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Die
Erfindung betrifft eine Pulsverzögerungseinrichtung zur
Einstellung der zeitlichen Abfolge von Laserpulsen sowie eine mit
einer derartigen Pulsverzögerungseinrichtung ausgestattete
Laseranordnung.
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Eine
kurze Pulslänge bzw. Pulsdauer führt zu einer
konzentrierten Leistung hoher Energie. In der Praxis hat sich jedoch
gezeigt, dass für bestimmte Anwendungen, insbesondere für
bestimmte Materialien, eine derart hohe Intensität nicht
sinnvoll ist, sondern sogar zu einer Schädigung des Materials
führen kann. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, zunächst einen
ersten Puls geringer Intensität, dann einen zweiten Puls
hoher Intensität und abschließend einen weiteren
Puls geringer Intensität auf das Material zu lenken, um
so den Energieeintrag zu optimieren.
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Die
DE 44 40 387 A1 offenbart
eine Vorrichtung zur Messung der Dauer ultrakurzer Lichtpulse, insbesondere
UV-Lichtpulse, mittels des optischen Kerr-Effekts. Dabei wird durch
eine Einrichtung die Energie des aus dem Wechselwirkungsmedium austretenden,
zu vermessenden Lichtstrahls in Abhängigkeit von einer
zeitlichen Verzögerung des Einstrahlens der Pulse in das
Wechselwirkungsmedium gemessen. Gemäß einer bevorzugten
Ausgestaltung der Vorrichtung ist eine optische Verzögerungsstrecke
im Lichtweg des zu vermessenden Lichtpulses angeordnet. Diese Verzögerungsstrecke
ist bevorzugt hinsichtlich der Verzögerungszeitspanne wahlweise
einstellbar. Der Bergriff ”Verzögerungsstrecke” ist
hier nicht notwendig streng geometrisch zu verstehen, sondern umfasst
auch jedes optische Bauteil, das eine zeitliche Verzögerung
elektromagnetischer Strahlung bewirkt.
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Die
DE 10 2006 006 589
A1 betrifft einen Laser und ein Verfahren zur Erzeugung
gepulster Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge. Der
Resonator ist in einen ersten Zustand, in dem er für die
Laserstrahlung offen ist, und in einen zweiten Zustand, in dem er
für die Laserstrahlung geschlossen ist, schaltbar. Bei
Erreichen einer vorbestimmten physikalischen Kenngröße
der Laserstrahlung wird der Resonator in einen Zustand geschaltet,
in dem die Laserstrahlung aus dem Resonator als Laserpuls ausgekoppelt
wird, wobei der vorbestimmte Wert und/oder das Auskoppelverhalten
des Resonators zur Verstellung der Pulsdauer an der Steuereinheit einstellbar
ist.
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In
ganz ähnlicher Weise ist gemäß der
DE 10 2006 006 582
A1 bei einem Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung
die Zeitdauer zwischen beiden Schritten und/oder das Auskoppelverhalten
des Resonators zur Verstellung der Pulsdauer an der Steuereinheit
einstellbar.
