WO1996034440A1 - Process and device for forming and guiding the radiation field of one or several gas lasers - Google Patents

Process and device for forming and guiding the radiation field of one or several gas lasers Download PDF

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WO1996034440A1
WO1996034440A1 PCT/EP1996/001250 EP9601250W WO9634440A1 WO 1996034440 A1 WO1996034440 A1 WO 1996034440A1 EP 9601250 W EP9601250 W EP 9601250W WO 9634440 A1 WO9634440 A1 WO 9634440A1
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radiation
reflective
groups
arrangement according
another
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Application number
PCT/EP1996/001250
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German (de)
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Inventor
Keming Du
Dietmar Ehrlichmann
Uwe Habich
Peter Loosen
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/03Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/0315Waveguide lasers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2383Parallel arrangements

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement and a method for shaping and guiding a radiation field of one or more gas lasers, in particular a radiation field of an array or a field arrangement of several gas lasers, with a radiation transformation optics for generating a defined radiation field , the optics having reflective elements.
  • Individual laser radiation sources can only be scaled to higher powers to a limited extent. This applies in particular to gas lasers.
  • the oscillator In order to achieve the required resonator lengths while maintaining a compact size of the resonator, the oscillator is often folded several times. Such folding is always associated with technical complications, since, for example, segmented resonator mirrors with individually curved mirror surfaces have to be used in order to compensate for a thermal lens effect. Furthermore, the decoupling window of a long oscillator is heavily loaded due to the relatively small aperture, which in turn leads to a reduction in the beam quality with regard to the decoupled beam.
  • Another possibility of scaling the laser radiation power is to use a so-called oscillator amplifier.
  • a laser oscillator with a relatively low power but high beam quality is first set up.
  • the laser radiation emerging from the laser oscillator is then fed into a downstream power amplifier and amplified to the desired high power.
  • Such a laser oscillator-amplifier principle is mostly used in pulsed lasers. With such a laser oscillator-amplifier principle, several hundredfold amplifications can be achieved. In contrast, the gain in connection with continuously operated lasers is only a few hundred percent, taking into account that the efficiency of the entire laser (laser oscillator and amplifier) does not become too low.
  • a third alternative for scaling a laser radiation source is the laser array.
  • These are several laser oscillation ren, which are arranged spatially side by side in a field arrangement or an array and operated in parallel.
  • the total laser radiation power is consequently the sum of the power of the individual oscillators.
  • a central problem that arises in connection with this scaling principle is the coherent coupling of the oscillators with one another. It must be taken into account that a periodic field distribution is reproduced in equidistant planes when spreading in amplitude and phase, so that measures must be taken to bring these beams of the individual laser oscillators together in a common plane or in a common focal point, which requires a high optical effort.
  • the present invention is based on the object of specifying an arrangement and a method with which the radiation emitted in particular by several gas lasers, but also the radiation emitted by a gas laser (correspondingly divided into radiation components) can be transformed with simple and inexpensive measures to form radiation fields of a desired arrangement and distribution of the power density and beam quality and can be adapted to the respective requirements.
  • the radiation field is grouped into at least two radiation components in accordance with a specification, that each radiation group is directed to a first reflective element with a first reflection surface and the first reflection surfaces are arranged in planes which have an offset and / or a tilt in relation to one another such that the radiation groups with output coordinates changed relative to their relative lateral input coordinates with which they strike the first reflective elements and / or the output propagation directions changed relative to each other and / or the output orientations changed relative to each other are emitted by the first reflection surfaces, that the emitted radiation groups are grouped and each radiation group is each assigned to a second reflective element assigned to it r second reflection surface is directed, the second reflection surfaces being arranged in planes which are offset and / or tilted relative to one another in such a way that the radiation groups with their relative lateral input coordinates with which they point to the respective second reflective element are incident, the output coordinates changed relative to one another and / or the output propagation directions
  • the above object is achieved, starting from a method of the type described at the outset, in that the radiation field is grouped into at least two radiation components in accordance with a specification that each radiation group formed is directed onto a first reflective element with first reflection surfaces, whereby the first reflection surfaces, which are arranged in planes that are offset and / or tilted relative to one another, change the radiation groups with respect to one another with respect to their relative lateral input coordinates with which they are incident on the first reflective element most of the output coordinates and / or the output propagation directions changed relative to one another and / or the output orientations changed relative to one another are emitted by the first reflection surfaces, that the radiation groups emitted by the first reflective elements group and each of these radiation groups is directed onto a second reflective element assigned to it with a second reflective surface, the second reflective surfaces, which are arranged in planes that are offset and / or tilted relative to one another, causing the radiation groups to have relative lateral inputs with respect to them path coordinates with which they fall on the second
  • the radiation components are imaged in the form of a desired radiation field in an imaging plane.
  • the emerging radiation components or the radiation field composed of them are then re-grouped and each radiation group leads to a second reflective element assigned to it.
  • This grouping can be changed compared to the first grouping with which the individual radiation components enter the reflective elements, or the original grouping can be retained, ie a second reflective element is then assigned to each first reflective element. that strikes those radiation components that were also transformed by the respective first reflective element.
  • the respective radiation group is then reflected on the respective second reflective elements in such a way that the radiation group with output coordinates changed relative to one another relative to its input coordinates and / or output propagation directions changed relative to one another and / or output orientations changed relative to one another from the reflective elements Elements exit. This means that on the exit side of the reflective elements, the emerging radiation groups spread in their relative coordinates to one another with a directional component that is different from the first reorientation.
  • the radiation which is emitted by a field arrangement composed of individual lasers is initially irradiated onto the first reflective elements with an extent perpendicular to the beam propagation direction, ie in the xy direction, in such a way that the individual radiation groups are reflected differently and an offset is first achieved after the first reflective element in one direction of propagation, ie, for example in the y direction, which is preferably perpendicular to the greatest extent of the Radiation field.
  • the individual radiation groups are adjacent to one another in this x-direction and offset from one another in the y-direction like steps.
  • the offset radiation groups then each enter a second reflective element at a defined angle and / or a direction which has a directional component changed to the direction of incidence of the first element, so that the individual radiation groups are reflected on the respective second reflective elements in such a way that they have a different offset and / or a different direction of propagation, now in the x direction, on the outlet side than in the inlet side.
  • the individual radiation sources and thus their radiation cross sections are at a certain distance from one another, these measures not only allow the position of the individual radiation fields to be reoriented on the exit side of the second element, but it is also possible in a simple manner to separate the individual elements To bring radiation fields closer together and thus increase the power density per unit area. It can be seen that for such a reorientation and change in the power density distribution, only a minimal number of optimal shear components is required, which in turn results in a compact construction. Furthermore, with the relative position of the reflection surfaces of the reflective elements to the individual gas lasers and the expansion of the reflective elements transversely to the direction of propagation of the radiation, a grouping corresponding to the desired image and power density distribution can be carried out.
  • the radiation from one or more lasers (single radiation source) of the field arrangement is radiated into one and / or the other reflective element, ie the radiation components of the radiation field are already grouped on the input side of the reflective elements.
  • the arrangement is suitable for arbitrarily grouped and structured field arrangements from individual radiation sources, ie for linear field arrangements or arrays or, for example, for a field arrangement with several, stacked, linear laser arrays composed of several individual gas lasers (individual radiation sources) that are perpendicular generate two-dimensional radiation field to the direction of propagation.
  • An orientation is to be understood to mean that the beam cross-section is rotated, for example, by 180 ° in relation to the beam axis in relation to the orientation before it hits the mirror surface in an imaging plane. Such a reorientation can also serve to uniform the radiation field generated from the individual lasers.
  • additional imaging optics are used in order to image the radiation emitted by the individual radiation sources onto the elements, also as part of a grouping.
  • the individual reflection surfaces of the reflective elements are each at a different distance from the beam exit surfaces of the lasers or the respective laser group of the array assigned to them, the radiation of which is incident thereon, the changing distance sequentially in the order of the Grouping of the array corresponds; this makes it possible for the beam Distribution components on the output side of the elements has an approximately parallel direction of expansion.
  • the distance between the reflection surfaces and the offset of the reflection surfaces to one another are preferably selected and adapted to the requirements.
  • the centers of the irradiated reflection surface areas of the individual reflection surfaces, on which the respective beams of the individual individual radiation sources impinge, preferably lie on a straight line, preferably at equal distances from one another, i.e. these reflection surfaces then have the same offset to one another and a distance to the exit surfaces of the individual radiation sources that changes by the same amount in each case.
  • a mirror constructed in the manner of steps has proven to be advantageous.
  • Such a stair-step-like mirror can be provided in the form of a substrate carrier correspondingly coated with a mirror surface, for example by vapor deposition.
  • the reflective elements, as shown above, can also be applied to easily producible carrier bodies made of plastic. Particularly with regard to such plastic carriers, which can be produced, for example, by means of injection molding techniques, there is a very inexpensive arrangement.
  • the arrangement according to the invention also has the advantage that the reflection surfaces can be formed by flat mirror elements, ie are very easy to manufacture and are particularly advantageous in connection with gas lasers.
  • the individual reflection surfaces can also be concave or convex curved surfaces in order to additionally widen or focus the beam cross sections of the radiation components from which the radiation field is composed. Curvatures in the form of cylinder jacket segment surfaces are preferred in order, for example, to achieve focusing only in one direction which is to be influenced.
  • the radiation field is guided with the first and second reflective elements (possibly using additional reflective elements) that the direction of that of the last reflective element emitted radiation groups in the direction of the radiation group directed at the first reflective element.
  • the surfaces of the first and second reflective elements or the surface normals preferably form an angle of 90 ° to one another, so that an image rotation with a symmetrical beam cross section of exactly 180 ° can be achieved.
  • Such an arrangement can be realized, for example, by applying the first and second reflective elements on a sawtooth-shaped carrier in cross section, the mirror surface then corresponding to the sawtooth profile in one direction (first reflective elements) and are aligned in a second direction (second reflective elements), so that the respective radiation group is directed from the respective first reflective element to the immediately adjacent second reflective element which is oriented at an angle thereto and thus radiates in one direction from the second reflective element is, which is opposite to the direction of radiation onto the first reflective element.
  • those reflective elements are advantageous in which the reflective elements Surfaces are perpendicular to a common plane on the one hand, but on the other hand are pivoted relative to one another about axes which run in the plane of these surfaces and parallel to one another.
  • a further, simple possibility of expanding a radiation field in a directional component is provided when the reflection surfaces of the reflective elements are each perpendicular to a common plane and are pivoted relative to one another about axes which run in the plane of these surfaces and parallel to one another .
  • a plurality of strip-shaped radiation fields which are constructed from individual lasers are aligned parallel to one another so that the output radiation is emitted by a laser field arrangement, which is composed of a predetermined number of linear laser arrays, each linear laser array being constructed from a number of individual lasers.
  • the fill factor is, for example, the sum of the cross-sectional areas of the individual laser beams in an exit plane in which the exit windows of the individual lasers lie in relation to the total area that is spanned by the exit windows of the field arrangement.
  • the surface irradiated with the laser radiation should be irradiated with a uniform intensity in all surface areas, a measure then having to be applied such that when the cross-sectional dimensions of the radiation components of individual radiation groups is smaller than the width of the assigned reflective element, the respective radiation group in the reflection area of the respective reflective element under one Angle of incidence not equal to O ⁇ occurs in such a way that almost the entire width of the reflective surface of the reflective element is illuminated.
  • the first and / or the second reflective elements are combined into a respective first and second element, for example in the form of a stair mirror.
  • Such arrangements from only one body have the advantage that after the manufacture of the body no further adjustment measures of the respective reflective elements are required, but the adjustment of such an arrangement is only necessary relative to the laser field arrangement.
  • the aim is in each case that after the last transforming element — if necessary, transformations can be carried out with more than two elements that have radiation directions emerging or reflected from the last element that have mutually parallel directions of propagation or a common intersection .
  • Reflective elements as they are used in accordance with the arrangement according to the invention, have their specific advantages. Reflective elements are distinguished by the fact that only one surface element is required in order to achieve the desired transformation. They are inexpensive to manufacture. They can also withstand high loads.
  • FIGS 1A to 1E schematically different one and two-dimensional Laser arrays, in conjunction with which the arrangements according to the invention can be used,
  • FIGS. 2A, 2B and 2C show schematic representations of different gas-1aser field arrangements
  • FIGS. 1A or 1B shows a first embodiment of the arrangement according to the invention for shaping and guiding a radiation field of a one-dimensional, straight-line laser array, which is shown in FIGS. 1A or 1B, using a first element (FIG. 2A) and a downstream second element ( Figure 2B),
  • FIG. 4 shows an embodiment of a stair step mirror in which the individual mirror surfaces have a different offset from one another and with which the fill factor is increased
  • FIG. 5 shows a further embodiment similar to the embodiment of FIG. 4 with a different grouping of the radiation field on the output side of the mirror surfaces
  • FIG. 6 shows the arrangement of FIG. 4, a linear laser array being associated with each mirror surface of the stair step mirror,
  • FIG. 7 shows the arrangement according to FIG. 6, the one step-shaped mirror element having a further gradation
  • FIG. 8 shows a sectional illustration of a first and a second reflective element, which are arranged at an angle of 90 ⁇ to one another, the right illustration showing a top view of the reflection surface orientation of the arrow VIII,
  • FIG. 9 shows the arrangement according to FIG. 8, four individual beams being assigned to the reflective elements, the right representation again representing a view of the mirror surface orientation of the arrow IX;
  • FIG. 10 shows a perspective illustration of a stair-stepped mirror with reflection surfaces running in a sawtooth cross section,
  • FIG. 11 and FIG. 12 each have a stair mirror with concave curved mirror surfaces
  • FIG. 13 shows a stair-step mirror in which the individual mirror surfaces are each pivoted about a common axis by the same angle to one another
  • FIG. 14 shows a further embodiment of a stair step mirror in which the individual mirror surfaces have a different offset from one another and are inclined differently to one another.
  • the arrangement according to the invention in the various possible embodiments is suitable for shaping and guiding a radiation field of an array or a field arrangement which is composed of several individual radiation sources.
  • it is also suitable for shaping a radiation field which is emitted by a single laser, for example for the radiation of a gas laser with a slab geometry with an elongated radiation field which is to be rearranged or transformed.
  • linear field arrangements as shown in FIGS. 1A and IC
  • double-linear field arrangements such as as shown in FIG. 1B
  • radial field arrangements in accordance with the schematic representation of FIG. 1D and two-dimensional arrays in accordance with the schematic representation in FIG. 1E.
  • a linear array as shown in FIG. 1A, has N individual radiation sources, so that there is an elongated, linear radiation distribution.
  • the linear geometry is disadvantageous for cases in which circular or square radiation surfaces with a high fill factor are to be achieved in an imaging or processing plane.
  • fill factor is used in the context of this description, this is to be understood to mean the beam cross-sectional area of the individual radiation sources, designated by the reference number 1 in FIGS. 1, to the total area spanned by the individual radiation sources 1.
  • a disadvantage of a linear array according to FIG. 1A from single radiation sources is that the beam quality is reduced in the longitudinal direction by at least a factor N compared to the single radiation source.
  • N the number of individual radiation sources and thus the total power.
  • Two-dimensional arrays corresponding to FIG. 1B, or in particular arrays, which are composed of more than two linear individual arrays, as shown in FIG. 1E, have the disadvantage of the low accessibility of the internal single radiation sources, for example in order to cool them. In order to meet the cooling measures and the necessary measures for excitation, the distances D (see FIG.
  • the individual sources 1 have a circular cross-section-shaped emission cross section, which are arranged around a central axis.
  • Diffusion-cooled CO 2 lasers are preferably used in connection with the arrangement according to the invention as single radiation sources, in which the heat loss is dissipated to cooled outer surfaces by heat diffusion, which is why, in contrast to convectively cooled CO 2 lasers for heat dissipation, there is no gas circulation and gas flow guidance For this reason, they are particularly compact and also inexpensive to manufacture.
  • the disadvantage is their limited scalability, so that these diffusion-cooled CO 2 lasers have to be put together to form field arrangements, for which their low price is again advantageous.
  • the excitation of a CO 2 laser is carried out particularly expediently by metallic electrodes, which are identified by the reference number 2 in FIGS. 2A, 2B and 2C, between which an electrical high-frequency alternating Seifeid a gas discharge (gas discharge space 3) supplies energy.
  • the gas laser can also be excited by medium-frequency, low-frequency or direct-voltage gas discharges.
  • the metallic electrodes 2 can be replaced by dielectric electrodes, in particular Al 2 O ceramic.
  • the metallic electrodes 2 can be made cooled and then represent a heat sink for the heat loss.
