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Stand der Technik
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Die Lasermaterialbearbeitung gewinnt aufgrund ihrer Flexibilität und Präzision immer mehr an Bedeutung in heutigen Produktionstechnologien. Dabei spielt die Pulsdauer eine zentrale Rolle für die erfolgreiche Anwendung von Laserstrahlen. Mit anderen Worten: Die Pulsdauer ist ein zentraler Parameter für die Erzielung einer hohen Produktivität bei gleichzeitig hoher Bearbeitungsqualität. Im Allgemeinen lassen sich durch die Nutzung kürzerer Pulslängen höhere Qualität und Präzision erreichen. So reduziert sich zum Beispiel beim Abtrag mit Pikosekundenlasern, im Vergleich mit Nanosekundenlasern, die Oberflächenrauheit und die thermische Beeinflussung des umliegenden Materials. Auf der anderen Seite steigt z. B. die Bearbeitungsgeschwindigkeit und somit die Produktivität mit der Pulslänge. Es gilt also, für eine jeweilige Anwendung, die passende Pulslänge hinsichtlich Qualität und Produktivität zu wählen.
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Bei gepulsten Lasern lässt sich grundsätzlich zwischen drei Gruppen unterscheiden. Die erste Gruppe sind Verstärkungs-geschaltete Lasersysteme. Mit diesen können Pulslängen von Millisekunden bis unter Subnanosekunden erzeugt werden. Die zweite Gruppe bilden gütegeschaltete Laser, deren Pulslänge von Mikrosekunden bis Subnanosekunden reicht. Ultrakurzpulslaser sind die dritte Gruppe von gepulsten Lasern. Die ultrakurzen Pulse mit einer Pulslänge von einigen Pikosekunden oder einigen 10 Femtosekunden entstehen durch konstruktiv kohärente Kopplung longitudinaler Moden. Aus obiger Schilderung ist ersichtlich, dass nicht alle Pulslängen wie z. B. der Bereich von 10 Pikosekunden bis zu Subnanosekunden durch die drei Gruppen von gepulsten Lasern abgedeckt wird. Um optimale Bearbeitungsergebnisse zu erreichen, ist es notwendig, diese Lücken bei den Pulslängen zu schließen.
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In der Druckschrift D1,
US 5 337 333 A , werden Anordnungen zur Erzeugung von Pulszügen beschrieben, in denen 4 Spiegel ringförmig angeordnet werden und somit eine optische Verzögerungsstrecke bilden. Die Propagationsrichtungen der Ausgangspulse und der Eingangspulse stehen senkrecht aufeinander. Damit trennen sich die Ausgangspulse von denEingangspulsen.
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Die Druckschrift D2,
US 2002/0141024 A1 , beschreibt Anordnungen, mit denen aus einem Strahl mehrere räumlich getrennt Strahlen erzeugt werden.
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Die Druckschrift D3,
US 2001/0010536 A1 , beschreibt Anordnungen zur Erhöhung der Datenrate, indem ein gepulster Strahl in mehrere gepulsten und räumlich getrennten Strahlen aufgeteilt wird. Damit wird die Datenrate vervielfacht.
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In der Druckschrift D4,
US 2005/0190452 A1 , werden Anordnungen zur Erzeugung von Pulszügen beschrieben, in denen 4 Spiegel verwendet werden, um eine optische Verzögerungsstrecke zu bilden. Die Propagationsrichtungen der Ausgangspulse und der Eingangspulse stehen unter einem Winkel zueinander. Damit trennen sich die Ausgangspulse von den Eingangspulsen. Um höhere Reflektivität zu erreichen, wird s-Polarisation verwendet.
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Die Druckschrift D5,
US 2007/0115535 A1 , beschreibt optische Anordnungen zur Verlängerung der Pulsdauer. In den Anordnungen stehen die Propagationsrichtungen der Ausgangspulse und der Eingangspulse unter einem Winkel zueinander.
