DE4331389A1 - Festkörperlaservorrichtung und Laserbearbeitungsvorrichtung - Google Patents

Festkörperlaservorrichtung und Laserbearbeitungsvorrichtung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Festkörperlaservor­ richtung, die einen Laserstrahl hoher Qualität und hoher Leistung erzeugt, und eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Durchführung einer Laserbearbeitung mit Hilfe des von der Laservorrichtung erzeugten Laserstrahles hoher Qualität.
Die Fig. 1a und 1b zeigen eine herkömmlich ausgebildete Laservorrichtung, die beispielsweise in der US-PS 38 03 509 offenbart ist, im Schnitt. In diesen Figuren ist mit 1 ein Totalreflektionsspiegel, mit 2 ein Teilreflektionsspiegel und mit 3 eine Festkörperkomponente, die ein aktives Fest­ körpermedium enthält, bezeichnet. In einem YAG-Laser wird beispielsweise Nd als aktives Festkörpermedium dotiert, um Nd : YAG (Yttrium Aluminium Granat) zu erzeugen, wobei das Nd : YAG eine Oberflächenrauhigkeit von etwa 50 µ′′ RMS be­ sitzt, um eine parasitäre Schwingung zu vermeiden. Mit 4 ist eine Lichtquelle, wie eine Bogenlampe, mit 5 eine Strom­ quelle zum Einschalten der Lichtquelle und mit 6 ein Konden­ sor für die Lichtquelle bezeichnet. Beispielsweise ist der Kondensor 6 im Schnitt elliptisch ausgebildet, wobei eine Innenfläche desselben eine Lichtreflektionsfläche aufweist. Mit 14 ist ein Lichtstrahl bezeichnet, der in einem Laser­ resonator erzeugt wird, welcher die Spiegel 1 und 2 auf­ weist. Mit 9, 900 sind zylindrische Rohre bezeichnet, die den Durchfluß eines Mediums 70 einstellen, das die Licht­ quelle 4 und die das aktive Medium aufweisende Festkörper­ komponente 34 peripher kühlen. Das zylindrische Rohr 900 be­ sitzt eine rauhe Oberfläche. Mit 7 ist ein Dichtungsmate­ rial, beispielsweise ein O-Ring bezeichnet. 81, 82 bezeich­ nen eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung für das Kühl­ medium 70. 15 bezeichnet einen von außen kommenden Laser­ strahl, und mit 8 ist eine Basis bezeichnet.
Die herkömmlich ausgebildete Festkörperlaservorrichtung ist in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebildet. Bei die­ ser Vorrichtung sind die Lichtquelle 4 und das Festkörperme­ dium 3 in einem Brennpunkt des Kondensors, der im Schnitt elliptisch ausgebildet ist, angeordnet, die Lichtquelle 4 wird von der Stromquelle 5 zur Abgabe von Licht eingeschal­ tet, und das abgegebene Licht wird an einer Stufe zerstreut, so daß es durch das die rauhe Oberfläche aufweisende zylin­ drische Rohr 900 läuft und gleichmäßig in Umfangsrichtung auf das Festkörpermedium trifft. Das Festkörpermedium wird durch das Licht erregt, so daß es zu einem Lasermedium wird. Durch das Lasermedium wird Licht einer spontanen Emission erzeugt und während des Hin- und Herlaufes im die beiden Spiegel 1 und 2 aufweisenden Resonator verstärkt. Wenn das Licht der spontanen Emission eine vorgegebene Größe oder mehr besitzt, wird das Licht außen als Laserstrahl 15 mit gutem Lichtfaktor abgegeben. Des weiteren werden die Licht­ quelle 5 und die Festkörperkomponente 3 durch das im zylin­ drischen Rohr 900 zirkulierende Kühlmedium 70 peripher ge­ kühlt.
Bei der vorstehend beschriebenen herkömmlichen Laservorrich­ tung bestrahlt und erregt das von der Lichtquelle abgegebene Licht die Festkörperkomponente in Umfangsrichtung gleich­ mäßig. Die Festkörperkomponente wird jedoch in der Nachbar­ schaft eines mittleren Abschnittes derselben stark erregt. Es tritt daher eine Erregungsverteilung auf, so daß in bezug auf die Qualität des in diesem Abschnitt erzeugten Laserme­ diums Schwankungen erzeugt werden. Folglich ist es unmög­ lich, einen Strahl hoher Qualität mit gutem Konzentrations­ vermögen vorzusehen.
Fig. 2 zeigt die Ergebnisse eines Versuchs, bei dem das Licht spontaner Emission aus einer axialen Richtung der Festkörperkomponente ohne einen optischen Resonator beob­ achtet wurde. Der Versuch wurde gemäß der US-PS 38 03 509 durchgeführt. Die Versuchsergebnisse sind in "Applied Optics", Band 14, Nr. 5, S. 1192 offenbar.
In Fig. 2 ist die Intensität des Lichtes der spontanen Emission durch die konturierten Linien angegeben. Die Lichtintensität ist hierbei an einem mittleren Abschnitt am höchsten und nimmt in sektionaler Richtung zu einem Umfangs­ abschnitt zu.
Da Licht von der Lichtquelle in Umfangsrichtung die Festkör­ perkomponente gleichmäßig bestrahlen kann, da das zylin­ drische Rohr 900 die rauhe Oberfläche besitzt, ist in Um­ fangsrichtung eine gleichmäßige Verteilung vorhanden. Man kann jedoch ebenfalls feststellen, daß insbesondere am Um­ fangsabschnitt in sektionaler Richtung eine extrem konzen­ trierte Verteilung erzeugt wird.
Des weiteren ist es bei der herkömmlich ausgebildeten Fest­ körperlaservorrichtung möglich, nur Licht zu verwenden, das eine spezielle Wellenlänge für die Laserabgabe an Licht (Energie) von der Erregerlichtquelle 4, absorbiert durch die Festkörperkomponente 3, hat. Das Licht, das andere Wellen­ längen besitzt, wird durch die Festkörperkomponente 3 absor­ biert, so daß die Festkörperkomponente erhitzt wird. Obwohl es erforderlich ist, die Festkörperkomponente 3 zu kühlen, besteht diesbezüglich keine Wahlmöglichkeit, sondern die Festkörperkomponente 3 muß infolge von baulichen Begrenzun­ gen der Festkörperlaservorrichtung in Umfangsrichtung ge­ kühlt werden. Folglich tritt eine Temperaturverteilung im Schnitt der Festkörperkomponente 3 auf, wobei diese einen heißen mittleren Abschnitt und einen Umfangsabschnitt auf­ weist, der kälter ist als der mittlere Abschnitt.
Folglich besitzt der Brechungsindex der Festkörperkomponente 3 eine der Temperaturverteilung im Schnitt entsprechende Verteilung, was zu einer verzerrten Wellenfront des die Festkörperkomponente 3 passierenden Laserlichtes 9 führt. Daher kann das Laserlicht 9 im Resonator auf typische Weise konzentriert werden. Eine solche Laserstrahlkondensier- bzw. Konzentrierwirkung durch die Festkörperkomponente wird als Heizlinsenwirkung der Festkörperkomponente bezeichnet. Diese Heizlinsenwirkung der Festkörperkomponente bewirkt eine un­ stabile Funktionsweise des Laserresonators. Folglich wird ein Abschnitt des Laserlichtes 9 im Laserresonator gerin­ ger, und der emittierte Laserstrahl 15 wird unregelmäßig di­ vergiert, da die Größe der Heizlinsenwirkung in Abhängigkeit von Schwankungen der Energiezufuhr zur Stromquelle 5 variiert. Es bestehen daher diverse Probleme, daß beispiels­ weise der Laserstrahl von einem Durchgangsspiegel abweicht, wenn er vom Durchgangsspiegel in eine Bearbeitungsstufe o. ä., die den Laserstrahl verwendet, übertragen wird, und daß eine beständige Bearbeitung nicht durchgeführt werden kann, da eine Brennpunktsposition des Laserstrahles bis zur Stabilisierung der Heizlinsenwirkung nicht genau definiert werden kann, wenn der Laserstrahl über eine Linse konzen­ triert wird, wie sie zur Bearbeitung verwendet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Festkörperla­ servorrichtung zu schaffen, bei der Licht in gleichmäßiger Weise in eine Festkörperkomponente eingeführt und ein Laser­ strahl hoher Leistung und hoher Qualität unter Verwendung eines gleichförmigen Lasermediums erzeugt werden kann. Fer­ ner soll erfindungsgemäß eine Laserbearbeitungsvorrichtung hoher Qualität unter Verwendung dieses Laserstrahles zur Verfügung gestellt werden.
Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung einer Festkör­ perlaservorrichtung, mit der eine stabile Funktionsweise des Lasers durch Korrektur der Heizlinsenwirkung der Festkörper­ komponente unter Bedingungen einer veränderlichen Energie zu­ fuhr erreicht werden kann, sowie die Schaffung einer Fest­ körperlaservorrichtung, die eine Laserabgabe durch variierende Resonatorbedingungen unter einem konstanten Pumpzustand pulsen kann.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist zur Lösung der vorstehend angegebenen Aufgabe eine Festkörperla­ servorrichtung vorgesehen, bei der eine Festkörperkomponente peripher durch eine Flüssigkeit gekühlt wird, die einen niedrigeren Brechungsindex besitzt als die Festkörperkompo­ nente, Licht von einer Erregerlichtquelle durch eine Lichterregungsvorrichtung einschließlich eines optischen Systems in die Festkörperkomponente eingeführt wird, um die Festkörperkomponente zu erregen, und bei der eine Erregungs­ verteilung in einem Schnitt bzw. Abschnitt der Festkörper­ komponente durch Einstellung der Oberflächenrauhigkeit der Festkörperkomponente eingestellt werden kann.
Da somit bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Erregungsverteilung im Schnitt bzw. Abschnitt der Festkörperkomponente durch Ein­ stellung der Oberflächenrauhigkeit eingestellt wird, kann die Festkörperkomponente ein Laserstrahl ohne Wellenfront­ aberration des hindurchdringenden Laserstrahles passieren.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen, bei der eine Festkörperkomponente peripher durch eine Flüssigkeit gekühlt wird, die einen niedrigeren Brechungsindex als die Festkör­ perkomponente aufweist, Licht von einer Erregerlichtquelle durch eine Lichterregungsvorrichtung einschließlich eines optischen Systems in die Festkörperkomponente eingeführt wird, um die Festkörperkomponente zu erregen, und die Fest­ körperkomponente so eingestellt wird, daß sie eine Ober­ flächenrauhigkeit von 130 µ′′ RMS oder mehr besitzt.
Somit wird daher bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Festkör­ perkomponente so eingestellt, daß sie eine Oberflächen­ rauhigkeit von 130 µ′′ RMS oder mehr besitzt. Licht von einer Lichtquelle, das auf die Festkörperkomponente trifft, wird daher auf einer Oberfläche der Festkörperkomponente ge­ streut. Folglich dient die Festkörperkomponente dazu, die Brechungswirkung des Lichtes der Lichtquelle auf der Ober­ fläche der Festkörperkomponente zu reduzieren.
Gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung geschaffen, die einen Kon­ densor als Lichterregungsvorrichtung verwendet, um das Licht der Lichtquelle zu begrenzen.
Bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung begrenzt daher der Kondensor das Licht von der Lichtquelle, so daß das von einer rauhen Ober­ fläche der Festkörperkomponente gestreute Licht so begrenzt wird, daß es wieder in die Festkörperkomponente eingeführt wird.
Gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung geschaffen, bei der ein Kon­ densor Verwendung findet, der als Lichterregungsvorrichtung dient, um Licht von einer Lichtquelle zu begrenzen, und eine diffuse Reflexionsfläche an einem inneren Abschnitt auf­ weist.
Somit wird daher bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung das Licht der Lichtquelle durch den die diffuse Reflexionsfläche aufweisenden Konden­ sor begrenzt. Das von einer rauhen Oberfläche der Festkör­ perkomponente gestreute Licht wird daher so begrenzt, daß es wieder in die Festkörperkomponente eingeführt wird, und die diffuse Reflexionsfläche führt einen Ausgleich des Lichtes der Lichtquelle im Kondensor herbei.
Gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen, die eine Viel­ zahl von Festkörperkomponenten aufweist, die in der Richtung einer optischen Achse angeordnet sind.
Bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist daher die Vielzahl der Fest­ körperkomponenten in Richtung der optischen Achse angeord­ net, so daß die Länge eines Lasermediums ausgeweitet wird.
Gemäß dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen, bei der eine Vielzahl von Festkörperkomponenten in Axialrichtung dersel­ ben angeordnet ist und eine optische Vorrichtung zur Heiz­ linsenkorrektur, die mindestens eine optische Linse auf­ weist, besitzt, die in mindestens einen der Zwischenräume zwischen den entsprechenden Festkörperkomponenten eingesetzt ist.
Bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist daher die Vielzahl der Fest­ körperkomponenten in axialer Richtung angeordnet. Des weite­ ren ist die optische Vorrichtung zur Heizlinsenkorrektur in mindestens einen der Zwischenräume zwischen den entsprechen­ den Festkörperkomponenten eingesetzt, um eine Heizlinse der Festkörperkomponente zu kompensieren.
Gemäß dem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung geschaffen, bei der ein La­ serstrahl unter Verwendung eines stabilen Resonators von der Festkörperkomponente abgeleitet wird.
Somit dient bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung der stabile Reso­ nator dazu, einen gleichmäßigen Laserstrahl in einem Ab­ schnitt der Festkörperkomponente zu erzeugen.
Gemäß dem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung geschaffen, bei der ein Laser­ strahl unter Verwendung eines instabilen Resonators von der Festkörperkomponente abgeleitet wird.
Somit dient bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung der instabile Re­ sonator dazu, in einem Abschnitt der Festkörperkomponente einen gleichmäßigen Laserstrahl zu erzeugen.
Gemäß dem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen, bei der ein La­ serstrahl unter Verwendung eines Laserresonators von der Festkörperkomponente abgeleitet wird, der einen Austritts­ spiegel mit einem teilweise reflektierenden Abschnitt an ei­ nem mittleren Abschnitt und einem nicht reflektierenden Ab­ schnitt an einem Umfangsabschnitt und einen einzigen Total­ reflektionsspiegel oder ein optisches System zur Heizlinsen­ korrektur besitzt.
Daher besitzt bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung der Laserresonator den Austrittsspiegel, der den teilweise reflektierenden Ab­ schnitt am mittleren Abschnitt und den nicht reflektierenden Abschnitt am Umfangsabschnitt und den einzigen Totalreflek­ tionsspiegel oder das optische System zur Heizlinsenkorrek­ tur aufweist. Der Laserresonator erzeugt den gleichmäßigen Laserstrahl im Abschnitt der Festkörperkomponente und gibt nach außen einen soliden Laserstrahl ab.
Gemäß dem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung geschaffen, bei der ein La­ serstrahl unter Verwendung eines Laserresonators von der Festkörperkomponente abgeleitet wird, der einen Austritts­ spiegel mit einem teilweise reflektierenden Abschnitt an ei­ nem mittleren Abschnitt, an einem nicht reflektierenden Ab­ schnitt an einem Umfangsabschnitt und Einrichtungen zum Kom­ pensieren einer Phasendifferenz des beide Abschnitte passie­ renden Laserstrahles und einen einzigen Totalreflektions­ spiegel oder ein optisches System zur Heizlinsenkorrektur aufweist.
Daher besitzt bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung der Laserresonator den Austrittsspiegel, der den teilweise reflektierenden Ab­ schnitt am mittleren Abschnitt und den nicht reflektierenden Abschnitt am Umfangsabschnitt aufweist, sowie die Einrich­ tungen zum Kompensieren der Phasendifferenz des beide Ab­ schnitte durchdringenden Laserstrahles und den einzigen To­ talreflektionsspiegel oder das optische System zur Heizlin­ senkorrektur. Der Laserresonator erzeugt den gleichmäßigen Laserstrahl im Schnitt der Festkörperkomponente und gibt nach außen einen Festkörperlaserstrahl mit gleichmäßiger Phase ab.
Gemäß dem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung geschaffen, bei der ein von einer anderen Festkörperlaservorrichtung erzeugter Laserstrahl in die Festkörperkomponente eingeführt wird, um hieraus einen verstärkten Laserstrahl abzuleiten.
Daher wird bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem elf­ ten Aspekt der vorliegenden Erfindung der von einer anderen Festkörperlaservorrichtung erzeugte Laserstrahl in die Fest­ körperkomponente eingeführt, um nach außen den verstärkten Laserstrahl abzuleiten. Die Festkörperkomponente mit rauher Oberfläche verstärkt den Laserstrahl ohne Aberration.
Gemäß dem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen, bei der ein eine Vielzahl von optischen Komponenten aufweisendes optisches System als Teil des optischen Lasersystems verwendet wird, um mindestens einen der Abstände zwischen den optischen Kom­ ponenten zu steuern und entsprechend der Lichtabgabe von der Lichtquelle zu variieren.
Daher besitzt bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem zwölften Aspekt der Erfindung das optische System zur Heiz­ linsenkorrektur die Vielzahl der optischen Komponenten, um den Abstand zwischen den optischen Komponenten in Abhängig­ keit von der Leistung der Lichtquelle zu steuern. Das optische System zur Heizlinsenkorrektur kann Schwankungen des Ausmaßes der Heizlinse einer Festkörperkomponente in­ folge von Schwankungen der Leistung der Lichtquelle beseiti­ gen.
Gemäß dem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung geschaffen, bei der ein optisches Bildübertragungssystem vom Reflexionstyp oder Transmissionstyp, das eine Vielzahl von optischen Komponen­ ten aufweist, als Teil des optischen Lasersystems verwendet wird, wobei das System derart gesteuert wird, daß mindestens einer der Abstände zwischen den optischen Komponenten in Ab­ hängigkeit von der Lichtausgangsleistung der Lichtquelle verändert wird.
Daher besitzt bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein optisches System zur Heizlinsenkorrektur ein optisches Bildübertra­ gungssystem vom Reflexionstyp oder Transmissionstyp und be­ seitigt Schwankungen der Heizlinse einer Festkörperkompo­ nente durch Bewegung des optischen Systems um kleine Ab­ stände zwischen den optischen Teilen.
Gemäß dem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen, bei der ein Halbleiterlaser als Lichtquelle Verwendung findet.
Daher wird bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung der Halblei­ terlaser als Lichtquelle verwendet, um den Grad der Heizab­ sorption der Lichtquelle durch die Festkörperkomponente zu reduzieren und eine Erregungsverteilung einzustellen, die der Oberflächenrauhigkeit der Festkörperkomponente ent­ spricht, indem eine erzeugende Wellenlänge des Halbleiterla­ sers eingestellt wird.
Gemäß dem fünfzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung geschaffen, bei der ein von der Festkörperkomponente erzeugter Laserstrahl durch ein op­ tisches System auf eine Endfläche einer optischen Faser ge­ führt und eine Laserbearbeitung durch Verwendung des von der gegenüberliegenden Endfläche abgegebenen Laserstrahles durchgeführt wird.
Somit führt bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem fünfzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Festkör­ perkomponente, die eine rauhe Oberfläche aufweist, Licht in einem kleinen Punkt auf die Endfläche der optischen Faser ohne Aberration, wenn eine Laserbearbeitung durch Einführung des erzeugten Laserstrahles in die optische Faser durchge­ führt wird.
Gemäß dem sechzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen, bei der ein von der Festkörperkomponente erzeugter Laserstrahl durch ein kondensierendes bzw. konzentrierendes optisches System kon­ zentriert wird- um eine Laserbearbeitung durchzuführen.
Daher erzeugt bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem sechzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Festkör­ perkomponente, die eine rauhe Oberfläche aufweist, einen La­ serstrahl in einem kleinen Punkt ohne Aberration, wenn die Laserbearbeitung durch Konzentration des erzeugten Laser­ strahles durchgeführt wird.
