DE102014013567B3

DE102014013567B3 - Gütegeschaltetes CO2-Laser-Materialbearbeitungssystem mit akustooptischen Modulatoren

Info

Publication number: DE102014013567B3
Application number: DE102014013567.5A
Authority: DE
Inventors: Gisbert Staupendahl
Original assignee: IAI Industrial Systems BV
Current assignee: Feha Lasertec GmbH
Priority date: 2014-09-18
Filing date: 2014-09-18
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2034-09-19
Also published as: KR20170056633A; CN107005019A; EP3195430A1; JP2017535063A; US20170310070A1; US10224689B2; WO2016042387A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein gütegeschaltetes CO2-Laser-Materialbearbeitungssystem mit Akustooptischen Modulatoren (AOM), die einerseits resonatorintern zur Güteschaltung des CO2-Lasers und andererseits extern zur außerordentlich effizienten Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung zwischen Laser und Werkstück eingesetzt werden. Kerngedanke ist dabei die gezielte Berücksichtigung der Frequenzverschiebung der am AOM gebeugten Strahlung, die genau der Anregungsfrequenz der akustischen Welle im AOM-Kristall entspricht, unter dem Aspekt der Strahlungsverstärkung im Aktiven Medium. Da diese Frequenzverschiebung signifikant die Strahlungsverstärkung reduziert, muss sie beim Güteschaltungsprozess vermieden werden, was gemäß der Erfindung mittels eines Tandems aus zwei AOM mit gleicher Anregungsfrequenz, aber entgegengesetzter Laufrichtung der akustischen Wellen im Kristall erfolgt. Im Gegensatz dazu wirkt sich die Frequenzverschiebung vorteilhaft bei der Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung zwischen Laser und Werkstück aus, wenn gemäß der Erfindung zwischen Laserausgang und Werkstück ein AOM mit mindestens so hoher Anregungsfrequenz der akustischen Welle angeordnet wird, dass die in den Laser zurücklaufende Welle vom Aktiven Medium praktisch nicht verstärkt wird, wenn man den am AOM gebeugten Strahl als Arbeitsstrahl nutzt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein gütegeschaltetes CO₂-Laser-Materialbearbeitungssystem mit Akustooptischen Modulatoren (AOM) zur Strahlformung.
Stand der Technik und Hintergrund der Erfindung
Zahlreiche technologisch relevante Materialbearbeitungsaufgaben lassen sich sehr effizient mit CO₂-Lasern der unterschiedlichsten konkreten Bauart lösen. Häufig sind diese Aufgaben allerdings an gepulste Strahlung gebunden, z. B. das Bohren mit hohen Qualitätsanforderungen. Genau hier liegt aber ein gewisser Schwachpunkt der bekannten kommerziell verfügbaren CO₂-Laser: Ihre Pulsbarkeit ist durch den Wellenlängenbereich der Strahlung im Infraroten um etwa 10 μm wesentlich dadurch eingeschränkt, dass es nur eine begrenzte Zahl optisch transparenter Materialien gibt, die zur Modulation, insbesondere der Güteschaltung, bei den für die Lasermaterialbearbeitung erforderlichen hohen mittleren Leistungen geeignet sind. Neben mechanischen Schaltern mit ihren bekannten Nachteilen finden praktisch ausschließlich Akustooptische Modulatoren (AOM) auf Basis von Germanium und elektrooptische Modulatoren (EOM) auf Basis von CdTe für die Güteschaltung moderner CO₂-Laser Anwendung, allerdings mit relativ engen Grenzen bezüglich der erreichbaren mittleren Leistung bei dem seit langer Zeit üblichen Resonatordesign. Einen Ausweg aus diesem Konflikt zeigt das in WO 2013/113306 A8 beschriebene gütegeschaltete CO₂-Lasersystem, das im Prinzip mittlere Leistungen gütegeschalteter CO₂-Lasersysteme bis in den kW-Bereich gestattet.
Technisches Problem der Erfindung
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines CO₂-Laser-Materialbearbeitungssystems, das einerseits mittels Akustooptischer Modulatoren (AOM) gütegeschaltet wird und andererseits mittels eines weiteren AOM, der extern, also außerhalb des Laserresonators angeordnet ist, extrem effizient von Strahlung, die vom Werkstück zurückgeworfen wird, entkoppelt ist.
Grundzüge der Erfindung und bevorzugte Ausführungsbeispiele
Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung den Gegenstand des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im Rahmen der Erfindung wird ausschließlich der AOM-Einsatz in möglichst leistungsstarken, u. a. für die Lasermaterialbearbeitung geeigneten, gütegeschalteten CO₂-Lasersystemen betrachtet, wobei auch die externe, also außerhalb des Laserresonators erfolgende Strahlformung, insbesondere die Isolierung des Lasers vor vom Werkstück zurückgeworfener Strahlung, mit einbezogen wird. Im Zentrum der Erfindung steht dabei ein Faktor, der i. a. vernachlässigt wird, nämlich die Frequenzverschiebung des am AOM gebeugten Strahles, die ihre Ursache in der Beugung an einem laufenden Gitter hat und der Frequenz entspricht, mit der dieses laufende Gitter erzeugt wird. Nutzt man den gebeugten Strahl, was aus unten dargelegten Gründen oft sinnvoll bzw. sogar erforderlich ist, hat diese Tatsache entscheidenden Einfluss auf die Wirkung des verstärkenden Aktiven Mediums auf die Strahlung mit positiven und negativen Aspekten.
