DE2139634A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Q-geschalteten Gaslasers mit hoher Folgefrequenz - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Q-geschalteten Gaslasers mit hoher Folgefrequenz.

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S.-Anmeldung Serial No. 62 281 vom Io. August 197o in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb von Q-geschalteten Gaslasern (Riesenimpulslasern) mit hohen Polgefrequenzen.

Gaslaser für ungedämpfte Wellen wie z.B. CCL-Laser haben einen guten Wirkungsgrad und liefern eine höhere · Durchschnittsleistung als die derzeit verfügbaren Festkörperlaser. Infolgedessen werden Gaslaser, die ungedämpfte Wellen erzeugen, in zunehmendem Maße als industrielle Werkzeuge für industrielle Fertigungsverfahren wie z.B. die Feinstbearbeitung eingesetzt. Aufgrund des hohen Reflexionsvermögens einiger Metalle für die Laserstrahlungswellenlänge ist die Anwendbarkeit bestimmter Laser Beschränkungen unterworfen. Diese Schwierigkeiten lassen sich jedoch dadurch vermeiden» daß der Laser im Impulsbetrieb betrieben wird» bei dem sine hohe Augenblicksleistung erzielt WiM₁ die

ORlGlNAl. !NSPECTED

209808/1716

zum Schmelzen oder Verdampfen der Metalloberfläche ausreicht. Sotiald dieser Schwellwert erreicht ist, läßt sich die Leistung leichter absorbieren, so daß die Reaktion schnell weiter verläuft. Diese hohen augenblicklichen Leistungswerte werden durch Q-Schalten erhalten, mit dem Riesenimpulse erzeugbar sind, indem zwischen der Impulserzeugung zeitliche Abstände liegen, in denen Energie in dem Lasermedium gespeichert werden kann. Diese Energie wird dann innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne freigegeben, wobei die Riesenimpulse in kurzen Intervallen dicht aufeinander folgen können und eine mittlere Leistungsabgabe erhalten wird, die etwa der Energie der ungedämpften Wellen entspricht. Die Spitzenleistung liegt dann wiederum um etwa zwei bis drei Größenordnungen höher,

Bei Gsslasern werden im allgemeinen Endspiegel verwendet, welche einen optischen Hohlraum für den Laser begrenzen. Ein übliches Verfahren zum Q-Schalten derartiger Laser besteht darin, den einen Endspiegel des optischen Hohlraums zu drehen, so daß nur dann ein Impuls auftritt, wenn die Spiegelfläche im wesentlichen zu der des anderen feststehenden Laserspiegels ausgerichtet ist, welcher das andere Ende des Hohlraums bildet. Zur Erzielung hoher Impulsfolgefrequenzen muß der Spiegel sehr schnell gedreht werden. Bei Steigerung der Geschwindigkeit ergibt sich ein Punkt, an dem die Zeitspanne, während welcher die beiden Spiegel zueinander ausgerichtet sind, zu kurz ist,

209808/1718

™ *£ —

2139834

um die Ausbildung der Schwingung bis zur Sättigung zu gestatten. Im Gegensatz zu einigen Pestkörperlaserausführungen wird bei Gaslasern eine bestimmte "Verweilzeit" benötigt, während welcher die Spiegel im wesentlichen zueinander ausgerichtet sind₉ so daß ein nutzbarer Ausgangsimpuls erzeugt werden kann. Es ergibt sich somit ein Grenzwert für die nutzbare Antriebsgeschwindigkeit des Spiegels _} durch den wiederum die maximale Impulsfolgefrequenz und die minimale Zeitspanne zwischen Impulsen vorgegeben ist. Diese minimale Zeitspanne zwischen Impulsen ist wesentlich länger als die zum Energieaufbau innerhalb des Gases benötigte Zeitspanne. Daher könnte der Laser im Hinblick auf die Eigenschaften des Gases häufiger Q-gesehaltet werden, wenn eine entsprechende Q-Schaltvorrichtung zur Verfügung steht.

