DE3734538A1

DE3734538A1 - Vorrichtung fuer einen modularen leistungslaser

Info

Publication number: DE3734538A1
Application number: DE19873734538
Authority: DE
Inventors: Frank Dr Rer Nat Ackermann
Original assignee: Trumpf SE and Co KG
Current assignee: Trumpf SE and Co KG
Priority date: 1987-10-13
Filing date: 1987-10-13
Publication date: 1989-05-03

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptan spruchs. Bei Lasern strebt man einen Mode nullter Ordnung an, wie dies in der DE-OS 34 22 525 beschrieben ist. Die Einhaltung eines optimalen Mode hängt wesentlich davon ab, ob es gelingt, die geometrische Form des Lasers im Betrieb aufzuhalten, weil die geometrische Form des Lasers auch die Form des Resonators bestimmt. Ein wesentliches Problem, die geometrische Form auf recht zu erhalten liegt darin, daß der Laser im Betrieb warm wird, sich - vielleicht unregelmäßig - ausdehnt, dadurch der Resonator eine andere geometrische Form erhält und damit sich der Mode verschlechtert. Von der mechanischen Seite her hat man seither versucht, ausdehnungsarme Stähle zu verwenden, wie sie z.B. als Invar-Stähle (Warenzeichen von Creusot-Loire) bekanntgeworden sind (siehe Römpps Chemie-Lexikon 8. Auflage, Seite 1906 oder Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik, Seite 2051).

Durch die Anmelderin ist ein Laser in der Bundesrepublik Deutschland offen kundig vorbenutzt worden, der ein durchlaufendes Tragrohr für Zwischen- Flansche und End-Flansche aufweist. Die End-Flansche und Zwischen-Flansche sind starr auf diesem Tragrohr befestigt während diejenigen Glasrohre aus Quarz sind, in denen gelasert wird. Dabei war das Tragrohr aus einem solchen Invar-Stahl. Dieses Material hat jedoch den Nachteil, daß es außerordentlich teuer ist und sich ganz wesentlich schlechter verarbeiten läßt als normaler Stahl.

Diese Laser haben an ihren End-Flanschen 180°-Spiegel, von denen der eine undurchlässig ist und der andere teildurchlässig ist. Der undurchlässige Spiegel wirft den Strahl wieder in den Resonator zurück während der teildurchlässige Spiegel im Maße seiner Durchlässigkeit den Laserstrahl auskoppelt, den anderen Teil jedoch ebenfalls wieder in den Resonator zurückwirft.

Die Spiegel sind zur Justierung des Lasers insofern beweglich, als sie starre mit Tragplatten verbunden sind, deren Lage durch Schrauben - Differential schrauben - in zwei zueinander senkrecht stehenden Richtungen verstellbar ist. Ist der Laser betriebswarm, dann wird die zum undurchlässigen und/oder teil durchlässigen Spiegel gehörige Tragplatte auf Resonator-Schwingbedingungen eingestellt, die dem Null-Mode möglichst nahekommen oder ihn sogar erreichen.

Diese Schrauben sind aus Messing. Messing hat an sich den Vorteil, die Schrauben billiger herstellen zu können und die Genauigkeit dieser Schrauben ist bei Material Messing auch besser einzuhalten.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß Kunden versuchen, diese Messingschrauben zu verstellen, wahrscheinlich deshalb, weil die Qualität der Oszillation nicht mehr gestimmt hat. Für einen Laien ist es jedoch mehr als schwierig, die Spiegel richtig einzustellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einerseits die Kosten für den Laser zu senken und andererseits die Qualität der Oszillation - insbesondere in Bezug auf thermische Längenänderungen - aufrecht zu erhalten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs ersichtlichen Merkmale gelöst. Es hat sich gezeigt, daß das außerordentlich teuere Invar-Rohr gar nicht notwendig ist und daß es ausreicht, die Schrauben als Invar-Schrauben auszubilden. Ist der Laser thermisch einge schwungen und man stellt die Spiegel mit den Invar-Schrauben ein, dann bleibt die Schwingungsqualität im wesentlichen konstant. Man verleitet jetzt auch die Kunden nicht mehr, selber an den Schrauben Einstellversuche vorzunehmen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 erreicht man, daß man ein hoch-präzises, dem Stahl nach völlig genügendes und trotzdem billiges Rohr verwenden kann.

