DE3415009A1

DE3415009A1 - Laservorrichtung

Info

Publication number: DE3415009A1
Application number: DE19843415009
Authority: DE
Inventors: Masaki Amagasaki Hyogo Kuzumoto; Shuji Ogawa; Shigenori Yagi; Koji Yasui
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1983-04-20
Filing date: 1984-04-19
Publication date: 1984-10-25
Also published as: US4914671A; FR2544922B1; DE3415009C2; FR2544922A1

Description

HOFFMAKfN" EITLE & PARTNER 3415009

PATENT· UND RECHTSANWÄLTE PATENTANWÄLTE DIPL.-ΙΝΘ. W. EITLE . DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-ΙΝβ. W. LEHN DIPL.-ING. K. FOCHSLE . DR. RER. NAT. B. HANSEN . DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS · DIPL.-ING. K. QORG DIPL.-ING. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A, NETTE

- 10 - 40 169 g/gt

MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA Tokyo / JAPAN

Laservorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung mit einem Infrarotlasermedium und einem Blendenteil, das innerhalb des Resonators angeordnet ist.

Fig. 1 zeigt in schematischer Weise einen Querschnitt eines typischen Beispiels einer konventionellen Laservorrichtung dieses Types. In Fig. 1 ist eine Wechselstrom-Hochspannungsquelle 1 zwischen einem Paar von gegenüberliegend angeordneten Elektroden 2 und 3 vorgesehen. Eine stille Entladung 4 kann in einem Zwischenraum zwischen den Elektroden 2 und 3 erzeugt werden. Ein teilreflektierender Spiegel-5 ist an einem Ende des Zwischenraumes vorgesehen, während ein totalreflektierender Spiegel 6 an dem anderen Ende dieses Zwischenraumes vorhanden ist. Ein Blendenteil 7 ist zwischen dem teilreflektierenden Spiegel 5 und dem anderen Ende des Zwischenraumes vorgesehen, um alle Lasermoden mit Ausnahme des Hauptstrahlenbündels zu unterdrücken. Das Vorhandensein eines solchen Blendenteiles ist in dem US-Patent 3 904 983 offenbart. In dem Raum zwischen den Elektroden 2 und 3 fließt ein Lasergasmittel orthogonal zur

RABELLASTRASSE 4 · D-8OOO MÜNCHEN 81 · TELEFON CO893 ΟΪΙΟ87 · TELEX S-29S1S CPATHE} · TELEKOPIERER 9183SS

Blattebene wie durch die Bezugszeichen 8 angedeutet. Ein dicker Pfeil 9 zeigt einen Ausgangslaserstrahlenbündel.

Beim Betrieb wird eine Hochspannungswechselspannung raittels einer Leistungsquelle 1 parallel zum Raum zwischen den Elektroden 2 und 3 angelegt, um eine stille Entladung 4 zu bewerkstelligen. Gleichzeitig fließt das Lasergasmittel wie zuvor erwähnt. Das Lasermedium wird durch die stille Entladung 4 angeregt, um Laserlicht zu erzeugen. Ein Teil des Laserlichtes, das auf den Spiegel 6 gerichtet ist, wird auf das. Blendenteil 7 zurückreflektiert und hierbei parallel gemacht. Ein Teil des Laserlichtes, das auf den halbversilberten Spiegel 5 gerichtet ist, wird teilweise reflektiert. Auf diese Weise wird ein Laserstrahl 9 erhalten, der eine Querschnittsgestalt aufweist, die der Öffnung 7a des Blendengliedes 7 entspricht. In diesem Falle muß die relative Position des teilreflektierenden Spiegels 5 zum Spiegel 6 gut ausgerichtet sein, da anderenfalls der Symmetriemodus des Laserstrahles 9 gebrochen wird.

Außerdem sollte der Symmetriemodus des Laserstrahles bestimmt werden. Jedoch ist eine solche Detektoreinrichtung in dem konventionellen Laserapparat nicht vorgesehen, so' daß es sehr schwierig war, einen Laserstrahl zu erhalten, dessen Symmetriemodus einwandfrei ist.

Die US-PS 4 391 519 offenbart ein Achsenüberwachungssystem für Laserstrahlen, in dem ein extern erzeugtes ringförmiges Licht in einen Laseroszillator eingebracht und zurückreflektiert wird. Die Spiegel des Lasers sind so eingestellt, daß eine Achse des reflektierten ringförmigen Lichtes und eine Achse eines Laserausgangsstrahles miteinander zusammenfallen.

Die US-PS 4 393 303 offenbart einen verformbaren Spiegel, der durch einen Leistungsmesser und einen Phasensteuerleistungsmesser steuerbar ist, derart, daß Eingangssignale dieser Leistungsmeßgeräte maximiert werden. 5

Diese bekannten Vorrichtungen verwenden verschiedene komplizierte Mittel-, die außerhalb des Laserresonators angeordnet sind, wodurch die Vorrichtung voluminös und teuer wird.

