DE112021005438T5

DE112021005438T5 - Laservorrichtung und Laser-Bearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112021005438T5
Application number: DE112021005438.4T
Authority: DE
Inventors: Koji Funaoka; Tatsuya Yamamoto; Yuzuru TADOKORO; Masayuki Saiki; Hiromasa Mihara; Yoshiharu KUROSAKI
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2023-08-03
Anticipated expiration: 2041-07-01
Also published as: JP7066073B1; CN116194239B; CN116194239A; DE112021005438B4; US11958128B2; US20230271273A1; JPWO2023276064A1; WO2023276064A1

Abstract

Eine Laservorrichtung (100) umfasst einen Laser-Oszillator (101); eine akusto-optische Modulationseinheit (102) mit einem ersten akusto-optischen Modulator (3) zum Beugen eines Laserstrahls vom Laser-Oszillator (101) wenn eine erste Ultraschallwelle beaufschlagt wird und einem zweiten akusto-optischen Modulator (4) zum Beugen eines vom ersten akusto-optischen Modulator (3) ausgegebenen Strahls höherer Ordnung wenn eine zweite Ultraschallwelle beaufschlagt wird; und einen Verstärker (103) zum Verstärken des Laserstrahls von der akusto-optischen Modulationseinheit, wobei eine Ausbreitungsrichtung (S1) der ersten Ultraschallwelle relativ zu einer Beugungsrichtung (D1) des vom ersten akusto-optischen Modulator (3) emittierten Strahls höherer Ordnung und eine Ausbreitungsrichtung (S2) der zweiten Ultraschallwelle relativ zu einer Beugungsrichtung (D2) eines vom zweiten akusto-optischen Modulator (4) emittierten Strahls höherer Ordnung verschieden sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine akusto-optische Modulatoren verwendende Laservorrichtung, und betrifft auch eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung.
Stand der Technik
Ein akusto-optischer Modulator verwendet ein Material mit der Eigenschaft, seinen Brechungsindex beim Schwingen durch eine Ultraschallwelle zu verändern, und ist somit ein Element, das als Beugungsgitter Verwendung findet. Für einen akusto-optischen Modulator kann eine Gitterkonstante des Beugungsgitters durch eine Frequenz einer zu beaufschlagenden Ultraschallwelle gesteuert werden. Ein vom akusto-optischen Modulator ausgegebener gebeugter Strahl weist aufgrund des Doppler-Effekts eine um die Frequenz der Ultraschallwelle verschobene Frequenz auf.
Druckschrift 1 offenbart eine Lichtquellenvorrichtung, die zwei akusto-optische Modulatoren verwendet. Diese Lichtquelle beinhaltet die beiden akusto-optischen Modulatoren innerhalb eines Resonators. Die akusto-optischen Modulatoren verursachen jeder eine Frequenzverschiebung in unterschiedlicher Richtung zur Verringerung einer Frequenzverschiebung eines ausgegebenen Strahls, somit eine Verringerung oder Vermeidung von Schwankungen der Ausgangsleistung.
Zitierungsliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldung Offenlegung Nr. 2011-187947
Kurzdarstellung
Technische Aufgabe
Allerdings sind die akusto-optischen Modulatoren gemäß der oben beschriebenen herkömmlichen Technologie innerhalb des Resonators angeordnet. Ein akusto-optischer Modulator weist eine geringere Lichtbeständigkeit auf, als andere optische Elemente, wie Spiegel. Daher ist es, wenn die akusto-optischen Modulatoren innerhalb des Resonators angeordnet sind, erforderlich, dass die Intensität eines in den Resonator eintretenden Laserstrahls entsprechend der Lichtbeständigkeit des akusto-optischen Modulators verringert wird, was zu dem Problem führt, dass der austretende Strahl eine verringerte Intensität aufweist.
Die vorliegende Offenbarung wurde in Anbetracht des Obigen gemacht, und es ist Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Laservorrichtung zu erhalten, die es gestattet, Output-Leistung-Schwankungen zu verringern oder zu verhindern und die Laser-Output-Leistung zu erhöhen.
Lösung der Aufgabe
Um das oben beschriebene Problem und die Aufgabe zu lösen, beinhaltet eine Laservorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung: einen Laser-Oszillator; eine akusto-optische Modulationseinheit mit einem ersten akusto-optischen Modulator zum Beugen eines Laserstrahls vom Laser-Oszillator wenn eine erste Ultraschallwelle beaufschlagt wird und einem zweiten akusto-optischen Modulator zum Beugen eines vom ersten akusto-optischen Modulator ausgegebenen Strahls höherer Ordnung wenn eine zweite Ultraschallwelle beaufschlagt wird, wobei eine Ausbreitungsrichtung der ersten Ultraschallwelle relativ zu einer Beugungsrichtung eines vom ersten akusto-optischen Modulator emittierten Strahls höherer Ordnung und eine Ausbreitungsrichtung der zweiten Ultraschallwelle relativ zu einer Beugungsrichtung eines vom zweiten akusto-optischen Modulator emittierten Strahls höherer Ordnung verschieden sind; und einen Verstärker zum Verstärken eines Laserstrahls von der akusto-optischen Modulationseinheit.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die Laservorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung weist Wirkungen der Verringerung oder Verhinderung von Output-Leistung-Schwankungen und der Bereitstellung von erhöhter Laser-Output-Leistung auf.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Laservorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Frequenz ändert, wenn Mode-Hopping auftritt.
3 ist ein Diagramm, das schematisch die in 2 gezeigten Zustands-Übergänge zeigt.
4 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Frequenz ändert, wenn Mode-Hopping und die Doppler-Verschiebung zusammen auftreten.
5 ist ein Diagramm, das schematisch die in 4 gezeigten Zustands-Übergänge zeigt.
6 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Laser-Output-Leistung im Zusammenhang mit den in 4 gezeigten Zustands-Übergängen ändert.
7 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Laser-Output-Leistung ändert, wenn eine in 1 gezeigte akusto-optische Modulationseinheit eingesetzt wird.
8 ist ein Diagramm, das eine Frequenzverschiebung zeigt, die ein Strahl erfährt, der von einem ersten in 1 gezeigten akusto-optischen Modulator emittiert wird.
9 ist ein Diagramm, das eine Frequenzverschiebung zeigt, die ein Strahl erfährt, der von einem zweiten in 1 gezeigten akusto-optischen Modulator emittiert wird.
10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem eine Negativlinse in einem Expander eingesetzt wird.
11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem eine Positivlinse in einem Expander eingesetzt wird.
12 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Laservorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
13 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Mit Bezug auf die Zeichnungen wird nachfolgend eine genauere Beschreibung von Laservorrichtungen und einer Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung gegeben. Man beachte, dass die folgenden Ausführungsformen nicht beschränkend für den technischen Umfang der vorliegenden Offenbarung sind.
Erste Ausführungsform
1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Laservorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. Die Laservorrichtung 100 umfasst einen Laser-Oszillator 101, eine akusto-optische Modulationseinheit 102, und einen Verstärker 103. Die Laservorrichtung 100 ist ein Externe-Modulation-Oszillator, der einen Laserstrahl, der als Continuous-Wave vom Laser-Oszillator 101 ausgegeben wird, mit der akusto-optischen Modulationseinheit 102 in einen gepulsten Laserstrahl umwandelt, und dann den gepulsten Laserstrahl mit dem Verstärker 103 verstärkt. Der Laser-Oszillator 101 umfasst einen totalreflektierenden Spiegel 14, einen teilweise reflektierenden Spiegel 15, und ein Brewster-Fenster 13. Die akusto-optische Modulationseinheit 102 umfasst einen ersten akusto-optischen Modulator 3 und einen zweiten akusto-optischen Modulator 4, die in Reihe geschaltet sind. Der Verstärker 103 umfasst die Fenster 34 und 35 und einen Spiegel 33.
