DE4416530C1 - Vorrichtung zur niederdivergenten Laserstrahlerzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur niederdivergenten Laserstrahlerzeugung mit einem, den Laserstrahl divergent aufweitenden optischen Element und einem diesem im Strahlengang nachgeschalteten, den Laserstrahl kollimierenden Element.

Die Divergenz eines Laserstrahls beschreibt den Öffnungs­ winkel, mit dem das Laserlicht die Laseranordnung ver­ läßt und stellt einen für den Betrieb von Lasern wichtigen Parameter dar. Insbesondere der Einsatz von niederdivergenten Laserstrahlen, die einen möglichst parallelen Strahlungsverlauf aufweisen, um die transversale Energiedissipation so gering wie nur möglich zu halten und auf diese Weise eine möglichst hohe Strahlungsintensität auch in großen Abständen zur Laseranordnung zu erhalten, findet im Bereich der Werk­ stoffbearbeitung große Anwendung.

Bekannte Anordnungen zur Verminderung der Divergenz der Laserstrahlen bestehen typischerweise aus einer Zerstreuungslinse und einem nachgeschalteten Kollimator, der in üblicher Weise eine Sammellinse ist. Diese optische Anordnungen finden sich auch in Te­ leskopoptiken wieder und sind auch von dieser An­ wendungsseite her als bekannt vorauszusetzen.

Zur Manipulation kollimierter Laserstrahlen dient meist ein motorisch angetriebener Ablenkspiegel, der den Laserstrahl in vorgegebener Wegführung, bei­ spielsweise auf die zu bearbeitenden Oberflächen führt.

Durch die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten derartiger Bearbeitungslaservorrichtungen spielt ferner die Größe und der Verkaufspreis eine zunehmend wichtige Rolle. So liegt es insbesondere im Interesse des Verbrauchers, Bearbeitungslaser einzusetzen, die einen möglichst geringen Wartungsaufwand bedürfen. So stellt jedes einzelne, den optischen Strahlengang des Lasers beein­ flussende Element zwar einen Justierfreiheitsgrad dar, der eine individuelle Anpassung der Strahlungsverhält­ nisse an die unterschiedlichen Lichtapplikationserfor­ dernisse ermöglicht, doch unterliegt jede einzelne Komponente auf der anderen Seite der Gefahr der De­ justierung und stellt im Rahmen der Wartungsarbeiten einen zusätzlichen Wartungsaufwand dar.

Bei den bekannten Vorrichtungen benötigt der zusätzlich zum Laser für die Einschränkung der Divergenz notwen­ dige optische Aufbau einen nicht unbeträchtlichen Platzbedarf, so daß derartige Vorrichtungen oftmals unhandlich und voluminös ausfallen.

Aus der DE 37 29 053 A1 ist ein Hochleistungs- Bandleiterlaser mit einer gattungsgemäßen Vorrichtung bekannt, der gemäß Fig. 1 eine Anordnung zeigt, bestehend aus einem den Laserstrahl aufweitenden Element sowie einem Kollimator 110. Die getrennte Anordnung der beiden optischen Elemente setzt nicht nur einen nicht unerheblichen Justieraufwand voraus, sondern trägt zudem durch die Einzelanfertigung an den hohen Herstellkosten der Gesamtanordnung bei.

Ferner ist in der DE 36 04 231 A1 ein optisch stabiler Resonator zur Erzeugung eines Laserstrahls beschrieben, der zur Verkürzung seiner Baulänge in einen Verstärker und in einen Modenfilterteil unterteilt ist. Im Ver­ stärkerteil ist zur Verbesserung der Strahlqualität ein konvergierendes und ein divergierendes optisches Element eingebracht, die jedoch durch ihre Ein­ zelstellung alle vorgenannten Nachteile besitzen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur niederdivergenten Laserstrahlerzeugung mit einem, den Laserstrahl divergent aufweitenden optischen Element und einem diesen im Strahlengang nachgeschalteten, den Laserstrahl kollimierenden Element, derart weiterzubilden, daß möglichst wenig einzelne optische Komponenten zur Divergenzeinschrän­ kung des Laserstrahls erforderlich sind und der gesamte Aufbau der Vorrichtung so platzsparend wie möglich ausgestaltet ist.

Es soll insbesondere für werkstoff­ bearbeitende Laser eine möglichst kompakte Anordnung bereitgestellt werden, die einen möglichst nieder­ divergenten Laserstrahl zu erzeugen vermag. Ferner sollen die Herstellungskosten gegenüber den bekannten Vorrichtung reduziert werden.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben. Zusätzliche, vorteilhafte Merkmale, die den Erfindungsge­ danken ergänzen, sind in den weiteren Ansprüchen enthalten.

