DE2522032A1 - Verfahren und vorrichtung zum ausrichten von reflektierenden flaechen bei lasern - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum ausrichten von reflektierenden flaechen bei lasernInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Ausrichten der Laserbestandteile unter Anwendung eines Strahles von einer äusseren Strahlquelle.
Das Ausrichten der reflektierenden Element eines Lasers zum
optimalen Betrieb erforderte immer die genaue individuelle Ausrichtung der einzelnen Komponenten, Die Ausrichtung ist
bei Laserresonatoren besonders kritisch, bei denen eine nur leichte Fehlausrichtung eine sehr grosse Abnahme der Ausgangsleistung
bewirkt.
Laser mit einer hohen Ausgangsleistung ausserhalb des sichtbaren Spektrums haben zusätzliche Probleme, weil der erzeugte Laserstrahl
nicht ohne weiteres zum Ausrichten der reflektierenden Elemente benutzt werden kann. Ein Problem besteht darin,
dass das Anfahren eines solchen Lasers zum Zwecke der Ausrichtung seiner reflektierenden Flächen, einen Strahl erzeugen kann,
dessen Leistung ausreicht um den umgebenden Aufbau, auf den er auftritt, zu beschädigen ehe die gewünschte Ausrichtung
vollendet ist. Vielleicht noch schwerwiegender ist die Gefahr dem Menschen während dieser Zeitperiode in der Umgebung des
Lasers ausgesetzt sind. Diese und andere Ursachen haben das Betriebspersonal der Laser dazugebracht einen Ausrichtstrahl
einer Strahlungsquelle niedriger Leistung zum Ausrichten der
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reflektierenden Flächen zu benutzen, insbesondere bei Hochleistungslasern.
Zwei Hauptverfahren sind bekannt zum Ausrichten der Laserresonatoren.
Nach einem ersten Verfahren wird einer der Endspiegel, welche den Resonatorhohlraum bilden, entfernt und ein Strahl,
der Ausrichtungstrahlung, einer äusseren Strahlungsquelle wird in den Laserhohlraum injiziert. Alle verbleibenden Spiegel werden
bezüglich einer vom Ausrichtstrahl vorgegebenen Bezugsachse ausgerichtet. Der fehlende Endspiegel wird dann wieder eingesetzt
und die Ausrichtung wird unter Benutzung der im Hohlraum erzeugten Laserstrahlung vollendet. Der Hauptnachteil dieses Verfahrens
besteht darin, dass eine vollständige Ausrichtung nicht möglich ist ehe die Laserstrahlung erzeugt wird.
Ein zweites bekanntes Ausrichtungsverfahren ermöglicht das Ausrichten
der Komponenten eines instabilen Resonators mit allen eingebauten reflektierenden Oberflächen. Nach diesem Verfahren
wird ein äusserer Ausrichtungsstrahl mittels eines ringförmigen Kopplungsspiegels in den Hohlraum des instabilen Resonators
reflektiert. Der Hauptnachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Achse des Hohlraumes durch das Loch im Zentrum des
Kopplungsspiegels hindurchläuft. Weil der Ausrichtungsstrahl
nicht vom Kopplungsspiegel auf der Hohlraumachse reflektiert werden kann, muss der Ausrichtungsstrahl auf eine gegenüber
dem Zentrum des reflektierenden Teiles des Kopplungsspiegels gerichtet werden, wodurch das Zusammenfallen des Ausrichtungsstrahles und der Resonatorachse ausgeschlossen wird. Desweitern
ist es schwer das System nach einer ersten Ausrichtung periodisch zu überprüfen, weil die Quelle des AusrichtungsStrahles im
Laserausgangsweg liegt und während dem Betrieb des Lasers entfernt werden muss.
Kommerzielle Hochleistungslaser erfordern einen äusseren Ausrichtungsstrahl,
welcher die Systemausrichtung prüfen kann und eine genaue Überprüfung der Betriebseigenschaften der einzelnen
Teile periodisch ermöglicht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Ausrichten von Lasern mit einem äusseren Ausrichtungsstrahl bereitzustellen, welche die Nachteile
der bekannten Verfahren und Vorrichtungen nicht aufweisen.
