EP3195430A1 - Q-switched co2laser material machining system comprising acousto-optic modulators - Google Patents

Q-switched co2laser material machining system comprising acousto-optic modulators

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EP3195430A1
EP3195430A1 EP15787282.1A EP15787282A EP3195430A1 EP 3195430 A1 EP3195430 A1 EP 3195430A1 EP 15787282 A EP15787282 A EP 15787282A EP 3195430 A1 EP3195430 A1 EP 3195430A1
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EP
European Patent Office
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aom
laser
radiation
switched
switching
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15787282.1A
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
Feha Lasertec GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Feha Lasertec GmbH filed Critical Feha Lasertec GmbH
Publication of EP3195430A1 publication Critical patent/EP3195430A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S3/223Gases the active gas being polyatomic, i.e. containing two or more atoms
    • H01S3/2232Carbon dioxide (CO2) or monoxide [CO]
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    • G02B27/095Refractive optical elements
    • G02B27/0955Lenses
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    • H01S3/11Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
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    • H01S3/005Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0071Beam steering, e.g. whereby a mirror outside the cavity is present to change the beam direction

Definitions

  • the invention relates to a Q-switched C0 2 laser material processing system with acousto-optical modulators (AOM) for beam shaping.
  • AOM acousto-optical modulators
  • Material processing tasks can be solved very efficiently with C0 2 lasers of a wide variety of concrete designs. Frequently, however, these tasks are bound to pulsed radiation, such as drilling with high
  • the aim of the invention is to provide a C0 2 ⁇ laser material processing system, on the one hand by means of
  • Acousto-optic modulators Q-switched and on the other hand by means of another AOM, which is located externally, ie outside the laser resonator, extremely efficiently decoupled from radiation that is reflected from the workpiece.
  • Laser material processing suitable, Q-switched C0 2 - viewed laser systems, with the external, ie Beam shaping taking place outside the laser resonator, in particular the isolation of the laser from radiation reflected from the workpiece, is also included. in the
  • Center of the invention is a factor that i.a. is neglected, namely the frequency shift of the diffracted at the AOM beam, which has its cause in the diffraction on a moving grid and the frequency with which this running grid is generated. If one uses the diffracted beam, which is often useful or even necessary for reasons explained below, this fact has a decisive influence on the effect of the amplifying active medium on the radiation with positive and negative aspects.
  • the relationship between the spectral width of the gain profile of the active medium and the influence of the radiation frequency in the diffracted beam of an AOM must be considered in more detail. This will also be described in more detail with reference to the figures showing merely exemplary embodiments
  • the gain reduction here has a very similar behavior as in the case of Doppler broadening, when again f A0 M and ⁇ are of the same order of magnitude. It should be noted that for low pressure C0 2 - Laser to about 30 mbar Doppler broadening is dominant, with medium and high pressure lasers above 100 mbar pressure broadening plays an increasing role. In any case, it can be assumed that at the typical AOM frequencies in the range 40 MHz and more, the resulting frequency shift of the diffracted
  • P (g) P 0 exp (gz).
  • the relative gain P (g) / Po is shown in FIG. 3 as a function of the product gz. Since the small signal amplification is typically in the range 10 4 to 10 6 in high-power C0 2 lasers, it can immediately be seen that relatively small reductions in the gz (z is assumed to be constant) by, for example, a factor of 2 from 10 to 5 to a decrease in gain by two
  • FIGS. 5 and 9 can be used.
  • AOM for Q-Switching of the C0 2 Laser
  • the simplest variant in which the AOM for the Q-switching between the active medium and a resonator end mirror is arranged and the undiffracted, transmitted beam is fed back. It fails, however, if, first, the
  • Diffraction efficiency of the AOM is not sufficiently high and / or secondly, the gain of the active medium is so high that complete suppression of the laser function in the desired pulse pauses by activation of the AOM, i.
  • Doppler width of the gain profile of a low-pressure C0 2 - laser is only about 60 MHz, ie the diffracted and returning back to the active medium radiation finds a very low gain before (see Fig. 1) and is therefore only very weak amplified (see Figure 3), an efficient laser function is not possible.
  • the solution to this problem according to the invention consists in the use of an AOM tandem, ie a first AOM divides the incoming beam into transmitted and diffracted portions, a second AOM positioned directly behind it is arranged such that firstly the diffracted portion returns to the optimum Bragg angle secondly, and secondly, the effective direction of the Grid running in the two AOM is exactly opposite, so that the effective frequency shift of the above
  • a second critical point for a Q-switched C0 2 laser is in any case the radiation feedback from the workpiece into the laser. This can reach considerable values, especially in highly reflective materials such as copper or aluminum and flat workpiece surfaces, which far exceed 10% of on the workpiece may be falling radiation power.
  • Polarization of the current to the workpiece radiation is generated.
  • This form of decoupling is e.g. in cw operation of the laser, in which continuously reduces the inversion and maintained at a relatively low level, completely sufficient. But you work with it
  • the inventive solution to this problem is again based on the frequency shift of the diffracted beam in an AOM. This time this effect is used to a positive effect in the following way.
  • an AOM is arranged so that the linearly polarized radiation is optimally diffracted. This diffracted radiation component, which again has the described frequency shift, is sent to the workpiece for processing.
  • FIG. 1 Relative gain as a function of
  • FIG. 4 For radiation feedback of workpiece - laser:
  • FIG. 6 The function of an AOM tandem for the Q-switching
  • FIG. 7 For suppressing the radiation feedback
  • FIG. 8 Complete decoupling by means of AOM, ATFR and ⁇ / 4
  • FIG. 9 AOM insert in a C0 2 laser according to FIG.
  • FIG. 10 Example for suppressing the
  • Fig. 5 shows schematically a first embodiment, which is based on the basic structure of a conventional
  • the jet 8 coming from the direction of the active medium 1 drops to a first AOM 2 which, when a corresponding switching voltage is applied, deflects this beam into the 1st Bragg diffraction order.
  • This beam 9 falls on a second AOM 3, which generates the diffracted beam 10 when the switching voltage is applied. After partial reflection at the adjusted
  • the resulting frequency shift is the feedback one Beam 0 as needed.
  • Laser output coupling 4 arranged.
  • a unit 6 for further beam shaping in particular for generating the desired for many applications circular polarization of the radiation on the workpiece 7 and for compensation (eg by means of cylindrical lenses) often typical for AOM slightly elliptical distortion of the beam, to get integrated.
  • Figures 7 and 8 illustrate the suppression of the radiation feedback again in detail.
  • Fig. 7 focuses on the effect of the frequency shift according to the invention.
  • the decoupled beam 16 falls on the third AOM 5, which sends the diffracted and frequency-shifted by 5f beam 17 on the workpiece upon application of the switching voltage. The thrown back from there
  • the AOM 5 must be selected such that the double frequency shift 25f is at least of the order of the half-width ⁇ of the gain profile.
  • the term "order of magnitude" denotes that the ratio 2 ⁇ / ⁇ should preferably be in the range from 1:10 to 100: 1, in particular from 1: 1 and / or to 10: 1.
  • An essential factor of the arrangement according to the invention is the fact that the usual conversion of the linearly polarized radiation of the laser in circular
  • Polarization 25 transformed. After interaction with the workpiece 7, a certain proportion 26 of this circularly polarized radiation travels back towards the laser. When passing through the ⁇ / 4-phase shifter 21, it is in a beam 27 with linear horizontal polarization 28th
  • the AOM 5 shifts the diffracted beam frequency by 5f from the workpiece
  • Phase shifter is polarized perpendicular to the outgoing polarity and therefore diffracted by the AOM 5 only ineffective, d. H. less radiation is going towards the laser.
  • Magnitudes weakens, so that even with maximum gain in the active medium and at maximum feedback (z. B. by highly reflective metals such as copper) no parasitic oscillations occur.
  • FIG. 9 shows the principal difference from the first embodiment. It consists here above all in the changed outcoupling of the
  • TFP 30 Laser beam over a thin film polarizer (thin film Polarizer - TFP) 30.
  • the TFP 30 shares the weak
  • the laser of FIG. 9 is typically characterized by relatively high average powers. If you now assign the external AOM 5 directly to the laser output, the usable average power would be due to the relatively low
  • ZnSe-based beam splitters are loadable up to the kW range and therefore suitable, for example, a beam of the middle
  • Beam splitter 32, 33 and 34 preferably with a
  • Each sub-beam 38 to 41 then receives its own AOM 42 to 45.
  • a prerequisite for the use of this method is, of course, that the respective desired application with the partial beams is feasible.

