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Die Brfindtmg bezieht sich auf Laservorrichtungen, insbe-
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sor#dere auf die Frequenzwahl bei Laservorrichtur,yen hoher Energie.
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Derartige Laservorrichtungen können verwendet werden zum Schneiden
und Gravieren der Oberfläche eines Materials, beispielsweise zum Eingravieren eines
Mildes in die Oberfläche eines Druckkörpers. Es ist bei Lasern allgemein üblich,
mehr als eine Fetriebsfrequenz aufzuweisen, und es ist ein hinreichend bekanntes
Erfordernis, daß die Ausgangsenergie des Lasers in eine besondere, bevorzugte Ausgangs
frequenz konzentriert sein sollte. Ein Beispiel hierfür ist dort gegeben, wo das
Lasermedium Kohlendioxid ist und dieses zwei Grundgruppen Voll Ausgangsstrahlungen
erzeugt, und zwar eine, die bei einer Wellenlänge von etwa 1,6 Mikron zentriert
ist, während die andere bei einer We).lenlange von etwa 9,6 Mikron zentriert ist.
In diesem Fall ist die bei etwa 10,6 Mikron zentrierte Strahlung allgemein die bevorzugte
Strahlung.
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Bei einer Lasereinrichtung mit hoher Energie ist es auch üblich, wenigstens
zwei unterschiedliche Teile einer Laservorrichtung zu haben, und zwar einen Laseroszillatorabschnitt
und einen Laserverstarkerabschnitt, der abströmseitig von dem Laseroszillator angeordnet
ist. Der Laseroszillator enthält
einen optischen Hohlraum, der
ein Paar Spiegel mit einem zwischen ihnen angeordneten Lasermedium aufweist, um
die bevorzugte Wellenlänge der Strahlung zu erzeugen und begünstigen, und der Ausgang
des Oszillators wird allgemein auf eine Modulatorzelle und dann auf den Laserverstärker
übertragen, welcher einen weiteren, mit Lasermedium angefüllten Bereich enthält,
jedoch ohne Resonanzhohlraum. Der Ausgang von dem Laseroszillator und Modulator
wird durch den Laserverstärker lediglich verstärkt. Wenn die Laservorrichtung hoher
Energie benutzt wird, um ein Werkstück zu schneiden oder zu gravieren, dann wird
der Ausgang von dem Laserverstärker in einem Brennpunkt auf dem WerkstUck gesammelt.
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In einer solchen Anlage können Schwingungen in dem Verstärkerabschnitt
infolge von Reflektionen von dem Werkstück auftreten. Es wird daher ein zweiter
optischer Hohlraum aufgestellt unter Verwendung des Lasermediums des Verstärkers,
wobei die Werkstückoberfläche einen seiner Spiegel bildet und einer der Spiegel
des optischen Hohlraums des Lageroszillators oder eine andere reflektierende Fläche
in dem Verstärkerabschnitt seinen anderen Spiegel bildet. Bei jeglichem derartigen
zweiten Hohlraum ist es äußerst unwahr scheinlich, daß er sich auf die bevorzugte
Wellenlänge abstimmen läßt, und dies gibt Anlaß zur Erzeugung einer Laserstrahlung
bei einer anderen als der bevorzugten Wellenlänge. Die
Erzeugung
dieser Laserstrahlung stellt ein unannehmbares Geräusch auf dem modulierten Laserausgang
dar, vermindert die Intensität der Strahlung bei der bevorzugten Wellenlänge und
kann die Gesamtintensität des Ausgangs des Laserstrahls herabsetzen. Auch führt
die Einführung dieser anderen Wellenlängen zu einer Verschmierung des Brennpunkts
des Laserstrahls mit Bezug auf die Werkstückoberfläche infolge der Nichteinfarbigkeit
des Laserstrahls.
