DE3639580C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung hoher Leistung mit einem aus einem totalreflektierenden und einem teildurchlässi­ gen Spiegel bestehenden optischen Resonator, mit einer Blende zur Begrenzung der Kontur des Laserstrahls.

Eine derartige Laseranordnung ist aus der JP-OS 59-1 95 894 be­ kannt. Bei dieser bekannten Laseranordnung wird die Energie des Laserstrahls zentral konzentriert, wobei der teildurchlässige Spiegel einen Teil dieser Energie absorbiert. Dadurch ergibt sich das Problem, daß der zentrale Teil des teildurchlässigen Spiegels übermäßig stark erhitzt wird mit der Folge einer ent­ sprechend ungleichförmigen thermischen Belastung des Spiegels, die zu einer thermischen Verformung desselben führen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die be­ kannte Hochleistungs-Laseranordnung so auszubilden, daß die thermische Belastung des teildurchlässigen bzw. Auskoppel- Spiegels vermindert wird, so daß thermische Verformungen des­ selben vermieden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der teildurchlässige Spiegel im zentralen Bereich seiner Oberfläche eine totalreflektierende Oberfläche aufweist, und daß der sich um diese zentrale, totalreflektierende Oberfläche herum erstrec­ kende Bereich des teildurchlässigen Spiegels zur Auskoppelung des Laserstrahls dient.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine übermäßige Erhitzung im Zentrum des Auskoppel-Spiegels vermieden, obwohl dort die Energie des Laserstrahls maximal ist. Der Auskoppel-Spiegel erwärmt sich durch die erfindungsge­ mäßen Maßnahmen wesentlich gleichmäßiger mit der Folge, daß Verformungen des Auskoppel-Spiegels auch bei sehr hoher Laser­ leistung vermieden sind.

Vorzugsweise ist die Blende als reflektierende Oberfläche un­ mittelbar auf der Oberfläche des teildurchlässigen Spiegels angeordnet. Es ist zwar aus der DE-OS 21 20 429 an sich be­ kannt, zwischen den Spiegeln einer Axiallaseranordnung eine Blende anzuordnen, die an der dem Lasermedium zugeordneten Sei­ te totalreflektierend ausgebildet ist. Bei dieser Anordnung sind die beiden diametral angeordneten Spiegel jedoch jeweils teildurchlässig ausgebildet. Des weiteren fehlt jeglicher Hin­ weis auf eine zentrale, totalreflektierende Oberfläche im Zen­ trum des der Blende zugeordneten teildurchlässigen Auskoppel- Spiegels.

Vorzugsweise ist die totalreflektierende Oberfläche auf dem teildurchlässigen Spiegel ein reflektierender Dünnfilm, und zwar entweder ein metallischer oder ein dielektrischer Dünnfilm. Diese Maßnahmen sind zwar an sich ebenfalls bekannt, jedoch nicht in Verbindung mit der hier beanspruchten Erfindung.

Nachstehend werden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen La­ seranordnung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Aus­ führungsform einer erfindungsgemäßen Laseranordnung;

Fig. 2 eine Graphik, die die Intensitätsverteilung eines La­ serstrahls im optischen Resonator der Laseranordnung gemäß Fig. 1 in Radialrichtung des Laserstrahls zeigt;

Fig. 3 eine Graphik, die die Intensitätsverteilung des aus dem optischen Resonator der Laseranordnung gemäß Fig. 1 ausgekoppelten Laserstrahls in dessen Radialrichtung zeigt;

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung, die ein Anwen­ dungsbeispiel der Laseranordnung gemäß Fig. 1 zeigt; und

Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Aus­ führungsform einer erfindungsgemäßen Laseranordnung.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Laseranordnung um­ faßt einen teildurchlässigen Spiegel 1, auf dessen Oberfläche ein Dünnfilm oder teildurchlässiger Film 12, dessen Hauptbe­ standteil ein Dielektrikum oder dgl. ist, ausgebildet ist. Mit der Bezugsziffer 2 ist ein totalreflektierender Spiegel gekenn­ zeichnet. Ein zwischen den beiden Spiegeln 1 und 2 angeordnetes Lasermedium 3 ist z. B. ein durch elektrische Entladung in einem CO₂-Laser angeregtes Gas oder ein von einem Lichtblitz in einem YAG-Laser angeregter Kristall. Ein Laserstrahl 4 wird in einem aus den Spiegeln 1 und 2 gebildeten optischen Resonator erzeugt. Eine Blende 6 begrenzt die Kontur des Laserstrahls; und ein La­ serstrahl 41 wird nach außen emittiert.

Nachstehend wird die Funktionsweise dieser Ausführungsform er­ läutert:

Der in dem optischen Resonator hin- und hergehende Laser­ strahl 4 wird vom Lasermedium 3 verstärkt. Wenn er eine vorbestimmte Größe erreicht hat bzw. überschreitet, tritt er teilweise als Laserstrahl 41 aus.

Es sei nun die Intensitätsverteilung des im optischen Reso­ nator erzeugten Laserstrahls senkrecht zu der Ausbreitungs­ richtung des Laserstrahls betrachtet. Da ein totalreflek­ tierender Dünnfilm 61 nahe der Mitte des optischen Resona­ tors positioniert ist, unterliegt der Laserstrahl nahe dem Zentrum nur durch Brechung um den totalreflektierenden Dünnfilm 61 herum einem Verlust, so daß der Verlust nur gering ist. Es zeigt sich, daß sich in dem optischen Reso­ nator ein Laserstrahl 4 mit signifikant hoher Intensitäts­ verteilung nahe dem Zentrum ausbildet.