Außerdem wird bei diesen bekannten Anordnungen die Ausrichtung der optischen Achse des Resonators mit der Achse des Laserstrahles nicht durch Optimierung der Laserstrahlsymmetrie sondern durch Maximierung des Eingangssignales für die Laserstrahlendetektoren erreicht, die außerhalb des Resonators angeordnet sind.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Laserstrahlgerät zu schaffen, welches mit einer Detektoreinrich-' tung versehen ist, um den Symmetriemodus des Laserstrahlenausganges zu bestimmen und welches einen Laserausgangsstrahl mit einem exzellenten Symmetriemodus erzeugen kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung nimmt die Symmetriemodus-Detektoreinrichtung die Form eines Blendengliedes an, welches innerhalb eines Laserapparates auf seiner optischen Achse angeordnet ist. Das Blendenteil ist mit einer Vielzahl von Temperaturfühlelementen versehen, die rund um die äußere Peripherie einer Öffnung desselben angeordnet sind, um eine Temperaturverteilung der äußeren Peripherie der öffnung des Blendengliedes zu erfassen. Die relative Position der Spiegel wird durch Einheitlichmachen der Temperaturverteilung reguliert.

13 -

Gemäß einer anderen Vorrichtung nimmt die Detektoreinrichtung die Form eines optischen Lichtleiters an, der ein erstes Ende aufweist, welches rund um das Blendenteil angeordnet ist, während ein Photodetektor am äußeren Ende vorgesehen ist, um die Lichtintensitätsverteilung rund um das Blendenteil zu bestimmen.

Ein andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Regulierungssystem für die Regulierung der relativen Position der Spiegel in Übereinstimmung mit der Tempratur unter Lichtintensitätsverteilung rund um das Blendenteil zu regulieren.

Die oben genannten Aufgaben werden gelöst durch das Vorsehen einer Signalverarbeitungsvorrichtung zur Verarbeitung von Information von der Detektoreinrichtung, um die Ungleichmäßigkeit der Temperatur oder Lichtintensitätsverteilung rund um das Blendenteil zu minimieren.

20' Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine konventionelle Laservorrichtung in schematischer Darstellung,

Fig. 2A eine Planansicht eines Blendenteiles, das in

einer ersten Vorrichtung der erfindungsgemäßen Laservorrichtung verwendet werden soll,

Fig. 2B einen Querschnitt längs der Linie IIB-IIB in Fig. 2A,

Fig. 3A eine zweite Vorrichtung der vorliegenden Laservorrichtung ,

Fig. 3B eine Planansicht eines Laserstrahlendetektors, ' der in Fig. 3A im Querschnitt dargestellt ist,

Fig. 3C bis 3E Modifikationen der Vorrichtung nach Fig. 3A,

Fig. 4 eine Kurvencharakteristik der Intensitätsverteilung eines Laserstrahlenbündels in einem Resonato'r,

Fig. 5 ein Kurvendiagramm zur Erklärung einer Positionsdetektorermittlung in bezug auf eine Abweichung der Laserachse von einer optischen Achse eines Resonators,
(

Fig. 6A eine Planansicht eines Laserstrahlendetektors,

der in einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll,

Fig. 6B einen Querschnitt längs einer Linie VI-VI gemäß · Fig. 6A,

Fig. 7A eine Planansicht eines in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zu verwendenden Laserstrahlendetektors, 25

Fig. 7b einen Querschnitt längs einer Linie VIIB-VIIB gemäß Fig. 7A,

Fig. 8a eine Planansicht eines Laserstrahlendetektors eines fünften Ausführungsbeispieles der vorlie

genden Erfindung,

15 -

Fig. δε einen Querschnitt längs einer Linie 8B-8B gemäß Fig. 8A,

Fig. 9A ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Laser-Strahlendetektors,

Fig. 9B einen Querschnitt längs einer Linie IXB-IXB in Fig. 9A,

Fig. 10A ein weiteres Ausführungsbeispiel des Laserstrahlendetektors ,

Fig. 10B einen Querschnitt längs einer Linie XB-XB in

Fig. 10A,
15

Fig. 11A ein anderes Ausführungsbeispiel des Laserstrah—

lendetektors,

Fig. 11B einen Querschnitt längs einer Linie XIB-XIB 20· in Fig. 11A,

Fig. 12A ein weiteres Ausführungsbeispiel des Laserstrahlendetektors,

Fig. 12B einen Querschnitt längs einer Linie XIIB-XIIB

in Fig. 12A,

Fig. 13 ein Beispiel für eine Signalverarbeitungsschaltung, die in Verbindung mit dem Laserdetektor der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll,

Fig. 14 eine graphische Auswertung des Ausgangssignales der Signalverarbeitungsschaltung in Fig. 13, und

Fig. 15 ein anderes Ausführungsbeispiel der Signalverarbeitungsschaltung .