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Insbesondere
bei Laserscanner-Systemen ist es auch bereits bekannt, eine Strahlfokussierung auf
minimalen Brennfleckdurchmesser dadurch sicherzustellen, dass in
den Strahlengang ein Beam-Expander (Strahlaufweiter) eingesetzt
wird. Seine Funktion besteht darin, die Divergenz des Laserstrahls
zu reduzieren und den Strahl aufzuweiten. Der Fokusdurchmesser ist
dabei umgekehrt proportional zum Durchmesser des Laserstrahls auf
der Fokussieroptik, d. h. je größer der Laserstrahldurchmesser,
desto kleiner der Fokuspunkt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pulsverzögerungseinrichtung
zu schaffen, die bei vorhandenem gepulstem Laser außerhalb
des Resonators eine einstellbare zeitliche Abfolge der Einzelpulse
oder veränderbare Pulsdauer ermöglicht, insbesondere
also die Möglichkeit, einen Puls in mehrere, gegebenenfalls
auch einander zeitlich überschneidende Einzelpulse entsprechend
verminderter Intensität aufzuspalten. Weiterhin soll eine
derart ausgestattete Laseranordnung geschaffen werden.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit
einer Pulsverzögerungseinrichtung gemäß den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung
der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist
also eine Pulsverzögerungseinrichtung zur Einstellung der
zeitlichen Abfolge von Laserpulsen eines Laserstrahls vorgesehen, wobei
der Laserstrahl durch ein Verzögerungsplättchen
hindurchtritt und der so polarisierte Strahl unter einem Polarisationswinkel,
insbesondere unter dem Brewster-Winkel, auf einen Polarisator trifft, sodass ein
erster, s-polarisierter Teilstrahl reflektiert und abgelenkt wird,
hingegen ein zweiter, p-polarisierter Teilstrahl den Polarisator
passiert und auf einen ersten Spiegel abgelenkt wird, sodass ein
erster, s-polarisierter oder p-polarisierter Teilstrahl reflektiert
und abgelenkt wird und ein zweiter, abweichend polarisierter, p-polarisierter
bzw. s-polarisierter Teilstrahl den Polarisator passiert und auf
einen ersten Spiegel abgelenkt wird, sodass der zweite Teilstrahl
zwischen diesem ersten Spiegel und zumindest einem weiteren Spiegel
mehrfach reflektiert wird und unter Polarisationswinkel nach einem
Durchlauf durch eine derart definierte Pulsverzögerungsstrecke
erneut in den Polarisator eintritt und koaxial zu dem an dem Polarisator
ursprünglich abgelenkten ersten Teilstrahl aus dem Polarisator
austritt, sodass dieser aufgrund der längeren Laufzeit
daher teilweise überlagert oder mit einer zeitlichen Verzögerung
auf das Objekt trifft. Hierdurch wird also in einfacher Weise eine
Verlängerung des Strahlengangs aufgrund der Aufspaltung in
unterschiedliche Teilstrahlen erreicht, die dann mit einer geringen
zeitlichen Verzögerung entlang ihrer gemeinsamen Strahlachse
mit einer übereinstimmenden Strahlform und Querschnittsfläche
aus der Pulsverzögerungseinrichtung ausgekoppelt werden und
somit in einer Pulsfolge auf das Objekt, insbesondere also ein zu
bearbeitendes Werkstück, abgelenkt werden. Die Pulsfolge
besteht dabei beispielsweise aus diskreten Einzelpulsen oder aus
einer Überlagerung mit differenzierten oder unmittelbar aufeinanderfolgenden
Intensitätsmaxima. Dabei wird die zeitliche Verzögerung
der Einzelpulse außer durch den Abstand der Spiegel vor
allem auch durch die Anzahl der Reflexionen des zweiten Teilstrahls bestimmt.
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Die
zeitliche Verzögerung könnte durch einen modularen
Aufbau der Pulsverzögerungseinrichtung an die jeweiligen
Anforderungen variabel angepasst werden, indem nämlich
die Anzahl der Reflexionen des zweiten Teilstrahls durch weitere
Spiegel noch erhöht wird. Besonders vorteilhaft ist hingegen eine
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Reflektor
in unterschiedlichen Position im Strahlengang des zwischen den Spiegeln
mehrfach reflektierten p-polarisierten Teilstrahls festlegbar, insbesondere
beweglich angeordnet ist. Die zeitliche Verzögerung in
der Pulsfolge kann auf diese Weise durch eine Änderung
der Position des beweglichen Reflektors dadurch stufenweise festgelegt werden,
dass der p-polarisierte Teilstrahl nach einer unterschiedlichen
Anzahl von Reflexionen an den Spiegeln mittels des Reflektors auf
den Polarisator abgelenkt wird. Hierzu ist der Reflektor insbesondere entlang
einer Geraden, beispielsweise auf einem Schlitten verschiebbar.
Selbstverständlich ist auch eine Verstellbewegung des Reflektors
an einem Schwenkarm oder in Richtung mehrerer Raumachsen realisierbar.
