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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Infrarot-Gaslaser mit einem
Laserresonator, der ein Auskoppelelement, wie z.B. einen Auskoppelspiegel,
aus infrarotdurchlässigem
Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit
als Diamant zum Auskoppeln eines Laserstrahls aus dem Laserresonator
aufweist.
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Ein
derartiger Gaslaser mit einem Auskoppelspiegel aus Zinkselenid (ZnSe)
ist beispielsweise durch die
EP 1 398 612 A1 bekannt geworden.
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Bei
hohen Leistungsdichten, die mit modernen CO2-Hochleistungslasern > 5 kW erzielt werden, stößt man mit
konventionellen IR-Materialien, wie z.B. Zinkselenid (ZnSe) oder
Galliumarsenid (GaAs), an die Grenzen der Einsatzfähigkeit,
da sich diese Materialien selbst bei guter Kühlung so stark erwärmen, dass
sich thermisch induzierte Brechungsindexgradienten bilden, die zu
einer Verschiebung der Fokuslage führen („Thermal Lensing"-Effekt). Verschmutzungen
oder Partikel, die in der sich außen an den Auskoppelspiegel
anschließenden
externen Strahlführung
vorhanden sind, können
sich an der Außenseite
eines Auskoppelspiegels ablagern und zu einer verstärkten Absorption
des Laserstrahls und damit zu einer zusätzlichen Erwärmung des
Auskoppelspiegels führen.
Bei den heute üblichen
hohen Laserleistungen und Leistungsdichten kann die Erwärmung bis
zu einer Verdampfung von Teilen des Auskoppelspiegels führen. Ein
Sprung oder Riss im Auskoppelspiegel mit einem Leck des Laserresonators oder
eine Verunreinigung des Laserresonators durch verdampftes Auskoppelspiegelmaterial
kann zu einer Zerstörung
des Laserresonators führen.
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Laseroptiken
aus Diamant haben gegenüber konventionellen
IR-Optiken aus ZnSe den Vorteil einer höheren Wärmeleitfähigkeit und eines kleineren Brechungsindexgradienten
dn/dT. Die Wärmeleitfähigkeit
von ZnSe beträgt
17 W/mK und die von CVD-Diamant für Optikanwendungen ca. 2000 W/mK,
d.h. die Wärmeleitfähigkeit
beider Materialien unterscheidet sich um einen Faktor von über 100
zugunsten eines Diamant-Auskoppelspiegels. Der Gradient des Brechungsindex
n abhängig
von der Temperatur T, dn/dT, beträgt für Diamant 10 × 10–6 K–1 und für ZnSe 57 × 10–6 K–1,
d.h. eine Änderung
der Temperatur führt
bei Diamant zu einer Änderung
des Brechungsindex, die um den Faktor 5,7 kleiner ist als bei ZnSe.
Umgekehrt bedeutet dies, dass die gleiche Änderung des Brechungsindex
eine Temperaturänderung
erfordert, die um den Faktor 5,7 größer ist. Die hervorragende
Wärmeleitfähigkeit
und der kleine Brechungsindexgradient dn/dT kompensieren die höhere Absorption
von Diamant. Die Absorption eines ZnSe-Auskoppelspiegels mit einer
Reflektivität
kleiner 50% beträgt
ca. 0,1%, die eines vergleichbaren Diamant-Auskoppelspiegels liegt mit 0,5%–0,8% deutlich
höher.
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Diamantoptiken
werden als Auskoppelspiegel, als Abschlussfenster von Slablasern
und als Strahlteiler verwendet. Beim Einsatz von Diamantfenstern
ist neben der Qualität
des Fensters auch die Art und Weise, wie das Fenster montiert und
gekühlt wird,
von großer
Bedeutung. Über
die Montage müssen
die Planität,
Kühlung
und Abdichtung des Laserresonators gleichzeitig gewährleistet
sein. Die Vorteile von Diamant als optischem Material bei CO2-Laserstrahlung sind bekannt: sehr hohe
Wärmeleitfähigkeit, „Thermal
Lensing"-Effekte
gegenüber
ZnSe um Faktor 100 geringer, hohe Zerstörungsschwelle, gleicher Brechungsindex
wie ZnSe, gleiche AR/PR-Beschichtungen wie bei ZnSe, extrem lange Lebensdauer
und hohe Zuverlässigkeit,
Transmission im Sichtbaren und IR. Allerdings sind Diamantoptiken
im Vergleich zu anderen Optiken, z.B. aus ZnSe, sehr teuer, insbesondere
bei großen
Laserstrahldurchmessern und bei Auskoppelspiegeln mit Krümmungen.
