DE3638678A1

DE3638678A1 - Lasersystem

Info

Publication number: DE3638678A1
Application number: DE19863638678
Authority: DE
Inventors: Bruce E Perilloux; Dennis G Fischer
Original assignee: Coherent Inc
Current assignee: Coherent Inc
Priority date: 1985-07-11
Filing date: 1986-07-11
Publication date: 1987-04-16
Also published as: DE3623512A1; GB2177814B; JPS6225701A; GB2177814A; GB8616694D0

Description

Die Erfindung betrifft Lasersysteme; insbesondere solche mit Reflektoren und die Bewahrung der Polarisation in solchen Lasersystemen.

In bekannten Lasersystemen sind unweigerlich Reflektoren vorgesehen, um die Richtung und einige der Polarisationseigenschaften einer üblicherweise monochromatischen, von einer Laserquelle ausgehenden Strahlung zu steuern. Reflektoren dafür sind bekannt, und ein solcher bekannter Reflektor ist in Fig. 1A gezeigt. Dieser Reflektor trägt optische Dünnfilmschichten zum Verbessern des Reflexionsvermögens oder Reflexionsgrades und/oder der Polarisation eines einfallenden Lichtstrahls. Ferner ist der Reflektor zur Benutzung mit einem Strahl von bestimmter Wellenlänge ausgelegt. Im einzelnen weist der Reflektor ein Substrat auf, auf dem eine stark reflektierende, metallische Schicht, z. B. Silber oder Aluminium niedergeschlagen ist. Auf der metallischen Schicht ist insgesamt ein optischer Belag in Form eines Dünnfilms aufgetragen, um den Reflektor vor Gefahren aus der Umgebung, wie Feuchtigkeit, Verkratzungen usw. zu schützen. Die Anordnung eines solchen dünnen, transparenten, dielektrischen Films trägt bei zu der Bezeichnung "geschützter Silberreflektor".

Der geschützte Silberreflektor hat eine ihm innewohnende Eigenschaft, daß nämlich die relative Phase oder der Phasenunterschied zwischen linearen "p"- und "s"-Polarisationen eines einfallenden Strahls während jeder Reflexion um 4 bis 6° verschoben wird. Eine solche Phasenverschiebung oder Verzögerung ist im allgemeinen hinzunehmen, wenn insgesamt drei oder weniger Reflexionen in einer solchen Laseranlage erforderlich sind. Wenn jedoch für die Anlage mehrere Reflektoren benötigt werden, ändert sich die Polarisation des Strahls so stark, daß der entstehende Strahl unerwünscht ist. Ein Beispiel für ein solches Laserzustellsystem mit mehrfacher Reflexion ist in Fig. 3 gezeigt, bei dem acht Reflektoren benutzt sind. Wenn das in Fig. 3 gezeigte Lasersystem zu Arbeiten benutzt werden soll, wie dem Schneiden oder Bearbeiten eines dicken Metallstücks zu einer bestimmten Gestalt, insbesondere wenn dabei entweder das Werkstück oder der Laserzustellarm gehandhabt werden muß, ist die Qualität des Schnitts an unterschiedlichen Stellen des Schnitts unterschiedlich, weil der Schnitt von der Polarisation des Laserstrahls abhängt. Das ist bei Schneidarbeiten mit Laser eine wohl bekannte Erscheinung.

Um den Reflexionsgrad oder Prozentsatz des von einem geschützten Silberreflektor, wie dem in Fig. 1A gezeigten reflektierten Lichts zu steigern, wird ein anderer bekannter Reflektor, wie der in Fig. 2A gezeigte benutzt. Der in Fig. 2A dargestellte Reflektor weist gleichfalls ein Substrat auf, auf dem ein stark reflektierendes Metall niedergeschlagen ist. Statt nur einer dielektrischen Schicht sind jedoch mehrere abwechselnde Schichten dielektrischer Dünnfilme niedergeschlagen, wobei das Material der einen Art des dielektrischen Dünnfilms ein Material mit hoher Lichtbrechzahl, wie Ge oder TiO₂ ist, während das andere ein Material mit niedrigem Brechungsindex ist, beispielsweise SiO₂, ZnS oder ThF₄. Jede dieser Schichten in Form dünner Filme hat eine optische Dicke von einer Viertelwelle bei der Wellenlänge des Laserlichtes, was zu der Bezeichnung "λ/4-System (Quarter Wave Stack)" beiträgt. Diese Art von Reflektor wird auch insgesamt als "verbesserter Silberreflektor" bezeichnet, und ein Beispiel dafür geht aus US-PS 43 79 622 hervor. Verbesserte Silberreflektoren sollen durch die Ausnutzung von Viertelwellen bei abwechselnden Werkstoffen mit hohem und niedrigem Brechnungsindex einen höheren Reflexionsgrad ergeben als die geschützten Silberreflektoren. Außerdem können verbesserte Silberreflektoren die einfallende Polarisation erhalten oder bewahren, wenn der Inzidenzwinkel des Lichtstrahls weniger als ca. 40° beträgt. Dieses Merkmal wurde jedoch bisher weder erkannt noch gesucht. Wenn die Dicken der Schichten nicht korrekt abgestimmt sind, d. h. wenn sie nicht auf die zentrale Wellenlänge des Strahls abgestimmt sind, kommt es außerdem zu einem unbestimmten Phasenverschiebungsunterschied. Diese Schwäche ist ähnlich der der geschützten Silberreflektoren.

