DE3604231A1 - Optisch stabiler resonator zur erzeugung eines laserstrahles - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optisch stabilen Resonator zur Erzeugung eines Laserstrahles nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie er beispielsweise aus der Hochenergie- Lasertechnologie für die Metallbearbeitung bekannt ist. In diesem Zusammenhang seien an Literatur Zeitschriften­ artikel aus der Zeitschrift "Applied Optics" 1966, Seiten 1550-1567 oder aus der Zeitschrift "Lasers & Applications" 1985, Seiten 79 bis 83 erwähnt. In dieser Literatur ist auch das Unterscheidungskriterium für sogenannte stabile und in­ stabile Resonatoren zur Laserstrahlerzeugung angegeben.

Die meisten sogenannten instabilen Resonatoren arbeiten aus­ schließlich mit reflektiven optischen Elementen im Resona­ tor, die thermisch höher belastbar sind als transmissive optische Elemente, weil zum einen die Reflektionsverluste geringer sind als die Adsorbtionsverluste transmissiver Elemente und weil zum anderen reflektive optische Elemente intensiv kühlbar sind. Die instabilen Resonatoren brauchen insbesondere kein transmissiv belastetes Auskoppelfenster wie die sogenannten stabilen Resonatoren aufzuweisen, weil bei solchen Resonatoren der Strahl aus dem Resonator durch eine Bohrung herausgeführt werden kann, die aufgrund einer geschickten Anordnung von quergerichteten aerodynamischen Strömungen den im Innern des Resonators herrschenden Unterdruck gegenüber der äußeren Umgebung aufrechtzuerhalten vermag. Mit den instabilen Resonatoren sind zwar ohne weiteres Leistungsbereiche von über 1,5 kW im austretenden Laserstrahl realisierbar, je­ doch ist die Strahlqualität, d.h. die Energieverteilung über den Strahlquerschnitt hinweg, nicht homogen und auch zeitlich nicht an jeder Stelle konstant. Insbesondere ist an dem Strahl eines instabilen Resonators nachteilig, daß er eine hohlzylindrische Form aufweist, sein Energiemaximum liegt also nicht in der Strahlmitte, sondern ist kreisförmig am Rand verteilt. Dadurch läßt sich der Arbeitsstrahl eines instabilen Resonators nicht optimal fein fokussieren, so daß sich aufgrund wellenoptischer Gesetzmäßigkeiten eine ge­ wisse Grenze für die Energiedichte in einem fokussierten Laserstrahl ergibt.

