WO2016042387A1 - Gütegeschaltetes co2-laser-materialbearbeitungssystem mit akustooptischen modulatoren - Google Patents

Gütegeschaltetes co2-laser-materialbearbeitungssystem mit akustooptischen modulatoren Download PDF

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WO2016042387A1
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radiation
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switching
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Gisbert Staupendahl
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Feha Lasertec Gmbh
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    • H01S3/0071—Beam steering, e.g. whereby a mirror outside the cavity is present to change the beam direction

Definitions

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

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein gütegeschaltetes CO2-Laser-Materialbearbeitungssystem mit Akustooptischen Modulatoren (AOM), die einerseits resonatorintern zur Güteschaltung des CO2-Lasers und andererseits extern zur außerordentlich effizienten Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung zwischen Laser und Werkstück eingesetzt werden. Kerngedanke ist dabei die gezielte Berücksichtigung der Frequenzverschiebung der am AOM gebeugten Strahlung, die genau der Anregungsfrequenz der akustischen Welle im AOM-Kristall entspricht, unter dem Aspekt der Strahlungsverstärkung im Aktiven Medium. Da diese Frequenzverschiebung signifikant die Strahlungsverstärkung reduziert, muss sie beim Güteschaltungsprozess vermieden werden, was gemäß der Erfindung mittels eines Tandems aus zwei AOM mit gleicher Anregungsfrequenz, aber entgegengesetzter Laufrichtung der akustischen Wellen im Kristall erfolgt. Im Gegensatz dazu wirkt sich die Frequenzverschiebung vorteilhaft bei der Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung zwischen Laser und Werkstück aus, wenn gemäß der Erfindung zwischen Laserausgang und Werkstück ein AOM mit mindestens so hoher Anregungsfrequenz der akustischen Welle angeordnet wird, dass die in den Laser zurücklaufende Welle vom Aktiven Medium praktisch nicht verstärkt wird, wenn man den am AOM gebeugten Strahl als Arbeitsstrahl nutzt.

Description

Gütegeschaltetes C02-Laser-Materialbearbeitungssystem mit Akustooptischen Modulatoren
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein gütegeschaltetes C02-Laser- Materialbearbeitungssystera mit Akustooptischen Modulatoren (AOM) zur Strahlformung.
Stand der Technik und Hintergrund der Erfindung
Zahlreiche technologisch relevante
Materialbearbeitungsaufgaben lassen sich sehr effizient mit C02-Lasern der unterschiedlichsten konkreten Bauart lösen. Häufig sind diese Aufgaben allerdings an gepulste Strahlung gebunden, z.B. das Bohren mit hohen
Qualitätsanforderungen. Genau hier liegt aber ein gewisser Schwachpunkt der bekannten kommerziell verfügbaren C02- Laser: Ihre Pulsbärkeit ist durch den Wellenlängenbereich der Strahlung im Infraroten um etwa 10 μτ wesentlich dadurch eingeschränkt, dass es nur eine begrenzte Zahl optisch transparenter Materialien gibt, die zur
Modulation, insbesondere der Güteschaltung, bei den für die Lasermaterialbearbeitung erforderlichen hohen
mittleren Leistungen geeignet sind. Neben mechanischen Schaltern mit ihren bekannten Nachteilen finden praktisch ausschließlich Akustooptische Modulatoren (AOM) auf Basis von Germanium und elektrooptische Modulatoren (EOM) auf Basis von CdTe für die Güteschaltung moderner C02-Laser Anwendung, allerdings mit relativ engen Grenzen bezüglich der erreichbaren mittleren Leistung bei dem seit langer Zeit üblichen Resonatordesign. Einen Ausweg aus diesem Konflikt zeigt das in WO 2013/113306 A8 beschriebene gütegeschaltete C02-Lasersystem, das im Prinzip mittlere Leistungen gütegeschalteter C02-Lasersysteme bis in den kW-Bereich gestattet.
Technisches Problem der Erfindung
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines C02~Laser- Materialbearbeitungssystems, das einerseits mittels
Akustooptischer Modulatoren (AOM) gütegeschaltet wird und andererseits mittels eines weiteren AOM, der extern, also außerhalb des Laserresonators angeordnet ist, extrem effizient von Strahlung, die vom Werkstück zurückgeworfen wird, entkoppelt ist.
Grundzüge der Erfindung und bevorzugte
Ausführungsbeispiele
Zur Lösung dieses technischen Problems lehr die Erfindung den Gegenstand des Anspruchs 1. Bevorzugte
Ausführungsformen sind in den ünteransprüchen angegeben.
