WO1999008347A1 - Bandleiterlaser mit einem optischen abbildungssystem zur strahlformung - Google Patents

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WO1999008347A1
WO1999008347A1 PCT/EP1998/005057 EP9805057W WO9908347A1 WO 1999008347 A1 WO1999008347 A1 WO 1999008347A1 EP 9805057 W EP9805057 W EP 9805057W WO 9908347 A1 WO9908347 A1 WO 9908347A1
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WO
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optical imaging
imaging element
laser
stripline
laser beam
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PCT/EP1998/005057
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Dirk Friede
Hermann Hage
Thomas Northemann
Volker Scholz
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Rofin-Sinar Laser Gmbh
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    • H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/0315—Waveguide lasers

Definitions

  • the invention relates to a stripline laser, in particular a CO 2 stripline laser, with an optical imaging system for beam shaping a laser beam emerging from a resonator.
  • a so-called stripline or slab laser is a laser whose resonator is a combination of a waveguide resonator and an unstable resonator of the negative or positive branch.
  • Such a stripline laser with a gas mixture containing carbon dioxide C0 2 as the laser-active medium is known, for example, from the European laid-open publications 0 275 023 A1 and 0 305 893 A2.
  • the known stripline lasers contain flat plate-shaped electrodes which are arranged with their flat sides opposite one another.
  • the electrodes define a flat, elongated discharge space in which the laser gas located between the electrodes is excited by the application of a high-frequency electromagnetic field.
  • a resonator mirror is arranged opposite the end faces of the discharge space in such a way that the resonator formed from the waveguide and the resonator mirror behaves in one direction parallel to the long side of the end face like an unstable confocal resonator with free beam propagation. Across this direction, i. H. parallel to the narrow side of the end face, the propagation conditions of the electromagnetic radiation arising within the discharge space are determined by the waveguide properties of the electrodes facing one another.
  • the laser beam coupled out from such a resonator essentially has the shape of a rectangle in a plane transverse to the direction of propagation, the narrow side of which extends parallel to the distance between the wall surfaces forming the waveguide and the long side of which runs parallel to the end face of the discharge space formed by the electrodes of the waveguide.
  • the intensity distribution in the plane transverse to the direction of propagation of the laser beam has an approximately rectangular shape in the near field with a height of about 1-2 mm and a width of a few centimeters.
  • the outcoupled laser beam also has different beam properties in this plane in two directions perpendicular to one another.
  • the divergence is relatively high, for example 10 mrad.
  • the intensity distribution in the near field is approximately rectangular in this direction, with an approximately Gaussian distribution of the intensity being present in the far field.
  • the divergence in the unstable direction, i.e. H. in the direction of the long side is relatively small, for example 1 mrad, due to the high beam width, the intensity distribution in the near field in this direction also being approximately rectangular.
  • In the far field there is a Gaussian intensity distribution with partially pronounced secondary maxima.
  • Such an asymmetrical intensity distribution is also present in a so-called coaxial stripline laser, as is known, for example, from PCT application WO 91/15045.
  • a stripline laser in particular a CO 2 stripline laser, contains an optical imaging system for beam shaping a laser beam emerging from a resonator, the divergence of which in a first direction perpendicular to the direction of propagation is smaller than in a second direction perpendicular thereto and to the direction of propagation, the optical imaging system comprising a first optical imaging element for focusing the laser beam in the first direction and for co-animating the laser beam in the second direction, and a second optical imaging element for co-animating the focused laser beam in the first direction .
  • This measure makes it possible to adapt the diameter of the laser beam in its second direction at the location of the imaging surface of the second optical imaging element to the diameter of the laser beam in the first direction.
  • Such a mapping thus makes it possible to generate a laser beam that has an approximately square cross section and approximately the same divergence or beam caustic in directions perpendicular to one another. In this way, the further beam guidance to the actual processing point, for example to a welding head, is simplified.
  • kouimation is understood to mean an optical image with which the divergence of a beam is reduced.
  • the collimated laser beam has a lower divergence than the non-collimated laser beam before it is imaged by the imaging element.
  • An ideal co-animation would be to generate a parallel beam.
  • this is practically impossible to achieve at long wavelengths, for example 10.6 ⁇ m, for the laser radiation of a CO 2 stripline laser, since in these cases the laws of geometric optics can no longer be used without restriction.
  • the first optical imaging element preferably has a spherical imaging surface.
  • the imaging with a spherical imaging surface also further reduces the smaller divergence present in the second direction.
  • the first optical imaging element can be a spherical lens.
  • a spherical mirror is preferably provided, in which the thermal load on the imaging element leads to less influence on the laser beam.
  • the second optical imaging element comprises a cylindrical imaging surface, the cylinder axis of which is oriented perpendicular to the first direction.
  • Such an imaging element affects the divergence of the laser beam in the second direction, i. H. parallel to the cylinder axis, not so that the divergence in the first direction can be adapted to the divergence in the second direction in accordance with the radius of curvature of the cylindrical imaging surface.
  • a cylindrical lens in particular a cylindrical mirror, is provided as the second optical imaging element.
  • a cylinder mirror By using a cylinder mirror, the disadvantages associated with a thermal load on the imaging element are also largely reduced.
  • a spatial filter is arranged in the lens focus of the second optical imaging element, by means of which the spatial distribution in the first direction in the far field is changed by masking out the secondary maxima present there in such a way that only the main maximum remains.