Die Impulsfolgefrequenz läßt sich durch Erhöhung der Anzahl von Spiegelflächen an dem gedrehten Endspiegel steigern, beispielsweise durch Verwendung eines Vielecks anstelle eines einzigen Spiegels. Zu diesem Zweck sind auch bereits Vielecke mit bis zu vierundzwanzig Facetten verwendet worden. Diese sind jedoch sehr teuer in der Herstellung und weisen hohe Trägheitsmomente auf. Das Problem besteht daher darin, einen Weg zu finden, wie die Impulsfolgefrequenz gesteigert und gleichzeitig die zur Erzielung nutzbarer Ausgangsimpulse von dem Laser erforderliche "Verweilzeit" beibehalten werden kann.

209808/1716

Durch die Erfindung soll daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zum wiederholten Q-Schalten eines Gaslasers mit sehr hoher Polgefrequenz und ohne Verringerung der Verweilzeit auf einen unterhalb eines annehmbaren Mindestwertes liegenden Wert, bei dem sich nutzbare Ausgangsimpulse erhalten lassen, geschaffen werden.

Entsprechend der Erfindung wird daher der eine Endspiegel des optischen Hohlraums nicht um eine zur Resonatorachse senkrechte Achse gedreht, sondern wird um eine Achse w gedreht, die mit der Resonatorachse einen spitzen Winkel einschließt. Die Ebene des Endspiegels bildet mit der Drehachse den zu dem spitzen Winkel komplementären Winkel, so daß sie sich in wenigstens einer Drehstellung des Spiegels in der Ausrichtstellung befindet.

Entsprechend dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird die Ebene eines den optischen Hohlraum begrenzenden Endspiegels senkrecht zur Laseroszillatorachse ausgerichtet und der Endspiegel um eine einen spitzen ™ Winkel mit der Resonatorachse einschließende Achse gedreht₃ wobei der spitze Winkel vorgegeben ist durch den Wert von sin ψτ » bei dem f die für einen Winkel von 90° zur Erzielung der vorgegebenen Verweilzeit erforderliche Impulsfolgefrequenz und f¹ die vorgegebene hohe Polgefrequenz ist.

209808/1716

Der zur Ausführung des Verfahrens vorgeschlagene Gaslaser weist eine zum Bewegen des einen Endspiegels in und außer Ausrichtung mit dem optischen Hohlraumresonator dienende und zum Wiederherstellen und Schalten des Q-Werts des optischen Hohlraumresonators mit einer vorgegebenen Polgefrequenz dienende Vorrichtung mit einer zum Drehen des einen Endspiegels um eine einen spitzen Winkel mit der Resonatorachse des optischen Hohlraums dienende Halterung auf, wobei die Ebene des Spiegels in wenigstens einer Drehstellung der Halterung senkrecht zur Resonatorachse % steht und mit der Drehachse des Spiegels den zu dem spitzen Winkel komplementären Winkel bildet.

Bei einer derartigen Anordnung ist die Verweilzeit, d.h. die Zeitspanne, während welcher sich der Spiegel innerhalb eines vorgegebenen kleinen Winkels befindet, der einer zum Wiederherstellen des Q-Werts des Hohlraums ausreichenden Ausrichtung entspricht, umgekehrt proportional dem Sinus des spitzen Winkels zwischen der Drehachse und der Resonatorachse. Daher läßt sich die Impulsfolge- " frequenz um eine Größenordnung gegenüber der höchstmöglichen und mit einer minimalen Verweilzeit verträglichen Zeitspanne bei Drehung des Spiegels um eine zur Resonatorachse senkrechte Achse steigern, indem lediglich der Sinus des spitzen Winkels auf einen Viert von etwa 0,1 gebracht wird. Für einen vorgegebenen spitzen Winkel und eine vorgegebene Drehzahl ist eine vorgegebene Verweilzeit fest-

209808/1718

gelegt. Durch Verwendung eines Prismas mit mehreren Facetten wird die Impulsfolgefrequenz der Anzahl von Facetten proportional gemacht.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Gaslasers wie z.B. eines CO_-Lasers mit einer zum Impulsbetrieb des Lasers dienenden herkömmlichen Q-Schaltvorrichtung.

