AT404199B - Optischer resonator für koaxialen hochleistungslaser - Google Patents

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   Die Erfindung betrifft einen optischer Resonator für einen Gastransportlaser in einem   Unterdruckbehäl-   ter mit koaxialem Elektrodensystem (10), bestehend aus einer zylinderförmigen inneren und äusseren Elektrode (3, 8), in dem sich mehrere Teilstrahlen parallel zur Achse des Systems ausbilden können und in einem gefalteten Strahlengang geführt werden, wobei die Teilstrahlen durch eine erste Umlenkvorrichtung auf eine Achse ausgerichtet, und durch eine zweite, weitere Umlenkvorrichtung in Achsennähe wieder parallelgerichtet werden, sodass die Strahlen sich durch Beugung zu einem Strahl vereinigen können und die Strahlungsfelder in den einzelnen Teilstrecken phasenstarr koppeln, und der Strahl bzw. die Strahlen durch eine Auskoppeloptik (21 bzw. 11, 12) ausgekoppelt werden. 



   Bei der Entwicklung von Hochleistungslasern geht der Trend zu immer höheren Strahileistungen und zu immer kompakteren Bauweisen hin. Ein besonders vielversprechendes Konzept, das besonders bei CO2Lasern aussichtsreich erscheint, ist die Verwendung von koaxialen Systemen, bei denen die Anregung des   Laserplasmas mittels   hochfrequenter Energie über zwei koaxiale Elektroden erfolgt, die überdies durch ein Dielektrikum vom Plasma getrennt werden können (DE-A1-3 810 604 und WO-A1-91/03086). Durch diese Anordnung können auf kleinem Raum sehr hohe Leistungen eingekoppelt werden. Da der Querschnitt des Entladungsraumes relativ gross ist, kann ein sehr grosses Gasvolumen pro Zeiteinheit durch das Elektrodensystem durchgepumpt werden, was eine effektive Kühlung zur Folge hat, wie dies bei   Gastransportlasern   erforderlich ist.

   Wenn der Gasstrom, nachdem er das koaxiale Elektrodensystem durchströmt hat, umgelenkt und   z. B.   an der Aussenseite durch einen Wärmeaustauscher wieder zurückgeführt wird, ergibt sich darüberhinaus ein sehr geringer Druckverlust in der Strömung, sodass die Umwälzpumpe für das Lasergas entlastet wird. 



   Das grosse Problem bei dieser Anordnung ist jedoch der optische Resonator, durch den die Wechselwirkung zwischen Plasma und Laserstrahlung hergestellt wird. Zur Erreichung eines gut fokussierbaren Laserstrahls wäre ein langes, schlankes und rotationssymmetrisches Plasma am vorteilhaftesten, wie dies 
 EMI1.1 
 The COz-Laser, Springer Verlag   1987,   insbesondere S. 4-7 und S. 127-133). Das koaxiale Plasma weicht jedoch sehr stark von diesem Ideal ab, sodass hier neue Lösungswege gefunden werden müssen. 



   Da koaxiale Laser im Multi-Kilowattbereich noch lange nicht   ausgereift   sind, sondern derzeit erst im Entwicklungsstadium sind, gibt es noch keine Resonatoranordnungen, die sich bereits im praktischen Einsatz bewähren konnten und als Stand der Technik betrachtet werden können. Vor allem im Zusammenhang mit langsam geströmten Lasern gibt es jedoch hiezu verschiedene Vorschläge, die aber alle auch entscheidende Nachteile aufweisen. Ein Vergleich von verschiedenen Möglichkeiten wird beispielsweise von U. Habich et al. in   SPIE Vol. 1397,   S. 383-386 (1990) angegeben. In einer dort beschriebene Anordnung (U.

   Habich et al., Fig. 2) wird etwa der hohlzylindrische Strahl unter Verwendung   eines"W-Axicons"um     180. umgelenkt   und gleichzeitig in seinem Querschnitt verringert, sodass ein handhabbarer Laserstrahl entsteht. Eine ähnliche Möglichkeit wird in EP-A1-0 410 064 beschrieben, bei der ebenfalls durch zwei kegelförmige Spiegelflächen der Querschnitt eines hohlzylindrischen Strahls verringert wird. Beide Lösungen weisen den Nachteil auf, dass an der Spitze der inneren kegelförmigen Spiegelfläche bekannterweise extrem hohe Energiedichten auftreten (siehe etwa US-A-4 514 850), durch die bei Lasern höherer Leistung, wie bei der gegenständlichen Erfindung angestrebt, die Zerstörung dieser Fläche erfolgen würde. Eine weitere Möglichkeit nach   U. Habich   et. al.