Wenn Reflektoren gemäß dem Stand der Technik in Systemen wie dem in Fig. 3 gezeigten benutzt werden, sind sie so angeordnet, daß der Einfallswinkel des Laserstrahls 45° beträgt. Obwohl die Eingrenzung des Inzidenzwinkels aller Reflektoren auf 45° mechanische Schwierigkeiten bei der Ausrichtung des Strahls eliminiert, erhöht sich dadurch die Zahl der benötigten Reflektoren und der Energieverlust im Laserzustellsystem. Deshalb ist eine solche Einschränkung unerwünscht.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen die Polarisation bewahrenden Reflektor zu schaffen, der die Polarisation eines beliebigen einfallenden Strahls beibehalten kann. Insbesondere soll ein Reflektor geschaffen werden, der gegenüber dem Einfallwinkel von einer monochromatischen Lichtquelle unempfindlich ist. Speziell soll ein die Polarisation bewahrender Reflektor geschaffen werden, der einen Laserstrahl bündeln oder kollimieren kann. Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ein die Polarisation bewahrender Reflektor geschaffen, der einen einfallenden Strahl monochromatischer Strahlung mit einer Polarisationskonfiguration und einem Einfallswinkel spiegelt. Der die Polarisation bewahrende Reflektor weist ein Substrat, eine dem Substrat benachbart angeordnete, stark reflektierende Schicht sowie mindestens zwei optische Dünnfilmschichten auf, von denen eine der stark reflektierenden Schicht benachbart angeordnet ist und eine einen hohen Brechungsindex und eine andere einen niedrigen Brechungsindex hat, um die einfallende Polarisationskonfiguration zu bewahren und gleichzeitig bei der Spiegelung des Strahls einen hohen Reflexionsgrad für einen weiten Bereich des Inzidenzwinkels von ca. 40° bis 75° zu ergeben.

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

Fig. 1A eine vereinfachte, schematische Ansicht eines bekannten Reflektors mit optischen Dünnschichten;

Fig. 1B eine graphische Darstellung der Phasenverschiebung beim Reflektor gemäß Fig. 1A;

Fig. 1C eine graphische Darstellung des Reflexionsgrades des Reflektors gemäß Fig. 1A;

Fig. 2A eine vereinfachte, schematische Ansicht eines weiteren bekannten Reflektors mit optischen Dünnschichten;

Fig. 2B eine graphische Darstellung der Phasenverschiebung beim Reflektor gemäß Fig. 2A;

Fig. 2C eine graphische Darstellung des Reflexionsgrades des Reflektors gemäß Fig. 2A;

Fig. 3 eine vereinfachte, perspektivische Ansicht eines Laserzustellsystems;

Fig. 4A eine vergrößerte, schematische Schnittansicht eines die Polarisation bewahrenden Reflektors gemäß der Erfindung;

Fig. 4B eine graphische Darstellung zur Erläuterung der die Polarisation bewahrenden Eigenschaften des Polarisationsreflektors gemäß Fig. 4A;

Fig. 4C eine graphische Darstellung des Merkmals des Reflexionsgrades des die Polarisation bewahrenden Reflektors gemäß Fig. 4A;

Fig. 5 eine vereinfachte, schematische Ansicht eines Lasersystems mit dem die Polarisation bewahrenden Reflektor gemäß Fig. 4A-4C;

Fig. 6 einen vergrößerten Querschnitt und eine schematische Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des die Polarisation bewahrenden Reflektors gemäß Fig. 4A-4C: eines die Polarisation bewahrenden Reflektors, der winkelunempfindlich ist;

Fig. 7 eine vereinfachte, schematische Ansicht eines Lasersystems mit dem winkelunempfindlichen, die Polarisation bewahrenden Reflektor gemäß Fig. 6;

Fig. 8 ein anderes Ausführungsbeispiel der Reflektoren gemäß Fig. 4A-4C und 6: eines die Polarisation bewahrenden Reflektors, der geeignet ist, einen Laserstrahl zu bündeln;

Fig. 9 eine vereinfachte, schematische Ansicht eines Lasersystems mit dem fokussierenden, die Polarisation bewahrenden Reflektor gemäß Fig. 8.

In Fig. 1A ist ein bekannter Reflektor 12 gezeigt, der ein Substrat 14 aufweist, auf dem eine stark reflektierende Schicht 16 niedergeschlagen ist. Die reflektierende Schicht 16 besteht allgemein aus metallischem Werkstoff, wie Silber, Gold oder Aluminium. Auf der reflektierenden Schicht 16 ist zum Schutz derselben vor Beschädigungen durch die Umgebung, wie Feuchtigkeit oder Verkratzungen eine Schutzschicht 18 niedergeschlagen. Die Schutzschicht 18, allgemein aus einem transparenten, dielektrischen Werkstoff hat eine optische Dicke von ca. 0,8 einer Viertelwelle. Der Reflektor 12 ist allgemein geeignet, eine Reflexion von ca. 98,5% bei dem üblichen Winkel von 45° zu liefern.