Mit einem stabil arbeitenden Resonator zur Laserstrahlerzeu­ gung ist zwar eine bessere Strahlqualität, nämlich ein Laser­ strahl mit einer sogenannten Gauß′schen Energieverteilung über den Strahlquerschnitt hinweg erzielbar, der sich be­ sonders eng fokussieren läßt. Auch ist im zeitlichen Verlauf eine bessere Konstanz des Energieprofiles eines solchen Laserstrahles mit stabil arbeitenden Resonatoren herstell­ bar. Nachteilig an dieser Resonator-Art ist jedoch die hohe thermische Belastung des Auskoppelfensters, durch welches der Laserstrahl hindurchtreten muß. Bei den bisher bekannten Resonator-Bauformen von stabil arbeitenden Resonatoren sind unter Inkaufnahme von wenigen höhergradigen Moden im Arbeits­ strahl höchstens Leistungen in der Größenordnung von etwa 1,5 kW erzielbar. Mit Rücksicht auf die angestrebte Gauß′sche Energieverteilung innerhalb des erzeugten Laserstrahles wird für den Resonator eine Fresnel-Zahl von 1 angestrebt. Zur Bedeutung dieser Zahl und zu deren Ermittlung sei auf die eingangs zitierte Literatur verwiesen. Eine sehr kleine Fresnel-Zahl in der Größe nahe bei 1 erfordert jedoch eine sehr große Resonatorbaulänge. Zwar kann durch eine raum­ sparende gefaltete Anordnung des Strahlenganges die Außen­ form des Resonators selber relativ klein gehalten werden, jedoch ist die optisch wirksame Länge des Strahlenganges sehr groß, und es ist schwierig, ihn stabil und lagegenau zu justieren, was für eine hohe Leistungsausbeute besonders wichtig ist. Durch kleinste thermische Veränderungen innerhalb des Resonators kann es zu einer Dejustierung der Spiegel kommen, was höhere Verluste und ein Durchbrennen der optischen Elemente zur Folge haben kann. In dieser Hinsicht ist - wie gesagt - besonders das Auskoppelfenster gefährdet, weil es nicht intensiv kühlbar ist, wie beispielsweise ein Spiegel. Auch eine Vergrößerung des Auskoppelfensters zur Reduzierung der Energiedichte bringt wenig Abhilfe, weil mit zunehmender Größe des Auskoppelfensters bzw. des Strahldurchmessers die Fresnel-Zahl größer wird und die Strahlqualität rasch ab­ nimmt; d.h. es treten mit zunehmender Größe des Strahldurch­ messers bei sonst gleichen Voraussetzungen höhergradige Moden auf, die man gerade vermeiden möchte. Aufgrund des Vor­ handenseins höhergradiger Moden im austretenden Laserstrahl läßt sich der Strahl ebenfalls weniger gut fokussieren und somit die für ein gutes Arbeitsergebnis erforderliche hohe Energiedichte nicht mehr erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen stabilen Resonator der gattungsmäßig zugrunde gelegten Art dahingehend auszugestal­ ten, daß trotz einer hohen Gesamtenergie des austretenden Lichtstrahles beispielsweise oberhalb von 1 kW die Energie­ dichte am Auskoppelfenster lediglich Werte erreicht, die ohne weiteres beherrschbar sind und daß trotzdem eine der Gauß′schen Energieverteilung zumindest angenäherte Energie­ verteilung im austretenden Lichtstrahl realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Durch das konver­ gierende und das divergierende optische Element im Re­ sonator wird eine Zweiteilung des Resonators in einen Verstärkerteil und in einen Modenfilterteil vorgenommen. Dies erlaubt es, den Verstärkerteil auf hohe Fresnel-Zahlen auszulegen, was eine Reduzierung der Energiedichte am Aus­ koppelfenster ermöglicht, obwohl die insgesamt austretende Lichtleistung sehr hoch ist. Der Modenfilterteil kann auf kleine Fresnel-Zahlen im Bereich von 1 ausgelegt werden, was dank des geringen Strahlenquerschnittes nur geringe, ohne weiteres beherrschbare Resonatorbaulängen erfordert. Und zwar reduziert sich die Resonatorbaulänge dank des reduzierten Strahlquerschnittes im Modenfilterteil. Bei einer Reduzierung des Strahldurchmessers auf die Hälfte reduziert sich bei gleicher Fresnel-Zahl die Strahllänge im Modenfilterteil auf lediglich noch ein Viertel.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Im übrigen ist die Erfindung anhand verschiedener in den Zeichnungen dargestellter Ausführungs­ beispiele nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 eine stark schematisierte Prinzipdarstellung eines Resonators mit Unterteilung in einen Verstärker- und in einen Modenfilterteil unter Verwendung transmissi­ ver optischer Elemente bei gradlinigem Strahlengang,

Fig. 2 einen Resonator nach der Erfindung unter Verwendung reflektiver optischer Elemente bei der Strahlver­ jüngung und der Anwendung eines geknickten Strahl­ verlaufes,

Fig. 3 eine Abwandlung des Resonators nach Fig. 2, bei dem kleinere Umlenkwinkel an den querschnittsverändernden optischen Elementen realisiert sind,

Fig. 4 einen Resonator, bei dem das divergierende opti­ sche Element mit dem Endspiegel des Resonators funktionell integriert ist und im Modenfilterteil ein konischer Verlauf des Strahles vorhanden ist und

Fig. 5 eine weitere Abwandlung eines Resonators unter Verwendung von sphärisch gestalteten strahlquer­ schnittsverändernden Spiegeln und unter Zwischen­ schaltung eines zylindrisch geformten Spiegels zur Korrektur eines Astigmatismus.

Obwohl die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Re­ sonatoren sogenannte Gas-Laser darstellen, bei denen das laseraktive Medium ein Gas ist, ist die Erfindung ohne wei­ teres auch bei Festkörper-Lasern oder Flüssigkeits-Lasern realisierbar. Selbstverständlich ist es für die Erfindung unerheblich, ob die Gas-Laser längs- oder querdurchströmt sind und welcher Art die Anregung des laseraktiven Mediums, beispielsweise durch Hochspannung, durch Hochfrequenz oder durch Licht, ist. Die erfindungsgemäß mögliche Reduzierung der Energiedichte im Verstärkerteil des Resonators kommt insbesondere auch Festkörper-Lasern zugute, so daß für diese Art von Resonatoren durch die Erfindung ein neues Leistungs­ gebiet erschlossen werden kann. Andererseits ist die Erfin­ dung nicht nur auf Hochleistungslaser beschränkt, sondern kann auch vorteilhaft auf sonstige Laser-Lichtquellen ange­ wandt werden, bei denen es auf eine hohe Strahlqualität an­ kommt, bei denen also im Nutzstrahl nach Möglichkeit nur die Grundmode enthalten sein soll.