Abstract

The invention relates to a Q-switched CO2laser material machining system comprising acousto-optic modulators (AOM) which are used inside the resonator for Q-switching the CO2 laser as well as externally for extremely efficiently suppressing radiation feedback between the laser and the workpiece. The essential idea is to specifically take into account the frequency shift of the radiation which is diffracted on the AOM and corresponds exactly to the exciting frequency of the acoustic wave in the AOM crystal, in order to amplify radiation in the active medium. Since said frequency shift significantly reduces the amplification of the radiation, same has to be prevented during the Q-switching process; for this purpose, according to the invention, two AOMs are used which have the same exciting frequency but propagate the acoustic waves in opposite directions in the crystal. In contrast thereto, the frequency shift has an advantageous effect on the suppression of radiation feedback between the laser and the workpiece if, according to the invention, an AOM is placed between the laser output and the workpiece, said AOM having a specific minimum exciting frequency for the acoustic wave such that the wave propagating back into the laser undergoes virtually no amplification by the active medium when the beam diffracted on the AOM is used as the working beam.

Description

Gütegeschaltetes C02-Laser-Materialbearbeitungssystem mit Akustooptischen Modulatoren Q-switched C0 2 laser material processing system with acousto-optic modulators
Gebiet der Erfindung Field of the invention
Die Erfindung betrifft ein gütegeschaltetes C02-Laser- Materialbearbeitungssystera mit Akustooptischen Modulatoren (AOM) zur Strahlformung. The invention relates to a Q-switched C0 2 laser material processing system with acousto-optical modulators (AOM) for beam shaping.
Stand der Technik und Hintergrund der Erfindung Prior art and background of the invention
Zahlreiche technologisch relevante Numerous technologically relevant
Materialbearbeitungsaufgaben lassen sich sehr effizient mit C02-Lasern der unterschiedlichsten konkreten Bauart lösen. Häufig sind diese Aufgaben allerdings an gepulste Strahlung gebunden, z.B. das Bohren mit hohen Material processing tasks can be solved very efficiently with C0 2 lasers of a wide variety of concrete designs. Frequently, however, these tasks are bound to pulsed radiation, such as drilling with high
Qualitätsanforderungen. Genau hier liegt aber ein gewisser Schwachpunkt der bekannten kommerziell verfügbaren C02- Laser: Ihre Pulsbärkeit ist durch den Wellenlängenbereich der Strahlung im Infraroten um etwa 10 μτ wesentlich dadurch eingeschränkt, dass es nur eine begrenzte Zahl optisch transparenter Materialien gibt, die zur Quality requirements. But here lies a certain weak point of the known commercially available C0 2 lasers: Their pulse intensity is considerably limited by the wavelength range of the radiation in the infrared by about 10 μτ, because there are only a limited number of optically transparent materials which are used for
Modulation, insbesondere der Güteschaltung, bei den für die Lasermaterialbearbeitung erforderlichen hohen Modulation, in particular the Q-switching, at the high levels required for laser material processing
mittleren Leistungen geeignet sind. Neben mechanischen Schaltern mit ihren bekannten Nachteilen finden praktisch ausschließlich Akustooptische Modulatoren (AOM) auf Basis von Germanium und elektrooptische Modulatoren (EOM) auf Basis von CdTe für die Güteschaltung moderner C02-Laser Anwendung, allerdings mit relativ engen Grenzen bezüglich der erreichbaren mittleren Leistung bei dem seit langer Zeit üblichen Resonatordesign. Einen Ausweg aus diesem Konflikt zeigt das in WO 2013/113306 A8 beschriebene gütegeschaltete C02-Lasersystem, das im Prinzip mittlere Leistungen gütegeschalteter C02-Lasersysteme bis in den kW-Bereich gestattet. average powers are suitable. In addition to mechanical switches with their known disadvantages, almost exclusively acousto-optic modulators (AOM) based on germanium and electro-optical modulators (EOM) based on CdTe are used for the Q-switching of modern C0 2 lasers Application, but with relatively narrow limits in terms of achievable average power in the long-standing conventional resonator design. One way out of this conflict is the Q-switched C0 2 laser system described in WO 2013/113306 A8, which, in principle, permits average powers of Q-switched C0 2 laser systems down to the kW range.
Technisches Problem der Erfindung Technical problem of the invention
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines C02~Laser- Materialbearbeitungssystems, das einerseits mittels The aim of the invention is to provide a C0 2 ~ laser material processing system, on the one hand by means of
Akustooptischer Modulatoren (AOM) gütegeschaltet wird und andererseits mittels eines weiteren AOM, der extern, also außerhalb des Laserresonators angeordnet ist, extrem effizient von Strahlung, die vom Werkstück zurückgeworfen wird, entkoppelt ist. Acousto-optic modulators (AOM) Q-switched and on the other hand by means of another AOM, which is located externally, ie outside the laser resonator, extremely efficiently decoupled from radiation that is reflected from the workpiece.
Grundzüge der Erfindung und bevorzugte Broad features of the invention and preferred
Ausführungsbeispiele embodiments
Zur Lösung dieses technischen Problems lehr die Erfindung den Gegenstand des Anspruchs 1. Bevorzugte To solve this technical problem, the invention teaches the subject matter of claim 1. Preferred
Ausführungsformen sind in den ünteransprüchen angegeben.  Embodiments are specified in the dependent claims.
Im Rahmen der Erfindung wird ausschließlich der AOM- Einsatz in möglichst leistungsstarken, u.a. für die In the context of the invention, only the use of AOM in as powerful as possible, u.a. for the
Lasermaterialbearbeitung geeigneten, gütegeschalteten C02- Lasersystemen betrachtet, wobei auch die externe, also außerhalb des Laserresonators erfolgende Strahlformung, insbesondere die Isolierung des Lasers vor vom Werkstück zurückgeworfener Strahlung, mit einbezogen wird. Im Laser material processing suitable, Q-switched C0 2 - viewed laser systems, with the external, ie Beam shaping taking place outside the laser resonator, in particular the isolation of the laser from radiation reflected from the workpiece, is also included. in the
Zentrum der Erfindung steht dabei ein Faktor, der i.a. vernachlässigt wird, nämlich die Frequenzverschiebung des am AOM gebeugten Strahles, die ihre Ursache in der Beugung an einem laufenden Gitter hat und der Frequenz entspricht, mit der dieses laufende Gitter erzeugt wird. Nutzt man den gebeugten Strahl, was aus unten dargelegten Gründen oft sinnvoll bzw. sogar erforderlich ist, hat diese Tatsache entscheidenden Einfluss auf die Wirkung des verstärkenden Aktiven Mediums auf die Strahlung mit positiven und negativen Aspekten. Zum Verständnis der erfindungsgemäßen Lösung muss der Zusammenhang zwischen der spektralen Breite des Gain- Profils des Aktiven Mediums und der Beeinflussung der Strahlungsfrequenz im gebeugten Strahl eines AOM näher betrachtet werden. Dies wird auch anhand der lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Figuren näher  Center of the invention is a factor that i.a. is neglected, namely the frequency shift of the diffracted at the AOM beam, which has its cause in the diffraction on a moving grid and the frequency with which this running grid is generated. If one uses the diffracted beam, which is often useful or even necessary for reasons explained below, this fact has a decisive influence on the effect of the amplifying active medium on the radiation with positive and negative aspects. To understand the solution according to the invention, the relationship between the spectral width of the gain profile of the active medium and the influence of the radiation frequency in the diffracted beam of an AOM must be considered in more detail. This will also be described in more detail with reference to the figures showing merely exemplary embodiments
erläutert, welche in der Folge im Detail bezeichnet sind. explained which are referred to in detail below.
Bekanntlich prägt sich bei der Bragg-Beugung am laufenden Gitter im AOM die Frequenz fÄ0M mit der dieses Gitter durch den Transducer erzeugt wird, der Frequenz f der auf den AOM treffendenLichtwelle je nach Laufrichtung des Gitters additiv oder subtraktiv auf, so dass für die resultierende Frequenz fB der gebeugten Welle gilt: fß = f -tfflOM · Wie wechselwirkt diese frequenzverschobene Welle nun mit dem Aktiven Medium, d.h. wie wirkt sich die Verschiebung auf den Gain aus? Im C02-Laser sind es vor allem zwei Linienverbreiterungsmechanismen, die das Gainprofil g(f - f0) bestimmen, die Dopplerverbreiterung und die As is well known, in Bragg diffraction on the current grating in the AOM, the frequency f0M at which this grating is generated by the transducer imposes additive or subtractive on the frequency f of the lightwave impinging on the AOM, depending on the running direction of the grating, so that for the resulting Frequency f B of the diffracted wave is: fß = f -tfflOM · How does this frequency-shifted wave interact with the active medium, ie how does the shift affect the gain? In the C0 2 laser, it is mainly two line broadening mechanisms that determine the gain profile g (f - f 0 ), the Doppler broadening and the
Druckverbreiterung .  Pressure broadening.
Die Dopplerverbreiterung als inhomogene The Doppler broadening as inhomogeneous
Linienverbreiterung ergibt für das Gainprofil g(f - f0) ein Gaussprofil gemäß der Funktion g ( f - fo ) G=(irIn 2) f-exp [- In 2] Line broadening yields a Gaussian profile for the gain profile g (f - f 0 ) according to the function g (f - fo) G = (irIn 2) f -exp [- In 2]
mit der Resonanzfrequenz f0 und der HalbwertsbreiteAf . Fig 1 illustriert, wie der Gain relativ zum Maximalwert bei f = f0 mit wachsender Frequenzverschiebung gegenüber der Resonanzfrequenz abnimmt. Kommen fÄ0 und Af in die gleiche Größenordnung, erhält diese Tatsache entscheidende with the resonance frequency f 0 and the half-value width Af. FIG. 1 illustrates how the gain decreases relative to the maximum value at f = f 0 with increasing frequency shift with respect to the resonance frequency. If f Ä0 and Af are of the same order of magnitude, this fact gets decisive
Bedeutung für die Funktion des Lasersystems. Meaning for the function of the laser system.