Gemäß dem siebzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung einschließlich einer Fest­ körperkomponente vorgesehen, die durch Kontakt einer Flüs­ sigkeit gekühlt wird und einen größeren Brechungsindex be­ sitzt als die Flüssigkeit, die eine Lichterregungsvorrich­ tung mit einer Lichtquelle zum Erregen der Festkörperkompo­ nente und ein optisches System zur Übertragung des Lichtes von der Lichtquelle zur Festkörperkomponente aufweist. Des weiteren wird die Oberflächenrauhigkeit der Festkörperkompo­ nente in Längsrichtung verändert, um eine Erregungsvertei­ lung in einem Schnitt der Festkörperkomponente einzustellen.
Daher wird bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem siebzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung der Grad der Oberflächenrauhigkeit der Festkörperkomponente in Längs­ richtung so verändert, daß die Festkörperkomponente die Er­ regungsverteilung im Schnitt der Festkörperkomponente ent­ sprechend der Längserregungsverteilung und einer Verteilung des erzeugten Laserstrahles gleichmäßig einstellen kann. Des weiteren kann die Festkörperkomponente den Grad der Ober­ flächenrauhigkeit eines Endes einstellen, um auf diese Weise den Kontaktbereich der Kühlflüssigkeit mit einem Dichtungs­ material auf einer Fläche der Festkörperkomponente zu er­ höhen.
Gemäß dem achtzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung geschaffen, die eine la­ seraktives Material enthaltende Festkörperkomponente, eine Erregerlichtquelle für die Festkörperkomponente, einen La­ serresonator mit einem optischen Bildübertragungssystem ein­ schließlich einer Kombination aus einem Totalreflexionsspie­ gel und einer Kondensorlinse und Bewegungseinrichtungen zum Bewegen des Totalreflexionsspiegel und der Kondensorlinse in Richtung der optischen Achse des Laserresonators aufweist.
Daher bilden bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem achtzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung der Totalre­ flexionsspiegel und die Kondensorlinse das Bildübertragungs­ system im Laserresonator und werden in Richtung der op­ tischen Achse des Laserresonators bewegt. Es ist somit mög­ lich, den Weg des Laserlichtes im Laserresonator einzustel­ len und einen breiten Querschnittsbereich des Laserlichtes aufrechtzuerhalten, um einen Fokussiervorgang des Laser­ strahles infolge einer Heizlinsenwirkung der Festkörperkom­ ponente zu beseitigen.
Gemäß dem neunzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen, die eine la­ seraktives Material enthaltende Festkörperkomponente, eine Erregerlichtquelle für die Festkörperkomponente, einen sta­ bilen Laserresonator mit einer Kombination aus einem op­ tischen Bildübertragungssystem einschließlich einer Kombina­ tion aus einem Totalreflexionsspiegel und einer Kondensor­ linse mit einem Teilreflexionsspiegel und Bewegungseinrich­ tungen zum Bewegen des Totalreflexionsspiegels und der Kon­ densorlinse in Richtung der optischen Achse des stabilen La­ serresonators aufweist.
Daher werden bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem neunzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung der Totalre­ flexionsspiegel und die Kondensorlinse durch die Bewegungs­ einrichtungen in Richtung der optischen Achse des stabilen Laserresonators, der die Kombination aus dem optischen Bild­ übertragungssystem einschließlich der Kombination des Total­ reflexionsspiegels und der Kondensorlinse mit dem Teilre­ flexionsspiegel aufweist, bewegt. Es ist somit möglich, den Weg des Laserlichtes im Laserresonator einzustellen und einen breiten Querschnittsbereich des Laserlichtes aufrecht­ zuerhalten, während eine (glockenblumenförmige) Intensitätsverteilung in einem Schnitt der Festkörperkomponente aufrechterhalten wird, um eine Fokussierwirkung des Laserstrahles infolge ei­ ner Heizlinsenwirkung der Festkörperkomponente zu beseiti­ gen.
Gemäß dem zwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen, die eine la­ seraktives Material enthaltende Festkörperkomponente, eine Erregerlichtquelle für die Festkörperkomponente, einen in­ stabilen Laserresonator mit einer Kombination eines op­ tischen Bildübertragungssystems einschließlich einer Kombi­ nation eines Totalreflexionsspiegels und einer Kondensor­ linse mit einem vergrößerten Totalreflexionsspiegel und Be­ wegungseinrichtungen zum Bewegen des Totalreflexionsspiegels und der Kondensorlinse in Richtung der optischen Achse des Laserresonators aufweist.
Daher werden bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem zwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung der Total­ reflexionsspiegel und die Kondensorlinse, die das Bildüber­ tragungssystem bilden, durch die Bewegungseinrichtungen in Richtung der optischen Achse des instabilen Laserresonators, der die Kombination aus dem optischen Bildübertragungssystem einschließlich der Kombination des Totalreflexionsspiegels und der Kondensorlinse mit dem vergrößerten Totalreflexions­ spiegel aufweist, bewegt. Es ist somit möglich, einen Weg des Laserlichtes im Laserresonator einzustellen und einen breiten Querschnittsbereich des Laserlichtes aufrechtzuer­ halten, während eine gleichmäßige Intensitätsverteilung in einem Schnitt der Festkörperkomponente aufrechterhalten wird, um eine Fokussierwirkung des Laserstrahles infolge ei­ ner Heizlinsenwirkung der Festkörperkomponente zu beseiti­ gen.
Gemäß dem einundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung wird eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen, die eine laseraktives Material enthaltende Festkörperkomponente, eine Erregerlichtquelle für die Festkörperkomponente, einen instabilen Laserresonator mit einer Kombination aus einem optischen Bildübertragungssystem einschließlich einer Kombi­ nation aus einem Totalreflexionsspiegel und einer Kondensor­ linse mit einem vergrößerten Austrittsspiegel mit einem ver­ größerten teilreflektierenden Abschnitt an einem mittleren Abschnitt und einem nicht reflektierenden Abschnitt an einem Umfangsabschnitt und Bewegungseinrichtungen zum Bewegen des Totalreflexionsspiegels und der Kondensorlinse in Richtung der optischen Achse des Laserresonators aufweist.
Somit ist bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem einundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung der ver­ größerte Austrittsspiegel mit dem vergrößerten teilreflek­ tierenden Abschnitt am mittleren Abschnitt und dem nicht re­ flektierenden Abschnitt am Umfangsabschnitt versehen. Es ist somit möglich, einen Laserstrahl vorzusehen, der einen mas­ siven (d. h. pfannkuchenförmigen) Querschnitt aufweist.
Gemäß dem zweiundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung wird eine Festkörperlaservorrichtung geschaffen, die eine laseraktives Material enthaltende Festkörperkomponente, eine Erregerlichtquelle für die Festkörperkomponente, einen instabilen Laserresonator mit einer Kombination aus einem optischen Bildübertragungssystem einschließlich einer Kombi­ nation eines Gesamtreflexionsspiegels und einer Kondensor­ linse und einem vergrößerten Austrittsspiegel mit einem ver­ größerten teilreflektierenden Abschnitt an einem mittleren Abschnitt und einem nicht reflektierenden Abschnitt an einem Umfangsabschnitt, Phasendifferenzbeseitigungseinrichtungen zum Beseitigen einer Phasendifferenz des durch den ver­ größerten teilreflektierenden Abschnitt und den nicht re­ flektierenden Abschnitt dringenden Lichtes und Bewegungsein­ richtungen zum Bewegen des Totalreflexionsspiegels und der Kondensorlinse in Richtung der optischen Achse des Laser­ resonators aufweist.
Somit umfaßt die Festkörperlaservorrichtung gemäß dem zwei­ undzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung des weite­ ren die Phasendifferenzbeseitigungseinrichtungen. Es ist da­ her möglich, einen kompakten Laserstrahl mit einer gleich­ mäßigen Phase vorzusehen.
Gemäß dem dreiundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung wird eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen, die eine piezoelektrische Vorrichtung aufweist, die mit der Kon­ densorlinse und/oder dem Totalreflexionsspiegel, die das op­ tische Bildübertragungssystem bilden, in Kontakt steht.
Somit steht bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem dreiundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung die piezoelektrische Vorrichtung mit der Kondensorlinse und/oder dem Totalreflexionsspiegel, die das optische Bildübertra­ gungssystem bilden, in Kontakt und wird ausgeweitet sowie zusammengezogen, so daß ein Bildübertragungszustand zwischen einem stabilen Zustand und einem instabilen Zustand hin- und hergeschaltet werden kann. Es ist daher möglich, durch rasches Variieren des Q-Wertes eines Resonators eine scharfe Impulsschwingung zu erzeugen.
Gemäß dem vierundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung wird eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen, die des weiteren eine zweite Lichtquelle zur Abgabe eines die Festkörperkomponente durchlaufenden Lichtstrahles und einen Fotodetektor zum Empfangen des Lichtstrahles aufweist, um eine Veränderung im Außendurchmesser des Lichtstrahles zu messen.
Somit ist bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem vierundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung die zweite Lichtquelle vorgesehen, um den die Festkörperkompo­ nente durchdringenden Lichtstrahl abzugeben, und der Fotode­ tektor ist vorgesehen, um den Lichtstrahl zu empfangen und eine Veränderung im Außendurchmesser des Lichtstrahles zu messen. Wenn daher eine piezoelektrische Vorrichtung in Ab­ hängigkeit von den Detektionsergebnissen betrieben wird, ist es möglich, einen Heizlinseneffekt der Festkörperkomponente zu beseitigen, während Fluktuationen des Heizlinseneffektes über eine kurze Zeit genau gefolgt wird.
Gemäß dem fünfundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung wird eine Festkörperlaservorrichtung geschaffen, die des weiteren ein Gehäuse aufweist, das den Totalreflexions­ spiegel und die Kondensorlinse aufnimmt.
Somit ist bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem fünfundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung das Ge­ häuse des weiteren vorgesehen, um den Totalreflexionsspiegel und die Kondensorlinse, die ein Bildübertragungssystem bil­ den, aufzunehmen. Es ist somit möglich, eine Qualitätsver­ schlechterung des Laserstrahles infolge von Staub, der an einem Konzentrationspunkt des Laserlichtes, der zwischen dem Totalreflexionsspiegel und der Kondensorlinse angeordnet ist, erhitzt wird, zu vermeiden.
Gemäß dem sechsundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung wird eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen, die des weiteren ein Luftloch aufweist, das in einem Gehäuse an­ geordnet ist.
Somit ist bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem sechsundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung das Luftloch im Gehäuse vorgesehen. Es ist daher möglich, zu verhindern, daß in der Luft befindliche Feuchtigkeit einen Laserstrahl absorbiert, wenn eine Vakuumpumpe an das Luft­ loch angeschlossen ist. Alternativ dazu ist es möglich, einen Luftbruch (Erzeugung von Plasma) in der Nachbarschaft eines Konzentrationspunktes zu verhindern, indem in umge­ kehrter Weise ein inaktives Gas in das Gehäuse eingeführt wird.
Gemäß dem siebenundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Er­ findung wird eine Laserbearbeitungsvorrichtung vorgesehen, bei der ein von einer Laservorrichtung erzeugter Laserstrahl über ein optisches System in die Nähe eines Werkstückes ge­ führt wird, ein vom optischen System abgegebener Laserstrahl durch ein optisches Kondensorsystem konzentriert wird und ein Laserstrahl durch Rückübertragung nach Konzentration durch das Kondensorsystem aufgeweitet und danach wieder kon­ zentriert wird, um zum Werkstück geführt zu werden und die Laserbearbeitung durchzuführen.
Somit wird bei der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem siebenundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung der von der Laservorrichtung erzeugte Laserstrahl vom optischen System in die Nähe des Werkstückes geführt, wird der vom op­ tischen System abgegebene Laserstrahl vom optischen Konden­ sorsystem konzentriert und wird der Laserstrahl nach dem Konzentrieren durch das Kondensorsystem durch Rückübertra­ gung aufgeweitet und danach erneut konzentriert, um zum Werkstück geführt zu werden. Es ist daher möglich, eine Emissionsform des Laserstrahles in Abhängigkeit von der Form des Werkstückes zu übertragen und einen Laserstrahl vorzu­ sehen, der einen scharfen Rand für die Laserbearbeitung be­ sitzt.
Gemäß dem achtundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung wird eine Laserbearbeitungsvorrichtung geschaffen, bei der ein von einer Laservorrichtung erzeugter Laserstrahl durch ein optisches System in die Nähe eines Werkstücks übertragen wird, ein vom optischen System abgegebener Laser­ strahl durch ein optisches Kondensorsystem konzentriert, der Außendurchmesser des konzentrierten Strahles durch eine in der Nähe des Konzentrationspunktes des konzentrierten Strahles vorgesehen Blende beschnitten und zugerichtet wird und der Laserstrahl durch Rückübertragung nach Konzentration durch das Kondensorsystem auf geweitet und danach erneut kon­ zentriert wird, um zum Werkstück geführt zu werden und die Laserbearbeitung durchzuführen.
Somit wird bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem achtundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung der von der Laservorrichtung erzeugte Laserstrahl durch das optische System in die Nähe des Werkstücks übertragen, wird der vom optischen System abgegebene Laserstrahl durch das optische Kondensorsystem konzentriert, wird der Außendurchmesser des konzentrierten Strahles durch die in der Nähe des Konzentra­ tionspunktes vorgesehene Blende beschnitten und zugerichtet und wird der Laserstrahl nach Konzentration durch das Kon­ densorsystem durch Rückübertragung aufgeweitet und danach erneut konzentriert, um dem Werkstück zugeführt zu werden. Es ist somit möglich, eine Emissionsform des Laserstrahles in Abhängigkeit von der Form des Werkstückes zu übertragen und einen Laserstrahl mit einem scharfen Rand für die Laser­ bearbeitung vorzusehen.
Gemäß dem neunundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung wird eine Laserbearbeitungsvorrichtung geschaffen, bei der ein von einer Laservorrichtung erzeugter Laserstrahl über ein optisches System in die Nähe eines Werkstücks über­ tragen wird, ein vom optischen System abgegebener Laser­ strahl durch ein optisches Kondensorsystem konzentriert wird, ein Außendurchmesser des konzentrierten Strahles durch einen übersättigten Absorber, der in der Nähe des Konzentra­ tionspunktes des konzentrierten Strahles vorgesehen ist, be­ schnitten und zugerichtet wird und der Laserstrahl nach der Konzentration durch das Kondensorsystem durch Rückübertra­ gung aufgeweitet und danach erneut konzentriert wird, um dem Werkstück zugeführt zu werden und die Laserbearbeitung durchzuführen.
Daher wird bei der Festkörperlaservorrichtung gemäß dem neunundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung der von der Laservorrichtung erzeugte Laserstrahl vom optischen System in die Nähe des Werkstücks geführt, wird der vom optischen System abgegebene Laserstrahl durch das optische Kondensorsystem konzentriert, wird der Außendurchmesser des konzentrierten Strahles durch den in der Nähe des Konzentra­ tionspunktes vorgesehenen übersättigten Absorber beschnitten und zugerichtet und wird der Laserstrahl nach der Konzentra­ tion durch das Kondensorsystem durch Rückübertragung aufge­ weitet und danach erneut konzentriert, um dem Werkstück zu­ geführt zu werden. Es ist somit möglich, eine Emissionsform des Laserstrahles in Abhängigkeit von der Form des Werk­ stückes zu übertragen und einen Laserstrahl mit einem scharfen Rand für die Laserbearbeitung vorzusehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläu­ tert. Es versteht sich, daß die Ausführungsbeispiele in kei­ ner Weise den Schutzumfang der Erfindung beschränken. Es zeigen:
Fig. 1a einen Querschnitt einer herkömmlich aus­ gebildeten Laservorrichtung;
Fig. 1b einen Mittel schnitt durch die herkömm­ liche Laservorrichtung;
Fig. 2 eine erläuternde Darstellung der Funk­ tionsweise der herkömmlichen Laservor­ richtung;
Fig. 3a einen Querschnitt durch die erste Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3b einen Mittel schnitt der ersten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine erläuternde Darstellung der Funk­ tionsweise einer Laservorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung;
Fig. 5 eine erläuternde Darstellung der Funk­ tionsweise einer Laservorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung;
Fig. 6 eine erläuternde Darstellung der Funk­ tionsweise einer Laservorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung;
die Fig. 7a und 7b erläuternde Darstellungen der Funktions­ weise einer Laservorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine erläuternde Darstellung der Funk­ tionsweise einer Laservorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung;
Fig. 9 eine erläuternde Darstellung der Funk­ tionsweise einer Laservorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung;
Fig. 10 eine erläuternde Darstellung der Funk­ tionsweise einer Laservorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung;
Fig. 11 ein Diagramm, das eine Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt;
Fig. 12 ein Diagramm, das eine weitere Modifika­ tion der ersten Ausführungsform zeigt;
Fig. 13a einen Querschnitt durch eine zweite Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 13b einen Mittelschnitt der zweiten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung;
die Fig. 14a und 14b zur Erklärung dienende Darstellungen der Funktionsweise der Laservorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfin­ dung;
die Fig. 15a und 15b einen Querschnitt und einen Mittelschnitt einer dritten Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung;
Fig. 16 eine zur Erläuterung dienende Darstellung der Funktionsweise der Laservorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Er­ findung;
die Fig. 17a und 17b einen Querschnitt und einen Mittelschnitt einer vierten Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung;
die Fig. 18a und 18b einen weiteren Querschnitt und einen wei­ teren Mittelschnitt der vierten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 19 einen Querschnitt einer fünften Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 20 einen Querschnitt einer sechsten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung;
die Fig. 21a und 21b einen Querschnitt und einen Mittelschnitt einer siebten Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung;
Fig. 22 eine Schnittansicht einer Festkörper­ laservorrichtung gemäß einer achten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 23 eine zur Erläuterung dienende Ansicht ei­ nes optischen Bildübertragungssystems in der in Fig. 22 gezeigten Festkörperla­ servorrichtung;
Fig. 24 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Abstand zwischen optischen Kompo­ nenten des optischen Bildübertragungs­ systems der Fig. 23 und einem Krümmungs­ radius des optischen Bildübertragungs­ systems zeigt;
Fig. 25 ein Diagramm, das den Unterschied zwischen Divergenzwinkeln von Laser­ strahlen in der Festkörperlaservor­ richtung der Fig. 22 und in einer Laser­ vorrichtung zeigt, in der ein Heizlinsen­ effekt nicht kompensiert wird;
Fig. 26 eine Schnittansicht einer Festkörper­ laservorrichtung gemäß einer neunten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung;
die Fig. 27a und 27b Diagramme, die Muster von Laserstrahlen der Festkörperlaservorrichtung der Fig. 26 und einer Laservorrichtung zeigen; bei der der Heizlinseneffekt nicht kompen­ siert wird;
Fig. 28 eine Schnittansicht einer Festkörper­ laservorrichtung gemaß einer zehnten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 29 eine Schnittansicht einer Festkörperla­ servorrichtung gemäß einer elften Au­ sführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 30 eine Schnittansicht einer Festkörper­ laservorrichtung gemäß einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung;
Fig. 31 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Abstand zwischen optischen Kompo­ nenten und der Laserabgabeleistung bei dem optischen Bildübertragungssystem der Festkörperlaservorrichtung gemäß Fig. 26 zeigt;
Fig. 32 das Diagramm, das eine Impulsform zeigt, wenn eine Impulsschwingung in der Fest­ körperlaservorrichtung der Fig. 26 durchgeführt wird;
Fig. 33 eine Schnittansicht einer Festkörperla­ servorrichtung gemäß einer dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung;
Fig. 34 eine Schnittansicht einer modifizierten Festkörperlaservorrichtung gemäß der dreizehnten Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung;
Fig. 35 ein Diagramm, das die Beziehungen zwischen der vom Start der Laserschwin­ gung abgelaufenen Zeit und den Diver­ genzwinkeln des Laserstrahles bei der dreizehnten Ausführungsform der Festkör­ perlaservorrichtung und bei einer Laser­ vorrichtung, bei der der Heizlinseneffekt nicht kompensiert wird, zeigt;
Fig. 36 eine Schnittansicht der Festkörperlaser­ vorrichtung gemäß einer vierzehnten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 37 eine Schnittansicht der Festkörperlaser­ vorrichtung gemäß einer fünfzehnten Aus­ führungsform der Erfindung;
Fig. 38 eine Schnittansicht der Festkörperlaser­ vorrichtung gemäß einer sechzehnten Aus­ führungsform der Erfindung;
Fig. 39 eine Schnittansicht der Festkörperlaser­ vorrichtung gemäß einer siebzehnten Aus­ führungsform der Erfindung;
Fig. 40 eine Schnittansicht der Festkörperlaser­ vorrichtung gemäß einer achtzehnten Aus­ führungsform der Erfindung;
die Fig. 41a und 41b einen Querschnitt und einen Mittelschnitt der neunzehnten Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung;
die Fig. 42a und 42b einen Querschnitt und einen Mittelschnitt einer zwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
die Fig. 43a und 43b einen Querschnitt und einen Mittelschnitt einer einundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
die Fig. 44a und 44b zur Erläuterung dienende Darstellungen der Funktionsweise der Laservorrichtung gemäß der einundzwanzigsten Ausführungs­ form der Erfindung;
die Fig. 45a und 45b einen Querschnitt und einen Mittelschnitt einer Modifikation der einundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung;
die Fig. 46a und 46b einen Querschnitt und einen Mittelschnitt einer zweiundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
die Fig. 47a und 47b einen Querschnitt und einen Mittelschnitt einer dreiundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Es werden nunmehr bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert.
