EP2810345A1 - Co2 laser with rapid power control - Google Patents

Co2 laser with rapid power control

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Publication number
EP2810345A1
EP2810345A1 EP13712472.3A EP13712472A EP2810345A1 EP 2810345 A1 EP2810345 A1 EP 2810345A1 EP 13712472 A EP13712472 A EP 13712472A EP 2810345 A1 EP2810345 A1 EP 2810345A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser
resonator
power
radiation
workpiece
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13712472.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Gisbert Staupendahl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Feha Lasertec GmbH
Original Assignee
IAI Industrial Systems BV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IAI Industrial Systems BV filed Critical IAI Industrial Systems BV
Publication of EP2810345A1 publication Critical patent/EP2810345A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S3/1123Q-switching
    • H01S3/121Q-switching using intracavity mechanical devices

Definitions

  • Modern solid-state laser systems (diode-pumped Nd: YAG lasers, disk lasers, fiber lasers, Ti: sapphire lasers, etc.) are characterized by wide-ranging variable pulsability (from 100 fs over ps and ns to the ts range), but are in view on the costs and above all the long-term experience in the industrial employment still far behind the C0 2 -Laser back.
  • Jump means several aspects: a) The applications that were previously realized with the C0 2 laser could be carried out even more efficiently. b) Numerous applications previously reserved for other laser types (eg precision drilling and cutting of copper and aluminum and other metals whose processing is linked to special pulse parameters - called titanium) or completely new applications could be achieved with such a C0 2 laser realize. c) The flexibility of the system would be extremely high, as it could handle a wide variety of tasks which, in the current state of the art, would be linked to different types of lasers. Here is the overall efficiency in the production, for example one
  • the C0 2 laser is available for a wide variety of Q-switching types with power up to one
  • Infrared by 1 ⁇ a variety of excellent suitable optical materials, e.g. Crystals or glasses, which are u.a. due to low absorption, high
  • a general problem is the limited radiation load capacity, whereby not primarily the destruction of the component by too high
  • the interference - decoupling element in the range of higher average power to the power sensitivity of the crucial component, the interference - decoupling element.
  • Pulse peak power relative to the cw power of the laser with a very high pulse repetition rate The problem of radiation exposure is not solved here either. Because of the significantly better optical properties of Ge compared to CdTe, the Q-switching of C0 2 lasers by means of acousto-optic modulators based on Ge is of interest. In DE 112008001338 T5 such a laser is described. Special arrangements in the
  • the aim of the arrangement according to the invention is to C0 2 laser conventional design, especially lasers used in material processing such as slow or fast lijnsgeströmte systems, but also those with stationary gas filling to modify so that completely novel ways of fast
  • Radiation pulses result, which are characterized by a very wide range of parameters, in particular on the one hand the timing down to the ns range and on the other hand, a power range, with peak pulse powers up to the order of 100 kW and in the average power up to the kW range.
  • a beam through the polarization beam splitter is not kinked only if its two major surfaces are exactly orthogonal to the beam.
  • angled polarization beam splitter is a twofold bend of the beam, wherein the beam path on the two sides (exit or entrance) is parallel to each other.
  • Pressure range to a maximum of about 0.1 bar, so that cw operation is possible by appropriate pumping power, and with respect to conventional C0 2 laser resonators, which by a highly reflective end mirror on the one and a decoupling element at the other end of the active medium are modified
  • a resonator characterized in that between the one end of the active medium and a first resonator end mirror of high reflectivity, which is preferably greater than 99%, a ⁇ / 4 phase shifter and between the other end of the active medium and a second Resonatorendador high reflectivity , which is also preferably greater than 99%, a polarization beam splitter is arranged and the
  • Polarization beam splitter one from the direction of the active medium impinging on him beam with any
  • Polarization divides into a linearly polarized outcoupling beam of power P A and a
  • the ⁇ / 4 phase shifter or the polarization beam splitter are rotatably mounted around the resonator axis, so that by setting a freely selectable angle ⁇ between a characteristic axis of the ⁇ / 4 phase shifter, which is perpendicular to the resonator axis , and a characteristic axis of the polarization beam splitter which is also perpendicular to the resonator axis, any desired power ratio P A / PR
  • Resonatorendspiegel ie in the feedback branch of
  • Resonator elements for beam shaping, in particular
  • the active medium can only in the area between the first Resonatorendapt and the
  • the electrodes are typically electrical electrodes.
  • the polarization beam splitter may be a ZnSe-based thin film polarizer arranged at Brewster angle a B to the resonator axis 11.
  • In the feedback branch of the resonator can be a
  • In the feedback branch of the resonator can be a
  • a telescope preferably of Galilei type, be arranged for adjusting the beam diameter D to the free opening d of the acousto-optic modulator, wherein the ratio D / d is preferably between 1.2 and 5, and that two absorbers intercept the beam components, which are bent out of the resonator beam path when a switching voltage is applied to the acousto-optic modulator.
  • acousto-optic modulator diffracted beam can be reflected from the second Resonatorendspiegel and as
  • Interference laser radiation modulator so be arranged at a small angle ⁇ its optical axis to the direction of the Wegzukoppelnden beam that reflected by him radiation components from the
  • the feedback branch of the resonator can optionally
  • Prisms preferably Doppelbrewster prisms of ZnSe or NaCl, or interference filters are used as wavelength-selective elements.
  • the resonator can be a Kepler-type telescope with intermediate focus and a
  • the second resonator end mirror may be a preferably fast tilt mirror and, between the latter and the polarization beam splitter, optionally a telescope, preferably of the Galilean type, for adapting the
  • Beam diameter D be arranged at the free opening d of the fast tilting mirror, wherein the ratio D / d is preferably between 1.2 and 10.
  • Power modulation elements can be either Galilei or Kepler telescopes in lens design or Galilei regarding. Kepler telescopes in mirror design or
  • Combinations of a collective lens or a Be collecting mirror with a second Resonatorendspiegel be suitable curvature.
  • the laser can be forced to work on a fixed, but freely selectable line of the rotational oscillation spectrum of the C0 2 laser in the range 9 ⁇ ⁇ ⁇ 11 ⁇ , the properties of the other optical elements of the laser , in particular the ⁇ / 4 phase shifter and the polarization beam splitter, adapted to this selected line.
  • All listed optical elements can be accommodated in a common vacuum-tight enclosure and the beam to be coupled out through a window of transparent material, preferably of ZnSe leaves the laser.
  • a material processing system can in the beam path between the laser output and the
  • the transmitted beam runs as a power-regulated beam in the direction of the workpiece and the reflected beam optionally one
  • Absorber / detector for destruction or for on-line measurement is supplied.
  • an acousto-optic modulator can be integrated with the proviso that the deflected beam as a power-regulated beam in the direction of workpiece (33) runs, while the non-deflected beam either an absorber / detector for destruction or on- line measurement is supplied, optionally between the
  • Modulator Elements for beam shaping e.g. a telescope and / or a special aperture, optionally arranged.
  • the basic idea of the solution according to the invention consists in modifying the usually used basic structure of the laser resonator with a 100% level at the one and the decoupling element at the other end of the system so that the resonator is subdivided into a high-power branch, which i.a. is formed by the active medium and a special decoupling element, and in a low-power feedback branch, u.a the
  • Feedback branch is a polarization beam splitter.
  • a thin film polarizer (TFP) based on ZnSe can be used for this purpose.
  • the latter is characterized in that the TFP is brought into the beam path at the Brewster angle a B and, as a result of the special coating, an incident beam of power P 0 is split so that its portion of the power P p polarized parallel to the plane of incidence of the TFP is fully transmitted and its polarized perpendicular to the plane of incidence
  • the TFP will be around in the place of the usual
  • Auskoppelspiegels positioned and also serves in the laser according to the invention as a decoupling element, ie either the TFP reflected or the transmitted beam is coupled out and leaves the resonator.
  • the other sub-beam is used for the resonator feedback, which is achieved, for example, by an adjustable 100% mirror, which sends the beam back into itself can be.
  • the beam path between this mirror and the TFP forms the said low-power feedback branch, in which any elements for the power control of the laser can be arranged.
  • a second central idea of the invention is devoted to the problem of how the power ratio P p / P s can be set as flexibly as possible, so that the laser modified in each case according to the invention corresponds to the gain of its active medium in accordance with its basic properties, in particular its performance the respective desired goal of the novel to be achieved
  • Parameter in particular special pulse parameters, is adjustable to the optimum. This is achieved by the targeted influencing of the polarization properties of the radiation generated in the laser by "at the other end" of the resonator, in front of the existing end mirror with about 100% reflectivity, a device with a phase shift of ⁇ / 4 per passage is arranged. For high-performance C0 2 laser one will be doing in the
  • each of these two beams can be considered a laser beam
  • the laser is to be operated without additional elements for power modulation, i. the beam transmitted at the TFP falls directly on the second 100% end mirror S2, where it is exactly in itself
  • Forming the known axial mode structure leads.
  • the two waves are also linear in the laser according to the invention, but polarized perpendicular to each other, so that no interference and thus no axial mode structure occurs.
  • the laser according to the invention has a very simple and flexible at the same time
  • the ⁇ / 4 phase shifter is rotatable about its beam axis, which in this case is the axis of the beam incident thereon from the direction of the active medium.
  • the phase shifter is rotated against its "ideal" position, no linear, but a more or less elliptically polarized one runs
  • the main application of the C0 2 laser according to the invention are applications requiring a fast
  • Interference laser radiation modulators the simple chopper disk and fast oscillating
  • EOM electro-optical modulators
  • Pulse repetition frequency off While in the visible and near infrared spectral range, many very suitable crystals for electro-optical
  • Wavelength range of C0 2 laser practically limited exclusively to commercially available CdTe modulators.
  • CdTe modulators By their compared to ZnSe substantially less favorable optical properties, in particular their relatively high absorption, these modulators
  • the laser according to the invention offers here by its special
  • Beam diameter e.g. with help of a
  • the switching or modulation function then runs as follows.
  • Resonator beam path out and intercepted by an absorber i. the feedback goes to zero. Radiation generation stops at the moment that it generates
  • AOM acousto-optic modulators
  • Modulators based on the acousto-optic effect are usually made of crystals for C0 2 lasers. These are, as well as CdTe, in their allowable load capacity, which is given by the requirement that the beam path in the resonator must remain largely unaffected even with changing loads, for example, when varying the laser power, significantly limited. 100 W / cm 2 should not be exceeded.
  • the principle of the laser according to the invention provides the way out. Since AOM is limited in its free opening analogous to the EOM, the basic structure is described in a) similar, ie a telescope is used and to the position of the EOM comes the AOM. The free laser function is typically given again for the stress-free AOM. The shutdown of the laser, so the reduction of the feedback below the threshold, can be achieved by
  • Modulation frequencies in the MHz range can be realized.
  • Advantages of the AOM use are u.a. the higher robustness and optical homogeneity of Ge compared to CdTe, the lower
  • Modulators of this type are based on the principle of the Fabry-Perot interferometer (FPI) and are typically equipped with two ZnSe plates as optically active elements. Because of the very favorable features of ZnSe and its great Range of application in C0 2 laser technology offers ILM the advantage that on the one hand they can be easily adapted to the intracavity beam diameter, so that in general no additional telescopes are required, and on the other hand the radiation load capacity is significantly higher than for CdTe and Ge. As a result, with such modulators and multi-kW laser of
  • ILMs operate as variable beam splitters, i.
  • the incident laser power becomes practical
  • Pulse repetition frequencies up to the order of 10 Hz. Since ILM modulators can be loaded with up to several 100 W, average laser output powers of several kW can be achieved.
  • Invention can also be simple mechanical
  • Tilting mirror be used advantageously.
  • a Kepler telescope with a sharp intermediate focus can be placed in the feedback branch, and at this point, this focus can be switched by means of a rapidly rotating perforated or slotted disk in short times in the ⁇ range, depending on the number and arrangement of the free openings on the disk and Their rotational speed can be a very efficient implementation of the available average power of the laser in pulse with high power increase at
  • Pulse repetition frequencies up to several 10 kHz and typical pulse durations in the ⁇ range can be achieved. Again, the low affects
  • Radiation intensity in the feedback branch favorable: When generating powerful pulses, the switching edges of the rotating Disc exposed to high intensities, which in conventional lasers can lead to Abtragsreaen and thus a relatively rapid destruction of the sharp switching edges, while this is avoided in the laser according to the invention.
  • the laser according to the invention due to its special resonator structure a very specific mode of operation -
  • Start radiation beam starts at the end of the active medium, which is at the TFP, and moves towards the interior of the active medium, ie in the direction of the ⁇ / 4 phase shifter.
  • the bundle is amplified, its unpolarized state, which is typical of the spontaneously emitted start radiation beam, remains practically preserved.
  • This also changes the path section phase shifter - 100% end mirror - phase shifter nothing, because here all radiation components are rotated equally by 90 °, so the bundle remains unpolarized.
  • After further amplification during the second pass through the active medium it now strikes the TFP and is essentially split into two equally strong sub-beams, which are polarized linearly but perpendicular to one another. One of them is decoupled, the other fed back. The latter now runs again in the direction of ⁇ / 4 phase shifter through the active medium, but is significantly modified in its properties compared to the start radiation beam: First, it is linearly polarized and has secondly through induced emission already a much higher
  • Resonator it is further amplified and - which is crucial for the self-oscillation - at
  • Pulse repetition frequency f imp of fimp c / 4L, where c is the speed of light. For typical resonator lengths of several meters arise
  • Pulse repetition frequencies in the order of 10 MHz.
  • the prerequisite is that the population inversion in the active medium by the quadruple passage of the
  • the C0 2 laser according to the invention offers a further attractive advantage in practical use in one
  • metals are processed, which reflect or scatter a significant portion of the incident radiation. Since this radiation is usually directed by the focusing element very well in parallel back towards the laser and through the
  • Decoupling element can penetrate into the resonator, the intracavity radiation generation is significantly disturbed, resulting in a deterioration of the
  • Laser radiation passes in the direction of the workpiece, but absorbs returning portions.
  • the effect of the ATFR mirror is inherent in the laser in the form of the polarization beam splitter.
  • the beam leaves the laser linearly polarized. Passing twice on a ⁇ / 4-phase retarder mirror on the way to and from the workpiece, its polarization plane is rotated by 90 °, so it is automatically on impact with the polarization beam splitter from the
  • Resonator beam path is deflected and can be intercepted by an absorber.
  • temperature-sensitive component itself absorbed, but deflected out of the beam path in the desired manner and fed to a suitable absorber.
  • Laser power vary. Usually this is done via an intervention in the laser process itself, i.a. via a variation of the pump energy supply. However, this will affect the beam quality, i. the K-number changes with the retrieved performance, resulting in a reduced processing quality.
  • external modulators which, while maintaining the beam quality, are a variation of the
  • the laser according to the invention has for a certain selected parameter set, e.g. Pulse duration,
  • acousto-optic and interference laser radiation modulators which can each be placed in the vicinity of the laser output and further beam shaping measures, if necessary, z, B.
  • the above-discussed radiation decoupling Läse - workpiece do not disturb.
  • the AOM it is convenient to use the diffracted beam as a processing beam, since it can be regulated in its power from 0 to the maximum value.
  • the undeflected portion can either be destroyed by an absorber or, for example, be supplied to a detector for on-line control of the laser power.
  • beam-shaping elements are provided for optimally adapting the radiation field coming from the laser to the modulator.
  • the ILM can be integrated into the beam path without such additional elements, since the free diameter of the interferometer plates can easily be adapted to the laser radiation.
  • the FPN plates made of ZnSe can be loaded with several hundred watts of radiant power, without a deterioration of the beam quality in the transmitted beam, which will typically be used as a processing beam occurs.
  • the unused reflected portion can either be destroyed by an absorber or used for on-line control.
  • FIG. 1 Schematic representation of the C0 2 laser according to the
  • FIG. 2 Basic arrangement of a ⁇ / phase retarder mirror (PRS) as ⁇ / phase shifter
  • PRS phase retarder mirror
  • FIG. 3 The Functioning of a ZnSe-based Thin-Film Polarizer (TFP)
  • Figure 8 arrangement variant for fast
  • FIG. 9 Arrangement variant for pulse generation by means of
  • Chopper disk Figure 10 Arrangement variant for pulse generation by means of
  • FIG. 11 Radiation decoupling laser - workpiece
  • FIG. 12 For external power control of the
  • FIG. 13 Vacuum-tight enclosure at the coupling-out end of the
  • FIG. 1 shows in a highly schematic manner the basic structure of the C0 2 laser according to the invention. It does not play at first Role, which concrete geometrical conditions, in particular with regard to the active medium 1,
  • the resonator is terminated at both ends by a highly reflective mirror 3 and 4 respectively.
  • the resonator is transformed into a high power branch, which i.a. contains the active medium 1, and the feedback branch 14, which is characterized by relatively low power divided. This desired division is made by the
  • End mirror 4 again the polarization beam splitter 5, is amplified in the active medium 1 and passes through the ⁇ / 4 phase shifter 2. Depending on which angle ⁇ now
  • Polarization beam splitter 5 and a characteristic axis 12 of the ⁇ / 4 phase shifter 2 has been set, this can change the polarization state of the incident linearly vertically polarized wave. In the first special case it remains unchanged, in the second special case it will be circular, in the general case elliptical.
  • low power can now different elements for beam shaping 15, in particular elements for fast Power modulation and / or wavelength selection and, for example, suitable spatial filter to ensure the high beam quality of the laser to be integrated.
  • elements for beam shaping 15 in particular elements for fast Power modulation and / or wavelength selection and, for example, suitable spatial filter to ensure the high beam quality of the laser to be integrated.
  • FIG. 2 A favorable practical solution for the ⁇ / phase shifter 2 is illustrated in FIG. 2, namely the use of a ⁇ / 4-phase retarder mirror (PRS) 16. These mirrors are also suitable for high powers in the kW range.
  • PRS 4-phase retarder mirror
  • adjustable end mirror 3 the right image the possibility of rotation of this unit about the resonator axis 11.
  • the relative arrangement of the components must be chosen so that the angle ß both between the resonator axis 11 and the
  • Polarization reflects, so runs virtually unchanged back into the active medium. However, as shown in the picture on the right, rotate the unit by an angle ⁇
  • a decisive feature of the laser according to the invention is that, by means of the described unit, linearly polarized radiation emerging from the active medium (for example perpendicularly polarized as in FIG.
  • a thin film polarizer (TFP) 17 based on ZnSe is suitable for C0 2 lasers. Its operation is illustrated in FIG. 3.
  • a specially coated ZnSe plate is brought into the beam path at the Brewster angle a B and divides an incident beam of arbitrary polarization into a transmitted beam which is incident in the beam path
  • the TFP 17 now allows the division according to the invention of a beam 6 coming from the direction of the active medium into a powerful beam 7 to be coupled out (power P A ) and a relatively low-power backfeed
  • Beam forming which can be integrated into the feedback branch 14, is extremely low. As already described, this ratio can easily be over the
  • Angle ⁇ can be set and optimized.
  • the beam splitting at the TFP 17 can in principle be done in two ways. Either one disengages the reflected beam and uses the transmitted to the feedback or vice versa. Both variants have advantages and disadvantages, which result mainly from two properties of the TFP 17: First, the absorption for the p-component is much higher than for the s-component of the radiation and, secondly, as shown in FIG. 3, the reflectivity strongly dependent on the wavelength for the p-component.
  • the reflected beam and the transmitted one are now coupled back, one has the two advantages of firstly reflecting the strong power component as the s-component at the front side of the TFP 17 and only minimal absorption losses, and secondly the ⁇ -dependence of the transmitted one and for the Feedback competent p-component even for the laser has a function-stabilizing effect.
  • a certain disadvantage is the double passage of the back-coupling beam as a p-component, ie at a relatively high level
  • Avoidance of the oscillation unwanted laser lines makes an additional wavelength selection in the feedback path 14 is required.
  • the latter variant is shown in FIG. 4 with a grating mirror 25 as a wavelength-selective element.
  • FIG. 5 a illustrates the most important case with the TFP 17 as a beam splitter and elements 15 for power modulation in the feedback branch 14 as well as the typical polarization ratios.
  • the returning beam 43 with linearly perpendicular polarization 9 is at the ⁇ / -phase slider 2 at the first pass in radiation with weakly elliptical polarization 46 and after reflection at the end mirror 3 at the second pass in radiation with highly elliptical polarization 47th
  • FIGS. 5b) and c) illustrate the special case of self-oscillation.
  • Phase shifter 2 which is set exactly (via the angle ⁇ ), that the bundle after the first round has exactly circular polarization 49 and therefore after
  • Radiation bundle 7 depends complex on the laser parameters and can be determined only by solving the balance equations or of course experimentally.
  • FIGS. 6 to 10 show characteristic examples.
  • an EOM 18 is first inserted into the feedback branch 14 of the resonator.
  • Switching crystals e.g. from CdTe, which require high switching voltages and in their optical
  • the laser according to the invention offers significant advantages, solve the mentioned problems.
  • FIG. 7 shows a similar arrangement, but with AOM 19. Since the switching speed depends, inter alia, on the free diameter d (small d-high switching speed), these modulators are generally only available with d ⁇ 10 mm, so that in most cases the integration of a telescope Galilei type 22 is required. Since germanium, which is used as an acousto-optic crystal in C0 2 lasers, also reacts relatively sensitively to high intensities, the low power is again in the
  • FIG. 7 shows two variants of the AOM insert.
  • the feedback ie the state in which the laser operates, takes place via the directly from the AOM 19 without
  • Control signal in the direction of end mirror 4 transmitted beam When applying a control signal, so the
  • the laser can be brought below its threshold and thus completely switched off - cleaner
  • the beam 29 diffracted by the modulator upon application of a control signal is used for the feedback.
  • control signal 0 also the feedback becomes 0, thus the laser is switched off.
  • lasers with a very high gain can be used, even for very small ones
  • Wavelength selectivity inherent in the diffraction process So may, if necessary, to others
  • Wavelength-selective elements are omitted in the resonator beam path.
  • Wavelength-selective elements are omitted in the resonator beam path.
