DE4345434C2

DE4345434C2 - Verwendung eines Festkörperlasersystems zur Erzeugung eines Laserstrahls in einer Laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE4345434C2
Application number: DE4345434A
Authority: DE
Inventors: Koji Yasui; Tetsuo Kojima; Takashi Yamamoto; Akira Ishimori; Kuniaki Iwashiro
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-09-16
Filing date: 1993-09-15
Publication date: 2000-03-02
Anticipated expiration: 2013-09-16
Also published as: DE4345404C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines Fest körperlasersystems zur Erzeugung eines Laserstrahls in ei ner Laserbearbeitungsvorrichtung.

Ein herkömmlicher Festkörperlaser ist aus der US 49 84 246 bekannt. Dieser herkömmliche Festkörperlaser weist einen flüssigkeitsgekühlten Laserstab auf, der in einer Kavität innerhalb eines optischen Resonators liegt. Der Laserstab wird transversal optisch gepumpt. Über die vom Pumplicht durchdrungenen Oberflächen des Laserstabs ist keine Aussage getroffen.

Die US 50 05 182 zeigt einen Festkörperlaser, dessen Ober fläche mit einer perlenförmigen Schicht überzogen ist. Die perlenförmige Schicht ist vorgesehen, um die von der Pumpquelle zum Laserstab übertragene Pumpenenergie zu stei gern.

Das DE-Buch: W. Koechner, Solid State Engineering Springer- Verlag Berlin etc., 2. Aufl., 1988, S. 366-368 zeigt eine Untersuchung an Festkörperlasern, bei der ein Einfluß der Oberflächenbeschaffenheit auf die thermische Linsenwirkung angesprochen ist, ohne Angaben über die Beschaffenheit der Oberfläche zu geben. Eine Oberflächenbeschaffenheit mit der zugehörigen Streuung muß so ausgewählt werden, daß das La serlicht in der Mitte des Laserstabs intensiver wird.

Die US 48 05 181 behandelt die Ausbildung der Kavität mit einer Blitzlampe zur Anregung des Laserstabs.

Schließlich zeigt die DE-OS 19 03 946 ebenfalls einen Fest körperlaser, bei dem die Verbesserung der Pumpflächen vor geschlagen wird. Die Lehre dieser Druckschrift besteht dar in, daß Vorsprünge bestimmter Gestalt und Einkerbungen vor gesehen sein müssen. Bezüglich der Oberflächenrauhigkeit ist der Druckschrift zu entnehmen, daß das Polieren der durch Schmirgelsand Nr. 220 aufgerauhten Pumpfläche eines Laserstabes weder den ursprünglichen Wirkungsgrad des Sta bes verkleinert noch die Aufweitung des ausgesandten Laser strahls vergrößert.

Die Fig. 1(a) und 1(b) zeigen einen weiteren, herkömmlichen Festkörperlaser, der beispielsweise in der US 38 03 509 of fenbart ist. In diesen Figuren ist mit 1 ein Totalrefle xionsspiegel, mit 2 ein Teilreflexionsspiegel und mit 3 ein Laserstab bezeichnet. Der Laserstab ist ein Yttrium Alumi nium Granat-(YAG)-Kristall, der eine Oberflächenrauhigkeit von etwa 1,28 µm RMS besitzt, um eine parasitäre Schwingung zu vermeiden. Üblicherweise sind die YAG-Kristalle mit Neo dym dotiert. Mit 4 ist eine Lichtquelle, wie eine Bogenlam pe, mit 5 eine Stromquelle zum Einschalten der Lichtquelle und mit 6 eine Kavität für die Lichtquelle und das Laserme dium bezeichnet. Beispielsweise ist die Kavität 6 im Schnitt elliptisch ausgebildet, wobei eine Innenfläche des selben eine Lichtreflexionsfläche aufweist. Mit 14 ist ein Lichtstrahl bezeichnet, der in einem Laserresonator erzeugt wird, welcher die Spiegel 1 und 2 aufweist. Durch die zy lindrischen Rohre 9, 900 fließt ein Kühlmittel 70, das die Lichtquelle 4 und den Laserstab 3 peripher kühlt. Das zy lindrische Rohr 900 besitzt eine rauhe Oberfläche. Mit 7 ist ein Dichtungsmaterial, beispielsweise ein O-Ring be zeichnet. 81, 82 bezeichnen eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung für das Kühlmittel 70. Das Bezugszeichen 15 bezeichnet den nach außen emittierten Laserstrahl, und mit 8 ist eine Basis bezeichnet.

Der herkömmlich ausgebildete Festkörperlaser ist in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebildet. Die Lichtquelle 4 und der Laserstab 3 sind in einem Brennpunkt der Kavität, der im Schnitt elliptisch ausgebildet ist, angeordnet; die Lichtquelle 4 wird von der Stromquelle 5 zur Abgabe von Licht eingeschaltet, und dieses Pumplicht durchläuft das eine streuende rauhe Oberfläche aufweisende zylindrische Rohr 900 und trifft gleichmäßig in Umfangsrichtung auf den Laserstab, der durch das Pumplicht angeregt wird. Ferner werden die Lichtquelle 5 und der Laserstab 3 durch das im zylindrischen Rohr 900 zirkulierende Kühlmedium 70 peripher gekühlt.

Bei dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen Festkörper laser regt das von der Lichtquelle abgegebene Licht den La serstab in Umfangsrichtung gleichmäßig an. Der Laserstab wird jedoch in seiner Achsmitte stark angeregt. Es tritt daher eine Verstärkungsverteilung auf, so daß in bezug auf die Qualität des in diesem Abschnitt erzeugten Lasermediums Schwankungen erzeugt werden. Folglich ist es kaum möglich, einen Strahl hoher Qualität mit gutem Konzentrationsvermö gen vorzusehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein möglichst ef fizientes System zur Laserbearbeitung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 bis 6 gelöst.

Erfindungsgemäß wird das Pumplicht durch eine Bogenlampe als Lichtquelle erzeugt. Die vom Pumplicht durchdrungene Oberfläche des Laserstabes weist eine solche Oberflächen rauhigkeit auf, daß keine Wellenfrontaberration des hin durchdringenden Laserstrahls auftritt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Oberflächenrauhigkeit nicht kleiner als 3,3 µm RMS (Wurzel aus dem quadratischen Mittelwert der Rauhtiefe) ist. Die auf die Pumpfläche auftreffenden Strah len werden nicht abgelenkt. Die thermische Linsenwirkung des Laserstabs wird so weitgehend eliminiert und Laser strahlen mit hoher Leistung und hoher Qualität erzielt. Die Oberflächenbeschaffenheit des Laserstabs dient dazu, daß die Brechungswirkung des Pumplichts auf der Oberfläche des Laserstabs reduziert wird. Ein derartiges hoch wirksames Festkörperlasersystem wird erfindungsgemäß zur Laserbear beitung verwendet.

Wahlweise weist die Innenseite der Kavität eine diffuse Re flexionsfläche auf, wodurch der erzielbare Wirkungsgrad weiter verbessert wird.

Bei dem in der Laserbearbeitungsvorrichtung verwendeten Festkörperlaser wird der Laserstab am Umfang durch eine Flüssigkeit gekühlt. Der Laserstab, der einen größeren Bre chungsindex als die Kühlflüssigkeit aufweist, erhält eine Oberflächenrauhigkeit von nicht weniger als 3,3 µm RMS. Es ist somit möglich, ein Lasermedium einzusetzen, mit dem ei ne im wesentlichen gleichmäßige Emission ohne Aberration im Querschnitt möglich ist. Auf diese Weise ist es möglich, einen Laserstrahl mit hoher Energie und Qualität zu erzeu gen.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Innenfläche der Ka vität diffus reflektiert. Der Pumplichtstrahl wird dann bei jeder Reflexion gleichmäßig in den Laserstab reflektiert. Durch die Oberflächenrauhigkeit des Laserstabs erfolgen keine Verluste bei Eintritt des Pumplichtes in den Laser stab. Somit ist es möglich, ein Absinken des Laserwirkungs grades zu verhindern.

Wahlweise können auch mehrere in Reihe geschaltete, durch Bogenlampen transversal optisch gepumpte Laserstäbe in Ka vitäten von mehreren Resonatoren vorgesehen sein, um eine möglichst hohe Intensität des Laserstrahls zu erzielen.

Ebenso wahlweise kann die Oberflächenrauhigkeit in Längs richtung des Laserstabs unterschiedlich sein, wodurch sich eine Verstärkungsverteilung im Querschnitt des Laserstabs ergibt.

Vorteilhaft ist die Verwendung der Festkörperlaservorrich tung, wenn die Laserbearbeitungsvorrichtung in ihrem opti schen System eine Lichtleitfaser aufweist, die den Laser strahl von der Festkörperlaservorrichtung in die Nähe des Werkstücks führt.

Wahlweise kann ein von einem optischen System zum Werkstück austretender Laserstrahl der Laserbearbeitungsvorrichtung durch ein optisches Kondensorsystem gebündelt werden, in dessen Brennpunktnähe eine Blende vorgesehen ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nach folgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1(a) eine Seitenschnittansicht durch einen Festkörperlaser gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 1(b) einen Querschnitt des Festkörperlasers der Fig. 1(a);

Fig. 2(a) eine Seitenschnittansicht durch einen Festkörperlaser eines ersten Ausfüh rungsbeispiels;

Fig. 2(b) einen Querschnitt des Festkörperlasers der Fig. 2(a);

Fig. 3 eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkung der Oberfläche des Laserstabs;

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Wir kung der Oberflächenbeschaffenheit des Laserstabs;

Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkung der Oberfläche des Laserstabs;

die Fig. 6(a) und 6(b) Darstellungen zur Erläuterung der Wir kung der Oberfläche des Laserstabs;

Fig. 7 eine Teilansicht des Festkörperlasers der Fig. 3;

Fig. 8 ein Diagramm, das eine Beziehung zwi schen einem Abstand zwischen einer Lin se und einem Spiegel und einer äquiva lenten Spiegelkrümmung wiedergibt;

Fig. 9 ein Diagramm, das eine Beziehung zwi schen einer Laserleistung und einem Di vergenzwinkel wiedergibt;

Fig. 10 eine Abwandlung des Festkörperlasers der Fig. 2;

Fig. 11 eine weitere Abwandlung des Festkörper lasers der Fig. 2;

Fig. 12(a) eine Seitenschnittansicht durch einen Festkörperlaser eines zweiten Ausfüh rungsbeispiels;

Fig. 12(b) einen Querschnitt des Festkörperlasers der Fig. 12(a);

die Fig. 13(a) und 13(b) zur Erklärung dienende Darstellungen der Laserintensitätsverteilungen beim zweiten Ausführungsbeispiel;

die Fig. 14(a) und 14(b) eine Seitenschnittansicht und einen Querschnitt eines Festkörperlasers ge mäß einem dritten Ausführungsbeispiel;

Fig. 15 eine zur Erklärung dienende Darstellung der Laserintensitätsverteilung beim dritten Ausführungsbeispiel;

die Fig. 16 a) und 16(b) eine Seitenschnittansicht und einen Querschnitt eines Festkörperlasers ge mäß einem vierten Ausführungsbeispiel;

die Fig. 17(a) und 17(b) eine weitere Seitenschnittansicht und einen weiteren Querschnitt des vierten Ausführungsbeispiels;

Fig. 18 eine Seitenschnittansicht eines Fest körperlasers gemäß einem fünften Aus führungsbeispiel;

Fig. 19 eine Seitenschnittansicht eines Fest körperlasers gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel;

Fig. 20 eine Seitenschnittansicht eines Fest körperlasers gemäß einem siebten Aus führungsbeispiel;

Fig. 21 eine Teilansicht des Festkörperlasers der Fig. 20;

Fig. 22 ein Diagramm, das eine Beziehung zwi schen einem Abstand zwischen einer Lin se und einem Spiegel und einer äquiva lenten Spiegelkrümmung wiedergibt;

Fig. 23 ein Diagramm, das eine Beziehung zwi schen einer Laserleistung und einem Divergenzwinkel wiedergibt;

Fig. 24 eine Seitenschnittansicht eines Fest körperlasers gemäß einem achten Ausfüh rungsbeispiel;

die Fig. 25(a) und 25(b) Darstellungen der Laserintensitätsver teilungen beim ächten Ausführungsbei spiel;

Fig. 26 eine Seitenschnittansicht eines Fest körperlasers gemäß einem neunten Aus führungsbeispiel;

Fig. 27 eine Seitenschnittansicht eines Fest körperlasers gemäß einem zehnten Aus führungsbeispiel;

Fig. 28 eine Seitenschnittansicht eines Fest körperlasers gemäß einem elften Aus führungsbeispiel;

Fig. 29 ein Diagramm, das die Beziehung zwi schen einem Abstand zwischen optischen Komponenten und der Laserabgabeleistung bei dem Festkörperlaser der Fig. 24 zeigt;

Fig. 30 das Diagramm, das eine Impulsform zeigt, wenn eine Impulsschwingung in dem Festkörperlaser der Fig. 24 durch geführt wird;

Fig. 31 eine Seitenschnittansicht eines Fest körperlasers gemäß einem zwölften Aus führungsbeispiel;

Fig. 32 eine Seitenschnittansicht einer Abwand lung des Festkörperlasers des zwölften Ausführungsbeispiels;

Fig. 33 ein Diagramm, das Beziehungen zwischen der vom Start der Laserschwingung abge laufenen Zeit und den Divergenzwinkeln des Laserstrahles zeigt;

Fig. 34 eine Seitenschnittansicht eines Fest körperlasers gemäß einem dreizehnten Ausführungsbeispiel;

Fig. 35 eine Seitenschnittansicht eines Fest körperlasers gemäß einem vierzehnten Ausführungsbeispiel;

Fig. 36 eine Seitenschnittansicht eines Fest körperlasers gemäß einem fünfzehnten Ausführungsbeispiel;

Fig. 37 eine Seitenschnittansicht eines Fest körperlasers gemäß einem sechzehnten Ausführungsbeispiel;

Fig. 38 eine Seitenschnittansicht eines Fest körperlasers gemäß einem siebzehnten Ausführungsbeispiel;

die Fig. 39(a) und 39(b) eine Seitenschnittansicht und einen Querschnitt eines achtzehnten Ausfüh rungsbeispiels;

die Fig. 40(a) und 40(b) eine Seitenschnittansicht und einen Querschnitt eines neunzehnten Ausfüh rungsbeispiels;

die Fig. 41(a) und 41(b) eine Seitenschnittansicht und einen Querschnitt eines zwanzigsten Ausfüh rungsbeispiels;

die Fig. 42(a) und 42(b) Darstellungen der Laserintensitätsver teilungen beim zwanzigsten Ausführungs beispiel;

die Fig. 43(a) und 43(b) eine Seitenschnittansicht und einen Querschnitt einer Abwandlung des zwanzigsten Ausführungsbeispiels;

die Fig. 44(a) und 44(b) eine Seitenschnittansicht und einen Querschnitt eines einundzwanzigsten Ausführungsbeispiels; und

die Fig. 45(a) und 45(b) eine Seitenschnittansicht und einen Querschnitt eines zweiundzwanzigsten Ausführungsbeispiels.

