DE19817848A1

DE19817848A1 - Resonatoranordnung für Festkörperlaser

Info

Publication number: DE19817848A1
Application number: DE1998117848
Authority: DE
Inventors: Lutz Langhans; Thomas Renner
Original assignee: Carl Baasel Lasertechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Carl Baasel Lasertechnik GmbH and Co KG
Priority date: 1998-04-22
Filing date: 1998-04-22
Publication date: 1999-12-16

Description

Technisches Gebiet und Stand der Technik

In den letzten Jahren haben vermehrt Nd : YAG Schweißlaser Einzug in den Schmuck- und Dentaltechnikbereich gehalten. Mit diesen sogenannten Handschweißlasern können präzise Punkt- und Naht schweißungen im Sub-Millimeter Bereich durchgeführt werden. Neben dem Vorteil der lotfreien Verbindungen ist vor allem die thermische Schonung im Vergleich zur bisherigen Flammentechnik hervorzuheben. Alle marktüblichen Geräte haben einen typischen Aufbau, wie er in Abb. 1 dargestellt ist. Die dabei verwendeten üblichen "klassischen" Resonatoren sind zumeist so aufgebaut, wie in Abb. 2a zu erkennen, mit einem planen Auskoppelspiegel und einem konkaven Rückspiegel. Der Laserstab sitzt ungefähr in der Mitte zwischen den Spiegeln.

Alle Geräte haben mit dem Problem der "thermischen Linse" des Nd : YAG-Stabes und dem damit verbundenen "Erstpulsverhalten" zu kämpfen. Dieses Problem läßt sich auf die sogenannte thermische Linse im Nd : YAG-Stab zurückführen. Durch das Pumpen über eine Blitzlampe und die Wasserkühlung stellt sich im Nd : YAG-Stab ein radiales Temperaturprofil ein, welches sich über die charakteri stische Materialkonstante dn/dT in ein Brechungsindexprofil und somit in eine Linsenwirkung transformiert. Abhängig von der bereits eingestrahlten Pumpenergie bzw. der Kühlung durch das Kühlwasser ist diese Linsenwirkung von der Pumpleistung abhän gig. In Abb. 3 ist eine Simulation der Spotgröße im Fokus ohne Aufweitung in Abhängigkeit der Pumpleistung, d. h. bei variieren der thermischer Linse und für verschiedene Spiegelradien aufge tragen. Man erkennt deutlich das Ansteigen des Fokusdurchmessers mit steigender Pumpleistung. Kleinere Krümmungsradien des Rückspiegels führen zwar zu einer geringeren relativen Änderung, aber insgesamt zu größeren Werten des Fokusdurchmessers. Bei Einzelpulsen oder bei Erstpulsen (niedrige Pumpleistung) ist die Linsenwirkung noch gering, beim Dauerpulsen (hohe Pumpleistung) mit einer eingestellten Frequenz baut sich die Linse bis zu einem Wert auf, der von der mittleren Pumpleistung im Dauerbe trieb abhängt. Durch diese Linsenwirkung wird sowohl die Strahl qualität und somit die Spotgröße in der Bearbeitungsebene als auch (geringfügiger) die Pulsenergie beeinflußt. Für den Benut zer, dessen relevante Größe die Energiedichte, also die Puls energie dividiert durch die Spotgröße ist, stellt sich dieses Phänomen je nach Schweißvorgeschichte in stark varriierenden Schweißergebnissen dar.

Eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, besteht darin, den Laserstrahl durch eine hinreichend lange Glasfaser zu übertra gen. Da die Glasfaser den Durchmesser des Strahls nicht konser viert, hat der ausgekoppelte Strahl in der Regel einen konstan ten Durchmesser und eine nahezu konstante Divergenz. Allerdings wird durch diese Methode die Strahlqualität derart verschlech tert, daß die Fokussiereinheit entsprechend angepaßt werden muß und dadurch die sogenannte "Gutmütigkeit" des Schweißprozesses leidet, weil die Schärfentiefe in der Bearbeitungsebene geringer wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine stärkere Aufweitung vor dem Strahlteiler einzusetzen und außerhalb des Fokusbereichs in der Nähe der gleich groß bleibenden Abbildung der Staboberfläche zu arbeiten. Dadurch reduziert sich ebenfalls das Erstpulsverhalten. Allerdings verschlechtert sich gleichzei tig wieder die "Gutmütigkeit" (Schärfentiefe des Laserfokus systems in der Bearbeitungsebene).

