DE19910725A1 - Aperture for high density laser radiation minimizes absorption heating - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Apertur für Laserstrahlung hoher Strahlungsdichte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Modenblenden für Hochleistungs-Laseroszillatoren bzw. Hochleistungs-Laserverstärkern. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Aperturen für die Einkopplung der Strahlung von Hochleistungsdiodenlasern in Fasern. Weiterhin können die Aperturen mit Vorteil zur Charakterisierung von Strahlungsfeldern oder als Raumfilter oder Blenden für Laseroszillatoren oder Oszillator-Verstärkern eingesetzt werden.The invention relates to an aperture for laser radiation with high radiation density the preamble of claim 1. Preferred fields of application are mode diaphragms for high-power laser oscillators or high-power laser amplifiers. Another one Areas of application are apertures for coupling the radiation of High power diode lasers in fibers. Furthermore, the apertures can be used advantageously Characterization of radiation fields or as a spatial filter or aperture for Laser oscillators or oscillator amplifiers can be used.
Allgemein bekannt sind metallische Aperturen die die Strahlung diffus reflektieren und entsprechend ihres Absorptionskoeffizienten absorbieren. Insbesondere bei Laser strahlung hoher Strahlungsdichte führt die Strahlungsabsorption jedoch zu einer erheblichen Erwärmung der Apertur, welche sich in einer nur begrenzten mechanischen Formstabilität äußert. Die thermisch bedingte Krümmung der Apertur führt zum Beispiel zu einer Fokusverschiebung und schlechterer Modenselektion bei Verwendung der Apertur als Modenblende. Weiterhin führt die Erwärmung zu einer Ablösung von Aperturmaterial, welches sich an anderer Stelle im optischen System niederschlägt und es darüber in seiner Funktion beeinträchtigt oder sogar unbrauchbar macht. Benutzt man Aperturen für die ortsaufgelöste Charakterisierung von Laserstrahlung, zum Beispiel über Zuhilfenahme eines Shack-Hartmann-Sensors, so führt die thermische Verformung zu erheblichen Meßfehlern.Metallic apertures which diffusely reflect the radiation are well known absorb according to their absorption coefficient. Especially with lasers However, radiation of high radiation density leads to radiation absorption considerable warming of the aperture, which results in only a limited mechanical Dimensional stability expresses. The thermal curvature of the aperture leads, for example to a focus shift and poorer mode selection when using the Aperture as a fashion aperture. Furthermore, the heating leads to a detachment from Aperture material which is reflected elsewhere in the optical system and it affects its function or even makes it unusable. Used apertures for the spatially resolved characterization of laser radiation, for Example using a Shack-Hartmann sensor, so the thermal Deformation to considerable measurement errors.
Eine geringere Strahlungsabsorption kann durch eine Steigerung der Reflektivität erreicht werden, was bei metallischen Aperturen durch Polierung der Oberfläche möglich ist. Die Steigerung der Reflektivität ist jedoch nur mäßig.Lower radiation absorption can be achieved by increasing the reflectivity can be achieved, which is possible with metallic apertures by polishing the surface is. However, the increase in reflectivity is only moderate.