Es werden nunmehr bevorzugte Ausführungsformen der Erfin dung in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläu tert.

Ausführungsbeispiel 1

In den Fig. 2(a) und 2(b) sind mit 11 ein Reflexions spiegel, mit 12 eine Linse, mit 13a und 13b entsprechende bewegliche Objekttische, um den Reflexionsspiegel 11 und die Linse 12 relativ zu einem Laserstab 300, der eine rauhe Oberfläche besitzt, vor und zurück zu bewegen, mit 6 eine Kavität, die eine diffus reflektierende Fläche als Innen fläche aufweist, und mit 9 ein transparentes zylindrisches Glasrohr bezeichnet.

Bei einem in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebilde ten Festkörperlaser sind die Lichtquelle 4 und der mit der rauhen Oberfläche versehene Laserstab 300 im Brennpunkt ei ner Kavität 6 angeordnet, die im Schnitt elliptisch ausge bildet ist. Die Lichtquelle 4 wird über die Stromquelle 5 zur Abgabe von Licht eingeschaltet, und der Laserstab 300 wird mit dem abgegebenen Licht angestrahlt. Somit wird der Laserstab durch das abgegebene Licht angeregt.

Durch Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit des Laserstabs wird typischerweise der Wirkungsgrad der Laserschwingung reduziert. Das ist darauf zurückzuführen, daß ein Teil des in eine Mantelfläche des Laserstabs eindringenden Lichtes auf der rauhen Oberfläche rückwärts gestreut wird, was zu einem Verlust dieses Teils des Lichtes führt.

Um einen reduzierten Wirkungsgrad zu vermeiden, wird die Kavität 6 verwendet, um das Pumplicht besser auszunützen. Nachdem das Pumplicht auf der Oberfläche des Laserstabs rückwärts gestreut und von der Kavität wieder reflektiert wurde, wird es erneut auf den Laserstab gerichtet. Daher ist es möglich, ein Absinken des Laserschwingungswirkungs grades durch die Oberflächenrauhigkeit des Laserstabs im Gegensatz zum Stand der Technik zu verhindern. Die Kavität 6 ist mit einer diffusen Reflexionsfläche als Innenfläche versehen.

Da bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der Kavität eine diffus reflektierende Innenfläche vorgesehen ist, wird das auf der Oberfläche des Laserstabs gestreute Licht an der Innenfläche der Kavität gestreut und reflektiert, und mindestens ein Teil des Lichtes wird jedesmal in den Laser stab rückgeführt, um diesen anzuregen.

Bei den Ergebnissen des Experimentes mit dem Nd:YAG-Stab und der Bogenlampe wurde in der Tat mit experimenteller Ge nauigkeit keine Veränderung der Schwingungscharakteristik festgestellt, und zwar selbst dann, wenn die Oberflächen rauhigkeit des Laserstabs in einem Bereich von 1,28 bis 5,12 µm RMS variierte.

In dem stabilen Resonator, der durch die Spiegel 2, 11 und die Linse 12 definiert ist, wird ein Laserstrahl erzeugt, der eine im wesentlichen gleichmäßige Intensitätsverteilung senkrecht zur Längsachse des Laserstabs aufweist.

Durch eine Einströmöffnung 81 umfließt ein Kühlmittel 70 die Lichtquelle 4 und den Laserstab 300, die sich jeweils in einem zylindrischen Rohr 9 befinden. Das Kühlmittel 70 kühlt die Lichtquelle 4 und den Laserstab 300 in Umfangs richtung. Die Temperatur des Kühlmittels 70 steigt durch Kühlen des Laserstabs 300 und der Lichtquelle 4 an; das Kühlmedium 70 wird über die Ausströmöffnung 82 nach außen abgegeben. Die Enden des Laserstabs 300 sind mit Hilfe des Dichtungsmaterials 7 gegenüber der Kavität abgedichtet.

Wenn bei einem Festkörperlaser der als bekannt vorausge setzten Art das Pumplicht in Umfangsrichtung auf den Laser stab 300 trifft, so erzeugt es im Laserstab 300 eine Ver stärkungsverteilung in Form einer thermischen Linse. Als Folge hiervon tritt beim Laserstrahl eine Wellenfrontaber ration auf.

Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Laserstab 300 keine ausreichende Oberflächenrauhigkeit besitzt und das Licht auf der Oberfläche abgelenkt wird.

Um diesen Nachteil weitgehend zu beseitigen, weist der be vorzugte Laserstab eine aufgerauhte Oberfläche auf, so daß eine auf der Oberfläche des Laserstabs gestreute Lichtkom ponente stärker ansteigen kann als eine hierauf abgelenkte Lichtkomponente, so daß die thermische Linsenwirkung im Schnitt aufgrund einer Reflexionswirkung stark einge schränkt werden kann.

Ergänzend kann bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ein optisches System zur Korrektur der restlichen thermi schen Linsenwirkung Verwendung finden, das den Totalrefle xionsspiegel 11 und die Kondensorlinse 12 anstelle des her kömmlichen Totalreflexionsspiegels 1 enthält.

Selbst wenn der Totalreflexionsspiegel 1 wie bei der her kömmlichen Ausführungsform verwendet wird, ist es möglich, einen Laserstrahl 15 mit besserer Strahlqualität zu schaf fen, da der Laserstab eine verringerte Wellenfrontaberrati on bietet. Eine Erhöhung der Leistung des Pumplichts be wirkt jedoch eine Verstärkung der thermischen Linsenwirkung im Laserstab, so daß sich auf diese Weise die Qualität des Laserstrahles 15 geringfügig verschlechtert. Das den Total reflexionsspiegel 11 und die Kondensorlinse 12 enthaltende optische System wird eingesetzt, um diese Änderung zu be seitigen. Der Festkörper läßt daher einen Laserstrahl ohne Wellenfrontaberration desselben hindurchtreten.

Fig. 3 zeigt die Ergebnisse eines Experimentes, bei dem die Wellenfrontaberration des Laserstabs infolge der thermi schen Linsenwirkung durch Verändern der Oberflächenrauhig keit des Laserstabs gemessen wurde. Mit den Versuchsergeb nissen werden zwei Fälle verglichen, d. h. ein Fall, bei dem ein Nd:YAG(Y₃Al₅O₁₂)-Stab mit einem Brechungsindex von 1,82, der als Laserstab diente, in Umfangsrichtung mit Wasser mit einem Brechungsindex 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 Aberration im Schnitt des emittierten Laserstrahles wurde gemessen und ist in Fig. 3 gezeigt.

Man kann erkennen, daß die Wellenfrontaberration infolge der Verstärkungsverteilung bis zu einem Schwellwert, der dem Laserstab eigen ist, wesentlich reduziert werden kann, wenn die Oberflächenrauhigkeit auf 1,28 µm RMS oder mehr festgelegt wird, wenn der Laserstab in der Atmosphäre ange ordnet ist.

Bei dem herkömmlichen Laserstab, der im Handel erhältlich ist, ist das Oberflächenfinish tatsächlich auf einen Be reich von einem polierten und transparenten Zustand bis zu einer Rauhigkeit von 1,28 µm RMS eingestellt. Es ist erfor derlich, eine parasitäre Schwingung mit einer Seitenfläche des Laserstabs als optischen Weg zu vermeiden oder die Gleichmäßigkeit der optischen Intensitätsverteilung in Um fangsrichtung zu verbessern, was der gleichen Zielsetzung wie beim Stand der Technik entspricht. Es ist bekannt, daß diese Zielsetzung durch einen Laserstab erreicht werden kann, der eine Oberflächenrauhigkeit von 0,51 bis 1,28 µm RMS aufweist und bei dem die Oberfläche wie bei einem ge schliffenen Glas sichtbar ist.

Wenn jedoch der Laserstab am Umfang gekühlt wurde, um einen Hochleistungslaserstab zu erzeugen, wurde festgestellt, daß die Oberflächenrauhigkeit auf einen Wert eingestellt werden sollte, der ein Mehrfaches des Wertes beträgt, bei dem der Laserstab in der Atmosphäre angeordnet ist, beispielsweise auf einen Wert von nicht weniger als 3,3 µm RMS, bevor die Wellenfrontaberration der Übertragung im Schnitt des Laser stabs auf im wesentlichen die Aberration reduziert werden konnte, die dem Laserstab eigen ist.

Dies ist möglicherweise auf die stärkere Immersionswirkung des Wassers zurückzuführen, da Wasser einen höheren Bre chungsindex als die Atmosphäre aufweist, so daß daher der Unterschied der Brechungsindizes des Laserstabs und des ihn umgebenden Mediums abnimmt, was zu einer Reduktion des Streueffektes auf der Oberfläche führt.

Auf diese Weise ist bei der in Fig. 2 gezeigten Ausfüh rungsform die thermische Linsenwirkung des Laserstabs auf grund der rauhen Oberfläche im Schnitt im wesentlichen kon stant. Es tritt daher eine geringere Aberration auf, so daß die thermische Linsenwirkung durch das optische Bildüber tragungssystem über den gesamten Querschnitt korrigiert werden kann. Somit ist es möglich, einen Laserstrahl hoher Leistung und hoher Qualität in wirksamer Weise im gesamten Querschnitt des Laserstabs zu erzeugen.

Ein zweites Experiment wurde durchgeführt, das die vorste hend angegebene Annahme bestätigt, daß die Wellenfrontaber ration bei einem Anstieg des Streueffektes auf der Oberflä che abnimmt.

In diesem Experiment wurde der Laserstab durch einen paral lel ausgerichteten HeNe-Laserstrahl 700 an der Mantelfläche angestrahlt, ohne daß es zu der in der Fig. 5 gezeigten Wirkung kam. Es wurde damit beobachtet, wie sich das Licht im Schnitt des Laserstabs fortpflanzt.

Da der Nd:YAG-Stab in zylindrischer Form vorgesehen ist, wurde der HeNe-Laserstrahl 700 gebündelt. Er verlief in ei nem Schnitt des Stabes, wie in Fig. 6(a) gezeigt ist, wenn das Licht auf der Oberfläche abgelenkt wurde. Mit einer rauheren Oberfläche bei Erhöhung des Streueffektes wurde jedoch beobachtet, daß der He-Ne-Laserstrahl sich diffus im Schnitt fortpflanzt, wie in Fig. 6(b) gezeigt ist. Eine Bündelung trat nicht auf.

Bei dem Versuch wurde ein diffuser Zustand, wie in Fig. 6(b) gezeigt, bei dem Fall beobachtet, bei dem die Oberflä chenrauhigkeit 1,28 µm RMS in Atmosphäre betrug. Als jedoch der Laserstab in Wasser angeordnet war, wurde der in Fig. 6(a) gezeigte Zustand bei einer Oberflächenrauhigkeit von 1,28 µm RMS beobachtet. Daher wurde der Grad der Oberflä chenrauhigkeit auf 2,56 µm RMS oder mehr erhöht. Erst dann wurde ein sich nahezu vollständig in diffuser Weise fort pflanzender Laserstrahl gemäß Fig. 6(b) beobachtet.

Die Versuchsergebnisse bestätigen die Gültigkeit der nach folgenden Aussage, die aufgrund der Ergebnisse des Versuchs durch die Lichtquelle aufgestellt wird. "Dies ist möglich, weil Wasser einen höheren Brechungsindex als die Atmosphäre besitzt, so daß auf diese Weise der Unterschied zwischen den Brechungsindizes des Laserstabs und des ihn umgebenden Mediums abnimmt, was zu einer Reduzierung des Streueffektes auf der Oberfläche führt." Es wurde daher nachgewiesen, daß der Laserstab eine Oberflächenrauhigkeit von 2,56 bis 3,3 µm RMS oder mehr aufweisen muß, wobei dieser Wert doppelt so groß ist wie die übliche Oberflächenrauhigkeit, bevor die Wellenfrontaberration des Durchtritts im Schnitt des Laserstabs auf im wesentlichen die Aberration reduziert werden kann, die der Laserstab von Natur aus hat.

