DE19549531B4

DE19549531B4 - Festkörperlaservorrichtung und Laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE19549531B4
Application number: DE19549531A
Authority: DE
Inventors: Kazuki Amagasaki Kuba; Akira Amagasaki Ishimori; Koji Amagasaki Yasui; Kenji Nagoya Kumamoto; Kuniaki Nagoya Iwashiro
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-10-14
Filing date: 1995-10-16
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2015-10-17

Abstract

Eine optische Übertragungsvorrichtung weist eine Gradientenfaser mit einem Durchmesser $I1 eines Kerns der optischen Faser, einer Brechzahl n<SUB>0</SUB> an der Mitte des Kerns und einer Differenz Deltan zwischen den Brechzahlen an der Mitte des Kerns und an dem Umfangsabschnitt des Kerns auf. Ein Einfallssystem der optischen Faser weist einen kleinsten fokussierten Punkt an oder nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser auf, durch die der Laserstrahl eingeführt wird. Der Durchmesser $I2 des Laserstrahls an der Einfallsseitenebene der optischen Faser hat die folgende Beziehung: $I3 und $I4, wobei der Durchmesser an der schmalsten Stelle des Laserstrahls und des Öffnungswinkels des Laserstrahls $I5 und 2Theta sind. Eine Festkörperlaservorrichtung weist eine Gradientenfaser auf, bei der der Durchmesser $I6 des Laserstrahls an der Einfallsseite der optischen Faser die folgende Beziehung aufweist: $I7 und $I8, wobei der Durchmesser der schmalsten Stelle des Laserstrahls an einem Ausgangspegel $I9 und der Öffnungswinkel 2Theta (Totalwinkel) ist. Weiterhin ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung vorgesehen, die diese optische Übertragungsvorrichtung und die Festkörperlaservorrichtung einschließt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Festkörperlaservorrichtung und eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer optischen Übertragungsvorrichtung zum Übertragen eines Laserstrahls mit einer hohen Fokussierfähigkeit, die für die Laserbearbeitung zur industriellen Verarbeitung, zum Zwecke medizinischer Laseranwendung und dergleichen verwendet wird.
18 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertragungsvorrichtung nach dem Stand der Technik, die in der japanischen Veröffentlichung der Anmeldung Nr. 2-55157 offenbart ist.
Bei der optischen Übertragungsvorrichtung nach dem Stand der Technik nach 18 bezeichnet ein Bezugszeichen 8 eine Fokussierlinse, das Bezugszeichen 90 eine optische Faser als Wellenleiter des Laserstrahls, das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Laseroszillator zum Erzeugen von Laserlicht oder eines Laserstrahls, das Bezugszeichen 70 bezeichnet das Laserlicht oder den Laserstrahl, der von dem Laseroszillator 10 gesendet wird, das Bezugszeichen 101 bezeichnet einen Linsenhalter und das Bezugszeichen 102 bezeichnet einen Halter der optischen Faser.
Da die optische Übertragungsvorrichtung nach dem Stand der Technik die oben beschriebene Anordnung aufweist, wird das von dem Laseroszillator 10 gesendet Laserlicht von der Fokussierlinse 8 fokussiert und auf eine Einfallsseitenebene der optischen Faser 90 übertragen und dann in das innere der optische Faser 90 geleitet. Der Linsenhalter 101 und/oder der Halter 102 für die optische Faser sind jeweils auf bewegbaren Tischen angeordnet. Der Laserstrahl 70 kann auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 90 fokussiert werden, indem die Position des bewegbaren Tisches eingestellt oder verändert wird.
Um im allgemeinen den Laserstrahl 70 ohne Verluste wie Streuverluste zu übertragen, muß der Winkel θ_in des Einfalls auf die optische Faser 90 entsprechend θ_in sin^–1(NA) sein, wobei NA der Eigenwert oder inhärente Wert der optischen Faser 90 ist. Der Eigenwert der optischen Faser 90 wird als (n₀ ² – n₁ ²)^1/2 ausgedrückt, wenn die Brechzahl der Mitte des Kerns der optischen Faser 90 n₀ und die Brechzahl des Mantels in der optischen Faser n₁ ist.
Wenn andererseits der Laserstrahl 70 über die optische Faser 90 übertragen wird, wird der Wert der Fokussierfähigkeit des Laserstrahls 70 verringert.
Beispielsweise wird dθ als ein Index der Fokussierfähigkeit des Laserstrahls ausgedrückt, wenn der Durchmesser der schmalsten Stelle des Laserstrahls d und ein Aperturwinkel des Laserstrahls 2θ beträgt. In diesem Fall wird der durch die Linse 8 hindurchgehende Laserstrahl in der Gesamtheit des Kerns der optischen Faser 90 gestreut und der Durchmesser des Laserstrahls von der Ausgangsseite der optischen Faser 90 gesehen entspricht ungefähr dem Durchmesser des Kerns der optischen Faser. Daher kann ein Laserstrahl mit einer großen Fokussierfähigkeit erhalten werden, wenn der Ausgangswinkel θ_out des Laserstrahls aus der optischen Faser kleiner ist.
Es wird nun eine Ausführung für den Index der Fokussierfähigkeit des Laserstrahls zusammengefaßt. Es gibt viele Definitionen für den Durchmesser eines Laserstrahls. Hier wird der Durchmesser eines Laserstrahls als solcher bezeichnet, bei dem eine Energie von 86,5% des Laserstrahls eingeschlossen ist. Im allgemeinen wird der Laserstrahl mit der höchsten Fokussierbarkeit als Gaußstrahl TEM₀₀ (Grundmode) bezeichnet. Der Radius (oder Halbdurchmesser) des Strahles des Gaußstrahls ist wo, der Öffnungswinkel des Gaußstrahls ist θ und die folgende Gleichung (1) wird vorgegeben:
wobei λ die Wellenlänge des Laserstrahls ist, n die Brechzahl des Laserstrahls ist und θ₀ geeignet kleiner als n ist.
In der Luftatmosphäre wird die folgende Gleichung bei n = 1 vorgegeben: θ0 = λ/πωϕ0,wobei θ₀ = 2ω₀ den Durchmesser der schmalsten Stelle des Strahls bezeichnet.
Zusätzlich ist es allgemein bekannt, den Wert M² zu verwenden, um die Fokussierbarkeit eines Laserstrahls zu bezeichnen. Wie in 19 dargestellt ist, wird der Wert von M² des Laserstrahls mit der Wellenlänge λ, dem Durchmesser ϕ₀ der schmalsten Stelle des Strahls, dem Öffnungswinkel 2θ des Strahls (durchgezogene Linie) als eine Rate des Öffnungswinkels 2θ des Strahls und des Öffnungswinkels 2θ₀ (Totalwinkel) des Gaußstrahls (gestrichelte Linie) mit der gleichen Wellenlänge ausgedrückt, nämlich θ = M²θ₀.
Daher wird, wenn der Gaußstrahl und der Laserstrahl durch die Linse 8 mit der Brennweite f gesammelt wird und dann auf die Eingangsseite der optischen Faser 90 gestrahlt wird, der Strahldurchmesser oder der Durchmesser der schmalsten Stelle des Strahls an dem fokussierten Punkt des Laserstrahls 70 zu M² mal des Gaußstrahls. Wie dadurch offensichtlich ist, hat ein Laserstrahl eine höhere Fokussierbarkeit, wenn der Wert von M² kleiner wird. Wenn andererseits der Öffnungswinkel des Laserstrahls gleich dem des Gaußstrahls ist, wird der Durchmesser der schmalsten Stelle des Laserstrahls M² mal dem des Gaußstrahls. Wenn darüber hinaus der Öffnungswinkel des Laserstrahls M mal dem Durchmesser der schmalsten Stelle des Gaußstrahls ist, wird der Öffnungswinkel des Laserstrahls M mal dem des Gaußstrahls. Wenn die Gleichung (1) unter Verwendung von θ = M²θ₀ gelöst wird, ergibt sich M² = (nϕ₀θ)/(2λ). Somit wird ein Laserstrahl mit einem kleineren Öffnungswinkel ein Strahl mit besserer Fokussierfähigkeit oder ein Strahl mit höherer Helligkeit unter der Bedingung, daß der Laserstrahl den gleichen Durchmesser des Gaußstrahls aufweist, und der Laserstrahl mit einem kleineren Durchmesser an der schmalsten Stelle wird ein Strahl mit besserer Fokussierfähigkeit oder ein Strahl mit höherer Helligkeit unter der Bedingung, daß der Laserstrahl den gleichen Öffnungswinkel wie der Gaußstrahl hat.
20 ist eine Kennlinie, die die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel θ_in in die optische Faser 90 und dem Ausgangswinkel θ_out von der optischen Faser 90 zeigt, die in der japanischen Veröffentlichung der Anmeldung Nr. 2-55157 offenbart ist wie in dem in 18 gezeigten Fall. Diese Beziehung nach 20 wird für eine Stufenindexfaser mit einer einzigen Brechzahl verwendet. Wie klar in 20 gezeigt ist, wird der Ausgangswinkel auch kleiner, wenn der Eingangswinkel kleiner ist, so daß ein Laserstrahl mit einer guten Fokussierfähigkeit erhalten werden kann. Allerdings gibt es in dem Fall nach 20 eine niedrigere Grenze des Ausgangswinkels θ_out um 6 bis 8° herum. Dabei wird üblicherweise der Ausgangswinkel 2θ von nicht mehr als 8° einer Linse mit einer langen Brennweite in dem optischen Übertragungssystem nach dem Stand der Technik verwendet.
Da, wie oben beschrieben, die optische Übertragungsvorrichtung nach dem Stand der Technik einen Aufbau, wie in 20 gezeigt wird, aufweist, gibt es eine Grenze der Fokussierbarkeit eines Laserstrahls durch die Grenze des Ausgangswinkels θ_out selbst wenn ein Laserstrahl mit einer besseren Fokussierbarkeit verwendet wird.
Um die Fokussierbarkeit eines Laserstrahls zu erhöhen, ist es möglich, eine optische Faser mit einem kleineren Kerndurchmesser zu verwenden. Allerdings kann die optische Faser mit einem kleineren Kerndurchmesser nicht einen Laserstrahl hoher Leistung übertragen. Im Fall eines Yttrium-Aluminium-Garnet (YAG)-Lasers wird die Verwendung einer optischen Faser mit einem Kerndurchmesser von mehr als 0,4 mm verlangt, um einen Laserstrahl 500W zu übertragen. Darüber hinaus wird die Verwendung einer optischen Faser mit einem Kerndurchmesser von mehr als 0,6 mm verlangt, um einen Laserstrahl von mehr als 500 W zu übertragen. Wie in 18 gezeigt wird, ist der kleinste Ausgangswinkel 2θ_out des Laserstrahls ungefähr 6°, der M² Wert des Laserstrahls von der optischen Faser mit einem Kerndurchmesser von 0,4 mm ist ungefähr 30° als kleinster Wert und der M² Wert des Laserstrahls mit einem Kerndurchmesser von 0,6 mm ist ungefähr 46°. Daher gibt es eine Grenze der Fokussierbarkeit eines Laserstrahls von der optischen Faser, selbst wenn der Laserstrahl mit einer höheren Fokussierbarkeit durch eine optische Faser übertragen wird.
Obwohl im Stand der Technik es einen Standardentwurf gibt, um einen von einer optischen Faser ausgehenden Laserstrahl mit einer hohen Fokussierbarkeit zu erreichen, indem eine Stufenindexfaser verwendet wird, gibt es keine Standardkonzepte, um einen aus einer optischen Faser ausgehenden Laserstrahl mit einer höheren Fokussierbarkeit unter Verwendung einer Gradientenfaser zu erhalten. Wie auf den Seiten 66 bis 67 des "Laser Handbook" (Laser Society of Japan, 1982, OHMSYA) beschrieben ist, ist die Gradientenfaser in der Theorie äquivalent zu einem Zustand, bei dem eine Vielzahl von Fokussierlinsen ohne Abstand angeordnet sind. Obwohl die Fokussierbarkeit eines einfallenden Laserstrahls beibehalten werden kann, wenn ideale Fokussierlinsen verwendet werden, gibt es keinen Bericht darüber. Entsprechend dem allgemeinen Wissen wird die Fokussierfähigkeit eines Laserstrahls während der Übertragung durch eine optische Faser verringert.
Zusätzlich gibt es auf den Seiten 66 bis 67 des Laser Handbook (Laser Society of Japan, 1982, OHMSYA) eine Beschreibung hinsichtlich eines Laserstrahls eines Standardmodus einer kleinen Ausgangsleistung, der für die optische Kommunikation verwendet wird, in anderen Worten gesagt, gibt es eine Beschreibung einer Analyse für einen Laserstahl des TEM₀₀ Modus. Allerdings gibt es keine Beschreibung für einen Laserstrahl hoher Leistung, der für die Laserstrahlbearbeitung für industrielle Bearbeitungszwecke oder dergleichen verwendet wird, Da es insbesondere üblich ist, eine Multimodeschwingung in einem Festkörperlaser zu verwenden, ist es nicht bekannt, einen Multimodelaserstrahl durch eine optische Faser zu übertragen, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls beibehalten wird.
In "CHEO, P.K.: Fiber Optics Devices and Systems", Prentice-Hall, Inc., 1985, S. 1-10, 97-101, ISBN 0-13-314204-3, wird die optische Kopplung zwischen einer Laserquelle und einer optischen Faser beschrieben. In einer Gleichung ist der Grad der Kopplung zwischen der Laserquelle und der Faser, d. h. wie viel von der von der Quelle emittierten Leistung von der Faser aufgenommen wird, angegeben. Dieser Kopp lungsgrad ist abhängig von dem der numerischen Öffnung der Faser entsprechenden Winkel, dem Durchmesser der Laserquelle, dem der numerischen Öffnung der Laserquelle entsprechenden Winkel und dem Durchmesser der Faser.
"PRAUSE, L:, HERING, P.: Lichtleiter für gepulste Laser: Transmissionsverhalten, Dämpfung und Zerstörschwellen" in DE-Z.: Laser und Optoelektronik, Nr. 1, 1987, S. 25-31, untersuchen das Transmissionsverhalten von verschiedenen gepulsten Lasern mit hoher Energie durch Glasfasern. Hierfür besonders wichtig sind ein glattes Strahlprofil des Lasers sowie eine gute Anpassung des Laserstrahldurchmessers an den Kerndurchmesser der Faser, um eine optimale Einkopplung des Laserstrahls in die Faser zu erzielen.
"UNGER, H.-G.: Optische Nachrichtentechnik", Berlin 1976, Abschnitt 6.1.4., Seiten 103-105, ISBN 3-87087-072-9, beschreibt die Anregung von Glasfasern durch Laserstrahlen. Durch geeignete Einstellung von Parametern wie den Abmessungen und Öffnungswinkeln der Strahlungskeule eines aus der Leuchtfläche eines Lasers austretenden Strahls sowie dem Kerndurchmesser und den Brechungseigenschaften von Kern und Mantel der Glasfaser kann erreicht werden, dass die gesamte Ausgangsstrahlung des Lasers auf die Faser übertragen wird.
Darüber hinaus ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserbearbeitungsvorrichtung vorzusehen, die in der Lage ist, einen Laserbearbeitungsvorgang durchzuführen, während eine gute Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalten bleibt oder während eine Fokussierbarkeit eines von einer optischen Faser ausgehenden Laserstrahls gesteuert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Festkörperlaservorrichtung mit den jeweils in den Ansprüchen 1, 3, 4, 5, 6 und 7 angegebenen Merkmalen sowie durch die Laserbearbeitungsvorrichtung mit den jeweils in den Ansprüchen 8 und 9 angegebenen Merkmalen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen, umfassend: eine optische Übertragungsvorrichtung zum Übertagen eines Laserstrahls mit einer optischen Faser, die als Gradientenfaser ausgebildet ist und einen Durchmesser Φ_c eines Kerns der optischen Faser, eine Brechzahl n₀ an der Mitte des Kerns der optischen Faser und eine Differenz Δn zwischen den Brechzahlen an der Mitte des Kerns der optischen Faser und an einem Umfangsabschnitt des Kerns der optischen Faser aufweist, und einem Fokussiersystem der optischen Faser, das einen kleinsten fokussierten Punkt an der Einfallsseitenebene oder nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser erzeugt, durch die der Laserstrahl in die optische Faser eingeführt wird, wobei ein Durchmesser Φ_in des Laserstrahls an der Einfallsseitenebene der optischen Faser die folgende Beziehung aufweist: 0,5 Φs ≤ Φin ≤ Φs und
Φ_s = (Φ_cΦ₀θ(2n₀Δ_n)^–1/2)^1/2, wobei der Durchmesser des Laserstrahls an der schmalsten Stelle Φ₀ ist und der Öffnungswinkel des Laserstrahls 2θ sind; ein Festkörperelement, das sich in ein Lasermedium umändert, wenn es durch Licht von einer Lichtquelle erregt wird und das Licht aussendet, einen Laserresonator zum Erzeugen eines Laserstrahl durch Verwenden des von dem Lasermedium erzeugten Lichts, ein optisches Bildübertragungssystem mit einem Spiegel und einer Fokussierlinse, die in dem Laserresonator angeordnet sind, und eine Bewegungsvorrichtung zum Bewegen des Spiegels und der Fokussierlinse in Richtung der optischen Achse des Laserresonators, wobei die Größe des Laserstrahldurchmessers an der Einfallsseitenebene der optischen Faser eingestellt wird, indem die Position des Spiegels und/oder der Fokussierlinse bewegt werden kann.
Somit wird ein Laserstrahl mit einer hohen Fokussierbarkeit von dem optischen Bildübertragungssystem in dem Laserresonator emittiert und durch die optische Faser transmittiert, während der Laserstrahl mit einer hohen Qualität beibehalten wird.
Die Festkörperlaservorrichtung umfasst vorteilhaft eine Überwachungsvorrichtung für den ausgehenden Laserstrahl zum Messen einer Größe des aus der optischen Faser austretenden Laserstrahls, wobei der Spiegel und/oder die Fokussierlinse abhängig von dem Ausgangssignal der Überwachungsvorrichtung für den ausgehenden Laserstrahl bewegt werden.
Somit überwacht die Überwachungsvorrichtung für den ausgehenden Laserstrahl den von der optischen Faser austretenden Laserstrahl und die Position des optischen Bildübertragungssystems in dem Laserstrahlresonator kann eingestellt und geändert werden, so dass der austretende Laserstrahl eine sehr hohe Fokussierbarkeit aufweist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen, die umfasst: die oben beschriebene optische Übertragungsvorrichtung, ein Festkörperelement, das sich in ein Lasermedium ändert, wenn es durch Licht von einer Lichtquelle erregt wird und das Licht emittiert, einen Laserresonator zum Erzeugen eines Laserstrahls unter Verwendung des in dem Lasermedium erzeugten Lichts, eine in dem Laserresonator angeordnete Apertur und Einstellmittel zum Einstellen eines Werts des Durchmessers der Öffnung der Apertur, wobei die Laserleistung des Laserstrahls geändert wird, indem der Wert des Durchmessers der Öffnung der Apertur geändert wird, während eine konstante Größe des Lichts von der Lichtquelle zum Erregen des Festköperelementes aufrechterhalten bleibt.
Somit kann die Ausgangsleistung des Laserstrahlresonators durch Änderung des Durchmessers der Öffnung der in dem Laserresonator angeordneten Apertur eingestellt werden, um alle Typen von Laserstrahlen durch die optische Faser übertragen zu können, während die hohen Qualitätseigenschaften erhalten bleiben.
Gemäß noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen, die umfasst: die oben beschriebene optische Übertragungsvorrichtung, ein Festkörperelement, das sich in ein Lasermedium ändert, wenn es durch Licht von einer Lichtquelle erregt wird, und das Licht emittiert, einen Laserresonator zum Erzeugen eines Laserstrahls, indem das von dem Lasermedium erzeugte Licht verwendet wird, eine in dem Laserresonator angeordnete Apertur und eine Bewegungsvorrichtung zum Bewegen der Apertur in der optischen Achse des Laserresonators, wobei die Laserleistung des Laserstrahls eingestellt wird, indem die Position der Apertur von der Bewegungsvorrichtung bewegt wird, während eine konstante Größe des Lichts von der Lichtquelle zum Erregen des Festkörperelements aufrechterhalten bleibt.
Somit kann das Ausgangssignal von dem Laserstrahlresonator durch Bewegen der Position der in dem Laser resonator angeordneten Apertur gesteuert werden, um alle Arten von Laserstrahlen über die optische Faser übertragen zu können, während die hohen Qualitätseigenschaften erhalten bleiben.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen, die umfasst: ein Festkörperelement, das sich in ein Lasermedium ändert, wenn es durch Licht von einer Lichtquelle erregt wird, und das Licht emittiert, einen Laserresonator zum Erzeugen eines Laserstrahls unter Verwendung des von dem Lasermedium erzeugten Lichts, und eine optische Übertragungsvorrichtung mit einer optischen Faser, durch die der Laserstrahl übertragen wird, wobei die optische Faser eine Gradientenfaser mit einem Durchmesser Φ_c des Kerns der optischen Faser, einer Brechzahl n₀ an der Mitte des Kerns der optischen Faser und an dem Umfangsabschnitt des Kerns der optischen Faser, wobei der Laserresonator einen total reflektierenden Spiegel und einen Ausgangsspiegel umfasst, deren Krümmung den gleichen Wert aufweisen, und wobei das Festkörperelement im Mittenbereich zwischen dem total reflektierenden Spiegel und dem Ausgangsspiegel angeordnet ist und der total reflektierende Spiegel dem Ausgangsspiegel zur Bildung eines symmetrischen Resonators gegenübersteht und wobei die Festkörperlaservorrichtung weiterhin umfasst: ein Fokussiersystem für die optische Faser mit einem kleinsten fokussierten Punkt an der Einfallsseitenebene der optischen Faser, durch die der Laserstrahl in die optische Faser eingeführt wird, oder nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser, wobei ein Durchmesser Φ_in des Laserstrahls an der Einfallsseitenebene der optischen Faser die folgende Beziehung aufweist: 0,5 Φs ≤ Φin ≤ 1,5 Φs und Φs = (ΦcΦ0θ(2n0Δn)–1/2)1/2 ± 50%,wobei der Durchmesser des Laserstrahls an der schmalsten Stelle an einem Ausgangspegel Φ₀ ist und ein Öffnungswinkel des Laserstrahls 2θ ist. Somit wird bei größeren Ausgangsleistungspegeln des Laserstrahls mit Φ₀θ der Laserstrahl so fokussiert, dass der Laserstrahl auf den schmalsten fokussierten Punkt gestrahlt wird, dessen Durchmesser den Wert: (Φ_cΦ₀θ(2n₀Δn)^–1/2)^1/2 ± 50% an der Einfallsseitenebene der optischen Faser aufweist. Dabei kann der Laserstrahl, in dem die Änderung der Fokussierbarkeit gering ist, aus der optischen Faser erhalten werden, selbst wenn sich die Ausgangsstrahlungsleistung des Laserstrahls ändert.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen, die umfasst: ein Festkörperelement, das sich in ein Lasermedium ändert, wenn es durch Licht von einer Lichtquelle erregt wird, und das Licht emittiert, einen Laserresonator zum Erzeugen eines Laserstrahls unter Verwendung des von dem Lasermedium erzeugten Lichts und eine optische Übertragungsvorrichtung mit einer optischen Faser, durch die der Laserstrahl übertragen wird, wobei die optische Faser eine Gradientenfaser mit einem Durchmesser Φ₀ des Kerns der optischen Faser einer Brechzahl n₀ an der Mitte des Kerns der optischen Faser und einer Differenz Δn zwischen den Brechzahlen an der Mitte des Kerns der optischen Faser und an einem Umfangsabschnitt des Kerns der optischen Faser umfasst, wobei der von dem Festkörperresonator erzeugte Laserstrahl eine anisotrope Eigenschaft aufweist, bei der die Fokussiereigenschaften des Laserstrahls in einer ersten Richtung (X-Richtung) und einer zweiten Richtung (Y-Richtung) un terschiedlich sind, und wobei die Festkörperlaservorrichtung weiterhin umfasst: ein Fokussiersystem für die optische Faser, das die kleinsten fokussierten Punkte in der X-Richtung und der Y-Richtung an der Einfallsseitenebene oder nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser aufweist, durch die der Laserstrahl in die optische Faser eingeführt wird, und das Durchmesser Φ_inx, Φ_iny des Laserstrahls in X-Richtung und Y-Richtung an der Einfallsseitenebene der optischen Faser aufweist, die die folgende Beziehung haben: 0,5 Φsx ≤ Φinx ≤ 1,5 Φsx, 0,5 Φsy ≤ Φiny ≤ 1,5 Φsy, Φsx = (ΦcΦ0xθx(2n0Δn)–1/2)1/2 ± 50%und Φsy = (ΦcΦ0yθy(2n0Δn)–1/2)1/2 ± 50%,wobei die Durchmesser des Laserstrahls an der schmalsten Stelle in X-Richtung und Y-Richtung bei einem Ausgangspegel Φ_0x und Φ_0y und die Öffnungswinkel des Laserstrahls in die X-Richtung und die Y-Richtung 2θ_x bzw. 2θ_y sind.
Somit kann die Festkörperlaservorrichtung einen Laserstrahl mit einer besseren Fokussierbarkeit erzeugen und den Laserstrahl durch die optische Faser übertragen, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalten bleibt, selbst wenn die Festkörperlaservorrichtung einen Resonator aufweist, dessen Fokussiereigenschaften in der X-Richtung und der Y-Richtung unterschiedlich sind.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen, die umfasst: ein Festkörperelement, das sich in ein Lasermedium ändert, wenn es durch Licht von einer Lichtquelle erregt wird und das Licht emittiert, einen Laserresonator zum Erzeugen eines Laserstrahls unter Verwendung des von dem Lasermedium erzeugten Lichts und eine optische Übertragungsvorrichtung mit einer optischen Faser, durch die der Laserstrahl übertragen wird, wobei die optische Faser eine Gradientenfaser mit einem Durchmesser Φ_c des Kerns der optischen Faser, einer Brechzahl n₀ an der Mitte des Kerns der optischen Faser und einer Differenz Δn zwischen den Brechzahlen an der Mitte des Kerns der optischen Faser und an einem Umfangsabschnitt des Kerns der optischen Faser umfasst, wobei der von dem Festkörperresonator erzeugte Laserstrahl eine anisotrope Eigenschaft aufweist, bei der die Fokussiereigenschaften des Laserstrahls in eine erste Richtung (X-Richtung) und eine zweite Richtung (Y-Richtung) unterschiedlich sind, und wobei die Festkörperlaservorrichtung weiterhin umfasst: ein Fokussiersystem für die optische Faser, das einen schmalsten fokussierten Punkt an der Einfallsseitenebene oder nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser aufweist, durch die der Laserstrahl in die optische Faser eingeführt wird, wobei der Durchmesser Φ_m den größten Wert in Φ_0xθ_x der X-Richtung und Φ_0yθ_y der Y-Richtung an der Einfallsseitenebene der optischen Faser aufweist und die folgende Beziehung hat: 0,5 Φs ≤ Φin ≤ 1,5 Φs, Φs = (ΦcΦ0θ(2n0Δn)–1/2)1/2 ± 50%und Φ0θ = max (Φ0xθx, Φ0yθy),wobei die Durchmesser des Laserstrahls an der schmalsten Stelle in X-Richtung und Y-Richtung an einem Ausgangspegel Φ_0x und Φ_0y und die Öffnungswinkel des Laserstrahls in X-Richtung und Y-Richtung 2θ_x bzw. 2θ_y sind.
Somit kann die Festkörperlaservorrichtung mit dem Linsensystem eines sehr einfachen Aufbaus den Laserstrahl erzeugen und durch die optische Faser übertragen, während die gute Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalten bleibt.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines Zielarbeitsgutes vorgesehen, die umfasst: die oben beschriebene optische Übertragungsvorrichtung und ein optisches Fokussiersystem zum Fokussieren des von der optischen Übertragungsvorrichtung übertragenen Laserstrahls und zum Richten des fokussierten Laserstrahls auf das Zielarbeitsgut.
Somit kann ein Zielarbeitsgut mit hoher Genauigkeit bearbeitet werden, indem der durch die optische Faser transmittierte Laserstrahl fokussiert wird, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls auf das Arbeitsgut durch das optische Fokussiersystem aufrechterhalten bleibt.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines Zielarbeitsgutes vorgesehen, die umfasst: die oben beschriebene optische Übertragungsvorrichtung, bei der ein aus der optischen Übertragungsvorrichtung austretender Laserstrahl direkt auf das Zielarbeitsgut zu dessen Bearbeitung gestrahlt wird.
Somit kann ein relativ weiter Bereich des Zielarbeitsgutes bearbeitet werden, beispielsweise um ein Laserhärten durchzuführen, indem der von der Festkörperlaservorrichtung erzeugte und über die optische Faser übertragene Laserstrahl direkt auf das Arbeitsgut gestrahlt wird, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalten bleibt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Aufbaus einer Festkörper-Laservorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Ausbreitungszustände eines Laserstrahls in einer Gradientenfaser zeigt.
