DE3904421A1 - Active stabilisation of laser resonators - Google Patents
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Abstract
Description
1. Aktive Stabilisierung von Laser-Resonatoren.1. Active stabilization of laser resonators.
2. Die Erfindung betrifft solche Laser, deren Resonator aus zwei oder mehreren Spiegeln besteht, von denen mindestens einer teildurchlässig ist und damit das "Auskoppelfenster" der Strahlung in den Raum bildet. Besonders geeignet ist die Erfindung für Leistungslaser in der Materialbearbeitung und der Medizin.2. The invention relates to such lasers, the resonator of which two or more mirrors, of which at least one is partially permeable and thus the "decoupling window" of the Forms radiation in the room. The is particularly suitable Invention for power lasers in material processing and Medicine.
3. Sinn der Anwendung von Lasern in der Materialbearbeitung ist es, das Material des Werkstücks durch hohe Strahlleistung örtlich begrenzt aufzuschmelzen, zu verdampfen, zu verbrennen oder zu koagulieren. Die dazu nötige hohe Leistungsdichte erhält man, indem man den Strahl, der bei Lasern selbst schon eine hohe Leistungsdichte hat, mittels einer Linse oder eines Spiegels auf das Werkstück fokussiert.3. The purpose of using lasers in material processing is it, the material of the workpiece due to high beam power locally limited melting, evaporation, burning or to coagulate. The high power density required for this is obtained by the beam, which is already high in lasers Power density has, by means of a lens or a mirror the workpiece is focused.
Die Wirkung dort resultiert einerseits aus der Wellenlänge der Strahlung, denn sie bestimmt, wie gut sie vom Werkstoff absorbiert oder reflektiert wird und wie tief sie in den Werkstoff eindringen kann. Andererseits aus der Leistung des Lasers bzw. des Strahls, denn ihr entspricht die in der Zeiteinheit ins Werkstück eingebrachte Energie.The effect there results on the one hand from the wavelength of the Radiation, because it determines how good it is from the material is absorbed or reflected and how deep it is in the Material can penetrate. On the other hand, from the performance of the Laser or the beam, because it corresponds to that in the Unit of time energy introduced into the workpiece.
Überdies hängt die Wirkung ab von der Leistungsdichte (Watt/mm²) im Fokus, denn je höher sie ist, desto schneller wird das zu bearbeitende Material aufgeschmolzen, verdampft oder verbrannt.Furthermore, the effect depends on the power density (Watt / mm²) in focus, because the higher it is, the faster it will be the material to be processed is melted, evaporated or burned.
Die Leistungsdichte im Fokus eines Lasers richtet sich bei gegebener Gesamtleistung noch nach dem Durchmesser des Fokus d, verallgemeinert:For a given total power, the power density in the focus of a laser depends on the diameter of the focus d , generalized:
f: Brennweite der Linse
λ: Wellenlänge der Strahlung
D: Durchmesser des Strahls auf der Linse
g ϕ gibt die Ordnung des axialen Transversalmodes an, g r die des
radialen Transversalmode. f : focal length of the lens
λ : wavelength of the radiation
D : diameter of the beam on the lens
g ϕ specifies the order of the axial transverse mode, g r that of the radial transverse mode.
Moden höherer Ordnung vergrößern den Fokusdurchmesser d. Bei sonst gleichen Laserbedingungen, wie Strahldurchmesser auf der Linse, Brennweite der Linse, Wellenlänge und Gesamtleistung der Strahlung, sinkt die Leistungsdichte, das Ergebnis der Bearbeitung wird dadurch schlechter.Higher order modes increase the focus diameter d . If the laser conditions are otherwise the same, such as beam diameter on the lens, focal length of the lens, wavelength and total power of the radiation, the power density drops and the result of the processing is worse.
Es ist demnach anzustrebenAccordingly, it should be aimed at
- A) eine Intensitätsverteilung mit einem Mode von möglichst niedriger Ordnung, undA) an intensity distribution with a mode of possible lower order, and
- B) daß der erreichte Mode stabil ist.B) that the mode achieved is stable.
