DE1915890A1

DE1915890A1 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahles

Info

Publication number: DE1915890A1
Application number: DE19691915890
Authority: DE
Inventors: Holtz Dr-Ing Eberhard
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1969-03-28
Filing date: 1969-03-28
Publication date: 1971-02-04
Also published as: DE1915890B2; US3599112A

Description

CARL ZEISS IN HEIDENHEIM AN DER BRENZ

Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahles

Bei einigen optischen Meßverfahren wird ein Laserstrahl als Hilfsmittel verwendet. So^kann ein Laserstrahl beispielsweise dazu dienen, die Koordinaten eines Punktes auf einen anderen Punkt zu übertragen. Bei allen diesen Meßverfahren ist es notwendig, daß die räumliche Richtung des Laserstrahles.während des Meßvorganges konstant "bleibt.

Der Laserstrahl wird im sogenannten Lasergenerator erzeugt, der ein zwischen zwei Spiegeln eingeschlossenes aktives Medium enthält. Dieses Medium kann ein Gas, eine ■ Flüssigkeit oder ein Festkörper sein. Der erzeugte Strahl verläuft im Inneren des durch die Spiegel gebildeten Resonators durch die Krümmungsmittelpunkte der beiden sphärischen Spiegel.

Es ist für Meßzwecke üblich, den durch den Auskoppelspiegel aus dem Resonator austretenden Laserstrahl anschließend durch ein optisches System zu schicken, das zur Reduzierung des Strahlöffnungswinkels dient. Die räumliche Lage des Laserstrahles hängt dann nicht nur von der Position der beiden Laserspiegel ab, sie wird auch noch durch die relative Lage des optischen Systems zum Lasergenerator bestimmt.

Die Erfahrung zeigt, daß bei einer Vorrichtung der beschriebenen Art der Laserstrahl während des Betriebes seine räumliche Lage ändert und zwar bedingt durch Änderungen der Temperatur, der Auflagerkräfte und Auflagermomente.

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Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der beschriebenen Art anzugeben, bei welcher die räumliche Richtung des Laserstrahles während des Meßvorganges konstant bleibt. ^;

Die Erfindung betrifft damit eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahles, bestehend aus einem zwischen zwei Spiegeln angeordneten aktiven Medium und einem in Lichtrichtung gesehen hinter diesem Lasergenerator angeordneten optischen System zur Reduzierung des Strahlöffnungswinkels. Gemäß der Erfindung ist der teildurchlässige Auskoppelspiegel des Lasergenerators fest so ^ mit dem optischen System verbunden,· daß dessen optische Achse mit der des Spiegels zusammenfällt und der Brennpunkt des aus dem Auskoppelspiegel und dem optischen System gebildeten Gesamtsystems fällt mit dem Krümmungsmittelpunkt des Auskoppelspiegels zusammen. Zur Reduzierung des Strahlöffnungswinkels findet vorteilhaft ein afokales Fernrohr Verwendung.

Innerhalb des durch die beiden Spiegel begrenzten Resonators des Lasergenerators bildet die Strahlachse die Verbindung sger ade der Krümmungsmittelpunkte der Vorderflächen der beiden sphärischen Spiegel. Wird durch irgendwelche Einflüsse der dem Auskoppelspiegel gegenüberliegende ψ Spiegel des Lasergenerators degustiert, so verläuft die Strahlachse weiterhin durch den Krümmungsmittelpunkt der Vorderfläche des Auskoppelspiegels. Da nun bei der Einrichtung gemäß, der vorliegenden Erfindung dieser Krümmungsmittelpunkt mit dem Brennpunkt des aus Auskoppelspiegel und Fernrohr gebildeten Gesamtsystems zusammenfällt, verläuft die Achse des aus dem Fernrohr austretenden Laserstrahles stets parallel zur optischen Achse des Fernrohrs. Bei der beschriebenen Dejustierung des Resonatorspiegels tritt also keine Neigung des Laserstrahles gegenüber der Achse des Fernrohrs auf, es tritt jedoch eine Parallelverschiebung der Strahlachse auf, welche von der Stellung des