Die Streuwirkung auf der Oberfläche des Laserstabs kann möglicherweise durch das Verhältnis zwischen dem Brechungs index des Laserstabs und dem Brechungsindex des ihn umge benden Kühlmediums definiert werden. Daher können die Ver suchsergebnisse auf das Wasser als Hauptkomponente enthal tende Kühlmittel und einen Laserstab, der einen Brechungs index von etwa 1,8 oder weniger aufweist, wie beispielswei se ein LiYF₄, Al₂O₃, BeAl₂O₄, Glas, LiSrAlF₆, LiCaAlF₆ als Hauptbestandteile enthaltender Laserstab übertragen werden.

Es ist vorteilhaft, die Oberflächenrauhigkeit nur an den Stellen vorzusehen, die vom Licht der Pumplichtquelle er reicht wird. Dann brauchen die Kontaktabschnitte des Dich tungsmaterials 7 am Ende des Laserstabes keine Oberflächen rauhigkeit besitzen, damit das Kühlmittel 70 in beständiger Weise abgedichtet werden kann.

Des weiteren können Integralwerte, der Intensitätsvertei lung im Schnitt des Laserstabs durch axiales Verändern des Grades der Oberflächenrauhigkeit entsprechend der Intensi tätsverteilung des Laserstrahles verändert werden.

Es folgt nunmehr eine zusätzliche Beschreibung des opti schen Systems zum Einführen des Lichts der Lichtquelle in den Laserstab gemäß Fig. 2.

Der Totalreflexionsspiegel 11 und die Kondensorlinse 12 sind an Positionen angeordnet, um einem Bildübertragungszu stand gerecht zu werden. Es 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 Vorderfläche der Kondensorfläche beabstandet ist, durch die Reflexion übertragen werden.

In diesem Fall kann das optische System in äquivalenter Weise als Reflexionsspiegel dienen, der eine geringere Krümmung besitzt, wenn der Abstand zwischen dem Totalrefle xionsspiegel und der Kondensorlinse um eine geringe Größe, beispielsweise über den Tisch 13a oder den Tisch 13b, ver ändert wird.

Mit anderen Worten, das im linken Diagramm der Fig. 7 ge zeigte optische Bildübertragungssystem entspricht einem Zu stand, in dem sich ein Spiegel mit einer im rechten Dia gramm der Fig. 7 gezeigten Krümmung in einer Position A im linken Diagramm der Fig. 7 befindet. Dieses optische System wird hiernach als Spiegel mit veränderlicher Krümmung zur Bildübertragung bezeichnet.

Der Krümmungsradius des Spiegels mit veränderlicher Krüm mung 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. 7 gezeigt. Folglich wird in folge der geringen Änderung der Distanz der Krümmungsradius gegenüber dem einer Ebene wesentlich geändert.

Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen dem Abstand zwischen der Linse und dem Spiegel und dem Krümmungsradius eines äquivalenten Spiegels. Man kann erkennen, daß sich die äquivalente Krümmung mit gutem Ansprechverhalten in bezug auf eine geringe Distanzänderung ändern kann und daß der Krümmungsradius 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 Bildübertragungssy stem verwendet wird.

Gemäß Fig. 2 kann das optische Bildübertragungssystem mit dem Totalreflexionsspiegel 11 und der Kondensorlinse 12 die gleiche Funktion ausüben wie ein in dem Laserstab angeord neten Spiegel mit veränderlicher Krümmung. Mit anderen Wor ten, es ist möglich, die thermische Linsenwirkung des La serstabs in unmittelbarer Nähe einer Position zu beseiti gen, an der die thermische Linsenwirkung auftritt.

Die thermische Linsenwirkung des Laserstabs ändert sich in Abhängigkeit von Änderungen der Energiequelle für die Lichtquelle. Der Abstand zwischen dem Totalreflexionsspie gel 11 und der Kondensorlinse 12 wird durch die Objektti sche 13a oder 13b um eine geringe Größe verändert, um die äquivalente Krümmung des optischen Bildübertragungssystems zu verändern, wodurch die Änderung aufgrund der thermischen Linsenwirkung aufgehoben wird. Auf diese Weise ist es mög lich, einen Laserstrahl zu erzeugen, der eine gleichmäßige Abstrahlqualität besitzt, und zwar unabhängig von Änderun gen aufgrund der thermischen Linsenwirkung des Laserstabs.

Bei der Ausführungsform wurde angenommen, daß der Laserstab einen kreisförmigen Querschnitt besitzt. Der Querschnitt des Laserstabs ist jedoch nicht auf einen derartigen kreis förmigen Querschnitt beschränkt. Es können vielmehr auch Rechteckquerschnitte oder elliptische Querschnitte Verwen dung finden.

Fig. 9 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. 9 ist mit Linie A der herkömmliche Festkörperlaser angegeben, bei dem die thermische Linsenwirkung nicht kompensiert wird, während Linie B einen Fall zeigt, bei dem die thermische Linsenwirkung durch das optische Bildübertragungssystem kompensiert wird. Infolge der Kompensation der thermischen Linsenwirkung hängt der Divergenzwinkel kaum von der Laser leistung ab.

Das optische Bildübertragungssystem ist nicht auf eine Kom bination aus dem Reflexionsspiegel und der Linse be schränkt. Es kann irgendein optisches System verwendet wer den, das eine optische Krümmung aufweist, wobei das opti sche System als Äquivalenz zu einem optischen System ange sehen werden kann, das in der Nähe der Festkörperkomponente angeordnet ist. Es stehen somit Abwandlungen zur Verfügung, wie sie in den Fig. 10 und 11 gezeigt sind.

Fig. 10 zeigt Abwandlungen, bei denen das optische Bild übertragungssystem Reflexionsspiegel 11 anstelle der Linse 12 verwendet. Wie aus diesen Abwandlungen hervorgeht, soll te das optische Bildübertragungssystem nicht auf die in Fig. 2 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. 11 ist ein optisches System mit einer Kombinati on aus dem Totalreflexionsspiegel 11 und der Kondensorlinse 12 in einem Gehäuse 60 untergebracht. Es ist auf diese Wei se mögliche, die in der Atmosphäre vorhandene Staubver schmutzung zu vermeiden und eine Qualitätsverschlechterung des Laserstrahles infolge der umgebenen Atmosphäre zu ver hindern, die örtlich durch Staub erhitzt wird, der am Brennpunkt des optischen Systems erhitzt wird.

Gemäß der in Fig. 11 vorgesehenen Abwandlung ist des weite ren ein Abführloch 61 vorgesehen, um den Druck im Gehäuse 60 zu reduzieren.

Auf diese Weise wird der durch den Laserstab 300 mit der rauhen Oberfläche erzeugte Laserstrahl 14 hoher Qualität auf einen kleinen Fleck zwischen dem Totalreflexionsspiegel 11 und der Kondensorlinse 12 konzentriert. Folglich ist es möglich, eine Plasmabildung (air break) zu verhindern.

Ausführungsbeispiel 2

Bei der in den Fig. 12(a) und 12(b) gezeigten Ausfüh rungsform ist ein instabiler Resonator vorgesehen, bei dem ein vergrößerter Reflexionsspiegel 16, der Totalreflexions spiegel 11 und die Kondensorlinse 12 anstelle eines Teilre flexionsspiegels 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. 13(a) und 13(b) In tensitätsverteilungen des Laserstrahles in dem Laserstab, die in zwei Fällen erhalten werden, d. h. einem Fall, bei dem der stabile Resonator Verwendung findet (Fig. 13(a)), und einem anderen Fall, bei dem der instabile Resonator verwendet wird (Fig. 13(b)).

Da der Laserstrahl eine gleichmäßige Querschnittsform be sitzt, kann der gleichmäßige Laserstrahl den Laserstab selbst in einem hohen Energiebereich, in dem der Laser strahl teilweise von dem Laserstab absorbiert wird und die sen im Inneren erhitzt, gleichmäßig erhitzen. Daher wird durch gleichmäßiges Erregen des Inneren ein Lasermedium er zeugt, wobei die Gleichförmigkeit des Lasermediums aufgrund der Oberflächenrauhigkeit des Laserstabs nicht gestört wird. Somit ist es möglich, selbst im hohen Energiebereich die Qualität des Laserstrahles aufrechtzuerhalten.

Bei der in den Fig. 12(a) und 12(b) gezeigten Ausfüh rungsform ist ferner ein optisches Bildübertragungssystem dargestellt, das eine Kombination aus dem Totalreflexions spiegel 11 und der Kondensorlinse 12 umfaßt.

Bei dem Laser, bei dem der instabile Resonator Verwendung findet, besitzt ein vom Resonator abgeleiteter Laserstrahl eine Wellenfrontaberration, die sich in Abhängigkeit von der thermischen Linsenwirkung des im Resonator angeordneten Laserstabs verändert. Wenn daher die Änderung der Wellen frontaberration durch Verwendung des optischen Bildübertra gungssystems stabilisiert wird, ist es möglich, einen La serstrahl mit einer stabilen äußeren Fortpflanzung zu er zeugen.

Ausführungsbeispiel 3

Bei der in den Fig. 14(a) und 14(b) gezeigten Ausfüh rungsform ist ein Resonator vorgesehen, der einen vergrö ßerten Austrittsspiegel 25 anstelle des vergrößerten Refle xionsspiegels 16 der zweiten Ausführungsform, den Totalre flexionsspiegel 11 und die Kondensorlinse 12 besitzt. Der vergrößerte Austrittsspiegel 25 umfaßt einen Teilrefle xionsspiegel 26 an einem mittleren Abschnitt und einen nicht reflektierenden Abschnitt 27 an einem Umfangsab schnitt 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. 11 gezeigte hat. Darüber hinaus ist es möglich, nach außen einen kompakten Laserstrahl (einschließlich eines vollstän dig kompakten Mittelstrahles) vorzusehen, wie in Fig. 15 gezeigt, d. h. einen Laserstrahl, der ein gutes Konzentrati onsvermögen 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 den Laserstab erzeugt wird, zu reduzieren. Somit kann von der Festkörperkomponente entwickelte Wärme verringert werden und selbst im hohen Energiebereich ein Laserstrahl hoher Qualität auf stabile Weise erzeugt werden.

Ausführungsbeispiel 4

Bei der in den Fig. 16(a) und 16(b) gezeigten Ausfüh rungsform wird zusätzlich zu den Merkmalen der dritten Aus führungsform eine Phasendifferenz zwischen einem den mitt leren teilreflektierenden Spiegel 26 und einem den periphe ren nicht reflektierenden Abschnitt 27 durchdringenden La serstrahl beseitigt, indem der teilreflektierende Spiegel 26 mit einer Dicke, die ein Mehrfaches der normalen Dicke beträgt, vorgesehen ist oder indem in einer Außenfläche des Spiegels eine Stufe 35 vorgesehen ist, wie in den Fig. 17(a), 17(b) gezeigt. Es ist auf diese Weise möglich, einen Festkörperlaserstrahl mit gleichmäßiger Phase vorzusehen.

Somit kann das Konzentrationsvermögen des Laserstrahles weiter verbessert werden. Es ist daher möglich, die Inten sität eines Laserstrahles 7, die für das gleiche Konzentra tionsvermögen erforderlich ist, niedriger zu machen als bei der dritten Ausführungsform und die Heizmenge zu reduzie ren, die durch Absorption des Laserstrahles durch den La serstab erzeugt wird. Somit kann die von dem Laserstab ent wickelte Wärme reduziert werden, um selbst in einem hohen Energiebereich auf stabile Weise einen Laserstrahl hoher Qualität zu erzeugen.

Ausführungsbeispiel 5

Bei der in Fig. 18 gezeigten Ausführungsform wird ein La serstab mit rauher Oberfläche so erregt, daß er zu einem Lasermedium wird, wobei der Laserstab als Verstärker für einen Laserstrahl verwendet wird.

Während in Fig. 18 eine als Oszillator dienende Laservor richtung auf der linken Seite der Figur dargestellt ist und der Vorrichtungen der Fig. 2(a) und 2(b) entspricht, ist eine auf der rechten Seite dargestellte und als Verstärker dienende Laservorrichtung nicht mit einem Resonator verse hen und verstärkt den von der Laservorrichtung auf der lin ken Seite erzeugten Laserstrahl 15, so daß dieser als La serstrahl 150 nach außen abgegeben wird.

Durch eine solche Kombination aus einem Oszillator und ei nem Verstärker wird ein Laserstrahl hoher Energie erzeugt, der besonders wirksam ist, wenn die Lichtquelle 4 den La serstab 300 pulsförmig erregt.

Der Laserstrahl 15 kann ohne Aberration im Schnitt ver stärkt werden, weil der Laserstab die rauhe Oberfläche be sitzt. Mit anderen Worten, der Laserstrahl 15 wird bei kon stanter Strahlqualität in hohem Maße verstärkt und kann als Laserstrahl 150 abgeleitet werden.