Im Rahmen der Erfindung wird ausschließlich der AOM- Einsatz in möglichst leistungsstarken, u.a. für die
Lasermaterialbearbeitung geeigneten, gütegeschalteten C02- Lasersystemen betrachtet, wobei auch die externe, also außerhalb des Laserresonators erfolgende Strahlformung, insbesondere die Isolierung des Lasers vor vom Werkstück zurückgeworfener Strahlung, mit einbezogen wird. Im
Zentrum der Erfindung steht dabei ein Faktor, der i.a. vernachlässigt wird, nämlich die Frequenzverschiebung des am AOM gebeugten Strahles, die ihre Ursache in der Beugung an einem laufenden Gitter hat und der Frequenz entspricht, mit der dieses laufende Gitter erzeugt wird. Nutzt man den gebeugten Strahl, was aus unten dargelegten Gründen oft sinnvoll bzw. sogar erforderlich ist, hat diese Tatsache entscheidenden Einfluss auf die Wirkung des verstärkenden Aktiven Mediums auf die Strahlung mit positiven und negativen Aspekten. Zum Verständnis der erfindungsgemäßen Lösung muss der Zusammenhang zwischen der spektralen Breite des Gain- Profils des Aktiven Mediums und der Beeinflussung der Strahlungsfrequenz im gebeugten Strahl eines AOM näher betrachtet werden. Dies wird auch anhand der lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Figuren näher
erläutert, welche in der Folge im Detail bezeichnet sind.
Bekanntlich prägt sich bei der Bragg-Beugung am laufenden Gitter im AOM die Frequenz fÄ0M mit der dieses Gitter durch den Transducer erzeugt wird, der Frequenz f der auf den AOM treffendenLichtwelle je nach Laufrichtung des Gitters additiv oder subtraktiv auf, so dass für die resultierende Frequenz fB der gebeugten Welle gilt: fß = f -tfflOM · Wie wechselwirkt diese frequenzverschobene Welle nun mit dem Aktiven Medium, d.h. wie wirkt sich die Verschiebung auf den Gain aus? Im C02-Laser sind es vor allem zwei Linienverbreiterungsmechanismen, die das Gainprofil g(f - f0) bestimmen, die Dopplerverbreiterung und die
Druckverbreiterung .
Die Dopplerverbreiterung als inhomogene
Linienverbreiterung ergibt für das Gainprofil g(f - f0) ein Gaussprofil gemäß der Funktion g ( f - fo ) G=(irIn 2) f-exp [- In 2]
mit der Resonanzfrequenz f0 und der HalbwertsbreiteAf . Fig 1 illustriert, wie der Gain relativ zum Maximalwert bei f = f0 mit wachsender Frequenzverschiebung gegenüber der Resonanzfrequenz abnimmt. Kommen fÄ0 und Af in die gleiche Größenordnung, erhält diese Tatsache entscheidende
Bedeutung für die Funktion des Lasersystems.
Die Druckverbreiterung als homogene Linienverbreiterung ergibt für das Gainprofil ein Lorentzprofil gemäß der Funktion
Figure imgf000006_0001
Wie Fig. 2 zeigt, besitzt hier die Gainabnahme ein ganz ähnliches Verhalten wie bei der Dopplerverbreiterung, wenn wieder fA0M und Δί in der gleichen Größenordnung liegen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass für Niederdruck-C02- Laser bis etwa 30 mbar die Dopplerverbreiterung dominant ist, bei Mittel- und Hochdrucklasern oberhalb 100 mbar die Druckverbreiterung eine wachsende Rolle spielt. In jedem Falle kann aber davon ausgegangen werden, dass bei den typischen AOM-Frequenzen im Bereich 40 MHz und mehr die resultierende Frequenzverschiebung des gebeugten
Strahlungsbündels signifikant die Verstärkung dieses Bündels im Aktiven Medium reduziert. Eine einfache
Betrachtung soll dies veranschaulichen.
Bei Annahme verlustfreier Verstärkung in einem Aktiven Medium der Länge z kann bei Eintritt einer Leistung Po in das Medium mit dem Gain g im Falle von
Kleinsignalverstärkung die Leistung P(g) am Ausgang gemäß
P (g) = P0 exp (gz) berechnet werden. Die relative Verstärkung P(g) / Po zeigt Fig. 3 als Funktion des Produktes gz. Da in Hochleistungs- C02-Lasern die Kleinsignalverstärkung typisch im Bereich 104 bis 106 liegt, kann sofort abgelesen werden, dass bereits relativ kleine Reduzierungen im gz (z werde als konstant angenommen) um beispielsweise einen Faktor 2 von 10 auf 5 zu einem Absinken der Verstärkung um zwei
Größenordnungen von 104 auf 102 führen. Ein solches
Absinken von g um einen Faktor 2 ergibt sich aber bereits bei Frequenzverschiebungen der mit dem Aktiven Medium wechselwirkenden Strahlung von der Resonanzfrequenz f0 um Af/2 (vgl. Fign. 1 und 2). Im Falle typischer Niederdruck-C02-Laser liegt die
Dopplerverbreiterung und damit Δί des Gainprofils bei etwa 60 MHz, d.h. eine Frequenzverschiebung um 30 MHz (die üblichen Frequenz-Arbeitsbereiche von AOM liegen bei 40 MHz und mehr) reduziert g bereits um einen Faktor 2 und damit die Kleinsignalverstärkung des Aktiven Mediums um etwa einen Faktor 100.