Darstellung der Erfindung

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Abb. 2b, 4 und 5 ein spezieller Resonatortyp vorgestellt, der bei der oben angespro chenen Laserklasse das Erstpulsverhalten bis unter die Nachweis grenze des Benutzers reduziert und gleichzeitig die Gutmütig keit, d. h. die Schärfentiefe des Lasers beibehält.

Der neue "sweet spot" Resonator (siehe Abb. 2b) ist extrem unsymmetrisch. Das eine Stabende ist teilverspiegelt und plan und dient als Auskoppelspiegel. Das andere Stabende ist konvex gekrümmt und dient als Sammellinse im Resonator. Der Rückspiegel ist konvex gekrümmt. Diese spezielle Anordnung der Komponenten führt bei entsprechender Auslegung der Resonatorlänge und der jeweiligen Krümmungsradien zu einem Resonator, der bei kurzer Baulänge einen kleinen Fokus erzeugt, welcher nahezu unabhängig von der Frequenz bzw. Pumpleistung ist. Eine mögliche Auslegung der Komponenten sieht dabei wie folgt aus:
Resonatorlänge: 290 mm
Krümmungsradius Rückspiegel: 0.1 m cvx
Krümmungsradius Nd : YAG Stab: 0.22 m cvx
Länge des Nd : YAG Stabes: 90 mm

Auf diesen Resonator beziehen sich auch alle vorgestellten Meßergebnisse.

Ähnliche Ergebnisse können mit leicht modifizierten Parametern (Krümmungsradien & Resonatorlänge) erzielt werden.

Das hervorzuhebende Merkmal ist, daß unter Verwendung von zwei konvex gekrümmten Radien (Rückspiegel & Stab) die Resonatorlänge bei den verwendeten Pumpleistungen auf einen Wert, der erheblich unter 500 mm liegt, reduziert werden kann.

Abb. 4 zeigt den Vergleich eines "klassischen" Resonators mit dem neuen "sweet spot" Resonator in der Simulation. Wie deutlich zu sehen ist, hat der "sweet spot" Resonator nicht nur einen nahezu konstanten Fokusdurchmesser, während beim "klassischen" Resonator der Fokusdurchmesser mit steigender thermischer Linse zunimmt; der Fokusdurchmesser ist auch noch im gesamten Bereich deutlich kleiner. Diese gerechneten Ergebnisse werden bestätigt durch die Messungen in Abb. 5 (1 Stab beim "Stand der Technik", 4 verschiedene Stäbe beim erfindungsgemäßen "sweet spot" Resonator).

Anzumerken ist, daß die Pulsenergie ebenfalls nahezu unabhängig von der Vorgeschichte der Pumpleistung ist. Damit bleiben sowohl der Fokusdurchmesser als auch die Energiedichte konstant, was für den Anwender von zentralem Interesse ist.

Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung sind Nd : YAG Schweißlaser mit einer Resonatorlänge kleiner 500 mm sowie einer maximalen Pumpdurchschnittsleistung bis 2 kW (entspricht etwa 60 W mittlerer Laserleistung).

Bezugszeichenliste

1

Nd : YAG Laserstab

2

Auskoppelspiegel

3

Konkaver Rückspiegel

4

Laserstrahl

5

Strahlaufweitung mit Divergenzverstellung

6

Umlenkspiegel

7

Fokussierlinse

8

Schärfenebene der Beobachtung (Bearbeitungsebene)

9

Beobachtungsrichtung

10

teilreflektierende Sicht

11

konvex gekrümmtes Stabende

12

konvex gekrümmter Rückspiegel

Claims

1. Resonatoranordnung für Festkörperlaser, die eine ther misch induzierte Linsenwirkung zeigen, mit einem Laserstab, einem Rückspiegel und einem teilreflektierendem Auskoppelspie gel, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückspiegel konvex gekrümmt ist, daß das dem Rückspiegel zugewandte Ende des Laserstabs ebenfalls konvex gekrümmt ist und daß der Auskoppel spiegel von dem anderen Ende des Laserstabs gebildet wird, wozu dieses Ende teilverspiegelt ist.

2. Resonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das teilverspiegelte Ende des Laserstabs eben ausgebildet ist.

3. Resonatoranordnung gemäß dem Oberbegriff von Patentan spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückspiegel konvex gekrümmt ist, daß das dem Rückspiegel zugewandte Ende des Laserstabs ebenfalls konvex gekrümmt ist und daß der Auskoppel spiegel in unmittelbarer Nähe zum Laserstabende angeordnet ist, vorzugsweise in einem Abstand von weniger als etwa 10 mm.

4. Resonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Laserstab um einen Nd : YAG-, Er : YAG-, Ho : YAG-, Nd : Glas-Stab handelt.