Der Laser-Oszillator 101 und der Verstärker 103 sind in dem Gehäuse 1 beherbergt, und ein Laser-Gas G wird dem Gehäuse 1 zugeführt. Das Gehäuse 1 trennt das Laser-Gas G von der Außenluft. Zur Erleichterung des Verständnisses weisen der Laser-Oszillator 101 und der Verstärker 103 in dieser Konfiguration optische Achsen entlang einer Y-Richtung auf, das Laser-Gas wird entlang einer Z-Richtung zugeführt, und eine X-Richtung ist senkrecht zur Y-Richtung und zur Z-Richtung.
1 zeigt hauptsächlich, wie die optischen Elemente konfiguriert sind, und kann konstituierende Elemente beinhalten, die nicht gezeigt sind. Zum Beispiel sind solche (nicht gezeigten) wie ein Wärmetauscher und ein Gebläse in dem Gehäuse 1 bereitgestellt. Das Gebläse zirkuliert das im Gehäuse eingeschlossene Laser-Gas G. Durch die Gebläse-Zirkulation des Laser-Gases G wird das durch erzwungene Konvektion gekühlte Laser-Gas G entlang der mit einem Pfeil versehenen Z-Richtung zugeführt. Innerhalb des Gehäuses 1 wird das Laser-Gas G bei einem Druck unterhalb des Atmosphärendrucks gehalten und bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise etwa 100 m/s.
Wenn Moleküle oder Atome in dem Laser-Gas G durch eine Entladung auf ein höheres Laser-Niveau angeregt werden, zeigen die Moleküle oder Atome eine optische Verstärkungswirkung. In Fällen, in denen zum Beispiel das zu verwendende Laser-Gas G CO₂-Moleküle enthält, wird durch Übergänge zwischen Vibrations-Niveaus der CO₂-Moleküle ein oszillierender Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 10,6 µm erhalten. Obgleich es in dieser Beschreibung erläutert wird, dass das Laser-Gas G ein Gasgemisch mit CO₂ ist, können andere Lasermedien wie CO, N₂, He-Cd, HF, Ar⁺, ArF, KrF, XeCl, XeF, YAG, und einige Gläser alternativ anstelle des CO₂ enthaltenden Gasgemischs eingesetzt werden.
Entladungselektroden (nicht gezeigt) sind in dem Gehäuse 1 für eine Entladungsanregung des Laser-Gases G installiert. Wenn an die Entladungselektroden eine hochfrequente Wechselspannung angelegt wird, wird ein Entladungsraum in Form eines Quaders mit der Größe von etwa 3 cm × 3 cm × 100 cm erzeugt. Das in diesem Entladungsraum vorhandene Laser-Gas G dient als Entladungs-gepumptes Gas 2, das ein Lasermedium ist, das eine optische Verstärkerwirkung zeigt.
Der totalreflektierende Spiegel 14 und der teilwiese reflektierende Spiegel 15 sind derart angeordnet, dass sie einander über das Entladungs-gepumpte Gas 2 zugewandt sind und einen optischen Resonator darstellen. Der totalreflektierende Spiegel 14 und der teilwiese reflektierende Spiegel 15 sind jeder über einen Winkel-Feineinstellungs-Mechanismus zur Optische-Achse-Anpassung am Gehäuse 1 angebracht.
Das Brewster-Fenster 13 des Laser-Oszillators 101 ist auf der optischen Achse zwischen dem totalreflektierenden Spiegel 14 und dem teilweise reflektierenden Spiegel 15 bereitgestellt. Das Brewster-Fenster 13 ist ein Fenster mit einer höheren Reflektivität für s-polarisiertes Licht und einer geringeren Reflektivität (zum Beispiel weniger als 1 %) für p-polarisiertes Licht. Der Laserstrahl mit parallel zu einer YZ-Ebene linear polarisiertem Licht 54 wird hier ausgewählt. Die Bereitstellung des Brewster-Fensters 13 gestattet dem Laserstrahl von linear polarisiertem Licht 54, in die akusto-optische Modulationseinheit 102 einzutreten. Somit wird erreicht, dass eine Polarisationsrichtung jedes der in den ersten und zweiten akusto-optischen Modulator 3 und 4 eintretenden Laserstrahlen mit einer Ausbreitungsrichtung S jeder der Ultraschallwellen koinzidiert, mit denen der erste und zweite akusto-optische Modulator 3 und 4 beaufschlagt werden. Der Laser-Oszillator 101 kann anstelle des Brewster-Fensters 13 Polarisations-festlegende Spiegel aufweisen.
Die Laservorrichtung 100 beinhaltet ferner einen auf dem optischen Pfad zwischen dem Laser-Oszillator 101 und der akusto-optischen Modulationseinheit 102 angeordneten Kollimator 9, die einfallenden Strahlen absorbierende Dämpfungsglieder 5 und 6, und einen den Strahldurchmesser des von der akusto-optischen Modulationseinheit 102 ausgegebenen gepulsten Laserstrahls expandierenden Expander 12.
Der Kollimator 9 beinhaltet eine Positivlinse (Sammellinse) 7 und eine Negativlinse (Streulinse) 8, und verringert einen Strahldurchmesser des vom Laser-Oszillator 101 ausgegebenen Laserstrahls L1 und bewirkt, dass der Laserstrahl L1 in die akusto-optische Moduliereinheit 102 eintritt. Der Strahldurchmesser des aus dem Kollimator 9 austretenden Laserstrahls ist ein Strahldurchmesser φ, der das Auftreffen auf den akusto-optischen Modulator 3 gestattet, und beträgt zum Beispiel 8 mm. Weil die Beugungseffizienz jedes des ersten und zweiten akusto-optischen Modulators 3 und 4 je nach Einfallwinkel variiert, ist, wenn der einfallende Strahl kein paralleler Strahl ist, ein Strahlprofil des austretenden Strahls variabel. Daher wird hier angenommen, der einfallende Strahl sei ein paralleler Strahl.
Wenn die Ultraschallwelle beaufschlagt wird, ändert sich der Brechungsindex jedes des ersten und zweiten akusto-optischen Modulators 3 und 4 aufgrund einer Kompressionswelle in einem transparenten Material. Daher werden der erste und zweite akusto-optische Modulator 3 und 4 als Beugungsgitter eingesetzt.
Bei der Beaufschlagung der ersten Ultraschallwelle beugt der erste akusto-optische Modulator 3 den vom Laser-Oszillator 101 ausgegebenen Laserstrahl L1 und gibt einen Strahl L2 nullter Ordnung und den Strahl L3 erster Ordnung aus. Der vom ersten akusto-optischen Modulator 3 ausgegebene Strahl L2 nullter Ordnung wird optisch vom Dämpfungsglied 5 absorbiert. Der vom ersten akusto-optischen Modulator 3 ausgegebene Strahl L3 erster Ordnung tritt in den zweiten akusto-optischen Modulator 4 ein. Während der Strahl L3 erster Ordnung hier als Beispiel eines Strahls höherer Ordnung verwendet wird, kann der Strahl höherer Ordnung zum Beispiel ein Strahl zweiter Ordnung sein. Der erste akusto-optische Modulator 3 ist derart angeordnet, dass die Ausbreitungsrichtung S1 der ersten Ultraschallwelle entgegengesetzt zu einer Beugungsrichtung D1 des Strahls L3 erster Ordnung wird.
Bei der Beaufschlagung der zweiten Ultraschallwelle beugt der zweite akusto-optische Modulator 4 den vom ersten akusto-optischen Modulator 3 ausgegebenen Laserstrahl L3 und gibt einen Strahl L5 nullter Ordnung und den Strahl L4 erster Ordnung aus. Der vom zweiten akusto-optischen Modulator 4 ausgegebene Strahl L5 nullter Ordnung wird optisch vom Dämpfungsglied 6 absorbiert. Der vom zweiten akusto-optischen Modulator 4 ausgegebene Strahl L4 erster Ordnung tritt in den Expander 12 ein. Der zweite akusto-optische Modulator 4 ist derart angeordnet, dass die Ausbreitungsrichtung S2 der zweiten Ultraschallwelle dieselbe wird, wie eine Beugungsrichtung D2 des Strahls L4 erster Ordnung.
In dem oben beschriebenen Beispiel ist die Beugungsrichtung D1 entgegengesetzt zur Ausbreitungsrichtung S1, und die Beugungsrichtung D2 ist dieselbe wie die Ausbreitungsrichtung S2; allerdings reicht es aus, dass die Beugungsrichtung D1 in Bezug zur Ausbreitungsrichtung S1, und die Beugungsrichtung D2 in Bezug zur Ausbreitungsrichtung S2 voneinander verschieden sind. Die Absicht dabei, dass die Beugungsrichtung D 1 in Bezug zur Ausbreitungsrichtung S1, und die Beugungsrichtung D2 in Bezug zur Ausbreitungsrichtung S2 voneinander verschieden sind, ist, dass die Ausrichtung der Beugungsrichtung D1 in Bezug zur Ausbreitungsrichtung S1, und die Ausrichtung der Beugungsrichtung D2 in Bezug zur Ausbreitungsrichtung S2 voneinander verschieden sind, und nicht, dass die Ausbreitungsrichtung S1 verschieden von der Ausbreitungsrichtung S2 wäre. Zum Beispiel kann die Beugungsrichtung D1 dieselbe sein wie die Ausbreitungsrichtung S1, während die Beugungsrichtung D2 entgegengesetzt zur Ausbreitungsrichtung S2 ist. Auf diese Weise wird bewirkt, dass eine Richtung einer vom ersten akusto-optischen Modulator 3 verursachten Frequenzverschiebung entgegengesetzt ist zu einer vom zweiten akusto-optischen Modulator 4 verursachten Frequenzverschiebung. Infolgedessen kann ein von der akusto-optischen Modulationseinheit 102 auf den gepulsten Laserstrahl ausgeübte Frequenzverschiebung verringert werden.
