DE102008024589A1

DE102008024589A1 - Vorrichtung zur Formung eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE102008024589A1
Application number: DE102008024589A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Mitra
Original assignee: Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Current assignee: Focuslight Germany GmbH
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2009-11-26

Abstract

Vorrichtung zur Formung eines Laserstrahls, umfassend eine refraktive oder diffraktive Optik (4, 10) zur Formung des Lichtstrahls, wobei die Optik (4, 10) hygroskopisch ist, sowie Mittel zum Schutz der Optik (4, 10) vor Feuchtigkeit, wobei die Mittel zum Schutz vor Feuchtigkeit ein Gehäuse (1) umfassen, in dem die Optik (4, 10) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Formung eines Laserstrahls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus Kennedy, Michael, „Ionengestützte Beschichtungen mit niederenergetischen Ionen für Anwendungen in der modernen Optik", Dissertation an der Universität Hannover, 1999, ist eine Vorrichtung der vorgenannten Art bekannt. Einige der darin beschriebenen refraktiven Optiken sollen die von einem Kohlendioxidlaser (CO₂-Laser) ausgehende Laserstrahlung beeinflussen und bestehen aus hygroskopischen Alkalihalogeniden, insbesondere aus Kaliumchlorid (KCl) und Natriumchlorid (NaCl). Die Dissertation schlägt vor, die optisch funktionalen Oberflächen der Optiken mit Beschichtungen zu versehen. Insbesondere wird eine Antireflexionsbeschichtung aus Natriumfluorid (NaF) auf das hygroskopische Salz aufgebracht, um die Absorption bei der Laserwellenlänge von 10,6 μm des CO₂-Lasers zu verringern. Um die Natriumfluorid-Schicht gegen Feuchtigkeit zu schützen, wird beispielsweise eine Schicht aus Zinksulfid (ZnS) auf die Natriumfluorid-Schicht aufgebracht.
Eine derartige Mehrfach-Beschichtung der hygroskopischen Salze (KCl und NaCl) wird in der vorgenannten Dissertation vergleichsweise aufwendig hergestellt. Weiterhin kommt die Dissertation zu dem Ergebnis, dass auch mit der Schicht aus Zinksulfid die Alterungsbeständigkeit der refraktiven Optik nicht wesentlich erhöht werden kann.
Alternativ werden im Stand der Technik Optiken aus Spiegeln oder aus ZnSe verwendet, um die von einem CO₂-Laser ausgehende Laserstrahlung zu beeinflussen. Spiegel weisen den Nachteil auf, dass sie gefaltete Strahlengänge nach sich ziehen. ZnSe ist gesundheitsschädlich, so dass die Herstellung von Optiken aus ZnSe sehr problematisch ist.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die einfacher herstellbar und/oder alterungsbeständiger ist.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Mittel zum Schutz der Optik vor Feuchtigkeit ein Gehäuse umfassen, in dem die Optik angeordnet ist. Durch das Gehäuse kann die Optik wirksam vor Feuchtigkeit geschützt werden, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung alterungsbeständiger als der Stand der Technik ist. Weiterhin stellt die Herstellung eines Gehäuses einen vergleichsweise unkomplizierten Arbeitsgang dar, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung kostengünstig hergestellt werden kann.
Dabei kann das Gehäuse zwei Fenster aufweisen, durch die der Laserstrahl in das Gehäuse eintreten und aus dem Gehäuse austreten kann. Insbesondere können die Fenster aus einem Material bestehen, das für Licht mit der Wellenlänge des Laserstrahls durchlässig ist. Es besteht beispielsweise die Möglichkeit, dass das Material der Fenster Zinkselenid (ZnSe) oder Germanium (Ge) oder Cadmiumtellurid (CdTe) oder Zinksulfid (ZnS) oder Galliumarsenid (GaAs) oder AMTIR-1 (Ge₂₂As₁₂Se₅₅) oder AMTIR-6 (As₂S₃) oder KRS-5 (TlBr-TlI) oder Bariumfluorid (BaF₂) oder Silberchlorid (AgCl) oder Diamant oder ein Alkalihalogenid ist.
Insbesondere bei der Verwendung von Fenstern aus Alkalihalogenid kann vorgesehen sein, dass die Fenster austauschbar sind. Wenn aufgrund von Feuchtigkeit die Transmission der aus Alkalihalogenid bestehenden Fenster nachlässt, können diese einfach ausgetauscht werden. Dies erweist sich insbesondere auch deshalb als praktikabel, weil Fenster aus Alkalihalogenid preiswert sind.
Es besteht einerseits die Möglichkeit, dass das Gehäuse feuchtigkeitsdicht beziehungsweise gasdicht ist. Dabei kann dann das Gehäuse mit einem Schutzgas, wie beispielsweise Stickstoff, gefüllt sein. Dadurch kann weitgehend verhindert werden, dass Feuchtigkeit in das Gehäuse eindringt und die Optik angreift.