  • the lateral resonator dimensions of a single radiation source can differ depending on the direction.
  • the small dimensions result in radiation guidance through the reflection at the lateral boundaries of the resonator (waveguide).
  • Typical waveguides range up to 4 mm.
  • the resonator is also characterized by the type of stability.
  • Each resonator direction can be made stable or unstable independently of the other.
  • a stable resonator is characterized in that a geometrical beam, the course of which differs infinitesimally from the optical axis, remains in an infinitesimally small environment of the optical axis even after repeated circulation in the resonator. Otherwise the resonator is unstable.
  • the stability properties can be directional. Then the infinitesimal quantities should only be considered in one direction.
  • the beam is decoupled by a partially transmissive mirror, and in the case of the unstable resonator, diffraction is decoupled by an aperture, designated by reference numeral 4, which is located in at least one of the two resonator mirrors.
  • the execution of a linear array according to FIGS. 1A and IC or of an array of several linear arrays arranged parallel to one another, as shown in FIGS. 1B and 1E, is particularly advantageous if the individual sources have a stable resonator.
  • the stable direction corresponds to the array or field arrangement direction and the unstable direction, as indicated on the right in FIG. 23 is perpendicular to it.
  • the unstable resonator can be used to utilize a laser medium of large lateral dimensions, which has a large coolable surface, as shown in FIG. 2B.
  • the cheapest embodiment, which can be used in conjunction with the arrangement according to the invention, which is described below, is a double-linear field arrangement according to FIG. 1B, the construction of which is shown schematically in FIG. 2C.
  • the respective exit windows lie in a central area, while the resonator or gas discharge spaces 3 extend upwards and downwards.
  • the radiation 7 emanating from a radiation source which is a linear arrangement of seven individual radiation sources 1, as is also shown enlarged in FIG. 1A, is first Element 8 directed, which is made up of individual first reflective elements or reflection surfaces 9, in the form of a stair mirror.
  • the individual beams 7 are reflected on the individual reflection surfaces 9 of the first element or of the stair step mirror 8.
  • the angle of incidence on the reflection surfaces 9 and the step height, i.e. the lateral offset of the individual reflection surfaces 9 to one another and, if appropriate, the distance of the reflection surfaces 9 from the beam exit plane of the laser field arrangement are coordinated in such a way that the reflected radiation groups 10, as shown in FIG .
  • the individual second reflective elements 12 of the second element 11 run in a direction that is rotated by 90 * with respect to the first reflective elements 9 of the first element such that the individual radiation components or radiation groups are in a direction opposite to the initial direction of propagation emerge from the first elements 8 in the direction rotated by 90 °, as is shown by reference numeral 13.
  • the distances between the individual second reflective elements 12 and the first reflective elements 8 are selected such that the individual radiation groups are transformed by means of the second element 11 in such a way that the radiation cross sections are in an imaging plane which is shown on the left in FIG. 3B two-three-two radiation fields are pushed together in the grouping, so that an approximately circular radiation field is formed.
  • each radiation group 10 reflected on the reflective elements 9 can then be regrouped, although this is not shown in the figures, and in accordance with the specifications, each radiation group 10 is irradiated into a second reflective element 12 of a second element 11 assigned to it.
  • the second element 11 is composed of three individual second reflective elements 12.
  • the radiation elements are transformed twice by the two elements 8 and 11 or their first reflective elements 9 and their second reflective elements 12 in such a way that on the one hand they are perpendicular to the reflective elements 9 in one direction
  • Direction of propagation are offset differently, while they are pushed over each other again by the second reflective elements 12 in the direction which is both perpendicular to the direction of propagation of the radiation components 10 and perpendicular to the first change of direction, so that the radiation cross sections proceed from a linear arrangement , can be brought together to form a dense radiation field of high radiation intensity.
  • FIGS. 3A and 3B Based on the principle as shown in FIGS. 3A and 3B, other beam geometries can be formed starting from a linear arrangement.
  • square radiation fields can be generated from a linear radiation source, which is composed of nine radiation components, by the double transformation, as explained with reference to FIGS. 3A and 3B, by first grouping into three Radiation groups with three radiation components each take place, which are offset in the first transformation on the first element 8 like steps in the y direction, while in the x direction they maintain their respective spacing from one another, while then in the context of the second transformation ( 3B) by means of the second element 11, the radiation groups offset from one another are pushed one under the other, so that a dense radiation field arises which is built up from the three times three radiation components of the three radiation groups.
  • a further possibility is, for example, that ten individual radiation components are grouped twice, these groups of two radiation components are offset from one another like steps, so that they can then be exactly aligned with one another in the second transformation on the second element 11 to form an elongated rectangular radiation field push.
  • the steps can also be graded in a different way, for example also in such a way that, for example, the second reflective elements 12 of the first Element 8 analog of the second element 11 with the largest or smallest distance from the radiation sources 1 in the beam direction can be arranged in the middle.
  • the individual radiation cross sections are shown at a corresponding distance from one another; however, the rays can are brought together in such a way that a coherent radiation field is generated in the desired imaging plane in order to increase the fill factor.
  • the fill factor is thermally less than 1. This reduces the beam quality compared to a theoretical case of occupancy density of 1001.
  • an arrangement of reflective elements 14, which is shown in FIG. 4 is advantageous.
  • the radiation components 7 are incident on tilted respective reflective surfaces 14 of a stair mirror 15, so that, compared to the width of the respective radiation components, a larger area of the reflective surfaces 14 is irradiated;
  • the relative coordinates of the individual radiation components 10 are changed on the output side in such a way that they have a fill factor of approximately 1001, as is indicated by the connected radiation cross sections on the side of the exit beams 10.
  • Such a measure can be implemented, for example, in the embodiment shown in FIGS. 3A and 3B for the first element 8 and / or the second element 11 in order to compare the fill factor of the rays reflected by the mirror surfaces with the Increase entry rays.
  • the offset of the emerging radiation components with respect to the radiation can also be adjusted by suitable selection of the direction of incidence of the radiation components on the reflection surfaces 14 and by suitable selection of the position of the surfaces according to FIG incoming radiation components to each other are changed so that a desired transformation occurs, diagonally in the example shown.
  • FIG. 6 shows a schematic structure of a reflective element or a stair mirror 16 with three reflective surfaces 14 (corresponding to FIGS. 4 and 5).
  • each individual reflective surface 14 is assigned a linear field arrangement 17, with each linear field arrangement 17 in this schematic representation being composed of three individual radiation sources 18.
  • the radiation components of each linear field arrangement 17 each fall on a reflective surface 14 of the stair mirror 16 at a previously selected angle of incidence, as a result of which the individual linear field arrangements 17 are pushed closer to one another on the output side due to the inclination of the mirror surfaces.
  • 8 shows on the incidence side and the exit side of the staircase mirror 16.
  • the fill factor can also be increased, in the embodiment shown in FIG. 6 only in one direction.
  • FIGS. 8 to 10 show arrangements with which the individual radiation cross sections of a radiation component or of a radiation group can be reoriented or mirrored by 180 °.
  • the respective first and second reflective elements designated by the reference numerals 19 and 20, are each put together in pairs such that a first reflective element 19 and a second reflective element 20 enclose an angle of 90 °.
  • the respective radiation group that strikes the first reflective element 19 is unguided from there by 90 ° and impinges on the reflection surface of the immediately adjacent second reflective element 20, so that the output radiation 10 from the second reflective element 20 counteracts the direction of incidence of the entrance radiation 7 is directed onto the first reflective element 19 and parallel thereto. This results in a rotation or reflection of the respective radiation cross-section, as is illustrated by the two top views of the elements 19, 20 on the right in FIGS. 8 and 9.
  • an element can be constructed, as shown in FIG. 10, in accordance with the stair-step mirrors described above.
  • This double element 21 has a plurality of first elements 19 and a plurality of second elements 20 (a double element 21 with two of these reflective elements 19, 20 is shown in FIG. 10), the respective first reflective elements 19 and the respective second reflective elements 20 run parallel to each other with their reflective surfaces.
  • the beam cross sections are reoriented here, which can serve to homogenize and homogenize a radiation field.
  • the individual radiation entry surfaces of the second reflective elements can be used Elements or else the mirror surfaces of the reflective elements are concavely curved in different directions, preferably in the shape of a cylinder segment, as shown in FIGS. 11 and 12.
  • FIG. 13 shows a further embodiment of a stair step mirror 22 with six mirror surfaces 23, each mirror surface 23 being assigned to a radiation group.
  • the individual mirror surfaces 23 are on the one hand perpendicular to a plane which corresponds to the surface 24 of the stair mirror 22, and on the other hand they are around an axis 25, which is indicated by a broken line in FIG panned.
  • a double offset or a double transformation of the individual radiation components between the entry side and on the radiation exit side can be achieved.
  • the individual mirror surfaces 23 can have an additional offset such that the individual axes 25, about which the individual mirror surfaces 23 are pivoted towards one another, are aligned parallel to one another at a distance.
  • FIG. 14 shows an example of a further staircase mirror 26 with six mirror surfaces 27, each of which is assigned to a radiation group.
  • the individual stair-step mirror surfaces 27 are perpendicular to a surface 28 which corresponds to the one side surface of the stair-step mirror 26 in FIG. 14, but they are slightly tilted at an angle to one another, transversely to their longitudinal extent, the longitudinal edges which are on the Surface 28 are perpendicular, parallel to each other are aligned.
  • the respective offset of adjacent mirror surfaces 27 is enlarged from right to left. This arrangement ensures that, starting from incident radiation groups which are spatially separated and whose directions of propagation are different, these are reflected in such a way that the radiation groups are stacked one above the other and spread in a common direction or have a common intersection.

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Abstract

A process and device for forming and guiding the radiation field of one or several gas lasers, in particular the radiation field of an array or field arrangement of several gas lasers, wherein radiation transformation optics with reflecting elements generate a defined radiation field. The device is characterised in that the radiation field (7) is subdivided into at least two radiation fractions according to predetermined data. Each radiation fraction is directed to a first reflecting element with a first reflecting surface (9, 14, 19, 23, 27). The first reflecting surfaces (9, 14, 19, 23, 27) are arranged in planes that are mutually offset and/or inclined so that the radiation fractions are irradiated from the first reflecting surfaces (9, 14, 19, 23, 27) with relative output co-ordinates, relative propagation directions and/or relative output orientations modified with respect to their relative lateral input co-ordinates of incidence on the first reflecting elements. The reflected radiation fractions are grouped and each radiation group is directed to an associated second reflecting element with a second reflecting surface (12, 14, 20, 23, 27). The second reflecting surfaces are arranged in planes that are mutually offset and/or inclined so that the radiation groups are irradiated by the first reflecting surfaces (9, 14, 19, 23, 27) with relative output coordinates, relative propagation directions and/or relative output orientations modified with respect to their relative lateral input co-ordinates of incidence on the corresponding second reflecting elements.

Description

P a t e n t a n m e l d u n g P a t e n t a n m e l g
"Anordnung und Verfahren zur Formung und Führung eines Strahlungsfelds eines oder mehrerer Gaslaser(s)"Arrangement and method for shaping and guiding a radiation field of one or more gas lasers
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Formung und Führung eines Strahlungsfelds eines oder mehrerer Gasla- ser(s), insbesondere eines Strahlungsfelds eines Arrays bzw. einer Feld¬ anordnung aus mehreren Gaslasern, mit einer Strahlungstransformations- optik zur Erzeugung eines definierten Strahlungsfelds, wobei die Optik reflektive Elemente aufweist.The present invention relates to an arrangement and a method for shaping and guiding a radiation field of one or more gas lasers, in particular a radiation field of an array or a field arrangement of several gas lasers, with a radiation transformation optics for generating a defined radiation field , the optics having reflective elements.
Einzelne Laserstrahlungsquellen sind nur begranzt zu höheren Leistungen skalierbar. Dies gilt insbesondere für Gaslaser.Individual laser radiation sources can only be scaled to higher powers to a limited extent. This applies in particular to gas lasers.
Um mit den angesprochenen Gaslasern, insbesondere bei solchen einer nied¬ rigen Leistungsklasse, unter Beibehaltung einer hohen Strahlquälitat ausgedehnte Strahlungsfelder mit einer hohen Leistungsdichte zu erzielen, ist es notwendig, mehrere Gaslaser zu Arrays bzw. Feldanordnungen zusam¬ menzufügen.In order to achieve extensive radiation fields with a high power density with the gas lasers mentioned, in particular in those of a low power class, while maintaining a high beam quality, it is necessary to combine several gas lasers to form arrays or field arrangements.
Eine wichtige Aufgabe, die sich somit bei der Entwicklung und dem Aufbau von Gaslaserstrahlungsquellen stellt, ist die Skalierung der Laserstrah¬ lungsleistung unter Erzielung einer hohen Strahlquälitat. Um dies zu erreichen, können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Skalierung der Laserleistung durch Skalierung des Laseroszillatorvolumens vorzunehmen. Bei einer Vergröße¬ rung des Laseroszillatorvolumens muß allerdings immer berücksichtigt werden, daß die axiale Dimension, d.h. die Resonatorlänge, und die late¬ ralen Dimensionen zueinander derart in Relation stehen, daß die Fres- nell-Zahl des Oszillators nicht wesentlich größer als 1 wird, damit eine hohe Strahlqualität gewährleistet ist. Diese Randbedingungen beschränken die Auslegung eines Hochleistungsoszillators mit hoher Strahlqualität erheblich. Um die erforderlichen Resonatorlängen unter Beibehaltung einer kompakten Baugröße des Resonators zu erreichen, wird der Oszillator oft mehrfach gefaltet. Eine solche Faltung ist immer mit technischen Kompli¬ kationen verbunden, da zum Beispiel segmentierte Resonator-Spiegel mit individuell gekrümmten Spiegelflächen eingesetzt werden müssen, um eine thermische Linsenwirkung zu kompensieren. Weiterhin ist das Auskoppel¬ fenster eines langen Oszillators aufgrund der relativ kleinen Apertur stark belastet, was wiederum hinsichtlich des ausgekoppelten Strahls zu einer Verminderung der Strahlqualität führt.An important task that arises in the development and construction of gas laser radiation sources is the scaling of the laser radiation power while achieving a high beam quality. Various measures can be taken to achieve this. One possibility is to scale the laser power by scaling the laser oscillator volume. When enlarging the laser oscillator volume, however, it must always be taken into account that the axial dimension, ie the resonator length, and the lateral dimensions are related to one another in such a way that the Fresnel number of the oscillator does not become significantly greater than 1, so that a high beam quality is guaranteed. These boundary conditions considerably limit the design of a high-performance oscillator with high beam quality. In order to achieve the required resonator lengths while maintaining a compact size of the resonator, the oscillator is often folded several times. Such folding is always associated with technical complications, since, for example, segmented resonator mirrors with individually curved mirror surfaces have to be used in order to compensate for a thermal lens effect. Furthermore, the decoupling window of a long oscillator is heavily loaded due to the relatively small aperture, which in turn leads to a reduction in the beam quality with regard to the decoupled beam.
Eine weitere Möglichkeit, die Laserstrahlungsleistung zu skalieren, be¬ steht darin, einen sogenannten Oszillator-Verstärker zu verwenden. Hier¬ bei wird zuerst ein Laseroszillator mit relativ geringer Leistung, jedoch hoher Strahlqualität, aufgebaut. Die aus dem Laseroszillator austretende Laserstrahlung wird dann in einen nachgeschalteten Leistungsverstärker eingespeist und zu der angestrebten, hohen Leistung verstärkt. Ein sol¬ ches Laseroszillator-Verstärker-Prinzip findet meistens in gepulsten Lasern Anwendung. Mit einem solchen Laseroszillator-Verstärker-Prinzip können einige hundertfache Verstärkungen erzielt werden. Demgegenüber beträgt die Verstärkung in Verbindung mit kontinuierlich betriebenen Lasern nur einige wenige Hundert Prozent unter Berücksichtigung, daß der Wirkungsgrad des gesamten Lasers (Laseroszillator und Verstärker) nicht zu gering wird.Another possibility of scaling the laser radiation power is to use a so-called oscillator amplifier. In this case, a laser oscillator with a relatively low power but high beam quality is first set up. The laser radiation emerging from the laser oscillator is then fed into a downstream power amplifier and amplified to the desired high power. Such a laser oscillator-amplifier principle is mostly used in pulsed lasers. With such a laser oscillator-amplifier principle, several hundredfold amplifications can be achieved. In contrast, the gain in connection with continuously operated lasers is only a few hundred percent, taking into account that the efficiency of the entire laser (laser oscillator and amplifier) does not become too low.
