DE3112284C2

DE3112284C2 - Verfahren zur Steuerung eines Festkörperlasers und Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE3112284C2
Application number: DE3112284A
Authority: DE
Inventors: Michael S. 97219 Portland Oreg. Mauck
Original assignee: Electro Scientific Industries Inc
Current assignee: Electro Scientific Industries Inc
Priority date: 1980-03-28
Filing date: 1981-03-27
Publication date: 1984-02-16
Also published as: US4337442A; DE3112284A1; JPS5824029B2; JPS56152288A

Abstract

Die anfänglich eine hohe Amplitude aufweisenden Laser-Impulse werden zu Beginn eines Impulszuges bei einem kontinuierlich gepumpten, wiederholt im Güteschaltbetrieb betriebenen Nd : YAG-Laser dadurch vermindert, daß der der als Pumplichtquelle dienenden Kryptonbogenlampe zugeführte Strom um etwa 5 A während einer Zeitspanne von etwa einer halben bis etwa einer Millisekunde vor der Auftastung des Q-Schalters (Güteschalters) herabgesetzt wird.

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Festkörperlasers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einen Festkörperlaser zur Durchführung dieses Steuerverfahrens.

Die DE-OS 28 19 206, aus der ein derartiges Verfahren bekannt ist, beschreibt ein Lasergerät, bei dem jeweils der erste Impuls einer Folge von Laserimpulsen dadurch vermindert werden soll, daß die Steuerung des Q-Schalters derart modifiziert wird, daß dieser nicht vollständig entaktiviert wird, und daß die ihm zugeführte Ansteuerungsenergie langsam verringert wird. Zu diesem Zweck sind in der Betriebsschaltung des ζ)-Schalters ein Anstiegszeitbegrenzer und ein Amplitudenbegrenzer vorgesehen, die eine spezielle Modulationshüllkurve für den Betrieb des piezoelektri- do sehen Treibers für den HF-Oszillator des Q-Schalters erzeugen. Bei dieser Betriebsart sind die Amplituden der ersten Laserimpulse einer Folge sehr stark verschieden, was sich sehr nachteilig auf zu bearbeitende Werkstücke auswirken kann. b5

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren derart zu verbessern, daß die ersten Impulse gleichmäßiger auf die Amplitude der darauffolgenden Impulse oder geringfügig darunter herabgesetzt werden, sowie einen Festkörperlaser zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst; eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens ist im Anspruch 3 angegeben.

Mit einfachsten Schaltungselementen wird eine neuartige Steuerung des Laserbetriebs ermöglicht, die schädliche erste Impulse sicher ausschaltet unc deren Amplituden gleichmäßig gestaltet

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung im Vergleich zum Stand der Technik und unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Darin zeigt

F i g. 1 eine schematische elektrische Schaltungsauslegung zur Verdeutlichung der Methode der Verwirklichung der bei dem Ausführungsbeispiel verwendeten Laser-Abgabeimpulsamplitudensteuerungund

Fig.2 ein Diagramm mit einer Vielzahl von elektrischen Wellenformen von elektrischen Signalen und dem Laser-Ausgang zur Verdeutlichung der Arbeitsweise der Anlage nach F i g. 1.

Aus Illustrationszwecken ist in F i g. 1 schematisch eine konkrete Auslegungsform eines üblichen Lasers mit akusto-optischer Güteschaltung (im folgenden auch als (?-Laser mit (^-Schaltung bezeichnet) gezeigt. Hierbei ist ein länglicher Nd : YAG-Stab 10 in einem Wärmeaustauscher 12 angebracht, durch den eine Kühlflüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe 14 und Verbindungsleitungen 16 und 18 zirkuliert Ein zweiter Wärmeaustauscher 20 umgibt einen Teil der stromaufwärtigen Leitung 18, um die Flüssigkeit vor ihrer Rückkehr zu dem Wärmeaustauscher 20 zu kühlen, der typischerweise eine Kühlung mit Hilfe von Leitungswasser ermöglicht.

Die Enden des Lasers liegen frei, so daß sich die Längsachse des Laserstabs unbehindert zwischen Spiegeln 22 und 24 erstreckt, die von den gegenüberliegenden Enden des Laserstabs in einem Abstand nach außen angeordnet sind.