Die stark schematisierte Resonatordarstellung nach Fig. 1 läßt das erfindungsgemäße Prinzip besonders deutlich er­ kennen. Der dort gezeigte Resonator weist an seinem rück­ wärtigen Ende einen relativ kleinen voll reflektierenden Endspiegel 1 auf, dessen spiegelnde Oberfläche übertrieben gekrümmt dargestellt ist. Durch diese sehr geringe Spiegel­ krümmung soll einer Strahldivergenz, die durch die Wellen­ natur des Lichtes bedingt ist, entgegengewirkt werden. Auf der gegenüberliegenden Endseite des Resonators, an der der erzeugte Nutzstrahl austritt, ist das sogenannte Auskoppel­ fenster 2 vorgesehen, welches als teilreflektierender Spie­ gel ausgebildet ist. In einem dem Auskoppelfenster 2 zunächst liegenden Bereich ist innerhalb des Resonators der Verstär­ kerteil 3 vorgesehen, in welchem ein laseraktives Medium, bei­ spielsweise Kohlendioxydgas enthalten ist und welches durch ein Paar von Hochspannungselektroden 15 mit Anregungsenergie speisbar ist. Durch die angelegte Hochspannung wird das Gas teilweise ionisiert und dessen Moleküle in einen Anregungs­ zustand versetzt, so daß Lichtverstärkung durch stimulierte Emission eintritt. Im Anschluß an den durch eine strichpunk­ tierte Linie angedeuteten Verstärkerraum des Verstärkertei­ les 3 ist eine konvergierende Linse 5 und eine divergierende Linse 6 angebracht, durch die der innerhalb des Verstärker­ teiles anstehende Lichtstrahl mit dem Durchmesser D auf einen wesentlich engeren Lichtstrahl mit dem Durchmesser d und einer dementsprechend größeren Energiedichte verkleinert wird. Der im Querschnitt verringerte Strahl wird auf den Endspiegel 1 geleitet und zu dem Verstärkerteil 3 zurück geleitet, wobei er durch die beiden Linsen 6 und 5 wieder auf den im Ver­ stärkerteil vorliegenden größeren Durchmesser vergrößert wird. Die Modenfilterwirkung des Filterteiles 4 des Resona­ tors kommt durch eine entsprechend schlanke Gestaltung des in diesem Resonatorteil anstehenden Strahles zustande. Dank des relativ geringen Strahlquerschnittes lassen sich auch bei vertretbarer Strahllänge kleine Fresnel-Zahlen realisie­ ren; je kleiner die Fresnel-Zahl, um so größer ist die Fil­ terwirkung für höhergradige Strahlmoden. Bei einer Fresnel- Zahl von etwa 1 ist im erzeugten Laserlichtstrahl im wesent­ lichen nur noch die Grundmode TEM₀₀ vorhanden. Bei einer Fresnel-Zahl von 1 ist die aus der Wellenlänge und der Strahllänge L des Modenfilterteils gebildete Fläche eben­ so groß, wie ein Quadrat mit der Seitenlänge des halben Strahldurchmessers. Bei einem CO₂-Laser mit einer Licht­ wellenlänge von 10,6 µm und einem Strahldurchmesser d innerhalb des Modenfilterteiles von 5 mm bedeutet dies zur Erzielung einer Fresnel-Zahl von 1 eine Strahllänge L von etwa 60 cm. Zwar ist in diesem relativ eng gebündelten Strahl die Energiedichte sehr hoch; sie ist jedoch zumin­ dest von dem Endspiegel 1 ertragbar, weil dieser wirkungs­ voll mit Kühlwasser von der Rückseite her gekühlt werden kann. Lediglich das transmissive optische Element 6, näm­ lich die Zerstreuungslinse ist nicht so wirksam kühlbar, so daß aufgrund dieser Linse der Resonator nach Fig. 1 auf relativ geringe Leistungen beschränkt sein wird. Je­ doch ist die konvergierend wirkende Linse 5 aufgrund des großen Strahldurchmessers nur mit einer relativ kleinen Energiedichte belastet, und zwar einer solchen Energie­ dichte, die auch dem Austrittsfenster zugemutet wird. Diese Energiedichten sind - das wird hier unterstellt - ohne weiteres von anderen transmissiven optischen Elemen­ ten ebenfalls ertragbar.