Folgend wird die Bedeutung für den Einsatz von AOM in einem C02-Laser-Materialbearbeitungssystem erläutert. Dem Ziel der Erfindung folgend, müssen zwei Fälle mit völlig unterschiedlichen Anforderungen unterschieden werden. Zur Veranschaulichung können die Figuren 5 und 9 herangezogen werden.
1. Der Einsatz von AOM zur Güteschaltung des C02-Lasers Im Allgemeinen wird die einfachste Variante eingesetzt, bei der der AOM zur Güteschaltung zwischen dem Aktiven Medium und einem Resonator-Endspiegel angeordnet ist und der ungebeugte, transmittierte Strahl zurückgekoppelt wird. Sie versagt allerdings, wenn erstens die
Beugungseffizienz des AOM nicht ausreichend hoch und/oder zweitens der Gain des Aktiven Mediums so hoch ist, dass eine vollständige Unterdrückung der Laserfunktion in den gewünschten Pulspausen durch Aktivierung des AOM, d.h.
Einschaltung hoher Beugungsverluste, unmöglich wird. Diese Situation ist rasch erreicht, wenn man die riesigen oben genannten Kleinsignalverstärkungen bedenkt, die bei kontinuierlichem Pumpen des Aktiven Mediums bereits nach einigen 10 ps auftreten, wenn kein Inversionsabbau
erfolgt. Folge dessen ist das Auftreten statistischer Strahlungsspitzen in der eigentlichen Pulspause (vgl. Fig. 4), eine kontrollierte Güteschaltung ist nicht möglich.
Um das Kontrastverhältnis „An" - „Aus" des
Rückkoppelzweiges praktisch unendlich groß zu machen, bietet es sich sofort an, den gebeugten Strahl des AOM für die Rückkopplung zu nutzen, denn er verschwindet komplett bei Deaktivierung des AOM, ein parasitäres Anschwingen des Lasers ist auch bei sehr hohen Besetzungsinversionen zuverlässig unterdrückt. Diese scheinbar einfache Lösung birgt aber ein großes Problem, nämlich die oben
diskutierte Frequenzverschiebung des gebeugten Strahls! Nimmt man als typisches Beispiel Beugung an einem
laufenden Gitter an, das mit 40 MHz erzeugt wird,
verschiebt sich die Strahlungsfrequenz um genau diese 40 MHz bei einem Beugungsvorgang. Da das Gitter bei der
Rückkopplung zweimal gleichsinnig durchlaufen wird, ergibt sich eine Frequenzverschiebung von sogar 80 MHz. Die
Dopplerbreite des Gain-Profils eines Niederdruck-C02- Lasers liegt aber nur bei ca. 60 MHz, d.h. die gebeugte und wieder in das aktive Medium zurücklaufende Strahlung findet einen sehr niedrigen Gain vor (siehe Fig. 1) und wird deshalb nur sehr schwach verstärkt (siehe Fig.3), eine effiziente Laserfunktion ist nicht möglich.
Die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems besteht in der Nutzung eines AOM-Tandems, d.h. ein erster AOM teilt den ankommenden Strahl in transmittierten und gebeugten Anteil auf, ein unmittelbar dahinter aufgestellter zweiter AOM ist so angeordnet, dass erstens der gebeugte Anteil wieder den optimalen Bragg-Winkel vorfindet und ein zweites Mal gebeugt wird und zweitens die wirksame Richtung des Gitterlaufes bei den zwei AOM genau entgegengesetzt ist, so dass die effektive Frequenzverschiebung des o.g.
Beispiels einmal +40 MHz und einmal -40 MHz, also in der Summe 0 beträgt. Der rücklaufende Strahl findet analoge Verhältnisse vor und der rückgekoppelte Strahl, der insgesamt viermal Beugung erleidet, tritt mit
Frequenzverschiebung 0 wieder in das aktive Medium ein, findet optimalen Gain vor und normale Laserfunktion ist möglich.
Dieses Prinzip funktioniert sogar, wenn man zur
Vereinfachung der Ansteuerung nur mit einem AOM die
Leistung moduliert und den zweiten AOM kontinuierlich laufen lässt, d.h. Letzterer dient praktisch nur zur Kompensierung der Frequenzverschiebung des ersten AOM, mit dem die eigentliche Güteschaltung vorgenommen wird. Der Einsatz eines AOM-Tandems gemäß der Erfindung sichert also erstens eine vollständige Unterdrückung parasitärer Rückkopplungen im Laser und zweitens völlig freie
Steuerbarkeit der Pulsparameter im Rahmen der AOM- Schaltzeiten.
2. AOM-Einsatz zur hocheffizienten Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung Werkstück - Laser
Ein zweiter kritischer Punkt für einen gütegeschalteten C02-Laser stellt in jedem Falle die Strahlungsrückkopplung vom Werkstück in den Laser dar. Diese kann vor allem bei hochreflektierenden Materialien wie Kupfer oder Aluminium und bei ebenen Werkstückoberflächen beträchtliche Werte erreichen, die bis weit über 10% der auf das Werkstück fallenden Strahlungsleistung betragen können. Die übliche Methode für die Lösung der daraus folgenden Probleme, d.h. die Realisierung einer sauberenLaserfunktion mit
„lasergemäßer" Ausbildung einer Wellenfront, die von der gewählten Resonatorkonfiguration bestimmt wird, ist die
Integration einer Kombination aus ATFR-Spiegel („Absorbing Thin Film Reflector" ) und λ/4 - Phasenschieberspiegel in den Strahlengang zwischen Laserausgang und Werkstück.