  • FIG. 8 illustrates the use of ILM 20 for rapid power control of the C0 2 laser according to the invention.
  • Overcosting beam 8 is not "chopped" at its original diameter, but in the intermediate focus of a Kepler-type telescope 23rd
  • Feedback branch 14 is in this system is that despite the sharp focus in the telescope even when generating very powerful pulses at the switching edge no sparking and thus no material removal takes place, which would greatly reduce the life of the chopper wheel 21.
  • FIG. 10 illustrates, in order to show how the lens-based telescopes can be replaced by mirror versions, a Galilean telescope consisting of a concave mirror 50 and a curving mirror 51 is used here. That through this telescope in his
  • Diameter reduced beam 8 hits the tilting mirror 52, which replaces the end mirror 4.
  • Pulse repetition frequencies are in the order of 10 4 Hz. Since this pulse repetition frequency depends on the mass of the tilting mirror 52 and thus its diameter, the reduction of the bundle diameter makes sense. Again, the low power in the feedback path 14 is extremely advantageous because very small mirror diameter in the order mm and thus very high pulse repetition frequencies without risk
  • Polarization beam splitter in Figure 11 so the TFP 17, can automatically fulfill. After passing through the external ⁇ / 4-phase shifter 34 twice that is from the
  • FIG. 12 illustrates two possibilities that can be used in conjunction with the C0 2 laser according to the invention.
  • FIG. 12a shows the use of an ILM 54 for external power modulation.
  • the beam 35 coming from the laser is split by the ILM 54 into the power-regulated transmitted beam 59, which is fed to the workpiece 33, and into the reflected beam 58, with the remaining power.
  • the latter is in the component 55, the optional one
  • Absorber or a radiation detector can be either destroyed or used for on-line monitoring.
  • ILM in its relatively high radiation load capacity, but the modulation speed is limited to typical times in the range 10 to 100 ⁇ .
  • the achievable maximum-minimum modulation range of the power depends on the interferometer plates used. Allow typical ILM models Attenuation of the laser beam 35 by factors between 10 and 100.
  • the i.a. optical elements for beam shaping 56 e.g. a telescope for adjusting the beam diameter and a special aperture for securing the beam quality
  • the diffracted beam is supplied to the workpiece 33 as a power-regulated beam 59.
  • the residual beam 58 is selectively destroyed or measured again in an absorber / detector 55.
  • Another advantage of this arrangement is the fact that the beam 59 can be attenuated as much as desired, in the minimum to 0 W.
  • the controllable power is limited.
  • FIG. 13 shows in a highly schematized form a factor which is important for the practical realization of the C0 2 laser according to the invention.
  • the entire system should be housed in a vacuum-tight enclosure 31.
  • FIG. 12 shows this for the laser end with the
  • the outgoing beam 7 leaves the laser through the window 32 of transparent material, preferably of ZnSe.
  • the elements at the other end of the resonator, ie the ⁇ / 4-phase retarder mirror 16 and the end mirror 3 are to be included in the enclosure.
  • the entire vacuum-tight enclosure 31 can be connected to the volume of the active medium 1.
  • EOM Electro-Optical Modulator

Abstract

The invention relates to a CO2 laser which allows for rapid power modulation, particularly highly efficient Q-switching. The key concept is the sub-division of the resonator into a high-power branch, containing inter alia the active medium (1), and a low-power feedback branch (14), in which the power-sensitive beam-shaping elements, particularly the modulators, are arranged. This is made possible by a suitable arrangement of a polarisation beam splitter (5) and a λ/4-phase shifter (2). The free adjustability of an angle φ between said two components permits the extremely flexible realisation of various operating modes, particularly optimisation of the feedback degree during pulse generation.

Description

C02-Laser mit schneller Leistungssteuerung C0 2 laser with fast power control
Für die Feinbearbeitung (Präzisionsbearbeitung) For fine machining (precision machining)
unterschiedlichster Materialien mit Lasern wird in der weitaus größten Zahl der Anwendungsfälle gepulste different materials with lasers is pulsed in the vast majority of applications
Strahlung eingesetzt. Das betrifft alle typischen Radiation used. This concerns all typical ones
Materialbearbeitungslaser gleichermaßen. Anwendungsfälle sind z.B. das Schneiden, Bohren und der definierte Material processing laser alike. Use cases are e.g. the cutting, drilling and the defined
Materialabtrag von Metallen, Keramiken, Kunststoffen usw. Material removal of metals, ceramics, plastics etc.
Moderne Festkörperlasersysteme (diodengepumpte Nd:YAG- Laser, Scheibenlaser, Faserlaser, Ti : Saphir-Laser u.a.) zeichnen sich durch in weiten Grenzen variable Pulsbarkeit aus (von 100 fs über ps und ns bis in den ts-Bereich) , liegen aber im Hinblick auf die Kosten und vor allem die langjährige Erfahrung im industriellen Einsatz noch wesentlich hinter dem C02-Laser zurück. Ein wesentlicher prinzipieller Nachteil aller bisher zur Verfügung Modern solid-state laser systems (diode-pumped Nd: YAG lasers, disk lasers, fiber lasers, Ti: sapphire lasers, etc.) are characterized by wide-ranging variable pulsability (from 100 fs over ps and ns to the ts range), but are in view on the costs and above all the long-term experience in the industrial employment still far behind the C0 2 -Laser back. An essential principle disadvantage of all available so far
stehenden kommerziellen, für die Materialbearbeitung geeigneten C02-Laser ist jedoch ihre begrenzte schnelle LeistungsSteuerung und damit verbunden ihre begrenzte Pulsbarkeit. Grenzen sind vor allem dann gesetzt, wenn es darum geht, bei C02 -Hochleistungslasern mit beispielsweise cw-Ausgangsleistungen im kW-Bereich letztere möglichst effektiv in gepulste Strahlung umzusetzen. Nach wie vor gibt es keinen kommerziellen C02-Laser, der bei hoher mittlerer Leistung gepulste Strahlung abgibt mit Impulsen, die quasi-gütegeschaltete Eigenschaften haben, also However, for commercial C0 2 lasers suitable for material processing, their limited fast power control and, associated with that, their limited pulsability. Limits are mainly set when it comes to most effectively implement in C0 2 -Hochleistungslasern with, for example cw output powers in the kW range in the latter pulsed radiation. There is still no commercial C0 2 laser that emits pulsed radiation at high average power with pulses that have quasi-Q-switched properties, ie
Leistungsüberhöhungen von mindestens einem Faktor 10 gegenüber der cw-Leistung bei Impulslängen im ns- und μβ- Bereich, wobei als zusätzliche Forderungen zu erfüllen sind, dass die für die meisten C02-Laser typische, relativ gute K-Zahl (mindestens 0,6) weitgehend erhalten bleibt und eine effektive Umsetzung der potentiell zur Verfügung stehenden Leistung (cw) in mittlere Leistung des gepulsten Systems realisierbar ist. Power increases of at least a factor of 10 compared to the cw power at pulse lengths in ns and μβ- With additional requirements, the relatively good K number (at least 0.6) typical for most C0 2 lasers is largely retained and an effective conversion of the potentially available power (cw) into the mean Performance of the pulsed system is feasible.
Die Ausrüstung einer Materialbearbeitungsanlage mit einem solchen C02-Laser würde einen großen technologischen The equipment of a material processing plant with such a C0 2 laser would be a great technological
Sprung bedeuten unter mehreren Aspekten: a) Die bisher mit dem C02-Laser realisierten Anwendungen ließen sich noch effizienter durchführen. b) Zahlreiche, bisher anderen Lasertypen vorbehaltene Applikationen (z.B. das Präzisionsbohren und -schneiden von Kupfer und Aluminium und anderen Metallen, deren Bearbeitung an spezielle Impulsparameter gebunden ist - genannt sei Titan) bzw. völlig neue Anwendungen ließen sich mit einem solchen C02-Laser realisieren. c) Die Flexibilität der Anlage wäre außerordentlich hoch, da an ihr unterschiedlichste Aufgaben bearbeitet werden könnten, die beim gegenwärtigen technischen Stand an verschiedene Lasertypen gebunden wären. Hier ist wieder die Gesamteffizienz bei der Fertigung z.B. eines Jump means several aspects: a) The applications that were previously realized with the C0 2 laser could be carried out even more efficiently. b) Numerous applications previously reserved for other laser types (eg precision drilling and cutting of copper and aluminum and other metals whose processing is linked to special pulse parameters - called titanium) or completely new applications could be achieved with such a C0 2 laser realize. c) The flexibility of the system would be extremely high, as it could handle a wide variety of tasks which, in the current state of the art, would be linked to different types of lasers. Here is the overall efficiency in the production, for example one
komplizierten Bauteils mit feinen Bohrungen, schwierigen Schnittkonturen u.ä. zu nennen. Ebenso relevant ist der mögliche rasche Wechsel der Werkstoffart , z.B. von Metall zu Keramik. Der Stand der Technik kann zusammengefaßt folgendermaßen charakterisiert werden. complicated component with fine holes, difficult cutting contours, etc. to call. Equally relevant is the possible rapid change of the type of material, eg from metal to ceramic. The prior art can be summarized summarized as follows.
Wegen der sehr guten Speichereigenschaften seines aktiven Mediums ist der C02-Laser für unterschiedlichste Arten der Güteschaltung mit Leistungsüberhöhungen bis zu einem Because of the very good storage characteristics of its active medium, the C0 2 laser is available for a wide variety of Q-switching types with power up to one
Faktor 100 und mehr geeignet. Demzufolge wurden bereits in den ersten zwei Jahrzehnten seiner rasanten Entwicklung von der aktiven Güteschaltung mittels einfacher Factor 100 and more suitable. As a result, in the first two decades of its rapid evolution from active Q-switching, it has become simpler
Drehspiegel über elektro- und akustooptische Modulation bis hin zur passiven Güteschaltung mittels SF6 und sogar Mode Locking in C02-TEA-Lasern (siehe W . J . itteman, „The C02 Laser", Springer-Verlag 1987) zahllose Varianten untersucht. Eine breite Übersicht findet man z.B. in: SPIE Milestone Series Vol. MS 22, „Selected Papers on C02 Lasers", ed. by James D. Evans, SPIE 1990. Auf Grund dieser Tatsache erscheint es im ersten Moment Rotating mirrors on electro- and acousto-optical modulation up to passive Q-switching with SF 6 and even mode locking in C0 2 TEA lasers (see W. Jitman, "The C0 2 Laser", Springer-Verlag 1987) investigated countless variants. A broad overview can be found eg in: SPIE Milestone Series Vol. MS 22, "Selected Papers on C0 2 Lasers", ed. By James D. Evans, SPIE 1990. Because of this fact, it appears at first
verwunderlich, dass praktisch keine dieser Methoden in C02-Lasern für die Materialbearbeitung breite Anwendung gefunden hat. Sie blieben ein interessanter Gegenstand der Grundlagenforschung bis hin zu riesigen Anlagen für It is surprising that practically none of these methods has been widely used in C0 2 lasers for material processing. They remained an interesting subject of basic research up to huge facilities for
Untersuchungen zur lasergesteuerten Kernfusion, spielten aber in der industriellen Anwendung nur in Nischen eine Rolle. Investigations on laser-controlled nuclear fusion, but only played a role in industrial applications in niches.
Im Gegensatz dazu hat sich die simple, aber In contrast, the simple one has, though
funktionssichere und billige Methode der Pulsung von C02- Lasern über die Gasentladung durchgesetzt, die praktisch in jedem Materialbearbeitungslaser genutzt wird, obwohl sie gravierende Schwächen wie geringe Leistungsüberhöhung der erzeugten Impulse, relativ große Impulsdauern und geringe Pulsfolgefrequenzen besitzt. Demzufolge ist der für zahllose Applikationen wichtige Kurzpulsbereich (με und darunter) fast ausschließlich durch die oben genannten Festkörperlasersysteme besetzt. Die Ursache dafür liegt weniger in den Verstärkungseigenschaften des aktiven functionally reliable and cheap method of pulsing of C0 2 lasers prevailed over the gas discharge, which is used in virtually every material processing laser, although they have serious weaknesses such as low power overshoot of the generated pulses, relatively large pulse durations and has low pulse repetition frequencies. Consequently, the short-pulse range (με and below), which is important for countless applications, is almost exclusively occupied by the abovementioned solid-state laser systems. The reason for this is less in the reinforcing properties of the active
Mediums, als vielmehr in den Wellenlängen begründet. Medium, rather than in the wavelengths justified.
Während es für die Laser im Sichtbaren und im Nahen While it is for the lasers in the visible and in the near
Infrarot um 1 μπι eine Vielzahl hervorragend geeigneter optischer Materialien, z.B. Kristalle oder Gläser, gibt, die sich u.a. durch geringe Absorption, hohe Infrared by 1 μπι a variety of excellent suitable optical materials, e.g. Crystals or glasses, which are u.a. due to low absorption, high
Strahlungsbelastbarkeit, große elektro- und elastooptische Konstanten und ausgezeichnete Möglichkeiten zur  Radiation resistance, large electro- and elasto-optical constants and excellent possibilities for
Bearbeitung und Beschichtung auszeichnen, ist das Distinguish processing and coating, that is
Materialspektrum bei Wellenlängen um 10 μπι stark Material spectrum at wavelengths by 10 μπι strong
eingeschränkt, insbesondere wenn es um spezielle restricted, especially when it comes to special
Eigenschaften geht wie den elektrooptischen Effekt, der praktisch auf CdTe beschränkt ist, oder um gute  Properties goes like the electro-optic effect, which is practically limited to CdTe, or good
akustooptische Eigenschaften, die nur Ge in der acoustooptic properties that are only in the Ge
gewünschten Weise besitzt. Ein generelles Problem ist die begrenzte Strahlungsbelastbarkeit, wobei nicht in erster Linie die Zerstörung des Bauteils durch zu hohe owns desired way. A general problem is the limited radiation load capacity, whereby not primarily the destruction of the component by too high
Intensitäten zu sehen ist, sondern die bereits weit vor der Zerstörungsschwelle auftretenden und insbesondere an das relativ hohe dn/dT (Brechzahländerung pro Intensities can be seen, but the already occurring well before the destruction threshold and in particular to the relatively high dn / dT (refractive index change per
Temperaturänderung) dieser Werkstoffe gebundenen optischen Effekte, die zu Deformationen der Wellenfront führen und vor allem bei Anwendungen innerhalb des Laserresonators, also z.B. bei der Güteschaltung, inakzeptabel sind, da sie eine stark leistungsabhängige Strahlqualität des Lasers zur Folge haben. Einen vielversprechenden Ansatz zur optimalen Umsetzung der potentiell in einem C02-Laser zur Verfügung stehenden Leistung in intensive Strahlungsimpulse lieferte die Auskoppelmodulation mittels Interferenz-Auskoppelelement (siehe Schindler, K.; Staupendahl, G. : „Ein neuartiger C02 -Impulslaser für die Materialbearbeitung", Jahrbuch LASER (3. Ausgabe), Hrsg. H. Kohler, Vulkan-Verlag 1993, S. 9 - 14 und DDR-Patent WP H 01 S/ 286 072 5 (1986) „Anordnung zur Wellenlängenselektion und internen Temperature change) of these materials bound optical effects that lead to deformation of the wavefront and especially in applications within the laser resonator, eg in the Q-switching, are unacceptable because they have a strong performance-dependent beam quality of the laser result. A promising approach to optimally convert the power that is potentially available in a C0 2 laser into intense radiation pulses was provided by the outcoupling modulation by means of an interference decoupling element (see Schindler, K., Staupendahl, G.: "A novel C0 2 -pulse laser for material processing ", Yearbook LASER (3rd Edition), ed. H. Kohler, Vulkan-Verlag 1993, pp. 9-14 and GDR Patent WP H 01 S / 286 072 5 (1986)" Arrangement for wavelength selection and internal
Leistungsmodulation der Strahlung von Hochleistungs-C02 - Lasern") . Auch hier scheiterte jedoch die Power modulation of the radiation of high-performance C0 2 - lasers "). Again, however, failed
industrietaugliche Umsetzung in den Bereich höherer mittlerer Leistungen an der Leistungsempfindlichkeit des entscheidenden Bauteils, des Interferenz - Auskoppelelementes. industrial implementation in the range of higher average power to the power sensitivity of the crucial component, the interference - decoupling element.
Wegen der hohen Praxisrelevanz ist die Realisierung optimal gepulster C02-Laser nach wie vor eine wichtige Zielstellung der Laserentwicklung, so dass im letzten Jahrzehnt wieder Patentschriften zu dieser Problematik erschienen sind. Im US-Patent Nr. 6,826,204 wird z.B. ein gepulster C02-Laser für die Materialbearbeitung mit einem elektrooptischen CdTe-Güteschalter beschrieben. Für das Grundproblem der möglichst geringen Strahlungsbelastung des Güteschalters bei möglichst hohen mittleren Laser- Ausgangsleistungen, die für eine effiziente Because of the high practical relevance, the realization of optimally pulsed C0 2 lasers is still an important goal of laser development, so that patents on this problem have appeared again in the last decade. For example, US Pat. No. 6,826,204 describes a C0 2 pulsed laser for material processing with a CdTe electro-optical Q-switch. For the basic problem of the lowest possible radiation load of the Q-switch with the highest possible average laser output power, which is responsible for efficient
Materialbearbeitung besondere Bedeutung besitzen, gibt es in der Patentschrift keine Lösung. Ähnlich verhält es sich mit einer Folgeschrift vom gleichen Anmelder, der US 7,058,093. Hier wird das Prinzip der elektrooptischen Güteschaltung mittels CdTe-Modulator mit dem Prinzip einer speziellen Leistungsauskopplung, dem cavity dumping, verknüpft. Ziel ist hier die Erzielung von Impulszügen mit möglichst starker Überhöhung der Material processing have special significance, there is no solution in the patent. The situation is similar with a subsequent publication by the same applicant, US Pat. No. 7,058,093. Here is the principle The electro-optical Q-switching using CdTe modulator with the principle of a special power extraction, the cavity dumping linked. The goal here is the achievement of pulse trains with the highest possible increase of the
Impulsspitzenleistung relativ zur cw-Leistung des Lasers bei gleichzeitig sehr hoher Impulsfolgefrequenz. Das Problem der Strahlungsbelastung wird auch hier nicht gelöst . Wegen der wesentlich besseren optischen Eigenschaften von Ge im Vergleich zu CdTe ist auch die Güteschaltung von C02 -Lasern mittels akustooptischer Modulatoren auf GeBasis von Interesse. In der DE 112008001338 T5 wird ein solcher Laser beschrieben. Spezielle Vorkehrungen im Pulse peak power relative to the cw power of the laser with a very high pulse repetition rate. The problem of radiation exposure is not solved here either. Because of the significantly better optical properties of Ge compared to CdTe, the Q-switching of C0 2 lasers by means of acousto-optic modulators based on Ge is of interest. In DE 112008001338 T5 such a laser is described. Special arrangements in the
Resonatordesign zur Realisierung hoher mittlerer Resonator design for the realization of high medium
Ausgangsleistungen bei gleichzeitig guter Strahlqualität zeigt die Patentschrift nicht.  Output power at the same time good beam quality does not show the patent.
Ziel der erfindungsgemäßen Anordnung ist es, C02-Laser herkömmlicher Bauart, insbesondere Laser, die in der Materialbearbeitung eingesetzt werden wie langsam oder schnell längsgeströmte Systeme, aber auch solche mit stationärer Gasfüllung, so zu modifizieren, dass sich völlig neuartige Möglichkeiten der schnellen The aim of the arrangement according to the invention is to C0 2 laser conventional design, especially lasers used in material processing such as slow or fast längsgeströmte systems, but also those with stationary gas filling to modify so that completely novel ways of fast
Leistungssteuerung, speziell der Erzeugung von Power control, especially the generation of
Strahlungsimpulsen, ergeben, die durch einen sehr breiten Parameterbereich charakterisiert sind, insbesondere einerseits der zeitlichen Steuerung bis hinunter in den ns -Bereich und andererseits einen Leistungsbereich, der bei Pulsspitzenleistungen bis in die Größenordnung 100 kW und in der gemittelten Leistung bis in den kW-Bereich reicht . Radiation pulses result, which are characterized by a very wide range of parameters, in particular on the one hand the timing down to the ns range and on the other hand, a power range, with peak pulse powers up to the order of 100 kW and in the average power up to the kW range.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den Gegenständen der This task is solved with the objects of the
Patentansprüche . Claims.
Sofern in den Ansprüchen von einem gradlinigem oder abgeknicktem Verlauf der Resonatorachse gesprochen wird, bezieht sich dies auf die geometrische Mittenlinie in Längserstreckung des Lasers. Dies ist nicht mit dem If in the claims of a straight-line or kinked course of the resonator is spoken, this refers to the geometric center line in the longitudinal extension of the laser. This is not the case
Strahlengang zu verwechseln, denn ein Strahl durch den Polarisationsstrahlteiler wird nur dann nicht abgeknickt, wenn seine beiden Hauptflächen exakt orthogonal zu dem Strahl stehen. Bei zum (durchlaufenden) Strahl  A beam through the polarization beam splitter is not kinked only if its two major surfaces are exactly orthogonal to the beam. At the (passing) beam
abgewinkeltem Polarisationsstrahlteiler erfolgt eine zweifache Abknickung des Strahls, wobei der Strahlverlauf auf den beiden Seiten (Austritt bzw. Eintritt) zueinander parallel ist. Im Einzelnen bestehen verschiedene Möglichkeiten der Ausführung und diese werden folgend als nicht- limitierenden Varianten beschrieben, wobei einige oder alle technisch sinnvollerweise miteinander kombinierbaren Merkmale miteinander kombiniert werden können. angled polarization beam splitter is a twofold bend of the beam, wherein the beam path on the two sides (exit or entrance) is parallel to each other. In detail, there are various possibilities of execution and these are described below as non-limiting variants, with some or all technically useful mutually combinable features can be combined.