Die akusto-optische Modulationseinheit 102, die den ersten und zweiten akusto-optischen Modulator 3 und 4 beinhaltet, wandelt den vom Laser-Oszillator 101 ausgegebenen kontinuierlichen (Continuous-Wave, CW) Laserstrahl L1 in einen gepulsten Laserstrahl um. Insbesondere ist die akusto-optische Modulationseinheit 102 in der Lage, den vom Laser-Oszillator 101 ausgegebenen Laserstrahl L1 dadurch in den gepulsten Laserstrahl umzuwandeln, dass wenigstens einer des ersten akusto-optischen Modulators 3 und des zweiten akusto-optischen Modulators 4 intermittierend betrieben wird. Wenn der erste akusto-optische Modulator 3 intermittierend betrieben wird, wird dem ersten akusto-optischen Modulator 3 von einer nicht gezeigten Treiberschaltung intermittierend eine Wechselstrom-Spannung zugeführt. Wenn der erste akusto-optische Modulator 3 mit einer Wechselstrom-Spannung beaufschlagt wird, tritt der Strahl L3 erster Ordnung in den zweiten akusto-optischen Modulator 4 ein. In Abwesenheit der Wechselstrom-Spannung verläuft der Laserstrahl L1 geradeaus und wird vom Dämpfungsglied 5 absorbiert. Wenn der zweite akusto-optische Modulator 4 intermittierend betrieben wird, wird dem ersten akusto-optischen Modulator 4 von der Treiberschaltung intermittierend die Wechselstrom-Spannung zugeführt. Wenn der zweite akusto-optische Modulator 4 mit der Wechselstrom-Spannung beaufschlagt wird, tritt der Strahl L4 erster Ordnung in den Expander 12 ein. In Abwesenheit der Wechselstrom-Spannung verläuft der Strahl L3 erster Ordnung vom ersten akusto-optischen Modulator 3 geradeaus und wird vom Dämpfungsglied 6 absorbiert. Es ist ermöglicht, die Leistungsaufnahme durch die akusto-optische Modulationseinheit 102 zu verringern, indem sowohl der erste als auch der zweite akusto-optische Modulator 3 und 4 intermittierend betrieben werden, verglichen mit nur einem vom ersten und zweiten akusto-optischen Modulator 3 und 4 in intermittierendem Betrieb.
Der Expander 12 beinhaltet die Linsen 10 und 11. Die Expander 12 ist in einem optischen Pfad zwischen der akusto-optischen Modulationseinheit 102 und dem Verstärker 103 angeordnet und weitet den Strahldurchmesser des vom zweiten akusto-optischen Modulator 4 der akusto-optischen Modulationseinheit 102 ausgegebenen Strahls L4 erster Ordnung auf. Weil der Expander den Strahldurchmesser aufweitet, ist dem Verstärker 103 ermöglicht, einen erhöhten Verstärkungsfaktor aufzuweisen. Eine Apertur des akusto-optischen Modulators ist typischerweise von der Größenordnung weniger Millimeter. Der Expander ist in der Lage, den Strahldurchmesser auf beispielsweise 20 mm aufzuweiten.
Der Laser-Oszillator 101 der Laser-Vorrichtung ist, zwischen dem totalreflektierenden Spiegel 14 und dem teilweise reflektierenden Spiegel 15, mit dem entladungsgepumpten Gas 2 gefüllt, das die optische Verstärkungsfunktion hat und den Continuous-Wave-Laserstrahl L1 linear polarisierten Lichts ausgibt, weil das Brewster-Fenster 13 im optischen Pfad zwischen dem totalreflektierenden Spiegel 14 und dem teilweise reflektierenden Spiegel 15 angeordnet ist. Der Strahldurchmesser des vom teilweise reflektierenden Spiegel 15 des Laser-Oszillators 101 ausgegebenen Laserstrahls L1 wird vom Kollimator 9 verringert und tritt in den ersten akusto-optischen Modulator 3 der akusto-optischen Modulationseinheit 102 ein.
Der Laserstrahl L1 wird vom ersten akusto-optischen Modulator 3 gebeugt. Infolgedessen tritt der Strahl L3 erster Ordnung in den zweiten akusto-optischen Modulator 4 ein, und der Strahl L2 nullter Ordnung wird vom Dämpfungsglied 5 absorbiert. Der Strahl L3 erster Ordnung, der in den zweiten akusto-optischen Modulator 4 eingetreten ist, wird gebeugt. Infolgedessen tritt der Strahl L4 erster Ordnung in den Expander 12 ein, und der Strahl L5 nullter Ordnung wird vom Dämpfungsglied 6 absorbiert. Der Strahls L4 erster Ordnung, der in den Expander 12 eingetreten ist, wird durch die Linsen 10 und 11 im Durchmesser aufgeweitet, und zum Spiegel 31 ausgegeben. Der vom Expander 12 ausgegebene Strahl bekommt seine Laufrichtung durch den Spiegel 31 und einen Spiegel 32 geändert und tritt in das Fenster 34 des Verstärkers 103 ein. Der Laserstrahl, der durch das Fenster 34 eingetreten ist, wird durch Hindurchtreten durch den mit dem Entladungsgepumpten Gas 2 mit der optischen Verstärkungsfunktion gefüllten Raum verstärkt, wird vom Spiegel 33 reflektiert, und tritt durch das Fernster 35 aus der Laservorrichtung 100 aus. Der durch das Fenster 35 ausgetretene Laserstrahl wird zum Beispiel zur Laserbearbeitung eingesetzt.
Wie oben beschrieben, weist die akusto-optische Modulationseinheit 102 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die beiden akusto-optischen Modulatoren auf. Der Strahl L3 erster Ordnung vom ersten akusto-optischen Modulator 3 tritt in den zweiten akusto-optischen Modulator 4 ein, und der Strahl L4 erster Ordnung vom zweiten akusto-optischen Modulator 4 tritt in das Fenster 34 des Verstärkers 103 ein. Der Strahl erster Ordnung wird hier verwendet, um das Austreten des Strahls zu verhindern, wenn der Strahl ausgeschaltet ist. Weil die Beugungseffizienz des akusto-optischen Modulators etwa 90 % beträgt, werden, wenn der Strahl nullter Ordnung, etwa 10 % als Strahl nullter Ordnung ausgegeben. Wenn der Strahl nullter Ordnung, der diesen 10 % entspricht, verstärkt wird, akkumuliert zusätzliche Wärme im Werkstück, die nicht zum Laserbearbeiten beiträgt, das den von der Laservorrichtung 100 ausgegebenen Laserstrahl verwendet, und die Bearbeitungsqualität ist verringert.
Von dem Strahl erster Ordnung, den der akusto-optischen Modulator ausgibt, ist bekannt, dass er einer Frequenzverschiebung durch die Ultraschallenergie unterliegt. Allerdings führt die Anordnung des akusto-optischen Modulators zwischen dem Laser-Oszillator 101 und dem Verstärker 102 oftmals zu keinem größeren Problem, weil es nur eine geringfügige Abnahme der Ausgangsleistung gibt. Wie die Erfinder der vorliegenden Anmeldung gefunden haben, fluktuiert die Ausgangsleistung stark, wenn die Frequenzverschiebung des akusto-optischen Modulators und ein Phänomen im Laser-Oszillator 101 zusammen auftreten, das Mode-Hopping genannt wird.
Das Mode-Hopping ist ein Phänomen, bei dem sich eine Oszillationsfrequenz eines Resonators instantan ändert, was aus einer Änderung der optischen Pfadlänge zwischen Spiegeln des Resonators resultiert, aufgrund von einer Änderung der Temperatur einer Strukturkomponente, einer Temperaturänderung des Mediums, oder ein einem anderen Faktor. Die optische Pfadlänge zwischen den Spiegeln des Resonators wird nachfolgend als Cavity-Länge bezeichnet. Eine Cavity-Länge des Laser-Oszillators 101 bezieht sich auf eine optische Pfadlänge zwischen dem totalreflektierenden Spiegel 14 und dem teilweise reflektierenden Spiegel 15.
2 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Frequenz ändert, wenn Mode-Hopping auftritt. In 2 stellt die horizontale Achse die Frequenz dar, und die vertikale Achse stellt Verstärkung dar. Eine dicke gestrichelte Linie in 2 stellt eine longitudinale Mode mit der höchsten Verstärkung dar, und der Laser-Oszillator 101 stellt Oszillation bei dieser Frequenz bereit. In 2 zeigt eine mittlere Zeichnung (B) den Zustand, der resultiert, wenn sich die Cavity-Länge um eine Viertel-Wellenlänge von dem Zustand in der linken Zeichnung (A) ändert, und eine rechte Zeichnung (C) zeigt den Zustand, der resultiert, wenn sich die Cavity-Länge um eine weitere Viertel-Wellenlänge vom Zustand in der mittleren Zeichnung (B) ändert. Mit anderen Worten, die rechte Zeichnung (C) zeigt den Zustand, der resultiert, wenn sich die Cavity-Länge um eine halbe Wellenlänge von dem im der linken Zeichnung (A) gezeigten Zustand ändert.
Wenn die Cavity-Länge zunimmt, nimmt die Frequenz der longitudinalen Mode ab, und die dicke gestrichelte Linie verschiebt sich in der Zeichnung nach links. Insbesondere beträgt die Oszillationsfrequenz +32,6 MHz im Zustand (A), ±0 MHz im Zustand (B), und -32,6 MHz im Zustand (C). Wenn die Frequenz der longitudinalen Mode von (C) weiter sinkt, geht der Laser-Oszillator 101 zum Zustand (A) über, weil die Verstärkung der longitudinalen Mode auf der Seite mit der um eines höheren Frequenz größer ist.
