DE102005033719B3

DE102005033719B3 - Vorrichtung mit einem elektrooptischen Strahlschalter

Info

Publication number: DE102005033719B3
Application number: DE102005033719A
Authority: DE
Inventors: Gennadij Dr.-Ing. Kusnezow
Original assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Current assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2025-07-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) mit einem elektrooptischen Strahlschalter (1), in dessen einachsigen elektrooptischen Kristall (3) ein Laserstrahl (2) entlang einer optischen Achse (5) an einer Eintrittsfläche (4) einkoppelbar ist, welcher durch eine Austrittsfläche (7) austritt. Die Polarisation des Laserlichtes in dem elektrooptischen Kristall (3) ist dabei in Abhängigkeit einer einwirkenden elektrischen Feldstärke veränderbar. Um eine Möglichkeit zu schaffen, eine zuverlässige Laserstrahlumschaltung bei zugleich geringer Reaktionszeit sowie geringen optischen Verlusten sowie auch minimalen Kosten zu erreichen und dabei auf einen dem elektro-optischen Strahlschalter (1) nachgeordneten Polarisator zu verzichten, ist der elektrooptische Kristall (3) mit einer gegenüber der Eintrittsfläche (4) geneigten Fläche der inneren Totalreflektion (6) ausgestattet, so dass die Austrittsfläche (7) im Wesentlichen parallel zur optischen Kristallachse (Z') des elektrooptischen Kristalls (3) ausgerichtet ist. Dabei ist das aus der Austrittsfläche (7) austretende Licht mittels einer ersten Fokussierlinse (11) in Abhängigkeit der einwirkenden elektrischen Feldstärke wahlweise auf einen im Wesentlichen in ihrer Fokusebene angeordneten Absorber (13) oder auf eine insbesondere als eine zweite Fokussierlinse (14) ausgeführte weitere Linsenanordnung fokussierbar.

Description

Für die Modulierung bzw. die schnelle Umschaltung eines Laserstrahls benutzt man verschiedene technische Mittel.
Als ein einfaches Mittel ist ein mechanischer Schalter bekannt, bei denen ein beweglicher Absorber in den Strahlengang des Laserstrahls eingebracht wird und dadurch der Laserstrahl unterbrochen wird. Dabei ist der Prozess relativ langsam (die Umschaltzeit beträgt im besten Fall 10^–3 s) und ist dadurch für viele industrielle Prozesse und Applikationen nicht verwendbar.

Weiterhin sind auch akustooptische Strahlschalter zum Einsatz im Inneren des Laserresonators bekannt. Solche Strahlschalter gestatteten jedoch aufgrund des unvermeidlichen Strahls in der ursprünglichen Richtung grundsätzlich keine vollkommene Abschattung und Unterbrechung des Laserstrahls.

Weiterhin sind Lichtmodulatoren mit Prismenanordnungen bekannt, deren Abstand mittels eines Piezoaktuators einstellbar ist, so dass eine Unterbrechung der totalen inneren Reflektion in den Prismen entsteht, die zum Strahlrichtungswechsel führt. Zwar ist die Reaktionsgeschwindigkeit hoch, jedoch sind Verschleißerscheinungen unvermeidbar, die zudem aufgrund der hohen Qualitätsanforderungen an die jeweiligen Kontaktflächen der beiden Prismen schnell zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines derartigen Strahlschalters führen.

Der „schnellste" aus dem Stand der Technik bekannte Strahlschalter ist ein elektrooptischer Lichtschalter, der auf dem linearen Pockels-Effekt basiert. Er erlaubt es, die Polarisation des Laserstrahls in Abhängigkeit einer einwirkenden elektrischen Spannung zu variieren. In Verbindung mit einem im Strahlengang des Laserlichtes hinter dem Kristall angeordneten Polarisator kann man in einfacher Weise eine räumliche Spaltung des Laserstrahls auf zwei Bündel mit zu einander senkrechten Polarisationen ermöglichen. Die Intensitäten dieser Strahlen in der Summe sind ungefähr gleich der Intensität des einfallenden Strahls. Soll die elektrische Spannung von 0 bis zu der so genannten „Halbwellenspannung" (U_λ/2) geändert werden, schaltet die lineare Polarisation auf ihren orthogonalen Stand um und der ausgekoppelte Strahl wechselt seine Ausbreitungsrichtung. Dabei kann die Reaktionszeit bis 10^–9 s betragen und das Löschverhältnis > 10³ erzielt werden.