Die Druckverbreiterung als homogene Linienverbreiterung ergibt für das Gainprofil ein Lorentzprofil gemäß der Funktion The pressure broadening as a homogeneous line broadening results in the gain profile of a Lorentz profile according to the function
Wie Fig. 2 zeigt, besitzt hier die Gainabnahme ein ganz ähnliches Verhalten wie bei der Dopplerverbreiterung, wenn wieder fA0M und Δί in der gleichen Größenordnung liegen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass für Niederdruck-C02- Laser bis etwa 30 mbar die Dopplerverbreiterung dominant ist, bei Mittel- und Hochdrucklasern oberhalb 100 mbar die Druckverbreiterung eine wachsende Rolle spielt. In jedem Falle kann aber davon ausgegangen werden, dass bei den typischen AOM-Frequenzen im Bereich 40 MHz und mehr die resultierende Frequenzverschiebung des gebeugten As shown in FIG. 2, the gain reduction here has a very similar behavior as in the case of Doppler broadening, when again f A0 M and Δί are of the same order of magnitude. It should be noted that for low pressure C0 2 - Laser to about 30 mbar Doppler broadening is dominant, with medium and high pressure lasers above 100 mbar pressure broadening plays an increasing role. In any case, it can be assumed that at the typical AOM frequencies in the range 40 MHz and more, the resulting frequency shift of the diffracted
Strahlungsbündels signifikant die Verstärkung dieses Bündels im Aktiven Medium reduziert. Eine einfache Radiation bundle significantly reduces the gain of this bundle in the active medium. A simple one
Betrachtung soll dies veranschaulichen. Consideration should illustrate this.
Bei Annahme verlustfreier Verstärkung in einem Aktiven Medium der Länge z kann bei Eintritt einer Leistung Po in das Medium mit dem Gain g im Falle von Assuming lossless amplification in an active medium of length z, if a power Po enters the medium with the gain g in the case of
Kleinsignalverstärkung die Leistung P(g) am Ausgang gemäß  Small signal gain the power P (g) at the output according to
P (g) = P0 exp (gz) berechnet werden. Die relative Verstärkung P(g) / Po zeigt Fig. 3 als Funktion des Produktes gz. Da in Hochleistungs- C02-Lasern die Kleinsignalverstärkung typisch im Bereich 104 bis 106 liegt, kann sofort abgelesen werden, dass bereits relativ kleine Reduzierungen im gz (z werde als konstant angenommen) um beispielsweise einen Faktor 2 von 10 auf 5 zu einem Absinken der Verstärkung um zwei P (g) = P 0 exp (gz). The relative gain P (g) / Po is shown in FIG. 3 as a function of the product gz. Since the small signal amplification is typically in the range 10 4 to 10 6 in high-power C0 2 lasers, it can immediately be seen that relatively small reductions in the gz (z is assumed to be constant) by, for example, a factor of 2 from 10 to 5 to a decrease in gain by two
Größenordnungen von 104 auf 102 führen. Ein solches Orders of magnitude from 10 4 to 10 2 lead. Such
Absinken von g um einen Faktor 2 ergibt sich aber bereits bei Frequenzverschiebungen der mit dem Aktiven Medium wechselwirkenden Strahlung von der Resonanzfrequenz f0 um Af/2 (vgl. Fign. 1 und 2). Im Falle typischer Niederdruck-C02-Laser liegt die Decreasing g by a factor of 2, however, already results in frequency shifts of the radiation interacting with the active medium from the resonance frequency f 0 by Af / 2 (see FIGS. 1 and 2). In the case of typical low-pressure C0 2 laser is the
Dopplerverbreiterung und damit Δί des Gainprofils bei etwa 60 MHz, d.h. eine Frequenzverschiebung um 30 MHz (die üblichen Frequenz-Arbeitsbereiche von AOM liegen bei 40 MHz und mehr) reduziert g bereits um einen Faktor 2 und damit die Kleinsignalverstärkung des Aktiven Mediums um etwa einen Faktor 100. Doppler broadening and thus Δί of the gain profile at about 60 MHz, i. a frequency shift of 30 MHz (the usual frequency ranges of AOM are 40 MHz and more) already reduces g by a factor of 2 and thus the small-signal amplification of the active medium by a factor of about 100.
Folgend wird die Bedeutung für den Einsatz von AOM in einem C02-Laser-Materialbearbeitungssystem erläutert. Dem Ziel der Erfindung folgend, müssen zwei Fälle mit völlig unterschiedlichen Anforderungen unterschieden werden. Zur Veranschaulichung können die Figuren 5 und 9 herangezogen werden. The following explains the importance of using AOM in a C0 2 laser material processing system. Following the aim of the invention, two cases with completely different requirements must be distinguished. For the sake of illustration, FIGS. 5 and 9 can be used.
1. Der Einsatz von AOM zur Güteschaltung des C02-Lasers Im Allgemeinen wird die einfachste Variante eingesetzt, bei der der AOM zur Güteschaltung zwischen dem Aktiven Medium und einem Resonator-Endspiegel angeordnet ist und der ungebeugte, transmittierte Strahl zurückgekoppelt wird. Sie versagt allerdings, wenn erstens die 1. The Use of AOM for Q-Switching of the C0 2 Laser In general, the simplest variant is used, in which the AOM for the Q-switching between the active medium and a resonator end mirror is arranged and the undiffracted, transmitted beam is fed back. It fails, however, if, first, the
Beugungseffizienz des AOM nicht ausreichend hoch und/oder zweitens der Gain des Aktiven Mediums so hoch ist, dass eine vollständige Unterdrückung der Laserfunktion in den gewünschten Pulspausen durch Aktivierung des AOM, d.h.Diffraction efficiency of the AOM is not sufficiently high and / or secondly, the gain of the active medium is so high that complete suppression of the laser function in the desired pulse pauses by activation of the AOM, i.
Einschaltung hoher Beugungsverluste, unmöglich wird. Diese Situation ist rasch erreicht, wenn man die riesigen oben genannten Kleinsignalverstärkungen bedenkt, die bei kontinuierlichem Pumpen des Aktiven Mediums bereits nach einigen 10 ps auftreten, wenn kein Inversionsabbau Switching on high diffraction losses becomes impossible. This situation is quickly reached, considering the huge small signal amplifications mentioned above, which already occur after a few tens of ps with continuous pumping of the active medium, if no inversion degradation
erfolgt. Folge dessen ist das Auftreten statistischer Strahlungsspitzen in der eigentlichen Pulspause (vgl. Fig. 4), eine kontrollierte Güteschaltung ist nicht möglich. he follows. As a result, the occurrence is statistical Radiation peaks in the actual pulse break (see Fig. 4), a controlled Q-switching is not possible.
Um das Kontrastverhältnis „An" - „Aus" des To adjust the contrast ratio "On" - "Off" of the
Rückkoppelzweiges praktisch unendlich groß zu machen, bietet es sich sofort an, den gebeugten Strahl des AOM für die Rückkopplung zu nutzen, denn er verschwindet komplett bei Deaktivierung des AOM, ein parasitäres Anschwingen des Lasers ist auch bei sehr hohen Besetzungsinversionen zuverlässig unterdrückt. Diese scheinbar einfache Lösung birgt aber ein großes Problem, nämlich die oben It makes sense to use the diffracted beam of the AOM for the feedback because it disappears completely when the AOM is deactivated, a parasitic oscillation of the laser is reliably suppressed even with very high population inversions. But this seemingly simple solution has a big problem, namely the one above
diskutierte Frequenzverschiebung des gebeugten Strahls! Nimmt man als typisches Beispiel Beugung an einem discussed frequency shift of the diffracted beam! If one takes as a typical example diffraction on one
laufenden Gitter an, das mit 40 MHz erzeugt wird, current grid generated at 40 MHz,
verschiebt sich die Strahlungsfrequenz um genau diese 40 MHz bei einem Beugungsvorgang. Da das Gitter bei der shifts the radiation frequency by exactly this 40 MHz in a diffraction process. Since the grid in the
Rückkopplung zweimal gleichsinnig durchlaufen wird, ergibt sich eine Frequenzverschiebung von sogar 80 MHz. Die If feedback is passed twice in the same direction, the result is a frequency shift of even 80 MHz. The
Dopplerbreite des Gain-Profils eines Niederdruck-C02- Lasers liegt aber nur bei ca. 60 MHz, d.h. die gebeugte und wieder in das aktive Medium zurücklaufende Strahlung findet einen sehr niedrigen Gain vor (siehe Fig. 1) und wird deshalb nur sehr schwach verstärkt (siehe Fig.3), eine effiziente Laserfunktion ist nicht möglich. Doppler width of the gain profile of a low-pressure C0 2 - laser is only about 60 MHz, ie the diffracted and returning back to the active medium radiation finds a very low gain before (see Fig. 1) and is therefore only very weak amplified (see Figure 3), an efficient laser function is not possible.