Ausführungsbeispiel 1
Die Fig. 3a und 3b sind Schnittansichten, die die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. In den Fig. 3a und 3b sind die mit den Bezugszeichen 2, 4, 5, 7, 8, 9, 14, 15, 70, 81 und 82 bezeichneten Teile mit denen der in den Fig. 1a und 1b gezeigten herkömmlichen Vorrichtung identisch, so daß auf eine Beschreibung dieser Teile ver­ zichtet wird.
In den Fig. 3a und 3b sind mit 11 ein Reflexionsspiegel, mit 12 eine Linse, mit 13a und 13b entsprechende bewegliche Objekttische, um den Reflexionsspiegel 11 und die Linse 12 relativ zu einer Festkörperkomponente vor und zurück zu be­ wegen, mit 300 die Festkörperkomponente, die eine rauhe Oberfläche besitzt, mit 6 ein Kondensor, der eine diffus re­ flektierende Fläche als Innenfläche aufweist, und mit 9 ein transparentes zylindrisches Glasrohr bezeichnet.
Bei einer in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebilde­ ten Festkörperlaservorrichtung sind die Lichtquelle 4 und die mit der rauhen Oberfläche versehene Festkörperkomponente 300 im Brennpunkt eines Kondensors angeordnet, der im Schnitt elliptisch ausgebildet ist. Die Lichtquelle 4 wird über die Stromquelle 5 zur Abgabe von Licht eingeschaltet, und die Festkörperkomponente 300 wird mit dem abgegebenen Licht angestrahlt. Somit wird die Festkörperkomponente durch das abgegebene Licht erregt und wird zu einem Lasermedium. Licht einer spontanen Emission wird vom Lasermedium erzeugt und während der Hin- und Herbewegung in einem die Spiegel 2, 11 und die Linse 12 aufweisenden Resonator verstärkt. Wenn das spontan emittierte Licht eine vorgegebene Größe oder mehr besitzt, wird es als Laserstrahl 15 mit guter Direkti­ vität nach außen abgegeben.
Ein stabiler Resonator, der die Spiegel 2, 11 und die Linse 12 aufweist, erzeugt einen Laserstrahl, der eine im wesent­ lichen gleichmäßige Intensitätsverteilung in einem Schnitt der Festkörperkomponente aufweist.
Die Lichtquelle 4 und die Festkörperkomponente 300 werden von der Einströmöffnung 81 eingeführt. Die Festkörperkompo­ nente 300 wird durch ein Kühlmedium 70, das durch das zylin­ drische Rohr 9 um die Lichtquelle 4 und die Festkörperkompo­ nente 300 herum umgewälzt wird, in Umfangsrichtung gekühlt. Die Temperatur des Kühlmediums 70 steigt durch Kühlen der Festkörperkomponente 300 und der Lichtquelle 4 an, und das Kühlmedium 70 wird über die Ausströmöffnung 82 nach außen abgegeben.
Die Enden der Festkörperkomponente sind mit Hilfe des Dich­ tungsmateriales 7 gegenüber dem Kühlmedium abgedichtet.
Es folgt nunmehr eine zusätzliche Beschreibung eines Effek­ tes der die rauhe Oberfläche aufweisenden Festkörperkompo­ nente 300. Das Licht von der Lichtquelle fällt in Umfangs­ richtung auf die Festkörperkomponente 300 und erzeugt eine Erregungsverteilung im Schnitt der Festkörperkomponente 300, d. h. eine Heizlinsenverteilung, wie die Versuchsergebnisse der Fig. 2 zeigen. Als Folge hiervon passiert der Laser­ strahl mit einer Wellenfrontaberration. Der hier verwendete Begriff "Heizlinse" bedeutet, daß infolge einer Temperatur­ verteilung in der Festkörperkomponente eine inhomogene Ver­ teilung in bezug auf den Brechungsindex erzeugt wird, so daß die Festkörperkomponente als Linse wirkt.
Der Erfinder geht davon aus, daß dies darauf zurückzuführen ist, daß die Festkörperkomponente 300 keine ausreichende Oberflächenrauhigkeit besitzt und das Licht auf der Ober­ fläche abgelenkt wird, wie in Fig. 4 gezeigt.
Um diesen Nachteil zu beseitigen, kann die Festkörperkompo­ nente eine rauhere Oberfläche aufweisen und eine auf der Oberfläche der Festkörperkomponente gestreute Lichtkompo­ nente kann stärker ansteigen als eine hieraufabgelenkte Lichtkomponente, so daß die Heizlinsenverteilung im Schnitt aufgrund einer Reflexionswirkung eliminiert werden kann. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Festkörper­ laservorrichtung zu schaffen, die einen Laserstrahl ohne Wellenfrontaberation desselben hindurchleiten kann.
Fig. 5 zeigt die Ergebnisse eines Experimentes, bei dem die Wellenfrontaberation der Festkörperkomponente infolge der Heizlinsenverteilung durch Verändern der Oberflächenrauhig­ keit der Festkörperkomponente gemessen wurde. Mit den Ver­ suchsergebnissen werden zwei Fälle verglichen, d. h. ein Fall, bei dem ein Nd : YAG (T3Al5O12) Stab mit einem Brechungsindex von 1,82, der als Festkörperkomponente diente, in Umfangsrichtung mit Wasser mit einem Brechungsin­ dex von 1,3 gekühlt wurde, und ein anderer Fall, bei dem der Nd : YAG-Stab in der Atmosphäre angeordnet wurde.
Bei dem Versuch wurde der Nd : YAG-Stab durch eine Bogenlam­ penlichtquelle in Wasser erregt, und ein HeNe-Laserstrahl durchlief den Nd : YAG-Stab in Axialrichtung. Der Maximalwert der Aberation im Schnitt des emittierten Laserstrahles wurde gemessen und ist in Fig. 5 gezeigt.
Man kann erkennen, daß die Wellenfrontaberation infolge der Erregungsverteilung bis zu einem Schwellenwert, der der Festkörperkomponente eigen ist, wesentlich reduziert werden kann, wenn die Oberflächenrauhigkeit auf 50 µ′′ RMS oder mehr festgelegt wird, wenn die Festkörperkomponente in der Atmosphäre angeordnet ist.
Bei der herkömmlichen Festkörperkomponente, die im Handel erhältlich ist, ist das Oberflächenfinish tatsächlich auf einen Bereich von einem polierten und transparenten Zustand bis zu einer Rauhigkeit von 50 µ′′ RMS eingestellt. Es ist erforderlich, eine parasitäre Schwingung mit einer Seiten­ fläche der Festkörperkomponente als optischen Weg zu vermei­ den oder die Gleichmäßigkeit der optischen Intensitätsver­ teilung in Umfangsrichtung zu verbessern, was der gleichen Zielsetzung wie beim Stand der Technik entspricht. Es ist bekannt, daß diese Zielsetzung durch eine Festkörperkompo­ nente erreicht werden kann, die eine Oberflächenrauhigkeit von 20 bis 50 µ′′ RMS aufweist und bei der die Oberfläche wie bei einem geschliffenen Glas sichtbar ist.
Wenn jedoch die Festkörperkomponente in Umfangsrichtung ge­ kühlt wurde, um einen Hochleistungslaserstrahl zu erzeugen, wurde festgestellt, daß die Oberflächenrauhigkeit um einen Wert eingestellt werden sollte, der ein Mehrfaches des Wer­ tes beträgt, bei dem die Festkörperkomponente in der Atmosphäre angeordnet ist, beispielsweise auf einen Wert von 130 µ′′ RMS oder mehr, bevor die Wellenfrontaberration der Übertragung im Schnitt der Festkörperkomponente auf im we­ sentlichen die Aberration reduziert werden konnte, die der Festkörperkomponente eigen ist.
Dies ist möglicherweise darauf zurückzuführen, daß Wasser einen höheren Brechungsindex als die Atmosphäre aufweist, so daß daher der Unterschied der Brechungsindices der Festkör­ perkomponente und ihres Umfangsmediums abnimmt, was zu einer Reduktion des Streueffektes auf der Oberfläche führt.
Ein zweites Experiment wurde durchgeführt, um die vorstehend angegebene Annahme zu bestätigen, daß die Wellenfrontaberra­ tion bei einem Anstieg des Streueffektes auf der Oberfläche abnimmt.
In diesem Experiment wurde die Festkörperkomponente mit ei­ nem parallel gemachten HeNe-Laserstrahl 700 von der Seiten­ fläche der Festkörperkomponente ohne Erregung durch die Lichtquelle gemäß der in Fig. 6 gezeigten Konstruktion an­ gestrahlt. Es wurde damit ein Fortpflanzungszustand des Lichtes im Schnitt der Festkörperkomponente beobachtet.
Da der Nd : YAG-Stab in zylindrischer Form vorgesehen ist, wurde der HeNe-Laserstrahl 700 konzentriert und lief gleich­ zeitig in einen Schnitt des Stabes gemäß Fig. 7a, wenn das Licht auf der Oberfläche abgelenkt wurde. Als jedoch die Festkörperkomponente eine rauhere Oberfläche besaß, um den Streueffekt zu erhöhen, wurde beobachtet, daß der HeNe-La­ serstrahl sich diffus im Schnitt fortpflanzte, wie in Fig. 7b gezeigt und sich nicht in konzentrierter Form bewegte.
Bei dem Versuch wurde ein diffuser Zustand, wie in Fig. 7b gezeigt, bei dem Fall beobachtet, bei dem die Oberflächen­ rauhigkeit 50 µ′′ RMS in der Atmosphäre betrug. Als jedoch die Festkörperkomponente in Wasser angeordnet war, wurde der in Fig. 7a gezeigte Zustand bei einer Oberflächenrauhigkeit von 50 µ′′ RMS beobachtet. Ferner mußte der Grad der Ober­ flächenrauhigkeit erhöht werden, um eine Oberflächenrauhig­ keit von 100 µ′′ RMS oder mehr zu erhalten, bevor der sich in diffuser Weise fortpflanzende Laserstrahl gemäß Fig. 7b na­ hezu vollständig beobachtet werden konnte.
Die Versuchsergebnisse bestätigen die Gültigkeit der nach­ folgenden Aussage, die aufgrund der Ergebnisse des Erre­ gungsversuchs durch die Lichtquelle getätigt wird: "Dies ist möglich, weil Wasser einen höheren Brechungsindex als die Atmosphäre besitzt, so daß auf diese Weise der Unterschied zwischen den Brechungsindices der Festkörperkomponente und des peripheren Mediums derselben abnimmt, was zu einer Redu­ zierung des Streueffektes auf der Oberfläche führt." Es wurde daher nachgewiesen, daß die Festkörperkomponente eine Oberflächenrauhigkeit von 100 bis 130 µ′′ RMS oder mehr, welcher Wert zweimal so groß ist wie die übliche Ober­ flächenrauhigkeit oder mehr, aufweisen muß, bevor die Wel­ lenfrontaberration des Durchtritts im Schnitt der Festkörper­ komponente auf im wesentlichen die Aberration reduziert wer­ den kann, die die Festkörperkomponente von Natur aus hat.
Die Streuwirkung auf der Oberfläche der Festkörperkomponente kann möglicherweise durch das Verhältnis zwischen dem Brechungsindex der Festkörperkomponente und dem Brechungsin­ dex des peripheren Kühlmediums definiert werden. Daher kön­ nen die Versuchsergebnisse auf das Wasser als Hauptkompo­ nente enthaltende Kühlmedium und eine Festkörperkomponente, die einen Brechungsindex von etwa 1,8 oder weniger aufweist, wie beispielsweise eine LiYF4, Al2O3, BeAl2O4, Glas, LiSrAlF6, LiCaAlF6 als Hauptbestandteile enthaltende Fest­ körperkomponente, übertragen werden.
Des weiteren kann die Oberflächenrauhigkeit nur an einer Stelle vorgesehen werden, die vom Licht der Lichtquelle er­ reicht wird. Beispielsweise kann ein Kontaktabschnitt des Dichtungsmateriales 7 am Ende bei einer alternativen Aus­ führungsform keine Oberflächenrauhigkeit besitzen.
In diesem Fall nimmt die Kontaktfläche zwischen dem Dichtungsmaterial und der Festkörperkomponente zu, so daß das Kühlmedium 70 in beständiger Weise abgedichtet werden kann.
Des weiteren gibt es ein anderes Verfahren zum Ausgleichen von Integralwerten der Intensitätsverteilung über den Schnitt durch axiales Verändern des Grades der Oberflächen­ rauhigkeit entsprechend der Intensitätsverteilung des Laser­ strahles.
Es folgt nunmehr eine zusätzliche Beschreibung des optischen Systems zum Einführen der Lichtquelle in die Festkörperkom­ ponente gemäß Fig. 3.
Durch Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit der Festkörperkom­ ponente wird typischerweise der Wirkungsgrad der Laser­ schwingung reduziert. Das ist darauf zurückzuführen, daß ein Teil des in einen peripheren Abschnitt der Festkörperkompo­ nente eingeführten Lichtes auf der rauhen Oberfläche rück­ wärts gestreut wird, was zu einem Verlust des Teillichtes führt.
Um einen reduzierten Wirkungsgrad zu vermeiden, findet der Kondensor 6 Anwendung, um das Licht von der Lichtquelle bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform einzugrenzen. Bei dieser Ausführungsform wird das Licht auf der Oberfläche der Festkörperkomponente rückwärts gestreut, vom Kondensor wie­ der reflektiert und erneut in die Festkörperkomponente ein­ geführt, um diese zu erregen. Daher ist es möglich, ein Ab­ sinken des Laserschwingungswirkungsgrades durch die Ober­ flächenrauhigkeit der Festkörperkomponente im Gegensatz zum Stand der Technik zu verhindern.
Des weiteren ist bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungs­ form der Kondensor 6 mit der diffusen Reflexionsfläche als Innenfläche versehen. Bei einem reflektierenden Kondensor des Standes der Technik sind die Lichtquelle 4 und die Fest­ körperkomponente 300 an einem Brennpunkt des Kondensors, der im Schnitt elliptisch ausgebildet ist, angeordnet.
In diesem Fall verläuft das von der Lichtquelle durch die Festkörperkomponente ohne Absorption dringende Licht durch den Brennpunkt der Ellipse. Daher kann das Licht wieder auf die Festkörperkomponente treffen und diese erregen, nachdem die Reflexion drei- oder viermal im Kondensor wiederholt worden ist.
Das auf der Oberfläche der Festkörperkomponente gestreute Licht von der Lichtquelle kann jedoch in Abhängigkeit von der Streuung eine andere Bewegungsrichtung aufweisen, so daß das Licht nicht durch den Brennpunkt der Ellipse dringen kann. Es ist daher erforderlich, das Hin und Her der Reflexion für das wieder auf die Festkörperkomponente tref­ fende Licht eine große Zahl von Malen zu wiederholen. Da das Reflexionsvermögen einer reflektierenden Fläche endlich ist, nimmt die Menge des Lichtes bei jeder Reflexion ab. Folglich wird nahezu das gesamte Streulicht schließlich von der re­ flektierenden Innenfläche absorbiert, bevor es in die Fest­ körperkomponente eingeführt wird.
Da bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform die diffuse Reflexionsfläche als Innenfläche vorgesehen ist, wird das auf der Oberfläche der Festkörperkomponente verstreute Licht auf der Innenfläche des Kondensors zerstreut und reflek­ tiert, und mindestens ein Teil des Lichtes wird jedesmal in die Festkörperkomponente eingeführt, um diese zu erregen.
Danach wird die Lichtintensität im Kondensor ausgeglichen.
Es ist somit möglich, die Reduzierung des Laserschwingungs­ wirkungsgrades, die infolge der Oberflächenrauhigkeit der Festkörperkomponente in herkömmlicher Weise beobachtet wurde, abzubauen.
Bei den Ergebnissen des Experimentes mit dem Nd : YAG-Stab und der Bogenlampe wurden in der Tat mit experimenteller Genauigkeit keine Veränderungen der Schwingungscharakte­ ristik festgestellt, und zwar selbst dann, als die Ober­ flächenrauhigkeit der Festkörperkomponente in einem Bereich von 50 bis 200 µ′′ RMS variierte.
Des weiteren findet bei der in Fig. 3 gezeigten Aus­ führungsform ein optisches System zur Heizlinsenkorrektur Verwendung, das den Totalreflexionsspiegel 11 und die Kon­ densorlinse 12 anstelle des herkömmlichen Totalreflexions­ spiegels 1 enthält. Dieses optische System wird nunmehr nachfolgend beschrieben.
Selbst wenn der Totalreflexionsspiegel 1 wie bei der her­ kömmlichen Ausführungsform verwendet wird, ist es möglich, einen Laserstrahl 15 mit besserer Strahlqualität vorzusehen, da die Festkörperkomponente eine verringerte Wellenfrontaber­ ration bewirkt. Eine Änderung in der Abgabeleistung der Lichtquelle bewirkt jedoch eine Änderung der Leistung einer Heizlinse der Festkörperkomponente, so daß sich auf diese Weise die Qualität des Laserstrahles 15 geringfügig ändert. Das den Totalreflexionsspiegel 11 und die Kondensorlinse 12 enthaltende optische System wird eingesetzt, um diese Ände­ rung zu beseitigen.
Der Totalreflexionsspiegel 11 und die Kondensorlinse 12 sind an Positionen angeordnet, um einem Bildübertragungszustand gerecht zu werden. Er wird beispielsweise angenommen, daß R die Krümmung des Totalreflexionsspiegels, f die Brennweite der Kondensorlinse und L (= R+f) der Abstand zwischen dem Totalreflexionsspiegel und der Kondensorlinse ist. Hierbei kann ein Bild in einer Position, die um L von einer Vorder­ fläche der Kondensorfläche beabstandet ist, durch die Re­ flexion übertragen werden.
In diesem Fall kann das optische System in äquivalenter Weise als Reflexionsspiegel dienen, der eine geringere Krüm­ mung besitzt, wenn der Abstand zwischen dem Totalreflexions­ spiegel und der Kondensorlinse um eine geringe Größe, bei­ spielsweise über den Tisch 13a oder den Tisch 13b, verändert wird.
Mit anderen Worten, das im linken Diagramm der Fig. 8 ge­ zeigte optische Bildübertragungssystem entspricht einem Zu­ stand, in dem sich ein Spiegel mit einer im rechten Diagramm der Fig. 8 gezeigten Krümmung in einer Position A im linken Diagramm der Fig. 8 befindet. Dieses optische System wird hiernach als Spiegel mit veränderlicher Krümmung zur Bild­ übertragung bezeichnet.