So wird die Erfindung auch gelöst mit einem mit einem C02 Laser mit aktiven Medium im niedrigen oder mittleren Thus, the invention is also solved with a C0 2 laser with active medium in the low or medium
Druckbereich bis maximal ca. 0,1 bar, so dass cw-Betrieb durch entsprechende Pumpenergiezufuhr möglich ist, und mit einem gegenüber herkömmlichen C02-Laser-Resonatoren, welche durch einen hochreflektierenden Endspiegel an dem einen und ein Auskoppelelement an dem anderen Ende des aktiven Mediums charakterisiert sind, modifizierten Pressure range to a maximum of about 0.1 bar, so that cw operation is possible by appropriate pumping power, and with respect to conventional C0 2 laser resonators, which by a highly reflective end mirror on the one and a decoupling element at the other end of the active medium are modified
Resonator, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen dem einen Ende des aktiven Mediums und einem ersten Resonatorendspiegel hoher Reflektivität , welche vorzugsweise größer als 99% ist, ein λ/4 -Phasenschieber und zwischen dem anderen Ende des aktiven Mediums und einem zweiten Resonatorendspiegel hoher Reflektivität , welche ebenfalls vorzugsweise größer als 99% ist, ein Polarisationsstrahlteiler angeordnet ist und der A resonator, characterized in that between the one end of the active medium and a first resonator end mirror of high reflectivity, which is preferably greater than 99%, a λ / 4 phase shifter and between the other end of the active medium and a second Resonatorendspiegel high reflectivity , which is also preferably greater than 99%, a polarization beam splitter is arranged and the
Polarisationsstrahlteiler einen aus Richtung des aktiven Mediums auf ihn auftreffenden Strahl mit beliebiger  Polarization beam splitter one from the direction of the active medium impinging on him beam with any
Polarisation aufteilt in einen linear polarisierten auszukoppelnden Strahl der Leistung PA und einen Polarization divides into a linearly polarized outcoupling beam of power P A and a
rückzukoppelnden Strahl der Leistung PR mit ebenfalls linearer, aber senkrecht zur Polarisation des . back-coupled beam of power P R with also linear, but perpendicular to the polarization of the.
auszukoppelnden Strahles stehender Polarisation, wobei der λ/4 -Phasenschieber oder der Polarisationsstrahlteiler oder beide drehbar um die Resonatorachse gelagert sind, so dass durch Einstellen eines frei wählbaren Winkels φ zwischen einer charakteristischen Achse des λ/ 4 -Phasenschiebers, die senkrecht auf der Resonatorachse steht, und einer charakteristischen Achse des Polarisationsstrahlteilers, die ebenfalls senkrecht auf der Resonatorachse steht, ein beliebiges gewünschtes Leistungsverhältnis PA/ PR the polarization beam to be coupled out, wherein the λ / 4 phase shifter or the polarization beam splitter are rotatably mounted around the resonator axis, so that by setting a freely selectable angle φ between a characteristic axis of the λ / 4 phase shifter, which is perpendicular to the resonator axis , and a characteristic axis of the polarization beam splitter which is also perpendicular to the resonator axis, any desired power ratio P A / PR
eingestellt werden kann und dass zwischen dem can be adjusted and that between the
Polarisationsstrahlteiler und dem zweiten Polarization beam splitter and the second
Resonatorendspiegel, also im Rückkoppelzweig des Resonatorendspiegel, ie in the feedback branch of
Resonators, Elemente zur Strahlformung, insbesondere Resonator, elements for beam shaping, in particular
Elemente zur schnellen Leistungsmodulation und zur Wellenlängenselektion sowie Spezialblenden angeordnet werden können. Elements for fast power modulation and for Wavelength selection and special apertures can be arranged.
Das aktive Medium kann ausschließlich im Bereich zwischen dem ersten Resonatorendspiegel und dem The active medium can only in the area between the first Resonatorendspiegel and the
Polarisationsstrahlteiler eingerichtet sein. Dann ist dieser Bereich mit Gasdichten Wandungen gegen andere  Be set polarization beam splitter. Then this area with gas tight walls is against others
Bereiche des Lasers und gegen die Umgebung abgedichtet (mit Ausnahme eventueller Gaszuführ- und/oder Sections of the laser and sealed against the environment (with the exception of any Gaszuführ- and / or
Gasabführleitungen) . Gas discharge lines).
Die Elektroden sind typischerweise elektrische Elektroden. The electrodes are typically electrical electrodes.
Der Polarisationsstrahlteiler kann ein Dünnfilmpolarisator auf ZnSe-Basis sein, der unter dem Brewsterwinkel aB zur Resonatorachse 11 angeordnet ist. The polarization beam splitter may be a ZnSe-based thin film polarizer arranged at Brewster angle a B to the resonator axis 11.
Im Rückkoppelzweig des Resonators können Elemente zur (vorzugsweise schnellen) Leistungsmodulation, vorzugsweise elektrooptische oder akustooptische Modulatoren, In the feedback branch of the resonator elements for (preferably fast) power modulation, preferably electro-optical or acousto-optic modulators,
Interferenz-Laserstrahlungsmodulatoren, mechanische  Interference laser radiation modulators, mechanical
Zerhacker oder (vorzugsweise schnelle) Kippspiegel Chopper or (preferably fast) tilting mirror
angeordnet sein. Im Rückkoppelzweig des Resonators können ein be arranged. In the feedback branch of the resonator can be a
elektrooptischer Modulator sowie zwischen letzterem und dem Polarisationsstrahlteiler ein Teleskop, vorzugsweise vom Galilei-Typ, zur Anpassung des Strahldurchmessers D an die freie Öffnung d des elektrooptischen Modulators angeordnet sein, wobei das Verhältnis D/d vorzugsweise zwischen 1,2 und 5 liegt, und dass ein Absorber (26) den zurücklaufenden und bei Anlegen einer λ/4 -Wellenspannung an den elektrooptischen Modulator in seiner Polarisation um 90° gedrehten Strahl, der vom Polarisationsstrahlteiler aus dem Resonato strahlengang herausgelenkt wird, abfängt. Electro-optical modulator and between the latter and the polarization beam splitter a telescope, preferably of the Galilean type, be arranged to adjust the beam diameter D to the free opening d of the electro-optical modulator, wherein the ratio D / d is preferably between 1.2 and 5, and that an absorber (26) the returning and upon application of a λ / 4-wave voltage to the electro-optical modulator in its polarization rotated by 90 ° beam, which is deflected by the polarization beam splitter from the resonator beam path intercepts.
Im Rückkoppelzweig des Resonators können ein In the feedback branch of the resonator can be a
akustooptischer Modulator sowie zwischen letzterem und dem Polarisationsstrahlteiler ein Teleskop, vorzugsweise vom Galilei-Typ, zur Anpassung des Strahldurchmessers D an die freie Öffnung d des akustooptischen Modulators angeordnet sein, wobei das Verhältnis D/d vorzugsweise zwischen 1,2 und 5 liegt, und dass zwei Absorber die Strahlanteile abfangen, die bei Anlegen einer Schaltspannung an den akustooptischen Modulator aus dem Resonatorstrahlengang herausgebeugt werden. acousto-optic modulator and between the latter and the polarization beam splitter a telescope, preferably of Galilei type, be arranged for adjusting the beam diameter D to the free opening d of the acousto-optic modulator, wherein the ratio D / d is preferably between 1.2 and 5, and that two absorbers intercept the beam components, which are bent out of the resonator beam path when a switching voltage is applied to the acousto-optic modulator.
Der bei Anlegen einer SchaltSpannung an den When applying a switching voltage to the
akustooptischen Modulator abgebeugte Strahl kann vom zweiten Resonatorendspiegel reflektiert und als acousto-optic modulator diffracted beam can be reflected from the second Resonatorendspiegel and as
rückzukoppelnder Strahl genutzt und der nicht abgebeugte Strahlanteil von einem Absorber vernichtet werden, wobei zwischen dem Teleskop und dem akustooptischen Modulator wahlweise eine Spezialblende zur Sicherung der optimalen Strahlqualität angebracht ist. used back-coupling beam and destroyed the non-deflected beam portion of an absorber, between the telescope and the acousto-optic modulator either a special aperture to secure the optimum beam quality is attached.
Im Rückkoppelzweig des Resonators können erstens ein In the feedback branch of the resonator can firstly a
Interferenz-Laserstrahlungsmodulator so unter einem kleinen Winkel ε seiner optischen Achse zur Richtung des rückzukoppelnden Strahls angeordnet sein, dass die von ihm reflektierten Strahlungsanteile aus dem Interference laser radiation modulator so be arranged at a small angle ε its optical axis to the direction of the rückzukoppelnden beam that reflected by him radiation components from the
Resonatorstrahlengang herausgelenkt und von Absorbern abgefangen werden, und zweitens ein wellenlängenselektives Element die Funktion des Lasers auf genau einer Resonator beam path and deflected by absorbers Second, a wavelength-selective element the function of the laser on exactly one
Wellenlänge sichert . Im Rückkoppelzweig des Resonators können wahlweise Wavelength secures. In the feedback branch of the resonator can optionally
Prismen, vorzugsweise Doppelbrewsterprismen aus ZnSe oder NaCl, oder Interferenzfilter als wellenlängenselektive Elemente eingesetzt werden. Im Rückkoppelzweig des Resonators kann sich ein Teleskop vom Kepler-Typ mit Zwischenfokus befinden und eine  Prisms, preferably Doppelbrewster prisms of ZnSe or NaCl, or interference filters are used as wavelength-selective elements. In the feedback branch of the resonator can be a Kepler-type telescope with intermediate focus and a
Zerhackerscheibe mit Antriebselement so angeordnet sein, dass der rückzukoppelnde Strahl genau in diesem Chopper disc be arranged with drive element so that the rückzukoppelnde beam exactly in this
Zwischenfokus von der Zerhackerscheibe gesperrt oder freigegeben wird. Intermediate focus is locked or released by the chopper disc.
Der zweite Resonatorendspiegel kann ein vorzugsweise schneller Kippspiegel ist sein und zwischen letzterem und dem Polarisationsstrahlteiler wahlweise ein Teleskop, vorzugsweise vom Galilei-Typ, zur Anpassung des The second resonator end mirror may be a preferably fast tilt mirror and, between the latter and the polarization beam splitter, optionally a telescope, preferably of the Galilean type, for adapting the
Strahldurchmessers D an die freie Öffnung d des schnellen Kippspiegels angeordnet sein, wobei das Verhältnis D/d vorzugsweise zwischen 1,2 und 10 liegt. Die wahlweise eingesetzten Elemente zur Anpassung des Strahldurchmessers D an die freien Öffnungen d der  Beam diameter D be arranged at the free opening d of the fast tilting mirror, wherein the ratio D / d is preferably between 1.2 and 10. The optional elements used to adjust the beam diameter D to the free openings d of
Elemente zur Leistungsmodulation können entweder Galilei- bzw. Kepler-Teleskope in Linsenausführung oder Galileibzw. Kepler-Teleskope in Spiegelausführung oder Power modulation elements can be either Galilei or Kepler telescopes in lens design or Galileibzw. Kepler telescopes in mirror design or
Kombinationen aus einer Sammellinse bzw. einem Sammelspiegel mit einem zweiten Resonatorendspiegel geeigneter Krümmung sein. Combinations of a collective lens or a Be collecting mirror with a second Resonatorendspiegel be suitable curvature.
Mittels der wahlweise einsetzbaren wellenlängenselektiven Elemente kann der Laser gezwungen werden, auf einer festen, aber frei wählbaren Linie des Rotations- Schwingungsspektrums des C02-Lasers im Bereich 9 μιτι < λ < 11 μπι zu arbeiten, wobei die Eigenschaften der übrigen optischen Elemente des Lasers, insbesondere des λ/4- Phasenschiebers und des Polarisationsstrahlteilers, dieser gewählten Linie angepaßt sind. By means of the optionally usable wavelength-selective elements, the laser can be forced to work on a fixed, but freely selectable line of the rotational oscillation spectrum of the C0 2 laser in the range 9 μιτι <λ <11 μπι, the properties of the other optical elements of the laser , in particular the λ / 4 phase shifter and the polarization beam splitter, adapted to this selected line.
Alle aufgeführten optischen Elemente können in einer gemeinsamen vakuumdichten Einhausung untergebracht sein und der auszukoppelnde Strahl durch ein Fenster aus transparentem Material, vorzugsweise aus ZnSe, den Laser verläßt . All listed optical elements can be accommodated in a common vacuum-tight enclosure and the beam to be coupled out through a window of transparent material, preferably of ZnSe leaves the laser.
Bei einer erfindungsgemäßen Materialbearbeitungsanlage kann in den Strahlweg zwischen dem Laserausgang und demIn a material processing system according to the invention can in the beam path between the laser output and the
Werkstück ein Interferenz-Laserstrahlungsmodulator mit der Maßgabe integriert sein, wobei der transmittierte Strahl als leistungsregulierter Strahl in Richtung Werkstück läuft und der reflektierte Strahl wahlweise einem Workpiece an interference laser radiation modulator with the proviso be integrated, the transmitted beam runs as a power-regulated beam in the direction of the workpiece and the reflected beam optionally one
Absorber/Detektor zur Vernichtung oder zur On-line-Messung zugeführt wird. In den Strahlweg zwischen dem Laserausgang und dem Werkstück kann ein akustooptischer Modulator mit der Maßgabe integriert sein, dass der abgebeugte Strahl als leistungsregulierter Strahl in Richtung Werkstück (33) läuft, während der nicht abgebeugte Strahl wahlweise einem Absorber/Detektor zur Vernichtung oder zur On-line-Messung zugeführt wird, wobei wahlweise zwischen dem Absorber / detector for destruction or for on-line measurement is supplied. In the beam path between the laser output and the workpiece, an acousto-optic modulator can be integrated with the proviso that the deflected beam as a power-regulated beam in the direction of workpiece (33) runs, while the non-deflected beam either an absorber / detector for destruction or on- line measurement is supplied, optionally between the
Polarisationsstrahlteiler und dem akustooptischen Polarization beam splitter and the acousto-optic
Modulator Elemente zur Strahlformung, z.B. ein Teleskop und/oder eine Spezialblende, optional angeordnet sind. Modulator Elements for beam shaping, e.g. a telescope and / or a special aperture, optionally arranged.
Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, den üblicherweise eingesetzten Grundaufbau des Laserresonators mit einem 100%-Spiegel an dem einen und dem Auskoppelelement an dem anderen Ende des Systems so zu modifizieren, dass der Resonator unterteilt wird in einen Hochleistungszweig, der u.a. durch das aktive Medium und ein spezielles Auskoppelelement gebildet wird, und in einen Niederleistungs- Rückkoppelzweig, der u.a die The basic idea of the solution according to the invention consists in modifying the usually used basic structure of the laser resonator with a 100% level at the one and the decoupling element at the other end of the system so that the resonator is subdivided into a high-power branch, which i.a. is formed by the active medium and a special decoupling element, and in a low-power feedback branch, u.a the
Elemente zur schnellen Leistungssteuerung enthält. Die Leistungsverhältnisse zwischen Hoch- und Contains elements for fast power control. The performance ratios between high and low
Niederleistungszweig können dabei durch die nachfolgend erläuterten Anordnungsvarianten in weiten Grenzen variiert werden, so dass für die Steuerung auch sehr hoher Low power branch can be varied within wide limits by the arrangement variants explained below, so that for the control and very high
Leistungen nur ein kleiner Bruchteil davon, z.B. 10%, erforderlich ist. Damit können alle für die C02- Lasertechnik zwar vorhandenen, aber relativ Services only a small fraction of it, eg 10%, is required. Thus, all for C0 2 - laser technology, although existing, but relatively
leistungsempfindlichen Modulatorsysteme, z.B. power sensitive modulator systems, e.g.
akustooptische , elektrooptische oder Interferenz- Laserstrahlungsmodulatoren, für die schnelle acousto-optic, electro-optic or interference laser radiation modulators, for the fast
Leistungssteuerung, insbesondere eine effektive Power control, in particular an effective
Güteschaltung, eingesetzt werden. Die neuartige Resonatoranordnung gemäß der Erfindung soll nun detailliert beschrieben werden (vgl. auch Fig. 1). Q. be used. The novel resonator arrangement according to the invention will now be described in detail (see also Fig. 1).
Zentrales Element für die Teilung des Resonators in einen Hochleistungszweig und einen Niederleistungs-Central element for the division of the resonator into a high-power branch and a low-power
Rückkoppelzweig ist ein Polarisationsstrahlteiler. Im Falle des C02-Lasers kann dazu ein Dünnschichtpolarisator (Thin Film Polarizer - TFP) auf der Basis von ZnSe genutzt werden. Letzterer ist dadurch charakterisiert, dass der TFP unter dem Brewsterwinkel aB in den Strahlengang gebracht und infolge der speziellen Beschichtung ein einfallendes Strahlenbündel der Leistung P0 so aufgeteilt wird, dass dessen parallel zur Einfallsebene des TFP polarisierter Anteil der Leistung Pp voll transmittiert und dessen senkrecht zur Einfallsebene polarisierter Feedback branch is a polarization beam splitter. In the case of the C0 2 laser, a thin film polarizer (TFP) based on ZnSe can be used for this purpose. The latter is characterized in that the TFP is brought into the beam path at the Brewster angle a B and, as a result of the special coating, an incident beam of power P 0 is split so that its portion of the power P p polarized parallel to the plane of incidence of the TFP is fully transmitted and its polarized perpendicular to the plane of incidence
Anteil der Leistung Ps voll reflektiert wird. , d.h. es gilt Proportion of the power P s is fully reflected. ie it applies
Po = Pp + Ps wobei Verluste, z.B. durch Absorption im TFP, Po = Pp + Ps where losses, eg by absorption in the TFP,
vernachlässigt wurden. were neglected.
Der TFP wird etwa an der Stelle des sonst üblichen The TFP will be around in the place of the usual
Auskoppelspiegels positioniert und dient auch in dem Laser gemäß der Erfindung als Auskoppelelement, d.h. entweder der am TFP reflektierte oder der transmittierte Strahl wird ausgekoppelt und verläßt den Resonator. Der jeweils andere Teilstrahl wird für die Resonator-Rückkopplung genutzt, was z.B. durch einen justierbaren 100%-Spiegel , der den Strahl genau in sich zurückschickt, erreicht werden kann. Der Strahlweg zwischen diesem Spiegel und dem TFP bildet den genannten Niederleistungs-Rückkoppelzweig, in dem beliebige Elemente für die Leistungssteuerung des Lasers angeordnet werden können. Auskoppelspiegels positioned and also serves in the laser according to the invention as a decoupling element, ie either the TFP reflected or the transmitted beam is coupled out and leaves the resonator. The other sub-beam is used for the resonator feedback, which is achieved, for example, by an adjustable 100% mirror, which sends the beam back into itself can be. The beam path between this mirror and the TFP forms the said low-power feedback branch, in which any elements for the power control of the laser can be arranged.
Ein zweiter zentraler Gedanke der Erfindung widmet sich dem Problem, wie das Leistungsverhältnis Pp / Ps möglichst flexibel eingestellt werden kann, so dass der jeweils gemäß der Erfindung modifizierte Laser entsprechend seinen Grundeigenschaften, insbesondere seiner Leistung, dem gain seines aktiven Mediums, und entsprechend dem jeweils angestrebten Ziel der zu erreichenden neuartigen A second central idea of the invention is devoted to the problem of how the power ratio P p / P s can be set as flexibly as possible, so that the laser modified in each case according to the invention corresponds to the gain of its active medium in accordance with its basic properties, in particular its performance the respective desired goal of the novel to be achieved
Parameter, insbesondere spezieller Impulsparameter, auf das Optimum einstellbar ist. Dies wird durch die gezielte Beeinflussung der Polarisationseigenschaften der im Laser erzeugten Strahlung erreicht, indem "am anderen Ende" des Resonators, vor dem vorhandenen Endspiegel mit ca. 100% Reflektivität, ein Bauelement mit einer Phasenverschiebung von λ/4 pro Durchgang angeordnet wird. Für Hochleistungs- C02-Laser wird man dabei die in der Parameter, in particular special pulse parameters, is adjustable to the optimum. This is achieved by the targeted influencing of the polarization properties of the radiation generated in the laser by "at the other end" of the resonator, in front of the existing end mirror with about 100% reflectivity, a device with a phase shift of λ / 4 per passage is arranged. For high-performance C0 2 laser one will be doing in the
Lasermaterialbearbeitung bewährten λ/4 -phase-retarder- Spiegel (PRS) einsetzen. Bei entsprechender geometrischer Anordnung transformiert dieses Bauelement linear  Laser material processing proven λ / 4 phase retarder mirror (PRS) use. With an appropriate geometric arrangement, this component transforms linearly
polarisierte Strahlung nach einem Durchgang in zirkulär polarisierte Strahlung. Wird letztere nun an dem ersten Endspiegel Sl reflektiert und durchläuft den λ/4- Phasenschieber ein zweites Mal, wird die zirkulär polarized radiation after passage into circularly polarized radiation. If the latter is now reflected at the first end mirror Sl and passes through the λ / 4 phase shifter a second time, it becomes circular
polarisierte Strahlung wieder in linear polarisierte transformiert, allerdings um 90° gedreht gegenüber der ursprünglichen Richtung. Die geschilderten Eigenschaften des TFP und des λ/4- Phasenschiebers und deren Anordnung gemäß der Erfindung im Resonator gestatten nun eine Reihe neuartiger Optionen der Laserfunktion, die nachstehend detailliert diskutiert werden. polarized radiation transformed back into linearly polarized, but rotated 90 ° from the original direction. The described properties of the TFP and the λ / 4 phase shifter and their arrangement according to the invention in the resonator now allow a number of novel options of the laser function, which are discussed in detail below.
