DE2334299A1

DE2334299A1 - Laservorrichtung

Info

Publication number: DE2334299A1
Application number: DE19732334299
Authority: DE
Inventors: Akira Ichinose; Norio Karube
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1972-07-05
Filing date: 1973-07-05
Publication date: 1974-01-24
Also published as: DE2334299C3; US3936768A; JPS4927183A; CA1008960A; JPS5138240B2; DE2334299B2

Description

Dr.D.Thomsen PATE NTANWALTS BÜRO

W. Weinkauff Telefon (0811)530211

, 530212

Dr. I. Ruch _{Telex 524 303 topat} 2334299 PATENTANWÄLTE Mönchen: Frankfurt/M.:

Dr. rer. nat. D. Thomeen Dlpl.-Ing. W. Welnkauff

Dr. rer. nat. 1. Ruch (Fuchshohl 71)

8000 München 2 Kalser-Ludwlg-Plate β 5. Juli 1973

Matsushita Electric Industrial Company, Limited

Osaka / Japan

Laservorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung und insbesondere eine Laservorrichtung hoher Ausgangsleistung mit einem wirksamen Ausgangsspiegel.

Um eine hohe Ausgangsleistung bei einem Gasmolekül-Laser zu erreichen, wurden bisher hauptsächlich die beiden folgenden Techniken angewendet: Nach dem einen Verfahren werden die Laserröhren verlängert. Diese Hethode ist jedoch bei praktischen Einsätzen manchmal nur unter Schwierigkeiten zu gebrauchen, da es Röhren in einem bereich von einigen Metern bis zu mehr als 10 m gibt, wach dem anderen V erfahren wird das in den -uas erröhr en

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enthaltene Gas gekühlt, wodurch eine Temperaturerhöhung des mit hoher Geschwindigkeit fließenden Gases vermieden werden und eine hohe Ausgangsleistung erreicht werden kann. Bei diesem System werden jedoch wegen der hohen Geschwindigkeit der Gasströmung ein Gebläse und ein Kühler erforderlich, so daia die gesamte Vorrichtung ein beträchtliches Volumen annehmen kann. Hinzu kommt, daß in vielen Fällen der Durchmesser des Ausgangsspiegels oft in der Größenordnung von 50 j6 liegt, so daß die Fleckgröße des Laserstrahls aufgrund von Mehrfachwellen-Oszillationen zu einer Vergrößerung neigt, so dais eine Konzentration des Strahls schwierig wird. Weiterhin wird eine einfache Erhöhung der Eingangsleistung als Ergebnis einer Vergrößerung des Durchmessers der Laserröhren dazu führen, daß die Temperatur im Mittelteil der Röhre steigt, wie z. B. um 100°C, so daß die Oszillationen aufhören werden. Das Nebeneinanderliegen einer Vielzahl von Laserröhren wird nur Fluchtungsfehler in der Richtung des Laserstrahls verursachen, so daß es schwierig ,wird, einen genauen, parallelen Laserstrahl zu erhalten. Dadurch wird wiederum die Konzentration des Laserstrahls auf einen Fleck winziger Fläche schwierig. Aus diesen, hier zusammengestellten Gründen ist die Herstellung von Laservorrichtungen manchmal sehr aufwendig, und die Zahl der dabei verwendeten Teile steigt; bei den bisher vorgeschlagenen Verfahren ergeben sich deshalb sehr hohe Kosten, und auch das Gewicht der Vorrichtung nimmt zu, so daß beim Transport Schwierigkeiten auftreten.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die «ach-

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teile der bisher vorgeschlagenen Verfahren zu überwinden.

