DE3613088C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erhöhung der Querschnitts­ leistungsdichte eines Laserstrahls nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei einem Hochenergie-Gaslaser wird ein konfokaler, instabiler Resonator eingesetzt, um ein möglichst großes angeregtes Gasvolumen ausnutzen zu können. Dadurch erhält der Laserstrahl im Querschnitt eine Intensitäts­ verteilung, bei der ein Ring hoher Intensität ein strahlungsfreies Zentrum umgibt. Im Querschnitt des Laserstrahls ist somit keine Gaußverteilung gegeben, die an sich für die Fokussierung des Laserstrahls erwünscht ist.

In der DE-OS 35 04 366 ist ein optisches System zur Aufweitung eines kreisringförmigen Strahls beschrieben. Es liegt hier ein Reflektor mit einer konischen Fläche innerhalb des kreisringförmigen Strahls. Ein weiterer Reflektor mit einer weiteren konischen Fläche umschließt den ersten Re­ flektor. Um die beiden Reflektoren aneinander festlegen zu können, sind Bauteile nötig, die notwendigerweise den Strahlengang unterbrechen. Dies reduziert die Gesamtleistung des Laserstrahls.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit der sich ein im Querschnitt ringförmiger Laser­ strahl mit Hilfe von Reflektoren verengen läßt, ohne daß Halteeinrichtungen für die Reflektoren den Strahlengang unterbrechen.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Durch die Einrichtung wird das strahlungsfreie Zentrum des ausge­ koppelten Laserstrals entscheidend verkleinert. Die Intensitätsmaxima des Ringquerschnitts rücken zusammen, so daß annähernd eine Gauß­ verteilung der Intensität des Laserstrahls, über seinem Querschnitt betrachtet, erreicht ist.

Die beschriebene Einrichtung kann ausschließlich mit reflektierenden Bauteilen arbeiten. Es sind dann durchstrahlte Bauteile nicht nötig, was insbesondere bei einem Hochenergie-Laserstrahl günstig ist.

Während sich auch mit dem dritten Reflektor allein eine Verengung des ringförmigen Laserstrahls erreichen ließe, die aber die energie­ reiche Innenseite der ringförmigen Intensitätsverteilung nach außen kehrt, ergibt sich mit der beanspruchten Anordnung der Reflektoren ein zweifaches Austauschen von Innen- und Außenseite und somit eine naturgetreue Wiedergabe.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbei­ spiels.

Die Figur zeigt eine Einrichtung zur Erhöhung der Querschnittsleistungsdichte eines ringförmigen Laserstrahls im Schnitt schematisch.

In einem Trägerkörper 1 ist ein erster Reflektor 2 eingesetzt. Dieser weist eine kegelförmige Reflexionsoberfläche 3 und eine diese um­ schließende kegelstumpfförmige Reflexionsoberfläche 4 auf. Die Kegel­ winkel betragen jeweils 45° zur Strahleinfallrichtung E.

Dem ersten Reflektor 2 gegenüber ist im Trägerkörper 1 ein zweiter Reflektor 5 angeordnet, der im Winkel von 45° zur Strahleinfall­ richtung E steht. Der zweite Reflektor 5 ist mit einer Mittendurch­ brechung 6 versehen.

Im Träger 1 ist ein dritter Reflektor 7, um 90° versetzt zum ersten Reflektor 2, angeordnet. Der dritte Reflektor 7 weist eine kegel­ förmige Reflexionsoberfläche 8 und eine diese umgebende kegelstumpf­ förmige Reflexionsoberfläche 9 auf. Auch hier betragen die Kegelwinkel 45°.

Da alle drei Reflektoren 2, 5 und 7 am gleichen Trägerkörper 1 ange­ ordnet sind, ist ihre lagerichtige Justierung einfach.

Tritt in Strahleneinfallrichtung E ein ringförmiger Laserstrahl Se mit einem Außendurchmesser Ea und einem Innendurchmesser Ei durch die Mittendurchbrechung 6 ein, dann trifft er auf die Reflexions­ oberfläche 3. Er wird von dort auf die Reflexionsoberfläche 4 ge­ spiegelt und von hier als ringförmig aufgeweiteter Laserstrahl Sg mit dem Außendurchmesser Ga und dem Innendurchmesser Gi in Gegenrichtung zur Strahleneinfallrichtung E auf die plane Reflexionsoberfläche 10 des zweiten Reflektors 5 gelenkt. Die Mittendurchbrechung 6 ist so bemessen, daß zwar der anfallende Laserstrahl Se über seinen gesamten Querschnitt eintreten kann, jedoch der aufgeweitete Laser­ strahl Sg nicht austritt.

Der von der Reflexionsoberfläche 10 ausgelenkte Laserstrahl Sa trifft auf die Reflexionsoberfläche 9 und wird von dort auf die Reflexions­ oberfläche 8 gespiegelt. An der Reflexionsoberfläche 8 entsteht der verengte Laserstrahl Sv mit dem Außendurchmesser Va und dem Innendurchmesser Vi. Der verengte Laserstrahl Sv verläßt die Einrichtung durch die Mittendurchbrechung 6 in Strahlausfallrichtung A.

Wie der Figur zu entnehmen, ist der Außendurchmesser Va wesentlich kleiner als der Außendurchmesser Ea. Insbesondere ist der Innendurch­ messer Vi wesentlich kleiner als der Innendurchmesser Ei. Der Innen­ durchmesser Vi geht gegen Null. Er ist in der Figur nur zur Verdeut­ lichung angegeben.