Der Krümmungsradius des Spiegels mit veränderlicher Krümmung ist proportional zu der inversen Abweichungsgröße von einer Basisdistanz, um dem Bildübertragungszustand zwischen der Linse und dem Reflexionsspiegel gerecht zu werden, wie im rechten Diagramm der Fig. 8 gezeigt. Folglich wird infolge der geringen Änderung der Distanz der Krümmungsradius gegen­ über dem einer Ebene wesentlich geändert.
Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen dem Abstand zwischen der Linse und dem Spiegel und dem Krümmungsradius eines äquivalenten Spiegels. Man kann erkennen, daß sich die äqui­ valente Krümmung mit gutem Ansprechverhalten in bezug auf eine geringe Distanzänderung ändern kann und daß der Krüm­ mungsradius durch Änderung einer geringen Distanz von 0,5 mm in einem Bereich von unendlich bis etwa 2 mm stark verändert werden kann, da das optische Bildübertragungssystem verwen­ det wird.
Gemäß Fig. 3 kann das optische Bildübertragungssystem mit dem Totalreflexionsspiegel 11 und der Kondensorlinse 12 die gleiche Funktion ausüben wie der in der Festkörperkomponente angeordnete Spiegel mit veränderlicher Krümmung. Mit anderen Worten, es ist möglich, die Heizlinse der Festkörperkompo­ nente in der Nähe einer Position, in der sich die Heizlinse befindet, zu beseitigen.
Die Heizlinse der Festkörperkomponente ändert sich in Abhän­ gigkeit von Änderungen der Energiequelle für die Licht­ quelle. Der Abstand zwischen dem Totalreflektionsspiegel 11 und der Kondensorlinse 12 wird durch die Objekttische 13a oder 13b um eine geringe Größe verändert, um die äquivalente Krümmung des optischen Bildübertragungssystems zu verändern, wodurch die Änderung der Heizlinse aufgehoben wird. Auf diese Weise ist es möglich, einen Laserstrahl zu erzeugen, der eine gleichmäßige Abstrahlqualität besitzt, und zwar un­ abhängig von Änderungen der Heizlinse der Festkörperkompo­ nente.
Insbesondere ist bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungs­ form die Energie der Heizlinse der Festkörperkomponente auf­ grund der Wirkung der rauhen Oberfläche im Schnitt im we­ sentlichen konstant. Es tritt daher eine geringe Aberration auf, so daß die Heizlinse durch das optische Bildübertra­ gungssystem über den gesamten Querschnitt korrigiert werden kann. Somit ist es möglich, einen Laserstrahl hoher Leistung und hoher Qualität in wirksamer Weise aus dem gesamten Schnitt der Festkörperkomponente zu erzeugen.
Fig. 10 zeigt Versuchsergebnisse in bezug auf eine Messung des Divergenzwinkels, der als Index der Strahlqualität in Abhängigkeit von der Laserleistung dient, wenn der Nd : YAG- Stab als Festkörperkomponente verwendet wird. In Fig. 10 ist mit Linie A die herkömmliche Ausführungsform angegeben, bei der die Heizlinse nicht kompensiert wird, während Linie B einen Fall zeigt, bei dem die Heizlinse durch das optische Bildübertragungssystem kompensiert wird. Infolge der Kompen­ sation der Heizlinse hängt der Divergenzwinkel kaum von der Laserleistung ab.
Das optische Bildübertragungssystem ist nicht auf eine Kom­ bination aus dem Reflexionsspiegel und der Linse beschränkt. Es kann irgendein optisches System verwendet werden, das eine optische Krümmung aufweist, wobei das optische System als Äquivalenz zu einem optischen System angesehen werden kann, das in der Nähe der Festkörperkomponente angeordnet ist. Es stehen somit Modifikationen zur Verfügung, wie sie in den Fig. 11 und 12 gezeigt sind.
Fig. 11 zeigt Modifikationen, bei denen das optische Bild­ übertragungssystem Reflexionsspiegel 11 anstelle der Linse 12 verwendet. Wie aus diesen Modifikationen hervorgeht, sollte das optische Bildübertragungssystem nicht auf die in Fig. 3 gezeigte Kombination aus den Reflexionsspiegeln und der Linse beschränkt sein. Kurz gesagt, muß eine Vielzahl von optischen Systemen nur miteinander kombiniert und so eingesetzt werden, daß der Bildübertragungszustand erreicht wird.
Gemäß Fig. 12 ist ein optisches System mit einer Kombina­ tion aus dem Totalreflexionsspiegel 11 und der Kondensor­ linse 12 in einem Gehäuse 60 untergebracht. Es ist auf diese Weise möglich, die in der Atmosphäre vorhandene Staubver­ schmutzung zu vermeiden und eine Qualitätsverschlechterung des Laserstrahles infolge der umgebenden Atmosphäre zu ver­ hindern, die örtlich durch Staub erhitzt wird, der am Brenn­ punkt des optischen Systems erhitzt wird.
Gemäß der in Fig. 12 vorgesehenen Ausführungsform ist des weiteren ein Abführloch 61 vorgesehen, um den Druck im Ge­ häuse 60 zu reduzieren.
Auf diese Weise wird der durch die Festkörperkomponente 300 mit der rauhen Oberfläche erzeugte Laserstrahl 14 hoher Qua­ lität auf einen kleinen Fleck zwischen dem Totalreflexions­ spiegel 11 und der Kondensorlinse 12 konzentriert. Folglich ist es möglich, eine Plasmabildung (air break) zu verhin­ dern.
Ausführungsbeispiel 2
Bei der in den Fig. 13a und 13b gezeigten Ausführungsform ist ein instabiler Resonator vorgesehen, bei dem ein ver­ größerter Reflexionsspiegel 16, der Totalreflexionsspiegel 11 und die Kondensorlinse 12 anstelle eines Teilreflexions­ spiegels Verwendung finden.
Dieser instabile Resonator erzeugt einen Laserstrahl, der eine gleichmäßigere Intensitätsverteilung besitzt, da hier­ bei im Gegensatz zu dem stabilen Resonator ein Beugungsef­ fekt auftritt.
Für Vergleichszwecke zeigen die Fig. 14a und 14b Intensi­ tätsverteilungen des Laserstrahles in der Festkörperkompo­ nente, die in zwei Fällen erhalten werden, d. h. einem Fall, bei dem der stabile Resonator Verwendung wird (Fig. 14a), und einem anderen Fall, bei dem der instabile Resonator ver­ wendet wird (Fig. 14b).
Da der Laserstrahl eine gleichmäßige Querschnittsform be­ sitzt, kann der gleichmäßige Laserstrahl die Festkörperkom­ ponente selbst in einem hohen Energiebereich, in dem der La­ serstrahl teilweise von der Festkörperkomponente absorbiert wird und diese im Inneren erhitzt, gleichmäßig erhitzen. Da­ her wird durch gleichmäßiges Erregen des Inneren ein Laser­ medium erzeugt, wobei die Gleichförmigkeit des Lasermediums aufgrund der Oberflächenrauhigkeit der Festkörperkomponente nicht gestört wird. Somit ist es möglich, selbst im hohen Energiebereich die Qualität des Laserstrahles aufrechtzuer­ halten.
Bei der in den Fig. 13a und 13b gezeigten Ausführungsform ist ferner ein optisches Bildübertragungssystem dargestellt, das eine Kombination aus dem Totalreflexionsspiegel 11 und der Kondensorlinse 12 umfaßt.
Bei dem Laser, bei dem der instabile Resonator Verwendung findet, besitzt ein vom Resonator abgeleiteter Laserstrahl eine Wellenfrontkrümmung, die sich in Abhängigkeit von der Heizlinsenwirkung der im Resonator angeordneten Festkörper­ komponente verändert. Wenn daher die Änderung der Wellen­ frontkrümmung durch Verwendung des optischen Bildübertra­ gungssystems stabilisiert wird, ist es möglich, einen Laser­ strahl mit einer stabilen äußeren Fortpflanzung zu erzeugen.
Ausführungsbeispiel 3
Bei der in den Fig. 15a und 15b gezeigten Ausführungsform ist ein Resonator vorgesehen, der einen vergrößerten Aus­ trittsspiegel 25 anstelle des vergrößerten Reflexionsspie­ gels 16 der zweiten Ausführungsform, den Totalreflexions­ spiegel 11 und die Kondensorlinse 12 besitzt. Der ver­ größerte Austrittsspiegel 25 umfaßt einen Teilreflexions­ spiegel 26 an einem mittleren Abschnitt und einen nicht re­ flektierenden Abschnitt 27 an einem Umfangsabschnitt des mittleren Abschnitts.
Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, im Inneren einen Laserstrahl vorzusehen, der eine Intensitätsverteilung be­ sitzt, die im wesentlichen die gleiche Form wie die in Fig. 12 gezeigte hat. Darüber hinaus ist es möglich, nach außen einen kompakten Laserstrahl (einschließlich eines vollstän­ dig kompakten Mittelstrahles) vorzusehen, wie in Fig. 16 gezeigt, d. h. einen Laserstrahl, der ein gutes Konzentra­ tionsvermögen aufweist.
Im Vergleich zu der zweiten Ausführungsform ist es somit möglich, die Intensität eines Laserstrahles 28, die für das gleiche Konzentrationsverhalten erforderlich ist, und die Heizmenge, die infolge der Absorption des Laserstrahles durch die Festkörperkomponente erzeugt wird, zu reduzieren. Somit kann von der Festkörperkomponente entwickelte Wärme verringert werden und selbst im hohen Energiebereich ein La­ serstrahl hoher Qualität auf stabile Weise erzeugt werden.
Ausführungsbeispiel 4
Bei der in den Fig. 17a und 17b gezeigten Ausführungsform wird zusätzlich zu den Merkmalen der dritten Ausführungsform eine Phasendifferenz zwischen einem den mittleren teilre­ flektierenden Spiegel 26 und einem den peripheren nicht re­ flektierenden Abschnitt 27 durchdringenden Laserstrahl be­ seitigt, indem der teilreflektierende Spiegel 26 mit einer Dicke, die ein Mehrfaches der normalen Dicke beträgt, vorge­ sehen ist oder indem in einer Außenfläche des Spiegels eine Stufe 35 vorgesehen ist, wie in den Fig. 18a, 18b ge­ zeigt. Es ist auf diese Weise möglich, einen Festkörperla­ serstrahl mit gleichmäßiger Phase vorzusehen.
Somit kann das Kondensationsvermögen des Laserstrahles wei­ ter verbessert werden. Es ist daher möglich, die Intensität eines Laserstrahles 7, die für das gleiche Konzentrations­ vermögen erforderlich ist, niedriger zu machen als bei der dritten Ausführungsform und die Heizmenge zu reduzieren, die durch Absorption des Laserstrahles durch die Festkörperkom­ ponente erzeugt wird. Somit kann die von der Festkörperkom­ ponente entwickelte Wärme reduziert werden, um selbst in ei­ nem hohen Energiebereich auf stabile Weise einen Laserstrahl hoher Qualität zu erzeugen.
Ausführungsbeispiel 5
Bei der in Fig. 19 gezeigten Ausführungsform wird eine Festkörperkomponente mit rauher Oberfläche so erregt, das sie zu einem Lasermedium wird, wobei die Festkörperkompo­ nente als Verstärker für einen Laserstrahl verwendet wird.
Während in Fig. 19 eine als Oszillator dienende Laservor­ richtung auf der linken Seite der Figur dargestellt ist und der Vorrichtungen der Fig. 3a und 3b entspricht, ist eine auf der rechten Seite dargestellte und als Verstärker die­ nende Laservorrichtung nicht mit einem Resonator versehen und verstärkt den von der Laservorrichtung auf der linken Seite erzeugten Laserstrahl 15, so daß dieser als Laser­ strahl 150 nach außen abgegeben wird.
Durch eine solche Kombination aus einem Oszillator und einem Verstärker wird ein Laserstrahl hoher Energie erzeugt, der besonders wirksam ist, wenn die Lichtquelle 4 die Festkör­ perkomponente 300 pulsförmig erregt.
Der Laserstrahl 15 kann ohne Aberration im Schnitt verstärkt werden, weil die Festkörperkomponente die rauhe Oberfläche besitzt. Mit anderen Worten, der Laserstrahl 15 wird bei konstanter Strahlqualität in hohem Maße verstärkt und kann als Laserstrahl 150 abgeleitet werden.
Obwohl diese Ausführungsform in Verbindung mit der Festkör­ perlaservorrichtung gemäß Fig. 1, die den Laserresonator verwendet, beschrieben wurde, ist es möglich, den gleichen Effekt mit irgendeiner der Festkörperlaservorrichtungen der Ausführungsformen 2, 3 und 4 zu erzielen.
Ausführungsbeispiel 6
Bei der in Fig. 20 gezeigten Ausführungsform ist eine Viel­ zahl von Festkörperkomponenten 300 in Richtung einer op­ tischen Achse angeordnet. Auf diese Weise kann ein Laserme­ dium in Längsrichtung ausgeweitet werden, um einen Laser mit hoher Energie zu erzeugen.
Es ist schwierig, die Vielzahl der Festkörperkomponenten zu kombinieren, wenn die entsprechenden Festkörperkomponenten keine Aberration aufweisen. Daher ist es erforderlich, die Festkörperkomponenten so auszuwählen, daß sich die Aberratio­ nen der Vielzahl der Festkörperkomponenten teilweise neutra­ lisieren können.
Bei dieser Ausführungsform ist wegen der Oberflächenrauhig­ keit der Festkörperkomponenten nur eine kleine Aberration im Schnitt derselben vorhanden, so daß das längliche Laserme­ dium erhalten werden kann, indem die Vielzahl der Festkör­ perkomponenten ohne jegliche Auswahl derselben kombiniert wird. Mit Hilfe des Lasermediums läßt sich der Laserstrahl hoher Energie mit niedrigen Kosten erzeugen.
Bei der in Fig. 20 gezeigten sechsten Ausführungsform wer­ den Linsen 12a und 12b als optisches System zur Heizlinsen­ korrektur verwendet einschließlich eines durchlässigen optischen Bildübertragungssystems, das wie der in Fig. 8 gezeigte Spiegel mit veränderlicher Krümmung betrieben wer­ den kann. Die Linsen 12a und 12b sind zwischen die Vielzahl der Festkörperkomponenten eingesetzt, um die Heizlinse der Festkörperkomponente zu korrigieren. Es ist somit möglich, einen geringfügigen Fokussiereffekt oder eine geringfügige Divergenz durch Einstellung des Raumes zwischen den beiden Linsen 12a und 12b zu erhalten.
Da die entsprechenden Festkörperkomponenten eine geringe Aberration besitzen, ist es möglich, die Heizlinse der Fest­ körperkomponente in einfacher Weise zu korrigieren, indem die Linse zwischen die entsprechenden Festkörperkomponenten eingesetzt wird.
Wie in Fig. 20 gezeigt, ist die Kondensorlinse 12 auf dem Objekttisch 13b angeordnet, und die Abstände zwischen den entsprechenden Linsen werden in Abhängigkeit von den Aus­ fangsleistungen der Erregungslichtquellen 4, d. h. ent­ sprechend der Größe der Heizlinsen der Festkörperkomponenten 300, verändert. Es ist somit möglich, eine solche Steuerung durchzuführen, daß die Vielzahl der Festkörperkomponenten 300 konstante Wirkungen auf den die Vielzahl der Festkörper­ komponenten durchdringenden Laserstrahl ausübt, und zwar un­ abhängig von der Ausgangsleistung der Lichtquelle, d. h. dem erzeugten Laser.
Obwohl diese Ausführungsform in Verbindung mit der Festkör­ perlaservorrichtung beschrieben wurde, die den Laserresona­ tor der Ausführungsform 1 verwendet, ist es auch möglich, den gleichen Effekt bei sämtlichen Festkörperlaservorrich­ tungen der Ausführungsformen 2, 3 und 4 zu erreichen.
Ausführungsbeispiel 7
Bei der in den Fig. 21a und 21b gezeigten Ausführungsform findet ein Halbleiterlaser 400 als Lichtquelle 4 Verwendung. Wenn ein Halbleiterlaser verwendet wird, der eine kürzere Wellenlänge ähnlich der eines Laserstrahles besitzt, wenn der Halbleiterlaser als Lichtquelle eingesetzt wird, ist es möglich, den Grad der Wärmeabsorption durch die Festkörper­ komponente auf einen niedrigeren Wert zu bringen als in dem Fall, in dem eine Lampe als Lichtquelle verwendet wird. In den Fig. 21a und 21b ist mit 410 eine optische Komponente bezeichnet, die aus Glas o. ä. besteht, um das Licht des Halbleiters so zu begrenzen, das es in den Kondensor 6 ein­ geführt wird.
Es ist damit möglich, die Heizlinsenverteilung im Schnitt der Festkörperkomponente zu reduzieren. Da die Festkörper­ komponenten zusätzlich zu dieser Form eine rauhe Oberfläche besitzen, ist es ferner möglich, die Heizlinsenverteilung im Schnitt der Festkörperkomponente niedriger zu machen als bei Verwendung einer Lampe als Lichtquelle in einem Test, bei dem die gleiche Laserausgangsleistung verwendet wurde. Somit ist es möglich, einen Laserstrahl hoher Energie und hoher Qualität zu erreichen.
Falls der Halbleiterlaser verwendet wird, ist es ferner mög­ lich, die Erregungsverteilung im Schnitt der Festkörperkom­ ponente einzustellen, indem die Wellenlänge und der Absorp­ tionskoeffizient des Halbleiterlaserlichtes in der Festkör­ perkomponente verändert werden.
Wenn beispielsweise der Halbleiterlaser mit einer Wellen­ länge erregt wird, die nahe an der Absorptionswellenlänge der Festkörperkomponente liegt, kann die Ausgangsleistung der Lichtquelle in der Nachbarschaft der Oberfläche der Festkörperkomponente beträchtlich absorbiert werden, was zur Ausbildung einer starken Erregungsverteilung in der Nachbar­ schaft der Oberfläche führt.
Wenn im Gegensatz hierzu der Halbleiterlaser mit einer Wel­ lenlänge erregt wird, die von der Absorptionswellenlänge der Festkörperkomponente weit entfernt ist, durchdringt das ab­ gegebene Licht die Festkörperkomponente tief und wird danach von dieser absorbiert. Folglich liegt eine relativ intensive Erregerverteilung in der Nachbarschaft eines mittleren Ab­ schnittes der Festkörperkomponente vor.
Es ist somit möglich, die Erregungsverteilung durch Verwen­ dung der Wellenlänge des Halbleiterlasers und durch Ausnut­ zung der Rauhigkeit der Oberfläche der Festkörperkomponente einzustellen.
Wenn daher die Wellenlänge des als Lichtquelle dienenden Halbleiterlasers in Abhängigkeit vom Zustand der Ober­ flächenrauhigkeit der Festkörperkomponente eingestellt wird, ist es möglich, eine Erregungsverteilung vorzusehen, die eine Intensitätsverteilung mit größerer Gleichmäßigkeit im Schnitt der Festkörperkomponente aufweist, d. h. ein gleich­ mäßiges Lasermedium und ein Lasermedium ohne jegliche Aberra­ tion.
Obwohl diese Ausführungsform in Verbindung mit der Festkör­ perlaservorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, bei der ein Laserresonator Verwendung findet, beschrieben wurde, ist es auch möglich, den gleichen Effekt mit irgendeiner der Festkörperlaservorrichtungen der Ausführungsformen 2, 3 und 4 zu erreichen.
Ausführungsbeispiel 8
Fig. 22 ist eine Schnittansicht, die eine Festkörperlaser­ vorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 8 zeigt.
