DE4428194C2 - Lasersystem mit einer kompensierten Spiegeloptik - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lasersystem mit einer kom­ pensierten Spiegeloptik.

Spiegel, die sich innerhalb eines Lasersystems befinden, wer­ den insbesondere bei Hochleistungslasern aufgrund der hohen Leistungsdichte im Laserstrahl thermisch hoch belastet. In der Regel ist daher eine Kühlung der Spiegel notwendig. Im Spiegel entstehen somit Temperaturgradienten, die zu einer unerwünschten thermischen Verbiegung des Spiegels führen. Insbesondere gilt dies für die Resonatorspiegel von Hochlei­ stungslasern, da einerseits die Belastung dieser Spiegel auf­ grund des Resonator-Transmissionsgrades, der typisch zwischen 10 und 50% beträgt, bei vorgegebener Laserleistung wesent­ lich höher ist als bei den außerhalb des Resonators angeord­ neten Spiegeln. Zum anderen ist die zulässige Verformung der Resonatorspiegel um Größenordnungen kleiner als bei Spiegeln, die im Strahlengang außerhalb des Resonators liegen.

Lasersysteme mit sogenannten adaptiven Optiken zur Kompensa­ tion der thermischen Verformung der optischen Komponenten sind beispielsweise aus den deutschen Offenlegungsschriften 39 00 467, 42 12 779 und 42 36 355 bekannt. Bei dem in der DE 39 00 467 A1 offenbarten Laserspiegelkopf ist auf der Rück­ seite eines Spiegels ein Hohlraum vorgesehen, der mit Druck beaufschlagt werden kann, so daß sich die Geometrie des Spie­ gels ändert. Bei der aus der DE 42 36 355 A1 bekannten Lösung wird ein Membranspiegel mit einem Piezoelement als Aktuator verstellt. In der DE 42 12 779 A1 sind im Resonator eines Festkörperlasers Flüssigkristallzellen angeordnet, deren op­ tische Abbildungseigenschaften elektrisch gesteuert werden können. Die bekannten Einrichtungen sind jedoch technisch aufwendig und kostenintensiv.

Bei ebenen diffusionsgekühlten Bandleiter-CO₂-Lasern, wie sie beispielsweise aus der US 4,719,639 bekannt sind, wirkt sich die große Ausdehnung der Resonatorspiegel, die sich über die gesamte Breite der Elektroden erstrecken, zusätzlich un­ günstig auf ihre thermisch verursachte Verbiegung aus. Die Resonatorgeometrie wird gestört und es kommt zu Veränderungen des Strahlprofils und der Strahllage. Bei bekannten Bandlei­ terlasern werden deshalb ausschließlich Spiegel eingesetzt, bei denen die Wärmeeinbringung durch möglichst hochreflektie­ rende Beschichtungen minimiert wird. Die Herstellung solcher Schichten ist jedoch in der Regel aufwendig. Außerdem verlie­ ren sie im Betrieb durch unvermeidliche Verschmutzung ihre günstigen Reflexionseigenschaften.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Lasersystem anzugeben, bei dem die vorstehend genannten Nachteile vermie­ den sind.

Die genannte Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Pa­ tentanspruches 1. Ein Lasersystem mit einer kompensierten Spiegeloptik gemäß der Erfindung enthält wenigstens einen Spiegel, der mit einer gesteuerten Wärmequelle zur thermischen Kompensa­ tion einer durch den Laserstrahl hervorgerufenen Verformung der im Strahlengang des Lasersystems angeordneten optischen Elemente versehen ist. Durch die Anbringung einer möglichst trägheitsarmen Wärmequelle auf wenigstens einem der im Strah­ lengang des Lasersystems angeordneten Spiegel, insbesondere ein Resonatorspiegel, ist es möglich, die durch die Laser­ strahlung verursachte Verbiegung der Spiegel zu kompensieren.