Die Verengung der Laserstrahlen beruht konstruktiv darauf, daß der breitausgelenkte Laserstrahl Sa in der Umgebung der Spitze der Re­ flexionsoberfläche 8 auftrifft.

Durch die beschriebene Einrichtung wird einerseits die Leistungs­ dichte des Laserstrahls erhöht, da die Querschnittsfläche des aus­ fallenden Laserstrahls Sa mit dem Durchmesser Va wesentlich kleiner ist als die Querschnittsfläche des einfallenden Laserstrahls Se mit dem Durchmesser Ea. Außerdem wird das strahlungsfreie Zentrum mit dem Durchmesser Ei praktisch beseitigt, so daß annähernd mit einer Gauß'schen Verteilung der Strahlungsintensität beim verengten Laserstrahl Sv zu rechnen ist.

Wird am dritten Reflektor 7 die innere, kegelförmige Reflexions­ oberfläche 8 gegenüber der äußeren Reflexionsoberfläche 9 in Strahl­ ausfallrichtung A justierbar gemacht (beispielsweise indem der Re­ flektor 7 an der in der Figur strichliert dargestellten Linie geteilt wird), dann ist eine nachträgliche Justierung der Strahlverengung möglich. Entsprechendes gilt für den Reflektor 2.

Günstig ist auch, daß die Länge des optischen Weges des aufgeweiteten Laserlichtbündels (Sg, Sa) zwischen dem ersten Reflektor 2 und dem dritten Reflektor 7 für alle Strahlen des Laserbündels (Sg, Sa) gleich ist, so daß Phasenverschiebungen nicht auftreten.

Im Rahmen der Erfindung liegen zahlreiche weitere Ausführungsbeispiele. So ist es beispielsweise möglich, die Kegelwinkel zu variieren, um unterschiedliche Breiten der ringförmigen Intensitätsverteilung zu erhalten.

Claims (5)

1. Einrichtung zur Erhöhung der Querschnittsleistungsdichte eines Laserstrahls, welcher nach dem Auskoppeln eine im Querschnitt ringförmige Intensitätsverteilung um ein strahlungsfreies Zentrum aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung besteht aus der Kombination

• a) eines ersten Reflektors (2), welcher zur Symmetrielinie des einfallenden Laserlichtbündels (Se) senkrecht liegt und rotationssymmetrisch mit einem W-förmigen Meridionalschnitt derart ausgeführt ist, daß das einfallende, im Querschnitt ringförmige Laserlichtbündel (Se) durch eine erste Reflexion an dem mittleren Kegelteil (3) dieses ersten Reflektors (2) und durch eine nachfolgende zweite Reflexion an dessen äußerem kegelstumpfförmigen Kegelmantel (4) aufgeweitet und entgegen der Einfallsrichtung (E) des einfallenden Laserlichtbündels (Se) reflektiert wird,
• b) eines zweiten, planen Reflektors (5), welcher mit einer Mittendurchbrechung (6) ausgeführt ist, welcher gegenüber der Symmetrielinie des einfallenden Laser­ lichtbündels (Se) geneigt und vor dem ersten Reflektor (2) derart angebracht ist, daß das einfallende Laserlichtbündel (Se) durch die Mittendurchbrechung (6) dieses zweiten Re­ flektors (5) hindurch auf den ersten Reflektor (2) fällt, während das von dem ersten Reflektor (2) herrührende, aufge­ weitete Laserlichtbündel (Sg) von dem zweiten Reflektor (5) außerhalb der Mittendurchbrechung (6) reflektiert und somit ausgelenkt wird,
• c) eines dritten Reflektors (7), welcher das von dem zweiten Reflektor (5) herrührende, aufge­ weitete Laserlichtbündel (Sa) reflektiert, welcher zur Symmetrie­ linie dieses Lichtbündels (Sa) senkrecht liegt und rotations­ symmetrisch mit einem W-förmigen Meridionalschnitt derart ausgeführt ist, daß dieses Lichtbündel (Sa) durch eine erste Reflexion am äußeren kegelstumpfförmigen Kegelmantel (9) dieses dritten Reflektors (7) und durch eine nachfolgende zweite Reflexion an dessen mittlerem Kegelteil (8) verengt und entgegen der Einfallsrichtung reflektiert wird und durch die Mittendurchbrechung (6) des zweiten Reflektors (5) die Einrichtung verläßt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (Va) des verengten, die Einrichtung verlassenden Laserlichtbündels (Sv) kleiner ist, als der Innen­ durchmesser (Ei) des einfallenden, im Querschnitt ringförmigen Laserlichtbündels (Se).

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite, ringförmige Reflektor (5) im Winkel von 45° gegenüber der Symmetrielinie des einfallenden Laserlichtbündels (Se) geneigt angeordnet ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle drei Reflektoren (2, 5, 7) an einem gemeinsamen Tragkörper (1) befestigt sind.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Kegelteil (3, 7) des ersten (2) und/oder des dritten (7) Reflektors gegenüber dem jeweiligen äußeren, kegel­ stumpfförmigen Kegelmantel (4, 9) in Strahlausfallrichtung ver­ schiebbar ausgebildet ist, um eine Justierung der Aufweitung und/oder der Verengung des reflektierenden Laserlichtbündels (Sg, Sv) zu ermöglichen.