DE9422092U1 - Lasersystem mit einer kompensierten Spiegeloptik - Google Patents

Description

Patentanwälte Tergau & Pohl, Nürnberg ; · t ! &idigr; ..* &iacgr; ^Seite

2 Beschreibung

4 Lasersystem mit einer kompensierten Spiegeloptik

s Die Erfindung bezieht sich auf ein Lasersystem mit einer kompensierten Spiege-

7 loptik.

9 Spiegel, die sich innerhalb eines Lasersystems befinden, werden insbesondere

10 bei Hochleistungslasern aufgrund der hohen Leistungsdichte im Laserstrahl ther-

11 misch hoch belastet. In der Regel ist daher eine Kühlung der Spiegel notwendig.

12 Im Spiegel entstehen somit Temperaturgradienten, die zu einer unerwünschten

13 thermischen Verbiegung des Spiegels führen. Insbesondere gilt dies für die Reso-

14 natorspiegel von Hochleistungslasern, da einerseits die Belastung dieser Spiegel is aufgrund des Resonator-Transmissionsgrades, der typisch zwischen 10 und 50 % ie beträgt, bei vorgegebener Laserleistung wesentlich höher ist als bei den außer-

17 haib des Resonators angeordneten Spiegeln Zum anderen ist die zulässige Ver-

18 formung der Resonatorspiegel um Größenordnungen kleiner als bei Spiegeln, die is im Strahlengang außerhalb des Resonators liegen.

21 Lasersysteme mit sogenannten adaptiven Optiken zur Kompensation der thermi-

22 sehen Verformung der optischen Komponenten sind beispielsweise aus den deut-

23 sehen Offenlegungsschriften 39 00 467, 42 12 779 und 42 36 355 bekannt. Bei

24 dem in der DE 3900 467 A1 offenbarten Laserspiegelkopf ist auf der Rückseite

25 eines Spiegels ein Hohlraum vorgesehen, der mit Druck beaufschlagt werden

26 kann, so daß sich die Geometrie des Spiegels ändert. Bei der aus der

27 DE 42 36 355 A1 bekannten Lösung wird ein Membranspiegel mit einem Piezo-

28 element als Aktuator verstellt. In der DE 42 12 779 A1 sind im Resonator eines

29 Festkörperlasers Flüssigkristallzellen angeordnet, deren optische Abbildungsei-

30 genschaften elektrisch gesteuert werden können. Die bekannten Einrichtungen

31 sind jedoch technisch aufwendig und kostenintensiv.

(N.U\N\971047.DOC) 07, Oktober 1997

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2 Bei ebenen diffusionsgekühlten Bandleiter-CO2-Lasern, wie sie beispielsweise

3 aus der US 4,719,639 bekannt sind, wirkt sich die große Ausdehnung der Reso-

4 natorspiegel, die sich über die gesamte Breite der Elektroden erstrecken, zusätz-

5 lieh ungünstig auf ihre thermisch verursachte Verbiegung aus. Die Resonator-

6 geometrie wird gestört und es kommt zu Veränderungen des Strahlprofiis und der

7 Strahllage. Bei bekannten Bandleiterlasern werden deshalb ausschließlich Spiegel

8 eingesetzt, bei denen die Wärmeeinbringung durch möglichst hochrefiektierende

9 Beschichtungen minimiert wird. Die Herstellung solcher Schichten ist jedoch in der

10 Regel aufwendig. Außerdem verlieren sie im Betrieb durch unvermeidliche Ver-

11 schmutzung ihre günstigen Reflexionseigenschaften.

13 Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Lasersystem anzugeben, bei

14 dem die vorstehend genannten Nachteile vermieden sind.

ie Die genannte Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

17 Ein Lasersystem mit einer kompensierten Spiegeloptik gemäß der Erfindung ent-

18 hält wenigstens einen Spiegel, der mit einer gesteuerten Wärmequelle zur thermi-

19 sehen Kompensation einer durch den Laserstrahl hervorgerufenen Verformung

20 der im Strahlengang des Lasersystems angeordneten optischen Elemente verse-

21 hen ist. Durch die Anbringung einer möglichst trägheitsarmen Wärmequelle auf

22 wenigstens einem der im Strahlengang des Lasersystems angeordneten Spiegel,

23 insbesondere ein Resonatorspiegel, ist es möglich, die durch die Laserstrahlung

24 verursachte Verbiegung der Spiegel zu kompensieren.

26 Gegenüber den im Stand der Technik bekannten adaptiven Optiken, bei denen

27 eine solche Kompensation der Verbiegung durch eine Piezo-Verstellung oder

28 durch einen regulierbaren Flüssigkeits- oder Gasdruck vorgenommen wird, ist der

29 gemäß der Erfindung thermisch kompensierte Spiegel einfacher und preisgünsti-

30 ger aufzubauen. Darüber hinaus ist sein Einsatz im HF-Bereich unproblematisch.