Die Erfindung geht von der Idee aus, daß zumindest ein Teil der divergenzeinschränkenden Laseroptik mit dem Laserresonator derart verbunden ist, daß der Austrittsspiegel des Lasers mit dem, den Laserstrahl aufweitenden optischen Elementes in einem einzigen optischen Element integriert ist. Die Integration hat den Vorteil, daß der Laserstrahl zwei optische Flächen weniger zu durchlaufen hat, verglichen mit her­ kömmlichen Aufweitungsoptiken, bei denen eine extra Zerstreuungslinse vorhanden ist. Der Laserstrahl wird durch die zweite Fläche des erfindungsgemäßen Laseraus­ koppelspiegels entsprechend der Krümmung seiner Aus­ trittsfläche divergent aufgeweitet.

Auf die Austrittsdivergenz des Laserstrahls abge­ stimmt, trifft dieser im weiteren Verlauf des Strahlen­ gangs auf einen entsprechend optisch angepaßten Hohl­ spiegel, der in vorteilhafter Weise motorisch schwenk­ bar gelagert ist, so daß der Austrittsstrahl in kontrollierter Weise abgelenkbar ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Aus­ führungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigt:

Fig. 1 Prinzipskizze der erfindungsgemäßen An­ ordnung.

In Fig. 1 ist ein Laserresonator dargestellt, der aus einem Laserspiegel 1, einem laseraktiven Medium und einer optischen Oberfläche 30 besteht, die ein Re­ flexionsvermögen eines Laserresonatorauskoppelspiegels aufweist. Das optische Element 3, das auf seiner, dem Laserresonator zugewandten Seite 30 entsprechend den Anforderungen eines Laserresonatoraustrittsspiegels ausgebildet ist, weist auf seiner gegenüberliegenden Seite 31 eine den austretenden Laserstrahl aufweitende brechende Fläche 31 auf. Das optische Element 3 ver­ körpert daher zum einen den Laserresonatorauskoppel­ spiegel und zum anderen den Strahlengang aufweitenden Teil einer Kollimatoroptik. Durch diese Zusammenführung sind die optisch wirksamen Oberflächen auf ein Minimum beschränkt, so daß zum einen, durch Oberflächeneffekte bewirkte Verluste im Strahlengang erheblich reduziert werden können und zum anderen der bauliche Aufwand einer auf Präzision ausgelegten optischen Anordnung deutlich eingeschränkt werden kann, was sich letztlich günstig auf die Herstellungskosten auswirkt. Somit kann beispielsweise auf das Einbringen, Justieren und Warten einer einzelnen, entsprechend zu vergütenden Zer­ streuungslinse verzichtet werden.

Im Strahlengang gemäß Fig. 1 ist dem erfindungsgemäßen Element ein Hohlspiegel 4 nachgeordnet, der um wenigstens eine Achse schwenkbar ist, so daß der aus der Anordnung aus tretende Laserstrahl in kontrollierter Weise geführt werden kann.

Durch die Verwendung eines Hohlspiegels, der zum einen die Funktion einer Sammellinse und zum anderen die Funktion eines Ablenkspiegels besitzt, ist ebenfalls im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen die Anzahl brechender Flächen reduziert.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung in Verbindung mit dem besonders vorteilhaften Hohlspiegel ist es möglich, eine Teleskopanordnung derart kompakt auszugestalten, daß die optisch wirksamen Elemente auf ein Minimum reduziert werden. Die hierdurch erzielten Einsparungs­ möglichkeiten in der Produktion und der Wegfall umständ­ licher Wartungsarbeiten steigert die wirtschaftliche Attraktivität und technische Einsetzbarkeit der kompakt ausgeführten Laseranordnung.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur niederdivergenten Laserstrahlerzeu­ gung mit einem, den Laserstrahl divergent aufweitenden optischen Element und einem diesen- im Strahlengang nachgeschalteten, den Laserstrahl kollimierenden Element, dadurch gekennzeichnet, daß das den Laserstrahl auf­ weitende optische Element und der Auskoppelspiegel des Laserresonators in einem einzigen optischen Element integriert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den Laserstrahl kollimierende Element ein Hohlspiegel ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Laserstrahl kollimierende Element den Laserstrahl um 90° zur ur­ sprünglichen Laserstrahlachse umlenkt.

4. Vorrichtung nach nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das den Laserstrahl kollimierende Element motorisch schwenkbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das den Laserstrahl auf­ weitende optische Element auf seiner dem Laserresonator zugewandten Seite eine optisch wirksame Fläche auf­ weist, die den optischen Eigenschaften eines Laserresonator-Auskoppelspiegels entspricht und die dem Laserresonator abgewandte Fläche derart konkav ausge­ bildet ist, daß sie die Divergenz des Laserstrahls vergrößert.