Weiterhin ist bei Aperturen das zusätzliches Aufbringen einer Hochreflexions- (HR-) beschichtung bekannt. Eine HR-Beschichtung besteht im einfachsten Fall aus zwei Schichten: eine hochbrechende Schicht auf der der Strahlung zugewandten Seite, und eine niedrigbrechende Schicht auf der Innenseite. Für die reflexionssteigernde Wirkung werden die im Schichtsystem auftretenden Interferenzen nutzbar gemacht. Komplexere Schichtsysteme bestehen aus 20-30 Schichten und können grundsätzlich eine Reflektivität von ca. 99,99% erreichen. Derartigen HR-Beschichtungen haftet jedoch der Nachteil an, daß es insbesondere bei Laserstrahlung hoher Strahlungsdichte zu einer erheblichen Erwärmung des Schichtsystems und daraus resultierend zu großen Problemen mit dessen Haftung am metallischen Substrat kommt. Beispielsweise gibt es solche Probleme bei leistungsstarken CO2-Lasern mit Leistungen im Kilowattbereich, aber auch bei miniaturisierten Diodenlasern wegen der deutlich kleineren Apertur massen. Aus diesen Gründen können die bekannten HR-Schichten für derartige Fälle nicht oder nur mit großen Einschränkungen eingesetzt werden.Furthermore, the additional application of a high reflection (HR) coating is known for apertures. In the simplest case, an HR coating consists of two layers: a high-index layer on the side facing the radiation and a low-index layer on the inside. The interferences occurring in the layer system are used for the reflection-enhancing effect. More complex layer systems consist of 20-30 layers and can generally achieve a reflectivity of approx. 99.99%. Such HR coatings, however, have the disadvantage that, particularly in the case of laser radiation with high radiation density, the layer system is heated considerably and, as a result, there are great problems with its adhesion to the metallic substrate. For example, there are such problems with powerful CO 2 lasers with outputs in the kilowatt range, but also with miniaturized diode lasers because of the significantly smaller aperture dimensions. For these reasons, the known HR layers cannot be used for such cases or can only be used with great restrictions.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Probleme nach dem Stand der Technik weitestgehend zu vermeiden und eine Apertur zur Verfügung zu stellen, welche sich auch bei Laserstrahlung höchster Strahlungsdichte möglichst wenig aufheizt.The invention is based on the problem of the prior art to be avoided as far as possible and to provide an aperture which heats up as little as possible even with laser radiation of the highest radiation density.
Eine weitere Aufgabe besteht darin eine Apertur zur Verfügung zu stellen, an der HR- Beschichtungen auch bei Laserstrahlung hoher Strahlungsdichte sehr gut haften bzw. Another task is to provide an aperture at which HR Coatings adhere very well even with laser radiation with high radiation density or
nicht beschädigt werden, so daß auch gute HR-Beschichtungen mit Reflektivitäten größer 99,99% genutzt werden können.not be damaged, so that even good HR coatings with reflectivities greater than 99.99% can be used.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß sich die genannten Probleme nach dem Stand der Technik durch eine Apertur vermeiden lassen, bei der bei vorgegebener Dicke der von der Apertur absorbierte Strahlungsanteil zwischen 1% und 0% liegt, bei der bei dieser vorgegebenen Dicke der vom Aperturmaterial absorbierte Strahlungsanteil kleiner 1% ist, und bei der ein Bereich der Aperturoberfläche zur Umlenkung bzw. Auskopplung der unerwünschten Strahlungsanteile vorgesehen ist.According to the invention, it was recognized that the problems mentioned are based on the prior art Have technology avoided through an aperture in which, for a given thickness, the of the aperture absorbed radiation share is between 1% and 0%, with that specified thickness of the radiation fraction absorbed by the aperture material is less than 1% is, and in which a region of the aperture surface for deflecting or decoupling the unwanted radiation components is provided.
Durch die Wahl der erfindungsgemäßen Apertur wird das Grundproblem einer Erwärmung durch auftreffende elektromagnetische Strahlung effektiv gelöst. Metallische Aperturen absorbieren die Strahlung zu mindestens 1%, was zu den genannten Problemen führt.By choosing the aperture according to the invention, the basic problem becomes one Heating effectively solved by incident electromagnetic radiation. Metallic Apertures absorb at least 1% of the radiation, which is why Leads to problems.
Das Aperturmaterial selbst absorbiert bei dieser vorgegebenen Dicke die Strahlung zu weniger als 1%. Die Erwärmung der Apertur fällt bei einer Absorption von weniger als 0,5% noch geringer aus, und für eine Absorption unter 0,1,% ist sie ganz besonders klein. Geeignete Aperturmaterialien können Saphire, Gläser, Kristalle, Keramiken, Kunststoffe oder andere dielektrische Materialien sein. Diese Materialien weisen im Vergleich zu Metall einen besonders kleinen Absorptionskoeffizienten auf, mit welcher die oben genannte Anforderung hinsichtlich des Absorptionsvermögens besonders einfach realisiert werden kann.The aperture material itself absorbs the radiation at this predetermined thickness less than 1%. The aperture heats up with an absorption of less than 0.5% even less, and for absorption below 0.1% it is very special small. Suitable aperture materials can be sapphires, glasses, crystals, ceramics, Plastics or other dielectric materials. These materials show in Compared to metal a particularly small absorption coefficient, with which the above requirement regarding absorbency in particular can be easily realized.