Durch die Merkmale des Anspruchs 3 erreicht man, daß alle drei Stellen Schrauben besitzen, was die Verstellverhältnisse einfacher macht. Es ist dann auch leichter, das Gesamtergebnis zu überblicken. An sich könnte man aber die Referenzstelle durch Rasten, Nadelspitzen, Abstandshalter oder dergleichen in ihrer Lage fixieren.

Durch die Merkmale des Anspruchs 4 verhindert man, daß Unbefugte die Schrauben verstellen, sei es aus seitheriger Gewohnheit, sei es aus Spielerei. Diese Schraubensicherung kann auf die unterschiedlichste Weise geschehen, wie z.B. durch Siegellack, durch Plombieren oder dadurch, daß man dem Schraubenkopf eine bestimmte Gestalt gibt, so daß normalerweise kein Werk zeug zu seinem Verdrehen zur Verfügung steht, wie dies z.B. aus der Technik der Sicherung hochwertiger Autofelgen bekannt ist.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht eines Lasers,

Fig. 2 eine Ansicht gemäß dem Pfeil 2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des linken oberen Bereichs von Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht der Fig. 3 gemäß dem Pfeil 4 aus Fig. 3, teilweise aufgebrochen,

Fig. 5 eine Ansicht gemäß dem Pfeil 5 in Fig. 1.

Ein Laser gemäß Fig. 1 hat einen linken End-Flansch 11, einen rechten End-Flansch 12 und drei Zwischen-Flansche 13, 14, 16. Ein kreiszylindrisches Rohr 17, wie es in der Hydraulik verwendet wird und das aus dem dort üblichen Stahl ist, hat einen Außendurchmesser von rund 10 cm. Sein linker Endbereich ist mittels einer Fassung 18 starr gefaßt. Das Rohr 17 durch quert dann nach rechts die Zwischen-Flansche 13, 14, 16, die dementsprechend durchbohrt sind und auch dort werden gleiche Fassungen dazu verwendet, diese Flansche starr auf dem Rohr 17 zu befestigen. Der rechte Endbereich wird im End-Flansch 12 mit Hilfe einer gleichen Fassung 18 gefaßt. Zwischen den Flanschen sind Quarzrohre 19 vorgesehen und zwar im Bereich zwischen jedem Flansch jeweils vier Stück. Die beiden anderen Quarzrohre 19 liegen auf gleicher Höhe jeweils hinter diesen strichpunktiert gezeichneten Quarzrohre 19. Den Flanschen wird wie gezeichnet von vorne und auch von der Rückseite über Gasrohre 21 Lasergas zugeführt oder abgezogen. Der linke End-Flansch 11 hat zwei vordere 45°-Spiegel 22, 23 und zwei dahinter liegende, nicht dargestellte 45°-Spiegel. Der rechte End-Flansch 12 hat zwei 45°-Spiegel 24, die den vorderen und hinteren Strang des Laserstrahls koppeln. Oberhalb der 45°-Spiegel 24 ist eine 180°-Spiegelvorrichtung 26 vorgesehen, die einen später noch zu besprechenden teilweise durchlässigen Spiegel aufweist und einen Teil des Laserstrahls aus dem oberen, sichtbaren Strang nach rechts auskoppelt. Hinter der 180°-Spiegelvorrichtung ist deckungsgleich eine weitere 180°-Spiegelvorrichtung vorgesehen, die den Laserstrahl voll ständig in den Resonator reflektiert. Mechanisch unterscheiden sich die beiden Spiegelvorrichtungen nicht voneinander. Lediglich der Spiegel selbst hat unterschiedliche Qualitäten in den beiden Vorrichtungen.

Damit wurde ein modularer gefalteter Laser mit vier Strängen beschrieben, die hintereinander geschaltet sind.

Der Laser steht auf einem Gestell. Dabei ist der linke End-Flansch 11 fest mit dem Gestell verbunden während die Zwischen-Flansche 13, 14 und 16 sowie der rechte End-Flansch 12 auf einem Gleitlager gelagert sind, so daß sich bei Erwärmung der Laser nach rechts ausdehnen kann. Die Quarz rohre 19 sind an ihren beiden Endbereichen jeweils in Fassungen 27 gelagert. Dabei haben die Fassungen 27 in ihrer Leibung O-Ringe, die den Raum zwischen den Fassungen 27 und den Quarzrohren 19 dichten. Diese O-Ringe sind gummiartig. Da sich die Quarzrohre 19 bei Wärme praktisch nicht längen, das Rohr 17 sich jedoch nach rechts lenkt können die Endbereiche der Quarzrohre 19 sich ein wenig innerhalb der O-Ringe bewegen, so daß es zu keinen Wärmespannungen kommt. Das Rohr 17 ist zwar innen flüssig keitsgekühlt. Trotzdem wird das Rohr 17 warm und dehnt sich nach rechts aus, da eine Kühlung auf Raumtemperatur nicht möglich ist.

