DE2009335B2 - Laservorrichtung zum bohren von lagersteinen oder anderen werkstuecken - Google Patents

Description

L viel größer ist als /, z. B. also 60mal so groß, ist im vorliegenden Zusammenhang von wesentlicher Bedeutung. Der Stab 4 befindet sich in unmittelbarer Nähe des Spiegeis 5 und ist mit einer Blitzlampe 7 im ellipsoidischen Hohlraum 8 eines Hohlkörpers 9 so angeordnet, daß die vonderBlitzlampe 7ausgehendenLicht strahlen durch Reflexion ?λ der gut verspiegelten Innenfläche 10 des Hohlkörpers 9 auf den Stab 4 konzentriert werden. Ein derartiger »Laserkopf« 4 bis 10 fet wohl bekannt.

Zur Erregung der Blitzlampe 7 dient ein übliches Erregergerät 11, das an das elektrische Netz angeschlossen ist und einen Kondensator enthält, der über die Blitzlampe 7 entladen wird, wobei man wahlweise entweder

1400 mm⁸, das maximale Modevolumen V₀ beträgt somit etwa 700 mm³. Man sieht, daß in allen drei Fällen das Modevolumen V_m' für /s > 5 m immer noch einen sehr erheblichen Anteil des maximalen Modevoluinens 5 K_? ausmacht Für L='im. und L -■= 5 m ist dieser Anteil größer als 40 °/₀. Das ist etwa lumal so viel als bei bekannten Resonatoren mit Hohlspiegeln oder Planspiegeln mit kleinem Spiegelabstand erhältlich ist. Ferner ist für die gleichen Parameterwerte L — 1,3 und ίο 5 m auch die Divergenz » des Strahlenbündels 13 in Funktion der Brennweite /_s = r_a dargestellt. Hinter dem Spiegele, bei dem die Phasenfläche29„' (siehe F i g. 3) eben ist, ist das Strahlenbündel 13 nämlich

— . T-IJJ- - nicht zylindrisch, sondern leicht divergent. Die Diver-

eine einzelne Entladung oder eine Reihe von Entladun- 15 genz », nämlich der halbe öffnungswinkel des Strahlengen erhalten kann und wobei die Entladungsfrequenz bündeis 13, ist für die drei aufgenommenen Abstände und die Entladungsenergie einstellbar sind. Das Er- L = 1, 3 und 5 m berechnet und ebenfalls in F i g. 4 regergerät steht auch unter dem Einfluß eines Meßge- dargestellt worden. Es ist ersichtlich, daß oberhalb der iätes 12, das die Energie des Laserstrahlenbündels 13 Grenze von f_s^, = 5 m, die der in der Praxis maximal mißt, das aus dem eine gewisse Transparenz aufweisen- 20 möglichen Stabdeformation entspricht, die Divergenz« den Spiegel 6 austritt, indem ein kleiner Teil 14 des sehr klein ist.

Bündels 13 mittels eines schwach reflektierenden Spie- Für L = /„„,, = 5 m wird alleridngs « -»■ 00, d. h.,

gels 15 abgezweigt und auf das Meßgerät 12 gerichtet der Resonator wird unstabil.

wird. Es Ist untersucht worden, für welchen Spiegelab-

DasObjektiv2 setzt sich aus einem unveränderlichen, as stand L das Modevolumen V_n' im heißen Zustand sammelnden Linsensystem 16 und einem austausch- maximal wird. Bei dem in F i g. !angenommenenStab4 baren, teleskopischen Vorsatzlinsensystem 17 zusam- ergibt sich mit /,„,, = 5 m ein Abstand L von etwa men. Das Sammelsysteml6 besteht aus einerzerstreuen- 4 m. Statt dieses theoretisch optimalen Abstandes ist den Linse 18 und einer sammelnden Linse 19, das te- aber für die tatsächlichen Ausführung der etwas kleileskopische System aus zwei sammelnden Linsen 20 30 nere Abstand L = 3 m gewählt worden, um auf keinen und 21. Der Abstand /des Brennpunktes Fdes Objek- Fall in die Nähe des instabilen Bereiches zu kommen, tivs 2 von dessen ausgangsseitiger Hauptebene h ist die Aus obigen Ausführungen ergibt sich, daß der be-

durch Austauschen des Systems 17 veränderbare Brenn- schriebene Resonator 3 gegenüber den Resonatoren weite des Objektivs. mit kleine-1 gegenseitigen Abstand der Reflektoren für

Eine nicht dargestellte Vorrichtung, die prinzipiell 35 das Bohren von Uhrensteinen sehr wesentliche Vorbeliebiger Art sein kann, dient dazu, einen Uhrenstein teile besitzt, nämlich:

