DE4230495A1 - Verfahren zur Veränderung der Ausgangsleistung von Laseranordnungen aus Kurzpulslasern durch zeitliche Synchronisation der Anregung der einzelnen Laser - Google Patents

Description

Bei gepulsten Lasern mit kurzer Pulsdauer (< 100 ns) ergibt sich die mittlere Ausgangsleistung aus der Pulsenergie und der Pulsfolgefrequenz. Ordnet man mehrere Laser so hintereinander an, daß sie dieselbe optische Achse besitzen, so kann man damit die mittlere Ausgangsleistung erhöhen. Eine bekannte Anordnung ist die Oszillator-Verstärkeranordnung, bei der im Oszillator erzeugtes Laserlicht in einem oder mehreren nachgeschalteten Lasern verstärkt wird.

Bei einer Oszillator-Verstärkeranordnung von Kupferdampflasern, wie in Bild 1 gezeigt, wird die zeitliche Abfolge der Anregung der einzelnen Laser durch eine Kontrolleinheit (Master-Timing-System, MTS) vorgenommen. Dabei werden Lichtsignale zu dem Oszillator und den einzelnen Verstärkern gesendet, mit denen der Schaltvorgang für die elektrische Anregung jedes einzelnen Lasers eingeleitet wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Oszillator-Verstärkeranordnungen ist bei der in Bild 1 gezeigten Konfiguration lediglich der Oszillator mit Resonatorspiegeln versehen.

Laserbetrieb wird deshalb nur im Oszillator erreicht, z. B. durch eine Anordnung, die als "Off-axes Unstable Cavity" bekannt ist, siehe Bild 2.

In Bild 3 ist der im Kupferdampflaser eingesetzte Entladungskreis dargestellt. Dieser besteht aus einer Hochspannungsversorgung, die es mit hoher Frequenz ermöglicht, eine Speicherkapazität C_s mit Spannungen von 10-20 kV zu laden. Wenn der Hoch­ leistungsschalter, in diesem Fall ein Thyratron, zündet, wird die Ladung der Speicherkapazität auf die direkt an der Entladungsröhre befindliche Kapazität C_p übertragen, die mit den Elektroden verbunden ist. Mit diesem Schwingkreis läßt sich die notwendige Zündspannung erreichen. Steigt jetzt die Spannung am Kondensator C_p an, wird das Gas in der Entladungsröhre leitend. Innerhalb weniger Nanosekunden entlädt der Kondensator C_p durch den niederinduktiven Stromkreis, der die Gasentladung und den externen Stromrückflußkreis beinhaltet.

Das Thyratron wird durch einen geeigneten Puls an sein Kontrollgitter geschaltet. Wenn es jedoch einmal leitet, so kann eine einfache Zurücksetzung in den nichtleitenden Zustand lediglich durch Abschalten der Spannung über das Thyratron oder einer kurzzeitigen negativen Spannung während des Zurücksetzens erfolgen. Damit lassen sich Schaltzyklen mit 10 kHz und mehr erreichen. Die Begrenzung zu höheren Schaltzyklen liegt nicht in den Schaltelementen, sondern in den kinematischen Prozessen im Lasermedium.

Mit Hilfe eines Detektors, im vorliegenden Fall einer Spule, wird der Schaltzeitpunkt festgestellt und über ein optisches Signal der Kontrolleinheit gemeldet. In der Kontrolleinheit befindet sich ein Frequenzgenerator, der es erlaubt, über den oben beschriebenen Ladekreis die Entladung mit vorgebbarer konstanter Frequenz zu betreiben. Mit Hilfe von elektrischen Verzögerungsgliedern kann dann der Schaltzeitpunkt der mit gleicher Frequenz betriebenen einzelnen Laser zeitlich gegeneinander verschoben werden, siehe Bild 4.

Bei Kupferdampflasern erfolgt die Anregung des optisch aktiven Mediums durch direkte Elektronenstoßanregung. Physikalisch bedingt ist eine Besetzungsinversion zwischen dem oberen und dem unteren Laserniveau nur für eine kurze Zeit (typischerweise 100 ns) existent.