Fig. 2A zeigt eine Ausführungsform des Blendenteiles gemaß der vorliegenden Erfindung und Fig. 2B stellt einen Querschnitt längs einer Linie IIB-IIB in Fig. 2A dar. In den Fig. 2A und 2B ist ein ringförmiges Öffnungsteil 70 mit einer Mittenöffnung 71 versehen, deren Achse mit einer optischen Achse eines Laserresonators, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, koinzidiert bzw. zusammenfällt. Das Blendenteil 70 ist -auf einer äußeren peripheren Oberfläche mit einer Vielzahl von radial sich erstreckenden Löchern 72 versehen. Die Radiallöcher 72 sind untereinander in gleichen Winkeln angeordnet. In jedem Radialloch 72 ist ein Thermofühler 73 (Thermoelement) vorgesehen. Das Blendenteil 70 ist außerdem mit einem Ringkanal 75 versehen, durch den ein Kühlmedium, wie z.B. Wasser, fließt, wie durch einen Pfeil angedeutet ist, um das Blendenteil 70 zu kühlen.

20' Das Blendenteil 70 ist in dem Laserresonator gemäß Fig. 1 anstelle des konventionellen Blendenteiles angeordnet.

Mit dem Blendenteil 70. der vorliegenden Erfindung weicht die Achse des Laserstrahles 9 von der Mittenachse des Blendenteiles 70 ab, wenn die Ausrichtung des totalreflektierenden Spiegels 6 und des teilreflektierenden Spiegels 5 gestört ist, was zu einer Ungleichmäßigkeit der Temperaturverteilung des Blendenteiles 70 führen würde.

Eine (nicht dargestellte) Vorrichtung zur Justierung bzw. Einstellung der relativen Position der Spiegel 5 und 6 ist vorgesehen. Die Positionseinstellvorrichtung kann auf die Ausgangssignale der Thermoelemente 73 ansprechen, um

die relative Position einzustellen bzw. den Relativwinkel des teilreflektierenden und des totalreflektierenden Spiegels 5 bzw. 6, so daß es keine Differenz in den Ausgangssignalen zwischen den Thermoelementen 73 gibt. Auf diese Weise kann ein Laserstrahl 9 mit ausgezeichneter Symmetrie erhalten werden. Das Kühlmittel 74 dient zur Begrenzung von unnötigen Anstiegen des Temperaturpegels des Blendenteiles 70.

Die Positionseinstellvorrichtung kann einen automatischen Servomechanismus aufweisen, der die Ausgangssignale der Thermoelemente 73 fortlaufend überwacht, woraufhin die relative Position der Spiegel eingestellt werden kann. Ein Beispiel eines solchen Positionseinstellgliedes wird später beschrieben.

Fig. 3A zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der das Blendenteil zusammengesetzt ist aus einer Kombination eines konventionellen Blenden^eiles 7 zur

20" Modusauswahl und eines LaserStrahlendetektorteiles 80. Das Laserstrahlendetektorteil 80 umfaßt ein Ringteil 85, welches eine Mittenöffnung 85A aufweist mit einem Durchmesser A und welches eine Vielzahl von Laserstrahlendetektorelemente 84A bis 84D enthält, die untereinander gleiche Winkelentfernungen auf der Peripherie der Öffnung 85A aufweisen, wie in Fig. 3B zu sehen ist.

Für einen CO^-Gaslaser, der in dem TEM_Q0-Modus bei einer Ausgangsleistung von 1 KW arbeitet, sind die Reflexion des teilreflektierenden Spiegels 40% und die Leistungskomponenten der Leistung der stehenden Welle im Resonator rundherum an der Stelle des Laserstrahlendetektorelementes 84 jeweils 2,5 KW und 1 KW.

Ein Durchmesser w einer Kreisfläche an der Peripherie,;.an

2 der die Intensität der stehenden Welle 1/e wird, beträgt ungefähr 13 min. Der Durchmesser 0 der öffnung des Blendenteiles 7 zur Modusauswahl ist 1,7 w, was ungefähr 22 mm entspricht. Der Durchmesser A der öffnung des Blendenteiles ist 32 mm. Die aktive Fläche der Laserstrahlendetektorele-

2
mente 84A bis 84D ist 44 mm .

Wie wohl bekannt ist, weist die stehende Laserwelle, die in dem Resonator erzeugt wird, eine nach rechts gerichtete Komponente in Richtung auf den teilreflektierenden Spiegel 5 und eine linksgerichtete Komponente auf. Die Form der nach rechts gerichteten stehenden Welle wird durch die Modusauswahlöffnung 7 bestimmt und auf den teilreflektierenden Spiegel 5 gerichtet. Ein KW ihrer Leistung passiert durch sie nach außen und die verbleibenden 1,5 KW werden zurück zum Spiegel 6 reflektiert und dann zur Modusauswahlöffnung 7. In diesem Prozess wird die rechtswärts stehende Welle optisch auf 2,5 KW verstärkt, während sie in der Querschnittsfläche divergiert, wobei die Peripherie durch die öffnung 7 abgeschnitten wird.

Die Leistung des Laserstrahlenbereiches, der durch die öffnung 7 abgeschnitten wird, kann ungefähr 1% der nach rechts gerichteten Leistung betragen, was einige MW bis einige 10 MW sein kann. Ihre Verteilung ist im wesentlichen normal wie aus Fig. 4 zu sehen ist. Daher empfangen die Laserstrahlendetektorelemente 84A bis 84D die vor der öffnung 7 angeordnet sind, einen Teil der rechtsgerichteten stehenden Welle direkt. Die Leistung der Bereiche, die direkt durch die Elemente 84A bis 84D empfangen werden, können einige MW betragen.