  • an additional imaging element is provided for the additional beam shaping of the laser beam emerging from the first imaging element.
  • the additional optical imaging element is preferably arranged displaceably along its optical axis.
  • the resonator is arranged in the chamber for receiving a laser gas, which has an exit window for coupling out the laser beam, the optical imaging system being arranged such that the beam shaping takes place outside the chamber. In this way, the beam propagation does not take place inside the laser gas during beam shaping, so that absorption of the laser beam by the laser gas outside the resonator is largely reduced.
  • the exit window is designed to be beam-shaping. In this way, the total number of optical components required can be reduced.
  • a window made of diamond is provided as the exit window, with which a laser beam in the high-power range in the immediate vicinity of the resonator, ie. H. with a small cross-sectional area and correspondingly high intensity can be coupled out of the chamber containing laser gas, so that losses due to absorption of the laser beam in the laser gas can be largely reduced.
  • FIG. 1 shows a stripline laser according to the invention in a schematic perspective illustration
  • Fig. 5 shows an advantageous embodiment of the imaging system with a
  • FIG. 6 shows the beam caustic of the laser beam for two different positions of the additional optical imaging element in a diagram.
  • a stripline laser contains a gas-tight chamber 2 in which laser gas LG, in the exemplary embodiment a laser gas containing carbon dioxide C0 2 , and a resonator 4 are located.
  • the chamber 2 is provided with a large number of supply connections, which are not shown in the figure for reasons of clarity. These supply connections include, for example, gas supply or gas discharge connections in order to enable an exchange of the laser gas. Furthermore, connections for coolant for cooling the components of the resonator 4 and electrical connections for providing the HF voltage required for the gas discharge are provided.
  • the resonator 4 contains two flat plate-shaped electrodes 6 and 8 which, with their flat sides facing one another, form a thin, likewise cuboidal discharge space 9 for the laser gas LG.
  • a resonator mirror 10 or 12 Opposite each narrow end face of the discharge space 9 there is a resonator mirror 10 or 12 which, in a first direction 14 parallel to the flat sides of the electrodes 6, 8 and to the end face of the discharge space 9, has an unstable confocal resonator, in the exemplary embodiment an unstable resonator of the positive branch , forms.
  • the electrodes 6 and 8 are arranged at a distance a of a few millimeters from one another and form in a second, parallel to the narrow side, i. H. a waveguide resonator to the flat side of the electrodes 6, 8 perpendicular direction 16.
  • the resonator mirror 10 does not extend over the entire end face of the discharge space 9 defined by the electrodes 6, 8, so that the one generated in the resonator 4 Laser beam LS emerges laterally past resonator mirror 10 from a rectangular coupling-out gap 18.
  • the laser beam LS emerging from the coupling-out gap 18 has a large divergence, for example approximately 10 mrad, in the second direction 16 due to the small gap width a.
  • the laser beam In the longitudinal direction of the coupling gap 18, d. H. parallel to the first direction 14, the laser beam has a significantly smaller divergence, for example 1 mrad.
  • the beam path of the laser beam LS is entered in the figure in a highly simplified manner in the form of lateral boundary lines.
  • the divergent laser beam LS emerges from the chamber 2 through an exit window 20 that is transparent to the wavelength of the laser beam LS.
  • the divergence of the laser beam LS emerging from the resonator 4 is also exaggerated in the figure for illustration.
  • the exit window 20 is preferably made of diamond.
  • the extreme hardness and high thermal conductivity of diamond allows the use of very thin, for example about 0.5 mm thick panes as exit windows.
  • Diamond is characterized by a very high quality index FOM (Figure of merit), which is due to the relationship
  • d is the thickness of the material
  • A is the absorption constant
  • ⁇ is the thermal conductivity
  • dl / dT is the coefficient of linear expansion
  • dn / dT is the coefficient of temperature dependence of the optical refractive index n.
  • the value calculated for diamond for the quality index FOM for the same material thickness is approximately 10 times the quality index FOM for commonly used window materials, for example windows made of ZnSe.
  • the exit window for high-performance CO 2 -Bandleiterlaser ie C0 2 -Bandleiterlaser with an output power exceeding 1 kW, close to the exit slit 18, for example, immediately next to the resonator mirror 10, and are thus disposed at a position at which the laser beam LS has a small cross-sectional area.
  • a first imaging element 24, a spherical lens in the exemplary embodiment, and a second imaging element 26, in the exemplary embodiment a cylindrical lens, are arranged in the beam path of the laser beam LS outside the chamber 2 along an optical axis 22 (direction of propagation).
  • the first optical imaging element 24 generates a line focus LF which lies between the first imaging element 24 and the second imaging element 26.
  • the laser beam LS is thus focused in the first direction 14 with the aid of the first imaging element 24.
  • the second direction 16 perpendicular to and to the direction of propagation 22 of the laser beam LS, there is only a reduction in the divergence which, in the ideal geometric case, leads to the marginal rays 23 run parallel to one another in a plane perpendicular to the first direction 14.
  • the laser beam LS emerging from the resonator has a relatively large width and a low divergence in the first direction 14.
  • the laser beam LS is focused in the line focus LF running perpendicular to the plane of the drawing.
  • the first imaging element 24 thus converts the laser beam LS in the first direction 14 after the line focus LF into a beam which is highly divergent in this direction.
  • the second imaging element 26 in the exemplary embodiment a plano-convex cylindrical lens, the divergence is reduced in this direction, ie the laser beam LS is collimated.