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Die Druckschrift D6,
US 2009/0168818 A1 , beschreibt optische Anordnungen, in denen ein richtpolarisierter Strahl in zwei Strahlen mit senkrecht zueinanderstehenden Polarisationen aufgeteilt wird. Ein Strahl von den beiden Strahlen wird zeitlich verzögert und in der Wellenlänge verändert. Die beiden Strahlen werden über Polarisation überlagert.
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Die Druckschrift D7,
US2008/0 024 855 A1 , beschreibt eine Anordnung zur Trennung linear polarisierter Strahlen unter Verwendung von Verzögerungsplatte und Polarisationsstrahlteiler.
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Dieser vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, optische Anordnungen anzugeben, mit denen die Pulslänge von gepulsten Lasern nach Vorgaben variiert bzw. verlängert werden kann. Damit können die Lücken bei den Pulslängen gepulster Lasersysteme geschlossen werden.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Kernidee dieser vorliegenden Erfindung besteht darin, dass zur Veränderung des Pulsprofils von einem Laserpuls eine optische Anordnung verwendet wird, die aus mindestens einem teilreflektierenden Element und einem hochreflektierenden Element besteht. Die Elemente werden entlang des Propagationsweges eines Eingangspulses (11) mit definierten Abständen hintereinander angeordnet. Von jedem Element wird ein Teil des Eingangspulses reflektiert. Alle Teile der von den Elementen reflektierten Pulse bilden den Ausgangspuls (91). Aufgrund der unterschiedlichen axialen Positionen weisen die Teilpulse eine zeitliche Verschiebung zueinander auf. Damit wird das Pulsprofil des Ausgangspulses gegenüber dem des Eingangspulses verändert.
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Die angegebenen optischen Anordnungen finden insbesondere Anwendung für Laserpulse eines gepulsten Lasersystems, bestehend aus einem Oszillator oder aus einem Oszillator/Verstärker, mit einer Pulsdauer τ und einer Kohärenzlänge τc. Um Interferenzen zwischen den reflektierten Teilen der Pulse zu vermeiden, sollen die reflektierenden Elemente mit Abständen hintereinander angeordnet werden, sodass die dadurch verursachten Zeitverschiebungen vergleichbar oder größer als die Kohärenzlänge τc, sind.
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Eine bevorzugte Ausführung der reflektierenden Elemente kann durch eine entsprechende Beschichtung einer polierten Oberfläche eines für den Laserpuls transmittierenden Mediums realisiert werden. So können z. B. das teilreflektierende Element (21) und das hochreflektierende Element (26) durch eine teiltransmittierende Beschichtung (46) bzw. eine hochreflektierende Beschichtung (47) auf einer Oberfläche des für den Laserstrahl transparenten Mediums (41) gebildet werden.
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Um den Ausgangspuls von dem Eingangspuls zu trennen, trifft der Eingangspuls unter einem Spitzwinkel auf die reflektierenden Elemente (21) und (26). Damit wird der Ausgangspuls unter einem Winkel reflektiert und von dem Eingangspuls getrennt. wobei der Winkel so gewählt wird, dass der Eingangspuls (11) von dem Ausgangspuls (91) getrennt werden kann.
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Für einen Eingangspuls mit einer linearen Polarisation ist es vorteilhaft, die Trennung des Ausgangspulses von dem Eingangspuls durch ein polarisierendes Element (31) und ein polarisationsänderndes Element (32) zu realisieren. In diesem Fall weisen die Teile der reflektierenden Pulse keinen räumlichen Versatz auf und damit hat der Ausgangspuls die gleiche Strahlqualität wie die des Eingangspulses. Der linear polarisierte Eingangspuls durchläuft das polarisierende Element (31), das polarisationsändernde Element und trifft senkrecht auf die reflektierenden Elemente. Der reflektierte Puls weist nach zweifachem Durchlaufen durch das polarisationsändernde Element (32) eine im Wesentlichen lineare Polarisation auf, die senkrecht zu der des Eingangspulses steht. Damit wird der Ausgangspuls von dem polarisierenden Element (31) reflektiert und von dem Eingangspuls getrennt. Als polarisierendes Element kann z. B. ein Dünnschichtenpolarisator oder ein doppelbrechendes Medium, wie z.B. ein Kristall verwendet werden. Als polarisationsänderndes Element kann z. B. eine Verzögerungsplatte, ein Rotator oder ein Faraday-Rotator oder eine Kombination dieser eingesetzt werden.