Wie man sich die Fassungen 18, 27 im einzelnen vorzustellen hat, geht aus einer gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung P (meine Akte 12 544) hervor. Die End-Flansche 11, 12 und die Zwischen-Flansche 13, 14 und 16 sowie die Quarzrohre 19 sind symmetrisch in Bezug auf eine geometrische Längs-Mittenachse des kreiszylindrischen Rohrs 17 symmetrisch, mit Ausnahme der 45°-Spiegel 22, 23, 24 und der 180°-Spiegelvorrichtungen 26. Der Laser hat also lediglich die Tendenz sich linear und nicht längs einer Kurve auszudehnen, so daß der End-Flansch 11 immer parallel zum End-Flansch 12 steht, da letzterer durch die Wärmeausdehnung lediglich translatorisch bewegt wird.

Gemäß Fig. 2 verläuft der gefaltete Laserstrahl längs der vier geometrischen Längsachsen 28, 29, 31, 32. Die Umlenkung am rechten Ende der geometrischen Längsachse 31, 32 besorgen die Einzelspiegelvorrichtungen 33, 34. Diese haben in sich eine 45°-Spiegelfläche. Die 45°-Spiegelfläche kann durch Invar- Schrauben verstellt werden, die sich unter Abdeckkappen 36, 37, 38, 39, 40, 41 befinden.

Links oben in Fig. 2 befindet sich eine Einzelspiegelvorrichtung 42 und eine Einzelspiegelvorrichtung 43. Die Einzelspiegelvorrichtung 42 umfaßt einen Spiegel körper 44 der teildurchlässig ist und die Einzelspiegelvorrichtung 43 umfaßt einen Spiegelkörper 46, der total reflektierend ist. Bis auf die Spiegelkörper 44, 46 sind die Einzelspiegelvorrichtungen 42, 43, identisch, so daß nachfolgend nur die Einzelspiegelvorrichtung 42 genauer beschrieben wird. Bei ihr tritt in der Praxis statistisch gesehen auch häufiger der Fall auf, daß sie neu justiert werden muß, denn der Spiegelkörper 44, der einen Teil des Laserstrahls reflektiert und einen Teil des Laserstrahls durchlässt wird häufiger defekt als der Spiegelkörper 46, weshalb es auch am allerwichtigsten ist, die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs erwähnten Schrauben hier vorzusehen. Die Einzelspiegelvorrichtungen 33, 34 nachträglich justierbar zu halten ist nicht ratsam, da bei der Verstellung an nur einer Stelle wegen der 45°-Lage zwei Parameter geändert werden. Bei der Herstellung und später im Betrieb wird deshalb auch so verfahren, daß die End-Flansche 11, 12 (Laserköpfe) beim Hersteller mit einem Hilfslaser justiert werden und daß ab da beim Kunden nur noch die Einzelspiegelvorrichtungen 42, 43 zur Verstellung bestimmt sind. Sollte durch Verstellung an den Einzelspiegelvorrichtungen 42, 43 die Justierung nicht möglich sein, dann werden die End-Flansche 11, 12 zum Hersteller eingeschickt, denn eine Verstellung der 45°-Spiegel 22, 23, 24 ist beim Kunden praktisch nicht möglich.

Der End-Flansch 12 umfaßt einen kubischen Aluminiumblock 47, der eine quadratische Kantenlänge von etwa 22 cm hat und der etwa 9 cm dick ist. Er hat eine ebene Stirnfläche 48. Diese steht senkrecht zu den geometrischen Längsachsen 28, 29, 31, 32. Auf die Stirnfläche 48 in deren oberen Halb bereich ist eine recht flachförmige Stahlplatte 49 aufgeschraubt, die etwa 20 mm dick ist, an ihrer Ober- und Unterseite etwa 22 cm lang ist und eine senkrechte Kantenerstreckung von etwa 11 cm hat. Diese ist fest gegen die Stirnfläche 48 geschraubt und hat eine Durchgangsbohrung 51, die die Fort setzung einer Durchgangsbohrung 52 darstellt.