Nachteilig dabei ist die Notwendigkeit, zumindest einen Polarisator zu benutzen, der zu spürbaren optischen Verlusten, konstruktiven Aufwand und zusätzlichen Kosten führt.

Aus dem Stand der Technik sind weitere elektrooptischen Strahlschalter auch durch die US 33 53 894 sowie die DE-OS 14 89 032 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, eine zuverlässige Laserstrahlumschaltung bei zugleich geringer Reaktionszeit und geringen optischen Verlusten sowie auch minimalen Kosten zu erreichen. Insbesondere soll dabei ein dem elektro-optischen Strahlschalter nachgeordneter Polarisator verzichtbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, bei der welcher der elektrooptische Kristall mit einer gegenüber der Eintrittsfläche geneigten Fläche der inneren Totalreflektion ausgestattet ist, und dass die Austrittsfläche parallel zur optischen Kristallachse des elektrooptischen Kristalls ist, wobei das aus der Austrittsfläche austretende Licht mittels einer ersten Fokussierlinse in Abhängigkeit der einwirkenden elektrischen Feldstärke auf den Absorber ablenkbar ist, der in ihrer Fokusebene angeordnet ist, oder auf eine weitere Linsenanordnung fokussierbar ist. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass das parallel zur optischen Achse in den Kristall des Strahlschalters eintretende linear polarisierte, beispielsweise s-polarisierte Licht, durch die Einwirkung des elektrischen Feldes entsprechend dem longitudinalen Pockelseffekt mittels äußerer Elektroden eine Änderung der Polarisation beispielsweise in eine lineare p-Polarisation erfährt. Die der Eintrittsfläche gegenüberliegende Kristallfläche ist nicht parallel, sondern gegenüber der Eintrittsfläche geneigt angeordnet und bildet dadurch eine Reflektionsfläche, so dass der Strahl an dieser Reflektionsfläche innen total reflektiert wird in die Richtung, im Wesentlichen senkrecht zur optischen Kristallachse und seitlich durch die Austrittsfläche, austritt. Aufgrund der anisotropen Eigenschaften des Kristalls werden zwei Reflektionsrichtungen gebildet. Der s-polarisierte Strahl wird sich als ordentlicher ausbreiten, ihm gegenüber der p-polarisierte Strahl als außerordentlicher. Der Differenzwinkel θ zwischen diesen Strahlen ist nur von optischen Eigenschaften des Kristalls abhängig und lässt sich nicht vom elektrischen Feld variieren. Wenn also die elektrische Spannung von 0 bis U = U_λ/2 verändert wird, ändert sich nicht nur der Polarisationszustand, sondern auch die Verbreitungsrichtung des kompletten Laserstrahls. Die weitere Linsenanordnung kann beispielsweise als eine zweite Fokussierlinse ausgeführt sein.

Eine besonders einfache und vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dadurch erreicht, dass die optische Achse parallel zur optischen Kristallachse ist und die Reflektionsfläche gegenüber der Eintrittsfläche um 45° geneigt angeordnet ist. Hierdurch wird ein maximaler Differenzwinkel θ zwischen den austretenden, unterschiedlich polarisierten Strahlen erreicht, um so eine sichere Strahlaufteilung zu ermöglichen. In diesem Fall ist θ folgendermaßen zu berechnen:

wobei n_o und n_e die Brechungsindexe des elektrooptischen Kristalls sind.

Sofern auf dem Weg der aus dem Kristall ausgekoppelten Strahlen eine Fokussierlinse platziert wird, kann man die Strahlen in der Fokusebene zuverlässig räumlich trennen. Wenn die Brennweite der Linse gleich f₁ ist, werden s- und p-polarisierten Strahlen in dieser Ebene auf Δ = θf1 (2)von einander entfernt.

