DE19514624C2 - Anordnung zur Formung des geometrischen Querschnitts eines Strahlungsfeldes eines oder mehrerer Gaslaser(s) - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Formung des geometrischen Querschnitts eines Strahlungsfelds eines oder mehrerer Gaslaser(s), insbesondere ei­ nes Strahlungsfelds eines Arrays bzw. einer Feldanordnung aus mehreren Gaslasern, mit einer Optik zur Erzeugung eines definierten Querschnitts eines Strahlungsfelds, wo­ bei die Optik refraktive Elemente aufweist.

Einzelne Laserstrahlungsquellen sind nur begrenzt zu höheren Leistungen skalierbar. Dies gilt insbesondere für Gaslaser.

Um mit den angesprochenen Gaslasern, insbesondere bei solchen einer nied­ rigen Leistungsklasse, unter Beibehaltung einer hohen Strahlqualität ausgedehnte Strahlungsfelder mit einer hohen Leistungsdichte zu erzielen, ist es notwendig, mehrere Gaslaser zu Arrays bzw. Feldanordnungen zusam­ menzufügen.

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 Strahlqualität. 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 Resonatorlange, 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 Resonatorlangen 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.

Eine weitere Möglichkeit, die Laserstrahlungsleistung zu skalieren, be­ steht darin, einen sogenannten Oszillator-Verstarker 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-Verstarker-Prinzip können einige hundertfache Verstärkungen erzielt werden. Demgegenüber betragt 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.

Eine dritte Alternative, eine Laserstrahlungsquelle zu skalieren, stellt das Laser-Array dar. Hierbei handelt es sich um mehrere Laser-Oszillato­ ren, die raumlich 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 40% 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 Justierprobleme, 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 Langen 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 realisierbar und technisch zu beherrschen sind.

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.

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.

Aus der JP-A-62-65012 ist eine Anordnung bekannt, bei der zunächst die Strahlung ein­ zelner Halbleiterlaser, die zu einem Halbleiterlaserfeld zusammengesetzt sind, über je­ weils eine Linse kollimiert wird und als parallele Strahlen in ein refraktives Prisma 5 ein­ gestrahlt wird; der kollimierte Strahl wird als ganzer Querschnitt reduziert. Ausgangssei­ tig des Prismas wird das Strahlungsfeld über eine weitere Linse auf einen Punkt fokussiert.

Aus der JP-A-61-212820 ist eine Strahlführungsanordnung bekannt, mit der die Strah­ lung einzelner Halbleiterlaser einer Feldanordnung auf eine refraktive Optik geführt wird, um ausgangsseitig parallele Strahlen zu erzeugen, die über eine weitere diffraktive Platte und eine optische Umlenkeinrichtung sowie eine Fokussierungslinse auf einen Punkt einer Arbeitsebene fokussiert werden.

In der DE-A1 40 23 904 ist ein Spiegel zur Veränderung der geometrischen Gestalt ei­ nes Lichtbündels beschrieben. Dieser Spiegel besteht aus mehreren spiegelnden Berei­ chen, wobei diese Bereiche streifenförmige Segmente sind. Die streifenförmigen Seg­ mente sind axial stufenförmig gegeneinander versetzt, so daß hinter jedem Segment ein Teil des folgenden Segments abgeschattet wird. Ein einfallendes Lichtbündel fällt auf mehrere dieser Segmente, die so ausgerichtet sind, daß das reflektierte Lichtbündel al­ ler Segmente auf ein und demselben Teilbereich einer Achse abgebildet wird. Durch den stufenförmigen Aufbau dieses Spiegel sollen im Linienfokus, der erzeugt wird, ent­ stehende axiale Interferenzstrukturen feiner strukturiert werden.

Ausgehend von dem vorstehend angeführten Stand der Technik und der be­ schriebenen Problematik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, mit der die ins­ besondere von mehreren Gaslasern abgegebene Strahlung, aber auch die Strahlung, die von einem Gaslaser (entsprechend in Strahlungsanteile unterteilt) abgegeben wird, mit einfachen und kostengünstigen Maßnahmen zu Strahlungsfeldern einer gewünschten Anordnung und Verteilung der Lei­ stungsdichte und Strahlqualität transformiert und den jeweiligen Erfor­ dernissen angepaßt werden kann.

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 jeweiligen, von den ersten Reflexionsflächen reflektierten Strah­ lungsgruppen gegenüber den vorgegebenen Strahlungsgruppen zueinander versetzt sind, daß die von den ersten Reflexionsflächen reflektierten Strahlungsgruppen grup­ piert und jede Strahlungsgruppe jeweils auf ein ihr zugeordnetes, zweites reflektives Element mit einer zweiten Reflexionsfläche gerichtet ist, wobei die zweiten Reflexions­ flächen in Ebenen angeordnet sind, die einen Versatz und/oder eine Verkippung derart zueinander aufweisen, daß die Strahlungsgruppen mit einem Versatz im wesentlichen senkrecht zu dem ersten Versatz von den zweiten Reflexionsflächen abgestrahlt werden.

