DE69724588T2

DE69724588T2 - Laserstrahltransportsystem für ein hochleistungsmehrfachwellenlängen-lasersystem

Info

Publication number: DE69724588T2
Application number: DE69724588T
Authority: DE
Inventors: Hartmuth Hecht; Mark Lange; James Hobart
Original assignee: Laser Industries Ltd
Current assignee: Laser Industries Ltd
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1997-02-06
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2017-02-07
Also published as: EP0879493B1; US6026112A; WO1997031410A2; DE69724588D1; WO1997031410A3; EP0879493A2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lasersysteme, und spezifischer auf ein Transportsystem für Hochleistungsmehrfachwellenlängen-Lasersysteme.
Hintergrund der Erfindung
Derzeit ist es bekannt einen an einem Lasersystem befestigten Gelenkarm zu verwenden, um den vom Lasersystem ausgehenden Ausgangsstrahl einem vorgesehenen, bestimmten Ziel zuzuleiten, vergleiche hierzu das US Patent 4,896,015, erteilt im Januar 1990, welches als nächstliegender Stand der Technik erachtet wird. Ein Gelenkarm besteht aus einer Serie von geraden Segmenten, welche durch drehbare Verbindungsmittel gegenseitig verbunden sind. Ein reflektierendes Element wie ein Spiegel oder ein Prisma ist derart an jedem Verbindungsmittel angeordnet, dass der Laserstrahl, welcher sich entlang jedes der Segmente ausbreitet, in Richtung des nächstfolgenden Segmentes umgeleitet wird. Der Strahl trifft unter einem Winkel von 45° auf die Oberfläche jedes Spiegels.
Kürzlich wurden Hochleistungsmehrfachwellenlängen-Lasersysteme entwickelt, wobei die üblicherweise verwendeten Gelenkarme für den Laserstrahltransport nicht mehr geeignet sind. Die Spiegel an jedem Verbindungsmittel können wohl mit einer Breitbandbeschichtung versehen sein, eine derartige Beschichtung ist jedoch sehr schwierig zu entwickeln. Breitbandreflexionsbeschichtungen tendieren dazu eine geringere Beschädigungsschwelle als andere Beschichtungen aufzuweisen, weshalb diese Breitbandreflexionsbeschichtungen versagen, wenn sie zur Reflexion von Hochleistungslaserstrahlen verwendet werden. Zudem ist der Entwurf von Breitbandbeschichtungen auf Grund der Tatsache kompliziert, dass der Strahl hinsichtlich der Reflexionsfläche unter einem Winkel von 45° einfällt. Zudem weisen die Reflexionen unter einem derartigen Winkel die Tendenz auf, die S- und P-Polarisationen des Strahls unterschiedlich zu reflektieren.
Es besteht ein Bedarf für ein Laserstrahltransportsystem, welches einen Hochenergiemehrfachwellenlaserstrahl mit der Flexibilität eines Gelenkarmes fördert, ohne die S- und P-Polarisationen des Laserstrahls negativ zu beeinflussen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung löst das vorgenannte Problem mit einem Transportsystem, welches Prismen verwendet, die eine vollständige innere Reflexion innerhalb des Prismas aufweisen, um den Laserausgangsstrahl von der Laserstrahlquelle zum bestimmten Ziel zu leiten.
Ein Gelenkarm aufweisend gerade Segmente, welche an ihren Enden durch drehbare Verbindungsstücke verbunden ist, ist an einer Laserquelle befestigt, welche einen Laserausgangsstrahl mit zumindest zwei Wellenlängen erzeugt. In jedem Verbindungsstück ist ein Prisma angeordnet, welches den sich entlang der Segmente ausbreitenden Laserstrahl in Richtung des nächstfolgenden Segmentes umlenkt. Die Prismen sind derart angeordnet, dass der Laserstrahl durch eine totale innere Reflexion umgelenkt wird. An jeder Prismenoberfläche, an welcher der Strahl in jedes der Prismen eintritt und dieses verlässt, ist eine Antireflexionsbeschichtung ausgebildet.