Eine dritte Alternative, eine Laserstrahlungsquelle zu skalieren, stellt das Laser-Array dar. Hierbei handelt es sich um mehrere Laser-Oszillato- ren, die räumlich nebeneinander in einer Feldanordnung bzw. einem Array angeordnet sind und parallel betrieben werden. In einem solchen Laser-Ar- ray ist folglich die gesamte Laserstrahlungsleistung die Summe der Lei¬ stung der einzelnen Oszillatoren. Ein zentrales Problem, das sich in Verbindung mit diesem Skalierungsprinzip ergibt, ist die kohärente Kopp¬ lung der Oszillatoren miteinander. Es muß berücksichtigt werden, daß sich eine periodische Feldverteilung bei Ausbreitung in Amplitude und Phase in äquidistanten Ebenen reproduziert, so daß Maßnahmen ergriffen werden müssen, um diese Strahlen der einzelnen Laseroszillatoren in einer ge¬ meinsamen Ebene oder in einem gemeinsamen Fokussierungspunkt zusammenzu¬ führen, was einen hohen optischen Aufwand erfordert. Weiterhin muß, um eine kohärente Kopplung der Oszillatoren zu erreichen, gewährleistet werden, daß die Eigenfrequenzen der einzelnen Oszillatoren nicht zu stark voneinander abweichen. Weiterhin führen Abbildungsfehler bei zweidimen- sionalen Laseroszillator-Arrays bei freier Ausbreitung zu Verlusten, die typischerweise Werte von 401 im Vergleich zu eindimensionalen, aus acht Oszillatoren zusammengesetzten Arrays erreichen. Die hohen Verluste füh¬ ren folglich zu einem geringen Wirkungsgrad. Aufgrund der erforderlichen Maßnahmen, um die Strahlen zusammenzuführen, entstehen Just erprobleme, so daß sich umgekehrt bei einer solchen Laseranordnung eine hohe Justier¬ empfindlichkeit zeigt. Weiterhin sollen in einer solchen Anordnung keine sphärischen Spiegel eingesetzt werden, da sich dadurch unterschiedliche Längen der einzelnen Oszillatoren ergeben, was aber gerade für einen stabilen Laserbetrieb notwendig ist. Weiterhin müßten zur Realisierung solcher Anordnungen Abstände benachbarter, einzelner Laseroszillatoren eingehalten werden, die bei realistischer Oszillatorenlänge so klein sind, daß sie praktisch nicht relalisierbar und technisch zu beherrschen sind.A third alternative for scaling a laser radiation source is the laser array. These are several laser oscillation ren, which are arranged spatially side by side in a field arrangement or an array and operated in parallel. In such a laser array, the total laser radiation power is consequently the sum of the power of the individual oscillators. A central problem that arises in connection with this scaling principle is the coherent coupling of the oscillators with one another. It must be taken into account that a periodic field distribution is reproduced in equidistant planes when spreading in amplitude and phase, so that measures must be taken to bring these beams of the individual laser oscillators together in a common plane or in a common focal point, which requires a high optical effort. Furthermore, in order to achieve a coherent coupling of the oscillators, it must be ensured that the natural frequencies of the individual oscillators do not deviate too much from one another. Furthermore, imaging errors in two-dimensional laser oscillator arrays with free propagation lead to losses which typically reach values of 401 compared to one-dimensional arrays composed of eight oscillators. The high losses consequently lead to low efficiency. Due to the measures required to bring the beams together, justification problems arise, so that, conversely, such a laser arrangement shows a high sensitivity. Furthermore, no spherical mirrors should be used in such an arrangement, since this results in different lengths of the individual oscillators, but this is especially necessary for stable laser operation. Furthermore, in order to implement such arrangements, the distances between adjacent, individual laser oscillators would have to be maintained, which are so small with a realistic oscillator length that they are practically impossible to relate and technically controllable.
Ein weiteres Problem, das sich darüberhinaus bei großen Feldanordnungen aus Lasern stellt, ist die Abführung der beim Lasern entstehenden Wärme, was wiederum entsprechende Kühlmaßnahmen erfordert, so daß zwischen den Einzelstrahlungsquellen Abstände verbleiben müssen, um Kühlmaßnahmen vornehmen zu können. Solche Kühlmaßnahmen begrenzen natürlich stark die Packungsdichte, mit der die Laser zu Laserarrays bzw. -feldanordnungen zusammengefaßt werden können.Another problem that also arises with large field arrangements of lasers is the dissipation of the heat generated during the laser, which in turn requires appropriate cooling measures, so that distances must remain between the individual radiation sources in order to be able to take cooling measures. Such cooling measures naturally limit the Packing density with which the lasers can be combined into laser arrays or field arrangements.
Schließlich werden für solche Strahlungsfelder, die von aus Einzelstrah¬ lungsquellen zusammengestellten Arrays bzw. Feldanordnungen erzeugt wer¬ den, in der Abbildungsebene, d.h. beispielsweise auf der Werkstückober¬ fläche, bestimmte Strahlgeometrien und Leistungsdichten gefordert, so daß die Strahlung, die von jeder einzelnen Strahlungsquelle abgegeben wird, entsprechend geführt und geformt wird.Finally, for such radiation fields, which are generated by arrays or field arrangements composed of individual radiation sources, in the imaging plane, i.e. For example, certain beam geometries and power densities are required on the workpiece surface so that the radiation which is emitted by each individual radiation source is guided and shaped accordingly.
Ausgehend von dem vorstehend angeführten Stand der Technik und der be¬ schriebenen Problematik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, mit denen die ins¬ besondere von mehreren Gaslaser abgegebene Strahlung, aber auch die Strahlung, die von einem Gaslaser (entsprechend in Strahlungsanteile unterteilt) abgegeben wird, mit einfachen und kostengünstigen Maßnahmen zu Strahlungsfeidern einer gewünschten Anordnung und Verteilung der Lei¬ stungsdichte und Strahlqualität transformiert und den jeweiligen Erfor¬ dernissen angepaßt werden können.Based on the above-mentioned prior art and the problem described, the present invention is based on the object of specifying an arrangement and a method with which the radiation emitted in particular by several gas lasers, but also the radiation emitted by a gas laser (correspondingly divided into radiation components) can be transformed with simple and inexpensive measures to form radiation fields of a desired arrangement and distribution of the power density and beam quality and can be adapted to the respective requirements.
Die vorstehende Aufgabe wird in Verbindung einer Anordnung der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß das Strahlungsfeld in mindestens zwei Strahlungsanteile gemäß einer Vorgabe gruppiert ist, daß jede Strahlungs- gruppe auf ein erstes reflektives Element mit einer ersten Reflexions¬ fläche gerichtet ist und die ersten Reflexionsflächen in Ebenen angeord¬ net sind, die einen Versatz und/oder eine Verkippung derart zueinander aufweisen, daß die Strahlungsgruppen mit gegenüber ihren relativen late¬ ralen Eingangs-Koordinaten, mit denen sie auf die ersten reflektiven Elemente einfallen, relativ zueinander geänderten Ausgangs-Koordinaten und/oder relativ zueinander geänderten Ausgangs-Ausbreitungsrichtungen und/oder relativ zueinander geänderten Ausgangs-Orientierungen von den ersten Reflexionflächen abgestrahlt werden, daß die abgestrahlten Strah¬ lungsgruppen gruppiert und jede Strahlungsgruppe jeweils auf ein ihr zugeordnetes, zweites reflektives Element mit einer zweiten Reflexions- fl che gerichtet ist, wobei die zweiten Reflexionsflächen in Ebenen ange¬ ordnet sind, die einen Versatz und/oder eine Verkippung derart zueinander aufweisen, daß die Strahlungsgruppen mit gegenüber ihren relativen late¬ ralen Eingangs-Koordinaten, mit denen sie auf das das jeweilige zweite reflektive Element einfallen, relativ zueinander geänderten Ausgangs-Ko¬ ordinaten und/oder relativ zueinander geänderten Ausgangs-Ausbreitungs- richtungen und/oder relativ zueinander geänderten Ausgangs-Orientierungen von den ersten Reflexionflächen abgestrahlt werden.The above object is achieved in connection with an arrangement of the type specified at the outset in that the radiation field is grouped into at least two radiation components in accordance with a specification, that each radiation group is directed to a first reflective element with a first reflection surface and the first reflection surfaces are arranged in planes which have an offset and / or a tilt in relation to one another such that the radiation groups with output coordinates changed relative to their relative lateral input coordinates with which they strike the first reflective elements and / or the output propagation directions changed relative to each other and / or the output orientations changed relative to each other are emitted by the first reflection surfaces, that the emitted radiation groups are grouped and each radiation group is each assigned to a second reflective element assigned to it r second reflection surface is directed, the second reflection surfaces being arranged in planes which are offset and / or tilted relative to one another in such a way that the radiation groups with their relative lateral input coordinates with which they point to the respective second reflective element are incident, the output coordinates changed relative to one another and / or the output propagation directions changed relative to one another and / or the output orientations changed relative to one another are emitted by the first reflection surfaces.
Verfahrensgemäß wird die vorstehende Aufgabe, ausgehend von einem Verfah¬ ren der eingangs beschriebenen Art, dadurch gelöst, daß das Strahlungs¬ feld in mindestens zwei Strahlungsanteile gemäß einer Vorgabe gruppiert wird, daß jede gebildete Strahlungsgruppe auf ein erstes reflektives Element mit ersten Reflexionsflächen gerichtet wird, wobei durch die ersten Reflexionsflächen, die in Ebenen angeordnet sind, die einen Ver¬ satz und/oder eine Verkippung zueinander aufweisen, die Strahlungsgruppen mit gegenüber ihren relativen lateralen Eingangs-Koordinaten, mit denen sie auf das erste reflektive Element einfallen, relativ zueinander geän¬ derten Ausgangs-Koordinaten und/oder relativ zueinander geänderten Aus- gangs-Ausbreitungsrichtungen und/oder relativ zueinander geänderten Aus¬ gangs-Orientierungen von den ersten Reflexionflächen abgestrahlt werden, daß die von den ersten reflektiven Elementen abgestrahlten Strahlungs¬ gruppen gruppiert und jede dieser Strahlungsgruppen auf ein ihr zugeord¬ netes zweites reflektives Element mit einer zweiten Reflexionsfläche gerichtet wird, wobei durch die zweiten Reflexionsflächen, die in Ebenen angeordnet sind, die einen Versatz und/oder Verkippung zueinander aufwei¬ sen, die Strahlungsgruppen mit gegenüber ihren relativen lateralen Ein¬ gangskoordinaten, mit denen sie auf das zweite reflektive Element einfal¬ len, relativ zueinander geänderten Ausgangs-Koordinaten und/oder relativ zueinander geänderten Ausgangs-Ausbreitungsrichtungen und/oder relativ zueinander geänderten Ausgangs-Orientierungen von den zweiten Reflexion¬ flächen abgestrahlt werden.According to the method, the above object is achieved, starting from a method of the type described at the outset, in that the radiation field is grouped into at least two radiation components in accordance with a specification that each radiation group formed is directed onto a first reflective element with first reflection surfaces, whereby the first reflection surfaces, which are arranged in planes that are offset and / or tilted relative to one another, change the radiation groups with respect to one another with respect to their relative lateral input coordinates with which they are incident on the first reflective element most of the output coordinates and / or the output propagation directions changed relative to one another and / or the output orientations changed relative to one another are emitted by the first reflection surfaces, that the radiation groups emitted by the first reflective elements group and each of these radiation groups is directed onto a second reflective element assigned to it with a second reflective surface, the second reflective surfaces, which are arranged in planes that are offset and / or tilted relative to one another, causing the radiation groups to have relative lateral inputs with respect to them path coordinates with which they fall on the second reflective element, output coordinates changed relative to one another and / or output propagation directions changed relative to one another and / or output orientations changed relative to one another are emitted from the second reflection surfaces.
Mit einer solchen Anordnung in ihrer einfachsten Ausführung können mit einer minimalen Anzahl von reflektiven Elementen mit einem hohen Lei- stungsübertragungskoeffizienten die Strahlungsanteile in Form eines ge¬ wünschten Strahlungsfelds in einer Abbildungsebene abgebildet werden. Mit der angegebenen Anordnung bzw. dem Verfahren ist es möglich, zunächst mittels erster reflektiver Elemente, auf die die einzelnen Strahlungs¬ gruppen auftreffen, einen definierten Versatz zu erzeugen, so daß die jeweiligen Strahlungsgruppen mit relativ zueinander geänderten Ausgangs- Koordinaten und/oder Ausgangs-Ausbreitungsrichtungen und/oder Aus¬ gangs-Orientierungen austreten. Die austretenden Strahlungsanteile bzw. das daraus zusammengesetzte Strahlungsfeld wird dann neu gruppiert und jede Strahlungsgruppe führt jeweils auf ein ihr zugeordnetes zweites reflektives Element. Diese Gruppierung kann gegenüber der ersten Gruppie¬ rung, mit der die einzelnen Strahlungsanteile in die reflektiven Elemente eintreten, geändert werden, oder aber es kann die ursprüngliche Gruppie¬ rung beibehalten werden, d.h. jedem ersten reflektiven Element ist dann jeweils ein zweites reflektives Element zugeordnet, auf das diejenigen Strahlungsanteile auftreffen, die auch durch das jeweilige erste reflek¬ tive Element transformiert wurden. An den jeweiligen zweiten reflektiven Elementen wird die jeweilige Strahlungsgruppe dann so reflektiert, daß die Strahlungsgruppe mit gegenüber ihren Eingangs-Koordinaten relativ zueinander geänderten Ausgangs-Koordinaten und/oder relativ zueinander geänderten Ausgangs-Ausbreitungsrichtungen und/oder relativ zueinander geänderten Ausgangs-Orientierungen aus den reflektiven Elementen austre¬ ten. Dies bedeutet, daß sich austrittsseitig der reflektiven Elemente die austretenden Strahlungsgruppen in ihren relativen Koordinaten zueinander mit einer gegenüber der ersten Umorientierung geänderten Richtungskompo¬ nenten ausbreiten. Anders ausgedrückt wird die Strahlung, die von einer aus einzelnen Lasern zusammengesetzten Feldanordnung abgegeben wird, mit einer Ausdehnung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung, d.h. in der x-y-Richtung, zunächst so auf die ersten reflektiven Elemente einge¬ strahlt, daß die einzelnen Strahlungsgruppen unterschiedlich reflektiert werden und zunächst ein Versatz nach dem ersten reflektiven Element in der einen Ausbreitungsrichtung, d.h. beispielsweise in der y-Richtung, erzielt wird, die vorzugsweise senkrecht zu der größten Ausdehnung des Strahlungsfelds liegt. Austrittsseitig des reflektiven Elements sind dann die einzelnen Strahlungsgruppen in dieser x-Richtung nebeneinanderliegend und in der y-Richtung treppenstufenartig untereinander versetzt. Bei¬ spielsweise unter Beibehaltung dieser Gruppierung treten dann die ver¬ setzten Strahlungsgruppen jeweils in ein zweites reflektives Element unter einem definierten Winkel und/oder einer Richtung ein, die eine zu der Einfallsrichtung auf das erste Element geänderte Ri htungskomponente besitzt, so daß die einzelnen Strahlungsgruppen an den jeweiligen zweiten reflektiven Elementen derart reflektiert werden, daß sie austrittsseitig einen gegenüber der Eintrittsseite unterschiedlichen Versatz und/oder eine unterschiedliche Ausbreitungsrichtung, nunmehr in der x-Richtung, besitzen. Dies bedeutet wiederum, daß in einer Abbildungsebene dann die austrittsseitig des ersten reflektiven Elements treppenstufenartig ver¬ setzten Strahlungsanteile untereinanderliegend zusammengeschoben sind und beispielsweise ein geschlossenes Strahlungsfeld bilden. Es wird anhand dieses Beispiels ersichtlich, daß aus einer beliebigen Anzahl einzelner Strahlungsquellen, gegebenenfalls gruppiert, unter Einsatz einer der Anzahl der Strahlungsgruppen entsprechenden Anzahl erster und zweiter reflektiver Elemente, eine Umorientierung und/oder Umgruppierung der Strahlungsanteile in den zwei Raumrichtungeπ senkrecht zu der ur¬ sprünglichen Ausbre tungsrichtung des Strahlungsfelds erzielt werden kann. Hierbei wird ein hoher Wirkungsgrad der Leistungseffektivität, ein kompakter Aufbau unter Verwendung einer minimalen Anzahl von optischen Komponenten und ein hoher Freiheitsgrad bei der Ordnung und Umorientie¬ rung der Strahlungsanteile erreicht.With such an arrangement in its simplest design, you can use a minimal number of reflective elements with a high power transmission coefficient, the radiation components are imaged in the form of a desired radiation field in an imaging plane. With the specified arrangement or the method, it is possible to first generate a defined offset by means of first reflective elements which hit the individual radiation groups, so that the respective radiation groups with output coordinates and / or output coordinates changed relative to one another Direction of propagation and / or exit orientations emerge. The emerging radiation components or the radiation field composed of them are then re-grouped and each radiation group leads to a second reflective element assigned to it. This grouping can be changed compared to the first grouping with which the individual radiation components enter the reflective elements, or the original grouping can be retained, ie a second reflective element is then assigned to each first reflective element. that strikes those radiation components that were also transformed by the respective first reflective element. The respective radiation group is then reflected on the respective second reflective elements in such a way that the radiation group with output coordinates changed relative to one another relative to its input coordinates and / or output propagation directions changed relative to one another and / or output orientations changed relative to one another from the reflective elements Elements exit. This means that on the exit side of the reflective elements, the emerging radiation groups spread in their relative coordinates to one another with a directional component that is different from the first reorientation. In other words, the radiation which is emitted by a field arrangement composed of individual lasers is initially irradiated onto the first reflective elements with an extent perpendicular to the beam propagation direction, ie in the xy direction, in such a way that the individual radiation groups are reflected differently and an offset is first achieved after the first reflective element in one direction of propagation, ie, for example in the y direction, which is preferably perpendicular to the greatest extent of the Radiation field. On the exit side of the reflective element, the individual radiation groups are adjacent to one another in this x-direction and offset from one another in the y-direction like steps. For example, while maintaining this grouping, the offset radiation groups then each enter a second reflective element at a defined angle and / or a direction which has a directional component changed to the direction of incidence of the first element, so that the individual radiation groups are reflected on the respective second reflective elements in such a way that they have a different offset and / or a different direction of propagation, now in the x direction, on the outlet side than in the inlet side. This in turn means that in an imaging plane the radiation components which are offset in a step-like manner on the exit side of the first reflective element are then pushed together and form, for example, a closed radiation field. It can be seen from this example that from any number of individual radiation sources, optionally grouped, using a number of first and second reflective elements corresponding to the number of radiation groups, a reorientation and / or regrouping of the radiation components in the two spatial directions perpendicular to the original Sprung expansion direction of the radiation field can be achieved. Here, a high efficiency of power effectiveness, a compact structure using a minimal number of optical components and a high degree of freedom in the order and reorientation of the radiation components are achieved.