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 reflec­ 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 Richtungskomponente 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 Raumrichtungen senkrecht zu der ur­ sprünglichen Ausbreitungsrichtung 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.

Obwohl die einzelnen Strahlungsquellen und somit deren Strahlungsquer­ schnitte einen bestimmten Abstand zueinander haben, kann mit diesen Maß­ 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.

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.

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.

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.

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.

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.

Als einfaches, reflektives Element, durch das die einzelnen Reflexions­ flächen gebildet und geformt werden können, hat sich ein treppenstufenar­ 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 Kunststoffträger, die beispielsweise mittels Spritzgießtechniken hergestellt werden können, ergibt sich eine sehr kostengünstige Anord­ nung.

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.

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.

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.

Um entweder gleichförmige Strahlungsfelder 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.

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 Querschnittsflächen 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 Reflexionsfläche des jeweiligen reflektiven Elements unter einem Einfallswinkel ungleich 0° derart eintritt, daß annähernd die gesamte Breite der Reflexionsfläche des reflektiven Elements ausgeleuchtet ist.

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.

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.

Die reflektiven Elemente, wie sie entsprechend der erfindungsgemäßen Anordnung eingesetzt 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.

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 den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1A bis 1E schematisch verschiedene ein- und zweidimensionale Laserarrays, in Verbindung mit denen die erfindungsgemäßen Anordnungen einsetzbar sind,

Fig. 2A, 2B und 2C schematische Darstellungen verschiedener Gas­ laser-Feldanordnungen,

Fig. 3A 3B eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anord­ nung zur Formung und Führung eines Strahlungsfelds eines ein­ dimensionalen, geradlinigen Laserarrays, das in den Fig. 1A oder 1B dargestellt ist, unter Verwendung eines ersten Elements (Fig. 2A) und eines nachgeordneten zweiten Elements (Fig. 2B),

Fig. 4 eine Ausführungsform eines Treppenstufenspiegels, bei dem die einzelnen Spiegelflächen einen unterschiedlichen Versatz zu­ einander haben und mit der der Füllfaktor erhöht wird,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform ähnlich der Ausführungsform der Fig. 4 mit einer anderen Gruppierung des Strahlungsfeldes ausgangsseitig der Spiegelflächen,

Fig. 6 die Anordnung der Fig. 4, wobei jeder Spiegelfläche des Trep­ penstufenspiegels ein lineares Laserarray zugeordnet ist,

Fig. 7 die Anordnung nach der Fig. 6, wobei das eine treppenförmige Spiegelelement eine weitere Abstufung aufweist,

Fig. 8 eine Schnittdarstellung eines ersten und eines zweiten reflek­ tiven Elements, die unter einem Winkel von 90° zueinander ange­ ordnet sind, wobei die rechte Darstellung eine Draufsicht auf Reflexionsflächenausrichtung des Sichtpfeils VIII zeigt,

Fig. 9 die Anordnung gemaß der Fig. 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;

Fig. 10 eine perspektivische Darstellung eines Treppenstufenspiegels mit im Querschnitt sagezahnförmig verlaufenden Reflexionsflä­ chen,

Fig. 11 und Fig. 12 jeweils einen Treppenstufenspiegel mit konkav gekrümmten Spiegelflächen,

Fig. 13 einen Treppenstufenspiegel, bei dem die einzelnen Spiegelflä­ chen um eine gemeinsame Achse jeweils um einen gleichen Winkel zueinander verschwenkt sind, und

Fig. 14 eine weitere Ausführungsform eines Treppenstufenspiegels, bei dem die einzelnen Spiegelflächen einen unterschiedlichen Ver­ satz zueinander haben und unterschiedlich zueinander geneigt sind.

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.

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 Fig. 1A bis 1E darge­ stellt.

Hierbei kann man lineare Feldanordnungen, wie sie in den Fig. 1A und 1C dargestellt sind, doppelt-lineare Feldanordnungen, wie dies beispiels­ weise in Fig. 1B dargestellt ist, radiale Feldanordnungen entsprechend der schematischen Darstellung der Fig. 1D sowie zweidimensionale Arrays gemäß der schematischen Darstellung der Fig. 1E unterscheiden.

Ein lineares Array, wie es die Fig. 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.

Soweit im Rahmen dieser Beschreibung der Begriff "Füllfaktor" verwendet wird, so ist hierunter das Verhältnis der Strahlquerschnittsfläche der einzelnen Strah­ lungsquellen, in den Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet, zu der Gesamtfläche, die durch die Einzelstrahlungsquellen 1 aufgespannt wird, zu verstehen.

Ein Nachteil eines linearen Arrays gemäß Fig. 1A aus Einzelstrahlungs­ quellen ist derjenige, daß in der Längsrichtung die Strahlqualität 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 Fig. 1B, oder insbesondere Arrays, die aus mehr als zwei linearen Einzelarrays zusammengesetzt sind, wie dies in der Fig. 1E dargestellt ist, weisen den Nachteil der geringen Zugänglichkeit der inneren Einzel­ strahlungsquellen auf, um diese beispielsweise zu kühlen. Um die Kühlmaß­ nahmen und die erforderlichen Maßnahmen zur Anregung zu erfüllen, müssen die Abstände D (siehe Fig. 1A) der Einzelstrahlungsquellen 1 zueinander vergrößert werden, wodurch natürlich der Füllfaktor am Ort der Strah­ lungsemission herabgesetzt wird.

Eine weitere Ausführungsform einer Anordnung ist in Fig. 1D dargestellt. Die einzelnen Quellen 1 besitzen einen kreissegmentförmigen Emissions­ querschnitt, die um eine zentrale Achse herum angeordnet sind.

Wie anhand der Fig. 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.

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.

Bevorzugt werden in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Anordnung dif­ fusionsgekühlte CO₂-Laser als Einzelstrahlungsquellen eingesetzt, bei denen die Verlustwärme durch Wärmediffusion zu gekühlten Außenflächen abgeführt wird, weshalb sie im Gegensatz zu konvektiv gekühlten CO₂-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 CO₂-Laser zu Feldanordnungen zusammengestellt wer­ den müssen, wozu deren geringer Preis wiederum von Vorteil ist.

Die Anregung eines CO₂-Lasers erfolgt besonders zweckmäßig durch metal­ lische Elektroden, die in den Fig. 2A, 2B und 2C mit dem Bezugszei­ chen 2 bezeichnet sind, zwischen denen ein elektrisches Hochfrequenzwech­ selfeld 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 Al₂O₃-Keramik, ersetzt werden. Weiterhin können die metallischen Elektroden 2 gekühlt ausgeführt werden und stellen dann eine Wärmesenke für die Verlustwärme dar.

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 (Wellenlelter). Wellenleiter typischer Abmessungen reichen bis zu 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.

Besonders vorteilhaft ist die Ausführung eines linearen Arrays gemäß den Fig. 1A und 1C oder eines Arrays aus mehreren, parallel zueinander angeordneten linearen Arrays, wie es die Fig. 1B und 1E zeigen, wenn die einzelnen Quellen über einen stabilen Resonator verfügen. Die stabile Richtung entspricht hierbei, wie dies in der Fig. 2B rechts angedeutet ist, der Array- bzw. Feldanordnungsrichtung 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 Fig. 2B dargestellt ist.

Die günstigste Ausführungsform, in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Anordnung, die nachfolgend beschrieben wird, einsetzbar ist, ist eine doppel-lineare Feldanordnung gemäß der Fig. 1B, die konstruktiv in ihrem Aufbau schematisch in Fig. 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.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die in den Fig. 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 Fig. 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 Fig. 3A links unten darge­ stellt ist, treppenstufenartig zueinander versetzt sind.

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 Strahlungsgruppen so erfolgte daß die Strahlungsquerschnitte in einer Abbildungsebene, die in Fig. 3B links dargestellt ist, untereinander in der Gruppierung zwei-drei-zwei- Strahlungsfelder zusammengeschoben werden, so daß ein annähernd kreisför­ miges Strahlungsfeld gebildet wird.

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 Fig. 3B darge­ stellt ist, ist das zweite Element 11 aus drei einzelnen zweiten reflek­ tiven Elementen 12 zusammengesetzt.

Wie die Fig. 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 übereinanderge­ 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 Fig. 3A und 3B dargestellt ist, können andere Strahlgeometrien, ausgehend von einer linearen Anordnung, gebildet werden.

Beispielsweise können aus einer linearen Strahlungsquelle, die mit neun Strahlungsanteilen zusammengesetzt ist, quadratische Strahlungsfelder durch die zweifache Transformation, wie sie anhand der Fig. 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 (Fig. 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.

Anhand der Fig. 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.

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.

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.

Betrachtet man Feldanordnungen, die aus Laserarrays aufgebaut sind, bei­ spielsweise in der Form, wie sie in den Fig. 1B und 1E dargestellt ist, so beträgt der Füllfaktor thermisch bedingt kleiner 1. Dadurch ver­ ringert sich die Strahlqualität gegenüber einem theoretischen Fall einer Belegungsdichte von 100% Um den Füllfaktor zu erhöhen und damit eine hohe Strahlqualität aufrechtzuerhalten, ist eine Anordnung aus reflekti­ ven Elementen 14 von Vorteil, die in Fig. 4 dargestellt ist.

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 100% 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 Fig. 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.

Während anhand der Fig. 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 Fig. 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.

Mit dieser Anordnung wird ausgangsseitig, verglichen mit der Eintritts­ seite, auch der Füllfaktor erhöht, gleichzeitig aber auch ein Versatz erreicht (siehe Fig. 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.

In Fig. 6 ist ein schematischer Aufbau eines reflektiven Elements bzw. eines Treppenstufenspiegels 16 mit drei reflektiven Flächen 14 (entspre­ chend Fig. 4 und 5) dargestellt. In diesem Fall ist, im Gegensatz zu der Ausführung, wie sie beispielsweise in Fig. 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 Fig. 6 nur in einer Richtung vorgenommen, erhöht werden.

In Fig. 7 ist der obere Teil des Treppenstufenspiegels 16 der Fig. 6 vergrößert dargestellt. Während die einzelnen, jeder Stufe zugeordneten reflektiven Flächen 14 des Treppenstufenspiegels 16 der Fig. 6 In einer Ebene liegen, ist in der Ausführungsform der Fig. 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 Fig. 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 Eintrittsstrahlung 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 Fig. 8 und 9 verdeutlicht ist.

Basierend auf solchen ersten und zweiten reflektiven Elementen 19 und 20 kann, entsprechend den vorstehend beschriebenen Treppenstufenspiegeln, ein Element aufgebaut werden, wie es in Fig. 10 dargestellt ist. Dieses Doppelelement 21 besitzt mehrere erste Elemente 19 und mehrere zweite Elemente 20 (in Fig. 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 Strahlungsgruppen, 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.

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 Fig. 11 und 12 zeigen.

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.

In Fig. 13 ist eine weitere Ausführungsformen eines Treppenstufenspie­ gels 22 mit fünf 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 Fig. 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.

Weiterhin können, im Gegensatz zu der Darstellung der Fig. 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.

Die Fig. 14 zeigt ein Beispiel eines weiteren Treppenstufenspiegels 26 mit fünf 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 Fig. 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.

Claims (19)

1. Anordnung zur Formung des geometrischen Querschnitts eines Strahlungsfelds ei­ nes oder mehrerer Gaslaser(s), insbesondere eines Strahlungsfelds eines Arrays bzw. einer Feldanordnung aus mehreren Gaslasern, mit einer Optik zur Erzeu­ gung eines definierten Querschnitts eines Strahlungsfelds, wobei die Optik reflekti­ ve Elemente aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsfeld (7) in min­ destens zwei Strahlungsanteile gemäß einer Vorgabe gruppiert ist, daß jede Strah­ lungsgruppe auf ein erstes reflektives Element mit einer ersten Reflexionsfläche (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 zu­ einander aufweisen, daß die jeweiligen, von den ersten Reflexionsflächen (9; 14; 19; 23; 27) reflektierten Strahlungsgruppen gegenüber den vorgegebenen Strah­ lungsgruppen zueinander versetzt sind, daß die von den ersten Reflexionsflächen reflektierten Strahlungsgruppen grup­ piert und jede Strahlungsgruppe jeweils auf ein ihr zugeordnetes, zweites reflekti­ ves Element mit einer zweiten Reflexionsfläche (12; 14; 20; 23; 27) gerichtet ist, wobei die zweiten Reflexionsflächen in Ebenen angeordnet sind, die einen Versatz und/oder eine Verkippung derart zueinander aufweisen, daß die Strahlungsgrup­ pen mit einem Versatz im wesentlichen senkrecht zu dem ersten Versatz von den zweiten Reflexionsflächen (9; 14; 19; 23; 27) abgestrahlt werden.

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.

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-Austrittsflächen der Laser (1) aufweisen.

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.

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.

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.

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.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen konkav oder konvex gekrümmte Flächenbe­ reiche sind.

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.

10. Anordnung nach einem der Anspruche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen (27) der einzelnen reflektiven Elemente senkrecht auf einer gemeinsamen Ebene (28) stehen und zueinander geneigt sind.

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.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsgruppen (19) ein streifenförmiges Strahlungs­ feld (18) bilden.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strah­ lungsgruppen (19) gleiche Größenausdehnung aufweisen.

14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsgruppen (19) in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind.

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.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere streifenförmige Strahlungsfelder (17) parallel zueinander angeordnet sind.

17. Anordnung nach einem der Anspruche 1 bis 16, 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.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, 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.

19. Anordnung nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, daß die Refle­ xionsflächen jeweils auf einem gemeinsamen Träger aufgebracht sind.