3 ist ein Diagramm, das schematisch den in 2 gezeigten Zustandsübergang zeigt. Der Laser-Oszillator 101 geht vom Zustand (A) zum Zustand (B) über und vom Zustand (B) zum Zustand (C). Der Laser-Oszillator 101 geht auch vom Zustand (C) zum Zustand (A) über. Der Zustand (C) und der Zustand (A) stehen bezüglich ihrer Frequenzen in symmetrischer Beziehung hinsichtlich ihrer Verstärkungs-Spitze, und stellen somit dieselbe Verstärkung bereit. Der Laser-Oszillator ändert seine Ausgangsleistung nicht, wenn er vom Zustand (C) zum Zustand (A) übergeht. Je länger die Cavity-Länge mit hoher Ausgangsleistung des Laser-Oszillators 101 ist, desto schmaler ein Frequenzabstand der longitudinalen Moden, und desto geringer die Fluktuation der Ausgangsleistung durch Mode-Hopping. Daher gibt es nur mit Mode-Hopping wohl kein Problem mit der fluktuierenden Ausgangsleistung der Laservorrichtung 100.
Als Nächstes wird eine Beschreibung für den Fall bereitgestellt, dass Mode-Hopping und Doppler-Verschiebung zusammen auftreten. 4 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Frequenz ändert, wenn Mode-Hopping und Doppler-Verschiebung zusammen auftreten. Wenn die akusto-optische Modulationseinheit 102 nur einen akusto-optischen Modulator aufweist, kann die Doppler-Verschiebung nicht verringert werden, und es kann eine Situation eintreten, in der das Mode-Hopping und die Doppler-Verschiebung zusammen auftreten. In 4 stellt die horizontale Achse die Frequenz dar, und die vertikale Achse stellt die Verstärkung dar. Die dicke durchgezogene Linie in 4 stellt einen Strahl dar, der in den Verstärker 103 eintritt. Der in den Verstärker 103 eintretende Strahl weist eine im ersten und zweiten akusto-optischen Modulator 3 und 4 der akusto-optischen Modulationseinheit 102 um die Doppler-Verschiebung vs relativ zum vom Laser-Oszillator 101 emittierten Strahl verschobene Frequenz auf. In der ersten Ausführungsform beträgt die Doppler-Verschiebung - 40 MHz.
In 4 zeigt die mittlere Zeichnung (E) einen Zustand, der resultiert, wenn sich die Cavity-Länge um einen Viertel-Wellenlänge vom in der linken Zeichnung (D) gezeigten Zustand ändert, und eine rechte Zeichnung (F) zeigt einen Zustand, der resultiert, wenn sich die Cavity-Länge um eine weitere Viertel-Wellenlänge von dem in der mittleren Zeichnung (E) gezeigten Zustand ändert. Mit anderen Worten, die rechte Zeichnung (F) zeigt einen Zustand, der resultiert, wenn sich die Cavity-Länge um eine halbe Wellenlänge von dem in der linken Zeichnung (D) gezeigten Zustand ändert. Wie in 2 beträgt die Oszillationsfrequenz +32,6 MHz im Zustand (D), ±0 MHz im Zustand (E), und -32,6 MHz im Zustand (F).
Die Frequenz des Strahls, der in den Verstärker 103 eintritt, beträgt +32,6-40=-7,4 MHz im Zustand (D), 0-40=-40 MHz im Zustand (E), und -32,6-40=-72,6 MHz im Zustand (F).
5 ist ein Diagramm, das schematisch die in 4 gezeigten Zustands-Übergänge zeigt. Der Laser-Oszillator 101 geht vom Zustand (D) in den Zustand (E) und vom Zustand (E) zum Zustand (F) über. Der Laser-Oszillator 101 geht auch vom Zustand (F) in den Zustand (D) über. In diesem Fall stehen der Zustand (D) und der Zustand (F) in einer asymmetrischen Beziehung zueinander in Bezug auf die Frequenz, bei der die Verstärkung maximal ist, und somit stellen sie signifikant unterschiedliche Verstärkungen bereit. Daher verändert sich die Verstärkung beim Übergang vom Zustand (F) zum Zustand (D) signifikant.
6 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Laser-Ausgangsleistung im Zusammenhang mit den in 4 gezeigten Zustands-Übergängen ändert. Die Laser-Ausgangsleistung O₁₀₃ vom Verstärker 103 weist beim Übergang vom Zustand (F) zum Zustand (D) eine diskontinuierliche und scharfe Fluktuation auf. Diese Fluktuation in der Ausgangsleistung ist größer, als die Fluktuation der Laser-Ausgangsleistung O₁₀₁ vom Laser-Oszillator 101. Im Fall einer solchen instantanen Fluktuation der Laser-Ausgangsintensität kann die Laser-Ausgangsleistung nicht stabilisiert werden, selbst wenn eine Feedback-Regelung auf der Grundlage von Messungen der Laser-Ausgangsleistung mit einem Sensor durchgeführt wird. Weil außerdem die Beziehung zwischen der Frequenzverschiebung und dem Grad der Verringerung der Verstärkung nichtlinear ist, ist die Verstärkungsverringerung signifikanter als eine reine Frequenzerhöhung. Zusätzlich besteht, weil die Fluktuationsbreite der Laser-Ausgangsleistung groß ist, ein Problem darin, dass sich die Nenn-Ausgangsleistung verringert.
7 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Laser-Ausgangsleistung ändert, wenn die in 1 gezeigte akusto-optische Modulationseinheit 102 eingesetzt wird. Wie oben beschrieben ermöglichst die akusto-optische Modulationseinheit 102, weil die jeweils vom ersten und zweiten akusto-optischen Modulator 3 und 4 verursachten Frequenz-Verschiebungen einander entgegengesetzt sind, die Doppler-Verschiebung auszugleichen. Daher ist, wie in 7 gezeigt, der Unterschied zwischen der Laser-Ausgangsleistung O₁₀₃ vom Verstärker 103 und der Laser-Ausgangsleistung O₁₀₁ vom Laser-Oszillator 101 im Vergleich zum in 6 gezeigten Beispiel verringert.
Insbesondere sind der erste akusto-optische Modulator 3 und der zweite akusto-optische Modulator 4 derart angeordnet, dass sich die Ausbreitungsrichtung S1 der ersten Ultraschallwelle in Bezug auf die Beugungsrichtung D 1 des Strahls L3 erster Ordnung, der vom ersten akusto-optischen Modulator 3 emittiert wird, von der Ausbreitungsrichtung S2 der zweiten Ultraschallwelle in Bezug auf die Beugungsrichtung D2 des Strahls L4 erster Ordnung, der vom zweiten akusto-optischen Modulator 4 emittiert wird, unterscheidet. Wenn die Ausbreitungsrichtung S1 dieselbe ist wie die Beugungsrichtung D1, erlaubt das Einstellen der Ausbreitungsrichtung S2 entgegengesetzt zur Beugungsrichtung D2, die Doppler-Verschiebung des ausgehenden Strahls zu verringern. Wenn die Ausbreitungsrichtung S1 entgegengesetzt zur Beugungsrichtung D1 ist, erlaubt das Einstellen der Ausbreitungsrichtung S2 gleich der Beugungsrichtung D2, die Doppler-Verschiebung des ausgehenden Strahls zu verringern.
8 ist ein Diagramm, das die auf den vom in 1 gezeigten ersten akusto-optischen Modulator 3 emittierten Strahl bewirkte Frequenz-Verschiebung zeigt. Sei k_i ein Vektor des in den ersten akusto-optischen Modulator 3 einfallenden Strahls und k_d1 ein Vektor des emittierten Strahls. Weil die Beugungsrichtung D1=k_d1-k_i hier entgegengesetzt zur Ausbreitungsrichtung S1 der ersten Ultraschallwelle ist, weist der emittierte Strahl wegen des Gesetzes der Energieerhaltung eine verringerte Frequenz v_d1=v_i-v_s1 auf. 9 ist ein Diagramm, das die auf den vom in 1 gezeigten zweiten akusto-optischen Modulator 4 emittierten Strahl verursachte Frequenz-Verschiebung zeigt. Weil die Beugungsrichtung D2=k_d2-k_d1 dieselbe wie die Ausbreitungsrichtung S2 der zweiten Ultraschallwelle im zweiten akusto-optischen Modulator 4 ist, weist der emittierte Strahl eine erhöhte Frequenz v_d2=v_d1+v_s2 auf. Daher gilt v_d2=v_d1+v_s2=(v_i-v_s1) + v_s2, und die durch den ersten akusto-optischen Modulator 3 bewirkte Frequenzverschiebung -v_s1 und die durch den zweiten akusto-optischen Modulator 4 bewirkte Frequenzverschiebung +v_s2 heben einander auf, was die auf den von der akusto-optischen Modulationseinrichtung 102 auszugebenden Strahl bewirkte Frequenzverschiebung verringert. Wenn die Frequenz v_s1 der ersten Ultraschallwelle gleich der Frequenz v_s2 der zweiten Ultraschallwelle ist, wird v_d2=v_i und die Doppler-Verschiebung ist aufgehoben.