Obwohl diese Ausführungsform in Verbindung mit dem Festkör perlaser des ersten Ausführungsbeispiels, der den Laserre sonator verwendet, beschrieben wurde, ist es möglich, den gleichen Effekt mit irgendeinem der Festkörperlaser der Ausführungsbeispiele 2, 3 und 4 zu erzielen.

Ausführungsbeispiel 6

Bei der in Fig. 19 gezeigten Ausführungsform ist eine Viel zahl von Laserstäben 300 in Richtung einer optischen Achse angeordnet. Auf diese Weise kann ein Lasermedium in Längs richtung ausgeweitet werden, um einen Laser mit hoher Ener gie zu erzeugen.

Es ist schwierig, die Vielzahl der Laserstäbe zu kombinie ren, wenn die entsprechenden Laserstäbe keine Aberration aufweisen. Daher ist es erforderlich, die Laserstäbe so auszuwählen, daß sich die Aberrationen der Vielzahl der La serstäbe teilweise neutralisieren können.

Bei dieser Ausführungsform ist wegen der Oberflächenrauhig keit der Laserstäbe nur eine kleine Aberration im Schnitt derselben vorhanden, so daß das längliche Lasermedium er halten werden kann, indem die Vielzahl der Laserstäbe ohne jegliche Auswahl derselben kombiniert wird. Mit Hilfe des Lasermediums läßt sich der Laserstrahl hoher Energie mit niedrigen Kosten erzeugen.

Bei der in Fig. 19 gezeigten sechsten Ausführungsform wer den Linsen 12a und 12b als optisches System zur Korrektur der thermischen Linse verwendet einschließlich eines durch lässigen optischen Bildübertragungssystems, das wie der in Fig. 7 gezeigte Spiegel mit veränderlicher Krümmung betrie ben werden kann. Die Linsen 12a und 12b sind zwischen die Vielzahl der Laserstäbe eingesetzt, um die thermische Linse der Laserstäbe zu korrigieren. Es ist somit möglich, einen geringfügigen Fokussiereffekt oder eine geringfügige Diver genz durch Einstellung des Raumes zwischen den beiden Lin sen 12a und 12b zu erhalten.

Da die entsprechenden Laserstäbe eine geringe Aberration besitzen, ist es möglich, die thermische Linse der Laser stäbe in einfacher Weise zu korrigieren, indem die Linse zwischen die entsprechenden Laserstäbe eingesetzt wird.

Wie in Fig. 19 gezeigt, ist die Kondensorlinse 12 auf dem Objekttisch 13b angeordnet, und die Abstände zwischen den entsprechenden Linsen werden in Abhängigkeit von den Aus gangsleistungen der Erregungslichtquellen 4, d. h. entspre chend der Größe der thermischen Linsen der Laserstäbe 300, verändert. Es ist somit möglich, eine solche Steuerung durchzuführen, daß die Vielzahl der Laserstäbe 300 konstan te Wirkungen auf den die Vielzahl der Laserstäbe durchdrin genden Laserstrahl ausübt, und zwar unabhängig von der Aus gangsleistung der Lichtquelle, d. h. dem erzeugten Laser.

Obwohl diese Ausführungsform in Verbindung mit dem Festkör perlaser beschrieben wurde, der den Laserresonator der Aus führungsform 1 verwendet, ist es auch möglich, den gleichen Effekt bei sämtlichen Festkörperlasern der Ausführungsfor men 2, 3 und 4 zu erreichen.

Ausführungsbeispiel 7

Fig. 20 ist eine Seitenschnittansicht, die einen Festkör perlaser gemäß Ausführungsbeispiel 7 zeigt.

In Fig. 20 sind mit 11 ein Totalreflexionsspiegel mit einem Krümmungsradius R, mit 12 eine Kondensorlinse, mit 13a und 13b entsprechende bewegliche Tische zur Bewegung des Refle xionsspiegels 11 und der Linse 12 relativ zum Teilrefle xionsspiegel 2 vor und zurück, mit 14 das in einem Laserre sonator (der den Totalreflexionsspiegel 11, den Teilrefle xionsspiegel 2 und die Kondensorlinse 12 umfaßt) erzeugte Laserlicht und mit 15 ein von der Laservorrichtung abgege bener Laserstrahl bezeichnet.

Es wird nunmehr die Funktionsweise erläutert. Wie bei dem Festkörperlaser des Standes der Technik gibt die Erregungs lichtquelle 4 Licht ab, wenn die Stromquelle 5 eingeschal tet wird. Das abgegebene Licht wird in dem Laserstab 3 durch die Wirkung der Kavität 6 in einer Festkörperlaser vorrichtung dieser Ausführungsform konzentriert. Danach wird der Laserstab 3 durch Pumplicht von der Lichtquelle 4 transversal optisch gepumpt, so daß das Laserlicht 14 er zeugt wird. Bei dieser Ausführungsform wird das Laserlicht 14 im Laserresonator, der den Totalreflexionsspiegel 11, den Teilreflexionsspiegel 2 und die Kondensorlinse 12 um faßt, verstärkt. Des weiteren wird das Laserlicht 14 nach außen abgegeben, indem es als Laserstrahl 15 den Teilrefle xionsspiegel 2 durchdringt, nachdem das Laserlicht 14 eine vorgegebene Intensität erreicht hat.

Es wird nunmehr ein optisches Bildübertragungssystem ein schließlich des Totalreflexionsspiegels 1 und der Konden sorlinse 12 beschrieben. Bei dem optischen Bildübertra gungssystem handelt es sich um ein optisches System, bei dem das von einem Punkt des optischen Systems abgegebene Licht selbst übertragen wird, indem es das optischen System durchdringt, und eine wesentliche zurückgelegte optische Distanz gleich Null ist. Mit anderen Worten, hierdurch wird ein Bildübertragungszustand erreicht. Bei dem Festkörperla ser sind der Totalreflexionsspiegel 11 und die Kondensor linse 12 in Positionen angeordnet, die zu allererst diese Bildübertragungsbedingung erfüllen. Wenn f die Brennweite der Kondensorlinse 12, R (= f) der Krümmungsradius des To talreflexionsspiegels 11 und L (= R + f = 2f) der Abstand zwi schen 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 Totalrefle xionsspiegel in eine Ausgangsposition übertragen. Wenn der Abstand zwischen dem Totalreflexionsspiegel und der Konden sorlinse durch die Objekttische 13a, 13b um den kleinen Be trag (= 2Δf) verändert wird, kann das gesamte optische Sy stem in äquivalenter Weise als Totalreflexionsspiegel mit einem variablen Krümmungsradius R (= f/2Δ) wirken.

Bei dem auf der linken Seite der Fig. 21 gezeigten opti schen 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 Ausgangsdi stanz L (= 2f) um 2Δf erhalten wurde. Das optische Bild übertragungssystem entspricht dem Fall, bei dem ein Total reflexionsspiegel 16A mit einem Krümmungsradius R₁ (= f/2Δ), der auf der rechten Seite der Fig. 21 gezeigt ist, in einer mit A bezeichneten Position angeordnet ist (die von der Vorderfläche der Kondensorlinse 12 den Abstand L hat). Daher wird das optische Bildübertragungssystem hier nach als Bildübertragungsspiegel mit veränderlicher Krüm mung oder als Reflexionsspiegel mit veränderlicher Krümmung bezeichnet. Wie vorstehend angegeben, ist der Krümmungsra dius 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 Kondensorlinse 12 und dem Gesamtreflexionsspiegel 11 han delt, um die Bildübertragungsbedingung zu erfüllen. Der Bildübertragungsspiegel 16A mit veränderlicher Krümmung ist daher wegen dieser feinen Abweichung wesentlich anders als der Totalreflexionsspiegel 1 (bei dem es sich um einen ebe nen Spiegel mit unendlichem Krümmungsradius handelt) der Laservorrichtung des Standes der Technik.

Fig. 22 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 Krümmung, der zu dem optischen Bildübertragungssystem äqui valent ist. Der Krümmungsradius dieses Spiegels kann in gu ter Ansprache auf eine geringfügige Veränderung des Abstan des geändert 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. 20 in der gleichen Weise funktionieren wie das optische Bildübertra gungssystem, bei dem der Reflexionsspiegel mit veränderli cher Krümmung in dem Laserstab 3 angeordnet ist. Mit ande ren Worten, durch eine Änderung der der Stromquelle 5 zuge führten Energie wird die Intensität des Erregungslichtes von der Erregerlichtquelle 4 verändert. Daher ändert sich die thermische Linsenwirkung des Laserstabs 3. Es ist je doch möglich, den äquivalenten Krümmungsradius des opti schen Bildübertragungssystems, das den Totalreflexionsspie gel 11 und die Kondensorlinse 12 umfaßt, durch Bewegung der beweglichen Objekttische 13a, 13b geringfügig zu verändern.

Daher ist es bei der siebten Ausführungsform möglich, die thermische Linsenwirkung des Laserstabs im Resonator durch Kompensation dieser thermischen Linsenwirkung in Abhängig keit von der Laserausgangsleistung zu beseitigen und auf diese Weise den Weg des Laserlichtes 14 zu korrigieren. Ferner kann ein breiter Querschnittsbereich des Laserlich tes 14 durch Änderung des Krümmungsradius unabhängig von der Änderung der der Stromquelle 5 zugeführten Energie auf rechterhalten werden. Gemäß der siebten Ausführungsform ist es somit möglich, Änderungen der thermischen Linse des La serlichtes 14 in der Nachbarschaft der Erzeugungsposition desselben sehr genau zu korrigieren, ohne daß dies irgend welche Auswirkungen auf andere Abschnitte des Resonators hat, da das optische Bildübertragungssystem die wesentliche optische Fortpflanzungsdistanz von Null besitzt, wodurch eine konstante Funktionsweise des Resonators (ohne Diver genz des Laserstrahles) aufrechterhalten werden kann.

Fig. 23 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 Laserstab verwendet wird. In Fig. 23 wird zwischen zwei Ausführungsformen verglichen, d. h. der Ausführungsform 7, bei der die thermischen Linsenwirkung durch das optische Bildübertragungssystem der Ausführungs form 7 kompensiert wird, und einem Vergleichsbeispiel, bei dem die thermische Linsenwirkung nicht kompensiert wird. Bei dem Vergleichsbeispiel der Fig. 23 steigt der Divergen zwinkel beträchtlich an, da ein Anstieg der Laserausgangs leistung die thermische Linsenwirkung ansteigen läßt. Im Gegensatz hierzu kann man erkennen, daß der Divergenzwinkel des Laserstrahles beim Ausführungsbeispiel 7 unabhängig von der Laserausgangsleistung ist und durch die Kompensation der thermischen Linsenwirkung im wesentlichen konstant wird.

Ausführungsbeispiel 8

Es wird nunmehr Ausführungsbeispiel 8 in Verbindung mit den Fig. 24 und 25(a) und 25(b) erläutert. Fig. 24 ist eine Seitenschnittansicht, die einen Festkörperlaser gemäß Aus führungsbeispiel 8 zeigt. In Fig. 24 sind die Teile mit den Bezugszeichen 3 bis 8 und 11 bis 13b mit denen der Vorrich tung des Ausführungsbeispiels 7 identische. Mit 16 sind ein vergrößerter Totalreflexionsspiegel, mit 17 ein Teilrefle xionsspiegel, mit 18 Laserlicht, das in einem Laserresona tor (der den Totalreflexionsspiegel 11, die Kondensorlinse 12, den vergrößerten Totalreflexionsspiegel 16 und den Teilreflexionsspiegel 17 umfaßt) erzeugt wird, und mit 19 ein von der Laservorrichtung abgegebener Laserstrahl be zeichnet.

Der Festkörperlaser der achten Ausführungsform funktioniert grundsätzlich wie der Festkörperlaser der siebten Ausfüh rungsform, mit der nachfolgenden Ausnahme. Bei der achten Ausführungsform finden der vergrößerte Totalreflexionsspie gel 16 und der meniskusförmige Teilreflexionsspiegel 17 an stelle des Teilreflexionsspiegels 2 der Fig. 20 Verwendung. Des weiteren umfaßt ein instabiler Resonator einen Bild übertragungsspiegel veränderlicher Krümmung, der den ver größerten Totalreflexionsspiegel 16, den meniskusförmigen Teilreflexionsspiegel 17, die Kondensorlinse 12 und den To talreflexionsspiegel 11 umfaßt. Wenn der instabile Resona tor Verwendung findet, findet eine wiederholte Divergenz (durch den vergrößerten Totalreflexionsspiegel 16) und Kon zentration (durch den Totalreflexionsspiegel 11) des Laser lichtes 18 im Resonator statt. Folglich ist es möglich, ei nen Laserstab 3 mit im wesentlichen gleichmäßiger Intensi tätsverteilung im Schnitt vorzusehen.

Die Fig. 25(a) und 25(b) zeigen Strahlenmuster (d. h. In tensitätsverteilungen in Schnittrichtung des Laserlichtes) für zwei Fälle, d. h. einen Fall, bei dem der instabile Re sonator (Ausführungsform 8) Verwendung findet, und einen anderen Fall, bei dem der stabile Resonator verwendet wird. Wie die Fig. 25(a) und 25(b) zeigen, ist die Intensität des Laserlichtes bei dem Festkörperlaser der Ausführungs form 8 in Schnittrichtung gleichmäßig im Vergleich zu der glockenblumenförmigen Intensitätsverteilung beim stabilen Resonator.