Allerdings hat der Reflektor 12 von Natur aus insofern einen Nachteil, als er die Eigenschaft hat, relative Phasenunterschiede zwischen den einfallenden linearen und orthogonalen "p"- und "s"-Polarisationen eines Laserstrahls bei der Reflexion einzuführen. Ist z. B. der auftreffende Laserstrahl kollimiert, monochromatisch und zirkular polarisiert, d. h. beträgt der Unterschied in der Phasenverschiebung zwischen den linearen "p"- und "s"-Polarisationen 90°, dann reduziert der unter einem Inzidenzwinkel von 45° angeordnete Reflektor 12 den Phasenunterschied bei der Spiegelung um 4 bis 6°. Eine solche Änderung des Phasenunterschieds hat zur Folge, daß der reflektierte Strahl ein in unbestimmter Weise elliptisch polarisierter statt ein zirkular polarisierter Strahl wird. Wie aus Fig. 1B hervorgeht, bewirkt der Reflektor 12 einen Phasenverschiebungsunterschied bei der Reflexion von -45 und -90° bei Einfallswinkeln von 56 bzw. 70°.

Wenn in einer Anordnung, wie dem in Fig. 3 gezeigten Lasersystem mehrere Reflektoren 12 vorgesehen sind, weicht die Polarisation so stark von zirkularer Polarisation ab, daß der entstehende Strahl unerwünscht ist. Das in Fig. 3 gezeigte, mit 30 bezeichnete System weist eine Laserquelle 32, eine Vielzahl rohrförmiger Arme 34 und eine Fokussiervorrichtung 36 auf. Das System 30 arbeitet mit einer Vielzahl von Reflektoren 12, die insgesamt an den Verbindungsstellen zwischen rohrförmigen Armen 34 und an der Verbindungsstelle zwischen einem dieser Arme 34 und der Fokussiervorrichtung 36 angeordnet sind. Die Benutzung und Anordnung von Reflektoren 12 ist dem Fachmann bekannt.

Bei der Anwendung des Systems 30 wird ein roboterartiges Zustellarmsystem 38 benutzt, mit dem die Fokussiervorrichtung 36 über einem hier nicht gezeigten Werkstück in ihre Lage gebracht wird. Wenn das Zustellsystem 38 die Fokussiervorrichtung 36 zum Schneiden oder Bearbeiten des Werkstücks verfährt, beispielsweise zum Bohren eines Lochs oder zum Schneiden einer Linie, ist die Elliptizität des aus der Fokussiervorrichtung 36 austretenden Strahls größer als erwünscht. Da zur Erzielung des besten Schnitts die erforderliche Elliptizität Eins ist, haben Strahlen mit von der zirkularen Polarisation abweichenden Polarisationen höhere Elliptizitäten als Eins, und das bedeutet eine stärker elliptische Polarisation. Übersteigt die Elliptizität einen akzeptablen Wert von 1,15, dann verschlechtert sich die Qualität des Schnitts so, daß bei Anwendung des Systems 30 zum Bohren eines Lochs die Gestalt des Lochs elliptisch und nicht mehr kreisförmig würde. Oder wenn ein Kreis geschnitten werden sollte, wären die Schnittiefe und Schnittbreite um den Kreis herum unterschiedlich. Die Qualität des mit einem System 30 unter Verwendung von Reflektoren 12 erzeugten Schnitts ist also unerwünscht. Um Nachteile, wie die ungleichförmige Schnittiefe zu vermeiden, ist zusätzliche Arbeit nötig, entweder erneutes Positionieren des Werkstücks und neuerliches Schneiden mit dem Lasersystem 30 oder unter Verwendung anderer Werkzeuge.

Fig. 2A zeigt einen weiteren bekannten Reflektor 20, der dem Reflektor 12 insofern ähnelt, als ein Substrat 22 vorgesehen ist, auf welchem eine stark reflektierende, metallische Schicht 24 niedergeschlagen ist. Der Reflektor 20 weist ferner alternierende Dielektrikum-Schichten auf; Schichten 26 A und 28 A bestehen aus Werkstoffen mit niedrigem Brechungsindex, wie SiO₂, ZnS, ThF₄, während Schichten 26 B und 28 B aus Werkstoffen bestehen, die einen hohen Brechungsindex haben, wie Ge und TiO₂. Jede diese dielektrischen Schichten hat eine optische Dicke von einer Viertelwelle einer Laserwellenlänge, was zu dem Ausdruck "Satz von λ/4-Schichten" beiträgt. Zwar kann der Reflektor 20 einen höheren Reflexionsgrad ergeben als der Reflektor 12, aber die Dicken der verschiedenen dielektrischen Schichten müssen abgestimmt werden, um eine Phasenverschiebung von null zu erreichen. Das Reflexionsvermögen des Reflektors 12 und des Reflektors 20 ist in Fig. 1C bzw. 2C dargestellt. Obwohl Versuchsdaten angeben, daß der Reflektor 20 eine "p"- bis "s"- Phase von weniger als 6° hat, wenn der Inzidenzwinkel weniger als 40° beträgt, wurde diese Eigenschaft weder erkannt noch genutzt, da der Reflektor 20 im allgemeinen unter dem herkömmlichen Winkel von 45° angeordnet wird. In der Praxis kann der Reflektor 20 seinen hohen Reflexionsgrad nicht beibehalten, wenn der Einfallswinkel über 45° hinausgeht. Wie am besten in der graphischen Darstellung der Fig. 2B erkennbar ist, verschlechtert sich das Reflexionsvermögen des Reflektors 20 rasch, in dem Maß, in dem der Inzidenzwinkel über 45° hinausgeht.