Eine rechteckige Tragplatte 53 ist aus Aluminium. Sie hat eine Kantenlänge von 10,5 cm und ist 2,5 cm dick. Die Darstellungen der Fig. 3 und 4 sind 1:1-Darstellungen. Alle Flächen der Tragplatte 43 - wie auch der Stahl platte 49 - sind eben. Genau zentrisch aus der gemäß Fig. 4 linken Ebene 54 der Tragplatte 53 wächst nach links ein zylindrischer Ansatz 56, der koaxial zur geometrischen Längsachse 28 liegen kann. Er hat eine zentrale Durchgangsbohrung 57, die die Durchgangsbohrung 51 fortsetzt und die sich auch nach rechts durch die Tragplatte 53 hindurch fortsetzt. In einer Umfangs nut liegt ein O-Ring 58, der dicht an der Leibung der Durchgangsbohrung 51 anliegt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist der Außenumfang des Ansatzes 56 kleiner als der Durchmesser der Durchgangsbohrung 51, so daß - immer noch durch den O-Ring 58 abgedichtet - die Tragplatte 53 ein wenig um die Längsachse 28 kippen kann ohne in der Durchgangsbohrung 51 anzuecken.

Auf der Stahlplatte 94 und der Tragplatte 53 kann man sich Koordinaten achsen 59, 61 vorstellen, die einen Ursprung 62 haben. Mit dem Ursprung 62 als Mitte ist in der Stahlplatte 49 eine Gewindebohrung 63 vorgesehen. Oberhalb der Durchgangsbohrung 51 auf der Koordinatenachse 61 ist eine Gewindebohrung 64 vorgesehen und entsprechend einer Schraube 66 ist auf der Koordinatenachse 59 in der Stahlplatte 49 ebenfalls eine nicht gezeichnete Gewindebohrung vorgesehen. Da die Gestaltungen insoweit gleich sind, wird nunmehr nur auf die in Fig. 4 oben aufgebrochene Partie Bezug genommen. In der Gewindebohrung 64 ist eine Gewindehälfte 67 einer Schraube 68 einge schraubt, die als Differentialschraube ausgebildet ist. Die Steigung ihrer anderen Gewindehälfte 69 ist entgegengesetzt. In ihrem äußeren Endbereich hat die Gewindehälfte 69 einen Innensechskant 71. Der nicht mit Gewinde versehene Mittenteil 72 der Schraube 68 liegt in einer metallischen Hülse 73, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Gewindebohrung 64, so daß sie auf der Stahlplatte 49 mit ihrer linken Stirnfläche aufsteht. In ihrem linken Bereich trägt sie außen ein Tellerfederpaket 74, das sich unter Vorspannung an der rechten Fläche der Stahlplatte 49 abstützt. Rechts stützt sich das Tellerfederpaket 84 am Boden 76 einer Einsenkung 77 ab, die in die Ebene 54 eingearbeitet ist. Koaxial zur Einsenkung 77 ist in der Tragplatte 53 eine Durchgangsbohrung 78 vorgesehen, deren Durchmesser etwas größer ist als der Außendurchmesser der Hülse 73 so daß die oben erwähnte Verkippung möglich ist. Etwa die Hälfte der Hülse 73 ragt in die Durchgangsbohrung 78. Nach rechts setzt sich die Durchgangsbohrung 78 in eine Erweiterungsbohrung 79 fort, in die eine Stahlhülse 81 eingepresst ist. Deren rechte Stirnfläche 82 ragt ein wenig über die rechte Ebene 83 der Tragplatte hinaus. Eine Sechskant-Mutter 84 hat ein Innengewinde und setzt sich mit einem Bund 86 nach links fort, der in der Stahlhülse 81 mit Spiel liegt. Auf der - natürlich aus Stahl bestehenden - Stirnfläche 82 sitzt damit die Mutter 84 mit ihrer über den Bund 86 hinausragenden Stufe 87 auf und kann sich damit nicht in das Aluminium der Tragplatte 53 ein graben. Die Stahlhülse 81 ist innerhalb der Erweiterungsbohrung 59 unver rückbar. Um die Stahlhülse 81 herum sind drei Gewindelöcher 88 vorge sehen, in die Schrauben 89 eingeschraubt sind, die einen Deckel 91 aus Aluminium halten, der zwar die Sechskant-Mutter 84 von außen abdeckt, jedoch in einer Mittenbohrung 92 den Innensechskant 71 und den rechten Teil der Gewindehälfte 69 freiläßt. Die Schrauben 66 und 89 werden durch eine gleiche Schraube 93 ergänzt. Alle drei Schrauben sind aus Invar (eingetragenes Warenzeichen)-Stahl.