Fig. 2 zeigt die Laservorrichtung der Fig. 1 in entsprechend der Erfindung abgeänderter Ausführung, die bei Verwendung mit nur einer einzigen Facette eine wesentlich gesteigerte Q-Schaltfolgefrequenz ermöglicht,

Fig. 3 zeigt mehrere zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dienende Zeitdiagramme.

Fig. 4 ist eine schaubildliche Ansicht eines Mehrfachfaeettenendspiegels entsprechend der Erfindung, wobei das dargestellte Ausführungsbeispiel vier Facetten aufweist.

In Fig. 1 ist schematisch ein typischer Gaslaser Io mit dem diesem zugeordneten Netzgerät 11 dargestellt, das eine Hochspannungsquelle für die Gasentladung darstellt. Der Laser selb3t kann aus einem langgestreckten zylindrischen Glasrohr bestehen, das mit dem gasförmigen Lasermedium wie

209000/1716

z.B. einem CO -N -He-Gemisch gefüllt ist

Die Endspiegel 12 und 13 begrenzen einen optischen Hohlraumresonator für die stimulierte Strahlungsemission des gasförmigen Mediums. Der Endspiegel 12 soll teildurchlässig ausgebildet sein und das Auskuppeln der Strahlung aus dem Laser ermöglichen. Die Achse A-A stellt die Achse der Strahlung dar, welche mit der Ausrichtachse des optischen Hohlraums zwischen den Spiegeln 12 und "IJ zusammenfällt.

Wie in Fig. 1 angedeutet, wird der Endspiegel 12 zum Zwecke des Q-Schaltens des Lasers und zum Erzeugen von Riesenimpulsen anstelle eines kontinuierlichen Laserbetriebes durch Drehen der Welle 14 um eine Achse B-B gedreht. Bei bekannten Laseranordnungen bildet diese Welle 14 einen rechten Winkel, d.h. einen Winkel von 90° mit der Resonatorachse A-A. Wie aus Pig. I ebenfalls ersichtlich, ist der Q-Wert des Hohlraums ausreichend gut wiederhergestellt, um einen nutzbaren Ausgangsimpuls zu liefern, wenn der Spiegel einen kleinen Winkel α durchläuft, d.h. sich innerhalb des Winkels α befindet. Die Zeitspanne, ' während der sich der Winkel innerhalb des Toleranzwinkels α befindet, wird hier als "Verweilzeit" bezeichnet. Unter der Voraussetzung, daß der Spiegel 13 nur eine einzige Facette aufweist, wird die Impulsfolgefrequenz durch die Drehzahl festgelegt.

209808/1716

Somit ist ersichtlich, daß bei der beschriebenen Anordnung die "Verweilzeit" des Spiegels mit zunehmender Drehzahl desselben proportional verringert wird. Daher ist die Impulsfolgefrequenz durch die zur Erzeugung eines nutzbaren Ausgangsimpulses erforderliche Verweilzeit begrenzt. Wenn nun versucht wird, die Impulsfolgefrequenz durch Steigerung der Spiegeldrehzahl zu steigern, wird die Verweilzeit auf einen unterhalb des benötigten Mindestwertes liegenden Wert verringert.

