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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Bandleiterlaser mit einem instabilen
Resonator.
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Bei
sogenannten ebenen diffusionsgekühlten CO
2-Bandleiterlasern
(Slablasern), wie sie beispielsweise aus der
US 4,719,639 A oder aus der
EP 0 305 893 A2 bekannt
sind, hat sich gezeigt, dass es bei großflächigen
Entladungsgeometrien, wie sie bei Hochleistungslasern im kW-Bereich
erforderlich sind, im Pulsbetrieb bei bestimmten Schaltfrequenzen
f einer getaktet über die großflächigen
Elektroden in das laseraktive Medium eingespeisten Hochfrequenzleistung
unabhängig davon, wie hoch die von der in den Resonator
zwischen die Elektroden eingekoppelten Hochfrequenzleistung ist,
zu Einbrüchen der am Einsatz- oder Prozessort verfügbaren
Laserleistung kommt.
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Dies
ist in den graphischen Darstellungen gemäß 5 bis 7 zu
erkennen, in denen der Messwert der am Prozessort verfügbaren
Ausgangslaserleistung P eines herkömmlichen 5-kW-Moduls mit
einer Elektrodenfläche von etwa 0,4 m2 gegen
die Schaltfrequenz f für unterschiedliche Tastverhältnisse
bei gleicher Pulshöhe der eingekoppelten Anregungsleistung
aufgetragen ist. Die in 5, 6 und 7 in
Kurven a, b bzw. c jeweils wiedergegebenen Messergebnisse wurden
bei einem Tastverhältnis von 20%, 50% bzw. 70% erhalten.
Den 5 bis 7 ist zu entnehmen, dass es
bei bestimmten Schaltfrequenzen f zu „resonanzähnlichen” Leistungseinbrüchen
kommt, wobei diese „resonanten” Schaltfrequenzen
zusätzlich vom Tastverhältnis, d. h. von der eingekoppelten
Pulsleistung abhängen.
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Als
Ursache hierfür wird vermutet, dass bedingt durch die Schaltfrequenz
f der an den Elektroden getaktet angelegten Hochfrequenzspannung
resonanzartige räumliche Entladungsstrukturen auftreten,
die zu einer strukturierten und von der Schaltfrequenz f und vom
Tastverhältnis abhängigen Modulation der Dichte
des sich im Entladungsraum befindlichen Lasergases führen.
Die damit einhergehenden Druck- und Temperaturänderungen
bewirken eine Änderung des Brechungsindex des laseraktiven
Mediums, so dass sich die Abbildungseigenschaften innerhalb des
Resonators ändern und insbesondere bei einem konfokalen
instabilen Resonator die Konfokalitätsbedingung nicht mehr
erfüllt ist. Dies hat zur Folge, dass der aus dem Resonator
austretende Laserstrahl nicht mehr parallel sondern unter einem Winkel
zur von den Resonatorspiegeln gebildeten optischen Achse aus dem
Resonator austritt. Der Laserstrahl breitet sich somit nicht mehr
in Sollrichtung auf einer Systemachse des dem Resonator optisch nachgeschalteten
Strahlführungs- und Strahlformungssystems aus, das unter
anderem auch Raumfilter oder Blenden aufweist. Durch die Abweichung von
der Sollrichtung wird somit ein Teil des um seine Mittenachse eine
symmetrische, annähernd eine gaußförmige
Intensitätsverteilung aufweisenden Laserstrahls ausgeblendet
bzw. ausgefiltert und steht somit am Prozessort nicht mehr als Nutzleistung
zur Verfügung. Mit anderen Worten: Der unmittelbar aus dem
Resonator austretende Laserstrahl ist zwar in seiner Leistung im
Wesentlichen unverändert, steht aber durch die schiefwinklige
Ausbreitung zur System- oder Sollrichtung nicht mehr vollständig
zur Verfügung.
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Um
die mit einer solchen Dichtemodulation einhergehende Schwankung
der Laserleistung am Prozessort zu vermeiden, wird in der
DE 102 30 522 A1 vorgeschlagen,
die Abweichung der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls mit einem
Lichtempfänger zu erfassen und zumindest einen der Resonatorspiegel
in Abhängigkeit von dieser Abweichung derart zu verstellen,
dass die Konfokalitätsbedingung wieder hergestellt wird.
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Eine
alternative Vorgehensweise wird in der
DE 102 30 159 A1 erläutert.
Dort wird vermutet, dass die Strahllageänderung in erster
Linie durch Querschwingungen verursacht sind, die aufgrund eines seitlich
offenen Entladungsraumes auftreten können während
im Gegensatz hierzu Längsschwingungen nur eine untergeordnete
Rolle spielen. Um solche Querschwingungen zu unterdrücken,
wird vorgeschlagen, den seitlichen Spalt des Entladungsraumes zu
verschließen, um dadurch ein seitliches Ausschwingen des
Lasergases zu vermeiden. Nachteilig an dieser Lösung ist
jedoch der erhöhte Fertigungsaufwand sowie die mit einer
solchen Abdeckung zusätzlich einhergehenden technologischen
Probleme wie beispielsweise Spannungsfestigkeit, thermische Ausdehnung
und Beständigkeit gegenüber dem zwischen den Elektroden
befindlichen Plasma.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Laser mit einem
instabilen Resonator anzugeben, dessen am Prozessort verfügbarer
Laserstrahl im gesamten Betriebsbereich wenigstens annähernd
gleiche Eigenschaften aufweist.