Diese hat sogar eine Doppelfunktion, da neben der
Strahlungsentkopplung die häufig gewünschte zirkuläre
Polarisation der zum Werkstück laufenden Strahlung erzeugt wird. Diese Form der Entkopplung ist z.B. bei cw-Betrieb des Lasers, bei dem kontinuierlich die Inversion abgebaut und auf einem relativ niedrigen Level gehalten wird, völlig ausreichend. Arbeitet man allerdings mit
Güteschaltung, steigen in den Pulspausen
Besetzungsinversion und damit Gain um Größenordnungen an, die Kleinsignalverstärkung erreicht die oben genannten Werte und selbst kleinste zurückgekoppelte
Strahlungsmengen reichen aus, um zu parasitären
Oszillationen des Lasers zu führen und den
Güteschaltungsprozess empfindlich zu stören. Hier versagt das genannte System, da selbst bei optimaler Justierung gewisse Strahlungsanteile, die durchaus im Prozentbereich der zum Werkstück laufenden Strahlung liegen können, in den Laser zurücklaufen. Die Folge illustriert z.B. Fig. 4: Während das linke Bild ohne Werkstück, also ohne
Strahlungsrückkopplung, eine saubere Impulserzeugung des gütegeschalteten Lasers zeigt, ergibt sich bei Einbringen eines Werkstückes, also bei einer mehr oder weniger großen Strahlungsrückkopplung, die im rechten Bild gezeigte Situation, dass nach dem Güteschaltungsimpuls und einer gewissen Pause, in der sich die Inversion bis zum
kritischen Wert aufbaut, parasitäre Oszillationen
beginnen, welche die gewünschte Laserfunktion unmöglich machen.
Die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems beruht wieder auf der Frequenzverschiebung des gebeugten Strahles in einem AOM. Diesmal wird dieser Effekt zu einer positiven Wirkung auf folgende Weise genutzt. Man ordnet unmittelbar nach dem Laserausgang einen AOM so an, dass die linear polarisierte Strahlung optimal gebeugt wird. Dieser gebeugte Strahlungsanteil, der wieder die geschilderte Frequenzverschiebung aufweist, wird zur Bearbeitung auf das Werkstück geschickt. Dabei sei angemerkt, dass
Frequenzverschiebungen der in Betracht kommenden
Größenordnung keinerlei Auswirkungen auf die
Materialbearbeitung selbst haben. Zurückgeworfene
Strahlungsanteile (reflektiert oder gestreut) treffen ein zweites Mal auf den AOM, die Frequenzverschiebung
verdoppelt sich. Tritt nun dieser frequenzmäßig
modifizierte Strahl in das Aktive Medium, ist seine
Wirkung auf die Besetzungsinversion quasi Null, da er praktisch nicht verstärkt wird. Konkret bedeutet das mit den vorstehend genannten Parametern
Figure imgf000012_0001
40 MHz und Af = 60 MHz, dass die in den Resonator zurücklaufende
Strahlungum mehr als 4 Größenordnungen geringer verstärkt wird, als resonante Strahlung der Frequenz f0.Zur
Veranschaulichung des enormen Unterschiedes zur
klassischen Entkopplung betrachten wir noch einmal die verstärkte Leistung P(g): P(g) = P0 x exp (gz)
l l
„ATFR + λ/4" „AOM"
In der Entkopplungsvariante „ATFR + λ/4-Phasenschieber" wird der . Parameter P0 beeinflusst und proportional zur Änderung von P0 auch P(g) . Im Gegensatz dazu gehen bei der erfindungsgemäßen Lösung die Änderungen im g in die
Exponentialfunktion ein, so dass bereits vergleichsweise geringe Reduzierungen im g mehrere Größenordnungen in der Verstärkung ausmachen.