  • the divergence angle 51 in the first direction 14 of the laser beam LS emerging from the second optical imaging element is practically zero.
  • the second optical imaging element 26 is followed by an additional optical imaging element 30, for example a spherical lens, which is displaceably arranged parallel to the optical axis 22 and with which the beam waist of the freely up to a processing unit, not shown in the figure propagating laser beam LS can be influenced.
  • an additional optical imaging element 30 for example a spherical lens, which is displaceably arranged parallel to the optical axis 22 and with which the beam waist of the freely up to a processing unit, not shown in the figure propagating laser beam LS can be influenced.
  • the laser beam LS emerging from the resonator is relatively narrow parallel to the second direction 16 and has a high divergence.
  • This divergence is reduced by the first optical imaging element 24, i. H. the laser beam LS is collimated in the second direction 16 by the first optical imaging element 24.
  • the second optical imaging element 26 does not bring about any optical imaging in the first direction 16, since this runs parallel to the cylinder axis of the cylinder lens used in the exemplary embodiment.
  • the divergence angle 52 generated in the imaging by the first imaging element 24 is thus maintained and is at least approximately equal to the divergence angle 51 which remains in the first direction 14 when the second optical imaging element 26 co-animates (FIG. 2a).
  • a spatial filter 32 is arranged in the line focus LF, which in the example consists of two prisms which are arranged with their longitudinal edges parallel to one another in such a way that a narrow gap is formed between two mutually facing longitudinal edges and runs parallel to the line focus LF. With the help of the spatial filter 32, undesired secondary maxima in the beam distribution parallel to the first direction 14 can be masked out from the beam path by reflection on the prisms 32.
  • the optical imaging device for beam shaping the laser beam LS instead of lenses contains mirrors as optical imaging elements 24, 26 and 30.
  • the first optical imaging element 24 is a spherical concave mirror
  • the second optical imaging element 26 is a cylindrical concave mirror
  • the additional optical imaging element 30 is also a spherical concave mirror.
  • a first deflection mirror 40 is arranged, which deflects the laser beam LS by 90 ° and feeds a second deflection mirror 42, which causes a renewed deflection by almost 90 ° and the laser beam LS to the optical Imaging element 24 aligns.
  • the laser beam LS strikes the first optical imaging element 24 at an acute angle ⁇ to the optical axis 22.
  • the electrodes 6, 8 of the resonators are arranged inclined at an acute angle ⁇ , for example approximately 3 °, relative to the direction of propagation of the laser beam LS between the first optical imaging element 24 and the second optical imaging element 26.
  • ⁇ for example approximately 3 °
  • the laser beam additionally formed by the additional imaging element 30 is fed to a processing head 50, in which it is focused, for example, deflected by 90 °, and is guided onto a workpiece 52.
  • a measuring sensor 54 arranged in the processing head 50 measures, for example, the size of the laser beam LS and the measurement results obtained are fed to a control device 56, which compares the measured actual value with a desired value and, in accordance with the deviation between the desired value and the actual value, a control signal S for linear displacement of the additional optical imaging element 30 forwards to an electric motor, not shown in the figure.
  • FIG. 6 shows the beam radius r1, r2 of the laser beam in the first and second direction depending on the distance A from the additional optical imaging element 30 for two different distances A of the additional optical imaging element 30 from the second optical imaging element 26.
  • Curve pair a shows the initial situation at a distance A of 0.25 m
  • curve pair b shows the situation for a distance A of approximately 0.35 m.
  • the figure clearly shows how the beam caustic can be influenced by the position of the additional optical imaging element 30. In both cases, the beam radii r1 and r2 match so well in the first and second directions that they practically coincide in the drawing.

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Abstract

Ein Bandleiterlaser, insbesondere ein CO2-Bandleiterlaser, enthält ein optisches Abbildungssystem zur Strahlformung eines aus einem Resonator (4) austretenden Laserstrahls (LS), dessen Divergenz in einer zur Ausbreitungsrichtung senkrechten ersten Richtung (14) kleiner ist als in einer dazu und zur Ausbreitungsrichtung senkrechten zweiten Richtung (16). Erfindungsgemäß umfaßt das optische Abbildungssystem ein erstes optisches Abbildungselement (24) zur Fokussierung des Laserstrahls (LS) in der ersten Richtung (14) und zur Kollimation des Laserstrahls (LS) in der zweiten Richtung (16) sowie ein zweites optisches Abbildungselement (26) zur Kollimation des fokussierten Laserstrahls (LS) in der ersten Richtung (14).

Description

Beschreibung
Bandleiterlaser mit einem optischen Abbildungssystem zur Strahlformung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Bandleiterlaser, insbesondere einen C02- Bandleiterlaser, mit einem optischen Abbildungssystem zur Strahlformung eines aus einem Resonator austretenden Laserstrahls.
Bei einem sogenannten Bandleiter- oder Slablaser handelt es sich um einen Laser, dessen Resonator eine Kombination aus einem Wellenleiter-Resonator und einem instabilen Resonator des negativen oder positiven Zweiges ist. Ein solcher Bandleiterlaser mit einem Kohlendioxid C02 enthaltenden Gasgemisch als laseraktivem Medium ist beispielsweise aus den europäischen Offenlegungsschriften 0 275 023 A1 und 0 305 893 A2 bekannt.