Daher kann bei der achten Ausführungsform der Laserstab 3 entlang seinem Schnitt gleichmäßig erhitzt werden, und zwar selbst in einem Bereich hoher Energie, in dem das Laser licht teilweise von dem Laserstab 3 absorbiert wird, um diesen zu erhitzen. Folglich ist es möglich, im Querschnitt eines Lasermediums 3 der achten Ausführungsform eine kon stante thermische Linsenwirkung des Laserstabs zu erreichen und die Kompensation der thermischen Linsenwirkung durch einen Bildübertragungsspiegel veränderlicher Krümmung (der die Kombination aus dem Totalreflexionsspiegel 11, der Kon densorlinse 12 und den beweglichen Objekttischen 13a, 13b umfaßt) zu erleichtern. Es ist ferner möglich, die thermi sche Linsenwirkung genau zu beseitigen und auf diese Weise einen stabilen Laserstrahl hoher Qualität 19 (d. h. einen nicht divergierenden Laserstrahl) vorzusehen.

Ausführungsbeispiel 9

Es wird nunmehr Ausführungsbeispiel 9 in Verbindung mit Fig. 26 beschrieben. Fig. 26 ist eine Schnittansicht, die einen Festkörperlaser gemäß Ausführungsbeispiel 9 zeigt. In Fig. 26 sind die Teile mit den Bezugszeichen 3 bis 8, 11 bis 13b und 17 mit denen des Ausführungsbeispiels 9 iden tisch. Mit 25 ist ein vergrößerter Austrittsspiegel be zeichnet, der einen mittleren Teilreflexionsspiegel (vergrößerter Teilreflexionsabschnitt) 26 und einen peri pheren nicht reflektierenden Abschnitt 27 aufweist. Mit 28 ist Laserlicht bezeichnet, das in einem Laserresonator (der den Totalreflexionsspiegel 11, die Kondensorlinse 12, den vergrößerten Austrittsspiegel 25 und den Teilreflexions spiegel 17 umfaßt) erzeugt wird, und mit 29 ist ein von der Laservorrichtung abgegebener Laserstrahl bezeichnet.

Der Festkörperlaser der neunten Ausführungsform funktio niert grundsätzlich wie der Festkörperlaser der vorstehend beschriebenen Ausführungsform 8, mit der nachfolgenden Aus nahme. Bei der neunten Ausführungsform findet der vergrö ßerte Austrittsspiegel 25 anstelle des vergrößerten Total reflexionsspiegels 16 der Fig. 24 Verwendung, und ein in stabiler Resonator umfaßt einen Bildübertragungsspiegel mit veränderlicher Krümmung, der den vergrößerten Austritts spiegel 25, die Kondensorlinse 12 und den Totalreflexions spiegel 11 aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, einen Laserstrahl 29 zu schaffen, der einen kompakten Querschnitt (nicht pfannkuchenförmig) aufweist, und die Intensität des Laserlichtes 28 zu reduzieren, die erforderlich ist, um das gleiche Konzentrationsvermögen wie bei der achten Ausfüh rungsform zur Verfügung zu stellen.

Gemäß der neunten Ausführungsform ist es daher möglich, die infolge der Absorption des Laserlichtes 28 durch den Laser stab 3 erzeugte Heizmenge herabzusetzen und die Kompensati on der thermischen Linsenwirkung durch den Bildübertra gungsspiegel mit veränderlicher Krümmung selbst in einem Bereich hoher Energie zu erleichtern. Man kann daher die thermische Linsenwirkung genau beseitigen und somit einen stabilen Laserstrahl 29 hoher Qualität erzeugen.

Ausführungsbeispiel 10

Es wird nunmehr Ausführungsbeispiel 10 in Verbindung mit Fig. 27 erläutert. Fig. 27 ist eine Schnittansicht, die ei nen Festkörperlaser gemäß der zehnten Ausführungsform zeigt. In Fig. 27 sind die Teile mit den Bezugszeichen 3 bis 8, 11 bis 13b, 17 und 25 bis 28 mit denen der Vorrich tung der neunten Ausführungsform identisch. Mit 35 ist eine Stufe bezeichnet, die an einer Stelle an der Außenfläche des Teilreflexionsspiegels 17, der dem Teilreflexionsspie gel 26 entspricht, vorgesehen ist. Mit 36 ist ein Laser strahl bezeichnet, der von der Laservorrichtung abgegeben wird.

Der Festkörperlaser der zehnten Ausführungsform funktio niert grundsätzlich wie der Festkörperlaser der vorstehend beschriebenen neunten Ausführungsform, mit der nachfolgen den Ausnahme. Bei der zehnten Ausführungsform ist die Stufe 35 in der Außenfläche des Teilreflexionsspiegels 17 vorge sehen, um die Phasendifferenz zwischen einem Laserstrahl, der den Abschnitt 26 des Teilreflexionsspiegels durch dringt, und einem Laserstrahl, der den nicht reflektierten Abschnitt 27 durchdringt, zu beseitigen. Es ist daher mit der zehnten Ausführungsform möglich, einen kompakten Laser strahl 36 zu erzeugen, der eine gleichmäßige Phase besitzt, und das Konzentrationsverhalten zu verbessern (d. h. die Konzentration durch die Linse o. ä. aufgrund des nicht di vergierenden Laserstrahles 36 zu erleichtern).

Ausführungsbeispiel 11

Es wird nunmehr Ausführungsbeispiel 11 in Verbindung mit den Fig. 28 bis 30 erläutert. Fig. 28 ist eine Schnittansicht, die einen Festkörperlaser gemäß Ausfüh rungsbeispiel 11 zeigt. In Fig. 28 sind die Teile mit den Bezugszeichen 2 bis 8 und 11 bis 13b mit denen der Vorrich tung des Ausführungsbeispiels 7 identisch. Mit 40 ist eine piezoelektrische Vorrichtung, mit 41 eine Steuereinheit zum Steuern der Expansion und Kontraktion der piezoelektrischen Vorrichtung, mit 40, 42 das in dem Resonator erzeugte La serlicht und mit 43 ein von der Laservorrichtung abgegebe ner Laserstrahl bezeichnet.

Der Festkörperlaser der elften Ausführungsform funktioniert grundsätzlich in der gleichen Weise wie der Festkörperlaser der vorstehend beschriebenen siebten Ausführungsform, mit der folgenden Ausnahme. Bei der elften Ausführungsform wird der Abstand zwischen dem Totalreflexionsspiegel 11 und der Kondensorlinse 12 durch die Expansion und Kontraktion der piezoelektrischen Vorrichtung 40, die an der Rückseite des Totalreflexionsspiegels 11 montiert ist, in einer kurzen Zeitspanne über den beweglichen Objekttisch 13a verändert, während die Energiezufuhr konstant gelassen wird (d. h. der Pumpzustand wird konstant gelassen). Durch die Änderung des Abstandes zwischen dem Totalreflexionsspiegel 11 und der Kondensorlinse 12 wird der Bildübertragungszustand des La serresonators der Ausführungsform 7 verändert. Folglich kann der Bildübertragungszustand geometrisch und optisch zwischen einem stabilen Zustand (d. h. einen Zustand des stabilen Resonators) und einem instabilen Zustand (d. h. ei nem Zustand des instabilen Resonators) umgeschaltet werden.

Fig. 29 zeigt die Beziehung zwischen dem Abstand zwischen dem Totalreflexionsspiegel 11 und der Kondensorlinse 12 und der Laserausgangsleistung. Man kann beispielsweise erken nen, 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 Kon densorlinse 12 50 mm beträgt.

Wenn ein Resonatorzustand durch die piezoelektrische Vor richtung 40 in einer kurzen Zeit (mit hoher Geschwindig keit) wiederholt verändert wird, kann der Resonator in der kurzen Zeit zwischen dem stabilen Zustand, der zu einem re duzierten Verlust führt, und dem instabilen Zustand, der zu erhöhten Verlusten führt (d. h. der Resonatorverlust kann sich mit der Zeit ändern [zyklisch]), geometrisch und op tisch fluktuieren. Daher steigt der Q-Wert des Resonators rasch an, so daß eine Schwingung mit scharfen Impulsen er zielt wird. Fig. 30 zeigt eine solche scharfe Impulsform, die in der vorstehend angegebenen Weise erhalten wird.

Ausführungsbeispiel 12

Es wird nunmehr Ausführungsbeispiel 12 in Verbindung mit den Fig. 31 bis 33 beschrieben. Fig. 31 ist eine Schnit tansicht, die einen Festkörperlaser gemäß Ausführungsbei spiel 12 zeigt. In Fig. 31 sind die mit den Bezugszeichen 2 bis 8 und 11 bis 13b sowie 40 versehenen Teile mit denen der Vorrichtung des Ausführungsbeispiels 11 identisch. In Fig. 31 ist mit 50 eine zweite Lichtquelle, mit 51 ein von der Lichtquelle 50 abgegebener Lichtstrahl, mit 52 ein Fo todetektor, beispielsweise eine ladungsgekoppelte Vorrich tung (CCD), mit 53 eine Steuereinheit zum Steuern der Ex pansion und Kontraktion der piezoelektrischen Vorrichtung 40 in Abhängigkeit von den Meßergebnissen des Fotodetek tors, mit 54 das im Resonator erzeugte Laserlicht und mit 55 ein von der Laservorrichtung abgegebener Laserstrahl be zeichnet.

Fig. 32 ist eine Schnittansicht, die einen abgewandelten Festkörperlaser gemäß der zwölften Ausführungsform zeigt. In Fig. 32 sind die Teile mit den Bezugszeichen 2 bis 8, 11 bis 13b, 40 und 50 bis 55 mit denen der Vorrichtung des Ausführungsbeispiels 13 identisch. Die Festkörperlaservor richtung umfaßt ferner Spiegel 56a, 56b, die den Licht strahl 51 von der zweiten Lichtquelle total reflektieren, das Laserlicht 54 jedoch vollständig durchlassen.

Bei der in den Fig. 31 und 32 gezeigten Laservorrichtung kann der von der zweiten Lichtquelle 50 erzeugte Laser strahl 51 durch den Laserstab 3 durchtreten. Der Fotodetek tor 53 detektiert eine Änderung des Außendurchmessers des Lichtstrahles 51 infolge des Durchlaufens durch den Laser stab 3. In diesem Fall der Vorrichtung der Fig. 31 bewegt sich das Licht 51 diagonal relativ zum Laserlicht 54, so daß es direkt auf den Fotodetektor 52 fällt. Bei der Vor richtung der Fig. 32 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 der thermischen Linsenwirkung des Laserstabs 3 in Abhängigkeit von dem detektierten Wert (der den Grad der Änderung des Außendurchmessers des Lichtstrahles 51 dar stellt) errechnet werden, und die piezoelektrische Vorrich tung 40 wird in Abhängigkeit von dem errechneten Wert ange trieben, um den Abstand zwischen dem Totalreflexionsspiegel 11 und der Kondensorlinse 12 einzustellen. Daher ist es ge mäß dieser Ausführungsform möglich, die thermische Linsen wirkung des Laserstabs 3 zu beseitigen, während man kurz fristigen Schwankungen der thermischen Linsenwirkung folgt, und einen konstanten Divergenzwinkel aufrechtzuerhalten.

Fig. 33 zeigt die Änderungen des Divergenzwinkels des La serstrahles 55 der in den Fig. 31 und 32 gezeigten La servorrichtung in Abhängigkeit von der nach Beendigung der Bereitstellung der Energiequelle 5 abgelaufenen Zeit im Vergleich zu der Änderung des Divergenzwinkels bei einem Vergleichsbeispiel, bei dem die thermische Linsenwirkung nicht kompensiert ist. Obwohl sich der Divergenzwinkel des Laserstrahles ändert, bis die thermische Linse des Laser stabs des Vergleichsbeispiels stabilisiert ist, wird bei der zwölften Ausführungsform der Divergenzwinkel gleichzei tig mit der Bereitstellung der Energiequelle stabilisiert.

Obwohl bei jeder dieser Ausführungsformen der Laserstrahl abgelenkt 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 vor gesehen sein, um den Laserstrahl extern vom reflektierenden Abschnitt abzulenken.

Obwohl keine spezielle Beschreibung hierauf gerichtet wur de, kann ferner ein nicht reflektierender Film in einer Po sition der entsprechenden optischen Komponenten, die vom Laserstrahl durchdrungen werden, angeordnet werden, wie bei den typischen optischen Komponenten, obwohl diese Position nicht speziell beschrieben ist. Durch den nicht reflektie renden Film werden Verluste im Resonator reduziert, und es wird eine wirksame Laseroszillation ermöglicht.

Ausführungsbeispiel 13

Fig. 34 ist eine Schnittansicht, die einen Festkörperlaser gemäß Ausführungsbeispiel 13 zeigt. In Fig. 34 sind die Teile mit den Bezugszeichen 2 bis 8 und 11 bis 15 mit denen der Vorrichtung der Fig. 20 identisch. Mit 60 ist ein Ge häuse zur Aufnahme des Totalreflexionsspiegels 11 bezeich net, während mit 61 ein im Gehäuse 60 vorgesehenes Luftloch bezeichnet ist. In Fig. 34 gibt die gestrichelte Linie L die tatsächliche Anordnung eines Spiegels mit veränderli cher Krümmung wieder, der zu einem Bildübertragungssystem äquivalent ist, das den Totalreflexionsspiegel 11 und die Kondensorlinse 12 aufweist.