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Um diese Wirkung zu vermindern, ist in das optische System ein Isolator
eingeführt worden, der aus einem Polarisator besteht, gefolgt von einer Viertelwellenlängenplatte,
welche auf die Wellen-länge der bevorzugten Strahlung abgestimmt ist. Daher wird
das Licht nach dem Verlassen des Laseroszillators planpolarisiert und geht dann
durch die Viertelwellenlängenplatte hindurch, was zu einer kreisförmigen Polarisation
des Lichtes führt. Daher ist der Ausgang von der Viertelwellenlängenplatte kreisförmig
polarisiert, und dieses kreisförmig polarisierte Licht wird bei seinem Durchgang
durch den Laserverstärker verstärkt. Jegliches von dem Werkstück reflektierte Licht
geht durch den Laserverstärker in entgegengesetzter Richtung und dann durch die
Viertelwellenlängenplatte hindurch, welche es in planpolarisiertes Licht verwandelt.
Als Folge der Reflektion von dem Werkstück und dann des zweiten Durchgangs durch
die
Viertelwellenlängenplatte wird das zu dem Polarisator zurückkehrende
Licht in einer Richtung lotrecht zu dem von dem Polarisator geführten polarisiert
und daher herausgefiltert.
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Der Isolator hindert daher durch den Laseroszillator erzeugtes Licht
oder aufgrund des Laseroszillators entstehendes Licht daran, nach der Reflektion
von dem Werkstück wieder in den optischen Hohlraum des Laseroszillators einzutreten.
Der Einschluß eines derartigen Isolators zur Erzielung dieses Ergebnisses war durchaus
erfolgreich, jedoch kann Licht, insbesondere Licht bei einer anderen als der.bevorzugten
Frequenz, spontan in dem Laserverstärker emittiert werden. Ein solches Licht hat,
selbst wenn es sich auf der bevorzugten Frequenz befindet, nicht unbedingt denselben
Polarisationszustand wie das in den Laserverstärker eintretende Licht und kann sehr
wohl eine andere als die bevorzugte Frequenz haben. Jegliche derartige spontan von
dem Laserverstärker emittierte Strahlung kann ebenfalls von dem Werkstück reflektiert
werden. Diese Strahlung wird auf ihrem Rückweg durch den Laserverstärker verstärkt,
und dann geht, da ihre Wellenlänge derjenigen der Viertelwellenlängenplatte ent-und
spricht oder auch nicht, /da sie jeden beliebigen Ausgangszustand einer Polarisation
haben kann, ein bedeutender Teil dieser unbevorzugten Strahlung durch den Polarisator
hindurch und wird von dem Spiegel am Ausgangsende des optischen Hohlraums, irgendeiner
anderen reflektierenden Oberfläche in der Vorrichtung reflektiert oder tritt möglicherweise
sogar
in den optischen Hohlraum des Oszillators ein und wird von
dem Spiegel an dem anderen Ende des optischen Hohlraums des Oszillators reflektiert.
Es kann daher eine Strahlung, welche nicht das Ergebnis des Laseroszillators ist,
und die sich insbesondere nicht auf der bevorzugten Laserfrequenz befindet, zwischen
der Werkstückoberfläche und irgendeiner anderen reflektierenden Oberfläche oszillieren
und zur Erzeugung einer Oszillation in dem Lasermedium des Laserverstärkers führen.
Diese Schwingungen führen zu der Erzeugung einer Laserstrahlung, die sich nicht
auf der bevorzugten Wellenlänge befindet, und diese Laserstrahlung, die sich nicht
bei der bevorzugten Wellenlänge befindet, wird durch weitere Durchgänge durch den
Verstärker verstärkt. Dies bringt ein erhebliches Geräuschelement in den modulierten
Laserstrahl bei der bevorzugten Wellenlänge ein und vermindert die für die bevorzugte
Strahlungswellenlänge verfügbare Pumpenergie.
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Gemäß der Erfindung enthält eine Lasereinrichtung einen Laseroszillator
mit einem Lasermedium, das zwischen einem Paar einen optischen Hohlraum begrenzender
Oszillatorspiegel angeordnet ist,einentaserverstärker mit einem Lasermedium, das
abströmseitig von dem Ausgang des Laseroszillators angeordnet ist, einen optischen
Isolator abströmseitig von dem Laseroszillator, sowie ein Schmalbandübertragungsfilter
in dem Laserverstärker, das auf die Ausgangsfrequenz des Laseroszillators
abgestimmt
ist.