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Die
genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst
mit einem Bandleiterlaser mit den Merkmalen des Patentanspruches
1. Bei einem solchen Bandleiterlaser befindet sich ein Lasergas
zwischen flächenhaft ausgedehnten Elektroden, die paarweise mit ihren
Flachseiten einander gegenüberliegend angeordnet sind und
einen schmalen Entladungsraum mit einer Längsausdehnung
und einer Querausdehnung festlegen und an einen getaktet betriebenen Hochfrequenzgenerator,
angeschlossen sind. Zumindest eine der Elektroden ist mit einer
Vielzahl von Öffnungen versehen, die sich ausgehend von
ihrer dem Entladungsraum abgewandten Flachseite bis zum Entladungsraum
erstrecken.
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Durch
diese Maßnahme kann das Auftreten von resonanzartigen Einbrüchen
der am Einsatz- oder Prozessort verfügbaren Laserleistung
weitgehend vermieden werden.
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Die
Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, dass aufgrund
der flächenhaften Geometrie des schmalen Entladungsraumes
unabhängig davon, ob dieser an seinen Längsseiten
oder Stirnflächen abgeschlossen ist, zweidimensionale akustische
Resonanzstrukturen auftreten, die zu Dichtemodulation des Lasergases
in Längs- und Querrichtung führen. Dabei hat sich
gezeigt, dass die in Querrichtung auftretenden Dichtemodulationen
einen deutlich höheren Einfluss auf die Strahllage haben als
die in Längsrichtung auftretenden Dichtemodulationen. Durch
das Einbringen von Durchgangsöffnungen werden diese Dichtemodulationen,
d. h. insbesondere auch die hinsichtlich der Stabilität
der Strahllage besonders störenden, in Querrichtung auftretenden
Dichtmodulationen wirksam unterdrückt.
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Wenn
die Öffnungen in einer Mehrzahl voneinander beabstandeter
Reihen angeordnet sind, die sich parallel zur Querausdehnung erstrecken,
werden quer zur Längsausdehnung auftretende Dichtemodulationen
besonders wirksam unterdrückt.
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Wenn
das Verhältnis aus Gesamtfläche der Öffnungen
und Fläche der Elektrode zwischen 0,2% und 1% beträgt,
ist sowohl eine signifikante Unterdrückung der Dichtemodulationen
als auch die Aufrechterhaltung der Homogenität der Entladung
gewährleistet.
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Die
Dichtemodulationen können außerdem besonders effizient
unterdrückt werden, wenn die Flächendichte der Öffnungen
im Mittenbereich der Elektrode größer ist als
an ihren seitlichen Rändern.
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Zur
weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele
der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Bandleiterlaser in einer perspektivischen
Prinzipdarstellung,
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2 bis 4 eine
weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Bandleiterlasers in einer Seitenansicht auf die Längsseite,
einem Querschnitt parallel zur Querseite und einer Draufsicht,
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5 bis 7 jeweils
ein Diagramm, in dem die am Prozessort verfügbare Ausgangsleistung gegen
die Schaltfrequenz für einen erfindungsgemäßen
Bandleiterlaser und für einen Laser nach dem Stand der
Technik aufgetragen ist.
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Gemäß
1 umfasst
ein Bandleiterlaser einen instabilen Resonator
2, im dargestellten
Ausführungsbeispiel ein konfokaler instabiler Resonator
des negativen Zweigs, zwischen dessen konkaven Resonatorspiegeln
4a und
4b sich
ein Lasergas LG, im Ausführungsbeispiel ein CO
2 oder
CO als laseraktives Medium enthaltendes Gasgemisch, befindet. Die Anregung
des Lasergases LG erfolgt durch eine elektrische Hochfrequenzentladung
zwi schen zwei voneinander nur im Millimeterbereich beabstandeten
flächenhaft ausgedehnten Elektroden
6. Ein solcher Bandleiterlaser
ist beispielsweise in der eingangs zitierten
US 4,719,639 A und der
EP 0 305 893 A2 näher
erläutert.
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Die
Resonatorspiegel 4a, b sind von den Stirnseiten der Elektroden 6 beabstandet
angeordnet, wobei der Abstand in der Prinzipdarstellung der Figur übertrieben
eingezeichnet ist und in der Praxis ebenfalls nur im Millimeterbereich
liegt.
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Aus
dem Resonator 2 tritt ein Laserstrahl LS aus, der sich
im Idealfall auf der optischen Systemachse A ausbreitet. Dem Bandleiterlaser
sind noch eine Reihe von optischen Komponenten zur Strahlführung,
beispielsweise Umlenkspiegel, und Strahlformung, beispielsweise
Raumfilter und Linsen, nachgeordnet, die aus Gründen der Übersichtlichkeit in
der Figur nicht dargestellt sind und zur Führung des Laserstrahls
LS zum Prozessort dienen.
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Die
Einkopplung der von einem Hochfrequenzgenerator erzeugten Hochfrequenzspannung HF
erfolgt getaktet (gepulst) mit einer frei variierbaren (einstellbaren)
Schaltfrequenz f, um eine einfache Steuerung der mittleren Ausgangsleistung
des Bandleiterlasers zu ermöglichen.
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Die
Elektroden 6 legen einen schmalen quaderförmigen
Entladungsraum 7 mit einer sich zwischen den Resonatorspiegeln 4a, 4b parallel
zur Systemachse A erstreckenden Längsausdehnung 8 und
einer dazu senkrechten Querausdehnung 10 fest. Die Elektroden 6 sind
mit Anschlüssen 12, 14 für die
Zu- bzw. