DE19644315A1 - Festkörperlaseroszillator und mit diesem versehene Bearbeitungsvorrichtung - Google Patents
Festkörperlaseroszillator und mit diesem versehene BearbeitungsvorrichtungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen
Festkörperlaseroszillator, der einen Laserstrahl stabil mit
hoher Ausgangsleistung und hoher Qualität erzeugen kann,
sowie eine Bearbeitungsvorrichtung, welche diesen
Festkörperlaseroszillator einsetzt.
Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau eines
Oszillatorabschnitts einer konventionellen
Festkörperlaservorrichtung, die bislang zur Erzeugung eines
Laserstrahls hoher Qualität verwendet wurde. In Fig. 5
bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein stabförmiges
Festkörperelement, beispielsweise einen mit Nd dotierten YAG-La
ser, also ND : YAG (Nd : Yttrium Aluminium Granat) Das
Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Anregungslichtquelle,
beispielsweise eine Kryptonbogenlampe, eine Xenonblitzlampe,
usw. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Kondensor, der so
ausgebildet ist, daß er das Festkörperelement 1 und die
Anregungslichtquelle 2 einschließt. Das Bezugszeichen 31
bezeichnet einen teilreflektierenden Spiegel, und das
Bezugszeichen 32 einen totalreflektierenden Spiegel.
Fig. 6 ist eine Schnittansicht eines Laseroszillators nach
dem Stand der Technik, nämlich eines stabilisierten
Laseroszillators mit hoher Qualität, wie beschrieben in
"Solid-State Laser Engineering", 2. Ausgabe, Springer-Verlag,
S. 192, 193. Die Bezugszeichen 11 und 12 bezeichnen ein
erstes bzw. zweites stabförmiges Festkörperelement, und die
Bezugszeichen 21 und 22 bezeichnen eine erste bzw. eine
zweite Anregungslichtquelle. Das Bezugszeichen 31 bezeichnet
einen teilreflektierenden Spiegel, 32 einen
totalreflektierenden Spiegel, 60 einen Kristallrotator für
eine optische Drehung um 90°, und 61 ein Brewster-Fenster.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wird der konventionelle
Laseroszillator erläutert. Bekanntlich ist die Qualität eines
Laserstrahls besser als das Verhältnis eines
Festkörperelements zu einem Gauss-Strahl, bei einer
Berechnung unter der Annahme, daß das Festkörperelement klein
wird. Aus diesem Grund wird die Länge eines Resonators
erhöht, so daß der theoretische Durchmesser eines Gauss-
Strahls in dem Festkörperelement erreicht wird, oder es wird
eine Aperturblende in dem Resonator vorgesehen, um die
Ordnung einer transversalen Mode an anderen Abschnitten als
dem Festkörperelement einzuschränken. Dies läßt sich durch
einen "versetzten" Laserresonator erzielen, bei welchem ein
reflektierender Spiegel mit einem kleinen Krümmungsradius von
beispielsweise 1 m oder weniger verwendet wird,
typischerweise 0,1 bis 0,5 m, wobei der Laserstrahl auf einen
kleinen Punkt auf der vorderen Oberfläche des reflektierenden
Spiegels fokussiert wird. Ein konvexer, teilreflektierender
Spiegel ist in der Nähe des Festkörperelements vorgesehen, um
einen reflektierenden Spiegel mit einer Länge von einigen
Metern zusammen mit einer konvexen Wärmelinse des
Festkörperelements auszubilden.
Bei einem durch die vorliegenden Erfinder durchgeführten
Versuch war der Resonator so aufgebaut, daß der Durchmesser
des theoretisch in der Nähe des Festkörperelements
berechneten Gauss-Strahls auf beispielsweise den Faktor 1/5
des Durchmessers des Festkörperelements vergrößert ist, und
hierdurch konnte ein Laserstrahl mit hoher Qualität erhalten
werden, also etwa 1/20 der Beugungsgrenze, was eine Ordnung
der transversalen Mode von etwa 20 bedeutet, also etwa 1/10
des Wertes bei einem üblichen Oszillator.
Ein derartiger Aufbau des Resonators führt allerdings zu der
Schwierigkeit, daß der Oszillatorwirkungsgrad sinkt, und die
Laserausgangsleistung schwankt. Dies ist wesentlich in einem
Fall, in welchem der Resonator mit hoher Ausgangsleistung von
100 W oder mehr betrieben wird, wenn die Verzerrungen des
Festkörperelements erhöht werden können. Diese Tendenz wird
mit erhöhter Qualität des Strahls deutlich.
Fig. 7 zeigt schematisch ein Beispiel für die
Oszillatoreigenschaften, die bei einem Versuch mit dem
konventionellen Festkörperlaseroszillator erhalten wurden. In
dem Diagramm bezeichnet die Linie A die
Oszillatorcharakteristik eines Laserstrahls mit schlechter
Strahlqualität, beispielsweise 1/200 der theoretischen
Grenze, also mit einer Ordnung von 200 der transversalen
Mode, und die Linie B zeigt die Oszillatorcharakteristik
eines Laserstrahls mit hoher Strahlqualität mit einer Ordnung
von 20 der transversalen Mode. Die Linie B zeigt keine
lineare Oszillatorcharakteristik, sondern eine gekrümmte
Charakteristik, die mehrere Spitzenwerte aufweist. Es wird
deutlich, daß die Schwankungen der Ausgangsleistung in den
Abschnitten der Täler der Oszillatorcharakteristik merkbar
werden, also im Zustand mit relativ niedriger
Ausgangsleistung.
Andererseits ist bei dem in Fig. 6 gezeigten Stand der
Technik bekannt, daß ein Laserstrahl mit stabilisierter
Ausgangsleistung mit hohem Wirkungsgrad erhalten werden kann,
wenn ein erstes und ein zweites stabförmiges
Festkörperelement 11 und 12 in Tandemanordnung vorgesehen
werden, und ein 90°-Kristallrotator 60 im Zentrum zwischen
diesen Festkörperelementen angeordnet wird, wenn der Einfluß
der von dem ersten Festkörperelement hervorgerufenen
Doppelbrechung durch das zweite Festkörperelement
ausgeglichen wird. Doppelbrechung betrifft das Phänomen, daß
zwei zueinander orthogonale Polarisationskomponenten
unterschiedliche Brechungsindizes sehen, infolge von
Wärmespannungen, die in dem Halbleiterelement hervorgerufen
werden. Der Laserstrahl, der auf das doppelbrechende
Festkörperelement auftrifft, sieht daher entsprechend seiner
Polarisationsrichtung eine von zwei Arten von Wärmelinsen.
Der 90°-Kristallrotator 60 dreht das polarisierte Licht des
Laserstrahls, der durch das erste Festkörperelement 11
hindurchgegangen ist, und läßt ihn auf das zweite
Festkörperelement 12 auftreffen. Daher sieht auch der auf das
erste Festkörperelement 11 einfallende Laserstrahl zwei Arten
von Wärmelinsen, wenn er durch beide Festkörperelemente
hindurchgegangen ist. Da der in beiden
Polarisationsrichtungen, welche durch die Doppelbrechung des
Festkörperelements vorgegeben werden, polarisierte
Laserstrahl beide Wärmelinsen in den insgesamt zwei
Festkörperelementen wahrnimmt, oszillieren zwei polarisierte
Strahlen im wesentlichen in demselben Zustand, so daß der
Effekt auftritt, als wäre die Trennung des polarisierten
Lichts infolge der Doppelbrechung soeben aufgehoben worden.
Die in Fig. 6 gezeigte Vorrichtung nach dem Stand der Technik
kann linear polarisiertes Licht wirksam und stabil treiben.
Darüber hinaus haben von den Erfindern der vorliegenden
Erfindung durchgeführte Versuche bestätigt, daß auch in einem
Resonator, in welchem linear polarisiertes Licht nicht
gewünscht ist, sondern ein Brewster-Fenster entfernt ist, das
sorgfältige Einfügen eines 90°-Kristallrotators 60 zwischen
zwei Festkörperelementen 11 und 12 zum Ausgleichen des
Einflusses der Doppelbrechung den Wirkungsgrad der
Laseroszillation erhöhen kann. Die
Oszillationscharakteristik, die durch die in Fig. 7 gezeigte
Kurve C dargestellt wird, sorgt für eine wirksame
Oszillatorsignalform ohne wesentliche Schwankungen.
Nunmehr erfolgt eine Erläuterung der Theorie des Unterschieds
zwischen den in Fig. 5 und 6 gezeigten Vorrichtungen nach dem
Stand der Technik. Bei der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung
nach dem Stand der Technik wird das Festkörperelement von
außen angeregt, so daß es thermisch verformt wird.
Beispielsweise ein Festkörperelement mit kreisförmigem
Querschnitt erfährt einen Unterschied der Ausdehnung des
Kristalls und eine Änderung des Brechungsindex in Richtung
des Durchmessers und in Radialrichtung des Schnitts. Die
Richtungen der beiden Dimensionen sind orthogonal zueinander,
so daß zwei Linsenwirkungen in diesen Richtungen erzeugt
werden. Laserstrahlen, die zwei grundlegende
Polarisationsmoden aufweisen, also die in den Fig. 8A und 8B
gezeigten Polarisationskomponenten, erfahren daher
Linsenwirkungen in unterschiedlichen Dimensionen, wenn sie
durch das Festkörperelement hindurchgehen. Aus diesem Grund
können die Durchmesser des Gauss-Strahles, die theoretisch
innerhalb des Festkörperelements für die Ausgangsleistung
einer Anregungslichtquelle berechnet werden, als zwei Kurven
B1 und B2, wie in Fig. 9B dargestellt, aufgetragen werden,
für die Laserstrahlen mit den grundlegenden
Polarisationsmoden, die in den Fig. 8A und 8B gezeigt sind.
Der durch zwei Kurven mit Durchmessern B1 und B2 des Gauss-
Strahls dargestellte Abschnitt ist ein Bereich, in weichem
eine Oszillation auftreten kann, welche für die jeweiligen
grundlegenden Polarisationsmoden berechnet werden kann. In
den übrigen Bereichen tritt infolge hoher Verluste des
Resonators keine Oszillation auf.
Nunmehr wird die durch Kurve B in Fig. 7 gezeigte
Oszillatorcharakteristik mit dem in Fig. 9B gezeigten
Oszillationsbereich verglichen. Experimentell wurde
herausgefunden, daß die durch Kurve B in Fig. 7 gezeigte
Oszillatorcharakteristik drei Ausgangswerte von Hügeln
aufweist, deren Abschnitte mit Oszillationsbereichen B11, B12
und B22 in Fig. 9B zusammenfallen. Dies bedeutet, daß eine
hohe Ausgangsleistung und eine hohe Stabilität nur unter der
Bedingung erhalten werden können, daß Strahlen mit zwei
Polarisationsmoden vollständig überlappt oszillieren, oder
nur die eine Polarisationsmode stabil oszilliert, wogegen
sich die andere Polarisationsmode in einem instabilen
Oszillatorbereich befindet. Dies läßt sich auf folgende
Tatsache zurückführen. Beispielweise tritt unter der
Grenzbedingung zwischen B11 und B12 in Fig. 9B ein Übergang
von der grundlegenden polarisierten Lichtmode auf die andere
polarisierte Lichtmode auf, infolge von Schwankungen oder
ungleichförmigen Verzerrungen der Wärmelinse in dem
Festkörperelement. Daher treten teilweise
Resonatorschwingungen in der Polarisationsmode mit hohen
Verlusten auf, so daß sich die Verstärkungen von
Festkörperelementen gegenseitig auslöschen können. Dies führt
insgesamt dazu, daß die Resonatorverluste erhöht werden, so
daß die Laserausgangsleistung absinkt und der Laser instabil
wird.
Andererseits führt bei dem in Fig. 6 gezeigten Stand der
Technik der Oszillator dazu, daß eine Umwandlung der
Polarisation mit Hilfe eines Polarisationsrotators (90°-Kri
stallrotator 60) erfolgt, der zwischen den beiden
Festkörperelementen 11 und 12 eingeführt ist, wodurch ein
Unterschied zwischen den Resonatormoden in den beiden Arten
der Polarisationsmoden ausgeglichen wird. Es ergibt sich der
in Fig. 9A gezeigte Oszillationsbereich. Die
Oszillationsbereiche A1 und A2 in beiden Polarisationsmoden
sind im wesentlichen überlappend angeordnet. Auf diese Weise
schwingen beide Polarisationsmoden gleichförmig mit geringen
Verlusten, so daß eine stabilisierte Schwingung mit hohem
Wirkungsgrad erhalten werden kann, wie durch die Kurve C in
Fig. 7 gezeigt.
Wie voranstehend geschildert, war beim Stand der Technik zur
Verbesserung der Qualität eines Laserstrahls der Oszillator
so ausgebildet, daß das Verhältnis des Durchmessers eines
Festkörperelements zum Durchmesser eines theoretisch in dem
Festkörperelement berechneten Gauss-Strahls klein ist.
Allerdings wird bei einer hohen Ausgangsleistung von 100 W
oder mehr des Lasers der Oszillatorwirkungsgrad
verschlechtert, und beginnt die Ausgangsleistung zu
schwanken, infolge des Einflusses der Doppelbrechung.
Weiterhin wurde zur Ausschaltung derartiger Nachteile eine
Vorgehensweise zum Ausgleich der Doppelbrechung eingesetzt,
bei welcher ein Kristallrotator zwischen zwei in
Tandemanordnung angeordneten Festkörperelementen vorgesehen
wurde. Allerdings waren für diesen Zweck zwei
Festkörperelemente mit im wesentlichen derselben Qualität
erforderlich, und war es darüber hinaus nötig, die Elemente
präzise auf einer optischen Achse anzuordnen.
Die vorliegende Erfindung wurde dazu entwickelt, derartige
Probleme zu lösen, und soll einen Festkörperlaseroszillator
zur Verfügung stellen, welcher die Erzeugung eines
Laserstrahls mit hoher Qualität und hoher Ausgangsleistung
gestattet, selbst wenn ein einzelnes stabförmiges
Festkörperelement vorgesehen ist.
Darüber hinaus soll gemäß der vorliegenden Erfindung eine
Bearbeitungsvorrichtung zur Verfügung gestellt werden, welche
einen derartigen Hochleistungs-Festkörperoszillator
verwendet.
Der Festkörperlaseroszillator gemäß der vorliegenden
Erfindung weist ein Festkörperelement mit einem aktiven
Lasermedium auf, welches bei der Anregung mehrere Wärmelinsen
aufweist; sowie reflektierende Spiegel, die einander
gegenüberliegend auf beiden Seiten des Festkörperelements so
angeordnet sind, daß ihre optischen Achsen übereinstimmen,
wobei eine vorbestimmte Beziehung zwischen dem
Brechungskoeffizienten und der Länge des Festkörperelements
vorhanden ist, zwischen den Krümmungsradien der
reflektierenden Spiegel, zwischen der Entfernung zwischen den
reflektierenden Spiegeln und dem Festkörperelement, und
zwischen der Differenz des Wertes von 1/f zwischen mehreren
Wärmelinsen infolge der Doppelbrechung des
Festkörperelements, so daß Oszillationsbereiche infolge der
mehreren Wärmelinsen voneinander getrennt sind.
Die vorbestimmte Beziehung besteht in einem stabförmigen YAG-Fest
körperelement.
Die vorbestimmte Beziehung ist so, daß die
Wärmelinsenbereiche, welche eine Oszillatorwirkung gestatten,
nicht größer sind als 20% des Zentrumswertes der mehreren
Wärmelinsen.
Die Bearbeitungsvorrichtung, welche diesen
Festkörperlaseroszillator verwendet, weist einen
Festkörperlaseroszillator auf, der ein Festkörperelement
enthält, das ein aktives Lasermedium enthält und mehrere
Wärmelinsen bei der Anregung zur Verfügung stellt; und weist
reflektierende Spiegel auf, die einander gegenüberliegend auf
beiden Seiten des Festkörperelements so angeordnet sind, daß
ihre optischen Achsen übereinstimmen, wobei eine vorbestimmt e
Beziehung zwischen dem Brechungsindex und der Länge des
Festkörperelements vorhanden ist, zwischen den
Krümmungsradien der reflektierenden Spiegel, der Entfernung
zwischen den reflektierenden Spiegeln, und der Differenz des
Wertes von 1/f zwischen mehreren Wärmelinsen infolge der
Doppelbrechung des Festkörperelements, so daß
Oszillationsbereiche infolge der mehreren Wärmelinsen
voneinander getrennt sind; wobei ein
Festkörperlaseroszillator vorgesehen ist, der ein
stangenförmiges YAG-Festkörperelement aufweist, oder ein
Festkörperlaseroszillator vorgesehen ist, bei welchem die
voranstehend geschilderte Beziehung so gewählt ist, daß die
eine Oszillation erzeugenden Wärmelinsenbereiche nicht größer
sind als 20% des Zentrumswerts der mehreren Wärmelinsen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus
welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht des Aufbaus eines
Oszillatorabschnitts gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2A und 2B Diagramme des Oszillationsbereiches und der
Oszillatorcharakteristik bei der ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Wärmelinse
eines Oszillators und der
Anregungslichtquellenausgangsleistung bei der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Darstellung des Aufbaus einer
Bearbeitungsvorrichtung, welche den
Festkörperlaseroszillator gemäß der zweiten
Ausführungsform verwendet;
Fig. 5 eine Ansicht des Aufbaus des Oszillatorabschnitts
nach dem Stand der Technik;
Fig. 6 eine Ansicht des Aufbaus eines Oszillatorabschnitts
nach einem weiteren Stand der Technik;
Fig. 7 ein Diagramm der Oszillatorcharakteristik bei dem
Oszillatorabschnitt nach dem Stand der Technik;
Fig. 8A und 8B Darstellungen der
Polarisationscharakteristik des
Oszillatorabschnitts nach dem Stand der Technik;
und
Fig. 9A und 9B Diagramme der Polarisationscharakteristik
des Oszillatorabschnitts nach dem Stand der
Technik.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 erfolgt nunmehr eine
Beschreibung der ersten Ausführungsform. Fig. 1 zeigt
schematisch die Ausbildung eines Oszillatorteils gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die
Bezugszeichen 1, 2, 3 und 4 bezeichnen entsprechende Elemente
wie der in Fig. 5 gezeigte Stand der Technik. Die vorliegende
Ausführungsform unterscheidet sich von dem Stand der Technik
gemäß Fig. 5 in der Hinsicht, daß die jeweiligen Krümmungen
R1 und R2 und die Entfernungen L1 und L2 vom Ende des
Festkörperelements 1 eines teilreflektierenden Spiegels 31
und eines total reflektierenden Spiegels 32 eine bestimmte
Bedingung erfüllen.