Zum Verständnis der erfindungsgemäßen Lösung muss der Zusammenhang zwischen der spektralen Breite des Gain-Profils des Aktiven Mediums und der Beeinflussung der Strahlungsfrequenz im gebeugten Strahl eines AOM näher betrachtet werden. Dies wird auch anhand der lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Figuren näher erläutert, welche in der Folge im Detail bezeichnet sind.
Bekanntlich prägt sich bei der Bragg-Beugung am laufenden Gitter im AOM die Frequenz f_AOM, mit der dieses Gitter durch den Transducer erzeugt wird, der Frequenz f der auf den AOM treffenden Lichtwelle je nach Laufrichtung des Gitters additiv oder subtraktiv auf, so dass für die resultierende Frequenz f_B der gebeugten Welle gilt: f_B = f ± f_AOM.
Wie wechselwirkt diese frequenzverschobene Welle nun mit dem Aktiven Medium, d. h. wie wirkt sich die Verschiebung auf den Gain aus? Im CO₂-Laser sind es vor allem zwei Linienverbreiterungsmechanismen, die das Gainprofil g(f – f₀) bestimmen, die Dopplerverbreiterung und die Druckverbreiterung.
Die Dopplerverbreiterung als inhomogene Linienverbreiterung ergibt für das Gainprofil g(f – f₀) ein Gaussprofil gemäß der Funktion
mit der Resonanzfrequenz f₀ und der Halbwertsbreite Δf. 1 illustriert, wie der Gain relativ zum Maximalwert bei f = f₀ mit wachsender Frequenzverschiebung gegenüber der Resonanzfrequenz abnimmt. Kommen f_AOM und Δf in die gleiche Größenordnung, erhält diese Tatsache entscheidende Bedeutung für die Funktion des Lasersystems.
Die Druckverbreiterung als homogene Linienverbreiterung ergibt für das Gainprofil ein Lorentzprofil gemäß der Funktion
Wie 2 zeigt, besitzt hier die Gainabnahme ein ganz ähnliches Verhalten wie bei der Dopplerverbreiterung, wenn wieder f_AOM und Δf in der gleichen Größenordnung liegen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass für Niederdruck-CO₂-Laser bis etwa 30 mbar die Dopplerverbreiterung dominant ist, bei Mittel- und Hochdrucklasern oberhalb 100 mbar die Druckverbreiterung eine wachsende Rolle spielt. In jedem Falle kann aber davon ausgegangen werden, dass bei den typischen AOM-Frequenzen im Bereich 40 MHz und mehr die resultierende Frequenzverschiebung des gebeugten Strahlungsbündels signifikant die Verstärkung dieses Bündels im Aktiven Medium reduziert. Eine einfache Betrachtung soll dies veranschaulichen.
Bei Annahme verlustfreier Verstärkung in einem Aktiven Medium der Länge z kann bei Eintritt einer Leistung P₀ in das Medium mit dem Gain g im Falle von Kleinsignalverstärkung die Leistung P(g) am Ausgang gemäß P(g) = P₀exp(gz) berechnet werden. Die relative Verstärkung P(g)/P₀ zeigt 3 als Funktion des Produktes gz. Da in Hochleistungs-CO₂-Lasern die Kleinsignalverstärkung typisch im Bereich 10⁴ bis 10⁶ liegt, kann sofort abgelesen werden, dass bereits relativ kleine Reduzierungen im gz (z werde als konstant angenommen) um beispielsweise einen Faktor 2 von 10 auf 5 zu einem Absinken der Verstärkung um zwei Größenordnungen von 10⁴ auf 10² führen. Ein solches Absinken von g um einen Faktor 2 ergibt sich aber bereits bei Frequenzverschiebungen der mit dem Aktiven Medium wechselwirkenden Strahlung von der Resonanzfrequenz f₀ um Δf/2 (vgl. 1 und 2).
Im Falle typischer Niederdruck-CO₂-Laser liegt die Dopplerverbreiterung und damit Δf des Gainprofils bei etwa 60 MHz, d. h. eine Frequenzverschiebung um 30 MHz (die üblichen Frequenz-Arbeitsbereiche von AOM liegen bei 40 MHz und mehr) reduziert g bereits um einen Faktor 2 und damit die Kleinsignalverstärkung des Aktiven Mediums um etwa einen Faktor 100.