Hierzu sei ein Beispiel aufgeführt (siehe dazu Abb. 1): Dargestellt sind verschiedene Intensitätsverteilungen eines Lasers mit Gaußverteilung, die Kurven stammen vom selben Laser.An example is given here (see Fig. 1): Different intensity distributions of a laser with Gaussian distribution are shown, the curves come from the same laser.
Die Kurve (21) zeigt den optimal justierten Resonator, d. h. der Laser schwingt im Grundmode, dem sogenannten "Transversalen elektromagnetischen TEM00", mit g d =0 und g r =0. Die Kurve (23) zeigt die Intensitätsverteilung desselben Lasers bei leicht dejustiertem Resonator. Durch die Beimischung eines Ringmodes, des "Transversalen elektromagnetischen Mode, TEM01" (22), mit dem Ordnungszahlen g ϕ =0 und g r =1, zum Grundmode ergibt sich ein deutlich flacherer Verlauf der Intensitätsverteilung, sowie einen etwas größeren Strahldurchmesser D 23 gegenüber D 21.The curve ( 21 ) shows the optimally adjusted resonator, ie the laser oscillates in basic mode, the so-called "transverse electromagnetic TEM00", with g d = 0 and g r = 0. The curve ( 23 ) shows the intensity distribution of the same laser with a slightly misaligned resonator. The addition of a ring mode, the "Transversal Electromagnetic Mode, TEM01" ( 22 ), with the ordinal numbers g ϕ = 0 and g r = 1, to the basic mode results in a significantly flatter course of the intensity distribution and a somewhat larger beam diameter D 23 compared D 21 .
Wenn man die entsprechenden Zahlen in die Gleichung [1] einsetzt, und berücksichtigt, daß die Fokusfläche mit dem Quadrat des Fokusdurchmessers d wächst, ergibt sich für den dejustierten Laser (23) eine um gut 20% verringerte Leistungsdichte, das Ergebnis der Bearbeitung wird schlechter.If one puts the corresponding numbers into the equation [1] and takes into account that the focus area grows with the square of the focus diameter d , the misaligned laser ( 23 ) has a power density which is reduced by a good 20%, the result of the processing becomes worse .
Die Leistung P ist in beiden Fällen annähernd gleich. Sie ist bestimmt durch das Integral der Intensität I(r) über die Strahlquerschnittsfläche:The power P is approximately the same in both cases. It is determined by the integral of the intensity I (r) over the beam cross-sectional area:
Durch Rotation der Intensitätsverteilung (21) bzw. (23) um die Strahlachse (12) kann man sich die Leistung anschaulich machen. Eine drastische Verringerung des Volumens im Zentrum durch schwächeres I max wird leicht durch das zusätzliche Volumen einer nur geringen Aufweitung des Strahls ausgeglichen.The power can be visualized by rotating the intensity distribution ( 21 ) or ( 23 ) around the beam axis ( 12 ). A drastic reduction in the volume in the center due to weaker I max is easily compensated for by the additional volume of only a slight expansion of the beam.
Durch thermische und mechanische Störungen des optischen Resonators, insbesondere geringste Längenänderungen des Aufbaus, Verstellungen der Spiegel, oder Dickenänderungen des Auskoppelfenstes, zeigt jeder Laser Instabilitäten des Modes. Besonders gilt dies für Leistungslaser, bei denen die optischen Bauelemente starken thermischen Belastungen ausgesetzt sind.Due to thermal and mechanical disturbances of the optical Resonators, in particular the smallest changes in length of the structure, Adjustments of the mirrors, or changes in thickness of the Auskoppelfenstes, each laser shows instabilities of the mode. This is especially true for power lasers where the optical Components are exposed to strong thermal loads.