Die Lebensdauer der unteren metastabilen Laserniveaus ist wesentlich länger, so daß eine permanente Besetzungsinversion nicht aufrecht erhalten werden kann. Hierdurch ergibt sich, daß Kupferdampflaser nur gepulste Laserstrahlung erzeugen können.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, bei einem Kurzpulslaser, hier ein Kupferdampflaser, eine schnelle Veränderung der Ausgangsleistung vorzunehmen. Üblicherweise wird dies erreicht, indem die Anregung durch Änderung der eingespeisten elektrischen Leistung verändert wird. Dies ist aufgrund der physikalischen Funktionsweise des Kupferdampflasers kontrolliert nur schwierig durchzuführen, da hier sowohl die Zahl der stoßfähigen Elektronen, als auch die Betriebstemperatur und somit die Anzahl der zur Laseraktivität fähigen Kupferatome verändert wird.

Im Gegensatz dazu wird im vorliegenden Patentantrag die Aufgabe erfindungsgemäß so gelöst, daß zwei oder mehrere Laser zu einer Laserkette kombiniert und die Schaltzeitpunkte der elektrischen Anregung der einzelnen Laser synchronisiert werden. Die aus dem jeweils vorletzten in den letzten Verstärker einfallenden Lichtpulse durchlaufen dann ein Medium, in dem abhängig von der Synchronisation eine weitere Verstärkung, eine Abschwächung oder eine Transparenz für den einfallenden Lichtpuls vorliegt. Gekennzeichnet ist dies durch einen Bereich, der als positiv oder aktiv zu bezeichnen ist, sowie einem Teil, der als negativ oder passiver Abschnitt bezeichnet werden kann, siehe Bild 5.

Unerwarteterweise ergab sich, daß durch Änderung der Verzögerungszeiten eine stufenlose, verzögerungsfreie (von Puls zu Puls) Variation der Leistung erreicht wird, die aus dem letzten Verstärker austreten kann.

Dabei kann die Abschwächung durch längere Verzögerungszeiten so stark sein, daß nur noch Licht den letzten Verstärker (Abschwächer) verläßt, das durch spontane Emission entstanden ist. Unerwarteterweise besitzt dieses Licht eine so geringe Leistung und weist eine so hohe Divergenz auf, daß es bei vielen Werkstoffen, z. B. bei Metallen wie Kupfer, nicht zu einer Werkstoffveränderung durch Strahl-Stoff- Wechselwirkung kommt.

Bei erfindungsgemäßem Handeln kann das Licht der spontanen Emission vorteilhaft für die Positionierung und Justage genutzt werden.

Ausführungsbeispiele Ausführungsbeispiel 1 "Leistungsveränderung"

Das vom Oszillator ausgesendete Licht durchläuft im folgenden zeitlich nacheinander die unterschiedlichen Verstärker. Liegt beim Durchlaufen des Oszillatorpulses im Verstärker eine Besetzungsinversion vor, so wird der Lichtpuls durch stimulierte Emission verstärkt. Sind dagegen die oberen Laserniveaus nicht mehr - oder nicht mehr vollständig - besetzt und existieren zu diesem Zeitpunkt die unteren metastabilen Niveaus, so kommt es durch stimulierte Absorption zu einer Abschwächung des Laserpulses durch Übergang von den unteren metastabilen in die oberen Laserniveaus. Zeitlich verzögert kann dann wieder eine Besetzungsinversion vorliegen. Hierdurch ist erst eine Voraussetzung für einen erneuten Laserbetrieb gegeben. Da aber zu diesem Zeitpunkt bereits der Lichtpuls des Oszillators durch das Laservolumen des Verstärkers gelaufen ist, sind die Voraussetzungen für eine stimulierte Emission nicht mehr gegeben und die Entleerung der oberen Laserniveaus erfolgt durch spontane Emission. Es existieren sehr viele metastabile Laserniveaus, so daß z. B. einfallende Strahlung mit wesentlich höherer Energie vollständig unterdrückt werden kann. Im vorliegenden Fall wurde mit einem 10 W-Kupferdampflaser-Verstärker eine einfallende Leistung von 60 W absorbiert.

Trifft die Welle des Oszillators zu einem Zeitpunkt in den Verstärker, in dem die oberen und unteren Laserniveaus entleert sind, so durchläuft der Laserpuls das Volumen ohne Veränderung (transparenter Bereich).

Wird in einer Anordnung, wie in Bild 1 gezeigt, die Synchronisation so vorgenommen, daß maximale Ausgangsleistung nach dem vorletzten Laser erreicht wird, so kann die im letzten Verstärker ankommende Laserstrahlung entweder verstärkt, teilweise oder vollständig abgeschwächt werden (bis auf die spontane Emission).