Bei einem Oszillator, der ein Festkörperelement enthält,
dessen Wärmelinsen sich in Abhängigkeit von der
Eingangsleistung (also der Ausgangsleistung einer
Anregungslichtquelle) ändern, existiert ein Bereich für die
Oszillatorwirkung des Festkörperelements. Der Bereich oder
der Umfang der Wärmelinse hängt mit den Abmessungen des
Resonators zusammen. Wenn ein Spiegel mit kleinerem
Krümmungsradius zur Erhöhung der Resonatorlänge verwendet
wird, verringert sich der Bereich der Wärmelinse.
Da das eine Doppelbrechung aufweisende Festkörperelement
verschiedene Werte verschiedener Wärmelinsen für
unterschiedliche Polarisationsmoden bei dem in Fig. 5
dargestellten Stand der Technik aufweist, beginnen
andererseits die beiden Strahlen in den beiden
Polarisationsmoden bei unterschiedlichen
Anregungslichtquellenausgangsleistungen zu schwingen, so daß
sich die durch die Kurve B in Fig. 7 gezeigte
Ausgangsleistungscharakteristik ergibt. Die Bereiche der
Anregungslichtquellenausgangsleistungen entsprechend
Oszillationen in den Polarisationsmoden werden als
"Oszillationsbereiche" bezeichnet. In diesem Zustand
überlappen sich zwei Oszillationsbereiche zur Hälfte, so daß
die Selektivität der Polarisationsmode schlecht ist, und die
Laserausgangsleistung instabil ist. Wenn daher die Breite des
Oszillationsbereichs verringert wird, um die Überlappung der
Oszillationsbereiche in zwei Polarisationsmoden zu
verringern, steigen die Oszillations- oder
Schwingungsverluste an, wenn die Breite des
Oszillationsbereichs auf die Hälfte verringert wird, so daß
die Instabilität ansteigt. Wird jedoch die Breite des
Oszillationsbereichs ausreichend eingeengt, so daß die
Oszillationsbereiche in zwei Polarisationsmoden voneinander
getrennt werden, tritt plötzlich ein Zustand auf, in welchem
der Laser mit hohem Wirkungsgrad unter geringen Verlusten
schwingt.
Der Oszillationsbereich und die Oszillatorcharakteristik sind
in den Diagrammen der Fig. 2A und 2B gezeigt. Der
Oszillationsbereich ist in zwei Bereiche unterteilt. Die
Breiten der jeweiligen Oszillationsbereiche sind verengt,
verglichen mit den Kurven B und C, welche die in Fig. 7
dargestellte Oszillationscharakteristik aufweisen. Allerdings
kann man an den Spitzenwerten der Ausgangsleistung in den
jeweiligen Oszillationsbereichen stabilisierte
Ausgangsleistungen mit sehr hohem Wirkungsgrad erhalten. Der
Grund hierfür liegt an folgendem. Da die Oszillationsbereiche
in den beiden Polarisationsmoden vollständig voneinander
getrennt sind, wird die Selektivität für die eine
Polarisationsmode ausreichend erhöht, selbst wenn man die
Instabilität des Festkörperelements berücksichtigt. Daher
konzentriert sich die Verstärkung des Festkörperelements
stabil in der einen Polarisationsmode. Dieses Verfahren ist
anders als der Stand der Technik gemäß Fig. 6, bei welchem
Oszillationsbereiche in beiden Polarisationsmoden dazu
veranlaßt werden, vollständig übereinzustimmen, um die
Laserausgangsleistung zu stabilisieren.
In Fig. 2A wird die Breite zwischen zwei
Oszillationsbereichen durch Δ (1/f) ausgedrückt, aus dem
Grund, daß die Ausgangsleistung einer angeregten Lichtquelle
in der Beziehung von 1 : 1 zum Wert von (1/f) steht.
Beispielsweise betrug im Falle eines stangenförmigen YAG-La
sers bei einem von den vorliegenden Erfindern
durchgeführten Versuch die Differenz der thermischen Linse
(1/f), die den Kehrwert der Brennweite zwischen zwei
Polarisationsmoden beträgt, etwa 20% der thermischen Linse
(1/f). Der Oszillator, der in einer schmaleren thermischen
Linse schwingt als die Differenz der thermischen Linse
beträgt, ist tatsächlich so aufgebaut, daß ein
Resonatorspiegel getrennt in einem sehr kurzen
Krümmungsradius R1 = 100 mm angeordnet ist, und in einer sehr
kurzen Entfernung von dem Ende eines Festkörperelements,
nämlich L1 = 450 mm, wogegen andere Resonatorspiegel bei R2 =
-100 mm und L2 = 550 mm angeordnet ist, so daß
Laseroszillation in dem Bereich von etwa 240 bis 280 mm der
Brennweite (f) der thermischen Linse des Festkörperelements
auftreffen.