4. Üblicherweise versucht man mit mechanischen und thermischen Mitteln den Laser passiv zu stabilisieren, so daß eine einmal vorgenommene Justierung des Resonators auf optimalen Mode möglichst lange bestehen bleibt.4. Usually one tries with mechanical and thermal means to passively stabilize the laser, so that a once made adjustment of the resonator to optimal Fashion persists as long as possible.
5. Trotzdem ist eine Modenstabilität während der Aufwärmephase, die unter Umständen Stunden dauern kann, nicht gewährleistet. Dasselbe gilt für den Mischbetrieb mit unterschiedlich langen An-Aus-Phasen.5. Nevertheless there is a mode stability during the warm-up phase, which may take hours, is not guaranteed. The same applies to mixed operation with on-off phases of different lengths.
Auch ist die optimale Grundjustierung des Lasers über Wochen oder Monate nicht garantiert, als Beispiel sei das Setzen der Spiegel in ihren Fassungen erwähnt.Also the optimal basic adjustment of the laser over weeks or Months not guaranteed, as an example is the setting of the mirror mentioned in their versions.
6. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser vom Beginn der Aufwärmphase an ständig und automatisch auf seinen maximalen Mode aktiv zu regeln und so Kurzzeit- und Langzeitstabilität zu erreichen. Außerdem soll sie, unter Verzicht auf Vorrichtungen zur passiven Stabilisierung, die aufwendige mechanische Elemente enthält, zu leichteren und billigeren Laserkonstruktionen führen.6. The invention has for its object a laser from Start of the warm-up phase constantly and automatically on his to actively regulate maximum fashion and so short-term and To achieve long-term stability. In addition, it should, under No passive stabilization devices contains complex mechanical elements, lighter and lead to cheaper laser designs.
7. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Vorrichtung und Verfahren nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.1. (Abb. 2).7. This object is achieved by the device and method according to the characterizing features of claim 1.1. ( Fig. 2).
Ein Meßgerät (6) ist entweder hinter dem leicht durchlässigen Rückspiegel (5) eines Lasers angeordnet (1-3% Transmission), oder auch vor dem Auskoppelspiegel (8) oder zwischen den Spiegeln. In den letztgenannten beiden Fällen muß es so gestaltet sein, daß es nur einen geringen Teil der Strahlung zu Meßzwecken nutzt, den Großteil der Strahlung ungehindert passieren läßt.A measuring device ( 6 ) is either arranged behind the slightly transparent rear-view mirror ( 5 ) of a laser (1-3% transmission), or in front of the decoupling mirror ( 8 ) or between the mirrors. In the latter two cases, it must be designed in such a way that it uses only a small part of the radiation for measurement purposes and allows the majority of the radiation to pass unhindered.
Es dient zur Aufnahme der Intensitätsverteilung. Insbesondere das zeitlich veränderliche Maximum der Intensität, I max (Abb. 1), muß sich aus seinem Signal ermitteln lassen.It is used to record the intensity distribution. In particular, the temporally variable maximum of the intensity, I max ( Fig. 1), must be determined from its signal.
Das Signal des Meßgeräts wird einer Regeleinheit (7), zum Beispiel einem programmierbaren Rechner, zugeleitet, dort aufbereitet und abgespeichert. Nach Vergleich mit früheren Intensitätsverteilungen wird - gegebenenfalls - die Stellvorrichtung (1, 2, 3, 8) aktiviert, bis der optimale Mode wiederhergestellt ist. Das Programm des Rechners ist angepaßt dem thermischen Verhalten des Lasertyps, seinen Zeitkonstanten und kann u. U. lernfähig gestaltet sein. Durch tastende Bewegungen der Stellelemente und "Suchläufe" wird der Laser auf absolute Modenmaxima geführt.The signal from the measuring device is fed to a control unit ( 7 ), for example a programmable computer, where it is processed and stored. After comparison with previous intensity distributions, the adjusting device ( 1, 2, 3, 8 ) is activated, if necessary, until the optimal mode is restored. The program of the computer is adapted to the thermal behavior of the laser type, its time constant and can u. U. be designed to be learnable. The laser is guided to absolute mode maxima by groping movements of the control elements and "searches".