Obwohl die einzelnen Strahlungsquellen und somit deren Strahlungsquer- schnitte einen bestimmten Abstand zueinander haben, kann mit diesen Ma߬ nahmen nicht nur eine Umorientierung der Lage der einzelnen Strahlungs- felder austrittsseitig des zweiten Elements erzielt werden, sondern es ist in einfacher Weise möglich, die einzelnen Strahlungsfelder dichter zusammen zu legen und damit die Leistungsdichte pro Flächeneinheit zu erhöhen. Es wird ersichtlich, daß für eine solche Umorientierung und Veränderung der Leistungsdichteverteilung nur eine minimale Anzahl opti- scher Bauteile erforderlich ist, woraus sich wiederum ein kompakter Auf¬ bau ergibt. Weiterhin kann mit der relativen Lage der Reflexionsflächen der reflektiven Elemente zu den einzelnen Gaslasern sowie der Ausdehnung der reflektiven Elemente quer zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung eine der erwünschten Abbildung und Leistungsdichteverteilung entsprechende Gruppierung vorgenommen werden. Dies bedeutet, daß zum Beispiel in das eine und/oder das andere reflektive Element die Strahlung eines oder mehrerer Laser (Einzelstrahlungsquelle) der Feldanordnung eingestrahlt wird, d.h. es wird bereits eingangsseitig der reflektiven Elemente eine Gruppierung der Strahlungsanteile des Strahlungsfelds vorgenommen. Die Anordnung eignet sich für beliebig gruppierte und aufgebaute Feldanord¬ nungen aus Einzelstrahlungsquellen, d.h. für linienförmige Feldanord¬ nungen bzw. Arrays oder aber beispielsweise für eine Feldanordnung mit mehreren, übereinandergestapelten, linienförmigen Laserarrays aus mehre¬ ren einzelnen Gaslasern (Einzelstrahlungsquellen), die ein senkrecht zur Ausbreitungsrichtung zweidimensionales Strahlungsfeld erzeugen.Although the individual radiation sources and thus their radiation cross sections are at a certain distance from one another, these measures not only allow the position of the individual radiation fields to be reoriented on the exit side of the second element, but it is also possible in a simple manner to separate the individual elements To bring radiation fields closer together and thus increase the power density per unit area. It can be seen that for such a reorientation and change in the power density distribution, only a minimal number of optimal shear components is required, which in turn results in a compact construction. Furthermore, with the relative position of the reflection surfaces of the reflective elements to the individual gas lasers and the expansion of the reflective elements transversely to the direction of propagation of the radiation, a grouping corresponding to the desired image and power density distribution can be carried out. This means that, for example, the radiation from one or more lasers (single radiation source) of the field arrangement is radiated into one and / or the other reflective element, ie the radiation components of the radiation field are already grouped on the input side of the reflective elements. The arrangement is suitable for arbitrarily grouped and structured field arrangements from individual radiation sources, ie for linear field arrangements or arrays or, for example, for a field arrangement with several, stacked, linear laser arrays composed of several individual gas lasers (individual radiation sources) that are perpendicular generate two-dimensional radiation field to the direction of propagation.
Unter einer Orientierung ist zu verstehen, daß der Strahlquerschnitt in Bezug auf die Strahlachse gegenüber der Orientierung vor dem Auftreffen auf die Spiegelfläche in einer Abbildungsebene beispielsweise um 180° gedreht ist. Eine solche Umorientierung kann ebenfalls zu einer Ver¬ gleichmäßigung des aus den einzelnen Lasern erzeugten Strahlungsfelds dienen.An orientation is to be understood to mean that the beam cross-section is rotated, for example, by 180 ° in relation to the beam axis in relation to the orientation before it hits the mirror surface in an imaging plane. Such a reorientation can also serve to uniform the radiation field generated from the individual lasers.
Falls es erforderlich ist, werden zusätzliche Abbildungsoptiken einge¬ setzt, um, auch im Rahmen einer Gruppierung, die von den Einzelstrah- lungsquellen abgegebene Strahlung auf die Elemente abzubilden.If necessary, additional imaging optics are used in order to image the radiation emitted by the individual radiation sources onto the elements, also as part of a grouping.
In einer weiteren Ausbildung der Anordnung besitzen die einzelnen Re¬ flexionsflächen der reflektiven Elemente jeweils einen unterschiedlichen Abstand zu den ihnen zugeordneten Strahl-Austrittsflächen der Laser bzw. der jeweiligen Lasergruppe des Arrays, deren Strahlung darauf einfällt, wobei der sich ändernde Abstand sequentiell der Reihenfolge der Grup¬ pierung des Arrays entspricht; hierdurch ist es möglich, daß die Strah- lungsanteile ausgangsseitig der Elemente eine annähernd parallele Aus¬ breitungsrichtung besitzt.In a further embodiment of the arrangement, the individual reflection surfaces of the reflective elements are each at a different distance from the beam exit surfaces of the lasers or the respective laser group of the array assigned to them, the radiation of which is incident thereon, the changing distance sequentially in the order of the Grouping of the array corresponds; this makes it possible for the beam Distribution components on the output side of the elements has an approximately parallel direction of expansion.
Entsprechend der Wahl des Abstands der einzelnen Strahlaustrittsflächen der Einzelstrahlungsquellen des Arrays oder deren Gruppierung zueinander wird vorzugsweise auch der Abstand der Reflexionsflächen sowie der Ver¬ satz der Reflexionsflächen zueinander ausgewählt und den Erfordernissen angepaßt.In accordance with the choice of the distance between the individual beam exit surfaces of the individual radiation sources of the array or their grouping with respect to one another, the distance between the reflection surfaces and the offset of the reflection surfaces to one another are preferably selected and adapted to the requirements.
Vorzugsweise liegen jedoch die Zentren der bestrahlten Reflexionsflächen¬ bereiche der einzelnen Reflexionsflächen, auf die die jeweiligen Strahlen der einzelnen Einzelstrahlungsquellen auftreffen, auf einer Geraden, bevorzugt mit gleichen Abständen zueinander, d.h. diese Reflexionsflächen besitzen dann einen gleichen Versatz zueinander sowie einen sich um je¬ weils denselben Betrag ändernden Abstand zu den Austrittsflächen der Einzelstrahlungsquellen.However, the centers of the irradiated reflection surface areas of the individual reflection surfaces, on which the respective beams of the individual individual radiation sources impinge, preferably lie on a straight line, preferably at equal distances from one another, i.e. these reflection surfaces then have the same offset to one another and a distance to the exit surfaces of the individual radiation sources that changes by the same amount in each case.
Als einfaches, reflektives Element, durch das die einzelnen Reflexions- flächen gebildet und geformt werden können, hat sich ein treppeπstufenar- tig aufgebauter Spiegel als vorteilhaft erwiesen. Ein solcher treppenstu¬ fenartig aufgebauter Spiegel kann in Form eines entsprechend mit einer Spiegelfläche beschichteten Substratträgers, beispielsweise durch Auf¬ dampfen, bereitgestellt werden. Es ist allerdings auch möglich, einen solchen Treppenstufenspiegel auf einem Glassubstrat mittels Diamantwerk¬ zeugen einzuschleifen, wobei ein solcher Treppenstufenspiegel den Vorteil hat, daß er äußerst stabil und verzugsfrei ist. Auch können die reflek¬ tiven Elemente, wie sie vorstehend aufgezeigt sind, auf einfach herstell¬ bare Trägerkörper aus Kunststoff aufgebracht werden. Gerade in Bezug auf solche Kunststoff räger, die beispielsweise mittels Spritzgießtechniken hergestellt werden können, ergibt sich eine sehr kostengünstige Anord¬ nung.As a simple, reflective element by means of which the individual reflection surfaces can be formed and shaped, a mirror constructed in the manner of steps has proven to be advantageous. Such a stair-step-like mirror can be provided in the form of a substrate carrier correspondingly coated with a mirror surface, for example by vapor deposition. However, it is also possible to grind in such a step mirror on a glass substrate by means of diamond tools, such a step mirror having the advantage that it is extremely stable and free from distortion. The reflective elements, as shown above, can also be applied to easily producible carrier bodies made of plastic. Particularly with regard to such plastic carriers, which can be produced, for example, by means of injection molding techniques, there is a very inexpensive arrangement.
Die erfindungsgemäße Anordnung hat weiterhin den Vorteil, daß die Refle¬ xionsflächen durch ebene Spiegelelemente gebildet werden können, die also sehr einfach herstellbar und gerade in Verbindung mit Gaslasern vorteil¬ haft sind. Die einzelnen Reflexionsflächen können aber auch konkav oder konvex gekrümmte Flächen sein, um die Strahlquerschnitte der Strahlungs¬ anteile, aus denen das Strahlungsfeld zusammengesetzt ist, zusätzlich aufzuweiten oder zu fokussieren. Krümmungen in Form von Zylindermantel¬ segmentflächen sind zu bevorzugen, um beispielsweise eine Fokussierung nur in einer Richtung, die beeinflußt werden soll, zu erreichen.The arrangement according to the invention also has the advantage that the reflection surfaces can be formed by flat mirror elements, ie are very easy to manufacture and are particularly advantageous in connection with gas lasers. However, the individual reflection surfaces can also be concave or convex curved surfaces in order to additionally widen or focus the beam cross sections of the radiation components from which the radiation field is composed. Curvatures in the form of cylinder jacket segment surfaces are preferred in order, for example, to achieve focusing only in one direction which is to be influenced.
Um eine Umorientierung bzw. Spiegelung des jeweiligen Einzelstrahlungs- querschnitts bzw. der Strahlquerschnitte des Strahlungsfeld zu erzielen, wird das Strahlungsfeld mit den ersten und zweiten reflektiven Elementen (ggf. unter Verwendung weiterer reflektiver Elemente) geführt, daß die Richtung der von dem letzten reflektiven Element abgestrahlten Strah¬ lungsgruppen der Richtung der auf das erste reflektive Element gerichte¬ ten Strahlungsgruppe entgegenläuft. Vorzugsweise schließen die Flächen der ersten und zweiten reflektiven Elemente bzw. die Flächennormalen einen Winkel von 90° zueinander an, so daß eine Bilddrehung bei symme¬ trischem Strahlquerschnitt um exakt 180° erreicht werden kann. Eine sol¬ che Anordnung kann beispielsweise dadurch verwirklicht werden, daß die ersten und zweiten reflektiven Elemente auf einem im Querschnitt säge- zahnförmigen Träger aufgebracht werden, wobei die Spiegelfläche dann, entsprechend dem Sägezahnprofil, in der einen Richtung (ersten reflekti¬ ven Elemente) und einer zweiten Richtung (zweiten reflektiven Elemente) ausgerichtet sind, so daß die jeweilige Strahlungsgruppe von dem jeweili¬ gen ersten reflektiven Element auf das unmittelbar benachbarte, unter einem Winkel dazu ausgerichteten zweiten reflektiven Element gerichtet wird und somit in einer Richtung von dem zweiten reflektiven Element abgestrahlt wird, die zu der Einstrahlrichtung auf das erste reflektive Element entgegengerichtet ist.To achieve a reorientation or mirroring of the respective individual radiation cross section or the beam cross sections of the radiation field, the radiation field is guided with the first and second reflective elements (possibly using additional reflective elements) that the direction of that of the last reflective element emitted radiation groups in the direction of the radiation group directed at the first reflective element. The surfaces of the first and second reflective elements or the surface normals preferably form an angle of 90 ° to one another, so that an image rotation with a symmetrical beam cross section of exactly 180 ° can be achieved. Such an arrangement can be realized, for example, by applying the first and second reflective elements on a sawtooth-shaped carrier in cross section, the mirror surface then corresponding to the sawtooth profile in one direction (first reflective elements) and are aligned in a second direction (second reflective elements), so that the respective radiation group is directed from the respective first reflective element to the immediately adjacent second reflective element which is oriented at an angle thereto and thus radiates in one direction from the second reflective element is, which is opposite to the direction of radiation onto the first reflective element.
Um der Strahlung, die von einem reflektiven Element abgestrahlt wird, zusätzlich zu der Richtung, mit der die Strahlung auf das reflektiven Element auftrifft, eine zusätzliche Richtungskomponente zu verleihen, sind solche reflektiven Elemente von Vorteil, bei denen die Reflexions- flächen zum einen senkrecht auf einer gemeinsamen Ebene stehen, zum an¬ deren aber um Achsen, die in der Ebene dieser Flächen und parallel zu¬ einander verlaufen, zueinander verschwenkt sind. Darüberhinaus besteht die Möglichkeit, diese Flächen geringfügig konkav oder konvex zu wölben, um die jeweilige Strahlung der Strahlungsgruppen aufzuweiten oder zu fokussieren. Eine weitere, einfache Möglichkeit, ein Strahlungsfeld in einer Richtungskomponenten aufzuweiten, ist dann gegeben, wenn die Re¬ flexionsflächen der reflektiven Elemente jeweils senkrecht auf einer gemeinsamen Ebene stehen und um Achsen, die in der Ebene dieser Flächen und parallel zueinander verlaufen, zueinander verschwenkt sind.In order to give the radiation emitted by a reflective element an additional directional component in addition to the direction in which the radiation impinges on the reflective element, those reflective elements are advantageous in which the reflective elements Surfaces are perpendicular to a common plane on the one hand, but on the other hand are pivoted relative to one another about axes which run in the plane of these surfaces and parallel to one another. In addition, there is the possibility of arching these surfaces slightly concave or convex in order to widen or focus the respective radiation of the radiation groups. A further, simple possibility of expanding a radiation field in a directional component is provided when the reflection surfaces of the reflective elements are each perpendicular to a common plane and are pivoted relative to one another about axes which run in the plane of these surfaces and parallel to one another .
Um entweder gleichförmige Strahlungsfeider mit einer relativ großen Aus¬ dehnung zu erzeugen oder um einen kleinen Strahlungsfleck hoher Strah¬ lungsdichte in der Arbeitsebene zu erhalten, werden mehrere streifenför- mige Strahlungsfelder, die aus einzelnen Lasern aufgebaut sind, parallel zueinander ausgerichtet, so daß die Ausgangsstrahlung durch eine Laser¬ feldanordnung abgegeben wird, die aus einer vorgegebenen Anzahl linien- förmiger Laserarrays zusammengesetzt ist, wobei jedes linienförmige La- serarray aus einer Anzahl Einzellaser aufgebaut ist.In order to either produce uniform radiation fields with a relatively large expansion or to obtain a small radiation spot with a high radiation density in the working plane, a plurality of strip-shaped radiation fields which are constructed from individual lasers are aligned parallel to one another so that the output radiation is emitted by a laser field arrangement, which is composed of a predetermined number of linear laser arrays, each linear laser array being constructed from a number of individual lasers.