Der Laser umfaßt auch eine kontinuierlich gepumpte Lichtquelle als Anregungslampe 26. Für den dargestellten Nd : YAG-Stab ist die Lichtquelle eine Kryptonbogenlampe 26, die an eine Gleichstromquelle 28 angeschlossen ist.

Ein akusto-optischer Q-Schalter (Güteschalter) 30 ist bei der dargestelltem Ausführungsform zwischen dem Spiegel 24 und dem gegenüberliegenden Ende des Stabs 10 angeordnet. Der (^-Schalter wird mit einer vorbestimmten Wiederholfrequenz mit Hilfe von Torimpulsen PaIs Gate geschaltet wobei die Torimpulse P von einem Folgefrequenzgenerator 32 erzeugt und über eine Torschaltung 34 an eine HF-Torschaltung 36 angelegt werden. Ein HF-Signal wird an die HF-Torschaltung 36 von eirrem HF-Oszillator 38 angelegt. Die Torimpulse bzw. Auftastirnpulse P unterbrechen das zu dem Verstärker 40 gehende und somit zu dem (^-Schalter gehende HF-Signal. Während dieser Unterbrechungszeit baut sieh der Laser-Abgabeimpuls L auf und wird vom Laser emittiert.

Beim Betreiben des zuvor genannten üblichen (?-Lasers werden ein oder mehrere große Laser-Abgabeimpulse L'(Fig. 2) beim Anlegen des Torsignales G erzeugt, das von einer Auftastsignalquclle 42 (im folgenden auch als Torsignalquelle bezeichnet) kommt.

an die Torschaltung 34. Beim Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird gerade die Amplitude dieser zu Beschädigungen führenden, großen Ausgangsimpulse herabgesetzt

Beim Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Steuerschaltung 44 in Form einer üblichen digitalen, logischen oder analogen Schaltung zwischen der Torsignalquelle 42 und der Torschaltung 34 angeordnet. Der Ausgang der Torsignalquelle ist somit mit dem Eingang der Steuerschaltung 44 verbunden und ein Ausgang der Steuerschaltung ist mit dem Eingang der Torschaltung verbunden. Dieser Teil der Steuerschaltung arbeitet derart, daß er eine vorbestimmte Zeitverzögerung für das Torsignal C liefert, das an die elektronischen Einrichtungen des Q-Schalters der zuvor beschriebenen Art angelegt wird.

Ein zweiter Ausgang der Steuerschaltung 44 ist mit der Gleichstromquelle 28 verbunden und er arbeitet derart, daß er den Strom C zu der Bogenlampe 26 um eine vorbestimmte Größe C und für eine vorbestimmte" Zeit f herabsetzt Bei dem dargestellten Laser kann die Gleichstromquelle der Kryptor.bogen'.ampe einen Strom mit etwa 15—20 A im Normalbetrieb liefern. Die Verringerung des Stromes durch die Steuerschaltung 44 beläuft sich auf etwa 5 A und die Zeit Z, während der der verminderte Strom zugeführt wird, ist gleich der Verzögerungszeit für das Torsignal C.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Laser ist die Wiederholfrequenz der Torimpulse P und somit der Periode der Laserabgabeimpulse L kleiner als etwa 3« 1 Millisekunde. Demzufolge wird eine Zeitverzögerung / von wenigstens einer halben Millisekunde für das Torsignal C zu der Torschaltung 34 und für den der Bogenlampe zugeführten verminderten Strom benötigt Andererseits ist eine Zeitverzögerung von größer als J> etwa eine Millisekunde für die höchste Wiederholfrequenz nicht erforderlich und führt im Gegenteil zu einem Verlust an produktiver Arbeitszeit.

Dank des verzögerten Torsignals C für die Elektronik des (^-Schalters und dank des verminderten -to Stroms C'f_r die Bogenlampe, was beides mit Hilfe der Steuerschaltung 44 erreicht wird, wird bzw. werden ein oder mehrere Ausgangslaserimpulse L" mit hoher Amplitude am Beginn der Impulsfolge auf einen' vorbestimmten Pegel eingestellt, d.h. im wesentlichen ■»> auf die Amplitude der darauffolgenden Impulse L der Impulsfolge oder geringfügig darun.er herabgesetzt