Bei dem Festkörperlaser ist ein Konzentrationspunkt des La serlichtes in einer mittleren Position zwischen dem Total reflexionsspiegel 11 und der Kondensorlinse 12 angeordnet. 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 hin durchtretenden 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 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 ge blasenen Gases verformt werden. Es ist auf diese Weise mög lich, 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 an ordnet und durch Erhitzen der Heizeinrichtung die Tempera tur im Gehäuse 60 verändert.

Ausführungsbeispiel 14

Fig. 35 zeigt eine Schnittansicht eines Festkörperlasers gemäß Ausführungsbeispiel 14. In Fig. 35 sind die Teile, die mit den Bezugszeichen 2 bis 8, 11 bis 15, 60, 61 be zeichnet sind, mit denen der Vorrichtung der Fig. 34 iden tisch. Mit 63 ist ein Wellenlängenumformer bezeichnet, der aus einem KTP (Kaliumtitanylphosphat)-Kristall o. ä. be steht.

Bei diesem Festkörperlaser ist der Wellenlängenumformer 63 so angeordnet, daß er die Wellenlänge des Laserlichtes 14 umformt und einen Laserstrahl 15 mit kürzerer Wellenlänge erzeugt, der ein gutes Konzentrationsvermögen besitzt. Ins besondere ist der Wellenlängenumformer 63 an einem Konzen trationspunkt angeordnet, der sich in dem Zwischenraum zwi schen dem Totalreflexionsspiegel 11 und der Kondensorlinse 12 befindet. Es ist daher möglich, in wirksamer Weise die Wellenlänge umzuformen, indem man vom Laserlicht 14 Ge brauch macht, das am Konzentrationspunkt eine erhöhte In tensität besitzt.

Darüber hinaus ist der Wellenlängenumformer 63 im Gehäuse 60 untergebracht, so daß kein Staub o. ä. an einer Fläche des Wellenlängenumformers 63 haftet. Es ist daher möglich, die Wellenlänge für eine lange Zeitdauer auf beständige Weise umzuformen.

Ausführungsbeispiel 15

Fig. 36 ist eine Schnittansicht, die einen Festkörperlaser gemäß Ausführungsbeispiel 15 zeigt. In Fig. 36 sind die Teile mit den Bezugszeichen 2 bis 8, 11 bis 15, 60, 61 mit denen der Vorrichtung in Fig. 34 identisch. Andere Teile, die mit den Bezugszeichen 16, 17 versehen sind, sind mit denen der Vorrichtung der Fig. 24 identisch.

Bei diesem Festkörperlaser ist der gleiche instabile Laser resonator vorgesehen wie bei der Ausführungsform in Fig. 24, so daß ein pfannkuchenförmiger Laserstrahl 15 erzeugt wird. Aufgrund des Gehäuses 60 ist es ferner möglich, 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 16

Fig. 37 ist eine Schnittansicht eines Festkörperlaser gemäß Ausführungsbeispiel 16. In Fig. 37 sind die Teile mit den Bezugszeichen 2 bis 8, 11 bis 15, 60, 61 mit denen der Vor richtung der Fig. 34 identisch. Andere Teile, die mit den Bezugszeichen 17 und 25 bis 27 versehen sind, sind mit de nen der Vorrichtung der Fig. 26 identisch.

Dieser Festkörperlaser besitzt den gleichen instabilen La serresonator wie die Ausführungsform der Fig. 26, 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 17

Fig. 38 ist eine Schnittansicht, die einen Festkörperlaser gemäß Ausführungsbeispiel 17 zeigt. In Fig. 38 sind die Teile, die mit den Bezugszeichen 2 bis 8, 11 bis 15, 60, 61 versehen sind, mit denen der Vorrichtung der Fig. 34 iden tisch. Andere Teile, die die Bezugszeichen 17, 25 bis 27, 35 und 36 aufweisen, sind mit denen der Vorrichtung der Fig. 27 identisch.

Dieser Festkörperlaser weist den gleichen instabilen Laser resonator wie die Ausführungsform der Fig. 27 auf, so daß ein massiver Laserstrahl 36 mit keiner Phasendifferenz zur Verfügung gestellt wird. Des weiteren ist es möglich, das Anhaften von Staub am Bildübertragungssystem durch das Ge häuse 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

Bei dem in den Fig. 39(a) und 39(b) gezeigten Ausfüh rungsbeispiel 18 trifft ein von einer Festkörperlaservor richtung erzeugter Laserstrahl auf ein Ende einer optischen Faser 200 und wird an eine entfernt angeordnete Stelle überführt. Der Laserstrahl wird des weiteren vom gegenüber liegenden Ende der optischen Faser 200 abgegeben und durch die Kondensorlinse 12 konzentriert. Der konzentrierte La serstrahl wird zur Durchführung einer Laserbearbeitung ei nes Werkstücks 800 verwendet. In den Fig. 39(a) und 39(b) ist mit 820 der Einlaß für ein Prozeßgas und mit 810 eine Behandlungsdüse bezeichnet.

Da bei der achtzehnten Ausführungsform die Oberflächenrau higkeit des Laserstabs die Aberration in einem Schnitt des Laserstabs verringert, kann der von dem Festkörperlaser der achtzehnten Ausführungsform erzeugte Laserstrahl zu einem kleinen Punkt konzentriert werden.

Der zu dem kleinen Punkt konzentrierte Laserstrahl kann in wirksamer Weise auf das Ende der optischen Faser 200 tref fen und kann vom gegenüberliegenden Ende der Faser 200 ohne Verlust an Laserenergie abgegeben werden, so daß eine wirk same Laserbearbeitung des Werkstücks 800 mit hoher Qualität möglich ist.

Obwohl die achtzehnte Ausführungsform in Verbindung mit dem Festkörperlaser beschrieben wurde, bei der der im ersten Ausführungsbeispiel erläuterte Laserresonator Verwendung findet, ist es auch möglich, den gleichen Effekt mit ir gendeinem Festkörperlaser der Ausführungsformen 2, 3 und 4 zu erzielen.

Ausführungsbeispiel 19

Bei dem in den Fig. 40(a) und 40(b) gezeigten Ausfüh rungsbeispiel wird ein von einem Festkörperlaser erzeugter Laserstrahl durch die Atmosphäre zu einem entfernten Ort überführt und durch die Kondensorlinse 12 konzentriert, nachdem die Richtung des Laserstrahles durch den Totalre flexionsspiegel 11 geändert wurde. Des weiteren wird der konzentrierte Laserstrahl zur Durchführung einer Laserbear beitung eines Werkstücks 800 verwendet.

Da bei dieser neunzehnten Ausführungsform die Oberflächen rauhigkeit des Laserstabs die Aberration in einem Schnitt reduziert, kann der von dem Festkörperlaser dieser Ausfüh rungsform erzeugte Laserstrahl zu einem kleinen Punkt kon zentriert werden. Der konzentrierte Laserstrahl ermöglicht eine wirksame Laserbearbeitung des Werkstücks 800 mit hoher Qualität.

Obwohl diese Ausführungsform in Verbindung mit dem Festkör perlaser beschrieben wurde, bei der der im ersten Ausfüh rungsbeispiel erläuterte Laserresonator Verwendung findet, ist es auch möglich, den gleichen Effekt mit irgendeinem der Festkörperlaser der Ausführungsformen 2, 3 und 4 zu er zielen.

Ausführungsbeispiel 20

Bei der in den Fig. 41(a) und 41(b) gezeigten Ausfüh rungsform 20 wird der beispielsweise von dem Festkörperla ser gemäß Ausführungsbeispiel 19 erzeugte Laserstrahl durch die Atmosphäre an einen entfernten Ort überführt und durch die 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, und der kon zentrierte Laserstrahl wird zur Durchführung einer guten Laserbearbeitung eines Werkstücks 800 verwendet.

Da bei dieser Ausführungsform durch die Oberflächenrauhig keit des Laserstabs die Aberration in einem Schnitt des La serstabs reduziert wird, kann der von dem Festkörperlaser dieser Ausführungsform erzeugte Laserstrahl zu einem klei nen Punkt konzentriert werden. Durch Konzentration des La serstrahles zu einem kleinen Punkt kann die Laserbearbei tung des Werkstücks 800 durchgeführt werden.

Es folgt nunmehr eine zusätzliche Beschreibung einer Aus führungsform, bei der eine Vielzahl von Linsen Verwendung findet.

Beispielsweise kollidiert der von dem Festkörperlaser der Ausführungsform 1 bis 17 erzeugte Laserstrahl mit dem Ende des Laserstabs, einem Laserspiegel o. ä., der in einem La serresonator angeordnet ist, was zur Erzeugung einer Beu gungswelle führt.

Wenn die Beugungswelle konzentriert wird, besitzt sie eine Intensitätsverteilung an einem Umfangsabschnitt des Laser strahles und dient als peripherer Strahl, wie in Fig. 42(a) 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 Durchtritt wird in Umfangsrichtung an einem Bearbeitungsabschnitt unnötige Wärme erzeugt.

Um bei der zwanzigsten 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 des Laserstabs oder am Ende des Spiegels in der Laservorrichtung erzeugt. Es ist daher möglich, einen konzentrierten Laserstrahl zu schaffen, der keine Auswir kung auf die Beugungswelle aufweist, wenn das optische Sy stem so eingestellt ist, daß es die Bildübertragung des La serstrahles in der Nachbarschaft dieser Stellen auf dem Werkstück 800 durchführt.

In Fig. 41 ist eine Ausführungsform mit zwei Linsen 12 dar gestellt. Es ist möglich, den Laserstrahl auf jede beliebi ge Stelle in der Laservorrichtung durch Einstellen der Brennweiten der Linsen zu übertragen. Dies kann man mit ei nem konzentrierten Laserstrahl mit keinem peripheren Strahl durchführen, wie beispielsweise in Fig. 42(b) gezeigt.

Obwohl die Ausführungsform, bei der zwei Linsen Verwendung finden, in Verbindung mit Ausführungsbeispiel 20 beschrie ben wurde, können auch Reflexionsspiegel kombiniert werden. Kurz gesagt, das optische System kann kombiniert werden, damit eine Bildübertragung des in der Nachbarschaft des In nenraumes der Laservorrichtung erzeugten Laserstrahles mög lich ist und kein periphere Strahl erzeugt wird.

In Fig. 43(a) ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die eine Blende 50 aus einem metallischen, keramischen oder Glaszylinder oder einer optischen Faser aufweist. Die Blen de 50 ist an der optischen Bahn angeordnet, so daß eine Bildübertragung des Laserstrahles durchgeführt wird, bei der der periphere Strahl des Laserstrahles abgeschnitten wird.

Diese Ausführungsform ist besonders wirksam für den Fall, bei dem einer der Festkörperlaser der Ausführungsbeispiele 2, 3 und 4 verwendet wird, da hierbei das Ende des Spiegels im Laserresonator angeordnet ist.

Ausführungsbeispiel 21

Bei dem in den Fig. 44(a) und 44(b) gezeigten Ausfüh rungsbeispiel 21 wird der beispielsweise von dem Festkör perlaser gemäß Ausführungsbeispiel 19 erzeugte Laserstrahl durch die Atmosphäre an einen entfernten Ort überführt und von der 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, nachdem er die Blende 50 passiert hat, so daß der konzentrierte La serstrahl zur Durchführung der Laserbearbeitung eines Werk stücks 800 eingesetzt werden kann.

Da bei der einundzwanzigsten Ausführungsform die Oberflä chenrauhigkeit des Laserstabs die Aberration in einem Schnitt des Laserstabs reduziert, kann der von dem Festkör perlaser dieser Ausführungsform erzeugte Laserstrahl zu ei nem kleinen Punkt konzentriert werden. Der zu dem kleinen Punkt konzentrierte Laserstrahl ermöglicht eine gute Laser bearbeitung des Werkstücks 800.

Es erfolgt nunmehr eine zusätzliche Beschreibung der Blende 50.

Beispielsweise kollidiert der von dem Festkörperlaser der Ausführungsformen 1 bis 17 erzeugte Laserstrahl mit einem Ende des Laserstabs, einem Laserspiegel o. ä., der in einem Laserresonator angeordnet ist, was zur Erzeugung einer Beu gungswelle führt.

Wenn die Beugungswelle konzentriert wird, besitzt sie eine Intensitätsverteilung an einem Umfangsabschnitt des Laser strahles und dient als periphere Strahl, wie in Fig. 42(a) 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. Beim Durchtritt wird am Bearbeitungsabschnitt in Umfangsrichtung überflüssige Wärme erzeugt.

Bei der einundzwanzigsten Ausführungsform dringt der Laser strahl durch die Blende und wird auf die optische Bahn kon zentriert. Somit kann die Beugungswelle durch die Blende abgetrennt werden, und die Laserbearbeitung durch den La serstrahl kann ohne die Beugungswelle durchgeführt werden. Diese einundzwanzigste Ausführungsform ist besonders wirk sam bei dem Festkörperlaser der Ausführungsbeispiele 2, 3 und 4, da hierbei das Ende des Spiegels in einem Laserreso nator angeordnet ist.