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Die Kombination des optischen Isolators, welcher den Aufbau von Schwingungen
in dem Verstärker durch die aus dem Laseroszillator resultierende Laserstrahlung
und den lIauptteil jeglicher Strahlung der bevorzugten Wellenlänge verhindert, und
des Schmalbandübertragungsfilters, welches die Übertragung von Laserstrahlung bei
jeglicher Frequenz außer der bevorzugten Wellenlänge in dem Laserverstärker verhindert,
führt zu der Unterdrückung jeglicher Schwingung in dem Laserverstärker infolge Reflektion
von einem Werkstück.
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Vorzugsweise wird das Schmalbandübertragungsfilter zwischen dem Ausgangsspiegel
des Laseroszillators und dem Laserverstärker angeordnet, obwohl es auch abströmseitig
von dem Ausgang des Laserverstärkers angeordnet werden kann. Der Laserverstärker
kann durch eine mehrstufige Anordnung gebildet sein, und in diesem Fall kann das
Schm.albandübertragungsfilter an einem beliebigen Punkt in den Weg des mehrstufigen
Laserverstärkers eingeführt sein.
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Bei Anlagen hoher Energie wird es bevorzugt, das Schmalbandübertragungsfilter
nicht am endgültigen Ausgang des Verstärkers anzuordnen, da Verluste von bis zu
15 % in dem Schmalbandübertragungsfilter selbst bei der bevorzugten Frequenz auftreten.
Dieser Verlust würde zu einem Verlust
an Ausgangsleistung in derselben
Höhe führen, wenn jedoch das Schmalbandübertragungsfilter aufströmseitig von der
letzten Stufe des Verstärkers angeordnet wird, dann kann ein Verlust toleriert werden,
da leicht Vorkehrungen getroffen werden können, damit die letzte Stufe des Verstärkers
eine Sättigung und daher höchste Intensität ergibt. Ferner kann die Energiedichte
des Ausgangs von dem Hochleistungsverstärker ausreichend sein, um das Schmalbandübertragungsfilter
abzubrennen", da dieses allgemein durch ein dielektrisches Mehrschichtfilter gebildet
ist.
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Es wird nunmehr ein besonderes Beispiel einer Laservorrichtung gemäß
der Erfindung zur Verwendung beim Gravieren eines Druckkörpers beschrieben, und
zwar unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, die ein Schema des optischen
Weges der Vorrichtung zeigt.
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Die Vorrichtung enthält einen Laseroszillator, der durch ein Lasermedium
1 und Spiegel 2 und 3 gebildet ist, welche einen optischen Hohlraum begrenzen, der
auf einen Ausgang von 10,6 Mikron abgestimmt ist. Der Ausgang von dem Laseroszillator
wird einem linearen Polarisator 4 zugeführt, und zwar über eine elektrooptische
Modulatorzelle 5 und einen analysierenden Polarisator 6. Auf die elektrooptische
Zelle 5 werden elektrische Signale übertragen, um die Polarisationsachse des durch
sie hindurchgehenden Lichtes zu verändern, und
da die Achsen der
Polarisatoren 4 und 6 mit Bezug aufeinander lotrecht sind, wird der Lichtausgang
von dem Analysator 6 in seiner Intensität in Abhängigkeit von dem auf die elektrooptische
Zelle 5 übertragenen Signal moduliert. In der Praxis sind beide Polarisatoren 4
und 6 aus Platten gebildet, die im Brewster'schen Winkel geneigt sind, so daß das
gesamte von den Platten reflektierte Licht linear polarisiert wird. Gegenwärtig
ist kein geeigneter Polarisator vom Glan'schen Prisma Typ verfügbar, der bei 10,6
Mikron arbeitet, wenn jedoch einer verfügbar wäre, dann würden derartige Prismen
für die Polarisatoren 4 und 6 bevorzugt werden.
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Das Licht geht dann durch eine Platte 7 hindurch, die beim Brewster'schen
Winkel geneigt ist, und - um die Lichtübertragung der Anlage zu maximieren, ist
die Platte so ausgerichtet, daß das gesamte linear polarisierte Licht von dem Analysator
6 durch die Brewster'sche Platte 7 hindurchgeht und in ein Lasermedium 8 eintritt,
welches die erste Stufe eines Laserverstärkers bildet. Das Licht wird in dem Lasermedium
8 verstärkt und geht dann durch eine Viertelwellenl#ngenplatte 9 hindurch, sowie
durch ein Schmalbandübertragungsfilter 10, das durch ein dielektrisches Mehrschichtfilter
dargestellt ist. Nach dem Durchgang durch das Schmalbandübertragungsfilter 10 wird
das gesamte Licht von einem Spiegel 11 reflektiert und kehrt durch das Schmalbandübertragungsfilter
10, die Viertelwellenlängenplatte 9 und durch das Lasermedium 8
zurück.
