Die Erfindung betrifft eine Anlage zur automatischen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen, bei welcher ein im transversalen Grundmode schwingender, zwei Spiegel aufweisender Laserresonator, ein Strahlungsteiler, eine Fokussierungsoptik und ein Werkstückzubringer mitein ander ausgerichtet auf einer optischen Bank montiert sind und der Laserresonator mit einem einen Laserstab und eine Blitzlichtlampe enthaltenden Laserkopf versehen ist, wobei die den Laserstab erregende Blitzlichtlampe von einem Netzgerät mit elektrischen Impulsen gespeist wird, die durch den Werkstückzubringer ausgelöst werden, und von einem Kontrollgerät geregelt werden, dem vom Strahlungsteiler ein dem Nutzstrahl proportionaler Messstrahl zugeführt wird. Eine solche Anlage ist in der schweizerischen Patentschrift 505 677 des Anmelders dargestellt.
Es hat sich gezeigt, dass in solchen Anlagen noch der Nachteil auftreten kann, dass die aufeinanderfolgenden Laserlichtimpulse keine regelmässige Form und Energie haben, d. h. ihre Reproduzierbarkeit ungenügend ist, was eine Unregelmässigkeit der gebohrten Löcher zur Folge hat.
Durch eingehende Untersuchungen ist nun festgestellt worden, dass dies hauptsächlich von praktisch unvermeidbaren Schwankungen der Pumpleistung , d. h. der von der Blitzlichtlampe dem Laserstab zugeführten Energie herrührt.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, zeichnet sich die Anlage nach der Erfindung dadurch aus, dass der optische Abstand zwischen den Spiegeln etwa halb so gross ist, wie die Brennweite des bei Betriebstemperatur als Sammellinse wirkenden Laserstabes.
Wie in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung noch näher erläutert werden soll, wird dadurch erreicht, dass das Modevolumen , welches für die Form und Energie des Bohrstrahles wesentlich ist, sich bei Schwankungen der Betriebstemperatur, die auf Änderungen der Pumpleistung zurückzuführen sind, nur sehr wenig ändert.
Um die auf diesem Wege erzielte grössere Regelmässigkeit der Laserlichtimpulse bzw. der Bearbeitung, noch zu erhöhen, empfiehlt es sich, einen Resonator von relativ grosser geometrischer Länge, z. B. 3 m, äusserst sorgfältig auf einer praktisch vibrationsfreien optischen Bank aufzubauen oder einen geometrisch kurzen Resonator mit grossem optischem Spiegelabstand vorzusehen. Unter dem optischen Spiegelabstand ist dabei eine die Form des Strahlenganges zwischen den Spiegeln berücksichtigende, für das Modevolumen massgebende Länge zu verstehen, die bei Resonatoren mit Planspiegeln und ohne zwischen diesen Planspiegeln angeordneten, den Strahlengang beeinflussenden, optischen Elementen mit dem geometrischen Spiegelabstand übereinstimmt.
Anhand der Zeichnung werden nun Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes erläutert werden. Es ist:
Fig. 1 ein Schema einer automatischen Laserbohranlage,
Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des in der Anlage nach Fig. 1 enthaltenen Resonators,
Fig. 3 ein Querschnitt durch das Fundament der Anlage nach Fig. 1 und
Fig. 4 eine Variante des Resonators.
In der Anlage nach Fig. 1 werden Laserlichtimpulse für das Bohren von Werkstücken erzeugt, wobei in an sich bekannter Weise jeweils nach dem Bohren eines Werkstückes ein anderer Stein automatisch in Bohrstellung gebracht wird und dabei einen neuen Impuls auslöst. Die Anlage umfasst einen Laserresonator 6, einen Strahlungsteiler 7, eine Fokussierungsoptik 8 und einen Werkstückzubringer 9, die auf einer optischen Bank 10 montiert sind. Der Resonator 6 umfasst zwei Spiegel 11 und 12, die einen Abstand L voneinander haben. Im vorliegenden Fall ist ein langer Resonator vorgesehen, indem L etwa 3 m lang ist. Die Länge L ist einstellbar, indem die beiden Spiegel 11 und 12 auf Suppor ten 13 und 14 angebracht sind, die je für sich auf der opti schen Bank 10 montiert sind.