   (Fig. 5) stellt ein   sogenannter"Muttipass-Resonator"dar,   in dem der Strahl zwischen zwei kreis (ring) förmigen, planen, toroidalen oder sphärischen Spiegeln (siehe auch DEC1-3 515 679, DE-A1-3 813 951 und   WO-A1-91/03086)   viele Male auf einem Zickzack- Weg hin und her reflektiert wird und dann schliesslich durch einen teildurchlässigen Spiegel oder eine Öffnung ausgekoppelt wird. Resonatoren dieser Bauart sind verhältnismässig gut zu justieren, liefern jedoch einen Laserstrahl, der sich nur relativ schlecht fokussieren lässt, dafür kann aber ein guter Wirkungsgrad erzielt werden. 



   Eine Lösungsmöglichkeit wird in der gegenständlichen Erfindung angeboten, die es einerseits ermöglicht, das vom Plasma angeregte Volumen gut auszunutzen und das andererseits einen rotationssymmetrischen Strahl erzeugt, was eine gute Strahlqualität in bezug auf die Materialbearbeitung erwarten lässt. Die Verwendung eines   Parabolspiegels   anstelle eines eine   ähnliche   Funktion erfüllenden Axicons bietet zusätzlich den Vorteil, dass hohe Energiedichten an kritischen Stellen der Spiegelflächen vermieden werden (etwa an der Spitze des kegelförmigen Spiegels (5) in   Fig. 1, EP-A1-0   401 064),   sodaB   höchste Laserleistungen gehandhabt werden können.

   Die diskreten Umlenkspiegel anstelle eines ringförmigen, kegelförmigen Spiegels (wie etwa der Spiegel (4, 40') in   Fig. 1, EP-A1-0   401 064) erlauben es, mechanische Verformungen, die bei grossen Spiegeln zwangsläufig auftreten (etwa thermisch induziert), zu vermeiden. Es ergeben sich dabei insbesondere bei hohen Laserleistungen deutliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Ausserdem können dadurch die hohen Herstellungskosten von   grossflächigen   Laserspiegeln vermieden werden. 

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   Bei der vorgeschlagenen Anordnung kann dazwischen gewählt werden, einen Einzelstrahl hoher Leistung oder mehrere untereinander kohärente Teilstrahlen auszukoppeln. Die letztere Option kann bei sehr hohen Leistungen von Vorteil sein, da konventionelle Auskoppelfenster (üblicherweise aus dem Halbleiter Zinkselenid gefertigt) bei sehr hohen Strahileistungen nicht mehr verwendet werden können, sodass auf aerodynamische Fenster (dies bedeutet, dass der Unterdruckbehälter nicht durch einen Festkörper, sondern durch eine   Überschallströmung   dicht abgeschlossen wird) übergegangen werden muss, die einen erheblichen technischen Mehraufwand erfordern. 



   Die Überlagerung von mehreren Laserstrahlen zur Steigerung der Gesamtleistung am Werkstück ist zwar eine bekannte Vorgangsweise (siehe US-A-4 783 789), bel einer Fokussierung der   Einzelstrahlen   kann aber nicht die Energiedichte erreicht werden, die ein einziger Strahl der Summenleistung liefern würde. Durch die gegenständliche Erfindung wird jedoch gewährleistet, dass die einzelnen Teilstrahlen untereinander kohärent sind, sodass sie sich wie ein einzelner Laserstrahl der Summenleistung verhalten und demzufolge auch eine entsprechend hohe Energiedichte erzeugen können. 



   Der erfindungsgemässe Resonator besteht zunächst aus, an der einen Stirnseite des koaxialen Elektrodensystems angeordneten, auf die Strahlachse normalstehenden Spiegeln, die die Teilstrahlen in sich selbst zurückwerfen. Auf der anderen Seite des Mediums befinden sich gegen die Strahlachse verkippte Spiegel, die die Teilstrahlen alle durch einen gemeinsamen Punkt auf der Symmetrieachse des Systems 
 EMI2.1 
 Symmetrieachse aus. In einem Abstand davon treffen die so vereinigten Strahlen auf einen weiteren Spiegel auf, der den Strahl wieder in sich zurückwirft und den   Rückkopptungsweg   damit schliesst.