Koaxial zur geometrischen Längsachse 28 ist auf der Ebene 83 ein Zwischen ring 94 aufgeschraubt, der eine koaxiale Durchgangsbohrung 96 aufweist. Er ist mit Schrauben 97 gasdicht gegen die Ebene 83 geschraubt. Der Zwischen ring 94 ist kreiszylindrisch. Auf seine rechte Stirnfläche 98 ist ein Fassungs ring 99 mit Schrauben 101 geschraubt. Der Fassungsring 99 hat eine Durchgangsbohrung 102, die im Durchmesser größer ist als die Durchgangs bohrung 96, so daß dort eine ringförmige Anlagefläche für den äußeren in Fig. 4 linken Ringbereich des Spiegelkörpers 44 entsteht. Er liegt dort gasdicht an. Sein Außenumfang paßt in die Durchgangsbohrung 102 und wird insoweit dort geführt. Der Boden 103 des Fassungsrings 99 ist weniger hoch als der Spiegelkörper 44 dick ist. Auf dem rechten äußeren Randbereich des Spiegelkörpers 44 liegt die linke Stirnfläche 104 eines Druckrings 106 auf, der eine kegelige koaxiale Innenbohrung 107 hat und der nach links durch Schrauben 107 gedrückt wird, deren Schaft den Fassungsring 99 in Durchgangsbohrungen durchqueren und deren Gewinde in den Zwischenring 94 eingeschraubt sind. Wenn man also den Spiegelkörper 44 auswechseln will, so muß man nur den Druckring 106 abschrauben, und kann den eventuell beschädigten Spiegelkörper 44 entnehmen.

Beim Justieren wird die im Ursprung 92 der Koordinaten 59, 61 liegende Schraube 93 nicht verstellt. Dreht man die Schraube 68 und läßt auch die Schraube 66 unverstellt, dann kippt der Spiegelkörper 44 um die Koordinaten achse 59, d.h. der Laserstrahl wandert aufwärts oder abwärts. Analoges gilt, wenn man die Schraube 66 verstellt aber die Schrauben 93 und 68 unverstellt läßt. Auf die Schrauben 66, 68, 93 kann man Siegellack aufbringen. Man kann sie auch an geeigneter Stelle durchbohren und mit einem Draht verplomben. Ferner kann man über den Deckeln 91 völlig verschließende Deckel vorsehen.

Claims

1. Vorrichtung für einen modularen CO₂ -Laser,
mit zwei End-Flansch-Vorrichtungen,
mit mindestens einer Zwischen-Flansch-Vorrichtung,
mit mindestens einem metallischen biegesteifen Tragrohr, dessen beide Endbereiche in den End-Flansch-Vorrichtungen fest gefaßt sind und in dessen Mittenbereich(en) die Zwischen-Flansch-Vorrichtung(en) befestigt ist (sind),
mit Gasrohren im Bereich zwischen den End-Flansch-Vorrichtungen,
welche Gasrohre einen Wärme-Ausdehnungskoeffizienten anders als das Tragrohr haben und die in den Flansch-Vorrichtungen wärmeausdehnungs mäßig floatend an ihren Endbereichen gefaßt sind,
mit mindestens einer höchstens teildurchlässigen Spiegelvorrichtung an mindestens einer der End-Flansch-Vorrichtungen, wobei die Spiegel vorrichtung eine massive Tragplatte umfaßt, die die Fassung für den Spiegel und den darin gefassten Spiegel trägt,
und mit einer Justier-Schraubvorrichtung, die eine Referenzstelle und zwei Schrauben aus Metall umfaßt, wobei die Referenzstelle den Koordinatenursprung bildet und die beiden Schrauben in der X-Achse bzw. Y-Achse liegen und durch Drehen mindestens einer der Schrauben die Spiegelebene justierbar ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale,

a) Das Metall des Rohres hat keinen besonders niederen Wärme- Ausdehnungskoeffizienten.
b) Die Schrauben sind aus einem Metall mit besonders niederem Wärme-Ausdehnungskoeffizienten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr ein Hydraulik-Rohr ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenz stelle eine Schraube aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrauben gegen unbefugtes Verdrehen gesichert sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schrauben an der Spiegelvorrichtung für den teildurchlässigen Spiegel befinden.