DE3416525A1

DE3416525A1 - Laser

Info

Publication number: DE3416525A1
Application number: DE19843416525
Authority: DE
Inventors: Peter N. Los Altos Hills Calif. Allen; Donald Portola Valley Calif. Bennett; William Palo Alto Calif. Blake; Donald Bowes; Michael W. Los Altos Calif. Sasnett; Richard J. San Jose Calif. Saunders
Original assignee: Coherent Inc
Current assignee: Coherent Inc
Priority date: 1983-05-06
Filing date: 1984-05-04
Publication date: 1984-11-08
Also published as: GB8625643D0; GB2181869A; GB8625642D0; GB2181863A; GB8625640D0; GB2181869B; GB2143075B; FR2545661A1; GB2143075A; GB2181885A; GB8411515D0

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser und/oder Bestandteile desselben und bezieht
dessen·Bauelemente.

selben und bezieht sich insbesondere auf einen CO~-Laser und

Ein Laser hat viele Bauelemente, die,

weil es sich hierbei um ein Präzisionsinstrument handelt, vielfach von höchster Präzision sein müssen.Eine dieser Bauelemente ist die optische Resonatorstruktur, die einen Hohlraum aufweist, in welchem das aktive Lasermaterial angeregt wird, um einen Strahl aus kohärenter Strahlung zu erzeugen.An einem Ende des optischen Resonatorhohlraums ist ein erster hochpolierter Spiegel angeordnet, der fast hundertprozentig reflektierend wirkt, während am anderen Ende ein zweiter hochpolierter. Spiegel angeordnet ist, der weniger stark reflektierend wirkt und einen Teil der Strahlung durchtreten läßt. Die innerhalb des optischen Resonatorhohlrauma erzeugte kohärente Strahlung wird vom ersten Spiegel zum zweiten Spiegel so lange reflektiert, bis eine ausreichende Energiemenge kohärenter Strahlung erzeugt und vom zweiten Spiegel durchgelassen wird.

Da die Lichtresonatorkonstruktion eine solche Ausrichtung aufweisen muß, daß von einem Spiegel reflektierte Photonen der Strahlung auf den anderen Spiegel auftreffen, ist die Anforderung an die Exaktheit der Ausrichtung außerordentlich hoch. Jeder Fluchtungsfehler kann dazu führen, daß der Laser nur noch eine reduzierte Ausgangsleistung hat oder gar keine Laserstrahlung . mehr erzeugen kann. Der optische Resonator muß auch dann exakt ausgerichtet bleiben, wenn er aufgrund von Schwankungen der Umgebungstemperatur Änderungen der Ausrichtung und Position unterworfen ist. Veränderungen der Ausrichtung oder Lage des Resonators können auch durch die in seinem Innern erzeugte Wärme, die durch das Anregen . des Lasermaterials erzeugt wird, hervorgerufen werden.

Es ist bekannt, ein stabilisierendes Fluid, beispielsweise Wasser oder Öl zu benützen, welches auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und dann in der optischen Resonatorstruktur geleitet wird, um diese auf einer gegebenen Temperatur zu halten. Da hierfür jedoch ein

Fluid erforderlich ist, welches sich von dem Lasermaterial unterscheidet, muß ein weiterer Satz Rohrleitungsinstallationen und dergleichen vorgesehen sein. Außerdem wird die Temperatur des Stabilisierungsmittels im allgemeinen mittels einer einfachen thermostatischen Heizvorrichtung aufrechterhalten. Soweit bekannt, gibt es keinen Laser mit einem temperaturstabilisierenden Laser-Medium, dessen Temperatur aktiv geregelt wird, worunter zu verstehen ist, daß die Temperatur festgestellt, mit einem festen Bezugswert verglichen und dann die Temperatur des Fluids in Abhängigkeit von dem Vergleich geändert wird, wobei dies alles in einem Steuersystem mit Rückkopplung in einer geschlossenen Schleife vorgenommen wird.

Die Stromversorgung ist ein weiterer Bestandteil eines Lasers. Im allgemeinen weist sie mehrere Leitungen (meistens drei) auf, die an eine dreiphasige Stromquelle angeschlossen sind. Diese Leitungen sind an einen Satz Primärspulen (meistens auch drei) angeschlossen, die um einen Transformator gewickelt sind, um den auch eine Vielzahl (auch meistens drei) Sekundärspulen gewickelt sind. Der Transformator erhöht die Spannung der Sekundärspule gegenüber den Primärspulen. Die Arbeitsweise des Lasers wird von kontinuierlich bis pulsierend meistens mit Hilfe einer Steuervorrichtung, wie einer Vakuumröhre gesteuert. Da eine Vakuumröhre mit Gleichspannung betrieben wird und da der den Primärspulen zugeführte Strom Wechselstrom ist, wird die Vakuumröhre in der Schaltung hinter den Sekundärspulen angeordnet. Da die Sekundärspulen vom Transformator eine erhöhte Spannung erhalten (meistens in der Größenordnung von zehntausenden Volt) muß die Vakuumröhre für diese Hochspannung entsprechend ausgelegt sein. Das macht solche Röhren notwendigerweise teuer.

Soweit bekannt, gibt es kein System zum Steuern der Ausgangsleistung eines Lasers in Abhängigkeit vom gewünschten Pegel der Ausgangsleistung. Ferner gibt es, soweit bekannt, kein Lasersystem mit einer aktiven Drucksteuerschleife, mit der der Druck des gasförmigen Lasermediums gesteuert wird.

f-

Auf der Internationalen Werkzeugmaschinenschau in Chicago, Illinois wurde im September 1982 ein System gezeigt, bei dem ein fester Laser einen festen Lichtstrahl kohärenter Strahlung erzeugte. Ein Roboter mit einem Gelenkarm bewegte ein Werkstück in den Strahl und aus dem Strahl kohärenter Strahlung, um aufgrund der relativen Bewegung des festen Strahls kohärenter Strahlung und des beweglichen Werkstücks verschiedene

Schneid- und Graviervorgänge . auf dem Werkstück vorzunehmen. Auf medizinischem Gebiet wird ein Laser, der einen Strahl kohärenter Strahlung erzeugt,dadurch zu einem gewünschten Ort gebracht, daß der Strahl kohärenter Strahlung durch einen angelenkten Arm geleitet wird, wobei die Bewegung des gelenkigen Arms den Strahl bewegt. Soweit bekannt, gibt es jedoch keine industrielle Anlage, mit der ein Strahl kohärenter Strahlung durch eine mechanische Anordnung, die eine Vielzahl miteinander gekoppelter Bauelemente aufweist, in einem von denen der Laser angeordnet ist, zu einer gewünschten Stelle zugestellt wird. Die Bewegung der Anordnung bewegt den Laser und den Strahl, um den Strahl auf die gewünschte Stelle zuzustellen.

Schließlich gibt es, .soweit bekannt, kein Laserverteilersystem, bei dem eine zentral angeordnete Pumpe und Stromversorgung den elektrischen Strom und das aktive Lasermaterial in Form eines Gases an verschiedene entfernt liegende optische Resonatorstrukturen liefert, um die Laserwirkung hervorzurufen. -

Mit der Erfindung wird ein Laser geschaffen, der als Lasermaterial ein Fluid aufweist, welches von einer Entladungsröhre umschlossen ist. Außerdem ist eine Einrichtung vorgesehen, mit der das Lasermaterial in der Entladungsröhre angeregt wird. Die Entladungsröhre ist in einer optischen Resonatorstruktur angeordnet, und das Lasermaterial wird auch von einer Stützröhre umhüllt und steht dabei mit der Entladungsröhre in Verbindung. Die Stützröhre dient zum Abstützen und Ausrichten des Resonators. Schließlich wird das Lasermaterial in Form eines Fluids

innerhalb der Stützröhre auf einer im wesentlichen gleichbleibenden Temperatur gehalten.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 ein Gesamtschema eines Lasers gemäß der Erfindung; Fig. 2a eine vergrößerte Ansicht des Resonators gemäß Fig. 1; Fig. 2b einen Querschnitt längs der Linie b-b in Fig. 2a; Fig. 3 ein Schaltbild einer aktiven Temperaturregelung; Fig. 4 (a-c) verschiedene Spannungsverläufe', die Signale an verschiedenen Stellen der Schaltung gemäß Fig. 3 darstellen;

Fig. 5 ein Schaltbild der im Laser gemäß Fig. 1 verwendeten Stromversorgung;

Fig. 6 ein Schaltbild einer für die Stromversorgung gemäß Fig. 5 geeigneten Art von Schalter;

Fig. 7 eine Seitenansicht der mechanischen Kopplung eines Motors und eines Nadelventils für einen Druckregler für den in Fig. 1 gezeigten Laser;

Fig. 8 ein Schaltbild einer aktiven Druckregelung für den Gasdruck. im Laser gemäß Fig. 1;

Fig. 9 (a-c) Zeitdiagramme für verschiedene Bauelemente der Schaltung gemäß Fig. 8;

Fig. 10 ein Schaltbild einer Leistungsregelung für den Laser gemäß Fig. 1;

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer Laserstrahlzustellvorrichtüng;

Fig. 12 und 13 perspektivische Ansichten weiterer Laserstrahlzustellvorrichtungen;

Fig. 14 eine Seitenansicht einer anderen Laserstrahlzustellvorrichtung;

Fig. 15 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Auswechseln

eines Bauelements der Laserstrahlzustellvorrichtung; Tig. 16 (a-b) Blockschaltbilder von Laserverteilersystemen mit mehreren optischen Resonatorstrukturen und einer zentralen Pumpe und Stromversorgung.