Durch die Wahl von Aperturmaterial, welches bei vorgegebener Dicke die auf sie auftreffende Strahlung zu weniger als 1% absorbiert, ist das Vorhandensein einer Aperturöffnung nicht mehr zwingend erforderlich. Die optionale Öffnung kann zylindrisch, kegelförmig, in Form eines Kubus, quaderförmig oder von anderer Geometrie sein. Ist die Öffnung vorhanden, so erlauben die genannten Materialien im Vergleich zu Metallen die Herstellung von Aperturöffnungen mit geringerer Oberflächenrauhigkeit was zu saubereren Strahlprofilen führt. By choosing aperture material, which for a given thickness the on it absorbing incident radiation to less than 1% is the presence of a Aperture opening is no longer absolutely necessary. The optional opening can be cylindrical, be conical, in the form of a cube, cuboid or of another geometry. Is the opening available, so the materials mentioned allow compared to metals the production of aperture openings with less surface roughness what leads to cleaner beam profiles.
Die genannten Materialien weisen im Vergleich zu metallischen Aperturen den Vorteil auf, daß sie mechanisch besser bearbeitbar sind. Die genannten Materialien erlauben zum Beispiel bessere Oberflächenpolituren was sich vorteilhaft auf die Strahleigenschaften auswirkt und zudem unerwünschtes Streulicht reduziert.The materials mentioned have the advantage over metallic apertures on that they are easier to machine mechanically. Allow the materials mentioned for example better surface polishes which are beneficial to the Beam properties affects and also reduces unwanted stray light.
Vorzugsweise werden Aperturen aus hochtransmissivem Material eingesetzt, damit die letztlich doch in das Aperturmaterial eintretende Strahlung dort möglichst wenig Energie deponiert. Hochtransmissives Material ist in diesem Sinne von besonderem Vorteil, wenn auf eine Aperturöffnung verzichtet wird. Die Transmission wird vorteilhafterweise durch eine Antireflex-(AR-)Beschichtung zusätzlich gesteigert. Dies bietet sich wieder besonders dann an, wenn die Apertur über gar keine Öffnung verfügt, und wenn ferner auch geringe Verluste vermieden werden sollen.Apertures made of highly transmissive material are preferably used so that the ultimately, radiation entering the aperture material has as little energy as possible there deposited. In this sense, highly transmissive material is particularly advantageous, if there is no aperture opening. The transmission is advantageous additionally increased by an anti-reflective (AR) coating. This is again an option especially if the aperture has no opening at all, and if further even small losses should be avoided.
Damit die Apertur ihre strahlbegrenzende Eigenschaft beibehält weist sie eine Oberfläche zur Umlenkung bzw. Auskopplung der unerwünschten Strahlungsanteile auf.In order for the aperture to retain its beam-limiting property, it has one Surface for deflecting or coupling out the unwanted radiation components.
Eine mögliche Realisierung der umlenkenden Oberfläche besteht darin, daß Teile der Aperturoberfläche mit einer HR-Beschichtung versehen ist. Da die oben genannten Aperturmaterialien dielektrische Materialien sind, erlaubt die Wahl eines derartigen Aperturmaterials die Nutzung deutlich besserer HR-Beschichtungen als bei metallischen Aperturen.A possible realization of the deflecting surface is that parts of the Aperture surface is provided with an HR coating. Because the above Aperture materials are dielectric materials, allowing the choice of such Aperture material the use of significantly better HR coatings than with metallic Apertures.