Wie bereits angesprochen wurde, stellt ein grundsätzlicher Nachteil einer Feldanordnung bzw. eines Arrays aus Einzelstrahlungsquellen deren gerin¬ ger Füllfaktor dar. Als Füllfaktor ist beispielsweise in einer Austritts¬ ebene, in der die Austrittsfenster der einzelnen Laser liegen, die Summe der Querschnittsflachen der einzelnen Laserstrahlen bezogen auf die Ge¬ samtfläche, die durch die Austrittsfenster der Feldanordnung aufgespannt wird, zu verstehen. In vielen Anwendungen ist es erwünscht, zum einen einen sehr gleichförmigen Füllfaktor zu erzielen, d.h. die mit der Laser¬ strahlung bestrahlte Fläche soll mit einer gleichförmigen Intensität in allen Flächenbereichen bestrahlt werden, wobei dann eine Maßnahme dahin¬ gehend anzuwenden ist, daß dann, wenn die Querschnittsabmessungen der Strahlungsanteile einzelner Strahlungsgruppen kleiner als die Breite des zugeordneten reflektiven Elements ist, die jeweilige Strahlungsgruppe in die Reflexionsflache des jeweiligen reflektiven Elements unter einem Einfallswinkel ungleich Oβ derart eintritt, daß annähernd die gesamte Breite der Reflexionsfläche des reflektiven Elements ausgeleuchtet ist.As already mentioned, a fundamental disadvantage of a field arrangement or an array of individual radiation sources is their low fill factor. The fill factor is, for example, the sum of the cross-sectional areas of the individual laser beams in an exit plane in which the exit windows of the individual lasers lie in relation to the total area that is spanned by the exit windows of the field arrangement. In many applications it is desirable, on the one hand, to achieve a very uniform fill factor, ie the surface irradiated with the laser radiation should be irradiated with a uniform intensity in all surface areas, a measure then having to be applied such that when the cross-sectional dimensions of the radiation components of individual radiation groups is smaller than the width of the assigned reflective element, the respective radiation group in the reflection area of the respective reflective element under one Angle of incidence not equal to O β occurs in such a way that almost the entire width of the reflective surface of the reflective element is illuminated.
Hinsichtlich eines kompakten Aufbaus der Anordnung werden die ersten und/oder die zweiten reflektiven Elemente zu einem jeweiligen ersten und zweiten Element, beispielsweise in der Form eines Treppenstufenspiegels zusammengefaßt. Solche Anordnungen aus nur einem Körper bringen den Vor¬ teil mit sich, daß nach der Fertigung des Körpers keine weiteren Justier¬ maßnahmen der jeweiligen reflektiven Elemente erforderlich sind, sondern die Justierung einer solchen Anordnung nur relativ zu der Laser-Feldan¬ ordnung notwendig ist.With regard to a compact structure of the arrangement, the first and / or the second reflective elements are combined into a respective first and second element, for example in the form of a stair mirror. Such arrangements from only one body have the advantage that after the manufacture of the body no further adjustment measures of the respective reflective elements are required, but the adjustment of such an arrangement is only necessary relative to the laser field arrangement.
Im Rahmen der erfindungsgemäßen Strahlungstransformation wird jeweils angestrebt, daß nach dem letzten transformierenden Element - falls es erforderlich ist, können Transformationen mit mehr als zwei Elementen vorgenommen werden die aus dem letzten Element austretenden bzw. reflek¬ tierten Strahlungsgruppen zueinander parallele Ausbreitungsrichtungen oder einen gemeinsamen Schnittpunkt haben.In the context of the radiation transformation according to the invention, the aim is in each case that after the last transforming element — if necessary, transformations can be carried out with more than two elements that have radiation directions emerging or reflected from the last element that have mutually parallel directions of propagation or a common intersection .
Die reflektiven Elemente, wie sie entsprechend der erfinduπgsgemäßen Anordnung eingestzt werden, besitzen ihre spezifischen Vorteile. Reflek¬ tive Elemente zeichnen sich dadurch aus, daß nur ein Flächenelement er¬ forderlich ist, um die angestrebte jeweilige Transformation zu erzielen. Sie sind kostengünstig herstellbar. Sie können darüberhinaus hohen Be¬ lastungen standhalten.The reflective elements, as they are used in accordance with the arrangement according to the invention, have their specific advantages. Reflective elements are distinguished by the fact that only one surface element is required in order to achieve the desired transformation. They are inexpensive to manufacture. They can also withstand high loads.
Um die Vorteile, die mit den Maßnahmen nach den einzelnen Ansprüchen, die vorstehend erläutert sind, besser zu verdeutlichen sowie weitere Merkmale der Erfindung aufzuzeigen, werden nun verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben.In order to clarify the advantages, which are better illustrated with the measures according to the individual claims, which are explained above, and to show further features of the invention, various exemplary embodiments of the invention will now be described with reference to the drawings.
In den Zeichnungen zeigen:The drawings show:
Figuren 1A bis 1E schematisch verschiedene ein- und zweidimensionale Laserarrays, in Verbindung mit denen die erfindungsgemäßen Anordnungen einsetzbar sind,Figures 1A to 1E schematically different one and two-dimensional Laser arrays, in conjunction with which the arrangements according to the invention can be used,
Figuren 2A, 2B und 2C schematische Darstellungen verschiedener Gas- 1aser-Feldanordnungen,FIGS. 2A, 2B and 2C show schematic representations of different gas-1aser field arrangements,
Figuren 3A 3B eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anord¬ nung zur Formung und Führung eines Strahlungsfelds eines ein¬ dimensionalen, geradlinigen Laserarrays, das in den Figuren 1A oder 1B dargestellt ist, unter Verwendung eines ersten Elements (Figur 2A) und eines nachgeordneten zweiten Elements (Figur 2B),3A 3B shows a first embodiment of the arrangement according to the invention for shaping and guiding a radiation field of a one-dimensional, straight-line laser array, which is shown in FIGS. 1A or 1B, using a first element (FIG. 2A) and a downstream second element ( Figure 2B),
Figur 4 eine Ausführungsform eines Treppenstufenspiegels, bei dem die einzelnen Spiegelflächen einen unterschiedlichen Versatz zu¬ einander haben und mit der der Füllfaktor erhöht wird,FIG. 4 shows an embodiment of a stair step mirror in which the individual mirror surfaces have a different offset from one another and with which the fill factor is increased,
Figur 5 eine weitere Ausführungsform ähnlich der Ausführungsform der Figur 4 mit einer anderen Gruppierung des Strahlungsfeldes ausgangsseitig der Spiegelflächen,5 shows a further embodiment similar to the embodiment of FIG. 4 with a different grouping of the radiation field on the output side of the mirror surfaces,
Figur 6 die Anordnung der Figur 4, wobei jeder Spiegelfläche des Trep¬ penstufenspiegels ein lineares Laserarray zugeordnet ist,FIG. 6 shows the arrangement of FIG. 4, a linear laser array being associated with each mirror surface of the stair step mirror,
Figur 7 die Anordnung nach der Figur 6, wobei das eine treppenförmige Spiegelelement eine weitere Abstufung aufweist,FIG. 7 shows the arrangement according to FIG. 6, the one step-shaped mirror element having a further gradation,
Figur 8 eine Schnittdarstellung eines ersten und eines zweiten reflek¬ tiven Elements, die unter einem Winkel von 90β zueinander ange¬ ordnet sind, wobei die rechte Darstellung eine Draufsicht auf Reflexionsflächenausrichtung des Sichtpfeils VIII zeigt,FIG. 8 shows a sectional illustration of a first and a second reflective element, which are arranged at an angle of 90 β to one another, the right illustration showing a top view of the reflection surface orientation of the arrow VIII,
Figur 9 die Anordnung gemäß der Figur 8, wobei den reflektiven Elemen¬ ten vier Einzelstrahlen zugeordnet sind, wobei wiederum die rechte Darstellung eine Ansicht auf die Spiegelflächenausrich- tung des Sichtpfeils IX darstellt; Figur 10 eine perspektivische Darstellung eines Treppenstufenspiegels mit im Querschnitt sägezahnförmig verlaufenden Reflexionsflä¬ chen,FIG. 9 shows the arrangement according to FIG. 8, four individual beams being assigned to the reflective elements, the right representation again representing a view of the mirror surface orientation of the arrow IX; FIG. 10 shows a perspective illustration of a stair-stepped mirror with reflection surfaces running in a sawtooth cross section,
Figur 11 und Figur 12 jeweils einen Treppenstufenspiegel mit konkav gekrümmten Spiegelflächen,11 and FIG. 12 each have a stair mirror with concave curved mirror surfaces,
Figur 13 einen Treppenstufenspiegel, bei dem die einzelnen Spiegelflä¬ chen um eine gemeinsame Achse jeweils um einen gleichen Winkel zueinander verschwenkt sind, undFIG. 13 shows a stair-step mirror in which the individual mirror surfaces are each pivoted about a common axis by the same angle to one another, and
Figur 14 eine weitere Ausführungsform eines Treppenstufenspiegels, bei dem die einzelnen Spiegelflächen einen unterschiedlichen Ver¬ satz zueinander haben und unterschiedlich zueinander geneigt sind.FIG. 14 shows a further embodiment of a stair step mirror in which the individual mirror surfaces have a different offset from one another and are inclined differently to one another.
Die erfindungsgemäße Anordnung in den verschiedenen möglichen Ausfüh¬ rungsformen ist zur Formung und Führung eines Strahlungsfelds eines Ar¬ rays bzw. einer Feldanordnung geeignet, die aus mehreren Einzelstrah¬ lungsquellen zusammengesetzt ist. Sie ist aber auch zur Formung eines Strahlungsfelds, das von einem einzelnen Laser abgegeben wird, geeignet, beispielsweise für die Strahlung eines Gaslasers mit Slab-Geometrie mit einem langgestreckten Strahlungsfeld, das umgeordnet bzw. transformiert werden soll .The arrangement according to the invention in the various possible embodiments is suitable for shaping and guiding a radiation field of an array or a field arrangement which is composed of several individual radiation sources. However, it is also suitable for shaping a radiation field which is emitted by a single laser, for example for the radiation of a gas laser with a slab geometry with an elongated radiation field which is to be rearranged or transformed.
Da einzelne Laserstrahlungsquellen in Form von Gaslasern nur begrenzt zu höheren Leistungen skalierbar sind, wird zum Erzielen höherer Laserlei¬ stungen und Leistungsdichten eine größere Anzahl einzelner Laserstrah¬ lungsquellen zu verschiedenen Arrays oder Feldanordnungen zusammengefaßt. Verschiedene dieser Feldanordnungen sind in den Figuren 1A bis 1E darge¬ stellt.Since individual laser radiation sources in the form of gas lasers can only be scaled to higher powers to a limited extent, a greater number of individual laser radiation sources are combined into different arrays or field arrangements in order to achieve higher laser powers and power densities. Various of these field arrangements are shown in FIGS. 1A to 1E.
Hierbei kann man lineare Feldanordnungen, wie sie in den Figuren 1A und IC dargestellt sind, doppelt-lineare Feldanordnungen, wie dies beispiels- weise in Figur 1B dargestellt ist, radiale Feldanordnungen entsprechend der schematischen Darstellung der Figur 1D sowie zweidimensionale Arrays gemäß der schematischen Darstellung der Figur 1E unterscheiden.Here, linear field arrangements, as shown in FIGS. 1A and IC, double-linear field arrangements, such as as shown in FIG. 1B, distinguish radial field arrangements in accordance with the schematic representation of FIG. 1D and two-dimensional arrays in accordance with the schematic representation in FIG. 1E.
Ein lineares Array, wie es die Figur 1A darstellt, weist N-Einzelstrah- lungsquellen auf, so daß sich eine langgestreckte, lineare Strahlungsver- teilung ergibt. Nachteilig ist die lineare Geometrie für solche Fälle, in denen kreisförmige oder quadratische Strahlungsflächen mit einem hohen Füllfaktor in einer Abbildungs- oder Bearbeitungsebene erzielt werden sollen.A linear array, as shown in FIG. 1A, has N individual radiation sources, so that there is an elongated, linear radiation distribution. The linear geometry is disadvantageous for cases in which circular or square radiation surfaces with a high fill factor are to be achieved in an imaging or processing plane.
Soweit im Rahmen dieser Beschreibung der Begriff "Füllfaktor" verwendet wird, so ist hierunter die Strahlquerschnittsfläche der einzelnen Strah¬ lungsquellen, in den Figuren 1 mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet, zu der Gesamtfläche, die durch die Einzelstrahlungsquellen 1 aufgespannt wird, zu verstehen.Insofar as the term “fill factor” is used in the context of this description, this is to be understood to mean the beam cross-sectional area of the individual radiation sources, designated by the reference number 1 in FIGS. 1, to the total area spanned by the individual radiation sources 1.
Ein Nachteil eines linearen Arrays gemäß Figur 1A aus Einzelstrahlungs¬ quellen ist derjenige, daß in der Längsrichtung die Strahlquälitat min¬ destens um einen Faktor N gegenüber der EinzelStrahlungsquelle verringert ist. Bei einer eindimensionalen, linearen Anordnung liegt daher eine gewisse Asymmetrie der Emission des Strahlungsfelds hinsichtlich der Querschnittsgeometrie und der Strahlqualität vor, die in einem Maße an¬ steigt, wie versucht wird, die Anzahl der Einzelstrahlungsquellen und damit die Gesamtleistung zu erhöhen. Zweidimensionale Arrays entsprechend der Figur 1B, oder insbesondere Arrays, die aus mehr als zwei linearen Einzelarrays zusammengesetzt sind, wie dies in der Figur 1E dargestellt ist, weisen den Nachteil der geringen Zugänglichkeit der inneren Einzel¬ strahlungsquellen auf, um diese beispielsweise zu kühlen. Um die Kühlma߬ nahmen und die erforderlichen Maßnahmen zur Anregung zu erfüllen, müssen die Abstände D (siehe Figur 1A) der Einzelstrahluπgsquellen 1 zueinander vergrößert werden, wodurch natürlich der Füllfaktor am Ort der Strah¬ lungsemission herabgesetzt wird. Eine weitere Ausführungsform einer Anordnung ist in Figur ID dargestellt. Die einzelnen Quellen 1 besitzen einen kreisseg entförmigen Emissions¬ querschnitt, die um eine zentrale Achse herum angeordnet sind.A disadvantage of a linear array according to FIG. 1A from single radiation sources is that the beam quality is reduced in the longitudinal direction by at least a factor N compared to the single radiation source. In the case of a one-dimensional, linear arrangement, there is therefore a certain asymmetry in the emission of the radiation field with respect to the cross-sectional geometry and the beam quality, which increases to an extent as is attempted to increase the number of individual radiation sources and thus the total power. Two-dimensional arrays corresponding to FIG. 1B, or in particular arrays, which are composed of more than two linear individual arrays, as shown in FIG. 1E, have the disadvantage of the low accessibility of the internal single radiation sources, for example in order to cool them. In order to meet the cooling measures and the necessary measures for excitation, the distances D (see FIG. 1A) of the individual radiation sources 1 from one another must be increased, which of course reduces the fill factor at the location of the radiation emission. Another embodiment of an arrangement is shown in Figure ID. The individual sources 1 have a circular cross-section-shaped emission cross section, which are arranged around a central axis.
Wie anhand der Figuren 1A bis 1E veranschaulicht ist, ist es für hohe Strahlungsleistung und hohe Strahlungsdichten sowie große Füllfaktoren alleine nicht ausreichend, die Anzahl der Einzelstrahlungsquellen zu erhöhen, da auch eine mehrdimensionale Anordnung von Einzelstrahlungs¬ quellen ihre Grenzen besitzt. Größere Feldanordnungen erfordern zum Bei¬ spiel, um die innenliegenden Strahlungsquellen entsprechend zu versorgen, größere Abstände D der Einzelstrahlungsquellen.As illustrated in FIGS. 1A to 1E, it is not sufficient for high radiation power and high radiation densities and large fill factors alone to increase the number of individual radiation sources, since a multidimensional arrangement of individual radiation sources also has its limits. Larger field arrangements require, for example, larger distances D between the individual radiation sources in order to supply the internal radiation sources accordingly.