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Durch eine Hintereinanderreihung mehrerer teilreflektierender Elemente (51, 52, 53, 54) kann das Pulsprofil maßgeblich modifiziert und die Pulslänge um ein Vielfaches verlängert werden.
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Um eine hohe Zeitverschiebung zu erzielen müssen die reflektierenden Elemente weit voneinander entfernt angeordnet werden. Zur Erhaltung der Strahlqualität werden Image-Relay-Optiken zwischen den Reflexionselementen angeordnet. Als Image-Relay-Optik kann z. B. ein Teleskop, eine Harris-Zelle oder ein White-Zelle verwendet werden.
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Um eine Minderung der Strahlqualität des Ausgangspulses zu vermeiden, ist es vorteilhaft die reflektierenden Elemente in Form von planparallelen Platten z. B. Etalons aus Glas mit einer definierten Dicke zu realisieren. Die planparallelen Platten haben zwei polierte Flächen. Dabei wird eine der Fläche teilreflektierend und die andere Fläche hochtransmittierend beschichtet. Die Dicken der planparallelen Platten d1, d2, d3, d4, etc. können unterschiedlich sein. Durch eine geeignete Wahl der Reflektivität der teilreflektierenden Elemente kann das gewünschte Pulsprofil realisiert werden. Eine mechanische Vereinfachung der optischen Anordnung kann erreicht werden, indem die planparallelen Platten gestapelt werden und mechanisch in Kontakt stehen. Bei einer weiteren stabilen Ausführung werden die planparallelen Platten zusammengebunden/optisch kontaktiert.
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Eine weitere Ausführung der optischen Anordnung besteht darin, dass ein für den Laserpuls transmittierendes Medium verwendet wird. Das Medium wird in mindestens zwei Zonen aufgeteilt. Durch z. B. UV-Strahlung werden Gitterstrukturen in die jeweiligen Zonen eingebracht. Diese führen zu unterschiedlichen vordefinierten Brechungsindizes in den Zonen. Abhängig von der Reflektivität der Zonen wird ein Eingangspuls teils reflektiert oder ganz reflektiert. Die reflektierten Teilpulse weisen eine Zeitverzögerung zueinander auf. Je nach Bedarf kann das Medium in Zonen mit beliebig kleinen Abmessungen in Pulspropagationsrichtung unterteilt werden. Damit wird die Reflektion kontinuierlich in einem transparenten Medium verteilt (eine Art Distributed Bragg Reflexion, auch bekannt als Volume Bragg Gitter).
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Da ein Laserpuls in einem Lichtwellenleiter ohne Strahlqualitätsverlust propagieren kann, ist es vorteilhaft, einen Lichtwellenleiter als Medium zu verwenden.
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Als Strahlquelle für die Erzeugung von Laserpulsen kommen z. B. gütegeschaltete Laser, modengekoppelte Laser oder verstärkungsgeschaltete Laser in Frage. Der Laser kann in Form eines Oszillators oder eines Oszillators/Verstärkers ausgeführt werden.
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Zur Steigerung der Pulsenergie bzw. der Leistung können die Ausgangspulse mit einem oder mehreren nachgeschalteten Verstärkern verstärkt werden.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
- Bild 1 zeigt eine erste Ausführung dieser vorliegenden Erfindung, bei der ein teilreflektierendes Element (21) und ein hochreflektierendes Element (26) verwendet werden. Die beiden Reflexionselemente werden mit einem Abstand von d angeordnet.