Das in dieser Ausführungsform oder irgendeinem folgenden Ausführungsbeispiel verwendete Laserstrahlendetektorelement kann eine Thermosäule, ein Thermoelement, ein pyroelektrisches Element, einen Thermistor, einer Barometer oder eine Infrarotphotodiode usw. sein.

Wenn bei einer solchen Anordnung der zuvor beschriebenen Art die Achse des Laserstrahles nicht mit der Mittenachse des Blendenteiles 85 übereinstimmt, werden die Ausgangssignale der Laserstrahlendetektorelemente 84a bis 84D unbalanziert. Fig. 5 zeigt eine ermittelte Leistung und zwar ermittelt durch die Laserstrahlendetektorelemente 84A bis 84D für den Fall, in dem die Achse des Laserstrahles von der Mitte der öffnung 85A des Blendenteiles 85 um _+ 1 mm abweicht in bezug auf die ermittelte Leistung, wenn die Achse des Laserstrahles mit der Mitte der öffnung 85A zusammenfällt, wobei dieser Wert auf 1 normiert ist. In Fig. 5 wird eine radiale Auswärtsabweichung des Laserstrahles von dem Detektorelement durch eine Minusabweichung ange- · zeigt.

Die Detektorerfassung des Laserstrahlendetektorelementes wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

Abweichung der Mitte 1 mm

<*> = = 0,003 irm/%.

Änderung der einfallenden Intensität 400%

Aus der zuvor erwähnten Detektorermittlung ist es möglich, die Lage des Laserstrahles mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 0,03 mm zu bestimmen und zwar durch Verwendung eines Laserstrahlendetektorelementes, das in der Lage ist, eine Leistungsänderung von z.B. 10% zu erfassen.

Die Fig. 3C bis 3E zeigen Modifikationen der Vorrichtung gemäß Fig. 3A. In Fig. 3C ist der Strahlpositionsdetektor 80 an der Seite des totalreflektierenden Spiegels 6 vorgesehen, während das Blendenteil 7 im Bereich des teilreflektierenden Spiegels 5 vorgesehen ist. In der Modifizierung gemäß Fig. 3D sind die Positionen des Strahlenpositionsdetektors und des Blendenteiles 7 in bezug auf die Modifikation nach Fig. 3C umgekehrt.

In den Modifikationen gemäß Fig. 3E ist der Strahlenpositionsdetektor 80 außerhalb der Resonatorregion angeordnet, die durch den Bereich zwischen dem teilreflektierenden spiegel 5 und de totalreflektierenden Spiegel 6 bestimmt ist.

In irgendeiner der Modifikationen gemäß den Fig. 3C bis 3E divigiert der durch die öffnung 7 passierende Laserstrahl. Die Laserleistung seines peripheren Bereiches wird direkt durch den Strahlenpositionsdetektor 80 ermittelt mit der-

20' selben Wirkung, wie der durch die Ausführungsform Fig. 3A erhaltbaren.

Fig. 6A zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, während Fig. 6B einen Querschnitt längs einer Linie VIB-VIB in Fig. 6A darstellt.

In den Fig. 6A und 6B sind das Blendenteil 85 und die Modusauswahlöffnung 7, die das Laserstrahlenpositionsdetektorelement 80 der Fig. 3A und 3B festlegt, als ein einziges Teil komponiert und zwar durch Bildung einer Modusauswahlöffnung 96A mit einem Durchmesser {# in einem Blendenteil 96, wobei Laserstrahlendetektoreleraente 94 in dem Blendenteil 96 längs eines Kreises mit einem Durchmesser A vorgesehen sind.

Pia. 7a zeigt ein anderes Ausführunqsbeisoiel des Querschnitts, wie er längs einer Linie VIIB-VIIB dargestellt ist, in dem ein Reflektorbereich 98 auf einer Frontoberfläche eines Blendenteiles 97 gebildet ist, wobei Laserstrahlendetektorelemente 94 so angeordnet sind, daß sie den Laserstrahl, der von dem Reflektorbereich 98 reflektiert wird, empfangen.

Fig. 8a zeigt eine andere Ausführungsform des Blendenteiles und Fig. 8B einen Querschnitt längs einer Linie VIIIB-VIIIB in Fig. 8A. In den Fig. 8A und 8B weist das Blendenteil die Form eines Kegelstumpfringes 170 auf mit einer Mittenöffnung 170a. Eine geneigte oder schräg gestellte Oberfläche 100 des Kegelstumpfringes 170 wird als Reflexionsoberfläche für das reflektierte Laserlicht 9a verwendet, das auf diese auftrifft.

Eine Vielzahl von optischen Fasern bzw. Lichtleitern (fiber) 110 sind unter gleichen Winkeln voneinander angeordnet, wo-

20. bei die ersten Enden dieser Lichtleiter 110 der Reflexionsoberfläche 100 gegenüberliegt, um das Laserlicht 9a, das von dieser Fläche reflektiert wird, aufzunehmen und wobei die anderen Enden jeweils den Laserstrahlendetektoren 120 gegenüberliegen.