Um weitgehendst von der Anordnung der Einzelstrahlungsquellen unabhängig zu sein, ist es somit erforderlich, die Strahlung der einzelnen Strah¬ lungsquellen 1 mittels nachgeordneter optischer Anordnungen in ihren Koordinaten relativ zueinander und/oder in der Ausbreitungsrichtung der einzelnen Strahlen zueinander und/oder der Orientierung des Einzelstrahls so zu verändern, daß bei vorgegebenem Aufbau einer Feldanordnung aus mehreren Einzelstrahlungsquellen definierte Strahlungsfelder in einer Abbildungsebene erzeugt werden können.In order to be largely independent of the arrangement of the individual radiation sources, it is therefore necessary to coordinate the radiation of the individual radiation sources 1 by means of downstream optical arrangements in relation to one another and / or in the direction of propagation of the individual beams and / or the orientation of the individual beam to be changed in such a way that defined radiation fields can be generated in one imaging plane from a plurality of individual radiation sources, given the structure of a field arrangement.
Bevorzugt werden in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Anordnung dif- fusionsgekühlte C02-Laser als Einzelstrahlungsquellen eingesetzt, bei denen die Verlustwärme durch Wärmediffusion zu gekühlten Außenflächen abgeführt wird, weshalb sie im Gegensatz zu konvektiv gekühlten C02-La- sern zur Wärmeabfuhr keine Gasumwälzung und Gasströmungsführung benöti¬ gen. Aus diesem Grund sind sie besonders kompakt und auch kostengünstig herstellbar. Nachteilig ist deren begrenzte Skalierbarkeit, so daß diese diffusionsgekühlten C02-Laser zu Feldanordnungen zusammengestellt wer¬ den müssen, wozu deren geringer Preis wiederum von Vorteil ist.Diffusion-cooled CO 2 lasers are preferably used in connection with the arrangement according to the invention as single radiation sources, in which the heat loss is dissipated to cooled outer surfaces by heat diffusion, which is why, in contrast to convectively cooled CO 2 lasers for heat dissipation, there is no gas circulation and gas flow guidance For this reason, they are particularly compact and also inexpensive to manufacture. The disadvantage is their limited scalability, so that these diffusion-cooled CO 2 lasers have to be put together to form field arrangements, for which their low price is again advantageous.
Die Anregung eines C02-Lasers erfolgt besonders zweckmäßig durch metal¬ lische Elektroden, die in den Figuren 2A, 2B und 2C mit dem Bezugszei¬ chen 2 bezeichnet sind, zwischen denen ein elektrisches Hochfrequenzwech- seifeid einer Gasentladung (Gasentladungsraum 3) Energie zuführt. Die Anregung des Gaslasers kann jedoch gleichfalls durch Mittelfrequenz-, Niederfrequenz- oder Gleichspannungsgasentladungen erfolgen. Die metalli¬ schen Elektroden 2 können durch dielektrischen Elektroden, insbesondere Al20,-Keramik, ersetzt werden. Weiterhin können die metallischen Elektroden 2 gekühlt ausgeführt werden und stellen dann eine Wärmesenke für die Verlustwärme dar.The excitation of a CO 2 laser is carried out particularly expediently by metallic electrodes, which are identified by the reference number 2 in FIGS. 2A, 2B and 2C, between which an electrical high-frequency alternating Seifeid a gas discharge (gas discharge space 3) supplies energy. However, the gas laser can also be excited by medium-frequency, low-frequency or direct-voltage gas discharges. The metallic electrodes 2 can be replaced by dielectric electrodes, in particular Al 2 O ceramic. Furthermore, the metallic electrodes 2 can be made cooled and then represent a heat sink for the heat loss.
Die lateralen Resonatorabmessungen einer Einzelstrahlungsquelle können je nach Richtung verschieden sein. Aus den kleinen Abmessungen ergibt sich eine Strahlungsführung durch die Reflexion an den seitlichen Begrenzungen des Resonators (Wellenleiter). Wellenleiter typischer Abmessungen reichen bis zu 4 mm.The lateral resonator dimensions of a single radiation source can differ depending on the direction. The small dimensions result in radiation guidance through the reflection at the lateral boundaries of the resonator (waveguide). Typical waveguides range up to 4 mm.
Der Resonator ist neben der Ausbreitungsart der Strahlung auch durch die Art der Stabilität charakterisiert. Jeder Resonatorrichtung kann unab¬ hängig von der anderen stabil oder instabil ausgeführt werden. Ein stabi¬ ler Resonator ist dadurch gekennzeichnet, daß ein geometrischer Strahl, dessen Verlauf sich infinitesimal von der optischen Achse unterscheidet, auch nach mehrfachem Umlauf im Resonator in einer infinitesimal kleinen Umgebung der optischen Achse verbleibt. Andernfalls ist der Resonator instabil. Die Stabilitätseigenschaften können richtungsabhängig sein. Dann sind die infinitesimalen Größen nur in einer Richtung zu betrachten. Bei stabilen Resonatoren erfolgt die Strahlauskopplung durch einen teil- transmissiven Spiegel, und beim instabilen Resonator erfolgt eine Beu¬ gungsauskopplung durch eine Apertur, mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet, die sich in mindestens einem der beiden Resonatorspiegel befindet.In addition to the type of radiation propagation, the resonator is also characterized by the type of stability. Each resonator direction can be made stable or unstable independently of the other. A stable resonator is characterized in that a geometrical beam, the course of which differs infinitesimally from the optical axis, remains in an infinitesimally small environment of the optical axis even after repeated circulation in the resonator. Otherwise the resonator is unstable. The stability properties can be directional. Then the infinitesimal quantities should only be considered in one direction. In the case of stable resonators, the beam is decoupled by a partially transmissive mirror, and in the case of the unstable resonator, diffraction is decoupled by an aperture, designated by reference numeral 4, which is located in at least one of the two resonator mirrors.
Besonders vorteilhaft ist die Ausführung eines linearen Arrays gemäß den Figuren 1A und IC oder eines Arrays aus mehreren, parallel zueinander angeordneten linearen Arrays, wie es die Figuren 1B und 1E zeigen, wenn die einzelnen Quellen über einen stabilen Resonator verfügen. Die stabile Richtung entspricht hierbei, wie dies in der Figur 23 rechts angedeutet ist, der Array- bzw. Feldanordπungsrichtung und die instabile Richtung steht senkrecht dazu. In der instabilen Richtung, in der der Einzelstrah¬ lungsquelle keine laterale Größenbeschränkung auferlegt ist, kann der instabile Resonator benutzt werden, um ein Lasermedium großer lateraler Abmessungen auszunutzen, das über eine große kühlbare Oberfläche verfügt, wie dies in der Figur 2B dargestellt ist.The execution of a linear array according to FIGS. 1A and IC or of an array of several linear arrays arranged parallel to one another, as shown in FIGS. 1B and 1E, is particularly advantageous if the individual sources have a stable resonator. The stable direction corresponds to the array or field arrangement direction and the unstable direction, as indicated on the right in FIG. 23 is perpendicular to it. In the unstable direction, in which no lateral size restriction is imposed on the single radiation source, the unstable resonator can be used to utilize a laser medium of large lateral dimensions, which has a large coolable surface, as shown in FIG. 2B.
Die günstigste Ausführungsform, in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Anordnung, die nachfolgend beschrieben wird, einsetzbar ist, ist eine doppel-lineare Feldanordnung gemäß der Figur IB, die konstruktiv in ihrem Aufbau schematisch in Figur 2C dargestellt ist. Hierbei liegen die jewei¬ ligen Austrittsfenster in einem mittleren Bereich, während sich die Re¬ sonator- bzw. Gasentladungsräume 3 nach oben und nach unten erstrecken.The cheapest embodiment, which can be used in conjunction with the arrangement according to the invention, which is described below, is a double-linear field arrangement according to FIG. 1B, the construction of which is shown schematically in FIG. 2C. The respective exit windows lie in a central area, while the resonator or gas discharge spaces 3 extend upwards and downwards.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die in den Figuren 3A und 3B dargestellt ist, wird die von einer Strahlungsquelle, die eine lineare Anordnung aus sieben Einzelstrahlungsquellen 1 ist, wie dies auch vergrößert in der Figur 1A dargestellt ist, ausgehende Strahlung 7 auf ein erstes Element 8 gerichtet, das aus einzelnen ersten reflektiven Elementen bzw. Reflexionsflächen 9, in Form eines Treppenstufenspiegels, aufgebaut ist. An den einzelnen Reflexionsflächen 9 des ersten Elements bzw. des Treppenstufenspiegels 8 werden die einzelnen Strahlen 7 reflek¬ tiert. Der Einstrahlwinkel auf die Reflexionsflächen 9 und die Stufenhö¬ he, d.h. der seitliche Versatz der einzelnen Reflexionsflächen 9 zueinan¬ der, sowie gegebenenfalls der Abstand der Reflexionsflächen 9 von der Strahlaustrittsebene der Laser-Feldanordnung sind so abgestimmt, daß die reflektierten Strahlungsgruppen 10, wie in Figur 3A links unten darge¬ stellt ist, treppenstufenartig zueinander versetzt sind.According to a first embodiment of the invention, which is shown in FIGS. 3A and 3B, the radiation 7 emanating from a radiation source, which is a linear arrangement of seven individual radiation sources 1, as is also shown enlarged in FIG. 1A, is first Element 8 directed, which is made up of individual first reflective elements or reflection surfaces 9, in the form of a stair mirror. The individual beams 7 are reflected on the individual reflection surfaces 9 of the first element or of the stair step mirror 8. The angle of incidence on the reflection surfaces 9 and the step height, i.e. the lateral offset of the individual reflection surfaces 9 to one another and, if appropriate, the distance of the reflection surfaces 9 from the beam exit plane of the laser field arrangement are coordinated in such a way that the reflected radiation groups 10, as shown in FIG .
Die einzelnen zweiten reflektiven Elemente 12 des zweiten Elements 11 verlaufen in einer Richtung, die gegenüber den ersten reflektiven Elemen¬ ten 9 des ersten Elements um 90* so gedreht sind, daß die einzelnen Strahlungsanteile bzw. Strahlungsgruppen in einer gegenüber der Aus- gangs-Ausbreitungsrichtung aus den ersten Elementen 8 um 90° gedrehte Richtung austreten, wie dies mit dem Bezugszeichen 13 dargestellt ist. Die Abstände der einzelnen zweiten reflektiven Elemente 12 zu den ersten reflektiven Elementen 8 sind so gewählt, daß mittels des zweiten Ele¬ ments 11 eine Transformation der einzelnen Strhalungsgruppen so erfolgt, daß die Strahlungsquerschnitte in einer Abbildungsebene, die in Figur 3B links dargestellt ist, untereinander in der Gruppierung zwei-drei-zwei- Strahlungsfeider zusammengeschoben werden, so daß ein annähernd kreisför¬ miges Strahlungsfeld gebildet wird.The individual second reflective elements 12 of the second element 11 run in a direction that is rotated by 90 * with respect to the first reflective elements 9 of the first element such that the individual radiation components or radiation groups are in a direction opposite to the initial direction of propagation emerge from the first elements 8 in the direction rotated by 90 °, as is shown by reference numeral 13. The distances between the individual second reflective elements 12 and the first reflective elements 8 are selected such that the individual radiation groups are transformed by means of the second element 11 in such a way that the radiation cross sections are in an imaging plane which is shown on the left in FIG. 3B two-three-two radiation fields are pushed together in the grouping, so that an approximately circular radiation field is formed.
Die an den reflektiven Elementen 9 reflektierten Strahlungsgruppen 10 können dann neu gruppiert werden, obwohl dies in den Figuren nicht darge¬ stellt ist, und entsprechend der Vorgaben wird jede Strahlungsgruppe 10 in ein ihr zugeordnetes zweites reflektives Element 12 eines zweiten Elements 11 eingestrahlt. In der Ausführungsform, die in Figur 3B darge¬ stellt ist, ist das zweite Element 11 aus drei einzelnen zweiten reflek¬ tiven Elementen 12 zusammengesetzt.The radiation groups 10 reflected on the reflective elements 9 can then be regrouped, although this is not shown in the figures, and in accordance with the specifications, each radiation group 10 is irradiated into a second reflective element 12 of a second element 11 assigned to it. In the embodiment shown in FIG. 3B, the second element 11 is composed of three individual second reflective elements 12.
Wie die Figuren 3A und 3B zeigen, werden durch die beiden Elemente 8 und 11 bzw. deren ersten reflektiven Elemente 9 und deren zweiten reflektiven Elemente 12 die Strahlungsanteile zweimal so transformiert, daß sie zum einen durch die reflektiven Elemente 9 in der einen Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung unterschiedlich versetzt werden, während sie durch die zweiten reflektiven Elemente 12 in der Richtung, die sowohl senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Strahlungsanteile 10 als auch senkrecht zu der ersten Richtungsänderung liegt, wieder übereiπanderge- schoben werden, so daß die Strahlungsquerschnitte, ausgehend von einer linearen Anordnung, zu einem dichten Strahlungsfeld hoher Strahlungsin¬ tensität zusammengeführt werden können. Basierend auf dem Prinzip, wie es in den Figuren 3A und 3B dargestellt ist, können andere Strahlgeometrien, ausgehend von einer linearen Anordnung, gebildet werden.As FIGS. 3A and 3B show, the radiation elements are transformed twice by the two elements 8 and 11 or their first reflective elements 9 and their second reflective elements 12 in such a way that on the one hand they are perpendicular to the reflective elements 9 in one direction Direction of propagation are offset differently, while they are pushed over each other again by the second reflective elements 12 in the direction which is both perpendicular to the direction of propagation of the radiation components 10 and perpendicular to the first change of direction, so that the radiation cross sections proceed from a linear arrangement , can be brought together to form a dense radiation field of high radiation intensity. Based on the principle as shown in FIGS. 3A and 3B, other beam geometries can be formed starting from a linear arrangement.
Beispielsweise können aus einer linearen Strahlungsquelle, die mit neun Strahlungsanteilen zusammengesetzt ist, quadratische Strahlungsfelder durch die zweifache Transformation, wie sie anhand der Figuren 3A und 3B erläutert ist, erzeugt werden, indem zunächst eine Gruppierung in drei Strahlungsgruppen mit jeweils drei Strahlungsanteilen erfolgt, die in der ersten Transformation an dem ersten Element 8 treppenstufenartig unter¬ einander in der y-Richtung versetzt werden, während sie in der x-Richtung ihren jeweiligen Abstand zueinander beibehalten, während dann im Rahmen der zweiten Transformation (Figur 3B) mittels des zweiten Elements 11 die nebeneinander versetzten Strahlungsgruppen untereinandergeschoben werden, so daß ein dichtes Strahlungsfeld entsteht, das aus den drei mal drei -Strahlungsanteilen der drei Strahlungsgruppen aufgebaut ist. Eine weitere Möglichkeit besteht zum Beispiel dahingehend, daß zehn Einzel¬ strahlungsanteile jeweils zweifach gruppiert werden, diese Gruppen aus jeweils zwei Strahlungsanteilen treppenstufenartig untereinander versetzt werden, um sie dann im Rahmen der zweiten Transformation an dem zweiten Element 11 zu einem langgestreckten rechteckigen Strahlungsfeld exakt untereinander zu schieben.For example, square radiation fields can be generated from a linear radiation source, which is composed of nine radiation components, by the double transformation, as explained with reference to FIGS. 3A and 3B, by first grouping into three Radiation groups with three radiation components each take place, which are offset in the first transformation on the first element 8 like steps in the y direction, while in the x direction they maintain their respective spacing from one another, while then in the context of the second transformation ( 3B) by means of the second element 11, the radiation groups offset from one another are pushed one under the other, so that a dense radiation field arises which is built up from the three times three radiation components of the three radiation groups. A further possibility is, for example, that ten individual radiation components are grouped twice, these groups of two radiation components are offset from one another like steps, so that they can then be exactly aligned with one another in the second transformation on the second element 11 to form an elongated rectangular radiation field push.
Anhand der Figuren 3A und 3B wird auch ersichtlich, daß in Abhängigkeit davon, welche Strahlungsmuster aus den einzelnen Strahlungsquerschnitten erzeugt werden sollen, die Treppenstufen auch in anderer Weise abgestuft werden können, beispielsweise auch derart, daß etwa die zweiten reflek¬ tiven Elemente 12 des ersten Elements 8 analoge des zweiten Elements 11 mit dem größten oder geringsten Abstand von den Strahlungsquellen 1 in der Strahlrichtung in der Mitte angeordnet werden können.It can also be seen from FIGS. 3A and 3B that, depending on which radiation pattern is to be generated from the individual radiation cross sections, the steps can also be graded in a different way, for example also in such a way that, for example, the second reflective elements 12 of the first Element 8 analog of the second element 11 with the largest or smallest distance from the radiation sources 1 in the beam direction can be arranged in the middle.