Fig. 1 ist eine Gesamtansicht eines Lasers 10. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich zwar auf einen CO₂-Laser, jedoch ist klar, daß die Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt sondern insbesondere für jede Art von Laser verwendbar ist, dessen Lasermaterial ein Fluid ist.

Der hier als Gaslaser gezeigte Laser 10 weist einen Gaseinlaß 12 zum Einführen des Lasermaterials in Form eines Gases in den Laser 10 auf. Im Fall eines CO₂~Lasers ist das Gas ein Gemisch aus CO₂/ N₂ und He, wobei das aktive Lasermaterial das Kohlendioxydgas ist. Das Gas wird in den Gaseinlaß 12 eingeführt und strömt durch ein mittels eines Motors angetriebenes Nadelventil 14, um die durch das Nadelventil eintretende Gasströmung in einer weiter unten im einzelnen beschriebenen Weise zu steuern. Dies Gas wird mit zurückgeleitetem Gas aus einem Rückleitungsrohr 16 kombiniert und in einen ersten Wärmeaustauscher 18 eingeleitet, dem zum Kühlen der Gastemperatur auch ein Kühlfluid, z.B. Wasser zugeführt wird. Aus dem ersten Wärmeaustauscher 18 wird das Gas über einen Temperaturmeßfühler 20 geleitet, der ein Signal an einen Temperatursteuerprozessor 22 liefert, wie gleichfalls später im einzelnen erläutert wird. Von dem Temperaturmeßfühler 20 wird das Gas in eine optische Resonatorstruktur 24 eingeführt.

Innerhalb des Resonators 24 wird das Gas in eine Entladungsröhre 26 weitergeleitet, innerhalb der die Laserwirkung des Gases erzeugt wird, so daß ein Strahl 28 kohärenter Strahlung entsteht. Aus der Entladungsröhre 26 wird das Gas dann in eine Abgasröhre 27 weitergeleitet, die das Gas durch einen Druckmeßfühler 30 leitet, der gemeinsam mit einem Druckregler 32 den Druck des Gases innerhalb des Lasers 10 steuert. Nach dem Durchlaufen durch den Druckmeßfühler 30 gelangt das Gas in einen zweiten Wärmeaustauscher 34 und wird dann mittels einer Pumpe 36 zurückgepumpt und gemeinsam mit frischem Gas aus dem Gaseinlaß 12 weitergeleitet. Die Pumpe 36 ist eine Verdrängerpumpe, z.B. eine "Roots"-Pumpe. Der Druck des Gasgemisches wird mittels einer kleinen Vakuumpumpe 35 mit rotierender Pum-

penlamelle, die kontinuierlich eine kleine. Menge Gas durch eine Öffnung 37 absaugt, auf ca. 60 Torr, gehalten.

Lientresonatorkonstruktion

Wie aus .Fig. 2a hervorgeht, die die Lichtresonatorkonstruktion im einzelnen zeigt, weist der Resonator 24 eine Stützröhre auf, in die zunächst das Lasermaterial in Form eines Gases eingeführt wird. Die Gasströmung ist insgesamt durch den Pfeil angedeutet. Mittels der Stützröhre 40 wird die Resonatorstruktur abgestützt und ausgerichtet. Diese weist einen ersten Spiegel 42, der an einer an einem Ende der stützröhre 40 vorgesehenen ersten stirnseitigen Konsole 41 angebracht ist, sowie einei zweiten Spiegel . 44 auf, ' der an einer zweiten stirnseitigen Konsole 43 am anderen Ende der Stützröhre 40 angeordnet ist. Die Stützröhre 40 ist an jeder der beiden stirnseitigen Konsolen 41 und 43 befestigt und im wesentlichen parallel zur Entladungsröhre 26 angeordnet. Gas wird aus der Stützröhre 40 in die Entladungsröhre 26 im wesentlichen in der Nähe der Enden der Stützröhre 40 und der Entladungsröhre 26 in radialer Richtung von der Stützröhre 40 zur Entladungsröhre 26 weitergeleitet. Sobald das Gas in die Entladungsröhre 26 eingeführt wurde, fließt es axial von den Enden der Entladungsröhre 26 weg. Fern von den Enden der Entladungsröhre 26 gelangt das Gas aus der Entladungsröhre 26 in die .Abgasröhre -27.

Wie Fig. 2b zeigt, stehen mit der Stützröhre 40 und der Abgasröhre 27 zwei Entladungsröhren 26 in Verbindung. Es kann, jede beliebige Anzahl von Entladungsröhren 26 parallel zur Stützröhre 40 und in Verbindung mit derselben vorgesehen sein. Vorzugsweise sind die Entladungsröhren 26 jedoch axial in einem Abstand von ca. 90° voneinander angeordnet. Um die Konstruktion zu stützen, sollte die Stützröhre 40' ferner im wesentlichen in der Nähe der Mitte des Resonators 24 angeordnet sein, um die größtmögliche Stabilität und Ausrichtung zu erzielen.

Zur Erzielung der größtmöglichen Stabilität und Abstützung des

Resonators 24 wird außerdem das Gas innerhalb der Stützröhre 40 auf einer im wesentlichen gleichbleibenden Temperatur gehalten. Peiner wird vorzugsweise die Temperatur des Gases innerhalb der Stützröhre 40 oberhalb der Umgebungstemperatur gehalten.

Wenn nämlich das Gas in der Stützröhre 40 auf gleichbleibender Temperatur gehalten wird, besteht weniger Gefahr, daß die Stabilität des Resonators 24 und die Ausrichtung des ersten und zweiten Spiegels 42 und 44 sowie der zum Knicken des Strah lenganges vorgesehenen Spiegel 5 (von denen nur einer gezeigt ist) durch Temperaturschwankungen in der Umgebung oder im Resonator 24 aufgrund der Anregung des Gases in der Entladungsröhre 26 beeinträchtigt werden.

Innerhalb der Entladungsröhre 26 sind mehrere Anoden 62 und Kathoden 64 vorgesehen, die vorzugsweise einen Abstand voneinander von ca. 41,91 cm (16,5 Zoll) haben. Die Entladungsröhre 26 ist vorzugsweise 187,96 cm (74 Zoll) lang, so daß sie insgesamt vier Anoden-Kathoden-Bereiche umfaßt. Die Entladungs röhre hat vorzugsweise einen Außendurchmesser von 13,34 cm (5 1/4 Zoll) und einen Innendurchmesser von 11,43 cm (4 1/2 Zoll). Die Anoden 62 sind im wesentlichen in der Nähe der Enden der Entladungsröhre 26 und in der Nähe des Gaseinlasses aus der Stützröhre 40 angeordnet. Die Kathoden 64 sind im Abstand von den Enden der Entladungsröhre 26 in der Nähe des Gasablasses aus der Entladungsröhre-26 in die Abgasröhre 27 vorgesehen. Wenn mehr als eine Entladungsröhre 26 vorgesehen ist, werden die Spiegel 5 zum Knicken des Strahlenganges oder Ablenkspiegel benutzt, um eine größere Ausgangsleistung zu erzielen.