Wenn das System 30 mit einer Vielzahl beliebig gewählter Reflektoren 20 ausgestattet wird, kann es, muß aber nicht, einen Schneidstrahl erzeugen, dessen Elliptizität innerhalb des akzeptablen Bereichs von 1 bis 1,15 liegt. Der Wert bei dem System 30 liegt nicht immer unter 1,15, weil der Phasenverschiebungsunterschied jedes Reflektors 20 nicht Null ist. Und wenn eine Vielzahl von Reflektoren 20 nötig ist, können sich die Phasenverschiebungsunterschiede beim System 30 akkumulieren und zu einer Elliptizität führen, die viel größer ist als 1,15. Ein System 30 mit Reflektoren 20 kann infolgedessen die gleiche Schwäche aufweisen wie ein System 30, in dem Reflektoren 12 verwendet werden.

Um die Nachteile bekannter Reflektoren 12 und 20 zu vermeiden, wird ein die Polarisation bewahrender Reflektor 40 geschaffen, wie am besten aus Fig. 4A hervorgeht. Der die Polarisation erhaltende Reflektor 40 weist ein Substrat 42 auf, auf welchem eine stark reflektierende Schicht 44 niedergeschlagen ist. Die reflektierende Schicht 44 weist einen metallischen Werkstoff, wie Silber, Gold oder Aluminium auf. Darüberhinaus weist der Reflektor 40 zwei optische Schichten in Form dünner Filme auf, und zwar eine Schicht 46 mit niedrigem Brechungsindex und eine Schicht 48 mit hohem Brechungsindex. Die Schicht 46 mit dem niedrigen Brechungsindex weist ein Dielektrikum mit niedrigem Brechungsindex, wie SiO₂, ZnS oder ThF₄ auf. Die Schicht 48 mit dem hohen Brechungsindex weist ein dielektrisches Material mit hohem Brechungsindex, wie Ge oder TiO₂ auf. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen die dielektrischen Schichten 46 und 48 aus ThF₄ bzw. Ge. Es sei ferner erwähnt, daß der Reflektor 40 mit einer Vielzahl von solchen dielektrischen Schichten versehen sein kann. Ferner ist beim Reflektor 40 dem Substrat 42 benachbart ein Kühlkörper 50 angeordnet, um die von dem auf den Reflektor 40 auftreffenden Laserstrahl erzeugte Wärme abzuführen.

Wie aus Fig. 4A hervorgeht, ist der einfallende Strahl beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ein kollimierter, monochromatischer und zirkular polarisierter Laserstrahl, den ein CO₂-Laser erzeugt. Die Wellenlänge des CO₂-Lasers beträgt ca. 10,6 µm. Der Einfallswinkel des Laserstrahls ist so gewählt, daß er ca. 45° beträgt. Zirkulare Polarisation läßt sich am besten beschreiben als zwei lineare, orthogonale Polarisationen, die um 90° außer Phase sind und die im allgemeinen mit dem Buchstaben "p" bzw. "s" bezeichnet werden. Bei der Reflexion durch den die Polarisation bewahrenden Reflektor 40 hat jede der reflektierten "p"- und "s"-Polarisationen etwa die gleiche Amplitude, und die Phasenverschiebung zwischen ihnen bleibt erhalten. Grundsätzlich ist die differentielle Phasenverschiebung der "p"- und "s"-Komponenten des reflektierten Strahls mit der des einfallenden Strahls identisch. Deshalb bleibt die Polarisation des reflektierten Strahls erhalten. Der Reflektor 40 kann nicht nur einfallende zirkulare Polarisationen bewahren sondern auch alle anderen Arten einfallender Polarisationen, wie der linearen und elliptischen Polarisation.

Wie aus Fig. 4B hervorgeht, wird der Phasenverschiebungsunterschied bei der Reflexion durch den Reflektor 40 für den Bereich von Einfallswinkeln von 0° bis 75° innerhalb von ±2,5° gehalten. Dieser Bereich ist zu vergleichen mit dem nichterkannten Bereich von 0° bis 40° für den verbesserten Silberreflektor 20, wie am besten aus Fig. 2B hervorgeht. Der durchschnittliche Reflexionsgrad, d. h. der Durchschnittswert der "Kp"- und "s"-Reflexionsgrade ist größer als 99,5% für den gleichen Bereich von Inzidenzwinkeln, wie in Fig. 4C dargestellt.

Um die gewünschten Eigenschaften für den Reflektor 40 zu erhalten, werden die folgenden Funktionalformen angewandt:

(R _p, R _s, Δ) = f(ϕ, , N _j, d _i), i = 1, 2; j = 0, 1, 2

worin R _p = "p"-Polarisationsreflexionsgrad des Systems,
R _s = "s"-Polarisationsreflexionsgrad des Systems,
Δ = gewünschte relative Phasenverschiebung zwischen Polarisationen,
ϕ = Inzidenzwinkel des einfallenden Strahls,
λ = Wellenlänge des Strahls,
N _j = Berechnungsindex der Umgebung, der metallischen Schicht 44, der Schicht 46 bzw. der Schicht 48,
d _i = Dicke der Schicht 46 bzw. der Schicht 48.

Die obige Funktional-Beziehung wird durch das Verhältnis der komplexen Amplituden-Reflexionskoeffizienten R _p und R _s repräsentiert:

Insbesondere läßt sich jeder der Reflexionskoeffizienten R _p und R _s darstellen durch

Da R _p und R _s auch jeweils als Produkt eines Größen- und eines Phasenterms definiert werden kann

worin δ die absolute Phasenverzögerung der "p"- oder "s"- Komponente ist. Wenn der Größenterm zum Quadrat erhoben wird, läßt sich das Reflektionsvermögen oder der Prozentsatz der einfallenden Energie, der reflektiert wird, wie folgt ausdrücken

R = R ², = p, s wo Δ = δ _p - δ _s.