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Wenn
z.B. der Auskoppelspiegel aus Diamant gefertigt wird, muss er wegen
der Durchbiegung aufgrund der großen Druckdifferenz zwischen dem
Lasergas im Laserresonator und der Strahlführung (Atmosphärendruck
oder leichter Überdruck
gegenüber
Atmosphärendruck)
eine ausreichend große Dicke
haben und hohe Ebenheitsanforderungen erfüllen, weil er Bestandteil des
Laserresonators ist. Bei einigen Resonatortypen ist eine Krümmung des
Diamantauskoppelspiegels erforderlich. Alle diese Anforderungen
machen einen Diamant-Auskoppelspiegel extrem teuer.
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Demgegenüber ist
es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Gasfaser der
eingangs genannten Art die verstärkte
Erwärmung
und das verstärkte
Fokussieren des Auskoppelelements aufgrund von Verschmutzungen aus
der externen Strahlführung
kostengünstig
und dennoch wirkungsvoll zu verhindern. Unter Verschmutzungen werden sämtliche
festen, flüssigen
und gasförmigen
Partikel, wie z.B. Staub, Abrieb, Öltropfen, Aerosole, Wasserdampf
und Kohlenwasserstoffe, verstanden, die sich auf dem Auskoppelelement
ablagern und dessen Funktionalität
beeinträchtigen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass vor der resonatorabgewandten Seite des Auskoppelelements ein
Diamantschutzfenster angeordnet ist und der Zwischenraum zwischen
Auskoppelelement und Diamantschutzfenster einen geringeren Verschmutzungsgrad
aufweist als ein Strahlführungsraum,
der sich an die resonatorabgewandte Seite des Diamantschutzfensters
anschließt.
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Erfindungsgemäß ist zumindest
die resonatorabgewandte Seite des Auskoppelelements (z.B. Auskoppelspiegel)
durch das Diamantschutzfenster vor Verschmutzungen und Partikeln
geschützt.
Die Auskopplung des Laserstrahls aus dem Laserresonator und der
gasdichte, druckfeste Abschluss des Laserresonators erfolgen weiterhin
durch den Auskoppelspiegel aus einem konventionellen infrarotdurchlässigen Material,
wie ZnSe oder GaAs. Wenn das Diamantschutzfenster langsam verschmutzt, ändert sich
seine Brechkraft nicht, und der Laserstrahldurchmesser bleibt konstant.
Da das Diamantschutzfenster nicht als druckfester Abschluss des
Laserresonators eingesetzt wird, kann es dünner ausgeführt werden und ist daher weniger
teuer als ein Auskoppelspiegel aus Diamant. Ein Laserresonator mit
herkömmlichem
Auskoppelspiegel aus ZnSe kann mithilfe des erfindungsgemäßen Diamantschutzfensters mit
mittleren Laserleistungen oder mit Pulsspitzenleistungen größer als
5 kW, bevorzugt größer als
10 kW, betrieben werden. Der ZnSe-Auskoppelspiegel zeigt weiterhin
das gleiche Warm/Kalt-Verhalten wie zu Beginn des Laserbetriebs,
d.h. die Fokussierung eines Laserstrahls verändert sich nach dem Einschalten
des Lasers. Entscheidend für
die Funktionsfähigkeit
ist aber, dass sich das Warm/Kalt-Verhalten des ZnSe-Auskoppelspiegels
mit der Betriebsdauer des Lasers nicht verändert, da Verschmutzungen aus der
resonatorexternen Strahlführung
vermieden werden.
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Je
kleiner die Druckdifferenz zwischen beiden Seiten des Diamantschutzfensters
ist, desto dünner
kann das Diamantschutzfenster ausgeführt sein. Die Druckdifferenz
ist möglichst
kleiner als 20 hPa, wobei idealerweise die beiden Seiten des Diamantschutzfensters
druckausgeglichen sind. Die Dicke des Diamantschutzfensters ist
abhängig
von dem erforderlichen Durchmesser des Diamantschutzfensters und
aus Kostengründen
so gering wie möglich
und vorteilhaft kleiner oder gleich 1 mm, bevorzugt kleiner oder
gleich 0,7 mm, idealerweise kleiner oder gleich 0,5 mm.