Folgend wird die Bedeutung für den Einsatz von AOM in einem CO₂-Laser-Materialbearbeitungssystem erläutert. Dem Ziel der Erfindung folgend, müssen zwei Fälle mit völlig unterschiedlichen Anforderungen unterschieden werden. Zur Veranschaulichung können die 5 und 9 herangezogen werden.
1. Der Einsatz von AOM zur Güteschaltung des CO₂-Lasers
Im Allgemeinen wird die einfachste Variante eingesetzt, bei der der AOM zur Güteschaltung zwischen dem Aktiven Medium und einem Resonator-Endspiegel angeordnet ist und der ungebeugte, transmittierte Strahl zurückgekoppelt wird. Sie versagt allerdings, wenn erstens die Beugungseffizienz des AOM nicht ausreichend hoch und/oder zweitens der Gain des Aktiven Mediums so hoch ist, dass eine vollständige Unterdrückung der Laserfunktion in den gewünschten Pulspausen durch Aktivierung des AOM, d. h. Einschaltung hoher Beugungsverluste, unmöglich wird. Diese Situation ist rasch erreicht, wenn man die riesigen oben genannten Kleinsignalverstärkungen bedenkt, die bei kontinuierlichem Pumpen des Aktiven Mediums bereits nach einigen 10 μs auftreten, wenn kein Inversionsabbau erfolgt. Folge dessen ist das Auftreten statistischer Strahlungsspitzen in der eigentlichen Pulspause (vgl. 4), eine kontrollierte Güteschaltung ist nicht möglich.
Um das Kontrastverhältnis „An” – „Aus” des Rückkoppelzweiges praktisch unendlich groß zu machen, bietet es sich sofort an, den gebeugten Strahl des AOM für die Rückkopplung zu nutzen, denn er verschwindet komplett bei Deaktivierung des AOM, ein parasitäres Anschwingen des Lasers ist auch bei sehr hohen Besetzungsinversionen zuverlässig unterdrückt. Diese scheinbar einfache Lösung birgt aber ein großes Problem, nämlich die oben diskutierte Frequenzverschiebung des gebeugten Strahls! Nimmt man als typisches Beispiel Beugung an einem laufenden Gitter an, das mit 40 MHz erzeugt wird, verschiebt sich die Strahlungsfrequenz um genau diese 40 MHz bei einem Beugungsvorgang. Da das Gitter bei der Rückkopplung zweimal gleichsinnig durchlaufen wird, ergibt sich eine Frequenzverschiebung von sogar 80 MHz. Die Dopplerbreite des Gain-Profils eines Niederdruck-CO₂-Lasers liegt aber nur bei ca. 60 MHz, d. h. die gebeugte und wieder in das aktive Medium zurücklaufende Strahlung findet einen sehr niedrigen Gain vor (siehe 1) und wird deshalb nur sehr schwach verstärkt (siehe 3), eine effiziente Laserfunktion ist nicht möglich. Die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems besteht in der Nutzung eines AOM-Tandems, d. h. ein erster AOM teilt den ankommenden Strahl in transmittierten und gebeugten Anteil auf, ein unmittelbar dahinter aufgestellter zweiter AOM ist so angeordnet, dass erstens der gebeugte Anteil wieder den optimalen Bragg-Winkel vorfindet und ein zweites Mal gebeugt wird und zweitens die wirksame Richtung des Gitterlaufes bei den zwei AOM genau entgegengesetzt ist, so dass die effektive Frequenzverschiebung des o. g. Beispiels einmal +40 MHz und einmal –40 MHz, also in der Summe 0 beträgt. Der rücklaufende Strahl findet analoge Verhältnisse vor und der rückgekoppelte Strahl, der insgesamt viermal Beugung erleidet, tritt mit Frequenzverschiebung 0 wieder in das aktive Medium ein, findet optimalen Gain vor und normale Laserfunktion ist möglich.
Dieses Prinzip funktioniert sogar, wenn man zur Vereinfachung der Ansteuerung nur mit einem AOM die Leistung moduliert und den zweiten AOM kontinuierlich laufen lässt, d. h. Letzterer dient praktisch nur zur Kompensierung der Frequenzverschiebung des ersten AOM, mit dem die eigentliche Güteschaltung vorgenommen wird. Der Einsatz eines AOM-Tandems gemäß der Erfindung sichert also erstens eine vollständige Unterdrückung parasitärer Rückkopplungen im Laser und zweitens völlig freie Steuerbarkeit der Pulsparameter im Rahmen der AOM-Schaltzeiten.