1. Der quasi-axialmodenfreie kontinuierlich arbeitende Laser 1. The quasi-axial mode free continuous laser
Wir starten die Betrachtung am TFP und nehmen an, dass ein beliebig polarisiertes Strahlenbündel aus dem Resonatorinneren, also aus Richtung des aktiven We start the examination at the TFP and assume that an arbitrarily polarized beam of rays out of the interior of the resonator, ie from the direction of the active
Mediums, auf den TFP fällt. Hier erfolgt die  Medium that TFP falls for. Here is the
geschilderte Aufspaltung in transmittierten und reflektierten Strahl, die dann beide linear und senkrecht zueinander polarisiert sind. Im Prinzip kann jeder dieser beiden Strahlen als Laserstrahl  described splitting in transmitted and reflected beam, which are then both polarized linearly and perpendicularly to each other. In principle, each of these two beams can be considered a laser beam
ausgekoppelt und der jeweils andere als  decoupled and each other as
Rückkoppelstrahl genutzt werden. U.a. wegen der in den Ausführungsbeispielen noch genauer zu diskutierenden starken Wellenlängenabhängigkeit der Eigenschaften kommerziell verfügbarer TFP auf ZnSe-Basis ist es sinnvoll, den reflektierten Strahl auszukoppeln und den transmittierten rückzukoppeln, so dass den  Feedback beam can be used. Et al Because of the strong wavelength dependence of the properties of commercially available TFP based on ZnSe, which will be discussed in more detail in the exemplary embodiments, it makes sense to decouple the reflected beam and feed it back into the transmitted one, so that the
folgenden Betrachtungen diese Option zugrunde liegt.  the following considerations underlie this option.
Zunächst soll der Laser ohne zusätzliche Elemente zur Leistungsmodulation betrieben werden, d.h. der am TFP transmittierte Strahl fällt direkt auf den zweiten 100%-Endspiegel S2, wird dort genau in sich First, the laser is to be operated without additional elements for power modulation, i. the beam transmitted at the TFP falls directly on the second 100% end mirror S2, where it is exactly in itself
zurückreflektiert, passiert ein zweites Mal (praktisch verlustfrei) den TFP und wird dann im aktiven Medium verstärkt, wobei seine von der Stellung des TFP vorgegebene Richtung der Linearpolarisation erhalten bleibt. Nach Durchlaufen des aktiven Mediums erreicht der Strahl die Kombination aus λ/4 -Phasenschieber und Sl und würde, bei entsprechender präziser Einstellung des Phasenschiebers, wieder linear polarisiert, aber um 90° gegenüber dem einlaufenden Strahl gedreht, erneut das aktive Medium, nun in entgegengesetzter Richtung, passieren. An dieser Stelle offenbart sich ein gravierender Unterschied zwischen herkömmlichen Lasern und dem Laser gemäß der Erfindung: Die im aktiven Medium hin- und rücklaufenden Wellen sind bei ersteren typischerweise in gleicher Richtung linear polarisiert, also voll interferenzfähig, was zur reflected back, happens a second time (practically lossless) the TFP and is then amplified in the active medium, whereby its predetermined by the position of the TFP direction of the linear polarization is maintained. After passing through the active medium of the beam reaches the combination of λ / 4 phase shifter and Sl and would, with a corresponding precise adjustment of the phase shifter, again linearly polarized, but rotated by 90 ° relative to the incoming beam, again in the active medium, now in opposite Direction, happen. At this point, a significant difference between conventional lasers and the laser according to the invention reveals itself: The waves traveling back and forth in the active medium are typically linearly polarized in the same direction in the same direction, that is, fully capable of interfering, which leads to
Ausbildung der bekannten axialen Modenstruktur führt. Beim Laser gemäß der Erfindung sind die beiden Wellen zwar ebenfalls linear, aber senkrecht zueinander polarisiert, so dass keine Interferenz und damit keine axiale Modenstruktur auftritt. Forming the known axial mode structure leads. Although the two waves are also linear in the laser according to the invention, but polarized perpendicular to each other, so that no interference and thus no axial mode structure occurs.
Bei Materialbearbeitungslasern wird der axialen In material processing lasers, the axial
Modenstruktur meistens nur untergeordnete Beachtung geschenkt, was aber nicht a priori gerechtfertigt ist. Da sie äußerst empfindlich (μπι-Bereich) mit der In most cases, the fashion structure is only given subordinate attention, but this is not justified a priori. Since they are extremely sensitive (μπι area) with the
Resonatorlänge gekoppelt ist, reichen bei den relativ großen Resonatorlängen von C02- Materialbearbeitungslasern bereits Resonator length coupled, rich in the relatively large resonator lengths of C0 2 - material processing lasers already
Temperaturänderungen der Größenordnung lCf2 °C aus, um die axiale Modenstruktur relevant zu verändern. DurchTemperature changes of the order lCf 2 ° C in order to change the axial mode structure relevant. By
Mittelungseffekte bleibt dies meistens unbemerkt, aber bei höchsten Genauigkeitsanforderungen stellt man fest, dass daraus sowohl Leistungs- als auch Averaging effects this usually goes unnoticed, but with the highest accuracy requirements one finds out that from it both performance and
Raumrichtungsschwankungen des Strahlbündels Room direction variations of the beam
resultieren können. Ein anderes Problem, das durch die axialen Moden, also die stehenden Wellen im Resonator, verursacht wird, ist das sogenannte „räumliche hole- burning", welches besonders bei Festkörperlasern die Ausgangsleistung des Lasers reduziert. Ursache dessen ist die periodische Intensitätsschwankung der can result. Another problem caused by the axial modes, ie the standing waves in the resonator, is the so-called "spatial hole-burning", which reduces the output power of the laser, especially in solid-state lasers, due to the periodic intensity variation of the laser
stehenden Welle zwischen 0 und einem Maximalwert mit der Periode K/2, was zu einem unvollständigen Abfragen der Besetzungsinversion über stimulierte Emission führt. Bei einem Laser ohne axiale Modenstruktur treten diese negativen Effekte nicht auf. standing wave between 0 and a maximum value with the period K / 2, which leads to an incomplete query of the population inversion via stimulated emission. In a laser without axial mode structure, these negative effects do not occur.
Der Weg des Strahlenbündels im Resonator soll nun weiter verfolgt werden. Nach der zweiten Passage durch das aktive Medium trifft es wieder auf den TFP mit dem fatalen Effekt, dass unter den bisher angenommenen und geschilderten Bedingungen der Strahl praktisch zu 100% reflektiert wird, d.h. es tritt keinerlei Rückkopplung auf, der Laserprozeß stoppt. Diese ganz spezielle Situation, die eine Spezifik des Lasers gemäß der Erfindung darstellt, wird später in der 3. Option, der sog. "Selbstoszillation" genauer diskutiert The path of the beam in the resonator should now be followed up. After the second passage through the active medium, it again encounters the TFP with the fatal effect that, under the previously accepted and described conditions, the beam is reflected to almost 100%, i. There is no feedback, the laser process stops. This very special situation, which is a specific feature of the laser according to the invention, will be discussed in more detail later in the third option, the so-called "self-oscillation"
Um die für eine „normale" Laserfunktion, sowohl In order for a "normal" laser function, both
kontinuierlich als auch gepulst, erforderliche continuous as well as pulsed, required
Rückkopplung zu erzielen, besitzt der Laser gemäß der Erfindung eine sehr einfache und gleichzeitig flexibleTo achieve feedback, the laser according to the invention has a very simple and flexible at the same time
Möglichkeit, eine definierte Rückkopplung einzustellen. Der λ/4 - Phasenschieber wird drehbar um seine Strahlachse, das ist in diesem Falle die Achse des aus Richtung des aktiven Mediums auf ihn einfallenden Strahles, angeordnet. Je nachdem, wie stark nun der Phasenschieber gegen seine "ideale" Position verdreht wird, läuft kein linear, sondern ein mehr oder weniger stark elliptisch polarisierter Possibility of a defined feedback adjust. The λ / 4 phase shifter is rotatable about its beam axis, which in this case is the axis of the beam incident thereon from the direction of the active medium. Depending on how strongly the phase shifter is rotated against its "ideal" position, no linear, but a more or less elliptically polarized one runs
Strahl zurück in Richtung des TFP mit der Folge, dass dann ein gewisser, genau einstellbarer Anteil vom TFP transmittiert wird und als rückgekoppelter Strahl zur Verfügung steht. Dieser Anteil wird einerseits so groß wie nötig gemacht, um eine sichere Laserfunktion bei möglichst optimalem Abfragen der Besetzungsinversion des aktiven Mediums zu erreichen, andererseits aber so klein wie möglich gehalten, so dass die dargestellten Vorzüge der Anordnung gemäß der Erfindung nicht verloren gehen, nämlich auf der einen Seite die möglichst geringe Strahlungsintensität im Beam back in the direction of the TFP with the result that then a certain, precisely adjustable portion of the TFP is transmitted and is available as a feedback beam. On the one hand, this proportion is made as large as necessary in order to achieve a reliable laser function while optimally querying the population inversion of the active medium, but on the other hand kept as small as possible, so that the illustrated advantages of the arrangement according to the invention are not lost, namely one side the lowest possible radiation intensity in the
Rückkoppelzweig und auf der anderen der quasi- axialmodenfreie Betrieb des Lasers. Feedback branch and on the other the quasi-axialmode-free operation of the laser.
An dieser Stelle muß eventuell je nach der gewünschten Betriebsart und der Leistungsklasse des Lasers wegen der Abhängigkeit zwischen Laserausgangsleistung und Rückkoppelgrad ein Kompromiß eingegangen werden. Wird angestrebt, den Laser insbesondere im kontinuierlichen Betrieb bei optimaler Ausgangsleistung arbeiten zu lassen, sind höhere Rückkoppelgrade erforderlich, als z.B. im nachfolgend beschriebenen gepulsten At this point, depending on the desired mode and the power class of the laser must be compromised because of the dependency between the laser output power and feedback. If it is desired to operate the laser, in particular in continuous operation with optimum output power, higher feedback rates are required than, for example, in the pulsed described below
(gütegeschalteten) Betrieb. Bei den hier diskutierten (Q-switched) operation. At the here discussed
C02-Lasern für die Materialbearbeitung mit einem typischen Leistungsbereich von mehreren 100 bis mehreren 1000 W sind jedoch bei relativ geringen Einbußen an cw-Leistung bereits Rückkoppelgrade zwischen 5 und 20% ausreichend, so dass die vorstehend genannte Forderung nach möglichst geringer Intensität im Rückkoppelzweig auch im cw-Betrieb gut erfüllt werden kann. C0 2 lasers for material processing with a However, typical power range of several 100 to several 1000 W are already sufficient at relatively low losses of cw power feedback levels between 5 and 20%, so that the above requirement for the lowest possible intensity in the feedback branch can be well met in cw operation.
Der quasi-axialmodenfreie gütegeschaltete Laser The quasi-axial mode Q-switched laser
Haupteinsatzgebiet des C02 -Lasers gemäß der Erfindung sind Anwendungen, die eine schnelle The main application of the C0 2 laser according to the invention are applications requiring a fast
Leistungssteuerung, insbesondere die Erzeugung Power control, especially the generation
definierter Strahlungsimpulse mittels Güteschaltung erfordern. Die dazu benötigten Elemente werden imrequire defined radiation pulses by means of Q-switching. The required elements are in
Rückkoppelzweig, der durch geringe Intensitäten charakterisiert ist, angeordnet. Im Gegensatz zu herkömmlichen C02-Lasern können hier alle typischen, für 10 μνη Wellenlänge verfügbaren Modulationsvarianten genutzt werden, die i.a. relativ empfindlich gegenüber hohen Intensitäten sind und z.B. bei direkter Feedback branch, which is characterized by low intensities, arranged. In contrast to conventional C0 2 lasers, all typical modulation variants available for 10 μνη wavelength can be used, which are generally relatively sensitive to high intensities and, for example, more direct
Anordnung in Hochleistungsresonatoren entweder die Strahlqualität entscheidend verschlechtern oder sogar zerstört werden. Nachfolgend werden fünf Varianten einer solchen Leistungssteuerung diskutiert: Arrangement in high-performance resonators either the beam quality worsen crucial or even destroyed. Below, five variants of such power control are discussed:
Elektrooptische und akustooptische Modulatoren,  Electro-optical and acousto-optic modulators,
Interferenz -Laserstrahlungsmodulatoren die einfache Zerhackerscheibe und schnell oszillierende Interference laser radiation modulators the simple chopper disk and fast oscillating
Kippspiegel . a) Einsatz elektrooptischer Modulatoren (EOM) Die Nutzung des linearen elektrooptischen Effektes (Pockels-Effekt ) für die resonatorinterne Tilting mirror. a) Use of electro-optical modulators (EOM) The use of the linear electro-optic effect (Pockels effect) for the resonator-internal
LeistungsSteuerung von Lasern zeichnet sich vor allem durch die außerordentlich kurzen Power control of lasers is characterized mainly by the extremely short
erreichbaren Schaltzeiten bis in den sub-ns- Bereich, also durch extrem gute Eignung für die Güteschaltung von Lasern, und darüber hinaus durch eine sehr hohe Flexibilität bezüglich der achievable switching times down to the sub-ns range, ie due to their extremely good suitability for the Q-switching of lasers and, moreover, due to their very high degree of flexibility with respect to the
Schaltparameter wie Anstiegszeiten oder Switching parameters such as rise times or
Pulsfolgefrequenz aus. Während im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich zahlreiche sehr gut geeignete Kristalle für elektrooptische Pulse repetition frequency off. While in the visible and near infrared spectral range, many very suitable crystals for electro-optical
Schalter existieren, ist diese Option im Switches exist, this option is in
Wellenlängenbereich des C02-Lasers praktisch ausschließlich auf kommerziell erhältliche CdTe- Modulatoren beschränkt. Durch ihre im Vergleich z.B. zu ZnSe wesentlich ungünstigeren optischen Eigenschaften, insbesondere ihre vergleichsweise hohe Absorption, können diese Modulatoren Wavelength range of C0 2 laser practically limited exclusively to commercially available CdTe modulators. By their compared to ZnSe substantially less favorable optical properties, in particular their relatively high absorption, these modulators
allerdings nur bei relativ niedrigen Intensitäten eingesetzt werden. Der Laser gemäß der Erfindung bietet hier durch seinen speziellen However, only be used at relatively low intensities. The laser according to the invention offers here by its special
Rückkoppelzweig mit seiner gegenüber dem üblichen Laserresonator um etwa eine Größenordnung Feedback branch with its compared to the usual laser resonator by about one order of magnitude
reduzierten Intensität (bei gleicher reduced intensity (at the same
Laserausgangsleistung!), einen vorteilhaften Laser output power!), An advantageous
Ausweg. Eine weitere, außerordentlich günstige Besonderheit der neuartigen Anordnung stellt die Tatsache dar, dass das polarisationsempfindliche Element (der Analysator) , welches für die Modulationswirkung des EOM in herkömmlichen Way out. Another exceptionally favorable feature of the novel arrangement is the fact that the polarization sensitive element (the analyzer) used for the Modulation effect of the EOM in conventional
Resonatoren zusätzlich eingebracht werden muß, im Resonator gemäß der Erfindung in Form des TFP bereits immanent vorhanden ist. Wegen der relativ kleinen Querschnittsfläche von CdTe-EOM, die i.a. kleiner als der typische Bündelquerschnitt eines Hochleistungs-C02 -Lasers ist, macht sich allerdings in den meisten Fällen eine Anpassung des Resonators must be additionally introduced, is already present in the resonator according to the invention in the form of TFP immanent. However, due to the relatively small cross-sectional area of CdTe-EOM, which is generally smaller than the typical beam cross-section of a high power C0 2 laser, in most cases an adaptation of the
Strahldurchmessers, z.B. mit Hilfe eines Beam diameter, e.g. with help of a
Teleskops, erforderlich. Telescopes, required.
Die Schalt- bzw. Modulationsfunktion läuft dann einfach folgendermaßen ab. Das vom TFP in den Rückkoppelzweig gelangende Bündel, das linear und parallel zur Einfallsebene des TFP polarisiert ist, durchläuft die Strahlformung (Teleskop) und den spannungsfreien EOM und wird vom 100%-Spiegel rückgekoppelt, wobei bei optimaler Einstellung der genannten Elemente das in das aktive Medium rücklaufende Bündel die gleichen The switching or modulation function then runs as follows. The bundle coming from the TFP into the feedback branch, which is polarized linearly and parallel to the plane of incidence of the TFP, passes through the beamforming (telescope) and the stress-free EOM and is fed back from the 100% mirror, whereby with optimal setting of said elements that in the active Medium returning bundles the same
Ausbreitungseigenschaften (Divergenz) und die gleiche Polarisation wie das ankommende Bündel hat, so dass eine quasi-ideale Resonatorfunktion (transversale Modenstruktur!) gewährleistet ist, d.h. der Laser läuft bei optimaler Leistung. Legt man nun an den EOM eine λ/4 -Spannung an, die aus dem linear ein zirkulär polarisiertes Bündel macht, wird letzteres nach Reflexion an dem 100%- Spiegel und dem zweiten Durchlaufen des EOM wieder linear polarisiert, aber jetzt senkrecht zum einlaufenden Strahl. Gelangt dieser Strahl auf den TFP, wird er komplett aus dem Propagation properties (divergence) and the same polarization as the incoming bundle, so that a quasi-ideal resonator function (transverse mode structure!) Is guaranteed, ie the laser is running at optimum performance. If one then applies to the EOM a λ / 4 voltage which makes the linearly a circularly polarized beam, the latter is linearly polarized again after reflection at the 100% mirror and the second passage through the EOM, but now perpendicular to the incoming beam , Does this beam on the TFP, he will be completely out of the
Resonatorstrahlengang herausreflektiert und von einem Absorber abgefangen, d.h. die Rückkopplung geht gegen 0. Die Strahlungserzeugung stoppt in dem Moment, in dem die dadurch erzeugten  Resonator beam path out and intercepted by an absorber, i. the feedback goes to zero. Radiation generation stops at the moment that it generates
Resonatorverluste so groß sind, dass sich das System unter der „Laserschwelle" befindet. Es sei noch einmal betont, dass auf diese Weise eine Laserleistung geschaltet wird, die etwa eine Resonator losses are so great that the system is below the "laser threshold." It should be stressed again that in this way a laser power is switched, which is about one
Größenordnung über der Leistung im Rückkoppelzweig liegt! Die erreichbaren minimalen Schaltzeiten werden durch die Eigenschaften des EOM selbst und seiner Ansteuerung sowie die Resonatorlänge bestimmt und liegen typischerweise in der Magnitude above the power in the feedback branch is! The achievable minimum switching times are determined by the properties of the EOM itself and its control as well as the resonator length and are typically in the
Größenordnung ns . Order of magnitude ns.
Einsatz akustooptischer Modulatoren (AOM) Use of acousto-optic modulators (AOM)
Modulatoren auf Basis des akustooptischen Effekts werden für C02-Laser üblicherweise aus Ge- ristallen gefertigt. Diese sind, ebenso wie CdTe, in ihrer zulässigen Belastbarkeit, die durch die Forderung gegeben ist, dass der Strahlengang im Resonator auch bei wechselnden Belastungen, z.B. bei Variation der Laserleistung, weitgehend unbeeinflußt bleiben muß, merklich eingeschränkt. 100 W/cm2 sollten nicht überschritten werden. Auch hier liefert das Prinzip des Lasers gemäß der Erfindung den Ausweg. Da AOM ganz analog zum EOM in ihrer freien Öffnung begrenzt sind, wird der prinzipielle Aufbau dem in a) geschilderten ähneln, d.h. ein Teleskop wird eingesetzt und an die Position des EOM kommt der AOM . Die freie Laserfunktion ist im typischen Fall wieder für den spannungsfreien AOM gegeben. Das Abschalten des Lasers, also die Reduzierung der Rückkopplung unter den Schwellwert, erreicht man durch Modulators based on the acousto-optic effect are usually made of crystals for C0 2 lasers. These are, as well as CdTe, in their allowable load capacity, which is given by the requirement that the beam path in the resonator must remain largely unaffected even with changing loads, for example, when varying the laser power, significantly limited. 100 W / cm 2 should not be exceeded. Again, the principle of the laser according to the invention provides the way out. Since AOM is limited in its free opening analogous to the EOM, the basic structure is described in a) similar, ie a telescope is used and to the position of the EOM comes the AOM. The free laser function is typically given again for the stress-free AOM. The shutdown of the laser, so the reduction of the feedback below the threshold, can be achieved by
Aktivieren des AOM, so dass bei dessen zweimaligem Durchlaufen jeweils so viel Strahlung aus dem Rückkoppelzweig herausgebeugt und mit Absorbern abgefangen wird, dass die Laserfunktion stoppt. In den Ausführungsbeispielen wird auch die zweite Möglichkeit beschrieben, bei der der abgebeugte Strahl für die Rückkopplung genutzt wird. Activation of the AOM, so that when it passes through twice so much radiation is bent out of the feedback path and intercepted with absorbers that the laser function stops. In the embodiments, the second possibility is described in which the rejected beam is used for the feedback.
Die erreichbaren Schaltzeiten liegen im The achievable switching times are in
und darunter, d.h. auch mit AOM können and below, i. also with AOM can
Modulationsfrequenzen im MHz-Bereich realisiert werden. Vorteile des AOM-Einsatzes sind u.a. die höhere Robustheit und optische Homogenität des Ge im Vergleich zu CdTe, die niedrigeren Modulation frequencies in the MHz range can be realized. Advantages of the AOM use are u.a. the higher robustness and optical homogeneity of Ge compared to CdTe, the lower
erforderlichen SchaltSpannungen sowie die required switching voltages and the
niedrigeren Kosten. lower costs.
Einsatz von Interferenz-Laserstrahlungsmodulatoren (ILM) Use of interference laser radiation modulators (ILM)
Modulatoren dieser Bauart beruhen auf dem Prinzip des Fabry-Perot-Interferometers (FPI) und werden typischerweise mit zwei ZnSe-Platten als optisch wirksamen Elementen ausgerüstet. Wegen der sehr günstigen Eigenschaften des ZnSe und seiner großen Einsatzbreite in der C02-Lasertechnik bieten ILM den Vorzug, dass sie einerseits problemlos dem resonatorinternen Strahldurchmesser angepaßt werden können, so dass i.a. keine zusätzlichen Teleskope erforderlich sind, und andererseits die Strahlungsbelastbarkeit wesentlich höher als bei CdTe und Ge ist. Dadurch können mit solchen Modulatoren auch Multi-kW-Laser der Modulators of this type are based on the principle of the Fabry-Perot interferometer (FPI) and are typically equipped with two ZnSe plates as optically active elements. Because of the very favorable features of ZnSe and its great Range of application in C0 2 laser technology offers ILM the advantage that on the one hand they can be easily adapted to the intracavity beam diameter, so that in general no additional telescopes are required, and on the other hand the radiation load capacity is significantly higher than for CdTe and Ge. As a result, with such modulators and multi-kW laser of
erfindungsgemäßen Bauart geschaltet werden. inventive design be switched.