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degustierten Spiegels abhängt. Eine solche,Pralle!verschiebung ist sehr klein, sie liegt in der Größenordnung von 1 bis 5 nun. Da bei großen Meßweiten die Strahlabweichung hauptsächlich durch eine Strahlneigung und weniger durch eine Parallelverschiebung des Strahles verursacht t'iird, ist es also zweckmäßig, die fehlerhafte Strahlneigung mittels der neuen Vorrichtung au eliminieren und dafür eine Parallelverschiebung des Laserstrahles in Kauf zu nehmen.

Besonders vorteilhaft ist es, die Vorrichtung so auszubilde, daß der Radius der dem Fernrohr zugekehrten Flache des Auskoppelspiegels der Beziehung E_x=(Rx, + d) · (1-1)

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gehorcht, wobei R^ der Radius der anderen Spiegelflache, d die Dicke und η der Brechungskoeffizient des Spiegelglases ist. Bei Verwendung eines derart ausgebildeten Auskoppelspiegels bleibt der aus dem Lasergenerator austretende Strahl stets parallel zur optischen Achse des Auskoppelspiegels und zwar auch dann, wenn der andere Laserspiegel dejustiert wird. Das an einen solchen Lasergenerator angeschlossene Fernrohr reduziert den Öffnungswinkel und läßt den parallel aur optischen Achse eintretenden Laserstrahl parallel zur optischen Achse wieder austreten. Auch hier ist der Auskoppelspiegel mit dem Fernrohr fest verbunden, damit keine Relativbewegungen zwischen diesem Spiegel und dem Fernrohr auftreten können.

Von besonderem Vorteil ist,es, zur Reduzierung des Strahlöffnung s winke Is ein Fernrohr zu verwenden, das einen an sich bekannten Kompensator zur automatischen Horizontierung der Ziellinie enthält. In diesem FaIL erhält man bei einer innerhalb des Wirkungsbereiches des Kompensators gelegenen Neigung der Fernrohrachse stets einen horizontierten Laserstrahl.

Ein Lasergenerator erzeugt stets eine bestimmte Verlustwärme. Um die dadurch ausgelösten DeJustierungen der optischen Elemente möglichst klein zu halten, ist es zweckmäßig, das aus Fernrohr und Auskoppelspiegel gebildete

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s tr abfuhr ende Gesamtsystem und das aus Laserrohr und dem anderen Spiegel· bestehende strahierzeugende System thermisch. zu entkoppeln.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figureni bis 3 der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel

der neuen Vorrichtung; Fig. 2 einen schematisch gezeichneten Schnitt durch.

ein anderes Ausführungsbeispiel·;

Fig. 3 einen schematisch gezeichneten Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel· der neuen Vorrichtung, weiches zur Erzeugung eines horizontierten b Laserstrahles dient.

In Fig. 1 ist mit 1 das Objektiv und mit 2 das Okuiar eines schematisch dargesteirben Fernrohres beizeichnet. Der Lasergenerator besteht aus dem beispieisweise Gas enthaitenden Rohr 3 und den sphärischen Siegein 4 und 5· Wie man erkennt, ist der Auskoppeispiegel· 5 mit dem Fernrohr 1,2 in einem Gehäuse 6 fest verbunden. Diese Verbindung ist so vorgenommen, daß die optische Achse des Auskoppeispiegeis mit der optischen Achse des Fernrohrs 1,2 zusammenfaßt.

Bezeichnet man die Brennweiten der beiden Linsen 1 und 2 des Fernrohrs mit Ϊ_Λ und f_o so reduziert ein soiches Fern-P rohr den öffnungswinkel· des- aus dem Auskoppel·spiegel· 5 austretenden LaserstraM-es im Verhäitnis f^/fg. Dadurch wird erreicht, daß der Strahl· in allen Entfernungen vom Gerät einen möglichst gleichmäßigen Durchmesser hat.