Weitere Zwecke und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden durch die Beschreibung, die Ansprüche und die angefügten Figuren offenbart.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Vollansicht des Laser- und Gelenkarm-Transportsystems der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt einen Querschnitt eines Prismas, angeordnet an einem drehbaren Verbindungsstück im Gelenkarm der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine Vollansicht eines zusammengesetzten Lasersystems umfassend das Gelenkarmtransportsystem der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt ein Plotdiagramm, welches die Reflexionseigenschaften einer antireflektierenden Beschichtung aus Silikondioxid und Hafniumdioxid darstellt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die vorliegende Erfindung ist ein Transportsystem, welches in der Lage ist, einen Hochleistungsmehrfachwellenlängenlaserstrahl auf ein vorgesehenes, bestimmtes Ziel zu leiten. Der Laserstrahl wird zum bestimmten Ziel geleitet, ohne hochreflektierende breitbandbeschichtete Spiegel zu verwenden, welche leicht beschädigt werden können, oder welche die Polarisation des Laserstrahls nachteilig beeinflussen können.
Das Transportsystem der vorliegenden Erfindung ist ein Gelenkarm 10, welcher an ein Lasersystem 12 befestigbar ist, wie dies in den 1 und 2 dargestellt ist. Der Gelenkarm 10 umfasst gerade Elemente 14, welche durch drehbare Verbindungsstücke 16 miteinander verbunden sind. Bei jedem Verbindungsstück 16 ist ein Prisma 18 derart angeordnet, dass ein sich entlang jedes Segmentes 14 ausbreitender Laserstrahl 20 durch eine totale innere Reflexion in das nächstfolgende Segment 14 umgelenkt wird. Es liegt innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung ein zweites Verbindungsstück 16 an der anderen Seite jedes Prismas 18 anzuordnen, welche bezüglich dem in den Zeichnungen dargestellten ersten Verbindungsstück 16 auf der anderen Seite liegt.
Jedes Prisma 18 hat eine Eingangsstirnfläche 22, durch welche der Laserstrahl 20 in das Prisma eintritt, eine Rückfläche 24, an welcher der Strahl 20 total intern reflektiert wird, und eine Ausgangsstirnfläche 26 durch welche der Strahl 20 das Prisma 18 verlässt. Die Prismen 18 sind derart gestaltet und angeordnet, dass der Strahl 20 beide, die Eingangsstirnflächen und die Ausgangsstirnflächen 22/26 in einem rechten Winkel durchtritt. Dieser Durchtrittswinkel minimiert die Reflexionsverluste an jeder Oberfläche. Zudem sind beide, die Eingangsstirnfläche sowie die Ausgangsstirnfläche 22 und 26 mit einer antireflektierenden Beschichtung versehen. Die antireflektierende Beschichtung minimiert jegliche Reflexionsverluste, welche sich ergeben könnten, wenn der Strahl 20 in das Prisma 18 eintritt oder dieses verlässt.
Während dem Betrieb breitet sich der Strahl 20 durch den Gelenkarm 10 aus, wobei jedes Prisma 18 den Strahl 20 durch totale innere Reflexion an der Rückfläche 24 umlenkt. Um den Strahl 20 zu reflektieren werden keine hochreflektierenden Beschichtungen verwendet. Die einzigen vorhandenen optischen Beschichtungen sind die Antireflexionsbeschichtungen an den Oberflächen 22 und 26. Durch die Verwendung von Antireflexionsbeschichtungen und totale interne Reflexion können breitbandreflektierende Schichten, welche einfach beschädigt werden können, und welche die S und P Polarisationen nachteilig beeinflussen, vermieden werden.
Das Transportsystem der vorliegenden Erfindung ist ideal für Lasersysteme, welche Hochleistungsausgangsstrahlen mit mehr als einer Wellenlänge erzeugen. Beispiele derartiger Lasersysteme umfassen einstellbare Lasersysteme (tunable laser systems), Verdoppelungslasersysteme (doubling laser systems), welche über einen nichtlinearen Kristall eine Grundwellenlänge und eine zweite Wellenlänge erzeugen, und zusammengesetzte Lasersysteme (composite laser systems).
Ein zusammengesetztes Lasersystem enthält eine Mehrzahl von Hohlräumen, wobei jeder Hohlraum ein unterschiedliches Verstärkungsmittel aufweist. Jeder Hohlraum ist zur Erzeugung eines einzigartigen Ausgangsstrahls entworfen, mit jeweils eigener Ausgangsleistung, Pulsweite und Wellenlänge. Ein derartiges Lasersystem ist in der Lage kontinuierliche oder gepulste Ausgangsstrahlen zu erzeugen, mit langen oder kurzen Pulsen, mit hoher oder tiefer Energie, und all dies bei einer grossen Vielzahl unterschiedlicher Leistungsstufen und Wellenlängen.