ILM arbeiten als variable Strahlteiler, d.h. die auftreffende Laserleistung wird praktisch ILMs operate as variable beam splitters, i. The incident laser power becomes practical
verlustfrei in einen transmittierten und einen reflektierten Strahl aufgeteilt, wobei das lossless divided into a transmitted and a reflected beam, wherein the
Teilerverhältnis sehr flexibel, allerdings nur im kHz-Bereich, durch eine entsprechende Ansteuerung variiert werden kann. Da ein ILM im Divider ratio very flexible, but only in the kHz range, can be varied by a corresponding control. As an ILM in the
Transmissionsmaximum den Wert 1 erreicht, wird er im Strahlengang (an ähnlicher Stelle wie EOM und AOM) so angeordnet, dass dies dem Zustand voller Laserfunktion entspricht. Je stärker man ihn nun mittels eines Steuerstroms in Richtung steigender Reflexion durchstimmt, steigen die Transmission maximum reaches 1, it is in the beam path (similar to EOM and AOM) arranged so that this corresponds to the state of full laser function. The more you now tune it by means of a control current in the direction of increasing reflection, the rise
Resonatorverluste, da die reflektierten Anteile durch eine kleine Neigung der ILM-Achse gegen die Resonatorachse aus dem Rückkopplungsstrahlengang herausreflektiert und von Absorbern vernichtet werden. Sinkt man durch die Verluste wieder unter die Laserschwelle, stoppt die Laserfunktion. Typische erreichbare Schalt- bzw. Impulsparameter dieser Anordnungsvariante sind Schaltzeiten und Impulsdauern im s -Bereich sowie Resonatorverluste, since the reflected components are reflected by a small inclination of the ILM axis against the resonator axis out of the feedback beam path and destroyed by absorbers. If you fall back below the laser threshold due to the losses, the laser function stops. Typical achievable switching or pulse parameters of this arrangement variant are switching times and pulse durations in the s range as well as
Impulsfolgefrequenzen bis in die Größenordnung 10 Hz. Da Modulatoren vom Typ ILM mit bis zu einigen 100 W belastet werden können, sind mittlere Laser Ausgangsleistungen von mehreren kW erreichbar.  Pulse repetition frequencies up to the order of 10 Hz. Since ILM modulators can be loaded with up to several 100 W, average laser output powers of several kW can be achieved.
Einsatz mechanischer Schalter Use of mechanical switches
Für die Güteschaltung des Lasers gemäß der For the Qüteschaltung of the laser according to the
Erfindung können auch einfache mechanische Invention can also be simple mechanical
Schalter, insbesondere rotierende Loch- oder Schlitzblenden oder schnell oszillierende Switch, in particular rotating hole or slit diaphragm or fast oscillating
Kippspiegel, vorteilhaft eingesetzt werden. Z. B. kann in den Rückkoppelzweig ein Kepler-Teleskop mit scharfem Zwischenfokus gesetzt und an der Stelle dieses Fokus" mittels einer schnell rotierenden Loch- oder Schlitzscheibe in kurzen Zeiten im μΞ-Bereich geschaltet werden. Je nach Zahl und Anordnung der freien Öffnungen auf der Scheibe und deren Rotationsgeschwindigkeit kann eine sehr effiziente Umsetzung der zur Verfügung stehenden mittleren Leistung des Lasers in Impuls mit starker Leistungsüberhöhung bei Tilting mirror, be used advantageously. For example, a Kepler telescope with a sharp intermediate focus can be placed in the feedback branch, and at this point, this focus can be switched by means of a rapidly rotating perforated or slotted disk in short times in the μ range, depending on the number and arrangement of the free openings on the disk and Their rotational speed can be a very efficient implementation of the available average power of the laser in pulse with high power increase at
Impulsfolgefrequenzen bis zu einigen 10 kHz und typischen Impulsdauern im μΞ-Bereich erreicht werden. Auch hier wirkt sich die niedrige Pulse repetition frequencies up to several 10 kHz and typical pulse durations in the μΞ range can be achieved. Again, the low affects
Strahlungsintensität im Rückkoppelzweig günstig aus: Bei der Erzeugung leistungsstarker Impulse sind die schaltenden Kanten der rotierenden Scheibe hohen Intensitäten ausgesetzt, was bei herkömmlichen Lasern zu Abtragsprozessen und damit einer relativ raschen Zerstörung der scharfen Schaltkanten führen kann, während dies im Laser gemäß der Erfindung vermieden wird. Radiation intensity in the feedback branch favorable: When generating powerful pulses, the switching edges of the rotating Disc exposed to high intensities, which in conventional lasers can lead to Abtragsprozessen and thus a relatively rapid destruction of the sharp switching edges, while this is avoided in the laser according to the invention.
In den Ausführungsbeispielen wird auch eine  In the embodiments is also a
Variante mit schnell oszillierendem Kippspiegel beschrieben.  Variant with fast oscillating tilting mirror described.
Die Selbstoszillation The self-oscillation
Wie bereits oben angedeutet, zeigt der Laser gemäß der Erfindung auf Grund seines speziellen Resonatoraufbaus eine ganz spezifische Betriebsart - die As already indicated above, the laser according to the invention, due to its special resonator structure a very specific mode of operation -
Selbstoszillation. Dieser neuartige Effekt soll nachstehend genauer erläutert werden. Basis für das Auftreten der Selbstoszillation ist die präzise Self-oscillation. This novel effect will be explained in more detail below. The basis for the occurrence of self-oscillation is the precise
Einstellung der beiden für den beschriebenen Laser charakteristischen Elemente, dem λ/4 -Phasenschieber an dem einen Ende des Resonators und dem TFP am anderen, wobei bei Bedarf ein wellenlängenselektives Element sichern muß, dass der Laser auf einer genau Adjustment of the two characteristic of the described laser elements, the λ / 4 phase shifter at one end of the resonator and the TFP at the other, wherein if necessary, a wavelength-selective element must ensure that the laser on a precise
definierten, den Spezifika von Phasenschieber und TFP entsprechenden Wellenlänge arbeitet. „Präzise defined, the specifics of phase shifter and TFP corresponding wavelength works. "Precise
Einstellung" bedeutet dabei, dass die Einfallsebenen des λ/ 4 -Phasenschiebers (wenn man annimmt, dass es sich dabei um einen üblichen PRS handelt) und TFP genau 45° gegeneinander verdreht sind. Die beiden 100%- Endspiegel des Resonators müssen ebenfalls in der üblichen Weise genau einjustiert sein. Für das qualitative Verständnis der ablaufenden Setting "means that the incidence levels of the λ / 4 phase shifter (if one assumes that this is a common PRS) and TFP are exactly 45 ° twisted against each other The two 100% end mirrors of the resonator must also be in the be adjusted in the usual way. For the qualitative understanding of the expiring
Vorgänge nach Einschalten des Lasers werde angenommen, dass die Besetzungsinversion im aktiven Medium einen Quasi-Gleichgewichtszustand erreicht hat und nun verfolgt wird, wie sich ein Start-Strahlungsbündel, welches zunächst ausschließlich aus spontan Operations after switching on the laser, it is assumed that the population inversion has reached a quasi-equilibrium state in the active medium and is now being tracked, as a start radiation beam, which initially exclusively spontaneously
emittierten Photonen besteht, die zufällig genau in Richtung der Laserachse laufen, auf dem Weg der weiteren Ausbreitung im Resonator verhält. Der Effekt wird am deutlichsten, wenn man annimmt, dass diesesemitted photons randomly run exactly in the direction of the laser axis, on the way of further propagation in the resonator behaves. The effect becomes most apparent when one assumes that this is the case
Start-Strahlungsbündel an dem Ende des aktiven Mediums losläuft, welches beim TFP liegt, und sich in Richtung des Inneren des aktiven Mediums, also in Richtung des λ/ 4 -Phasenschiebers bewegt. Auf dem Weg dorthin wird das Bündel verstärkt, sein unpolarisierter Zustand, der typisch für das spontan emittierte Start- Strahlungsbündel ist, bleibt dabei praktisch erhalten. Daran ändert auch der Wegabschnitt Phasenschieber - 100%-Endspiegel - Phasenschieber nichts, denn es werden hier alle Strahlungsanteile gleichermaßen um 90° gedreht, das Bündel bleibt also unpolarisiert . Nach weiterer Verstärkung beim zweiten Durchgang durch das aktive Medium trifft es nun auf den TFP und wird dort im wesentlichen in zwei gleich starke Teilbündel, die linear, aber senkrecht zueinander polarisiert sind, aufgespaltet. Davon wird eines ausgekoppelt, das andere rückgekoppelt. Letzteres läuft nun wieder in Richtung λ/ 4 -Phasenschieber durch das aktive Medium, ist aber in seinen Eigenschaften signifikant gegenüber dem Start-Strahlungsbündel modifiziert: Es ist erstens linear polarisiert und besitzt zweitens durch induzierte Emission bereits eine wesentlich höhere Start radiation beam starts at the end of the active medium, which is at the TFP, and moves towards the interior of the active medium, ie in the direction of the λ / 4 phase shifter. On the way there, the bundle is amplified, its unpolarized state, which is typical of the spontaneously emitted start radiation beam, remains practically preserved. This also changes the path section phase shifter - 100% end mirror - phase shifter nothing, because here all radiation components are rotated equally by 90 °, so the bundle remains unpolarized. After further amplification during the second pass through the active medium, it now strikes the TFP and is essentially split into two equally strong sub-beams, which are polarized linearly but perpendicular to one another. One of them is decoupled, the other fed back. The latter now runs again in the direction of λ / 4 phase shifter through the active medium, but is significantly modified in its properties compared to the start radiation beam: First, it is linearly polarized and has secondly through induced emission already a much higher
Leistung. Beim zweiten „round trip" durch den Power. At the second round trip through the
Resonator wird es weiter verstärkt und - was das entscheidende für die Selbstoszillation ist - beim Resonator it is further amplified and - which is crucial for the self-oscillation - at
Doppeldurchgang durch den λ/4 -Phasenschieber in seiner Polarisationsrichtung um 90° gedreht, so dass es jetzt bei Erreichen des TFP vollständig ausgekoppelt wird, die Rückkopplung ist 0. Damit bricht die weitere Verstärkung über induzierte Emission zusammen, die Ausgangsleistung des Lasers geht kurzzeitig praktisch auf 0, bevor ein neuer Zyklus der geschilderten Form startet. Aus der qualitativen Beschreibung des Double pass through the λ / 4 phase shifter rotated in its polarization direction by 90 °, so that it is now fully decoupled when reaching the TFP, the feedback is 0. Thus, the further amplification collapses via induced emission, the output power of the laser is briefly practical to 0 before a new cycle of the described form starts. From the qualitative description of the
Prozesses wird klar, dass die Laserausgangsleistung jeweils maximal wird, wenn das Bündel zwei Umläufe, also die Strecke 4L (L ist die Resonatorlänge) Process, it becomes clear that the laser output power becomes maximum when the bundle has two rounds, ie the distance 4L (L is the resonator length)
absolviert hat. Daraus ergibt sich eine graduated. This results in a
Pulsfolgefrequenz fimp von fimp = c / 4L , wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Für typische Resonatorlängen von mehreren Metern ergeben sich Pulse repetition frequency f imp of fimp = c / 4L, where c is the speed of light. For typical resonator lengths of several meters arise
Pulsfolgefrequenzen in der Größenordnung 10 MHz. Pulse repetition frequencies in the order of 10 MHz.
Voraussetzung ist dabei, dass die Besetzungsinversion im aktiven Medium durch den Vierfachdurchgang desThe prerequisite is that the population inversion in the active medium by the quadruple passage of the
Strahlungsbündels nicht so stark abgebaut wird, dass eine gewisse „Pumpzeit", die von der Pumprate des jeweiligen Lasers abhängt, erforderlich ist, um den Zyklus neu zu starten. Ist letzteres der Fall, sinkt natürlich die Pulsfolgefrequenz. Der Effekt der Selbstoszillation, der neuartig und an die spezielle Resonatorkonfiguration gemäß der Radiation bundle is not degraded so much that a certain "pumping time", which depends on the pumping rate of the respective laser, is required to restart the cycle.Of the latter, of course, falls the pulse repetition frequency. The effect of the self - oscillation, the novel and the special resonator configuration according to the
Erfindung gebunden ist, führt also bei Invention is bound, thus leading
kontinuierlichem Pumpen zu entsprechenden periodischen Impulszügen, ohne dass ein zusätzliches continuous pumping to corresponding periodic pulse trains without an additional
leistungsmodulierendes Bauelement in den power modulating device in the
Resonatorstrahlengang integriert werden muß! Resonator beam path must be integrated!
Bemerkenswert ist auch, dass die mittlere Leistung der „selbstoszillierenden Strahlung" praktisch dem cw-Wert des Lasers entspricht. It is also noteworthy that the average power of the "self-oscillating radiation" practically corresponds to the cw value of the laser.
Die Strahlungsentkopplung Laser - Werkstück Radiation decoupling laser - workpiece
Über die vorstehend geschilderten Möglichkeiten der schnellen Leistungsmodulation hinaus bietet der C02- Laser gemäß der Erfindung einen weiteren attraktiven Vorteil beim praktischen Einsatz in einer In addition to the above-described possibilities of fast power modulation, the C0 2 laser according to the invention offers a further attractive advantage in practical use in one
Materialbearbeitungsanlage . Material processing plant.
Häufig müssen hochreflektierende Materialien, Often, highly reflective materials,
insbesondere Metalle, bearbeitet werden, die einen erheblichen Anteil der auftreffenden Strahlung reflektieren oder streuen. Da diese Strahlung durch das Fokussierelement meistens sehr gut parallel zurück in Richtung Laser gelenkt wird und durch das In particular, metals are processed, which reflect or scatter a significant portion of the incident radiation. Since this radiation is usually directed by the focusing element very well in parallel back towards the laser and through the
Auskoppelelement in den Resonator eindringen kann, wird die resonatorinterne Strahlungserzeugung merklich gestört, was sich in einer Verschlechterung der Decoupling element can penetrate into the resonator, the intracavity radiation generation is significantly disturbed, resulting in a deterioration of the
Strahlqualität sowie in LeistungsSchwankungen, insbesondere bei der Spitzenleistung von Impulsen, bemerkbar macht. Deshalb ist es gängiger Stand der Technik, für eine Strahlungsentkopplung zwischen Laser und Werkstück mittels einer Kombination aus ATFR- Spiegel, also einem polarisationsabhängigen Beam quality and in power fluctuations, especially at the peak power of pulses noticeable. Therefore it is common state of the art Technology, for a radiation decoupling between laser and workpiece by means of a combination of ATFR mirror, so a polarization-dependent
Reflektor/Absorber, und einem λ/ -phase-retarder- Spiegel eine Art „Optische Diode" aufzubauen, die dieReflector / absorber, and a λ / phase retarder mirror to build a kind of "optical diode", the
Laserstrahlung in Richtung Werkstück passieren läßt, aber zurücklaufende Anteile absorbiert. Laser radiation passes in the direction of the workpiece, but absorbs returning portions.
Arbeitet man nun mit einem C02-Laser gemäß der If you work with a C0 2 laser according to the
Erfindung, ist die Wirkung des ATFR-Spiegels immanent im Laser in Form des Polarisationsstrahlteilers gegeben. Wie bereits dargelegt, verläßt der Strahl den Laser linear polarisiert. Passiert er auf dem Hin- und Rückweg zum/vom Werkstück zweimal einen λ/4-phase- retarder-Spiegel, wird seine Polarisationsebene um 90° gedreht, damit wird er automatisch bei Auftreffen auf den Polarisationsstrahlteiler aus dem Invention, the effect of the ATFR mirror is inherent in the laser in the form of the polarization beam splitter. As already stated, the beam leaves the laser linearly polarized. Passing twice on a λ / 4-phase retarder mirror on the way to and from the workpiece, its polarization plane is rotated by 90 °, so it is automatically on impact with the polarization beam splitter from the
Resonatorstrahlengang herausgelenkt und kann durch einen Absorber abgefangen werden. Resonator beam path is deflected and can be intercepted by an absorber.
Es ergeben sich also zwei Vorteile: Erstens kann auf das Bauelement ATFR-Spiegel verzichtet werden und zweitens werden die zu vernichtenden Strahlanteile nicht - wie beim ATFR-Spiegel - vom There are thus two advantages: First, it is possible to dispense with the component ATFR mirror and secondly, the beam components to be destroyed are not - as with the ATFR mirror - of
temperaturempfindlichen Bauelement selbst absorbiert, sondern aus dem Strahlengang in gewünschter Weise herausgelenkt und einem geeigneten Absorber zugeführt. temperature-sensitive component itself absorbed, but deflected out of the beam path in the desired manner and fed to a suitable absorber.
Externe Leistungsmodulation Bei zahlreichen Aufgaben der Lasermaterialbearbeitung muß man während des Bearbeitungsprozesses die External power modulation In many tasks of laser material processing must be during the machining process the
Laserleistung variieren. Meistens erfolgt dies über einen Eingriff in den Laserprozeß selbst, i.a. über eine Variation der Pumpenergiezufuhr. Dadurch wird allerdings die Strahlqualität beeinflußt, d.h. die K- Zahl ändert sich mit der abgerufenen Leistung, was eine verminderte Bearbeitungsqualität zur Folge hat. Einen Ausweg bieten hier externe Modulatoren, die bei Erhaltung der Strahlqualität eine Variation der Laser power vary. Mostly this is done via an intervention in the laser process itself, i.a. via a variation of the pump energy supply. However, this will affect the beam quality, i. the K-number changes with the retrieved performance, resulting in a reduced processing quality. A solution is provided by external modulators, which, while maintaining the beam quality, are a variation of the
Leistung auf dem Werkstück in weiten Grenzen  Performance on the workpiece within wide limits
gestatten. allow.
Auch der Laser gemäß der Erfindung hat für einen bestimmten ausgewählten Parametersatz, z.B. Pulsdauer,Also, the laser according to the invention has for a certain selected parameter set, e.g. Pulse duration,
-folgefrequenz und -Spitzenleistung, ein definiertes optimales Betriebsregime im Hinblick auf beste sequence frequency and peak power, a defined optimal operating regime with regard to best
Strahlqualität. Deshalb ist es vorteilhaft, Beam quality. That's why it's good
erforderliche Leistungsvariationen über einen externen Modulator, der die Laserfunktion selbst nicht required power variations via an external modulator that does not use the laser function itself
beeinflußt, zu realisieren. influenced to realize.
Dazu bieten sich u.a. zwei effiziente Möglichkeiten an, nämlich akustooptische und Interferenz- Laserstrahlungsmodulatoren, die jeweils in der Nähe des Laserausgangs plaziert werden können und weitere eventuell erforderliche Strahlformungsmaßnahmen, z,B. die vorstehend diskutierte Strahlungsentkopplung Läse - Werkstück, nicht stören. Beim AOM ist es günstig, den abgebeugten Strahl als Bearbeitungsstrahl zu nutzen, da er in seiner Leistung von 0 bis zum Maximalwert reguliert werden kann. Der nicht abgebeugte Anteil kann entweder durch einen Absorber vernichtet oder z.B. zur On-line-Kontrolle der Laserleistung einem Detektor zugeführt werden. Je nach Erfordernis sind zur optimalen Anpassung des vom Laser kommenden Strahlungsfeldes an den Modulator strahlformende Elemente (Teleskop, Blende) Two efficient possibilities are offered for this purpose, namely acousto-optic and interference laser radiation modulators, which can each be placed in the vicinity of the laser output and further beam shaping measures, if necessary, z, B. the above-discussed radiation decoupling Läse - workpiece, do not disturb. With the AOM, it is convenient to use the diffracted beam as a processing beam, since it can be regulated in its power from 0 to the maximum value. The undeflected portion can either be destroyed by an absorber or, for example, be supplied to a detector for on-line control of the laser power. Depending on the requirements, beam-shaping elements (telescope, aperture) are provided for optimally adapting the radiation field coming from the laser to the modulator.
einzusetzen.  use.
Der ILM kann ohne solche zusätzlichen Elemente in den Strahlengang integriert werden, da man den freien Durchmesser der Interferometerplatten problemlos der Laserstrahlung anpassen kann. Die FPI -Platten aus ZnSe können mit mehreren Hundert Watt Strahlungsleistung belastet werden, ohne dass eine Verschlechterung der Strahlqualität im transmittierten Strahl, den man typischerweise als Bearbeitungsstrahl nutzen wird, auftritt. Der nicht genutzte reflektierte Anteil kann wieder entweder durch einen Absorber vernichtet oder zur On-line-Kontrolle genutzt werden. The ILM can be integrated into the beam path without such additional elements, since the free diameter of the interferometer plates can easily be adapted to the laser radiation. The FPN plates made of ZnSe can be loaded with several hundred watts of radiant power, without a deterioration of the beam quality in the transmitted beam, which will typically be used as a processing beam occurs. The unused reflected portion can either be destroyed by an absorber or used for on-line control.
Es sei noch erwähnt, dass es vorteilhaft ist, den Laser gemäß der Erfindung insgesamt so einzuhausen, dass alle direkt zum Laser gehörigen Bauelemente gegen äußere It should be mentioned that it is advantageous to live in the laser according to the invention as a whole so that all directly related to the laser components against external
Einflüsse wie Staub, Luftfeuchtigkeit und Influences like dust, humidity and
Klimaschwankungen allgemein geschützt sind. Typischerweise wird dies konstruktiv so gelöst sein, dass die gesamte Einhausung mit dem aktiven Medium in direkter Verbindung steht, d.h. die Bauelemente sind von dem Lasergas umgeben. Dadurch kann ihre Lebensdauer den für Laser üblichen Climatic fluctuations are generally protected. Typically this will be solved constructively so that the entire enclosure is in direct communication with the active medium, ie the components are surrounded by the laser gas. As a result, their life span is common for lasers
Standards angepaßt werden. Standards are adapted.
Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind, erläutert. In diesen zeigen: The object of the invention is explained below with reference to exemplary embodiments, which are shown schematically in the drawings. In these show:
Figur 1: Schematische Darstellung des C02-Lasers gemäß der Figure 1: Schematic representation of the C0 2 laser according to the
Erfindung  invention
Figur 2: Prinzipielle Anordnung eines λ/ -phase-retarder- Spiegels (PRS) als λ/ -Phasenschieber FIG. 2: Basic arrangement of a λ / phase retarder mirror (PRS) as λ / phase shifter
Figur 3 Zur Funktionsweise eines Dünnfilm-Polarisators auf ZnSe-Basis (TFP) FIG. 3 The Functioning of a ZnSe-based Thin-Film Polarizer (TFP)
Figur 4 Anordnungsvariante mit TFP und transmittiertem Figure 4 arrangement variant with TFP and transmitted
Strahl als auszukoppelndem Strahl und reflektiertem Strahl als rückzukoppelndem Strahl  Beam as beam to be coupled out and reflected beam as beam to be fed back
Figur 5 Anordnungsvarianten des C02-Lasers gemäß der Figure 5 arrangement variants of the C0 2 laser according to the
Erfindung  invention
a) Variante mit TFP und Elementen zur schnellen Leistungsmodulation  a) Variant with TFP and elements for fast power modulation
b) Variante zur Realisierung der  b) variant for the realization of
Selbstoszillation - erster Resonatorumlauf c) Variante zur Realisierung der  Selbstoszillation - first Resonatorumlauf c) Variant for the realization of
Selbstoszillation - zweiter Resonatorumlauf Figur 6 Anordnungsvariante zur schnellen Self-oscillation - second resonator circulation Figure 6 arrangement variant for fast
Leistungsmodulation mittels EOM  Power modulation using EOM
Figur 7 Zwei Anordnungsvarianten zur schnellen Figure 7 Two arrangement variants for fast
Leistungsmodulation mittels AOM  Power modulation using AOM
a) Rückkopplung mittels transmittiertem Strahl b) Rückkopplung mittels abgebeugtem Strahl  a) Feedback by means of transmitted beam b) Feedback by means of diffracted beam
Figur 8 : Anordnungsvariante zur schnellen Figure 8: arrangement variant for fast
Leistungsmodulation mittels ILM  Power modulation using ILM
Figur 9: Anordnungsvariante zur Impulserzeugung mittels FIG. 9: Arrangement variant for pulse generation by means of
Zerhackerscheibe Figur 10: Anordnungsvariante zur Impulserzeugung mittels  Chopper disk Figure 10: Arrangement variant for pulse generation by means of
Kippspiegels  tilting mirror
Figur 11: Strahlungsentkopplung Laser - Werkstück, FIG. 11: Radiation decoupling laser - workpiece,
Anordnung bei Einsatz eines C02-Lasers gemäß der Erfindung Arrangement when using a C0 2 laser according to the invention
Figur 12: Zur externen LeistungsSteuerung der FIG. 12: For external power control of the
Laserstrahlung  laser radiation
a) Variante mittels ILM  a) Variant using ILM
b) Variante mittels AOM  b) Variant using AOM
Figur 13 : Vakuumdichte Einhausung am Auskoppelende des FIG. 13: Vacuum-tight enclosure at the coupling-out end of the
Resonators Figur 1 zeigt stark schematisiert den Grundaufbau des C02- Lasers gemäß der Erfindung. Dabei spielt es zunächst keine Rolle, welche konkreten geometrischen Verhältnisse, insbesondere im Hinblick auf das aktive Medium 1, FIG. 1 shows in a highly schematic manner the basic structure of the C0 2 laser according to the invention. It does not play at first Role, which concrete geometrical conditions, in particular with regard to the active medium 1,
vorliegen. Die Skizze zeigt, dass der Resonator an beiden Enden jeweils von einem hochreflektierenden Spiegel 3 und 4 abgeschlossen wird. Durch den Polarisationsstrahlteiler 5 wird der Resonator in einen Hochleistungszweig, der u.a. das aktive Medium 1 enthält, und den Rückkoppelzweig 14, der durch relativ niedrige Leistung charakterisiert ist, geteilt. Diese gewünschte Aufteilung wird durch das available. The sketch shows that the resonator is terminated at both ends by a highly reflective mirror 3 and 4 respectively. Through the polarization beam splitter 5, the resonator is transformed into a high power branch, which i.a. contains the active medium 1, and the feedback branch 14, which is characterized by relatively low power divided. This desired division is made by the
Zusammenspiel des Polarisationsstrahlteilers 5 mit dem λ/4 -Phasenschieber 2 am anderen Ende des Resonators auf folgende Weise erreicht. Trifft, aus Richtung des aktiven Mediums 1 kommend, Strahlung 6 mit zunächst beliebiger Polarisation auf den Polarisationsstrahlteiler 5, so wird sie aufgeteilt in zwei senkrecht zueinander linear Interaction of the polarization beam splitter 5 with the λ / 4 phase shifter 2 at the other end of the resonator achieved in the following manner. If, coming from the direction of the active medium 1, radiation 6 of initially arbitrary polarization impinges on the polarization beam splitter 5, it is divided into two perpendicular to one another linearly
polarisierte Anteile, von denen der eine reflektiert und der andere transmittiert wird. In Figur 1 sind dies der auszukoppelnde Strahl 7 mit horizontaler Polarisation 10 und der rückzukoppelnde Strahl 8 mit vertikaler polarized components, one of which is reflected and the other is transmitted. In FIG. 1, these are the beam 7 to be coupled out with horizontal polarization 10 and the beam 8 to be fed back with vertical
Polarisation 9. Letzterer passiert nach Reflexion am Polarization 9. The latter happens after reflection on
Endspiegel 4 wieder den Polarisationsstrahlteiler 5, wird im aktiven Medium 1 verstärkt und durchläuft den λ/4- Phasenschieber 2. Je nachdem, welcher Winkel φ nun  End mirror 4 again the polarization beam splitter 5, is amplified in the active medium 1 and passes through the λ / 4 phase shifter 2. Depending on which angle φ now
zwischen einer charakteristischen Achse 13 des between a characteristic axis 13 of the
Polarisationsstrahlteilers 5 und einer charakteristischen Achse 12 des λ/4 -Phasenschiebers 2 eingestellt wurde, kann sich dadurch der Polarisationszustand der einfallenden linear vertikal polarisierten Welle ändern. Im ersten Spezialfall bleibt er unverändert, im zweiten Spezialfall wird er zirkulär, im allgemeinen Fall elliptisch sein. Polarization beam splitter 5 and a characteristic axis 12 of the λ / 4 phase shifter 2 has been set, this can change the polarization state of the incident linearly vertically polarized wave. In the first special case it remains unchanged, in the second special case it will be circular, in the general case elliptical.
Nach der Reflexion der Welle am Endspiegel 3 und einem zweiten Durchgang durch den λ/ -Phasenschieber 2 wird im zweiten Spezialfall wieder linear polarisierte Strahlung, allerdings jetzt mit horizontaler Polarisation entstehen, im allgemeinen Fall bleibt die elliptische Polarisation erhalten, jedoch mit verändertem Achsenverhältnis. Die Relation zwischen dem vertikalen und dem horizontalen Anteil dieser Polarisationsellipse ist nun entscheidend für die angestrebte Leistungsaufteilung am After reflection of the wave at the end mirror 3 and a second pass through the λ / phase shifter 2 is in the second special case again linearly polarized radiation, but now with horizontal polarization arise, in the general case, the elliptical polarization is maintained, but with a changed axis ratio. The relation between the vertical and the horizontal part of this polarization ellipse is now decisive for the desired power distribution on the
Polarisationsstrahlteiler 5, der schließlich nach weiterer Verstärkung im aktiven Medium 1 von der modifiziertenPolarization beam splitter 5, which finally after further amplification in the active medium 1 of the modified
Welle wieder erreicht wird. Wie bereits ausgeführt, ist es ein Hauptziel des C02-Lasers gemäß der Erfindung, die Leistung des rückzukoppelnden Strahls 8 mit vertikaler Polarisation 9 so niedrig wie möglich zu halten, ohne dabei die gewünschte Funktion des Lasers zu Wave is reached again. As already stated, it is a principal object of the C0 2 laser according to the invention to keep the power of the vertical polarization beam 9 to be coupled as low as possible without the desired function of the laser
beeinträchtigen. Das Optimum kann problemlos durch affect. The optimum can easily through
entsprechende Einstellung des Winkels φ gefunden werden, wenn der λ/ -Phasenschieber 2 (was man vorzugsweise realisieren wird) oder der Polarisationsstrahlteiler 5 oder beide drehbar um die Resonatorachse 11 angeordnet sind. Hier liegt ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber herkömmlichen Lasern: Während bei letzteren die Optimierung des Rückkoppelgrades durch aufwendiges Auswechseln von Auskoppelelementen mit unterschiedlicher Reflektivität erfolgen muß, genügt hier die einfache Änderung des Winkels cp, um das Optimum der Laserfunktion zu finden. corresponding adjustment of the angle φ are found when the λ / -phase slider 2 (which is preferably realized) or the polarization beam splitter 5 or both are arranged rotatable about the resonator 11. Here is another significant advantage of the solution according to the invention over conventional lasers: While in the latter the optimization of the feedback must be done by complex replacement of coupling elements with different reflectivity, here is sufficient to simply change the angle cp to find the optimum of the laser function.
In den Rückkoppelzweig 14 mit optimierter relativ In the feedback branch 14 with optimized relative
niedriger Leistung können nun unterschiedlichste Elemente zur Strahlformung 15, insbesondere Elemente zur schnellen Leistungsmodulation und/oder Wellenlängenselektion sowie beispielsweise geeignete Raumfilter zur Sicherung der hohen Strahlqualität des Lasers, integriert werden. Ein besonderer Vorzug der Anordnung ist dabei, dass z.B. low power can now different elements for beam shaping 15, in particular elements for fast Power modulation and / or wavelength selection and, for example, suitable spatial filter to ensure the high beam quality of the laser to be integrated. A particular advantage of the arrangement is that, for example
Elemente mit hoher Funktionalität, aber großer Elements with high functionality, but great
Leistungsempfindlichkeit, die in herkömmlichen Lasern dieser Leistungsklasse deshalb nicht vorteilhaft  Power sensitivity, which is therefore not advantageous in conventional lasers of this power class
einsetzbar sind, im C02-Laser gemäß der Erfindung can be used in C0 2 laser according to the invention
problemlos genutzt werden können. can be used easily.
Eine günstige praktische Lösung für den λ/ -Phasenschieber 2 illustriert Figur 2, nämlich den Einsatz eines λ/4- Phase-Retarder-Spiegels (PRS) 16. Diese Spiegel sind auch für hohe Leistungen im kW-Bereich geeignet. Das linke Bild zeigt im Schnitt seine kompakte Anordnung mit dem A favorable practical solution for the λ / phase shifter 2 is illustrated in FIG. 2, namely the use of a λ / 4-phase retarder mirror (PRS) 16. These mirrors are also suitable for high powers in the kW range. The left picture shows in section its compact arrangement with the
justierbaren Endspiegel 3, das rechte Bild die Möglichkeit der Rotation dieser Einheit um die Resonatorachse 11. Wie im linken Bild, bei dem die Zeichenebene der Einfallsebene der Strahlung entspricht, gezeigt wird, muß die relative Anordnung der Komponenten so gewählt werden, dass der Winkel ß sowohl zwischen der Resonatorachse 11 und dem adjustable end mirror 3, the right image the possibility of rotation of this unit about the resonator axis 11. As shown in the left image, where the plane of the plane of incidence corresponds to the radiation, the relative arrangement of the components must be chosen so that the angle ß both between the resonator axis 11 and the
Einfallslot 43 des PRS 16 als auch zwischen letzterem und dem Einfallslot 44 des Endspiegels 3 45° beträgt. Nimmt man nun an, dass das auf diese Einheit auftreffende Einfallslot 43 of the PRS 16 and between the latter and the entrance slot 44 of the end mirror 3 45 °. Now suppose that the incident on this unit
Strahlungsbündel in der Einfallsebene, also in der Radiation bundle in the plane of incidence, ie in the
Zeichenebene des linken Bildes, linear polarisiert ist, wird es an beiden Spiegeln ohne Veränderung der  Drawing plane of the left image, linearly polarized, it will be on both mirrors without changing the
Polarisation reflektiert, läuft also quasi unverändert zurück in das aktive Medium. Dreht man jedoch, wie im rechten Bild gezeigt, die Einheit um einen Winkel φ Polarization reflects, so runs virtually unchanged back into the active medium. However, as shown in the picture on the right, rotate the unit by an angle φ
gegenüber dieser Ausgangsposition, ergibt sich beim Spezialfall φ = 45° zirkulär polarisierte Strahlung nach der ersten Reflexion am PRS 16 und nach der Reflexion am Endspiegel 3 und der folgenden zweiten Reflexion an ihm wieder linear, aber senkrecht zur ursprünglichen Richtung polarisierte Strahlung. Für Werte im Intervall 0° < φ < 45° erhält man elliptisch polarisierte Strahlung. opposite to this starting position, results from the Special case φ = 45 ° circularly polarized radiation after the first reflection at the PRS 16 and after the reflection at the end mirror 3 and the following second reflection at him again linear, but perpendicular to the original direction polarized radiation. For values in the interval 0 ° <φ <45 ° elliptically polarized radiation is obtained.
Ein entscheidendes Merkmal des Lasers gemäß der Erfindung ist es, dass mittels der geschilderten Einheit linear polarisierte Strahlung, die aus dem aktiven Medium kommt (z.B. senkrecht polarisiert wie in Figur 1) durch A decisive feature of the laser according to the invention is that, by means of the described unit, linearly polarized radiation emerging from the active medium (for example perpendicularly polarized as in FIG
Einstellen eines geeigneten Winkels φ so modifiziert wird, dass die zurücklaufende Strahlung ein gewünschtes Setting a suitable angle φ is modified so that the returning radiation is a desired
Leistungsverhältnis zwischen der senkrecht und der Power ratio between the vertical and the
parallel polarisierten Komponente hat. has parallel polarized component.
Als praktische Lösung für den Polarisationsstrahlteiler 5 bietet sich für C02 -Laser ein Dünnfilmpolarisator (TFP) 17 auf Basis von ZnSe an. Seine Wirkungsweise illustriert Figur 3. Eine speziell beschichtete ZnSe-Platte wird unter dem Brewsterwinkel aB in den Strahlengang gebracht und teilt einen einfallenden Strahl beliebiger Polarisation auf in einen transmittierten Strahl, der in der As a practical solution for the polarization beam splitter 5, a thin film polarizer (TFP) 17 based on ZnSe is suitable for C0 2 lasers. Its operation is illustrated in FIG. 3. A specially coated ZnSe plate is brought into the beam path at the Brewster angle a B and divides an incident beam of arbitrary polarization into a transmitted beam which is incident in the beam path
Einfallsebene, und einen reflektierten Strahl, der Incidence plane, and a reflected beam, the
senkrecht dazu linear polarisiert ist. Wie die perpendicular to it is linearly polarized. As the
dargestellte Abhängigkeit der Reflektivität des TFP 17 von der Wellenlänge für diese beiden Strahlanteile zeigt, ist bei der Hauptwellenlänge des C02-Lasers von 10,59 μπι diese Aufteilung nahezu perfekt. Im Zusammenspiel mit dem λ/ 4 -Phasenschieber 2 ermöglicht der TFP 17 nun die erfindungsgemäße Aufteilung eines aus Richtung des aktiven Mediums kommenden Strahles 6 in einen leistungsstarken auszukoppelnden Strahl 7 (Leistung PA) und einen relativ leistungsschwachen rückzukoppelndenshown dependency of the reflectivity of the TFP 17 of the wavelength for these two beam components, this distribution is almost perfect at the main wavelength of the C0 2 laser of 10.59 μπι. In conjunction with the λ / 4 phase shifter 2, the TFP 17 now allows the division according to the invention of a beam 6 coming from the direction of the active medium into a powerful beam 7 to be coupled out (power P A ) and a relatively low-power backfeed
Strahl 8 (Leistung PR) . In realen C02-Lasern hoher Leistung für die Materialbearbeitung genügen oft wenige Prozent der einfallenden Strahlung für eine effektive Rückkopplung, so dass Leistungsverhältnisse PA/PR von 10 und mehr anwendbar sind, d.h. die Strahlungsbelastung der Elemente zur Beam 8 (power P R ). In real high power C0 2 lasers for material processing, often only a few percent of the incident radiation suffices for effective feedback, so that power ratios P A / P R of 10 and more are applicable, ie, the radiation loading of the elements
Strahlformung, die in den Rückkoppelzweig 14 integriert werden können, ist außerordentlich gering. Wie bereits beschrieben, kann dieses Verhältnis einfach über den  Beam forming, which can be integrated into the feedback branch 14, is extremely low. As already described, this ratio can easily be over the
Winkel φ eingestellt und optimiert werden. Angle φ can be set and optimized.
Die Strahlaufteilung am TFP 17 kann prinzipiell auf zwei Arten erfolgen. Entweder koppelt man den reflektierten Strahl aus und nutzt den transmittierten zur Rückkopplung oder umgekehrt. Beide Varianten haben Vor- und Nachteile, die sich vor allem aus zwei Eigenschaften des TFP 17 ergeben: Erstens ist die Absorption für die p-Komponente wesentlich höher als für die s-Komponente der Strahlung und zweitens ist, wie Figur 3 zeigt, die Reflektivität für die p- Komponente stark wellenlängenabhängig. The beam splitting at the TFP 17 can in principle be done in two ways. Either one disengages the reflected beam and uses the transmitted to the feedback or vice versa. Both variants have advantages and disadvantages, which result mainly from two properties of the TFP 17: First, the absorption for the p-component is much higher than for the s-component of the radiation and, secondly, as shown in FIG. 3, the reflectivity strongly dependent on the wavelength for the p-component.
Koppelt man nun den reflektierten Strahl aus und den transmittierten zurück, hat man die zwei Vorteile, dass erstens der starke Leistungsanteil als s-Komponente gleich an der Vorderseite des TFP 17 reflektiert wird und nur minimale Absorptionsverluste erleidet, sowie zweitens die λ-Abhängigkeit der transmittierten und für die Rückkopplung zuständigen p-Komponente sogar für den Laser eine funktionsstabilisierende Wirkung hat. Ein gewisser Nachteil ist der zweifache Durchgang des rückzukoppelnden Strahles als p-Komponente, also bei relativ hoher If the reflected beam and the transmitted one are now coupled back, one has the two advantages of firstly reflecting the strong power component as the s-component at the front side of the TFP 17 and only minimal absorption losses, and secondly the λ-dependence of the transmitted one and for the Feedback competent p-component even for the laser has a function-stabilizing effect. A certain disadvantage is the double passage of the back-coupling beam as a p-component, ie at a relatively high level
Absorption, durch den TFP 17 mit der Gefahr einer Absorption, by the TFP 17 with the risk of
Verzerrung der resonatorinternen Wellenfront. Dieses Distortion of the intracavity wavefront. This
Problem verschwindet, wenn der reflektierte Anteil rückgekoppelt wird. Allerdings treten dafür zwei andere auf, nämlich die Gefahr einer beträchtlichen Beeinflussung der Divergenz des intensiven ausgekoppelten Strahls 7 durch eine „thermische Linse" im TFP 17 und durch die Problem disappears when the reflected portion is fed back. However, there are two others for this, namely the risk of considerably influencing the divergence of the intense coupled-out beam 7 through a "thermal lens" in the TFP 17 and through the
Wellenlängenabhängigkeit der p-Komponente, die zur Wavelength dependence of the p component used for
Vermeidung des Anschwingens unerwünschter Laserlinien eine zusätzliche Wellenlängenselektion im Rückkoppelzweig 14 erforderlich macht. Die letztere Variante zeigt Figur 4 mit einem Gitterspiegel 25 als wellenlängenselektivem Element . Avoidance of the oscillation unwanted laser lines makes an additional wavelength selection in the feedback path 14 is required. The latter variant is shown in FIG. 4 with a grating mirror 25 as a wavelength-selective element.