Nach Wahl eines bestimmten Öffnungswinkels des Laserstrahles durch Wahl der Linsen 1 und 2 des Fernrohrs wird bei der in Fig. 1 dargestel^en Vorrichtung das Okul·ar 2 axial· so verschoben, daß der Brennpunkt des Gesamtsystems 5,2,1 mit dem Krümmungsmitteipunkt 5' der vorderen Fl·äche des Auskoppelspiegels 5 zusammenfalIt. Der Krümmungsradius dieser

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Spiegelfläche ist mit IL, bezeichnet. Die auf diese Weise erreichte Einstellung entspricht im allgemeinen nicht derjenigen auf den Wert Unendlich.

Die Achse des Laserrohres $ ist auf die Fernrohrachse ausgerichtet und Lasergenerator und Fernrohr sind so zueinander angeordnet, daß die durch die Verbindungsgerade der beiden Krümmungsmittelpunkte V und 5' gehende Strahlachse des Lasergenerators mit der optischen Achse des Fernrohres 1,2 zusammenfällt.

Das Laserrohr 3 und der Spiegel 4 sind auf einem Träger angeordnet, welcher aus schlecht wärmeleitendem Material besteht. Mit Hilfe dieses Trägers sind das aus Fernrohr 1,2 und Auskoppelspiegel 5 gebildete strahlführende Gesamtsystem und das aus dem Laserrohr 3 und dem Spiegel 4-bestehende strahlerzeugende System thermisch entkoppelt.

Wird bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung der ResonatorspiegeL 4- degustiert, so verläuft die Strahlachse weiterhin durch den Krümmungsmittelpunkt 5' des Auskoppelspiegels 5· Da der Krümmungsmittelpunkt 5¹ mit dem Brennpunkt des Gesamtsystems 1,2,5 zusammenfällt, verläuft die Achse des austretenden Laserstrahles stets parallel zur optischen Achse des Fernrohrs 1,2. Es tritt jedoch eine Parallelverschiebung auf, die von der Stellung des Spiegels 4· abhängt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung weist die hintere Fläche des Auskoppelspiegels 5 einen Radius R^ auf, welcher der Beziehung R,- (R₁ + d)'(1-1> genügt. Der Brennpunkt des Gesamtsystems 1,2,5 fällt mit dem Krümmungsmittelpunkt 5' der Vorderfläche des AuskoppelspiegeIs 5 zusammen. Das Okular 2 weist dabei eine solche axiale Lage auf, daß die Brennpunkte der Linsen 1 und 2 zusammenfallen. Dies entspricht der Einstellung des Fernrohrs auf Unendlich.

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Durch die beschriebene Ausbildung des Auskoppelspiegels 5 ist gewährleistet, daß der aus dem Lasergenerator 3,4-, 5 austretende Strahl stets parallel zur optischen Achse des Spiegels 5 verläuft und zwar auch dann, wenn der Laserspiegel 4- de zentriert ist. Da die optische Achse des Spiegels 5 mit der optischen Achse des auf unendlich eingestellten bzw. afokalen Fernrohres 1,2 zusammenfällt, verläuft also die Achse des austretenden Laserstrahles stets parallel zur optischen Achse des Fernrohrsystems 1,2.

In Fig. 2 ist gestrichelt eine dezentrierte Lage des Resonatorspiegels 4 eingezeichnet. Wie man erkennt, tritt dadurch keine Neigung des austretenden gestrichelt gezeichneten Laserstrahles auf, sondern dieser wird" nur parallel zur optischen Achse des Fernohrs 1,2 versetzt.