Bei diesem Oszillator liegt daher das Zentrum der thermischen
Linse bei (1/f) = 1/260 (mm-1), so daß die Differenz der
thermischen Linse, die etwa 20% dieses Wertes beträgt, sich
ergibt zu
0,2 (1/f) = 0,00077 (mm-1).
Andererseits beträgt der Bereich der oszillierenden
thermischen Linse
1/240 - 1/280 = 0,00060 (mm-1).
Auf diese Art und Weise ist der Bereich der oszillierenden
thermischen Linse enger als die Differenz der thermischen
Linse des Festkörperelements, so daß die Oszillationsbereiche
entsprechend der jeweiligen Polarisationsmode getrennt sind.
Die voranstehenden Tatsachen werden unter Bezugnahme auf das
Diagramm erläutert, welches in Fig. 3 die Beziehung zwischen
einer thermischen Linse (1/f) und der
Anregungsausgangsleistung (W) einer Anregungslichtquelle
zeigt. Wenn beispielsweise gleichzeitig zwei thermische
Linsen (nämlich eine thermische Linse 1 und eine thermische
Linse 2) vorhanden sind, werden für den Bereich der
thermischen Linse (Δ (1/f)), der bei einer bestimmten Linse
zentriert ist (1/f), Oszillationsbereiche so eingestellt, daß
der Oszillationsbereich Nr. 1, der von der thermischen Linse
1 erzeugt wird, und der Oszillationsbereich Nr. 2, der von
der thermischen Linse 2 erzeugt wird, sich nicht überlappen.
Man sieht, daß die Differenz zwischen der thermischen Linse 1
und der thermischen Linse 2 den Wert von 20% von (1/f)
aufweist.
Nachstehend erfolgt eine analytische Erläuterung der
Bedingungen für einen derartigen Resonator. Um bei diesem
Resonator die Oszillationsbereiche entsprechend den
jeweiligen Polarisationsmoden vollständig voneinander zu
trennen, ist es erforderlich, daß die Breiten der jeweiligen
Oszillationsbereiche enger sind als die Differenz zwischen
den Oszillationsbereichen in den zwei Polarisationsmoden.
Bekanntlich läßt sich auf der Grundlage des Berichts von V.
Magni et al die Beziehung zwischen der Breite des
Oszillationsbereiches und den Abmessungen des Resonators
folgendermaßen berechnen.
Nimmt man an, daß die Brennweite der thermischen Linse des
Festkörperelements f ist, so kann die Breite des
Oszillationsbereichs, ausgedrückt auf der Grundlage eines
thermischen Linsenbereiches Δ (1/f), folgendermaßen
ausdrücken, unter Verwendung konstruktiver Werte R1, R2, L1
und L2 des Resonators in Fig. 1, der Länge L des
Festkörperelements, und eines Brechungsindex n0.
Δ (1/f) = 1/(max(|u1|, |u2|))
wobei
u1 = (L1 + L/2·n0) (1 - (L1 + L/2·n0)/R1)
u2 = (L1 + L/2·n0) (1 - (L2 + L/2·n0)/R2).
u2 = (L1 + L/2·n0) (1 - (L2 + L/2·n0)/R2).
Nunmehr wird angenommen, daß der Zentrumswert der thermischen
Linse des Festkörperelements, wo der Oszillator schwingt, 1/f
beträgt (wenn der Minimalwert der thermischen Linse gleich
1/f1 ist, und der entsprechende Maximalwert 1/f2, so ist 1/f
= (1/f1 + 1/f2)/2), und ist es erforderlich, daß der
thermische Linsenbereich (Δ (1/f)) zur Bereitstellung der
gewünschten Oszillation enger ist als dieser Wert. Daher
ergibt sich folgende Bedingung für den Resonator.
1/(max(max(|u1|, |u2|)) 0,2 (1/f).
Die Abmessungen von R1, R2, L1 und L2 des Resonators können
so festgelegt werden, daß diese Bedingung erfüllt ist.
Unter der Annahme, daß |u1| |u2| ist, läßt sich die
Bedingung für den voranstehenden Resonator folgendermaßen
verreinfachen.
R1 (L1 + L/2·n0)²/(L1 + L/2·n0 - f/0,2).
Andererseits läßt sich, unter der Annahme |u1| |u2|, die
Bedingung für den voranstehenden Resonator folgendermaßen
vereinfachen.
R2 (L2 + L/2·n0)²/(L2 + L/2·n0 - t/0,2).