Weil die auf den von der akusto-optischen Modulationseinheit 102 zu emittierenden Strahl ausgeübte Frequenzverschiebung verringert ist, ist die Wirkung auf die Doppler-Verschiebung des Strahls, der in den Verstärker 103 eintritt, verringert. Daher ist die diskontinuierliche und instantane Fluktuation der Ausgangsleistung selbst dann eingeschränkt, wenn das Mode-Hopping auftritt, und die Feedback-Regelung der Laser-Ausgangsleistung ist ermöglicht. Außerdem ist der Fluktuationsbereich der Ausgangsleistung verringert, es wird somit keine Ausgabe-Toleranz für den Fluktuationsbereich benötigt und die Nenn-Ausgabeleistung kann höher sein. Infolge dessen stellt die Laser-Vorrichtung 100 stabil eine höhere Ausgangsleistung bereit. Wenn sie zur Laser-Bearbeitung eingesetzt wird, ermöglicht die Laser-Vorrichtung 100 eine schnellere und qualitativ bessere Laserstrahl-Bearbeitung.
Weil der Strahldurchmesser des auf den akusto-optischen Modulator fallenden Strahls klein ist, weist der Strahl eine erhöhte Intensität auf, und es tritt leicht ein thermischer Linseneffekt auf. Ein akusto-optischer Modulator für Infrarotlicht eines CO₂-Lasers oder eines anderen Lasers verwendet Germanium, dessen Absorption bis zu etwa 3 % beträgt. Wenn daher wie in der ersten Ausführungsform zwei akusto-optische Modulatoren eingesetzt werden, entsteht eine besondere Befürchtung hinsichtlich eines thermischen Linseneffekts. Demgemäß ist die Linse 10 an der Eingangsseite des Expanders 12 in der vorliegenden Ausführungsform eine Positiv-(Sammel-)linse. Es wird hier eine Beschreibung eines Vergleichs zwischen einem Fall vorgelegt, bei dem die Linse 10, die erste von der Eingangsseite des Expanders 12, eine Positivlinse ist und einem Fall, bei dem die Linse 10 eine Negativlinse ist. 10 ist ein Diagramm, das das Beispiel zeigt, bei dem in dem Expander 12 eine Negativlinse eingesetzt wird. 11 ist ein Diagramm, das das Beispiel zeigt, bei dem in dem Expander 12 eine Positivlinse eingesetzt wird.
Wenn der vom zweiten akusto-optischen Modulator 4 emittierte Strahl L4 erster Ordnung wie in 10 in die Negativlinse 21 eintritt, muss ein Abstand 11 zwischen dem zweiten akusto-optischen Modulator 4 und der Negativlinse 21 ein Abstand sein, der zur Separation der Strahls L5 nullter Ordnung und des Strahls L4 erster Ordnung genügt, und groß genug ist, einen Raum für das Dämpfungsglied 23 sicherzustellen, das den Strahl L5 nullter Ordnung absorbiert. Wie durch die gestrichelte Linie in 10 angedeutet, ändert sich ein Gradient θ1 eines Strahls des Strahls L4 erster Ordnung in negativer Richtung, wenn die thermische Linse auftritt. Je länger daher der Abstand 11, desto mehr verkleinert sich der Strahlradius x2 des auf den Expander 12 fallenden Laserstrahls vom Strahlradius x1 im zweiten akusto-optischen Modulator 4, und desto kleiner wird ein aus dem Expander 12 austretender Strahlradius x3. Außerdem, wenn der Expander 12 unter Verwendung der Negativlinse 21 und einer Positivlinse 22 konfiguriert ist, wird, wenn sich der Gradient θ1 des einfallenden Strahls in negativer Richtung ändert, der austretende Strahlradius x3 kleiner. Wenn sich, wie oben beschrieben, der Gradient θ1 in negativer Richtung ändert, bei kleinerem Strahlradius x2, im Zusammenhang mit der Vergrößerung des Abstands 11, ändern sich ein Gradient θ2 eines aus der Negativlinse 21 austretenden Strahls und ein Gradient θ3 eines aus der Positivlinse 22 austretenden Strahls ebenfalls in negativer Richtung, und der Strahlradius x3 eines aus dem Expander 12 austretenden Strahls wird kleiner. Demgemäß weist der in den Verstärker 103 eintretende Strahl einen kleineren Durchmesser auf, und die Laser-Ausgangsleistung nach Verstärkung wird kleiner.
In dem in 11 gezeigten Beispiel ist der Expander 12 unter Einsatz der Positivlinse 24 und einer Positivlinse 25 konfiguriert. In diesem Fall sind der Strahl L4 erster Ordnung und der Strahl L5 nullter Ordnung, die aus dem zweiten akusto-optischen Modulator 4 austreten, nach dem Eintreten in die Positivlinse 24 nahe einem Brennpunkt der Positivlinse 24 ausreichend separiert, was es ermöglicht, ein Dämpfungsglied 26 nahe am Brennpunkt anzuordnen. Der Abstand 11 zwischen dem zweiten akusto-optischen Modulator 4 und der Positivlinse 24 kann in diesem Fall kleiner sein, als in dem in 10 gezeigten Beispiel. Weil der Strahlradius x2 im Zusammenhang mit der Erhöhung des Abstands l1 kleiner wird, kann die Verringerung des Abstands l1 verhindern oder verringern, dass der Strahlradius x2 klein wird. Außerdem, wenn der Expander 12 mittels der Positivlinsen 24 und 25 konfiguriert ist, bewirkt eine Änderung des Gradienten θ1 eines einfallenden Strahls in negativer Richtung, dass der Brennpunkt der Positivlinse 24 strahlaufwärts rückt. Sei, in Abwesenheit einer thermischen Linse, Lf2 ein Abstand von der Positivlinse 24 zum Brennpunkt der Positivlinse 24, und sei Lf3 ein Abstand vom Brennpunkt der Positivlinse 24 zur Positivlinse 25. Sei, in Anwesenheit der thermischen Linse, Lf2s ein Abstand von der Positivlinse 24 zum Brennpunkt der Positivlinse 24, und sei Lf3s ein Abstand vom Brennpunkt der Positivlinse 24 zur Positivlinse 25. In diesem Fall gilt Lf2>Lf2s, und Lf3<Lf3s. Daher steigt der Strahlradius x3 in der Positivlinse 25, wenn die thermische Linse auftritt. Mit anderen Worten, wenn sich der Gradient θ1 wegen des Auftretens der thermischen Linse in negativer Richtung ändert, kann der Einsatz der Positivlinse 24 im Vergleich zum Einsatz der Negativlinse 21 im in 10 gezeigten Beispiel die Abnahme des Strahlradius x2 im Abstand l1 verhindern oder verringern, und kann den Strahlradius x3 des aus dem Expander 12 austretenden Strahls vergrößern. Somit kann der Thermische-Linse-Effekt auf einen von der Laser-Vorrichtung 100 zu emittierenden Laserstrahl verringern.
Nachfolgend wird eine Berechnung eines Unterschieds der Strahlradiusänderung vorgestellt zwischen dem Fall, in dem der Expander 12 die Positivlinse 24 an der Eingangsseite aufweist und dem Fall, in dem der Expander 12 die Negativlinse 21 an der Eingangsseite aufweist. Mit x0 als dem Radius eines auf den ersten akusto-optischen Modulator 3 auftreffenden Strahls und θ0 als dem Eintrittswinkel wird die Strahlfortsetzung mit einer ABCD-Strahlmatrix abgeleitet. Der Strahlradius x3 der Positivlinse 22 oder 25 des Expanders 12 ist durch die Formel (1) unten gegeben. Die Brennweite der thermischen Linse ist mit f1 bezeichnet, und die Brennweite der Negativlinse 21 oder der Positivlinse 24 ist als f2 bezeichnet. Der Abstand von der Negativlinse 21 zur Positivlinse 22 oder der Abstand von der Positivlinse 24 zur Positivlinse 25 ist als l2 bezeichnet. Der Radius des auf den ersten akusto-optischen Modulator 3 auftreffenden Strahls ist als x0 bezeichnet, und der Eintrittswinkel des auf den ersten akusto-optischen Modulator 3 auftreffenden Strahls ist als θ0 bezeichnet.
Formel 1 $x 3 = \frac{(- f 1 f 2 + f 2 L 1 + f 1 L 2 + f 2 L 2 - L 1 L 2) \times 0}{f 1 f 2} - \frac{(- f 2 L 1 - f 2 L 2 + L 1 L 2) θ 0}{f 2}$
Wenn l3 der Abstand vom Expander 12 zum Ausgang des Verstärkers 103 ist, wird der Strahlradius x4 am Ausgang des Verstärkers 103 durch die Formel (2) unten ausgedrückt. Die Brennweite der Positivlinse 22 oder 25 ist als f3 bezeichnet.
Formel 2 $\begin{array}{l} x 4 = \frac{1}{f 1 f 2 f 3} ((L 1 (- L 2 L 3 + f 3 (L 2 + L 3)) \\ - f 2 (- (L 1 + L 2) L 3 + f 3 (L 1 + L 2 + L 3))) x 0 \\ + f 1 (- (- L 2 L 3 + f 3 (L 2 + L 3)) (x 0 + L 1 θ 0) \\ + f 2 (- L 3 (x 0 + (L 1 + L 2) θ 0) + f 3 (x 0 + (L 1 + L 2 + L 3) θ 0)))) \end{array}$
Weil der auf den ersten akusto-optischen Modulator auftreffende Strahl ein Parallelstrahl ist, gilt θ0=0. Tabelle 1 zeigt die in den obigen Berechnungen eingesetzten Parameter. Unter „Positiv“ sind in Tabelle 1 Parameterwerte in der Konfiguration von 11 gezeigt, die die Positivlinse 24 als die Linse 10 einsetzt. Unter „Negativ“ sind in Tabelle 1 Parameterwerte in der Konfiguration von 10 gezeigt, die die Negativlinse 21 als die Linse 10 einsetzt. Tabelle 2 zeigt Berechnungsergebnisse der Formeln (1) und (2), bei denen die in Tabelle 1 gezeigten Parameter verwendet wurden. Unter „Positiv“ in Tabelle 2 sind die Berechnungsergebnisse für die Konfiguration von 11 aufgeführt, die die Positivlinse 24 als die Linse 10 einsetzt. Unter „Negativ“ sind in Tabelle 2 die Berechnungsergebnisse für die Konfiguration von 10 aufgeführt, die die Negativlinse 21 als die Linse 10 einsetzt. Tabelle 1