   Die Strecke, auf der sich die Teilstrahlen eng nebeneinanderliegend ausbreiten, muss so ausgelegt werden, dass es aufgrund der Strahlaufweitung (dies ist eine Folge der Beugung) zu einer Überlagerung der Teilstrahlen zu einem einzigen, in sich kohärenten Strahl kommt, wobei diese Kopplung dann bis in das laseraktive Medium, wo die Teilstrahlen voneinander räumlich getrennt sind, zurückwirkt. Die Auskopplung der Laserstrahlung kann entweder über den dem Parabolspiegel gegenüberliegenden Spiegel erfolgen, der dann teildurchlässig ausgeführt werden muss, oder über die Endspiegel, die dann in diesem zweiten Fall teildurchlässig ausgeführt weden müssen. 



   Damit die longitudinalen Moden der einzelnen Teilstrecken besser übereinstimmen, kann in an sich bekannter Weise eine Regelung der einzelnen Teilresonatorlängen über piezoelektrische Stellelemente und einen elektronischen Regler vorgenommen werden. 



   Der Effekt der Strahlaufweitung kann verstärkt werden, wenn der Strahldurchmesser verkleinert wird, was in bekannter Weise durch ein Teleskop erreicht wird, das innerhalb des Resonators angeordnet ist, sodass dann die Strecke, auf der die Teilstrahlen parallel laufen, verkürzt werden kann. 



   Auch durch eine geringfügige Verschiebung des Parabolspiegels in der Achse des Systems kann die Divergenz der Teilstrahlen vergrössert werden, was ebenfalls eine Verkürzung der Strecke, auf der die Teilstrahlen eng nebeneinander laufen, möglich macht. 



   Da transmissive Optiken (Linsen, Fenster) im Resonator eines Hochleistungslasers der schwächste Punkt sind, kann es sinnvoll sein, jede Teilstrecke einzeln durch Brewsterfenster abzuschliessen, sodass die gesamte Laserleistung sich auf mehrere Fenster aufteilt. Durch die Erfindung ist es möglich auch in dieser Situation, eine   phasenmässige   Kopplung zwischen den   Einzelstrahlen   zu erhalten. Im Normalfall (keine Kopplung gemäss der Erfindung) würde es sich dann um voneinander unabhängige Strahlen handeln, sodass dann diese Vorgangsweise nicht zielführend wäre. 



   Ausserdem besteht noch die Möglichkeit, einige der Teilstrecken zunächst in der an sich bekannten Art zu fatten (siehe   EP-A2-0   011 679), um sie daraufhin gemäss der Erfindung über Umlenkspiegel und einen Parabolspiegel zu koppeln. 



   Weitere Details der Erfindung ergeben sich anhand der Zeichnungen und der folgenden Beschreibungen. 



   Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines bekannten   COz-Hochteisungs-Gastransporttasers   in koa- xialer Bauart (nach   DE-A 1   3 810 604). 



   Fig. 2 zeigt einen Resonator gemäss der Erfindung mit beispielsweise 8 Teilstrecken bei dem ein einzelner Strahl ausgekoppelt wird. 



   Flg. 3 zeigt denselben Resonator, von dem jedoch mehrere untereinander kohärente Laserstrahlen erzeugt werden. 



   Der prinzipielle Aufbau eines koaxialen   CO2-Gastransportlasers   ist in Fig. 1 angegeben. Die eigentliche Anregung des Lasergases erfolgt in einem hohlzylindrischen Volumen zwischen den beiden koaxialen 
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 über das Dielektrikum (4) kapazitiv eingekoppelt wird. Das sich infolge der eingekoppelten elektrischen Leistung rasch aufheizende Plasma (7) muss sehr schnell ausgetauscht werden, damit es sich nicht 

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 unzulässig stark erwärmen kann. Dies geschieht   z. B.   durch einen toroidalen Gasstrom, der durch ein   Axialgebläse   (1) angetrieben wird. Der Rückstrom des Gases erfolgt an der Aussenseite des Elektrodensystems durch einen Wärmeaustauscher (2).

   Das auf diese Weise   abgekühlte   Lasergas wird daraufhin wieder in den Bereich zwischen den Elektroden zurückgeführt, sodass sich ein geschlossener Gaskreislauf ergibt. Nur ein Teil des Lasergases wird laufend ersetzt, damit sich Verunreinigungen und chemische Reaktionprodukte nicht unkontrolliert anhäufen können. 