Wie voranstehend geschildert, können zwei
Oszillationsbereiche voneinander getrennt werden, da der
Oszillator so aufgebaut ist, daß eine vorbestimmte Beziehung
herrscht zwischen dem Brechungsindex n0 und der Länge l des
Festkörperelements, den Krümmungsradien R1, R2 der
reflektierenden Spiegel, den Entfernungen L, L2 zischen den
reflektierenden Spiegeln und dem Festkörperelement, und der
Differenz des Wertes von 1/f zwischen mehreren Wärmelinsen
infolge der Doppelbrechung des Festkörperelements
(beispielsweise 0,2 (1/f) im Falle eines stangenförmigen YAG-La
sers). Daher ist die Polarisationsmode des Laserstrahls
während der Oszillation auf einen der thermischen
Linsenbereiche beschränkt. Dieses verbessert die Selektivität
bezüglich der Polarisationsmode, so daß ein Laserstrahl zur
Verfügung gestellt wird, der eine stabilisierte
Ausgangsleistung mit hoher Qualität und hohem Wirkungsgrad
aufweist, selbst für eine Mode niedriger Ordnung.
Das YAG-Festkörperelement weist keine so hohe Doppelbrechung
auf, verglichen mit anderen Festkörperelementen. Aus diesem
Grund erhöht die Stangenform dieses Elements die Differenz
der thermischen Linsen, so daß die Oszillationsbereiche
einfach voneinander getrennt werden können, was ein besseres
Ergebnis zur Verfügung stellt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 erfolgt nunmehr eine Erläuterung
einer Ausführungsform, bei welcher der
Festkörperlaseroszillator, der die Bedingungen für den
Resonator erfüllt, bei einer Bearbeitungsvorrichtung
eingesetzt wird. In Fig. 4 bezeichnet das Bezugszeichen 70
einen Festkörperlaseroszillator, der unter Bezugnahme auf die
erste Ausführungsform bereits beschrieben wurde, 80
bezeichnet eine Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung
mit einem Bearbeitungstisch 81 und einem Bearbeitungskopf 82.
Ein Laserstrahl hoher Qualität wird von dem
Festkörperlaseroszillator 70 ausgesandt. Der Laserstrahl 10
wird dem Bearbeitungskopf 82 beispielsweise durch eine
Faseroptik 33 oder einen gebogenen Spiegel 34 zugeführt und
auf ein zu bearbeitendes Werkstück 83 fokussiert. Das zu
bearbeitende Werkstück 83 ist auf dem Bearbeitungstisch 81
befestigt. Der Bearbeitungskopf 82 oder der Bearbeitungstisch
81 wird so bewegt, daß die Laserbearbeitung wie
beispielsweise Schneiden, Schweißen oder Markieren,
durchgeführt werden können.
Die vorliegende Erfindung mit dem voranstehend geschilderten
Aufbau sorgt für die folgenden Auswirkungen.
Der Festkörperlaseroszillator gemäß der vorliegenden
Erfindung weist ein Festkörperelement auf, welches ein
aktives Lasermedium enthält und bei Anregung mehrere
Wärmelinsen aufweist; sowie reflektierende Spiegel, die
einander gegenüberliegend auf beiden Seiten des
Festkörperelements angeordnet sind, so daß ihre optischen
Achsen übereinstimmen, wobei eine vorbestimmte Beziehung
zwischen dem Brechungsindex und der Länge des
Festkörperelements besteht, den Krümmungsradien der
reflektierenden Spiegel, der Entfernung zwischen den
reflektierenden Spiegeln und dem Festkörperelement, und der
Differenz des Wertes von 1/f zwischen mehreren thermischen
Linsen infolge der Doppelbrechung des Festkörperelements, so
daß Oszillationsbereiche infolge der mehreren thermischen
Linsen voneinander getrennt sind. Die Polarisationsmode des
Laserstrahls während der Oszillation ist daher auf einen der
thermischen Linsenbereiche beschränkt. Dies verbessert die
Selektivität bezüglich der Polarisationsmode, so daß ein
Laserstrahl bereitgestellt wird, der eine stabilisierte
Ausgangsleistung mit hoher Qualität und hohem Wirkungsgrad
aufweist, selbst bei einer Mode niedriger Ordnung.
Das Festkörperelement ist als stangenförmiges YAG-Fest
körperelement ausgebildet. Bei dem YAG-Festkörperelement,
welches eine geringe Doppelbrechung aufweist, erhöht daher
die Stangenform dieses Elements die Differenz der thermischen
Linsen, so daß die Oszillationsbereiche einfach voneinander
getrennt werden können. Dies verbessert die Selektivität der
Polarisationsmode, so daß ein Laserstrahl bereitgestellt
wird, der eine stabilisierte Ausgangsleistung mit hoher
Qualität und hohem Wirkungsgrad aufweist, selbst bei einer
Mode niedriger Ordnung.