3 zeigt ein zusammengesetztes Lasersystem 28, welches das für die kommerzielle Verwendung entwickelte Transportsystem der vorliegenden Erfindung benutzt. Dieses zusammengesetzte Lasersystem umfasst drei Laserhohlräume 30, 32 und 34, einen externen Verdoppelungskristall 36, und ein Kombinationsmittel 38, um die separaten Strahlen der Hohlräume 30, 32, 34 zu einem einzigen Lasersystemausgangsstrahl 20 zu vereinen. Der Hohlraum 30 ist ein Q-geschalteter Nd:Yag Laserhohlraum, welcher ein Licht von 1064 nm bei 10 Hz erzeugt, mit Pulsenergien von 400 mJ und Pulsweiten von 5 ns. Der Hohlraum 32 ist ein innerhohlraumverdoppelter Nd:Yag Laserhohlraum, welcher einen KTP-Verdoppelungskristall verwendet, der Licht von 532 nm bei 6 Hz erzeugt, mit Pulsenergien von etwa 0.2–1.75 J und Pulsweiten von 2–10 ms.
Der Hohlraum 34 ist ein Q-geschalteter Alexandrite Laserhohlraum, welcher ein Licht von 755 nm bei 10 Hz erzeugt, mit Pulsenergien von 500 mJ und Pulsweiten von 60 ns. Die Auswahlvorrichtung 35 ist derart angeordnet, dass diese den Ausgang des Hohlraumes 30 abfängt, und den Ausgangsstrahl entweder direkt dem Kombinationsmittel 38 zuleitet, oder dem externen Verdoppelungskristall 36 zuleitet. Wenn der Ausgangsstrahl des Hohlraumes 30 dem externen Verdoppelungskristall 36 zugeleitet ist, produziert der Kristall Licht von 532 nm bei 10 Hz mit Pulsenergien von 200 mJ und Pulsweiten von 4 ns. Der Ausgang des Kristalls, kombiniert mit der verbleibenden Ausgabe der Grundwelle aus dem Hohlraum 30, kann vor dem Eintritt in das Kombinationsmittel 38 oder durch das Kombinationsmittel 38 getrennt werden. Daher ist dieses zusammengesetzte Lasersystem in der Lage vier verschiedene und möglichst einzigartige Laserstrahlen zu erzeugen. Diese einzigartigen Laserstrahlen werden durch das Kombinationsmittel 38 kombiniert, um einen einzigen Ausgangsstrahl 20 zu bilden. Das Kombinationsmittel 38 kann aus rotierenden Spiegeln oder einem Prisma bestehen, welche einen vorhandenen, einzigartigen Stahl erfassen und derart reflektieren, dass der Strahl als Ausgangsstrahl 20 austritt.
Wie oben beschrieben werden reflektierende Spiegel als nicht geeignet erachtet zur Verwendung im Gelenkarm des Lasersystems 28, weil die optischen Breitbandbeschichtungen der optischen Leistungsdichte der Ausgangsstrahlen nicht standhalten konnten. Spezifischer ausgedrückt wurden Breitbandbeschichtungen auf unter 45° angestrahlten Spiegeln, welche die drei Wellenlängen (532 nm, 755 nm, und 1064 nm) effizient reflektierten, durch die 200 mJ Pulse des 532 nm Laserlichtes und die 400 mJ Pulse des 1064 nm Laserlichtes beschädigt, wobei der Stahl einen Durchmesser von 7 mm aufwies. Die effektive Fläche des unter 45° einfallenden Strahls auf der reflektierenden Beschichtung beträgt: (1) Effektive Fläche = Π(3.5 mm)2(2)1/2 = 54.42 mm2 = .5442 cm2
Die Leistung des 532 nm Strahls beträgt pro Puls: (2) Leistung/Puls = 0.2J/5ns = 40 MWatt
Daher beträgt die Leistungsdichte des 532 nm Strahls während jedem Puls: (3) Leistungsdichte = 40 MWatt/0.5442 cm2 = 73.5 MWatt pro cm2
Daher müssen die Prismen 18 und die Antireflexionsbeschichtungen auf den Oberflächen 22 und 26 einer Leistungsdichte von etwa 70 MWatt/cm² bei 532 nm Wiederstehen ohne beschädigt zu werden. Zudem müssen die optischen Beschichtungen, da die Leistung des 1064 nm Strahls doppelt so hoch ist wie diejenige des 532 nm Strahls, einer Leistungsdichte von etwa 140 MWatt/cm² bei 1064 nm widerstehen ohne beschädigt zu werden.