Um das zweckmäßige Strahlumschalten zu erreichen, soll die Vorrichtung mit einer Blende, bzw. mit einem Absorber ausgestattet werden, der so fokusnah platziert werden soll, dass dieser einen Strahl, beispielsweise mit der p-Polarisation aufnimmt und den anderen Strahl, mit der s-Polarisation vorbei lässt. Hierdurch wird in einfacher Weise eine vollständige Unterbrechung des Laserlichtes erreicht, indem lediglich das unter einem vorbestimmten Winkel austretende Licht weiter verwendet werden kann. Das durchgehende divergierende Licht wird mittels der zweiten Fokussierlinse (Linsenanordnung) mit der Brennweite f₂ kollimiert und mit dem Vergrößerungsfaktor m = f₂/f₁ zur Bearbeitungszone eines Laseraufbau zugeführt. Das auf den Absorber abgelenkte Laserlicht wird hingegen vollständig absorbiert und eine nahezu vollkommene Strahlunterbrechung sichergestellt.

Eine andere, Erfolg versprechende Abwandlung wird dadurch erreicht, dass im Strahlengang vor der Eintrittsfläche des elektrooptischen Kristalls ein λ/4-Verzögerungsplättchen angeordnet ist. Es wird das zunächst linear polarisierte ankommende Licht zirkular polarisiert. Um wahlweise die p-Polarisation einerseits oder die s-Polarisation andererseits einstellen zu können, ist lediglich entweder eine negative oder eine positive Spannung der ihrem Betrage nach um die Hälfte reduzierten Spannung U = +U_λ/4 oder U = –U_λ/4 erforderlich. Hierdurch kann die Steuerung der Vorrichtung mit relativ kleinen Spannungen durchgeführt werden.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird dann erreicht, wenn der Kristall eine gegenüber der optischen Achse des Strahls Z geneigte optische Kristallachse Z' aufweist. Hierdurch kann auf das dem Kristall vorgeschaltete λ/4-Verzögerungsplättchen verzichtet werden, indem zirkular polarisiertes Licht in einfacher Weise lediglich durch eine geänderte Position des Kristalls, bzw. eine eingestellte Orientierung der Kristallachse Z' gegenüber der optischen Achse Z erreicht wird. Die Kristallachse Z' wird hierzu um einen geringen Winkel γ in einer Ebene 45° zur X-Achse und zur Y-Achse verschwenkt.

Der Strahlschalter kann einen beliebigen einachsigen elektrooptischen Kristall beinhalten. Besonders zweckmäßig ist hingegen eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Kristall K*DP (Kalium Dideuterium Phosphat) eingesetzt wird. Hierdurch wird eine sehr gute Transmission, relativ niedrige Spannung U_λ/2, hohe Homogenität in großen Volumen und niedrige Kosten erreicht. Für diesen Kristall gilt auf Basis der Wellenlänge λ = 355 nm n_o = 1,48, n_e = 1,52. Daraus ergibt sich gemäß (1): θ = 2,4°. Ist die Brennweite der ersten Linse, beispielsweise f₁ = 200 mm, dann folgt aus (2): Δ = 8,4 mm, das vollkommen ausreichend ist, um die ausgekoppelten Strahlen zu trennen.

Weiterhin ist es besonders praxisnah, wenn die Vorrichtung ein geschlossenes Gehäuse mit einem der Eintrittsfläche des elektrooptischen Kristalls zugeordneten Schutzglas aufweist, wobei die erste Fokussierlinse als Bestandteil des Gehäuses der Austrittsfläche zugeordnet ist. Hierdurch wird eine problemlos einstellbare Baueinheit geschaffen, die im Vergleich zum Stand der Technik mit lediglich wenigen Bauelementen auskommt. Die Herstellungskosten sowie der konstruktive Aufwand zur Anordnung in vorhandenen oder neu zu erstellenden Einrichtungen sind dabei gering.