3 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Durchmesser der Einfallsseite und der Fokussierbarkeit eines ausgehenden Laserstrahls in einer Gradientenfaser zeigt.
4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Aufbaus einer Festkörper-Laservorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Aufbaus einer Festkörper-Laservorrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
6 zeigt eine Querschnittsansicht eines Aufbaus einer Festkörper-Laservorrichtung nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
7 zeigt eine Querschnittsansicht eines Aufbaus einer Festkörper-Laservorrichtung nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
8 zeigt eine Querschnittsansicht eines Aufbaus einer Festkörper-Laservorrichtung nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
9 zeigt eine Querschnittsansicht eines Aufbaus einer Festkörper-Laservorrichtung nach einem siebenten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
10 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Beziehung zwischen dem M²-Wert eines austretenden Laserstrahls und eines eintretenden Laserstrahls in der Festkörper-Laservorrichtung nach dem siebenten Ausführungsbeispiel entsprechend 9 der vorliegenden Erfindung zeigt.
11A und 11B sind Darstellungen des Aufbaus einer Festkörper-Laservorrichtung nach einem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
12A und 12B sind Darstellungen des Aufbaus einer Festkörper-Laservorrichtung nach einem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
13A und 13B sind Darstellungen des Aufbaus einer Festkörper-Laservorrichtung nach einem zehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
14 ist eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem elften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
15 ist eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem zwölften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
16 ist eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem dreizehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
17 ist eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem vierzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
18 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertragungsvorrichtung nach dem Stand der Technik.
19 ist ein erläuterndes Programm zum Erklären eines Fokussierbarkeitsindex des Laserstrahls.
20 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel und dem Ausgangswinkel einer Stufenindexfaser zeigt.
Ausführungsbeispiel 1
1 zeigt einen Aufbau einer Festkörperlaservorrichtung 1700 nach dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der Festkörperlaservorrichtung 1700 nach 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen total reflektierenden Spiegel, 2 einen teilreflektierenden Spiegel, der mit einer teilreflektierenden Beschichtung bedeckt ist und den Ausgangsspiegel bildet, 3 bezeichnet ein Festkörperlaserelement mit einem aktiven Festkörperlasermedium, beispielsweise ist das aktive Festkörpermedium Nd im YAG-Laser (Yttrium-Aluminium-Garnet-Laser). Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Lichtquelle, wie eine Bogenlampe. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine elektrische Spannungsversorgung, die die Spannung für die Lichtquelle 4 liefert. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Fokussiervorrichtung, deren Querschnitt bzw. Querschnittsphase elliptisch ist und deren innere Fläche eine lichtreflektierende Ebene umfaßt. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet ein Laserlicht, das in einem Laserresonator mit Spiegeln 1 und dem Ausgangsspiegel 2 erzeugt wird. Somit umfaßt der Laserresonator die zwei Spiegel 1 und den Ausgangsspiegel 2.
Da in der optischen Übertragungsvorrichtung nach 1 die Bezugszeichen 8, 70, 101 und 102 die gleichen Bauteile in ihrem Aufbau und ihrer Funktion sind wie diejenigen, die in der optischen Übertragungsvorrichtung nach dem Stand der Technik nach 18 sind, werden die gleichen Bezugszeichen 8, 70, 101 und 102 für diese Bauteile verwendet, und es wird ihre Beschreibung weggelassen.
Das Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Gradientenfaser mit einem Kern, dessen Brechzahlverlauf ungefähr einen quadratischen Verlauf aufweist. Der fokussierende Linsenhalter 101 umfaßt eine kreuzbewegbare Stufe, die eine bewegbare Stufe, die in der Richtung der optischen Achse einer optischen Faser bewegbar ist und eine optische Stufe aufweist, die in die Richtung des Radius der optischen Faser durch Handbetrieb oder manuellen Betrieb bewegbar ist.
Wie in dem Stand der Technik dieser Anmeldung beschrieben ist, wird bei dem Übertragungssystem nach 18 der Einfallswinkel θ_in von nicht mehr als 8° des Laserstrahls unter der Bedingung verwendet, bei der eine Linse mit einer langen Brennweite als Fokussierlinse verwendet wird. Andererseits wird bei der optischen Übertragungsvorrichtung 100 dieses Ausführungsbeispiel 1 die Brennweite und die Position der Fokussierlinse 8 festgelegt, damit die folgenden Bedingungen erfüllt werden.
Es gibt den kleinsten Brennpunkt auf der Einfallsseite oder einem Punkt nahe der Einfallsseite der optischen Faser 9 und der Durchmesser ϕ_in der optischen Faser 9 ist: 0,5 ϕs ≤ ϕin ≤ 1,5 ϕs,wobei ϕ_s = (ϕ_cϕ₀θ(2n₀Δn)^–1/2)^1/2, ϕ_cϕ₀θ und Δn ein Kerndurchmesser der optischen Faser 9, eine Brechzahl an der Mitte des Kerns der optischen Faser 9, die Differenz der Brechzahlen des Kerns und des Überzugs der optischen Faser 9 sind, und ϕ₀, θ jeweils der Durchmesser des Laserstrahls 70, der von einem Laserresonator 10 erzeugt wird, und der Öffnungswinkel (ein halber Winkel) des Laserstrahls 70 sind. Zusätzlich ist in der optischen Übertragungsvorrichtung 100 des Ausführungsbeispiels 1 eine Strahlschweifung (schmalste Stelle) des Laserstrahls 70 nahe der Ausgangsseite des Laserresonators vorgesehen, an der der Laserstrahl 70 emittiert wird.
Als nächstes wird die Funktionsweise der optischen Übertragungsvorrichtung des Ausführungsbeispiels 1, wie es oben beschrieben wurde, erläutert.
Der von dem Laserresonator emittierte Laserstrahl 70 wird durch die Fokussierlinse 8, deren Position durch den Fokussierlinsenhalter 101 eingestellt wird, um den Laserstrahl 70 in die Mitte der Eingangsseitenebene der optischen Faser 9 zu strahlen, indem die Position des Fokussierlinsenhalters 101 eingestellt wird.
2 ist ein Diagramm, das die Ausbreitungszustände des Laserstrahls in der optischen Faser 9 zeigt. Wie besonders in 2 gezeigt wird, wird der Laserstrahl 70 zuerst in einen kleineren Durchmesser als ein Einfallsdurchmesser an der Einfallsseitenebene fokussiert und dann durch die optische Faser 9 hindurchgegeben, während eine divergierende Ausbreitung und eine fokussierte Ausbreitung in der optischen Faser 9 wiederholt wird, wenn der Laserstrahl 70 durch die Fokussierlinse 8 fokussiert wird, so daß der Laserstrahl 70 auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser gestrahlt wird, bei der der Laserstrahl 70 den kleinsten fokussierten Punkt aufweist und, wie im Fall (c) in 2 gezeigt wird, wenn der Durchmesser ϕ_in des Laserstrahls 70 größer als der vorbestimmte Wert ϕ_s, nämlich ϕ_in >> ϕ_in ist.
Andererseits wird, wie in dem Fall (c) in 2 gezeigt wird, der Laserstrahl 70 zuerst in der optischen Faser 9 abgelenkt und dann durch die optische Faser 9 übertragen, während die divergierende Ausbreitung und die fokussierte Ausbreitung in der optischen Faser 9 wiederholt wird, wenn der Durchmesser ϕ_n des Laserstrahls 70 kleiner als der vorbestimmte Wert ϕ_s, nämlich ϕ_in << ϕ_s ist.
Im Gegensatz zu der Ausbreitung in den Fällen (a) und (c) in 2 geht der Laserstrahl 70 durch die optische Fasr 9 ohne jede Änderung des Laserstrahldurchmessers, wenn der Durchmesser ϕ_in des Laserstrahls 70 ungefähr gleich dem vorbestimmten Wert ϕ_s, insbesondere ϕ_in = ϕ_in = ϕ_s ist, wie in dem Fall (b) in 2 gezeigt wird.
Wenn berücksichtigt wird, daß die Gradientenfaser in der Theorie äquivalent zu einem Zustand ist, bei dem eine Vielzahl von idealen Fokussierlinsen ohne Abstand zueinander angeordnet ist, kann die Fokussierbarkeit des einfallenden Laserstrahls beibehalten werden. Allerdings wird vorausgesagt, daß die Fokussierbarkeit des Laserstrahls 70 in der optischen Faser 9 in den Fällen (a) und (c) verringert wird, wie in 2 gezeigt wird, da eine Aberrationskomponente der optischen Faser 9 als eine Linse und eine Streukomponente des Laserstrahls 70 vorhanden sind.
Zusätzlich wird verlangt, das Brechen der optischen Faser 9 zu berücksichtigen, wenn die Hochleistungsübertragung durch die optische Faser 9 durchgeführt wird. In diesem Fall gibt es ein Problem hinsichtlich des Widerstandes gegen die Übertragung eines Laserstrahls hoher Leistung, bei der es einen fokussierten Punkte in der optischen Faser 9 gibt.
Bei der obigen Betrachtung kann geschlossen werden, daß der Laserstrahlübertragungszustand, der im Fall (b) in 2 gezeigt wird, der vorteilhafteste Über tragungszustand der Fälle (a), (b) und (c) aus 2 ist.
Wie insbesondere auf den Seiten 66 und 67 des Laser Handbook (Laser Society of Japan, 1982, OHMSYA) beschrieben wird, ist es allgemein bekannt, daß der Wert ϕ_s für einen Laserstrahl eines Grundmodus (oder TEM₀₀ Modus) mit einem Laserstrahl niedriger Leistung, der üblicherweise für die optische Kommunikation verwendet wird, durch ein analytisches Verfahren erhalten werden kann.
Obwohl im allgemeinen ein Laserstrahl hoher Leistung, insbesondere ein durch eine Festkörperlaservorrichtung erzeugter, für die industrielle Bearbeitung verwendeter Laserstrahl ein Multimodelaserstrahl ist, gibt es jedoch keine Berichte der Techniken für eine optische Kommunikation unter Verwendung eines Multimodelaserstrahls, wobei der Zustand der hohen Fokussierbarkeit des Multimodelaserstrahls beibehalten wird.
Es wurde die optische Kommunikation mit der hohen Fokussierbarkeit des Laserstrahls hoher Leistung studiert und das Verfahren entwickelt, um den Wert ϕ_s des Laserstrahls unter Verwendung des oben beschriebenen Wertes M² zu erhalten und um die analytische Gleichung zu finden mit dem Ziel, den Wert ϕ_s durch Verwendung des Durchmessers der schmalsten Stelle des Laserstrahls und den Öffnungswinkel des Laserstrahls zu erhalten.
Zuerst wird die folgende Näherung durchgeführt, um einen Laserstrahl zu berechnen, dessen Fokussierbarkeit durch den Wert M² ausgedrückt wird wie die Be rechnung für den Lasermodus TEM₀₀. In diesem Fall wird der Laserstrahl mit dem Durchmesser verwendet, bei dem die Energie von 86,5% des Laserstrahls konzentriert ist.
Wenn der Laserstrahl-Öffnungswinkel θ durch die Funktion θ(λ₁, m²) der Wellenlänge λ des Laserstrahls und des Wertes M² ausgedrückt wird, wird die folgende Gleichung erhalten: θ(λ1, M2) = M2·θ(λ1, 1)
Wenn andererseits zwei Gaußstrahlen, deren Wellenlänge unterschiedlich zueinander sind, in dem gleichen Durchmesser konzentriert werden, wird die folgende Gleichung erhalten, da der Öffnungswinkel des Laserstrahls proportional der Wellenlänge dieses Laserstrahls ist: θ(λ2, 1) = (λ2/λ1)·θ(λ1, 1)
Es wird θ (λ₁, M²) = (λ₂, λ₁) erhalten, wenn λ₂ = M²·λ₁ ist.
Dabei kann die Operation des Laserstrahls, dessen Fokussierbarkeit durch den Wert M² definiert ist, ungefähr mit dem Gaußstrahl ausgedrückt werden, dessen Wellenlänge durch den Wert M²·λ₁ ersetzt ist.
Unter Verwendung der oben beschriebenen Näherung wird der Wert ϕ_s für den Laserstrahl erhalten, dessen Fokussierbarkeit durch den M² Wert ausgedrückt wird.
Wenn in der folgenden Operation der Wert M² gleich 1 ist (M² = 1), ist ϕ_s des Laserstrahls gleich dem des Gaußstrahls. Die Gradientenfaser weist eine Verteilung der quadratischen Brechzahl auf. Wie beispielsweise in der Literatur "Optical Electronics", Seite 42, A. Yariv, Saunder College Publishing, Harcourt Brace Jovanovich College Publishers, vierte Edition, beschrieben ist, wird die Brechzahl der optischen Faser durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt:
wobei n(r) eine Brechzahl bei einer Position r von der Mitte des Kerns der optischen Faser bezeichnet, n₀ ist die Brechzahl in der Mitte des Kerns der optischen Faser, k = 2πn/λ₀ ist die Wellenlänge des Laserstrahls, k₂ ist ein konstanter Wert entsprechend der Verteilung der Brechzahlen in der optischen Faser.
Die folgende Matrix für das optische Licht in der Gradientenfaser wird erhalten:
Es ist allgemein bekannt, daß die Ausbreitung des Gauß-Laserstrahls unter Verwendung des Index q und der Matrix des optischen Lichts entsprechend Gleichung (3) ausgedrückt werden kann. Wenn eine Krümmung des Gauß-Laserstrahls R ist, ist der Radius des Gauß-Laserstrahls ω, die Wellenlänge des Gauß-Laserstrahls λ und die Brechzahl der optischen Faser n ist, kann die folgende Beziehung (4) ausgedrückt werden:
Wenn berücksichtigt wird, daß die Gleichung (4) für eine Multimodelaserstrahl durch die Verwendung der oben beschriebenen Näherung erweitert wird, wird die folgende Gleichung (5) erhalten:
Um in diesem Fall die Bedingung zu erhalten, daß der Durchmesser eines Laserstrahls in der Gradientenfaser nicht geändert wird, wird verlangt, daß eine ebene Welle des Laserstrahls in die Einfallsseitenebene der Gradientenfaser mit einer vorgegebenen Länge gestrahlt wird, und die Bedingung, daß die ebene Welle des Laserstrahls mit dem Laserstrahldurchmesser der Einfallsseitenebene an der Ausgangsseitenebene der optischen Faser erzielt werden kann, erhalten wird.