Die häufiger eingesetzte Version wird die in Figur 5 gezeigte sein, bei der der reflektierte Strahl The more commonly used version will be that shown in Figure 5, where the reflected beam
ausgekoppelt wird. Figur 5a) illustriert den wichtigsten Fall mit dem TFP 17 als Strahlteiler und Elementen 15 zur Leistungsmodulation im Rückkoppelzweig 14 sowie die typischen Polarisationsverhältnisse. Das rücklaufende Strahlenbündel 43 mit linear senkrechter Polarisation 9 wird am λ/ -Phasenschieber 2 beim ersten Durchlauf in Strahlung mit schwach elliptischer Polarisation 46 und nach Reflexion am Endspiegel 3 beim zweiten Durchlauf in Strahlung mit stark elliptischer Polarisation 47 is decoupled. FIG. 5 a) illustrates the most important case with the TFP 17 as a beam splitter and elements 15 for power modulation in the feedback branch 14 as well as the typical polarization ratios. The returning beam 43 with linearly perpendicular polarization 9 is at the λ / -phase slider 2 at the first pass in radiation with weakly elliptical polarization 46 and after reflection at the end mirror 3 at the second pass in radiation with highly elliptical polarization 47th
umgeformt, deren Haupt-Polarisationskomponente horizontal liegt, so dass das im aktiven Medium 1 verstärkte Bündel 6 am TFP 17 in den starken auszukoppelnden und als s- Komponente reflektierten Strahl 7 und den schwachen und als p-Komponente transmittierten Strahl 8 aufgeteilt wird. Letzterer passiert zweimal die strahlformenden, formed, whose main polarization component is horizontal, so that the reinforced medium in the active medium 1 6th is split at the TFP 17 in the strong beam to be coupled out and reflected as s component and the weak and 8 transmitted as a p-component beam 8. The latter happens twice the beam-forming,
insbesondere leistungsmodulierenden Elemente 15, in particular power-modulating elements 15,
anschließend ohne weitere Leistungsverluste den TFP 17 und läuft wieder als rücklaufendes Strahlenbündel 43 mit linear senkrechter Polarisation 9 durch das aktive Medium 1. then without further power losses the TFP 17 and runs again as a returning beam 43 with linearly perpendicular polarization 9 through the active medium. 1
Die Figuren 5b) und c) illustrieren den Spezialfall der Selbstoszillation. Zur besseren Verdeutlichung des FIGS. 5b) and c) illustrate the special case of self-oscillation. For a better clarification of the
Effektes wurde die Darstellung in den ersten Effect was the appearance in the first
Resonatorumlauf (5b) ) und den zweiten Resonatorumlauf (5c) ) , welche zusammen einer Periode der Selbstoszillation entsprechen, unterteilt. In Figur 5b) startet ein Resonator circulation (5b)) and the second Resonatorumlauf (5c)), which together correspond to a period of the self-oscillation divided. In Figure 5b) starts
herausgegriffenes Strahlungsbündel 45 am Punkt 44, welches zunächst ausschließlich aus jenen spontan emittierten Photonen besteht, die genau in Richtung der Resonatorachse 11 laufen. Dieses unpolarisierte (48) Bündel wird im aktiven Medium 1 verstärkt, durchläuft zweimal den λ/4- Phasenschieber 2 und erreicht nach weiterer Verstärkung schließlich als nach wie vor unpolarisiertes Bündel 6 den TFP 17. Dieser teilt es nun in zwei gleich große Anteile 7 und 8 auf, die in der dargestellten Weise jeweils linear polarisiert sind. Der Strahl 8 wird rückgekoppelt und beim Erreichen des Punktes 44 ist der erste Umlauf picked out radiation beam 45 at the point 44, which initially consists exclusively of those spontaneously emitted photons, which run exactly in the direction of the resonator 11. This unpolarized (48) bundle is amplified in the active medium 1, passes twice through the λ / 4 phase shifter 2 and, after further amplification, finally reaches the TFP 17 as a still unpolarized bundle 6. This splits it into two equal parts 7 and 8, which are each linearly polarized in the manner shown. The beam 8 is fed back and upon reaching the point 44 is the first revolution
abgeschlossen . Der nun bereits relativ starke Strahl 8 mit der linearen Polarisation 9 erreicht nach weiterer Verstärkung den λ/4- Phasenschieber 2, der genau so eingestellt ist (über den Winkel φ) , dass das Bündel nach dem ersten Durchgang exakt Zirkularpolarisation 49 besitzt und folglich nach completed . The already relatively strong beam 8 with the linear polarization 9 reaches the λ / 4 after further amplification. Phase shifter 2, which is set exactly (via the angle φ), that the bundle after the first round has exactly circular polarization 49 and therefore after
Reflexion am Endspiegel 3 und dem zweiten Durchgang wieder linear, aber nun horizontal (10) polarisiert ist. Dieses Bündel erreicht nach weiterer Verstärkung den TFP 17 und wird jetzt komplett reflektiert, also ausgekoppelt. Die Rückkopplung ist 0, der dargestellte Prozeß muß wieder neu starten, d.h. die Pulsfolgefrequenz der Reflection at the end mirror 3 and the second passage again linear, but now horizontal (10) is polarized. This bundle reaches after further reinforcement the TFP 17 and is now completely reflected, so decoupled. The feedback is 0, the process shown must restart again, i. the pulse repetition frequency of
Selbstoszillation wird im Prinzip durch einen zweifachen „round trip" durch den Resonator vorgegeben. Der genaue zeitliche Leistungsverlauf im ausgekoppelten In principle, self-oscillation is given by a double "round trip" through the resonator: The exact temporal power curve in decoupled
Strahlungsbündel 7 hängt komplex von den Laserparametern ab und kann nur durch Lösung der Bilanzgleichungen oder natürlich experimentell ermittelt werden. Radiation bundle 7 depends complex on the laser parameters and can be determined only by solving the balance equations or of course experimentally.
Aus der Vielzahl möglicher Anordnungsvarianten des C02- Lasers gemäß der Erfindung zeigen die Figuren 6 bis 10 charakteristische Beispiele. From the multitude of possible arrangement variants of the C0 2 laser according to the invention, FIGS. 6 to 10 show characteristic examples.
In Figur 6 wird zunächst ein EOM 18 in den Rückkoppelzweig 14 des Resonators eingesetzt. Der Einsatz solcher In FIG. 6, an EOM 18 is first inserted into the feedback branch 14 of the resonator. The use of such
Modulatoren ist für die großen Wellenlängen des C02-Lasers problematisch, man muß auf relativ kleine und teure Modulators are problematic for the large wavelengths of C0 2 laser, you have to relatively small and expensive
Schaltkristalle, z.B. aus CdTe zurückgreifen, die hohe SchaltSpannungen erfordern und in ihren optischen Switching crystals, e.g. from CdTe, which require high switching voltages and in their optical
Parametern (Strahlungsbelastbarkeit und Absorption) nicht optimal sind. Positiv steht dem jedoch ihre extrem hohe Schaltgeschwindigkeit gegenüber, die ihren Einsatz Parameters (radiation load capacity and absorption) are not optimal. Positive, however, is their extremely high switching speed compared to their use
wünschenswert macht. Gegenüber herkömmlichen C02-Lasern bietet der Laser gemäß der Erfindung signifikante Vorzüge, die die genannten Probleme lösen. Erstens kann die desirable. Compared to conventional C0 2 lasers, the laser according to the invention offers significant advantages, solve the mentioned problems. First, the
Leistung im Rückkoppelzweig 14, auch bei vergleichsweise hohen mittleren Leistungen im auszukoppelnden Strahl 7, so stark reduziert werden, dass z.B. durch Einsatz eines Teleskops vom Galilei-Typ 22 der Durchmesser D des rückzukoppelnden Strahles 8 an die freie Öffnung d der kleinen Schaltkristalle 18 angepaßt werden kann, ohne dass eine Zerstörung des Kristalls durch die erhöhte Power in the feedback branch 14, even at relatively high average power in the outgoing beam 7, are reduced so much that e.g. can be adapted to the free opening d of the small switching crystals 18 by using a Galilei-type telescope 22 of the diameter D of the back-coupling beam 8, without destruction of the crystal by the increased
Leistungsdichte befürchtet werden muß. Zweitens ist mit dem TFP 17 bereits das polarisationsselektive Element, welches bei Modulation mittels elektrooptischer Kristalle erforderlich ist, bereits immanent im Resonator enthalten, muß also nicht zusätzlich eingebracht werden. Für das vollständige Abschalten der Rückkopplung reicht das Power density must be feared. Secondly, with the TFP 17 already the polarization-selective element, which is required in modulation by means of electro-optical crystals, already inherent in the resonator, so does not need to be additionally introduced. This is enough for completely switching off the feedback
Anlegen einer Viertelwellenspannung am Modulator aus, um den rückzukoppelnden Strahl 8 in seiner Polarisation um 90° zu drehen, so dass er beim Rückläufen vom TFP 17 vollständig als Strahl 28 reflektiert und vom Absorber 26 vernichtet wird. Applying a quarter-wave voltage to the modulator to rotate the rückzukoppelnden beam 8 in its polarization by 90 °, so that it is completely reflected during the return of the TFP 17 as a beam 28 and destroyed by the absorber 26.
Figur 7 zeigt eine ähnliche Anordnung, aber mit AOM 19. Da die Schaltgeschwindigkeit u.a. vom freien Durchmesser d abhängt (kleines d - hohe Schaltgeschwindigkeit) , sind diese Modulatoren i.a. nur mit d < 10 mm verfügbar, so dass auch hier meistens die Integration eines Teleskops vom Galilei-Typ 22 erforderlich ist. Da Germanium, welches als akustooptischer Kristall bei C02-Lasern eingesetzt wird, ebenfalls relativ empfindlich auf hohe Intensitäten reagiert, ist wieder die niedrige Leistung im FIG. 7 shows a similar arrangement, but with AOM 19. Since the switching speed depends, inter alia, on the free diameter d (small d-high switching speed), these modulators are generally only available with d <10 mm, so that in most cases the integration of a telescope Galilei type 22 is required. Since germanium, which is used as an acousto-optic crystal in C0 2 lasers, also reacts relatively sensitively to high intensities, the low power is again in the
Rückkoppelzweig der entscheidende Vorteil des Lasers gemäß der Erfindung. Figur 7 zeigt zwei Varianten des AOM-Einsatzes . In Figur 7a) erfolgt die Rückkopplung, also der Zustand, in dem der Laser arbeitet, über den direkt vom AOM 19 ohne Feedback branch of the decisive advantage of the laser according to the invention. FIG. 7 shows two variants of the AOM insert. In FIG. 7a), the feedback, ie the state in which the laser operates, takes place via the directly from the AOM 19 without
Steuersignal in Richtung Endspiegel 4 durchgelassenen Strahl. Bei Anlegen eines Steuersignals, also der Control signal in the direction of end mirror 4 transmitted beam. When applying a control signal, so the
Erzeugung eines Brechzahlgitters im Modulator, werden hin- und rücklaufender Strahl zu einem in Abhängigkeit vom Steuersignal mehr oder weniger hohen Maße aus dem Generation of a refractive index grating in the modulator, back and forth running beam to a greater or lesser extent depending on the control signal from the
Resonatorstrahlengang herausgebeugt (Strahlen 29) . Dadurch ist es möglich, die Rückkopplung und folglich die Resonator beam bent out (rays 29). This makes it possible to feedback and thus the
Laserausgangsleistung zu modulieren. Bei ausreichend hohen Beugungsverlusten, die von den Absorbern 26 aufgenommen werden, kann der Laser unter seine Schwelle gebracht und damit vollständig ausgeschaltet werden- sauberer To modulate laser output power. With sufficiently high diffraction losses absorbed by the absorbers 26, the laser can be brought below its threshold and thus completely switched off - cleaner
Impulsbetrieb ist möglich. Pulse mode is possible.
In der zweiten, in Figur 7b) gezeigten Variante wird der vom Modulator bei Anlegen eines Steuersignals abgebeugte Strahl 29 für die Rückkopplung genutzt. Hier ist klar, dass bei Steuersignal = 0 auch die Rückkopplung 0 wird, also der Laser ausgeschaltet ist. So können auch Laser mit sehr hohem gain, die bereits bei sehr kleinen In the second variant shown in FIG. 7b), the beam 29 diffracted by the modulator upon application of a control signal is used for the feedback. Here it is clear that with control signal = 0 also the feedback becomes 0, thus the laser is switched off. Likewise, lasers with a very high gain can be used, even for very small ones
Rückkopplungen anschwingen, sauber gepulst werden. Ein weiterer positiver Aspekt dieser Anordnung ist ihre Apply feedback, be well pulsed. Another positive aspect of this arrangement is its
Wellenlängenselektivität, die dem Beugungsprozeß immanent ist. So kann gegebenenfalls auf andere  Wavelength selectivity inherent in the diffraction process. So may, if necessary, to others
wellenlängenselektive Elemente im Resonatorstrahlengang verzichtet werden. Zur Sicherung der hohen Strahlqualität und zur Eliminierung einer möglichen Beeinflussung der transversalen Modenstruktur des Lasers durch unerwünschte Beugungseffekte im Randbereich des AOM kann eine Wavelength-selective elements are omitted in the resonator beam path. To ensure the high beam quality and to eliminate a possible influence on the transverse mode structure of the laser by unwanted Diffraction effects in the edge area of the AOM can be a
Spezialblende 53 als geeigneter Raumfilter zwischen das Teleskop 22 und den Modulator 19 gesetzt werden. Figur 8 illustriert den Einsatz von ILM 20 zur schnellen Leistungssteuerung des C02-Lasers gemäß der Erfindung. In der dargestellten Anordnung arbeitet der Laser, wenn der Modulator im Idealfall auf Transmission = 1 eingestellt ist und der rückzukoppelnde Strahl 8 quasi verlustfrei passieren kann. Legt man einen entsprechenden Steuerstrom an, wird der Abstand der Interferometerplatten geändert und es treten mehr oder weniger intensive reflektierte Strahlungsanteile 30 auf, die wieder von Absorbern 26 vernichtet werden. Wegen T = 1 - R sinkt in analogem Maße der transmittierte Anteil und damit die Rückkopplung, der Laser kann in seiner Ausgangsleistung moduliert oder auch ausgeschaltet und damit Impulsbetrieb realisiert werden. Special aperture 53 are set as a suitable spatial filter between the telescope 22 and the modulator 19. Figure 8 illustrates the use of ILM 20 for rapid power control of the C0 2 laser according to the invention. In the illustrated arrangement, the laser operates when the modulator is ideally set to transmission = 1 and the beam 8 to be retransmitted can pass through virtually without loss. If a corresponding control current is applied, the distance of the interferometer plates is changed and more or less intense reflected radiation components 30 occur, which are again destroyed by absorbers 26. Because of T = 1 - R, the transmitted component and thus the feedback decrease to an analog extent, the laser can be modulated in its output power or even switched off and thus pulse operation can be realized.
Das geschilderte Szenario funktioniert nur einwandfrei, wenn der Laser gezwungen wird, auf genau einer Wellenlänge zu arbeiten. Dafür muß ein wellenlängenselektives Element sorgen - in Figur 8 ist dies das Beugungsgitter 25, das gleichzeitig den Endspiegel 4 ersetzt. Auch ILM reagieren relativ empfindlich auf hohe The scenario described only works flawlessly when the laser is forced to operate at exactly one wavelength. This requires a wavelength-selective element - in Figure 8, this is the diffraction grating 25, which replaces the end mirror 4 at the same time. ILMs are also relatively sensitive to high levels
Leistungen, da die zwei Interferometerplatten bei hoher Belastung merklich die transmittierten Wellenfronten beeinflussen können. Folglich ist auch hier die geringe Strahlungsbelastung im Rückkoppelzweig 14 ein relevanter Faktor. Eine weitere Variante, die nicht so flexibel wie die vorstehend geschilderten, aber dafür sehr einfach und billig ist, zeigt Figur 9. Mittels einer schnell Performances, since the two interferometer plates can significantly affect the transmitted wavefronts under high load. Consequently, here too the low radiation load in the feedback branch 14 is a relevant factor. Another variant, which is not as flexible as the above, but it is very easy and cheap, Figure 9. By means of a fast
rotierenden ZerhackerScheibe 21, die von einem steuerbaren Motor 24 angetrieben wird und zumindest in der Drehzahl gut reguliert werden kann, wird der rückzukoppelnde Strahl 8 periodisch an- und ausgeschaltet. Damit speziell der Anschaltvorgang möglichst schnell im μβ -Bereich erfolgt und zu einem echten Güteschaltungseffekt mit starker rotating chopper disc 21, which is driven by a controllable motor 24 and can be well regulated at least in the speed, the rückzukoppelnde beam 8 is periodically switched on and off. So that especially the turn-on process takes place as fast as possible in the μβ-range and to a true Güteschaltungseffekt with strong
Leistungsüberhöhung führt, wird der rückzukoppelnde Strahl 8 nicht bei seinem Originaldurchmesser "zerhackt", sondern im Zwischenfokus eines Teleskops vom Kepler-Typ 23. Overcosting beam 8 is not "chopped" at its original diameter, but in the intermediate focus of a Kepler-type telescope 23rd
Weitere Elemente sind im Prinzip nicht erforderlich. Der abermalige Vorteil der geringen Leistung im Other elements are not required in principle. The advantage of the low performance in the
Rückkoppelzweig 14 liegt bei diesem System darin, dass trotz der scharfen Fokussierung im Teleskop auch bei der Erzeugung sehr leistungsstarker Impulse an der schaltenden Kante keine Funkenbildung und damit kein Materialabtrag stattfindet, der die Lebensdauer der Zerhackerscheibe 21 stark reduzieren würde. Feedback branch 14 is in this system is that despite the sharp focus in the telescope even when generating very powerful pulses at the switching edge no sparking and thus no material removal takes place, which would greatly reduce the life of the chopper wheel 21.
Eine Variante, die durch die Entwicklung moderner A variant created by the development of modern
Hochleistungs-Scannersysteme von Interesse ist, High-performance scanner systems of interest,
illustriert Figur 10. Um gleichzeitig zu zeigen, wie die Teleskope auf Linsenbasis durch Spiegelversionen ersetzt werden können, wird hier ein Galilei-Teleskop, das aus einem Hohlspiegel 50 und einem Wölbspiegel 51 besteht, eingesetzt. Das durch dieses Teleskop in seinem FIG. 10 illustrates, in order to show how the lens-based telescopes can be replaced by mirror versions, a Galilean telescope consisting of a concave mirror 50 and a curving mirror 51 is used here. That through this telescope in his
Durchmesser verkleinerte Strahlenbündel 8 trifft auf den Kippspiegel 52, der den Endspiegel 4 ersetzt. Durch schnelle Oszillation dieses Kippspiegels 52 kann der Laserresonator rasch zwischen justiertem und unjustiertem Zustand hin- und hergeschaltet und auf diese Weise Diameter reduced beam 8 hits the tilting mirror 52, which replaces the end mirror 4. By fast oscillation of this tilting mirror 52 of the Laser resonator quickly toggled between adjusted and unadjusted state and in this way
Strahlungsimpulse erzeugt werden. Die erreichbaren Radiation pulses are generated. The achievable
Pulsfolgefrequenzen liegen in der Größenordnung 104 Hz. Da diese Pulsfolgefrequenz von der Masse des Kippspiegels 52 und damit seinem Durchmesser abhängt, ist die Reduzierung des Bündeldurchmessers sinnvoll. Auch hier ist die geringe Leistung im Rückkoppelzweig 14 äußerst vorteilhaft, da sehr kleine Spiegeldurchmesser in der Größenordnung mm und damit sehr hohe Pulsfolgefrequenzen ohne Gefahr der Pulse repetition frequencies are in the order of 10 4 Hz. Since this pulse repetition frequency depends on the mass of the tilting mirror 52 and thus its diameter, the reduction of the bundle diameter makes sense. Again, the low power in the feedback path 14 is extremely advantageous because very small mirror diameter in the order mm and thus very high pulse repetition frequencies without risk
Spiegelzerstörung genutzt werden können. Mirror destruction can be used.
Die Vorzüge des C02-Lasers gemäß der Erfindung sind nicht nur auf die Strahlungseigenschaften des Lasers selbst beschränkt. Figur 11 zeigt einen signifikanten Vorteil, den dieser Laser beim Einsatz in einer The advantages of the C0 2 laser according to the invention are not limited only to the radiation properties of the laser itself. Figure 11 shows a significant advantage that this laser when used in a
Materialbearbeitungsanlage bringt. Für solche Anlagen ist es typisch, dass einerseits nicht linear, sondern zirkulär polarisierte Strahlung 36 auf das Werkstück 33 geschickt wird und andererseits Maßnahmen zur Strahlungsentkopplung zwischen Laser und Werkstück getroffen werden, damit die z.B. von hochreflektierenden Werkstoffen in Richtung Laser zurücklaufende Strahlung 37 nicht zu Instabilitäten beim Prozeß der Strahlungsbildung im Laser führt. In  Material processing plant brings. For such systems, it is typical that on the one hand non-linear, but circularly polarized radiation 36 is sent to the workpiece 33 and on the other hand measures for radiation decoupling between the laser and the workpiece are made, so that the e.g. radiation returning from highly reflective materials towards the laser does not cause instabilities in the process of radiation formation in the laser. In
herkömmlichen Anlagen werden zu diesem Zweck zwei conventional plants become two for this purpose
Bauelemente, ein ATFR-Spiegel , der s-polarisierte Devices, an ATFR mirror that is s-polarized
Strahlung reflektiert und p-polarisierte absorbiert, und ein λ/4 -Phasenschieber 34 in Kombination genutzt. Wird der C02-Laser gemäß der Erfindung eingesetzt, kann auf den ATFR-Spiegel verzichtet werden, da seine Aufgabe der Radiation reflected and absorbed p-polarized, and a λ / 4-phase shifter 34 used in combination. If the C0 2 laser is used according to the invention, can be dispensed with the ATFR mirror, since its task is the
Polarisationsstrahlteiler, in Figur 11 also der TFP 17, automatisch erfüllen kann. Nach zweimaligem Passieren des externen λ/4 -Phasenschiebers 34 ist nämlich das vom Polarization beam splitter, in Figure 11 so the TFP 17, can automatically fulfill. After passing through the external λ / 4-phase shifter 34 twice that is from the
Werkstück 33 kommende Strahlungsbündel 38 linear, aber senkrecht zur Laserstrahlung 35 polarisiert und wird folglich vom TFP 17 vollständig durchgelassen, also aus dem Resonatorstrahlengang eliminiert. Ein Absorber 26 vernichtet diese Strahlung. Workpiece 33 coming radiation beam 38 linearly, but polarized perpendicular to the laser radiation 35 and is thus completely transmitted by the TFP 17, so eliminated from the resonator beam path. An absorber 26 destroys this radiation.