Die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems besteht in der Nutzung eines AOM-Tandems, d.h. ein erster AOM teilt den ankommenden Strahl in transmittierten und gebeugten Anteil auf, ein unmittelbar dahinter aufgestellter zweiter AOM ist so angeordnet, dass erstens der gebeugte Anteil wieder den optimalen Bragg-Winkel vorfindet und ein zweites Mal gebeugt wird und zweitens die wirksame Richtung des Gitterlaufes bei den zwei AOM genau entgegengesetzt ist, so dass die effektive Frequenzverschiebung des o.g. The solution to this problem according to the invention consists in the use of an AOM tandem, ie a first AOM divides the incoming beam into transmitted and diffracted portions, a second AOM positioned directly behind it is arranged such that firstly the diffracted portion returns to the optimum Bragg angle secondly, and secondly, the effective direction of the Grid running in the two AOM is exactly opposite, so that the effective frequency shift of the above
Beispiels einmal +40 MHz und einmal -40 MHz, also in der Summe 0 beträgt. Der rücklaufende Strahl findet analoge Verhältnisse vor und der rückgekoppelte Strahl, der insgesamt viermal Beugung erleidet, tritt mit For example, once +40 MHz and once -40 MHz, so in the sum is 0. The returning beam finds analogous conditions and the feedback beam, which diffracts four times in total, comes along
Frequenzverschiebung 0 wieder in das aktive Medium ein, findet optimalen Gain vor und normale Laserfunktion ist möglich. Frequency shift 0 back into the active medium, finds optimal gain and normal laser function is possible.
Dieses Prinzip funktioniert sogar, wenn man zur This principle even works if you go to
Vereinfachung der Ansteuerung nur mit einem AOM die Simplification of the control only with an AOM the
Leistung moduliert und den zweiten AOM kontinuierlich laufen lässt, d.h. Letzterer dient praktisch nur zur Kompensierung der Frequenzverschiebung des ersten AOM, mit dem die eigentliche Güteschaltung vorgenommen wird. Der Einsatz eines AOM-Tandems gemäß der Erfindung sichert also erstens eine vollständige Unterdrückung parasitärer Rückkopplungen im Laser und zweitens völlig freie Modulates power and runs the second AOM continuously, i. The latter serves practically only to compensate for the frequency shift of the first AOM, with which the actual Q-switching is performed. The use of an AOM tandem according to the invention therefore firstly ensures complete suppression of parasitic feedbacks in the laser and secondly completely free
Steuerbarkeit der Pulsparameter im Rahmen der AOM- Schaltzeiten. Controllability of the pulse parameters within the scope of the AOM switching times.
2. AOM-Einsatz zur hocheffizienten Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung Werkstück - Laser 2. AOM insert for highly efficient suppression of the radiation feedback workpiece laser
Ein zweiter kritischer Punkt für einen gütegeschalteten C02-Laser stellt in jedem Falle die Strahlungsrückkopplung vom Werkstück in den Laser dar. Diese kann vor allem bei hochreflektierenden Materialien wie Kupfer oder Aluminium und bei ebenen Werkstückoberflächen beträchtliche Werte erreichen, die bis weit über 10% der auf das Werkstück fallenden Strahlungsleistung betragen können. Die übliche Methode für die Lösung der daraus folgenden Probleme, d.h. die Realisierung einer sauberenLaserfunktion mit A second critical point for a Q-switched C0 2 laser is in any case the radiation feedback from the workpiece into the laser. This can reach considerable values, especially in highly reflective materials such as copper or aluminum and flat workpiece surfaces, which far exceed 10% of on the workpiece may be falling radiation power. The usual method for the solution of the consequent problems, ie the realization of a clean laser function with
„lasergemäßer" Ausbildung einer Wellenfront, die von der gewählten Resonatorkonfiguration bestimmt wird, ist die "Laser-based" wavefront formation, which is determined by the selected resonator configuration is the
Integration einer Kombination aus ATFR-Spiegel („Absorbing Thin Film Reflector" ) und λ/4 - Phasenschieberspiegel in den Strahlengang zwischen Laserausgang und Werkstück. Integration of a combination of ATFR mirror (Absorbing Thin Film Reflector) and λ / 4 phase shift mirror into the beam path between laser output and workpiece.
Diese hat sogar eine Doppelfunktion, da neben der This even has a double function, in addition to the
Strahlungsentkopplung die häufig gewünschte zirkuläreRadiation decoupling the often desired circular
Polarisation der zum Werkstück laufenden Strahlung erzeugt wird. Diese Form der Entkopplung ist z.B. bei cw-Betrieb des Lasers, bei dem kontinuierlich die Inversion abgebaut und auf einem relativ niedrigen Level gehalten wird, völlig ausreichend. Arbeitet man allerdings mit Polarization of the current to the workpiece radiation is generated. This form of decoupling is e.g. in cw operation of the laser, in which continuously reduces the inversion and maintained at a relatively low level, completely sufficient. But you work with it
Güteschaltung, steigen in den Pulspausen Quit, rise in the pulse breaks
Besetzungsinversion und damit Gain um Größenordnungen an, die Kleinsignalverstärkung erreicht die oben genannten Werte und selbst kleinste zurückgekoppelte  Occupancy inversion and thus gain by orders of magnitude, the small signal gain reaches the above values and even the smallest feedback
Strahlungsmengen reichen aus, um zu parasitären Radiation amounts are sufficient to become parasitic
Oszillationen des Lasers zu führen und den Oscillations of the laser lead and the
Güteschaltungsprozess empfindlich zu stören. Hier versagt das genannte System, da selbst bei optimaler Justierung gewisse Strahlungsanteile, die durchaus im Prozentbereich der zum Werkstück laufenden Strahlung liegen können, in den Laser zurücklaufen. Die Folge illustriert z.B. Fig. 4: Während das linke Bild ohne Werkstück, also ohne Sensitive to disturbing quality control process. Here fails the said system, since even with optimal adjustment certain radiation components, which may well be in the percent range of radiation to the workpiece, run back into the laser. The sequence illustrates e.g. Fig. 4: While the left image without workpiece, ie without
Strahlungsrückkopplung, eine saubere Impulserzeugung des gütegeschalteten Lasers zeigt, ergibt sich bei Einbringen eines Werkstückes, also bei einer mehr oder weniger großen Strahlungsrückkopplung, die im rechten Bild gezeigte Situation, dass nach dem Güteschaltungsimpuls und einer gewissen Pause, in der sich die Inversion bis zum Radiation feedback, a clean pulse generation of the Q-switched laser shows results when introducing a workpiece, so with a more or less large radiation feedback, shown in the right image Situation, that after the momentum impulse and a certain pause, in which the inversion until the
kritischen Wert aufbaut, parasitäre Oszillationen building critical value, parasitic oscillations
beginnen, welche die gewünschte Laserfunktion unmöglich machen. begin, which make the desired laser function impossible.
Die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems beruht wieder auf der Frequenzverschiebung des gebeugten Strahles in einem AOM. Diesmal wird dieser Effekt zu einer positiven Wirkung auf folgende Weise genutzt. Man ordnet unmittelbar nach dem Laserausgang einen AOM so an, dass die linear polarisierte Strahlung optimal gebeugt wird. Dieser gebeugte Strahlungsanteil, der wieder die geschilderte Frequenzverschiebung aufweist, wird zur Bearbeitung auf das Werkstück geschickt. Dabei sei angemerkt, dass The inventive solution to this problem is again based on the frequency shift of the diffracted beam in an AOM. This time this effect is used to a positive effect in the following way. Immediately after the laser output, an AOM is arranged so that the linearly polarized radiation is optimally diffracted. This diffracted radiation component, which again has the described frequency shift, is sent to the workpiece for processing. It should be noted that
Frequenzverschiebungen der in Betracht kommenden Frequency shifts of eligible
Größenordnung keinerlei Auswirkungen auf die Magnitude does not affect the
Materialbearbeitung selbst haben. Zurückgeworfene Have material processing itself. Reverberated
Strahlungsanteile (reflektiert oder gestreut) treffen ein zweites Mal auf den AOM, die Frequenzverschiebung Radiation components (reflected or scattered) hit the AOM a second time, the frequency shift
verdoppelt sich. Tritt nun dieser frequenzmäßig doubles up. Now occurs this frequency
modifizierte Strahl in das Aktive Medium, ist seine modified beam into the active medium, is his
Wirkung auf die Besetzungsinversion quasi Null, da er praktisch nicht verstärkt wird. Konkret bedeutet das mit den vorstehend genannten Parametern 40 MHz und Af = 60 MHz, dass die in den Resonator zurücklaufende Effect on the population inversion quasi zero, since it is practically not reinforced. Specifically, this means with the parameters mentioned above 40 MHz and Af = 60 MHz that returns to the resonator
Strahlungum mehr als 4 Größenordnungen geringer verstärkt wird, als resonante Strahlung der Frequenz f0.Zur Radiation amplified by more than 4 orders of magnitude less than resonant radiation of frequency f 0 .Zur
Veranschaulichung des enormen Unterschiedes zur Illustrating the huge difference to
klassischen Entkopplung betrachten wir noch einmal die verstärkte Leistung P(g): P(g) = P0 x exp (gz) classical decoupling, let's review the amplified power P (g): P (g) = P 0 x exp (gz)
l l  l l
„ATFR + λ/4" „AOM" "ATFR + λ / 4" "AOM"
In der Entkopplungsvariante „ATFR + λ/4-Phasenschieber" wird der . Parameter P0 beeinflusst und proportional zur Änderung von P0 auch P(g) . Im Gegensatz dazu gehen bei der erfindungsgemäßen Lösung die Änderungen im g in die In the decoupling variant "ATFR + λ / 4-phase shifter", the parameter P 0 is influenced and P (g) is proportional to the change of P 0. In contrast, in the solution according to the invention, the changes in the g go into the
Exponentialfunktion ein, so dass bereits vergleichsweise geringe Reduzierungen im g mehrere Größenordnungen in der Verstärkung ausmachen. Exponential function, so that even comparatively small reductions in g make up several orders of magnitude in gain.