An dieser Stelle ist anzumerken, daß in den einzelnen Figuren der ver¬ schiedenen Ausführungsformen identische oder vergleichbare Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Eine sich wiederholende Be¬ schreibung dieser Teile wird nicht vorgenommen, so daß die Beschreibung dieser Teile anhand des einen Ausführungsbeispiels analog auf das jeweils andere Ausführungsbeispiel zu übertragen ist.At this point it should be noted that in the individual figures of the various embodiments, identical or comparable components are identified by the same reference numerals. A repetitive description of these parts is not carried out, so that the description of these parts based on the one embodiment can be applied analogously to the other embodiment.
Zu den jeweils erzeugten Strahlungsfeldern ist anzuführen, daß zur Ver¬ deutlichung der jeweiligen Änderung der Ausbreitungsrichtung der Strah¬ lungsflächen die einzelnen Strahlungsquerschnitte mit einem entsprechen¬ den Abstand zueinander dargestellt sind; allerdings können die Strahlen so zusammengeführt werden, daß ein zusammenhängendes Strahlungsfeld in der erwünschten Abbildungsebene erzeugt wird, um den Füllfaktor zu er¬ höhen.Regarding the radiation fields generated in each case, it must be stated that in order to clarify the respective change in the direction of propagation of the radiation surfaces, the individual radiation cross sections are shown at a corresponding distance from one another; however, the rays can are brought together in such a way that a coherent radiation field is generated in the desired imaging plane in order to increase the fill factor.
Betrachtet man Feldanordnungen, die aus Laserarrays aufgebaut sind, bei¬ spielsweise in der Form, wie sie in den Figuren IB und 1E dargestellt ist, so beträgt der Füllfaktor thermisch bedingt kleiner 1. Dadurch ver¬ ringert sich die Strahlquälitat gegenüber einem theoretischen Fall einer Belegungsdichte von 1001. Um den Füllfaktor zu erhöhen und damit eine hohe Strahlquälitat aufrechtzuerhalten, ist eine Anordnung aus reflekti¬ ven Elementen 14 von Vorteil, die in Figur 4 dargestellt ist.If one considers field arrangements which are made up of laser arrays, for example in the form as shown in FIGS. IB and 1E, the fill factor is thermally less than 1. This reduces the beam quality compared to a theoretical case of occupancy density of 1001. In order to increase the fill factor and thus maintain a high beam quality, an arrangement of reflective elements 14, which is shown in FIG. 4, is advantageous.
In diesem Beispiel fallen die Strahlungsanteile 7 auf gekippte jeweilige reflektive Flächen 14 eines Treppenstufenspiegels 15 ein, so daß, ver¬ glichen mit der Breite der jeweiligen Strahlungsanteile, ein größerer Bereich der reflektiven Flächen 14 bestrahlt wird; hierdurch werden aus- gangsseitig die relativen Koordinaten der einzelnen Strahlungsanteile 10 so geändert, daß sie einen Füllfaktor von annähernd 1001 aufweisen, wie anhand der zusammenhängenden Strahlungsquerschnitte auf der Seite der Austrittsstrahlen 10 angedeutet ist. Eine solche Maßnahme kann zum Bei¬ spiel in der Ausführungsform, die in den Figuren 3A und 3B dargestellt ist, bei dem ersten Element 8 und/oder dem zweiten Element 11 umgesetzt werden, um den Füllfaktor der von den Spiegelflächen reflektierten Strah¬ len gegenüber den Eintrittsstrahlen zu erhöhen.In this example, the radiation components 7 are incident on tilted respective reflective surfaces 14 of a stair mirror 15, so that, compared to the width of the respective radiation components, a larger area of the reflective surfaces 14 is irradiated; As a result, the relative coordinates of the individual radiation components 10 are changed on the output side in such a way that they have a fill factor of approximately 1001, as is indicated by the connected radiation cross sections on the side of the exit beams 10. Such a measure can be implemented, for example, in the embodiment shown in FIGS. 3A and 3B for the first element 8 and / or the second element 11 in order to compare the fill factor of the rays reflected by the mirror surfaces with the Increase entry rays.
Während anhand der Figur 4 nur schematisch die Erhöhung des Füllfaktors dargestellt ist, kann durch geeignete Auswahl der Einfallsrichtung der Strahlungsanteile auf die Reflexionsflächen 14 und durch geeignete Aus¬ wahl der Lage der Flächen gemäß Figur 5 auch zusätzlich der Versatz der austretenden Strahlungsanteile in Bezug auf die eintretenden Strahlungs¬ anteile zueinander so geändert werden, daß eine gewünschte Transformation auftritt, im gezeigten Beispiel diagonal.While the increase in the fill factor is shown only schematically with reference to FIG. 4, the offset of the emerging radiation components with respect to the radiation can also be adjusted by suitable selection of the direction of incidence of the radiation components on the reflection surfaces 14 and by suitable selection of the position of the surfaces according to FIG incoming radiation components to each other are changed so that a desired transformation occurs, diagonally in the example shown.
Mit dieser Anordnung wird ausgangsseitig, verglichen mit der Eintritts- seite, auch der Füllfaktor erhöht, gleichzeitig aber auch ein Versatz erreicht (siehe Figur 5).With this arrangement, on the output side, compared to the entry side, the fill factor also increased, but at the same time an offset was reached (see Figure 5).
Da in bestimmten Anwendungsfällen hohe Leistungsdichten erforderlich sind und hierzu z.B. mehrere Gaslaserfeldanordnungen in der instabilen Rich¬ tung übereinander gestapelt werden, können für solche Fälle die vorste¬ henden Maßnahmen zur Erhöhung des Füllfaktors wiederholt vorgenommen werden.Since high power densities are required in certain applications and e.g. If several gas laser field arrangements are stacked on top of one another in the unstable direction, the above measures for increasing the fill factor can be repeated for such cases.
In Figur 6 ist ein schematischer Aufbau eines reflektiven Elements bzw. eines Treppenstufenspiegels 16 mit drei reflektiven Flächen 14 (entspre¬ chend Figuren 4 und 5) dargestellt. In diesem Fall ist, im Gegensatz zu der Ausführung, wie sie beispielsweise in Figur 4 dargestellt ist, jeder einzelnen reflektiven Fläche 14 eine lineare Feldanordnung 17 zugeordnet, wobei jede lineare Feldanordnung 17 in dieser schematischen Darstellung aus drei Einzelstrahlungsquellen 18 zusammengesetzt ist. Die Strahlungs- anteile jeder linearen Feldanordnung 17 fallen auf jeweils eine reflek¬ tive Fläche 14 des Treppenstufenspiegels 16 unter einem vorab ausgewähl¬ ten Einfallswinkel, wodurch aufgrund der Neigung der Spiegelflächen zu der Einfallsrichtung ausgangsseitig die einzelnen linearen Feldanord¬ nungen 17 dichter zueinander geschoben werden, wie ein Vergleich des jeweiligen Strahlungsfelds 4, 8 einfallsseitig und austrittsseitig des Treppenstufenspiegels 16 zeigt. Mit dieser einfachen Maßnahme kann eben¬ falls der Füllfaktor, in der dargestellten Ausführungsform der Figur 6 nur in einer Richtung vorgenommen, erhöht werden.FIG. 6 shows a schematic structure of a reflective element or a stair mirror 16 with three reflective surfaces 14 (corresponding to FIGS. 4 and 5). In this case, in contrast to the embodiment, as shown, for example, in FIG. 4, each individual reflective surface 14 is assigned a linear field arrangement 17, with each linear field arrangement 17 in this schematic representation being composed of three individual radiation sources 18. The radiation components of each linear field arrangement 17 each fall on a reflective surface 14 of the stair mirror 16 at a previously selected angle of incidence, as a result of which the individual linear field arrangements 17 are pushed closer to one another on the output side due to the inclination of the mirror surfaces. as a comparison of the respective radiation field 4, 8 shows on the incidence side and the exit side of the staircase mirror 16. With this simple measure, the fill factor can also be increased, in the embodiment shown in FIG. 6 only in one direction.
In Figur 7 ist der obere Teil des Treppenstufenspiegels 16 der Figur 6 vergrößert dargestellt. Während die einzelnen, jeder Stufe zugeordneten reflektiven Flächen 14 des Treppenstufenspiegels 16 der Figur 6 in einer Ebene liegen, ist in der Ausführungsform der Figur 7 beispielhaft eine reflektive Fläche zusätzlich abgestuft, so daß hierdurch die einzelnen Strahlungsanteile einer linearen Feldanordnung 17 aus Einzelstrahlungs¬ quellen 18 auftrittsseitig einen entsprechenden Versatz erhalten. In den Figuren 8 bis 10 sind Anordnungen dargestellt, mit denen die ein¬ zelnen Strahlungsquerschnitte eines Strahlungsanteils bzw. einer Strah¬ lungsgruppe um 180° umorientiert oder gespiegelt werden können. Hierzu sind die jeweiligen ersten und zweiten reflektierenden Elemente, mit den Bezugsziffern 19 und 20 bezeichnet, jeweils so paarweise zusammengefügt, daß jeweils ein erstes reflektives Element 19 und ein zweites reflektives Element 20 einen Winkel von 90° einschließen. Die jeweilige Strahlungs¬ gruppe, die auf das erste reflektive Element 19 auftrifft, wird von dort um 90° ungelenkt und trifft auf die Reflexionsfläche des unmittelbar benachbarten zweiten reflektiven Elements 20 auf, so daß die Ausgangs¬ strahlung 10 von dem zweiten reflektiven Element 20 entgegen der Ein¬ fallsrichtung der Eintritts-Strahlung 7 auf das erste reflektive Ele¬ ment 19 und parallel dazu gerichtet ist. Hierdurch erfolgt eine Drehung oder Spiegelung des jeweiligen Strahlungsquerschnitts, wie anhand der beiden Draufsichten auf die Elemente 19, 20 jeweils rechts in den Figu¬ ren 8 und 9 verdeutlicht ist.In Figure 7, the upper part of the stair mirror 16 of Figure 6 is shown enlarged. While the individual reflective surfaces 14 of the stair mirror 16 of FIG. 6 assigned to each step lie in one plane, in the embodiment of FIG. 7 a reflective surface is additionally graduated, so that the individual radiation components of a linear field arrangement 17 from individual radiation sources 18 are thereby achieved receive a corresponding offset on the performance side. FIGS. 8 to 10 show arrangements with which the individual radiation cross sections of a radiation component or of a radiation group can be reoriented or mirrored by 180 °. For this purpose, the respective first and second reflective elements, designated by the reference numerals 19 and 20, are each put together in pairs such that a first reflective element 19 and a second reflective element 20 enclose an angle of 90 °. The respective radiation group that strikes the first reflective element 19 is unguided from there by 90 ° and impinges on the reflection surface of the immediately adjacent second reflective element 20, so that the output radiation 10 from the second reflective element 20 counteracts the direction of incidence of the entrance radiation 7 is directed onto the first reflective element 19 and parallel thereto. This results in a rotation or reflection of the respective radiation cross-section, as is illustrated by the two top views of the elements 19, 20 on the right in FIGS. 8 and 9.
Basierend auf solchen ersten und zweiten reflektiven Elementen 19 und 20 kann, entsprechend den vorstehend beschriebenen Treppenstufenspiegeln, ein Element aufgebaut werden, wie es in Figur 10 dargestellt ist. Dieses Doppelelement 21 besitzt mehrere erste Elemente 19 und mehrere zweite Elemente 20 (in Figur 10 ist ein Doppel-Element 21 mit jeweils zwei die¬ ser reflektiven Elemente 19, 20 gezeigt), wobei die jeweiligen ersten reflektiven Elemente 19 und die jeweils zweiten reflektiven Elemente 20 mit ihren Reflexionsflächen parallel zueinander verlaufen. Wie anhand der Strahhlungsgruppen, die auf diese jeweiligen reflektiven Elemente 19 auftreffen, und von den zweiten reflektiven Elementen 20 abgegeben wer¬ den, verdeutlicht wird, erfolgt hier eine Umorientierung der Strahlen¬ querschnitte, was zu einer Homogenisierung und Vergleichmäßigung eines Strahlungsfelds dienen kann.Based on such first and second reflective elements 19 and 20, an element can be constructed, as shown in FIG. 10, in accordance with the stair-step mirrors described above. This double element 21 has a plurality of first elements 19 and a plurality of second elements 20 (a double element 21 with two of these reflective elements 19, 20 is shown in FIG. 10), the respective first reflective elements 19 and the respective second reflective elements 20 run parallel to each other with their reflective surfaces. As is made clear on the basis of the radiation groups which strike these respective reflective elements 19 and are emitted by the second reflective elements 20, the beam cross sections are reoriented here, which can serve to homogenize and homogenize a radiation field.
Um die einzelnen Strahlungsanteile, die auf die reflektiven Elemente, die vorstehend beschrieben sind, auftreffen, zusätzlich zu fokussieren, kön¬ nen die einzelnen Strahlungseintrittsflächen der zweiten reflektiven Elemente oder aber die Spiegelflächen der reflektiven Elemente in unter¬ schiedlichen Richtungen konkav gewölbt werden, vorzugsweise zylinderman- telsegmentförmig, wie dies die Figuren 11 und 12 zeigen.In order to additionally focus the individual radiation components that strike the reflective elements described above, the individual radiation entry surfaces of the second reflective elements can be used Elements or else the mirror surfaces of the reflective elements are concavely curved in different directions, preferably in the shape of a cylinder segment, as shown in FIGS. 11 and 12.
Vorstehend wurden verschiedene Ausführungsformen erläutert, um entweder die einzelnen Strahlungsanteile zu gruppieren und umzuordnen oder aber um den Füllfaktor einer Strahlungsgruppe zu erhöhen. Es wird verständlich, daß die jeweiligen Maßnahmen, die zur Umgruppierung und zur Erhöhung des Füllfaktors dargelegt sind, in unterschiedlicher Reihenfolge und in einer unterschiedlichen Anzahl von Schritten vorgenommen werden können.Various embodiments have been explained above in order either to group and rearrange the individual radiation components or to increase the fill factor of a radiation group. It is understandable that the respective measures, which are outlined for regrouping and increasing the fill factor, can be carried out in a different order and in a different number of steps.
In Figur 13 ist eine weitere Ausführungsform eines Treppenstufenspie¬ gels 22 mit sechs Spiegelflächen 23 dargestellt, wobei jede Spiegelflä¬ che 23 einer Strahlungsgruppe zugeordnet wird. Die einzelnen Spiegelflä¬ chen 23 stehen zum einen senkrecht auf einer Ebene, die der Fläche 24 des Treppenstufenspiegels 22 entspricht, zum anderen sind sie um eine Ach¬ se 25, die durch eine unterbrochene Linie in Figur 13 angedeutet ist, zueinander um jeweils gleiche Winkel verschwenkt. Aufgrund dieser Maßnah¬ me kann ein doppelter Versatz bzw. eine zweifache Transformation der einzelnen Strahlungsanteile zwischen der Eintrittsseite und auf der Strahlungsaustrittsseite erreicht werden.FIG. 13 shows a further embodiment of a stair step mirror 22 with six mirror surfaces 23, each mirror surface 23 being assigned to a radiation group. The individual mirror surfaces 23 are on the one hand perpendicular to a plane which corresponds to the surface 24 of the stair mirror 22, and on the other hand they are around an axis 25, which is indicated by a broken line in FIG panned. On the basis of this measure, a double offset or a double transformation of the individual radiation components between the entry side and on the radiation exit side can be achieved.
Weiterhin können, im Gegensatz zu der Darstellung der Figur 13, die ein¬ zelnen Spiegelflächen 23 einen zusätzlichen Versatz derart aufweisen, daß die einzelnen Achsen 25, um die die einzelnen Spiegelflächen 23 zueinan¬ der verschwenkt sind, mit Abstand parallel zueinander ausgerichtet sind.Furthermore, in contrast to the illustration in FIG. 13, the individual mirror surfaces 23 can have an additional offset such that the individual axes 25, about which the individual mirror surfaces 23 are pivoted towards one another, are aligned parallel to one another at a distance.