Eine Abwandlungsform des Resonators ist in Fig. 1 strich­ punktiert angedeutet; und zwar ist dort die divergierende Wirkung der Linse 6 in eine entsprechende konvexe Gestaltung des Endspiegels 1 integriert. Dadurch ist die von der Ener­ giedichte her hochbelastete Zerstreuungslinse 6 entbehrlich. Selbstverständlich muß außerdem noch die konvergierend wir­ kende Linse 5 langbrennweitig ausgestaltet werden, so daß sich ein relativ schlanker Strahlkonus ergibt. Auch mit ei­ nem Modenfilterteil mit einem solchen konischen Strahlver­ lauf ist eine Modenfilterwirkung erzielbar und eine kleine Fresnel-Zahl realisierbar. Bei einer Fresnel-Zahl von 1 ist bei einem solchen Strahlengang ein Viertel des Recht­ eckes mit den Seitenlängen D×d gleichzusetzen mit dem Rechteck aus Lichtwellenlänge und Strahllänge im Moden­ filterteil. Bei einem Strahldurchmesser am Endspiegel 1 von 5 mm, einer Lichtwellenlänge von 10,6 µm und einem Durchmesserverhältnis des konusförmigen Strahles im Moden­ filterteil von 1:5 muß der Modenfilterteil eine Länge von etwa 2,95 m haben, um eine Fresnel-Zahl von 1 mit ihm reali­ sieren zu können. Dies ist eine durchaus noch beherrschbare und justage-unempfindliche Baulänge. Bei einem Durchmesser­ verhältnis von 1:5 am kleinen und am großen Durchmesser des Lichtstrahles wird jedoch die Energiedichte im Verstärker­ teil des Resonators auf ein 25stel oder auf 4% derjenigen Energiedichte reduziert, die am Endspiegel 1 ansteht.

Im Gegensatz zu dem relativ lang bauenden Modenfilterteil 4 - im Vergleich zu herkömmlichen Resonatoren ist auch dieser Modenfilterteil immer noch kurz - ist der Verstärkerteil 3 des Resonators relativ gedrungen, weil dank des großen Durch­ messers D des Verstärkerteiles ein großes Volumen an laser­ aktivem Medium darin untergebracht werden kann, welches für die Leistung des erzeugten Laserstrahles verantwortlich ist. Je größer der Durchmesser, um so größer ist bei gegebener Länge l _a des Verstärkerraumes die erzeugbare Leistung oder - bei vorgegebener Leistung - nimmt mit zunehmendem Durch­ messer die spezifische Strahlbelastung der transmissiven optischen Elemente im Verstärkerteil ab. Es sei an dieser Stelle der Vollständigkeit halber noch angemerkt, daß die spezifische Strahlbelastung der Linse 5 höher ist, als die des Auskoppelfensters 2, weil nur ein Bruchteil derjenigen Lichtenergie durch das Auskoppelfenster austritt im Ver­ gleich zu der Leistung des Lichtes, die innerhalb des Resona­ tors hin und her reflektiert wird und die Linse 5 durchtritt. Entsprechend dem Reflexionsgrad des teilreflektierenden Spiegels, den das Auskoppelfenster darstellt, ist also die spezifische Strahlbelastung der Linse 5 höher. Bei einem Reflexionsgrad von 75% am Auskoppelfenster 2 ist die spezifische Belastung an der Linse 5 aufgrund der Durch­ strahlung viermal so hoch wie am Auskoppelfenster, weil bei 25% Durchlässigkeit Energie im Verhältnis 1:4 ausge­ koppelt wird.

Die Resonatordarstellung nach Fig. 2 ist zwar auch noch recht schematisch, zeigt jedoch etwas mehr Einzelheiten als die Darstellung nach Fig. 1. Vor allen Dingen sind bei dieser Ausführungsform - vom Auskoppelfenster 2 abgesehen - nur reflektiv arbeitende optische Elemente innerhalb des Resonators vorgesehen, die dank einer intensiven Kühlmög­ lichkeit thermisch hoch belastbar sind.

Der Verstärkerteil 3 dieses Resonators besteht im wesent­ lichen aus einem Verstärkerrohr 21, welches nach außen hin durch das Auskoppelfenster 2 abgeschlossen ist; im Bereich des Anfangs und des Endes des Rohres ist ein Kranz von Elek­ troden 15 am Rohrumfang angebracht, die an eine Hochspannungs­ quelle 16 angeschlossen sind. Außerhalb der Elektroden sind Anschlüsse am Verstärkerrohr angebracht, über die das laser­ aktive Medium, z.B. Kohledioxydgas mittels der Umwälzpumpe 17 der Länge nach durch das Verstärkerrohr hindurch gepumpt werden und durch einen Wärmetauscher 18 gefördert werden kann. Dort kann über äußere Kühlwasser-Zu- und Ablaufleitungen 20 die im Verstärkerrohr aufgenommene Verlustwärme nach außen abgeführt werden. Der Vollständigkeit halber sei noch er­ wähnt, daß noch weitere Mittel zum Evakuieren des Kreislauf­ systemes und des gesamten Resonators und zum Einspeisen von Kohlendioxydgas als Peripheriegeräte vorgesehen sind, was je­ doch nicht dargestellt ist.