Die Spezifika des AOM-Einsatzes in einem C02-Laser- Materialbearbeitungssystem gemäß der Erfindung sollen nun an zwei Ausführungsbeispielen, die in den The specifics of AOM deployment in a C0 2 laser material processing system in accordance with the invention will now be described with reference to two embodiments disclosed in the
folgendenZeichnungen schematisch dargestellt sind, näher erläutert werden. In diesen zeigen: Figur 1: Relativer Gain als Funktion der The following drawings are shown schematically, will be explained in more detail. These show: FIG. 1: Relative gain as a function of
Frequenzverschiebung für Gaußprofil  Frequency shift for Gaussian profile
Figur 2: Relativer Gain als Funktion der Figure 2: Relative gain as a function of
Frequenzverschiebung für Lorentzprofil  Frequency shift for Lorentz profile
Figur 3: Relative Verstärkung im Aktiven Medium als Figure 3: Relative gain in the active medium as
Funktion von g z  Function of g z
Figur 4: Zur Strahlungsrückkopplung Werkstück - Laser: FIG. 4: For radiation feedback of workpiece - laser:
Links ohne, rechts mit Werkstück Figur 5: C02-Laser mit AOM-Güteschaltung Left without, right with workpiece Figure 5: C0 2 laser with AOM Q-switching
Figur 6: Zur Funktion eines AOM-Tandems zur Güteschaltung Figur 7: Zur Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung FIG. 6: The function of an AOM tandem for the Q-switching FIG. 7: For suppressing the radiation feedback
Werkstück - Laser mittels AOM  Workpiece laser by means of AOM
Figur 8: Komplette Entkopplung mittels AOM, ATFR und λ/4 FIG. 8: Complete decoupling by means of AOM, ATFR and λ / 4
- Phasenschieber  - Phase shifter
Figur 9: AOM-Einsatz in einem C02-Laser gemäß FIG. 9: AOM insert in a C0 2 laser according to FIG
Patentschrift WO 2013/113306 A8  Patent WO 2013/113306 A8
Figur 10: Beispiel zur Unterdrückung der FIG. 10: Example for suppressing the
Strahlungsrückkopplung Werkstück - Laser mittels Radiation feedback workpiece laser by means of
AOM bei 4 Teilstrahlen AOM at 4 partial beams
Fig. 5 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel, das auf dem prinzipiellen Aufbau eines üblichen Fig. 5 shows schematically a first embodiment, which is based on the basic structure of a conventional
gütegeschalteten C02-Lasers basiert, für den eine lineare Anordnung des Resonators „100%-Endspiegel - Aktives Medium - Element zur Güteschaltung - Auskoppelplatte" typisch ist. Die Darstellung zeigt die Einheit zur Rückkopplung I, die an dem einen Ende des Aktiven Mediums angeordnet ist, und die daran anschließende, stark schematisierte Einheit II, die die Strahlführung vom Laser zum Werkstück zeigt. Wie bereits oben dargestellt, wird man beim Einsatz eines AOM als Element zur Güteschaltung mit zwei Problemen konfrontiert. Entweder koppelt man den einfach Q-switched C0 2 laser, for which a linear arrangement of the resonator "100% end-mirror - active medium - good-humidification element - decoupling plate" is typical The illustration shows the unit for feedback I, which is arranged at the one end of the active medium and the adjoining, highly schematic unit II, which shows the beam guidance from the laser to the workpiece As noted above, when using an AOM as a Q-switching element, two problems are encountered
transmittierten Strahl, also die 0. Ordnung zurück. Dann wird es bei einem leistungsstarken Laser nicht möglich sein, die Laserfunktion bei maximaler Besetzungsinversion zu unterdrücken, da die Beugungseffizienz üblicher AOM für C02-Laser kaum über 90% liegt und damit die maximal eingebrachten Verluste nicht hoch genug sind. Oder man koppelt den gebeugten Strahl, also die 1. Beugungsordnung zurück mit dem Problem der Frequenzverschiebung und dem dadurch drastisch reduzierten Gain. transmitted beam, so the 0th order back. Then it will not be possible with a powerful laser be suppressed, the laser function at maximum population inversion, since the diffraction efficiency of conventional AOM for C0 2 laser is little more than 90% and thus the maximum losses introduced are not high enough. Or one couples the diffracted beam, ie the 1st order of diffraction back to the problem of the frequency shift and the resulting drastically reduced gain.
Gelöst wird das Problem gemäß der Erfindung durch die in Fig. 5 gezeigte und in Fig.6 in ihrer Funktion näher erläuterte Tandem-Anordnung zweier AOM als The problem is solved according to the invention by the tandem arrangement of two AOMs shown in FIG. 5 and explained in more detail in their function in FIG
Güteschaltungselement. Dabei fällt der aus Richtung des Aktiven Mediums 1 kommende Strahl 8 auf einen ersten AOM 2, der bei Anlegen einer entsprechenden SchaltSpannung diesen Strahl in die 1. Bragg-Beugungsordnung lenkt. Q-switching element. In this case, the jet 8 coming from the direction of the active medium 1 drops to a first AOM 2 which, when a corresponding switching voltage is applied, deflects this beam into the 1st Bragg diffraction order.
Dieser Strahl 9 fällt auf einen zweiten AOM 3, der bei Anlegen der Schaltspannung daraus den gebeugten Strahl 10 erzeugt. Nach Teilreflexion an der justierten This beam 9 falls on a second AOM 3, which generates the diffracted beam 10 when the switching voltage is applied. After partial reflection at the adjusted
Auskoppelplatte läuft der Strahl genau in sich zurück (Strahlen 11, 12 und 13) und sorgt für die Rückkopplung, die für die Laserfunktion erforderlich ist. Entscheidend für die richtige Funktion dieses AOM-Tandems sind zwei Faktoren: Erstens müssen beide AOM genau die gleiche Auscooppelplatte the beam runs back exactly (rays 11, 12 and 13) and provides the feedback that is required for the laser function. Crucial to the proper functioning of this AOM tandem are two factors: First, both AOMs must be exactly the same
Anregungsfrequenz für das Beugungsgitter haben und Have excitation frequency for the diffraction grating and
zweitens müssen die Laufrichtungen beider Gitter second, the directions of movement of both grids
entgegengesetzt sein. Der Begriff der genau gleichen be opposite. The concept of exactly the same
Anregungsfrequenz bezeichnet dabei insbesondere Excitation frequency refers in particular
Frequenzen, deren Unterschied maximal 100 ppm (bezogen auf die höhere Frequenz) , insbesondere maximal 10 ppm, Frequencies whose difference is at most 100 ppm (relative to the higher frequency), in particular not more than 10 ppm,
vorzugsweise maximal 1 ppm oder 0,1 ppm, beträgt. Dann ist die resultierende Frequenzverschiebung des rückgekoppelten Strahlenbündels 0 wie benötigt. Die jeweiligen Hin- und RückVerschiebungen der Frequenzen um 5f sowie die preferably not more than 1 ppm or 0.1 ppm. Then the resulting frequency shift is the feedback one Beam 0 as needed. The respective back and forth shifts of the frequencies by 5f as well as the
sukzessive Abnahme der Leistung P der Strahlen 8 - 13 durch die Beugung an den AOM machen die zugeordneten Darstellungen der qualitativen Abhängigkeiten g(f) und P als Funktion von f deutlich.  successive decrease of the power P of the beams 8 - 13 by the diffraction at the AOM make the assigned representations of the qualitative dependences g (f) and P as a function of f clear.