Die bekannten Bandleiterlaser enthalten flache plattenförmige Elektroden, die mit ihren Flachseiten einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Elektroden legen einen flachen längsgestreckten Entladungsraum fest, in dem durch Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes das zwischen den Elektroden befindliche Lasergas angeregt wird. Gegenüber den Stirnflächen des Entladungsraumes ist jeweils ein Resonatorspiegel derart angeordnet, daß sich der aus Wellenleiter und Resonatorspiegel gebildete Resonator in einer Richtung parallel zur Längsseite der Stirnfläche wie ein instabiler konfokaler Resonator mit freier Strahlpropagation verhält. Quer zu dieser Richtung, d. h. parallel zur Schmalseite der Stirnfläche, werden die Ausbreitungsbedingungen der innerhalb des Entladungsraumes entstehenden elektromagnetischen Strahlung durch die Wellenleitereigenschaften der einander zugewandten Elektroden festgelegt.
Der aus einem solchen Resonator ausgekoppelte Laserstrahl hat in einer Ebene quer zur Ausbreitungsrichtung im wesentlichen die Form eines Rechtecks, dessen Schmalseite parallel zum Abstand der den Wellenleiter bildenden Wandflächen verläuft und dessen Längsseite parallel zur Stirnfläche des von den Elektroden des Wellenleiters gebildeten Entladungsraumes verläuft. Mit anderen Worten: Die Intensitätsverteilung in der Ebene quer zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls hat im Nahfeld eine annähernd rechteckige Form mit einer Höhe von etwa 1 - 2 mm und einer Breite von einigen Zentimetern.
Der ausgekoppelte Laserstrahl weist außerdem in dieser Ebene in zwei zueinander senkrechten Richtungen unterschiedliche Strahleigenschaften auf. In Wellenleiterrichtung oder in stabiler Richtung, d. h. in Richtung der Schmalseite, ist die Divergenz relativ hoch, beispielsweise 10 mrad. Die Intensitätsverteilung im Nahfeld ist in dieser Richtung annähernd rechteckig, wobei im Fernfeld annähernd eine gaußförmige Verteilung der Intensität vorliegt. Die Divergenz in der instabilen Richtung, d. h. in Richtung der Längsseite, ist aufgrund der hohen Strahlbreite relativ klein, beispielsweise 1 mrad, wobei die Intensitätsverteilung im Nahfeld in dieser Richtung ebenfalls annähernd rechteckig ist. Im Fernfeld liegt eine gaußförmige Intensitätsverteilung mit teilweise ausgeprägten Nebenmaxima vor. Eine solche asymmetrische Intensitätsverteilung liegt auch bei einem sogenannten koaxialen Bandleiterlaser vor, wie er beispielsweise aus der PCT-Anmeldung WO 91/15045 näher bekannt ist.
Die bei einem ebenen Bandleiterlaser auftretende unterschiedliche Strahlkaustik in instabiler und stabiler Richtung ist auch aus der Zeitschrift „Laser und Optoelektronik", 23(3), 1991 , S. 68 bis 81 , bekannt. Dort wird zum Angleichen der unterschiedlichen Divergenzen und zur Strahlsymmetrisierung eine teleskopische Abbildung vorgeschlagen, die aus Kreiszylinderspiegeln oder aus asphärischen Zylinderspiegeln aufgebaut ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Bandleiterlaser anzugeben, dessen Laserstrahl am Ausgang eine weitgehend gleichmäßige Strahldivergenz in allen Richtungen quer zur Ausbreitungsrichtung aufweist. Die genannte Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Ein Bandleiterlaser, insbesondere ein CO2-Bandleiterlaser, enthält gemäß der Erfindung ein optisches Abbildungssystem zur Strahlformung eines aus einem Resonator austretenden Laserstrahls, dessen Divergenz in einer zur Ausbreitungsrichtung senkrechten ersten Richtung kleiner ist als in einer dazu und zur Ausbreitungsrichtung senkrechten zweiten Richtung, wobei das optische Abbildungssystem ein erstes optisches Abbildungselement zur Fokussierung des Laserstrahls in der ersten Richtung und zur KoUimation des Laserstrahls in der zweiten Richtung sowie ein zweites optisches Abbildungselement zur KoUimation des fokussierten Laserstrahls in der ersten Richtung umfaßt. Durch diese Maßnahme ist es möglich, den Durchmesser des Laserstrahls in seiner zweiten Richtung am Ort der Abbildungsfläche des zweiten optischen Abbildungselementes auf den Durchmesser des Laserstrahls in der ersten Richtung anzupassen. Durch eine solche Abbildung ist es somit möglich, einen Laserstrahl zu erzeugen, der annähernd quadratischen Querschnitt und in zueinander senkrechten Richtungen eine annähernd gleiche Divergenz oder Strahlkaustik aufweist. Auf diese Weise ist die weitere Strahlführung zur eigentlichen Bearbeitungsstelle, beispielsweise zu einem Schweißkopf, vereinfacht.
Unter KoUimation wird in der vorliegenden Beschreibung eine optische Abbildung verstanden, mit der die Divergenz eines Strahlenbündels verringert wird. Der kollimierte Laserstrahl hat in diesem Fall ein niedrigere Divergenz als der nichtkollimierte Laserstrahl vor seiner Abbildung durch das Abbildungselement. Eine ideale KoUimation läge bei Erzeugung eines parallelen Strahlenbündels vor. Dies ist jedoch bei großen Wellenlängen, beispielsweise 10,6 μm für die Laserstrahlung eines CO2- Bandleiterlasers praktisch nicht realisierbar, da in diesen Fällen die Gesetze der geometrischen Optik nicht mehr uneingeschränkt anwendbar sind.