Gegenüber den im Stand der Technik bekannten adaptiven Opti­ ken, bei denen eine solche Kompensation der Verbiegung durch eine Piezo-Verstellung oder durch einen regulierbaren Flüs­ sigkeits- oder Gasdruck vorgenommen wird, ist der gemäß der Erfindung thermisch kompensierte Spiegel einfacher und preis­ günstiger aufzubauen. Darüber hinaus ist sein Einsatz im HF-Bereich unproblematisch.

Die Erfindung ist insbesondere zur Anwendung bei den metalli­ schen Resonatorspiegeln von koaxialen oder ebenen Bandleiter­ lasern geeignet. Außerdem können auch die im resonatorexter­ nen Strahlengang von Hochleistungslasern angeordneten Spiegel mit Einrichtungen zur thermischen Kompensation versehen wer­ den.

Es hat sich außerdem herausgestellt, daß in vielen Anwen­ dungsfällen die thermische Kompensation eines einzigen Reso­ natorspiegels genügt, um die durch den Laserstrahl induzierte thermische Verformung aller im Strahlengang angeordneter Spiegel zu kompensieren.

Insbesondere ist die Wärmequelle auf der Rückseite des Spie­ gels angeordnet und in ihrer geometrischen Form an die vom Laserstrahl bestrahlte Fläche des Spiegels angepaßt.

Vorzugsweise sind zur thermischen Kompensation Mittel vorge­ sehen, die einen vorgegebenen Anteil des erzeugten Laserlich­ tes auf eine an der Rückseite des Spiegels angeordnete absor­ bierende Schicht lenken.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist als Wärmequelle zur thermischen Kompensation wenigstens ein auf der Rückseite oder auf der Vorderseite des Spiegels angeordnetes resistives Heizelement vorgesehen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind Mittel vorgesehen, mit denen ein Teil einer zur Anregung des Hochleistungslasers verwendeten Hochfrequenzleistung ausge­ koppelt und zur elektrischen Versorgung des Heizelementes verwendet wird.

In einer weitern vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Heizelement an eine abhängig von der Laserleistung steuerbare Spannungsquelle angeschlossen.

Die Erfindung findet ihre bevorzugte Anwendung bei den total­ reflektierenden metallischen Resonatorspiegeln von Hochlei­ stungslasern, insbesondere Bandleiterlasern, sowie bei den Um­ lenkspiegeln des externen Strahlengangs von Hochleistungsla­ sern.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausfüh­ rungsbeispiele der Zeichnung verwiesen, in deren

Fig. 1 und 2 ein Teil des Resonators eines Hochleistungs- Bandleiterlasers gemäß der Erfindung in einer Seitenansicht bzw. einer Draufsicht schema­ tisch dargestellt ist. In

Fig. 3 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung in einer Seitenansicht veran­ schaulicht,

Fig. 4 und 5 zeigen jeweils einen Resonator eines Bandlei­ terlasers mit einem thermisch kompensierten Resonatorspiegel in einer Draufsicht. In

Fig. 6 und 7 sind jeweils weitere vorteilhafte Ausgestal­ tungen von Bandleiterlasern mit thermisch kompensierten Resonatorspiegeln dargestellt.

Gemäß Fig. 1 enthält ein Hochleistungs-Bandleiterlaser zwei voneinander beabstandete plattenförmige Elektroden 2, an de­ ren Stirnseiten jeweils ein Resonatorspiegel 4 angeordnet ist, der in einer Ebene senkrecht zu den Flachseiten der Elektroden 2 eine konkav gekrümmte Spiegelfläche 4a hat. Das aus der Stirnfläche des durch die Elektroden 2 gebildeten Bandleiters austretende Laserlicht trifft in einer Zone 5 auf die Spiegelfläche 4a auf und bewirkt dort einen lokalen Wär­ meeintrag. Im Resonatorspiegel 4 sind Kanäle 6 zum Hin­ durchleiten von Kühlwasser angeordnet. Auf der Rückseite 4b des Resonatorspiegels 4 ist im Ausführungsbeispiel der Figur eine Wärmequelle 8, insbesondere ein resistives Heizelement, angeordnet. Vorzugsweise ist ein Mantelheizleiter vorgesehen, mit dem ein besonders guter thermischer Kontakt zum Resona­ torspiegel 4 hergestellt werden kann. Der Mantelheizleiter kann beispielsweise an der Rückseite 4b des Resonatorspiegels 4 angelötet oder in eine dort befindliche Nut eingelegt und in dieser Nut verstemmt sein. Dadurch wird der Wärmeübergang erhöht und die thermische Trägheit der Kompensation verrin­ gert.