2. AOM-Einsatz zur hocheffizienten Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung Werkstück – Laser
Ein zweiter kritischer Punkt für einen gütegeschalteten CO₂-Laser stellt in jedem Falle die Strahlungsrückkopplung vom Werkstück in den Laser dar. Diese kann vor allem bei hochreflektierenden Materialien wie Kupfer oder Aluminium und bei ebenen Werkstückoberflächen beträchtliche Werte erreichen, die bis weit über 10% der auf das Werkstück fallenden Strahlungsleistung betragen können. Die übliche Methode für die Lösung der daraus folgenden Probleme, d. h. die Realisierung einer sauberen Laserfunktion mit „lasergemäßer” Ausbildung einer Wellenfront, die von der gewählten Resonatorkonfiguration bestimmt wird, ist die Integration einer Kombination aus ATFR-Spiegel („Absorbing Thin Film Reflector”) und λ/4-Phasenschieberspiegel in den Strahlengang zwischen Laserausgang und Werkstück. Diese hat sogar eine Doppelfunktion, da neben der Strahlungsentkopplung die häufig gewünschte zirkulare Polarisation der zum Werkstück laufenden Strahlung erzeugt wird. Diese Form der Entkopplung ist z. B. bei cw-Betrieb des Lasers, bei dem kontinuierlich die Inversion abgebaut und auf einem relativ niedrigen Level gehalten wird, völlig ausreichend. Arbeitet man allerdings mit Güteschaltung, steigen in den Pulspausen Besetzungsinversion und damit Gain um Größenordnungen an, die Kleinsignalverstärkung erreicht die oben genannten Werte und selbst kleinste zurückgekoppelte Strahlungsmengen reichen aus, um zu parasitären Oszillationen des Lasers zu führen und den Güteschaltungsprozess empfindlich zu stören. Hier versagt das genannte System, da selbst bei optimaler Justierung gewisse Strahlungsanteile, die durchaus im Prozentbereich der zum Werkstück laufenden Strahlung liegen können, in den Laser zurücklaufen. Die Folge illustriert z. B. 4: Während das linke Bild ohne Werkstück, also ohne Strahlungsrückkopplung, eine saubere Impulserzeugung des gütegeschalteten Lasers zeigt, ergibt sich bei Einbringen eines Werkstückes, also bei einer mehr oder weniger großen Strahlungsrückkopplung, die im rechten Bild gezeigte Situation, dass nach dem Güteschaltungsimpuls und einer gewissen Pause, in der sich die Inversion bis zum kritischen Wert aufbaut, parasitäre Oszillationen beginnen, welche die gewünschte Laserfunktion unmöglich machen.
Die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems beruht wieder auf der Frequenzverschiebung des gebeugten Strahles in einem AOM. Diesmal wird dieser Effekt zu einer positiven Wirkung auf folgende Weise genutzt. Man ordnet unmittelbar nach dem Laserausgang einen AOM so an, dass die linear polarisierte Strahlung optimal gebeugt wird. Dieser gebeugte Strahlungsanteil, der wieder die geschilderte Frequenzverschiebung aufweist, wird zur Bearbeitung auf das Werkstück geschickt. Dabei sei angemerkt, dass Frequenzverschiebungen der in Betracht kommenden Größenordnung keinerlei Auswirkungen auf die Materialbearbeitung selbst haben. Zurückgeworfene Strahlungsanteile (reflektiert oder gestreut) treffen ein zweites Mal auf den AOM, die Frequenzverschiebung verdoppelt sich. Tritt nun dieser frequenzmäßig modifizierte Strahl in das Aktive Medium, ist seine Wirkung auf die Besetzungsinversion quasi Null, da er praktisch nicht verstärkt wird. Konkret bedeutet das mit den vorstehend genannten Parametern f_AOM = 40 MHz und Δf = 60 MHz, dass die in den Resonator zurücklaufende Strahlungum mehr als 4 Größenordnungen geringer verstärkt wird, als resonante Strahlung der Frequenz f₀. Zur Veranschaulichung des enormen Unterschiedes zur klassischen Entkopplung betrachten wir noch einmal die verstärkte Leistung P(g):
In der Entkopplungsvariante „ATFR + λ/4-Phasenschieber” wird der Parameter P₀ beeinflusst und proportional zur Änderung von P₀ auch P(g). Im Gegensatz dazu gehen bei der erfindungsgemäßen Lösung die Änderungen im g in die Exponentialfunktion ein, so dass bereits vergleichsweise geringe Reduzierungen im g mehrere Größenordnungen in der Verstärkung ausmachen.