Um.insgesamt körperliche Stabilität zu erhalten, besteht der Resonator 24 aus starrem Aluminiumguß. Infolgedessen hat der Resonator 24 geringes Gewicht. Die stirnseitigen Konsolen 41 und 43 sind an einem Stützglied 39 kinematisch angebracht. Das Stützglied 39 erstreckt sich insgesamt parallel zur Stützröhre 40 sowie zu den Entladungsröhren 26 und der Abgaberöhre 27. Die erste stirnseitige Konsole 41 ist an dem Stützglied

mittels eines Haltebolzens 45 fest angebracht. Der Haltebolzen 45 ist so befestigt, daß er jegliche Bewegung der Konsole in jeder Richtung verhindert. In der zweiten stirnseitigen Konsole 43 ist an jeder Seite ein Schlitz 47 ausgebildet (von denen in Fig. 2a nur einer zu sehen ist). Der Schlitz 47 verläuft insgesamt in X-Richtung (wie im Richtungsdiagramm gemäß Fig. 2a erkennbar ist). Durch den Schlitz 47 erstreckt sich ein Haltebolzen 49 am Stützglied 39. Die sich jeweils durch die Schlitze 47 erstreckenden Haltebolzen 49 machen es möglich, daß die zweite stirnseitige Konsole 43 in X- und Y-Richtung bewegbar ist aber nicht in Z-Richtung.

Im wesentlichen in der Nähe der Mitte der zweiten stirnseitigen Konsole 43 ist ein Loch 53 vorgesehen, in welches ein Ausrichtzapfen 51 eingesteckt ist (wie in dem Ausschnitt in Fig. 2a erkennbar). Der durch das Loch 53 ragende Ausrichtzapfen 51 verhindert eine Bewegung der Konsole 43 in Y-Richtung. Die Gesamtwirkung der Haltebolzen 49 und des Ausrichtzapfens 51 besteht darin, die zweite Konsole 43 nur in X-Richtung bewegen zu können. Wenn es also aufgrund eines Temperaturanstiegs zu einer Wärmeexpansion des Resonators 24 kommt, kann der Resonator 40 die erste und zweite Konsole 41 und-43 nur in X-Richtung im Verhältnis zueinander bewegen. Bei der Bewegung des ersten und zweiten Spiegels 42 und 44 in X-Richtung, die sich allgemein parallel zur axialen Richtung der Entladungsröhre 26 erstreckt, bleibt die Ausrichtung der Spiegel erhalten, so daß die Photonen von einem Spiegel zum anderen reflektiert werden können.

Temperatursteuerung

Um die Temperatur des Gases innerhalb der Stützröhre 40 aufrechtzuerhalten, ist ein Temperaturregler vorgesehen, der einen Temperaturmeßfühler 20, einen elektronischen Prozessor sowie ein Solenoid 50 zum Steuern der Wasserströmung in den ersten Wärmeaustauscher 18 aufweist, um das Gas zu kühlen.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Schaltbild des Prozessors

22 für die Temperatursteuerung. Der Temperaturmeßfühler 20 stellt die Temperatur des Gases fest und erzeugt dementsprechend ein erstes Signal. Bei dem Temperaturmeßfühler 20 .handelt es sich um ein industriell gefertigtes Teil mit der Bezeichnung LM334. Ein Teilbereich des Prozessors 22 für die Temperatursteuerung weist eine als "Zitterer" 52 bezeichnete Schaltung auf. Dieser Zitterer 52 erzeugt eine Sägezahnspannung, mit einer Periode von ca. 30 Sekunden, wie in- Fig. 4a gezeigt. Das Sägezahnsignal des Zitterers 52 und das erste Signal des Temperaturmeßfühlers 20, welches ein Gleichstromsignal ist, wird an einem Summierknotenpunkt 54 kombiniert, der die beiden Signale einfach addiert. Ein Beispiel des Spannungsverlaufs am Summierknotenpunkt 54 ist in Fig. 4b gezeigt. Das Kombinationssignal des Summierknotenpunktes 54 wird an einen Operationsverstärker 56 angelegt, der das Signal lediglich von der restlichen Anlage isoliert.

Vom Operationsverstärker 56 wird das Summensignal einer Vergleichsschaltung 58 zugeführt, die ein industriell gefertigtes Teil mit der Bezeichnung LM723 ist. Die Vergleichsschaltung hat eine interne Bezugsspannung, an die zum Einstellen ein Potentiometer von außen angeschlossen werden kann. Mit dem außen liegenden Potentiometer kann die interne Spannung auf einen Pegel eingestellt werden, welcher für eine Bezugstemperatur repräsentativ ist. Von der Vergleichsschaltung 58 wird das Summensignal mit dem Bezugssignal verglichen, um ein Treibsignal. zu erzeugen. Die Vergleichsschaltung 58 vergleicht die beiden Signale durch Subtrahieren des Bezugssignals von dem Summensignal. Ein Beispiel des von der Vergleichsschaltung gelieferten Spannungsverlaufs ist in Fig. 4c gezeigt. Das Treibsignal wird dann über einen optischen SCR-Schalter 62, der ein von der Firma I.R. Crydom erzeugtes Bauteil mit der Bezeichnung D2402 ist, an ein Solenoid 50 angelegt.

Das von der Vergleichsschaltung 58 an das Solenoid 50 gelieferte Treibsignal ist ein Gleichstromsignal mit überlagertem Sägezahnsignal. Durch das Sägezahnsignal wird das Solenoid

V - w

etwa alle 30 Sekunden eingeschaltet. Die Länge der Einschaltperiode wird vom Gleichstromniveau bestimmt. Wenn das Treibsignal von der Vergleichsschaltung 58 klein ist, würde das Solenoid 50 trotzdem alle 30 Sekunden kurzfristig eingeschaltet. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 4c gezeigt. Durch das Akti vieren des Solenoids 50 in festgelegten Takten aber für unterschiedliche Zeitspannen wird die Temperaturbandbreite verkleinert.

Beim Stand der Technik arbeitet ein Thermostat normalerweise zwischen zwei Temperaturwerten: einer ersten und einer zweiten Temperatur. Wenn die Temperatur des Mediums einen ersten Wert erreicht, wird der Thermostat geöffnet, um das Medium zu kühlen. Wenn die Temperatur des Mediums einen zweiten Wert erreicht, wird der Thermostat geschlossen, um ein weiteres Kühlen zu verhindern. Der Wechsel der beiden Temperaturwerte hat konstante Amplitude. Lediglich die Zeit, zu der der Umschaltvorgang erfolgt, ändert sich.

Im Gegensatz dazu wird bei dem Prozessor 22 zur Temperatursteuerung das Solenoid 50 gezwungen, mit konstantem Takt aber unterschiedlicher Impulsbreite zu schalten, wodurch die Temperaturamplitude verkleinert wird. Hierdurch wird die Schwankung zwischen der ersten und zweiten Temperatur vermindert, d.h. die Temperatur, bei der das Gasmedium gekühlt werden sollte, und die Temperatur, bei der der Kühlprozeß beendet werden sollte. Auf diese Weise wird eine genauere Temperaturregelung erzielt.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Temperatur des Gases auf einem Niveau oberhalb der Umgebungstemperatur gehalten. Hierdurch werden Temperaturschwankungen des Gases aufgrund einer Temperaturschwankung des Kühlfluids vermieden.

Stromversorgung

In Fig. 2a ist die Gasentladungsröhre 26 gezeigt. In der Entladungsröhre 26 sind mehrere Anoden 62 und mehrere Kathoden 64

angeordnet. Um bei einem CO₂~Laser das Gasmedium innerhalb der Entladungsröhre 26 zu aktivieren, muß an die Anoden 62 und die Kathoden 64 eine hohe Gleichspannung angelegt werden, die typischerweise im Großenordnungsbereich von zehntausenden Volt liegt.

In Fig. 5 ist ein Schaltbild einer Stromversorgungsanlage 68 gezeigt, die den Elektroden, nämlich den Anoden 62 und den Kathoden 64 in der Entladungsröhre 26 eine hohe Gleichspannung liefert. Die Stromversorgungsanlage 68 weist eine erste, zweite und dritte Leitung 0 , 0 bzw. 0 auf. Die erste Leitung 0_A ist an einen ersten magnetischen Verstärker 70, die zweite Leitung 0_n an einen zweiten magnetischen Verstärker 72 und die dritte Leitung 0£ an einen dritten magnetischen . Verstärker 74 angeschlossen. Die Leitungen 0 , 0 und 0 sind mit einer Vielzahl von Primärspulen 76, 78 und 80 eines Transformators T, verbunden. Mit dem Transformator T, sind auch drei Sekundärspulen 82, 84 und 86 verbunden. Die Ausgänge der Sekundärspulen 82, 84 und 86 sind über eine Diodenbrücke verbunden, die eine Vielzahl von Dioden aufweist,, um dieGleichstromversorgung zu bilden. Die von dieser gelieferte Hochspannung wird an die Anoden 62 und Kathoden 64 innerhalb der '■ Entladungsröhre 26 angelegt. Diese bekannte Stromversorgungsanlage 68 bewirkt, wenn sie an eine dreiphasige Stromquelle (z.B. 480 V Wechselstrom) angeschlossen und in Betrieb ist, daß der Laser 10 kontinuierlich arbeitet, d.h. daß ein Strahl 28 kohärenter Strahlung, den die Entladungsröhre 26 erzeugt, kontinuierlich erzeugt wird.