Damit besteht die Möglichkeit, durch die Synchronisation des letzten Verstärkers relativ zu den vorgeschalteten Lasern die Leistung zu verändern. Dies wird in einem Fall zur schnellen Veränderung der gewünschten Ausgangsleistung verwendet, in einem anderen Fall dazu, von außen bedingte Veränderungen der Leistung zu kompensieren.

Hiermit besteht die Möglichkeit der Materialbearbeitung mit veränderlicher Ausgangsleistung. In Bild 6 sind Leistung und Bohrgeschwindigkeit als Funktion der Verzögerungszeit zwischen letzten und vorletzten Verstärker einer Oszillator- Verstärkerkette dargestellt.

Ausführungsbeispiel 2 "Optischer Verschluß"

Bei der Materialbearbeitung mit Lasern setzt man den Werkstoff während einer bestimmten Zeit der Laserstrahlung aus. Dazu ist es notwendig, das Laserlicht bis zum Beginn der Bearbeitung verschlossen zu halten, z. B. durch einen mechanischen Verschluß, der zu einem bestimmten Zeitpunkt geöffnet, nach einer vorgegebenen Öffnungszeit wieder verschlossen wird. Mechanische Verschlüsse weisen eine bestimmte zeitliche Differenz zwischen vollständigem Verschließen und vollständigem Öffnen des Verschlußdurchmessers auf.

In einer Probe wurden mit Hilfe der o. g. Anordnung zwei Schnitte gelegt, in der ein mechanischer Verfahrtisch ausgehend von einer Position 0 nacheinander die Positionen 1, 2, 3 und 4 ansteuerte. In Bild 7 ist schematisch der Verfahrweg wiedergegeben. Bis zum Erreichen von Position 1 ist die Synchronisation der Laserkette so vorgenommen, daß nahezu keine (bis auf spontane Emission) Strahlung auf das Werkstück trifft, bis Position 2 ist die Synchronisation zwischen vorletztem und letztem Laser so vorgenommen, daß Verstärkung oder Transparenz vorherrscht. Zwischen Position 2 und 3 wurde die Synchronisation so gewählt, daß Absorption vorliegt, zwischen Position 3 und 4 erfolgte die Abstimmung des vorletzten und letzten Lasers derart, daß Verstärkung oder Transparenz erreicht werden konnte.

Die Steuerung der Handhabungseinheit zur Probenmanipulation unterliegt der gleichen Steuereinheit, die zur Synchronisation der einzelnen Laser in der Laserkette verwendet wird.

Ausführungsbeispiel 3 "Markieren und Strukturieren"

Mit Hilfe von ablenkbaren Spiegelsystemen wurde eine bestimmte Fläche sukzessiv belichtet. Dabei wird in Abhängigkeit eines äußeren Signals oder mit Hilfe eines Rechnerprogrammes in vorwählbarer Weise durch Veränderung der Synchronisation die Ausgangsleistung nach dem letzten Laser verändert, siehe Bild 8.

Damit besteht die Möglichkeit der Abbildung von Zeichen und Gegenständen. Bei niedriger Gesamtintensität kann dies zur Be- oder Ausleuchtung dienen, bei hoher Intensität findet eine Werkstoffveränderung bis hin zum Abtrag des belichteten Werkstoffvolumens statt. Im vorliegenden Beispiel wurde in eine Metallfolie ein Buchstabe geschnitten.

Ausführungsbeispiel 4 "Justier- und Positionierhilfe"

Als Justagehilfe werden bei kommerziell eingesetzten Lasern, die oftmals im nicht sichtbaren Bereich emittieren, Laser niedriger Leistung verwendet, deren sichtbares Licht in den Strahlengang des Bearbeitungslasers eingespiegelt wird, um eine Justage- und Positionierhilfe zu erhalten (z. B. Einspiegelung eines HeNe-Lasers in einen Nd:YAG-Laser).

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sollte in einem Metallteil, siehe Bild 9, ein Loch mittig eingebracht werden. Durch entsprechende Synchronisation des vorletzten und letzten Verstärkers in einer Laserkette wurde die Leistungsregelung derart eingesetzt, daß lediglich spontane Emission des letzten Verstärkergliedes zur Beleuchtung des Bauteils verwendet wurde. Hierdurch war eine optische Kontrolle der Positionierung des Laserstrahls möglich. Nach Erreichen des gewünschten Bearbeitungspunktes erfolgte durch Änderung der Synchronisation (Verstärkung/Transparenz) die Bearbeitung (Bohren eines Loches an der gewünschten Position des dargestellten Bauteils). Vorteilhaft wirkt sich hier aus, daß Laserlicht der gleichen Wellenlänge sowohl zur Positionierung als auch zur Bearbeitung verwendet wird. Hierdurch ergibt sich ein minimaler Fehler in der chromatischen Abberation, wie er beispielsweise bei der Verwendung eines HeNe- Lasers zum Positionieren und eines Nd:YAG- oder CO₂-Lasers zum Bearbeiten auftritt. Vorteilhaft wirkt sich weiterhin aus, daß eine optische Kontrolle des Bearbeitungsvorganges durch die sichtbare Strahlung des Kupferdampflasers möglich ist.