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Eine
konstruktiv günstige und vorteilhafte Ausgestaltung wird
auch dann erreicht, wenn der p-polarisierte Teilstrahl parallel
zur Strahlachse des einfallenden Laserstrahls auf einen ersten Spiegel abgelenkt
wird, indem hierzu der Polarisator als ein plan-paralleles Plättchen
ausgeführt wird.
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Dabei
können die Spiegel jeweils aus einer Mehrzahl einzelner
Elemente zusammengesetzt sein, die plan oder sphärisch
angeordnete partielle Spiegel beinhalten. Besonders zweckmäßig
ist es dabei auch, wenn jeder Spiegel zumindest einen als Planspiegel
ausgeführten und/oder einen sphärisch konkaven
Spiegel aufweist, wobei die Länge des Strahlengangs der
beiden sphärisch konkaven Spiegel relativ zueinander sowie
jeweils zu dem Polarisator entsprechend der 4f-Bedingung bestimmt
ist (hier: f = R/2, R – Radius eines konkaven Spiegel).
Durch die Einhaltung dieser 4f-Bedingung bzw. des 4f-Aufbaus wird
sichergestellt, dass der Strahlzustand bei der Aufspaltung des Laserstrahls
in die beiden unterschiedlich polarisierten Teilstrahlen und der
zeitverzögerten Einkopplung nach dem Durchlaufen der Pulsverzögerungsstrecke
grundsätzlich übereinstimmen. Insbesondere wird
also auf diese Weise eine Strahlaufweitung oder Strahlverformung
mittels der beiden sphärisch konkaven Spiegel ausgeglichen, sodass
also die Strahlparameter vor und nach dem Durchlauf der Pulsverzögerungsstrecke übereinstimmen.
Der Radius R der sphärisch konkaven Spiegel ergibt sich
daher aus den Längen L1 bzw. L3 des jeweiligen Strahlengangs zwischen dem
Polarisator und dem ersten Spiegel bzw. dem zweiten Spiegel zu R = L1 + L3 sowie
die Länge L2 des Strahlengangs
zwischen den sphärisch konkaven Spiegeln zu L2 = L1 + L3
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Weiterhin
erweist sich eine Ausgestaltung der Erfindung als besonders Erfolg
versprechend, bei welcher der erste Spiegel oder der zweite Spiegel
gegenüber der Querebene zu der Strahlachse des p-polarisierten
Teilstrahls geneigt angeordnet ist. Hierdurch wird ein kompakter
Aufbau der Vorrichtung erreicht, wobei die Anzahl der Reflexionen
des p-polarisierten Teilstrahls vor dem Auftreffen auf den Reflektor
durch diese Neigung variiert werden kann. Insbesondere wird so also
der Abstand der Reflexionspunkte auf einem Spiegel verändert.
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Selbstverständlich
kann zumindest ein Spiegel einen einstellbaren Neigungswinkel aufweisen, um
so eine schnelle Anpassung ohne einen möglichen Austausch
der Spiegel zu ermöglichen. Denkbar ist zudem auch eine
Kombination eines beweglichen Reflektors mit einer beweglichen Anordnung der
Spiegel, um so eine stufenlose Änderung der Pulsverzögerungsstrecke
zu erreichen.
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Zu
diesen Zwecken können die Spiegel parallel zueinander angeordnet
und gemeinsam insbesondere zusammen mit dem Reflektor schwenkbeweglich,
beispielsweise in eine bewegliche Baueinheit integriert, ausgeführt
sein.
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Eine
weitere ebenfalls besonders Erfolg versprechende Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird dann erreicht, wenn im Strahlengang
vor dem Verzögerungsplättchen ein Beam-Expander
angeordnet ist, um so die Divergenz des Laserstrahls und damit abweichende
Strahlparameter der beiden Teilstrahlen nach der Zusammenführung
zu minimieren. In Verbindung mit dem Beam-Expander können in
den meisten Fällen, besonders bei relativ kurzen Wellenlängen
(UV), die Spiegel als einfache Planspiegel ausgeführt werden.