Vorzugsweise weist das erste optische Abbildungselement eine sphärische Abbildungsfläche auf. Durch die Abbildung mit einer sphärischen Abbildungsfläche wird außerdem die in zweiter Richtung vorhandene kleinere Divergenz weiter verringert. Das erste optische Abbildungselement kann eine sphärische Linse sein. Vorzugweise ist jedoch ein sphärischer Spiegel vorgesehen, bei dem die thermische Belastung des Abbildungselementes zu einer geringeren Beeinflussung des Laserstrahls führt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das zweite optische Abbildungselement eine zylindrische Abbildungsfläche, dessen Zylinderachse senkrecht zur ersten Richtung orientiert ist. Ein derartiges Abbildungselement beeinflußt die Divergenz des Laserstrahls in der zweiten Richtung, d. h. parallel zur Zylinderachse, nicht, so daß entsprechend dem Krümmungsradius der zylindrischen Abbildungsfläche eine Anpassung der Divergenz in erster Richtung an die Divergenz in zweiter Richtung erfolgen kann.
Als zweites optisches Abbildungselement ist eine Zylinderlinse, insbesondere ein Zylinderspiegel, vorgesehen. Durch die Verwendung eines Zylinderspiegels werden ebenfalls die mit einer thermischen Belastung des Abbildungselementes einhergehenden Nachteile weitgehend vermindert.
Insbesondere ist im Linsenfokus des zweiten optischen Abbildungselementes ein Raumfilter angeordnet, mit dem die räumliche Verteilung in der ersten Richtung im Fernfeld durch Ausblenden der dort vorhandenen Nebenmaxima so geändert wird, daß nur das Hauptmaximum übrigbleibt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein zusätzliches Abbildungselement zur zusätzlichen Strahlformung des aus dem ersten Abbildungselement austretenden Laserstrahls vorgesehen. Mit einem solchen zusätzlichen Abbildungselement ist eine einfache Einstellung der Lage der externen Strahltaille des geformten Laserstrahls möglich.
Vorzugsweise ist hierzu das zusätzliche optische Abbildungselement entlang seiner optischen Achse verschiebbar angeordnet. Dies ermöglicht eine einfache Anpassung der Strahlausbreitung an die jeweils vorliegenden Bedürfnisse. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Resonator in der Kammer zur Aufnahme eines Lasergases angeordnet, die ein Austrittsfenster zum Auskoppeln des Laserstrahls aufweist, wobei das optische Abbildungssystem derart angeordnet ist, daß die Strahlformung außerhalb der Kammer erfolgt. Auf diese Weise erfolgt die Strahlausbreitung bei der Strahlformung nicht innerhalb des Lasergases, so daß eine Absorption des Laserstrahls durch das Lasergas außerhalb des Resonators weitgehend verringert ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, ist das Austrittsfenster strahlformend ausgebildet. Auf diese Weise kann die Anzahl der insgesamt erforderlichen optischen Komponenten verringert werden.
Als Austrittsfenster ist insbesondere ein Fenster aus Diamant vorgesehen, mit dem auch ein Laserstrahl im Höchstleistungsbereich in unmittelbarer Nähe des Resonators, d. h. bei geringer Querschnittsfläche, und dementsprechend hoher Intensität aus der Lasergas enthaltenden Kammer ausgekoppelt werden kann, so daß Verluste durch Absorption des Laserstrahls im Lasergas weitgehend verringert werden können.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
Fig. 1 einen Bandleiterlaser gemäß der Erfindung in einer schematischen perspektivischen Darstellung,
Fig. 2a und 2b die Strahlausbreitung im optischen Abbildungssystem jeweils in einer Schnittfläche parallel bzw. senkrecht zur ersten Richtung,
Fig. 3 und 4 jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Strahlführung in einer schematischen Übersichtsdarstellung, Fig. 5 eine vorteilhafte Ausgestaltung des Abbildungssystems mit einer
Steuerung zur Lageveränderung des zusätzlichen optischen Abbildungselementes,
Fig. 6 die Strahlkaustik des Laserstrahls für zwei unterschiedliche Positionen des zusätzlichen optischen Abbildungselementes in einem Diagramm.
Gemäß Fig. 1 enthält ein Bandleiterlaser eine gasdichte Kammer 2, in dem sich Lasergas LG, im Ausführungsbeispiel ein Kohlendioxid C02 enthaltendes Lasergas, sowie ein Resonator 4 befinden. Die Kammer 2 ist mit einer Vielzahl von Versorgungsanschlüssen versehen, die aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Figur nicht eingezeichnet sind. Diese Versorgungsanschlüsse umfassen beispielsweise Gaszufuhr- bzw. Gasabfuhranschlüsse, um einen Austausch des Lasergases zu ermöglichen. Des weiteren sind Anschlüsse für Kühlmittel zum Kühlen der Komponenten des Resonators 4 sowie elektrische Anschlüsse zur Bereitstellung der für die Gasentladung erforderlichen HF-Spannung vorgesehen.