Das Licht wird ferner verstärkt durch seinen zweiten Durchgang durch das Lasermedium
8, und dann wird der Hauptteil des zurückkehrenden Lichtes von der Brewster'schen
Platte 7 reflektiert. Die reflektierte Komponente wird vollständig linear polarisiert,
und diese geht dann durch eine zweite Viertelwellenlängenplatte 12 hindurch, wird
von einem Spiegel 13 reflektiert und geht durch ein Lasermedium 14 hindurch, welches
die letzte Stufe des Verstärkers bildet. Der Ausgang von dem Lasermedium 14 wird
durch eine Linsenanordnung 15 auf die Oberfläche eines Werkstücks 16 fokussiert.
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Der Ausgang von dem Laseroszillator ist allgemein linear polarisiert,
jedoch wird dies "bereinigt" (cleaned up") durch den Polarisator 4, und der Ausgang
des Polarisators 4 ist vollständig linear polarisiert. Die elektrooptische Zelle
5 verändert die Polarisationsachse des Lichtes, und der Analysator-Polarisator 6
entfernt jegliches Licht, dessen Polarisationsebene gleich dem Ausgang des Polarisators
4 ist. Der Ausgangsstrahl von dem Analysator-Polarisator 6 ist linear polarisiert,
und daher ist das Licht nach dem Durchgang durch die Brewster'sche Platte 7 noch
linear polarisiert. Das linear polarisierte Licht wird durch angeregte Emission
im Durchgang durch das Lasermedium 8 verstärkt, und dann wird dieses linear polarisierte
Licht beim Durchgang durch die Viertelwellenlängenplatte 9 kreisförrtig polarisiert.
Der Durchgang durch das Schmalbandübertragungsfilter 10 entfernt jegliches Licht,
welches durch die spontane Emission in dem Lasermedium 8 erzeugt wurde und nicht
die bevorzugte Wellenlänge von 10,6 Mikron hat. Bei Reflektion von dem Spiegel 11
wird die Richtung der kreisförmigen Polarisation umgekehrt,
und
dann - nach Rückkehr durch die Viertelwellenlängenplatte 9 - wird die Polarisation
des Lichtstrahls in lineare Polarisation umgewandelt, jedoch liegt seine Polarisationsebene
nun im rechten Winkel zu derjenigen des Durchgangs durch das Lasermedium 8 in Vorwärtsrichtung.
Das linear polarisierte Licht kehrt durch das Lagermedium 8 zurück und trifft auf
die Brewster'sche Platte 7 auf. Das von der Brewster'schen Platte 7 auf die Viertelwellenlängenplatte
12 reflektierte Licht ist linear polarisiert. Das Licht, welches durch die Brewster
sche Platte 7 übertragen wird, wird durch den Polarisator 4 und den Analysator-Polarisator
6 ausgefiltert. Das von der Brewster'schen Platte 7 reflektierte linear polarisierte
Licht geht durch die Viertelwellenlängenplatte 12 hindurch und wird noch einmal
kreisförmig polarisiert. Die Polarisationsrichtung des kreisförmig polarisierten
Lichtes wird durch den Spiegel 13 umgekehrt, und sodann wird dies kreisförmig polarisierte
Licht durch angeregte Emission in dem Lasermedium 14 verstärkt. Der Ausgang von
dem Laserstrahl 14 wird sodann auf das Werkstück 16 fokussiert.