Da bei der ebenen Welle R = ∞, nämlich 1/R = 0 ist, kann nur der zweite Teil der rechten Komponente der Gleichung (5) berücksichtigt werden. Wenn ein einfallender Laserstrahl und ein ausfallender Laserstrahl in einem optischen System mit q₁ und q₂ bezeichnet werden, wird die folgende Gleichung (6) erhalten:
Wenn somit die Gleichung (6) für den Wert ω_s unter der Bedingung q₁ = q₂ = –i (πnω_s ²/M²λ) gelöst wird, kann das folgende Ergebnis (7) erhalten werden:
Wenn der Kerndurchmesser der Gradientenfaser ϕ_s ist und die Differenz der Brechzahlen der Mitte des Kerns und des Seitenabschnitts des Kerns in der Gradientenfaser Δn ist, wird die folgende Gleichung (8) erhalten:
Die obige Gleichung (8) wird in die Gleichung (7) für ω_s eingesetzt und wenn n = n₀ ist, wird die folgende Gleichung (9) erhalten:
Somit wird ϕ_s = 2ω_s für die Multimodelaserstrahl durch die folgende Gleichung (10) gegeben:
Durch die oben beschriebene Diskussion kann ein Standardeinfallsdurchmesser ϕ_s des Laserstrahls für eine hoch fokussierte Faserübertragung erhalten werden.
Als nächstes wird die Gleichung ϕ_s als der Index zur Fokussierung eines normalen oder eines üblichen Laserstrahls auf der Grundlage des Durchmessers des Strahls an der schmalsten Stelle ϕ₀ und des Öffnungswinkels θ des Laserstrahls erklärt. Wie oben beschrieben wurde, gibt es eine Beziehung M² = πϕ₀θ/2λ zwischen dem Laserstrahl-Öffnungswinkel θ und dem Wert M². Wenn diese Beziehung in die Gleichung ϕ_s eingefügt wird, wird die folgende Gleichung (11) gegeben durch:
Dabei kann der Wert ϕ_s als der Standard-Einfallsdurchmesser der optischen Faser für den Laserstrahl erhalten werden, dessen Fokussierbarkeit mit dem Durchmesser des Laserstrahls an der schmalsten Stelle und dem Laserstrahl-Öffnungswinkel bei der hochfokus sierten optischen Faserübertragung ausgedrückt werden.
Im folgenden wird ein Beispiel erläutert, wie der Wert ϕ_s erhalten wird.
Wenn beispielsweise der Nd:YAG-Laserstrahl mit einer Wellenlänge λ = 1,064 μm durch eine Gradientenfaser mit n₀ = 1,473, Δn = 0,021 und dem Kerndurchmesser von 400 μm hindurchgeht, wird der Wert ϕ_s 148 μm. In diesem Fall wird der Einfallswinkel 2θ_in des Laserstrahls in die optische Faser ungefähr 10,5°.
3 ist ein Diagramm, das die experimentellen Ergebnisse für den gemessenen M² Wert (M² _out) des austretenden Laserstrahls entsprechend der Änderung der Brennweite der Fokussierlinse 8 zeigt, wobei der Laserstrahl 70 an der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 fokussiert wird derart, daß an der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 der Laserstrahl den kleinsten fokussierten Punkt des Laserstrahls aufweist.
In dem experimentellen Ergebnis nach 3 ist der Durchmesser ϕ_s des Einfallslaserstrahls proportional zu dem reziproken Wert des Einfallswinkels 2θ_in.
Wie offensichtlich in 3 gezeigt wird, kann die höchste Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalten werden, da der Wert M² _out des austretenden Laserstrahls ungefähr gleich dem Wert M² _out des einfallenden Laserstrahls wird, wenn der Durchmesser des einfallenden Laserstrahls ungefähr gleich dem Wert ϕ_s gesetzt wird.
Andererseits wird die Fokussierbarkeit des austretenden Laserstrahls verringert, wenn der Einfallswinkel 2θ_in nicht größer als 8° ist, indem der Laserstrahl und die optische Faser 90 bei der optischen Übertragungsvorrichtung nach dem Stand der Technik entsprechend 18 verwendet wird. Dieser Zustand ist offensichtlich unterschiedlich zu dem Merkmal des einfallenden/austretenden Laserstrahls unter Verwendung der idealen Stufenindexfaser, wie in 18 beschrieben wurde.
Zusätzlich zeigt 3 klar, daß sie durchgeführt werden kann, um einen Laserstrahl ohne Verschlechterung der Fokussierbarkeit des einfallenden Laserstrahls zu senden, wenn der Durchmesser ϕ_in des einfallenden Laserstrahls im Bereich von ϕ_s ± 50% liegt (0,5 ≤ ϕ_in ≤ 1,5 ϕ_s) liegt.
Zusätzlich ist es nun klargelegt worden, daß die Fokussierbarkeit des austretenden Laserstrahls verschlechtert wird, wenn der Fokussierpunkt des Laserstrahls von der Mitte des Kerns der optischen Faser verschoben wird, der Öffnungswinkel θ_out (ein Halbwinkel) des austretenden Laserstrahls wird klein, wenn die Fokussierbarkeit des von der Gradientenfaser austretenden Laserstrahls hoch ist und der Öffnungswinkel θ_out (Halbwinkel) proportional zum Wert
ist.
Bei der optischen Übertragungsvorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel 1, das in 1 dargestellt ist, liegt der schmalste Fokussierpunkt nahe der Seiteneinfallsebene der optischen Faser, wobei die Position der Fokussierlinse 8 so gesetzt ist, daß der Durchmesser des schmalsten fokussierten Punkts im Bereich von ϕ_s ± 50% liegt. Wie klar in der obigen Abhandlung gezeigt wird, kann der Laserstrahl durch die optische Faser 9 übertragen werden, während die hohe Fokussierbarkeit des Laserstrahls aufrechterhalten wird. Somit kann der Laserstrahl mit einer höheren Fokussierbarkeit, der in einem Laseroszillator erzeugt wird, von der optischen Faser 9 erhalten werden, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls aufrechterhalten wird.
Die optische Übertragungsvorrichtung des Ausführungsbeispiels 1, das den Aufbau nach 1 aufweist, kann für die Übertragung eines Multimodelaserstrahls von M² < 50, insbesondere M² < 40 zusätzlich zu der Übertragung des Gaußschen Laserstrahls angewandt werden, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls beibehalten wird. In anderen Worten gesagt, kann die optische Übertragungsvorrichtung für die Übertragung eines Laserstrahls mit πϕ₀θ/λ kleiner als 100, insbesondere nicht größter als 80 auf der Grundlage der Beziehung von M² = πϕ₀θ/2λ angewandt werden.
Zusätzlich ist in der optischen Übertragungsvorrichtung des Ausführungsbeispiels 1 eine schmalste Stelle des Laserstrahls 70 nahe der Ausgangsseite des Laserresonators vorgesehen. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt wird, kann der Wert ϕ_s und die Brennweite f_s für ϕ_s leicht erhalten werden, wenn der Durchmesser der schmalsten Stelle ϕ₁ des Laserstrahls und der Öffnungswinkel θ₁ des Laserstrahls gemessen werden. Insbesondere wird durch Verwendung der Eigenschaften, daß das Produkt des Durchmessers des Laserstrahls und des Öffnungswinkels des Laserstrahls einen konstanten Wert während der Übertragung durch das optische Linsensystem einnimmt, zuerst der Wert ϕ_s durch die Verwendung der Beziehung ϕ₁θ₁ = ϕ₀θ erhalten, und unter Verwendung von ϕ = 2f_θ wird f_s = f₁Φ_s/Φ₁ erhalten.
Wenn zusätzlich die schmalste Stelle des Laserstrahls in dem Laserresonator liegt, wird ein Berechnungsfehler des Brennpunktes f_s klein unter Verwendung des Durchmessers des Laserstrahls an der Ausgangsseite des Laserresonators 10, solange der Öffnungswinkel des Laserstrahls nicht extrem größer ist. Daher kann es annehmbar sein, den Brennpunkt unter Verwendung des Durchmessers und des Öffnungswinkels des Laserstrahls, wie in einem Katalog beschrieben, zu berechnen.
Zusätzlich wird bei der optischen Übertragungsvorrichtung des Ausführungsbeispiels 1 die Kombination des bewegbaren Tisches zu der Z-Achse und des quer bewegbaren Tisches verwendet, jedoch kann es annehmbar sein, einen Halter zu verwenden, der eine andere Ausbildung aufweist, die in der Lage ist, die Position der optischen Linse einzustellen.
Darüber hinaus ist bei optischen Übertragungsvorrichtung des Ausführungsbeispiels 1 der Fokussierlinsenhalter 101 in der Lage, die Stellung der Fokussierlinse einzustellen, jedoch kann es annehmbar sein, daß der Halter 102 an der Einfallsseite der optischen Faser die gleiche Einstellfunktion aufweist.
Darüber hinaus kann bei der optischen Übertragungsvorrichtung des Ausführungsbeispiels 1 die Fokussierlinse 8 den Laserstrahl 70 fokussieren, um den Laser strahl 70 auf den oder nahe den schmalsten fokussierten Punkt auf der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 zu bestrahlen, und der Durchmesser des Laserstrahls 70 weist einen vorbestimmten Wert an dem schmalsten fokussierten Punkt auf, jedoch kann ein Spiegel anstelle der Fokussierlinse 8 verwendet werden.
Im folgenden wird der Betrieb der Festkörper-Laservorrichtung 1700 des Ausführungsbeispiels 1 mit dem oben beschriebenen Aufbau erläutert.
Die Lichtquelle 4 und das Festkörperelement 3 sind in der Fokussiervorrichtung 6 angeordnet, deren Innenfläche mit einem reflektierenden Material, wie einer weißen Keramik, beschichtet ist. Wenn die elektrische Spannungsquelle 5 eingeschaltet wird, wird das Licht von der Lichtquelle 4 direkt auf das Festkörperelement 3 gestrahlt oder wird von der Fokussiervorrichtung 6 reflektiert, und dann wird das reflektierte Licht auf das Festkörperelement 3 gestrahlt. Ein Teil des auf das Festkörperelement 3 gestrahlte Licht wird in dem Festkörperelement 3 selbst absorbiert. Das in dem Festkörperelement 3 absorbierte Licht erregt das Festkörperelement 3, so daß es in ein Lasermedium verwandelt wird.
Die spontane, in dem Lasermedium erzeugte Lichtemission wird zwischen dem Spiegel 1 und dem Ausgangsspiegel 2 verstärkt, während sie zwischen dem Spiegel 1 und dem Spiegel 2 übertragen wird und dann ändert sich das spontane verstärkte Laserlicht in das Laserlicht 7. Das Laserlicht 7 wird als Laserstrahl 70 mit dem Durchmesser ϕ₀ an der schmalsten Stelle und dem Öffnungswinkel 2θ auf die Außenseite der Spiegel 1 und 2 in dem Laserresonator emittiert, wenn das Laserlicht eine größere als eine vorbestimmte Leistung aufweist. Der Laserstrahl 70 im Laserresonator wird auf die Fokussierlinse 8 gestrahlt. Der durch die Fokussierlinse 8 hindurchgehende Laserstrahl wird in einen Laserstrahl durch die Fokussierlinse 8 fokussiert, dessen Durchmesser ϕ_in mit einem Bereich von ϕ_s ± 50% ist, und dann auf die Eingangsseitenebene der optischen Faser 9 gestrahlt. Dann geht der Laserstrahl durch die optische Faser, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalten bleibt und wird dann von der optischen Faser 9 nach außen übertragen.
In der Erläuterung des Ausführungsbeispiels 1 weist der Ausgangsspiegel 2 einen Aufbau auf, bei dem der Ausgangsspiegel 2 eine flache Oberfläche aufweist oder ein Spiegel ist, dessen absoluter Wert der Krümmung beider Oberflächen zueinander gleich ist, das heißt, es ist keine Leistung wie die Linse vorhanden. Allerdings muß verlangt werden, die Werte ϕ₀ zu berechnen, die für die Berechnung des Durchmessers des Standardlaserstrahls an der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 unter Verwendung des Abstandes von der Brennweite f und von dem Ausgangsspiegel 2 verwendet werden, wenn die transparenten Eigenschaften des Ausgangsspiegels 2 die gleichen Eigenschaften einer Linse aufweisen, deren Brennweite den Wert f aufweist und die schmalste Stelle des Laserstrahls in dem Laserresonator ist. Da diese Berechnungen durch eine einfache optische geometrische Berechnung erhalten wird, wird eine ausführliche Beschreibung der Berechnungen hier weggelassen.
Unter Verwendung der Festkörper-Laservorrichtung 1700 des ersten Ausführungsbeispiels kann der Laserstrahl 70 durch die optische Faser 9 übertragen werden, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls 70 erhalten bleibt, wobei er der Ausgangsseite der optischen Faser 9 zur Verfügung gestellt wird.
Ausführungsbeispiel 2
4 ist ein Aufbau einer Festkörper-Laservorrichtung 1800 eines zweiten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung.
Bei der Festkörperlaservorrichtung 1800 nach 4 werden die Bauteile, die denen der Festkörperlaservorrichtung 1700 des ersten Ausführungsbeispiels nach 1 im Aufbau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und ihre Erläuterung wird hier weggelassen.
Bei der Festkörperlaservorrichtung 1800 des zweiten Ausführungsbeispiels nach 4 bezeichnet ein Bezugszeichen 21 eine Fokussierlinse, 22 bezeichnet einen teilreflektierenden Spiegel und die Bezugszeichen 106 und 107 bezeichnen Bewegungsvorrichtungen zum Bewegen des teilreflektierenden Spiegels 22 und der Fokussierlinse 21. In diesem Fall bilden die Fokussierlinse 21 und der teilweise reflektierende Spiegel 22 ein Bildübertragungssystem. In dem optischen Bildübertragungssystem ist die Brennweite f_r der Fokussierlinse 21 die gleiche wie der Krümmungsradius des teilreflektierenden Spiegels 22 und der Abstand zwischen der Fokussierlinse 21 und dem teilreflektierenden Spiegel 22 ist 2fr(1 + Δ). Darüber hinaus ist das optische Bildübertragungssystem in der Lage, einen Spiegel mit veränderbarer Krümmung in einem sehr weiten Bereich auf der Grundlage des Wer tes Δ zu bilden. Somit kann durch nahes und langsames Einstellen der Positionen der Fokussierlinse 21 und des teilreflektierenden Spiegels 22 die Position der schmalsten Stelle des Laserstrahls und der Öffnungswinkel des Laserstrahls über einen weiten Bereich eingestellt werden. Dabei kann es leicht gesteuert werden, daß der Durchmesser des Laserstrahls einen Bereich von ϕ_s ± 50% aufweist. Darüber hinaus kann die oben beschriebene Einfallsbedingung der optischen Faser auch in bezug auf die Änderung der thermischen Linse des Festkörpermediums eingehalten werden, wobei diese Änderung bewirkt wird, wenn die Spannung der Spannungsversorgung zum Einstellen der Größe der Ausgangsleistung des Laserstrahls auf einen gewünschten Wert geändert wird.