Der Resonator 4 enthält im Ausführungsbeispiel zwei flache plattenförmige Elektroden 6 und 8, die mit ihren einander zugewandten Flachseiten einen dünnen ebenfalls quaderförmigen Entladungsraum 9 für das Lasergas LG bilden. Gegenüber jeder schmalen Stirnseite des Entladungsraumes 9 ist ein Resonatorspiegel 10 bzw. 12 angeordnet, der in einer ersten zu den Flachseiten der Elektroden 6, 8 und zur Stirnfläche des Entladungsraumes 9 parallelen Richtung 14 einen instabilen konfokalen Resonator, im Ausführungsbeispiel ein instabiler Resonator des positiven Zweigs, bildet.
Die Elektroden 6 und 8 sind in einem Abstand a von wenigen Millimetern voneinander angeordnet und bilden in einer zweiten, zur Schmalseite parallelen, d. h. zur Flachseite der Elektroden 6, 8 senkrechten Richtung 16 einen Wellenleiterresonator.
Der Resonatorspiegel 10 erstreckt sich nicht über die gesamte Stirnseite des von den Elektroden 6, 8 festgelegten Entladungsraumes 9, so daß der im Resonator 4 erzeugte Laserstrahl LS seitlich am Resonatorspiegel 10 vorbei aus einem rechteckigen Auskoppelspalt 18 austritt.
Der aus dem Auskoppelspalt 18 austretende Laserstrahl LS hat aufgrund der niedrigen Spaltbreite a in zweiter Richtung 16 eine große Divergenz, beispielsweise etwa 10 mrad. In Längsrichtung des Auskoppelspaltes 18, d. h. parallel zur ersten Richtung 14, hat der Laserstrahl eine deutlich kleinere Divergenz, beispielsweise 1 mrad.
Der Strahlengang des Laserstrahls LS ist in der Figur stark vereinfacht in Form von seitlichen Begrenzungslinien eingetragen. Der divergente Laserstrahl LS tritt aus der Kammer 2 durch ein für die Wellenlänge des Laserstrahls LS transparentes Austrittsfenster 20 aus. Auch die Divergenz des aus dem Resonator 4 austretenden Laserstrahls LS ist in der Figur zur Veranschaulichung übertrieben eingezeichnet. Das Austrittsfenster 20 besteht vorzugsweise aus Diamant. Die extreme Härte und die hohe Wärmeleitfähigkeit von Diamant erlaubt die Verwendung sehr dünner, beispielsweise etwa 0,5 mm dicker Scheiben als Austrittsfenster. Diamant zeichnet sich durch eine sehr hohe Qualitätskennzahl FOM (Figure of merit) aus, die durch die Beziehung
FOM = λ
Λ - d-(dl/dT)-(dn/dT)
wobei d die Dicke des Materials, A die Absorptionskonstante, λ die Wärmeleitfähigkeit, dl/dT der Längenausdehnungskoeffizient und dn/dT der Koeffizient der Temperaturabhängigkeit des optischen Brechungsindex n ist. Der für Diamant errechnete Wert für Qualitätskennzahl FOM beträgt bei gleicher Materialdicke etwa das 10-fache der Qualitätskennzahl FOM üblicher verwendeter Fenstermaterialien, beispielsweise Fenster aus ZnSe. Aus diesem Grund kann das Austrittsfenster 20 auch für Höchstleistungs-Cθ2-Bandleiterlaser, d. h. C02-Bandleiterlaser mit einer Ausgangsleistung über 1 kW, nahe am Auskoppelspalt 18, beispielsweise unmittelbar neben dem Resonatorspiegel 10, und somit an einer Stelle angeordnet werden, an der der Laserstrahl LS eine kleine Querschnittsfläche aufweist. lm Strahlengang des Laserstrahls LS außerhalb der Kammer 2 sind entlang einer optischen Achse 22 (Ausbreitungsrichtung) ein erstes Abbildungselement 24, im Ausführungsbeispiel eine sphärische Linse, und in Richtung der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls LS dahinter ein zweites Abbildungselement 26, im Ausführungsbeispiel eine Zylinderlinse, angeordnet. Das erste optische Abbildungselement 24 erzeugt einen Linienfokus LF, der zwischen dem ersten Abbildungselement 24 und dem zweiten Abbildungselement 26 liegt. Die Fokussierung des Laserstrahls LS erfolgt mit Hilfe des ersten Abbildungselementes 24 somit in der ersten Richtung 14. In der dazu und zur Ausbreitungsrichtung 22 des Laserstrahls LS senkrechten zweiten Richtung 16 folgt lediglich eine Verringerung der Divergenz, die im geometrischen Idealfall dazu führt, daß die Randstrahlen 23 in einer zur ersten Richtung 14 senkrechten Ebene parallel zueinander verlaufen.
Der vom ersten Abbildungselement 24 erzeugte Linienfokus LF liegt annähernd im Linienfokus der im Ausführungsbeispiel als zweites optisches Abbildungselement 26 verwendeten Zylinderlinse. Wird die Brennweite der Zylinderlinse so gewählt, daß die Strahlbreite an der abbildenden Oberfläche der Zylinderlinse senkrecht zur Zylinderachse, d. h. parallel zur ersten Richtung 14, und die Strahlbreite parallel zur Zylinderachse, d. h. parallel zur zweiten Richtung 16, bei korrektem Fokusabstand annähernd übereinstimmen, so tritt aus dem zweiten optischen Abbildungselement 26 ein Laserstrahl LS aus, dessen Divergenz 61 , 52 und Strahlbreite b1 , b2 in erster Richtung 14 und in zweiter Richtung 16 jeweils annähernd gleich sind (51=52 und b1 =b2).