Die Spezifika des AOM-Einsatzes in einem C02-Laser- Materialbearbeitungssystem gemäß der Erfindung sollen nun an zwei Ausführungsbeispielen, die in den
folgendenZeichnungen schematisch dargestellt sind, näher erläutert werden. In diesen zeigen: Figur 1: Relativer Gain als Funktion der
Frequenzverschiebung für Gaußprofil
Figur 2: Relativer Gain als Funktion der
Frequenzverschiebung für Lorentzprofil
Figur 3: Relative Verstärkung im Aktiven Medium als
Funktion von g z
Figur 4: Zur Strahlungsrückkopplung Werkstück - Laser:
Links ohne, rechts mit Werkstück Figur 5: C02-Laser mit AOM-Güteschaltung
Figur 6: Zur Funktion eines AOM-Tandems zur Güteschaltung Figur 7: Zur Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung
Werkstück - Laser mittels AOM
Figur 8: Komplette Entkopplung mittels AOM, ATFR und λ/4
- Phasenschieber
Figur 9: AOM-Einsatz in einem C02-Laser gemäß
Patentschrift WO 2013/113306 A8
Figur 10: Beispiel zur Unterdrückung der
Strahlungsrückkopplung Werkstück - Laser mittels
AOM bei 4 Teilstrahlen
Fig. 5 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel, das auf dem prinzipiellen Aufbau eines üblichen
gütegeschalteten C02-Lasers basiert, für den eine lineare Anordnung des Resonators „100%-Endspiegel - Aktives Medium - Element zur Güteschaltung - Auskoppelplatte" typisch ist. Die Darstellung zeigt die Einheit zur Rückkopplung I, die an dem einen Ende des Aktiven Mediums angeordnet ist, und die daran anschließende, stark schematisierte Einheit II, die die Strahlführung vom Laser zum Werkstück zeigt. Wie bereits oben dargestellt, wird man beim Einsatz eines AOM als Element zur Güteschaltung mit zwei Problemen konfrontiert. Entweder koppelt man den einfach
transmittierten Strahl, also die 0. Ordnung zurück. Dann wird es bei einem leistungsstarken Laser nicht möglich sein, die Laserfunktion bei maximaler Besetzungsinversion zu unterdrücken, da die Beugungseffizienz üblicher AOM für C02-Laser kaum über 90% liegt und damit die maximal eingebrachten Verluste nicht hoch genug sind. Oder man koppelt den gebeugten Strahl, also die 1. Beugungsordnung zurück mit dem Problem der Frequenzverschiebung und dem dadurch drastisch reduzierten Gain.
Gelöst wird das Problem gemäß der Erfindung durch die in Fig. 5 gezeigte und in Fig.6 in ihrer Funktion näher erläuterte Tandem-Anordnung zweier AOM als
Güteschaltungselement. Dabei fällt der aus Richtung des Aktiven Mediums 1 kommende Strahl 8 auf einen ersten AOM 2, der bei Anlegen einer entsprechenden SchaltSpannung diesen Strahl in die 1. Bragg-Beugungsordnung lenkt.
Dieser Strahl 9 fällt auf einen zweiten AOM 3, der bei Anlegen der Schaltspannung daraus den gebeugten Strahl 10 erzeugt. Nach Teilreflexion an der justierten
Auskoppelplatte läuft der Strahl genau in sich zurück (Strahlen 11, 12 und 13) und sorgt für die Rückkopplung, die für die Laserfunktion erforderlich ist. Entscheidend für die richtige Funktion dieses AOM-Tandems sind zwei Faktoren: Erstens müssen beide AOM genau die gleiche
Anregungsfrequenz für das Beugungsgitter haben und
zweitens müssen die Laufrichtungen beider Gitter
entgegengesetzt sein. Der Begriff der genau gleichen
Anregungsfrequenz bezeichnet dabei insbesondere
Frequenzen, deren Unterschied maximal 100 ppm (bezogen auf die höhere Frequenz) , insbesondere maximal 10 ppm,
vorzugsweise maximal 1 ppm oder 0,1 ppm, beträgt. Dann ist die resultierende Frequenzverschiebung des rückgekoppelten Strahlenbündels 0 wie benötigt. Die jeweiligen Hin- und RückVerschiebungen der Frequenzen um 5f sowie die
sukzessive Abnahme der Leistung P der Strahlen 8 - 13 durch die Beugung an den AOM machen die zugeordneten Darstellungen der qualitativen Abhängigkeiten g(f) und P als Funktion von f deutlich.
Wie bereits oben dargelegt, besteht eine weitere latente Gefährdung des ordnungsgemäßen Güteschaltungsbetriebes des betrachteten CC>2-Lasers in der Rückkopplung von Strahlung vom zu bearbeitenden Werkstück in den Laser. Zu deren außerordentlich effizienten Unterdrückung wird gemäß der Erfindung ein dritter AOM 5 unmittelbar nach der
Laserauskoppelplatte 4 angeordnet. In den Strahlweg zum Werkstück kann noch wahlweise eine Einheit 6 zur weiteren Strahlformung, insbesondere zur Erzeugung der für viele Applikationen erwünschten zirkulären Polarisation der Strahlung auf dem Werkstück 7 und zur Kompensation (z.B. mittels Zylinderlinsen) der häufig für AOM typischen leicht elliptischen Verzerrung des Strahlenbündels, integriert werden.
Die Figuren 7 und 8 illustrieren die Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung noch einmal im Detail. Fig. 7 konzentriert sich auf die Wirkung der Frequenzverschiebung gemäß der Erfindung. Der ausgekoppelte Strahl 16 fällt auf den dritten AOM 5, der bei Anlegen der Schaltspannung den gebeugten und um 5f frequenzverschobenen Strahl 17 auf das Werkstück schickt. Die von dort zurück geworfene
(reflektierte oder gestreute) Strahlung 18 wird im AOM 5 ein zweites Mal gebeugt und erleidet eine zweite Frequenzverschiebung, so dass letztendlich der um 25f frequenzverschobene Strahl 19 in Richtung Auskoppelplatte
4 des Lasers läuft. Analog Fig. 5 wurden auch in Fig. 6 die qualitativen Abhängigkeiten g(f) und P als Funktion von f angegeben. Gemäß der Erfindung muss der AOM 5 so ausgewählt werden, dass die doppelte Frequenzverschiebung 25f mindestens in der Größenordnung der Halbwertsbreite Δί des Gain-Profils liegt. Hierbei bezeichnet der Ausdruck „Größenordnung", dass das Verhältnis 2δί/Δί vorzusgweise im Bereich von 1:10 bis 100:1, insbesondere von 1:1 und/oder bis 10:1, liegen sollte.