Alternativ dazu besteht andererseits die Möglichkeit, dass die Vorrichtung Mittel zum Spülen des Gehäuses umfasst, insbesondere zum Spülen des Gehäuses mit Stickstoff oder mit trockener Luft. Auch durch eine derartige Gestaltung kann weitgehend verhindert werden, dass Feuchtigkeit in das Gehäuse eindringt und die Optik angreift.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Element der Optik aus einem Alkalihalogenid besteht oder ein Alkalihalogenid umfasst. Optiken aus Alkalihalogenid bieten unter anderem den Vorteil, dass sie Kombinationsmöglichkeiten mit Standard-Materialien für IR-Achromate und/oder athermische Linsen im IR ermöglichen.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Optik für Licht in einem Wellenlängenbereich zwischen 8,0 μm und 12,0 μm, insbesondere zwischen 9,0 μm und 11,0 μm, vorzugsweise für Licht von etwa 10,6 μm durchlässig ist. Dies hat zur Folge, dass die refraktive Optik für das von einem CO₂-Laser ausgesandte Licht durchlässig ist.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Optik für Licht in einem Wellenlängenbereich zwischen 0,3 μm und 0,8 μm, insbesondere zwischen 0,4 μm und 0,7 μm, vorzugsweise für Licht von etwa 0,6 μm, beispielsweise für das Licht eines HeNe-Lasers durchlässig ist. Dadurch können rote HeNe-Pilotlaser verwendet werden. Beispielsweise sind Optiken aus Alkalihalogeniden im Bereich der Wellenlänge eines HeNe-Lasers (632 nm) transparent und damit sehr gut für Anwendungen geeignet, bei denen Pilotlaser sinnvoll sind.
Die Optik kann eine Optik zur Homogenisierung eines Laserstrahls sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die Optik eine Optik zur Veränderung des Intensitätsprofils eines Laserstrahls sein, insbesondere zur Umwandlung eines Gauß-Profils in ein Top-Hat-Profil.
Derartige Optiken sind in der Regel als Mikrooptiken ausgebildet und umfassen insbesondere eine Mehrzahl von Zylinderlinsenarrays. Diese Optiken sind daher vergleichsweise kostenintensiv in der Herstellung und können von dem Gehäuse der erfindungsgemäßen Vorrichtung effektiv geschützt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
1 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine schematische Seitensicht der Ausführungsform gemäß 1;
3 eine schematische Seitensicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In einigen der Figuren ist zur besseren Übersichtlichkeit ein kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet.
Die aus 1 und 2 ersichtliche erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst ein Gehäuse 1, das beispielsweise gasdicht ist und mit einem Schutzgas wie Stickstoff gefüllt ist. Das Gehäuse weist ein erstes, in den Figuren linkes Fenster 2 und ein zweites, in den Figuren rechtes Fenster 3 auf. Die Fenster 2, 3 sind lösbar an dem Gehäuse 1 angebracht, so dass sie bei Bedarf ausgetauscht werden können. Die Fenster 2, 3 bestehen zumindest abschnittsweise aus einem Material, das Licht mit einer Wellenlänge von 10,6 μm vergleichsweise ungehindert hindurch treten lässt. Dieses Material kann beispielsweise Zinkselenid (ZnSe) oder Germanium (Ge) oder Cadmiumtellurid (CdTe) oder Zinksulfid (ZnS) oder Galliumarsenid (GaAs) oder AMTIR-1 (Ge₂₂As₁₂Se₅₅) oder AMTIR-6 (As₂S₃) oder KRS-5 (TlBr-TlI) oder Bariumfluorid (BaF₂) oder Silberchlorid (AgCl) oder Diamant oder ein Alkalihalogenid sein.
Es besteht die Möglichkeit, anstelle eines gasdichten Gehäuses 1 ein Gehäuse vorzusehen, das mit Stickstoff oder mit trockener Luft gespült werden kann.
Bei der Ausführungsform gemäß 1 und 2 ist in dem Gehäuse 1 eine refraktive Optik 4 angeordnet, die zur Homogenisierung eines Laserstrahls dient. Diese Optik 4 umfasst zwei Zylinderlinsenarrays 5, 6, deren Zylinderachsen sich in y-Richtung erstrecken, und zwei Zylinderlinsenarrays 7, 8, deren Zylinderachsen sich in x-Richtung erstrecken. Weiterhin umfasst die Optik 4 eine Linse 9 in Fourieranordnung, die das aus den Zylinderlinsenarrays 7, 8 austretende Licht überlagern kann. Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 725 902 A1 bekannt.
Der zu formende Laserstrahl eines CO₂-Lasers mit einer Wellenlänge von 10,6 μm kann durch das Fenster 2 in das Gehäuse 1 eintreten, von der Optik 4 homogenisiert werden und durch das Fenster 3 das Gehäuse 1 wieder verlassen.