Positiv Negativ

f1 7000 7000

f2 63,5 -63,5

f3 190,5 190,5

L1 10 400

L2 254 127

L3 5000 5000

x0 4 4

θ0 0 0

Tabelle 2

Positiv Negativ

x3 12,1 11,2

x4 11,2 10,3

Durchschnitt 11,7 10,8

Relative Änderung 0,029 0,103
Es wird angenommen, dass der Radius eines durch den Verstärker 103 tretenden Stahls der Mittelwert des Strahlradius x3 bei Eintritt in den Verstärker 103 und des Strahlradius x4 bei Austritt aus dem Verstärker 103 ist, und es wird eine relative Abweichung von 12 mm berechnet, was der Strahlradius bei Abwesenheit der thermischen Linse ist. Tabelle 2 zeigt, dass die durch die thermische Linse induzierte Änderung des expandierten Strahlradius für die In 10 gezeigte Konfiguration 10,3 % beträgt, aber für die in 11 gezeigte Konfiguration auf 2,9 % verringert ist.
Wie oben beschrieben vermag der Expander 12, der die Positivlinsen 24 und 25 einsetzt, in der Konfiguration, in der leicht die thermische Linse auftritt, im Vergleich zu dem Expander 12, der die Negativlinse 21 einsetzt, den thermischen Linseneffekt zu verringern. Wenn die thermische Linse auftritt, verschiebt sich der Brennpunkt, und somit ändert sich der Strahlradius an einer gegebenen Stelle. Wenn der thermische Linseneffekt so signifikant ist, dass beim Bearbeiten eine signifikante Änderung des Strahlradius auftritt, ändert sich ein Modenvolumen im Verstärker 103, die Strahlleistung ändert sich, ein Brennstrahldurchmesser am Bearbeitungspunkt ändert sich und eine Brennpunktverschiebung (focal shift) ändert sich. Daher verschlechtert sich die Bearbeitungsqualität. Weil der Expander 12 so konfiguriert ist, dass er die Positivlinse 24 an der Eingangsseite aufweist, vermag die Laservorrichtung 100 die Änderung im Strahlradius zu verringern oder zu vermeiden, und ein Laser-Bearbeitung höherer Qualität zu erhalten.
Zweite Ausführungsform
12 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Laservorrichtung 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt. Die nachfolgende Beschreibung stellt hauptsächlich die Unterschiede zur Laservorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform heraus. Die Laservorrichtung 200 weist anstelle der Dämpfungsglieder 5 und 6 der Laservorrichtung 100 ein Dämpfungsglied 41 und einen zweiten akusto-optischen Modulator 40 anstelle des zweiten akusto-optischen Modulators 4 auf. Wie in der Laservorrichtung 100 ist die Ausbreitungsrichtung S1 einer ersten Ultraschallwelle entgegengesetzt zur Beugungsrichtung D1 eines Strahls erster Ordnung des ersten akusto-optischen Modulators, und die Ausbreitungsrichtung S2 einer zweiten Ultraschallwelle ist dieselbe wie die Beugungsrichtung D2 eines Strahls erster Ordnung des zweiten akusto-optischen Modulators 40. In der Laservorrichtung 200 ist der zweite akusto-optische Modulator 40 derart angeordnet, dass die Beugungsrichtung D2 seines Strahls erster Ordnung dieselbe ist, wie die Beugungsrichtung D1 des Strahls erster Ordnung des ersten akusto-optischen Modulators 3. Daher werden ein Strahl L5 nullter Ordnung des ersten akusto-optischen Modulators 3 und der Strahl L7 erster Ordnung des zweiten akusto-optischen Modulators 40 in verschiedene Richtungen emittiert. In diesem Fall kann das Dämpfungsglied 41 strahlabwärts der Linse 10 und nahe einem Brennpunkt der Linse 10 angeordnet werden, um den Strahl L5 nullter Ordnung des ersten akusto-optischen Modulators 3 und einen Strahl L6 nullter Ordnung des zweiten akusto-optischen Modulators 40 zu absorbieren, und der erste und zweite akusto-optische Modulator 3 und 40 können näher beieinander angeordnet werden.
Wenn das Dämpfungsglied 5 aus der in 1 gezeigten Konfiguration der Laservorrichtung 100 weggelassen wird, verläuft der Strahl L2 nullter Ordnung des ersten akusto-optischen Modulators 3 in derselben Richtung wie der Strahl L4 erster Ordnung des zweiten akusto-optischen Modulators 4 nach dem Durchgang durch den zweiten akusto-optischen Modulator 4. Wenn der erste und der zweite akusto-optische Modulator 3 und 4 in diesem Fall näher zueinander gebracht werden, überlappen sich der Strahl L2 nullter Ordnung und der Strahl L4 erster Ordnung, so dass der Strahl L2 nullter Ordnung des ersten akusto-optischen Modulators 3 nicht entfernt werden kann. Im Gegensatz dazu verlaufen in der Laservorrichtung 200 der Strahl L5 nullter Ordnung des ersten akusto-optischen Modulators 3 und der Strahl L7 erster Ordnung des zweiten akusto-optischen Modulators 40 in verschiedenen Richtungen, weil die Beugungsrichtung D1 des ersten akusto-optischen Modulators 3 als dieselbe eingestellt wird, wie die Beugungsrichtung D2 des zweiten akusto-optischen Modulators 40. Daher kann das Dämpfungsglied 41 nahe dem Brennpunkt der Linse 10 angeordnet werden, und der erste und zweite akusto-optische Modulator 3 und 40 können näher beieinander angeordnet werden. Eine Laserstrahl-Ausbreitungsentfernung vom ersten akusto-optischen Modulator 3 zum Expander 12 wird in diesem Fall kleiner, somit ist es ermöglicht, eine Veränderung des einfallenden Strahlradius x2 am Expander 12, die durch eine Änderung des Gradienten θ1 verursacht wird, zu verringern oder zu vermeiden, weil letztere zu begrenzen ist, wenn eine thermische Linse im ersten akusto-optischen Modulator 3 auftritt. Daher ist der Strahlradius der Laservorrichtung 200 stabiler, so dass die Laser-Ausgangsleistung stabilisiert ist, wodurch eine gute Bearbeitungsqualität erhalten werden kann.
Dritte Ausführungsform
13 ist ein Diagramm, das eine Ausführungsform einer Laser-Bearbeitungsvorrichtung 300 gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt. Die Laser-Bearbeitungsvorrichtung 300 beinhaltet die Laservorrichtung 100, einen optischen Pfad 61, einen Bearbeitungskopf 62, einen Aktuator 63, eine Erfassungseinheit 64 und eine Steuereinheit 65.
Die Laser-Bearbeitungsvorrichtung 300 hat die Funktion, ein Werkstück W durch Bestrahlen des Werkstücks W mit einem gepulsten Laserstrahl zu schneiden. Die Laservorrichtung 100 ist die in der ersten Ausführungsform beschriebene Laservorrichtung 100, und ihr aus dem Fenster 35 austretender Laserstrahl wird dem Bearbeitungskopf 62 über den optischen Pfad 61 zugeführt. Der optische Pfad 61 ist ein Pfad, der den von der Laservorrichtung 100 ausgegebenen Laserstrahl zum Bearbeitungskopf 62 überträgt. Der optische Pfad 61 kann ein Pfad sein, entlang welchem der Laserstrahl durch die Luft übertragen wird, oder ein Pfad, entlang welchem der Laserstrahl durch eine optische Faser übertragen wird. Der optische Pfad 61 wird gemäß den Charakteristika des Laserstrahls ausgewählt, den die Laservorrichtung 100 ausgibt.
Der Bearbeitungskopf 62 beinhaltet ein optisches System, das den Laserstrahl auf das Werkstück W fokussiert. Das in dem Bearbeitungskopf 62 beinhaltete optische System stellt vorzugsweise einen Brennpunkt nahe einer Oberfläche des Werkstücks W bereit. Der Aktuator 63 ist dazu ausgebildet, relative Positionen des Bearbeitungskopfs 62 und des Werkstücks W durch Steuern zu ändern. Der Aktuator 63 der Laser-Bearbeitungsvorrichtung 300 verschiebt den Bearbeitungskopf 62 zum Ändern der relativen Position des Bearbeitungskopfs 62 und des Werkstücks W; allerdings kann der Aktuator 62 einen Tisch verschieben, auf dem das Werkstück W platziert ist, oder kann sowohl den Bearbeitungskopf 62 als auch den Tisch verschieben. Mit anderen Worten, es genügt, wenn der Aktuator 62 die Funktionalität des Verschiebens von dem Bearbeitungskopf 62 und/oder dem Werkstück W aufweist.