Eine Änderung des Flußmusters im Transformator T-, läßt sich, wie wir festgestellt- haben, durch einfaches Hinzufügen eines Schalters erzielen, z.B. eines Schalters 90a, der beliebige zwei der Leitungen, z.B. J3_D und 0_ verbindet, oder eines Schalters 90b in einer der Leitungen, z.B. der Leitung 0 von den Primärspulen zur Stromquelle. Im einzelnen führt die Änderung des Flußmusters zu eine asymmetrischen Fluß im Transformator T,. Das Ergebnis eines asymmetrischen

2G

Flußmusters im Transformator T, besteht darin, daß beim Anschluß der Stromversorgungsanlage 68 an die Anoden 62 und Kathoden -64 in der.Entladungsröhre 26 der Laser 10 pulsierend arbeitet. Wenn die Leitungen 0 , 0_Q und 0_ mit einer dreiphasigen 60 Hz Stromquelle verbunden und die Leitungen JZf_n und 0_C durch den Schalter 90a kurzgeschlossen werden oder der Schalter 90b zum Öffnen der Leitung J3~ vorgesehen ist, ist eine Impulsrate von 120 Hz zu beobachten.

Der Schalter 90a oder 90b kann ein optischer SCR-Schalter sein, wie der mit D2402 bezeichnete Schalter von I.R. Crydom, wie schon erwähnt. In Fig. 6 ist die Schaltungsanordnung eines solchen Schalters schematisch dargestellt.

Aktive Druckregelung

Zu der aktiven Drucksteuerung für den Laser 10 gehört ein Druckmeßfühler 30, ein Prozessor 32 für die Drucksteuerung und ein motorgetriebenes Ventil 14. Fig. 8 ist eine Darstellung dieser Druckregelung. Der Druck des Gases im Laser 10 ist für die Aufrechterhaltung der ordnungsgemäßen Abgabe der Entladungsröhre 26 von entscheidender Bedeutung. Außerdem wird mittels der Vakuumpumpe 35 kontinuierlich ein geringer Prozentsatz der Gasladung aus dem Laser 10 durch die kleine Öffnung 37 abgezogen. Dieser Leckverlust wird durch das motorgetriebene Ventil 14 ersetzt.

Der Druckmeßfühler 30 ist ein Festkörper-Druckwandler mit Temperaturausgleich, und als bevorzugtes Ausführungsbeispiel dient ein .handelsüblicher Druckmeßfühler 142PC15A der Firma Microswitch/Honeywell. Dieser als Druckmeßfühler 30 eingesetzte Wandler erzeugt ein erstes Spannungssignal, welches dem Druck des Gases proportional ist. Das Ausgangssignal des Druckmeßfühlers 30 steigt monoton mit dem absoluten Druck an.

Das erste Signal des Druckmeßfühlers 30 wird einem ersten Qjcrationsverstärker 92 zugeführt, der im oberen rechten Teil .

des ersten LM324 gezeigt ist. Der erste Operationsverstärker 92 ist eine Gleichstrom-Vergleichsschaltung, deren Ausgangssignal proportional der Fehlerdifferenz zwischen der Ausgangsspannung des Druckmeßwandlers (vom Druckmeßfühler 30) und dem ersten Einstellpunkt für das Druckbezugsniveau (vom ersten einstellbaren Potentiometer 94) ist. Dem ersten Operationsstärker 92 folgt ein Summierknotenpunkt 96, der von dem Operationsverstärker 92 das nötige Signal erhält, um gleichen Druckpegel während des normalea langfristigen Betriebs aufrechtzuerhalten.

Mit der Getriebekette des Motors und Gasströmungsventils 14 ist ein zweites Potentiometer 98 unmittelbar verbunden, welches von einem Gleichstromniveau angetrieben wird und dessen Ausgang ein Signal proportional zur Ventilöffnung liefert. Mit dem ersten Operationsverstärker 92 ist ein zweiter Operationsverstärker 100 parallel geschaltet, der das Ausgangssignal des zweiten Potentiometers 98 in ein zweites Signal proportional zur Xnderungsgeschwindigkeit der Gaseinlaßströmungsrate übersetzt. Hierdurch wird ein Geschwindigkeits-Rückkopplungssignal für den Summierknotenpunkt 96 geliefert, welches zum stabilen Betrieb nötig ist.

Ein dritter Operationsverstärker 93 stellt an seinem Ausgang eine Spannung proportional zur Stellung des zweiten Potentiometers 98 und infolgedessen des Gasströmungssteuerventils zur Verfügung. Ein vierter Operationsverstärker 95 liefert gleichfalls eine Spannung, die zur Stellung des zweiten Potentiometers 98 und folglich des Gasströmungssteuerventils porportional ist. Wenn diesen beiden Operationsverstärkern 93 und 95 entsprechende obere und untere Grenzbezugswerte gegeben werden, liefern sie ein Signal für den Summierknotenpunkt 96, welches nötig ist, um den Hub des Nadelventils zu begrenzen und zu verhindern, daß das Ventil mit dem Anschlag verklemmt oder eine übermäßig starke Strömungsrate beim Anlauf entsteht. Hierbei verhindert der dritte Operationsverstärker 93 die übermäßig große Strömungsrate, während

Signal wird von dem fünften Operationsverstärker 97 mit null verglichen. Jede positive oder negative Abweichung von null wird dem Motor 104 als Gleichstrom- Treibpegel proportional zur Abweichung von null zugeführt. Damit kann der Gasströmungsdurchsatz in den Laser 10 aktiv gesteuert werden, um den im Laser 10 entwickelten Gasdruck auf gleichbleibendem, gewähltem Niveau zu halten.

Die im Schema gezeigten vier zusätzlichen Operationsverstärker dienen dazu, drei Druckniveaueinstellpunkte auszulösen,die für verschiedene Startsignale benutzt werden, und dem Prozessor für die Drucksteuerung harte Spannungsreferenzen zu liefern. Die Spannungsreferenz könnte auch anderswo abgeleitet werden. Deshalb sind diese vier Operationsverstärker für den eigentlichen Betrieb des Prozessors für die Drucksteuerung nicht nötig.

Leistungsregelung

In Fig. 10 ist ein schematisches Blockschaltbild einer in dem Laser 10 verwendeten Leistungsregelung 120 gezeigt. Ein Prozentsatz der Zwischen-Hohlraum-Energie des Lasers 10, ein Strahl aus kohärenter elektromagnetischer Strahlung,wird mit einem Leistungsmesser 122 detektiert, der ein Spannungssignal erzeugt, welches zu der vom Laser 10 abgegebenen Strahlungsenergie proportional ist. Dies Leistungssignal wird einem ersfen Operationsverstärker 124 zugeführt, der lediglich dies Signal gegenüber der restlichen Steuerung abpuffert. Dann wird das Leistungssignal einer ersten Vergleichsschaltung 126 zugeführt.

Ein Schalter 128 hat eine Vielzahl von Stellungen, so daß eine Bedienungsperson den Schalter auf das gewünschte Leistungsniveau für den Laser 10 einstellen kann. In Abhängigkeit von der von diesem Schalter 128 abgeleiteten Adresseneinstellung wird ein digitales Signal von einem programmierbaren Festwertspeicher 130 erzeugt und dann an eine Gleichstrom-Bezugsstelle

der vierte Operationsverstärker 95 das Verklemmen des Ventils verhindert.

Ein fünfter Operationsverstärker 97 dient als Treiber für die Ausgangstransistoren, die mit 2N3439 und 2N5416 bezeichnet sind. Diese Transistoren sind in einer normalerweise als Totempfahl bezeichneten Anordnung vorgesehen. Der Motor ist mit der Mitte des Totempfahls verbunden, um . richtige Treibersignal entweder positiver oder negativer Polarität zu erhalten, so daß das Ventil im Uhrzeigersinn oder entgegen·dem Uhrzeigersinn angetrieben werden kann, damit es entsprechend der am Summierknotenpunkt 96 vorhandenen Spannung geschlossen oder geöffnet werden kann.