- Bild 2 zeigt ein für den Laserpuls transparentes Medium (41), das zwei planparallele Flächen hat, wobei die erste Fläche (46) teilreflektierend beschichtet wird und als teilreflektierendes Element dient. Die zweite Fläche (47) wird hochreflektierend beschichtet und als hochreflektierendes Element verwendet.
- Bild 3 zeigt eine Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei ein polarisierendes Element und ein polarisationsänderndes Element zur Trennung des Ausgangspulses von dem Eingangspuls verwendet werden.
- Bild 4 zeigt eine Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung für die Erzeugung eines erweiterten Pulsprofils, bei der vier teilreflektierende Elemente (51, 52, 53, 54) und ein hochreflektierendes Element (59) verwendet werden.
- Bild 5 zeigt eine weitere Ausführung, bei der die planparallelen Platten, die jeweils eine teilreflektierende bzw. hochreflektierende Fläche und eine hochtransmittierende Fläche haben, zusammengestapelt werden.
- Bild 6 zeigt eine Ausführung, bei der ein für den Laserpuls transmittierendes Medium verwendet wird. Das Medium wird in Zonen (61, 62, 63, 64, 69) aufgeteilt. In jede Zone wird für die Einstellung der vordefinierten Reflektivität eine den Brechungsindex ändernde Gitterstruktur eingebracht. Bild 7 zeigt eine Ausführung, bei der ein Lichtwellenleiter mit entsprechenden Gitterstrukturen als Aneinanderreihung von Reflexionselementen verwendet wird.
- Bild 8 zeigt die Pulse, die von verschiedenen Elementen reflektiert wurden.
- Bild 9 zeigt den Ausgangspuls, der aus der zeitlichen Überlagerung der Teilreflektionen von allen Elementen entsteht. Dabei wird angenommen, dass die zeitliche Verschiebung zwischen den von benachbarten Elementen reflektierten Pulsen größer als die Kohärenzlänge ist, so dass Interferenzeffekte vernachlässigbar sind. Die Intensität des Ausgangspulses entspricht der Summe der Intensitäten der von den einzelnen Elementen reflektierten Pulsen.
- Bild 10 und Bild 11 zeigen weitere Beispiele der Ausgangspulsprofile, die durch die Zuordnung der Reflektivität der Elemente und die Wahl der axialen Abstände zwischen den Elementen erreicht werden können.
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Das Pulsprofil und die Pulslänge eines Lasers werden durch das Resonator-Design, die Eigenschaften des Verstärkungsmediums und den Mechanismus der Schaltung/Modulation bestimmt. Zur Modifikation des Pulsprofils und zur Verlängerung der Pulsdauer zeigt Bild 1 eine optische Anordnung aus einem teilreflektierenden Element (21) und einem hochreflektierenden Element (26). Die beiden Reflexionselemente werden mit einem Abstand d voneinander angeordnet. Der Eingangspuls (11) trifft zuerst unter einem Spitzeinfallwinkel das teilreflektierende Element (21). Dabei wird ein Teil des Pulses reflektiert. Der durchgelassene Teil des Pulses wird von dem hochreflektierenden Element (26) reflektiert. Ein Teil des von dem hochreflektierenden Element reflektierten Pulses wird von dem teilreflektierenden Element (21) durchgelassen. So wird der Puls mehrfach zwischen den beiden Elementen reflektiert. Bei jedem Durchgang tritt ein Teil des Pulses mit einer Zeitverzögerung als Ausgangspuls aus. Damit wird das Pulsprofil verändert und die Pulsdauer verlängert. Um eine Verringerung der Strahlqualität zu minimieren, werden die Reflexionselemente parallel zueinander angeordnet.