In Fig. 22 sind mit 11 ein Totalreflexionsspiegel mit einem Krümmungsradius R, mit 12 eine Kondensorlinse, mit 13a und 13b entsprechende bewegliche Tische zur Bewegung des Re­ flexionsspiegels 11 und der Linse 12 relativ zum Teilre­ flexionsspiegel 2 vor und zurück, mit 14 das in einem Laser­ resonator (der den Totalreflexionsspiegel 11, den Teilre­ flexionsspiegel 2 und die Kondensorlinse 12 umfaßt) erzeugte Laserlicht und mit 15 ein von der Laservorrichtung abgegebe­ ner Laserstrahl bezeichnet.
Es wird nunmehr die Funktionsweise erläutert. Wie bei der Festkörperlaservorrichtung des Standes der Technik gibt die Erregungslichtquelle 4 Licht ab, wenn die Stromquelle 5 ein­ geschaltet wird. Das abgegebene Licht wird in der Festkör­ perkomponente 3 durch die Wirkung des Kondensors 6 in einer Festkörperlaservorrichtung dieser Ausführungsform konzen­ triert. Danach wird die Festkörperkomponente 3 durch Empfang des Lichtes von der Lichtquelle 4 erregt, so daß das Laser­ licht 14 erzeugt wird. Bei dieser Ausführungsform wird das Laserlicht 14 im Laserresonator, der den Totalreflexions­ spiegel 11, den Teilreflexionsspiegel 12 und die Kondensor­ linse 12 umfaßt, verstärkt. Des weiteren wird das Laserlicht 14 nach außen abgegeben, indem es als Laserstrahl 15 den Teilreflexionsspiegel 2 durchdringt, nachdem das Laserlicht 14 eine vorgegebene Intensität erreicht hat.
Es wird nunmehr ein optisches Bildübertragungssystem ein­ schließlich des Totalreflexionsspiegels 1 und der Kondensor­ linse 12 beschrieben, das einen Hauptgegenstand der Erfin­ dung darstellt. Bei dem optischen Bildübertragungssystem handelt es sich um ein optisches System, bei dem das von ei­ nem Punkt des optischen Systems abgegebene Licht selbst übertragen wird, indem es das optische System durchdringt, und eine wesentliche zurückgelegte optische Distanz gleich Null ist. Mit anderen Worten, hierdurch wird ein Bildüber­ tragungszustand erreicht. Bei der Festkörperlaservorrichtung der Erfindung sind der Totalreflexionsspiegel 11 und die Kondensorlinse 12 in Positionen angeordnet, die zu allererst diese Bildübertragungsbedingung erfüllen. Wenn f die Brenn­ weite der Kondensorlinse 12, R (= f) der Krümmungsradius des Totalreflexionsspiegels 11 und L (= R+f=2f) der Abstand zwischen dem Totalreflexionsspiegel und der Kondensorlinse ist, durchdringt ein Bild in einer Position, die von der Vorderfläche der Kondensorlinse 12 um L entfernt ist, die Kondensorlinse 12 und wird danach durch den Totalre­ flexionsspiegel in eine Ausgangsposition übertragen. Wenn der Abstand zwischen dem Totalreflexionsspiegel und der Kon­ densorlinse durch die Objekttische 13a, 13b um den kleinen Betrag (= 2Δf) verändert wird, kann das gesamte optische System in äquivalenter Weise als Totalreflexionsspiegel mit einem variablen Krümmungsradius R (=f/2Δ) wirken.
Bei dem auf der linken Seite der Fig. 23 gezeigten optischen Bildübertragungssystem sind die Kondensorlinse 12 (mit der Brennweite f) und der Totalreflexionsspiegel 11 (mit dem Krümmungsradius R [=f]) in einem Intervall von 2f (1+Δ) angeordnet, das durch Vergrößerung der Ausgangs­ distanz L (= 2f) um 2Δf erhalten wurde. Das optische Bild­ übertragungssystem entspricht dem Fall, bei dem ein Totalre­ flexionsspiegel 16A mit einem Krümmungsradius R1 (= f/2Δ), der auf der rechten Seite der Fig. 23 gezeigt ist, in einer mit A bezeichneten Position angeordnet ist (die von der Vor­ derfläche der Kondensorlinse 12 den Abstand L hat). Daher wird das optische Bildübertragungssystem hiernach als Bild­ übertragungsspiegel mit veränderlicher Krümmung oder als Reflexionsspiegel mit veränderlicher Krümmung bezeichnet. Wie vorstehend angegeben, ist der Krümmungsradius R1 des Bildübertragungsspiegels 16A mit veränderlicher Krümmung proportional zu einem Wert 1/2Δ, bei dem es sich um eine Abweichung von einer Basisdistanz L zwischen der Kondensor­ linse 12 und dem Gesamtreflexionsspiegel 11 handelt, um die Bildübertragungsbedingung zu erfüllen. Der Bildübertragungs­ spiegel 16A mit veränderlicher Krümmung ist daher wegen die­ ser feinen Abweichung wesentlich anders als der Totalre­ flexionsspiegel 1 (bei dem es sich um einen ebenen Spiegel mit unendlichem Krümmungsradius handelt) der Laservorrich­ tung des Standes der Technik.
Fig. 24 zeigt die Beziehung zwischen dem Abstand zwischen der Kondensorlinse 12, die eine Brennweite von f = 50 mm be­ sitzt, und dem Totalreflexionsspiegel 11 und dem Krümmungs­ radius des Bildübertragungsspiegels mit veränderlicher Krüm­ mung, der zu dem optischen Bildübertragungssystem äquivalent ist. Der Krümmungsradius dieses Spiegels kann in guter An­ sprache auf eine geringfügige Veränderung des Abstandes ge­ ändert werden, da das optische Bildübertragungssystem als Stammkorpus des Spiegels dienen kann. Beispielsweise kann der Krümmungsradius in einem Bereich von unendlich bis etwa 2 m (2000 mm) im großen Umfang verändert werden, selbst wenn die Größe der Abweichung 2Δf nur um 0,0005 mm variiert wird.
Somit kann das optische Bildübertragungssystem einschließ­ lich des Totalreflexionsspiegels 11 und der Kondensorlinse 12 und der beweglichen Tische 13a, 13b gemäß Fig. 22 in der gleichen Weise funktionieren wie das optische Bildübertra­ gungssystem, bei dem der Reflexionsspiegel mit veränder­ licher Krümmung in der Festkörperkomponente 3 angeordnet ist. Mit anderen Worten, durch eine Änderung der der Strom­ quelle 5 zugeführten Energie wird die Intensität des Erre­ gungslichtes von der Erregerlichtquelle 4 verändert. Daher ändert sich der Heizlinseneffekt der Festkörperkomponente 3. Es ist jedoch möglich, den äquivalenten Krümmungsradius des optischen Bildübertragungssystems, das den Totalreflexions­ spiegel 11 und die Kondensorlinse 12 umfaßt, durch Bewegung der beweglichen Objekttische 13a, 13b geringfügig zu verän­ dern.
Daher ist es bei der achten Ausführungsform möglich, den Heizlinseneffekt der Festkörperkomponente im Resonator durch Kompensation dieses Heizlinseneffektes in Abhängigkeit von der Laserausgangsleistung zu beseitigen und auf diese Weise den Weg des Laserlichtes 14 zu korrigieren. Ferner kann ein breiter Querschnittsbereich des Laserlichtes 14 durch Ände­ rung des Krümmungsradius unabhängig von der Änderung der der Stromquelle 5 zugeführten Energie aufrechterhalten werden. Gemäß der achten Ausführungsform ist es somit möglich, Ände­ rungen der Heizlinse des Laserlichtes 14 in der Nachbar­ schaft der Erzeugungsposition desselben sehr genau zu korri­ gieren, ohne daß dies irgendwelche Auswirkungen auf andere Abschnitte des Resonators hat, da das optische Bildübertra­ gungssystem die wesentliche optische Fortpflanzungsdistanz von Null besitzt, wodurch eine konstante Funktionsweise des Resonators (ohne Divergenz des Laserstrahles) auf rechterhal­ ten werden kann.
Fig. 25 ist ein Diagramm, das Änderungen des Divergenzwin­ kels eines Laserstrahles in Abhängigkeit von der Laseraus­ gangsleistung (die von der zugeführten Energie der Energie­ quelle für die Lichtquelle abhängig ist) zeigt, wenn ein Nd : YAG-Kristall als Festkörperkomponente verwendet wird. In Fig. 25 wird zwischen zwei Ausführungsformen verglichen, d. h. der Ausführungsform 8, bei der der Heizlinseneffekt durch das optische Bildübertragungssystem der Ausführungs­ form 8 kompensiert wird, und einem Vergleichsbeispiel, bei dem der Heizlinseneffekt nicht kompensiert wird. Bei dem Vergleichsbeispiel der Fig. 25 steigt der Divergenzwinkel beträchtlich an, da ein Anstieg der Laserausgangsleistung den Heizlinseneffekt ansteigen läßt. Im Gegensatz hierzu kann man erkennen, daß der Divergenzwinkel des Laserstrahles beim Ausführungsbeispiel 8 unabhängig von der Laserausgangs­ leistung ist und durch die Kompensation des Heizlinseneffek­ tes im wesentlichen konstant wird.
Ausführungsbeispiel 9
Es wird nunmehr Ausführungsbeispiel 9 in Verbindung mit den Fig. 26 und 27a und 27b erläutert. Fig. 26 ist eine Schnittansicht, die eine Festkörperlaservorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 9 zeigt. In Fig. 26 sind die Teile mit den Bezugszeichen 3 bis 8 und 11 bis 13b mit denen der Vor­ richtung des Ausführungsbeispiels 8 identisch. Mit 16 sind ein vergrößerter Totalreflexionsspiegel, mit 17 ein Teil­ reflexionsspiegel, mit 18 Laserlicht, das in einem Laserre­ sonator (der den Totalreflexionsspiegel 11, die Kondensor­ linse 12, den vergrößerten Totalreflexionsspiegel 16 und den Teilreflexionsspiegel 17 umfaßt) erzeugt wird, und mit 19 ein von der Laservorrichtung abgegebener Laserstrahl be­ zeichnet.
Die Festkörperlas 59991 00070 552 001000280000000200012000285915988000040 0002004331389 00004 59872ervorrichtung der neunten Ausführungsform funktioniert grundsätzlich wie die Festkörperlaservorrich­ tung der achten Ausführungsform, mit der nachfolgenden Aus­ nahme. Bei der neunten Ausführungsform finden der ver­ größerte Totalreflexionsspiegel 16 und der meniskusförmige Teilreflexionsspiegel 17 anstelle des Teilreflexionsspiegels 2 der Fig. 22 Verwendung. Des weiteren umfaßt ein instabi­ ler Resonator einen Bildübertragungsspiegel veränderlicher Krümmung, der den vergrößerten Totalreflexionsspiegel 16, den meniskusförmigen Teilreflexionsspiegel 17, die Konden­ sorlinse 12 und den Totalreflexionsspiegel 11 umfaßt. Wenn der instabile Resonator Verwendung findet, findet eine wie­ derholte Divergenz (durch den vergrößerten Totalreflexions­ spiegel 16) und Konzentration (durch den Totalreflexions­ spiegel 11) des Laserlichtes 18 im Resonator statt. Folglich ist es möglich, eine Festkörperkomponente 300 mit im wesent­ lichen gleichmäßiger Intensitätsverteilung im Schnitt vorzu­ sehen.
Die Fig. 27a und 27b zeigen Strahlenmuster (d. h. Intensi­ tätsverteilungen in Querschnittsrichtung des Laserlichtes) für zwei Fälle, d. h. einen Fall, bei dem der instabile Reso­ nator (Ausführungsform 9) Verwendung findet, und einen ande­ ren Fall, bei dem der stabile Resonator verwendet wird. Wie die Fig. 27a und 27b zeigen, ist die Intensität des La­ serlichtes bei der Festkörperlaservorrichtung der Aus­ führungsform 9 in Schnittrichtung desselben gleichmäßig im Vergleich zu der glockenblumenförmigen Intensitätsverteilung beim stabilen Resonator.
Daher kann bei der neunten Ausführungsform die Festkörper­ komponente 3 entlang ihrem Querschnitt gleichmäßig erhitzt werden, und zwar selbst in einem Bereich hoher Energie, in dem das Laserlicht teilweise von der Festkörperkomponente 3 absorbiert wird, um diese zu erhitzen. Folglich ist es mög­ lich, im Querschnitt eines Lasermediums (Festkörperkomponente) 3 der neunten Ausführungsform einen konstanten Heizlinseneffekt der Festkörperkomponente zu er­ reichen und die Kompensation des Heizlinseneffektes durch einen Bildübertragungsspiegel veränderlicher Krümmung (der die Kombination aus dem Totalreflexionsspiegel 11, der Kondensor­ linse 12 und den beweglichen Objekttischen 13a, 13b umfaßt) zu erleichtern. Es ist ferner möglich, den Heizlinseneffekt genau zu beseitigen und auf diese Weise einen stabilen La­ serstrahl hoher Qualität 19 (d. h. einen nicht divergierenden Laserstrahl) vorzusehen.
Ausführungsbeispiel 10
Es wird nunmehr Ausführungsbeispiel 10 in Verbindung mit Fig. 28 beschrieben. Fig. 28 ist eine Schnittansicht, die eine Festkörperlaservorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 10 zeigt. In Fig. 28 sind die Teile mit den Bezugszeichen 3 bis 8, 11 bis 13b und 17 mit denen des Ausführungsbeispiels 9 identisch. Mit 25 ist ein vergrößerter Austrittsspiegel bezeichnet, der einen mittleren Teilreflexionsspiegel (vergrößerter Teilreflexionsabschnitt) 26 und einen periphe­ ren nicht reflektierenden Abschnitt 27 aufweist. Mit 28 ist Laserlicht bezeichnet, das in einem Laserresonator (der den Totalreflexionsspiegel 11, die Kondensorlinse 12, den ver­ größerten Austrittsspiegel 25 und den Teilreflexionsspiegel 17 umfaßt) erzeugt wird, und mit 29 ist ein von der Laser­ vorrichtung abgegebener Laserstrahl bezeichnet.
Die Festkörperlaservorrichtung der zehnten Ausführungsform funktioniert grundsätzlich wie die Festkörperlaservorrich­ tung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform 9, mit der nachfolgenden Ausnahme. Bei der zehnten Ausführungsform fin­ det der vergrößerte Austrittsspiegel 25 anstelle des ver­ größerten Totalreflexionsspiegels 16 der Fig. 26 Verwen­ dung, und ein instabiler Resonator umfaßt einen Bildübertra­ gungsspiegel mit veränderlicher Krümmung, der den vergrößer­ ten Austrittsspiegel 25, die Kondensorlinse 12 und den To­ talreflexionsspiegel 11 aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, einen Laserstrahl 29 zu schaffen, der einen kompak­ ten Querschnitt (nicht pfannkuchenförmig) aufweist, und die Intensität des Laserlichtes 28 zu reduzieren, die erforder­ lich ist, um das gleiche Konzentrationsvermögen wie bei der neunten Ausführungsform zur Verfügung zu stellen.
Gemäß der zehnten Ausführungsform ist es daher möglich, die infolge der Absorption des Laserlichtes 28 durch die Fest­ körperkomponente 300 erzeugte Heizmenge herabzusetzen und die Kompensation des Heizlinseneffektes durch den Bildübertra­ gungsspiegel mit veränderlicher Krümmung selbst in einem Be­ reich hoher Energie zu erleichtern. Man kann daher den Heiz­ linseneffekt genau beseitigen und somit einen stabilen La­ serstrahl 29 hoher Qualität erzeugen.
Ausführungsbeispiel 11
Es wird nunmehr Ausführungsbeispiel 11 in Verbindung mit Fi­ gur 29 erläutert. Fig. 29 ist eine Schnittansicht, die eine Festkörperlaservorrichtung gemäß der elften Ausführungsform zeigt. In Fig. 29 sind die Teile mit den Bezugszeichen 3 bis 8, 11 bis 13b, 17 und 25 bis 28 mit denen der Vorrich­ tung der zehnten Ausführungsform identisch. Mit 35 ist eine Stufe bezeichnet, die an einer Stelle an der Außenfläche des Teilreflexionsspiegels 17, der dem Teilreflexionsspiegel 26 entspricht, vorgesehen ist. Mit 36 ist ein Laserstrahl be­ zeichnet, der von der Laservorrichtung abgegeben wird.
Die Festkörperlaservorrichtung der elften Ausführungsform funktioniert grundsätzlich wie die Festkörperlaservorrich­ tung der vorstehend beschriebenen zehnten Ausführungsform, mit der nachfolgenden Ausnahme. Bei der elften Ausführungs­ form ist die Stufe 35 in der Außenfläche des Teilreflexions­ spiegels 17 vorgesehen, um die Phasendifferenz zwischen ei­ nem Laserstrahl, der den Abschnitt 26 des Teilreflexions­ spiegels durchdringt, und einem Laserstrahl, der den nicht reflektierenden Abschnitt 27 durchdringt, zu beseitigen. Es ist daher mit der elften Ausführungsform möglich, einen kom­ pakten Laserstrahl 36 zu erzeugen, der eine gleichmäßige Phase besitzt, und das Konzentrationsverhalten zu verbessern (d. h. die Konzentration durch die Linse o.a. aufgrund des nicht divergierenden Laserstrahles 36 zu erleichtern).
Ausführungsbeispiel 12
Es wird nunmehr Ausführungsbeispiel 12 in Verbindung mit den Fig. 30 bis 32 erläutert. Fig. 30 ist eine Schnittan­ sicht, die eine Festkörperlaservorrichtung gemäß Ausfüh­ rungsbeispiel 12 zeigt. In Fig. 30 sind die Teile mit den Bezugszeichen 2 bis 8 und 11 bis 13b mit denen der Vorrich­ tung des Ausführungsbeispiels 8 identisch. Mit 40 ist eine piezoelektrische Vorrichtung, mit 41 eine Steuereinheit zum Steuern der Expansion und Kontraktion der piezoelektrischen Vorrichtung, mit 40, 42 das dem Resonator erzeugte Laser­ licht und mit 43 ein von der Laservorrichtung abgegebener Laserstrahl bezeichnet.
Die Festkörperlaservorrichtung der zwölften Ausführungsform funktioniert grundsätzlich in der gleichen Weise wie die Festkörperlaservorrichtung der vorstehend beschriebenen ach­ ten Ausführungsform, mit der folgenden Ausnahme. Bei der zwölften Ausführungsform wird der Abstand zwischen dem To­ talreflexionsspiegel 11 und der Kondensorlinse 12 durch die Expansion und Kontraktion der piezoelektrischen Vorrichtung 40, die an der Rückseite des Totalreflexionsspiegels 11 mon­ tiert ist, in einer kurzen Zeitspanne über den beweglichen Objekttisch 13a verändert, während die Energiezufuhr kon­ stant gelassen wird (d. h. der Pumpzustand wird konstant ge­ lassen). Durch die Änderung des Abstandes zwischen dem To­ talreflexionsspiegel 11 und der Kondensorlinse 12 wird der Bildübertragungszustand des Laserresonators der Ausführungs­ form 8 verändert. Folglich kann der Bildübertragungszustand geometrisch und optisch zwischen einem stabilen Zustand (d. h. einen Zustand des stabilen Resonators) und einem in­ stabilen Zustand (d. h. einem Zustand des instabilen Resona­ tors) umgeschaltet werden.
Fig. 31 zeigt die Beziehung zwischen dem Abstand zwischen dem Totalreflexionsspiegel 11 und der Kondensorlinse 12 und der Laserausgangsleistung. Man kann beispielsweise erkennen, daß die Laserausgangsleistung rapide ansteigt, wenn der Bildübertragungszustand von R = 2f = 100 mm auf R < 2f (f < 100 mm) verändert wird, wenn die Brennweite f der Kondensor­ linse 12 50 mm beträgt.