Wie bereits oben dargelegt, besteht eine weitere latente Gefährdung des ordnungsgemäßen Güteschaltungsbetriebes des betrachteten CC>2-Lasers in der Rückkopplung von Strahlung vom zu bearbeitenden Werkstück in den Laser. Zu deren außerordentlich effizienten Unterdrückung wird gemäß der Erfindung ein dritter AOM 5 unmittelbar nach der As already explained above, there is a further latent threat to the proper Q-switching operation of the considered CC> 2 laser in the feedback of radiation from the workpiece to be machined into the laser. To their extremely efficient suppression according to the invention, a third AOM 5 immediately after
Laserauskoppelplatte 4 angeordnet. In den Strahlweg zum Werkstück kann noch wahlweise eine Einheit 6 zur weiteren Strahlformung, insbesondere zur Erzeugung der für viele Applikationen erwünschten zirkulären Polarisation der Strahlung auf dem Werkstück 7 und zur Kompensation (z.B. mittels Zylinderlinsen) der häufig für AOM typischen leicht elliptischen Verzerrung des Strahlenbündels, integriert werden. Laser output coupling 4 arranged. In the beam path to the workpiece can still optionally a unit 6 for further beam shaping, in particular for generating the desired for many applications circular polarization of the radiation on the workpiece 7 and for compensation (eg by means of cylindrical lenses) often typical for AOM slightly elliptical distortion of the beam, to get integrated.
Die Figuren 7 und 8 illustrieren die Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung noch einmal im Detail. Fig. 7 konzentriert sich auf die Wirkung der Frequenzverschiebung gemäß der Erfindung. Der ausgekoppelte Strahl 16 fällt auf den dritten AOM 5, der bei Anlegen der Schaltspannung den gebeugten und um 5f frequenzverschobenen Strahl 17 auf das Werkstück schickt. Die von dort zurück geworfene Figures 7 and 8 illustrate the suppression of the radiation feedback again in detail. Fig. 7 focuses on the effect of the frequency shift according to the invention. The decoupled beam 16 falls on the third AOM 5, which sends the diffracted and frequency-shifted by 5f beam 17 on the workpiece upon application of the switching voltage. The thrown back from there
(reflektierte oder gestreute) Strahlung 18 wird im AOM 5 ein zweites Mal gebeugt und erleidet eine zweite Frequenzverschiebung, so dass letztendlich der um 25f frequenzverschobene Strahl 19 in Richtung Auskoppelplatte(reflected or scattered) radiation 18 is diffracted a second time in the AOM 5 and suffers a second Frequency shift, so that ultimately the 25f frequency-shifted beam 19 in the direction of coupling plate
4 des Lasers läuft. Analog Fig. 5 wurden auch in Fig. 6 die qualitativen Abhängigkeiten g(f) und P als Funktion von f angegeben. Gemäß der Erfindung muss der AOM 5 so ausgewählt werden, dass die doppelte Frequenzverschiebung 25f mindestens in der Größenordnung der Halbwertsbreite Δί des Gain-Profils liegt. Hierbei bezeichnet der Ausdruck „Größenordnung", dass das Verhältnis 2δί/Δί vorzusgweise im Bereich von 1:10 bis 100:1, insbesondere von 1:1 und/oder bis 10:1, liegen sollte. 4 of the laser is running. Analogously to FIG. 5, the qualitative dependencies g (f) and P were also indicated in FIG. 6 as a function of f. According to the invention, the AOM 5 must be selected such that the double frequency shift 25f is at least of the order of the half-width Δί of the gain profile. Here, the term "order of magnitude" denotes that the ratio 2δί / Δί should preferably be in the range from 1:10 to 100: 1, in particular from 1: 1 and / or to 10: 1.
Ein wesentlicher Faktor der Anordnung gemäß der Erfindung ist die Tatsache, dass die übliche Umwandlung der linear polarisierten Strahlung des Lasers in zirkulär An essential factor of the arrangement according to the invention is the fact that the usual conversion of the linearly polarized radiation of the laser in circular
polarisierte durch einen hinter AOM 5 angeordneten λ/4- Phasenschieber problemlos möglich ist. Ebenso ist es möglich, die darüber hinausgehende klassische Entkopplung durch eine Kombination „ATFR-Spiegel - λ/4-Phasenschieber" zusätzlich in den Strahlengang einzubringen. Eine solche „Komplett-Version" illustriert Fig. 8. Der vom dritten AOMpolarized by a rear AOM 5 arranged λ / 4 phase shifter is easily possible. It is also possible to additionally introduce the classical decoupling beyond this into the beam path by means of a combination of "ATFR mirror - λ / 4 phase shifter." Such a "complete version" is illustrated in FIG
5 gebeugte Strahl 22 mit vertikaler linearer Polarisation 23 durchläuft den polarisationsabhängigen Absorber 20 (in Praxis ATFR) quasi verlustfrei und wird anschließend im λ/4-Phasenschieber 21 in den Strahl 24 mit zirkularer5 diffracted beam 22 with vertical linear polarization 23 passes through the polarization-dependent absorber 20 (in practice ATFR) virtually lossless and is then in the λ / 4-phase shifter 21 in the beam 24 with circular
Polarisation 25 transformiert. Nach Wechselwirkung mit dem Werkstück 7 läuft ein gewisser Anteil 26 dieser zirkulär polarisierten Strahlung zurück in Richtung Laser. Beim Durchlaufen des λ/4-Phasenschiebers 21 wird er in einen Strahl 27 mit linear horizontaler Polarisation 28 Polarization 25 transformed. After interaction with the workpiece 7, a certain proportion 26 of this circularly polarized radiation travels back towards the laser. When passing through the λ / 4-phase shifter 21, it is in a beam 27 with linear horizontal polarization 28th
transformiert, der bei Wechselwirkung mit dem polarisationsabhängigen Absorber weitgehend vernichtet wird. Ein nun bereits sehr stark geschwächter Reststrahl 29 trifft dann wieder auf den AOM 5 und in der Summe der nachstehend noch einmal zusammengefassten Verlustprozesse für den zu vernichtenden rücklaufenden Strahl ergibt sich eine extrem gute Entkopplung des Lasers von dieser transformed when interacting with the polarization-dependent absorber is largely destroyed. A now already very much weakened residual beam 29 then hits again on the AOM 5 and in the sum of the summarized below again loss processes for the to be destroyed returning beam results in an extremely good decoupling of the laser of this
Strahlung: Radiation:
1. Wie oben dargestellt, verschiebt der AOM 5 die Frequenz des gebeugten Strahles um 5f, die vom Werkstück 1. As shown above, the AOM 5 shifts the diffracted beam frequency by 5f from the workpiece
zurücklaufende Strahlung folglich um 25f. Was für den Güteschaltungs-AOM nachteilig war, ist hier ein thus returning radiation by 25f. What was detrimental to the QoS AOM is here
Riesenvorteil - die in den Laser zurücklaufende Strahlung wird nur minimal verstärkt. Giant advantage - the radiation returning to the laser is only minimally amplified.
2. Die entkoppelnde Wirkung der Kombination „ATFR-Spiegel - λ/4-Phasenschieber" bleibt voll erhalten. 2. The decoupling effect of the combination "ATFR mirror - λ / 4-phase shifter" remains fully preserved.
3. Eine dritte entkoppelnde Wirkung kommt dadurch 3. A third decoupling effect comes thereby
zustande, dass die rücklaufende Strahlung durch den concluded that the returning radiation through the
Phasenschieber senkrecht zur hinlaufenden polarisiert ist und deshalb vom AOM 5 nur uneffektiv gebeugt wird, d. h. weniger Strahlung in Richtung Laser läuft. Die Kombination dieser drei Effekte, die rein stationär wirken und keinerlei spezielle zeitliche Ansteuerung des AOM 5 erfordern, führt dazu, dass die Anordnung gemäß der Erfindung die rücklaufende Strahlung um viele  Phase shifter is polarized perpendicular to the outgoing polarity and therefore diffracted by the AOM 5 only ineffective, d. H. less radiation is going towards the laser. The combination of these three effects, which are purely stationary and do not require any special timing of the AOM 5, leads to the arrangement according to the invention reducing the return radiation by many
Größenordnungen schwächt, so dass selbst bei maximalem Gain im Aktiven Medium und bei maximaler Rückkopplung (z. B. durch hochreflektierende Metalle wie Kupfer) keine parasitären Oszillationen auftreten. Magnitudes weakens, so that even with maximum gain in the active medium and at maximum feedback (z. B. by highly reflective metals such as copper) no parasitic oscillations occur.
Unabhängig von dieser systemimmanenten Entkopplung gemäß der Erfindung kann darüber hinaus natürlich die AOM-Regardless of this systemic decoupling according to the invention, of course, the AOM
Funktion als Schneller Schalter mit Schaltzeiten kleiner 1 voll genutzt, d.h. bei entsprechender Ansteuerung praktisch jeder vom Laser kommende Einzelimpuls nach Function as Fast Switch with switching times less than 1 fully utilized, i. with appropriate control of virtually every single pulse coming from the laser
Wunsch beeinflusst werden. Desire to be influenced.
Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die beiden AOM zur Güteschaltung direkt dem resonatorinternen Strahlungsfeld mit seiner stets vorhandenen In the embodiment described above, the two AOM for Q-switching directly to the resonator-internal radiation field with its always present
Leistungsüberhöhung gegenüber der ausgekoppelten Performance over the decoupled
Laserleistung ausgesetzt. Solche Lasersysteme sind wegen der relativ geringen Strahlungsbelastbarkeit von Germanium auf mittlere Ausgangsleistungen von wenigen hundert Watt beschränkt. Wie oben bereits angemerkt, liefert das Laser power exposed. Such laser systems are limited to average output powers of a few hundred watts because of the relatively low radiation load of germanium. As noted above, this provides
Prinzip des Lasers gemäß WO 2013/113306 A8 einen Ausweg aus diesem Dilemma und ermöglicht mittlere Principle of the laser according to WO 2013/113306 A8 a way out of this dilemma and allows medium
Ausgangsleistungen bis in den kW-Bereich. Der in  Output power up to the kW range. The in
vorstehendem Patent beschriebene Problemkreis bleibt aber auch für diesen Lasertyp voll gültig, und um dessen potentielle Möglichkeiten voll ausnutzen zu können, sind die Lösungen gemäß der Erfindung besonders nützlich. However, the problem area described above also remains fully valid for this type of laser, and in order to make full use of its potential possibilities, the solutions according to the invention are particularly useful.
Diese Situation soll in einem zweiten Ausführungsbeispiel kurz diskutiert werden. Fig. 9 zeigt den prinzipiellen Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel. Er besteht hier vor allem in der veränderten Auskopplung des This situation will be briefly discussed in a second embodiment. Fig. 9 shows the principal difference from the first embodiment. It consists here above all in the changed outcoupling of the
Laserstrahles über einen Dünnfilmpolarisator (Thin Film Polarizer - TFP) 30. Der TFP 30 teilt die schwach Laser beam over a thin film polarizer (thin film Polarizer - TFP) 30. The TFP 30 shares the weak
elliptisch polarisierte, aus dem Aktiven Medium kommende Strahlung in einen leistungsstarken, senkrecht zur Elliptically polarized, coming from the active medium radiation into a powerful, perpendicular to
Zeichenebene polarisierten Strahl, der ausgekoppelt wird, und einen relativ schwachen, in der Zeichenebene Drawing plane polarized beam that is decoupled, and a relatively weak, in the plane of the drawing
polarisierten Strahl, der rückgekoppelt wird, auf. Dadurch ist die Strahlungsbelastung auf dem für die Güteschaltung verantwortlichen AOM-Tandem 2, 3 auch bei vergleichsweise hohen Ausgangsleistungen relativ gering. Die Wirkungen der Einheiten I und II sind ansonsten die gleichen, wie vorstehend beschrieben. Lediglich die Auskoppelplatte 4 ist hier durch einen 100%-Endspiegel 46 ersetzt. In dieser Darstellung ist zu beachten, dass wegen der polarized beam fed back on. As a result, the radiation load on the responsible for the Q-switching AOM tandem 2, 3, even at relatively high output power is relatively low. The effects of units I and II are otherwise the same as described above. Only the coupling-out plate 4 is here replaced by a 100% end mirror 46. In this illustration, it should be noted that because of the
Polarisationsabhängigkeit der AOM-Funktion der dritte AOM 5 real um 90° um die Strahlachse zu drehen ist, aus Polarization dependence of the AOM function of the third AOM 5 real by 90 ° to rotate about the beam axis is off
Gründen der Anschaulichkeit wurde darauf in Fig. 9 verzichtet . For clarity, it was omitted in Fig. 9.
Bezüglich dieses zweiten Ausführungsbeispiels soll noch folgender Aspekt diskutiert werden. Wie erwähnt, zeichnet sich der Laser gemäß Fig. 9 typischerweise durch relativ hohe mittlere Leistungen aus. Ordnet man nun den externen AOM 5 unmittelbar am Laserausgang an, würde die nutzbare mittlere Leistung durch die relativ geringe With respect to this second embodiment, the following aspect will be discussed. As mentioned, the laser of FIG. 9 is typically characterized by relatively high average powers. If you now assign the external AOM 5 directly to the laser output, the usable average power would be due to the relatively low
Strahlungsbelastbarkeit des Germanium-Kristalls Radiation resistance of the germanium crystal
empfindlich eingeschränkt, die Vorzüge des Lasers könnten nicht voll ausgereizt werden. Hier bietet sich eine in der Praxis oft eingesetzte Anordnungsvariante an, um mit severely limited, the benefits of the laser could not be fully exploited. Here is an often used in practice arrangement variant to, with
Lasern hoher Leistung so effizient wie möglich zu arbeiten - die definierte Strahlteilung. Strahlteiler auf ZnSe- Basis sind bis in den kW-Bereich belastbar und deshalb geeignet, beispielsweise einen Strahl der mittleren High power lasers work as efficiently as possible - the defined beam splitting. ZnSe-based beam splitters are loadable up to the kW range and therefore suitable, for example, a beam of the middle
Leistung 1,2 kW durch eine Teilerkaskade in 4 Teilstrahlen von jeweils 300 W, die von einem AOM gut verkraftet werden, aufzuteilen (vgl. Fig. 10). Dazu benötigt man z. B. bei der in Fig. 10 dargestellten Variante drei Power 1.2 kW divided by a splitter cascade into 4 partial beams of 300 W, which are well tolerated by an AOM (see Fig. 10). This requires z. B. in the variant shown in Fig. 10 three
Strahlteiler 32, 33 und 34 , vorzugsweise mit einem Beam splitter 32, 33 and 34, preferably with a
Teilerverhältnisvon jeweils 50 : 50, und drei Divisor ratio of 50:50, and three
Umlenkspiegel 35, 36 und 37. Jeder Teilstrahl 38 bis 41 erhält dann seinen eigenen AOM 42 bis 45. Voraussetzung für die Nutzung dieser Methode ist natürlich, dass die jeweils angestrebte Applikation mit den Teilstrahlen durchführbar ist. Deflection mirror 35, 36 and 37. Each sub-beam 38 to 41 then receives its own AOM 42 to 45. A prerequisite for the use of this method is, of course, that the respective desired application with the partial beams is feasible.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Aktives Medium 1 active medium
2 Erster AOM  2 First AOM
3 Zweiter AOM  3 Second AOM
4 Auskoppelplatte 4 coupling plate
5 Dritter AOM  5 Third AOM
6 Strahlformungseinheit  6 beam forming unit
7 Werkstück  7 workpiece
8 Rückzukoppelnder Strahl  8 back-coupling beam
9 Strahl nach Beugung am ersten AOM 9 beam after diffraction at the first AOM
10 Strahl nach Beugung am zweiten AOM  10 beam after diffraction at the second AOM
11 An Auskoppelplatte reflektierter Strahl  11 Beam reflected at output plate
12 Rücklaufender Strahl nach Beugung am zweiten AOM  12 Return beam after diffraction at the second AOM
13 Rücklaufender Strahl nach Beugung am ersten AOM  13 Return beam after diffraction at the first AOM
14 Richtung der 0. Beugungsordnung des ersten AOM 14 Direction of the 0th diffraction order of the first AOM
15 Richtung der 0. Beugungsordnung des zweiten AOM 16 Ausgekoppelter Laserstrahl 15 direction of the 0th diffraction order of the second AOM 16 decoupled laser beam
17 Laserstrahl nach Beugung am dritten AOM  17 laser beam after diffraction at the third AOM
18 Vom Werkstück zurückgeworfene Strahlung  18 Radiation reflected back from the workpiece
19 Vom Werkstück zurückgeworfene Strahlung nach Beugung am dritten AOM  19 Radiation reflected back from the workpiece after diffraction at the third AOM
20 Polarisationsabhängiger Absorber (ATFR)  20 polarization-dependent absorber (ATFR)
21 λ/4-Phasenschieber  21 λ / 4-phase shifter
22 Am dritten AOM gebeugter Strahl  22 Beam diffracted at the third AOM
23 Horizontale Polarisationsrichtung  23 Horizontal polarization direction
24 Auf Werkstück auftreffender Strahl 24 Beam impinging on workpiece
25 Zirkulare Polarisation  25 circular polarization
26 Vom Werkstück zurückgeworfene Strahlung  26 Radiation reflected back from the workpiece
27 Vom Werkstück zurückgeworfene Strahlung nach Passieren des λ/4-Phasenschiebers  27 Radiation reflected back from the workpiece after passing the λ / 4 phase shifter
28 Vertikale Polarisationsrichtung 28 Vertical polarization direction
29 Durch ATFR stark geschwächter Strahl  29 Ray strongly weakened by ATFR
30 Dünnfilmpolarisator (Thin Film Polarizer - TFP)  30 thin film polarizer (TFP)
31 Laserstrahl  31 laser beam
32, 33, 34 Strahlteiler  32, 33, 34 beam splitter
35, 36, 37 Umlenkspiegel 35, 36, 37 deflection mirror
38, 39, 40, 41 Teilstrahlen  38, 39, 40, 41 partial beams
42, 43, 44, 45 Akustooptische Modulatoren f Strahlungsfrequenz  42, 43, 44, 45 Acousto-optic modulators f Radiation frequency
fo Resonanzfrequenz des Aktiven Mediums fo resonance frequency of the active medium