Die Spezifika des AOM-Einsatzes in einem CO₂-Laser-Materialbearbeitungssystem gemäß der Erfindung sollen nun an zwei Ausführungsbeispielen, die in den folgenden Zeichnungen schematisch dargestellt sind, näher erläutert werden. In diesen zeigen:
1: Relativer Gain als Funktion der Frequenzverschiebung für Gaußprofil
2: Relativer Gain als Funktion der Frequenzverschiebung für Lorentzprofil
3: Relative Verstärkung im Aktiven Medium als Funktion von gz
4: Zur Strahlungsrückkopplung Werkstück – Laser: Links ohne, rechts mit Werkstück
5: CO₂-Laser mit AOM-Güteschaltung
6: Zur Funktion eines AOM-Tandems zur Güteschaltung
7: Zur Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung Werkstück-Laser mittels AOM
8: Komplette Entkopplung mittels AOM, ATFR und λ/4-Phasenschieber
9: AOM-Einsatz in einem CO₂-Laser gemäß Patentschrift WO 2013/113306 A8
10: Beispiel zur Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung Werkstück – Laser mittels AOM bei 4 Teilstrahlen
5 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel, das auf dem prinzipiellen Aufbau eines üblichen gütegeschalteten CO₂-Lasers basiert, für den eine lineare Anordnung des Resonators „100%-Endspiegel – Aktives Medium – Element zur Güteschaltung – Auskoppelplatte” typisch ist. Die Darstellung zeigt die Einheit zur Rückkopplung I, die an dem einen Ende des Aktiven Mediums angeordnet ist, und die daran anschließende, stark schematisierte Einheit II, die die Strahlführung vom Laser zum Werkstück zeigt. Wie bereits oben dargestellt, wird man beim Einsatz eines AOM als Element zur Güteschaltung mit zwei Problemen konfrontiert. Entweder koppelt man den einfach transmittierten Strahl, also die 0. Ordnung zurück. Dann wird es bei einem leistungsstarken Laser nicht möglich sein, die Laserfunktion bei maximaler Besetzungsinversion zu unterdrücken, da die Beugungseffizienz üblicher AOM für CO₂-Laser kaum über 90% liegt und damit die maximal eingebrachten Verluste nicht hoch genug sind. Oder man koppelt den gebeugten Strahl, also die 1. Beugungsordnung zurück mit dem Problem der Frequenzverschiebung und dem dadurch drastisch reduzierten Gain.
Gelöst wird das Problem gemäß der Erfindung durch die in 5 gezeigte und in 6 in ihrer Funktion näher erläuterte Tandem-Anordnung zweier AOM als Güteschaltungselement. Dabei fällt der aus Richtung des Aktiven Mediums 1 kommende Strahl 8 auf einen ersten AOM 2, der bei Anlegen einer entsprechenden Schaltspannung diesen Strahl in die 1. Bragg-Beugungsordnung lenkt. Dieser Strahl 9 fällt auf einen zweiten AOM 3, der bei Anlegen der Schaltspannung daraus den gebeugten Strahl 10 erzeugt. Nach Teilreflexion an der justierten Auskoppelplatte läuft der Strahl genau in sich zurück (Strahlen 11, 12 und 13) und sorgt für die Rückkopplung, die für die Laserfunktion erforderlich ist. Entscheidend für die richtige Funktion dieses AOM-Tandems sind zwei Faktoren: Erstens müssen beide AOM genau die gleiche Anregungsfrequenz für das Beugungsgitter haben und zweitens müssen die Laufrichtungen beider Gitter entgegengesetzt sein. Der Begriff der genau gleichen Anregungsfrequenz bezeichnet dabei insbesondere Frequenzen, deren Unterschied maximal 100 ppm (bezogen auf die höhere Frequenz), insbesondere maximal 10 ppm, vorzugsweise maximal 1 ppm oder 0,1 ppm, beträgt. Dann ist die resultierende Frequenzverschiebung des rückgekoppelten Strahlenbündels 0 wie benötigt. Die jeweiligen Hin- und Rückverschiebungen der Frequenzen um δf sowie die sukzessive Abnahme der Leistung P der Strahlen 8–13 durch die Beugung an den AOM machen die zugeordneten Darstellungen der qualitativen Abhängigkeiten g(f) und P als Funktion von f deutlich.
Wie bereits oben dargelegt, besteht eine weitere latente Gefährdung des ordnungsgemäßen Güteschaltungsbetriebes des betrachteten CO₂-Lasers in der Rückkopplung von Strahlung vom zu bearbeitenden Werkstück in den Laser. Zu deren außerordentlich effizienten Unterdrückung wird gemäß der Erfindung ein dritter AOM 5 unmittelbar nach der Laserauskoppelplatte 4 angeordnet. In den Strahlweg zum Werkstück kann noch wahlweise eine Einheit 6 zur weiteren Strahlformung, insbesondere zur Erzeugung der für viele Applikationen erwünschten zirkularen Polarisation der Strahlung auf dem Werkstück 7 und zur Kompensation (z. B. mittels Zylinderlinsen) der häufig für AOM typischen leicht elliptischen Verzerrung des Strahlenbündels, integriert werden.
Die 7 und 8 illustrieren die Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung noch einmal im Detail. 7 konzentriert sich auf die Wirkung der Frequenzverschiebung gemäß der Erfindung. Der ausgekoppelte Strahl 16 fällt auf den dritten AOM 5, der bei Anlegen der Schaltspannung den gebeugten und um δf frequenzverschobenen Strahl 17 auf das Werkstück schickt. Die von dort zurück geworfene (reflektierte oder gestreute) Strahlung 18 wird im AOM 5 ein zweites Mal gebeugt und erleidet eine zweite Frequenzverschiebung, so dass letztendlich der um 2δf frequenzverschobene Strahl 19 in Richtung Auskoppelplatte 4 des Lasers lauft. Analog 5 wurden auch in 6 die qualitativen Abhängigkeiten g(f) und P als Funktion von f angegeben. Gemäß der Erfindung muss der AOM 5 so ausgewählt werden, dass die doppelte Frequenzverschiebung 2δf mindestens in der Größenordnung der Halbwertsbreite Δf des Gain-Profils liegt. Hierbei bezeichnet der Ausdruck „Größenordnung”, dass das Verhältnis 2δf/Δf vorzusgweise im Bereich von 1:10 bis 100:1, insbesondere von 1:1 und/oder bis 10:1, liegen sollte.