Ausführungsbeispiel 3
5 zeigt einen Aufbau einer Festkörperlaservorrichtung 1900 eines dritten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung.
Bei der Festkörper-Laservorrichtung 1900 nach 5 werden die Bauteile, die denen der Festkörper-Laservorrichtung 1700 des ersten Ausführungsbeispiels nach 1 im Aufbau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung wird hier weggelassen.
In der Festkörperlaservorrichtung 1900 des dritten Ausführungsbeispiels nach 5 sind eine Apertur 17 und ein Strahlungssensor 161 zusätzlich zu dem optischen Bildübertragungssystem der Festkörper-Laservorrichtung 1800 vorgesehen. In dem dritten Ausführungsbeispiel werden die Positionen der Fokussierlinse 21 und/oder des teilreflektierenden Spiegels 22 auf der Grundlage des Ausgangssignals vom Strahlungssensor 161 eingestellt.
In der Festkörper-Laservorrichtung 1900 des dritten Ausführungsbeispiels kann die Einstellung des Laserresonators durchgeführt werden, während die aktuelle Fokussierbarkeit des Laserstrahls aus der optischen Faser 9 überwacht wird. Darüber hinaus kann die Einstellung für die Position der schmalsten Stelle des Laserstrahls und des Durchmessers des Laserstrahls sicher und automatisch in bezug auf die Änderung der thermischen Linse des Festkörpermediums durchgeführt werden. Darüber hinaus gibt es die Möglichkeit, die Fokussierbarkeit des aus der optischen Faser zu jeder Zeit austretenden Laserstrahls zu überwachen.
Ausführungsbeispiel 4
6 zeigt einen Aufbau einer Festkörper-Laservorrichtung 2000 des vierten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung.
In der Festkörper-Laservorrichtung 2000 nach 6 werden die Bauteile, die denen der Festkörper-Laservorrichtung 1700 des ersten Ausführungsbeispiels nach 1 im Aufbau und in ihrer Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Erläuterung wird hier weggelassen.
Bei der Festkörper-Laservorrichtung 200 des vierten Ausführungsbeispiels nach 6 bezeichnet ein Bezugszeichen 19 eine Apertur oder Blende, deren Abmessung der Öffnung auf der Grundlage eines von außen übertragenen Steuersignals geändert werden kann. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet ein Einstellsystem zum Einstellen der Größe der ausgehenden Strahlungsleistung des Laserstrahls, das als Pegelschalter, Drehschalter, digitale Eingabevorrichtung oder dergleichen ausgebildet ist. Der Brennpunkt und die Position der Fokussierlinse 8 weisen den kleinsten fokussierten Punkt nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser auf und der Durchmesser des kleinsten fokussierten Punkts wird so festgelegt, daß er in einem Bereich des Wertes ϕ_s ± 50% liegt.
Die Einstellung der Ausgangsleistung des Laserstrahls wird durch mechanisches oder elektrisches Einstellen des Durchmessers der Öffnung der Apertur 19 entsprechend der Angabe von dem Einstellsystem 20 für die Ausgangsleistung durchgeführt. Da in diesem Fall die Spannung der Spannungsversorgung 5, die der Lampe 4 zugeführt wird, nicht verändert wir, wird der Effekt der thermischen Linse des Festkörperelementes nicht geändert. Es gibt keine Änderung der optischen Bedingung des Laserstrahlresonators, mit der Ausnahme, daß ein Teil des Laserstrahls durch die Apertur 19 abgeschirmt wird, so daß die Position der schmalsten Stelle des Laserstrahls nicht verändert wird. Obwohl die Größe der Ausgangsleistung des Laserstrahls, der Durchmesser, der Wert M² und der Öffnungswinkel des Laserstrahls geändert werden, wird die Position der schmalsten Stelle des Laserstrahls und die Krümmung des Spiegels nicht geändert. Unter diesen Bedingungen ist es bekannt, daß der Durchmesser des Laserstrahls und der Öffnungswinkel des Laserstrahls proportional zu dem folgenden Wert sind; √M2.
Da zusätzlich das Bild des Laserstrahls an der linken Seite der Fokussierlinse 8 nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 fokussiert wird, werden die Bildposition des Laserstrahls und die Vergrößerung des Laserstrahls nicht verändert, es sei denn, die Größe der schmalsten Stelle des Laserstrahls wird verändert. Somit ist der Durchmesser der schmalsten Stelle des Laserstrahls nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser proportional zu dem Wert √M2 Andererseits ist auch der Wert ϕ_s proportional zu dem Wert √M2.
Daher weist der Laserstrahl 70 immer den kleinsten fokussierten Punkt nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 auf und der Durchmesser des schmalsten fokussierten Punktes hat einen Bereich des Wertes ϕ_s ± 50%, wenn die Größe der Ausgangsleistung des Laserstrahls durch Änderung des Durchmessers der Öffnung der Apertur eingestellt wird.
Wie oben beschrieben wurde, kann die Festkörper-Laservorrichtung 2000 des vierten Ausführungsbeispiels den Laserstrahl mit einer gewünschten, durch die optische Faser hindurchgehenden Leistung liefern, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalten bleibt.
Obwohl in der obigen Beschreibung die Festkörper-Laservorrichtung 2000 des vierten Ausführungsbeispiels den Laserstrahlresonator nach dem Stand der Technik umfaßt, kann der Aufbau der Festkörperlaservorrichtung 2000 auf eine Festkörperlaservorrichtung mit einem optischen Bildübertragungssystem, das in dem Resonator eingeschlossen ist, angewandt werden. Dieser Fall hat die gleiche Wirkung wie die Festkörper-Laservorrichtung 2000 des vierten Ausführungsbeispiels.
Ausführungsbeispiel 5
7 zeigt einen Aufbau einer Festkörperlaservorrichtung 2100 des fünften Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung.
Bei der Festkörper-Laservorrichtung 2100 nach 7 weisen die Bauteile, die denen der Festkörperlaservorrichtung 1800 des zweiten Ausführungsbeispiels nach 4 im Aufbau und in der Funktion entsprechen, die gleichen Bezugszeichen auf und ihre Erläuterung wird daher weggelassen.
In der Festkörper-Laservorrichtung 2100 des fünften Ausführungsbeispiels nach 7 bezeichnet das Bezugszeichen 191 eine Apertur oder Blende, die zwischen der Fokussierlinse 21 und dem teilreflektierenden Spiegel 22 angeordnet ist, die das Bildübertragungssystem bilden. Ein Bezugszeichen 108 bezeichnet eine Bewegungsvorrichtung für die Apertur, die Apertur 191 in die Richtung der optischen Achse verschiebt.
Die Brennweite und die Position der Fokussierlinse 8 werden so eingestellt, daß der Laserstrahl den kleinsten fokussierten Punkt nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser aufweist und der Durchmesser des Laserstrahls einen Bereich ϕ_s ± 50% in bezug auf einen Zustand hat, in dem die Festkörperlaservorrichtung 2100 ein Laserstrahlausgangssignal liefern kann, das die größte Strahlungsleistung aufweist. Die Einstellung des Laserstrahlausgangssignals wird durch Bewegen der Apertur 191 in Richtung der optischen Achse der optischen FAser 9 über die Bewegungsvorrichtung 108 entsprechend der Angabe des Ausgangssignaleinstellsystems 20 durchgeführt, während ein Umfangsbereich des Laserstrahls abgetrennt wird.
Die Festkörper-Laservorrichtung 2100 dieses Ausführungsbeispiels 5 ebenso wie die Festkörperlaservorrichtung 2000 des vierten Ausführungsbeispiels kann den Laserstrahl liefern, der eine gewünschte durch die optische Faser hindurchgehende Strahlungsleistung aufweist, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalten bleibt.
Obwohl darüber hinaus in der obigen Beschreibung die Festkörper-Laservorrichtung 2100 des Ausführungsbeispiels 5 den Laserstrahlresonator umfaßt, der das optische Bildübertragungssystem einschließt, kann es auch für eine Festkörper-Laservorrichtung verwendet werden, die einen Laserstrahlresonator nach dem Stand der Technik aufweist, und es wird die gleiche Wirkung wie bei der Festkörperlaservorrichtung 2100 dieses fünften Ausführungsbeispiels geliefert.
Ausführungsbeispiel 6
8 zeigt einen Aufbau einer Festkörperlaservorrichtung 2200 eines sechsten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung.
Bei der Festkörper-Laservorrichtung 2200 nach der 6 werden die Bauteile, die der Festkörper-Laservorrichtung 1700 des ersten Ausführungsbeispiels nach 1 im Aufbau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung wird daher weggelassen.
In der Festkörperslaservorrichtung 2200 des sechsten Ausführungsbeispiels nach 8 werden die Lichtquelle 4 und das Festkörperelement 3 in der Fokussiervorrichtung 6 angeordnet, deren Innenfläche mit einem reflektierenden Material, wie weiße Keramik beschichtet ist. Wenn die elektrische Spannungsversorgung eingestrahlt wird, wird das Licht von der Lichtquelle 4 direkt auf das Festkörperelement 3 gestrahlt oder wird von der Fokussiervorrichtung 6 reflektiert und das reflektierte Licht wird dann auf das Festkörperelement 3 gestrahlt. Ein Teil des auf das Festkörperelement 3 gestrahlte Licht wird in dem Festkörperelement 3 selbst absorbiert. Das in dem Festkörperelement 3 absorbierte Licht erregt das Festkörperelement 3 so, daß sich das Festkörperelement 3 in ein Lasermedium ändert. Die in dem Lasermedium erzeugte spontane Lichtemission wird zwischen dem Spiegel 1 und dem Ausgangsspiegel 2 verstärkt, während die spontane Lichtemission zwischen dem Spiegel 1 und dem Ausgangsspiegel 2 übertragen wird, und dann wird das verstärkte spontane Laserlicht geändert in das Laserlicht 7. Das Laserlicht 7 wird als Laserstrahl 70 mit dem Durchmesser ϕ₀ der schmalsten Stelle des Laserstrahls und dem Öffnungswinkel 2θ außerhalb der Spiegel 1 und 2 in dem Laserresonator emittiert, wenn das Laserlicht 7 eine größere als eine vorgegebene Strahlungsleistung aufweist. Der Laserstrahl 70 von dem Laserresonator wird zu der Fokus sierlinse 8 gesendet. Der durch die Fokussierlinse 8 hindurchgehende Laserstrahl wird durch die Fokussierlinse 8 in den Laserstrahl fokussiert, dessen Durchmesser ϕ_in mit einem Bereich von ϕ_s ± 50% ist und wird dann auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 gestrahlt.
Die Bewegungsvorrichtung 105 für den Faserhalter und der optische Faserhalter 101 bewegen die Position der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 auf der Beziehung zwischen einem vorbestimmten Verschiebungswert und der Fokussierbarkeit des ausgehenden Laserstrahls in Übereinstimmung mit dem Wert, der durch das Einstellsystem 18 für die Fokussierbarkeit eingestellt wird, so daß die Festkörperlaservorrichtung 2200 einen Laserstrahl mit der Fokussierbarkeit vorsieht, die durch das Einstellsystem 18 spezifiziert ist.
In der Festkörperlaservorrichtung 2200 des sechsten Ausführungsbeispiels kann die Fokussierbarkeit der Laserstrahls leicht geändert werden, um einen Laserstrahl zu erzeugen, der eine verlangte Strahlungsleistung aufweist, so daß die Festkörper-Laservorrichtung 2200 nach dem sechsten Ausführungsbeispiel für verschiedene Arten der Verarbeitung wie Schweißen, Schneiden und dergleichen anwendbar ist.
Darüber hinaus wird in der Festkörperlaservorrichtung 2200 des sechsten Ausführungsbeispiels die Position der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 durch die Bewegungsvorrichtung 105 für den optischen Faserhalter geändert, aber es kann auch annehmbar sein, die Position der Fokussierlinse 8 über die Bewegungsvorrichtung für den Fokussierlinsenhalter zu bewegen, der dem Aufbau der Festkörperlaservorrichtung 2200 zugefügt wird. In diesem Fall kann die gleiche Wirkung auch erhalten werden.
Obwohl darüber hinaus in der Festkörper-Laservorrichtung 2200 des sechsten Ausführungsbeispiels ein Laserstrahlresonator nach dem Stand der Technik verwendet wird, ist diese Erfindung nicht darauf begrenzt, sie kann auch für eine Festkörper-Laservorrichtung mit einem Laserstrahlresonator angewandt werden, der ein optisches Bildübertragungssystem oder eine Apertur zur Steuerung der Größe des Laserstrahls aufweist. In diesem Fall werden gleichfalls die gleichen Wirkungen erzielt.
Ausführungsbeispiel 7
9 ist eine Darstellung des Aufbaus einer Festkörperlaservorrichtung 2300 des siebenten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung.
Bei dieser Festkörper-Laservorrichtung 2300 nach 9 werden die Bauteile; die denen der Festkörper-Laservorrichtung 2200 des sechsten Ausführungsbeispiels nach 8 im Aufbau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Erläuterung wird daher weggelassen.
Bei der Festkörperlaservorrichtung 2300 des siebenten Ausführungsbeispiels nach 9 weisen der total reflektierende Spiegel 1 und der Ausgangsspiegel 2, die den Laserresonator als symmetrischen Laserresonator bilden, die gleiche Krümmung auf und das Festkörperelement 3 ist ungefähr in der Mitte des Laserresonators angeordnet.
Die Lichtquelle 4 und das Festkörperelement 3 sind in der Fokussiervorrichtung 6 angeordnet, deren Innenfläche mit einem reflektierenden Material, wie weißer Keramik beschichtet ist. Wenn die elektrische Spannungsversorgung 5 eingeschaltet wird, wird das Licht von der Lichtquelle 4 direkt auf das Festkörperelement 3 gestrahlt oder wird durch die Fokussiervorrichtung 6 reflektiert und dann auf das Festkörperelement 3 gestrahlt. Ein Teil des auf das Festkörperelement 3 gestrahlten Lichts wird in ihm selbst absorbiert. Das in dem Festkörperelement 3 absorbierte Licht erregt das Festkörperelement 3, so daß es sich in ein Lasermedium ändert. Die in dem Lasermedium erzeugte spontane Lichtemission wird zwischen dem Spiegel 1 und dem Ausgangsspiegel 2 verstärkt, während sie zwischen dem Spiegel 1 und dem Ausgangsspiegel 2 hin und her übertragen wird und dann ändert sich das verstärkte spontane Laserlicht in das Laserlicht 7. Das Laserlicht 7 wird als Laserstrahl 70 mit dem Durchmesser ϕ₀ an der schmalsten Stelle und dem Öffnungswinkel 2θ außerhalb der Spiegel 1 und 2 in dem Laserresonator emittiert, wenn das Laserlicht 7 eine größere Strahlungsleistung als eine vorbestimmte aufweist.