Dies wird dadurch erreicht, daß während der Zeit / mit vermindertem Lampenstrom der angeregte obere Arbeitszustand des Lasers durch eine spontane nicht im Laser-Bereich liegende Emission herabgesetzt wird. Durch Torschaltung des Lasers bzw. durch Auftasten des Lasers, d.h. durch das Öffnen des (^-Schalters während dieser Zeit t wird eine Entladung der im Laserstab gespeicherten Energie durch eine weitere Herabsetzung bzw. Population bewirkt Durch die Wahl geeigneter Bedingungen für den verminderten Lampenstrom C und der Zeitverzögerung t wird bzw. werden der unregelmäßig große (für den verminderten Lampenstrom) erste Laserimpuls L" bzw. die paar ersten Laserimpulse der hierbei erzeugten Art hinsichtlich ihrer Amplitude im wesentlichen gleich oder geringfügig kleiner als die Amplitude der darauffolgenden Laserimpulse L gemacht, die kontinuierlich bei der Stromstärke C erzeugt werden, auf die die Lampe im Anschluß an die Entladung der gespeicherten Energie durch den Impuls /."zurückkehrt

Eine Herabsetzung des Lampenstroms und daher des Lichtpegels bei dem dargestellten '-üsführungsbeispiel im Bereich zwischen etwa 25% und ?5%, ausgehend von den normalen Arbeitsbedingungen etwa eine halbe Millisekunde lang vor dem Auftasten des (^-Schalters, hat sich in der Praxis als eine äußerst zweckmäßige Verknüpfung von Zeit und Strom erwiesen.

Selbstverständlich kann bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel der Nd: YAG-Laserstab durch einen Rubin-Laser-Stab oder andere Typen von Festkörper-Laser-Stäben oder durch andere Formen von Festkörperlasern ersetzt werden, die Energie speichern können. Auch die Kryptonbogenlampe kann durch andere kontinuierlich pumpende Lichtquellen wie Xenon u. dgl. oder durch andere Arten von Pumpmedien ersetzt werden. Der akusto-optische Q-Schalter kann durch einen optoelektrischen Q-Schalter mit entsprechender Abwandlung der elektronischen Schaltung ersetzt werden.

Als Stromquelle kommen außer der genannten Gleichstromquelle auch Radiofrequenzquellen (RF-Quelien) in Betracht, die fähig sind, daß sie mit auf eichender Geschwindigkeit relativ zu der Laser-Impulsfrequenz verändert werden können, um eine Änderung hinsichtlich der Eingabekennwerte zwischen den zu steuernden Impulsen zu erreichen. Die Gleichstromquelle für das dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel hat zweckmäßigerweise eine Einstellrate von etwa 5 A pro einhundert MikroSekunden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1 Verfahren zur Steuerung eines Festkörperlasers mit kontinuierlicher optischer Anregung und mit einem Güteschalter zur Erzeugung einer Folge von > Laserimpulsen und einer Auftastsignalquelle für den Güteschalter, bei welchem mittels einer Steuerschaltung das Auftastsignal verzögert wirksam wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Anregungspegel für einen Zeitraum um eine derartige Grö3e herabgesetzt wird, die ausreicht, um die im Laser gespeicherte Energie auf einen Pegel zu vermindern, der nicht größer als der Pegel ist, der sich normalerweise zwischen den Laserimpulsen bei der Betriebsfolgefrequenz und dem Betriebsanregungspegel einstellt und daß gleichzeitig das Auftastsignal um den gleichen Zeitraum verzögert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 für einen Nd : YAG-Laser mit einer Kryptonbogenlampe., die mit 15 bis 20 A gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisestrom um etwa 5 A für etwa eine halbe Millisekunde herabgesetzt wird.
3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang der Steuerschaltung (44) mit der Auftastsignalquelle (42, G) verbunden ist und ein Ausgang (C, C) mit der Stromquelle (28) für die Anregungslampe (26) und ein weiterer Ausgang (C) mit einer Torschaltung (34) zur Erzeugung eines dem Güteschalter zuzuführenden HF-Signals.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß oie Stromquelle (28) eine Gleichstromquelle ist, daß die an einem ib er Eingänge mit der Steuerschaltung (44) verbundene Torschaltung (34) an ihrem anderen Eingang vor einem Folgefrequenzgenerator (32) gespeist wird und an ihrem Ausgang (P) mit einer HF-Torschaltung (36) verbunden ist, deren anderer Eingang von einem HF-Oszillator (38) gespeist wird und deren Ausgang w mit dem Güteschalter (30) verbunden ist.