DE4090197C2 - Festkörperlaservorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörperlaservorrichtung mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen, wie aus der US-PS 4 559 627 bekannt ist.

Bei der bekannten Festkörperlaservorrichtung liegt der Resonator in der S-Ebene auf der optischen Achse. Eine spezielle Blende begrenzt in der P-Ebene die Abmessungen des Laserstrahls, wogegen in der S-Ebene keine Begrenzung erfolgt, so daß sich von der optischen Achse aus der Laserstrahl ungehindert weiter nach außen ausbreiten kann, woraus sich die Instabilität in der S-Ebene ergibt. Thermische Linseneffekte sind in der genannten Druckschrift nicht angesprochen.

Aus der DE 28 49 007 A1 ist eine weitere Festkörper­ laservorrichtung bekannt, die mit einem Stab versehen ist, wobei der Resonator der Laservorrichtung in der P-Ebene stabil und in der S-Ebene instabil ist. In der P-Ebene verläuft der Laserstrahl zick-zack förmig durch den Stab.

Aus "Laserresonatoren und Strahlqualität", Laser und Optoelektronik Nr. 2/1988, Seite 60-66 ist bekannt, daß bei Festkörperlasern thermische Linseneffekte in starkem Maße auftreten und durch spezielle geometrische Formen verringert werden können, beispielsweise scheibenförmige Stäbe. Nach einer ausführlichen Diskussion der Bedeutung des optischen Resonators, und zwar sowohl stabiler als auch instabiler Resonatoren, wird in bezug auf sogenannte Hybridsysteme, nämlich Systeme, bei denen der Resonator in einer Ebene stabil und in einer anderen Ebene instabil ist, darauf hingewiesen, daß derartige Konzepte noch in der Entwicklung seien, ihre Eignung für Hochleistungslaser jedoch noch unklar sei.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Festkörperlaservorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei welcher thermische Linseneffekte zumindest wesentlich verringert sind.

Die Aufgabe wird durch eine Festkörperlaservorrichtung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Unteranspruch angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1(a) und 1(b) sind eine vertikale Schnittansicht bzw. eine horizontale Schnittansicht, und zeigen wesentlichen Komponenten einer Festkörperlaservorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. (2) ist eine vertikale Schnittansicht, welche wesentliche Komponenten einer herkömmlichen Festkörperlaservorrichtung zeigt, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern.

Ein Beispiel der oben beschriebenen herkömmlichen Festkörperlaservorrichtung wurde in der japanischen Patentanmeldung (OPI) No. 254868/1985 offenbart (der Ausdruck "OPI", wie hier verwendet, bedeutet "ungeprüfte veröffentlichte Anmeldung"), entspricht der JP 62-115 495 A2. Fig. 2 ist eine Schnittansicht, welche die optische Anordnung der Festkörperlaservorrichtung zeigt. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein rechteckförmiges Lasermedium, welches ein Paar optisch glatter Oberflächen 1a aufweist, welche parallel zueinander sind, und End-Stirnflächen 1b, welche einen Neigungswinkel mit den Oberflächen bilden; 2 einen totalreflektierenden Spiegel, welcher in der Nähe einer der End-Stirnflächen 1b des Lasermediums 1 angeordnet ist; 3 einen teilweise reflektierenden Spiegel, welcher nahe der anderen End-Stirnfläche 1b angeordnet ist, und einen stabilen Resonator mit dem total reflektierenden Spiegel 2 bildet; 4 eine Lichtquelle zum Liefern eines Pumplichtstrahls an das Lasermedium 1; 5 einen reflektierenden Behälter, welcher aus reflektierenden Spiegeln gemacht ist, wobei der reflektierende Behälter 5 die Lichtquelle 4 und das Lasermedium 1 enthält; 6 Wasser in dem reflektierenden Behälter 5; 7 die optische Achse eines Laserstrahls; und 8 einen Laserstrahl, welcher durch den teilweise reflektierenden Spiegel 3 ausgegeben wird. Ferner sind in Fig. 1 Ebenen P und S bezüglich der optischen Achse 7 und den zu dem Lasermedium 1 gehörigen Oberflächen definiert.

Die Ebene, die parallel zu den größeren, optisch glatten Oberflächen 1a des Lasermediums (Stabes) 1 velräuft und durch die optische Achse 7 geht, legt eine S-Ebene fest, und eine dazu orthogonale Ebene, die durch die optische Achse 7 geht, legt eine P-Ebene fest.

Die so aufgebaute konventionelle Festkörperlaservorrichtung arbeitet wie folgt: Der Ausgangslichtstrahl der Lichtquelle 4 wird in dem reflektierenden Behälter 5 reflektiert und wird von dem Stab (Lasermedium) 1 absorbiert, um diesen anzuregen. Als Ergebnis emittiert der Stab 1 einen Lichtstrahl. Der Lichtstrahl wird von dem total reflektierenden Spiegel reflektiert. Der so reflektierte Lichtstrahl tritt in den Stab 1 ein, nachdem er an der End-Stirnfläche 1b des Stabes gebrochen wurde. In dem Stab 1 wird der Lichtstrahl von den oberen und unteren Flächen 1a wiederholt reflektiert und erreicht somit die andere End-Stirnfläche 1b. An der End-Stirnfläche 1b wird der Lichtstrahl wiederum gebrochen und setzt sich fort zu dem teilweise reflektierenden Spiegel 3. Der von dem teilweise reflektierenden Spiegel 3 reflektierte Lichtstrahl kehrt zu der optischen Achse 7 zurück. Deshalb wird der Lichtstrahl verstärkt, während er entlang der optischen Achse 7 hin- und herläuft. Wenn der Lichtstrahl bis zu einem vorbestimmten Grad verstärkt ist, tritt ein Teil des Lichtstrahls durch den teilweise reflektierenden Spiegel 3 aus; das heißt, er wird als ein Laserstrahl aus dem stabilen Resonator herausgeführt.