Dies ist kein Widerspruch zu den oben gemachten Ausführungen zur Haftung von HR- Schichten. Es ist bekannt, daß es stets dann zu Haftungsproblemen kommt, wenn die Haftpartner deutlich unterschiedliche Werte der Oberflächenenergie σ aufweisen. Metalle besitzen große Werte der Oberflächenenergie σ, dielektrischen Materialien kleine Werte von σ. Da die HR-Beschichtungen aus dielektrischen Materialien bestehen, kommt es mit der erfindungsgemäßen Apertur zu deutlich geringeren Haftungsproblemen als mit metallischen Aperturen. This is not a contradiction to the statements made above regarding liability of HR Layers. It is known that liability problems always arise when the Adhesion partners have clearly different values of the surface energy σ. Metals have large values of surface energy σ, dielectric materials small values of σ. Since the HR coatings are made of dielectric materials, the aperture according to the invention results in significantly smaller ones Adhesion problems than with metallic apertures.
Welche Oberfläche ganz oder teilweise mit einer HR-Beschichtung versehen wird orientiert sich maßgeblich an der geometrischen Form der Apertur. Zunächst bietet es sich an, daß die mit einer Hochreflexionsbeschichtung versehene Fläche zumindest ein Teil derjenigen Oberfläche ist, die der auftreffenden Laserstrahlung zugewandt ist. In diesem Fall tritt besonders wenig Strahlung in die Apertur ein und die Erwärmung ist minimal. Es ist allerdings auch möglich, daß eine Fläche HR-beschichtet ist, welche der auftreffenden Laserstrahlung nicht zugewandt ist. In diesem Fall tritt die Strahlung zunächst in die Apertur ein, wird anschließend ein- oder mehrmals an einer HR- Beschichtung reflektiert, und tritt schließlich an geeigneter Stelle wieder aus der Apertur aus. Sofern eine Aperturöffnung vorgesehen ist, kann auch die Innenfläche der Aperturöffnung mit einer Hochreflexionsbeschichtung versehen werden.Which surface is completely or partially covered with an HR coating is largely based on the geometric shape of the aperture. First of all, it offers assumes that the surface provided with a high reflection coating is at least one Is part of the surface facing the incident laser radiation. In In this case, particularly little radiation enters the aperture and the heating is minimal. However, it is also possible for a surface to be HR-coated, which is the incident laser radiation is not facing. In this case the radiation occurs first into the aperture, then one or more times on an HR Coating reflects and finally emerges from the aperture at a suitable point out. If an aperture is provided, the inner surface of the Aperture opening with a highly reflective coating.
Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung der umlenkenden Oberfläche besteht darin eine Oberfläche zur Verfügung zu stellen, an der die Strahlung eine Totalreflexion erfährt. In diesem Fall muß die Strahlung zunächst in das Aperturmaterial eindringen um beim Austritt in das optisch dünnere Medium total reflektiert zu werden. Der Austritt kann an einer Außenfläche oder, soweit eine Aperturöffnung vorhanden ist, an der Innenfläche der Öffnung erfolgen.Another possibility for realizing the deflecting surface is to provide a surface on which the radiation is a total reflection experiences. In this case, the radiation must first penetrate into the aperture material to be totally reflected when exiting into the optically thinner medium. The exit can on an outer surface or, if there is an aperture, on the Inside surface of the opening.
Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung der umlenkenden Oberfläche besteht darin eine Oberfläche zur Verfügung zu stellen, an der ein Teil der Strahlung gebrochen oder gebeugt wird.Another possibility for realizing the deflecting surface is to provide a surface where part of the radiation is broken or is bowed.
Ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens soll die erfindungsgemäße optische Apertur anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden.Without restricting the general inventive concept, the inventive optical aperture will be explained using exemplary embodiments.
Fig. 1a zeigt eine erfindungsgemäße Apertur in Form einer Scheibe (1) mit kreisrunder Öffnung (2). Die Zylinderachse weist einen Winkel von 45° relativ zur Oberflächennormale auf. Die obere Außenfläche (3) ist mit einer HR-Beschichtung versehen. Fig. 1b zeigt die Apertur eingebaut im optischen System. Der zentrale Strahlungsanteil, welcher durch einen dicken schwarzen Pfeil angedeutet ist, passiert ungehindert die Öffnung, wohingegen die HR-beschichtete und der eintreffenden Strahlung zugewandte Außenfläche die Strahlung reflektiert. Die reflektierte Strahlung gelangt zu einem Absorber (4). Fig. 1a shows an aperture according to the invention in the form of a disc ( 1 ) with a circular opening ( 2 ). The cylinder axis has an angle of 45 ° relative to the surface normal. The upper outer surface ( 3 ) is provided with an HR coating. FIG. 1b shows the aperture incorporated in the optical system. The central part of the radiation, which is indicated by a thick black arrow, passes through the opening unhindered, whereas the HR-coated outer surface facing the incoming radiation reflects the radiation. The reflected radiation reaches an absorber ( 4 ).