Dies ist in Fig. 2a und 2b näher erläutert. Gemäß Fig. 2a hat der aus dem Resonator austretende Laserstrahl LS in erster Richtung 14 eine relativ große Breite und eine geringe Divergenz. Mit Hilfe des ersten Abbildungselementes 24 wird der Laserstrahl LS in den senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Linienfokus LF fokussiert. Durch das erste Abbildungselement 24 wird somit der Laserstrahl LS in erster Richtung 14 nach dem Linienfokus LF in ein in dieser Richtung stark divergentes Strahlenbündel umgewandelt. Mit Hilfe des zweiten Abbildungselementes 26, im Ausführungsbeispiel eine plankonvexe Zylinderlinse, wird die Divergenz in dieser Richtung verringert, d. h. der Laserstrahl LS wird kollimiert. Im Idealfall ist der Divergenzwinkel 51 in erster Richtung 14 des aus dem zweiten optischen Abbildungselement austretenden Laserstrahls LS praktisch gleich Null.
Dem zweiten optischen Abbildungselement 26 ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein zusätzliches optisches Abbildungselement 30 nachgeschaltet, beispielsweise eine sphärische Linse, das parallel zur optischen Achse 22 verschiebbar angeordnet ist und mit dem die Strahltaille des sich frei bis zu einer in der Figur nicht dargestellten Bearbeitungseinheit fortpflanzenden Laserstrahls LS beeinflußt werden kann.
In Fig. 2b ist zu erkennen, daß der aus dem Resonator austretende Laserstrahl LS parallel zur zweiten Richtung 16 relativ schmal ist und eine hohe Divergenz aufweist. Durch das erste optische Abbildungselement 24 wird diese Divergenz verringert, d. h. der Laserstrahl LS wird in zweiter Richtung 16 durch das erste optische Abbildungselement 24 kollimiert. Das zweite optische Abbildungselement 26 bewirkt in der ersten Richtung 16 keine optische Abbildung, da diese parallel zur Zylinderachse der im Ausführungsbeispiel verwendeten Zylinderlinse verläuft. Der bei der Abbildung durch das erste Abbildungselement 24 erzeugte Divergenzwinkel 52 bleibt somit erhalten und ist zumindest annähernd gleich dem Divergenzwinkel 51 der in erster Richtung 14 bei KoUimation durch das zweite optische Abbildungselement 26 verbleibt (Fig. 2a).
Im Linienfokus LF ist ein Raumfilter 32 angeordnet, das im Beispielfall aus zwei Prismen besteht, die mit ihren Längskanten derart parallel zueinander angeordnet sind, daß zwischen zwei einander zugewandten Längskanten ein schmaler Spalt entsteht, der parallel zum Linienfokus LF verläuft. Mit Hilfe des Raumfilters 32 können unerwünschte Nebenmaxima in der Strahlverteilung parallel zur ersten Richtung 14 aus dem Strahlengang durch Reflexion an den Prismen 32 ausgeblendet werden.
Gem. Fig. 3 enthält die optische Abbildungseinrichtung zur Strahlformung des Laserstrahls LS anstelle von Linsen Spiegel als optische Abbildungselemente 24, 26 und 30. In diesem Ausführungsbeispiel ist das erste optische Abbildungselement 24 ein sphärischer Hohlspiegel, das zweite optische Abbildungselement 26 ein zylindrischer Hohlspiegel und das zusätzliche optische Abbildungselement 30 ebenfalls ein sphärischer Hohlspiegel.
Gegenüber der Austrittsfläche des aus den Elektroden 6 und 8 gebildeten Wellenleiters ist ein erster Umlenkspiegel 40 angeordnet, der den Laserstrahl LS um 90° umlenkt und einem zweiten Umlenkspiegel 42 zuführt, der eine erneute Umlenkung um nahezu 90° bewirkt und den Laserstrahl LS auf das optische Abbildungselement 24 richtet. Der Laserstrahl LS trifft unter einem spitzen Winkel α zur optischen Achse 22 auf das erste optische Abbildungselement 24 auf. Durch eine solche Anordnung kann ein kompakter Aufbau sowohl des optischen Abbildungssystems selbst als auch des Bandleiterlasers erreicht werden, da ein Teil der für die Strahlformung erforderlichen Strahlausbreitungsstrecke parallel zur Längsrichtung der Elektroden 6, 8 erfolgt und nicht zu einer Erhöhung der Baulänge des Bandleiterlasers führt.
Gem. Fig. 4 sind die Elektroden 6, 8 den Resonators gegenüber der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls LS zwischen dem ersten optischen Abbildungselement 24 und dem zweiten optischen Abbildungselement 26 um einen spitzen Winkel α, beispielsweise etwa 3°, geneigt angeordnet. In dieser Ausführungsform entfallen die Umlenkspiegel 40, 42 gem. Fig. 3.