In der oberen beschriebenen Festkörperlaservorrichtung mit dem rechteckförmigen Stab 1 als Lasermedium werden die optisch glatten Oberflächen 1a des Stabes 1 ständig gekühlt. In dem Stab setzt sich der Lichtstrahl zickzackförmig fort und wird von den oberen und unteren optisch glatten Oberflächen reflektiert; das heißt, der Laserstrahl tritt abwechselnd durch die Oberflächenzone des Stabes, welche eine niedrige Temperatur hat, und durch die mittlere Zone des Stabes, welche sich auf hoher Temperatur befindet. Dementsprechend unterliegt der Laserstrahl einem thermischen Linseneffekt nicht, und kann stabil eine hohe Laserausgangsleistung erzielt werden.

In der oben beschriebenen Festkörperlaservorrichtung ist der Stab 1 generell im Querschnitt rechteckig; das heißt, die Breite in der Ebene S beträgt ungefähr das zwei- bis fünffache der Dicke in der Ebene P. Ferner wird der stabile Resonator verwendet. Deshalb hat der Laserstrahl eine Mode hoher Ordnung von rechtwinkeliger Gestalt, welche den Querschnitt des Stabes 1 reflektiert. Zum Beispiel beträgt in einer Festkörperlaservorrichtung, in welcher ihr Lasermedium ein YAG-(Yttrium-Aluminium- Garnet)-Kristall ist, welcher einen Laserstrahl von 1,06 µm aussendet, die Modenzahl in der Ebene P einige Vielfache von 10 und in der Ebene S einige Hundert, und der Strahldivergenzwinkel beträgt einige zehn Milliradiant (mrad); das heißt, der Laserstrahl ist nicht ausreichend konzentriert. Somit kann die oben beschriebene Festkörperlaservorrichtung zwar einen Hochleistungslaserstrahl stabil ausgeben; jedoch ist der ausgegebene Laserstrahl nicht ausreichend konzentriert; das heißt, es ist für den Laserstrahl unmöglich, einen feinen Lichtfleck zu bilden. Dementsprechend ist die Anwendung der Festkörperlaservorrichtung für Präzisionslaserbearbeitung begrenzt.

Eine Festkörperlaservorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend beschrieben. Fig. 1(a) und 1(b) sind eine vertikale Schnittansicht bzw. eine horizontale Schnittansicht und zeigen wesentliche Komponenten der Festkörperlaservorrichtung des Ausführungsbeispieles. In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen 1, 4, 8 und 9 dieselben Teile wie jene in der Fig. 2.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 22 eine lineare konkave Linse zum Verhindern der Schwierigkeit, daß eine thermische Linse in dem Stab gebildet wird. In der Vorrichtung schreitet der Laserstrahl 8 in dem Stab 1 parallel zu den optisch glatten Oberflächen fort. Deshalb wird in Stab 1 in Richtung der Ebene P stark eine thermische Linse gebildet; das heißt, die in der Richtung der Dicke des Stabes 1, wenn die Ausgangsleistung der Lichtquellen 4 ansteigt. Dieser Schwierigkeit wird durch Verwendung der oben beschriebenen, einen thermischen Linseneffekt korrigierenden Linse 22 vorgebeugt.

Somit wird durch Abgleichen der Brennweite der linearen, konkaven Linse 22 auf einen passenden Wert ein stabiler Resonator niedriger Ordnung in der Ebene P gebildet, während in der Ebene S ein instabiler, nicht auf der optischen Achse 7 liegender Negativzweig-Resonator gebildet wird, wenn die Lichtquellen 4 vorbestimmte Ausgangsleistungen zur Verfügung stellen. Somit ist der ausgegebene Laserstrahl 8 klein im Divergenzwinkel, sowohl in der Richtung der Ebene P als auch in der Richtung der Ebene S. Das heißt, der ausgegebene Laserstrahl 8 hat eine exzellente Konvergenz und hohe Ausgangsleistung.

Claims (2)

1. Festkörperlaservorrichtung mit

• - einem Stab (1) aus einem Lasermedium zur Erzeugung eines Laserstrahls, der durch die Endstirnflächen (1b) des Stabs (1) hindurchgeht;
• - einer sich durch die Mittelpunkte der Endstirnflächen (1b) erstreckenden optischen Achse (7);
• - wobei der Stab (1) einen rechteckigen Querschnitt aufweist, bei welchem die Ebene, die parallel zu den größeren, optisch glatten Querflächen (1a) des Stabes (1) verläuft, und durch die optische Achse (7) geht, eine "S"-Ebene festlegt, und eine dazu orthogonale Ebene, die durch die optische Achse (7) geht, eine "P"-Ebene festlegt;
• - einem Resonator, in welchem der Stab (1) angeordnet ist, und der zur optischen Achse (7) ausgerichtet ist;
• - wobei der Resonator in der "P"-Ebene ein stabiler und in der "S"-Ebene ein instabiler Resonator ist;
• - einer Laserstrahl-Austrittseinrichtung (10, 10a) zum Herausführen des Laserstrahls aus der Laservorrichtung,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• - der in der "S"-Ebene instabile Resonator als ein nicht auf der optischen Achse (7) liegender instabiler Resonator ausgebildet ist; und
• - eine lineare konkave Linse (22) zur Korrektur thermischer Linseneffekte in dem Stab (1) in der "P"-Ebene vorgesehen ist.

2. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht auf der optischen Achse liegende, instabile Resonator ein Resonator des Negativzweige des Stabilitätsdiagramms ist.