Die Wärmeeinbringung auf der Rückseite 4b des Resonatorspie­ gels 4 erfolgt vorzugsweise in einem Bereich, der in seiner geometrischen Form dem auf den Resonatorspiegel auftreffenden Strahlprofil entspricht und gegenüber der Zone 5 angeordnet ist. Im Falle eines ebenen Bandleiterlasers ist dies, wie es in Fig. 2 zu erkennen ist, eine sich parallel zur Stirnseite der Elektroden 2 erstreckende lineare Wärmequelle 8, die durch einen einzigen Mantelheizleiter realisiert werden kann. Bei einem koaxialen Bandleiterlaser ist in analoger Weise ei­ ne ringförmige Wärmequelle, beispielsweise ein zu einem Ring geformter Mantelheizleiter vorgesehen.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 3 enthält ein Resonatorspie­ gel 40 an seiner den Elektroden 2 zugewandten Vorderseite 40a zwei Wärmequellen 8, die oberhalb und unterhalb der vom La­ serlicht beaufschlagten Zone 5 angeordnet sind. Bei den Wär­ mequellen 8 handelt es sich beispielsweise um zwei in Nuten eingestemmte Mantelheizleiter, die sich parallel zur Längs­ kante der von den Elektroden 2 gebildeten Austrittsfläche für das Laserlicht erstrecken. In dieser Ausführungsform wird die den Wärmequellen 8 zugeführten Leistung so gesteuert, daß die Summe der dem Resonatorspiegel 40 durch das Laserlicht und die Wärmequellen 8 zugeführten Leistung konstant gehalten wird. Der Resonatorspiegel 40 wird damit auch bei ausgeschal­ teten Laser thermisch vorgespannt. Durch entsprechende Redu­ zierung der elektrisch zugeführten Leistung kann dann die zu­ sätzlich durch das Laserlicht eingebrachte Wärmeleistung kom­ pensiert werden, so daß die Spannungen im Resonatorspiegel 40 konstant bleiben.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 wird ein Teil 10 der im Resonator erzeugten Strahlung ausgekoppelt und zur Beheizung der Rückseite 41b eines konvex gekrümmten Resonatorspiegels 41 verwendet. Bei dem dargestellten Resonator handelt es sich um einen instabilen Resonator des positiven Zweigs, bei dem ein Laserstrahl 12 am Rand des Resonatorspiegels 41 austritt. An der dem Austrittsfenster für den Laserstrahl 12 gegenüber­ liegenden Seite erstreckt sich der Resonatorspiegel 41; eben­ falls nicht bis zum Rand der plattenförmigen Elektroden 2, so daß dort ebenfalls ein Teil 10 des innerhalb des Resonators erzeugten Laserlichtes austritt. Der austretende Teil 10 wird durch einen Umlenkspiegel 14 auf eine an der Rückseite 41b des Resonatorspiegels 41 angeordnete absorbierende Schicht geführt.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 zeigt einen Resonator des negativen Zweigs, bei dem ebenfalls ein Teil 10 der im Reso­ nator erzeugten Strahlung zur Beheizung der Rückseite 42b ei­ nes konkav gekrümmten Resonatorspiegels 42 verwendet wird.