Zwischen den Spiegeln 11 und
12, aber in der Nähe des Auskopplungsspiegels 12, aus welchem der Nutzstrahl 3 austritt, ist ein Laserkopf 15 auf der Bank 10 montiert, dessen Gehäuse 16 einen Laserstab
17, z. B. aus neodymdotiertem Yttrium-Aluminium-Granat ( YAG ) und eine Blitzlichtlampe 18 enthält. Das auf seiner
Innenseite verspiegelte Gehäuse 16 hat einen elliptischen
Querschnitt, durch dessen Brennpunkte der Stab 17 und die
Lampe 18 hindurchgehen, so dass die von letzterer ausge henden Pump -Lichtstrahlen im Stab 17 konzentriert wer den, um die für den Lasereffekt erforderliche Inversion der Elektronenbesetzung der fraglichen Energieniveaus hervor zurufen. Die Blitzlichtlampe 18 wird mittels eines Netzgerätes
19 erregt, welches an das elektrische Netz 20 angeschlossen ist, wie im Schema einpolig dargestellt ist.
Blitzlichtlampe 18 und Laserstab 17 sind von Glasrohren umgeben, durch welche
Kühlwasser fliesst.
Das Netzgerät 19 ist mit dem Ausgang eines Strahlkon trollgerätes 21 und mit einer vom Werkstückzubringer 9 kommenden Signalleitung 22 verbunden. Es enthält in be kannter Weise einen Hauptkondensator, der über Regel glieder auf eine einstellbare Spannung aufgeladen wird und sich beim Eintreffen eines Signals, welches anzeigt, dass im Zubringer ein Werkstück bei 23 in die Bohrstellung gebracht worden ist, entlädt; dadurch speist er über eine aus Induktivi täten und Kapazitäten aufgebaute L-C-Laufzeitkette die Blitzlichtlampe 18. Vor Beginn der Produktion kann man aber mittels eines im Zubringer 9 vorgesehenen Impulsgebers dem Netzgerät 19 über die Leitung 22 auch Entladungsauslöseimpulse zuführen, ohne dass ein zu bohrendes Werkstück in die Bohrstellung 23 gebracht worden ist.
Das Strahlkontrollgerät 21, dem mittels des Strahlungs teilers 7 ein kleiner Teil 3' des Strahles 3 zugeführt wird, enthält unter anderem ein Kathodenstrahloszilloskop, auf dessen Bildschirm die Form des Laserlichtimpulses erscheint. Wenn man auf dem Bildschirm feststellt, dass die Laserlichtimpulse, die durch den erwähnten Impulsgeber ausgelöst werden, die gewünschte Form haben, insbesondere die Spikes und Spikes intervalle experimentell begründeten Forderungen entspre chen, kann man den Zubringer 9 von Kontrolle auf Zubringer schalten und mit dem automatischen Bohren beginnen. Das Kontrollgerät 21 gibt an das Netzgerät 19 auch
Regelimpulse ab, um die Energie der Laserimpulse konstant zu halten.
Wenn die Form der Spikes bzw. des Impulses den Erfor dernissen nicht entspricht, so kann man durch Bedienung von
Einstellknöpfen 24 des Netzgerätes 19 die Form der Blitzlichtimpulse, insbesondere ihre Dauer, maximale Intensität und Flankensteilheit verändern, um dadurch die Entwick lung der Spikes zu beeinflussen. Die Knöpfe 24 gestatten unter anderem die Höhe der Ladespannung des Hauptkondensators sowie die Grösse der einzelnen Glieder der L-C-Laufzeitkette zu variieren. Vor dem Bohren ist es notwendig, das Durchlaufen einer Anzahl von Impulsen abzuwarten, damit sich sowohl im Laserstab 17 als in der Blitzlichtlampe 18, die beim ersten Einschalten des Netzgerätes 19 noch Zimmertemperatur haben, eine gleichmässige Betriebstemperatur einstellen kann.
Zur Erzielung einer zylindrischen, schön runden Bohrung ist es von grösster Bedeutung, dass der Resonator 6 nur im transversalen Grundmode schwingt und dass der Nutzstrahl 3, nachdem er durch die Optik 8 fokussiert worden ist, eine praktisch zylindrische Kaustik von sehr kleinem Durchmesser hat, der etwas geringer ist als der Durchmesser d des gewünschten Bohrloches. Wie in der schweizerischen Patent schrift Nr. 582 832 gezeigt worden ist, kann man mit einem einige Meter langen Resonator mit planparallelen Spiegeln erzielen, dass ein grosser Teil des Volumens des Laserstabes 17 an der Schwingungserregung bzw. -aufrechterhaltung des transversalen Grundmodes beteiligt ist, und dass die Schwingung nur im transversalen Grundmode erfolgt.