Der Modenfilterteil des Resonators beginnt mit einem am Ende des Verstärkerrohres 21 angebrachten konvergierenden Spiegel 7, der als Parabolspiegel ausgebildet ist und den Strahl um 90° gegenüber der Achse des Verstärkerrohres ab­ lenkt. Selbstverständlich ist der Spiegel so groß bemessen, daß er die gesamte Querschnittsfläche (Durchmesser D) des im Verstärkerteil des Resonators anstehenden Lichtstrahles er­ faßt. Aufgrund der relativ großen Strahlabmessung ist die Energiebelastung dieses Spiegels relativ gering; trotzdem ist er als wasser-kühlbarer Spiegel mit einer rückseitig angebrachten Kühlwasserkammer 22 ausgebildet. Der konvergierende Strahl ist auf einen weiteren, divergierend wirkenden Spie­ gel 8 gerichtet, der das konische Lichtbündel in einen paral­ lelen Lichtstrahl mit dem Durchmesser d umwandelt und gleich­ zeitig parallel zum Verstärkerrohr 21 umlenkt. Aufgrund des geringen Strahldurchmessers ist die spezifische Strahlbe­ lastung dieses Spiegels hoch, weshalb dieser Spiegel unbe­ dingt durch Wasser intensiv gekühlt werden muß und eben­ falls mit einem Wasserkühlraum 22 versehen ist. Auch der zweite, divergierend wirkende Spiegel 8 ist als Parabolspie­ gel ausgebildet, allerdings mit einer konvexen Spiegelober­ fläche. Dieser Parabolspiegel ist ebenfalls so angeordnet, daß die Parallellage des letzten Strahlteiles zum Verstärker­ rohr 21 erreicht wird. Der Endspiegel 1′ ist ebenfalls ther­ misch hoch belastet und als kühlbarer Spiegel mit Wasserkühl­ raum 22 ausgebildet. Die Kühlräume 22 der Spiegel sind an einen Kühlwasserkreislauf mit Kühlwasservorlauf 23 und Kühl­ wasserrücklauf 24 sowie einem Wärmetauscher 19 angeschlossen, der wärmeabgabeseitig ebenfalls an den Kühlwasser-Zu- und Ab­ lauf 20 angeschlossen ist. Über den Wärmetauscher 19 wird die Verlustwärme der Spiegel nach außen abgeführt.

Bei der Darstellung nach Fig. 2 ist der Endspiegel 1′ als konkaver Spiegel dargestellt, was jedoch ebenfalls über­ trieben gezeichnet ist; damit soll lediglich - wie im Zu­ sammenhang mit dem Endspiegel 1 des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 erläutert - eine Einflußnahmemöglichkeit auf die wellennatur-bedingte Strahlaufweitung angedeutet werden.

Für die Modenfilterwirkung des Modenfilterteiles des Reso­ nators nach Fig. 2 ist neben dem Durchmesser d des Licht­ strahles im letzten Teil des Modenfilterteiles vor allen Dingen die Strahllänge L, also der Abstand des divergierenden Spiegels 8 vom Endspiegel 1′ maßgebend. Unter Beachtung die­ ser Größen wird für den Modenfilterteil eine Fresnel-Zahl nahe bei 1 angestrebt. Demgegenüber wird für den auf den Ver­ stärkerteil 3 beschränkten Strahlanteil eine höhere Fresnel- Zahl angestrebt, um eine geringere Energiedichte beim Durch­ tritt des Strahles durch das Auskoppelfenster 2 zu bekommen und um ein hohes aktives Volumen im Resonator unterbringen zu können. Für die Auslegung auf eine bestimmte Fresnel-Zahl ist hier neben dem Strahldurchmesser D vor allen Dingen der Abstand der spiegelnden Oberfläche des Auskoppelfensters 2 von dem konvergierend wirkenden Spiegel 7, also das Maß l maßgebend.