Ein wesentlicher Faktor der Anordnung gemäß der Erfindung ist die Tatsache, dass die übliche Umwandlung der linear polarisierten Strahlung des Lasers in zirkular polarisierte durch einen hinter AOM 5 angeordneten λ/4-Phasenschieber problemlos möglich ist. Ebenso ist es möglich, die darüber hinausgehende klassische Entkopplung durch eine Kombination „ATFR-Spiegel – λ/4-Phasenschieber” zusätzlich in den Strahlengang einzubringen. Eine solche „Komplett-Version” illustriert 8. Der vom dritten AOM 5 gebeugte Strahl 22 mit vertikaler linearer Polarisation 23 durchlauft den polarisationsabhängigen Absorber 20 (in Praxis ATFR) quasi verlustfrei und wird anschließend im λ/4-Phasenschieber 21 in den Strahl 24 mit zirkularer Polarisation 25 transformiert. Nach Wechselwirkung mit dem Werkstück 7 läuft ein gewisser Anteil 26 dieser zirkular polarisierten Strahlung zurück in Richtung Laser. Beim Durchlaufen des λ/4-Phasenschiebers 21 wird er in einen Strahl 27 mit linear horizontaler Polarisation 28 transformiert, der bei Wechselwirkung mit dem polarisationsabhängigen Absorber weitgehend vernichtet wird. Ein nun bereits sehr stark geschwächter Reststrahl 29 trifft dann wieder auf den AOM 5 und in der Summe der nachstehend noch einmal zusammengefassten Verlustprozesse für den zu vernichtenden rücklaufenden Strahl ergibt sich eine extrem gute Entkopplung des Lasers von dieser Strahlung:

1. Wie oben dargestellt, verschiebt der AOM 5 die Frequenz des gebeugten Strahles um δf, die vom Werkstück zurücklaufende Strahlung folglich um 2δf. Was für den Güteschaltungs-AOM nachteilig war, ist hier ein Riesenvorteil – die in den Laser zurücklaufende Strahlung wird nur minimal verstärkt.
2. Die entkoppelnde Wirkung der Kombination „ATFR-Spiegel – λ/4-Phasenschieber” bleibt voll erhalten.
3. Eine dritte entkoppelnde Wirkung kommt dadurch zustande, dass die rücklaufende Strahlung durch den Phasenschieber senkrecht zur hinlaufenden polarisiert ist und deshalb vom AOM 5 nur uneffektiv gebeugt wird, d. h. weniger Strahlung in Richtung Laser läuft.

Die Kombination dieser drei Effekte, die rein stationär wirken und keinerlei spezielle zeitliche Ansteuerung des AOM 5 erfordern, führt dazu, dass die Anordnung gemäß der Erfindung die rücklaufende Strahlung um viele Größenordnungen schwächt, so dass selbst bei maximalem Gain im Aktiven Medium und bei maximaler Rückkopplung (z. B. durch hochreflektierende Metalle wie Kupfer) keine parasitären Oszillationen auftreten.
Unabhängig von dieser systemimmanenten Entkopplung gemäß der Erfindung kann darüber hinaus natürlich die AOM-Funktion als Schneller Schalter mit Schaltzeiten kleiner 1 μs voll genutzt, d. h. bei entsprechender Ansteuerung praktisch jeder vom Laser kommende Einzelimpuls nach Wunsch beeinflusst werden.
Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die beiden AOM zur Güteschaltung direkt dem resonatorinternen Strahlungsfeld mit seiner stets vorhandenen Leistungsüberhöhung gegenüber der ausgekoppelten Laserleistung ausgesetzt. Solche Lasersysteme sind wegen der relativ geringen Strahlungsbelastbarkeit von Germanium auf mittlere Ausgangsleistungen von wenigen hundert Watt beschränkt. Wie oben bereits angemerkt, liefert das Prinzip des Lasers gemäß WO 2013/113306 A8 einen Ausweg aus diesem Dilemma und ermöglicht mittlere Ausgangsleistungen bis in den kW-Bereich. Der in vorstehendem Patent beschriebene Problemkreis bleibt aber auch für diesen Lasertyp voll gültig, und um dessen potentielle Möglichkeiten voll ausnutzen zu können, sind die Lösungen gemäß der Erfindung besonders nützlich.