Die Dejustierungen des Spiegels 4- können nicht beliebig stark sein, sondern werden durch die Geometrie des Laserrohres 3 begrenzt. Beim überschreiten dieses Grenzwertes setzen die Laserschwingungen aus. Entsprechendes gilt auch für die Position des Laserrohres im Resonator. Verändert sich die Geometrie des Resonators beispielsweise durch einseitige Erwärmung, dann ist bei der beschriebenen Dimensionierung des Auskoppelspiegels 5 zwar die Ausgangsleistung nicht jedoch die Richtung des AusgangsStrahles von der Dejustierung abhängig.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der aus dem Laserrohr 3 und den beiden Spiegeln 4 und 5 bestehende Lasergenerator mit einem Nivelliergerät verbunden, das einen Kompensator zur automatischen* Horizontierung der Ziellinie enthält. Das Objekt des Nivelliergerätes ist mit 9, das Okular mit 10 bezeichnet.. Zwischen diesen beiden Linsen ist der Kompensator 11 angeordnet.

Wie man erkennt, ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel äer Auskoppelspiegel 5 fest mit dem Nivelliergerät 8

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vereinigt'. *

Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung erzeugt einen Laserstrahl, der unabhängig von Neigungen des Nivelliergerätes horizontal verläuft , so lange diese Neigungen im Wirkungsbereich des !Compensators 11 liegen.

Versuche haben gezeigt, daß eine Vorrichtung gemäß Fig. 3 unter Verwendung eines handelsüblichen Nivelliergerätes aufgebaut werden kann. Durch Wahl der Abstände Auskoppelspiegel-Okular und Okular-Objektiv lassen sich die Bedingungen erfüllen, daß der Brennpunkt des aus dem Auskoppelspiegel und dem optischen System gebildeten Gesamtsystems mit dem Krümmungsmittelpunkt der Vorderfläche des Miskoppelspiegels zusammenfällt und daß das Nivelliergerät den erstrebten optimalen öffungswinkel des Strahles erzeugt.

Es.ist ohne weiteres verständlich, daß in allen gezeigten Ausführungsbeispielen alle Linsen des optischen Systems einen so großen Öffnungsdurchmesser besitzen, daß sie den Strahl nicht abblenden. Im übrigen ist noch zu bemerken, daß das optische System des Fernrohres nur sphärisch korrigiert zu sein braucht. Eine Farbkorrektur sowie Maßnahmen gegen weitere Abbildungsfehler wie z.B. den Astigmatismus sind nicht notwendig. Man kann also bei der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ein recht einfach aufgebautes Fernrohr zur Reduzierung des Strahlöffnungswinkels verwenden. ·

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahles, bestehend aus einem zwischen zwei Spiegeln angeordneten aktiven Medium und einem in Lichtrichtung hinter dies"em Lasergenerator angeordneten optischen System zur Reduzierung des Strahlöffungswinkels, dadurch gekennzeichnet, daß der teildurchlässige Auskoppelspiegel (5) des Lasergenerators (3,^»5) fest so mit dem optischen System (1,2) verbunden ist, daß dessen optische Achse mit der des Spiegels (5) zusammenfällt und daß der Brennpunkt des aus dem Auskoppelspiegel und dem optischen System gebildeten Gesamtsystems mit dem Krümmungsmitte lpunkt ( 5") der Vorderfläche des Auskoppelspiegels (5) zusammenfällt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung des Strahlöffnungswinkels ein afokales Fernrohr (1,2) verwendet.ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der dem Fernrohr (1,2) zugekehrten Fläche des Auskoppelspiegels (5) der Beziehung R₇, = (R^+d) * (1-1) ge-

o ' τι horcht, wobei R^, der Radius der anderen Spiegelfläche, d die die Dicke des Spiegels (5) und η der Brechungskoeffizient des Spiegelglases ist.
4-, Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Reduzierung des Strahlöffnungswinkels dienende Fernrohr (9,10) einen an sich bekannten Kompensator (11) zur automatischen Horizontierung der Ziellinie enthält.
5· Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Okular (2 bzw. 10) des Fernrohrs (1,2 bzw. 9,10) zur Einstellung der Strahlgeometrie axial verschiebbar ist.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 1 "bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Fernrohr (1,2) und Auskoppelspiegel (5) gebildete strahlführende Gesamtsystem und das aus Laserrohr (3) und anderem Spiegel (4) bestehende strahlerzeugende System thermisch entkoppelt sind.

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