Die Erfassungseinheit 64 ist ein Sensor, der einen Zustand des Werkstücks W oder einen Zustand der Laser-Bearbeitungsvorrichtung 300 erfasst. Die Erfassungseinheit 64 misst eine physikalische Größe, wie eine Position des Werkstücks W beim Bearbeiten, eine Intensität und eine Wellenlänge von bei der Bearbeitung erzeugtem Licht, eine Schallwelle oder eine Ultraschallwelle, um die Messung als Zeitreihen-Signal zu haben. Beispiele der Erfassungseinheit 64 beinhalten untern anderen einen kapazitiven Sensor, eine Photodiode, einen Charge-Coupled-Device (CCD)-Sensor, einen Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS)-Sensor, ein Spektroskop, einen akustischen Sensor, einen Beschleunigungssensor, einen Gyrosensor, einen Abstandssensor, einen Positionssensor, einen Temperatursensor und einen Feuchtigkeitssensor. Die Erfassungseinheit 64 gibt das die Messung angebende Zeitreihen-Signal in die Steuereinheit 65 ein.
Auf der Grundlage voreingestellter Maschinenbedingungen und der von der Erfassungseinheit 64 gesendeten Messung steuert die Steuereinheit 65 jene derart, dass die Laservorrichtung 100 und der Aktuator 63 bewirken, dass der gepulste Laserstrahl das Werkstück W entlang eines Bearbeitungspfads abscannt. Die Maschinenbedingungen beinhalten zum Beispiel ein Material, eine Dicke und eine Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks W. Die Maschinenbedingungen beinhalten unter anderem ferner die Laser-Output-Intensität der Laservorrichtung 100, eine Laser-Output-Frequenz, ein Taktverhältnis der Laser-Output-Leistung, eine Mode, eine Wellenform und eine Wellenlänge. Die Maschinenbedingungen können die von der Erfassungseinheit 64 eingegebene Messung beinhalten, wie eine Brennpunktlage des gepulsten Laserstrahls, einen fokussierten Strahldurchmesser des gepulsten Laserstrahls, einen Abstand zwischen dem Werkstück W und dem Bearbeitungskopf 62, eine Temperatur oder eine Feuchtigkeit.
Indem der Aktuator 63 die relative Position des Bearbeitungskopfes 62 und des Werkstücks W unter der Steuerung durch die Steuereinheit 65 ändert, bestrahlt der Bearbeitungskopf 62 das Werkstück W mit dem gepulsten Laserstrahl. Auf diese Weise wird das Schneiden des Werkstücks W ermöglicht.
Die Laser-Bearbeitungsvorrichtung 300 gemäß der oben beschriebenen dritten Ausführungsform weist die Laservorrichtung 100 auf, kann aber anstelle der Laservorrichtung 100 die Laservorrichtung 200 der zweiten Ausführungsform aufweisen.
Die in den Ausführungsformen gezeigten obigen Konfigurationen sind illustrativ, können mit anderen, öffentlich bekannten Techniken kombiniert werden, und können teilweise weggelassen oder geändert werden, ohne vom Konzept abzuweichen. Die Ausführungsformen können untereinander kombiniert werden.
Während beispielsweise in den 1 und 12 der Kollimator 9 eingesetzt wird, um den Strahldurchmesser des vom Laser-Oszillator 101 ausgegebenen Strahl anzupassen, sind die vorliegenden Ausführungsformen nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Zum Beispiel können der totalreflektierende Spiegel 14 und der teilweise reflektierende Spiegel 15 so gestaltet sein, dass der Kollimator 9 weggelassen wird und der Strahldurchmesser des vom Laser-Oszillator 101 emittierten Strahls in den akusto-optischen Modulator eintritt.
Während sich der Laser-Oszillator 101 und der Verstärker 103 in den obigen Ausführungsformen das Lasermedium teilen und im einzigen Gehäuse 1 angeordnet sind, sind die vorliegenden Ausführungsformen nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Der Laser-Oszillator 101 und der Verstärker 103 können in verschiedenen Gehäusen angeordnet sein.
Die gezeigten Ausbreitungsrichtungen S1 und S2 der Ultraschallwellen sind Beispiele, und sie können entgegengesetzt zu den gezeigten Richtungen orientiert sein.
Während die oben beschriebene akusto-optische Modulationseinheit 102 die beiden akusto-optischen Modulatoren aufweist, sind die vorliegenden Ausführungsformen nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Zum Beispiel kann die akusto-optische Modulationseinheit 102 drei oder mehr akusto-optische Modulatoren aufweisen. In diesem Fall geben zumindest zwei der akusto-optischen Modulatoren Strahlen erster Ordnung aus, und die zwei die Strahlen erster Ordnung ausgebenden akusto-optischen Modulatoren unterscheiden sich hinsichtlich einer Ausbreitungsrichtung einer Ultraschallwelle in Bezug auf eine Beugungsrichtung.
Bei der Beaufschlagung mit der ersten Ultraschallwelle beugt der erste akusto-optische Modulator 3 den Laserstrahl L1 vom Laser-Oszillator 101. Der Laserstrahl L1 vom Laser-Oszillator 101 ist hierbei nicht auf den Laserstrahl L1 beschränkt, der direkt vom Laser-Oszillator 101 eintritt. Zum Beispiel kann der Laserstrahl L1 vom Laser-Oszillator 101 der Laserstrahl L1 sein, der durch den Kollimator 9 eintritt wie in 1 gezeigt, oder, in Fällen, in denen die akusto-optische Modulationseinheit 102 die drei oder mehr akusto-optischen Modulatoren aufweist, der Laserstrahl L1, der durch einen anderen akusto-optischen Modulator eintritt. Bei der Beaufschlagung mit der zweiten Ultraschallwelle beugt der zweite akusto-optische Modulator 4 in ähnlicher Weise den vom ersten akusto-optischen Modulator 3 ausgegebenen Strahl L3 erster Ordnung. Der vom ersten akusto-optischen Modulator 3 ausgegebene Strahl L3 erster Ordnung kann hierbei der Strahl L3 erster Ordnung sein, der wie in 1 gezeigt direkt vom ersten akusto-optischen Modulator 3 in den zweiten akusto-optischen Modulator 4 eintritt. Alternativ kann der Strahl L3 erster Ordnung, der vom ersten akusto-optischen Modulator 3 ausgegeben wird, der Strahl L3 erster Ordnung sein, der durch einen anderen akusto-optischen Modulator eintritt, wenn zum Beispiel die akusto-optische Modulationseinheit 102 drei oder mehr akusto-optische Modulatoren aufweist.
Der Laserstrahl L1, der vom Laser-Oszillator 101 ausgegeben wird, ist in der obigen Beschreibung ein Continuous-Wave-Strahl. Allerdings wird der Strahl in manchen Fällen wegen eines breiten Pulsintervalls für längere Zeit ausgeschaltet, die Entladung wird abgeschaltet, um den Strahl des Laser-Oszillators 101 intermittierend zu betreiben, um den Energieverbrauch zu verringern. In solchen Fällen ist der vom Laser-Oszillator 101 ausgegebene Laserstrahl L1 nicht Continuous-Wave. Die akusto-optische Modulationseinheit 102 ist in der Lage, selbst solch einen Laserstrahl L1 in einen gepulsten Strahl umzuwandeln.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: ausgegebenes Pumpgas
3: erster akusto-optischer Modulator
4, 40: zweiter akusto-optischer Modulator
5,6,41: Dämpfungsglied
7: Positivlinse
8: Negativlinse
9: Kollimator
10, 11: Linse
12: Expander
13: Brewster-Fenster
14: totalreflektierender Spiegel
15: partiell reflektierender Spiegel
31, 32, 33: Spiegel
34,35: Fenster
54: linear polarisiertes Licht
61: optischer Pfad
62: Bearbeitungskopf
63: Aktuator
64: Erfassungseinheit
65: Steuereinheit
100,200: Laservorrichtung
101: Laser-Oszillator
102: akusto-optische Modulationseinheit
103: Verstärker
300: Laser-Bearbeitungsvorrichtung
D1, D2: Beugungsrichtung
f1, f2, f3: Brennweite
G: Laser-Gas
L1: Laserstrahl
L2, L5, L6: Strahl nullter Ordnung
L3, L4, L7: Strahl erster Ordnung
l1, l2, l3, Lf2, Lf2s: Abstand
O101 O103: Laser-Output-Leistung
S1, S2: Ausbreitungsrichtung
W: Werkstück
x0, x1, x2, x3, x4: Strahlradius
θ0: Einstrahlwinkel
θ1,θ2,θ3: Gradient