(N.\AN\971047.DOC) 07. Oktober 1997

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&igr; Die Erfindung ist insbesondere zur Anwendung bei den metallischen Resonator-

2 spiegeln von koaxialen oder ebenen Bandleiterlasem geeignet. Außerdem können

3 auch die im resonatorextemen Strahlengang von Hochleistungslasern angeordne-

4 ten Spiegel mit Einrichtungen zur thermischen Kompensation versehen werden.

6 Es hat sich außerdem herausgestellt, daß in vielen Anwendungsfäilen die thermi-

7 sehe Kompensation eines einzigen Resonatorspiegels genügt, um die durch den

&bgr; Laserstrahl induzierte thermische Verformung aller im Strahlengang angeordneter

9 Spiegel zu kompensieren.

11 Insbesondere ist die Wärmequeiie auf der Rückseite des Spiegels angeordnet und

12 in ihrer geometrischen Form an die vom Laserstrahl bestrahlte Fläche des Spie-

13 gels angepaßt.

is Vorzugsweise sind zur thermischen Kompensation Mittel vorgesehen, die einen

ie vorgegebenen Anteil des erzeugten Laserlichtes auf eine an der Rückseite des

17 Spiegels angeordnete absorbierende Schicht lenken.

19 in einer vorteilhaften Ausführungsform ist als Wärmequelle zur thermischen Kom-

20 pensation wenigstens ein auf der Rückseite oder auf der Vorderseite des Spiegels

21 angeordnetes resistives Heizelement vorgesehen.

23 In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind Mittel vorgesehen, mit denen

24 ein Teil einer zur Anregung des Hochleistungslasers verwendeten Hochfrequenz-2s leistung ausgekoppelt und zur elektrischen Versorgung des Heizelementes ver-

26 wendet wird.

28 In einer weitern vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Heizelement an

29 eine abhängig von der Laserleistung steuerbare Spannungsquelle angeschlossen.

(N.\AN\971047 DOC) 07 Oktober 1997

Patentanwälte Tergau & Pohl, Nürnijerj l * ···*..' J Seite

&igr; Die Erfindung findet ihre bevorzugte Anwendung bei den totalreflektierenden me-

2 tallischen Resonatorspiegeln von Hochleistungslasern, insbesondere Bandleiter-

3 lasern, sowie bei den Umienkspiegeln des externen Strahlengangs von Hochlei-

4 stungslasern.

6 Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der

7 Zeichnung verwiesen, in deren

9 FIG 1 und 2 ein Teil des Resonators eines Hochleistungs-Bandleiterlasers gemäß

10 der Erfindung in einer Seitenansicht bzw. einer Draufsicht schematisch

11 dargestellt ist. In

12 FIG 3 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung in einer

13 Seitenansicht veranschaulicht.

14 FIG 4 und 5 zeigen jeweils einen Resonator eines Bandleiterlasers mit einem is thermisch kompensierten Resonatorspiegel in einer Draufsicht.

is In FIG 6 und 7 sind jeweils weitere vorteilhafte Ausgestaltungen von Bandleiterla-17 sern mit thermisch kompensierten Resonatorspiegeln dargestellt.

19 Gemäß FIG 1 enthält ein Hochleistungs-Bandleiterlaser zwei voneinander beab-

20 standete plattenförmige Elektroden 2, an deren Stirnseiten jeweils ein Resonator-

21 spiegel 4 angeordnet ist, der in einer Ebene senkrecht zu den Flachseiten der

22 Elektroden 2 eine konkav gekrümmte Spiegelfläche 4a hat. Das aus der Stirnflä-

23 ehe des durch die Elektroden 2 gebildeten Bandleiters austretende Laserlicht trifft

24 in einer Zone 5 auf die Spiegelfläche 4a auf und bewirkt dort einen lokalen Wär-

25 meeintrag. Im Resonatorspiegel 4 sind Kanäle 6 zum Hindurchleiten von Kühl-

26 wasser angeordnet. Auf der Rückseite 4b des Resonatorspiegels 4 ist im Ausfüh-

27 rungsbeispiel der Figur eine Wärmequelle 8, insbesondere ein resistives Heizele-

28 ment, angeordnet. Vorzugsweise ist ein Mantelheizleiter vorgesehen, mit dem ein

29 besonders guter thermischer Kontakt zum Resonatorspiegel 4 hergestellt werden

30 kann. Der Mantelheizleiter kann beispielsweise an der Rückseite 4b des Resona-