Nimmt man einen 1 KW CO^-Laser, so erzeugt ein Laserstrahl mit einer internen Leistung von 2,5 KW unter einer stehenden Bedingung eine Laserausgangsleistung von 1 KW, was 40% der gesamten Leistung entspricht. Die verbleibenden 1,5 KW Laserleistung wird durch den halbversilberten Spiegel 5 reflektiert. Das reflektierte Laserbündel wird in dem Entladungsraum verstärkt und dann durch den Spiegel 6 zurück zum teilreflektierenden Spiegel 5 reflektiert. Aufgrund des

Vorhandenseins des Blendenteiles 170 mit einer Öffnung 170a kann zu diesem Zeitpunkt ein Teil des Laserbündels, der durch die Öffnung 170a passiert, der in der Hauptsache nach rechts sich ausbreitet, einen Beugungsverlust erfahren, dessen Wert in diesem Falle in der Größenordnung von einigen W liegen kann, von einem Wert, der von einem Temperaturanstieg des Blendenteiles 170 herrührt. Daher passiert eine Laserleistung von einigen 10 MW, welches ein Teil des Beugungsverlustes ist, zu den optischen Fasern 110 und wird zum Laserbündeldetektor 120 geführt.

Die Position des Laserbündels wird in Punkten erfaßt und ermittelt, die genug weit vom Mittelpunkt des Laserstrahles entfernt sind und zwar durch die Verwendung des Blendenteiles 170, der optischen Fasern 110 und der Laserdetektorelemente 120. Daher ist das Ansprechen auf eine Abweichung des Laserstrahles von seiner Achse schnell. Die Ansprechbarkeit ist annehmbar und vertretbar, ohne daß die Laserbündelqualität ungünstig beeinflußt wird.

Wenn die Mittenachse des Laserstrahlenbündels von der Mittenachse der Öffnung 170a des Blendenteiles 170 wegbewegt wird, wird eine Differenz in der Ausgangslaserleistung zwischen den orthogonal angeordneten optischen Fasern erzeugt. Daher ist es in einfacher Weise durch Teilen des totalreflektierenden Spiegels 6 und/oder des teilreflektierenden Spiegels 5 derart, daß die Differenz verschwindet, ein Laserstrahlenbündel zu erhalten, dessen axiale Aufteilung in Segmente exzellent ist.

Da außerdem die Laserstrahlenbündeldetektorelemente 120 an einer Stelle angeordnet werden können, die vom Lasergerät entfernt ist, ist es möglich, thermische und/oder elektro-

_ 23 —

magnetische Einflüsse auf diese Elemente auszuschließen.

Fig. 9A zeigt eine andere Ausführungsform des Blendenteiles und Fig. 9B zeigt einen Querschnitt längs einer Linie IXB-IXB in Fig. 9A.

In den Fig. 9A und 9B wird ein Flachtypblendenteil 270 anstelle des stumpfen kegeligen Teiles verwendet. Die optischen Fasern 110 sind so angeordnet, daß ihre ersten Enden das Laserstrahlenbündel direkt empfangen.

Fig. 10A zeigt'-eine andere Ausführungsform. Fig. 10B zeigt einen Querschnitt längs einer Linie XB-XB in Fig. 10A. In den Fig. 10A und 1OB empfangen die optischen Fasern 110 das Laserstrahlenbündel direkt durch geradlinige Laserstrahlenbündel-Führungslöcher 130, die am Umfang des Blendenteiles 370 jeweils angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Richtfaktor verbessert und die Zuverlässigkeit der Lage oder Positionsbestimmung ebenfalls verbessert.

In einem anderen, in den Fig. 11A und 11B gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Führungslöcher 131 gekrümmt, so daß die optischen Fasern 110 flach angeordnet werden können.· Dieses Ausführungsbeispiel schafft im wesentlichen den gleichen Effekt wie der des Ausführungsbeispiels gemäß den Fig. 10A und 10B.

Fig. 12A zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, während Fig. 12B einen Querschnitt längs einer Linie XIIB-XIIB in Fig. 12A darstellt. In Fig. 12B ist eine Leistungsvefteilung ähnlich der gemäß Fig. 4 dargestellt.

In den Fig. 12A und i2Bist der Laserstrahlenbündel 400 zu-

sanunengesetzt aus einem Halter 410 in Form eines Ringes mit einer Vielzahl (im vorliegenden Beispiel vier) von radialen durchgehenden Bohrungen. Photodetektorbereiche 412 sind längs eines Kreises angeordnet, dessen Mittelpunkt mit der optischen Achse des Resonators zusammenfällt. Diese Photodetektorbereiche sind jeweils paarweise ausgebildet, wie aus Fig. 12A zu sehen ist.

In jeder der Ausführungsformen der zuvor beschriebenen Art wird die Laserleistungsverteilung im Resonator im wesentlichen normal, wie aus Fig. 4 zu sehen ist.