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Wie in Bild 2 dargestellt, können das teilreflektierende Element und das hochreflektierende Element als eine für den Puls transparente planparallele Platte (41) realisiert werden, indem jeweils eine der Plattenflächen teilreflektierend (46) bzw. hochreflektierend (47) beschichtet wird. Vorzugsweise wird die Dicke der Platte d so gewählt, dass die relative Zeitverzögerung der reflektierten Pulse vergleichbar oder größer als die Kohärenzlänge τc ist. Beim Beispiel eines ps-Lasers mit einer Kohärenzlänge τc = 10ps, beträgt die Dicke um 1mm. In diesem Fall ist die Verzögerung vergleichbar mit der Kohärenzlänge τc. Dabei wird ein Brechungsindex von 1,5 für die Glasplatten angenommen.
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Bild 3 zeigt eine Ausführung gemäß dieser vorliegenden Erfindung. Dabei ist der Eingangspuls linear polarisiert. Ein polarisierendes Element (31) und ein polarisationsänderndes Element (32) werden zur Trennung des Ausgangspulses (91) von dem Eingangspuls (11) verwendet. Der linear polarisierte Eingangspuls durchläuft das polarisierende Element (31) und der reflektierte Puls durchläuft zweimal das polarisationsändernde Element (32). Danach haben die reflektierten Pulse eine im Wesentlichen lineare Polarisation, die senkrecht zu der des Eingangspulses steht. Das polarisierende Element reflektiert die von den Reflexionselementen reflektierten Pulse und somit wird der Ausgangspuls (Summe der von den Reflexionselementen reflektierten Pulse) von dem Eingangspuls getrennt. Beispiele für das polarisierende Element sind Dünnschichtpolarisatoren und doppelbrechende Kristalle. Weiter verbreitete polarisationsändernde Elemente sind Verzögerungsplatten, Rotatoren und Faraday-Rotatoren.
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Bild 4 zeigt eine Erweiterung der optischen Anordnung zur Modifikation des Pulsprofils. Bei dieser Ausführung werden 4 teilreflektierende Elemente (51, 52, 53, 54) und ein hochreflektierendes Element (59) verwendet. Die vier teilreflektierenden Elemente bestehen jeweils aus einer planparallelen Platte (Etalon), die eine teilreflektierende Fläche und eine hochtransmittierende Fläche besitzt. Das hochreflektierende Element wird durch eine hochreflektierende Beschichtung auf einer Platte realisiert. Die Dicken der Platten (d1, d2, d3 und d4) können unterschiedlich sein. Durch Variation der Reflektivität und der Plattendicken kann das gewünschte Pulsprofil eingestellt werden.
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Wenn die planparallelen Platten zusammengestapelt oder gar zusammengebunden werden, wie in Bild 5 dargestellt, entsteht eine robuste und einfache Funktionseinheit der Reflexionselemente.
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Ein weiteres Beispiel der Funktionseinheit entsteht, wenn ein für den Laserpuls transmittierendes Medium in Zonen (61, 62, 63, 64, 69) aufgeteilt wird und in jeder Zone eine den Brechungsindex ändernde Gitterstruktur zur Einstellung vordefinierter Reflektivität eingebracht wird (vgl. Bild 6).
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Bild 7 zeigt eine einfache Ausführung der Funktionseinheit mit einem Lichtwellenleiter, der in mehrere Zonen aufgeteilt wird. In jede Zone wird zur Einstellung der Reflektivität eine Gitterstruktur eingebracht. Um die Möglichkeit zur Trennung des Ausgangspulses von dem Eingangspuls mittels Polarisation zu erhalten, wird ein polarisationserhaltender Lichtwellenleiter (Faser) verwendet.
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Analog zu Distributed-Reflexion können die Zonen beliebig klein ausgebildet werden. Damit ist es möglich ein glatteres Pulsprofil zu erzeugen.
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Wie Bild 8 und Bild 9 zeigen, besteht der Ausgangspuls (89) aus dem von den einzelnen Elementen reflektierten Pulsen (81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88). In Bild 10 und Bild 11 sind weitere Profile vom Ausgangspuls dargestellt.