31 torspiegels 4 angelötet oder in eine dort befindliche Nut eingelegt und in dieser

|N:WNt971047. DOC) 07. Okiober 1997

Patentanwälte Tergau & Pohl, Nümberij · · &iacgr; &Idigr; i ··* ! ^Seite 5

&igr; Nut verstemmt sein. Dadurch wird der Wärmeübergang erhöht und die thermische

2 Trägheit der Kompensation verringert.

4 Die Wärmeeinbringung auf der Rückseite 4b des Resonatorspiegels 4 erfolgt vor-

5 zugsweise in einem Bereich, der in seiner geometrischen Form dem auf den Res sonatorspiegel auftreffenden Strahlprofil entspricht und gegenüber der Zone 5

7 angeordnet ist. Im Falle eines ebenen Bandleiterlasers ist dies, wie es in FIG 2 zu

8 erkennen ist, eine sich parallel zur Stirnseite der Elektroden 2 erstreckende linea-

9 re Wärmequelle 8, die durch einen einzigen Mantelheizleiter realisiert werden

10 kann. Bei einem koaxialen Bandleiterlaser ist in analoger Weise eine ringförmige

11 Wärmequelle, beispielsweise ein zu einem Ring geformter Mantelheizleiter vorge-

12 sehen.

14 In der Ausführungsform gemäß FIG 3 enthält ein Resonatorspiegel 40 an seiner

is den Elektroden 2 zugewandten Vorderseite 40a zwei Wärmequellen 8, die ober-

16 halb und unterhalb der vom Laserlicht beaufschlagten Zone 5 angeordnet sind.

17 Bei den Wärmequellen 8 handelt es sich beispielsweise um zwei in Nuten einge-

18 stemmte Mantelheizleiter, die sich parallel zur Längskante der von den Elektroden

19 2 gebildeten Austrittsfläche für das Laserlicht erstrecken. In dieser Ausführungs-

20 form wird die den Wärmequellen 8 zugeführten Leistung so gesteuert, daß die

21 Summe der dem Resonatorspiegel 40 durch das Laserlicht und die Wärmequellen

22 8 zugeführten Leistung konstant gehalten wird. Der Resonatorspiegel 40 wird

23 damit auch bei ausgeschalteten Laser thermisch vorgespannt. Durch entspre-

24 chende Reduzierung der elektrisch zugeführten Leistung kann dann die zusätzlich

25 durch das Laserlicht eingebrachte Wärmeleistung kompensiert werden, so daß die

26 Spannungen im Resonatorspiegel 40 konstant bleiben.

28 Im Ausführungsbeispiei gemäß FIG 4 wird ein Teil 10 der im Resonator erzeugten

29 Strahlung ausgekoppelt und zur Beheizung der Rückseite 41b eines konvex ge-

30 krümmten Resonatorspiegels 41 verwendet. Bei dem dargestellten Resonator

31 handelt es sich um einen instabilen Resonator des positiven Zweigs, bei dem ein

(N:\Am971047.DOC) 07 Oktober 1997

Patentanwälte Tergau & Pohl, Nüm^rJ J* .·· ,.* &idigr; Seite Q

&igr; Laserstrahl 12 am Rand des Resonatorspiegels 41 austritt. An der dem Austritts-

2 fenster für den Laserstrahl 12 gegenüberliegenden Seite erstreckt sich der Reso-

3 natorspiegel 41 ebenfalls nicht bis zum Rand der plattenförmigen Elektroden 2, so

4 daß dort ebenfalls ein Teil 10 des innerhalb des Resonators erzeugten Laserlich-

5 tes austritt. Der austretende Teil 10 wird durch einen Umlenkspiegel 14 auf eine

6 an der Rückseite 41b des Resonatorspiegels 41 angeordnete absorbierende

7 Schicht geführt.

9 Das Ausführungsbeispiel gemäß FIG 5 zeigt einen Resonator des negativen

10 Zweigs, bei dem ebenfalls ein Teil 10 der im Resonator erzeugten Srahlung zur

11 Beheizung der Rückseite 42b eines konkav gekrümmten Resonatorspiegeis 42

12 verwendet wird.

14 Gemäß FIG 6 erfolgt die Heizung des an der Rückseite des Resonatorspiegels 4

is angebrachten resistiven Heizelementes 8 durch eine externe Gleich - oder Wech-

16 selspannungsquelle 20, insbesondere ein Transduktor oder Magnetverstärker. Zur

&igr;? Versorgung der Elektroden 2 ist ein Hochfrequenzgenerator 22 vorgesehen, des-

18 sen Leistungsabgabe von einer Steuereinrichtung 24 gesteuert wird. Diese Steu-

19 ereinrichtung 24 steuert außerdem entsprechend dieser Leistungsabgabe, bei-

20 spielsweise über ein mit der Laserleistung korreliertes, vorzugsweise gesiebtes

21 Gleichspannungssignal die Spannungsquelle 20 und die Heizleistung des Heize-

22 lementes 8.