Diese Aufgabt ..ird erfindungsgemäß durch eine Ausführungsform einer Laservorrichtung gelöst, bei der die Ausgangsspiegel, von denen die Ausgangsleistung des Laserstrahls abgegeben wird, jeweils gleichzeitig geschliffen oder poliert werden, als ob die Spiegel aus einem gemeinsamen Ausgangsspiegel" bestehen würden; sie werden als einzelner, gemeinsamer Spiegel verwendet. Dadurch erhält man eine hohe Ausgangsleistung, weil die Ausgangsstrahlen von jeder Laserröhre parallel zueinander angeordnet werden können, und sie nach' Art einer Fokussiervorrichtung, wie z.B. einer rotierenden Parabol-Vorrichtung, zusammen arbeiten können.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß eine wirksame Laservorrichtung geschaffen wird, in der von einer vertikalen Oszillation des Laserstrahls auf die Ausgangsspiegel Gebrauch gemacht, wenn ebene Spiegel als Ausgangsspiegel verwendet werden. V-eiterhin erhält man eine Laservorrichtung, in der Gebrauch von einer vertikalen Oszillation des Laserstrahls auf die Ausgangsspiegel gemacht und jeder zu einer Vielzahl von Laserröhren gehörige Ausgangsspiegel gemeinsam mit den anderen geschliffen wird, um so einen Laserstrahl hoher Ausgangsleistung zu erhalten, dessen Strahl man auf eine winzige Fläche konzentrieren kann. Außerdem erhält man eine Vorrichtung, in der Gebrauch von einer vertikalen Oszillation des Laserstrahls auf die ^-usgangsspiegel gemacht und ein einzelner, gemeinsamer Spiegel verwende ο wird, um so einen Laserstrahl hoher Ausgangs-

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leistung zu erhalten, dessen Strahl man auf eine winzige Fläche konzentrieren kann. Schließlich erhält man noch eine Laservorrichtung, die leicht herzustellen und damit billiger ist.

Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nun folgenden Beschreibung ersichtlich, in der Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen wird.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer Laservorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, in der ein Querschnitt der Vorrichtung dargestellt ist;

Fig. 2 aufgrund einer Abweichung der Gasröhre abgelenkte Oszillationen des Laserstrahls;

Fig. 3 im Querschnitt eine weitere Ausführungsform des ,Ausgangsspiegels nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform des Ausgangsspiegels mit einer flachen Oberfläche an einer Seite und einer sphärischen Oberfläche an der anderen Seite; und

Fig. 5 eine v/eitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der der Ausgangsspiegel in eine Vielzahl von Teilen aufgeteilt und von einem Tragelement gehalten wird.

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In IPig. 1 ist eine Gaslaser-Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. In der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels wird auf einen CO^-Gaslaser Bezug genommen, aber offensichtlich können auch andere Gase verwendet werden. Die Vorrichtung besteht aus vier Gaslaser-Röhren, die zueinander ausgerichtet sind. Jede Laserröhre 2 umfaßt eine Gasröhre 3 (Entladungsröhre) mit einem Gaseinlaß 5a und. einem Auslaß 3b und zylindrischen elektroden 4a und 4b, die der Nähe der Enden der Röhren 3 vorgesehen sind. Die Lagervorrichtung besteht weiterhin aus Ausgangsspiegeln 5, die an Jedem Ende der Röhren 3 befestigt sind, und total reflektierenden Spiegeln 6, die an den anderen Enden der Röhren 3 angeordnet sind. Die Gasröhren werden aus isolierendem Material hergestellt, wie z. B. Glas oder Keramik; sie werden auf eine solche V/eise gehalten, daß im Rahmen der Genauigkeit der Herstellungstechnik die maximale Präzision des Nebeneinanderliegens erreicht werden kann. Die Elektroden werden aus nichtrostendem Stahl oder Kohle hergestellt, Die total reflektierenden Spiegel 6 bestehen aus Glas oder Metallen, wie z. B. einem unlegierten Werkzeugstahl; andererseits kann auch ein Material verwendet werden, das durch Aufdampfen einer solchen Substanz wie z. B. Gold oder Aluminium mit einer hohen Reflexivität in einer Dicke von 10,6 μ auf einem aus einem Halbleiter bestehenden Substrat hergestellt wird. Jeder total reflektierende Spiegel 6 ist so mit den Gasröhren 3 verbunden, daß er senkrecht zu ihrer Längsrichtung eingestellt wird.