Die Anordnung aus Motor und Ventil 14 weist eine ETI/Polaris Industrial Enterprise-Motoranordnung auf, die aus einem Gleichstrommotor, dem zweiten Potentiometer 98 und einem Untersetzungsgetriebe besteht. Der Motor 104 dreht eine Welle 106, an der ein Zahnrad 108

befestigt ist. Das Zahnrad 108 ist mit einem weiteren Zahnrad 110 gekoppelt, welches auf einer Welle 112 einer Strömungsröhre 114 sitzt. In der Strömungsröhre 114 ist ein nicht gezeigtes Nadelventil angeordnet, und in Abhängigkeit von der Umdrehung der Welle 106 des Motors 104 wird die Welle 112 der Strömungsröhre gedreht., wodurch das Nadelventil bewegt wird, um den Druck des durch die Strömungsröhre 114 strömenden Gases zu steuern. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Strömungsröhre 114 ist eine handelsübliche Strömungsröhre mit der Bezeichnung B-I25-60, hergestellt von der Porter Instrument Company.

Die Operationsverstärker 93 und 95 für die Obergrenze bzw. Untergrenze liefern im normalen eingeschwungenen Betrieb kein Signal an den Summierknotenpunkt 96. Deshalb kombiniert der Summierknotenpunkt 96 das Rückkopplungssignal des Druckwandlers, das Bezugsniveau des Einstellpunktes und die Änderungsgeschwindigkeit des Gasströmungsdurchsatzes. Dies kombinierte

132 weitergeleitet, die den Wert vom Festwertspeicher 130 dekodiert und ein Pegelsignal erzeugt, welches dann von einem Verstärker .134 gepuffert wird. Ein die Temperatur der Umgebung wiedergebendes Signal wird gleichfalls an den Verstärker 134 angelegt. Das Signal der Gleichstrom-Bezugsstelle 132 geht an den "+"-Eingang des Verstärkers 134, während das die Temperatur wiedergebende Signal dem "-"-Eingang des Verstärkers 134 zugeführt wird. Das die Temperatur darstellende Signal kann von einer beliebigen Quelle, beispielsweise einem Thermistor abgeleitet werden. Das kompensierte Signal wird dann der ersten Vergleichsschaltung 126 zugeführt, bei der es sich um einen Operationsverstärker handelt, dessen " + "-Eingang das Signal vom Verstärker 134 und dessen "-"-Eingang das Leistungssignal des Leistungsmessers 122 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des ersten Operationsverstärkers 126 dient dann zur Steuerung einer Treiberstufe 136 für die magnetischen Verstärker, die die erste, zweite und dritte Sättigungssteuerspule 70, 72 bzw. 74 steuert, wie im Zusammenhang mit Fig. 5 erläutert. Durch Steuern dieser magnetischen Verstärker 70, 72 und 74 wird die Stromversorgung 68 gesteuert, die die Hochspannung liefert. Und der Leistungspcgel dieser Hochspannungsversorgung steuert wiederum den Grad des Entladungsstroms, der in der Entladungsröhre 26 auftritt.

Mit der Leistungsregelung 120 wird ersichtlich eine aktive Regelung der Ausgangsleistung des Lasers 10 erreicht. Außerdem wird dadurch eine direkte Leistungseinstellung des Lasers .10 mit Rückkopplungskontrolle erreicht.

Laserstrahlzustei!vorrichtung

Fig. 11 zeigt eine Laserstrahlztistellvorrichtung 140. Wie schon erwähnt, weist der Laser 10 eine optische Resonatorstruktur 2Ά auf, die außerordentlich leicht sein kann. Polglich kann der Resonator 24 entfernt von Pumpen, Wärmeaustauschern usw. angebracht werden. Bei der in Fig. 11 gezeigten Laserstrahlzustellvorrichtung 140 erzeugt der optische Resonator 24 einen Strahl 28 kohärenter Strahlung. Außerdem ist eine mechanische Anordnung 155

- rr -

gezeigt, die eine Vielzahl miteinander gekuppelter Bauelemente aufweist. Ein erstes Bauelement 142 ist mit einem zweiten Bauelement 144 verbunden, welches mit einem dritten Bauelement 148 verbunden ist, usw. An jeder der Verbindungsstellen der Bauelemente ist ein Verbindungsstück, z.B.. 1^6 oder 150 vorgesehen. Innerhalb jedes Verbindungsstücks ist ein Spiegel angeordnet. Die Bauelemente sind vorzugsweise hohle, zylindrische Bohren. Der Strahl 28 ist so ausgerichtet, daß er im wesentlichen durch die Mitte eines zylindrischen Gliedes verläuft, um auf den im Verbindungsstück angeordneten Spiegel auf zutreffen. Der Spiegel wird durch die relativen Bewegungen der das Verbindungsstück bildenen Bauelemente bewegt. So kann der Strahl 28 dadurch an der gewünschten Stelle abgegeben werden, daß die Bauelemente im Verhältnis zueinander so bewegt werden, daß der vom Spiegel im Verbindungsstück reflektierte Strahl 28 auf die gewünschte Stelle auftrifft.

Im einzelnen ist in Fig. 11 der Strahl 28 so ausgerichtet, daß er im wesentlichen in der Nähe der Mitte der Achse des Zylinders des ersten Bauelements 182 verläuft. Der Strahl 28 ist so ausgerichtet, daß er auf den ersten Spiegel im ersten Verbindungsstück 146 aufprallt und von diesem reflektiert wird. Der von diesem Spiegel reflektierte Strahl 28 verläuft dann im wesentlichen durch die Mitte der Achse des zweiten Bauelements 144 und ist so ausgerichtet, daß er auf einen zweiten Spiegel im Verbindungsstück 150 auftrifft. Der von diesem Spiegel reflektierte Strahl 28 verläuft dann durch die Mitte des Zylinders des dritten Bauelements 148 und wird auf einen dritten Spiegel gerichtet. Der vom dritten Spiegel 152 reflektierte Strahl verläuft durch ein teleskopierendes Glied 154, an dessen Ende ein vierter Spiegel 156 angeordnet ist, der gleichfalls den Strahl 28 reflektiert. Dieser reflektierte Strahl 28 verläuft dann durch eine Fokussierlinse 158 und wird dadurch auf eine gewünschte Stelle 160 fokussiert.

Die ganze mechanische Anordnung 155 ist auf ein Gestell 162 mit motorgetriebenen Riemen 164 und 166 montiert. Die motor-

■ν

getriebenen Riemen 164 und 166 bewegen die mechanische Anordnung 155 mit dem Resonator 24 entweder in X- oder Y-Richtung. Durch die Bewegung der mechanischen Anordnung 155 in X- oder Y-Richtung wird der Strahl 28 in X- oder Y-Richtung bewegt. Mittels des teleskopierenden Gliedes 154 wird der Strahl 58 in Z-Richtung zugestellt.

In der in Fig. 11 gezeigten Laserstrahlzustellvorrichtung 140 werden die jeweiligen Ausrichtungen der Spiegel an den Verbindungsstücken 146, 150 und 152 im Herstellerwerk eingestellt. Der Strahl 28 ist so ausgerichtet, daß er auf die in den Verbindungsstücken 146, 150 bzw. 152 angeordneten ersten, zweiten und dritten Spiegel auftrifft und dann in der Mitte herunter zum teleskopierenden . Glied 154 weitergeleitet wird. Im Betrieb wird nur die gesamte mechanische Anordnung 155 entweder in X- oder Y-Richtung bewegt, und das teleskopierende Glied 154 wird in Z-Richtung bewegt. Zusätzlich kann das teleskopierende Glied 154 um die Z-Achse gedreht werden, während die Fokussierlinse 158 um die Y-Achse drehbar ist.

In Fig. 12 ist eine weitere Laser st r ah !zuteilvorrichtung 170 gezeigt, die der LaserstrahJzustellvorrichtung 140 ähnelt. Die Laser st r ah !zuteilvorrichtung weist eine optische Resonatorstruktur zum Erzeugen eines Strahls 28 kohärenter Strahlung auf. Eine mechanische Anordnung 1 72 zum Zustellen des Strahls kohärenter Strahlung weist ein erstes Bauelement 142, ein zweites Bauelement 144 und ein erstes Verbindungsstück 146 mit einem darin angeordneten Spiegel sowie ein zweites Verbindungsstück 150 mit einem darin angeordneten Spiegel auf, ähnlich wie die Laserstrahlzustellvorrichtung 140. Der Strahl 28 vom Resonator 24 ist so ausgerichtet, daß er auf den Spiegel im ersten Verbindungsstück 146 auftrifft, von diesem reflektier^ auf den Spiegel im zweiten Verbindungsstück 150 auftrifft und von diesem reflektiert wird, um auf einen beweglichen Fokussierkopf 174 aufzutreffen. Der bewegliche Fokussierkopf 174 weist einen dritten Spiegel 176 auf, der so angeordnet ist, daß er den Strahl 28 auffängt und reflektiert, damit er auf eine Fokussierlinse 178 auftreffen kann.