Diese Situation soll in einem zweiten Ausführungsbeispiel kurz diskutiert werden. 9 zeigt den prinzipiellen Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel. Er besteht hier vor allem in der veränderten Auskopplung des Laserstrahles über einen Dünnfilmpolarisator (Thin Film Polarizer – TFP) 30. Der TFP 30 teilt die schwach elliptisch polarisierte, aus dem Aktiven Medium kommende Strahlung in einen leistungsstarken, senkrecht zur Zeichenebene polarisierten Strahl, der ausgekoppelt wird, und einen relativ schwachen, in der Zeichenebene polarisierten Strahl, der rückgekoppelt wird, auf. Dadurch ist die Strahlungsbelastung auf dem für die Güteschaltung verantwortlichen AOM-Tandem 2, 3 auch bei vergleichsweise hohen Ausgangsleistungen relativ gering. Die Wirkungen der Einheiten I und II sind ansonsten die gleichen, wie vorstehend beschrieben. Lediglich die Auskoppelplatte 4 ist hier durch einen 100%-Endspiegel 46 ersetzt. In dieser Darstellung ist zu beachten, dass wegen der Polarisationsabhängigkeit der AOM-Funktion der dritte AOM 5 real um 90° um die Strahlachse zu drehen ist, aus Gründen der Anschaulichkeit wurde darauf in 9 verzichtet.
Bezüglich dieses zweiten Ausführungsbeispiels soll noch folgender Aspekt diskutiert werden. Wie erwähnt, zeichnet sich der Laser gemäß 9 typischerweise durch relativ hohe mittlere Leistungen aus. Ordnet man nun den externen AOM 5 unmittelbar am Laserausgang an, würde die nutzbare mittlere Leistung durch die relativ geringe Strahlungsbelastbarkeit des Germanium-Kristalls empfindlich eingeschränkt, die Vorzüge des Lasers könnten nicht voll ausgereizt werden. Hier bietet sich eine in der Praxis oft eingesetzte Anordnungsvariante an, um mit Lasern hoher Leistung so effizient wie möglich zu arbeiten – die definierte Strahlteilung. Strahlteiler auf ZnSe-Basis sind bis in den kW-Bereich belastbar und deshalb geeignet, beispielsweise einen Strahl der mittleren Leistung 1,2 kW durch eine Teilerkaskade in 4 Teilstrahlen von jeweils 300 W, die von einem AOM gut verkraftet werden, aufzuteilen (vgl. 10). Dazu benötigt man z. B. bei der in 10 dargestellten Variante drei Strahlteiler 32, 33 und 34, vorzugsweise mit einem Teilerverhältnis von jeweils 50:50, und drei Umlenkspiegel 35, 36 und 37. Jeder Teilstrahl 38 bis 41 erhält dann seinen eigenen AOM 42 bis 45. Voraussetzung für die Nutzung dieser Methode ist natürlich, dass die jeweils angestrebte Applikation mit den Teilstrahlen durchführbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Aktives Medium
2: Erster AOM
3: Zweiter AOM
4: Auskoppelplatte
5: Dritter AOM
6: Strahlformungseinheit
7: Werkstück
8: Rückzukoppelnder Strahl
9: Strahl nach Beugung am ersten AOM
10: Strahl nach Beugung am zweiten AOM
11: An Auskoppelplatte reflektierter Strahl
12: Rücklaufender Strahl nach Beugung am zweiten AOM
13: Rücklaufender Strahl nach Beugung am ersten AOM
14: Richtung der 0. Beugungsordnung des ersten AOM
15: Richtung der 0. Beugungsordnung des zweiten AOM
16: Ausgekoppelter Laserstrahl
17: Laserstrahl nach Beugung am dritten AOM
18: Vom Werkstück zurückgeworfene Strahlung
19: Vom Werkstück zurückgeworfene Strahlung nach Beugung am dritten AOM
20: Polarisationsabhängiger Absorber (ATFR)
21: λ/4-Phasenschieber
22: Am dritten AOM gebeugter Strahl
23: Horizontale Polarisationsrichtung
24: Auf Werkstück auftreffender Strahl
25: Zirkulare Polarisation
26: Vom Werkstück zurückgeworfene Strahlung
27: Vom Werkstück zurückgeworfene Strahlung nach Passieren des λ/4-Phasenschiebers
28: Vertikale Polarisationsrichtung
29: Durch ATFR stark geschwächter Strahl
30: Dünnfilmpolarisator (Thin Film Polarizer – TFP)
31: Laserstrahl
32, 33, 34: Strahlteiler
35, 36, 37: Umlenkspiegel
38, 39, 40, 41: Teilstrahlen
42, 43, 44, 45: Akustooptische Modulatoren
f: Strahlungsfrequenz
f₀: Resonanzfrequenz des Aktiven Mediums
f_B: Frequenz der gebeugten Welle
f_AOM: Frequenz der Schallwelle im Ge-Kristall
g: Gain des Aktiven Mediums
P: Strahlungsleistung
P₀: Strahlungsleistung am Eingang des Aktiven Mediums
P(g): Strahlungsleistung als Funktion des Gains
z: Länge des Aktiven Mediums
AOM: Akustooptischer Modulator