Ausführungsbeispiel 22

Bei dem in den Fig. 45(a) und 45(b) gezeigten Ausfüh rungsbeispiel 22 wird der beispielsweise von dem Festkör perlaser gemäß Ausführungsbeispiel 19 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 konzentrische 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 zweiundzwanzigsten Ausführungsform die Ober flächenrauhigkeit des Laserstabs die Aberration in einem Schnitt des Laserstabs reduziert, kann der von dem Festkör perlaser der zweiundzwanzigsten Ausführungsform erzeugte Laserstrahl zu einem kleinen Punkt konzentriert werden. Der zu dem kleinen Punkt konzentrierte Laserstrahl ermöglicht eine gute Laserbearbeitung des Werkstücks 800.

Es folgt nunmehr eine zusätzliche Beschreibung des übersät tigten Absorbers 3000.

Beispielsweise kollidiert der von dem Festkörperlaser der Ausführungsbeispiele 1 bis 17 erzeugte Laserstrahl mit ei nem Ende des Laserstabs, einem Laserspiegel o. ä., der in einem Laserresonator angeordnet ist, was zur Erzeugung ei ner 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. 42(a) 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. Beim Durch tritt wird am Bearbeitungsabschnitt in Umfangsrichtung überflüssige Wärme erzeugt.

Die zweiundzwanzigste Ausführungsform wird mit Hilfe eines YAG-Laserstrahles als Beispiel erläutert. Dieser Laser strahl 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 Ab sorber dient typischerweise als Reflektor, kann jedoch auch durchlässig sein, indem er einen starken Laserstrahl absor biert, wenn dieser starke Laserstrahl auf den übersättigten Absorber trifft.

Somit kann bei dem in Fig. 42(a) 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 einer der Festkörperlaser der Ausführungsbeispiele 2, 3 und 4 verwendet wird, weil das Ende des Spiegels in einem Laserresonator angeordnet ist.

Der Laserresonator kann durch eine der Laserbearbeitungs vorrichtungen der Ausführungsbeispiele 18 bis 22 erzeugt und in das Ende der optischen Faser des Ausführungsbei spiels 18 eingeführt werden. Es ist somit möglich, den La serstrahl in wirksamer Weise in eine Faser einzuführen und somit sicher an den entfernten Ort zu überführen.

Bei jeder Ausführungsform wurde der Laserstab beschrieben, der einen kreisförmigen Querschnitt besitzt. Der Quer schnitt ist jedoch nicht auf einen derartigen kreisförmigen Querschnitt beschränkt. Es können vielmehr auch Recht eckquerschnitte oder elliptische Querschnitte Verwendung finden.

Obwohl bei jeder Ausführungsform keine spezielle Beschrei bung erfolgt ist, kann ein nicht reflektierender Film in einer Position der entsprechenden optischen Komponenten an geordnet werden, die der Laserstrahl durchläuft, wie dies bei den typischen optischen Komponenten der Fall ist, ob wohl diese Position nicht speziell beschrieben wurde. Durch den nicht reflektierenden Film werden Verluste im Resonator reduziert, und es wird eine wirksame Laseroszillation er möglicht.

Mit dem vorstehend beschriebenen Festkörperlaser und der Laserbearbeitungsvorrichtung werden die nachfolgend erläu terten Vorteile erreicht.

Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Festkörperlaser wird der Laserstab durch Flüssigkeit peripher gekühlt, und die Oberflächenrauhigkeit des Laserstabs, die einen größeren Brechungsindex als die Flüssigkeit besitzt, bestimmt die Erregungsverteilung im Schnitt des Laserstabs. Es ist somit möglich, ein Lasermedium zu schaffen, mit dem eine im we sentlichen gleichmäßige Emission im Schnitt ohne Wellen frontaberration möglich ist. Des weiteren ist es möglich, unter Verwendung des Laserresonators auf beständige Weise einen Laserstrahl hoher Energie und hoher Qualität vorzuse hen.

Bei dem Festkörperlaser wird der Laserstab peripher durch eine Flüssigkeit gekühlt, und die Oberflächenrauhigkeit, die einen größeren Brechungsindex als die Flüssigkeit auf weist, beträgt 3,3 µRMS oder mehr. Es ist somit möglich, ein Lasermedium vorzusehen, mit dem eine im wesentlichen gleichmäßige Emission ohne Aberration im Schnitt möglich ist. Des weiteren ist es möglich, durch Verwendung des La serresonators einen Laserstrahl mit hoher Energie und hoher Qualität zu erzeugen.

Bei dem Festkörperlaser findet ein Lichterregungssystem mit einer Kavität Verwendung, um das Licht der Lichtquelle zu begrenzen und in den Laserstab einzuführen. Das dabei auf der Oberfläche des Laserstabs gestreute Licht wird von der Kavität wiederholt reflektiert und in den Laserstab einge führt. Es gibt daher keine Reduzierung des Übertragungsver mögens des Lichtes der Lichtquelle auf den Laserstab durch dessen Oberflächenrauhigkeit. Somit ist es möglich, eine Absenkung des Laserwirkungsgrades zu verhindern.

Bei dem Festkörperlaser findet ein Lichterregungssystem einschließlich einer Kavität Verwendung, mit dem das von der Lichtquelle abgegebene Licht begrenzt wird und die eine diffuse Reflexionsfläche an einem Innenabschnitt aufweist, um das Licht der Lichtquelle in den Laserstab einzuführen. Somit wird das auf der Oberfläche des Laserstabs gestreute Licht wieder von der Kavität diffus reflektiert. Der Laser strahl wird daher in zuverlässiger Weise bei jeder Reflexi on teilweise in den Laserstab eingeführt, und durch die Oberflächenrauhigkeit des Laserstabs wird keine Reduzierung des Übertragungsvermögens des Lichtes der Lichtquelle auf den Laserstab bewirkt. Somit ist es möglich, ein Absinken des Laserwirkungsgrades zu verhindern.

Darüber hinaus kann die diffuse Reflexionsfläche das Licht der Lichtquelle in der Kavität so ausgleichen, daß der La serstab mit gleichmäßigem Licht transversal gepumpt wird. Es ist daher möglich, ein Lasermedium zu erzeugen, das im Schnitt in Umfangsrichtung einheitlich ist, und unter Ver wendung des Laserresonators auf beständige Weise einen La serstrahl mit hoher Energie und hoher Qualität zur Verfü gung zu stellen.

Eine Vielzahl von Laserstäben mit rauher Oberfläche wird in Richtung der optischen Achse angeordnet, um einen verlän gerten Erregungsabschnitt vorzusehen. Auf diese Weise ist es möglich, die Länge des Lasermediums ohne Auswahl der La serstäbe auszuweiten und mit niedrigen Kosten einen Laser strahl hoher Energie vorzusehen.

Bei dem Festkörperlaser kann ein optisches Korrektursystem zur Korrektur der thermischen Linsenwirkung zwischen die entsprechenden Laserstäbe eingesetzt werden. Hiermit ist es möglich, auf beständige Weise einen Laserstrahl hoher Ener gie ohne jegliche Beeinflussung des Laserstabs durch die thermische Linse zu erzeugen.

Bei dem Festkörperlaser wird von dem Laserstab mit rauher Oberfläche unter Verwendung eines stabilen Resonators eine entsprechende Laserausgangsenergie abgeleitet. Es ist dabei möglich, einen Laserstrahl zu erzeugen, der in dem Laser stab eine im wesentlichen gleichmäßige Intensitätsvertei lung besitzt. Durch die Laserenergie kann der Laserstab oh ne Störung der Gleichmäßigkeit über den Schnitt gleichmäßig erhitzt werden, selbst dann, wenn die Laserenergie ansteigt und von dem Laserstab teilweise absorbiert wird, so daß dieser erhitzt wird. Auf diese Weise ist es mög 14031 00070 552 001000280000000200012000285911392000040 0002004345434 00004 13912lich, auf beständige Weise einen Laserstrahl hoher Energie zu erzeu gen.

Bei dem Festkörperlaser wird der Laserstrahl von dem eine rauhe Oberfläche aufweisenden Laserstab ebenfalls unter Verwendung eines instabilen Resonators abgeleitet. Damit ist es möglich, einen Laserstrahl mit einer gleichmäßigeren Intensitätsverteilung zu erzeugen als mit dem stabilen Re sonator. Hierbei kann der Laserstab durch die Laserenergie ohne Störungen der Gleichförmigkeit über den Schnitt gleichmäßig erhitzt werden, selbst dann, wenn die Lasere nergie ansteigt und von dem Laserstab teilweise absorbiert wird, so daß der Laserstab erhitzt wird. Auf diese Weise ist es möglich, auf beständige Art einen Laserstrahl hoher Energie zu erzeugen.

Bei dem Festkörperlaser wird der Laserstrahl von dem mit der rauhen Oberfläche versehenen Laserstab abgeleitet, in dem ein Laserresonator verwendet wird, der einen Austritts spiegel besitzt, welcher einen partiell reflektierenden Ab schnitt am mittleren Abschnitt und einen nicht reflektie renden Abschnitt an seinem Umfangsabschnitt aufweist, und der einen einzigen Totalreflexionsspiegel oder optisches System zur Korrektur der thermischen Längenwirkung besitzt. Es ist damit möglich, in dem Laserstab einen Laserstrahl zu erzeugen, der eine gleichmäßigere Intensitätsverteilung aufweist als bei dem stabilen Resonator, und einen Laser strahl zu erzeugen, dessen Konzentrationsvermögen größer ist als das bei dem instabilen Resonator.

Der Laserstab kann somit durch die Laserenergie ohne Stö rungen der Gleichmäßigkeit im Querschnitt selbst bei an steigender Laserenergie gleichmäßig erhitzt werden, wobei die Laserenergie teilweise von dem Laserstab absorbiert wird. Es ist somit möglich, auf beständige Weise einen La serstrahl hoher Energie zu erzeugen.

Bei dem Festkörperlaser wird der Laserstrahl ferner von dem mit der rauhen Oberfläche versehenen Laserstab abgeleitet, indem ein Laserresonator verwendet wird, der einen Aus trittsspiegel mit partiell reflektierendem Abschnitt am mittleren Abschnitt und nicht reflektierendem Abschnitt am Umfangsabschnitt und Einrichtungen zum Kompensieren der Phasendifferenz des den partiell reflektierenden Abschnitt und den nicht reflektierenden Abschnitt durchdringenden La serstrahles sowie einen einzigen Totalreflexionsspiegel oder ein optisches System zur Korrektur der thermischen Linsenwirkung aufweist. Damit ist es möglich, in dem Laser stab einen Laserstrahl zu erzeugen, der eine gleichmäßigere Intensitätsverteilung aufweist als bei dem stabilen Resona tor, sowie einen Laserstrahl zu erzeugen, dessen Konzentra tionsvermögen größer ist als bei dem instabilen Resonator.

Somit kann der Laserstab ohne Störungen der Gleichmäßigkeit im Schnitt durch die Laserenergie gleichmäßig erhitzt wer den, und zwar selbst dann, wenn die Laserenergie ansteigt und teilweise von dem Laserstab absorbiert wird, so daß dieser erhitzt wird. Es ist damit möglich, auf beständige bzw. stabile Weise einen Laserstrahl hoher Energie zu er zeugen.

Bei dem Festkörperlaser wird der Laserstrahl, der von einem getrennten Festkörperlaser erzeugt wurde, in den Laserstab eingeführt, der die rauhe Oberfläche aufweist, um auf diese Weise einen verstärkten Laserstrahl extern zu erzeugen. Da bei ist es möglich, den Laserstrahl ohne die Aberration zu verstärken, und in einfacher Weise einen Laserstrahl hoher Qualität und hoher Energie vorzusehen.

Des weiteren kann der Laserresonator verwendet werden, um die Laserenergie von dem mit der rauhen Oberfläche versehe nen Laserstab abzuleiten. In diesem Fall wird das optische System zur Korrektur der thermischen Linsenwirkung, das die Vielzahl der optischen Komponenten aufweist, als ein opti sches Lasersystem verwendet, das den Resonator bildet, um mindestens einen der Abstände zwischen den optischen Kompo nenten zu steuern und in Abhängigkeit von der Abgabelei stung der Lichtquelle entsprechend zu verändern. Selbst wenn daher durch eine Änderung der Abgabeleistung der Lichtquelle die thermischen Linse des Laserstabs verändert wird, ist es möglich, diese Änderung durch Änderung von mindestens einem der Abstände zwischen den optischen Kompo nenten zu beseitigen. Folglich ist es möglich, einen Laser strahl 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 dem mit der rauhen Oberfläche ver sehenen Laserstab abzuleiten, wobei ein optisches Bildüber tragungssystem vom Reflexions- oder Transmissionstyp als ein optisches System zur Korrektur der thermischen Linsen wirkung, das den Resonator bildet, verwendet wird. Selbst wenn durch eine Änderung der Abgabeleistung der Lichtquelle die thermische Linse des Laserstabs verändert wird, ist es möglich, diese Änderung zu beseitigen, indem mindestens ei ner 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.

Bei dem Festkörperlaser bilden der Totalreflexionsspiegel und die Kondensorlinse das Bildübertragungssystem im Laser resonator und werden in Richtung der optischen Achse des Laserresonators bewegt. Es ist daher möglich, den Weg des Laserlichtes im Laserresonator einzustellen und einen brei ten Querschnittsbereich des Laserlichtes aufrechtzuerhal ten, um die Fokussierwirkung des Laserstrahles infolge der thermischen Linsenwirkung des Laserstabs zu beseitigen. Auf diese Weise kann ein Festkörperlaser geschaffen werden, der eine stabile Schwingung eines Strahles mit gutem Konzentra tionsvermögen ermöglicht.