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Vorzugsweise
sind die resonatorabgewandte Oberfläche und/oder die resonatorzugewandte
Oberfläche
des Diamantschutzfensters plan. Die Ebenheitsanforderungen der Oberflächen betragen
zwischen 1 und 4 Streifen Power und zwischen 0,5 und 2 Streifen
Irregularity in Reflexion bei einer Wellenlänge λ = 632,8 nm (HeNe-Laserwellenlänge). Bei den
Größen Power
und Irregularity handelt es sich um Messgrößen, die bei der interferometrischen
Vermessung von optischen Elementen auftreten. Power gibt die Abweichung
des Radius der Oberfläche
von einem Sollwert an (kreissymmetrische bzw. sphärische Anteile)
und Irregularity gibt die zusätzlichen Abweichungen
zum tatsächlichen
Radius an (unregelmäßige Anteile).
Ein Streifen entspricht einer halben Wellenlänge, hier λ = 632,8 nm. Bevorzugt reichen
sogar 2 bis 4 Streifen Power und 1 bis 2 Streifen Irregularity aus.
In jedem Fall besitzt das Diamantschutzfenster im Vergleich zu Auskoppelspiegeln deutlich
reduzierte Ebenheitsanforderungen.
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Vorteilhaft
ist das Diamantschutzfenster an seiner Haltefläche, insbesondere über seinen
Außenrand,
sehr gut gekühlt.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung sind die resonatorabgewandte Oberfläche und/oder
die resonatorzugewandte Oberfläche
des Diamantschutzfensters antireflex-beschichtet. Alternativ kann
das Diamantschutzfenster auch unbeschichtet und unter seinem Brewsterwinkel
(67,2° Einfallwinkel
für nDiamant = 2,38) zum einfallenden Laserstrahl
angeordnet werden.
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Vorzugsweise
ist der Zwischenraum zwischen Auskoppelelement und Diamantschutzfenster mit
einem sauberen Gas oder sauberer Luft befüllt. Der Zwischenraum wird,
insbesondere über
einen oder mehrere Filter, an den gas- oder druckluftgefüllten Strahlführungsraum
angeschlossen sein, wobei der Druck im Zwischenraum dem Druck in
dem externen Strahlführungsraum
entspricht. Der Zwischenraum kann aber auch evakuiert und/oder gasdicht
abgeschlossen sein.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist auch vor der resonatorzugewandten Seite des Auskoppelelements
ein weiteres Diamantschutzfenster angeordnet und der Zwischenraum
zwischen Auskoppelelement und weiterem Diamantschutzfenster einen
geringeren Verschmutzungsgrad aufweist als der Laserresonator.
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Für eine Fokussierung
des aus dem Laserresonator ausgekoppelten Laserstrahls weist bevorzugt
nicht das Diamantschutzfenster, sondern das Auskoppelelement auf
der resonatorzugewandten und/oder der resonatorabgewandten Seite
eine entsprechende Krümmung
auf.
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Vorteilhaft
ist das Diamantschutzfenster an eine Überwachungsvorrichtung angeschlossen,
die z.B. die Temperatur des Diamantschutzfensters, die vom Diamantschutzfenster
absorbierte Wärmemenge,
eine Streustrahlung am Diamantschutzfenster oder eine vom Diamantschutzfenster
reflektierte Strahlung überwacht.
Bei Überschreiten
von bestimmten Grenzwerten kann ein Signal ausgegeben werden, dass
das Diamantschutzfenster ausgetauscht werden sollte oder der Laserbetrieb
abgeschaltet wird.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der
Zeichnung. Ebenso können
die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale
je für
sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die
gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen
sind nicht als abschließende
Aufzählung
zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung
der Erfindung.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
den Aufbau eines erfindungsgemäßen CO2-Gaslasers; und
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2 eine
Modifikation des CO2-Gaslasers von 1 in
einer Detailansicht.
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Der
in 1 gezeigte CO2-Gaslaser 1 weist einen
Laserresonator 2 mit einem reflektiven Rückspiegel 3,
einem teilreflektiven Auskoppelspiegel (Auskoppelelement) 4 und
einem dazwischen vorgesehenen Entladungsraum 5 auf, der
durch Elektroden (nicht gezeigt) begrenzt und mit Lasergas gefüllt ist.