Ein wesentlicher Faktor der Anordnung gemäß der Erfindung ist die Tatsache, dass die übliche Umwandlung der linear polarisierten Strahlung des Lasers in zirkulär
polarisierte durch einen hinter AOM 5 angeordneten λ/4- Phasenschieber problemlos möglich ist. Ebenso ist es möglich, die darüber hinausgehende klassische Entkopplung durch eine Kombination „ATFR-Spiegel - λ/4-Phasenschieber" zusätzlich in den Strahlengang einzubringen. Eine solche „Komplett-Version" illustriert Fig. 8. Der vom dritten AOM
5 gebeugte Strahl 22 mit vertikaler linearer Polarisation 23 durchläuft den polarisationsabhängigen Absorber 20 (in Praxis ATFR) quasi verlustfrei und wird anschließend im λ/4-Phasenschieber 21 in den Strahl 24 mit zirkularer
Polarisation 25 transformiert. Nach Wechselwirkung mit dem Werkstück 7 läuft ein gewisser Anteil 26 dieser zirkulär polarisierten Strahlung zurück in Richtung Laser. Beim Durchlaufen des λ/4-Phasenschiebers 21 wird er in einen Strahl 27 mit linear horizontaler Polarisation 28
transformiert, der bei Wechselwirkung mit dem polarisationsabhängigen Absorber weitgehend vernichtet wird. Ein nun bereits sehr stark geschwächter Reststrahl 29 trifft dann wieder auf den AOM 5 und in der Summe der nachstehend noch einmal zusammengefassten Verlustprozesse für den zu vernichtenden rücklaufenden Strahl ergibt sich eine extrem gute Entkopplung des Lasers von dieser
Strahlung:
1. Wie oben dargestellt, verschiebt der AOM 5 die Frequenz des gebeugten Strahles um 5f, die vom Werkstück
zurücklaufende Strahlung folglich um 25f. Was für den Güteschaltungs-AOM nachteilig war, ist hier ein
Riesenvorteil - die in den Laser zurücklaufende Strahlung wird nur minimal verstärkt.
2. Die entkoppelnde Wirkung der Kombination „ATFR-Spiegel - λ/4-Phasenschieber" bleibt voll erhalten.
3. Eine dritte entkoppelnde Wirkung kommt dadurch
zustande, dass die rücklaufende Strahlung durch den
Phasenschieber senkrecht zur hinlaufenden polarisiert ist und deshalb vom AOM 5 nur uneffektiv gebeugt wird, d. h. weniger Strahlung in Richtung Laser läuft. Die Kombination dieser drei Effekte, die rein stationär wirken und keinerlei spezielle zeitliche Ansteuerung des AOM 5 erfordern, führt dazu, dass die Anordnung gemäß der Erfindung die rücklaufende Strahlung um viele
Größenordnungen schwächt, so dass selbst bei maximalem Gain im Aktiven Medium und bei maximaler Rückkopplung (z. B. durch hochreflektierende Metalle wie Kupfer) keine parasitären Oszillationen auftreten.
Unabhängig von dieser systemimmanenten Entkopplung gemäß der Erfindung kann darüber hinaus natürlich die AOM-
Funktion als Schneller Schalter mit Schaltzeiten kleiner 1 voll genutzt, d.h. bei entsprechender Ansteuerung praktisch jeder vom Laser kommende Einzelimpuls nach
Wunsch beeinflusst werden.
Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die beiden AOM zur Güteschaltung direkt dem resonatorinternen Strahlungsfeld mit seiner stets vorhandenen
Leistungsüberhöhung gegenüber der ausgekoppelten
Laserleistung ausgesetzt. Solche Lasersysteme sind wegen der relativ geringen Strahlungsbelastbarkeit von Germanium auf mittlere Ausgangsleistungen von wenigen hundert Watt beschränkt. Wie oben bereits angemerkt, liefert das
Prinzip des Lasers gemäß WO 2013/113306 A8 einen Ausweg aus diesem Dilemma und ermöglicht mittlere
Ausgangsleistungen bis in den kW-Bereich. Der in
vorstehendem Patent beschriebene Problemkreis bleibt aber auch für diesen Lasertyp voll gültig, und um dessen potentielle Möglichkeiten voll ausnutzen zu können, sind die Lösungen gemäß der Erfindung besonders nützlich.