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Weiterhin
erweist sich eine Variante als besonders praxisgerecht, bei welcher
im Strahlengang des an dem Reflektor auf den Polarisator abgelenkten
Teilstrahls vor dem Polarisator ein weiteres Verzögerungsplättchen
angeordnet ist. Hierdurch wird also die Polarisation des beim Eintritt
in die Pulsverzögerungsstrecke p-polarisierten Teilstrahls
bei dem Durchgang durch das zweite Verzögerungsplättchen erneut
in einen p-polarisierten Teilstrahl, welcher den Polarisator ohne
Reflexion durchläuft und in Richtung der Hauptachse des
Laserstrahls ausgekoppelt wird, sowie in einen s-polarisierten Teilstrahl
aufgeteilt, welcher an dem Polarisator reflektiert und somit einem
erneuten Durchlauf durch die Pulsverzögerungsstrecke zugeführt
wird. Bei jedem folgenden Durchgang des s-polarisierten Teilstrahls
durch die Pulsverzögerungsstrecke wird ein einstellbarer
Anteil des bei dem Durchgang durch das zweite Verzögerungsplättchen
erneut p-polarisierten Teilstrahls ausgekoppelt, sodass es zu einer
Folge von Einzelpulsen abnehmender Intensitätsamplitude
kommt. Diese Möglichkeit der Intensitätsdämpfung
gestattet eine optimale Anpassung an die jeweiligen Anforderungen
der Werkstückbearbeitung. Selbstverständlich kann
die zeitliche Abfolge aller Einzelpulse einheitlich durch eine Veränderung
der Pulsverzögerungsstrecke, beispielsweise also durch
eine Positionsveränderung des Reflektors, eingestellt werden.
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Vorzugsweise
ist dabei der Anteil des p-polarisierten Teilstrahls gegenüber
dem s-polarisierten Teilstrahl mittels des Verzögerungsplättchens
einstellbar, um so die Intensität der Einzelpulse entsprechend
den jeweiligen Anforderungen individuell einstellen zu können.
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Dabei
erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn
der Polarisator als ein Prisma derart ausgeführt ist, dass
die Austrittsfläche des p-polarisierten Teilstrahls sowie
die Eintrittsfläche des an dem Reflektor auf den Polarisator
abgelenkten Teilstrahls jeweils senkrecht zu der Strahlachse angeordnet
sind, um so eine Teilreflektion bzw. einen Teilverlust des s-polarisierten
Teilstrahls auf der geneigten Fläche des Polarisators zu
vermeiden. Hierzu verlaufen die Ebenen der Eintrittsfläche
und der Austrittfläche quer zu der jeweiligen Strahlachse.
Die elliptische Strahlformung wird dabei bei einem erneuten Durchgang
durch den Polarisator neutralisiert, sodass die gewünschte
Kongruenz der nacheinander ausgekoppelten Teilstrahlen der Laserpulse
sichergestellt ist.
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Die
zweitgenannte Aufgabe, eine mit einer Pulsverzögerungseinrichtung
für einen Laserstrahl ausgestattete Laseranordnung zu schaffen,
wird gelöst, indem der Laserstrahl durch ein Verzögerungsplättchen
hindurchtritt und der so polarisierte Strahl unter einem Polarisationswinkel,
insbesondere unter dem Brewster-Winkel, auf einen Polarisator trifft,
sodass ein erster, s-polarisierter oder p-polarisierter Teilstrahl
reflektiert und abgelenkt wird und ein zweiter, abweichend polarisierter,
p-polarisierter bzw. s-polarisierter Teilstrahl den Polarisator
passiert und auf einen ersten Spiegel abgelenkt wird, sodass der zweite
Teilstrahl zwischen diesem ersten Spiegel und zumindest einem weiteren
Spiegel mehrfach reflektiert wird und unter Polarisationswinkel
nach einem Durchlauf durch eine derart definierte Pulsverzögerungsstrecke
erneut in den Polarisator eintritt und koaxial zu dem an dem Polarisator
ursprünglich abgelenkten ersten Teilstrahl aus dem Polarisator
austritt. Hierdurch kann eine Abfolge diskreter Einzelpulse mit
einstellbarem zeitlichen Abstand ebenso wie eine teilweise Überlagerung
der Einzelpulse durch die zeitliche Verzögerung erzeugt
werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf bestimmte Anwendungsgebiete beschränkt,
sondern betrifft ganz allgemein ein von einem Laser externes, passives
optisches System, dass gemeinsam mit einem Laser im Pulsbetrieb
arbeiten kann. Das System ermöglicht die Variierung der
Laserpulsform von einzelnen, nacheinander folgenden Pulsen mit einem
zeitlichen Abstand entsprechend der Pulsdauer, teilweise überlappte ”doppelte” Pulse
sowie die Erzeugung gedämpfter Pulse. Die Vorrichtung ermöglicht
die kontinuierliche Einstellung der relativen Amplituden von einzelnen
Pulsen und die schrittweise Einstellung der Pulsverzögerung.
Dabei werden mögliche Verluste der räumlichen
Strahlqualität vermieden.
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Die
Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen
zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon
in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese
zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in
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1 eine
Pulsverzögerungseinrichtung mit einem beweglichen Reflektor
zur Einstellung der zeitlichen Abfolge der Einzelpulse;
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2 eine
weitere Pulsverzögerungseinrichtung, bei der plane und
sphärische Spiegel Verwendung finden;
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3 eine
Pulsverzögerungseinrichtung mit einem weiteren Verzögerungsplättchen
innerhalb der Verzögerungsstrecke;
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4 eine
weitere Ring-Pulsverzögerungseinrichtung mit einem Prisma-Polarisator
und mit zusätzlichem Dove-Prisma;
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5a eine
weitere Ring-Pulsverzögerungseinrichtung mit anderem Prisma-Polarisator
und drei Spiegeln innerhalb der Verzögerungsstrecke;
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5b eine
weitere Ring-Pulsverzögerungseinrichtung mit vier Spiegeln
innerhalb der Verzögerungsstrecke.
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1 zeigt
eine Pulsverzögerungseinrichtung zur Erzeugung einer einstellbaren
zeitlichen Abfolge mehrere Einzelpulse I1,
I2 eines als ein Einzelpuls I0 eingekoppelten
Laserstrahls 1. Der Laserstrahl 1 tritt mit seinem
kreisförmigen Strahlquerschnitt a in einen Beam-Expander 2 ein,
dem ein Verzögerungsplättchen 3 nachgeschaltet
ist. Der so polarisierte Strahl wird dann derart unter dem Polarisationswinkel β auf
einen Polarisator 4 gelenkt, dass ein erster, s-polarisierter
Teilstrahl mit kreisförmigem Strahlquerschnitt a abgelenkt
und zur Bearbeitung eines nicht dargestellten Werkstücks
ausgekoppelt wird. Demgegenüber passiert ein zweiter, p-polarisierter
Teilstrahl mit seinem ebenfalls kreisförmigen Strahlquerschnitt
a den Polarisator 4 und trifft anschließend auf
einen ersten Spiegel 6. Zwischen diesem ersten Spiegel 6 und
einem zweiten Spiegel 7 wird der p-polarisierte Teilstrahl
nun mehrfach abgelenkt. Die hin- und herlaufenden p-polarisierten
Teilstrahlen schließen dabei jeweils einen kleinen Winkel ein,
um so einen kompakten Aufbau der Einrichtung zu realisieren. Zwischen
den Spiegeln 6, 7 ist ein in unterschiedlichen
Positionen festlegbarer, in Pfeilrichtung 8 beweglicher
Reflektor 9 angeordnet, an welchem der p-polarisierte Teilstrahl
erneut auf den Polarisator 4 abgelenkt wird. Eine Pulsverzögerungsstrecke
entspricht daher der Strecke zwischen dem ersten und dem erneuten
Einritt des p-polarisierten Teilstrahls in den Polarisator 4.