Zur Lösung der vorgenannten Probleme wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Endspiegel 13 auf einer Welle um eine Achse B'-B' drehbar zu lagern, die mit der Strahlungsachse A-A einen Winkel Θ einschließt. Mit dieser Anordnung, bei der sich die Ebene des Spiegels in wenigstens einer Drehstellung senkrecht zur Achse A-A befindet und den zu dem spitzen Winkel komplementären Winkel ausbildet, ist die Verweilzeit bei gleicher Drehgeschwindigkeit höher als die für die in Pig. I dargestellte Anordnung. Diese gesteigerte Verweilzeit ergibt sich deswegen, weil die Durchlaufgeschwindigkeit von der Winkelgeschwindigkeitskomponente senkrecht zur Resonatorachse abhängt, und diese proportional dem Sinus des spitzen Winkels Θ ist.

Wenn der Winkel Θ beispielsweise gleich 30° gemacht wird, so daß der Sinus den Wert 0,5 aufweist, kann die

209808/1716

Drehgeschwindigkeit um die Achse B'-B¹ doppelt so hoch gemacht werden wie die um die Achse B-B der Pig. I, ohne daß sich die Verweilzeit verändert. Diese Anordnung gestattet somit eine Verdopplung der Impulsfolgefrequenz für einen Gaslaser, wobei ohne weiteres ersichtlich ist, daß die Impulsfolgefrequenz für kleinere Winkel Θ noch wesentlich stärker gesteigert werden kann.

Die vorstehenden Ausführungen sollen anhand einer Betrachtung der Fig. 3 näher erläutert warden, in welcher die oberste Reihe von Wellenformen wie z.B. 16 und 17 die Verweilzeiten darstellt, während welcher der Spiegel den in Fig. 1 dargestellten Winkel α durchläuft. Mit anderen Worten, wenn sich der Spiegel innerhalb der durch diesen Winkel vorgegebenen Grenzwerte befindet, ist er ausreichend gut mit dem in Fig. 1 dargestellten Endspiegel 12 ausgerichtet, um den Q-Wert des optischen Hohlraums wiederherzustellen und die Erzeugung eines Riesenstrahlungsimpulses zu gestatten. Wie die oberste Wellenform der Fig. 3 zeigt, läßt sich diese Verweilzeit D durch die angegebene Formel bestimmen, wenn der Spiegel unter einem rechten Winkel oder einem Winkel von 90° zur Achse A-A mit einer Frequenz f um die Achse B-B gedreht wird. Die zweite Reihe von Wellenformen der Fig. 3 zeigt die erhöhte Verweilzeit für die gleiche Drehfrequenz f, wenn sich die Welle 15» d.h. die Drehachse B'-B' unter einem Winkel von 30° in bezug auf die Achse A-A der Strahlung befindet. Die in diesem Falle

209808/1716

erhaltene Verweilzeit D¹ ist durch die angegebene Formel bestimmt und ist gleich der doppelten Verweilzeit D der darüber dargestellten Wellenform.

Die in Fig. 3 dritte oder unterste Reihe von Wellenformen zeigt die Verweilzeit D", wenn die Impulsfolgefrequenz oder Drehgeschwindigkeit der Welle 15 in der Anordnung der Fig. 2 verdoppelt wird. Wie sich ersehen läßt, ist diese neue Verweilzeit D" gleich der ursprünglichen Verweilzeit D, und wenn diese ursprüngliche Verweilzeit der zur Erzeugung nutzbarer Ausgangsimpulse benötigten Mindestzeit entspricht, läßt sich ersehen, daß diese Impulse im Vergleich mit denen der Ausführung der Fig. 1 mit der doppelten Impulsfolgefrequenz' abgegeben werden. Diese Impulsfolgefrequenz ist durch f dargestellt, welche gleich ist 2f.