Ferner sind R _p und R _s Funktionen der Fresnelschen komplexen Grenzflächenreflexionskoeffizienten, die durch folgende Gleichungen gegeben sind:

Die Fresnelschen Grenzflächenkoeffizienten sind ihrerseits Funktionen der komplexen Brechzahlen der dielektrischen Schichten und Substrate und des Einfallswinkels des Lichtstrahls, wodurch sich folgende Beziehungen ergeben:

S _i = (N _i ² - N ₀ ² sin² ϕ)^1/2, i = 0, 1, 2, 3
N _i = n _i - j k _i, i = (0, 1, 2, 3); j = √¯-1.

Ferner sind R _p und R _s auch Funktionen der Filmdicken d _i und der Filmperioden, die durch folgende Gleichungen gegeben sind:

Wenn man das Verhältnis von R _p und R _s nimmt, werden zwei ellipsometrische Parameter definiert, wobei tan (ψ) das Verhältnis der Amplituden und Δ der Phasenverschiebungsunterschied der "p"- und "s"-Polarisationen nach Reflexion sind. Der Phasenverschiebungsunterschied und die "p"- und "s"-Reflexionsgrade sind also eine Funktion des Inzidenzwinkels, der Wellenlänge, der Brechungsindizes von Umgebung, dielektrischen Schichten 46 und 48 und Substrat 44 sowie der Dicke der Schichten 44, 46 und 48.

Im Lichte dieser Beziehungen sind die gewünschten "p"- und "s"-Reflexionsgrade Eins und der erwünschte Phasenverschiebungsunterschied Null. Darüber hinaus sind der Brechungsindex entweder der metallischen Schicht 44, der Schicht 46 oder der Schicht 48 und die Wellenlänge des einfallenden Strahls bekannt, wobei der Inzidenzwinkel so gewählt ist, daß er 45° beträgt. Der komplexe Brechungsindex der metallischen Schicht 44, eines Silbermaterials, ist N _s = 11,8327 - i72,7107. Für die Schicht 46 mit niedrigem Brechungsindex (ThF₄) gilt N ₁ = 1,4 - i0,0004 und für die Schicht 48 mit hohem Brechungsindex (Ge) gilt N _h = 4,1 - i0,0007. Die Wellenlänge des CO₂-Strahls beträgt 10,6 µm. Die einzigen unbekannten Parameter sind folglich die Dicken der beiden dielektrischen Schichten. Deshalb kann die Dicke der beiden Schichten variiert werden, um die erwünschten Parameter Reflexionsvermögen und Phasenverschiebungsunterschied zu definieren. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die berechnete Dicke der Schicht 46 mit niedrigem Brechungsindex 2,4585 µm, und das entspricht einer optischen λ/4-Dicke von 13,9204. Ähnlich beträgt die berechnete Dicke der Schicht 48 mit dem hohen Brechungsindex 0,666 µm, und das entspricht 10,9227 λ/4-Dicke. Bei diesen Schichtdicken hat der die Polarisation bewahrende Reflektor 40 ein durchschnittliches Reflexionsvermögen, welches über 99,5% liegt, und einen Phasenverschiebungsunterschied, der über einem Bereich des Inzidenzwinkels von 0° bis 75° innerhalb von Null ± 2,5° liegt. Es sei hier darauf hingewiesen, daß jede beliebige Kombination von Schichten und Werkstoffen so optimiert werden kann, daß eine die Polarisation bewahrende Reflexion erzielt wird.

Wenn eine Vielzahl von die Polarisation bewahrenden Reflektoren 40 in einem Lasersystem 60 angeordnet wird, wie am besten aus dem Schema gemäß Fig. 5 hervorgeht, wird bei dem resultierenden Laserstrahl die auftreffende zirkulare Polarisation des einfallenden Strahls beibehalten. Bei dem bekannten System 30 unter Verwendung von Reflektoren 12 oder 20 entstünde ein Strahl, der von der zirkularen Polarisation erheblich abwiche, wodurch bei einem Werkstück ein Schnitt von geringer Qualität das Ergebnis wäre. Bei Verwendung von Reflektoren 40 liegt die Elliptizität des aus dem System 60 austretenden Strahls unterhalb der gewünschten Obergrenze von 1,15. Da das System 60 geeignet ist, einen Strahl von hoher Energie abzugeben, d. h. einen Strahl von mindestens 100 W, weist jeder Reflektor 40 einen Kühlkörper 50 auf, um die vom Laserstrahl erzeugte Wärme abzuführen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient als Kühlkörper 50 eine herkömmliche, mit Wasser gekühlte Vorrichtung.

In Fig. 6 ist eine Alternative zum Polarisationsreflektor 40 dargestellt. Dieser die Polarisation bewahrende Reflektor 140 kann seine die Polarisation erhaltende Funktion unabhängig vom Einfallswinkel des Laserstrahls erfüllen. Da viele Elemente bei diesem alternativen Ausführungsbeispiel Elementen des bevorzugten Ausführungsbeispiels ähneln, ist den Bezugszeichen für die entsprechenden Elemente des bevorzugten Ausführungsbeispiels die Ziffer "1" vorgesetzt. Das Substrat bei dem alternativen Ausführungsbeispiel ist beispielsweise mit 142 gekennzeichnet.