Ausführungsbeispiel 5 "Unterschiedliche Bearbeitungsaufgaben"

Die Einsatzmöglichkeiten für verschiedene Bearbeitungsaufgaben sind anhand der Abb. 10 dargestellt. Bei Verwendung des niederdivergenten Anteils des Laserlichts, der typisch bei 0,5 bis 0,05 mrad liegt, ist es möglich, Schnitte in z. B. metallische Werkstoffe einzubringen. Die Verstärkung des etwas höher divergenten Anteils des Laserlichts (z. B. 0,3 bis 3 mrad) führt bei der Fokussierung zu Leistungsdichten, die vorteilhaft für Schweißaufgaben, z. B. von Kupferdrähten genutzt werden können. Bei ausschließlicher oder bevorzugter Verstärkung des hochdivergenten Anteils des Laserlichts, typischerweise 1 bis 10 mrad, vorzugsweise 5 mrad, können Lötaufgaben, wie z. B. das Aufschmelzen von Blei-Zinn-Loten, erfüllt werden, ohne daß hierbei ein nennenswerter Anteil des aufgeschmolzenen Lotes verdampft.

Claims (15)

1. Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung des Oszillators und eines oder mehrerer nachgeschalteter Verstärker(s) zeitlich so synchronisiert werden, daß eine stufenlose Veränderung der Ausgangsleistung erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Laser in dieser Anordnung durch die jeweilige elektrische Anregungsleistung seine maximale Ausgangsleistung erreicht, die zu einer Gesamtleistung summiert werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kupferdampflaser in einer Kette hintereinandergeschaltet sind.

4. Verfahren nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle hintereinandergeschalteten Kupferdampflaser mit gleicher Pulsfolgefrequenz betrieben werden.

5. Verfahren nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich der Oszillator mit Resonatorspiegeln versehen ist.

6. Verfahren nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der letzte Laser in der Kette als Verstärker oder Abschwächer der in den letzten Verstärker eintretenden Laserstrahlung durch Veränderung des Schaltzeitpunktes für die elektrische Anregung dieses Lasers dient.

7. Verfahren nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine so starke Abschwächung erfolgt, bei der nur noch Fluoreszenzstrahlung aufgrund spontaner Emission den letzten Laser verlassen kann.

8. Verfahren nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der letzte Verstärker eine max. Ausgangsleistung besitzt, die mindestens 10% der Summe der maximalen Ausgangsleistungen der vorgeschalteten Verstärker, vorzugsweise 100% der Summe der maximalen Ausgangsleistungen der vorgeschalteten Verstärker beträgt.

9. Verfahren nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeschwächte Laserstrahl, der den letzten Verstärker verläßt, als Justierhilfe verwendet wird.

10. Verfahren nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß diese Anordnung als Strahlverschluß einsetzbar ist.

11. Verfahren nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisation zwischen den einzelnen Lasern dazu verwendet wird, bei einem Strahl mit einem Puls, der eine zeitlich veränderliche Divergenz aufweist, einen oder mehrere dieser Pulsanteile selektiv zu verstärken oder abzuschwächen.

12. Verfahren nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisation durch Vorgabe eines äußeren Stellsignals in Echtzeit (von Puls zu Puls) erfolgt.

13. Verfahren nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch ein Rechnersignal vorgegebener zeitlicher Leistungsverlauf durch Veränderung der Synchronisation stufenlos einstellbar ist.

14. Verfahren nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der den letzten Laser verlassenden Strahlung durch die Vorgabe eines Detektorsignals analog oder digital erfolgt. Ein geeignetes Meßgerät kann ein Leistungsmeßgerät, ein Photodetektor oder ein Pyrometer sein.

15. Verfahren nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Bearbeitungsaufgaben, die verschiedene Leistungsdichten erfordern, mit der gleichen Maschinenanordnung und Optik dadurch realisiert werden, daß durch Synchronisation ausschließlich oder bevorzugt Laserlicht einer bestimmten Divergenz verstärkt wird.