In Fig. 4 ist eine praktische Ausführungsform ™ eines mit dem Bezugszeichen 18 bezeichneten Endspiegels dargestellt, die sich zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet. Der Spiegel weist entsprechend der Darstellung mehrere Spiegelflächen oder Facetten 19» 2o, 21 und 22 auf, die zusammen eine Pyramide bilden. Der Spiegel ist in der Weise ausgebildet, daß dann, wenn die Achse B^f-B· der Spiegeldrehachse einen Winkel θ mit der Strahlungsachse A-A einsehließt j der Scheitelwinkel jeder Facette mit der Drehachse dan komplementären Winkel, d.h. einen Winkel

209808/1716

90 - Θ einschließt. Wenn vier derartige Facetten vorgesehen sind, kann die zur Erzielung der in der dritten Gruppe von Wellenformen der Fig. 3 dargestellten Folgefrequenz f^! benötigte Drehzahl in Umdrehungen pro Minute des Spiegels gleich 1/4 des Wertes f' gemacht werden. Es können auch weitere und beispielsweise acht Facetten vorgesehen sein, um die zur Erzielung einer vorgegebenen Impulsfolgefrequenz erforderliche Drehzahl noch weiter herabzusetzen.

Wenngleich der Winkel Θ in Fig. 4 ziemlich groß dargestellt ist und die von den Spiegelfacetten mit der Achse eingeschlossenen Winkel übertrieben groß dargestellt sind,

kann der Winkel Θ bei einer praktischen Ausfuhrungsform in der Größenordnung von 6° liegen, wobei sich für die gleiche Verweilzeit im Vergleich zu dem Fall, bei dem sich die Drehachse unter einem Winkel von 90° zur Strahlungsachse befindet, eine angenähert zehnfache Steigerung der Folgefrequenz ergibt. Mit einem geeigneten kleinen Winkel nimmt der Spiegel nahezu die Formgebung einer Scheibe an, " die mechanisch mit sehr hoher Drehzahl gedreht werden kann. Außerdem kannjäer Spiegel entsprechend der Erfindung innerhalb des gasförmigen Mediums.selbst drehbar gelagert sein. Eine solche Lage der Scheibe ist durch die gestrichelte Linie 23 angedeutet, welche das Glasrohr darstellen soll, in dem sich das den Spiegel 18 umgebende gasförmige Lasermedium befindet. Das Gasgemisch selbst ist im Falle eines CO -Lasers überwiegend Helium unter einem Druck von 10 bis

209808/1716 _;

20 Torr. Ein derartiges Medium eignet sich bestens für eine mit hoher Geschwindigkeit umlaufende Vorrichtung, da Helium einen geringeren Reibungswiderstand als Luft erzeugt» eine geringere Turbulenz in dem optischen Hohlraum zur Folge hat und eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Wenn der in Fig. 4 dargestellte Spiegel mit einer Drehzahl von 120 000 U/min angetrieben wird, ergibt sich -eine Folgefrequenz von 8 000 Impulsen pro Sekunde bei welcher der größte Teil der in dem gasförmigen Medium zur Verfügung stehenden Energie abgeführt wird. Das gleiche Ergebnis läßt sich andererseits mit einer achtseitigen Pyramide erzielen, die mit 60 000 U/min angetrieben wird.

Die Arbeitsweise des Gaslasers ist aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich. Wie bereits ausgeführt, ist der Spiegel vorzugsweise innerhalb des gasförmigen Mediums angeordnet und wird mit einer gewünschten Drehzahl angetrieben, die von der gewünschten Anzahl von Impulsen pro Sekunde abhängt. Der Winkel Θ, den die umlaufende Welle mit der Resonatorachse A-A einschließt, ist so gewählt, daß bei der ausgewählten Drehzahl eine ausreichend hohe Verweilzeit gewährleistet ist.

Wenn sich die Stirnseite des Winkels oder eine Facette durch den Winkel α hindurchbewegt, in welcher diese im wesentlichen mit dem das andere Ende des optischen Hohlraums bildenden Endspiegel ausgerichtet ist, wird der

209808/1716

Q-Wert des Hohlraums wiederhergestellt und es wird ein nutzbarer Ausgangsimpuls erzeugt. In allen anderen Stellungen des Spiegels ist der Q-Wert des Hohlraums geschaltet, so daß kein Ausgangsimpuls erzeugt wird.

