 61, 62 in eine Transportfaser 63, 64 (6a) eingekoppelt oder nach räumlicher kollinearer Überlagerung (analog zu 5b, 5b) über eine gemeinsame Einkoppellinse 65 in eine gemeinsame Transportfaser 66 (6b) eingekoppelt werden.
  • Wie in 7a und 7b gezeigt ist, können die in Freistrahl- oder Faserführung separat oder gemeinsam zum Bearbeitungskopf geführten Laserstrahlen A, B abschließend gemeinsam auf das Werkstück fokussiert werden. Im Falle von separat geführten Laserstrahlen A, B (7a) werden die Laserstrahlen A, B nach räumlicher kollinearer Überlagerung (analog zu 5b, 5c) über eine Fokussieroptik 71 auf die Werkstückoberfläche fokussiert. Im Falle von gemeinsam geführten Laserstrahlen A, B (7b) werden die Laserstrahlen A, B über eine Kollimationslinse 72 und eine Fokussierlinse 73 auf die Werkstückoberfläche fokussiert, wobei alle optische Komponenten achromatisch ausgeführt sein können.

Claims (15)

  1. Laseroszillator (1) zum gleichzeitigen Erzeugen zweier Laserstrahlen (A, B) unterschiedlicher Wellenlängen (λω, λ2ω) im CW-Betrieb mit einem einstellbaren Auskoppelverhältnis der zwei Laserstrahlen (A, B), mit einem einen einzigen Resonatorpfad aufweisenden Laserresonator (2), der einen laseraktiven Festkörper (3) zum Erzeugen einer fundamentalen CW-Laserstrahlung (λω), einen nichtlinearen Festkörper (8) zum Erzeugen einer frequenzkonvertierten CW-Laserstrahlung (λ2ω) aus der fundamentalen CW-Laserstrahlung (λω) und mindestens einen Auskoppelspiegel (5, 7) zum Auskoppeln der fundamentalen und der frequenzkonvertierten CW-Laserstrahlung (λω, λ2ω) aus dem Laserresonator (2) aufweist, wobei der einzige Resonatorpfad (2) einen ersten Auskoppelspiegel (5) zum Auskoppeln nur der fundamentalen Laserstrahlung (λω) und einen zweiten Auskoppelspiegel (7) zum Auskoppeln nur der frequenzkonvertierten Laserstrahlung (λ2ω) aufweist, und mit einer Modulationseinrichtung (10) zum Einstellen des Auskoppelverhältnisses von fundamentaler und frequenzkonvertierter CW-Laserstrahlung (λω, λ2ω).
  2. Laseroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelverhältnis-Modulationseinrichtung (10) durch einen polarisationsabhängigen Auskoppelspiegel (5) zum polarisationsabhängigen Auskoppeln der fundamentalen Laserstrahlung (λω) und einen Polarisationsmodulator (11, 21) zum Einstellen der Polarisationsrichtung der auf den Auskoppelspiegel (5) treffenden fundamentalen Laserstrahlung (λω) gebildet ist.
  3. Laseroszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsmodulator als eine verdrehbare Verzögerungsplatte (11) oder als ein elektrooptischer, photoelastischer oder magnetooptischer Modulator (21), insbesondere als eine Pockelszelle, ausgebildet ist.
  4. Laseroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelverhältnis-Modulationseinrichtung (10) durch eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung (31) zum Ändern der Temperatur des nichtlinearen Festkörpers (8) gebildet ist.
  5. Laseroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelverhältnis-Modulationseinrichtung (10) durch eine Einrichtung (41) zum Verdrehen des nichtlinearen Festkörpers (8) gegenüber der einfallenden fundamentalen Laserstrahlung (λω) gebildet ist.
  6. Laseroszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine separate oder gemeinsame Freistrahlführung für die aus dem Laserresonator (2) ausgekoppelten zwei Laserstrahlen (A, B) vorgesehen ist.
  7. Laseroszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine separate oder gemeinsame Faserführung für die aus dem Laserresonator (2) ausgekoppelten zwei Laserstrahlen (A, B) vorgesehen ist.
  8. Laseroszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Fokussieroptik (71, 73) für die aus dem Laserresonator (2) ausgekoppelten zwei Laserstrahlen (A, B) vorgesehen ist.
  9. Laseroszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der laseraktive Festkörper (3) Yb:YAG oder Nd:YAG ist.
  10. Verfahren zum gleichzeitigen Erzeugen zweier Laserstrahlen (A, B) unterschiedlicher Wellenlängen (λω, λ2ω) im CW-Betrieb mit einem einstellbaren Auskoppelverhältnis der zwei Laserstrahlen (A, B), insbesondere zur Laserbearbeitung eines Werkstücks mittels der zwei Laserstrahlen (A, B), wobei die beiden Laserstrahlen (A, B) in einem einen einzigen Resonatorpfad aufweisenden Laserresonator (2) als fundamentale CW-Laserstrahlung (λω) und als frequenzkonvertierte CW-Laserstrahlung (λ2ω) eines laseraktiven Festkörpers (3) erzeugt und über mindestens einen Auskoppelspiegel (5, 7) aus dem Laserresonator (2) ausgekoppelt werden, wobei die fundamentale CW-Laserstrahlung (λω) und die frequenzkonvertierte CW-Laserstrahlung (λ2ω) im einzigen Resonatorpfad an unterschiedlichen Auskoppelspiegeln (5, 7) ausgekoppelt werden, und wobei das Leistungsverhältnis der beiden ausgekoppelten Laserstrahlen (A, B) resonatorintern durch Modulation des Auskoppelverhältnisses von fundamentaler und frequenzkonvertierter CW-Laserstrahlung (λω, λ2ω) eingestellt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskoppelverhältnis von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung (λω, λ2ω) durch Modulieren der Polarisationsrichtung der auf einen polarisationsabhängigen Auskoppelspiegel (5) treffenden fundamentalen Laserstrahlung (λω) moduliert wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskoppelverhältnis von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung (λω, λ2ω) durch Ändern der Temperatur des nichtlinearen Festkörpers (8) moduliert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskoppelverhältnis von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung (λω, λ2ω) durch Verdrehen des nichtlinearen Festkörpers (8) gegenüber der einfallenden fundamentalen Laserstrahlung (λω) moduliert wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskoppelverhältnis von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung (λω, λ2ω) während eines Bearbeitungsprozesses geändert wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des Bearbeitungsprozesses der Leistungsanteil an ausgekoppelter frequenzkonvertierter Laserstrahlung (λ2ω) mindestens 25%, bevorzugt mindestens 50%, besonders bevorzugt mindestens 90%, beträgt und dann im weiteren Bearbeitungsprozess reduziert wird, insbesondere auf kleiner als 50%, bevorzugt zwischen 0,1% und 20%, reduziert wird.
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