Wenn ein Resonatorzustand durch die piezoelektrische Vor­ richtung 40 in einer kurzen Zeit (mit hoher Geschwindigkeit) wiederholt verändert wird, kann der Resonator in der kurzen Zeit zwischen dem stabilen Zustand, der zu einem reduzierten Verlust führt, und dem instabilen Zustand, der zu erhöhten Verlusten führt (d. h. der Resonatorverlust kann sich mit der Zeit ändern [zyklisch]), geometrisch und optisch fluktuie­ ren. Daher steigt der Q-Wert des Resonators rasch an, so daß eine Schwingung mit scharfen Impulsen erzielt wird. Fig. 32 zeigt eine solche scharfe Impulsform, die in der vorstehend angegebenen Weise erhalten wird.
Ausführungsbeispiel 13
Es wird nunmehr Ausführungsbeispiel 13 in Verbindung mit den Fig. 33 bis 35 beschrieben. Fig. 33 ist eine Schnittan­ sicht, die eine Festkörperlaservorrichtung gemäß Aus­ führungsbeispiel 13 zeigt. In Fig. 33 sind die mit den Be­ zugszeichen 2 bis 8 und 11 bis 13b sowie 40 versehenen Teile mit denen der Vorrichtung des Ausführungsbeispiels 12 iden­ tisch. In Fig. 33 ist mit 50 eine zweite Lichtquelle, mit 51 ein von der Lichtquelle 50 abgegebener Lichtstrahl, mit 52 ein Fotodetektor, beispielsweise ein CCD, mit 53 eine Steuereinheit zum Steuern der Expansion und Kontraktion der piezoelektrischen Vorrichtung 40 in Abhängigkeit von den Meßergebnissen des Fotodetektors, mit 54 das im Resonator erzeugte Laserlicht und mit 55 ein von der Laservorrichtung abgegebener Laserstrahl bezeichnet.
Fig. 34 ist eine Schnittansicht, die eine modifizierte Festkörperlaservorrichtung gemäß der dreizehnten Aus­ führungsform zeigt. In Fig. 34 sind die Teile mit den Be­ zugszeichen 2 bis 8, 11 bis 13b, 40 und 50 bis 55 mit denen der Vorrichtung des Ausführungsbeispiels 33 identisch. Die Festkörperlaservorrichtung umfaßt ferner Spiegel 56a, 56b, die den Lichtstrahl 51 von der zweiten Lichtquelle total re­ flektieren, das Laserlicht 54 jedoch vollständig durchlas­ sen.
Bei der in den Fig. 33 und 34 gezeigten Laservorrichtung kann der von der zweiten Lichtquelle 50 erzeugte Laserstrahl 51 die Festkörperkomponente 300, in der der Heizlinseneffekt auftritt, passieren. Der Fotodetektor 53 detektiert eine Än­ derung des Außendurchmessers des Lichtstrahles 51 infolge des Durchlaufens der Festkörperkomponente 3. In diesem Fall der Vorrichtung der Fig. 33 bewegt sich das Licht 51 diago­ nal relativ zum Laserlicht 54, so daß es direkt auf den Fo­ todetektor 52 fällt. Bei der Vorrichtung der Fig. 34 bewegt sich das Licht 51 im Laserlicht 54 parallel hierzu durch den Spiegel 56a und weicht danach vom Laserlicht 54 durch den Spiegel 56b ab, so daß es auf den Fotodetektor 52 trifft. In der Steuereinheit 53 kann das Ausmaß des Heizlinseneffektes der Festkörperkomponente 3 in Abhängigkeit von dem detek­ tierten Wert (der den Grad der Änderung des Außendurchmes­ sers des Lichtstrahles 51 darstellt) errechnet werden, und die piezoelektrische Vorrichtung 40 wird in Abhängigkeit von dem errechneten Wert angetrieben, um den Abstand zwischen dem Totalreflektionsspiegel 11 und der Kondensorlinse 12 einzustellen. Daher ist es gemäß dieser Ausführungsform mög­ lich, den Heizlinseneffekt der Festkörperkomponente 3 zu be­ seitigen, während man Schwankungen des Heizlinseneffektes über eine kurze Zeit folgt, und einen konstanten Diver­ genzwinkel aufrechtzuerhalten.
Fig. 35 zeigt die Änderungen des Divergenzwinkels des La­ serstrahles 55 der in den Fig. 33 und 34 gezeigten Laser­ vorrichtung in Abhängigkeit von der nach Beendigung der Be­ reitstellung der Energiequelle 5 abgelaufenen Zeit im Ver­ gleich zu der Änderung des Divergenzwinkels bei einem Ver­ gleichsbeispiel, bei dem der Heizlinseneffekt nicht kompen­ siert ist. Obwohl sich der Divergenzwinkel des Laserstrahles ändert, bis der Heizlinseneffekt der Festkörperkomponente des Vergleichsbeispiels stabilisiert ist, wird bei der drei­ zehnten Ausführungsform der Divergenzwinkel gleichzeitig mit der Bereitstellung der Energiequelle stabilisiert.
Obwohl bei jeder dieser Ausführungsformen der Laserstrahl abgeleitet wird, indem die optischen Spiegel 2 und 17 ge­ trennt vom optischen Bildübertragungssystem vorgesehen sind, kann ein reflektierender Abschnitt für einen Teil des das optische Bildübertragungssystem bildenden Spiegels vorgesehen sein, um den Laserstrahl extern vom reflektierenden Ab­ schnitt abzuleiten.
Obwohl keine spezielle Beschreibung hierauf gerichtet wurde, kann ferner ein nicht reflektierender Film in einer Position der entsprechenden optischen Komponenten, die vom Laser­ strahl durchdrungen werden, angeordnet werden, wie bei den typischen optischen Komponenten, obwohl diese Position nicht speziell beschrieben ist. Durch den nicht reflektierenden Film werden Verluste im Resonator reduziert, und es wird eine wirksame Laseroszillation ermöglicht.
Ausführungsbeispiel 14
Fig. 36 ist eine Schnittansicht, die eine Festkörperlaser­ vorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 14 der Erfindung zeigt. In Fig. 36 sind die Teile mit den Bezugszeichen 2 bis 8 und 11 bis 15 mit denen der Vorrichtung der Fig. 22 identisch. Mit 60 ist ein Gehäuse zur Aufnahme des Totalre­ flexionsspiegels 11 bezeichnet, während mit 61 ein im Ge­ häuse 60 vorgesehenes Luftloch bezeichnet ist. In Fig. 36 gibt die gestrichelte Linie L die tatsächliche Anordnung ei­ nes Spiegels mit veränderlicher Krümmung wieder, der zu ei­ nem Bildübertragungssystem äquivalent ist, das den Totalre­ flexionsspiegel 11 und die Kondensorlinse 12 aufweist.
Bei der Festkörperlaservorrichtung ist ein Konzentrations­ punkt des Laserlichtes in einer mittleren Position zwischen dem Totalreflexionsspiegel 11 und der Kondensorlinse 12 an­ geordnet. Das Gehäuse 60 verhindert, daß Staub o. ä. in der Atmosphäre zum Konzentrationspunkt gelangt. Daher ist es möglich, eine Qualitätsverschlechterung des im Bereich des Staubes hindurchtretenden Laserlichtes 14 infolge des vom Laserlicht erhitzten Staubes zu verhindern.
Wenn das Gehäuse 60 durch Anschließen einer Vakuumpumpe an das Luftloch 61 evakuiert wird, ist es möglich, das Staub­ problem noch leichter zu beseitigen und eine Qualitätsver­ schlechterung des Laserstrahles durch eine Plasmaerzeugung infolge einer erhöhten Intensität des Konzentrationspunktes oder eine Absorption des Laserlichtes infolge der Feuchtig­ keit in der Luft zu vermeiden. Es ist auch möglich, eine Plasmabildung in der Nähe des Konzentrationspunktes zu ver­ meiden, indem ein inaktives Gas vom Luftloch 61 in das Ge­ häuse 60 geblasen wird.
Ferner kann der Totalreflexionsspiegel 11 vom beweglichen Objekttisch 13a entfernt und auf einer Wand des Gehäuses 16 montiert werden. Andererseits kann die Höhe des Unterdrucks durch das Luftloch 61 verändert werden, und das Gehäuse 60 kann durch Variation des Drucks des in das Gehäuse 60 gebla­ senen Gases verformt werden. Es ist auf diese Weise möglich, die Krümmung des Spiegels mit veränderlicher Krümmung in äquivalenter Weise zu verändern, indem man den Abstand zwischen dem Totalreflexionsspiegel 11 und der Kondensor­ linse 12 ohne den beweglichen Objekttisch 13a verändert. Es ist auch möglich, die Änderung der äquivalenten Krümmung des Spiegels mit veränderlicher Krümmung zu erzielen, indem man eine Heizeinrichtung in Kontakt mit dem Gehäuse 60 anordnet und durch Erhitzen der Heizeinrichtung die Temperatur im Gehäuse 60 verändert.
Ausführungsbeispiel 15
Fig. 37 zeigt eine Schnittansicht einer Festkörperlaservor­ richtung gemäß Ausführungsbeispiel 15 der vorliegenden Er­ findung. In Fig. 37 sind die Teile, die mit den Bezugs­ zeichen 2 bis 8, 11 bis 15, 60, 61 bezeichnet sind, mit denen der Vorrichtung der Fig. 36 identisch. Mit 63 ist ein Wellenlängenumformer bezeichnet, der aus einem KTP (Kaliumtitanylphosphat)-Kristall o. ä. besteht.
Bei dieser Festkörperlaservorrichtung ist der Wellenlängen­ umformer 63 so angeordnet, daß er die Wellenlänge des Laser­ lichtes 14 umformt und einen Laserstrahl 15 mit kürzerer Wellenlänge erzeugt, der ein gutes Konzentrationsvermögen besitzt. Insbesondere ist der Wellenlängenumformer 63 an ei­ nem Konzentrationspunkt angeordnet, der sich in dem Zwischenraum zwischen dem Totalreflexionsspiegel 11 und der Kondensorlinse 12 befindet. Es ist daher möglich, in wirksa­ mer Weise die Wellenlänge umzuformen, indem man vom Laser­ licht 14 Gebrauch macht, das am Konzentrationspunkt eine er­ höhte Intensität besitzt.
Darüber hinaus ist der Wellenlängenumformer 63 im Gehäuse 60 untergebracht, so daß kein Staub o.a. an einer Fläche des Wellenlängenumformers 63 haftet. Es ist daher möglich, die Wellenlänge für eine lange Zeitdauer auf beständige Weise umzuformen.
Ausführungsbeispiel 16
Fig. 38 ist eine Schnittansicht, die eine Festkörperlaser­ vorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 16 der vorliegenden Erfindung zeigt. In Fig. 38 sind die Teile mit den Bezugs­ zeichen 2 bis 8, 11 bis 15, 60, 61 mit denen der Vorrichtung in Fig. 36 identisch. Andere Teile, die mit den Bezugs­ zeichen 16, 17 versehen sind, sind mit denen der Vorrichtung der Fig. 26 identisch.
Bei dieser Festkörperlaservorrichtung ist der gleiche insta­ bile Laserresonator vorgesehen wie bei der Ausführungsform in Fig. 26, so daß ein pfannkuchenförmiger Laserstrahl 15 erzeugt wird. Aufgrund des Gehäuses 60 ist es ferner mög­ lich, das Anhaften von Staub am Bildübertragungssystem zu verhindern, so daß die Vorrichtung über eine lange Zeitdauer betätigt werden kann, ohne den Totalreflexionsspiegel 11 und die Kondensorlinse 12 reinigen zu müssen.
Ausführungsbeispiel 17
Fig. 39 ist eine Schnittansicht einer Festkörperlaservor­ richtung gemäß Ausführungsbeispiel 17 der vorliegenden Er­ findung. In Fig. 39 sind die Teile mit den Bezugszeichen 2 bis 8, 11 bis 15, 60, 61 mit denen der Vorrichtung der Fig. 36 identisch. Andere Teile, die mit den Bezugszeichen 17 und 25 bis 27 versehen sind, sind mit denen der Vorrichtung der Fig. 28 identisch.
Diese Festkörperlaservorrichtung besitzt den gleichen insta­ bilen Laserresonator wie die Ausführungsform der Fig. 28, so daß ein kompakter Laserstrahl 15 zur Verfügung gestellt wird. Des weiteren ist es möglich, das Anhaften von Staub am Bildübertragungssystem durch das Gehäuse 60 zu verhindern und die Vorrichtung über eine lange Zeitdauer zu betreiben, ohne den Totalreflexionsspiegel 11 und die Kondensorlinse 12 reinigen zu müssen.
Ausführungsbeispiel 18
Fig. 40 ist eine Schnittansicht, die eine Festkörperlaser­ vorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 18 der vorliegenden Erfindung zeigt. In Fig. 40 sind die Teile, die mit dem Be­ zugszeichen 2 bis. 8, 11 bis 15, 60, 61 versehen sind, mit denen der Vorrichtung der Fig. 36 identisch. Andere Teile, die die Bezugszeichen 17, 25 bis 27, 35 und 36 aufweisen, sind mit denen der Vorrichtung der Fig. 29 identisch.
Diese Festkörperlaservorrichtung weist den gleichen instabi­ len Laserresonator wie die Ausführungsform der Fig. 29 auf, so daß ein massiver Laserstrahl 36 mit keiner Phasendiffe­ renz zur Verfügung gestellt wird. Des weiteren ist es mög­ lich, das Anhaften von Staub am Bildübertragungssystem durch das Gehäuse 60 zu verhindern und die Vorrichtung über eine lange Zeitdauer zu betreiben, ohne den Totalreflexionsspie­ gel 11 und die Kondensorlinse 12 reinigen zu müssen.
Ausführungsbeispiel 19
Bei dem in den Fig. 41a und 41b gezeigten Ausführungsbei­ spiel 19 trifft ein von einer Festkörperlaservorrichtung er­ zeugter Laserstrahl auf ein Ende einer optischen Faser 300 und wird an eine entfernt angeordnete Stelle überführt. Der Laserstrahl wird des weiteren vom gegenüberliegenden Ende der optischen Faser 300 abgegeben und durch die Kondensor­ linse 12 konzentriert. Der konzentrierte Laserstrahl wird zur Durchführung einer Laserbearbeitung eines Werkstücks 800 verwendet. In den Fig. 41a und 41b ist mit 820 der Einlaß für ein Prozeßgas und mit 810 eine Behandlungsdüse bezeich­ net.
Da bei der neunzehnten Ausführungsform die Oberflächen­ rauhigkeit der Festkörperkomponente die Aberration in einem Schnitt der Festkörperkomponente verringert, kann der von der Festkörperlaservorrichtung der neunzehnten Ausführungs­ form erzeugte Laserstrahl zu einem kleinen Punkt konzen­ triert werden.
Der zu dem kleinen Punkt konzentrierte Laserstrahl kann in wirksamer Weise auf das Ende der optischen Faser 300 treffen und kann vom gegenüberliegenden Ende der Faser 300 ohne Ver­ lust an Laserenergie abgegeben werden, so daß eine wirksame Laserbearbeitung des Werkstücks 800 mit hoher Qualität mög­ lich ist.
Obwohl die neunzehnte Ausführungsform in Verbindung mit der Festkörperlaservorrichtung beschrieben wurde, bei der der im ersten Ausführungsbeispiel erläuterte Laserresonator Verwen­ dung findet, ist es auch möglich, den gleichen Effekt mit irgendeiner Festkörperlaservorrichtung der Ausführungsformen 2, 3 und 4 zu erzielen.
Ausführungsbeispiel 20
Bei dem in den Fig. 42a und 42b gezeigten Ausführungsbei­ spiel wird ein von einer Festkörperlaservorrichtung erzeug­ ter Laserstrahl durch die Atmosphäre zu einem entfernten Ort überführt und durch die Kondensorlinse 12 konzentriert, nachdem die Richtung des Laserstrahles durch den Totalre­ flektionsspiegel 11 geändert wurde. Des weiteren wird der konzentrierte Laserstrahl zur Durchführung einer Laserbear­ beitung eines Werkstücks 800 verwendet.
Da bei dieser zwanzigsten Ausführungsform die Oberflächen­ rauhigkeit der Festkörperkomponente die Aberration in einem Schnitt der Festkörperkomponente reduziert, kann der von der Festkörperlaservorrichtung dieser Ausführungsform erzeugte Laserstrahl zu einem kleinen Punkt konzentriert werden. Der konzentrierte Laserstrahl ermöglicht eine wirksame Laserbe­ arbeitung des Werkstücks 800 mit hoher Qualität.
Obwohl diese Ausführungsform in Verbindung mit der Festkör­ perlaservorrichtung beschrieben wurde, bei der der im ersten Ausführungsbeispiel erläuterte Laserresonator Verwendung findet, ist es auch möglich, den gleichen Effekt mit irgend­ einer der Festkörperlaservorrichtungen der Ausführungsformen 2, 3 und 4 zu erzielen.
Ausführungsbeispiel 21
Bei der in den Fig. 43a und 43b gezeigten Ausführungsfor­ men 21 wird der beispielsweise von der Festkörperlaservor­ richtung gemäß Ausführungsbeispiel 20 erzeugte Laserstrahl durch die Atmosphäre an einen entfernten Ort überführt und durch die Kondensorlinse 12 konzentriert, nachdem die Rich­ tung des Laserstrahles vom Totalreflexionsspiegel 11 verän­ dert wurde. Danach wird der konzentrierte Laserstrahl durch eine zweite Kondensorlinse 12 weiter konzentriert, und der konzentrierte Laserstrahl wird zur Durchführung einer guten Laserbearbeitung eines Werkstücks 800 verwendet.
Da bei dieser Ausführungsform durch die Oberflächenrauhig­ keit der Festkörperkomponente die Aberration in einem Schnitt der Festkörperkomponente reduziert wird, kann der von der Festkörperlaservorrichtung dieser Ausführungsform erzeugte Laserstrahl zu einem kleinen Punkt konzentriert werden. Durch die Konzentration des Laserstrahles zu einem kleinen Punkt kann die Laserbearbeitung des Werkstücks 800 durchge­ führt werden.
Es erfolgt nunmehr eine zusätzliche Beschreibung einer Aus­ führungsform, bei der eine Vielzahl von Linsen Verwendung findet, die für diese Ausführungsform charakteristisch sind.
Beispielsweise kollidiert der von der Festkörperlaservor­ richtung der Ausführungsformen 1 bis 18 erzeugte Laserstrahl mit dem Ende der Festkörperkomponente, einem Laserspiegel o. ä., der in einem Laserresonator angeordnet ist, was zur Erzeugung einer gebrochenen Welle führt.
Wenn die Beugungswelle konzentriert wird, besitzt sie eine Intensitätsverteilung an einem Umfangsabschnitt des Laser­ strahles und dient als peripherer Strahl, wie in Fig. 44a gezeigt ist, wenn der Laserstrahl konzentriert wird.
Wenn der Laserstrahl zur Laserbearbeitung verwendet wird, besteht das Problem, daß wegen der nachfolgend angegebenen Gründe keine wirksame Laserbearbeitung mit hoher Qualität durchgeführt werden kann. Beim Schneiden ist es unmöglich, aufgrund des peripheren Strahles eine scharfe Schneidebene zu erreichen. Beim Penetrieren wird in Umfangsrichtung an einem Bearbeitungsabschnitt unnötige Wärme erzeugt.
Um bei der einundzwanzigsten Ausführungsform dieses Problem zu beseitigen, findet eine Vielzahl von Linsen Verwendung, um die Bildübertragung eines Laserstrahles auf ein Werkstück durchzuführen. Der Laserstrahl ist in der Nachbarschaft ei­ ner Stelle, von der aus die Beugungswelle erzeugt wird, und in der Nachbarschaft einer Laservorrichtung angeordnet.
Wie vorstehend ausgeführt, wird die Beugungswelle in erster Linie am Ende der Festkörperkomponente oder am Ende des Spiegels in der Laservorrichtung erzeugt. Es ist daher mög­ lich, einen konzentrierten Laserstrahl zu schaffen, der keine Auswirkung auf die Beugungswelle aufweist, wenn das optische System so eingestellt ist, daß es die Bildübertra­ gung des Laserstrahles in der Nachbarschaft dieser Stellen auf dem Werkstück 800 durchführt.