Es ist weniger Energie für die Anregung des stimulierbaren Mediums nötig, und zwar nur etwa 10°/₀ der bisher erforderlichen Energie, wie sich aus dem Ver-40 hältnis der betreffenden Modevolumina K_7n' ergibt. Somit können die Blitzlampe 7 und das Erregergerät 11 wesentlich kleiner sein als bisher. Wird die gleiche Blitzlampe verwendet, so wird deren Lebensdauer viel größer. Die Divergenz λ des Strahlenbündels 13 ist

ist, als es ϊη Wirklichkeit ist. Im kalten Zustandist das 45 sehr klein, was das Bohren von relativ langen und engen von den Spiegeln 5 und 6 hin und her reflektierte Strah- Löchern begünstigt. Das Strahlenbündel 13 ist sehr lenbündel zylindrisch, und alle Phasenflächen 29 sind stabil, so daß die Größe und Form der Löcher bei allen eben. Das Modevolumen V_n, d. h. das Volumen des im Uhrensteinen die gleiche ist. Durch die beschriebene Inneren des Stabes 4 befindlichen Teiles des Strahlen- Vorrichtung wird es überhaupt zum ersten Mal mögbündels, hat den maximalen Wert, nämlich das VoIu- 5<> lieh, eine Massenproduktion zu erzielen, z. B. men des Stabes V₀. Im heißen Zustand des Stabes 4' 5 003 000 Bohrungen am Tag vorzunehmen, wobei der sind die Phasenflächen 29' leicht gewölbt, die mit dem Durchmesser der Löcher beliebig zwischen etwa 30μπι Spiegel 6 zusammenfallende Phasenfläthe 29₀' ist aber und 300 μηι variiert werden kann und die Durchmessereben. Das Modevolumen V_m' ist aber von gleicher toleranz der gebohrten Löcher sehr klein ist, z. B. ± 5 Größenordnung wie das maximale Modevolumen K₀. 55 toleranz der gebohrten Löcher sehr kletn ist, z. B. Faßt man die Wirkung der durch den heißen Stab 4' ge- ± 5 μηι, bei ausgezeichneter Zylindrizität der Löcher, bildeten Linse von Brennweite /, mit der Wirkung des Es ist klar, daß die Laserenergie, die Impulslänge, die Spiegels 4 zusammen, so erhält man einen äquivalenten Impulsfolgefrequenz, die Anzahl der Impulse pro Loch Spiegel 5*. dessen Krümmungsradius r_a = /, ist, und die Brennweite / des Objektivs 1 gemäß den Diwobei dann der undeformierte Stab 4 als zwischen den ⁶° mensionen des zu bohrenden Loches und dem Material Spiegeln 5*, 6 liegend zu denken ist. der Uhrensteine meistens Rubine, geregelt, bzw. ein-

In F i g. 4 ist das Modevolumen V_n' in mm³ in gestellt werden müssen, und daß die Funktion des Funktion der Brennweite /, = r_a dargestellt, die dem Erregergerätes, d. h., die Erregung der Blitzlampe von Erhitzungszustand des Stabes 4' entspricht, und zwar der Zuführungsvorrichtung der Uhrensteine aus autofür den tatsächlichen Resonatorabstand L = 3 m und 65 matisch ausgelöst wird, und zwar jeweils wenn ein für zwei weitere angenommene Abstände von L = 1 m, Uhrenstein in den Brennpunktsbereicn gekommen ist. bzw. 5 m. Der Stab 4 von 5 cm Länge und 6,35 mm Es sei auch noch erwähnt, daß infolge des großen AbDurchmesser hat ein tatsächliches Volumen von etwa Standes L der ebenen Spiegel 5 und 6 der Resonator ä

nach dem anderen in die Nähe des Brennpunktes F zu bringen und daselbst festzuhalten, bis durch das fokussierte Strahlenbündel das Loch in den Stein gebohrt worden ist, z. B. durch zwei Strahümpulse.

F i g. 2 und 3 zeigen den Strahlengang im Resonator 3 nach F i g. 1 bei kaltem, bzw. heißem Stab 4, bzw. 4', wobei aber mit Rücksicht auf die Größe der Zeichnung das Verhältnis L: / viel kleiner dargestellt

nur Eigenschwingungen (»Modes«) von sehr niedriger Durchmessers der Kaustik im Brennpunkt wesentlich Ordnung verstärkt. reduzieren, wenn man den Stab 4 nicht in der Nähe des Im Hinblick auf die Vermeidung von Schwankungen Spiegels 5, sondern in der Nähe des Strahlaustrittsder Strahlenenergie im Brennpunkt F, die durch spiegeis 6 anbringt, wobei dann natürliche die Blitz-Schwankungen der Pumpleistung verursacht werden, 5 lampe 7 nicht in derselben Achse wie der Stab 4, sonist es vorteilhaft den Spiegelabstand L so zu wählen, dem in an sich bekannter Weise parallel zu demselben daß er bei einer vorbestimmten mittleren Belastung des angeordnet werden muß.