In 3 sind gleiche oder funktional gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1 und 2.
Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform weist die in 3 abgebildete zweite Ausführungsform eine in dem Gehäuse 1 abgebildete refraktive Optik 10 auf, die zur Veränderung des Intensitätsprofils eines Laserstrahls, insbesondere zur Umwandlung eines Gauß-Profils in ein Top-Hat-Profil dient.
Die Optik 10 umfasst ein erstes Linsenarray 11, eine erste Fourierlinse 12, ein zweites und ein drittes Linsenarray 13, 14, eine zweite Fourierlinse 15, eine Apertur 16 und eine dritte Fourierlinse 17. Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise aus der internationalen Patentanmeldung PCT/EP2008/000257 bekannt.
Der zu formende Laserstrahl eines CO₂-Lasers mit einer Wellenlänge von 10,6 μm kann durch das Fenster 2 in das Gehäuse 1 eintreten, von der Optik 10 hinsichtlich seines Intensitätsprofils verändert werden und durch das Fenster 3 das Gehäuse 1 wieder verlassen.
Die refraktiven Optiken 4, 10 beziehungsweise die einzelnen Teile der Optiken 4, 10 können aus einem hygroskopischen Material wie einem Alkalihalogenid, beispielsweise aus NaCl oder KCl bestehen. Insbesondere bestehen die Optiken 4, 10 zumindest abschnittsweise aus einem Material, das Licht mit einer Wellenlänge von 10,6 μm vergleichsweise ungehindert hindurch treten lässt.
Es besteht die Möglichkeit, dass in dem Gehäuse 1 sowohl eine refraktive Optik 4 gemäß 1 und 2 als auch eine refraktive Optik 10 gemäß 3 angeordnet werden. Alternativ oder zusätzlich können auch andere oder weitere Optiken in dem Gehäuse 1 angeordnet werden.
Es besteht durchaus die Möglichkeit, dass nur ein Element oder einzelne Elemente der refraktiven Optiken 4, 10 hygroskopisch sind beziehungsweise aus einem Alkalihalogenid bestehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1725902 A1 [0025]
- EP 2008/000257 [0029]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Kennedy, Michael, „Ionengestützte Beschichtungen mit niederenergetischen Ionen für Anwendungen in der modernen Optik”, Dissertation an der Universität Hannover, 1999 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Formung eines Laserstrahls, umfassend – eine refraktive oder diffraktive Optik (4, 10) zur Formung des Laserstrahls, wobei mindestens ein Element der Optik (4, 10) hygroskopisch ist, – Mittel zum Schutz der Optik (4, 10) vor Feuchtigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Schutz der Optik (4, 10) vor Feuchtigkeit ein Gehäuse (1) umfassen, in dem die Optik (4, 10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) zwei Fenster (2, 3) aufweist, durch die der Laserstrahl in das Gehäuse (1) eintreten und aus dem Gehäuse (1) austreten kann.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fenster (2, 3) aus einem Material bestehen, das für Licht mit der Wellenlänge des Laserstrahls durchlässig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Fenster (2, 3) Zinkselenid (ZnSe) oder Germanium (Ge) oder Cadmiumtellurid (CdTe) oder Zinksulfid (ZnS) oder Galliumarsenid (GaAs) oder AMTIR-1 (Ge₂₂As₁₂Se₅₅) oder AMTIR-6 (As₂S₃) oder KRS-5 (TlBr-TlI) oder Bariumfluorid (BaF₂) oder Silberchlorid (AgCl) oder Diamant oder ein Alkalihalogenid ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fenster (2, 3) austauschbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) feuchtigkeitsdicht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) gasdicht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) mit einem Schutzgas, wie beispielsweise Stickstoff, gefüllt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zum Spülen des Gehäuses (1) umfasst, insbesondere zum Spülen des Gehäuses (1) mit Stickstoff oder mit trockener Luft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Element der Optik (4, 10) aus einem Alkalihalogenid besteht oder ein Alkalihalogenid umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (4, 10) für Licht in einem Wellenlängenbereich zwischen 8,0 μm und 12,0 μm, insbesondere zwischen 9,0 μm und 11,0 μm, vorzugsweise für Licht von etwa 10,6 μm durchlässig ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (4, 10) für das von einem Kohlendioxidlaser (CO₂-Laser) ausgesandte Licht durchlässig ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (4, 10) für Licht in einem Wellenlängenbereich zwischen 0,3 μm und 0,8 μm, insbesondere zwischen 0,4 μm und 0,7 μm, vorzugsweise für Licht von etwa 0,6 μm, beispielsweise für das Licht eines HeNe-Lasers durchlässig ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (4) eine Optik zur Homogenisierung eines Laserstrahls ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (10) eine Optik zur Veränderung des Intensitätsprofils eines Laserstrahls ist, insbesondere zur Umwandlung eines Gauß-Profils in ein Top-Hat-Profil.