Die Figur 14 zeigt ein Beispiel eines weiteren Treppenstufenspiegels 26 mit sechs Spiegelflächen 27, die jeweils einer Strahlungsgruppe zugeord¬ net sind. Die einzelnen Treppenstufen-Spiegelflächen 27 stehen senkrecht auf einer Fläche 28, die der einen Seitenfläche des Treppenstufenspie¬ gels 26 in Figur 14 entspricht, sie sind allerdings zueinander, quer zu ihrer Längserstreckung, geringfügig um einen Winkel gekippt, wobei die Längskanten, die auf der Fläche 28 senkrecht stehen, parallel zueinander ausgerichtet sind. Der jeweilige Versatz benachbarter Spiegelflächen 27 ist von rechts nach links jeweils vergrößert. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß, ausgehend von einfallenden Strahlungsgruppen, die räumlich getrennt sind und deren Ausbreitungsrichtungen unterschiedlich sind, diese derart reflektiert werden, daß die Strahlungsgruppen übereinander gestapelt werden und sich in einer gemeinsamen Richtung ausbreiten oder einen gemeinsamen Schnittpunkt haben. FIG. 14 shows an example of a further staircase mirror 26 with six mirror surfaces 27, each of which is assigned to a radiation group. The individual stair-step mirror surfaces 27 are perpendicular to a surface 28 which corresponds to the one side surface of the stair-step mirror 26 in FIG. 14, but they are slightly tilted at an angle to one another, transversely to their longitudinal extent, the longitudinal edges which are on the Surface 28 are perpendicular, parallel to each other are aligned. The respective offset of adjacent mirror surfaces 27 is enlarged from right to left. This arrangement ensures that, starting from incident radiation groups which are spatially separated and whose directions of propagation are different, these are reflected in such a way that the radiation groups are stacked one above the other and spread in a common direction or have a common intersection.

Claims

P a t e n t a n e l d u n gP a t e n t a n e l g
"Anordnung und Verfahren zur Formung und Führung eines Strahlungsfelds eines oder mehrerer Gaslaser(s)""Arrangement and method for shaping and guiding a radiation field of one or more gas lasers (s)"
P a t e n t a n s p r ü c h eP a t e n t a n s r u c h e
Anordnung zur Formung und Führung eines Strahlungsfelds eines oder mehrerer Gaslaser(s), insbesondere eines Strahlungsfelds eines Arrays bzw. einer Feldanordnung aus mehreren Gaslasern, mit einer Strah- lungstransformationsoptik zur Erzeugung eines definierten Strah¬ lungsfelds, wobei die Optik reflektive Elemente aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsfeld (7) in mindestens zwei Strah¬ lungsanteile gemäß einer Vorgabe gruppiert ist, daß jede Strah¬ lungsgruppe auf ein erstes reflektives Element mit einer ersten Re¬ flexionsfläche (9; 14; 19; 23; 27;) gerichtet ist und die ersten Reflexionsflächen (9; 14; 19; 23; 27;) in Ebenen angeordnet sind, die einen Versatz und/oder eine Verkippung derart zueinander aufweisen, daß die Strahlungsgruppen mit gegenüber ihren relativen lateralen Eingangs-Koordinaten, mit denen sie auf die ersten reflektiven Ele¬ mente einfallen, relativ zueinander geänderten Ausgangs-Koordinaten und/oder relativ zueinander geänderten Ausgangs-Ausbreitungsrich- tungen und/oder relativ zueinander geänderten Ausgangs-Orientierungen von den ersten Reflexionfl chen (9; 14; 19; 23; 27;) abgestrahlt werden. daß die abgestrahlten Strahlungsgruppen gruppiert und jede Strah¬ lungsgruppe jeweils auf ein ihr zugeordnetes, zweites reflektives Element mit einer zweiten Reflexionsfläche (12; 14; 20; 23; 27) ge¬ richtet ist, wobei die zweiten Reflexionsflächen in Ebenen angeordnet sind, die einen Versatz und/oder eine Verkippung derart zueinander aufweisen, daß die Strahlungsgruppen mit gegenüber ihren relativen lateralen Eingangs-Koordinaten, mit denen sie auf das das jeweilige zweite reflektive Element einfallen, relativ zueinander geänderten Ausgangs-Koordinaten und/oder relativ zueinander geänderten Aus- gangs-Ausbreitungsrichtungen und/oder relativ zueinander geänderten Ausgangs-Orientierungen von den ersten Reflexionflächen (9; 14; 19; 23; 27) abgestrahlt werden.Arrangement for shaping and guiding a radiation field of one or more gas lasers, in particular a radiation field of an array or a field arrangement of several gas lasers, with radiation transformation optics for generating a defined radiation field, the optics having reflective elements, characterized in that that the radiation field (7) is grouped into at least two radiation components in accordance with a specification, that each radiation group is directed at a first reflective element with a first reflection surface (9; 14; 19; 23; 27;) and the first reflection surfaces (9; 14; 19; 23; 27;) are arranged in planes which are offset and / or tilted relative to one another in such a way that the radiation groups with respect to their relative lateral input coordinates with which they refer to the first reflective elements occur, output coordinates changed relative to one another and / or outputs changed relative to one another ngs propagation directions and / or starting orientations of the first reflection surfaces (9; 14; 19; 23; 27;) are emitted. that the emitted radiation groups are grouped and each radiation group is directed in each case to an associated second reflective element with a second reflective surface (12; 14; 20; 23; 27), the second reflective surfaces being arranged in planes that one Have offset and / or tilt to one another such that the radiation groups with their output coordinates and / or output outputs changed relative to their relative lateral input coordinates with which they strike the respective second reflective element, Directions of propagation and / or output orientations changed relative to one another are emitted by the first reflection surfaces (9; 14; 19; 23; 27).
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz der Reflexionsflächen (12; 14; 20; 23; 27), die einem reflektiven Element zugeordnet sind, sequentiell der Reihenfolge der Strah¬ lungsgruppen entspricht.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the offset of the reflection surfaces (12; 14; 20; 23; 27), which are assigned to a reflective element, corresponds sequentially to the order of the radiation groups.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Re¬ flexionsflächen (9; 14; 19; 23; 27) jeweils einen unterschiedlichen Abstand zu den ihnen zugeordneten Strahlungs-Austrittsflachen der Laser (1) aufweisen.3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the reflecting surfaces (9; 14; 19; 23; 27) are each at a different distance from the radiation exit surfaces of the lasers (1) assigned to them.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentren der bestrahlten Reflexionsflächen (9; 14; 19; 20; 23; 27) auf einer Geraden liegen.4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the centers of the irradiated reflection surfaces (9; 14; 19; 20; 23; 27) lie on a straight line.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Versatz und die jeweilige Abstandsänderung benach¬ barter Reflexionsflächen (9; 14; 19; 20; 23; 27), die einem reflek¬ tiven Element zugeordnet sind, von gleicher Größe sind.5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the respective offset and the respective change in distance between neighboring reflection surfaces (9; 14; 19; 20; 23; 27) which are assigned to a reflective element of are the same size.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen, die einem reflektiven Element zugeordnet sind, durch einen treppenstufenartig aufgebauten Spiegel (9; 11; 15; 16; 21; 22; 26) gebildet sind,6. Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the reflection surfaces associated with a reflective element are formed by a mirror (9; 11; 15; 16; 21; 22; 26) constructed like a stair step,
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen (9; 12; 14; 19; 20; 23; 27) ebene Flächen¬ bereiche sind.7. Arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the reflection surfaces (9; 12; 14; 19; 20; 23; 27) are flat areas areas.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen konkav oder konvex gekrümmte Flächenbe¬ reiche sind.8. Arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the reflection surfaces are concave or convex curved areas.
9. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektiven Elemente (19, 20) derart zueinander angeordnet sind, daß die Richtung der von dem letzten reflektiven Element abgestrahl¬ ten Strahlungsgruppen (10) der Richtung der auf das erste reflektive Element (19) gerichteten Strahlungsgruppe (7) entgegenläuft.9. Arrangement according to claims 1 to 8, characterized in that the reflective elements (19, 20) are arranged such that the direction of the radiation groups (10) emitted by the last reflective element corresponds to the direction of the first reflective Element (19) directed radiation group (7) runs counter.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen (27) der einzelnen reflektiven Elemente senkrecht auf einer gemeinsamen Ebene (28) stehen und zueinander geneigt sind.10. Arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that the reflection surfaces (27) of the individual reflective elements are perpendicular to a common plane (28) and are inclined to each other.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen (27) der einzelnen reflektiven Elemente um eine gemeinsame Achse (25), die in der Ebene dieser Flächen (23) verläuft, zueinander verschwenkt sind.11. Arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that the reflection surfaces (27) of the individual reflective elements about a common axis (25) which extends in the plane of these surfaces (23) are pivoted to each other.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsgruppen (19) ein streifenförmlges Strahlungs¬ feld (18) bilden.12. Arrangement according to one of claims 1 to 11, characterized in that the radiation groups (19) form a strip-shaped radiation field (18).
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strah¬ lungsgruppen (19) gleiche Größenausdehnung aufweisen. 13. The arrangement according to claim 12, characterized in that the radiation groups (19) have the same size.
14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsgruppen (19) in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind.14. Arrangement according to claim 12 or 13, characterized in that the radiation groups (19) are arranged at the same distance from each other.
15. Anordnung nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsgruppen (18) quer zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung in einer Ebene liegend parallel zueinander ausgerichtet sind.15. The arrangement according to claim 12 to 14, characterized in that the radiation groups (18) are aligned parallel to one another lying transversely to the direction of propagation of the radiation in one plane.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere streifenförmige Strahlungsfelder (17) parallel zueinander angeordnet sind.16. Arrangement according to one of claims 12 to 15, characterized in that a plurality of strip-shaped radiation fields (17) are arranged parallel to one another.
17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die streifen- förmigen Strahlungsfelder (17) einen gleichen Abstand zueinander aufweisen.17. The arrangement according to claim 16, characterized in that the strip-shaped radiation fields (17) have the same distance from one another.
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß jedes streifenförmige Strahlungsfeld (17) aus einer gleichen Anzahl von Strahlungsgruppen (18) gebildet Ist.18. Arrangement according to one of claims 12 to 17, characterized in that each strip-shaped radiation field (17) is formed from an equal number of radiation groups (18).
19. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß bei Strahlungsgruppen, deren jeweilige Querschnittsabmessungen Ihrer Strahlungsanteile kleiner als die Breite des zugeordneten re¬ flektiven Elements ist, die jeweilige Strahlungsgruppe auf die Re- flexionsfläche (14) des jeweiligen reflektiven Elements unter einem Einfallswinkel ungleich 0* derart auftrifft, daß annähernd die gesam¬ te Breite der Reflexionsfläche (14) des reflektiven Elements ausge¬ leuchtet Ist.19. Arrangement according to one of claims 1 to 18, characterized in that in the case of radiation groups whose respective cross-sectional dimensions of their radiation components are smaller than the width of the assigned reflective element, the respective radiation group onto the reflection surface (14) of the respective reflective element strikes at an angle of incidence not equal to 0 * in such a way that approximately the entire width of the reflection surface (14) of the reflective element is illuminated.
20. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten reflektiven Elemente (9) zu einem ersten Element (8) zusammengefaßt sind und/oder die zweiten reflektiven Elemente (12) zu einem zweiten Element (11) zusammengefaßt sind. 20. Arrangement according to one of claims 1 to 19, characterized in that the first reflective elements (9) are combined to form a first element (8) and / or the second reflective elements (12) are combined to form a second element (11) .
21. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichet, daß die Refle¬ xionsflächen jeweils auf einem gemeinsamen Träger aufgebracht sind.21. The arrangement according to claim 20, characterized in that the reflection surfaces are each applied to a common carrier.
22. Verfahren zur Formung und Führung eines Strahlungsfelds eines oder mehrerer Gaslaser(s), insbesondere eines Strahlungsfelds eines Arrays bzw. einer Feldanordnung aus mehreren Gaslasern, mit einer Strah- lungstransformationsoptik zur Erzeugung eines definierten Strah¬ lungsfelds, wobei die Optik reflektive Elemente aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsfeld in mindestens zwei Strahlungs¬ anteile gemäß einer Vorgabe gruppiert wird, daß jede gebildete Strah¬ lungsgruppe auf ein erstes reflektives Element mit ersten Reflexions- flächen gerichtet wird, wobei durch die ersten Reflexionsflächen, die in Ebenen angeordnet sind, die einen Versatz und/oder eine Verkippung zueinander aufweisen, die Strahlungsgruppen mit gegenüber ihren rela¬ tiven lateralen Eingangs-Koordinaten, mit denen sie auf das erste reflektive Element einfallen, relativ zueinander geänderten Aus¬ gangs-Koordinaten und/oder relativ zueinander geänderten Ausgangs- Ausbreitungsrichtungen und/oder relativ zueinander geänderten Aus¬ gangs-Orientierungen von den ersten Reflexionflächen abgestrahlt werden,22. A method for shaping and guiding a radiation field of one or more gas lasers, in particular a radiation field of an array or a field arrangement of several gas lasers, with a radiation transformation optics for generating a defined radiation field, the optics having reflective elements, characterized in that the radiation field is grouped into at least two radiation components in accordance with a specification that each radiation group formed is directed onto a first reflective element with first reflection surfaces, with the first reflection surfaces arranged in planes, which have an offset and / or a tilt to one another, the radiation groups with respect to their relative lateral input coordinates with which they are incident on the first reflective element, output coordinates changed relative to one another and / or output propagation directions changed relative to one another and / or the starting orientations changed relative to one another are emitted by the first reflection surfaces,
daß die von den ersten reflektiven Elementen abgestrahlten Strah¬ lungsgruppen gruppiert und jede dieser Strahlungsgruppen auf ein ihr zugeordnetes zweites reflektives Element mit einer zweiten Refle¬ xionsfläche gerichtet wird, wobei durch die zweiten Reflexionsflä¬ chen, die in Ebenen angeordnet sind, die einen Versatz und/oder Ver¬ kippung zueinander aufweisen, die Strahlungsgruppen mit gegenüber Ihren relativen lateralen Eingangskoordinaten, mit denen sie auf das zweite reflektive Element einfallen, relativ zueinander geänderten Ausgangs-Koordinaten und/oder relativ zueinander geänderten Aus- gangs-Ausbreitungsrichtungen und/oder relativ zueinander geänderten Ausgangs-Orientierungen von den zweiten Reflexionflächen abgestrahlt werden. that the radiation groups emitted by the first reflective elements are grouped and each of these radiation groups is directed to a second reflective element assigned to them with a second reflective surface, the second reflective surfaces being arranged in planes which have an offset and / or have tilting to one another, the radiation groups with respect to their relative lateral input coordinates with which they are incident on the second reflective element, output coordinates changed relative to each other and / or output propagation directions changed relative to each other and / or changed relative to each other Output orientations are emitted from the second reflection surfaces.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die von den zweiten Reflexionsflächen reflektierten Strahlungsgruppen einen Ver¬ satz mit einer Richtungskomponente senkrecht zur Richtung der von den ersten Reflexionsflächen reflektierten Strahlungsgruppen erhalten.23. The method according to claim 22, characterized in that the radiation groups reflected by the second reflection surfaces receive a Ver¬ offset with a directional component perpendicular to the direction of the radiation groups reflected by the first reflection surfaces.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsgruppen durch die reflektiven Elementen in eine Richtung reflektiert werden, die eine wesentliche Richtungskomponente senk¬ recht zu der größten Erstreckung der Feldanordnung bzw. des Strah¬ lungsfelds besitzt.24. The method according to claim 22 or 23, characterized in that the radiation groups are reflected by the reflective elements in a direction which has an essential directional component perpendicular to the greatest extent of the field arrangement or the radiation field.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsgruppen derart transformiert werden, daß die aus dem letzten reflektiven Element austretenden Strahlungsgruppen zu¬ einander parallele Ausbreitungsrichtungen haben.25. The method according to any one of claims 22 to 24, characterized in that the radiation groups are transformed such that the radiation groups emerging from the last reflective element have mutually parallel directions of propagation.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsanteile derart transformiert werden, daß die aus dem letzten reflektiven Element austretenden Strahlungsgruppen einen gemeinsamen Schnittpunkt haben.26. The method according to any one of claims 22 to 25, characterized in that the radiation components are transformed such that the radiation groups emerging from the last reflective element have a common intersection.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektiven Elemente erart zueinander angeordnet werden, daß die Richtung der von dem letzten reflektierten Element abgestrahlten Strahlungsgruppen so eingestellt wird, daß sie der Richtung der auf das erste reflektive Element gerichteten Strahlungsgruppe entgegen¬ läuft. 27. The method according to any one of claims 22 to 26, characterized in that the reflective elements are arranged in such a way that the direction of the radiation groups emitted by the last reflected element is set such that it corresponds to the direction of the radiation group directed at the first reflective element runs against.
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