8.1. Leistungslaser weisen verstärkt thermische Instabilitäten auf, die sich bevorzugt in Laserlängsrichtung auswirken. In diesem Fall ist es angebracht, die Stellvorrichtung nach Anspruch 1.2. und 2.2. zu konstruieren (siehe Abb. 3). 8.1. Power lasers increasingly have thermal instabilities, which preferably have an effect in the longitudinal direction of the laser. In this case it is appropriate to set the actuating device according to claim 1.2. and 2.2. to be constructed (see Fig. 3).
Hier sind drei Aktuatoren (1, 2, 3) an den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks auf einem Teilkreis um den Durchstoßungspunkt der Laserlängsachse am Spiegelhalter (8) montiert und werden mittels Federn o. ä. gegen ein Widerlager (10) gedrückt.Here three actuators ( 1, 2, 3 ) are mounted on the corner points of an equilateral triangle on a pitch circle around the point of penetration of the longitudinal laser axis on the mirror holder ( 8 ) and are pressed against an abutment ( 10 ) by means of springs or the like.
Der Vorteil dieser Stellvorrichtung besteht darin, daß durch gleichzeitiges sowie gleichsinniges Bewegen der drei Aktuatoren bzw. Motore der Spiegelhalter (8) und damit der an ihm befestigte Spiegel (4), Bewegungen ausschließlich in Richtung der Laserlängsachse (12) ausführen kann. So lassen sich Längenänderungen des Resonators über ein Vielfaches der Laserwellenlänge abfangen, ohne daß dadurch die Winkeljustage der Spiegel verändert werden muß.The advantage of this adjusting device is that by simultaneously moving the three actuators or motors in the same direction, the mirror holder ( 8 ) and thus the mirror ( 4 ) attached to it can perform movements only in the direction of the laser longitudinal axis ( 12 ). Changes in length of the resonator can thus be intercepted over a multiple of the laser wavelength without the angular adjustment of the mirrors having to be changed thereby.
Diese wird gegebenenfalls vorgenommen, indem die Motoren gegeneinander bewegt werden; Motor (1) mit Motor (2) gegen den Motor (3) kippt den Spiegel um die Querachse (13), Motor (1) gegen Motor (2) bei stehendem Motor (3) schwenkt den Spiegel um die Hochachse (14).If necessary, this is done by moving the motors against each other; Motor ( 1 ) with motor ( 2 ) against the motor ( 3 ) tilts the mirror around the transverse axis ( 13 ), motor ( 1 ) against motor ( 2 ) with the motor stopped ( 3 ) swivels the mirror around the vertical axis ( 14 ).
8.2. Eine besonders einfache Bauform des Meßgeräts (6) ergibt sich aus dem Anspruch 3.1. (Abb. 4).8.2. A particularly simple design of the measuring device ( 6 ) results from claim 3.1. ( Fig. 4).
Diese macht sich die Erkenntnis zunutze, daß das Maximum der Strahlintensität, I max, eindeutig und besonders empfindlich auf Änderungen des Modes, respektive Dejustierungen des Resonators reagiert, es folglich sinnvoll ist, die übrigen Strahlanteile einfach auszublenden und allein die Zone des Strahls mit höchster Intensität zu messen.This makes use of the knowledge that the maximum of the beam intensity, I max , reacts unambiguously and particularly sensitively to changes in the mode or, respectively, misalignments of the resonator, so it makes sense to simply hide the remaining beam components and only the zone of the beam with the highest intensity to eat.
So gewinnt man den Mittelwert der Strahlintensität dieser Zone, und wählt man die Blendenöffnung (18) klein genug, so entspricht er mit guter Näherung dem tatsächlichen Maximum, I max. Die Übereinstimmung ist um so besser, je kleiner die Blendenöffnung gewählt wird, und je besser sie der Zone höchster Intensität angepaßt ist.So you get the mean value of the beam intensity of this zone, and if you choose the aperture ( 18 ) small enough, it corresponds with good approximation to the actual maximum, I max . The agreement is the better, the smaller the aperture is chosen and the better it is adapted to the zone of highest intensity.