Gemäß Fig. 6 erfolgt die Heizung des an der Rückseite des Re­ sonatorspiegels 4 angebrachten resistiven Heizelementes 8 durch eine externe Gleich- oder Wechselspannungsquelle 20, insbesondere ein Transduktor oder Magnetverstärker. Zur Ver­ sorgung der Elektroden 2 ist ein Hochfrequenzgenerator 22 vorgesehen, dessen Leistungsabgabe von einer Steuereinrich­ tung 24 gesteuert wird. Diese Steuereinrichtung 24 steuert außerdem entsprechend dieser Leistungsabgabe, beispielsweise über ein mit der Laserleistung korreliertes, vorzugsweise ge­ siebtes Gleichspannungssignal die Spannungsquelle 20 und die Heizleistung des Heizelementes 8.

Als Wechselspannungsquelle 20 kann auch eine bereits vorhan­ dene Netzwechselspannung verwendet werden, die durch eine an sich bekannte Phasenanschnittsteuerung in Abhängigkeit von der Laserleistung angeschnitten wird und über einen Transfor­ mator dem Heizelement zugeführt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zur Span­ nungsversorgung des Heizelementes 8 eine durch Gleichrichtung der Netzwechselspannung erzeugte und mit dem Gittertaktsignal einer die Hochfrequenz erzeugenden Röhre modulierte Gleich­ spannung vorgesehen. Diese modulierte Gleichspannung ist dann automatisch proportional zur Laserleistung und kann ge­ gebenenfalls über eine Transformator an das Heizelement ange­ legt werden. Insbesondere ist vor der Modulation eine Stabili­ sierung der durch Netzgleichrichtung erzeugten Spannung vorge­ sehen, um die dem Heizelement zugeführte Heizleistung unab­ hängig von zufälligen Netzschwankungen zu machen.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 wird die den Elektroden 2 vom Hochfrequenzgenerator 22 zugeführte Hochfrequenzleistung zur Versorgung des Heizelementes 8 benutzt. Hierzu ist das Heizelement über einen Hochfrequenzspannungsteiler 28 zwi­ schen die Elektroden 2 geschaltet. Auf diese Weise wird ein Teil der zur Anregung des Lasers verwendeten HF-Leistung aus­ gekoppelt und zur Beheizung des Resonatorspiegels 4 verwen­ det. Dadurch ist die Heizleistung automatisch proportional zur Laserleistung und damit proportional zu der am Spiegel reflektierten Leistung.

Claims (8)

1. Lasersystem mit einer kompensierten Spiegeloptik, die we­ nigstens einen Spiegel (4; 40, 41, 42) enthält, der mit einer gesteuerten Wärmequelle (8; 14, 16) zur thermischen Kompensation einer durch den Laserstrahl hervorgerufenen Verformung der im Strahlengang des Lasersystems angeordneten optischen Elemente versehen ist.

2. Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß we­ nigstens ein Resonatorspiegel (4; 40; 41, 42) mit einer gesteuerten Wärmequelle (8; 14, 16) zur thermischen Kompensation versehen ist.

3. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mit­ tel (14) vorgesehen sind, die einen vorgegebenen Anteil des erzeugten Laserlichtes auf eine an der Rückseite (41b, 42b) des Spiegels (41 bzw. 42) angeordnete absorbierende Schicht (16) lenken.

4. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle zur thermischen Kompensation wenigstens ein resi­ stives Heizelement (8) vorgesehen ist.

5. Lasersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (8) auf der Rückseite eines Spiegels (4) angeord­ net ist.

6. Lasersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß das Heizelement (8) auf der Vorderseite eines Spiegels (40) ange­ ordnet ist.

7. Lasersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mit­ tel (28) vorgesehen sind, mit denen ein Teil einer zur Anre­ gung des Hochleistungslasers verwendeten Hochfrequenzleistung ausgekoppelt und zur elektrischen Versorgung des Heizelemen­ tes (8) verwendet wird.

8. Lasersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (8) an eine abhängig von der Laserleistung steu­ erbare Spannungsquelle (20) angeschlossen ist.