Die Vorrichtung eignet sich zu Anwendung bei unterschiedlichen Lasern für nahezu beliebige Einsatzzwecke. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der Vorrichtung für die Bearbeitung elektrischer Bauelemente, um so mittels einer einzigen Laserquelle eine bedarfsweise unterschiedliche Anzahl von Laserstrahlen zur Bearbeitung einzelner oder mehrere Bauelementes verfügbar zu machen. Der Strahlschalter ist dabei außerhalb des Laserresonators angeordnet, beispielsweise im Bereich einer zuvor erfolgten Strahlaufteilung in parallele Strahlengänge.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Diese zeigt in

1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem elektro-optischen Strahlschalter;

2 eine weitere Vorrichtung mit einem zusätzlichen Verzögerungsplättchen;

3 eine weitere Vorrichtung mit einem elektro-optischen Strahlschalter dessen Kristallachse gegenüber der optischen Achse geneigt angeordnet ist;

4 eine vergrößerte Darstellung des geneigt angeordneten Kristalls der in 3 gezeigten Vorrichtung.

1a) zeigt in einer Seitenansicht eine Vorrichtung mit einem elektrooptischen Strahlschalter 1 zur bedarfsweisen Unterbrechung eines Laserstrahls 2, insbesondere zur schnellen Unbrechung einer Laserbearbeitung. Der elektrooptische Strahlschalter 1 hat einen einachsigen elektrooptischen Kristall 3 mit einer Eintrittsfläche 4, durch die der Laserstrahl 2 entlang einer optischen Achse 5, in den elektrooptischen Kristall 3 eintritt. Die optische Kristallachse Z' ist parallel zur optischen Achse 5 (Z) angeordnet. Weiterhin hat der Strahlschalter 1 eine gegenüber der Eintrittsfläche 4 geneigte Fläche 6 der inneren Totalrefflektion an welcher der Laserstrahl 2 derart reflektiert wird, dass der Laserstrahl 2 durch eine im Wesentlichen parallel zur optischen Kristallachse 5 angeordnete und zu der Eintrittsfläche im Wesentlichen senkrechte Austrittsfläche 7 austritt. Das parallel zur optischen Achse 5 in den Kristall 3 (K*DP) des Strahlschalters 1 eintretende linear, beispielsweise s-polarisierte Licht wird sich abhängig von der Einwirkung des elektrischen Feldes im Kristall 3 verschieden verhalten. Im Abwesenheit der elektrischen Spannung (U = 0) wird der Strahl von der Reflektionsfläche 6 als ordentlicher Strahl in die Richtung 8 reflektiert und behält seine s-Polarisation. Bei Anlegung der elektrischen Spannung U = U_λ/2 an die äußere Elektroden 9 entsprechend dem longitudinalen Pockelseffekt wird der Strahl p-polarisiert, so dass der Strahl von der Fläche 6 als außerordentlicher Strahl reflektiert wird und die Austrittsfläche 7 in die Richtung 10 verlässt. Der entstehende Differenzwinkel θ zwischen den Richtungen 8 und 10 ist von dem elektrischen Feld im Kristall 3 unabhängig. Die erste Fokussierlinse 11 stellt eine zuverlässige räumliche Trennung der ausgekoppelten Strahlen 7 und 8 in der Fokusebene 12 sicher. Der Strahlschalter 1 ist mit einem Absorber 13 ausgestattet, der in der Fokusebene 12 derart platziert ist, dass der fokussierte Strahl 10, auf diese auftrifft und den anderen Strahl 8 vorbei lässt. Die zweite Fokussierlinse 14 kollimiert den durchgehenden Strahl 15 und führt zur Bearbeitungszone eines Laseraufbaus. Die Vorrichtung 1 weist ein geschlossenes Gehäuse 16 mit einem der Eintrittsfläche 4 des Kristalls 3 zugeordneten Schutzglas 17 auf, wobei zusätzlich auch die der Austrittsfläche 7 zugeordnete erste Fokussierlinse 11 als Bestandteil des Gehäuses 16 ausgeführt ist.
1b) stellt schematisch auf einem Zeitdiagramm dar, wie sich die Intensität I_s des durch den elektrooptischen Strahlschalter 1 durchgehenden Laserstrahls 2 bei dem Spannungswechsel von 0 bis U_λ/2 auf dem Kristall 3 ändert.
2a) zeigt eine weitere Vorrichtung 18 mit einem dem Strahlschalter 1 vorgeschalteten zusätzlichen λ/4-Verzögerungsplättchen 19 im Strahlengang des Laserlichtes 2. Hierdurch wird durch das dem Kristall 3 vorgeschaltete λ/4-Verzögerungsplättchen 19 das linear polarisierte Licht zunächst zirkular polarisiert. Um wahlweise die p-Polarisation einerseits oder die s-Polarisation andererseits einstellen zu können, ist lediglich entweder eine negative oder eine positive Spannung der ihrem Betrage nach um die Hälfte reduzierten Spannung
U = +U_λ/4 oder U = –U_λ/4 erforderlich.
2b) stellt schematisch auf einem Zeitdiagramm dar, wie sich die Intensität I_s des durch den elektrooptischen Strahlschalter 1 in der Vorrichtung 18 durchgehenden Laserstrahls 2 bei der Spannungswechsel von U = +U_λ/4 bis U = –U_λ/4 auf dem Kristall 3 ändert.
3 zeigt eine weitere Vorrichtung 19, bei dem der elektrooptische Strahlschalter 1 eine gegenüber der optischen Achse 5 geneigt angeordnet Kristallachse Z' aufweist. Hierdurch kann auf das dem Kristall 3 vorgeschaltete λ/4-Verzögerungsplättchen verzichtet werden, indem zirkular polarisiertes Licht in einfacher Weise lediglich durch eine geänderte Position des Kristalls 3, bzw. eine eingestellte Orientierung der Kristallachse Z' gegenüber der optischen Achse 5 (Z) erreicht wird. Die Kristallachse Z' wird hierzu um einen geringen Winkel γ in einer Ebene 45° zur X-Achse und zur Y-Achse verschwenkt, die ergänzend auch anhand der 4 gezeigt ist, die den gedrehten Kristall 3 in einem Koordinatensystem XYZ zeigt.