Die mechanische Anordnung 172 ist auf zwei Führungsschienen 180 und 182 angeordnet. Der an der mechanischen Anordnung vorgesehene Resonator 24 ist in Y-Richtung bewegbar. Der bewegliche Pokussierkopf 174 kann längs einer dritten Schiene 184 in X-Richtung bewegt werden. Durch die Fokussierwirkung der Fokussierlinse 178 wird der Strahl 28 in Z-Richtung zugestellt.

In Fig. 13 ist eine weitere LaserstrahJZustellvorrichtung gezeigt, die eine optische Resonatorstruktur 24 zum Erzeugen eines Strahls 28 kohärenter Strahlung aufweist. Eine mechanische Anordnung weist eine Vielzahl miteinander gekoppelter Bauelemente auf,

u. a. die mit 142, 144, 148 und 154 bezeichneten, wie sie bereits vorstehend beschrieben sind.Jedes Bauelement ist mit einem weiteren benachbarten Bauelement so verbunden, so daß eine relative Bewegung möglich und eine Vielzahl von Verbindungsstücken gebildet wird. An jedem Verbindungstück ist ein Spiegel so angeordnet, daß er den Strahl 28 empfängt und zum nächsten Verbindungsstück reflektiert. Eine Vielzahl von Spiegeln ist vorgesehen, z.B. 146, 150, 152 etc. Die in Fig. 13 gezeigte mechanische Anordnung 192 hat unzählbare Bewegungsmöglichkeiten. Der Rotationsfreiheitsgrad jedes der einzelnen . Bauelemente ist durch Pfeile angedeutet. Bei einer Bewegung der mechanischen Anordnung 192 wird der Strahl 28 bewegt und ein reflektierter Strahl zugestellt, nämlich der im Innern der Bauelemente reflektierte Strahl 28, und zwar wird dieser mittels einer Fokussierlinse 194 auf eine gewünschte Stelle I96 zugestellt.

In Fig. 14 ist eine weitere Laserstrahlzustellvorrichtung gezeigt, die eine optische Resonatorstruktur 24 aufweist, die an einer mechanischen Anordnung 232 angebracht ist. Die mechanische Anordnung 232 weist eine Basis 230 auf,, auf der ein erstes Bauelement 231 drehbar angebracht ist. Der Resonator 24 ist am ersten Bauelement 231 drehbar angebracht. Der hier nicht gezeigte Strahl 28 wird vom Resonator 24 durch ein elastisches Verbindungsstück 236 geleitet und trifft auf einen Fokussierkopf 238 auf, welcher um das Verbindungsstück 236 drehbar ist. Der Strahl

28 wird mittels einer Pokussierlinse 240 fokussiert und auf die gewünschte Stelle zugestellt.

Alle vorstehend beschriebenen Laserstrahlzustellvorrichtungen 140, 170, 190 und 250 sind nur mit einem Resonator gezeigt. Wie schon erwähnt, müssen aber auch die für den Betrieb des Lasers 10 nötigen Wärmeaustauscher, Vakuumpumpen und Stromversorgungsanlagen vorgesehen sein. Für die Laserstrahlzustellvorrichtungen 140, 170, 190 und 250 sind diese weiteren Elemente nicht gezeigt, aber mit dem Resonator 24 durch flexible Kupplungen und elektrische Verbinder verbunden.

Der Spiegel in den Verbindungsstücken zwischen jeweils zwei benachbarten Bauelementen der mechanischen Anordnung der Laserstrahlzustellvorrichtungen 140, 170, 190 bzw. 250 kann eine reflektierende Einrichtung gemäß US-PS 4 379 622 sein, die nicht nur den aufprallenden kohärenten Strahl.reflektiert, sondern dem reflektierten Strahl, auch einen gewissen Grad an Phasenverschiebung gibt. Wie aus US-PS 4 336 439 hervorgeht, hat ein kreisförmig polarisierter Strahl, der aus. einem linear polarisierten Strahl gebildet wird, der anschließend eine Phasenverschiebung um 90° erfahren hat, vorteilhafte Schneid- und Graviereigenschaften. Deshalb kann als reflektierender Spiegel ein reflektierender Spiegel vorgesehen sein, der dem Strahl eine Phasenverschiebung erteilt. Der reflektierende Spiegel kann eine Phasenverschiebung um 90°, 45° oder sogar 0° erteilen.

Da jede Laserstrahlzustellvorrichtung 140, 170, 190 und 250 auch einen Fokussierkopf aufweist, mit dem der Strahl 28 auf die gewünschte Stelle fokussiert wird, bestimmt der Fokussierkopf, der eine Fokussierlinse aufweist, den Abstand des Brennpunktes vom Kopf zu der gewünschten Stelle. In Fig. 15 ist eine Vorrichtung gezeigt, mittels der der Fokussierkopf der Laserstrahlzustellvorrichtung ausgewechselt werden kann. Es ist eine Laser strah 1 zustcl]vorrichtung 140 mit einem Laserfokussierkopf 158 gezeigt. In der Nähe ist eine Vielzahl austauschbarer Fo-

. st

kussierköpfe 200, 202, 204 und 206 angeordnet. Ferner ist eine zweite mechanische Anordnung 155 mit einem Arm und einem Greifer 208 gezeigt. Die mechanische Anordnung 155 mit dem Greifer 208 kann den Fokussierkopf 158 aus der Laserstrahlzustellvorrichtung 140 entnehmen und durch einen Fokussierkopf nach Wahl aus dem Gestell austauschbarer Fokussierköpfe 201 ersetzen. Die Austauschbarkeit des Fokussierkopfes der LaserstrahJzustellvorrichtung 140 ermöglicht eine größere Flexibilität.. ■

Laserverteilersystem

In Fig. 16 (a) ist ein Laserverteilersystem 210 gezeigt, welches zur Verwendung in einer Fabrik geeignet ist, in der eine Vielzahl optischer Resonatorstrukturen 2^a, 24b, 24c usw. an verschiedenen Stellen in der Fabrik benutzt werden. Jeder dieser optischen Resonatoren 24 (a-d) kann an einer mechanischen Anordnung der vorstehend beschriebenen Art angebracht werden. Bei dem in Fig. 16 (a) gezeigten Laserverteilersystem 210 ist eine zentrale Pumpe 36 für das Gas und ein zentraler Wärmeaustauscher 18 vorgesehen. Das Lasermaterial, nämlich das Gas wird von der zentralen Pumpe 36 durch den Wärmeaustauscher 18 jedem einzelnen der Resonatoren 24 (a-d) durch Leitungen oder Schläuche zugeführt, die in der Fabrik verlegt sind. Das Gas wird von der zentralen Pumpe 36 gefördert und von dem zentralen Wärmeaustauscher 18 erwärmt und einem ersten Resonator 24 (a), einem zweiten Resonator 24 (b), einem dritten Resonator 24 (c) usw. zugeführt..Dann wird das Gas zur Pumpe 36 zurückgeleitet. Der notwendige elektrische Strom zum Erzeugen der Entladung innerhalb der Entladeröhre jedes einzelnen Resonators 24 (a-d) wird von einer zentralen Stromversorgungsanlage 212 geliefert. Für den Fall eines Versagens der primär vorgesehenen Pumpe 36 ist eine Vakuumreservepumpe 36' vorgesehen.

In Fig. 16 (b) ist ein weiteres Laserverteilersystem 220 gezeigt. Ähnlich wie bei dem in Fig. 16 (a) gezeigten Laserverteilersystem 210 weist das in Fig. 16 (b) gezeigte Laserverteilersystem 220 eine zentrale Pumpe 36 auf, die jedem Resona-

tor 24 (a-d) das aktive Lasermaterial zuführt. Auch- hier erfolgt die Zufuhr durch Rohre, Schläuche und dergleichen. Das Gas wird jedem der Resonatoren 24 (a-d) zugeführt, und das Abgas der Resonatoren wird dann zu der zentralen Pumpe 36 zurückgeleitet. Anders als bei dem in Fig. 16 (a); gezeigten Laserverteilersystem 210 ist jedoch ein Wärmeaustauscher 18 (a-d) zum Erwärmen des Gases des Lasermaterials für jeden einzelnen optischen Resonator 24 (a-d) vorgesehen. Wenn die zentrale Pumpe 36 weit entfernt angeordnet ist, sollte bei diesem Ausführungsbeispiel ein Wärmeaustauscher 18 (a-d) in der Nähe des entsprechenden Resonators 24 (a-d) vorgesehen sein, um· den Wärmeverlust durch die Gasleitung vom Wärmeaustauscher bis zum Resonator auf ein Minimum einzuschränken. Ahnlich wie bei dem Laserverteilersystem 210 gemäß Fig.'16 (a) ist eine Reservepumpe 36¹ vorgesehen. Natürlich sollte außerdem eine zentrale Stromversorgung vorgesehen sein.