Fig. 13 zeigt eine Beispiel eines Signalverarbeitungssystems, das für den Laserstrahlenbündelpositionsdetektor verwendbar ist, und zwar für irgendeine der Ausführungsformen der vorbeschriebenen Art. Das System ist zwischen den Ausgängen der gepaarten Ausgänge A und B bzw. der entgegengesetzt angeordneten Laserstrahlenbündeldetektorelemente gemäß Fig. 13 vorgesehen. Es umfaßt'ein Paar von Differenz-

20· verstärkern 430, die identische Bauweise aufweisen. Einer der Differenzverstärker 4 30 weist einen nicht Invertierenden Eingang auf, der mit einem der gepaarten Laserstrahlenbündeldetektorelemente A und B verbunden ist. Er weist außerdem einen invertierenden Eingang auf, der mit dem anderen

(B) Eingang verbunden ist. Er erzeugt eine Differenz (A-B) an seinem Ausgang. Der andere Differenzverstärker 430 weist einen nicht invertierenden Eingang auf, der mit dem Element A verbunden ist, während sein invertierender Eingang über eine Inverterschaltung 432 mit dem Element B verbunden ist.

Er erzeugt eine Summe (A+B) an seinem Ausgang. Die Ausgänge der Differenzverstärker 430 sind mit Eingängen einer Teilerschaltung 431 verbunden, die an ihrem Ausgang die Größe (A - B)/(A + B) erzeugt.

Benutzt man die Vorrichtung gemäß den Fig. 12A und 12B als Beispiel, so empfängt jedes Thermoelement 412 einen peripheren Anteil des Laserstrahlenbündels direkt, so daß seine thermische Kapazität klein ist. Außerdem ist es einfach, solche Thermoelemente physikalisch getrennt von anderen Bereichen anzuordnen. Daher ist es möglich ein Ausgangssignal zu erhalten, welches direkt auf die Leistungsverteilung des Laserstrahlenbündels anspricht und zwar mit einer sehr kurzen Ansprechzeit.
10

Für ein Laserstrahlenbündel von 0° Gauszscher Modus (TEM_Q0), wie er in Fig. 12B gezeigt ist, kann eine Intensität I des Laserstrahlenbündels in einem radial von der optischen Achse um r entfernten Punkt ausgedrückt werden als:

¹⁵ r 2

-2 (—)
I We V (1)

wobei w der Radius des gestrichelten Kreises ist, wobei

2 die Intensität an einem beliebigen Punkt proportional 1/e wird und wobei W die maximale Intensität des Laserstrahlenbündels ist.

Wenn die Achse des Laserstrahlenbündels von der Mitte O der Blendenöffnung um Δ χ abweicht, können die Ausgangssignale A und B durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:

Xl - Ax _o
A * aW[exp(-2(-^Ji-_ij )²)}, und

Xl + Δχ ·>, .
B = aW [exp (-2 (-^-rr )²Π,

wobei a eine Proportionalitätskonstante ist.

Aus den Gleichungen (2) und (3) ergibt sich die folgende Gleichung:

«-JA« (4)

1 + e

Fig. 14 zeigt eine graphische Darstellung der oben genannten Gleichung. Aus Fig. 14 ist klar ersichtlich, daß der Wert (A - B)/(A + B) im wesentlichen direkt proportional ist der Abweichung Δχ unabhängig vom Pegel der vollen Leistung W des Laserstrahlenbündels. Somit ist es möglich, die Mitte des Laserstrahlenbündels mit hoher Genauigkeit zu erfassen. Für ein CO^-Laser von ungeführ 1 KW sind z.B. als praktisches Beispiel X₁ und w in der Größenordnung von jeweils 10 mm und 4,81 mm. Wenn die Abweichung Δ χ 0,1 mm ist, ergeben sich

§ - exp(-8^4) * 0.71, und

0.17,

was groß genug ist, um eine Abweichung der Achse von einem Laserstrahlenbündel von der Mitte des öffnungs- oder Blendenteiles um ungefähr 0,1 mm oder sogar weniger zu bestimmen.

Fig. 15 zeigt ein anderes Beispiel eines Signalverarbeitungssystems, in dem ein Paar von logarithmischen Wandlern 440 und ein Differenzverstärker 430 benutzt werden. In Fig. 15 werden die Ausgänge A und B von gepaarten Laserstrahlenbündeldetektorelementen mit logarithmischen Wandlern 440 ver-

Claims

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PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. W. EITLE . DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-INQ. W. LEHN

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40 169 q/gt

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Laservorrichtung

PATENTANSPRÜCHE :

Laservorrichtung,
dadurch gekennzeichnet , daß ein Paar Elektroden (2, 3) einander gegenüberliegend angeordnet ist und einen vorgegebenen Spalt zwischen sich bilden und mit einer Spannungsquelle verbindbar sind, daß parallel zu den Elektroden (2, 3} durch den Spalt ein Lasergas (4) fließt, daß ein optischer Resonator einen total reflektierenden Spiegel (6) und einen teilweise reflektierenden Spiegel (5) aufweist, die jeweils an entgegengesetzten Enden des Spaltes sich gegenüberliegend auf der optischen Achse senkrecht zur Gasflußrichtung angeordnet sind, daß ein öffnungs- oder Blendenteil (80) auf der optischen Achse zwischen den Spiegeln (5, 6) auf der Seite des teilreflektierenden Spiegels (5) angeordnet ist, wobei das Blendenteil die Form eines Ringes aufweist mit einer Öffnung, dessen Achse mit der der optischen Achse zusammenfällt, daß eine Vielzahl von Laserstrahlenbündel-Detektorelementen