Der ca. 6 bis 10 mm dicke Auskoppelspiegel 4 ist aus ZnSe
und weist somit eine geringere Wärmeleitfähigkeit
als Diamant auf.
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Der
im Laserresonator 2 erzeugte Laserstrahl wird über den
Auskoppelspiegel 4 aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelt
und tritt in einen Strahlführungsraum 6 ein.
Dieser ausgekoppelte Laserstrahl ist mit 7 bezeichnet. Zwischen
Auskoppelspiegel 4 und Strahlführungsraum 6, also
vor der resonatorabgewandten Seite 8 des Auskoppelspiegels 4,
ist ein ca. 0,5 mm dünnes
Diamantschutzfenster 10 angeordnet, wobei der Zwischenraum 11 einen
geringeren Verschmutzungsgrad als der Strahlführungsraum 6 aufweist
und beispielsweise staubdicht oder druckdicht abgeschlossen ist.
Die beiden Oberflächen
des Diamantschutzfensters 10 sind plan und antireflex-beschichtet,
während
der Auskoppelspiegel 4 auf der resonatorzugewandten Seite 9 gekrümmt ist. Über seinen
kreisförmigen
Außenrand
wird das Diamantschutzfenster 10 gekühlt.
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Der
Zwischenraum 11 zwischen Auskoppelspiegel 4 und
Diamantschutzfenster 10 ist über eine Verbindungsleitung 12 und
einen Filter 13 an den Strahlführungsraum 6 angeschlossen,
so dass die beiden Seiten des Diamantschutzfensters 10 druckausgeglichen
sind. Der Strahlführungsraum 6 ist
mit einem Spülgas,
z.B. Stickstoff, oder mit Druckluft gefüllt. Als Filter 13 werden
beispielsweise Partikelfilter und/oder Aktivkohlefilter eingesetzt,
die den Verschmutzungsgrad im Zwischenraum 11 zwischen Auskoppelspiegel 4 und
Diamantschutzfenster 10 reduzieren. Partikelfilter entfernen
vor allem feste Partikel und Bestandteile, wie Staub und Abrieb,
aus der Luft oder einem Gas. Über
Aktivkohlefilter können Kohlenwasserstoffe
und Wasserdampf reduziert werden.
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Bei
nicht gezeigten Ausführungsformen
ist der Zwischenraum 11 zwischen dem Auskoppelspiegel 4 und
dem Diamantschutzfenster 10 evakuiert oder an den mit sehr
sauberem Lasergas gefüllten Laserresonator
angeschlossen, um den Zwischenraum völlig frei von Verschmutzungen
zu halten. In diesen Fällen
muss das Diamantschutzfenster 10 so ausgebildet sein, dass
es der großen
Druckdifferenz zur externen Strahlführung (Atmosphärendruck
oder leichter Überdruck
gegenüber
Atmosphärendruck) oder
dem Lasergas im Laserresonator standhält.
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Das
Diamantschutzfenster
10 ist an eine Überwachungsvorrichtung
14 angeschlossen,
die z.B. die Temperatur des Diamantschutzfensters, die vom Diamantschutzfenster
absorbierte Wärmemenge,
eine Streustrahlung am Diamantschutzfenster oder eine vom Diamantschutzfenster
reflektierte Strahlung überwacht.
Bei Überschreiten
von bestimmten Grenzwerten kann ein Signal ausgegeben werden, dass
das Diamantschutzfenster
10 ausgetauscht werden sollte
oder der Laserbetrieb abgeschaltet wird. Bekannte Überwachungsvorrichtungen sind
beispielsweise in
EP
1 398 612 A1 ,
DE
195 07 401 A1 ,
DE
196 05 018 A1 ,
DE
198 39 930 C1 ,
DE 298
16 879 U1 oder
DE
100 07 976 C1 beschrieben.
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Bei
einer nicht gezeigten Ausführungsform ist
das Diamantschutzfenster 10 unbeschichtet und unter seinem
Brewsterwinkel zum auftreffenden Laserstrahl (67,2° Einfallwinkel
für nDiamant = 2,38) angeordnet.
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Bei
der in 2 gezeigten Modifikation ist zusätzlich vor
der resonatorzugewandten Seite des Auskoppelelements 4 ein
Diamantschutzfenster 10' angeordnet,
wobei der Zwischenraum 11' zwischen Auskoppelelement 4 und
weiterem Diamantschutzfenster 10' einen geringeren Verschmutzungsgrad als
der Laserresonator 2 aufweist.