DE68906104T2 - Laser-oscillator. - Google Patents

Laser-oscillator.

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DE68906104T2 DE1989606104 DE68906104T DE68906104T2 DE 68906104 T2 DE68906104 T2 DE 68906104T2 DE 1989606104 DE1989606104 DE 1989606104 DE 68906104 T DE68906104 T DE 68906104T DE 68906104 T2 DE68906104 T2 DE 68906104T2
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Description

  • Die gegenwärtige Erfindung betrifft einen Hochleistungs-Laser-Oszillator für den Einsatz von Laserschneidmaschinen zum Schneiden von Metallen oder Nichtmetallen. Speziell betrifft die Erfindung Laseroszillatoren, die zirkular polarisierte Laserstrahlen erzeugen.
  • Nach dem Stand der Technik ist bekannt, zum Schneiden einen zirkular polarisierten Laserstrahl vorzuziehen. Um den zirkular polarisierten Laserstrahl zu erhalten, wird üblicherweise ein vom Laseroszillator direkt erzeugter linear polarisierter Strahl mit einer externen Optik in einen zirkular polarisierten Strahl umgewandelt.
  • Eine solche konventionelle Anordnung ist in Fig. 9 gezeigt, wobei nur die optischen Bauteile dargestellt sind und üblicherweise bekannte Laseranregungskomponenten, wie etwa die Entladungsröhre, fortgelassen worden sind. Die Anordnung nach Fig. 9 weist einen Endspiegel 1, Umlenkspiegel 2 und 3 und einen Auskoppelspiegel 4 auf, die zusammen den Laserresonator bilden. Ein Laserstrahl 9 zeigt hinter dem Resonator eine lineare Polarisation mit einem elektrischen Vektor in einer Richtung senkrecht zu einer durch die drei optischen Achsen 7a, 7b und 7c gebildeten Ebene. In Fig. 9 ist diese Ebene um π/4 gegen die optische Achse 7a gedreht. Der Strahl 9 hat hinter dem Resonator eine lineare Polarisation mit einer Polarisationsrichtung, die um π/4 gegen eine horizontale Ebene gedreht ist. Dieser Strahl 9 wird von Phasenverzögerern 5 und 6 reflektiert, wobei der Strahl 9 eine zirkulare Polarisation erhält.
  • Die oben beschriebene konventionelle Anordnung weist folgende Nachteile auf.
  • Erstens ist eine große Anzahl optischer Elemente erforderlich, was den Aufwand erhöht, zweitens ist das System räumlich ausgedehnt und kompliziert und schließlich muß die Anordnung des externen optischen Systems genau so präzise wie die des Laserresonators erfolgen. Anderenfalls wird die Richtungsstabilität des Laserstrahls verringert und die Schneidcharakteristik wird entsprechend verschlechtert.
  • Die Aufgabe dieser Erfindung ist dementsprechend, die obigen Nachteile konventioneller Laseroszillatoren zu beseitigen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Laser-Oszillator gelöst, der einen Auskoppelspiegel; mindestens einen Umlenkspiegel, der insgesamt als Phasenverzögerer mit einer Phasenverzögerung um π/2 bezüglich einer parallelen und einer senkrechten Polarisationskomponente des Laserstrahls wirkt; und einen Endspiegel mit maximaler Reflektivität bezüglich einer Komponente der linearen Polarisation des Laserstrahls aufweist, wobei diese Komponente der linearen Polarisation einen E-Vektor aufweist, dessen Richtung (10a, 10b) um π/4 gegen die Einfallsebene des nächsten Umlenkspiegels gedreht ist.
  • Der Endspiegel gewährleistet maximale Reflektivität für die oben erwähnte Komponente der linearen Polarisation, so daß die lineare Polarisation im optischen Weg zwischen dem Endspiegel und dem nächsten Umlenkspiegel erhalten wird.
  • Dieser oder diese Umlenkspiegel dienen als Phasenverzögerer mit einer gesamten Verzögerung um π/2, so daß der resultierende Strahl eine zirkulare Polarisation aufweist.