Bei dem stabilen Laserresonator, der eine Kombination aus dem optischen Bildübertragungssystem einschließlich einer Kombination des Totalreflexionsspiegels und der Kondensor linse mit einem partiell reflektierenden Spiegel aufweist, werden der Totalreflexionsspiegel und die Kondensorlinse, die das Bildübertragungssystem bilden, durch die Bewegungs einrichtungen in Richtung der optischen Achse des Laserre sonators bewegt. Es ist daher möglich, den Weg des Laser lichtes im Resonator einzustellen und einen breiten Quer schnittsbereich des Laserlichtes aufrechtzuerhalten, wäh rend eine glockenblumenförmige Intensitätsverteilung im Schnitt der Festkörperkomponente aufrechterhalten wird, um die Fokussierwirkung des Laserstrahles infolge der thermi schen Linsenwirkung des Laserstabs 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 Laserre sonators bewegt. Daher ist es möglich, den Weg des Laser lichtes im Laserresonator einzustellen und eine gleichmäßi ge Intensitätsverteilung im Schnitt des Laserstabs auf rechtzuerhalten. Folglich wird die Kompensation der thermi schen Linsenwirkung erleichtert.

Des weiteren kann der vergrößerte Austrittsspiegel mit dem vergrößerten partiell reflektierenden Abschnitt am mittle ren Abschnitt und dem nicht reflektierenden Abschnitt am Umfangsabschnitt anstelle des vergrößerten Totalreflexions spiegels verwendet werden, um einen Laserstrahl zu schaf fen, der einen kompakten Querschnitt (keinen pfannkuchen förmigen bzw. ringförmigen Querschnitt) aufweist. Es ist daher möglich, die Intensität des Laserlichtes, die erfor derlich ist, um im wesentlichen das gleiche Konzentrations vermögen zu erreichen, zu reduzieren und auf diese Weise die Belastung des Festkörperlasers zu reduzieren.

Des weiteren kann der Festkörperlaser Phasendifferenzbesei tigungseinrichtungen aufweisen, um einen kompakten Laser strahl mit gleichmäßiger Phase zu erzeugen, der ein verbes sertes Konzentrationsvermögen aufweist.

Des weiteren kontaktiert bei dem Festkörperlaser die piezo elektrische Vorrichtung mindestens die Kondensorlinse und/oder den Totalreflexionsspiegel, die das optische Bild übertragungssystem bilden, und die piezoelektrische Vor richtung wird expandiert und kontrahiert, so daß der Bild übertragungszustand zwischen dem stabilen Zustand und in stabilen 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 erzeugen.

Des weiteren kann der Festkörperlaser eine zweite Licht quelle umfassen, um einen Lichtstrahl abzugeben, der den Laserstab und den Fotodetektor durchdringt, um einen Licht strahl zu erhalten und die Veränderung im Außendurchmesser des Lichtstrahles zu messen. Wenn daher die piezoelektri sche Vorrichtung unabhängig von den Ergebnissen der Detek tion betrieben wird, ist es möglich, die thermische Linsen wirkung des Laserstabs zu beseitigen, während man kurzfri stigen Schwankungen der thermischen Linse genau nachfolgt. Folglich wird die Kompensation der thermischen Linsenwir kung erleichtert.

Der Festkörperlaser kann darüber hinaus ein Gehäuse umfas sen, das den Totalreflexionsspiegel und die Kondensorlinse, die das Bildübertragungssystem bilden, aufnimmt. Damit ist es möglich, eine Verschlechterung der Qualität des Laser strahles infolge der Erzeugung eines Plasmas zu vermeiden, das durch den am Konzentrationspunkt des Laserlichtes, der zwischen dem Totalreflexionsspiegel und der Kondensorlinse angeordnet ist, erhitzten Staub verursacht wird.

Der Festkörperlaser kann ein im Gehäuse vorgesehenes Luft loch aufweisen. Es ist somit möglich zu verhindern, daß in der Luft befindliche Feuchtigkeit den Laserstrahl absor biert, wenn eine Vakuumpumpe an das Luftloch angeschlossen wird. Alternativ dazu ist es möglich, die Erzeugung eines Plasmas in der Nachbarschaft des Konzentrationspunktes zu verhindern, indem man ein inaktive Gas in das Gehäuse ein führt.

Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung wird der Laserstrahl von dem die rauhe Oberfläche aufweisenden Laserstab 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 Laserstrahles am entfernten Ort durchgeführt. Es ist somit möglich, in wirk samer und sicherer Weise das Licht in die Faser einzuführen und dadurch eine wirksame und sichere Laserbearbeitung durchzuführen.

Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung wird der von dem La serstab mit rauher Oberfläche erzeugte Laserstrahl ferner durch ein optisches Kondensorsystem konzentriert, um die Laserbearbeitung durchzuführen. Damit ist es möglich, einen Laserstrahl zu schaffen, der zu einem kleinen Punkt konzen triert wird, und eine wirksame Laserbearbeitung unter Ver wendung dieses Laserstrahls durchzuführen.

Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung wird der Laserstab durch Kontakt mit einer Flüssigkeit gekühlt. Der Laserstab besitzt einen größeren Brechungsindex als die Flüssigkeit. Die Oberflächenrauhigkeit des Laserstabs wird in Längsrich tung variiert, um die Erregungsverteilung im Schnitt des Laserstabs zu verändern. Es ist damit möglich, die Stabili tät der Laserbearbeitungsvorrichtung zu verbessern, bei spielsweise durch Reduzierung der Rauhigkeit der Fläche, die das zum Abdichten des Kühlmediums eingesetzte Dich tungsmaterial kontaktiert, um eine zuverlässig Dichtung vorzusehen.

Bei dem Festkörperlaser wird der von der Laservorrichtung erzeugte Laserstrahl durch das optische System in die Nähe des Werkstücks überführt und konzentriert. Der Laserstrahl verläuft nach dem Konzentrieren weiter und wird erneut kon zentriert, um ihn in das Werkstück einzuführen und die La serbearbeitung durchzuführen. Es ist damit möglich, den in folge der am Konzentrationspunkt des Laserstrahles erzeug ten Beugungswelle entstehenden peripheren Strahl zu besei tigen, so daß eine wirksame Laserbearbeitung mit hoher Qua lität erreicht werden kann.

Bei dem Festkörperlaser wird der von der Laservorrichtung erzeugte Laserstrahl vom optischen System in die Nähe des Werkstücks übertragen und konzentriert. Des weiteren wird die Beugungswelle durch eine Blende vom Laserstrahl ent fernt, wobei diese Blende in der Nähe des Brennpunktes an geordnet 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, wo durch eine wirksame Laserbearbeitung mit hoher Qualität er reicht wird.

Bei dem Festkörperlaser wird der von der Laservorrichtung erzeugte Laserstrahl durch das optische System in die Nähe des Werkstücks übertragen und konzentriert. Des weiteren wird die Beugungswelle vom Laserstrahl durch einen übersät tigten Absorber entfernt, der in der Nachbarschaft des Brennpunktes angeordnet ist, und der Laserstrahl wird da nach erneut konzentriert, um in das Werkstück eingeführt zu werden und die Laserbearbeitung durchzuführen. Es ist daher möglich, den peripheren Strahl aufgrund der am Konzentrati onspunkt des Laserstrahles erzeugten Beugungswelle zu ent fernen, wodurch eine wirksame Laserbearbeitung mit hoher Qualität erzielt wird.

Claims

1. Verwendung eines Festkörperlasersystems zur Erzeugung eines Laserstrahls, das einen flüssigkeitsgekühlten Laserstab auf weist, der sich in einer Kavität innerhalb eines optischen Reso nators befindet und der durch eine Bogenlampe (4) als Lichtquel le transversal optisch gepumpt wird, wobei der Laserstab (300) einen größeren Brechungsindex als die ihn umgebende Flüssigkeit aufweist, wobei die vom Pumplicht durchdrungene Oberfläche des Laserstabs (300) einen Bereich der Oberflächenrauhigkeit auf weist, der nicht kleiner als 3,3 µm RMS (Wurzel aus dem quadrati schen Mittelwert der Rauhtiefe) ist, in einer Laserbearbeitungs vorrichtung mit einem optischen System, durch das der Laser strahl in die Nähe eines Werkstücks (800) führbar ist.

2. Verwendung eines Festkörperlasersystems zur Erzeugung eines Laserstrahls, das einen flüssigkeitsgekühlten Laserstab auf weist, der sich in einer eine diffuse Reflexionsfläche an ihrer Innenseite aufweisenden Kavität innerhalb eines optischen Reso nators befindet und der durch eine Bogenlampe (4) als Lichtquel le transversal optisch gepumpt wird, wobei der Laserstab (300) einen größeren Brechungsindex als die ihn umgebende Flüssigkeit aufweist, wobei die vom Pumplicht durchdrungene Oberfläche des Laserstabs (300) einen Bereich der Oberflächenrauhigkeit auf weist, der nicht kleiner als 3,3 µm RMS (Wurzel aus dem quadrati schen Mittelwert der Rauhtiefe) ist, in einer Laserbearbeitungs vorrichtung mit einem optischen System, durch das der Laser strahl in die Nähe eines Werkstücks (800) führbar ist.

3. Verwendung eines Festkörperlasersystems zur Erzeugung eines Laserstrahls, das mehrere in Reihe geschaltete flüssigkeitsge kühlte Laserstäbe aufweist, die sich in Kavitäten innerhalb von optischen Resonatoren befinden und die durch Bogenlampen (4) als Lichtquellen transversal optisch gepumpt werden, wobei die La serstäbe (300) einen größeren Brechungsindex als die sie umge bende Flüssigkeit aufweisen, wobei die vom Pumplicht durchdrun gene Oberfläche der Laserstäbe (300) einen Bereich der Oberflä chenrauhigkeit aufweisen, der nicht k einer als 3,3 µm RMS (Wurzel aus dem quadratischen Mittelwert der Rauhtiefe) ist, in einer Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem optischen System, durch das der Laserstrahl in die Nähe eines Werkstücks (800) führbar ist.

4. Verwendung eines Festkörperlasersystems zur Erzeugung eines Laserstrahls, das einen flüssigkeitsgekühlten Laserstab auf weist, der sich in einer Kavität innerhalb eines optischen Reso nators befindet und der durch eine Bogenlampe (4) als Lichtquel le transversal optisch gepumpt wird, wobei der Laserstab (300) einen größeren Brechungsindex als die ihn umgebende Flüssigkeit aufweist, wobei die vom Pumplicht durchdrungene Oberfläche des Laserstabs (300) einen Bereich der Oberflächenrauhigkeit auf weist, der nicht kleiner als 3,3 µm RMS (Wurzel aus dem quadrati schen Mittelwert der Rauhtiefe) ist, wobei die Oberflächenrau higkeit in Längsrichtung des Laserstabs (300) unterschiedlich ist, so daß sich eine Verstärkungsverteilung im Querschnitt des Laserstabs ergibt, in einer Laserbearbeitungsvorrichtung mit ei nem optischen System, durch das der Laserstrahl in die Nähe ei nes Werkstücks (800) führbar ist.

5. Verwendung eines Festkörperlasersystems zur Erzeugung eines Laserstrahls, das einen flüssigkeitsgekühlten Laserstab auf weist, der sich in einer Kavität innerhalb eines optischen Reso nators befindet und der durch eine Bogenlampe (4) als Lichtquel le transversal optisch gepumpt wird, wobei der Laserstab (300) einen größeren Brechungsindex als die ihn umgebende Flüssigkeit aufweist, wobei die vom Pumplicht durchdrungene Oberfläche des Laserstabs (300) einen Bereich der Oberflächenrauhigkeit auf weist, der nicht kleiner als 3,3 µm RMS (Wurzel aus dem quadrati schen Mittelwert der Rauhtiefe) ist, in einer Laserbearbeitungs vorrichtung mit einem optischen System mit einer Lichtleitfaser (200), in deren eine Endfläche der Laserstrahl des Festkörperla sersystems eingeführt wird, wobei die entgegengesetzte Endfläche der Lichtleitfaser (200) zur Laserbearbeitung in die Nähe eines Werkstücks (800) einsetzbar ist

6. Verwendung eines Festkörperlasersystems zur Erzeugung eines Laserstrahls, das einen flüssigkeitsgekühlten Laserstab auf weist, der sich in einer Kavität innerhalb eines optischen Reso nators befindet und der durch eine Bogenlampe (4) als Lichtquel le transversal optisch gepumpt wird, wobei der Laserstab (300) einen größeren Brechungsindex als die ihn umgebende Flüssigkeit aufweist, wobei die vom Pumplicht durchdrungene Oberfläche des Laserstabs (300) einen Bereich der Oberflächenrauhigkeit auf weist, der nicht kleiner als 3,3 km RMS (Wurzel aus dem quadrati schen Mittelwert der Rauhtiefe) ist, in einer Laserbearbeitungs vorrichtung mit einem optischen System, durch das der Laser strahl in die Nähe eines Werkstücks (800) führbar ist, wobei der von dem optischen System zum Werkstück austretende Laserstrahl durch ein optisches Kondensorsystem gebündelt wird, in dessen Brennpunktnähe eine Blende (50) vorgesehen ist.