Weiterhin ist die vorbestimmte Beziehung so eingestellt, daß
die Bereiche der thermischen Linsen, welche zur Oszillation
führen, weniger als 20% des Zentrumswertes der mehreren
thermischen Linsen betragen. Die Polarisationsmode des
Laserstrahls während der Oszillation ist daher auf einen der
thermischen Linsenbereiche beschränkt. Dies verbessert die
Selektivität bezüglich der Polarisationsmode, so daß ein
Laserstrahl mit stabilisierter Ausgangsleistung mit hoher
Qualität und hohem Wirkungsgrad zur Verfügung gestellt wird,
selbst bei einer Mode niedriger Ordnung.
Die Bearbeitungsvorrichtung, welche den
Festkörperlaseroszillator verwendet, verwendet einen
Festkörperlaseroszillator mit einem Festkörperelement, das
ein aktives Lasermedium aufweist und bei der Anregung mehrere
thermische Linsen erzeugt; sowie reflektierende Spiegel, die
einander gegenüberliegend auf beiden Seiten des
Festkörperelements angeordnet sind, so daß ihre optischen
Achsen übereinstimmen, wobei eine vorbestimmte Beziehung
zwischen dem Brechungsindex und der Länge des
Festkörperelements besteht, den Krümmungsradien der
reflektierenden Spiegel, der Entfernung zwischen den
reflektierenden Spiegeln und dem Festkörperelement, und der
Differenz des Wertes von 1/f zwischen mehreren Wärmelinsen
infolge der Doppelbrechung des Festkörperelements, so daß
Oszillationsbereiche infolge der mehreren thermischen Linsen
voneinander getrennt sind; verwendet einen
Festkörperlaseroszillator, der ein stangenförmiges YAG-Fest
körperelement verwendet, oder verwendet einen
Festkörperlaseroszillator, bei welchem die voranstehend
geschilderte Beziehung so gewählt ist, daß die thermischen
Linsenbereiche, welche eine Oszillation hervorrufen, nicht
größer sind als 20% des Zentrumswertes der mehreren
thermischen Linsen. Daher wird der Festkörperlaseroszillator,
der einen Laserstrahl erzeugt, der eine stabilisierte
Ausgangsleistung mit hoher Qualität und hohem Wirkungsgrad
verwendet, in der Vorrichtung angebracht, so daß die
Vorrichtung einfach eingestellt werden kann, und die Qualität
der Bearbeitung verbessert werden kann.
Claims (4)
1. Festkörperlaseroszillator mit:
einem Festkörperelement, welches ein aktives Lasermedium enthält und bei der Anregung mehrere thermische Linsen aufweist, und
reflektierenden Spiegeln, die einander gegenüberliegend auf beiden Seiten des Festkörperelements so angeordnet sind, daß ihre optischen Achsen übereinstimmen,
wobei eine vorbestimmte Beziehung besteht zwischen
dem Brechungsindex und der Länge des Festkörperelements,
den Krümmungsradien der reflektierenden Spiegel,
der Entfernung zwischen dem Festkörperelement und den reflektierenden Spiegeln, und
der Differenz des Wertes von 1/f zwischen den mehreren thermischen Linsen infolge der Doppelbrechung des Festkörperelements,
so daß Oszillationsbereiche infolge der mehreren thermischen Linsen voneinander getrennt sind.
einem Festkörperelement, welches ein aktives Lasermedium enthält und bei der Anregung mehrere thermische Linsen aufweist, und
reflektierenden Spiegeln, die einander gegenüberliegend auf beiden Seiten des Festkörperelements so angeordnet sind, daß ihre optischen Achsen übereinstimmen,
wobei eine vorbestimmte Beziehung besteht zwischen
dem Brechungsindex und der Länge des Festkörperelements,
den Krümmungsradien der reflektierenden Spiegel,
der Entfernung zwischen dem Festkörperelement und den reflektierenden Spiegeln, und
der Differenz des Wertes von 1/f zwischen den mehreren thermischen Linsen infolge der Doppelbrechung des Festkörperelements,
so daß Oszillationsbereiche infolge der mehreren thermischen Linsen voneinander getrennt sind.
2. Festkörperlaseroszillator nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Festkörperelement ein
stangenförmiges YAG-Festkörperelement ist.
3. Festkörperlaseroszillator nach einem der Ansprüche 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte
Beziehung so gewählt ist, daß die thermischen
Linsenbereiche, welche eine Oszillation zulassen, nicht
größer sind als 20% des Zentrumswertes der mehreren
thermischen Linsen.
4. Bearbeitungsvorrichtung mit einem
Festkörperlaseroszillator nach einem der Ansprüche 1 bis
3.
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