Der genannte Volumteil, das sogenannte aktive Modevolumen Vm des Laserstabes 17, ist in Fig. 2 für eine Resonatorlänge von L = 3 m in einer vollausgezogenen Kurve und für L = 6 m, 4 m, 2 m und 9 cm gestrichelt dargestellt, und zwar in Funktion der Brennweite f des Laserstabes, die ihrerseits von der Temperatur des Stabes selbst abhängt. Dabei handelt es sich um einen YAG-Stab von 5 cm Länge und 0,6 cm Durchmesser und Vm ist in mm3 angegeben.
Im Betrieb erwärmt sich der Stab 17 und durch die notwendige Kühlung entsteht ein radialer Temperaturgradient, was eine konvexe Krümmung seiner Stirnflächen hervorruft, die ihrerseits eine Linsenwirkung zur Folge hat. Die Laserstabbrennweite f ist in m angegeben und in beiden Koordinatenachsen ist ein logarithmischer Massstab benützt. Die Laserstabbrennweite f ist im wesentlichen durch die Blitzlichtleistung gegeben, die benötigt wird, um die zum Bohren gewünschten Laserimpulse zu erzeugen, sie liegt z. B. bei f- 6 m.
Je grösser das aktive Modevolumen Vm ist, um so besser ist der Wirkungsgrad des Laserresonators für die Erzeugung von Strahlung im transversalen Grundmode. Trotzdem ist es, und zwar im Hinblick auf die Ausbildung von reproduzierbaren Impulsen der gewünschten Art, zweckmässig, bei der Resonatorlänge L = - f zu arbeiten, weil die Vrn-Kurve für
2 L = 3 m im Punkt Pm ein Minimum hat. Der Grund dafür ist der, dass unvermeidliche Temperaturschwankungen des Laserstabes, die ihrerseits Schwankungen der Brennweite f zur Folge haben, sich dann am wenigsten auf die Grösse und Form des Modevolumens Vm und damit am wenigsten auf die Energie und Form der Laserlichtimpulse auswirken.
Ein Grund für Temperaturschwankungen des Laserstabes ist schon darin zu sehen, dass der Werkstückzubringer 9 für das jeweilige Instellungbringen eines Werkstückes nicht immer genau die gleiche Zeit braucht, so dass die Blitzlichtentladungen nicht immer in gleichen Zeitintervallen aufeinander folgen. Selbst wenn die Energie der einzelnen Entladungen genau konstant bleibt, ist somit die vom Laserstab aufgenommene Leistung nicht konstant, was notwendigerweise zu einer Temperatur- und somit Brennweiteschwankung des Laserstabes 17 führt.
Man kann den Parameter L zur Einstellung des Arbeitspunktes Pm durch gegenseitiges Verschieben der Spiegel ver ändern.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, liegt bei dem vorliegenden Resonator 6 der günstige Arbeitspunkt Pm bei einem Mode volumen von 33.102mm3, d. h. um einen Faktor 10 höher als bei gebräuchlichen kurzen Resonatoren (L = 9 cm).
Um eine Serie von gleichförmigen Impulsen zu erhalten, ist es sehr wichtig, Vibrationen des Laserresonators bzw.
seiner Komponenten zu vermeiden. Wenn Vibrationen auftreten, verändern sich die aufeinanderfolgenden Impulse sehr stark, so dass man nach Beobachtung eines zum Bohren geeigneten Impulses keineswegs erwarten kann, dass der nächste Impuls ebenfalls hierzu geeignet ist. Dabei ist ein Resonator um so vibrationsempfindlicher, je länger er ist. Die Vibrationen können einerseits hervorgerufen werden durch die die Blitzlichtlampe 18 speisenden Entladungsströme und anderseits durch den Werkstückzubringer 9, in welchem notwendigerweise ungleichförmige mechanische Antriebsund Trägheitskräfte wirksam sind. Benützt man irgendeine der in optischen Laboratorien üblichen optischen Bänke, die im wesentlichen aus einer Stahlschiene bestehen, so erhält man keine gleichförmigen Laserlichtimpulse.
Die optische Bank 10 der Anlage nach Fig. 1 umfasst gemäss Fig. 3 einen massiven Balken 25 aus Naturstein, z. B.
Serpentin, dessen quadratischer Querschnitt z. B. 900 cm2 beträgt und der eine Länge von z. B. 5 m hat. Wichtig ist eine hohe Dämpfungskonstante des Balkenmaterials, z. B. o > 0,1.