Fig. 2a zeigt eine ebenfalls als kreisrunde Scheibe (1) ausgeführte Apertur. Die Apertur besitzt keine Öffnung. Im Zentrum der der Strahlung zugewandten Oberfläche befindet sich ein kreisrunder Bereich (5) welcher mit einer HR-Beschichtung versehen ist und der der Umlenkung der unerwünschten Strahlungsanteile dient. Der restliche Teil der Außenfläche ist mit einer AR-Beschichtung versehen. Fig. 2b zeigt die Apertur eingebaut im optischen System. Der zentrale Strahlungsanteil wird nach rechts reflektiert, wohingegen die seitlichen Anteile mit vernachlässigbarer Absorption das Medium passieren und auf einen Absorber (4) treffen. Fig. 2a shows an aperture also designed as a circular disk ( 1 ). The aperture has no opening. In the center of the surface facing the radiation is a circular area ( 5 ) which is provided with an HR coating and which serves to deflect the undesired radiation components. The rest of the outer surface is covered with an AR coating. FIG. 2b shows the aperture incorporated in the optical system. The central radiation component is reflected to the right, whereas the side components with negligible absorption pass through the medium and hit an absorber ( 4 ).
Es ist auch möglich, daß bei gleicher Geometrie wie in den Fig. 2a und Fig. 2b der zentrale Teil (5) mit einer AR-Beschichtung versehen ist, und der restliche Teil der der Strahlung zugewandten Außenfläche mit einer AR-Beschichtung versehen ist. Fig. 3 zeigt eine ebenfalls als kreisrunde Scheibe (1) ausgeführte Apertur mit einer kegelförmigen Öffnung (6). Die Apertur ist in Fig. 3b in einen Strahlabsorber (7) eingebettet. Der zentrale Strahlungsanteil passiert ungehindert die Öffnung (6), und die äußeren Strahlungsanteile dringen zunächst mit vernachlässigbarer Schwächung in das Aperturmaterial ein. Zur Realisierung der Strahlungsumlenkung der äußeren Strahlungsanteile gibt es zwei Möglichkeiten. Zum einen kann eine interne Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Medium und Luft im Bereich der Aperturöffnung (Innenfläche der Öffnung) ausgenutzt werden. Zum anderen kann die Innenfläche der Öffnung (8) mit einer HR-Beschichtung versehen werden. In beiden Ausführungsformen erfolgt eine Reflexion der äußeren Strahlungsanteile zum Strahlungsabsorber (4) hin.It is also possible, that is provided with the same geometry as in Figs. 2a and Fig. 2b of the central part (5) with an AR coating, and the remaining part of the side facing the radiation outer surface AR coating is provided with a. Fig. 3 shows an aperture also designed as a circular disc ( 1 ) with a conical opening ( 6 ). The aperture is embedded in Fig. 3b in a beam absorber (7). The central radiation component passes through the opening ( 6 ) unhindered, and the external radiation components penetrate the aperture material initially with negligible attenuation. There are two ways of realizing the radiation deflection of the external radiation components. On the one hand, an internal total reflection at the interface between medium and air in the area of the aperture opening (inner surface of the opening) can be used. On the other hand, the inner surface of the opening ( 8 ) can be provided with an HR coating. In both embodiments, the external radiation components are reflected towards the radiation absorber ( 4 ).
Fig. 4a zeigt eine erfindungsgemäße Apertur in Kegelform mit zylinderförmiger Öffnung. Die Mantelfläche (9) des Kegels ist mit einer HR-Beschichtung versehen. Auch diese Ausführungsform erlaubt ein ungehindertes Durchlaufen der Strahlung durch die Öffnung, und sichert vorliegend die Umlenkung der unerwünschten äußeren Strahlungsanteile an der Mantelfläche des Kegels hin zum Absorber (4), vergleiche Fig. 4b. FIG. 4a shows an aperture according to the invention in a conical shape having a cylindrical opening. The lateral surface ( 9 ) of the cone is provided with an HR coating. This embodiment also allows the radiation to pass unhindered through the opening and, in the present case, secures the deflection of the undesired external radiation components on the lateral surface of the cone towards the absorber ( 4 ), see FIG. 4b.
