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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.
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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.
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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.
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Die oben beschriebene konventionelle Anordnung weist
folgende Nachteile auf.
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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.
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Die Aufgabe dieser Erfindung ist dementsprechend, die
obigen Nachteile konventioneller Laseroszillatoren zu
beseitigen.
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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.
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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.
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Dieser oder diese Umlenkspiegel dienen als
Phasenverzögerer mit einer gesamten Verzögerung um π/2, so daß der
resultierende Strahl eine zirkulare Polarisation aufweist.
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Fig. 1 zeigt schematisch eine Anordnung eines
Laseroszillators gemäß einer ersten Ausführungsform der
gegenwärtigen Erfindung;
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Fig. 2 zeigt den in der ersten Ausführungsform benutzten
Endspiegel schematisch in einer perspektivischen
Ansicht;
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Fig. 3 zeigt einen Endspiegel in Form eines optischen
Gitters mit tiefen Furchen im Querschnitt;
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Fig. 4 zeigt einen Endspiegel in Form eines optischen
Gitters mit Furchen geringer Tiefe im Querschnitt;
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Fig. 5 zeigt einen mit einem Diamant bestückten
Drehwerkzeug geschnittenen Einkristall-Kupferspiegel in
vergrößerter perspektivischer Ansicht;
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Fig. 6 zeigt einen mit einem Diamant bestückten
Drehwerkzeug geschnittenen polykristallinen Kupferspiegel
in einer vergrößerten perspektivischen Ansicht;
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Fig. 7 zeigt schematisch eine Anordnung eines
Laseroszillators gemäß einer zweiten Ausführungsform der
gegenwärtigen Erfindung;
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Fig. 8 zeigt schematisch eine Anordnung eines
Laseroszillators gemäß einer dritten Ausführungsform der
gegenwärtigen Erfindung; und
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Fig. 9 zeigt schematisch einen konventionellen
Laseroszillator mit einer Anordnung zur Erzeugung eines
zirkular polarisierten Strahles.
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Die beste Realisierung der Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die
Zeichnungen detailliert beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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Rv = tan²[θ - ]/tan²[θ - ]
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Rp = sin²[θ - ]/sin²[θ - ]
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wobei θ = 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
= π/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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 π/2 nur durch einen einzigen
Umlenkspiegel 11 erreicht wird.
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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 π/2 bewirken. Das
zugrunde
liegende Funktionsprinzip dieser Ausführungsform
ist ähnlich dem der ersten und zweiten Ausführungsform.
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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.