Für Laser mit gaußförmiger Verteilung (TEM00) ist eine günstige Blendenform eine Lochblende auf der Strahlachse mit einem Durchmesser der klein gegen dem Laserdurchmesser ist (Abb. 5). Für Laser mit ringförmigem Mode, TEM10, ist eine günstige Blendenform ein schmaler Ringspalt um das Zentrum des Strahls mit geringerer Intensität.For lasers with Gaussian distribution (TEM00), a favorable aperture shape is a pinhole on the beam axis with a diameter that is small compared to the laser diameter ( Fig. 5). For ring-shaped mode lasers, TEM10, a convenient aperture shape is a narrow annular gap around the center of the beam with lower intensity.
8.3. Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei der Verwendung eines Meßgeräts nach Anspruch 3.1. daraus, daß die Lage der Blendenöffnung fixiert ist. Da die Resonatorstabilisierung auf maximales I max hinter dieser feststehenden Blende regelt, so ist gleichzeitig eine stabile Lage des werkstückseitigen Fokus die Folge.8.3. Another advantage arises when using a measuring device according to claim 3.1. from the fact that the position of the aperture is fixed. Since the resonator stabilization regulates to a maximum I max behind this fixed aperture, a stable position of the focus on the workpiece is also the result.
8.4. In Abb. 6 ist eine Blende nach Anspruch 3.3. gezeigt. Diese ist in erster Linie für Laser mit TEM00 Mode geeignet. Durch die mittlere Öffnung der Blende wird der Strahlanteil mit höchster Intensität ausgeblendet und über den Miniaturspiegel (18) auf den Detektor (16) geworfen. Der zusätzliche ringförmige Spalt läßt einen Teil des Strahls aus der Zone mittlerer Intensität passieren (vgl. Abb. 1) und auf einen weiteren Detektor (17) fallen. Die Intensität dieser Zone ist nur in geringem Maße von der Modenform abhängig. Durch Vergleich des Signals von Detektor (16) mit Detektor (17) läßt sich ein empfindliches Regelsignal für den Resonatorzustand gewinnen, unabhängig von weiteren Betriebsparametern des Lasers. Das ist von Bedeutung bei Mischbetrieb des Lasers, wo die aktive Resonatorstabilisierung auch funktionieren soll, wenn die Leistung des Lasers durch Variation der Betriebsparameter (Entladungsstrom, Gaszusammensetzung bei CO₂-Lasern) ständig verändert wird.8.4. In Fig. 6 is an aperture according to claim 3.3. shown. This is primarily suitable for lasers with TEM00 mode. The beam portion is suppressed with the highest intensity through the central opening of the diaphragm and thrown onto the detector ( 16 ) via the miniature mirror ( 18 ). The additional annular gap allows part of the beam to pass out of the zone of medium intensity (see Fig. 1) and fall onto another detector ( 17 ). The intensity of this zone is only slightly dependent on the mode shape. By comparing the signal from the detector ( 16 ) with the detector ( 17 ), a sensitive control signal for the resonator state can be obtained, regardless of other operating parameters of the laser. This is important in mixed operation of the laser, where the active resonator stabilization should also work if the power of the laser is constantly changed by varying the operating parameters (discharge current, gas composition in CO₂ lasers).
Durch geeignete elektronische Schaltung ist bei den Meßgeräten sicherzustellen, daß die Drift der Detektoren kompensiert wird.A suitable electronic circuit is used for the measuring devices ensure that the drift of the detectors is compensated for.