Fig. 5a zeigt eine erfindungsgemäße Apertur die ebenfalls Kegelform besitzt, jedoch abweichend vom vorhergehenden Ausführungsbeispiel in Fig. 4a keine Öffnung aufweist. Anstelle einer Öffnung zeigt der Kegel eine entfernte Spitze auf, welche in Fig. 5a durch eine Strichelung (10) angedeutet ist, und welche zur Herausbildung einer weiteren Bodenfläche (11) führt. Der Durchmesser der zusätzlichen Bodenfläche kann auf den jeweiligen Bedarf angepaßt werden. Fig. 5b zeigt exemplarisch den Strahlengang. Die Umlenkung zum Absorber (4) erfolgt entweder durch Totalreflexion an der Mantelfläche, oder aber durch einfache Reflexion an der Mantelfläche für den Fall, daß diese mit einer HR-Beschichtung versehen ist. Zur Vermeidung von Strahlungsverlusten können die Bodenflächen (11, 12) mit einer AR-Beschichtung versehen sein. FIG. 5a shows an aperture according to the invention which also has a conical shape, but, unlike the previous exemplary embodiment in FIG. 4a, has no opening. Instead of an opening, the cone shows a distal tip, which is indicated in FIG. 5a by a broken line ( 10 ) and which leads to the formation of a further base surface ( 11 ). The diameter of the additional floor area can be adapted to the respective need. Fig. 5b shows an example of the beam path. The deflection to the absorber ( 4 ) takes place either by total reflection on the outer surface, or by simple reflection on the outer surface in the event that it is provided with an HR coating. In order to avoid radiation losses, the floor surfaces ( 11 , 12 ) can be provided with an AR coating.
Anstelle einer Reflexion kann bei kegelförmiger Apertur auch eine Brechung der Strahlung an der Mantelfläche zur Umlenkung unerwünschter Strahlungsanteile ausgenutzt werden. Die in Fig. 6a dargestellte Apertur ist identisch zu derjenigen in Fig. 5a. Während der zentrale Strahlungsanteil ohne Richtungsänderung durch die Bodenfläche (11) geht, erfahren die restlichen Strahlungsanteile (13) beim Verlassen der Apertur eine Brechung hin zum Absorber (4).In the case of a conical aperture, instead of a reflection, a refraction of the radiation on the lateral surface can be used to deflect undesired radiation components. The aperture shown in FIG. 6a is identical to that in FIG. 5a. While the central radiation component passes through the base surface ( 11 ) without changing direction, the remaining radiation components ( 13 ) experience a refraction towards the absorber ( 4 ) when leaving the aperture.
Neben runden Aperturen sind auch geometrisch anders geformte Aperturen denkbar. So zeigt Fig. 7a eine erfindungsgemäße Apertur in Form eines Prismas (14). Bei dieser Formwahl kann die Apertur durch eine der Kanten gebildet werden (Kantenapertur), wobei an der Kante eine Reflexion, vgl. Fig. 7b, oder eine Brechung, vgl. Fig. 7c, erfolgen kann. Wird wie in Fig. 7b eine Reflexion gewählt, so kann dies eine Reflexion an einer HR-Beschichtung oder eine Totalreflexion sein. Darauf basierend können auch zwei Prismen kombiniert werden, so daß eine Spaltapertur gebildet wird.In addition to round apertures, geometrically differently shaped apertures are also conceivable. 7a shows as Fig. An aperture according to the invention in the form of a prism (14). With this choice of shape, the aperture can be formed by one of the edges (edge aperture), with a reflection at the edge, cf. Fig. 7b, or a refraction, cf. Fig. 7c, can be done. If a reflection is selected as in FIG. 7b, this can be a reflection on an HR coating or a total reflection. Based on this, two prisms can also be combined so that a gap aperture is formed.
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