(84A-84D) auf einem inneren Umfangsbereich (85) des Ringes zur Bestimmung des auf ihn fallenden Laserstrahlbündelanteiles vorgesehen ist und daß eine Einrichtung zur Regulierung der Winkel der Spiegel vorgesehen ist, die bewirkt, daß eine Differenz des Ausgangssignales zwischen den Laserstrahlenbündel-Detektorelementen minimiert ist.
2. Laservorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Spannungsqualle eine Wechselstrom-Hochspannungsquelle aufweist.
3. Laserstrahlenbündel nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Flußrichtung des Lasergases autogonal zur optischen Achse des optischen Resonators ist.
4. Laservorrichtung nach Anspruch 1,

' dadurch gekennzeichnet , daß die öffnung des Blendenteiles kreisförmig ist.
5. Laservorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das Laserstrahlenbündel-Detektorelement ein Temperaturdetektorelement aufweist.
6. Laservorrichtung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet , daß das Temperaturdetektorelement ein Thermoelement aufweist.
7. Laservorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet , daß das Blen-

denteil an seiner äußeren peripheren Oberfläche eine ringförmige Nut aufweist, an deren Boden die Temperaturdetektorelemente angeordnet sind.
8. Laservorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Blendenteil mit einem Kühlbereich (75) versehen ist, der um die öffnung (71) verläuft.
9. Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch -gekennzeichnet , daß die Laserstrahlenbündel-Detektorelemente gleiche Winkelabstände aufweisen.
10. Laservorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Laserstrahlenbündel-Detektorelemente auf einer inneren Umfangsoberflache des Ringes angeordnet sind.
20' 11. Laservorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser der öffnung des Blendenteiles um einige Male größer ist als der.Durchmesser des Laserstrahlenbündels.
12. Laservorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß ein aktiver Bereich jedes der Laserstrahlenbündel-Detektorelemente ungeführ 4 mm² ist.
13. Laservorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Laserstrahlenbündel-Detektorelemente auf einem Zwischenbereich des Ringes vorgesehen sind.
14. Laservorrichtung nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet , daß die Laserstrahlenbündel-Detektorelemente so angeordnet sind, daß sie Laserstrahlen empfangen, die von dem Zwischen-Oberflächenbereich des Ringes zwischen ihrer inneren und äußeren Peripherie reflektiert werden.
15. Laservorrichtung nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet , daß das Blendenteil die Form eines Kegelstumpfes (170) aufweist und daß .der Zwischenoberflächenbereich eine geneigte Oberfläche (100) des Kegelstumpfbereiches ist.
16. Laservorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von optischen Fasern (fiber) so angeordnet ist, daß ihre Eingangsenden rundvum den inneren Umfangsbereich des Ringes angeordnet sind und daß die Laserstrahlenbündel-Detektorelemente so angeordnet sind, " daß sie einen Teil des Laserstrahlenbündels empfangen, der durch die optischen Fasern geführt ist.
17. Laservorrichtung nach Anspruch 16,

dadurch gekennzeichnet , daß die optisehen Fasern so angeordnet sind, daß sie Teile des Laserstrahlenbündels empfangen, die von einem Zwischenoberflächenbereich des Ringes zwischen ihrem äußeren und inneren Umfang reflektiert werden.
18. Laservorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet , daß das Blendenteil die Form eines Kegelstumpfes aufweist und daß der Zwischenoberflächenbereich eine geneigte Oberfläche des Kegelstumpfbereiches ist.
19. Laservorrichtung nach Anspruch 16,

dadurch gekennzeichnet , daß die Eingangsenden der optischen Fasern vor dem Blendenteil angeordnet sind, so daß sie die Laserstrahlenbündelanteile direkt empfangen.
20. Laservorrichtung nach Anspruch 16,

dadurch gekennzeichnet , daß das Blendenteil mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern (130) versehen ist, und daß die optischen Fasern so angeordnet sind., daß sie die Laserstrahlenbündelanteile, die durch diese Durchgangslöcher des öffnungs- oder Blendenteiles gelangen, empfangen.
21. Laservorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß die Durchgangslöcher sich parallel zur optischen Achse des optischen Resonators erstrecken.
20' 22. Laservorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Durchgangslöcher einen Einlaßbereich aufweist, der parallel zur optischen Achse des optischen Resonators ist, und einen Auslaßöffnungsbereich aufweist, der in der äußeren peripheren Oberfläche des Blendenteiles vorgesehen ist.
23. Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Laserstrahlenbündel-Detektorelemente gepaart sind, und daß die Laserstrahlenbündel-Detektorelemente in jedem Paar in einer gegenüberliegenden Beziehung angeordnet sind.
24. Laservorrichtung nach Anspruch 23,