Der Vorteil eines Laserverteilersystems 210 oder 220 besteht darin, daß in der Nähe der Arbeitsstelle lediglich die optische Resonatorstruktur 2k erforderlich ist. Da der Resonator, wie schon erwähnt, leicht und kompakt sein kann, können die nötigen Installationen einschließlich Elektrik, die zum Aufrechterhalten der Laserwirkung in dem Resonator nötig sind, alle zentral angeordnet werden. Damit erübrigt sich eine vielfache Anordnung von Vakuumpumpen und Stromversorgung)-! . Ferner können Reihen von Vakuumpumpen oder Stromversorgungen jn Tandemanordnung vorgesehen werden, um im Fall eines Versagens eines der Bauelemente einschaltbar zu sein. Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß ein Laserverteilersystem zahlreiche Vorteile hat.

Claims

COHERENT, INC. Palo Alto, CaI.

Priorität: 6. Mai I983 - USA - Serial No. 492 479

6. Mai 1983 - USA - Serial No. 492 480

6. Mai 1983 - USA - Serial No. 492 495

6. Mai 1983 - USA - Serial No. 492 500

6. Mai 1983 - USA - Serial No. 492 50I

Patentansprüche

θ-

Laser,
gekem zeichnet durch

- ein Lasermaterial in Form eines Fluids,

- eine Entladungsröhre, die das Lasermaterial umhüllt,

- eine Einrichtung, mittels der das Lasermaterial in der Entladungsröhre angeregt wird,

- eine optische Resonatorstruktur, der mit der Entladungsröhre ausgerichtet ist,

- eine Stützröhre, die das Lasermaterial umhüllt,

wobei das Material in der Stützröhre mit der Entladungsröhre in Verbindung steht und die Stützröhre die optische Resonatorstruktur stützt und·ausrichtet, und

- eine Einrichtung, mittels der das Lasermaterial in der Stützröhre auf einer im wesentlichen gleichbleibenden Temperaturgehalten wird.

2. Laser nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß der Resonator einen ersten Spiegel aufweist, der an einem Ende der Stützröhre angeordnet ist, und einen zweiten Spiegel, der am anderen Ende der Stützröhre angeordnet ist.

3. Laser nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das Fluid ein Gas ist.

4. Laser nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur liegt.

5. Laser nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß die Entladungsröhre parallel zur Stützröhre angeordnet ist.

6. ■ Laser nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß eine Abgasröhre vorgesehen ist, und daß die Entladungsröhre das Lasermaterial von der Stützröhre empfängt und an die . Abgasröhre weitergibt.

7. Laser nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet , daß die Entladungsröhre das Lasermaterial von der Stützröhre im wesentlichen in der Nähe der Enden der Entladungsröhre empfängt, daß das Lasermaterial axial durch die Entladungsröhre von den Enden derselben weg transportiert wird, und daß das Lasermaterial von den Enden der Entladungsröhre weg zur Abgasröhre weiterleitbar ist.

8. Laser nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von Entladungsröhren vorgesehen ist, die sich jeweils parallel zum Stützglied erstrecken und axial in Abständen von ca. 90° voneinander angeordnet sind.

9. Laser nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Stützröhre im wesentlichen in der Nähe der Mitte des Resonators angeordnet ist.

10. Laser nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das Lasermaterial durch einen Wärmeaustauscher geleitet wird, und daß dem Wärmeaustauscher ein Kühlfluid zum Kühlen des Lasermaterials zugeführt wird.

6525

11. Laser nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet , daß ein Temperaturmeßfühler so angeordnet ist, daß er die Temperatur des Lasermaterials wahrnimmt und in Abhängigkeit von derselben ein erstes Signal erzeugt, daß eine elektronische Signalverarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, die das erste Signal und ein Bezugssignal empfängt, welches eine Bezugstemperatur wiedergibt, und die ein Antriebssignal in Abhängigkeit davon erzeugt, und daß ein Solenoid so angeordnet ist, daß es die Strömung des Kühlfluids zu dem Wärmeaustauscher steuert und das Antriebssignal empfängt und die Strömung des Kühlfluids in Abhängigkeit davon steuert.

12. Laser nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet , daß die elektronische Signalverarbeitungseinrichtung eine Signalerzeugungseinrichtung, die ein zweites Signal erzeugt, welches sich rcpetitiv mit der Zeit ändert, eine Einrichtung zum Summieren des ersten und zweiten Signals unter. Erzeugung eines dritten Signals sowie eine Einrichtung aufweist, die das dritte Signal mit dem Bezugssignal vergleicht und das Antriebssignal erzeugt.

13. Vorrichtung zum Zustellen eines Strahls kohärenter Strahlung auf eine gewünschte Stelle, g e k e nnz e i c h η e t durch

- eine mechanische Anordnung, die eine Vielzahl miteinander gekuppelter Bauelemente aufweist, von denen jedes Bauelement mit einem benachbarten Bauelement unter Schaffung einer VieJzäil vcn Vertain±n5SstiJckEn relativ bewegbar verbunden ist,

- eine Spiegeleinrichtung, die in einem der VertrindLrgsstifcke abordnet und durch die relative Bewegung der das eine Verbirdj®3stüdc bildenden Bauelemente bewegbar ist,

- eine Lasereinrichtung in einem der Bauelemente, die, den Strahl erzeugt, der von der Lasereinrichtung so ausgerichtet ist, daß er auf die Spiegeleinrichtung auftrifft und von dieser reflektiert wird, wobei durch die· Bewegung der Anordnung die Lasereinrichtung bewegbar und der reflektierte Strahl an der gewünschten Stelle abgebbar ist.

IH, Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Lasereinrichtung ein Lasermaterial in Form eines Fluids, eine Entladungsröhre, die das Lasermaterial umhüllt, eine Einrichtung, die das Lasermaterial in der Entladungsröhre erregt, eine mit der Entladungsröhre ausgerichtete optische Resonatorstruktur, eine das Lasermaterial umhüllende Stützröhre, wobei das Lasermaterial

in der stützröhre mit der Entladungsröhre in Verbindung steht und die Stützröhre den Resonator stützt und ausrichtet, und eine Einrichtung aufweist/ die das Lasermaterial in der Stützröhre auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur hält.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß der optische Resonator einen ersten Spiegel aufweist, der an einem Ende der Stützröhre angeordnet ist, sowie einen zweiten Spiegel, der am anderen'Ende der Stützröhre angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet , daß das Fluid ein

Gas ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet , daß die Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur liegt.

18.. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Entladungsröhre parallel zu der Stützröhre angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß eine Abgasröhrc .vorgesehen ist, und daß die Entladungsröhre das Lasermaterial von der Stützröhre empfängt und zur Abgasröhre weiterleitet.

20.. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß die Entladungsröhre das Lasermaterial von der Stützröhre im wesentlichen in der Nähe der Enden der Entladungsröhre empfängt, daß das Lasermaterial axial durch die Entladungsröhre von den Enden derselben weg transportiert wird , und daß das Lasermaterial zur Abgaberöhre weg von den Enden der Entladungsröhre weiter geleitet wird.

16525

~ 6 —

21. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von Entladungsröhren vorgesehen ist, die alle parallel zu einem Stützglied und axial in Abständen voneinander von ca. 90° angeordnet sind.

22. Vorrichtung nach Anspruch 14,

dadurch 'gekennzeichnet , daß die Stützröhre im wesentlichen in der Nähe der Mitte des optischen .Resonators angeordnet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet , daß ein Wärmeaustauscher vorgesehen ist, durch den das Lasermaterial geleitet wird, und daß dem Wärmeaustauscher ein Kühlfluid zum Kühlen des Lasermaterials zugeführt; wird.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23,

dadurch gekennzeichnet , daß ein Temperaturmeßfühler so angeordnet ist, daß er die Temperatur des Lasermaterials wahrnimmt und in Abhängigkeit von derselben ein erstes Signal erzeugt, daß eine elektronische Signalverarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, die das erste Signal und ein Bezugssignal empfängt, welches eine Bezugstemperatur wiedergibt, und die ein Antriebssignal in Abhängigkeit davon erzeugt, und daß ein Solenoid so angeordnet ist, daß es die Strömung des Kühlfluids zu dem Wärmeaustauscher steuert und das Antriebssignal empfängt und die Strömung des Kühlfluids in Abhängigkeit davon steuert.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24,

dadurch gekennzeichnet , daß die elektronische Signalverarbeitungseinrichtung eine Signalerzeugungseinrichtung, die ein zweites Signal erzeugt, welches sich repetitiv mit der Zeit ändert, eine Einrichtung zum Summieren des ersten und zweiten Signals . unter Erzeugung eines dritten Signals sowie eine Einrichtung aufweist, die das dritte Signal mit dem Bezugssignal vergleicht und das Antriebssignal er-, zeugt.