Stabes gleich der Hälfte der Brennweite der durch Obwohl die beschriebenen Vorrichtung speziell zum Deformation der Stabenden gebildeten Linse ist. Aus Bohren von durchgehenden Bohrungen in Uhrensteine der F i g. 4 ist ersichtlich, daß man sich bei Erfüllung io vorgesehen ist, ist es möglich, mit derselben auch andieser Bedingung im wesentlichen im Minium der dere Werkstücke, die aus Metall oder einem Dielektri-Kurven V_n' befindet, indem z. B. bei /, = 6m der kum bestehen können, zu bohren, wobei eventuell auch Spiegelabstand L = 3 m zu wählen ist. An dieser Stelle Sackbohrungen erzeugt werden können. Unter ande· ist zwar das aktive Modevolumen V_m' für eine ge- rem ist es natürlich möglich, Lagersteine für feine gebene Stablänge am kleinsten, aber nachdem das 15 Meßinstrumente zu bohren. Es ist klar, daß prinzipiell Modevolumen und die Divergenz auch in diesem Falle sehr kleine Abweichungen der Spiegel 5 und 6 von einer um ein Mehrfaches günstiger sind als bei einem kleinen genauen Ebene toleriert werden könnten, praktisch Spiegelabstand (L < 10 T), ist dies im Vergleich zum wird man die Spiegel aber so gut wie möglich eben Vorteil der Vermeidung von Energieschwankungen an machen, zumal dies auch aus fabrikatorischen Gründer Bohrstelle nebensächlich. Zusätzlich kann man auch 20 den vorteilhafter ist ais die Herstellung von Konkavbei Einhaltung obiger Bedingung Schwankungen des oder Konvexspiegeln.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

da die Qualität der Bohrungen nicht reproduzierbar ist. Patentansprüche: Die bekannten Laservorrichtungen benötigen ferner für das Pumpen des stimulierbaren Mediums sehr viel

1. Laservorrichtung zum Bohren von Lagerstei- Energie, was nicht nur an sich nachteilig ist, sondern nen oder anderen Werkstücken mit einem optischen 5 darüber hinaus einen auch sehr großen Verschleiß der Resonator, der durch Reflektoren mit praktisch zum Pumpen verwendeten Blitzlampen zur Folge hat. ebenen Spiegeln begrenzt wird, und einem stab- Aufgabe der Erfindung ist, diese Nachteile zu verförmigen stimulierbaren Medium, das in der Nähe meiden. Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß des einen Reflektors und in einem größeren Ab- der optische Resonator aus zwei praktisch ebenen Spiestand vom anderen Reflektor angeordnet ist, sowie io gehl aufgebaut ist und daß der Abstand zwischen den mit einem Objektiv, welches das Laserstrahlbündel Spiegeln mindestens lOmal so groß ist wie die Länge des auf das Werkstück fokussiert, dadurch ge- stimulierbaren Mediums. Wie nachstehend noch einkennzeichnet, daß der optische Resonator gehend an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert aus zwei praktisch ebenen Spiegeln (5,6) aufgebaut wird, haben die Untersuchungen ergeben, daß durch ist und daß der Abstand (L) zwischen den Spiegeln 15 diese Maßnahme eine gute Ausnützung des Volumens (5,6) mindestens lOmal so groß ist wie die Länge (J) des Laserstabes erzielt wird, auch wenn derselbe im des stimulierbaren Mediums. Betrieb eine erhöhte Temperatur annimmt, bei der sich

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- seine Enden so deformieren, daß er wie eine bikonvexe kennzeichnet, daß der Abstand (L) der Spiegel 50- Linse wirkt. Diese temperaturbedingte Linsenwirkung bis lOOmal so groß ist wie die Länge (I) des stimu- ao hat bei kleinem Spiegelabstand zur Folge, daß nur ein lierbaren Mediums (4). sehr kleiner Teil des Laserstabes zur Verstärkung des

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- zwischen den Spiegeln hin und her reflektierten kennzeichnet, daß der Abstand (L) der Spiegel etwa Strahlenbündel« beiträgt, so daß der weitaus größte Teil 3 m beträgt und die Länge (I) des stimulierbaren der aufgewendeten Pumpleistung verloren geht.
Mediums (4) etwa 5 cm und dessen Durchmesser 25 Es wird dazu noch bemerkt, daß lange optische Reetwa 6 bis 7 mm. sonatoren bei Laservorrichtungen an sich nicht neu