Der die Polarisation bewahrende, winkelunempfindliche Reflektor 140 weist ein Substrat 142 auf, auf welches eine stark reflektierende Schicht 144 aufgetragen ist. Gleichfalls niedergeschlagen ist eine dielektrische Schicht 146 mit niedrigem Brechungsindex und eine dielektrische Schicht 148 mit hohem Brechungsindex. Ferner ist dem Substrat 142 benachbart ein Kühlkörper 150 angeordnet. Das für die einzelnen Komponenten des Reflektors 140 verwendete Material entspricht dem jeweiligen Gegenstück beim Reflektor 40. Unter Anwendung der vorstehend beschriebenen mathematischen Gleichungen werden die Dicken der Schichten 146 und 148 gewählt, wobei der Inzidenzwinkel innerhalb des Bereichs von 0° bis 75° schwankt. Gemäß dieser Berechnung kann der Reflektor 140, wenn die Abmessungen seiner Schichten 146 und 148 die gleichen sind wie beim Reflektor 40, die Polarisation bewahren und einen hohen Reflexionsgrad aufrechterhalten, wenn der Einfallswinkel im Bereich von 0° bis 75° liegt, wie aus Fig. 4B und 4C hervorgeht. Der Phasenverschiebungsunterschied wird in diesem Bereich der Inzidenzwinkel innerhalb von ±2,5° von null gehalten, und der durchschnittliche Reflexionsgrad wird auf ca. 99,5% gehalten.

Die Verwendung von winkelunempfindlichen, die Polarisation bewahrenden Reflektoren 140 ist in Fig. 7 dargestellt. Zu dem in Fig. 7 gezeigten System 160 gehört eine Laserquelle 132, ein herkömmlicher Viertelwellen-Reflektor 152 sowie eine Vielzahl von Reflektoren 140. Anstatt einer Einschränkung auf die Benutzung von Reflektoren, die unter einem Winkel von 45° angeordnet sein müssen, sind die Reflektoren 140 unter den verschiedenen Winkeln angeordnet, um einen Laserstrahl zum Werkstück 162 austreten zu lassen. Anstelle der Benutzung von acht Reflektoren unter einem Winkel von 45°, beispielsweise dem System 30 gemäß Fig. 3 oder dem System 60 gemäß Fig. 5 brauchen zur Erzielung des gleichen Ergebnisses nur eine geringere Anzahl von Reflektoren, beispielsweise zwei winkelunempfindliche Reflektoren 140, benutzt zu werden. Mit dem System 160 lassen sich weitere Vorteile insofern erzielen, als der Energieverlust im Zustellsystem geringer ist, weniger optische Elemente ausgerichtet werden müssen, und die Kosten aufgrund der kleineren Anzahl der benötigten Reflektoren niedriger sind.

Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt. Dieser die Polarisation bewahrende Reflektor 240 kann einen Laserstrahl bündeln. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Ziffer "2" den Bezugszeichen hinzugefügt, die entsprechenden Elemente beim bevorzugten Ausführungsbeispiel kennzeichen. Der ins Auge springende Unterschied zwischen dem Reflektor 240 und dem Reflektor 40 besteht in der Tatsache, daß der Reflektor 240 mit einer gekrümmten Oberfläche gestaltet ist. Der toroidale Reflektor 240 weist ein Substrat 242 auf, auf welches eine stark reflektierende, metallische Schicht 244 aufgetragen ist. Darüberhinaus ist eine dielektrische Schicht 246 mit niedrigem Brechungsindex und eine dielektrische Schicht 248 mit hohem Brechungsindex vorgesehen. Dem Substrat 242 benachbart ist außerdem ein Kühlkörper 250 angeordnet.

Der Krümmungsradius des Reflektors 240 ist so gewählt, daß die Brennweite des Reflektors 240 in einem typischen Bereich von 5,08 bis 25,40 cm (2 bis 10 Zoll) liegt. Die Wahl der Brennweite liegt für den Fachmann auf der Hand. Der Reflektor 240, der eine gewählte Krümmung hat, kann einen Laserstrahl bündeln, der unter einem bestimmten, festen Einfallswinkel auf ihn auftrifft.

Ein Anwendungsfall eines toroidalen, fokussierenden Reflektors 240 ist in Fig. 9 dargestellt. Das hier dargestellte System 260 weist eine Laserquelle 232 sowie zwei toroidale, fokussierende Reflektoren 240 auf, so daß sie als Kollimator wirken. Wenn ein Laserstrahl eine bestimmte Entfernung zurückgelegt hat, hat er die Tendenz, aus dem kollimierten Zustand zu diffundieren. Deshalb ist eine Kollimation nötig, um den Laserstrahl erneut zu kollimieren und wieder in einen brauchbaren Zustand zu bringen. Kollimatoren, mit denen diese Aufgaben erfüllt werden, sind bekannt.