26. Vorrichtung nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet , daß die Spiegeleinrichtung dem Strahl eine Phasenverschiebung um 90° erteilt und aus einem einfallenden, linear polarisierten Strahl einen kreisförmig polarisierten Strahl erzeugt.

27. Vorrichtung nach Anspruch 13,

•dadurch gekennzeichnet , daß die Spiegeleinrichtung für eine Phasenverschiebung von O⁰ zwischen einem auf sie auftreffenden und von ihr reflektierten Strahl sorgt.

28. Vorrichtung nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die den Strahl auf die gewünschte Stelle fokussiert, und daß die Fokussiereinrichtung in der mechanischen Anordnung vorgesehen ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28,

dadurch gekennzeichnet , daß die Fokussiereinrichtung abnehmbar ist.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29,

dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung zum Entfernen der Fokussiereinrichtung und zum Ersetzen derselben durch eine andere Fokussiereinrichtung vorgesehen ist.

31. Lasersystem,

g e k e nnz e i c h η e t durch

- ein Lasermaterial in Form eines Fluids,

- eine Vielzahl von Lasern, die jeweils eine Entladungsröhre, welche das Lasermaterial umhüllt, eine optische Resonator struktur, die mit der Entladungsröhre ausgerichtet ist, eine Stützröhre, die das Lasermaterial umhüllt, wobei das Lasermaterial in der Stützröhre mit der Entladungsröhre in Verbindung steht und die Stützröhre den Resonator stützt und ausrichtet, und eine Einrichtung aufweist, die das Lasermaterial auf einer im wesentlichen gleichbleibenden Temperatur hält,

- eine Einrichtung, die das Lasermaterial in der Entladungsröhre jedes der Laser erregt, und

eine Einrichtung, die jedem der Laser das fluidförmige Lasermaterial zuführt.

32. Lasersystem nach Anspruch 31,

dadurch gekennzeichnet , daß der Resonator
einen ersten Spiegel aufweist, der an einem Ende der Stützröhre angeordnet ist, und einen zweiten Spiegel, der am anderen Ende der Stützröhre angeordnet ist.

33. Lasersystem nach Anspruch 31,

dadurch gekennzeichnet , daß das Fluid ein Gas ist.

34. Lasersystem nach Anspruch 31,

dadurch gekennzeichnet , daß die Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur liegt.

35. Lasersystem nach Anspruch 34,

dadurch gekennzeichnet ,.daß die Entladungsröhre parallel zur Stützröhre angeordnet ist.

36. Lasersystem nach Anspruch 34,

dadurch gekennzeichnet , daß eine Abgasröhre vorgesehen ist, und daß die Entladungsröhre das Lasermaterial von der Stützröhre empfängt und an die Abgasröhre weitergibt.

37- Lasersystem nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet , daß die Entladungsröhre das Lasermaterial von der Stützröhre im wesentlichen in der Nähe der Enden der Entladungsröhre empfängt, daß das Lasermaterial axial durch die Entladungsröhre von den Enden derselben weg transportiert wird, und daß das Lasermaterial von den Enden der Entladungsröhre weg zur Abgaberöhre weitergeleitet wird.

38. Lasersystem nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von Entladungsröhren vorgesehen ist,die sich jeweils parallel zum Stützglied erstrecken und axial in Abständen von ca.

voneinander angeordnet sind.

39. Lasersystem nach Anspruch 31,

dadurch gekennzeichnet , daß die Stützröhre im wesentlichen in der Nähe der Mitte des Resonators angeordnet ist.

40. Lasersystem nach Anspruch 31,

dadurch gekennzeichnet , daß das Lasermate-

^:..^:*Ί34Ί6525

rial durch einen Wärmeaustauscher geleitet wird, und daß dem Wärmeaustauscher ein Kühlfluid zum Kühlen des Lasermaterials zugeführt wird.

41. Lasersystem nach Anspruch 40,

dadurch gekennzeichnet , daß ein Temperaturmeßfühler so angeordnet ist/ daß er die Temperatur des Lasermaterials wahrnimmt und in Abhängigkeit von derselben ein erstes Signal erzeugt, daß eine elektronische Signalverarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, die das erste Signal und ein Bezugssignal empfängt, welches eine Bezugstemperatur wiedergibt, und die ein Antriebssignal in Abhängigkeit davon erzeugt, und daß ein Solenoid so angeordnet ist, daß es die Strömung des Kühlfluids zu dem Wärmeaustauscher steuert und das Antriebssignal empfängt und die Strömung des Kühlfluids in Abhängigkeit davon steuert.

42. Lasersystem nach Anspruch 41,

dadurch gekennzeichnet , daß die elektronische Signalverarbeitungseinrichtung eine Signalerzeugungseinrichtung, die ein zweites Signal erzeugt, welches sich repetitiv mit . der Zeit ändert, eine Einrichtung zum Summieren des ersten und zweiten Signals unter Erzeugung eine.s dritten Signals sowie eine Einrichtung'aufweist, die das dritte Signal mit dem Bezugssignal vergleicht und das Antriebssignal erzeugt.

43. System zum Steuern der Ausgangsleistung eines Lasers, der eine regulierbare Stromversorgung aufweist, gekennzeichnet durch

- einen Leistungsdetektor, der in Abhängigkeit von der abgegebenen Strahlungsenergie des Lasers ein Leistungssignal erzeugt,

- eine Schaltereinrichtung, mittels der der gewünschte Leistungspegel des Lasers einstellbar ist,

- eine Einrichtung, die in Abhängigkeit von der Einstellung der Schaltereinrichtung ein Pegelsignal erzeugt, und

- eine Einrichtung, die das Leistungssignal mit dem Pegelsignal vergleicht und in Abhängigkeit davon ein Steuersignal erzeugt, welches der Stromversorgung zum Steuern der Ausgangsleistung des Lasers zugeführt wird

44. System nach Anspruch 43,

dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die das Pegelsignal mit einem Temperatursignal vergleicht, welches repräsentativ für die Temperatur der Umgebung ist.

45. System nach Anspruch 44,

dadurch gekennzeichnet , daß die Vergleichseinrichtung ein Operationsverstärker ist, an dessen " + "-Ein-

::-_T r..:] ."- Ό^:Ί34 1 65Z5

gang das Pegelsignal und an dessen "-"-Eingang das Temperatursignal anliegt.

46. System nach Anspruch 43,

dadurch gekennzeichnet , daß die Signalerzeugereinrichtung ein programmierbarer Festwertspeicher ist.

-u-

47. Druckreguliersystem zum Steuern des Drucks eines gasförmigen Lasermaterials in einem Gaslaser, g e k e nnz e i c h η e t durch

- eine Druckmeßfühlereinrichtung, die ein erstes Signal proportional zum Druck des Gases erzeugt/

- eine Einrichtung, die das erste Signal weiterverarbeitet und in Abhängigkeit davon ein Antriebssignal erzeugt,

- eine Motoreinrichtung, die das Antriebssignal empfängt und in Abhängigkeit davon eine Welle in Umdrehung versetzt, und

- eine Strömungsröhreneinrichtung, in der ein Nadelventil so angeordnet ist, daß das Gas durch das Ventil strömt, und die mit der Welle verbunden ist und in Abhängigkeit von der Umdrehung derselben das Nadelventil bewegt, wodurch der Druck des hindurchströmenden Gases steuerbar ist.

48. Druckreguliersystem nach Anspruch 47,

dadurch gekennzeichnet , daß die Druckmeßfühlereinrichtung ein Festkörper-Piezowiderstands-Druckwandler mit Temperaturausgleich ist.

49. Druckreguliersystem nach Anspruch .48,

dadurch gekennzeichnet , daß der Wandler ein Signal erzeugt, welches monoton mit dem Druck des Gases zunimmt .

- ιΐ-

50. Druckreguliersystem nach Anspruch ^7, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die ein zweites Signal erzeugt, welches zur Öffnung des Ventils proportional ist, und daß die Signalverarbeitungseinrichtung das erste und zweite Signal verarbeitet und in Abhängigkeit davon das Antriebssignal erzeugt.