fB Frequenz der gebeugten Welle f B Frequency of the diffracted wave
fAOM Frequenz der Schallwelle im Ge-Kristall fAOM Frequency of the sound wave in the Ge crystal
g Gain des Aktiven Mediums g gain of the active medium
P Strahlungsleistung  P radiation power
Po Strahlungsleistung am Eingang des Aktiven MediumsPo radiation power at the entrance of the active medium
P(g) Strahlungsleistung als Funktion des Gains z Länge des Aktiven Mediums P (g) Radiation power as a function of gain z length of the active medium
AOM Akustooptischer Modulator  AOM acousto-optic modulator
ATFR AbsorbingThin Film Reflector  ATFR AbsorbingThin Film Reflector
cw Kontinuierliche Strahlung („continuouswave"cw Continuous radiation ("continuouswave")
EOM Elektrooptischer Modulator EOM electro-optical modulator
TFP Dünnfilmpolarisator („Thin Film Polarizer") TFP Thin Film Polarizer
Af Frequenz-Halbwertsbreite des Gains Af frequency half width of the gain
5f Frequenzverschiebung des gebeugten Strahls λ Wellenlänge  5f frequency shift of the diffracted beam λ wavelength

Claims

Patentansprüche claims
Gütegeschaltetes C02-Lasersystem, insbesondere C02- Laser-Materialbearbeitungssystem, mit AJustooptischen Modulatoren (AOM) zur Strahlformung dadurch gekennzeichnet, dass a) für die Güteschaltung zwei hintereinander und vorzugsweise nahe einem Resonatorendspiegel (46) oder einer Laserauskoppelplatte (4) angeordnete AOM (2, 3), die durch gleiche Anregungsfrequenzen und Q-switched C0 2 laser system, in particular C0 2 - laser material processing system, with AJustooptic modulators (AOM) for beam shaping, characterized in that a) for the Q-switching two successively and preferably near a Resonatorendspiegel (46) or a laser output plate (4) arranged AOM ( 2, 3), by the same excitation frequencies and
entgegengesetzte Ausbreitungsrichtungen der  opposite propagation directions of
akustischen Welle im Kristall charakterisiert sind, mit der Maßgabe angeordnet sind, dass das ein auf den ersten AOM (2) einlaufende Strahlenbündel (8) gebeugt, ein hieraus resultierendes gebeugtes Strahlenbündel (9) am zweiten AOM (3) nochmals gebeugt und dieses aus der zweifachen Beugung resultierende Bündel (10) nach Reflexion am Resonatorendspiegel (46) oder der  are arranged in the crystal, are arranged with the proviso that one on the first AOM (2) incoming beam (8) diffracted, a resulting diffracted beam (9) on the second AOM (3) diffracted again and this from the twice diffraction resulting bundles (10) after reflection at the Resonatorendspiegel (46) or the
Laserauskoppelplatte (4) in sich zurückgeworfen wird und als Bündel (11), (12) und (13) nach jeweils nochmaliger Beugung an den zwei AOM (2) und (3) in ein Aktives Medium (1) zurückgekoppelt und damit Laser output plate (4) ■ is thrown back into itself and fed back as a bundle (11), (12) and (13) after each diffraction again at the two AOM (2) and (3) in an active medium (1) and thus
Laserfunktion realisiert wird, wenn eine entsprechende Schaltspannung an die beiden AOM (2) und (3) anlegt und bei Abschalten dieser Spannung die Laserfunktion unterbrochen wird und b) ein so erzeugter und mittels eines Laser function is realized when a corresponding switching voltage to the two AOM (2) and (3) applies and when switching off this voltage, the laser function is interrupted and b) a product produced in this way and by means of a
Auskoppelelementes (4, 30) ausgekoppelter Laserstrahl Decoupling element (4, 30) coupled out laser beam
(16) vor seiner Anwendung, vorzugsweise zur (16) before its application, preferably for
Lasermaterialbearbeitung, durch einen dritten AOM (5) geschickt wird, der außerhalb des Resonators und vorzugsweise unmittelbar hinter dem Auskoppelelement Laser material processing, by a third AOM (5) is sent, the outside of the resonator and preferably immediately behind the decoupling element
(4, 30) angeordnet ist, wobei zur Anwendung der mittels einer entsprechenden Schaltspannung am dritten AOM (5) gebeugte Strahl (17) genutzt wird und die Anregungsfrequenz der akustischen Welle im Kristall dieses dritten AOM (5) mindestens in der Größenordnung der Frequenz-Halbwertsbreite des Gain-Profils des Aktiven Mediums (1), vorzugsweise zwischen 40 und 100 MHz, liegt. (4, 30) is arranged, wherein the application of the by means of a corresponding switching voltage at the third AOM (5) diffracted beam (17) is used and the excitation frequency of the acoustic wave in the crystal of this third AOM (5) at least on the order of the frequency Half width of the gain profile of the active medium (1), preferably between 40 and 100 MHz, is located.
Gütegeschaltetes C02-Laser-Materialbearbeitungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass nur der erste (2) oder der zweite (3) AOM zur Q-switched C0 2 laser material processing system according to claim 1, characterized in that only the first (2) or the second (3) AOM for
Leistungsmodulation / Güteschaltung des Lasers durch entsprechende variable Ansteuerung der Schaltspannung genutzt wird und der jeweils andere AOM mit einer konstanten Schaltspannung arbeitet. Power modulation / Q-switching of the laser is used by appropriate variable control of the switching voltage and the other AOM operates with a constant switching voltage.
Gütegeschaltetes C02-Laser-MaterialbearbeitungsSystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der erste (2) oder der zweite (3) AOM zur Güteschaltung des Lasers durch variable Ansteuerung der Schaltspannung genutzt wird und der jeweils andere AOM so angesteuert wird, dass frei wählbar Einzelpulse oder Pulsgruppen selektiert werden und/oder die Leistung Q-switched C0 2 laser material processing system according to claim 1, characterized in that the first (2) or the second (3) AOM for Q-switching of the laser is used by variable control of the switching voltage and the other AOM is so controlled that freely selectable individual pulses or pulse groups be selected and / or the performance
gütegeschalteten Strahlung variiert wird Q-switched radiation is varied
Gütegeschaltetes C02-Laser-MaterialbearbeitungsSystem nach einem der Ansprüche 1 - 3 dadurch gekennzeichnet, dass der externe dritte AOM (5) so angesteuert wird, dass die vom Laser erzeugten Strahlungsimpulse in ihrer Leistung dem jeweiligen Anwendungszweck Q-switched C0 2 laser material processing system according to any one of claims 1-3, characterized in that the external third AOM (5) is controlled so that the radiation pulses generated by the laser in their performance to the respective application
angepasst werden, insbesondere der Leistungsverlauf innerhalb der Impulse, speziell die Spitzenleistung der Güteschaltungsspitze, weitgehend frei wählbar ist. be adapted, in particular, the performance curve within the pulses, especially the peak power of Q-switching peak, is largely freely selectable.
Gütegeschaltetes C02-Laser-Materialbearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 1 - 4 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem dritten AOM (5) und dem Werkstück (7) eine Kombination aus ATFR-Spiegel (20) und λ/4- Phasenschieber (21) angeordnet wird. Q-switched C0 2 laser material processing system according to one of claims 1 - 4, characterized in that between the third AOM (5) and the workpiece (7) a combination of ATFR mirror (20) and λ / 4 phase shifter (21) becomes.
Gütegeschaltetes C02-Laser-MaterialbearbeitungsSystem nach einem der Ansprüche 1 - 4 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem dritten AOM (5) und dem Werkstück (7) in der Strahlformungseinheit (6) optische Q-switched C0 2 laser material processing system according to one of claims 1 - 4, characterized in that between the third AOM (5) and the workpiece (7) in the beam-shaping unit (6) optical
Elemente, vorzugsweise Zylinderlinsen, zur Elements, preferably cylindrical lenses, for
Kompensation der vom AOM (5) verursachten Compensation of the AOM (5) caused
Strahldeformationen angeordnet sind. Gütegeschaltetes C02-Laser-MaterialbearbeitungsSystem nach einem der Ansprüche 1 - 3 dadurch gekennzeichnet, dass der externe dritte AOM (5) ersetzt wird durch eine AOM-Kaskade aus zwei oder mehr AOM und der ausgekoppelte Laserstrahl (16) durch Strahlteiler und Umlenkspiegel so in zwei oder mehr Teilstrahlen aufgeteilt wird, dass jeder AOM mit einem der Beam deformations are arranged. Q-switched C0 2 laser material processing system according to one of claims 1 - 3, characterized in that the external third AOM (5) is replaced by an AOM cascade of two or more AOM and the decoupled laser beam (16) by beam splitter and deflection mirror so in Split two or more subbeams that each AOM with one of the
Teilstrahlen beaufschlagt wird. Sub-beams is applied.
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