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

JP 2011187947 [0004]

Claims

Laservorrichtung, umfassend: einen Laser-Oszillator; eine akusto-optischen Modulationseinheit mit einem ersten akusto-optischen Modulator zum Beugen eines Laserstrahls vom Laser-Oszillator wenn eine erste Ultraschallwelle beaufschlagt wird und einem zweiten akusto-optischen Modulator zum Beugen eines vom ersten akusto-optischen Modulator ausgegebenen Strahls höherer Ordnung wenn eine zweite Ultraschallwelle beaufschlagt wird, wobei eine Ausbreitungsrichtung der ersten Ultraschallwelle relativ zu einer Beugungsrichtung eines vom ersten akusto-optischen Modulator emittierten Strahls höherer Ordnung und eine Ausbreitungsrichtung der zweiten Ultraschallwelle relativ zu einer Beugungsrichtung eines vom zweiten akusto-optischen Modulator emittierten Strahls höherer Ordnung verschieden sind; und einen Verstärker zum Verstärken eines Laserstrahls von der akusto-optischen Modulationseinheit.
Laservorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner umfassend einen Expander zum Aufweiten eines Strahldurchmessers des Laserstrahls, wobei der Expander in einem optischen Pfad zwischen der akusto-optischen Modulationseinheit und dem Verstärker angeordnet ist, wobei der Expander an der Eintrittsseite eine Positivlinse umfasst.
Laservorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die akusto-optische Modulationseinheit einen Laserstrahl-Output vom Laseroszillator in einen gepulsten Laserstrahl umwandelt.
Laservorrichtung gemäß Anspruch 2, ferner umfassend ein Dämpfungsglied zum Absorbieren eines vom ersten akusto-optischen Modulator emittierten Strahls nullter Ordnung, wobei das Dämpfungsglied strahlabwärts der Positivlinse des Expanders angeordnet ist, wobei eine Beugungsrichtung eines vom ersten akusto-optischen Modulator emittierten Strahls höherer Ordnung dieselbe ist wie eine Beugungsrichtung eines vom zweiten akusto-optischen Modulator emittierten Strahls höherer Ordnung.
Laservorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Strahl höherer Ordnung ein Strahl erster Ordnung ist.
Laser-Bearbeitungsvorrichtung mit der Laservorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.