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Erfindungsgemäss werden die Spiegel eines Laserresonators mit
Hilfe eines Bezugsstrahles kohärenter Strahlung einer äusseren Strahlungsquelle ausgerichtet , welcher durch eine Oeffnung
im Mittelpunkt eines der Endspiegel gerichtet istν die reflektierenden
Oberflächen werden ausgerichtet indem eine Ausrichtungsstrahlung von einer äusseren Quelle in den Resonatorhohlraum
durch einen ersten Endspiegel mit kleiner Oeffnung injiziert wird, ein zweiter Endspiegel ausgerichtet wird um den Ausrichtungsstrahl auf den ersten Endspiegel zurückzuschicken, wobei
der Strahl rundum die Oeffnung zentriert ist um so eine Resonatorachse zu bilden, und der erste Endspiegel ausgerichtet wird
um den zurückreflektierten Ausrichtungsstrahl zum Mittelpunkt des zweiten Endspiegels zu reflektieren.
Ein Merkmal der Erfindung besteht in der Anwendung sichtbarer Strahlung als Ausrichtungsstrahl , welcher mit dem durch die
Laserwirkung in dem Laserhohlraum erzeugten Ausgangsstrahl zu sammenfällt. Zusätzliche Merkmale der Erfindung sind die Oeffnung
im optischen Zentrum eines der Endspiegel und der Spiegel für die Ausrichtungsstrahlung, welcher den Laserstrahl nur schwach
absorbiert. Eine Wärmefalle verbraucht die durch den Spiegel für die Ausrichtungsstrahlung hindurchgehende Laserenergie.
Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Ausrichtungsprazision, welche durch das Zusammenfallen der
Ausrichtungsstrahlung und des Laserstrahles ermöglicht wird. Andere Vorteile der Erfindung sind die Möglichkeit die Spiegel
optisch sichtbar auszurichten und den äusseren Weg des Laserstrahles optisch sichtbar festzustellen. Auch können die optischen
Bauteile im Hinblick auf Oberflächenfehler und thermische Belastungswirkungen mit Hilfe der Ausrichtungsstrahlung untersucht
werden.
Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnung,welche
die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung als vereinfachte
Draufsicht eines instabilen Resonator mit axialer Strömung darstellt, beispielsweise beschrieben.
Die optischen Hauptkomponenten eines Gaslasers 10 , in dem parallele Gasdurchlasswege durch eine Vielzahl axialer Rohre
bestehen, sind in der beiliegenden Zeichnung dargestellt.
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Der Laser umfasst einen instabilen Resonatorbereich 12 und einen Verstärkerbereich 14. Ein Lasermedium 16 füllt eine Umhüllung
mit einem Paar Endbehälter 20 ,welche über Kanäle 22 miteinander verbunden sind« Der Resonator besteht zwischen einem konkaven
Spiegel 24 mit einer zentralen Oeffnung 26 und einem konvexen Spiegel 28. Der Resonatorbereich enthält Umlenkspiegel 30,
welche den Laserstrahl 32 durch das in den Resonatorrohren 34 enthaltene Lasermedium hindurchführen. Der Verstärker befindet
sich zwischen einem Laserfenster 36, welches einen Bestandteil der Hülle 18 bildet und einem ringförmigem Kopplungsspiegel
mit einer zentralen Oeffnung 40. Ein Umlenkspiegel 42 im Verstärker lenkt den ausgekoppelten Strahl 44 vom Kopplungsspiegel
in das im Verstärkerrohr 46 enthaltene Lasermedium um.
Eine Quelle 48 einer Ausrichtungsstrahlung 50 und ein erster Ausrichtungsspiegel 52 befinden sich ausserhalb der Hülle 18
und ein zweiter Ausrichtungsspiegel 54 befindet sich innerhalb der Hülle 18. Ein Fenster 56 für die Ausrichtungsstrahlung
bildet einen Teil der Hülle 18 und befindet sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ausrichtungsspiegel. Eine Wärmeauffangvorrichtung
58 befindet sich hinter der zentralen Oeffnung des konkaven Spiegels 24.
Beim Ausrichten werden zuerst die Umlenkspiegel 30, der Umlenkspiegel
42, der Kopplungsspiegel 40,der erste und zweite Ausrichtungsspiegel
52, 54 und der konkave Spiegel 24 und die Strahlungsquelle 48 ungefähr mit den Resonatorrohren und dem
Verstärkerrohr ausgerichtet. Die Ausrichtungsstrahlungsquelle wird eingeschaltet um einen Ausrichtungsstrahl zu erzeugen
und die Ausrichtungsspiegel werden ausgerichtet um den Strahl
durch den Mittelpunkt der Oeffnung 26 im konkaven Spiegel 24 zu richten. Die Umlenkspiegel 30 und der Kopplungsspiegel 40
werden dann so ausgerichtet um die Zentrallage des Strahles bezüglich jedes Spiegels herzustellen. Die Umlenk - und Kopplungsspiegel werden dann ausgerichtet um den Strahl bezüglich jedes
Spiegels in Zentrallage zu bringen. Der konvexe Spiegel 24 ist innerhalb der Hülle 18 hinter dem Kopplungsspiegel 38
in der Hülle 18 angeordnet und so ausgerichtet, dass die durch die zentrale Oeffnung 40 im Kopplungsspiegel 38 durchtretende
Ausrichtungsstrahlung den Mittelpunkt des konvexen Spiegels trifft
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und von diesem divergent auf eine Zentrallage auf dem konkaven Spiegel 24 mit der Oeffnung 26 reflektiert wird. Der konkave
Spiegel 24 wird dann so eingestellt, dass der zentrale Teil der Ausrichtungsstrahlung auf den zentralen Teil des konvexen
Spiegels 28 reflektiert wird, worauf die Strahlung zu schwingen anfängt. Der ringförmige Kopplungsspiegel wird eingestellt um
einen ringförmigen Teil der Ausrichtungsstrahlung aufzunehmen und ihn zentral auf den Umlenkspiegel 42 zu reflektieren; der
Umlenkspiegel 42 wird ausgerichtet um den ringförmigen Strahl durch das Verstärkerrohr 46 konzentrisch zur Rohrachse zu richten.
Die Genauigkeit der Ausrichtung der Komponenten kann geprüft werden indem man das Ausrichtungsstrahlungsmuster beobachtet,
welches durch das Laserstrahlfenster 36 auf einen Gegenstand projeziert wird, der in den Weg der Ausrichtungsstrahlung gestellt
wurde, welche die Gashülle 18 anregt. Wenn die Ausrichtung zufriedenstellend ist, wird das Strahlungsmuster ringförmige
Beugungslinien enthalten, welche scharf fokussiert sind und konzentrisch erscheinen, mit einem dunklen Punkt im Zentrum
des Musters. Wenn die Beugungslinien nicht scharf fokussiert sind, wird eine kleine Verstellung des konkaven Spiegels
die ringförmigen Linien fokuzieren.
Wenn ein Laser arbeitet, wird der erzeugte Laserstrahl mit der Achse zusammenfallen, welche mit Hilfe der Ausrichtungsstrahlung bestimmt worden ist und die Quelle 48 der Ausrichtungsstrahlung kann abgeschaltet werden. Die Ausrichtung kann periodisch
überprüft werden oder die Lage des Ausgangsstrahles kann zu einem beliebigen Zeitpunkt bestimmt werden in dem einfach
die Quelle 48 der Ausrichtungsstrahlung wiedereingeschaltet wird. Das Entfernen oder Einfügen von Spiegeln in den optischen
Zug ist nicht erforderlich um die Ausrichtung zu überprüfen, wodurch die Genauigkeit und die Durchführbarkeit der Ausrichtungsvorgänge bedeutend verbessert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung liefert jeder im Handel erhältliche Helium-Neon-Laser, welcher eine Strahlung mit einer Strahlweite von ungefähr hunderttausendstel erzeugt, einen sichtbaren
Strahl, welcher ausreichend kohärent und parallel ist. Andererseits kann aber auch eine herkömmliche Lichtquelle, welche mittels
einer Kombination von Linsen und Platten mit Oeffnungen einen
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kohärenten und parallelen Strahl erzeugt, einen annehmbaren Strahl erzeugen. Der Helium-Neon-Laser liefert jedoch im allgemeinen
einen besseren Strahl bei geringeren Kosten als eine herkömmliche Lichtquelle mit den zugehörigen Strahlformungsoptiken.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Ausgangsstrahl
in einem Resonatorhohlraum erzeugt welcher als Arbeitsmedium Kohlen-
stoffdioxyd, Helium und Stickstoff enthält- Ein kleiner Teil des Äusgangsstrahles tritt aus dem Resonatorhohlraum durch die
Oeffnung im konkaven Spiegel aus und trifft auf den zweiten Ausrichtungsspiegel. Der zweite Ausrichtungsspiegel ist aus
einem Material , wie etwa Germanium, Galliumarsenid, Kadmiumtellurid oder Zinkselenid hergestellt, welches den mit einem
Helium-Neon-Laser erzeugten Ausrichtungsstrahl reflektiert und den Laserausgangsstrahl zur Wärmeableitvorrichtung 58
durchlässt. Der zweite Ausrichtungsstrahl kann auch mit einem
Material beschichtet sein,welches den vom Kohlenstoffdioxyd
Laser erzeugten Ausgangsstrahl nicht reflektiert. Der Überzug vergrössert den vom Ausgangsstrahl durch den Spiegel 58 in
durchgehenden Anteil um ungefähr 50% auf ungefähr 9O%, wodurch eine Beschädigung des Ausrichtungslasers durch einen reflektierten
Ausgangsstrahl vermieden wird. Eine hinter dem Ausrichtungsspiegel 54 angeordnete Wärmeabfuhrvorrichtung 58 ist des öftern
erfordert um die durch den zweiten Ausrichtungsspiegel 52 hindurchgehende Strahlungsenergie abzuführen.
Die Oeffnung 26 im konkaven Spiegel 24 hat einen kleineren Durchmesser
als der Ausrichtungsstrahl, wodurch vermieden wird dass der weniger gut parallel ausgerichtete Teil des Strahles in
den Resonatorhohlraum hineintritt . Die Oeffnung 26 ist so klein wie möglich bemessen, übereinstimmend mit der Bereitstellung
eines geeigneten Ausrichtungsstrahles, um den Energieverlust aus dem Resonatorhohlraum durch die Oeffnung 26 zu verringern.
In einer Ausführungsform der Erfindung hat die Oeffnung 26
einen Durchmesser von ungefähr 2 mm.
Der auf den konvexen Spiegel 28 auftreffende Ausrichtungsstrahl wird divergierend reflektiert und von den Unilenkspiegeln 30
durch die Resonatorrohre 34 zum konkaven Spiegel 24 zurück-
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reflektiert, wo der Strahl wieder parallel ausgerichtet wird
und zum konvexen Spiegel 28 mit einem grösseren äusseren Durchmesser zurückgesandt wird. Dieser Vorgang, welcher den Ausgangsstrahl
exakt nachbildet, läuft so lange bis der Aussendurchmesser des Strahles den Durchmesser der Oeffnung 40 im Zentrum des Kopplungsspiegel
38 übersteigt. Tritt dies ein, so wird der äussere Teil des Strahles vom Kopplungsspiegel 38 zum Umlenkspiegel
umgelenkt, von wo aus er durch das Verstärkungsrohr 46 und durch das Fenster 36 gerichtet wird. Der sichtbare Strahl ermöglicht
die genaue Ausrichtung des Werkstückes bezüglich des Laserstrahles bevor das Lasersystem eingeschaltet wird.
Weil der Ausrichtungsstrahl den in dem Hohlraum während des Laserbetriebes
erzeugten Ausgangsstrahl genau kopiert, kann das gesamte System optisch sichtbar ausgerichtet werden, ohne dass es notwendig
ist das Lasersystem einzuschalten.
Die vom Helium-Neon-Laser erzeugte Ausrichtungsstrahlung hat eine kürzere Wellenlänge wie die vom Kohlenstoffdioxyd Lasersystem
erzeugte Laserstrahlen. In dem CO -Laser können Oberflächenfehler, welche die Ausgangsstrahlung des Lasers
beeinträchtigen,besser sichtbar gemacht werden, wenn die optischen
Komponenten der Ausrichtungsstrahlung kürzere Wellenlänge ausgesetzt werden. Wenn in irgendeinem der reflektierenden Spiegelflächen
Oberflächenfehler vorhanden sind, dann kann man den Ausgangsausrichtungsstrahl
als nicht gleichmässig beleuchtetes Muster im Nahfeld beobachten.