Entsprechend Fig. 5 wird der vom zusätzlichen Abbildungselement 30 zusätzlich geformte Laserstrahl einem Bearbeitungskopf 50 zugeführt, in dem er beispielsweise um 90° umgelenkt fokussiert wird und auf ein Werkstück 52 geführt wird. Ein im Bearbeitungskopf 50 angeordneter Meßwertaufnehmer 54 mißt beispielsweise die Größe des Laserstrahls LS und die gewonnenen Meßergebnisse werden einer Steuereinrichtung 56 zugeführt, die den gemessenen Istwert mit einem Sollwert vergleicht und entsprechend der Abweichung zwischen Sollwert und Istwert ein Steuersignal S zur Linearverschiebung des zusätzlichen optischen Abbildungselementes 30 an einen in der Figur nicht dargestellten Elektromotor weiterleitet. Gemäß Fig. 6 ist der Strahlradius r1 , r2 des Laserstrahls in erster bzw. zweiter Richtung in Abhängigkeit vom Abstand A vom zusätzlichen optischen Abbildungselement 30 für zwei unterschiedliche Abstände A des zusätzlichen optischen Abbildungselementes 30 vom zweiten optischen Abbildungselement 26 dargestellt. Kurvenpaar a zeigt die Ausgangssituation bei einem Abstand A von 0,25 m und Kurvenpaar b zeigt die Situation für einen Abstand A von etwa 0,35 m. In der Figur ist deutlich zu erkennen, wie die Strahlkaustik von der Lage des zusätzlichen optischen Abbildungselementes 30 beeinflußt werden kann. Dabei stimmen in beiden Fällen die Strahlradien r1 und r2 in erster und zweiter Richtung so gut überein, daß sie zeichnerisch praktisch zusammenfallen.
Bezugszeichenliste
Kammer
Resonator
6, 8 Elektrode
9 Entladungsraum
10, 12 Resonatorspiegel
14 erste Richtung
16 zweite Richtung
18 Auskoppelspalt
20 Austrittsfenster 2 Achse
23 Randstrahlen 4 erstes Abbildungselement
26 zweites Abbildungselement
30 drittes Abbildungselement
32 Raumfilter 0 erster Umlenkspiegel 2 zweiter Umlenkspiegel
50 Bearbeitungskopf
52 Werkstück
56 Steuereinrichtung
LG Lasergas
LS Laserstrahl
LF Linienfokus
51 Divergenzwinkel 1
52 Divergenzwinkel 2 b1 Strahlbreite 1 b2 Strahlbreite 2 α spitzer Winkel S Steuersignal r1 Strahlradius 1 r2 Strahlradius 2
A Abstand a, b Kurvenpaar

Claims

Ansprüche
1. Bandleiterlaser, insbesondere C02-Bandleiterlaser, mit einem optischen Abbildungssystem zur Strahlformung eines aus einem Resonator (4) austretenden Laserstrahls (LS), dessen Divergenz in einer zur Ausbreitungsrichtung senkrechten ersten Richtung (14) kleiner ist als in einer dazu und zur Ausbreitungsrichtung senkrechten zweiten Richtung (16), wobei das optische Abbildungssystem ein erstes optisches Abbildungselement (24) zur Fokussierung des Laserstrahls (LS) in der ersten Richtung (14) und zur KoUimation des Laserstrahls (LS) in der zweiten Richtung (16) sowie ein zweites optisches Abbildungselement (26) zur KoUimation des fokussierten Laserstrahls (LS) in der ersten Richtung (14) umfaßt.
2. Bandleiterlaser nach Anspruch 1 , bei dem das erste und zweite optische Abbildungselement (24,26) derart festgelegt sind, daß der aus dem zweiten Abbildungselement (26) austretende Laserstrahl (LS) in der ersten Richtung (14) und in der zweiten Richtung (16) annähernd gleiche Strahlbreite und Divergenz aufweist.
3. Bandleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste optische Abbildungselement (24) eine sphärische Abbildungsfläche aufweist.
4. Bandleiterlaser nach Anspruch 3, bei dem das erste optische Abbildungselement (24) ein sphärischer Spiegel ist.
5. Bandleiterlaser nach Anspruch 3, bei dem das erste optische Abbildungselement (24) eine sphärische Linse ist.
6. Bandleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das zweite optische Abbildungselement (26) eine zylindrische Abbildungsfläche umfaßt.
7. Bandleiterlaser nach Anspruch 6, bei dem das zweite optische Abbildungselement (26) eine Zylinderlinse ist.
8. Bandleiterlaser nach Anspruch 6, bei dem das zweite optische Abbildungselement (26) ein Zylinderspiegel ist.
9. Bandleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bei dem im Fokus des ersten optischen Abbildungselementes (24) ein Raumfilter (32) angeordnet ist.
10. Bandleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9 bei dem das optische Abbildungssystem ein zusätzliches sphärisches Abbildungselement (30) zur zusätzlichen Strahlformung des aus dem zweiten optischen Abbildungselement (26) austretenden Laserstrahls (LS) umfaßt.
11. Bandleiterlaser nach Anspruch 10, bei dem das zusätzliche optische Abbildungselement (30) entlang seiner optischen Achse verschiebbar angeordnet ist.
12. Bandleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Resonator (4) in einer Kammer (2) zur Aufnahme eines Lasergases (LG) angeordnet ist, die ein Austrittsfenster (20) zum Auskoppeln des Laserstrahls (LS) aufweist, wobei das optische Abbildungssystem derart angeordnet ist, daß die Strahlformung außerhalb der Kammer erfolgt.
13. Bandleiterlaser nach Anspruch 12, bei dem das Austrittsfenster (20) strahlformend ausgebildet ist.
14. Bandleiterlaser nach Anspruch 12 oder 13, bei dem das Austrittsfenster (20) aus Diamant besteht.
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