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch sind; dieselben wurden aber lediglich zur Erzielung gekennzeichnet, daß der Abstand der Spiegel gleich einer möglichst guten Modenselektion vorgeschlagen, der Hälfte der Brennweite der bei mittlerer BeIa- während die Erkenntnis fehlte, daß dabei eine wesentstung des stimulierbaren Mediums durch Deforma- 30 liehe Vergrößerung des »Modevolumens«, d. h. des tion von dessen Enden gebildeten Linse ist. Volumens des im Inneren des Stabes befindlichen Teiles

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn- des hin und her reflektierenden Strahlenbündels, erzielt zeichnet, daß der Stab in der Nähe des Strahlaus- wird, und daß diese Vergrößerung für die industrielle trittspiegels angeordnet ist. Brauchbarkeit von mit Laserstrahlen arbeitenden

35 Bohrvorrichtungen entscheidend ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Abstand der

Spiegel 50- bis lOOmal so groß ist wie die Länge des

Stabes, wobei sich ein Abstand von etwa 3 m bei einer

Stablänge von etwa 5 cm und einem Stabdurchmesser

40 von etwa 6 bis 7 mm besonders bewährt hat. Um durch

Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung zum die Schwankungen der Pumpleistung verursachte Bohren von Lagersteinen oder anderen Werkstücken Schwankungen der Strahlenenergie möglichst weitmit einem optischen Resonator, der durch Reflektoren gehend zu reduzieren, empfiehlt es sich, den Abstand mit praktisch ebenen Spiegeln begrenzt wird, und einem der Spiegel gleich der Hälfte der Brennweite der bei stabförmigen stimulierbaren Medium, das in der Nähe 45 mittlerer Belastung des stimulierbaren Mediums durch des einen Reflektors und in einem größeren Abstand Deformation von dessen Enden gebildeten Linse zu vom anderen Reflektor angeordnet ist, sowie mit einem machen.

Objektiv, welches das Laserstrahlbündel auf das Werk- An Hand der Zeichnung wird nachfolgend ein

stück fokussiert. Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes er-

Bei einer bekannten Laservorrichtung dieser Art 50 läutert. Es zeigt

wird der eine Reflektor durch zwei an einem Ende des F i g. 1 ein Schema einer Laservorrichtung zum

stabförmigen stimulierbaren Medium (Laserstab) selbst Bohren von Uhrensteinen od. dgl.,
vorgesehene, total reflektierende Dachflächen gebildet, F i g. 2 und 3 zwei schematische Darstellungen des

während ein teilweise lichtdurchlässiger, ebener Spiegel Strahlenverlaufes in dem optischen Resonator der senkrecht zur Stabachse zwischen dem Stab und dem 55 Laservorrichtung für zwei extreme Betriebsfälle,
Objektiv angeordnet ist. Der Abstand zwischen diesem F i g. 4 ein Diagramm zur Erläuterung des Einflusses

Spiegel (Austrittsspiegel) und dem Stab ist klein, etwa der Erwärmung des stabförmigen, stimulierenden in der Größenordnung von 2 bis 3 Stablängen (Siemens- Mediums bei der Vorrichtung nach F i g. 1.
Zeitschrift 41 (1967) 4, S. 273 bis 275). Bei einer anderen Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus

bekannten Laservorrichtung ist der Abstand zwischen 60 einem Laser 1 und einem Objektiv 2. Der Laser 1 umden Reflektoren nur etwa so groß wie die Stablänge faßt einen Resonator 3 und ein stimulierbares Medium, selbst (schweizerische Patentschrift 416 868). Einge- z. B. Yttrium-Aluminium-Granat (YAG), in Form hende Untersuchungen haben nun gezeigt, daß dieser eines rundes Stabes 4, der zwischen zwei den Resonarelativ kleine gegenseitige Abstand der Reflektoren die tor 3 begrenzenden ebenen Spiegeln 5 und 6 angeordnet Ursache dafür ist, daß mit den bekannten Laservorrich- 65 ist. Die Länge L des Resonators, d. h. der Abstand zwitungen ;twar einzelne Werkstücke, insbesondere Lager- sehen dessen Spiegeln 5 und 6, beträgt z. B. 3 m, wähsteinc, Ejebohrt werden können, daß dieselben aber für rend die Länge / des Stabes 4 z. B. 5 cm beträgt, bei eine Massenproduktionen durchaus ungeeignet sind. einem Durchmesser von 6,35 mm. Der Umstand, daß