Die Fig. 2 bzw. 3 zeigen die Intensitätsverteilung des Laserstrahls im optischen Resonator bzw. die Intensitäts­ verteilung des extern emittierten Laserstrahls dieser Aus­ führungsform. Dabei repräsentieren die Abszissen jeweils Entfernungen in Radialrichtung der Laserstrahlen.

In diesen Figuren entsprechen die gestrichelten Kurven den Intensitätsverteilungen von Laserstrahlen, die ohne den totalreflektierenden Film 61 erzeugt werden.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß im optischen Resonator ein Laserstrahl mit hoher Stärke im zentralen Teil erzeugt wird.

Ferner ist der zentrale Teil des teildurchlässigen Spiegels 1 der hochreflektierende Dünnfilm 61, so daß der Spiegel den Laserstrahl 4 kaum durchläßt. Aus diesem Grund wird der extern emittierte Laserstrahl 41 zu einem Laserstrahl, dessen Intensitätsverteilung keinen zentralen Teil auf­ weist, wie Fig. 3 zeigt.

Betrachtet man die tatsächlichen Anwendungsgebiete von Laseranordnungen, so kann dieser Laserstrahl ohne zentralen Teil in den Laserstrahl entsprechend der Form von Fig. 2 durch Bündelung mit einer Linse etc. an einem Brennpunkt eingebracht werden. Es ist daher besser als mit dem kon­ ventionellen Gaußschen Laserstrahl möglich, eine maschi­ nelle Bearbeitung etc. durch Einsatz des Laserstrahls in demjenigen Modus durchzuführen, in dem die Energie zentral konzentriert ist.

Dies beruht auf dem optischen Prinzip, daß die Form des Modus eines von einer Laseranordnung erzeugten Laserstrahls in unendlicher Entfernung die Form eines innerhalb eines optischen Resonators erzeugten Modus ist.

Die Bündelung von Licht mit einem Objektiv ist optisch äquivalent zur unendlichen Ausbreitung des Lichts. Daher wird der Laserstrahl mit dem Modus, der in unendlicher Ent­ fernung erhalten werden sollte, d. h. mit dem im optischen Resonator erzeugten Modus, nahe einem Brennpunkt erhalten.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel für eine maschinelle Bearbeitung mittels einer Laseranordnung nach der Erfindung. Ein emit­ tierter Laserstrahl 41 gelangt zu einem Objektiv 10 durch Reflexion an einem Spiegel 9 und wird von dem Objektiv 10 gebündelt.

Der totalreflektierende Dünnfilm 61 kann ein metallischer Dünnfilm oder ein dielektrischer Mehrlagenfilm aus ZnSe, ThF oder dergleichen sein.

Der totalreflektierende Film des beschriebenen Ausführungsbei­ spiels ist zwar nur auf den zentralen Teil des teildurchlässi­ gen Spiegels aufgebracht; der gleiche totalreflektierende Film kann aber auch auf der Außenrandfläche des teildurchlässigen Spiegels 1 bzw. Films 12 aufgebracht sein, wie Fig. 5 zeigt.

Gemäß den beschriebenen Ausführungsformen ist ein teildurch­ lässiger Spiegel so ausgebildet, daß der zentrale Teil seiner einem totalreflektierenden Spiegel gegenüberstehenden Oberflä­ che einen Laserstrahl totalreflektiert, während ein den zentra­ len Teil umgebender Teil den Laserstrahl teilweise durchläßt. Dadurch wird nahe einem Brennpunkt ein Laserstrahl erhalten, dessen Energie sehr stark zentral konzentriert ist. Dies hat zur Folge, daß ein Laserstrahl hoher Energiedichte mit weniger Eingangsenergie erzeugt wird, und die Anordnung daher kosten­ günstiger herzustellen ist. Ein weiterer Effekt ist, daß eine maschinelle Bearbeitung mit höherem Wirkungsgrad mit der glei­ chen Energie wie beim Stand der Technik durchführbar ist.

Die beschriebene Laseranordnung hat darüber hinaus den Vorteil, daß mit einfachen Mitteln ein hoher Wirkungsgrad erzielbar ist, und zwar auch bei geringer Lasergasströmungsgeschwindigkeit im Falle eines Gaslasers, so daß eine Rootspumpe für die Gas­ strömung entbehrlich ist.

Claims (4)

1. Laseranordnung hoher Leistung mit einem aus einem total­ reflektierenden und einem teildurchlässigen Spiegel be­ stehenden optischen Resonator, mit einer Blende zur Be­ grenzung der Kontur des Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß der teildurchlässige Spiegel (1) im zentralen Bereich sei­ ner Oberfläche (12) eine totalreflektierende Oberfläche (61) aufweist, und daß der sich um diese zentrale, total­ reflektierende Oberfläche (61) herum erstreckende Bereich des teildurchlässigen Spiegels (1) zur Auskopplung des La­ serstrahls (41) dient.

2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende als reflektierende Oberfläche (61) unmittelbar auf der Oberfläche (12) des teildurchlässigen Spiegels (1) angeordnet ist.

3. Laseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die totalreflektierende Ober­ fläche (61) auf dem teildurchlässigen Spiegel (1) und/oder auf der Blende (6) ein reflektierender Dünnfilm ist.

4. Laseranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der reflektierende Dünnfilm (61) ein metallischer oder dielektrischer Dünnfilm ist.