Die im Gelenkarm verwendeten Prismen 18, welcher am oben genannten zusammengesetzten Lasersystem befestigt ist, bestehen vorzugsweise aus hochreinem synthetischem Quarzglas (fused silica, quartz suprasil). Der hohe Reinheitsgrad wird bevorzugt, um jegliche Verluste oder jegliche Selbstfokussierung zu vermeiden, welche auf Grund nichtlinearer Effekte des sich durch das Festprisma 18 ausbreitenden Strahls 20 ergeben könnten.
Die antireflektierenden Beschichtungen, welche auf Oberflächen 22 und 26 in Verbindung mit dem Lasersystem 28 verwendet werden, können ein oder mehrere Materialien in einer einzigen Schicht oder in mehreren Schichten enthalten, welche wie oben beschrieben einer Leistungsdichte von 70 oder 140 MWatt widerstehen können, wobei die antireflektierenden Beschichtungen sehr geringe Reflexionen des Laserlichtes bei allen Ausgangswellenlängen des Lasers erzeugen (in diesem Falle 532 nm, 755 nm, und 1064 nm). Diese Materialien können Zirkonium, Tautal, Aluminium, Magnesiumfluorid, Skandiumoxid, Hafniumdioxid, Silikondioxid und Titan umfassen. Die vom Patentinhaber bevorzugt verwendete Antireflexionsbeschichtung, welche für 532 nm, 755 nm und 1064 nm hochdurchlässig ist, besteht aus einer neun Schichten Beschichtung, gebildet aus abwechselnden Schichten aus Silicondioxid und Hafniumdioxid. Diese Antireflexionsbeschichtung hat, wie in 4 dargestellt, bei Wellenlängen von 532 nm, 755 nm und 1064 nm minimale Reflexionseigenschaften. Die 70 MWatt/cm2 Leistungsdichte des 532 nm Lichtes, und die 140 MWatt/cm2 Leistungsdichte des 1064 nm Lichtes beschädigten die oben beschriebene neun Schichten Antireflexionsbeschichtung aus Siliziumdioxid und Hafniumdioxid nicht, bei der Verwendung am Prisma 18 im Gelenkarm 10.
Es ist zu berücksichtigen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen und hierin dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern jede und alle Variationen umfasst, welche innerhalb des Umfanges der nachfolgenden Ansprüche liegt.

Claims

Optisches Transportsystem zum wählbaren Zuleiten von Laserausgangstrahlen (20) unterschiedlicher Wellenlängen von einer Mehrfachwellenlängen-Lasersystemquelle (12) zu einem bestimmten Ziel, das optische Transportsystem umfasst einen an der Laserquelle (12) befestigten Gelenkarm (10), um den genannten Laserausgangsstrahl (20) zu dem bestimmten Ziel zu leiten, der genannte Gelenkarm (10) umfasst zumindest erste und zweite gerade Segmente (14) und ein dazwischen liegendes drehbares Verbindungsstück (16), und ein Prisma (18) mit einer Eingangsstirnfläche (22) und einer Ausgangsstirnfläche (26), das genannte Prisma (18) ist an dem genannten drehbaren Verbindungsstück (16) angeordnet und derart ausgerichtet, dass ein sich entlang des ersten Segments (14) ausbreitender Laserstrahl vom genannten Prisma (18) durch eine vollständige innere Reflektion in das genannte zweite Segment (14) umgelenkt wird, gekennzeichnet durch eine an der Eingangs- und an der Ausgangsstirnfläche (22, 26) des Prismas (18) ausgebildete Beschichtung, wobei die genannten Beschichtungsoberflächen dort angeordnet sind, wo der Strahl (20) in das genannte Prisma (18) eintritt und austritt, wobei der Laserausgangsstrahl (20) zwei oder mehr diskrete Wellenlängen aufweist, und wobei die genannte Beschichtung ausgebildet ist um eine maximal hohe Transmission des Laserstrahles (20) durch die genannten Eingangs- und Ausgangsstirnflächen (22, 26) zu bewirken bei den genannten zwei oder mehr diskreten Wellenlängen.
Optisches Transportsystem gemäß Anspruch 1, wobei das genannte Prisma (18) derart geformt und angeordnet ist, dass der Laserstrahl (20) die genannten Eingangs- und Ausgangsstirnflächen (22, 26) in einem im wesentlichen rechten Einfallswinkel trifft.
Optisches Transportsystem gemäß Anspruch 1, wobei die genannten antireflektierenden Beschichtungen aus abwechselnden Schichten von Hafniumdioxid und Siliziumdioxid gebildet sind.