Die Anwendung eines sichtbaren Ausrichtungsstrahles erlaubt desweitern die Beobachtung thermischer Belastungswirkungen
auf den Umlenkspiegeln 30, dem Umlenkspiegel 42 und dem Kopplungsspiegel 38. Ungefähr 1% der Strahlung, welche auf die Spiegeloberfläche
auftrifft,wird vom Spiegel absorbiert , wodurch die Spiegeltemperatur ansteigt. Mit dem Ansteigen der Temperatur
der Spiegeloberfläche wird dieselbe ausgelenkt gegenüber ihrem kalten Zustand. Diese Wirkung kann beobachtet werden, wenn man
den sichtbaren Ausrichtungsstrahl während des Betriebs des Lasers in den Laserhohlraum injiziert. Wenn der thermische Effekt auftritt,
wird der Ring des sichtbaren Ausrichtungsstrahles im Nahfeld von anderer Grosse sein im Vergleich zu dem im Kaltzustand
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beobachteten Originalrauster. Der thermische Effekt kann danach verringert werden indem man die Menge des zur Kühlung der
verschiedenen Spiegel benutzten Kühlungsmediums verändert. Obschon es möglich ist das System mit einem unsichtbaren Ausrichtungsstrahl
auszurichten, würden zusätzliche Messgeräte notwendig sein um die Lage des Ausrichtungsstrahles auf den
Spiegeloberflächen festzustellen.
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Claims (9)
- PATENTANSPRÜECHE( lötverfahren zum Ausrichten mittels eines sichtbaren Strahles von reflektierenden Oberflächen, welche einen Laser mit einem eine optische Achse enthaltenden Resonatobereich bilden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahl einer Ausrichtungsstrahlung von einer äusseren Quelle erzeugt wird, dass der Strahl entlang der optischen Achse des Resonators gerichtet wird, dass der Strahl in den Resonatorbereich durch eine Oeffnung in einen ersten Endspiegel injiziert wird, dass ein zweiter Endspiegel so ausgerichtet wird, dass der Mittelpunkt des Ausrichtungsstrahles zum Mittelpunkt des ersten Endspiegels reflektiert wird und dass der erste Endspiegel so ausgerichtet wird, dass der Mittelpunkt des ÄusrichtungsStrahles zum Mittelpunkt des zweiten Endspiegels reflektiert wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonatorbereich eine Vielzahl von Resonatorrohren mit kreisförmigem Querschnitt umfasst , welche einen Teil des Lasermediums enthalten und dadurch,dassnach dem Injizieren des Strahles in den Resonatorbereich durch eine Oeffnung in dem ersten Endspiegel ein oder mehrere Resonatorrohre konzentrisch mit dem Ausrichtungsstrahl ausgerichtet werden.
- 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonatorbereich ein oder mehrere Umlenkspiegel umfasst,welche optisch zwischen dem ersten und dem zweiten Endspiegel angeordnet sind und,dass nach dem Injizieren des Strahles in den Resonatorbereich durch die Oeffnung in dem ersten Endspiegel die Umlenkspiegel ausgerichtet werden um den Äusrichtungsstrahl bezüglich jedes Umlenkspiegels in eine Zentrallage zu bringen.
- 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstärkungsbereich mit mehreren Verstärkerrohren kreisförmigen Querschnitts, welcher einen Teil des Lasermediums enthalten, vorgesehen ist, und dadurch,dass ein oder mehrere Verstärkerröhre konzentrisch mit dem Ausrichtungsstrahl ausgerichtet werden.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonatorbereich ein instabiler Resonator ist.
- 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass509850/0293- IO -ein Kopp lungs spiegel im Resonatorbereich vorgesehen ist und , dass nach dem Injizieren des Strahles in den Resonatorbereich durch die Oeffnung in dem ersten Endspiegel der Kopplungsspiegel so ausgerichtet wird, dass der Ausrichtungsstrahl sich bezüglich des Kopplungsspiegels in einer Zentrallage befindet.
- 7. Vorrichtung zum Ausrichten der reflektierenden Oberflächen eines instabilen Laserresonators in Obereinstimmung mit dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6 ,gekennzeichnet durch Mittel (48) zum Erzeugen eines kohärenten und parallelen Strahles einer sichtbaren Ausrichtungsstrahlung, einem Ausrichtungsspiegel(52) ausserhalb des Resonators (12) zum Richten des Strahles entlang der Achse des Resonators und ein konkaver Endspiegel(24) mit einer Oeffnung (26) auf der Achse des Resonators durch welche der Ausrichtungsstrahl in den Resonator eintritt.
- 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Wärmeabfuhrvorrichtung (58) , welche hinter dem Endspiegel (24) mit der Oeffnung (26) angeordnet ist um die aus dem Resonator(12) durch die Oeffnung (26) austretende Laserstrahlung abzuführen.
- 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausrichtungsspiegel aus einem Material gefertigt ist, welches den Ausrichtungsstrahl reflektiert, aber den im Resonator erzeugten Laserstrahl durchlässt.509850/0293
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