Obwohl die Festkörperlaservorrichtung 2600 mit der oben beschriebenen Anordnung eine sehr stabile Laserstrahloszillationsoperation durchführen kann, weist sie auch das Merkmal auf, daß der Durchmesser und der Öffnungswinkel des Laserstrahls sich stark entsprechend der Größe der Laserstrahlausgangsleistung ändern. In diesem Fall ändert sich der Wert ϕ₀θ und der Wert M² des Laserstrahls, der proportional zu dem Wert ϕ₀θ ist, ebenfalls sehr stark.
10 ist eine Kennlinie, die Beziehung zwischen der Laserstrahlausgangsleistung und dem Wert M² des Laserstrahls in der Festkörperlaservorrichtung mit einem symmetrischen Resonator aufweist, und zwar als dünne Linie. Wenn die Größe der Laserstrahlausgangsleistung kleiner wird, wird der Laserstrahl mit dem kleineren Wert M² erzeugt. Dabei ist offensichtlich, daß der Durchmesser des Laserstrahls für die Ausbreitung unterschiedlich ist entsprechend der Größe der Laserstrahl-Ausgangsleistung. In der Festkörper-Laservorrichtung 2300 des Ausführungsbeispiels 7 wird der Laserstrahl 70 von dem Laserresonator durch die Fokussierlinse 8 in einen Laserstrahl fokussiert, dessen kleinster fokussierter Punkt nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 liegt und der einen Durchmesser von ϕ_cϕ₀θ(2n₀Δn)^–1/2)^1/2 ± 50% auf der Grundlage des Wertes ϕ₀θ der Ausgangsleistung des Laserstrahls von 300 W, die den größten M² Wert ergibt, nicht durch Bewegen des optischen Systems in der Größe einer anderen Laserstrahl-Ausgangsleistung.
In der Festkörper-Laservorrichtung 2300 des siebenten Ausführungsbeispiels wird der Wert M² des Laserstrahls nach der Ausbreitung entsprechend der Änderung des Laserstrahldurchmessers und dergleichen erhöht, wenn die Laserstrahl-Ausgangsleistung nicht 300 W beträgt. Allerdings wird die Änderung des Wertes M², bewirkt durch die Laserstrahl-Ausgangsleistung, verringert, da der Wert von M² des ursprünglich von dem Laserresonator emittierten Laserstrahls kleiner als 300 W ist, so daß die Festkörperlaservorrichtung den Laserstrahl mit einer stabilen Fokussierbarkeit vorsehen kann.
In 10 zeigt die Kennlinie eine experimentelles Ergebnis der Ausbreitung des Laserstrahls mit dem Wert ϕ₀θ, wenn die Ausgangsleistung des Laserstrahls 300 W ist, bezeichnet durch die dünne Linie, während der Durchmesser des auf die optische Faser 9 auftreffenden Laserstrahls 70 eingestellt wird. In 10 liegt die Änderung von M² des einfallenden Laserstrahls im Bereich von 5 bis 22. Andererseits hat der Wert M² des aus der optischen Faser 9 austretenden Laserstrahls den Bereich von 15 bis 22. Somit kann selbst, wenn die Ausgangsleistung des Laserstrahls aus dem Laserresonator geändert wird, ein ausgehender Laserstrahl mit einer stabilen Fokussierbarkeit vorgesehen werden, indem die Festkörper-Laservorrichtung 2300 des siebenten Ausführungsbeispiels verwendet wird.
Ausführungsbeispiel 8
Die 11A und 11B zeigen den Aufbau einer Festkörperlaservorrichtung 2400 eines achten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung. 11B ist eine Aufsicht auf die Festkörper-Laservorrichtung 2400 nach 11A.
Bei der Festkörper-Laservorrichtung 2400 in 11A und 11B werden die Bauteile, die denen der Festkörper-Laservorrichtungen 2200 und 2300 des sechsten und siebenten Ausführungsbeispiels nach 8 und 9 im Aufbau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung wird hier weggelassen.
In der Festkörper-Laservorrichtung 2400 des achten Ausführungsbeispiels nach den 11A und 11B um faßt das Festkörperelement 3 ein Slab-Lasermedium in dünner Plattenform. Da das Slab-Lasermedium unterschiedliche Werte ϕ_0xθ_x und ϕ_0yθ_y in der Richtung der X-Achse und der Y-Achse jeweils aufweist, sind diese Werte ϕ_0xθ_x und ϕ_0yθ_y stark zueinander unterschiedlich, wenn der Laserresonator eine übliche sphärische Linse aufweist.
Bei der Festkörper-Laservorrichtung 2400 des achten Ausführungsbeispiels werden die Laserstrahlkomponenten in der X-Richtung und in der Y-Richtung unabhängig unter Verwendung von zylindrischen Linsen fokussiert. Genauer gesagt, wird der Laserstrahl 70 vom Laserresonator durch die zylindrische Linse 84 so fokussiert, daß die Komponente des Laserstrahls in der X-Richtung den kleinsten fokussierten Punkt nahe der Einfallsebene der optischen Faser hat, und ihr Durchmesser einen Bereich von (ϕ_cϕ_0xθ_x(2n₀Δn)^–1/2)^1/2 ± 50% hat, und weiterhin durch die zylindrische Linse 84 so fokussiert, daß die Komponente des Laserstrahls in Y-Richtung den kleinsten fokussierten Punkt nahe der Einfallsebene der optischen Faser hat und ihr Durchmesser einen Bereich von (ϕ_cϕ_0yθ_y(2n₀Δn)^–1/2)^1/2 ± 50% aufweist.
In der Festkörperlaservorrichtung 2400 des achten Ausführungsbeispiels weist der Wert M² des aus der optischen Faser 9 austretenden Laserstrahls einen Wert zwischen dem Wert M² der Komponente des einfallenden Laserstrahls in der X-Achse und dem Wert M in der Y-Achse auf. Somit kann eine Festkörperlaservorrichtung zum Liefern eines Laserstrahls mit einer stabilen Fokussierbarkeit vorgesehen werden, selbst wenn die Festkörperlaservorrichtung den Laserresonator mit einer unterschiedlichen Fokussierbarkeit in X-Richtung und in Y-Richtung einschließt. Zusätzlich weist die Festkörperlaservorrichtung noch den Effekt auf, daß während der Ausbreitung des Laserstrahls in der Festkörperlaservorrichtung die Anisotropie des Laserstrahls verbessert werden kann.
Ausführungsbeispiel 9
Die 12A und 12B zeigen einen Aufbau einer Festkörperlaservorrichtung 2500 nach einem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 12B ist eine Aufsicht auf die Festkörper-Laservorrichtung 2500 nach 12A.
Bei der Festkörperlaservorrichtung 2500 nach den 12A und 12B werden Bauteile, die denen der Festkörper-Laservorrichtungen 2200, 2300 und 2400 der Ausführungsbeispiele 6, 7 und 8 entsprechend den 8, 9, 11A und 11B im Aufbau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung wird weggelassen.
In der Festkörper-Laservorrichtung 2500 des neunten Ausführungsbeispiels nach den 12A und 12B ist das Festkörperelement 3 ein Slab-Lasermedium, das eine dünne Platte f aufweist, und der Laserresonator ist als Laserresonator des Hybridtyps ausgebildet, in dem die X-Achsenrichtung stabil und die Y-Achsenrichtung instabil ist. Es ist allgemein bekannt, daß ein solcher Laserresonator einen Laserstrahl erzeugen kann, der theoretisch eine hohe Fokussierbarkeit aufweist. Allerdings kann im allgemeinen der instabile Laserresonsator einen Laserstrahl mit einer noch höheren Fokussierbarkeit erzeugen. In diesem Fall ist der Wert ϕ_0xθ_x des Laserstrahls in der X-Richtung un terschiedlich zu dem Wert ϕ_0yθ_y in der Y-Richtung, so daß die folgende Beziehung erhalten wird: Φ0xθx < ϕ0yθy.
In der Festkörper-Laservorrichtung 2500 des neunten Ausführungsbeispiels wie in der Festkörper-Laservorrichtung 2400 des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels 8 werden die Laserstrahlkomponenten in der X-Richtung und in der Y-Richtung unabhängig durch die Verwendung von zylindrischen Linsen fokussiert. Genauer gesagt, wird der von dem Laserresonator gelieferte Laserstrahl 70 jeweils von den zylindrischen Linsen 84 und 85 so fokussiert, daß die Komponente des Laserstrahls in der X-Richtung den kleinsten fokussierten Punkt nahe der Einfallsebene der optischen Faser hat und ihr Durchmesser einen Bereich von (Φ_cΦ_0xθ_x(2n₀Δn)^–1/2)^1/2 ± 50% aufweist und die Komponente des Laserstrahls in Y-Richtung den kleinsten fokussierten Punkt nahe der Einfallsebene der optischen Faser hat und ihr Durchmesser einen Bereich (ϕ_cϕ_0yθ_y(2n₀Δn)^–1/2)^1/2 ± 50% aufweist.
In der Festkörper-Laservorrichtung 2500 des neunten Ausführungsbeispiels wie bei der Festkörperlaservorrichtung 2300 und 2400 des siebenten und achten Ausführungsbeispiels weist der Wert M² des aus der optischen Faser 9 austretenden Laserstrahls einen Wert zwischen dem Wert M² der Komponente des einfallenden Laserstrahls in X-Richtung und dem Wert M² in Y-Richtung auf. Somit kann eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen werden, die einen Laserstrahl mit einer stabilen Fokussierbarkeit aufweist.
Ausführungsbeispiel 10
Die 13A und 13B zeigen einen Aufbau einer Festkörper-Laservorrichtung 2600 des zehnten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung. 13B ist eine Aufsicht auf die Festkörper-Laservorrichtung 2600 nach 13A.
Bei der Festkörper-Laservorrichtung 2600 nach den 13A und 13B werden Bauteile, die denen der Festkörperlaservorrichtungen 2200, 2300, 2400 und 2500 der Ausführungsbeispiele 6, 7, 8 und 9 nach den
8, 9, 11A, 11B, 12A und 12B im Aufbau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung wird weggelassen.
In der Festkörper-Laservorrichtung 2600 des zehnten Ausführungsbeispiels nach den 13A und 13B umfaßt das Festkörperelement 3 ein Slab-Lasermedium als Laserresonator des Hybridtyps. Die Komponente des Laserstrahls in X-Richtung wird auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 unter Verwendung einer üblichen sphärischen Linse fokussiert und die Komponente des Laserstrahls in Y-Richtung wird so fokussiert, daß diese Komponente den kleinsten fokussierten Punkt nahe der Einfallsebene der optischen Faser aufweist und ihr Durchmesser im Bereich von (ϕ_cϕ_0yθ_y (2n₀Δn)^–1/2)^1/2 ± 50% aufweist. In diesem Fall wird vorhergesagt, daß die Position und der Durchmesser des kleinsten fokussierten Punkts in der X-Achsenrichtung zu den geeignetsten Werten sehr verschoben werden. Jedoch wird die Beziehung ϕ_0xθ_x < ϕ_0yθ_y in dem Laserresonator der Festkörperlaservorrichtung 2600 erfüllt und der Wert M² des austretenden Laserstrahls wird zwischen den M² Werten in X-Richtung und in Y-Richtung gewählt. Somit wird, selbst wenn der M² Wert der X-Richtung leicht zu dem am besten geeigneten Wert verschoben ist, die Größe des Wertes M² des austretenden Laserstrahls in X-Richtung nicht größer als die in Y-Richtung, so daß insgesamt der ausgehende Laserstrahl die gewünschte hohe Fokussierbarkeit während seiner Ausbreitung aufweist.
Die Festkörperlaservorrichtung 2600, die in der Lage ist, die hohe Fokussierbarkeit während der Ausbreitung wie in dem zehnten Ausführungsbeispiel zu erhalten, kann den sehr einfachen Aufbau nach den 13A und 13B aufweisen, obwohl die Festkörper-Laservorrichtung einen Laserresonator aufweist, dessen Fokussierbarkeit in der X-Richtung und in der Y-Richtung unterschiedlich ist. Außerdem hat die Festkörper-Laservorrichtung den weiteren Effekt, daß während der Ausbreitung des Laserstrahls in der Festkörper-Laservorrichtung die Anisotropie des Laserstrahls verbessert werden kann.
Ausführungsbeispiel 11
14 zeigt den Aufbau einer Laserverarbeitungsvorqrichtung 2700 des elften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
In der Laserbe- bzw. -verarbeitungsvorrichtung 2700 nach 14 werden die Bauteile, die denen der optischen Übertragungsvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels nach 1 im Aufbau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Erläuterung wird hier ausgelassen.
In der Laserbearbeitungsvorrichtung 2700 des elften Ausführungsbeispiels nach 14 bezeichnet ein Bezugszeichen 23 eine Fokussierlinse, 80 bezeichnet ein Zielarbeitsgut, das durch Bestrahlen mit einem Laserstrahl von der Laserbearbeitungsvorrichtung 2700 bearbeitet werden soll, 810 bezeichnet eine Bearbeitungsdüse und das Bezugszeichen 820 bezeichnet einen Einlaß für ein Arbeitsgas. In der Laserbearbeitungsvorrichtung 2700 des elften Ausführungsbeispiels wird der von dem Laserresonator 10 emittierte Laserstrahl 70 mit dem Durchmesser ϕ₀ an der schmalsten Stelle und dem Öffnungswinkel θ auf die Fokussierlinse 8 übertragen und zu einem Laserstrahl fokussiert, dessen Durchmesser ϕ_in mit einem Bereich von ϕ_s ± 50% aufweist, und der Laserstrahl wird auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 gestrahlt. Dann geht der Laserstrahl durch die optische Faser 9, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalben bleibt, und wird dann von der Ausgangsseite der optischen Faser 9 nach außen übertragen. Der austretende Laserstrahl wird durch die Fokussierlinse 23 fokussiert und das Zielarbeitsgut wird durch den fokussierten Laserstrahl bearbeitet.
Somit kann die Laserbearbeitungsvorrichtung einen noch höher fokussierten Laserstrahl als der Laserstrahl von der optischen Faser 9 für eine hochgenaue Laserverarbeitung vorsehen, da der Laserstrahl in der optischen Faser 9 noch weiter durch die Fokussierlinse 23 fokussiert wird.