Nachfolgend soll anhand eines Zahlenbeispieles eine Abschät­ zung der thermischen Belastung der einzelnen optischen Ele­ mente und eine Größenabschätzung bisher kritischer Baumaße des Resonators vorgenommen werden. Hierzu seien zunächst einige Annahmen getroffen: Die Austrittsleistung des Reso­ nators soll bei einem Auskoppelungsgrad von 50% 5 kW be­ tragen; außerdem sei angenommen, daß der Strahldurchmesser im letzten Teil des Modenfilterteiles des Resonators 10 mm betrage und daß der Strahldurchmesser im Verstärkerteil des Resonators 50 mm betrage. Unter Zugrundelegung dieser ange­ nommenen Zahlenwerte ergibt sich für den Modenfilterteil eine Strahllänge von 2,5 m, wenn auf eine Fresnel-Zahl von 1 ausgelegt wird. Die mittlere Strahlleistung im Innern des Resonators beträgt unter der getroffenen Annahme 10 kW was eine spezifische Strahlbelastung von etwa 125 Watt pro mm² Spiegelfläche des Endspiegels bzw. des divergierenden Spiegels bedeutet; diese Belastungswerte sind bei flüssigkeitskühlbaren Spie­ geln ohne weiteres erträglich. Bei einem Absorbtionsver­ lust von maximal 0,5% an den Spiegeln muß je Spiegel eine Verlustleistung von 50 Watt abgeführt werden, was auch bei kleinen Spiegeln ohne weiteres möglich ist.

Eine gewisse Abwandlung des Resonators nach Fig. 2 ist in Fig. 4 dargestellt. Und zwar ist bei dem dort gezeigten Resonator die Funktion des divergierenden Spiegels mit in den Endspiegel 1′′ hineinkonstruiert, der eine konvexe Spiegeloberfläche aufweist. Der Umlenkspiegel 11 ist als Planspiegel ausgeführt, der lediglich die Funktion hat, das konische Lichtstrahlenbündel von dem konvergierenden Spiegel 9 mit relativ langer Brennweite parallel in Richtung zum Endspiegel 1′′ hin abzuwinkeln. Für die Fresnel-Zahl-Be­ rechnung des Modenfilterteiles dieses Resonators muß in die entsprechende Gleichung das Produkt aus der Hälfte des klei­ nen Strahldurchmessers d und der Hälfte des großen Strahl­ durchmessers D eingesetzt werden. Zwar ergibt sich durch die konische Ausbildung des Strahles im Modenfilterteil eine größere Länge, um eine Fresnel-Zahl von beispielsweise 1 erreichen zu können, jedoch ist nur ein einziger Spiegel, nämlich der Endspiegel 1′′ im Resonator vorhanden, der sehr hoch thermisch belastet ist. Außerdem hat die Zwischenschal­ tung eines Umlenkspiegels 11 den Vorteil, daß dieser zum Herauskorrigieren eines Astigmatismus ausgenutzt werden kann. Und zwar können abweichend von der teureren parabolischen Gestaltung der Spiegel 9 und 1′′ diese auch als Kugelspiegel ausgebildet werden; der dabei sich einstellende Astigmatismus kann durch eine zylindrische Gestaltung des Umlenkspiegels 11 herauskorrigiert werden. Kugelspiegel sind heute wesentlich billiger erhältlich als Parabolspiegel.

Die Ausführung des Resonators nach Fig. 3 verwendet - ebenso wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 - para­ bolisch gestaltete Spiegel 7 und 8, die ebenfalls wasser­ kühlbar sind. Der wesentliche Unterschied des Ausführungs­ beispieles nach Fig. 3 gegenüber den bereits geschilderten Ausführungsbeispielen ist der, daß die Ablenkwinkel an den Spiegeln 7 und 8 kleiner als 90° sind, was mit geringeren Einstellungs- und Justageschwierigkeiten und mit geringerer Qualitätseinbuße als bei einer 90° Umlenkung realisierbar ist. Auffallend hierbei ist, daß der divergierend wirkende Spiegel 8 von dem konvergierenden Spiegel 7 etwa genauso weit entfernt ist, wie der Endspiegel 1′ von dem divergierend wirkenden Spiegel 8. Diese relativ große Länge des konischen Strahlteiles kommt dem Modenfilterteil des Resonators auch schon zugute; und zwar ist die Modenfilterwirkung dieses konischen Strahles im Vergleich zu derjenigen Modenfilter­ wirkung, die im Bereich des parallelen Strahles erreicht wird, um den Faktor des Durchmesserverhältnisses der Strahlen am großen und kleinen Ende des konischen Strahlteiles kleiner. Bei einem Durchmesserverhältnis von 1:5 ist also die Moden­ filterwirkung im konischen Strahlteil etwa nur 20% von der Modenfilterwirkung im parallelen Strahlengang.