Während realer Materialbearbeitungsprozesse ist meistens eine Variation der Laserleistung erforderlich. Um dabei optimal eingestellte Parameter der Laserfunktion selbst, insbesondere die Qualität der LaserStrahlung, nicht zu beeinflussen, ist eine externe Leistungsmodulation During real material processing processes a variation of the laser power is usually required. In order not to influence optimally set parameters of the laser function itself, in particular the quality of the laser radiation, is an external power modulation
vorteilhaft. Figur 12 illustriert zwei Möglichkeiten, die in Verbindung mit dem C02-Laser gemäß der Erfindung dazu genutzt werden können. In Figur 12 a) ist der Einsatz eines ILM 54 zur externen Leistungsmodulation dargestellt. Der vom Laser kommende Strahl 35 wird dabei vom ILM 54 in den in seiner Leistung regulierten transmittierten Strahl 59, der dem Werkstück 33 zugeführt wird, und in den reflektierten Strahl 58 mit der Restleistung aufgeteilt. Letzterer wird im Bauelement 55, das wahlweise ein advantageous. Figure 12 illustrates two possibilities that can be used in conjunction with the C0 2 laser according to the invention. FIG. 12a shows the use of an ILM 54 for external power modulation. The beam 35 coming from the laser is split by the ILM 54 into the power-regulated transmitted beam 59, which is fed to the workpiece 33, and into the reflected beam 58, with the remaining power. The latter is in the component 55, the optional one
Absorber oder ein Strahlungsdetektor sein kann, entweder vernichtet oder zur On-line-Uberwachung genutzt. Der Absorber or a radiation detector can be either destroyed or used for on-line monitoring. Of the
Vorteil des ILM-Einsatzes liegt in dessen relativ hoher Strahlungsbelastbarkeit, die Modulationsgeschwindigkeit ist allerdings begrenzt auf typische Zeiten im Bereich 10 bis 100 μβ . Der erreichbare Maximum-Minimum- Modulationsbereich der Leistung hängt von den eingesetzten Interferometerplatten ab. Typische ILM-Modelle erlauben Abschwächungen des Laserstrahles 35 um Faktoren zwischen 10 und 100. The advantage of using ILM lies in its relatively high radiation load capacity, but the modulation speed is limited to typical times in the range 10 to 100 μβ. The achievable maximum-minimum modulation range of the power depends on the interferometer plates used. Allow typical ILM models Attenuation of the laser beam 35 by factors between 10 and 100.
Sehr hohe Modulationsgeschwindigkeiten bis in den sub-^s- Bereich erlaubt der in Figur 12 b) dargestellte Einsatz eines AOM 57, dem i.a. optische Elemente zur Strahlformung 56, z.B. ein Teleskop zur Anpassung des Strahldurchmessers und eine Spezialblende zur Sicherung der Strahlqualität, vorgeschaltet sind. In diesem Beispiel wird der abgebeugte Strahl als leistungsregulierter Strahl 59 dem Werkstück 33 zugeführt. Der Reststrahl 58 wird wieder wahlweise in einem Absorber/Detektor 55 vernichtet oder gemessen. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist die Tatsache, dass der Strahl 59 beliebig stark abgeschwächt werden kann, im Minimum bis auf 0 W. Je nach AOM-Modell ist allerdings die regelbare Leistung begrenzt. Very high modulation speeds down to the sub-s range allow the use of an AOM 57, the i.a. optical elements for beam shaping 56, e.g. a telescope for adjusting the beam diameter and a special aperture for securing the beam quality, are connected upstream. In this example, the diffracted beam is supplied to the workpiece 33 as a power-regulated beam 59. The residual beam 58 is selectively destroyed or measured again in an absorber / detector 55. Another advantage of this arrangement is the fact that the beam 59 can be attenuated as much as desired, in the minimum to 0 W. However, depending on the AOM model, the controllable power is limited.
Figur 13 zeigt stark schematisiert noch einen für die praktische Realisierung des C02-Lasers gemäß der Erfindung wichtigen Faktor. Um die Langzeitstabilität der FIG. 13 shows in a highly schematized form a factor which is important for the practical realization of the C0 2 laser according to the invention. To the long-term stability of
empfindlichen resonatorinternen Bauelemente zu sensitive intracavity components
garantieren, sie also insbesondere vor Staub und So, in particular, protect them from dust and
Klimaeinflüssen zu schützen, sollte das gesamte System in einer vakuumdichten Einhausung 31 untergebracht sein. To protect climatic influences, the entire system should be housed in a vacuum-tight enclosure 31.
Figur 12 zeigt dies für das Laserende mit dem FIG. 12 shows this for the laser end with the
Dünnfilmpolarisator 17 und den Elementen des Thin-film polarizer 17 and the elements of the
Rückkoppelzweiges 14. Der auszukoppelnde Strahl 7 verläßt den Laser durch das Fenster 32 aus transparentem Material, vorzugsweise aus ZnSe. Analog sind die Elemente am anderen Ende des Resonators, also der λ/4 -Phase-Retarder-Spiegel 16 und der Endspiegel 3 in die Einhausung einzubeziehen. Praktischerweise kann die gesamte vakuumdichte Einhausung 31 mit dem Volumen des aktiven Mediums 1 verbunden werden. Feedback branch 14. The outgoing beam 7 leaves the laser through the window 32 of transparent material, preferably of ZnSe. Analogously, the elements at the other end of the resonator, ie the λ / 4-phase retarder mirror 16 and the end mirror 3 are to be included in the enclosure. Conveniently, the entire vacuum-tight enclosure 31 can be connected to the volume of the active medium 1.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Aktives Medium 1 active medium
2 λ/4 -Phasenschieber  2 λ / 4 phase shifter
3 Endspiegel 1 3 end mirror 1
4 Endspiegel 2  4 end mirror 2
5 Polarisationsstrahlteiler  5 polarization beam splitters
6 Auf Polarisationsstrahlteiler 5 bzw. 17  6 On polarization beam splitter 5 or 17
auftreffender Strahl  incident beam
7 Auszukoppelnder Strahl 7 beam to be decoupled
8 Rückzukoppelnder Strahl  8 back-coupling beam
9 Vertikale Polarisationsrichtung  9 Vertical polarization direction
10 Horizontale Polarisationsrichtung  10 Horizontal polarization direction
11 Resonatorachse  11 resonator axis
12 Charakteristische Achse des λ/4 -Phasenschiebers 212 Characteristic axis of the λ / 4 phase shifter 2
13 Charakteristische Achse des 13 Characteristic axis of the
Polarisationsstrahlteilers 5  Polarization beam splitter 5
14 Rückkoppelzweig des Resonators  14 feedback branch of the resonator
15 Elemente zur Strahlformung  15 elements for beam shaping
16 λ/4 -Phase-Retarder-Spiegel (PRS) 16 λ / 4 Phase Retarder Mirror (PRS)
17 Dünnfilmpolarisator (TFP)  17 thin film polarizer (TFP)
18 Elektrooptischer Modulator (EOM)  18 Electro-Optical Modulator (EOM)
19 Akustooptischer Modulator (AOM)  19 Acousto-Optic Modulator (AOM)
20 Interferenz-Laserstrahlungsmodulator (ILM)  20 interference laser radiation modulator (ILM)
21 Zerhackerscheibe 21 chopper disk
22 Teleskop vom Galilei-Typ  22 Galilei-type telescope
23 Teleskop vom Kepler-Typ  23 Telescope of the Kepler type
24 Antriebselement  24 drive element
25 Reflexionsgitter  25 reflection grids
26 Absorber 26 absorbers
27 Optische Achse des ILM 20 28 Vom EOM 18 in seiner Polarisationsrichtung um 90° gedrehter Strahl 27 Optical axis of the ILM 20 28 Beam rotated 90 ° by EOM 18 in its polarization direction
29 Vom AOM 19 abgebeugter Strahl  29 Beam bent by the AOM 19
30 Vom ILM 20 reflektierter Strahl  30 Ray reflected by the ILM 20
31 Vakuumdichte Einhausung 31 Vacuum-tight enclosure
32 Fenster aus transparentem Material  32 windows made of transparent material
33 Werkstück  33 workpiece
34 externer λ/ -Phasenschieber  34 external λ / phase shifters
35 Linear polarisierte Strahlung des Lasers  35 Linearly polarized radiation of the laser
36 In Richtung Werkstück laufende zirkulär polarisierte Strahlung 36 Circularly polarized radiation in the direction of the workpiece
37 Vom Werkstück in Richtung Laser laufende zirkulär polarisierte Strahlung  37 Circularly polarized radiation from the workpiece towards the laser
38 Vom Werkstück kommende und vom λ/ -Phasenschieber  38 Coming from the workpiece and from the λ / phase shifter
(34) linear polarisierte Strahlung  (34) linearly polarized radiation
39 Umlenkspiegel  39 deflection mirror
40 Bearbeitungskopf  40 machining head
41 Einfallslot des PRS 16  41 Incidence slot of the PRS 16
42 Einfallslot des Endspiegels 3  42 Incidence slot of the end mirror 3
43 In Richtung des λ/4 -Phasenschiebers 2 laufender 43 Running in the direction of the λ / 4 phase shifter 2
Strahl  beam
44 Startpunkt der spontanen Strahlung  44 Starting point of spontaneous radiation
45 Schwacher, in Richtung Resonatorachse 11 laufender spontan emittierter Strahl  45 Weak, spontaneously emitted beam in the direction of the resonator axis 11
46 Schwache elliptische Polarisation 46 Weak elliptical polarization
47 Starke elliptische Polarisation  47 Strong elliptical polarization
48 Unpolarisierte Strahlung  48 Unpolarized Radiation
49 Zirkulare Polarisation 49 Circular polarization
50 Hohlspiegel 50 concave mirrors
51 Wölbspiegel 51 vault mirror
52 Kippspiegel 53 Spezialblende 52 tilting mirror 53 special aperture
54 extern angeordneter ILM  54 externally arranged ILM
55 Wahlweise Absorber oder Detektor  55 Optional absorber or detector
56 Externe Elemente zur Strahlformung  56 External elements for beam forming
57 Externer AOM 57 External AOM
58 Eliminierter Strahlungsanteil  58 Eliminated radiation fraction
59 Leistungsregulierte Strahlung c Lichtgeschwindigkeit  59 Power-regulated radiation c Speed of light
d reduzierter Durchmesser des Laserstrahlsd reduced diameter of the laser beam
D Durchmesser des Laserstrahls D diameter of the laser beam
fimp Impulsfolgefrequenz fimp pulse repetition frequency
L Resonatorlänge  L resonator length
P0 Strahlungsleistung vor Aufspaltung P 0 Radiation power before splitting
Pp Leistung des parallel polarisierten P p power of the parallel polarized
Strahlungsanteils  radiation component
Ps Leistung des senkrecht polarisierten P s power of the vertically polarized
Strahlungsanteils  radiation component
PA Leistung des auszukoppelnden Strahls PR Leistung des rückzukoppelnden StrahlsP A Power of the beam to be coupled out P R Power of the beam to be fed back
Si, S2 Endspiegel Si, S 2 end mirror
AOM Akustooptischer Modulator  AOM acousto-optic modulator
ATFR Absorbing Thin Film Reflector  ATFR Absorbing Thin Film Reflector
cw continuous wave cw continuous wave
EOM Elektrooptischer Modulator EOM electro-optical modulator
FPI Fabry-Perot-Interferometer  FPI Fabry-Perot interferometer
ILM Interferenz-Laserstrahlungsmodulator ILM interference laser radiation modulator
PRS λ/4-Phase-Retarder-Spiegel PRS λ / 4-phase retarder level
TFP Dünnfilmpolarisator  TFP thin film polarizer
aB Brewsterwinkel ß Winkel zwischen Resonatorachse und Einfallslot desa B Brewsterwinkel ß angle between the resonator axis and incident solder of the
PRS PRS
ε Neigung der ILM-Achse gegen Resonatorachse ε inclination of the ILM axis against resonator axis
λ Wellenlänge λ wavelength
φ Winkel zwischen charakteristischen Achsen von φ angle between characteristic axes of
Polarisationsstrahlteiler und λ/ -Phasenschieber  Polarization beam splitter and λ / phase shifter

Claims

Patentansprüche claims
C02-Laser mit einem an beiden Enden mit C0 2 laser with one at both ends with
Resonatorendspiegeln (3, 4) abgeschlossenen Resonator enthaltend ein aktives Medium (1) und mit Elektroden für die Pumpenenergiezufuhr, wobei der Resonator in Richtung einer Resonatorachse (11) , verlaufend orthogonal zu den  Resonator end mirrors (3, 4) closed resonator containing an active medium (1) and with electrodes for the pumped power supply, wherein the resonator in the direction of a Resonatorachse (11), extending orthogonal to the
Resonatorendspiegeln (3, 4), zwischen den  Resonatorendspiegel (3, 4), between the
Resonatorendspiegeln (3, 4) in einen  Resonator end mirrors (3, 4) in one
Hochleistungszweig und in einen Rückkoppelzweig (14) unterteilt ist, wobei der Hochleistungszweig und der Rückkoppelzweig (14) durch einen Polarisationsstrahlteiler (5) zur Auskoppelung eines Teils des im Resonator erzeugten Laserstrahls (7) voneinander getrennt sind, wobei in dem Hochleistungszweig zwischen einem ersten Resonatorendspiegel (3) und dem  High power branch and in a feedback branch (14) is divided, wherein the high-power branch and the feedback branch (14) by a polarization beam splitter (5) for decoupling a part of the laser beam generated in the resonator (7) are separated from each other, wherein in the high-power branch between a first Resonatorendspiegel (3) and the
Polarisationsstrahlteiler (5) das aktive Medium (1) und ein lambda/4 Phasenschieber (2) angeordnet ist, wobei in dem Rückkoppelzweig (14) zwischen einem zweiten Resonatorendspiegel (4) und dem  Polarization beam splitter (5) the active medium (1) and a lambda / 4 phase shifter (2) is arranged, wherein in the feedback branch (14) between a second Resonatorendspiegel (4) and the
Polarisationsstrahlteiler (5) Elemente zur  Polarization beam splitter (5) Elements for
Strahlformung (15) angeordnet sind, wobei der lambda/4 Phasenschieber (2) und der  Beam shaping (15) are arranged, wherein the lambda / 4 phase shifter (2) and the
Polarisationsstrahlteiler (5) gegeneinander um Winkel φ verdrehbar sind, und zwar um eine Drehachse mit zumindest einer Drehkomponente parallel zur Polarization beam splitter (5) against each other Angle φ are rotatable, about a rotation axis with at least one rotational component parallel to
Resonatorachse (11) oder um die Resonatorachse (11) , wobei die Resonatorachse (11) entweder geradlinig oder abgeknickt durch den Polarisationsstrahlteiler (5) verläuft und wobei der zweite Resonatorendspiegel (4) durch ein wellenlängenselektives Element als Element zur Resonator axis (11) or around the resonator axis (11), wherein the resonator axis (11) either straight or bent by the polarization beam splitter (5) and wherein the second Resonatorendspiegel (4) by a wavelength selective element as an element to
Strahlformung (15) ersetzt sein kann. Beam shaping (15) may be replaced.
C02-Laser nach Anspruch 1, wobei das aktive Medium im Resonator (14) , insbesondere dem Hochleistungszweig, einen Druck von weniger als 0,2 bar, insbesondere weniger als 0,1 bar, aufweist, und/oder wobei der lambda/4 Phasenschieber (2) zwischen dem aktiven C0 2 laser according to claim 1, wherein the active medium in the resonator (14), in particular the high-performance branch, a pressure of less than 0.2 bar, in particular less than 0.1 bar, and / or wherein the λ / 4 Phase shifter (2) between the active
Medium (1) und dem ersten Resonatorendspiegel (3) angeordnet ist. Medium (1) and the first Resonatorendspiegel (3) is arranged.
C02-Laser nach Anspruch 1 oder 2, wobei beide C0 2 laser according to claim 1 or 2, wherein both
Resonatorendspiegel (3, 4) eine Reflektivität von mehr als 95%, insbesondere mehr als 99%, aufweisen. C02-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Elemente zur Strahlformung (15) ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Elementen zur Resonatorendspiegel (3, 4) have a reflectivity of more than 95%, in particular more than 99%. C0 2 laser according to one of claims 1 to 3, wherein the elements for beam shaping (15) are selected from the group consisting of elements for
Leistungsmodulation, zur Wellenlängenselektion, Power modulation, for wavelength selection,
Spezialblenden und Kombinationen von 2 oder mehr solcher Elemente. C02-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der λ/ -Phasenschieber (2) ein λ/ -phase-retarder-Spiegel (16), vorzugsweise für hohe Leistungen, ist. Special apertures and combinations of 2 or more such elements. C0 2 laser according to one of claims 1 to 4, wherein the λ / phase shifter (2) is a λ / phase retarder mirror (16), preferably for high powers.
C02-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, C0 2 laser according to one of claims 1 to 6,
wobei der Winkel φ mit der Maßgabe einstellbar ist, dass der durch das aktive Medium (l) in Richtung des Polarisationsstrahlteilers (5) laufende Strahl (6) und der in Richtung des λ/4 -Phasenschiebers (2) laufende Strahl (43) jeweils linear, aber senkrecht zueinander polarisiert sind, oder  wherein the angle φ is adjustable with the proviso that the beam (6) traveling through the active medium (1) in the direction of the polarization beam splitter (5) and the beam (43) traveling in the direction of the λ / 4 phase shifter (2) respectively are linear but polarized perpendicular to each other, or
wobei der Winkel φ mit der Maßgabe einstellbar ist, dass der durch das aktive Medium (1 in Richtung des λ/4 -Phasenschiebers (2) laufende Strahl (43) linear und der durch das aktive Medium (1) in Richtung des Polarisationsstrahlteilers (5) laufende Strahl (6) elliptisch polarisiert ist, wobei Exzentrizität und Lage der Ellipse durch φ bestimmt sind,  wherein the angle φ is adjustable with the proviso that the beam (43) traveling through the active medium (1 in the direction of the λ / 4 phase shifter (2) is linear and that through the active medium (1) is directed in the direction of the polarization beam splitter (5 ) running beam (6) is elliptically polarized, eccentricity and position of the ellipse being determined by φ,
wobei vorzugsweise der vom  preferably of the
Polarisationsstrahlteiler (5) reflektierte Strahl als auszukoppelnder Strahl (7) und der transmittierte Strahl als rückzukoppelnder Strahl (8) genutzt werden und wobei die Resonatorachse (11) vorzugsweise Polarization beam splitter (5) reflected beam to be coupled out as the beam (7) and the transmitted beam to be fed back as the beam (8) and wherein the resonator (11) preferably
geradlinig durch den Polarisationsstrahlteiler (5) verläuft . straight through the polarization beam splitter (5).
C02-Laser nach Anspruch 1 bis 6, wobei der vom C0 2 laser according to claim 1 to 6, wherein the of
Polarisationsstrahlteiler (5) transmittierte Strahl als auszukoppelnder Strahl (7) und der reflektierte Strahl als rückzukoppelnder Strahl (8) genutzt werden und wobei die Resonatorachse (11) vorzugsweise abgeknickt durch den Polarisationsstrahlteiler (5) verläuft . Polarization beam splitter (5) transmitted beam to be coupled out as the beam (7) and the reflected beam to be fed back as the beam (8) and wherein the resonator (11) preferably kinked by the polarization beam splitter (5) extends.
C02-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei im Rückkoppelzweig (14) des Resonators als C0 2 laser according to one of claims 1 to 7, wherein in the feedback branch (14) of the resonator as
wellenlängenselektives Element ein Beugungsgitter (25) an Stelle des zweiten Resonatorendspiegels (4) wavelength-selective element a diffraction grating (25) instead of the second resonator end mirror (4)
eingesetzt wird. is used.
Materialbearbeitungsanlage mit einer Material processing plant with a
Werkstückhalterung für ein Werkstück und mit einem C02- Laser (35) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Werkstück mittels der Werkstückhalterung relativ zu einem Laserausgang des Lasers positionierbar ist, wobei in den Strahlweg zwischen dem Laserausgang und dem Werkstück (33) , vorzugsweise unmittelbar bei dem Laserausgang, ein λ/4 -Phasenschieber (34) mit der Maßgabe eingerichtet ist, dass die linear polarisierte Strahlung des Lasers (35) in zirkulär polarisierte Strahlung (36) transformiert wird, ein nach Reflexion oder Streuung am Werkstück zurück in Richtung Laser laufende Strahlungsanteil (37) nach dem zweiten A workpiece holder for a workpiece and having a C0 2 - laser (35) according to any one of claims 1 to 8, wherein the workpiece is positionable by means of the workpiece holder relative to a laser output of the laser, wherein in the beam path between the laser output and the workpiece (33). , preferably directly at the laser output, a λ / 4-phase shifter (34) is provided with the proviso that the linearly polarized radiation of the laser (35) is transformed into circularly polarized radiation (36), one after reflection or scattering back on the workpiece in the direction of laser radiation component (37) after the second
Durchlaufen des λ/4 -Phasenschiebers (34) wieder linear, aber senkrecht zur emittierten Laserstrahlung (35) polarisiert wird und dieser Strahlungsanteil (38) vor Eindringen in das aktive Medium (1) im Resonator vom Polarisationsstrahlteiler (5, 17) aus der Richtung des Laserstrahles abgelenkt und von einem Absorber (26) vernichtet wird. Passing through the λ / 4 phase shifter (34) again linearly, but polarized perpendicular to the emitted laser radiation (35) and this radiation component (38) from penetrating into the active medium (1) in the resonator of the polarization beam splitter (5, 17) from the direction deflected by the laser beam and destroyed by an absorber (26).
10. Materialbearbeitungsanlage mit einer 10. Material processing plant with a
Werkstückhalterung für ein Werkstück und mit einem C02- Laser (35) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Werkstück mittels der Werkstückhalterung relativ zu einem Laserausgang des Lasers positionierbar ist, wobei in den Strahlweg zwischen dem Laserausgang und dem Werkstück (33) Elemente zur Leistungsmodulation, vorzugsweise Interferenz -Laserstrahlungsmodulatoren (54) oder akustooptische Modulatoren (57) , mit der Maßgabe integriert sind, dass der in Richtung A workpiece holder for a workpiece and having a C0 2 - laser (35) according to any one of claims 1 to 8, wherein the workpiece is positionable by means of the workpiece holder relative to a laser output of the laser, wherein in the beam path between the laser output and the workpiece (33). Power modulation elements, preferably interference laser radiation modulators (54) or acousto-optic modulators (57), are integrated with the proviso that the direction
Werkstück (33) laufende Strahl (59) in seiner Leistung in weiten Grenzen regelbar ist, ohne dass  Workpiece (33) running beam (59) is adjustable in its performance within wide limits, without
Steuerungsparameter in dem Laser verändert werden..  Control parameters are changed in the laser ..
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