  • Fig. 1 zeigt schematisch eine Anordnung eines Laseroszillators gemäß einer ersten Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung;
  • Fig. 2 zeigt den in der ersten Ausführungsform benutzten Endspiegel schematisch in einer perspektivischen Ansicht;
  • Fig. 3 zeigt einen Endspiegel in Form eines optischen Gitters mit tiefen Furchen im Querschnitt;
  • Fig. 4 zeigt einen Endspiegel in Form eines optischen Gitters mit Furchen geringer Tiefe im Querschnitt;
  • Fig. 5 zeigt einen mit einem Diamant bestückten Drehwerkzeug geschnittenen Einkristall-Kupferspiegel in vergrößerter perspektivischer Ansicht;
  • Fig. 6 zeigt einen mit einem Diamant bestückten Drehwerkzeug geschnittenen polykristallinen Kupferspiegel in einer vergrößerten perspektivischen Ansicht;
  • Fig. 7 zeigt schematisch eine Anordnung eines Laseroszillators gemäß einer zweiten Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung;
  • Fig. 8 zeigt schematisch eine Anordnung eines Laseroszillators gemäß einer dritten Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung; und
  • Fig. 9 zeigt schematisch einen konventionellen Laseroszillator mit einer Anordnung zur Erzeugung eines zirkular polarisierten Strahles.
  • Die beste Realisierung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen detailliert beschrieben.
  • Fig. 1 zeigt schematisch eine Anordnung eines Laserresonators gemäß einer ersten Ausführungsfo= der gegenwärtigen Erfindung, die einen Endspiegel 10, Umlenkspiegel 11 und 12 und einen Auskoppelspiegel 4 enthält. Die Komponenten zum Pumpen des Lasers wie ein Entladungsrohr, die zusammen mit dem Laserresonator den Laseroszillator bilden, sind zur Vereinfachung nicht in Fig. 1 dargestellt.
  • Als ein Merkmal dieser Anordnung weist der Endspiegel 10 maximale Reflektivität für einen linear polarisierten Strahl auf, dessen E-Vektor die durch den Pfeil 10a angezeigte Richtung aufweist. Eine detaillierte Beschreibung folgt weiter unten. Ein weiteres Merkmal dieser Anordnung liegt darin, daß die beiden Umlenkspiegel 11 und 12 zusammen als Phasenverzögerer mit einer Phasenverzögerung um π/2 wirken. Dabei kann der Betrag der Phasenverzögerung eines einzelnen Umlenkspiegels beliebig gewählt werden, die gesamte Phasenverzögerung beider Umlenkspiegel 11 und 12 ist π/2. Solch ein umlenkender Verzögerer ist auf dem Markt erhältlich.
  • In der gezeigten Anordnung weist der Laserstrahl im Bereich um die optische Achse 7a eine lineare Polarisation auf, deren E-Vektor-Richtung durch die Pfeile 10a und 10b angezeigt wird. Diese Richtung ist gegenüber einer durch die optischen Achsen 7a, 7b und 7c definierten Ebene um π/4 gedreht. In einem Bereich um die optische Achse 7c zeigt der Laserstrahl eine zirkulare Polarisation. So gesehen erfolgt die Laserstrahl-Oszillation innerhalb des Resonators in gemischten Polarisationszuständen, d.h. die Polarisation des Laserstrahls hängt vom Ort entlang des optischen Weges ab. Im Bereich der optischen Achse 7a zeigt sich selektiv eine lineare Polarisation, da die Reflexionsverluste des Endspiegels 10 für diese Polarisation niedrig sind, wogegen sich im Bereich um die Achse 7c eine zirkulare Polarisation zeigt, da der linear polarisierte Strahl durch die als Phasenverzögerer wirkenden Umlenkspiegel 11 und 12 in einen zirkular polarisierten Strahl umgewandelt wird.
  • Der zu verwendende Auskoppelspiegel 4 sollte keine Richtungsabhängigkeit der Reflektivität aufweisen. Ein solcher Spiegel ist erhältlich, da die meisten Auskoppelspiegel keine Richtungsabhängigkeit aufweisen. Entsprechend hat der aus dem Resonator ausgekoppelte Laserstrahl 13 eine zirkulare Polarisation.
  • Wäre die Reflektivität des Auskoppelspiegels 10 nicht richtungsabhängig, so würde die Oszillation in irgendeiner beliebigen Polarisation auftreten, da die Verluste der Oszillation für alle Polarisationen gleich wäre, so daß der Laserstrahl eine zufällige Polarisation hätte. Daher muß ein Endspiegel 10 verwendet werden, der in der durch den Pfeil 10a angezeigten Polarisationsrichtung eine höhere Reflektivität aufweist.
  • Nun folgt eine Beschreibung der Struktur des Endspiegels 10, der eine selektive Polarisationsrichtung hat. Fig. 2 ist eine schematische Ansicht des Endspiegels 10, in der Furchen an der Oberfläche des Spiegels 10 vergrößert dargestellt sind; die tatsächliche Abmessung jeder Furche ist kleiner als 10 um wie später beschrieben wird. In der Figur kennzeichnet der Pfeil 10a die bevorzugte Polarisationsrichtung.