In Fig. 5 ist eine weitere Abwandlung des Modenfilterteiles des Resonators dargestellt; und zwar ist dort die bereits im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 an­ gesprochene Möglichkeit des Herauskorrigierens eines Astig­ matismus mittels eines Zylinderspiegels erwähnt. Am Ende des Verstärkerteiles 3 bzw. des Verstärkerrohres 21 ist ein ebener Umlenkspiegel 11 vorgesehen, der den relativ großflächigen, aus dem Verstärkerteil in den Modenfilter­ teil übertretenden Strahl zu dem konvergierend wirkenden Spiegel 12 mit kugelförmiger Spiegeloberfläche umlenkt.

Von dort wird der Strahl etwa parallel zum Verstärker­ rohr 21 in Richtung zu dem Zylinderspiegel 14 umgelenkt, der so eingestellt ist, daß der bei der Umlenkung an dem Kugelspiegel 12 auftretende Astigmatismus wieder heraus­ korrigiert wird. Der Zylinderspiegel 14 lenkt den Licht­ strahl in Richtung zum divergierend wirkenden Spiegel 13 weiter, auf den der konische Lichtstrahl mit einem Durch­ messer d auftrifft. Durch diesen Spiegel 13 wird der Licht­ strahl schließlich als paralleles Lichtbündel mit einem Ver­ lauf etwa parallel zu dem Verstärkerrohr 21 zu dem End­ spiegel 1′ hin geleitet. Auch der divergierende Spiegel 13 ist als Kugelspiegel ausgebildet; auch der dadurch auftre­ tende Astigmatismus kann durch den Zylinderspiegel 14 heraus­ korrigiert werden. Zwar ist der Aufwand bei dem in Fig. 5 dargestellten Modenfilterteil des Resonators mit insgesamt 5 Spiegeln relativ groß; jedoch erscheint dieser Aufwand auf­ grund der Verwendungsmöglichkeit von den billiger und genau herstellbaren Kugelspiegeln vertretbar.

Dank der erfindungsgemäßen Unterteilung der Resonatoren in Verstärkerteil mit relativ geringer Energiedichte und großem Strahldurchmesser einerseits und in Modenfilterteil mit geringem Strahlquerschnitt und dadurch erzielbarer kleiner Fresnel-Zahl bei kurzer Baulänge andererseits wird den stabil arbeitenden Resonatoren ein Leistungsgebiet erschlossen, welches diesem Resonatortyp aufgrund der hohen thermischen Belastung des Auskoppelfensters bisher verwehrt war. Bekannte stabil ar­ beitende Resonatoren konnten bei guter Strahlqualität bis­ her maximal etwa bis 1,5 kW betrieben bzw. ausgelegt werden; bei höheren Leistungen wurde entweder die thermische Be­ lastung des Auskoppelfensters zu hoch oder es traten in dem erzeugten Laserstrahl höhergradige Moden auf mit der Folge, daß der Strahl sich nicht so eng fokussieren ließ wie ein qualitativ hochwertiger Laserstrahl, der hauptsächlich nur die Grundmode mit Gauß′scher Energieverteilung enthält.

Angestrebt ist, den austretenden Lichtstrahl auf einen möglichst kleinen Punkt fokussieren und die Austritts­ energie auf einen möglichst kleinen Punkt konzentrieren zu können. Je kleiner dieser Punkt ist, um so besser ist das Arbeitsergebnis beim Schweißen oder beim Schneiden. Zwar ist mit kurzbrennweitigen Objektiven eine engere Fokussierung möglich als mit langbrennweitigen Objektiven, jedoch wird angestrebt, die Fokussierung mit einem möglichst langbrennweitigen Objektiv vorzunehmen, weil beim Arbeits­ einsatz des Laserstrahles vom Fokussierpunkt Metallspritzer in Strahlrichtung zu dem Objektiv zurückspritzen und dieses beschädigen. Je länger die Brennweite des Objektives ist, um so weiter kann es vom Arbeitspunkt bzw. Brennpunkt ent­ fernt sein und um so unwahrscheinlicher ist es, daß ein Metallspritzer zu dem Objektiv gelangt.