Insbesondere erfolgt die Ablenkung an dem beweglichen Reflektor 9 derart,
dass der p-polarisierte Teilstrahl erneut unter dem Polarisationswinkel β in
den Polarisator 4 eintritt, sodass dieser koaxial zu dem
an dem Polarisator 4 ursprünglich abgelenkten
s-polarisierten Teilstrahl aus dem Polarisator 4 austritt
und diesen aufgrund der längeren Laufzeit daher teilweise überlagert
oder mit einer zeitlichen Verzögerung Δt auf das
Objekt trifft. Diese Verzögerung kann nun durch eine Änderung der
Position des beweglichen Reflektors 9 dadurch stufenweise
festgelegt werden, dass der p-polarisierte Teilstrahl nach einer
unterschiedlichen Anzahl von Reflexionen an dem ersten Spiegel 6 auf
den Polarisator 4 abgelenkt wird. Hierzu ist der bewegliche
Reflektor 9 insbesondere linear verschiebbar. Die Abstufung
der zeitlichen Verzögerung Δt kann somit dadurch
verändert werden, dass die Neigung der parallelen ersten
und zweiten Spiegel 6, 7 gegenüber der Strahlachse 5 unterschiedlich
eingestellt wird. Weiterhin kann das Verhältnis der beiden
p-polarisierten bzw. s-polarisierten Teilstrahlen an dem Verzögerungsplättchen 3 eingestellt
werden.
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Bei
der in 2 gezeigten Variante einer Pulsverzögerungseinrichtung
kann auf den in 1 gezeigten Beam-Expander verzichtet
werden, sodass der Laserstrahl 1 in Richtung der Strahlachse 5 unmittelbar
in das Verzögerungsplättchen 3 und von dort
in den Polarisator 4 eingeleitet wird. Jeder Spiegel 10, 11 umfasst
hierzu jeweils Bereiche mit den planen Spiegeln 12 sowie
einen sphärischen konkaven Spiegel 13, wobei genau
eine Reflexion an dem jeweiligen sphärischen Spiegel 13 erfolgt.
Die Länge L1, L2,
L3 des Strahlengangs der beiden sphärisch konkaven
Spiegel 13, der Spiegel 10, 11 relativ
zueinander sowie jeweils zu dem Polarisator 4 ist dabei entsprechend
der 4f-Bedingung abhängig von dem Radius R des sphärischen
Spiegels 13 (hier: f = R/2). Laut dieser Bedingung sollen
sich die gleiche Radien R der beiden sphärischen konkaven
Spiegel 13 und die Längen L1 bzw.
L3 des jeweiligen Strahlengangs zwischen
dem Polarisator 4 und dem ersten sphärischen Spiegel 13 bzw.
dem zweiten sphärischen Spiegel 13 durch den Strahlengang
zu R = L1 + L3 ergeben,
während sich die Länge L2 des
Strahlengangs zwischen den beiden sphärisch konkaven Spiegel 13 zu
L2 = L1 + L3 bestimmt. Durch diese Bedingung sind die
räumlichen Strahlparameter (Strahldurchmesser und Wellenfrontradius)
des p-polarisierten Teilstrahlen am Polarisator 4 vor und
nach der Verzögerungsstrecke gleich. Auf diese Weise können
ebenfalls mehrere Einzelpulse I1, I2 mit der zeitlichen Verzögerung Δt
des in Form eines Einzelpulses I0 eingekoppelten
Laserstrahls 1 erzeugt werden.
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In 3 ist
weiterhin noch eine weitere Pulsverzögerungseinrichtung
umfassend den Beam-Expander 2, das Verzögerungsplättchen 3,
einen Prisma-Polarisator 14 sowie ein weiteres, innerhalb
der Verzögerungsstrecke angeordnetes Verzögerungsplättchen 15 dargestellt.