In der Laserverarbeitungsvorrichtung 2700 des elften Ausführungsbeispiels wird die optische Übertragungsvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels nach 1 verwendet, aber der Umfang der Erfindung ist nicht auf dies begrenzt, es kann annehmbar sein und es kann die gleiche Wirkung erzielt werden, indem die optischen Übertragungsvorrichtungen 1400, 1700 und 2100 der Ausführungsbeispiele 1 und 5 nach den 1 und 7 verwendet werden.
Ausführungsbeispiel 12
15 zeigt einen Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung 2800 nach dem zwölften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 2800 nach 15 werden Bauteile, die denen der Festkörperlaservorrichtung 2200 des sechsten Ausführungsbeispiels nach 8 im Aufbau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Erläuterung wird hier weggelassen.
In der Laserbearbeitungsvorrichtung 2800 des zwölften Ausführungsbeispiels nach 15 sind die Lichtquelle 4 und das Festkörperelement 3 in der Fokussiervorrichtung 6 angeordnet, deren Innenfläche mit einem reflektierenden Material, wie weißer Keramik beschichtet ist. Wenn die elektrische Spannungsversorgung 5 eingeschaltet wird, wird das Licht von der Lichtquelle 4 direkt auf das Festkörperelement 3 gestrahlt oder wird durch die Fokussiervorrichtung 6 reflektiert und dann auf das Festkörperelement 3 gestrahlt. Ein Teil des auf das Festkörperelement 3 gestrahlte Licht wird in ihm selbst absorbiert und das absorbierte Licht erregt das Festkörperelement 3, so daß es sich in ein Lasermedium ändert. Die in dem Lasermedium erzeugte spontane Lichtemission wird zwischen dem Spiegel 1 und dem Ausgangsspiegel 2 ver stärkt, während die spontane Lichtemission zwischen dem Spiegel 1 und dem Ausgangsspiegel 2 übertragen wird, und dann wird die verstärkte spontane Lichtemission in das Laserlicht 7 geändert. Das Laserlicht 7 wird als Laserstrahl 70 mit dem Durchmesser ϕ₀ an der schmalsten Stelle und dem Öffnungswinkel 2θ nach außen außerhalb der Spiegel 1 und 2 und des Laserresonators emittiert, wenn das Laserlicht 7 eine größere Ausgangsleistung als eine vorhergegebene aufweist. Der aus dem Laserresonator austretende Laserstrahl 70 wird zu der Fokussierlinse 8 gestrahlt. Der durch die Fokussierlinse 8 hindurchgehende Laserstrahl wird durch sie zu einem Laserstrahl fokussiert, dessen Durchmesser ϕ_in mit einem Bereich von ϕ_s ± 50% ist und auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 gestrahlt.
Die Bewegungsvorichtung 105 für den optischen Faserhalter und der optische Faserhalter 101 bewegen die Position der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 auf der Grundlage der Beziehung zwischen einem vorbestimmten Verschiebungswert und der Fokussierbarkeit des ausgehenden Laserstrahls in Übereinstimmung mit dem Wert, der von dem Einstellsystem 18 für die Fokussierbarkeit eingestellt ist, so daß die Festkörperlaservorrichtung einen Laserstrahl vorsieht, der eine von dem Einstellsystem 18 für die Fokussierbarkeit spezifizierte Fokussierbarkeit aufweist. Der erhaltene Laserstrahl wird noch einmal durch die Fokussierlinse 23 fokussiert. Das Zielarbeitsgut wird unter Verwendung des fokussierten Laserstrahls bearbeitet.
In der Laserbearbeitungsvorrichtung 2800 des Ausführungsbeispiels 12 kann die Fokussierbarkeit des Laserstrahls einfach in einem Laserstrahl geändert werden, der einen anderen Fokussierbarkeitspegel aufweist, so daß sie für verschiedene Arten von Verarbeitungen, wie für eine hoch genaue Verarbeitung, eine Verarbeitung in weiten Bereichen, zum Beispiel Schweißen, Schneiden oder dergleichen angewendet werden kann.
Darüber hinaus wird in der Laserbearbeitungsvorrichtung 2800 des zwölften Ausführungsbeispiels die Festkörper-Laservorrichtung 2200 des sechsten Ausführungsbeispiels nach 8 verwendet, aber der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist nicht auf dieses begrenzt.
Ausführungsbeispiel 13
16 zeigt einen Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung 2900 eines dreizehnten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 2900 nach 16 werden Bauteile, die denen der optischen Übertragungsvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels nach 1 im Aufbau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung wird hier weggelassen.
In der Laserbearbeitungsvorrichtung 2900 des Ausführungsbeispiels 13 wird der Laserstrahl mit dem Durchmesser ϕ₀ des Laserstrahl-Schweifungsdurchmessers und dem Öffnungswinkel 2θ vom Laseroszillator 10 durch die Fokussierlinse 8 zu dem Laserstrahl fokussiert, dessen Durchmesser ϕ_in in einem Bereich von ϕ_s ± 50 ist und wird dann auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 gestrahlt.
In der Laserbearbeitungsvorrichtung 2900 des dreizehnten Ausführungsbeispiels wird der austretende Laserstrahl direkt auf ein Zielarbeitsgut zur Verarbeitung gestrahlt, ohne ihn weiter zu fokussieren. Da der Laserstrahl durch die optische Faser auf das Arbeitsgut übertragen wird, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalten bleibt, ist der Öffnungswinkel des aus der optischen Faser austretenden Laserstrahls relativ kleiner als in Laserbearbeitungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik und sie kann ohne jede Fokussierlinse realisiert werden, um eine Laserverarbeitungsoperation für einen weiten Bereich zum Beispiel Läserhärten mit der sehr einfachen Konfiguration nach 16 zu realisieren.
In der Laserbearbeitungsvorrichtung 2900 des dreizehnten Ausführungsbeispiels wird die optische Übertragungsvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels nach 1 verwendet, allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. In einem Fall, kann der Laserstrahl 70 mit dem Öffnungswinkel 2θ durch die Fokussierlinse 8 und die Apertur 11 in den Laserstrahl fokussiert werden, dessen Durchmesser ϕ_in mit einem Bereich von ϕ_s ± 50% ist, und wird dann auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 gestrahlt. Dann wird der Laserstrahl durch die optische Faser 9 übertragen, während seine Fokussierbarkeit erhalten bleibt, und wird dann auf der Ausgangsseite der optischen Faser für das Zielarbeitsgut vorgesehen.
Ausführungsbeispiel 14
17 zeigt einen Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung 3000 des vierzehnten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung.
Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 3000 nach 17 werden für die Bauteile, die denen der optischen Übertragungsvorrichtung 1700 des ersten Ausführungsbeispiels nach 1 im Aufbau und in der Funktion entsprechen, die gleichen Bezugszeichen vorgesehen und ihre Beschreibung wird weggelassen.
In der Laserverarbeitungsvorrichtung 3000 des Ausführungsbeispiels 14 sind die Lichtquelle 4 und das Festkörperelement 3 in der Fokussiervorrichtung 6 angeordnet, deren Innenfläche mit einem reflektierenden Material, wie weißer Keramik beschichtet ist. Wenn die elektrische Spannungsversorgung 5 eingeschaltet wird, wird das von der Lichtquelle 4 ausgesandte Licht direkt auf das Festkörperelement 3 bestrahlt oder wird durch die Fokussiervorrichtung 6 reflektiert und dann auf das Festkörperelement 3 gestrahlt. Ein Teil des bestrahlten Lichts wird in dem Festkörperelement 3 absorbiert. Das absorbierte Licht erregt das Festkörperelement 3, so daß es sich in ein Lasermedium ändert. Die in dem Lasermedium erzeugte spontane Lichtemission wird zwischen dem Spiegel 1 und dem Ausgangsspiegel 2 verstärkt, während die spontane Lichtemission zwischen dem Spiegel 1 und dem Ausgangsspiegel 2 übertragen wird und das verstärkte spontane Laserlicht wird in das Laserlicht 7 geändert. Das Laserlicht 7 wird als Laserstrahl 70 mit dem Durchmesser ϕ₀ an der schmalsten Stelle und dem Öffnungswinkel 2θ von den Spiegeln 1 und 2 des Laserresonators nach außerhalb emittiert, wenn das Laserlicht 7 eine größere als eine vorbestimmte Leistung aufweist. Der von dem Laserresonator emittierte Laserstrahl 70 wird auf die Fokussierlinse 8 gesandt. Der durch die Fokussierlinse 8 hindurchgehende Laserstrahl wird durch sie auf einen Laserstrahl fokussiert, dessen Durchmesser ϕ_in mit einem Bereich von ϕ_s ± 50% ist und wird dann auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 gestrahlt. Dann wird der Laserstrahl durch die optische Faser 9 geleitet, während die Fokussierbarkeit erhalten bleibt. Der Laserstrahl tritt an der Ausgangsseite der optischen Faser 9 aus und wird direkt auf ein Zielarbeitsgut zur Bearbeitung ohne jede Fokussierung gerichtet.
In der Laserbearbeitungsvorrichtung 3000 des Ausführungsbeispiels 14 ebenso wie in der Laserbearbeitungsvorrichtung 2900 des dreizehnten Ausführungsbeispiels ist der Öffnungswinkel des aus der optischen Faser austretenden Laserstrahls relativ kleiner als in den Laserbearbeitungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik, so daß er für eine Laserbearbeitung in einem weiten Bereich, beispielsweise für Laserhärten, verwendet werden kann, wobei der Aufbau der Vorrichtung entsprechend 17 sehr einfach ist, denn die Laserstrahlübertragung kann durchgeführt werden, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalten bleibt.
In der Laserbearbeitungsvorrichtung 3000 des vierzehnten Ausführungsbeispiels wurde für die Erläuterung die Festkörper-Laservorrichtung 1700 des erstem Ausführungsbeispiels nach 1 verwendet, aber die Erfindung ist nicht auf diese begrenzt, sie kann in gleicher Weise für die Festkörper-Laservorrichtungen 1800 und 2200 des zweiten und sechsten Ausführungsbeispiels nach 4 und 8 verwendet werden.
Die Festkörper-Laservorrichtung nach der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Festkörperelement als Lasermedium, den Laserresonator und die optische Übertragungsvorrichtung. In dem Laserresonator sind das optische Bildübertragungssystem mit dem Spiegel, der Fokussierlinse und der Bewegungsvorrichtung zum Bewegen des Spiegels und der Fokussierlinse eingeschlossen. Somit kann durch das optische Bildübertragungssystem der Laserstrahl mit der hohen Fokussierbarkeit oszilliert werden und zur gleichen Zeit kann der Durchmesser des Laserstrahls an der Einfallsseite der optischen Faser über dem Bereich von ϕ_s ± 50% eingestellt werden.
Die Festkörperlaservorrichtung umfaßt die Überwachungsvorrichtung zum Erfassen des aus der optischen Faser austretenden Laserstrahls. Somit kann die Einstellung des Resonators automatisch für die Übertragung des Laserstrahls erfolgt, während die hohe Fokussierbarkeit beibehalten bleibt.
In der Festkörper-Laservorrichtung umfaßt der Laserresonator die Apertur und die Einstellvorrichtung zum Ändern des Öffnungsdurchmessers der Apertur. Somit kann ohne Einstellen des optischen Lasersystems der Laserstrahl mit jedem Ausgangsleistungspegel vorgesehen werden, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalten bleibt.
In der Festkörper-Laservorrichtung umfaßt der Laserresonator die Apertur und eine Bewegungsvorrichtung zum Bewegen der Apertur in der optischen Achse des Laserresonators. Somit kann ohne Einstellen des optischen Laserstrahlsystems die Ausgangsleistung von dem Laserstrahlresonator durch Bewegen der Position der Apertur gesteuert werden, um alle Typen von Laserstrahlen durch die optische Faser zu übertragen, während die hohen Qualitätseigenschaften erhalten bleiben.
In der Festkörperlaservorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird der Laserstrahl aus dem Laserresonator des symmetrischen Typs in einen Laserstrahl fokussiert, dessen kleinster fokussierter Punkt nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser liegt und dessen Durchmesser im Bereich von ϕ_s = (ϕ_cϕ₀θ (2n₀Δn) ^–1/2)^1/2 ± 50% liegt.
Somit kann die Festkörperlaservorrichtung den Laserstrahl vorsehen, bei dem die Änderung der Fokussierbarkeit klein ist, selbst wenn die Ausgangsleistung des Laserstrahls geändert wird.
Darüber hinaus umfaßt in der Festkörperlaservorrichtung das Festkörperelement das Slab-Lasermedium. Die Komponenten des Laserstrahls 70 von dem Laserresonator werden unabhängig in der X-Richtung und der Y-Richtung fokussiert. Jede der Komponenten der X-Richtung und der Y-Richtung weist den kleinsten fokussierten Punkt nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser auf und ihre Durchmesser liegen jeweils im Bereich ϕ_cϕ_0xθ_x (2n₀Δn) ^–1/2)^1/2 ± 50% und (ϕ_cϕ_0yθ_y (2n₀Δn)^–1/2)^1/2 + 50%.
Somit kann, selbst wenn der den Laserstrahl erzeugende Laserresonator eine unterschiedliche Fokussierbar keit in die X-Richtung und die Y-Richtung aufweist, die Festkörperlaservorrichtung den Laserstrahl ohne jede Änderung der Fokussierbarkeit während der Ausbreitung des Laserstrahls vorsehen.
In der Festkörperlaservorrichtung umfaßt das Festkörperelement das Slab-Lasermedium. Die Komponente des Laserstrahls 70 mit der hohen Fokussierbarkeit einer Richtung wird in einen Laserstrahl fokussiert, der den kleinsten fokussierten Punkt nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser und den Durchmesser im Bereich von (ϕ_cϕ₀θ (2n₀Δn)^–1/2)^1/2 ± 50% aufweist. Somit kann, selbst wenn der den Laserstrahl mit der unterschiedlichen Fokussierbarkeit in X-Richtung und Y-Richtung erzeugende Laserresonator verwendet wird, die Festkörperlaservorrichtung den Laserstrahl ohne jede Änderung der Fokussierbarkeit vorsehen während der Ausbreitung des Laserstrahls, wobei der Aufbau sehr einfach ist.
In der Laserstrahlverarbeitungsvorrichtung wird der Laserstrahl von der optischen Übertragungsvorrichtung oder der Festkörperlaservorrichtung der vorliegenden Erfindung durch das optische Fokussiersystem fokussiert und dann auf ein Zielarbeitsgut nach einer weiteren Fokussierung des aus der optischen Faser austretenden Laserstrahls bei der Laserverarbeitungsoperation gestrahlt. Da somit der Laserstrahl durch die optische Faser hindurchgeht, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalten bleibt, kann er verwendet werden, um das Zielarbeitsgut in einfacher und hoch genauer Weise über die Laserstrahlverarbeitungsvorrichtung zu bearbeiten.