Claims (7)
- - gekennzeichnet durch eine Stellvorrichtung an
mindestens einem oder beiden Resonatorspiegel(n) (1, 2, 3, 8),
sowie ein Meßgerät (6), das die Intensitätsverteilung des Lasers mißt,
sowie eine Regeleinheit (7), beispielsweise ein programmgesteuerter Rechner, die die Signale des Meßgeräts auswertet und den Resonator mittels der Stelleinrichtung ständig auf optimale Intensitätsverteilung regelt.
- characterized by an adjusting device on at least one or both resonator mirrors ( 1, 2, 3, 8 ),
and a measuring device ( 6 ) which measures the intensity distribution of the laser,
and a control unit ( 7 ), for example a program-controlled computer, which evaluates the signals of the measuring device and constantly regulates the resonator to an optimal intensity distribution by means of the adjusting device.
- - gekennzeichnet durch eine Stellvorrichtung, die reine Längenänderungen des Resonators über ein Vielfaches der Laserwellenlänge ermöglicht und getrennt davon den Resonatorspiegel (4) um zwei Achsen kippen läßt, die senkrecht aufeinander und zur optischen Achse des Lasers (12) stehen.
- - Characterized by an actuating device which allows pure changes in length of the resonator over a multiple of the laser wavelength and can separately tilt the resonator mirror ( 4 ) about two axes that are perpendicular to each other and to the optical axis of the laser ( 12 ).
- - gekennzeichnet durch eine Spiegelhalterung, bei der drei Akkuatoren so angeordnet sind, daß sie die Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks auf dem Spiegelhalter (8) bilden.
- - Characterized by a mirror holder, in which three accumulators are arranged so that they form the corner points of an equilateral triangle on the mirror holder ( 8 ).
- - gekennzeichnet dadurch, daß die Bewegung mittels Mikrometerschrauben und Schrittmotore und/oder Piezostellelementen erfolgt.
- - Characterized in that the movement is carried out by means of micrometer screws and stepper motors and / or piezo actuators.
- - gekennzeichnet durch eine feststehende Blende (15), deren Aussparung (18) der Modenform (= Intensitätsverteilung) des Lasers entsprechend gewählt wird, so daß nur ein kleiner Teil des Strahls aus der Zone höchster Intensität die Blende passiert und dahinter auf einen Detektor (16) fällt.
- - Characterized by a fixed aperture ( 15 ), the recess ( 18 ) of the mode shape (= intensity distribution) of the laser is selected accordingly, so that only a small part of the beam from the zone of highest intensity passes the aperture and behind it to a detector ( 16 ) falls.
- - gekennzeichnet durch Auswechselbarkeit der Blenden,
- - gekennzeichnet durch eine Lochblende für TEM00-Laser (15 a),
- - gekennzeichnet durch eine schmale Ringblende für TEM01-Laser (15 b).
- - characterized by interchangeability of the panels,
- - characterized by a pinhole for TEM00 laser ( 15 a ),
- - characterized by a narrow ring diaphragm for TEM01 lasers ( 15 b ).
- - gekennzeichnet durch eine Blende mit einer oder mehreren zusätzlichen Aussparungen in Zonen geringerer Strahlintensität (15 c) und getrennter Messung der sie passierenden Strahlung mit separatem Detektor (17).
- - Characterized by an aperture with one or more additional recesses in zones of lower beam intensity ( 15 c ) and separate measurement of the radiation passing through it with a separate detector ( 17 ).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19893904421 DE3904421A1 (en) | 1989-02-14 | 1989-02-14 | Active stabilisation of laser resonators |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19893904421 DE3904421A1 (en) | 1989-02-14 | 1989-02-14 | Active stabilisation of laser resonators |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3904421A1 true DE3904421A1 (en) | 1990-08-23 |
| DE3904421C2 DE3904421C2 (en) | 1992-06-11 |
Family
ID=6374063
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19893904421 Granted DE3904421A1 (en) | 1989-02-14 | 1989-02-14 | Active stabilisation of laser resonators |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3904421A1 (en) |
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| DE3904421C2 (en) | 1992-06-11 |
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