Als Fokussiervorrichtungen für solche bekannten Kollimatoren dienen allerdings in Transmission arbeitende Linsen, die den Nachteil haben, daß das Linsenmaterial Energie vom Laserstrahl absorbiert, wodurch die Temperatur in der Mitte der Linse steigt. Dadurch ändert sich wiederum der Brechungsindex der Linse, was die Brennweite verändert. Bei einer Änderung der Brennweite der Linse wiederum kann die Qualität des mit einem System, wie dem System 30 gemäß Fig. 2 erzeugten Schnitts nicht eingehalten werden. Diese Auswirkung wird als thermischer Linseneffekt bezeichnet. Der thermische Linseneffekt tritt bei Lasersystemen hoher Leistung stärker in Erscheinung, beispielsweise bei über 500 W. Ein wichtiger Anwendungsfall eines toroidalen, fokussierenden Reflektors 240 besteht im Ersatz der Transmissions-Fokussierlinse in der Fokussiervorrichtung 36 gemäß Fig. 3 oder einer sonstigen Fokussiervorrichtung, beispielsweise der in Fig. 7 nicht dargestellten. Mit dem toroidalen, fokussierenden Reflektor 240 werden also die Nachteile der bekannten Transmissions- Fokussierlinse herabgesetzt.

Für den Fachmann liegt auf der Hand, daß die verschiedensten Abwandlungen möglich sind. So kann z. B. ein toroidaler, fokussierender Reflektor 240 die Fokussiervorrichtung 36 beim bekannten System 30 ersetzen. Außerdem kann der fokussierende Reflektor 240 als Ersatz für einen oder mehrere Reflektoren 40 im System 60 gemäß Fig. 5 oder statt des Reflektors 140 gemäß Fig. 7 benutzt werden. Grundsätzlich können fokussierende Reflektoren 240 immer dann vorgesehen werden, wenn eine Kollimation oder Bündelung erforderlich ist. Ferner ist die Art des verwenbaren Lasers nicht auf den CO₂-Laser beschränkt. Es kann jede beliebige, verfügbare Art mit den verschiedensten Wellenlängen benutzt werden. Außerdem können natürlich die die Polarisation bewahrenden Reflektoren 40, 140 und 240 die Polarisation des einfallenden Strahls erhalten, wenn die auftreffende Polarisation von beliebiger Art ist. Schließlich kann das Reflexionsvermögen der die Polarisation bewahrenden Reflektoren 40, 140 und 240 dadurch verbessert werden, daß oben auf den Konstruktionen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ein oder zwei weitere Paare dielektrischer Schichten 46, 48 mit hohem bzw. niedrigem Brechungsindex hinzugefügt werden.

Claims

1. Lasersystem, gekennzeichnet durch
- eine Laserquelle, die einen einfallenden Strahl monochromatischer Strahlung mit einer Polarisationskonfiguration und einem Inzidenzwinkel erzeugt, und
- einen die Polarisation bewahrenden Reflektor, der den Strahl so reflektiert, daß die Polarisationskonfiguration erhalten bleibt, während ein hoher Reflexionsgrad erzeugt wird, wobei der die Polarisation bewahrende Reflektor ein Substrat, eine dem Substrat benachbart angeordnete, stark reflektierende Schicht und mindestens zwei optische Dünnfilmschichten aufweist, von denen eine der stark reflektierenden Schicht benachbart angeordnet und eine einen hohen Brechungsindex und eine andere einen niedrigen Brechungsindex hat, um die einfallende Polarisationskonfiguration aufrechtzuerhalten und den hohen Reflexionsgrad für einen weiten Bereich des Inzidenzwinkels von ca. 40° bis 75° zu erzeugen.

2. Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Polarisation bewahrende Reflektor unter Anwendung der folgenden Funktionalform ausgelegt ist (R _p, R _s, Δ) = f(ϕ, λ, N _j, d _i), i = 1, 2; j = 0, 1, 2worin
R _p = "p"-Polarisationsreflexionsgrad des Systems,
R _s = "s"-Polarisationsreflexionsgrad des Systems,
Δ = gewünschte relative Phasenverschiebung zwischen Polarisationen,
ϕ = Inzidenzwinkel des einfallenden Strahls,
λ = Wellenlänge des Strahls,
N _j = Brechungsindex der Umgebung, der reflektierenden Schicht bzw. der brechenden Schicht,
d _i = Dicke der reflektierenden Schicht bzw. der brechenden Schicht.

3. Lasersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten mit den Brechungsindizes ein dielektrisches Material aufweisen.

4. Lasersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die stark reflektierende Schicht einen metallischen Werkstoff aufweist.

5. Lasersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht mit hohem Brechungsindex Ge und die Schicht mit niedrigem Brechnungsindex ThF₄ aufweist.

6. Lasersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die stark reflektierende Schicht Silber aufweist.

7. Lasersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der die Polarisation bewahrende Reflektor ferner einen Kühlkörper aufweist, der dem Substrat benachbart angeordnet ist und von der Lichtquelle erzeugte Wärme abführt.

8. Lasersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle ein Kohlendioxidlaser ist.

9. Lasersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es geeignet ist, Energie von mindestens 100 Watt zu erzeugen.

10. Lasersystem, gekennzeichnet durch
- eine Laserquelle, die einen Strahl monochromatischer Strahlung mit einer Polarisationskonfiguration erzeugt, der unter einem Inzidenzwinkel auftrifft, und
- einen winkelunempfindlichen, die Polarisation bewahrenden Reflektor, der den Strahl reflektiert und ein Substrat, eine dem Substrat benachbart angeordnete, stark reflektierende Schicht und mindestens zwei optische Dünnfilmschichten aufweist, von denen eine der stark reflektierenden Schicht benachbart angeordnet ist und eine einen hohen Brechungsindex und eine andere einen niedrigen Brechungsindex hat, um die einfallende Polarisationskonfiguration unabhängig vom Inzidenzwinkel aufrechtzuerhalten.

11. Lasersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der winkelunempfindliche, die Polarisation bewahrende Reflektor unter Anwendung der folgenden Funktionalform ausgelegt ist (R _p, R _s, Δ) = f(ϕ, λ, N _j, d _i), i = 1, 2; j = 0, 1, 2worin
R _p = "p"-Polarisationsreflexionsgrad des Systems,
R _s = "s"-Polarisationsreflexionsgrad des Systems,
Δ = gewünschte relative Phasenverschiebung zwischen Polarisationen,
ϕ = Inzidenzwinkel des einfallenden Strahls,
λ = Wellenlänge des Strahls,
N _j = Brechungsindex der Umgebung, der reflektierenden Schicht bzw. der brechenden Schicht,
d _i = Dicke der reflektierenden Schicht bzw. der brechenden Schicht.

12. Lasersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der winkelunempfindliche, die Polarisation bewahrende Reflektor geeignet ist, die einfallende Polarisationskonfiguration für einen Inzidenzwinkel aufrechtzuerhalten, der von 0° bis 75° reicht.

13. Lasersystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der winkelunemfindliche, die Polarisation bewahrende Reflektor geeignet ist, den hohen Reflexionsgrad für einen Inzidenzwinkel aufrechtzuerhalten, der von 0° bis 75° reicht.

14. Lasersystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß es für effizienten Betrieb dadurch geeignet ist, daß es mit mindestens einem der winkelunempfindlichen, die Polarisation bewahrenden Reflektoren versehen ist.

15. Lasersystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten mit den Brechungsindizes ein dielektrisches Material aufweisen.

16. Lasersystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die stark reflektierende Schicht einen metallischen Werkstoff aufweist.

17. Lasersystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht mit hohem Brechungsindex Ge und die Schicht mit niedrigem Brechungsindex ThF₄ aufweist.

18. Lasersystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die stark reflektierende Schicht Silber aufweist.

19. Lasersystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der die Polarisation bewahrende Reflektor einen Kühlkörper aufweist, der dem Substrat benachbart angeordnet ist und von der Lichtquelle erzeugte Wärme abführt.

20. Lasersystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle ein Kohlendioxidlaser ist.

21. Lasersystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß es geeignet ist, Energie von mindestens 100 Watt zu erzeugen.

22. Lasersystem, gekennzeichnet durch
- eine Laserquelle, die einen Strahl monochromatischer Strahlung mit einer Polarisationskonfiguration erzeugt, und
- einen fokussierenden, die Polarisation bewahrenden Reflektor, der den Strahl reflektiert und bündelt und ein Substrat, welches einen Krümmungsradius hat, der eine Brennweite bestimmt, deren eines Ende ein Brennpunkt ist, eine dem Substrat benachbart angeordnete, stark reflektierende Schicht, die den Krümmungsradius hat, und mindestens zwei optische Dünnfilmschichten aufweist, von denen eine der stark reflektierenden Schicht benachbart angeordnet ist, wobei die optischen Dünnfilmschichten den Krümmungsradius haben und eine derselben einen hohen Brechungsindex und eine andere einen niedrigen Brechungsindex hat, um die einfallende Polarisationskonfiguration nach Reflektieren und Bündeln des Strahls auf den Brennpunkt aufrechtzuerhalten.

23. Lasersystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der fokussierende, die Polarisation bewahrende Reflektor unter Anwendung der folgenden Funktionalform ausgelegt ist (R _p, R _s, Δ) = f(ϕ, λ, N _j, d _i), i = 1,2; j = 0,1,2worin
R _p = "p"-Polarisationsreflexionsgrad des Systems,
R _s = "s"-Polarisationsreflexionsgrad des Systems,
Δ = gewünschte relative Phasenverschiebung zwischen Polarisationen,
ϕ = Inzidenzwinkel des einfallenden Strahls,
λ = Wellenlänge des Strahls,
N _j = Brechungsindex der Umgebung, der reflektierenden Schicht bzw. der brechenden Schicht,
d _i = Dicke der reflektierenden Schicht bzw. der brechenden Schicht.

24. Lasersystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der fokussierende, die Polarisation bewahrende Reflektor zur Kollimation geeignet ist.

25. Lasersystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der fokussierende, die Polarisation bewahrende Reflektor geeignet ist, die einfallende Polarisationskonfiguration für den Inzidenzwinkel aufrechzuerhalten.

26. Lasersystem nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß der fokussierende, die Polarisation bewahrende Reflektor geeignet ist, einen hohen Reflexionsgrad für den Inzidenzwinkel aufrechtzuerhalten.

27. Lasersystem nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten mit den Brechungsindizes ein dielektrisches Material aufweisen.

28. Lasersystem nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die stark reflektierende Schicht einen metallischen Werkstoff aufweist.

29. Lasersystem nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht mit hohem Brechungsindex Ge und die Schicht mit niedrigem Brechungsindex ThF₄ aufweist.

30. Lasersystem nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die stark reflektierende Schicht Silber aufweist.

31. Lasersystem nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der fokussierende, die Polarisation bewahrende Reflektor einen Kühlkörper aufweist, der dem Substrat benachbart angeordnet ist und von der Lichtquelle erzeugte Wärme abführt.

32. Lasersystem nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle ein Kohlendioxidlaser ist.

33. Lasersystem nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß es geeignet ist, Energie von mindestens 100 Watt zu erzeugen.