Der p-polarisierte Teilstrahl mit seinem ovalen Strahlquerschnitt
b tritt vor dem erneuten Eintritt in den Prisma-Polarisator 14 nach
der Ablenkung an dem beweglichen Reflektor 9 durch das
zweite Verzögerungsplättchen 15. Dies
führt dazu, dass ein durch Drehung des zweiten Verzögerungsplättchens 15 einstellbarer
Anteil des p-polarisierten Teilstrahls eine s-Polarisation erhält,
der somit nicht durch den Polarisator 14 hindurchtritt,
sondern erneut von der Polarisationseintrittsfläche reflektiert
und somit weiter verzögert wird. Ein einstellbarer Anteil
dieses s-polarisierten Teilstrahls erhält dann beim erneuten
Durchgang durch das zweite Verzögerungsplättchen 15 wieder
eine p-Polarisation. Das Prisma 14 beinhaltet die antireflexbeschichteten
Flächen 16 und 17, die senkrecht zum
ein- und ausgekoppelten Strahl angeordnet sind. Zugleich wird die
nach dem Durchgang des an diesem Prisma 14 abgelenkten,
s- bzw. p-polarisierten Teilstrahls eintretende elliptische bzw.
ovale Strahlform beim erneuten Durchgang durch den Prisma-Polarisator 14 neutralisiert
und erhält dadurch seinen kreisförmigen Strahlquerschnitt
a. Diese Variante gestattet die Aufteilung des Laserstrahls 1 in
eine Vielzahl von Einzelpulsen I1, I2, I3, I4 unterschiedlicher
Intensität und mit einer mittels des beweglichen Reflektors 9 variablen, jedoch
für die Einzelpulse einheitlichen zeitlichen Verzögerung Δt.
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In 4 ist
eine weitere Ring-Pulsverzögerungseinrichtung mit dem Verzögerungsplättchen 3, einem
veränderten Prisma-Polarisator 18 sowie einem
weiteren, innerhalb der Verzögerungsstrecke angeordneten λ/2-Verzögerungsplättchen 15 dargestellt.
Der an dem Prisma-Polarisator 18 p-polarisierte Teilstrahl
tritt vor dem erneuten Eintritt in den Polarisator 18 nach
der Ablenkung an einem Spiegel 19 durch das zweite λ/2-Verzögerungsplättchen 15. Dies
führt dazu, dass der zunächst p-polarisierte Teilstrahl
seine Polarisation nach s ändert und somit nicht durch
den Polarisator 18 hindurchtritt, sondern erneut von der
Polarisationsfläche reflektiert und somit weiter verzögert
wird. Insgesamt ergeben sich somit zwei vollständige Umläufe
des Laserstrahls innerhalb der Verzögerungsstrecke mit
insgesamt fünf Reflexionen innerhalb des Prisma-Polarisators 18 sowie an
dem Spiegel 19. Soweit es im Betrieb zu Justagefehlern
oder auch aufgrund äußerer Einflüsse
zu einer unerwünschten Änderung der relativen
Winkelposition des Spiegel 19 gegenüber dem Prisma-Polarisator 18 kommt,
ergibt sich aufgrund der ungeraden Anzahl von Reflexionen nicht
etwa eine Divergenz des an dem Polarisator 18 unter dem
Polarisationswinkel β einfallenden Laserstrahls 1 als
abgelenkter Teilstrahl gegenüber dem verzögerten
und in den gemeinsamen Strahlengang eingekoppelten Teilstrahl, sondern
lediglich ein paralleler Versatz, welcher bei der anschließenden
Fokussierung nicht zu einer relevanten Abweichung führt.
Insbesondere verändert sich die Fokuslage aufgrund des
parallelen Versatzes der einfallenden Teilstrahlen nicht. Um diesen
vorteilhaften Effekt auch in einer zu der Darstellungsebene senkrechten
Ebene erreichen zu können, ist innerhalb der Verzögerungsstrecke
ein weiteres Prisma 20 mit einer internen Reflexion angeordnet,
wobei die Ablenkungsebene innerhalb des Prismas senkrecht zu der
Papierebene verläuft.