24 Als Wechselspannungsquelle 20 kann auch eine bereits vorhandene Netzwech-

25 selspannung verwendet werden, die durch eine an sich bekannte Phasenan-

26 Schnittsteuerung in Abhängigkeit von der Laserleistung angeschnitten wird und

27 über einen Transformator dem Heizelement zugeführt wird.

29 In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zur Spannungsversorgung des

so Heizelementes 8 eine durch Gleichrichtung der Netzwechselspannung erzeugte

31 und mit dem Gittertaktsignal einer die Hochfrequenz erzeugenden Röhre modu-

(N:\AN\971047.DOC) 07 Oktober 1997

Patentanwälte Tergau & Pohl, Nümtjer| ·· *. ; . „* I Seite J

&igr; iierte Gleichspannung vorgesehen. Diese modulierte Gleichspannung ist dann

2 automatisch proportional zur Laserleistung und kann gegebenenfalls über eine

3 Transformator an das Heizelement angelegt werden. Insbesondere ist vor der

4 Modulation eine Stabilisierung der durch Netzgleichrichtung erzeugten Spannung

5 vorgesehen, um die dem Heizelement zugeführte Heizleistung unabhängig von &bgr; zufälligen Netzschwankungen zu machen.

&bgr; Im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 7 wird die den Elektroden 2 vom Hochfre-

9 quenzgenerator 22 zugeführte Hochfrequenzleistung zur Versorgung des Heize-

10 lementes 8 benutzt. Hierzu ist das Heizelement über einen Hochfrequenzspan-

11 nungsteiler 28 zwischen die Elektroden 2 geschaltet. Auf diese Weise wird ein Teil

12 der zur Anregung des Lasers verwendeten HF-Leistung ausgekoppelt und zur

13 Beheizung des Resonatorspiegels 4 verwendet. Dadurch ist die Heizleistung au-

14 tomatisch proportional zur Laserleistung und damit proportional zu der am Spiegel is reflektierten Leistung.

(N:\AN\971047.DOC) 07. Oktober 1997

Claims (1)

1. Patentanwälte TergauÄ Pohl, NürnJ^f^..· Seite

   &igr; 971047-9/24

   3 07. Oktober 1997

   6 Ansprüche

   8 1. Lasersystem mit einer kompensierten Spiegeloptik, die wenigstens einen

   9 Spiegel (4; 40, 41, 42) enthält, der mit einer gesteuerten Wärmequelle (8; 14,

   10 16) zur thermischen Kompensation einer durch den Laserstrahl hervorgerufe-

   11 nen Verformung der im Strahlengang des Lasersystems angeordneten opti-

   12 sehen Elemente versehen ist.

   14 2. Lasersystem nach Anspruch 1,

   is dadurch gekennzeichnet,

   ie daß wenigstens ein Resonatorspiegel (4, 40; 41, 42) mit einer gesteuerten

   &igr;? Wärmequelle (8; 14, 16) zur thermischen Kompensation versehen ist.

   19 3. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2,

   20 dadurch gekennzeichnet,

   21 daß Mittel (14) vorgesehen sind, die einen vorgegebenen Anteil des erzeugten

   22 Laserlichtes auf eine an der Rückseite (41b, 42b) des Spiegels (41 bzw. 42)

   23 angeordnete absorbierende Schicht (16) lenken.

   25 4. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2,

   26 dadurch gekennzeichnet,

   27 daß als Wärmequelle zur thermischen Kompensation wenigstens ein resistives

   28 Heizelement (8) vorgesehen ist.

   30 5. Lasersystem nach Anspruch 4,

   31 dadurch gekennzeichnet,

   (NAAN\971047DOC) 07. Oktober 1997

   PatentanwälteTergau& Pohl, NürtTjfersJ..· ··· ·· ·· * Seite

   &igr; daß das Heizelement (8) auf der Rückseite eines Spiegels (4) angeordnet ist.

   3 6. Lasersystem nach Anspruch 4,

   4 dadurch gekennzeichnet,

   5 daß das Heizelement (8) auf der Vorderseite eines Spiegels (40) angeordnet

   6 ist.

   s 7. Lasersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6,

   9 dadurch gekennzeichnet,

   10 daß Mittei (28) vorgesehen sind, mit denen ein Teil einer zur Anregung des

   11 Hochleistungsiasers verwendeten Hochfrequenzleistung ausgekoppelt und zur

   12 elektrischen Versorgung des Heizelementes (8) verwendet wird.

   14 8. Lasersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6,

   is dadurch gekennzeichnet,

   ie daß das Heizelement (8) an eine abhängig von der Laserleistung steuerbare

   &igr;? Spannungsquelle (20) angeschlossen ist.

   (N:\AN\971047.DOC) 07. Oktober 1997