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Die Ausgangsspiegel v/erden durch Aufbringen eines Spiegelmaterials, wie z. 3. Ge, GaAs, das Infrarotstrahlen im Jellenlängenbereich von ungefähr 10,6 μ durchläßt, auf eine Spiegel-Tragplatte 8 mit Hilfe eines Klebemittels in der jeder Gasröhre entsprechenden Stellung hergestellt; anschließend werden gemeinsam die Vorder- und die Rückenseite eines jeden Spiegels plan geschliffen, um so die Vorder- und die Rückenseite eines jeden Ausgangsspiegels in derselben Ebene auszurichten. iVach dem Abschleifen erhalten die Spiegel durch ein Aufdampfverfahren zur Erzeugung eines Vielschicht-Films eine geeignete Reflektivität von ungefähr einigen Prozent bis zu mehr als 10 ^.

Eine Kühlvorrichtung 7 besteht aus einem Wasserkühler, der die Gasröhie 5 umgibt; in diesem Fall dient ein Wasserkühler zur Kühlung sämtlicher Gasröhren 3» um auf diese V/eise den Raumbedarf der Laservorrichtung 1 möglichst gering zu halten. Die Kühlvorrichtung 7 kann jedoch auch so ausgelegt sein, daß jede einzelne Röhre gekühlt wird, wie es bei den konventionellen Laservorrichtungen der Fall ist.

Die Tragplatte 8 für den Spiegel besteht aus einem geeigneten, luftdichten Material, wie z. B. Metall, Glas oder Keramik; durch die Platte 8 werden die einzelnen Ausgangsspiegel gemeinsam gehalten. Die Einrichtung 8 zur Verstärkung der Spiegel besteht aus einem Metall, wie z.B. unlegiertem Werkzeugstahl, Oobar, Kobalt oder nichtrostendem Stahl, oder einem keramischen Glas. Durch diese Konstruktion wird verhindert, daß sich die

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Tragplatte 8 für die Spiegel unter dem Einfluß einer Kraft verbiegt, die aufgrund der Differenz zwischen dem Außendruck und dem Innendruo- ntsteht; würde diese Kraft nicht aufgenommen, so würde die gegenseitige Parallel-Einstellung eines je den Ausgangsspiegels beeinträchtigt werden, was wiederum zu einer Beeinträchtigung der Parallel-Einstellung des Ausgangsstrahls führen würde.

Nach der vorliegenden Erfindung kann der Ausgangsspiegel mit Hilfe eines Balges 10 und einer Schraube 11 eingestellt werden. Der Ausgangsspiegel 5 wird von der Schraube 11 so eingestellt, daii die Ausgangsleistung des Laserstrahls nach der Entladung das Maximum erreicht. Der Gaseinlaß Ja ist auf der Verstärkungseinrichtung 9 für den Spiegel befestigt, die zu einem Teil mit den Elektroden 4a durch die Bälge 10 zusammengesetzt ist, so daß eine Spannung an die Elektrode 4a angelegt werden kann.

In der in i'ig. 1 gezeigten Ausführungsform wird die Vorrichtung nicht durch die Größe des zur Verfügung stehenden, infrarot-durchlässigen Materials beschränkt, so daß die Auegangsleistung des Strahls leicht durch einfache Erhöhung der Anzahl der Laserröhren vergrößert werden kann. Nimmt man z. B. an, daß die Laservorrichtung eine Rohrlänge von 2 Metern hat, wobei der durchmesser 160 ^ mit dem äußeren Durchmesser 25 f& beträgt^ in diesem Falle können bis zu 19 Gasröhren um die Röhrenachse ausgerichtet nebeneinander angeordnet werden, wodurch eine Ausgangsleistung von 1,9 kW erreicht werden kann. Wenn die Röhren wei-

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terhin eine Länge von 1m haben, dann kann man eine Ausgangsleistung von ungefähr 760 V/ erreichen.