Optisches Transportsystem gemäß Anspruch 1, wobei die genannten antireflektierenden Beschichtungen einer Energiedichte von im wesentlichen 70 MWatt/cm2 bei 532 nm und einer Energiedichte von im wesentlichen 140 MWatt/cm2 bei 1064 nm standhalten können, ohne beschädigt zu werden.
Lasersystem zum Erzeugen und wählbaren Zuleiten von Mehrfachwellenlängen-Laserenergie zu einem bestimmten Ziel, das Lasersystem umfasst ein Mittel bildend eine Laserquelle (12) zur Erzeugung eines Laserausgangsstrahles (20), einen Gelenkarm (10) angebracht am genannten Mittel bildend die Laserquelle (12), um den genannten Laserausgangsstrahl (20) zu dem bestimmten Ziel zu leiten, der genannte Gelenkarm (10) umfasst mindestens erste und zweite gerade Segmente (14) und ein dazwischen liegendes drehbares Verbindungsstück (16), und ein Prisma (18) mit einer Eingangsstirnfläche (22) und einer Ausgangsstirnfläche (26), das genannte Prisma (18) ist an dem genannten drehbaren Verbindungsstück (16) angeordnet und derart ausgerichtet, dass ein sich entlang des ersten Segments (14) ausbreitender Laserstrahl vom genannten Prisma (18) durch eine vollständige innere Reflektion in das genannte zweite Segment (14) umgelenkt wird, gekennzeichnet durch den Laserausgangsstrahl (20) umfassend zumindest zwei diskrete Wellenlängen, und wobei an den beiden Eingangs- und Ausgangsstirnflächen (22,26) des Prismas (18) eine Beschichtung ausgebildet ist, wobei die genannte Beschichtungsoberfläche dort angeordnet ist, wo der Strahl (20) in das genannte Prisma (18) eintritt und austritt, wobei die genannte Beschichtung eine hohe Transmission des Laserstrahles (20) durch die genannten Eingangs- und Ausgangsstirnflächen (22, 26) verursacht bei den genannten zumindest zwei Wellenlängen.
Lasersystem gemäß Anspruch 5, wobei das genannte Prisma (18) derart geformt und angeordnet ist, dass der Laserstrahl (20) die genannten Eingangs- und Ausgangsstirnflächen (22, 26) in einem im wesentlichen rechten Winkel trifft.
Lasersystem gemäß Anspruch 5, wobei das Mittel bildend die Laserquelle (12) einen Laserhohlraum (30) umfasst, welcher einen Hauptlaserstrahl erzeugt, der in einen nicht-linearen Kristall (36) fokussiert ist, um einen sekundären Strahl mit einer bezüglich dem Hauptlaserstrahl unterschiedlichen Wellenlänge zu erzeugen, wobei im genannten Laserausgangsstrahl (20) der Hauptstrahl und sekundäre Strahlen enthalten sind.
Lasersystem gemäß Anspruch 5, wobei das Mittel bildend die Laserquelle (12) ein einstellbares Lasersystem ist, welches zwei oder mehr diskrete Ausgangswellenlängen erzeugen kann.
Lasersystem gemäß Anspruch 5, wobei das Mittel bildend die Laserquelle (12) umfasst: – eine Mehrzahl von Laserhohlräumen (30, 32, 34), wobei jeder der genannten Hohlräume ein Verstärkungsmittel zur Erzeugung eines einzelnen Laserstrahls beinhaltet, und Mittel (38) zum Kombinieren der genannten einzelnen Laserstrahlen der genannten Hohlräume, um den genannten Laserausgangsstrahl (20) zu bilden.
Lasersystem gemäß Anspruch 9, wobei die genannten Hohlräume einen Q-geschalteten Nd:Yag Laserhohlraum (30), einen innerhalb des Hohlraums frequenzverdoppelten Nd:Yag Laserhohlraum (32) und einen Q-geschalteten Alexandrite Laserhohlraum (34) umfassen.
Lasersystem gemäß Anspruch 9, wobei der Laserausgangsstrahl (20) eine Energiedichte von im Wesentlichen zumindest 70 MWatt/cm2 bei einer Wellenlänge von 532 nm aufweist.
Lasersystem gemäß Anspruch 9, wobei der Laserausgangsstrahl (20) eine Energiedichte von im wesentlichen zumindest 140 MWatt/cm2 bei einer Wellenlänge von 1064 nm hat aufweist.
Lasersystem gemäß Anspruch 9, wobei die antireflektierenden Beschichtungen aus abwechselnden Schichten von Hafniumdioxid und Siliziumdioxid gebildet sind.