ATFR: Absorbing Thin Film Reflector
cw: Kontinuierliche Strahlung („continuouswave”)
EOM: Elektrooptischer Modulator
TFP: Dünnfilmpolarisator („Thin Film Polarizer”)
Δf: Frequenz-Halbwertsbreite des Gains
δf: Frequenzverschiebung des gebeugten Strahls
λ: Wellenlänge

Claims

Gütegeschaltetes CO₂-Lasersystem, insbesondere CO₂-Laser-Materialbearbeitungssystem, mit Akustooptischen Modulatoren (AOM) zur Strahlformung, dadurch gekennzeichnet, dass a) für die Güteschaltung zwei hintereinander und vorzugsweise nahe einem Resonatorendspiegel (46) oder einer Laserauskoppelplatte (4) angeordnete AOM (2, 3), die durch gleiche Anregungsfrequenzen und entgegengesetzte Ausbreitungsrichtungen der akustischen Welle im Kristall charakterisiert sind, mit der Maßgabe angeordnet sind, dass ein auf den ersten AOM (2) einlaufendes Strahlenbündel (8) gebeugt, ein hieraus resultierendes gebeugtes Strahlenbündel (9) am zweiten AOM (3) nochmals gebeugt und dieses aus der zweifachen Beugung resultierende Bündel (10) nach Reflexion am Resonatorendspiegel (46) oder der Laserauskoppelplatte (4) in sich zurückgeworfen wird und als Bündel (11, 12, 13) nach jeweils nochmaliger Beugung an den zwei AOM (2, 3) in ein Aktives Medium (1) zurückgekoppelt und damit eine Laserfunktion realisiert wird, wenn eine entsprechende Schaltspannung an den beiden AOM (2, 3) anliegt und bei Abschalten dieser Spannung die Laserfunktion unterbrochen wird und b) ein so erzeugter und mittels eines Auskoppelelementes (4, 30) ausgekoppelter Laserstrahl (16) vor seiner Anwendung, vorzugsweise zur Lasermaterialbearbeitung, durch einen dritten AOM (5) geschickt wird, der außerhalb des Resonators und vorzugsweise unmittelbar hinter dem Auskoppelelement (4, 30) angeordnet ist, wobei zur Anwendung der mittels einer entsprechenden Schaltspannung am dritten AOM (5) gebeugte Strahl (17) genutzt wird und die Anregungsfrequenz der akustischen Welle im Kristall dieses dritten AOM (5) mindestens in der Größenordnung der Frequenz-Halbwertsbreite des Gain-Profils des Aktiven Mediums (1), vorzugsweise zwischen 40 und 100 MHz, liegt.
Gütegeschaltetes CO₂-Laser-Materialbearbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur der erste (2) oder der zweite (3) AOM zur Leistungsmodulation oder Güteschaltung des Lasers durch entsprechende variable Ansteuerung der Schaltspannung genutzt wird und der jeweils andere AOM mit einer konstanten Schaltspannung arbeitet.
Gütegeschaltetes CO₂-Laser-Materialbearbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (2) oder der zweite (3) AOM zur Güteschaltung des Lasers durch variable Ansteuerung der Schaltspannung genutzt wird und der jeweils andere AOM so angesteuert wird, dass frei wählbar Einzelpulse oder Pulsgruppen selektiert werden und/oder die Leistung der gütegeschalteten Strahlung variiert wird.
Gütegeschaltetes CO₂-Laser-Materialbearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der externe dritte AOM (5) so angesteuert wird, dass die vom Laser erzeugten Strahlungsimpulse in ihrer Leistung dem jeweiligen Anwendungszweck angepasst werden, und insbesondere der Leistungsverlauf innerhalb der Impulse, speziell die Spitzenleistung der Güteschaltungsspitze, weitgehend frei wählbar ist.
Gütegeschaltetes CO₂-Laser-Materialbearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem dritten AOM (5) und dem Werkstück (7) eine Kombination aus ATFR-Spiegel (20) und λ/4-Phasenschieber (21) angeordnet wird.
Gütegeschaltetes CO₂-Laser-Materialbearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem dritten AOM (5) und dem Werkstück (7) in der Strahlformungseinheit (6) optische Elemente, vorzugsweise Zylinderlinsen, zur Kompensation der vom AOM (5) verursachten Strahldeformationen angeordnet sind.
Gütegeschaltetes CO₂-Laser-Materialbearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der externe dritte AOM (5) ersetzt wird durch eine AOM-Kaskade aus zwei oder mehr AOM und der ausgekoppelte Laserstrahl (16) durch Strahlteiler und Umlenkspiegel so in zwei oder mehr Teilstrahlen aufgeteilt wird, dass jeder AOM mit einem der Teilstrahlen beaufschlagt wird.