Diese Situation soll in einem zweiten Ausführungsbeispiel kurz diskutiert werden. Fig. 9 zeigt den prinzipiellen Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel. Er besteht hier vor allem in der veränderten Auskopplung des
Laserstrahles über einen Dünnfilmpolarisator (Thin Film Polarizer - TFP) 30. Der TFP 30 teilt die schwach
elliptisch polarisierte, aus dem Aktiven Medium kommende Strahlung in einen leistungsstarken, senkrecht zur
Zeichenebene polarisierten Strahl, der ausgekoppelt wird, und einen relativ schwachen, in der Zeichenebene
polarisierten Strahl, der rückgekoppelt wird, auf. Dadurch ist die Strahlungsbelastung auf dem für die Güteschaltung verantwortlichen AOM-Tandem 2, 3 auch bei vergleichsweise hohen Ausgangsleistungen relativ gering. Die Wirkungen der Einheiten I und II sind ansonsten die gleichen, wie vorstehend beschrieben. Lediglich die Auskoppelplatte 4 ist hier durch einen 100%-Endspiegel 46 ersetzt. In dieser Darstellung ist zu beachten, dass wegen der
Polarisationsabhängigkeit der AOM-Funktion der dritte AOM 5 real um 90° um die Strahlachse zu drehen ist, aus
Gründen der Anschaulichkeit wurde darauf in Fig. 9 verzichtet .
Bezüglich dieses zweiten Ausführungsbeispiels soll noch folgender Aspekt diskutiert werden. Wie erwähnt, zeichnet sich der Laser gemäß Fig. 9 typischerweise durch relativ hohe mittlere Leistungen aus. Ordnet man nun den externen AOM 5 unmittelbar am Laserausgang an, würde die nutzbare mittlere Leistung durch die relativ geringe
Strahlungsbelastbarkeit des Germanium-Kristalls
empfindlich eingeschränkt, die Vorzüge des Lasers könnten nicht voll ausgereizt werden. Hier bietet sich eine in der Praxis oft eingesetzte Anordnungsvariante an, um mit
Lasern hoher Leistung so effizient wie möglich zu arbeiten - die definierte Strahlteilung. Strahlteiler auf ZnSe- Basis sind bis in den kW-Bereich belastbar und deshalb geeignet, beispielsweise einen Strahl der mittleren
Leistung 1,2 kW durch eine Teilerkaskade in 4 Teilstrahlen von jeweils 300 W, die von einem AOM gut verkraftet werden, aufzuteilen (vgl. Fig. 10). Dazu benötigt man z. B. bei der in Fig. 10 dargestellten Variante drei
Strahlteiler 32, 33 und 34 , vorzugsweise mit einem
Teilerverhältnisvon jeweils 50 : 50, und drei
Umlenkspiegel 35, 36 und 37. Jeder Teilstrahl 38 bis 41 erhält dann seinen eigenen AOM 42 bis 45. Voraussetzung für die Nutzung dieser Methode ist natürlich, dass die jeweils angestrebte Applikation mit den Teilstrahlen durchführbar ist.
Bezugszeichenliste
1 Aktives Medium
2 Erster AOM
3 Zweiter AOM
4 Auskoppelplatte
5 Dritter AOM
6 Strahlformungseinheit
7 Werkstück
8 Rückzukoppelnder Strahl
9 Strahl nach Beugung am ersten AOM
10 Strahl nach Beugung am zweiten AOM
11 An Auskoppelplatte reflektierter Strahl
12 Rücklaufender Strahl nach Beugung am zweiten AOM
13 Rücklaufender Strahl nach Beugung am ersten AOM
14 Richtung der 0. Beugungsordnung des ersten AOM
15 Richtung der 0. Beugungsordnung des zweiten AOM 16 Ausgekoppelter Laserstrahl
17 Laserstrahl nach Beugung am dritten AOM
18 Vom Werkstück zurückgeworfene Strahlung
19 Vom Werkstück zurückgeworfene Strahlung nach Beugung am dritten AOM
20 Polarisationsabhängiger Absorber (ATFR)
21 λ/4-Phasenschieber
22 Am dritten AOM gebeugter Strahl
23 Horizontale Polarisationsrichtung
24 Auf Werkstück auftreffender Strahl
25 Zirkulare Polarisation
26 Vom Werkstück zurückgeworfene Strahlung
27 Vom Werkstück zurückgeworfene Strahlung nach Passieren des λ/4-Phasenschiebers
28 Vertikale Polarisationsrichtung
29 Durch ATFR stark geschwächter Strahl
30 Dünnfilmpolarisator (Thin Film Polarizer - TFP)
31 Laserstrahl
32, 33, 34 Strahlteiler
35, 36, 37 Umlenkspiegel
38, 39, 40, 41 Teilstrahlen
42, 43, 44, 45 Akustooptische Modulatoren f Strahlungsfrequenz
fo Resonanzfrequenz des Aktiven Mediums
fB Frequenz der gebeugten Welle
fAOM Frequenz der Schallwelle im Ge-Kristall
g Gain des Aktiven Mediums
P Strahlungsleistung
Po Strahlungsleistung am Eingang des Aktiven Mediums
P(g) Strahlungsleistung als Funktion des Gains z Länge des Aktiven Mediums
AOM Akustooptischer Modulator
ATFR AbsorbingThin Film Reflector
cw Kontinuierliche Strahlung („continuouswave"
EOM Elektrooptischer Modulator