Claims

Vorrichtung (1, 18, 20) mit einem elektrooptischen Strahlschalter (1), in dessen einachsigen elektrooptischen Kristall (3) ein Laserstrahl (2) entlang einer optischen Achse (5) an einer Eintrittsfläche (4) einkoppelbar ist und durch eine Austrittsfläche (7) austritt, wobei die Polarisation des Laserlichtes in dem elektrooptischen Kristall (3) in Abhängigkeit einer einwirkenden elektrischen Feldstärke veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrooptische Kristall (3) mit einer gegenüber der Eintrittsfläche (4) geneigten Fläche der inneren Totalreflektion (6) ausgestattet ist, wobei die Austrittsfläche (7) parallel zur optischen Kristallachse (Z') des elektrooptischen Kristalls (3) ist, wobei das aus der Austrittsfläche (7) austretende Licht mittels einer ersten Fokussierlinse (11) in Abhängigkeit der einwirkenden elektrischen Feldstärke auf den Absorber (13) ablenkbar ist, der in ihrer Fokusebene angeordnet ist, oder auf eine weitere Linsenanordnung fokussierbar ist.
Vorrichtung (1, 18, 20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Linsenanordnung als eine zweite Fokussierlinse (14) ausgeführt ist.
Vorrichtung (1, 18) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Kristallachse (Z') des elektrooptischen Kristalls (3) und die optische Achse (5) parallel sind.
Vorrichtung (1, 18, 20) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionsfläche (6) gegenüber der Eintrittsfläche (4) um 45° geneigt angeordnet ist.
Vorrichtung (18) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang vor der Eintrittsfläche (4) ein λ/4-Verzögerungsplättchen (19) angeordnet ist.
Vorrichtung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Kristallachse (Z') in einer mit der optischen Achse (5) einen 45° Winkel einschließenden Ebene geneigt angeordnet ist.
Vorrichtung (1, 18, 20) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1, 18, 20) ein geschlossenes Gehäuse (16) mit einem der Eintrittsfläche (4) zugeordneten Schutzglas (9) aufweist.
Vorrichtung (1, 18, 20) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierlinse (11) als Bestandteil des Gehäuses (16) der Austrittsfläche (7) zugeordnet ist.
Vorrichtung (1, 18, 20) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrooptische Kristall (3) aus K₂D₂PO₄ (Kalium Dideuterium Phosphat), kurz K*DP hergestellt ist.
Vorrichtung (1, 18, 20) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlschalter (2) außerhalb eines Laserresonators angeordnet ist.
Verwendung der Vorrichtung (1, 18, 20) nach den Ansprüchen 1 bis 10 für die Bearbeitung elektrischer Bauelemente.