   Aufgrund der Gasentladung zwischen den Elektroden (3) und (8) wird das Lasergas, im   CO2-Laser   ein Gemisch aus CO2, N2 und He, in den Plasmazustand übergeführt und wirkt dann als verstärkendes Medium 
 EMI3.1 
 
10.6um.Auskoppelfenstern (6), kann dann die Laserstrahlung (5) ausgekoppelt werden. Es muss dabei beachtet werden, dass das gesamte Medium genutzt werden muss, wenn ein guter Wirkungsgrad erreicht werden soll, sodass die Spiegel, um den gesamten Umfang verteilt, eng nebeneinander angeordnet werden müssen. Es ergeben sich dann ebensoviele Einzelstrahlen, die im Normalfall in keinerlei Phasenbeziehung zueinander stehen, sodass sich bei Fokussierung des Summenstrahls im Brennpunkt keine derart hohe Leistungsdichte ergibt, wie sie ein Einzelstrahl der Summenleistung mit einheitlicher Phasenfront liefern würde.

   Durch Verwendung von gefalteten   Teilresonatoren   kann die Anzahl der   Einzelstrahlen   reduziert werden, jedoch steigen im gleichen Masse die Probleme bei der Justierung des Systems. Die gegenständliche Erfindung bietet eine alternative Lösungsmöglichkeit, die die soeben beschriebenen Schwierigkeiten umgeht. 



   Bei einem Resonator entsprechend der gegenständlichen Erfindung werden nach Flg. 2 an der einen Stirnseite des koaxialen Elektrodensystems (10) mehrere plane oder sphärische Spiegel angebracht, nach Fig. 2 beispielsweise acht   Stück : (11,   12), die die Teilstrahlen in sich selbst zurückreflektieren. Auf der anderen Seite des Mediums befinden sich ebensoviel totalreflektierende Spiegel   (13,..., 20),   die in der Weise gegen die Strahlachse verkippt sind, dass sich alle Teilstrahlen in einem Punkt (23) auf der Symmetrieachse des Systems schneiden. Wahlweise kann der Strahl auch auf jeder Teilstrecke für sich gefaltet werden, sodass der optische Weg zwischen einem Endspiegel der Teilstrecke   (z.

   B.   11) und dem 
 EMI3.2 
 angeordnet, da8 der Schnittpunkt der Teilstrahlen (23) gleichzeitig auch sein Brennpunkt ist, sodass die Teilstrahlen durch ihn alle so umgelenkt werden, dass sie sich parallel zur Symmetrieachse ausbreiten. Der Endspiegel (21) reflektiert den so entstandenen Einzelstrahl in sich selbst zurück, womit die Rückkopplung geschlossen ist. Die Auskopplung der Laserstrahlung (24) erfolgt in der Anordnung nach Fig. 2 durch den Endspiegel   (21),   der dann teildurchlässig sein muss.

   Im der Variante nach Fig. 3 erfolgt die Auskopplung von mehreren untereinander kohärenten Laserstrahlen (25, 26) durch die   Endspiegef   der Teilstrecken (11, 12), die dann zu Auskoppelspiegel werden, wobei dann der Endspiegel (21) totalreflektierend und die   Auskop-   
 EMI3.3 
 nach Fig. 2 und besteht darin, dass an der den Endspiegeln der Teilstrecken (11,12) gegenüberliegenden Seite des Elektrodensystems transmissive Fenster, vorzugsweise Brewsterfenster, die alle in dieselbe Richtung polarisieren, angeordnet werden, die das Vakuumgefäss abschliessen, sodass sich die Umlenkspiegel   (13....,   20), der Parabolspiegel (22) und die   Auskoppeloptik   (21) ausserhalb des Unterdruckbehälters 
 EMI3.4 
 bei hohen Leistungen die Umgehung eines aerodynamischen Fensters ermöglicht. 



   Die Abstände zwischen den Spiegeln müssen dabei so ausgelegt werden, dass sich aufgrund von Beugung die   Einzelstrahlen   auf der Strecke zwischen dem Parabolspiegel (22) und dem Endspiegel (21) zu einem kohärenten Einzelstrahl mit definierter Phasenfront vereinigen. Die durch minimale Längendifferenzen zwischen den einzelnen Teilstrahlen verursachten verschiedenen longitudinalen Modenspektren können durch geringfügig verschiebbare (wenige um) Endspiegel der Teilstrecken (11, 12) und/oder Umlenkspiegel   (13,...,   20) mittels piezoelektrischer Stellelemente ausgeglichen werden, wobei die Längen dann elektronisch geregelt werden müssen.