Wie somit aus den vorstehenden Ausführungen ersichtlich, ist durch die Erfindung ein praktisches Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb von Gaslasern mit wesentlich höherer Schaltgeschwindigkeit geschaffen worden, ohne daß ein Verlust an der zur Erzeugung nutzbarer Strahlungsenergie aus gangs impulse erforderlichen Verweilzeit auftritt.

- Patentansprüche -

209808/1118

Claims (5)

1. Patentansprüche

   ..]Verfahren zum Betrieb eines Q-gesehalteten Gaslasers mit einer vorgegebenen hohen Polgefrequenz, wobei die Erzeugung eines nutzbaren Impulses wenigstens eine vorgegebene Verweilzeit erforderlich macht, während welcher der Q-Wert des zwischen den Endspiegeln befindlichen optischen Hohlraums wiederhergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene·eines den optischen Hohlraum begrenzenden Endspiegels (13) senkrecht zur Laserresonatorachse (A-A) ausgerichtet und der Endspiegel um eine einen spitzen Winkel (Θ) mit der Resonatorachse einschließende Achse (B'-B') gedreht w?rd, wobei der spitze Winkel vorgegeben ist durch den Wert von sin ψτ~ , bei dem f die für einen Wi-ikel von 90 zur Erzielung der vorgegebenen Verweilzeit erforderliche Impulsfolgefrequenz und f' die vorgegebene hohe Polgefrequenz ist.
2. 2. Gaslaser für hohe Polgefrequenz, der ein gasförmiges Lasermaterial, ein zur Erregung des Lasermaterials dienendes Netzgerät und einen optischen Hohlraumresonator für das Lasermaterial bildende Endspiegel aufweist, zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zum Bewegen des einen Endspiegels (13, 18) in und außer Ausrichtung mit dem optischen Hohlraumresonator dienende und zum Wiederherstellen und Schalten des Q-Werts des optischen Hohlraumresonators mit einer vorgegebenen

   Folgefrequenz dienende Vorrichtung, die eine zum Drehen des einen Endspiegels (13., 18) um eine einen spitzen Winkel mit der Resonatorachse (A-A) des optischen Hohlraums dienende Halterung aufweist, wobei die Ebene des Spiegels in wenigstens einer Drehstellung der Halterung senkrecht zu der Resonatorachse steht und mit der Drehachse des Spiegels (B'-B¹) den zu dem spitzen Winkel komplementären Winkel bildet.
3. 3. Gaslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

   daß der eine Endspiegel (18) mehrere, eine Pyramide bil- ™ dende Facetten (19-21) und eine koaxial zu der Spiegeldrehachse und senkrecht von einem unteren, mittigen Abschnitt der Pyramidenbasis abstehende Welle (15) aufweist, wobei der Scheitelwinkel jeder Facette in bezug auf die

   Drehachse den komplementären Winkel bildet.
4. 4. Gaslaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Endspiegel (18) drehbar innerhalb des gasförmigen Lasermaterials gelagert ist.
5. 5. Gaslaser nach einem der Ansprüche 2 - ¹J, insbesondere zum Q-Schalten dienender und das eine Ende eines Laserhohlraums bildender Endspiegel, dadurch gekennzeichnet, daß der Endspiegel (13, 18) um eine einen spitzen Winkel mit der Resonatorachse (A-A) des Lasers einschließende Achse (B'-B¹) derart drehbar gelagert ist, daß die Impulsfolgefrequenz unter Beibehaltung einer ausreichend langen

   209808/1716

   Verweilzeit bei ausgerichtetem und den optischen Hohlraum bildenden Spiegel steigerungsfähig ist und nutzbare Ausgangsimpulse erzeugbar sind.

   2Q98O8M716