Dank der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der stabilen Re­ sonatoren können nicht nur hochwertige Strahlen, die nur noch die Grundmode enthalten und die sich sehr gut fokus­ sieren lassen, erzeugt werden, sondern es können - wie ge­ sagt - auch Strahlleistungen erreicht werden, die bei der erwähnten Strahlqualität bisher nicht erreichbar waren. Selbst unter der Verwendung langbrennweitiger Objektive, bei denen naturgesetzlich eine nur beschränkte Fokussierung möglich ist, können aufgrund hoher Strahlleistungen ent­ sprechende Energiedichten produziert werden, mit denen ein einwandfreies Schweißergebnis erzielbar ist. Ein mittelbarer Vorteil der Erfindung ist nicht nur eine längere Lebensdauer der Fokussierobjektive dank der Verwendungsmöglichkeit lang­ brennweitiger Objektive, sondern auch ein gutes Arbeitser­ gebnis aufgrund der insgesamt höheren Strahlleistung. Dadurch können Werkstückquerschnitte verschweißt werden, die auf­ grund ihrer Größe bisher noch nicht einer Laserschweißung zugänglich waren.

Claims (9)

1. Optisch stabiler Resonator zur Erzeugung eines Laser­ strahles, mit einem am einen Ende des Resonators angeord­ neten, das Licht voll reflektierenden Endspiegel und mit einem am anderen Ende des Resonators angeordneten, als teilreflektierender Spiegel ausgebildeten Auskoppelfenster, ferner mit einem vom Licht mehrfach in entgegengesetzter Richtung gleichachsig durchstrahlten, mit Verstärkungsener­ gie speisbaren, laseraktivem Medium, dadurch gekennzeichnet, daß im Resonator wenigstens ein gesondertes optisches Ele­ ment, (5, 7, 9, 12) angeordnet ist, welches den in Richtung zum Endspiegel (1, 1′, 1′′) verlaufenden Lichtstrahl konver­ giert, derart, daß der auf den Endspiegel (1, 1′, 1′′) auf­ treffende Strahl im Durchmesser (d) wesentlich kleiner ist, als der Durchmesser (D) des aus dem Auskoppelfenster (2) austretenden Lichtstrahles und daß im Resonator wenigstens ein weiteres optisches Element (6, 8, 10, 13) angeordnet oder funktionell mit dem Endspiegel (1′′) integriert ist, welches den in Richtung zum Auskoppelfenster (2) verlaufen­ den Lichtstrahl entsprechend dem Ausmaß der Konvergenz des entgegenlaufenden Lichtstrahles divergiert.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das konvergierend wirkende optische Element (5, 7, 9, 12) zwischen dem aktiven Medium - außerhalb von diesem - und dem Endspiegel (1, 1′, 1′′) angeordnet ist.

3. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch das divergierend wirkende optische Element (6, 8, 10, 13) gegenüber dem Endspiegel (1, 1′, 1′′) gesondert ausge­ bildet und optisch möglichst nahe an dem konvergierend wir­ kenden Element (5, 7, 9, 12) und möglichst weit weg vom End­ spiegel (1, 1′, 1′′), jedoch im Strahlengang zwischen den beiden letztgenannten angeordnet ist.

4. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Strahlrichtung gemessene, für die Beugungsver­ luste maßgebliche Länge (l) des Verstärkerteiles (3) des Resonators und der Durchmesser (D) des Lichtstrahles inner­ halb davon so ausgelegt sind, daß für den auf den Verstär­ kerteil (3) beschränkten Strahlanteil sich eine Fresnel-Zahl von über 1, vorzugsweise von über 10 ergibt und daß der zwi­ schen dem divergierenden Element (6, 8 oder 13 gemäß Aus­ führungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 oder 5) bzw. dem konver­ gierenden optischen Element (9 gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 4) und dem Endspiegel (1, 1′, 1′′) befindliche Strahl hinsichtlich Lauflänge (L) und Durchmesser (d) so ausgelegt ist, daß sich isoliert für diesen Strahlanteil eine Fresnel-Zahl von unter 5, vorzugsweise von unter 1,5 ergibt.

5. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die konvergierenden und divergierenden optischen Elemente als kühlbare (Kühlräume 22) Spiegel ausgebildet sind.

6. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dessen Strahlengang raumsparend über Umlenkspiegel geknickt angeordnet ist.

7. Resonator nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die der raumsparenden Abwinklung des Strahlenganges dienenden Umlenkspiegel zugleich auch als konvergierende bzw. divergierende Spiegel ausgebildet sind.

8. Resonator nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkwinkel der konvergierenden bzw. divergierenden Spiegel kleiner als 90° sind.

9. Resonator nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die konvergierenden und divergierenden Spiegel (12, 13) mit kugelförmiger Spiegeloberfläche ausgebildet sind und daß zwischen beiden eine Umlenkung des Strahles über einen Spiegel (14) mit zylindrischer Spiegeloberfläche erfolgt (Fig. 5).