  • Nun wird die Funktion der Furchen des Endspiegels 10 beschrieben. Fig. 3 ist eine vertikale Querschnittsansicht des Endspiegels 10, in der die mit 7a bezeichnete Linie eine optische Achse der im Resonator stehenden Welle kennzeichnet. Die Oberfläche des Endspiegels weist Furchen auf, so daß das auf die einhüllende ebene Oberfläche senkrecht auftreffende Licht schräg auf die Furchenflächen auftrifft. Wenn für die einfallende Wellenlänge die Eindringtiefe d hinreichend klein gegenüber der Furchentiefe D ist, erfolgt eine Reflexion des Laserstrahls aufgrund der Oszillation von innerhalb der Eindringtiefe vorhandenen freien Elektronen. Daher sind bekannterweise die Reflektivitäten bezüglich vertikaler und paralleler Polarisation (die durch einen vertikal und parallel zur Einfallsebene liegenden E-Vektor definiert sind) verschieden. Es gilt:
  • Rv = tan²[θ - ]/tan²[θ - ]
  • Rp = sin²[θ - ]/sin²[θ - ]
  • wobei &theta; = sin&supmin;¹ ( sin ), ein komplexer Brechungsindex und ein Auftreffwinkel sind. Die Werte von Rv und hängen von und ab. In Metallen wie etwa Kupfer, die eine hohe Reflektivität aufweisen, ist der Wert von Rp normalerweise um 1 bis 2% größer als der Wert von Rv für = &pi;/4. Wenn die parallele Polarisationskomponente weniger Verluste erfährt als die vertikale Polarisationskomponente, so wird die Laser-Mode auf die parallele Polarisation eingeschränkt. Die bisherige Beschreibung bezieht sich auf den Fall d < D.
  • Als nächstes wird der Fall d > D anhand von Fig. 4 beschrieben, in der 10 einen Endspiegel kennzeichnet und die Linie 7a die optische Achse der im Resonator stehenden Welle kennzeichnet. Auch hier stellt d die Eindringtiefe und D die Furchentiefe dar. In diesem Fall tritt die Oszillation von freien Elektronen im schraffierten Bereich der Oberflächentiefe d auf. Daher hat die wellenförmige Oberflächenstruktur des Spiegels keinen Einfluß auf die Oszillation der meisten freien Elektronen, weshalb die Werte von Rv und Rp einander gleich sind und als Resultat die Furchentiefe D als untere Grenze D > d hat. Also muß die Tiefe des wellenförinigen Musters auf der Oberfläche jedes optischen Bauteils, wie etwa der interne Umlenkspiegel, gleich oder größer als die Eindringtiefe sein. Zum Beispiel beträgt für einen CO&sub2;-Laser mit der Wellenlänge 10,6 um, der senkrecht auf einen von einem diamantbestückten Drehwerkzeug hergestellten Kupferspiegel auftrifft, die Eindringtiefe d 6,2 nm (62Å). Die Oberfläche eines solchen Kupferspiegels ist wie in Fign. 5 und 6 gezeigt wellenförmig und daher von den oben gemachten Einschränkungen betroffen. Fig. 5 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Oberfläche eines mit einem diamantbesetzten Drehwerkzeug hergestellten Spiegels aus einem Kupfer-Einkristall. Fig. 6 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Oberfläche eines mit einem diamantbesetzten Drehwerkzeugs herstellten Spiegels aus polykristallinem Kupfer. In den Fign. 5 und 6 ist als einheitliche Dimensionierung der X- und Y-Achse um und für die Z-Achse nm gewählt. Die maximale Tiefe beträgt in Fig. 5 etwa 39,8 nm und 61,4 nm in Fig. 6. Für die gegenwärtige Erfindung ist die Benutzung eines Kupfer-Einkristall-Spiegels wie in Fig. 5 gezeigt vorzuziehen, da die Furchen regelmäßig angeordnet sind.
  • Nun wird die Obergrenze der Furchentiefe D diskutiert. Wenn die Furchentiefe D vom oben erwähnten Wert zunimmt und einen vorbestimmten Wert erreicht, wirkt die Spiegeloberfläche als Beugungsgitter. Das reflektierte Licht wird in diesem Fall nicht nur in die nullte Ordnung, sondern auch in höhere Ordnungen gebeugt. Das ist in der gegenwärtigen Erfindung unerwünscht, da ein wesentlicher Anteil der Ref lektivität verloren geht und die Ausgangsleistung reduziert wird.