Im folgenden wird Bezug auf die Fig. 2 genommen, in der eine Abweichung der Laser-Oszillation aufgrund einer Abweichung der Röhren dargestellt ist. Anhand der Figur kann man feststellen, daß sogar dann, wenn das Gasrohr von der parallelen oder ausgerichteten Stellung abweicht, die Ausgangsleistung von jedem Laserrohr 2 konstant gehalten wird, und daß jeder Strahl gegenseitig parallel bleibt. Nimmt man nun in diesem i'all an, daß die maximale Abweichung eines jeden Entladungsrohrs 3 von der parallelen Bezugslinie oder optischen Achse P<£mm beträgt, und daß ein Konkavspiegel mit dem Radius R (dessen Zentrum als C angedeutet ist) als total reflektierender Spiegel 6 verwendet wird,, wobei die Entfernung zwischen dem total reflektierenden Spiegel 6 und dem Ausgangsspiegel 5 gleich d ist, dann ergibt sich, wie oekannt ist, eine Laser-Oszillation, deren Hittelpunkt in der Stellung liegt, die um X = R ο /d von der Zentrums-Position G des total reflektierenden Spiegels 6 abweicht, und die senkrecht zum Ausgangsspiegel 5 ist, und zwar ohne Rücksicht auf die Richtung der Ladungsspeicherröhren. Daraus ergibt sich, dais die Laserstrahlen von jeder Laserröhre 2 parallel zueinander verlaufen, da die Ausgangsspiegel 5 gemeinsam plan geschliffen wurden. Die Größe dieser Abweichung X wird X = 0,2 mm, wenn man z. 3. ei = 0,1 mm, R = 2 m und d = 1 in nimmt, so daß man keinen praktisch wesentlichen Effekt auf die abgegebenen Laserstrahl öit erhält. Daraus ergibt sich, daß man einmal einen

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Laserstrahl hoher Ausgangsleistung erhält, zum anderen aber die Divergenz des Strahl fast die gleiche wie in dem Fall ist, wenn jede der Laserröhren 2 unabhängig von den anderen oszilliert wird.

In Fig. 3 ist eine v/eitere Ausführung form des Ausgangsspiegels nach der vorliegenden Erfindung dargestellt, in der der Ausgangsspiegel 12 aus einem einzelnen, geschliffenen Spiegel besteht, der an einem Teil 13 zur Verstärkung des Spiegels befestigt_,ist. wie man der Figur entnehmen kann, ist der, einzelne Ausgangsspiegel 12 an dem Teil 13 befestigt, der eine Verbindung mit den Bälgen herstellende Hohlräume hat.

In Fig. 4- ist eine weitere Ausführungsform des Ausgangsspiegels nach der vorliegenden Erfindung dargestellt, in der eine Seite des Spiegels, <äe dem Ausgang der Gasröhre gegenüberliegt, eben ist, wie durch das Bezugszeichnen 15 angedeutet wird, während die andere Seite des Spiegels sphärisch ist, wie durch das Bezugszeichen 16 angedeutet wird; mit dieser sphärischen Seite

16 wird der Laserstrahl auf den Fokussierungspunkt konzentriert.

In Fig. 5 ist eine weitere, modifizierte Ausführungsform des Ausgangsspiegels nach der vorliegenden Erfindung dargestellt, in der der Ausgangsspiegel 14- in eine Vielzahl von Teilen des Spiegels aufgeteilt ist; in diesem Fall werden die beiden Teile

17 bzw. die übrigen Teile des Spiegels von der Tragplatte 18 für den Spiegel gehalten. Die Art, in der der Ausgangsspiegel angeordnet ist, entspricht fast der der in Fig. 1 gezeigten An-

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Ordnung. In diesem Fall kann der Ausgangsspiegel so eingestellt werden, dati er senkrecht zu einer der Laserröhren liegt; unter Verwendung eines Klebemittels kann er an der Entladungsröhre ' befestigt werden. Wenn in diesem Falle der Spiegel einmal eingestellt ist, kann anschließend nur noch eine geringe Abweichung auftreten, so daß die handhabung der Vorrichtung wesentlich erleichtert wird.

Wie man der Beschreibung entnehmen kann, erhält man nach der vorliegenden Erfindung eine Laservorrichtung, die in der Lage ist, einen Laserstrahl hoher Leistung mit minimaler Fleckgröße trotz kompakten Aufbaus zu erzeugen.

Da die Fleckgröße des Strahls minimal gehalten wird, kann weiterhin die Energie des Laserstrahls auf eine sehr kleine Fläche konzentriert werden, so daß man einen praktisch verwendbaren Auftreffeffekt erhält.