In Fig. 43 ist eine Ausführungsform mit zwei Linsen 12 dar­ gestellt. Es ist möglich, den Laserstrahl auf jede beliebige Stelle in der Laservorrichtung durch Einstellen der Brenn­ weiten der Linsen zu übertragen. Dies kann man mit einem konzentrierten Laserstrahl mit keinem peripheren Strahl durchführen, wie beispielsweise in Fig. 44b gezeigt.
Obwohl die Ausführungsform, bei der zwei Linsen Verwendung finden, in Verbindung mit Ausführungsbeispiel 21 beschrieben wurde, können auch Reflexionsspiegel kombiniert werden. Kurz gesagt, das optische System kann kombiniert werden, damit eine Bildübertragung des in der Nachbarschaft des Innenrau­ mes der Laservorrichtung erzeugten Laserstrahles möglich ist und kein peripherer Strahl erzeugt wird.
In Fig. 45a ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die eine Blende 50 aus einem metallischen, keramischen oder Glaszylinder oder einer optischen Faser aufweist. Die Blende 50 ist an der optischen Bahn angeordnet, so daß eine Bild­ übertragung des Laserstrahles durchgeführt wird, bei der der periphere Strahl des Laserstrahles abgeschnitten wird.
Diese Ausführungsform ist besonders wirksam für einen Fall, bei dem eine der Festkörperlaservorrichtungen der Ausfüh­ rungsbeispiele 2, 3 und 4 verwendet wird, da hierbei das Ende des Spiegels im Laserresonator angeordnet ist.
Ausführungsbeispiel 22
Bei dem in den Fig. 46a und 46b gezeigten Ausführungsbei­ spiel 22 wird der beispielsweise von der Festkörperlaservor­ richtung gemäß Ausführungsbeispiel 20 erzeugte Laserstrahl durch die Atmosphäre an einen entfernten Ort überführt und von der Kondensorlinse 12 konzentriert, nachdem die Richtung des Laserstrahles vom Totalreflexionsspiegel 11 verändert wurde. Danach wird der konzentrierte Laserstrahl durch eine zweite Kondensorlinse 12 weiter konzentriert, nachdem er die Blende 50 passiert hat, so daß der konzentrierte Laserstrahl zur Durchführung der Laserbearbeitung eines Werkstücks 800 eingesetzt werden kann.
Da bei der zweiundzwanzigsten Ausführungsform die Ober­ flächenrauhigkeit der Festkörperkomponente die Aberration in einem Schnitt der Festkörperkomponente reduziert, kann der von der Festkörperlaservorrichtung dieser Ausführungsform erzeugte Laserstrahl zu einem kleinen Punkt konzentriert werden. Der zu dem kleinen Punkt konzentrierte Laserstrahl ermöglicht eine gute Laserbearbeitung des Werkstücks 800.
Es erfolgt nunmehr eine zusätzliche Beschreibung der Blende 50, die für diese Ausführungsform charakteristisch ist.
Beispielsweise kollidiert der von der Festkörperlaservor­ richtung der Ausführungsformen 1 bis 18 erzeugte Laserstrahl mit einem Ende der Festkörperkomponente, einem Laserspiegel o. ä., der in einem Laserresonator angeordnet ist, was zur Erzeugung einer Beugungswelle führt.
Wenn die Beugungswelle konzentriert wird, besitzt sie eine Intensitätsverteilung an einem Umfangsabschnitt des Laser­ strahles und dient als peripherer Strahl, wie in Fig. 44a gezeigt, wenn der Laserstrahl konzentriert wird.
Wenn der Laserstrahl für die Laserbearbeitung eingesetzt wird, besteht das Problem, daß keine wirksame Laserbearbei­ tung mit hoher Qualität durchgeführt werden kann, was auf die nachfolgend angegebenen Gründe zurückzuführen ist. Bei der Schneidbearbeitung ist es unmöglich, infolge des peri­ pheren Strahles eine scharfe Schneidebene vorzusehen. Bei der Penetrationsbearbeitung wird am Bearbeitungsabschnitt in Umfangsrichtung überflüssige Wärme erzeugt.
Bei der zweiundzwanzigsten Ausführungsform dringt der Laser­ strahl durch die Blende und wird nicht auf der optischen Bahn konzentriert. Somit kann die Beugungswelle durch die Blende abgetrennt werden, und die Laserbearbeitung durch den Laserstrahl kann ohne die Beugungswelle durchgeführt werden.
Diese zweiundzwanzigste Ausführungsform ist besonders wirk­ sam bei der Festkörperlaservorrichtung der Ausführungsbei­ spiele 2, 3 und 4, da hierbei das Ende des Spiegels in einem Laserresonator angeordnet ist.
Ausführungsbeispiel 23
Bei dem in den Fig. 47a und 47b gezeigten Ausführungsbei­ spiel 23 wird der beispielsweise von der Festkörperlaservor­ richtung gemäß Ausführungsbeispiel 20 erzeugte Laserstrahl durch die Atmosphäre an einen entfernten Ort überführt und durch die Kondensorlinse 12 konzentriert, nachdem die Rich­ tung des Laserstrahles durch den Totalreflexionsspiegel 11 verändert wurde. Danach wird der konzentrierte Laserstrahl durch eine zweite Kondensorlinse 12 weiter ,konzentriert, nachdem er einen übersättigten Absorber 3000 passiert hat. Der konzentrierte Laserstrahl wird zur Durchführung einer Laserbearbeitung eines Werkstücks 800 verwendet.
Da bei dieser dreiundzwanzigsten Ausführungsform die Ober­ flächenrauhigkeit der Festkörperkomponente die Aberration in einem Schnitt der Festkörperkomponente reduziert, kann der von der Festkörperlaservorrichtung der dreiundzwanzigsten Ausführungsform erzeugte Laserstrahl zu einem kleinen Punkt konzentriert werden. Der zu dem kleinen Punkt konzentrierte Laserstrahl ermöglicht eine gute Laserbearbeitung des Werk­ stücks 800.
Es folgt nunmehr eine zusätzliche Beschreibung des übersät­ tigten Absorbers 3000, der für diese dreiundzwanzigste Aus­ führungsform charakteristisch ist.
Beispielsweise kollidiert der von der Festkörperlaservor­ richtung der Ausführungsbeispiele 1 bis 18 erzeugte Laser­ strahl mit einem Ende der Festkörperkomponente, einem Laser­ spiegel o. ä., der in einem Laserresonator angeordnet ist, was zur Erzeugung einer Beugungswelle führt.
Wenn die Beugungswelle konzentriert wird, besitzt sie eine Intensitätsverteilung auf einem Umfangsabschnitt des Laser­ strahles und wirkt als peripherer Strahl, wie in Fig. 44a gezeigt, falls der Laserstrahl konzentriert wird.
Wenn der Laserstrahl für die Laserbearbeitung verwendet wird, besteht das Problem, daß keine wirksame Laserbearbei­ tung mit hoher Qualität durchgeführt werden kann, was auf die nachfolgenden Gründe zurückzuführen ist. Bei der Schneidbearbeitung ist es unmöglich, infolge des peripheren Strahles eine scharfe Schneidebene zu erzielen. Bei der Pe­ netrationsbearbeitung wird am Bearbeitungsabschnitt in Um­ fangsrichtung überflüssige Wärme erzeugt.
Die dreiundzwanzigste Ausführungsform wird mit Hilfe eines YAG-Laserstrahles als Beispiel erläutert. Dieser Laserstrahl dringt durch den übersättigten Absorber 3000, der aus Cr4+ : YAG, LiF : F2 - o. ä. besteht, wenn der Laserstrahl auf der optischen Bahn konzentriert wird. Der übersättigte Absorber dient typischerweise als Reflektor, kann jedoch auch durch­ lässig sein, indem er einen starken Laserstrahl absorbiert, wenn dieser starke Laserstrahl auf den übersättigten Absor­ ber trifft.
Somit kann bei dem in Fig. 44a gezeigten Laserstrahl nur ein zentraler Abschnitt mit großer Intensität hindurchdrin­ gen, so daß ein peripherer Abschnitt, der als Komponente der Beugungswelle wirkt, eliminiert wird.
Diese Ausführungsform ist besonders wirksam für den Fall, wenn eine der Festkörperlaservorrichtungen der Ausführungs­ beispiele 2, 3 und 4 verwendet wird, weil das Ende des Spie­ gels in einem Laserresonator angeordnet ist.
Der Laserstrahl kann durch eine der Laserbearbeitungsvor­ richtungen der Ausführungsbeispiele 19 bis 23 gestoppt und in das Ende der optischen Faser des Ausführungsbeispiels 19 eingeführt werden. Es ist somit möglich, den Laserstrahl in wirksamer Weise in eine Faser einzuführen und somit sicher an den entfernten Ort zu überführen.
Bei jeder Ausführungsform wurde die Festkörperkomponente in Verbindung mit einer solchen beschrieben, die einen kreis­ förmigen Querschnitt besitzt. Der Querschnitt der Festkör­ perkomponente ist jedoch nicht auf einen derartigen kreis­ förmigen Querschnitt beschränkt. Es können vielmehr auch Rechteckquerschnitte oder elliptische Querschnitte Verwen­ dung finden.
Obwohl bei jeder Ausführungsform keine spezielle Beschrei­ bung erfolgt ist, kann ein nicht reflektierender Film in ei­ ner Position der entsprechenden optischen Komponenten ange­ ordnet werden, die der Laserstrahl durchläuft, wie dies bei den typischen optischen Komponenten der Fall ist, obwohl diese Position nicht speziell beschrieben wurde. Durch den nicht reflektierenden Film werden Verluste im Resonator re­ duziert, und es wird eine wirksame Laseroszillation ermög­ licht.
Mit der vorstehend beschriebenen Festkörperlaservorrichtung und Laserbearbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung werden die nachfolgend erläuterten Vorteile erreicht.
Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Festkörperlaservor­ richtung wird die Festkörperkomponente durch Flüssigkeit pe­ ripher gekühlt, und die Oberflächenrauhigkeit der Festkör­ perkomponente, die einen größeren Brechungsindex als die Flüssigkeit besitzt, wird eingestellt, um die Erregungsver­ teilung im Schnitt der Festkörperkomponente einzustellen. Es ist somit möglich, ein Lasermedium zu schaffen, mit dem eine Im wesentlichen gleichmäßige Emission im Schnitt ohne Wel­ lenfrontaberration möglich ist. Des weiteren ist es möglich, unter Verwendung des Laserresonators auf beständige Weise einen Laserstrahl hoher Energie und hoher Qualität vorzuse­ hen.
Bei der Festkörperlaservorrichtung wird die Festkörperkompo­ nente peripher durch eine Flüssigkeit gekühlt, und die Ober­ flächenrauhigkeit der Festkörperkomponente, die einen größe­ ren Brechungsindex als die Flüssigkeit aufweist, wird auf 130 µ′′ RMS oder mehr eingestellt. Es ist somit möglich, ein Lasermedium vorzusehen, mit dem eine im wesentlichen gleich­ mäßige Emission ohne Aberration im Schnitt möglich ist. Des weiteren ist es möglich, durch Verwendung des Laserresona­ tors einen Laserstrahl mit hoher Energie und hoher Qualität zu erzeugen.
Bei der Festkörperlaservorrichtung findet ein Lichterre­ gungssystem mit einem Kondensor Verwendung, um das Licht der Lichtquelle zu begrenzen und in die Festkörperkomponente einzuführen. Das dabei auf der Oberfläche der Festkörperkom­ ponente gestreute Licht wird vom Kondensor wieder reflek­ tiert und in die Festkörperkomponente eingeführt, nachdem die Hin- und Herbewegung eine Vielzahl von Malen im Konden­ sor wiederholt wurde. Es gibt daher keine Reduzierung des Übertragungsvermögens des Lichtes der Lichtquelle auf die Festkörperkomponente durch die Oberflächenrauhigkeit dersel­ ben. Somit ist es möglich, eine Erniedrigung des Laserwir­ kungsgrades zu verhindern.
Bei der Festkörperlaservorrichtung findet ein Lichterre­ gungssystem einschließlich eines Kondensors Verwendung, mit dem das von der Lichtquelle abgegebene Licht begrenzt wird und das eine diffuse Reflexionsfläche an einem Innenab­ schnitt aufweist, um das Licht der Lichtquelle in die Fest­ körperkomponente einzuführen. Somit wird das auf der Ober­ fläche der Festkörperkomponente gestreute Licht wieder vom Kondensor diffus reflektiert. Der Laserstrahl wird daher in zuverlässiger Weise bei jeder Reflexion teilweise in die Festkörperkomponente eingeführt, und durch die Oberflächen­ rauhigkeit der Festkörperkomponente wird keine Reduzierung des Übertragungsvermögens des Lichtes der Lichtquelle auf die Festkörperkomponente bewirkt. Somit ist es möglich, ein Absinken des Laserwirkungsgrades zu verhindern.
Darüber hinaus kann die diffuse Reflexionsfläche das Licht der Lichtquelle im Kondensor so ausgleichen, daß die Fest­ körperkomponente mit gleichmäßigem Licht peripher ange­ strahlt wird. Es ist daher möglich, ein Lasermedium zu er­ zeugen, das im Schnitt in Umfangsrichtung einheitlich ist, und unter Verwendung des Laserresonators auf beständige Weise einen Laserstrahl mit hoher Energie und hoher Qualität zur Verfügung zu stellen.
Eine Vielzahl von Festkörperkomponenten mit rauher Ober­ fläche wird in Richtung der optischen Achse angeordnet, um einen verlängerten Erregungsabschnitt vorzusehen. Auf diese Weise ist es möglich, die Länge des Lasermediums ohne Aus­ wahl der Festkörperkomponenten auszuweiten und mit niedrigen Kosten einen Laserstrahl hoher Energie vorzusehen.
Bei der Festkörperlaservorrichtung kann ein optisches Heiz­ linsenkorrektursystem zwischen die entsprechenden Festkör­ perkomponenten eingesetzt werden. Hiermit ist es möglich, auf beständige Weise einen Laserstrahl hoher Energie ohne jegliche Beeinflussung der Festkörperkomponente durch die Heizlinse zu erzeugen.
Bei der Festkörperlaservorrichtung wird von der Festkörper­ komponente mit rauher Oberfläche unter Verwendung eines sta­ bilen Resonators eine entsprechende Laserausgangsenergie ab­ geleitet. Es ist dabei möglich, einen Laserstrahl zu erzeu­ gen, der in der Festkörperkomponente eine im wesentlichen gleichmäßige Intensitätsverteilung besitzt. Durch die Laser­ energie kann die Festkörperkomponente ohne Störung der Gleichmäßigkeit über den Schnitt gleichmäßig erhitzt werden, selbst dann, wenn die Laserenergie ansteigt und partiell von der Festkörperkomponente absorbiert wird, so daß diese er­ hitzt wird. Auf diese Weise ist es möglich, auf beständige Weise einen Laserstrahl hoher Energie zu erzeugen.
Bei der Festkörperlaservorrichtung wird der Laserstrahl von der eine rauhe Oberfläche aufweisenden Festkörperkomponente ebenfalls unter Verwendung eines instabilen Resonators abge­ leitet. Damit ist es möglich, einen Laserstrahl mit gleich­ mäßigerer Intensitätsverteilung zu erzeugen als mit dem sta­ bilen Resonator in der Festkörperkomponente. Hierbei kann die Festkörperkomponente durch die Laserenergie ohne Störun­ gen der Gleichförmigkeit über den Schnitt gleichmäßig er­ hitzt werden, selbst dann, wenn die Laserenergie ansteigt und von der Festkörperkomponente teilweise absorbiert wird, so daß die Festkörperkomponente erhitzt wird. Auf diese Weise ist es möglich, auf beständige Art einen Laserstrahl hoher Energie zu erzeugen.
Bei der Festkörperlaservorrichtung wird der Laserstrahl von der mit der rauhen Oberfläche versehenen Festkörperkompo­ nente abgeleitet, indem ein Laserresonator verwendet wird, der einen Austrittsspiegel besitzt, welcher einen partiell reflektierenden Abschnitt am mittleren Abschnitt und einen nicht reflektierenden Abschnitt an seinem Umfangsabschnitt aufweist, und der einen einzigen Totalreflexionsspiegel oder optisches Heizlinsenkorrektursystem besitzt. Es ist damit möglich, in der Festkörperkomponente einen Laserstrahl zu erzeugen, der eine gleichmäßigere Intensitätsverteilung auf­ weist als bei dem stabilen Resonator, und einen Laserstrahl zu erzeugen, dessen Konzentrationsvermögen größer ist als das bei dem instabilen Resonator.
Die Festkörperkomponente kann somit durch die Laserenergie ohne Störungen der Gleichmäßigkeit im Querschnitt selbst bei ansteigender Laserenergie gleichmäßig erhitzt werden, wobei die Laserenergie teilweise von der Festkörperkomponente ab­ sorbiert wird. Es ist somit möglich, auf beständige Weise einen Laserstrahl hoher Energie zu erzeugen.
Bei der Festkörperlaservorrichtung wird der Laserstrahl fer­ ner von der mit der rauhen Oberfläche versehenen Festkörper­ komponente abgeleitet, indem ein Laserresonator verwendet wird, der einen Austrittsspiegel mit partiell reflektieren­ dem Abschnitt am mittleren Abschnitt und nicht reflektieren­ dem Abschnitt am Umfangsabschnitt und Einrichtungen zum Kom­ pensieren der Phasendifferenz des den partiell reflektieren­ den Abschnitt und den nicht reflektierenden Abschnitt durch­ dringenden Laserstrahles sowie einen einzigen Totalre­ flexionsspiegel oder ein optisches System zur Heizlinsenkor­ rektur aufweist. Damit ist es möglich, in der Festkörperkom­ ponente einen Laserstrahl zu erzeugen, der eine gleichmäßi­ gere Intensitätsverteilung aufweist als bei dem stabilen Re­ sonator, sowie einen Laserstrahl zu erzeugen, dessen Konzen­ trationsvermögen größer ist als bei dem instabilen Resona­ tor.
Somit kann die Festkörperkomponente ohne Störungen der Gleichmäßigkeit im Schnitt durch die Laserenergie gleich­ mäßig erhitzt werden, und zwar selbst dann, wenn die Laser­ energie ansteigt und teilweise von der Festkörperkomponente absorbiert wird, so daß diese erhitzt wird. Es ist damit möglich, auf beständige bzw. stabile Weise einen Laserstrahl hoher Energie zu erzeugen.
Bei der Festkörperlaservorrichtung wird der Laserstrahl, der von einer getrennten Festkörperlaservorrichtung erzeugt wurde, in die Festkörperkomponente eingeführt, die die rauhe Oberfläche aufweist, um auf diese Weise einen verstärkten Laserstrahl extern zu erzeugen. Dabei ist es möglich, den Laserstrahl ohne die Aberration zu verstärken, und in ein­ facher Weise einen Laserstrahl hoher Qualität und hoher En­ ergie vorzusehen.
Des weiteren kann der Laserresonator verwendet werden, um die Laserenergie von der mit der rauhen Oberfläche ver­ sehenen Festkörperkomponente abzuleiten. In diesem Fall wird das optische System zur Heizlinsenkorrektur, das die Viel­ zahl der optischen Komponenten aufweist, als ein optisches Lasersystem verwendet, das den Resonator bildet, um min­ destens einen der Abstände zwischen den optischen Komponen­ ten zu steuern und in Abhängigkeit von der Abgabeleistung der Lichtquelle entsprechend zu verändern. Selbst wenn daher durch eine Änderung der Abgabeleistung der Lichtquelle die Heizlinse der Festkörperkomponente verändert wird, ist es möglich, diese Änderung durch Änderung von mindestens einem der Abstände zwischen den optischen Komponenten zu beseitigen. Folglich ist es möglich, einen Laserstrahl mit stabiler Strahlqualität zu erzeugen, und zwar unabhängig von der Abgabeleistung der Lichtquelle oder von der erzeugten Laserenergie.