dadurch gekennzeichnet , daß die Laserstrahlenbündel-Detektorelemente auf dem Ring so angeordnet sind, daß sie in den öffnungen radial nach innen freigelegt sind.
25. Laservorrichtung nach Anspruch 23,

dadurch gekennzeichnet , daß ein Signalverarbeitungssystem zur Verarbeitung der Ausgangssignale A und B der Laserstrahlenbündel-Detektorelemente in jedem Paar vorgesehen ist, um ein Ausgangssignal zum Antrieb der Regulierungseinrichtung zu erzeugen.
26. Laservorrichtung nach Anspruch 25,

dadurch gekennzeichnet , daß das Signalverarbeitungssystem eine Einrichtung aufweist, die in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen A und B anspricht, um ein Signal zu erzeugen, das der Beziehung (A - B)/ (A + B) entspricht.
27. Laservorrichtung nach Anspruch 26,

dadurch gekennzeichnet , daß das Signalverarbeitungssystem einen ersten Differenzverstärker (430) zur Erzeugung eines Ausgangssignales entsprechend einer Differenz zwischen den beiden Ausgangssignalen A und B, einen zweiten Differenzverstärker (430) zur Erzeugung eines Ausgangssignales entsprechend einer Summe der beiden Ausgangssignale A und B, und eine Teilerschaltung (431) zum Teilen der Ausgangssignale des ersten Differenzverstärkers durch das Ausgangssignal des zweiten Differenzverstärkers aufweist.
28. Laservorrichtung nach Anspruch 25,

dadurch gekennzeichnet , daß das Signalverarbeitungssystem eine Einrichtung zur Erzeugung eines Signals aufweist, welches der Beziehung log A - log B entspricht.
29. Laservorrichtung nach Anspruch 28,

dadurch gekennzeichnet , daß das Signalverarbeitungssystem einen ersten logarithmischen Konverter (440) zum Umwandeln des Ausgangssignales A in log A, einen zweiten logarithmischen Konverter (440) zur Umwandlung des Ausgangssignales B in log B, einen Differenzverstärker (430) zur Erzeugung einer Differenz zwischen den Ausgangssignalen des ersten und zweiten logarithmischen Konverters aufweist.
30. Laservorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das Laserstrahlenbündel-Detektorelement eine Vorrichtung auf-' weist, die aus der Gruppe bestehend aus einem pyroelektrischen Element, einem Thermistor, einem Platinwiderstandsdraht, einer Photodiode, einem Barometer und Ag-Ge sowie HgCdFe-Elementen ausgewählt wird.
31. Laservorrichtung,

dadurch gekennzeichnet , daß ein Paar von Elektroden vorgesehen ist, die einander gegenüberliegend angeordnet sind und zwischen sich einen vorgegebenen Spalt bilden und an die die Spannung einer Spannungsquelle parallel anschließbar ist, daß ein Lasergas durch den Spalt in einer Richtung parallel zu den Elektroden fließt, daß ein optischer Resonator vorgesehen ist, der einen totalreflektierenden Spiegel und einen

teilweise reflektierenden Spiegel aufweist, die an gegenüberliegenden Enden des Spaltes sich gegenüberliegend auf einer optischen Achse ortogonal zur Gasflußrichtung angeordnet sind, daß ein Blendenteil auf der optischen Achse zwischen den Spiegeln vorgesehen ist, wobei das Blendenteil die Form eines Ringes aufweist und eine Öffnung hat, deren Achse mit der der optischen Achse zusammenfällt, daß eine Vielzahl von Laserstrahlenbündel-Detektorelementen zur Erfassung der Laserleistung des peripheren Anteiles eines Laserstrahlenbündels vorgesehen ist, der durch das Blendenteil gelangt, um Winkel der Spiegel zu regulieren, so daß eine Differenz im Ausgangssignal zwischen den Laserstrahlenbündel-Detektorelementen minimiert wird.
32. Laservorrichtung nach Anspruch 31,

dadurch gekennzeichnet , daß das Blendenteil auf der Seite des teilweise reflektierenden Spiegels angeordnet ist und daß die Laserstrahlenbündel-" Detektorelemente zwischen den Spiegeln auf der Seite des teilweise reflektierenden Spiegels angeordnet sind.
33. Laservorrichtung nach Anspruch 31,

dadurch gekennzeichnet , daß das Blendenteil auf der Seite des teilweise reflektierenden Spiegels angeordnet ist, und daß die Laserstrahlenbündel-Detektorelemente zwischen den Spiegeln auf der Seite des totalreflektierenden Spiegels angeordnet sind.
34. Laservorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet , daß das Blendenteil auf der Seite des totalreflektierenden Spiegels angeordnet ist, und daß die Laserstrahlenbündel-Detektor-

elemente zwischen den Spiegeln auf der Seite des teilweise reflektierenden Spiegels angeordnet sind.
35. Laservorrichtung nach Anspruch 31,

dadurch gekennzeichnet , daß das Blendenteil auf der Seite des totalreflektierenden Spiegels vorgesehen ist, und daß die Laserstrahlenbündel-Detektorelemente außerhalb des teilreflektierenden Spiegels angeordnet sind.