Der Balken 25 ruht in einem ersten Sandbett 26, das in einem ersten Holzkasten 27 enthalten ist. Die Lagerung in Sand verhindert die Erzeugung von transversalen Schwingungen des Balkens durch auf dem Balken angebrachten störenden Elementen. Der Holzkasten 27 ruht auf Druckluft enthaltenden Schläuchen 28, deren Druck zur Einstellung der Dämpfungsfrequenz verändert werden kann und die auf einer Zwischenbasis 29 abgestützt sind. Die Zwischenbasis 29 weist einen aus Schaumkunststoff, z. B. dem unter der Marke Wannerit bekannten Kunststoff, bestehenden Körper 30 auf, der oben von einer Holzplatte 31 bedeckt ist. Die Zwi schenbasis 29 ruht auf einem zweiten Sandbett 32, das in einem zweiten Holzkasten 33 enthalten ist, der seinerseits auf einem Basissockel 34 aus Wannerit liegt.
Der Wannerit-Sokkel 34 ruht auf dem Fussboden 35 und ist seitlich durch nicht mit ihm in Berührung stehende Verkleidungen 36 abgedeckt.
Die dargestellte optische Bank 10 vermeidet in sehr hohem Masse die Übertragung von irgendwelchen Vibrationen auf den Resonator 6, so dass sehr gleichmässige Impulse erhalten werden. Die Bank 10 kann auch einen unterteilten Natursteinbalken 25 aufweisen, z. B. einen etwa 3 m langen Teilbalken für den Resonator und einen etwa 2 m langen Teilbalken für die Vorrichtung 7-9, wobei die Unterteilung natürlich auch anders vorgesehen werden kann.
In Fig. 4 ist ein Laserresonator 6, dargestellt, der in der Anlage nach Fig. 1 anstelle des Resonators 6 verwendet werden kann und bei welchem der geometrische Abstand L zwischen den Spiegeln 11 und 12 wesentlich weniger als 3 m beträgt, so dass seine Vibrationsempfindlichkeit viel geringer ist als diejenige des Resonators 6. Zwischen dem Laserstab 17 und dem Spiegel 11 ist ein aus zwei sammelnden Linsen 37i und 38, bestehendes teleskopisches System angeordnet.
Statt dessen könnte man auch eine zerstreuende und eine sammelnde Linse vorsehen (Galilei-Fernrohr statt Kepler Fernrohr). Es kann nachgewiesen werden, dass sich der Resonator 61 in bezug auf das aktive Modevolumen Vm ebenso verhält wie ein Resonator vom Typ des Resonators 6, Fig. 4, mit einem geometrischen Spiegelabstand
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Der Spiegelabstand L' wird nachfolgend als optischer Spiegelabstand des Resonators 61 bezeichnet und ist gleich dem geometrischen Spiegelabstand eines äquivalenten Resonators 6, zwischen dessen planparalle.
len Spiegeln 11, 12 sich lediglich der Laserstab 17 befindet.
Die Brennweite fg der Linse 373 kann z. B. 10 cm betragen, die Brennweite f2 der Linse 38l z. B. 2 cm, der Abstand c der Linse 38i vom Spiegel 11 z. B. 13,2 cm und der Abstand a der Linse 37 vom Spiegel 12 z. B. 30 cm. Der geometrische Spiegelabstand L = c + f2 + f, + a 63 beträgt somit nur 55,2 cm, aber der optische Abstand L' ist 3 m.
Die anhand von Fig. 2 erläuterten Beziehungen gelten auch für den Resonator 6X, wenn man L' anstelle von L setzt.
Insbesondere ist es günstig, wenn im Arbeitspunkt L' =- f ist, 2 wobei f wiederum von der Temperatur des Laserstabes 17 bzw. der Pumpleistung abhängt, während zur Variierung des optischen Spiegelabstandes L' der Abstand c verändert werden kann. Die Stirnflächen des Laserstabes 17 sind in Fig. 4 konvex dargestellt, also im erwärmten Betriebszustand, um die Wirkung des Stabes als Sammellinse von der Brennweite f anzudeuten. Ferner sind die Grenzen des Strahlenganges gestrichelt angedeutet, der im Inneren des Laserstabes 17 das aktive Modevolumen begrenzt.
Bei den Resonatoren 6 und 6, ist es vorteilhaft, dass der Nutzstrahl 3 durch den Spiegel 12 hindurch austritt, in dessen Nähe sich der Laserstab 17 befindet, und nicht durch den vom Stab 17 ferneren Spiegel 11, wie dies. B. bei der in der schweizerischen Patentschrift Nr. 528 832 gezeigten Bohranlage der Fall ist. Eingehende Untersuchungen haben nämlich gezeigt, dass dadurch die Divergenz des Nutzstrahlenbündels verkleinert wird und, wie das Modevolumen Vorn, unkritisch ist gegenüber Schwankungen der Laserstabbrennweite f.