   Solche piezoelektrisch verstellbare Spiegel sind bei Gasiasern an sich bekannt. 
 EMI3.5 
 dien so   gewählt   werden, dass sich ein guter Strahimodus (im Fernfeld nahe dem Grundmodus) ergibt, wobei der Resonator insgesamt als stabil oder als instabil ausgelegt werden kann. Insbesondere kann es bei sehr hohen Leistungen erforderlich werden, dass dort das Auskoppelfenster (21) nach Flg. 2 durch ein aerodynamisches Fenster ersetzt wird. 



   Um die Vereinigung zu einem Einzelstrahl auf der Strecke zwischen dem Parabolspiegel (22) und dem Endspiegel (21) zu begünstigen, kann entweder eine geringfügige Verschiebung des Parabolspiegel (22) in der Achse erfolgen, oder es kann vorzugsweise ein Teleskop in den Strahlengang eingefügt werden. In beiden   Fällen   wird die Divergenz des Strahls   vergrössert,   was die Überlagerung und damit die Kopplung der Teilstrahlen begünstigt.

Claims (6)

  1. Patentansprüche 1. Optischer Resonator für einen Gastransportlaser in einem Unterdruckbehätter mit koaxialem Elektroden- system (10), bestehend aus einer zylinderförmigen inneren und äusseren Elektrode (3,8), in dem sich mehrere Teilstrahlen parallel zur Achse des Systems ausbilden können und in einem gefalteten Strahlengang geführt werden, wobei die Teilstrahlen durch eine erste Umlenkvorrichtung auf eine Achse ausgerichtet, und durch eine zweite, weitere Umlenkvorrichtung in Achsennähe wieder parallel- gerichtet werden, sodass die Strahlen sich durch Beugung zu einem Strahl vereinigen können und die Strahlungsfelder in den einzelnen Teilstrecken phasenstarr koppeln, und der Strahl bzw. die Strahlen durch eine Auskoppeloptik (21 bzw.
    11, 12) ausgekoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass sich innerhalb des Resonators eine erste Umlenkvorrichtung, bestehend aus mehreren, diskreten Umlenks- piegeln (13,..., 20) und die zweite Umlenkvorrichtung, bestehend aus einem Parabolspiegel, befinden und die Auskopplung der Laserstrahlung entweder über den gegenüber dem Parabolspiegel angeord- neten Spiegel (21) oder über die Endspiegel der Teilstrecken (11, 12) erfolgt.
  2. 2. Optischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in an sich bekannter Weise piezoelektrische Stellelemente und eine elektronische Regelung verwendet werden, um minimale Längendifferenzen der Teilstrecken zu kompensieren.
  3. 3. Optischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in an sich bekannter Weise ein Teleskop zwischen dem Parabolspiegel (22) und dem Endspiegel (21) eingesetzt wird, um die Strahldivergenz zu erhöhen und damit die Vereinigung der Teilstrahlen auf der Strecke zwischen dem Endspiegel (21) und dem Parabolspiegel (22) zu verbessern, bzw. um den Abstand zwischen dem Endspiegel (21) und dem Parabolspiegel (22) verkleinern zu können.
  4. 4. Optischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch geringfügige Verschiebung des parabolischen Spiegels (22) in der Achse des Systems die Strahldivergenz verändert und damit der Kopplungsgrad zwischen den Teilstrahlen beeinflusst werden kann, womit sich die Strahlqualität (Divergenz, Fokussierbarkeit) verändert.
  5. 5. Optischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in an sich bekannter Weise zum Abschluss des Vakuumgefässes transmissive Fenster (z. B. Brewsterfen- ster) an der den Endspiegeln (11,12) gegenüberliegenden Seite des koaxialen Elektrodensystems verwendet werden, und dass die Umlenkspiegel (13,..., 20), der Parabolspiegel (22) und die Auskoppe- loptik (21) auBerhalb des Unterdruckbehälters angeordnet werden.
  6. 6. Optischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Teilstrecke für sich in an sich bekannter Weise zwischen dem Endspiegel (11, 12) und dem Umlenks- piegel (13, 17) gefaltet wird.
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