  • Wenn die Furchentiefe weiter erhöht wird, oszilliert der Laserstrahl nur dann mit einer hohen Effizienz, wenn jede Furche wie in Fig. 3 gezeigt präzise als Dachprisma wirkt. In diesem Fall kann eine lineare Polarisation erhalten werden und ein Umlenkspiegel kann entsprechend dieser Erfindung benutzt werden. Allerdings treten die folgenden Nachteile auf.
  • Erstens ist es extrem schwierig, eine solche Spiegeloberfläche mit präzise ausgerichteten Dachprismen herzustellen und der Aufwand für das Endprodukt ist hoch. Zweitens tragen die Bereiche der Spitzen und Täler des Wellenmusters nicht zur Oszillation bei und die Ausgangsleistung ist geringer. Folglich wird die beschriebene Spiegeloberfläche in der vorliegenden Erfindung nicht genutzt.
  • Zusammenfassend kann als geeignet angenommen werden, die Obergrenze für die Furchentiefe D gleich der Laserwellenlänge zu wählen. Es sollte erwähnt werden, daß die Wellenlänge des CO&sub2;-Lasers 10,6 um beträgt. In der vorliegenden Erfindung muß ein parallel eingraviertes Linienmuster auf der Spiegeloberfläche in einer Richtung gebildet werden, aber das Muster muß keine Dachprismenanordnung wie in Fig. 3 gezeigt sein.
  • Eine zweite Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung wird in bezug zu Fig. 7 beschrieben, die einen Endspiegel 10, einen Umlenkspiegel 11 und einen Auskoppelspiegel 4 zeigt. Der Ausgangsstrahl (zirkular polarisiert) ist mit 13 gekennzeichnet. In dieser zweiten Ausführungsform wird insbesondere nur ein Umlenkspiegel benutzt. Das Funktionsprinzip der zweiten Ausführungsform ist ähnlich der ersten Ausführungsform, mit dem Unterschied, daß im zweiten Fall die Phasenverzögerung von &pi;/2 nur durch einen einzigen Umlenkspiegel 11 erreicht wird.
  • Schließlich wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in bezug auf Fig. 8 beschrieben, die einen Endspiegel 10, Umlenkspiegel 111, 112, ... 11N, 121, 122,...12N sowie einen Auskoppelspiegel 4 zeigt. Diese dritte Ausführungsform weist einen mehrfach gefalteten Resonator mit einer Vielzahl von Umlenkspiegeln auf, die insgesamt eine Phasenverzögerung von &pi;/2 bewirken. Das zugrunde liegende Funktionsprinzip dieser Ausführungsform ist ähnlich dem der ersten und zweiten Ausführungsform.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Laseroszillator wie beschrieben derart angeordnet, daß der aus ihm austretende Laserstrahl eine zirkulare Polarisation aufweist und folglich ist es nicht notwendig, spezielle Teile vorzusehen, um den zirkular polarisierten Strahl zu erhalten. Entsprechend ergeben sich in einer Laser-Schneidmaschine zum Schneiden von Metall und Nichtmetallen zahlreiche Vorteile in bezug auf Aufwand, Struktur, Eigenschaften usw.

Claims (5)

1. Laser-Oszillator, der einen Auskoppelspiegel (4); mindestens einen Umlenkspiegel (11, 12), der insgesamt als Phasenverzögerer mit einer Phasenverzögerung um &pi;/2 bezüglich einer parallelen und einer senkrechten Polarisationskomponente des Laserstrahls wirkt; und einen Endspiegel (10) mit maximaler Reflektivität bezüglich einer Komponente der linearen Polarisation des Laserstrahls aufweist, wobei diese Komponente der linearen Polarisation einen E-Vektor aufweist, dessen Richtung (10a, 10b) um &pi;/4 gegen die Einfallsebene des nächsten Umlenkspiegels gedreht ist.
2. Laser-Oszillator nach Anspruch 1, wobei der Endspiegel als Reflexionsgitter mit in einer Richtung parallelen Furchen ausgebildet ist.
3. Laser-Oszillator nach Anspruch 2, worin die Furchen eine Tiefe im Bereich zwischen einer Wellenlänge des Laserstrahls und einer Eindringtiefe des Auskoppelspiegels oder eines Umlenkspiegels bei der Wellenlänge des Laserstrahls aufweisen.
4. Laser-Oszillator nach Anspruch 2, worin die Tiefe der Furchen im Bereich zwischen 6 nm (60 Å) und 10 um liegt.
5. Laser-Oszillator nach Anspruch 2, worin der Endspiegel eine mit einem diamantbestückten Drehwerkzeug gefertigte Oberfläche aufweist.
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