Des weiteren kann der Laserresonator dazu verwendet werden, um die Laserenergie von der mit der rauhen Oberfläche versehenen Festkörperkomponente abzuleiten, wobei ein optisches Bildübertragungssystem vom Reflexions- oder Transmissionstyp als ein optisches System zur Heizlinsenkorrektur, das den Resonator bildet, verwendet wird. Selbst wenn daher durch eine Änderung der Abgabeleistung der Lichtquelle die Heizlinse der Festkörperkomponente verändert wird, ist es möglich, diese Änderung zu beseitigen, indem mindestens einer der Abstände zwischen den optischen Komponenten nur über eine geringe Distanz verändert wird. Folglich ist es möglich, unabhängig von der Abgabeleistung der Lichtquelle oder der erzeugten Laserenergie eine Steuerung mit hoher Geschwindigkeit durchzuführen und einen Laserstrahl mit stabiler Strahlqualität zu erzeugen.
Der Halbleiterlaser wird als Lichtquelle verwendet. Daher ist es möglich, die Größe des in der Festkörperkomponente erzeugten Heizlinseneffektes zu reduzieren und auf diese Weise die Heizlinsenverteilung zu reduzieren und die Wellenlänge des Halbleiterlasers so einzustellen, daß eine gleichmäßige Intensitätsverteilung im Schnitt der Festkörperkomponente, d. h. eine gleichmäßige Heizlinsenverteilung, erreicht wird. Es ist ferner möglich, auf diese Weise ein gleichmäßiges Lasermedium zur Verfügung zu stellen, so daß ein Laserstrahl mit hoher Qualität erzeugt wird.
Bei der Festkörperlaservorrichtung bilden der Totalreflexionsspiegel und die Kondensatorlinse das Bildübertragungssystem im Laserresonator und werden in Richtung der optischen Achse des Laserresonators bewegt. Es ist daher möglich, den Weg des Laserlichtes im Laserresonator einzustellen und einen breiten Querschnittsbereich des Laserlichtes aufrechtzuerhalten, um die Fokussierwirkung des Laserstrahles infolge des Heizlinseneffektes der Festkörperkomponente zu beseitigen. Auf diese Weise kann eine Festkörperlaservorrichtung geschaffen werden, die eine stabile Schwingung eines Strahles mit gutem Konzentrationsvermögen ermöglicht.
Bei dem stabilen Laserresonator, der eine Kombination aus dem optischen Bildübertragungssystem einschließlich einer Kombination des Totalreflexionsspiegels und der Kondensatorlinse mit einem partiell reflektierenden Spiegel aufweist, werden der Totalreflexionsspiegel und die Kondensorlinse, die das Bildübertragungssystem bilden, durch die Bewegungseinrichtungen in Richtung der optischen Achse des Laserresonators bewegt. Es ist daher möglich, den Weg des Laserlichtes im Resonator einzustellen und einen breiten Querschnittsbereich des Laserlichtes aufrechtzuerhalten, während eine glockenblumenförmige Intensitätsverteilung im Schnitt der Festkörperkomponente aufrechterhalten wird, um die Fokussierwirkung des Laserstrahles infolge des Heizlinseneffektes der Festkörperkomponente zu beseitigen.
Bei dem instabilen Laserresonator, der eine Kombination aus dem optischen Bildübertragungssystem einschließlich einer Kombination des Totalreflexionsspiegels und der Kondensor­ linse mit dem vergrößerten Totalreflexionsspiegel umfaßt, werden der Totalreflexionsspiegel und die Kondensorlinse, die das Bildübertragungssystem bilden, durch die Bewegungs­ einrichtungen in Richtung der optischen Achse des Laserreso­ nators bewegt. Daher ist es möglich, den Weg des Laser­ lichtes im Laserresonator einzustellen und eine gleichmäßige Intensitätsverteilung im Schnitt der Festkörperkomponente aufrechtzuerhalten. Folglich wird die Kompensation des Heiz­ linseneffektes erleichtert.
Des weiteren kann der vergrößerte Austrittsspiegel mit dem vergrößerten partiell reflektierenden Abschnitt am mittleren Abschnitt und dem nicht reflektierenden Abschnitt am Um­ fangsabschnitt anstelle des vergrößerten Totalreflexions­ spiegels verwendet werden, um einen Laserstrahl zu schaffen, der einen kompakten Querschnitt (keinen pfannkuchenförmigen bzw. ringförmigen Querschnitt) aufweist. Es ist daher mög­ lich, die Intensität des Laserlichtes, die erforderlich ist, um im wesentlichen das gleiche Konzentrationsvermögen zu er­ reichen, zu reduzieren und auf diese Weise die Belastung der Festkörperlaservorrichtung zu reduzieren.
Des weiteren kann die Festkörperlaservorrichtung Phasendif­ ferenzbeseitigungseinrichtungen aufweisen, um einen kompak­ ten Laserstrahl mit gleichmäßiger Phase zu erzeugen, der ein verbessertes Konzentrationsvermögen aufweist.
Des weiteren kontaktiert bei der Festkörperlaservorrichtung die piezoelektrische Vorrichtung mindestens die Kondensor­ linse und/oder den Totalreflexionsspiegel, die das optische Bildübertragungssystem bilden, und die piezoelektrische Vor­ richtung wird expandiert und kontrahiert, so daß der Bild­ übertragungszustand zwischen dem stabilen Zustand und insta­ bilen Zustand hin und hergeschaltet werden kann. Es ist auf diese Weise möglich, durch rasches Verändern des Q-Wertes des Resonators eine Schwingung mit scharfen Impulsen zu er­ zeugen.
Des weiteren kann die Festkörperlaservorrichtung eine zweite Lichtquelle umfassen, um einen Lichtstrahl abzugeben, der die Festkörperkomponente und den Fotodetektor durchdringt, um einen Lichtstrahl zu erhalten und die Veränderung im Außendurchmesser des Lichtstrahles zu messen. Wenn daher die piezoelektrische Vorrichtung unabhängig von den Ergebnissen der Detektion betrieben wird, ist es möglich, den Heizlin­ seneffekt der Festkörperkomponente zu beseitigen, während man Schwankungen des Heizlinseneffektes in einer kurzen Zeit genau nachfolgt. Folglich wird die Kompensation des Heizlin­ seneffektes erleichtert.
Die Festkörperlaservorrichtung kann darüber hinaus ein Ge­ häuse umfassen, das den Totalreflexionsspiegel und die Kon­ densorlinse, die das Bildübertragungssystem bilden, auf­ nimmt. Damit ist es möglich, eine Verschlechterung der Qua­ lität des Laserstrahles infolge der Erzeugung eines Plasmas zu vermeiden, das durch den am Konzentrationspunkt des La­ serlichtes, der zwischen dem Totalreflexionsspiegel und der Kondensorlinse angeordnet ist, erhitzten Staub verursacht wird.
Die Festkörperlaservorrichtung kann ein im Gehäuse vorgese­ henes Luftloch aufweisen. Es ist damit möglich zu verhin­ dern, daß in der Luft befindliche Feuchtigkeit den Laser­ strahl absorbiert, wenn eine Vakuumpumpe an das Luftloch an­ geschlossen wird. Alternativ dazu ist es möglich, die Erzeu­ gung eines Plasmas in der Nachbarschaft des Konzentrations­ punktes zu verhindern, indem man ein inaktives Gas in das Gehäuse einführt.
Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung wird der Laserstrahl von der die rauhe Oberfläche aufweisenden Festkörperkompo­ nente erzeugt und in die optische Faser eingeführt, um an den entfernten Ort überführt zu werden. Die Laserbearbeitung wird durch Ausnutzung des von der Faser abgegebenen Laser­ strahles am entfernten Ort durchgeführt. Es ist somit mög­ lich, in wirksamer und sicherer Weise das Licht in die Faser einzuführen und dadurch eine wirksame und sichere Laserbear­ beitung durchzuführen.
Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung wird der von der Fest­ körperkomponente, die die rauhe Oberfläche aufweist, er­ zeugte Laserstrahl ferner durch ein optisches Kondensor­ system konzentriert, um die Laserbearbeitung durchzuführen. Damit ist es möglich, einen Laserstrahl zu schaffen, der zu einem kleinen Punkt konzentriert wird, und eine wirksame La­ serbearbeitung unter Verwendung dieses Laserstrahls durch­ zuführen.
Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung wird die Festkörperkom­ ponente durch Kontakt mit einer Flüssigkeit gekühlt. Die Festkörperkomponente besitzt einen größeren Brechungsindex als die Flüssigkeit. Die Oberflächenrauhigkeit der Festkör­ perkomponente wird in Längsrichtung variiert, um die Erre­ gungsverteilung im Schnitt der Festkörperkomponente ein zu­ stellen. Es ist damit möglich, die Stabilität der Laserbear­ beitungsvorrichtung zu verbessern, beispielsweise durch Re­ duzierung der Rauhigkeit der Fläche, die das zum Abdichten des Kühlmediums eingesetzte Dichtungsmaterial kontaktiert, um eine zuverlässige Dichtung vorzusehen.
Bei der Festkörperlaservorrichtung wird der von der Laser­ vorrichtung erzeugte Laserstrahl durch das optische System in die Nähe des Werkstücks überführt und konzentriert. Der Laserstrahl verläuft nach dem Konzentrieren weiter und wird erneut konzentriert, um ihn in das Werkstück einzuführen und die Laserbearbeitung durchzuführen. Es ist damit möglich, den in­ folge der am Konzentrationspunkt des Laserstrahles erzeugten Beugungswelle entstehenden peripheren Strahl zu beseitigen, so daß eine wirksame Laserbearbeitung mit hoher Qualität erreicht werden kann.
Bei der Festkörperlaservorrichtung wird der von der Laser­ vorrichtung erzeugte Laserstrahl vom optischen System in die Nähe des Werkstücks übertragen und konzentriert. Des weite­ ren wird die Beugungswelle durch eine Blende vom Laserstrahl entfernt, wobei diese Blende in der Nähe des Brennpunktes angeordnet ist, und der Laserstrahl wird danach erneut kon­ zentriert, um in das Werkstück eingeführt zu werden und die Laserbearbeitung durchzuführen. Es ist damit möglich, den peripheren Strahl aufgrund der am Konzentrationspunkt des Laserstrahles erzeugten Beugungswelle zu beseitigen, wodurch eine wirksame Laserbearbeitung mit hoher Qualität erreicht wird.
Bei der Festkörperlaservorrichtung wird der von der Laser­ vorrichtung erzeugte Laserstrahl durch das optische System in die Nähe des Werkstücks übertragen und konzentriert. Des weiteren wird die Beugungswelle vom Laserstrahl durch einen übersättigten Absorber entfernt, der in der Nachbarschaft des Brennpunktes angeordnet ist, und der Laserstrahl wird danach erneut konzentriert, um in das Werkstück eingeführt zu werden und die Laserbearbeitung durchzuführen. Es ist da­ her möglich, den peripheren Strahl aufgrund der am Konzen­ trationspunkt des Laserstrahles erzeugten Beugungswelle zu entfernen, wodurch eine wirksame Laserbearbeitung mit hoher Qualität erzielt wird.
Erfindungsgemäß wird somit eine Festkörperlaservorrichtung vorgeschlagen, mit der ein Laserstrahl hoher Qualität und hoher Energie erzeugt werden kann. Es wird ferner eine Laserbearbeitungsvorrichtung vorgeschlagen, mit der eine Laserbearbeitung mit einem Laserstrahl durchgeführt werden kann, der von der Festkörperlaservorrichtung erzeugt wird. Bei der Festkörperlaservorrichtung besitzt ein Laserresonator eine Festkörperkomponente, die in einem zylindrischen Rohr durch Kontakt mit einer Flüssigkeit gekühlt wird, welche durch eine Einlaßöffnung eingeführt und durch eine Auslaßöffnung herausgeführt wird, hat die Festkörperkomponente einen größeren Brechungsindex als die Flüssigkeit, erregt eine durch eine Energiequelle eingeschaltete Lichtquelle die Festkörperkomponente und überträgt ein optisches System Licht von der Lichtquelle zur Festkörperkomponente. Die Oberflächenrauhigkeit der Festkörperkomponente wird eingestellt, besitzt ein Laserresonator eine Festkörperkomponente, die in einem zylindrischen Rohr durch Kontakt mit einer Flüssigkeit gekühlt wird, welche durch eine Einlaßöffnung eingeführt und durch eine Auslaßöffnung herausgeführt wird, hat die Festkörperkomponente einen größeren Brechungsindex als die Flüssigkeit, erregt eine durch eine Energiequelle eingeschaltete Lichtquelle die Festkörperkomponente und überträgt ein optisches System Licht von der Lichtquelle zur Festkörperkomponente. Die Oberflächenrauhigkeit der Festkörperkomponente wird eingestellt, um die Erregungsverteilung im Schnitt der Festkörperkomponente einzustellen. Die Festkörperkomponente umfaßt desweiteren Bewegungseinrichtungen zur Bewegung eines Reflexionsspiegels und einer Kondensorlinse in Richtung der optischen Achse des Laserresonators sowie ein Gehäuse zur Aufnahme des optischen Bildübertragungssystems. Ein Laserstrahl wird vom Laserresonator erzeugt und nach außen abgegeben sowie zur Durchführung der Laserbearbeitung verwendet.

Claims (23)

1. Festkörperlaservorrichtung, gekennzeichnet durch:
eine Festkörperkomponente (300), die durch eine hiermit in Kontakt stehende Flüssigkeit gekühlt wird, einen höheren Brechungsindex als die Flüssigkeit aufweist und ein laseraktives Medium besitzt;
eine Lichtquelle (4) zum Erregen der Festkörperkomponente (300);
eine Lichterregungsvorrichtung zum Übertragen des Lichtes von der Lichtquelle (4) zur Festkörperkomponente (300); und
einen Laserresonator zum Ableiten eines Laserstrahles von der Festkörperkomponente (300),
wobei die Erregungsverteilung in einem Schnitt der Festkörperkomponente (300) durch Einstellung der Oberflächenrauhigkeit der Festkörperkomponente (300) eingestellt wird.
2. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörperkomponente (300) so eingestellt wird, daß sie eine Oberflächenrauhigkeit von 130 µ′′ RMS oder mehr aufweist.
3. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichterregungsvorrichtung eine Lichtquelle (4) und einen Kondensor (6) zum Begrenzen des Lichtes der Lichtquelle umfaßt.
4. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichterregungsvorrichtung eine Lichtquelle (4) und einen Kondensor (6) vom diffus reflektierenden Typ aufweist, um das Licht der Lichtquelle (4) zu begrenzen.
5. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Festkörperkomponenten (300) in der Richtung der optischen Achse angeordnet ist.
6. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Festkörperkomponenten (300) in Richtung der optischen Achse angeordnet ist und daß ein optisches System zur Heizlinsenkorrektur mindestens eine optische Linse (12) aufweist, die zwischen die Vielzahl der Festkörperkomponenten (300) eingesetzt ist.
7. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserresonator ein stabiler Resonator ist.
8. Festkörperlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserresonator ein instabiler Resonator ist.
9. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserresonator einen Austrittsspiegel (25) mit einem teilreflektierenden Abschnitt (26) an einem mittleren Abschnitt und einem nicht reflektierenden Abschnitt (27) an einem Umfangsabschnitt und einen einzigen Reflexionsspiegel aufweist.
10. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserresonator einen Austrittsspiegel (25) mit einem teilreflektierenden Abschnitt (26) an einem mittleren Abschnitt und einem nicht reflektierenden Abschnitt (27) an einem Umfangsabschnitt und Einrichtungen zum Kompensieren einer Phasendifferenz eines durch beide Abschnitte dringenden Laserstrahles sowie einen einzigen Reflexionsspiegel aufweist.
11. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserresonator einen Austrittsspiegel (25) mit einem teilreflektierenden Abschnitt (26) an einem mittleren Abschnitt und einem nicht reflektierenden Abschnitt (27) an einem Umfangsabschnitt sowie ein optisches Heizlinsenkorrektursystem aufweist.
12. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserresonator einen Austrittsspiegel (25) mit einem teilreflektierenden Abschnitt (26) an einem mittleren Abschnitt und einem nicht reflektierenden Abschnitt (27) an einem Umfangsabschnitt sowie Einrichtungen zum Kompensieren einer Phasendifferenz eines beide Abschnitte durchdringenden Laserstrahles sowie ein optisches Heizlinsenkorrektursystem aufweist.
13. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (4) ein Halbleiterlaser (400) ist.
14. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (4) ein Halbleiterlaser (400) ist und daß die Wellenlänge des Halbleiterlasers (400) und die Oberflächenrauhigkeit der Festkörperkomponente (300) so eingestellt sind, daß in der Festkörperkomponente (300) eine gleichmäßige Erregungsverteilung erhalten wird.
15. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserresonator eine Vielzahl von optischen Komponenten aufweist, die in mindestens einer Position angeordnet sind, und daß ein optisches Heizlinsenkorrektursystem zur Steuerung Anwendung findet, um mindestens einen der Abstände zwischen den optischen Komponenten in Abhängigkeit von der Leistung der Lichtquelle (4) zu verändern.
16. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Bildübertragungssystem vom Reflexionstyp oder Transmissionstyp als optisches Heizlinsenkorrektursystem verwendet wird.
17. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einer Festkörperkomponente (300), die getrennt vorgesehen ist, erzeugter Laserstrahl in eine andere Festkörperkomponente eingeführt wird, um einen verstärkten Laserstrahl nach außen abzuleiten.
18. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenrauhigkeit der Festkörperkomponente (300) in Längsrichtung verändert ist, um eine Erregungsverteilung in einem Schnitt der Festkörperkomponente (300) einzustellen.
19. Laserbearbeitungsvorrichtung zur Durchführung einer Laserbearbeitung durch Einführung eines von einer Festkörperlaservorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 erzeugten Laserstrahles durch ein optisches System in eine Endfläche einer optischen Faser (300) und durch Verwendung des von der entgegengesetzten Endfläche abgegebenen Laserstrahles.
20. Laserbearbeitungsvorrichtung zur Durchführung einer Laserbearbeitung durch Konzentration eines von einer Festkörperlaservorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 erzeugten Laserstrahles durch ein optisches Kondensorsystem.
21. Laserbearbeitungsvorrichtung gekennzeichnet durch: ein optisches System, das einen von einer Festkörperlaservorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 erzeugten Laserstrahl in die Nähe eines Werkstücks (800) führt, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung eine Laserbearbeitung durchführt, indem sie eine Bildübertragung eines vom optischen System auf das Werkstück (800) abgegebenen Laserstrahles durchführt und den Laserstrahl in das Werkstück einführt.
22. Laserbearbeitungsvorrichtung, gekennzeichnet durch:
ein optisches System, das einen von einer Festkörperlaservorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 erzeugten Laserstrahl in die Nähe eines Werkstücks (800) führt;
ein optisches Kondensorsystem zum Konzentrieren eines vom optischen System abgegebenen Laserstrahles; und
eine Blende (50), die in der Nähe des Brennpunktes angeordnet ist, der vom optischen Kondensorsystem erzeugt wird,
wobei der Laserstrahl durch Rückübertragung nach Konzentration durch das optische Kondensorsystem geleitet und erneut konzentriert wird, um in das Werkstück eingeführt zu werden und da eine Laserbearbeitung durchzuführen.
23. Laserbearbeitungsvorrichtung, gekennzeichnet durch:
ein optisches System, das einen von einer Festkörperlaservorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 erzeugten Laserstrahl in die Nähe eines Werkstücks (800) führt;
ein optisches Kondensorsystem zum Konzentrieren eines vom optischen System abgegebenen Laserstrahles; und
einen übersättigten Laserstrahlabsorber (3000), der in der Nähe eines Brennpunktes angeordnet ist, der vom optischen Kondensorsystem erzeugt wird,
so daß der Laserstrahl durch Retransmission nach Konzentration durch das optische Kondensorsystem geleitet und erneut konzentriert wird, um in das Werkstück eingeführt zu werden und die Laserbearbeitung durchzuführen.
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