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Jegliches von dem Werkstück 16 reflektierte Licht wird in deniselben
Sinne kreisförmig polarisiert wie das die Viertelwellenlängenpiatte 12 verlassende
Licht und bei Rückkehr durch die Linse und das Lasermedium 14 in gewissem Maße durch
angereqte Emission verstärkt. Die Polarisationsrichtung wird durch den Spiegel 13
umgekehrt, und daher ist dies zurückkehrende Licht, wenn es durch die Viertelwellenlängenplatte
12 hindurchgeht, wiederum. linear polarisiert, jedoch ist seine Polarisationsebene
normal zu derjenigen bei Durchgang des Lichtstrahls in Vorwårtsrichtung
von
der Brewster'schen Platte 7 reflektierten, so daß es von der Platte 7 nicht reflektiert
sondern durch sie Ubertragen wird. Somit bildet die Kombination der Brewster'schen
Platte 7 und der Viertelwellenlängenplatte 12 einen optischen Isolator, welcher
jegliches Licht, das von dem Laseroszillator ausgeht, daran hindert, nach der Reflektion
von der Oberfläche des Werkstücks 16 zum Laseroszillator zurückgeführt zu werden.
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Jedoch kann durch spontane Emission Licht sowohl von dem Lasermedium
8 als auch von dem Lasermedium 14 emittiert werden, und dieses kann eine Wellenlänge
haben, die nicht die bevorzugte Wellenlänge von 10,6 Mikron ist. Jegliches durch
spontane Emission in dem Lasermedium 8 emittierte Licht kann wenigstens teilweise
von der Brewster'schen Platte 7 reflektiert werden, durch die Viertelwellenlängenplatte
12 hindurchgehen, von dem Spiegel 13 reflektiert werden und dann durch das Lasermedium
14 hindurchgehen. Hier kann es durch angeregte Emission verstärkt und dann durch
die Linse 15 auf die Werkstückoberfläche 16 fokussiert werden. Wenn diese nicht
bevorzugte Strahlung dann durch das Werkstück 16 reflektiert wird, kehrt sie durch
das Lasermedium 14 zurück, wird weiter verstärkt, geht durch die Viertelwellenlängenplatte
12 hindurch und kann dann, da die Viertelwellenlängenplatte 12 nicht auf die Frequenz
dieser Strahlung abgestimmt ist, wenigstens zum Teil von der Brewster'schen Platte
7 reflektiert und zu dem Lasermedium 8 zurückgeführt werden. Es kann wiederum ein
größerer Teil der nicht bevozugten Wellenlänge durch angeregte Emission in dem Medium
8 erzeugt werden, jedoch passiert das Licht beim Verlassen des Lasermediums 8 das
Schmalbandübertragungsfilter 10, welches diese nicht bevorzugte
Strahlung
effektiv herausfiltert. Somit kann die nicht bovorzugte Strahlung nach dem Durchgang
durch alle verschiedenen anderen Komponenten der Anordnung nicht durch den Spiegel
11 oder einen der Spiegel 2 oder 3 zurückgeführt werden und so eine Schwingung zwischen
beispielsweise dem Spiegel 11 und dem Werkstück 16 einleiten und so einen optischen
Hohlraum unter Verwendung des Spiegels 11, der Werkstückoberfläche 16 und der Lasermedien
8 und 14 begrenzen. Daher wird jegliches durch spontane Emission emittierte Licht
schnell durch das Schm.albandtransmissionsfilter 10 gedämpft und die Erzeugung von
Schwingung in dem Verstärkerteil der Vorrichtung dadurch verhindert.
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Dies führt dazu, daß im wesentlichen das gesamte das Werkstück erreichende
Licht von der bevorzugten Wellenlänge ist, was wiederum zu einem niedrigen Geräuschpegel
in der Vorrichtung führt, selbst wenn beispielsweise der Spiegel 11 und das Werkstück
16 eine ideale Situation schaffen, durch welche wenigstens ein Teil des Verstärkers
in einen Oszillator verwandelt werden könnte.
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Wenn die Vorrichtung nicht so angeordnet ist, daß sie mit einer bevorzugten
Wellenlänge von 10,6 Mikron arbeitet, dann bestehen der Polarisator 4 und der Analysator-Polarisator
6 vorzugsweise aus Polarisatoren vom Glan-Prisma-Typ. In diesem Fall wird die getrennte
Brewster'sche Platte 7 nicht benötigt, da das den Analysator-Polarisator 6 bildende
Glan'sche Prisma als der Polarisator des Isolators sowie auch als der Analysator-Polarisator
des Modulators dient.
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L e e r s e i t e