Macht man weiterhin die Oberfläche des Ausgangsspiegels an der Oszillations-Seite eben und die Oberfläche der anderen Seite sphärisch, so ergibt sich die Möglichkeit, daß der Ausgangsspiegel selbst als zusätzliches optisches System funktionieren kann, so daß er eine weitere Konzentration des Laserstrahls auf seinen Brennpunkt erlaubt. Mit dieser Anordnung erhält man von jeder konventionellen Laservorrichtung eine hohe Ausgangsleistung. Strebt man einen Laserstrahl hoher Konzentration an, so kann irgend eine Laservorrichtung, wie z. B. ein

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Glaslaser, Gaslaser, Farbkomponentenlaser oder ähnliche Vorrichtungen zur Erreichung dieses Ziels verwendet werden.

Der Fachmann auf 'diesem Gebiet wird leicht zahlreiche Modifikationen und Äquivalente zu den hier beschriebenen Ausführungsforraen erkennen; diese Abweichungen sollen deshalb von den nun folgenden Patentansprüchen erfaßt werden.

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Claims

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Patentansprüche

Λ.JLaservorrichtxing, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von ein Gas enthaltenden Gasröhren (2), eine Vielzahl von zylindrischen Elektroden (4a, 4-b), die in den Röhren (2) enthalten sind und sich an den beiden Enden der Röhren befinden, eine Vielzahl von total reflektierenden Spiegeln (6), die zur Reflektion eines erzeugten Laserstrahls an einem Ende der Röhren (2) vorgesehen sind, eine Einrichtung (9) zur Verstärkung der Spiegel, die mit Bälgen (10) an den anderen Snden der Röhren (2) angeordnet ist und einen Gaseinlaß (3a) hat, una durch Ausgangsspiegel (5) die zur Abgabe eines Teils des erzeugten Laserstrahls an einer Seite der Einrichtung (9) zur Verstärkung der Spiegel vorgesehen sind, wobei die Ausgangsspiegel in wenigstens zwei Teile geteilt und gemeinsam von einem i'ragteil (8) für die Spiegel gehalten sind, um so praktisch eine ausgerichtete Fläche an ihrer inneren Seite zu bilden.
2. Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dau der Ausgangsspiegel aus wenigstens 2 spiegeln (17) besteht, die praktisch eine sphärische Oberfläche auf einer Seite und eine ebene Oberfläche auf der anderen Seite bilden, wenn sie auf einem einzelnen 'L'ragteil (1Ϊ3) für die Spiegel befestigt sind.
3. Laservorrichtung, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von ein Gas enthaltenden Gasröhren (2), eine Vielzahl von zy-

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lindrischen Elektroden (4a, 4b), die in don Röhren (2) enthalten sind und sich an den beiden Enden der Röhren befinden, eine Vielzahl von total reflektierenden Spiegeln (6), die zur Reflektion eines erzeugten Laserstrahls an einem Ende der Röhren (2) vorgesehen sind, eine Einrichtung (9) zur Verstärkung der Spiegel, die mit Bälgen (10) an den anderen Enden der Röhre (2) angeordnet ist und einen Gaseinlats (3a) hat, und durch Ausgangsspiegel (5),die zur Abgabe eines Teils des erzeugten Laserstrahls an einer Seite der Einrichtung (9) zur Verstärkung der Spiegel vorgesehen sind, wobei der Ausgangsspiegel ein einzelner Spiegel ist, der gemeinsam abgeschliffen und auf einer Seite der Einrichtung (9) zur Verstärkung des Ausgangsspiegels so befestigt ist, daß er jeder Gasröhre (5) gegenüberliegt und ihr entspricht, wobei er als Ausgangsspiegel für die Röhren (3) wirkt.
4. Laservorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der einzelne Spiegel (14) eine sphärische Oberfläche (16) auf einer Seite und eine ebene Oberfläche (15) auf der anderen Seite hat.

5· Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel aus einem Spiegelmaterial wie z. B. Ge, GaAs und ähnlichen Stoffen besteht, die für die Infrarotstrahlen in der Hähe des Wellenbereiches von 10,6 μ durchlässig sind, und daß das Spiegelmaterial auf einem Tragteil

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(8) für die Spiegel aufgebracht ist, um das Spxegelraaterial in Stellungen zu bringen, in denen es einer jeden Gasrohre (3) entspricht·

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