In der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung wird der Laserstrahl von der optischen Übertragungsvorrichtung oder der Festkörper-Laservorrichtung der vorliegenden Erfindung durch das optische Fokussiersystem fokussiert und dann direkt auf ein Zielarbeitsgut in der Laserverarbeitungsoperation gestrahlt. Da somit der Laserstrahl durch die optische Faser hindurchgeht, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalten bleibt, kann in einfacher und genauer Weise das Zielarbeitsgut bearbeitet werden, beispielsweise in einem Härtungsprozeß.

Claims

Festkörperlaservorrichtung (1800) mit: einer optischen Übertragungsvorrichtung zum Übertragen eines Laserstrahls (70) mit einer optischen Faser (9), die als Gradientenfaser ausgebildet ist und einen Durchmesser Φ_c eines Kerns der optischen Faser, eine Brechzahl n₀ an der Mitte des Kerns der optischen Faser (9) und eine Differenz Δn zwischen den Brechzahlen an der Mitte des Kerns der optischen Faser (9) und an einem Umfangsabschnitt des Kerns der optischen Faser (9) aufweist; und einem Fokussiersystem (8, 101) der optischen Faser (9), das einen kleinsten fokussierten Punkt an der Einfallsseitenebene oder nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser (9) erzeugt, durch das der Laserstrahl (70) in die optische Faser (9) eingeführt wird, wobei ein Durchmesser Φ_in des Laserstrahls (70) an der Einfallsseitenebene der optischen Faser (9) die folgende Beziehung aufweist: 0,5 Φθ ≤ Φin ≤ 1,5 Φs und Φs = (ΦcΦ0θ (2npΔn)–1/2)1/2,wobei der Durchmesser des Laserstrahls (70) an der schmalsten Stelle Φ₀ und der Öffnungswinkel des Laserstrahls (70) 2 θ sind; einem Festkörperelement (3), das sich in ein Lasermedium ändert, wenn es durch Licht von einer Lichtquelle (4) erregt wird, und das Licht emittiert; einem Laserresonator zum Erzeugen eines Laser strahls (70) unter Verwendung des in dem Lasermedium erzeugten Lichts; einem optischen Bildübertragungssystem mit einem Spiegel (22) und einer Fokussierlinse (21), die in dem Laserresonator angeordnet sind; und einer Bewegungsvorrichtung (106, 107) zum Bewegen des Spiegels (22) und der Fokussierlinse (21) in Richtung der optischen Achse des Laserresonators, wobei eine Größe des Durchmessers des Laserstrahls (70) an der Einfallsseitenebene der optischen Faser (9) durch Bewegen der Position des Spiegels (22) und/oder der Fokussierlinse (21) eingestellt wird.
Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überwachungsvorrichtung (161) für den austretenden Laserstrahl (70) zum Messen einer Größe des aus der optischen Faser (9) austretenden Laserstrahls (70) vorgesehen ist, wobei der Spiegel (22) und/oder die Fokussierlinse (21) auf der Grundlage des Ausgangssignals von der Überwachungsvorrichtung (161) des ausgehenden Laserstrahls (70) bewegt werden.
Festkörperlaservorrichtung (2000) mit: einer optischen Übertragungsvorrichtung zum Übertragen eines Laserstrahls (70) mit einer optischen Faser (9), die als Gradientenfaser ausgebildet ist und einen Durchmesser Φ_c eines Kerns der optischen Faser (9), eine Brechzahl n₀ an der Mitte des Kerns der optischen Faser (9) und eine Differenz Δn zwischen den Brechzahlen an der Mitte des Kerns der optischen Faser (9) und an einem Umfangsabschnitt des Kerns der optischen Faser (9) aufweist; und einem Fokussiersystem (8, 101) der optischen Faser (9), das einen kleinsten fokussierten Punkt an der Einfallsseitenebene oder nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser (9) erzeugt, durch die der Laserstrahl (70) in die optische Faser (9) eingeführt wird, wobei ein Durchmesser Φ_in des Laserstrahls (70) an der Einfallsseitenebene der optischen Faser (9) die folgende Beziehung aufweist: 0,5 Φs ≤ Φin ≤ 1,5 Φs und Φs = (ΦcΦ0θ (2n0Δn)–1/2)1/2,wobei der Durchmesser des Laserstrahls (70) an der schmalsten Stelle Φ₀ und der Öffnungswinkel des Laserstrahls (70) 2θ sind; einem Festkörperelement (3), das sich in ein Lasermedium ändert, wenn es durch Licht von einer Lichtquelle (4) erregt wird, und das Licht emittiert; einem Laserresonator zum Erzeugen eines Laserstrahls unter Verwendung des in dem Lasermedium erzeugten Lichts; einer Apertur (19), die in dem Laserresonator angeordnet ist; und einer Einstellvorrichtung (20) zum Einstellen des Wertes des Durchmessers der Öffnung der Apertur (19), wobei die Laserleistung des Laserstrahls (70) durch Ändern des Wertes des Durchmessers der Öffnung der Apertur (19) geändert wird, während eine konstante Größe des Lichts von der Lichtquelle (4) zum Erregen des Festkörperelements (3) erhalten bleibt.
Festkörperlaservorrichtung (2100) mit einer optischen Übertragungsvorrichtung zum Übertragen eines Laserstrahls (70) mit einer optischen Faser (9), die als Gradientenfaser ausgebildet ist und einen Durchmesser Φ_c eines Kerns der optischen Faser (9), eine Brechzahl n₀ an der Mitte des Kerns des optischen Faser (9) und eine Differenz Δn zwischen den Brechzahlen an der Mitte des Kerns der optischen Faser (9) und an einem Umfangsabschnitt des Kerns der optischen Faser (9) aufweist; und einem Fokussiersystem (8, 101) der optischen Faser (9), das einen kleinsten fokussierten Punkt an der Einfallsseitenebene oder nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser (9) erzeugt, durch die der Laserstrahl (70) in die optische Faser (9) eingeführt wird, wobei ein Durchmesser Φ_in des Laserstrahls (70) an der Einfallsseitenebene der optischen Faser (9) die folgende Beziehung aufweist: 0,5 Φs ≤ Φin ≤ 1,5 Φs und Φs = (ΦcΦ0θ (2n0Δn)–1/2)1/2,wobei der Durchmesser des Laserstrahls (70) an der schmalsten Stelle Φ₀ und der Öffnungswinkel des Laserstrahls (70) 2 θ sind; einem Festkörperelement (3), das sich in ein Lasermedium ändert, wenn es durch Licht von einer Lichtquelle (4) erregt wird, und das Licht emittiert; einem Laserresonator zum Erzeugen eines Laserstrahls unter Verwendung des von dem Lasermedium (3) erzeugten Lichts, einer in dem Laserresonator angeordneten Apertur (191); und einer Bewegungsvorrichtung (108) zum Bewegen der Apertur (191) in der Richtung der optischen Achse des Laserresonators, wobei die Laserleistung des Laserstrahls (70) durch Bewegen der Position der Apertur (191) durch die Bewegungsvorrichtung (108) eingestellt wird, während eine konstante Größe des Lichts von der Lichtquelle (4) zum Erregen des Festkörperelementes (3) erhalten bleibt.
Festkörperlaservorrichtung (2300) mit einem Festkörperelement (3), das sich in ein Lasermedium ändert, wenn es durch Licht von einer Lichtquelle (4) erregt wird, und das Licht emittiert; einem Laserresonator zum Erzeugen eines Laserstrahls (70) unter Verwendung des in dem Lasermedium erzeugten Lichts; und einer optischen Übertragungsvorrichtung, die eine optische Faser (9) umfasst, durch die der Laserstrahl (70) übertragen wird, wobei die optische Faser (9) eine Gradientenfaser mit einem Durchmesser Φ_c des Kerns der Gradientenfaser, einer Brechzahl n₀ an der Mitte des Kerns der optischen Faser (9) und eine Differenz Δn zwischen den Brechzahlen an der Mitte des Kerns der optischen Faser (9) und an einem Umfangsabschnitt des Kerns der optischen Faser (9) umfaßt, wobei der Laserresonator einen totalreflektierenden Spiegel (1) und einen Ausgangsspiegel (2) aufweist, deren Krümmung die gleichen Werte aufweist, wobei das Festkörperelement (3) nahe einem mittleren Punkt zwischen dem totalreflektierenden Spiegel (1) und dem Ausgangsspiegel (2) angeordnet ist und der totalreflektierende Spiegel (1) dem Ausgangsspiegel (2) zur Bildung eines symmetrischen Resonators gegenübersteht und wobei die Festkörperlaservorrichtung (2300) weiterhin umfaßt: ein Fokussiersystem (8, 101) für die optische Faser (9), das einen kleinsten fokussierten Punkt an der Einfallsseitenebene oder nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser (9), durch die der Laserstrahl (70) in die optische Faser (9) eingeführt wird, aufweist, wobei ein Durchmesser Φ_in des Laserstrahls (70) an der Einfallsseitenebene der optischen Faser (9) die folgende Beziehung aufweist: 0,5 Φθ ≤ Φin ≤ 1,5 Φs und Φs = (ΦcΦ0θ(2n0Δn)–1/2)1/2 ± 50%,wobei der Durchmesser des Laserstrahls (70) an der schmalsten Stelle bei einem Ausgangspegel Φ₀ und ein Öffnungswinkel des Laserstrahls (70) 2θ sind.
Festkörperlaservorrichtung (2400) mit einem Festkörperelement (3), das sich in ein Lasermedium ändert, wenn es durch Licht von einer Lichtquelle (4) erregt wird, und das Licht emittiert; einem Laserresonator zum Erzeugen eines Laserstrahls (70) durch Verwendung des von dem Lasermedium erzeugten Lichts; und einer optischen Übertragungsvorrichtung mit einer optischen Faser (9), durch die der Laserstrahl (70) übertragen wird, wobei die optische Faser (9) eine Gradientenfaser mit einem Durchmesser Φ_c des Kerns der optischen Faser (9), einer Brechzahl n₀ an der Mitte des Kerns der optischen Faser (9) und einer Differenz Δn zwischen den Brechzahlen an der Mitte des Kerns und an einem Umfangsabschnitt des Kerns der optischen Faser (9) umfaßt, wobei der von dem Laserresonator erzeugte Laserstrahl (70) eine anisotrope Eigenschaft aufweist, bei der die Fokussiereigenschaften des Laserstrahls (70) in einer ersten Richtung (X-Richtung) und einer zweiten Richtung (Y-Richtung) unterschiedlich sind, und wobei die Festkörperlaservorrichtung (2400) weiterhin umfaßt: ein Fokussiersystem (84, 85, 101) für die optische Faser (9), das kleinste fokussierte Punkte in der X- und in der Y-Richtung an der Einfallsseitenabene oder nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser (9) aufweist, durch die der Laserstrahl (70) in die optische Faser (9) eingeführt wird, wobei die Durchmesser Φ_inx, Φ_iny des Laserstrahls (70) in X-Richtung und Y-Richtung an der Einfallsseitenebene der optischen Faser (9) die folgenden Beziehungen haben: 0,5 Φsx ≤ Φinx ≤ 1,5 Φsx, 0,5 Φsy ≤ Φiny ≤ 1,5 Φsy, Φsx = (Φcϕ0xθx(2n0Λn)–1/2)1/2 ± 50%,und Φsy = (Φ(ΦcΦ0y(2n0Λn)–1/2)1/2 ± 50%wobei die Durchmesser der schmalsten Stellen des Laserstrahls (70) in X-Richtungen und in Y-Richtungen bei einem Ausgangspegel Φ_0x und Φ_0y sind und die Öffnungswinkel des Laserstrahls (70) in X-Richtung und in Y-Richtung 2θ_x bzw. 2 θ_y betragen.
Festkörperlaservorrichtung mit einem Festkörperelement (3), das sich in ein Lasermedium ändert, wenn es durch Licht von einer Lichtquelle (4) erregt wird, und das Licht emittiert; einem Laserresonator zum Erzeugen eines Laserstrahls (70) unter Verwendung des von dem Lasermedium erzeugten Lichts; und einer optischen Übertragungsvorrichtung mit einer optischen Faser (9), durch die der Laserstrahl (70) übertragen wird, wobei die optische Faser (9) eine Gradientenfaser mit einem Durch messer Φ_c des Kerns der optischen Faser (9), einer Brechzahl n₀ in der Mitte des Kerns der optischen Faser (9) und einer Differenz Δn zwischen den Brechzahlen an der Mitte des Kerns und an einem Umfangsabschnitt des Kerns der optischen Faser (9) aufweist, wobei der von dem Laserresonator erzeugte Laserstrahl (70) eine anisotrope Charakteristik aufweist, bei der die Fokussiereigenschaften des Laserstrahls (70) unterschiedlich in einer ersten Richtung (X-Richtung) und einer zweiten Richtung (Y-Richtung) sind, und wobei die Festkörperlaservorrichtung weiter umfaßt: ein Fokussiersystem (84, 85, 101) für die optische Faser (9), das seinen kleinsten fokussierten Punkt an der Einfallsseitenebene oder nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser (9) aufweist, durch die der Laserstrahl (70) in die optische Faser (9) eintritt, wobei der Durchmesser Φ_in, der den größten Wert bei Φ_0xθ_x in X-Richtung und bei Φ_0yθ_y in der Y-Richtung an der Einfallsseitenebene der optischen Faser (9) besitzt, die folgende Beziehung aufweist: 0,5 Φs ≤ Φin ≤ 1,5 Φs, Φs = (ΦcΦ0θ(2n0Δn)–1/2)1/2 ± 50%,und Φ0θ = max(Φ0xθx, Φ0yθy)wobei der Durchmesser des Laserstrahls (70) an der schmalsten Stelle in X-Richtung und in Y-Richtung bei einem Ausgangspegel Φ_0x und Φ_0y betragen und die Öffnungswinkel des Laserstrahls (70) in der X-Richtung und in der Y-Richtung 2 θ_X bzw. 2 θ_y sind.
Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines Zielarbeitsgutes (800) mit einer Festkörperlaservorrichtung (2700) nach An spruch 1, und einem optischen Fokussiersystem (23) zum Fokussieren des von der Festkörperlaservorrichtung (2700) übertragenen Laserstrahls (70) und zum Richten des fokussierten Laserstrahls (70) auf das Zielarbeitsgut (800).
Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines Zielarbeitsgutes (800) mit der Festkörperlaservorrichtung (2900) nach Anspruch 1, wobei der aus der Festkörperlaservorrichtung (2900) austretende Laserstrahl (70) direkt auf das Zielarbeitsgut (800) zu dessen Bearbeitung gerichtet wird.