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Alternativ
zu dem hier dargestellten, an sich bekannten Dove-Prisma kann die
gewünschte Ablenkung in Richtung der dritten Raumachse
auch durch drei Spiegel, von denen zwei Spiegel auch durch jeweils
eine Außenseite eines Prismas gebildet sein können,
realisiert werden. Auf diese Wiese lassen sich zwei Einzelpulse
I1, I2 insbesondere
unterschiedlicher Intensität mit einer durch den Abstand
des Spiegels von dem Polarisator bestimmten zeitlichen Verzögerung Δt
= 2L/c erzeugen, wobei L – die Länge einer umlaufenden
Verzögerungsstrecke, c – Lichtgeschwindigkeit.
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Zur
weiteren Reduzierung von möglichen Verlusten des in der
Verzögerungsstrecke umlaufenden Teilstrahls werden in den 5a und 5b zwei
Varianten einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dargestellt, bei denen die in 4 erkennbare
interne Reflexion im Prisma-Polarisator 18 des in der Verzögerungsstrecken
umlaufenden Teilstrahls durch einen weiteren Spiegel 24 ersetzt
wird. An einem anderen Prisma-Polarisator 22 wird der durch
das Verzögerungsplättchen 3 hindurchtretende und
unter dem Polarisationswinkel β einfallende Laserstrahl
zunächst wie auch in den übrigen Ausführungsformen
aufgeteilt in einen ersten, s-polarisierter Teilstrahl, welcher
direkt abgelenkt und zur Bearbeitung eines nicht dargestellten Werkstücks
ausgekoppelt wird. Demgegenüber passiert ein zweiter, p-polarisierter
Teilstrahl den Prisma-Polarisator 22 ohne eine Ablenkung
und trifft innerhalb der Verzögerungsstrecke auf einen
ersten Spiegel 21 und einen zweiten Spiegel 23 sowie
vor der erneuten Ablenkung an einem dritten Spiegel 24 zunächst
auf das weitere λ/2-Verzögerungsplättchen 15 sowie
das in 4 gezeigte weitere, als Dove-Prisma ausgeführte
Prisma 20 zur Vermeidung der unerwünschten Divergenz.
Der zunächst p-polarisierte Teilstrahl erhält, wie
auch in 4 ersichtlich, eine s-Polarisation,
der somit nicht durch den Prisma-Polarisator 22 hindurchtritt,
sondern erneut von seiner Polarisationsfläche reflektiert
und somit weiter verzögert wird. Der zweite Durchlauf des
Strahls dreht die s-Polarisation mittels λ/2-Verzögerungsplättchen
wieder in den p-Zustand, wodurch der Strahl die Polarisationsfläche
des Prisma-Polarisators passieren kann. Insgesamt ergeben sich somit
zwei vollständige Umläufe des Laserstrahls innerhalb
der Verzögerungsstrecke mit insgesamt sechs Reflexionen
an den Spiegeln 21, 23, 24 sowie eine
einzige Reflexion innerhalb des Prismas 22, die aufgrund
dieser vergleichsweise einfach zu realisierenden Anforderungen kostengünstig hergestellt
werden können. Hierdurch lassen sich entsprechend 4 zwei
Einzelpulse I1, I2,
insbesondere unterschiedlicher Intensität mit einer durch
den Abstand der Spiegel 21, 23, 24 von
dem Prisma-Polarisator 22 bestimmten zeitlichen Verzögerung Δt
erzeugen.
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Die
in 5b gezeigte Variante dient der Verlängerung
der Verzögerungstrecke, die aufgrund des verfügbaren
Bauraums durch eine mehrfache Reflexion zwischen dem zweiten Spiegel 23 und
einem weiteren Spiegel 25 erreicht wird. Insgesamt ergeben
sich bei den zwei vollständigen Umläufen des Teilstrahls
innerhalb der Verzögerungsstrecke insgesamt 14 Reflexionen
an den Spiegeln 21, 23, 24, 25 sowie
eine einzige Reflexion innerhalb des Prisma-Polarisators 22.
Hierdurch lassen sich zwei Einzelpulse I1,
I2 mit einer wesentlich größeren
zeitlichen Verzögerung Δt erzeugen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4440387
A1 [0003]
- - DE 102006006589 A1 [0004]
- - DE 102006006582 A1 [0005]