TFP Dünnfilmpolarisator („Thin Film Polarizer")
Af Frequenz-Halbwertsbreite des Gains
5f Frequenzverschiebung des gebeugten Strahls λ Wellenlänge

Claims

Patentansprüche
Gütegeschaltetes C02-Lasersystem, insbesondere C02- Laser-Materialbearbeitungssystem, mit AJustooptischen Modulatoren (AOM) zur Strahlformung dadurch gekennzeichnet, dass a) für die Güteschaltung zwei hintereinander und vorzugsweise nahe einem Resonatorendspiegel (46) oder einer Laserauskoppelplatte (4) angeordnete AOM (2, 3), die durch gleiche Anregungsfrequenzen und
entgegengesetzte Ausbreitungsrichtungen der
akustischen Welle im Kristall charakterisiert sind, mit der Maßgabe angeordnet sind, dass das ein auf den ersten AOM (2) einlaufende Strahlenbündel (8) gebeugt, ein hieraus resultierendes gebeugtes Strahlenbündel (9) am zweiten AOM (3) nochmals gebeugt und dieses aus der zweifachen Beugung resultierende Bündel (10) nach Reflexion am Resonatorendspiegel (46) oder der
Laserauskoppelplatte (4) ■ in sich zurückgeworfen wird und als Bündel (11), (12) und (13) nach jeweils nochmaliger Beugung an den zwei AOM (2) und (3) in ein Aktives Medium (1) zurückgekoppelt und damit
Laserfunktion realisiert wird, wenn eine entsprechende Schaltspannung an die beiden AOM (2) und (3) anlegt und bei Abschalten dieser Spannung die Laserfunktion unterbrochen wird und b) ein so erzeugter und mittels eines
Auskoppelelementes (4, 30) ausgekoppelter Laserstrahl
(16) vor seiner Anwendung, vorzugsweise zur
Lasermaterialbearbeitung, durch einen dritten AOM (5) geschickt wird, der außerhalb des Resonators und vorzugsweise unmittelbar hinter dem Auskoppelelement
(4, 30) angeordnet ist, wobei zur Anwendung der mittels einer entsprechenden Schaltspannung am dritten AOM (5) gebeugte Strahl (17) genutzt wird und die Anregungsfrequenz der akustischen Welle im Kristall dieses dritten AOM (5) mindestens in der Größenordnung der Frequenz-Halbwertsbreite des Gain-Profils des Aktiven Mediums (1), vorzugsweise zwischen 40 und 100 MHz, liegt.
Gütegeschaltetes C02-Laser-Materialbearbeitungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass nur der erste (2) oder der zweite (3) AOM zur
Leistungsmodulation / Güteschaltung des Lasers durch entsprechende variable Ansteuerung der Schaltspannung genutzt wird und der jeweils andere AOM mit einer konstanten Schaltspannung arbeitet.
Gütegeschaltetes C02-Laser-MaterialbearbeitungsSystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der erste (2) oder der zweite (3) AOM zur Güteschaltung des Lasers durch variable Ansteuerung der Schaltspannung genutzt wird und der jeweils andere AOM so angesteuert wird, dass frei wählbar Einzelpulse oder Pulsgruppen selektiert werden und/oder die Leistung
gütegeschalteten Strahlung variiert wird
Gütegeschaltetes C02-Laser-MaterialbearbeitungsSystem nach einem der Ansprüche 1 - 3 dadurch gekennzeichnet, dass der externe dritte AOM (5) so angesteuert wird, dass die vom Laser erzeugten Strahlungsimpulse in ihrer Leistung dem jeweiligen Anwendungszweck
angepasst werden, insbesondere der Leistungsverlauf innerhalb der Impulse, speziell die Spitzenleistung der Güteschaltungsspitze, weitgehend frei wählbar ist.
Gütegeschaltetes C02-Laser-Materialbearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 1 - 4 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem dritten AOM (5) und dem Werkstück (7) eine Kombination aus ATFR-Spiegel (20) und λ/4- Phasenschieber (21) angeordnet wird.
Gütegeschaltetes C02-Laser-MaterialbearbeitungsSystem nach einem der Ansprüche 1 - 4 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem dritten AOM (5) und dem Werkstück (7) in der Strahlformungseinheit (6) optische
Elemente, vorzugsweise Zylinderlinsen, zur
Kompensation der vom AOM (5) verursachten
Strahldeformationen angeordnet sind. Gütegeschaltetes C02-Laser-MaterialbearbeitungsSystem nach einem der Ansprüche 1 - 3 dadurch gekennzeichnet, dass der externe dritte AOM (5) ersetzt wird durch eine AOM-Kaskade aus zwei oder mehr AOM und der ausgekoppelte Laserstrahl (16) durch Strahlteiler und Umlenkspiegel so in zwei oder mehr Teilstrahlen aufgeteilt wird, dass jeder AOM mit einem der
Teilstrahlen beaufschlagt wird.
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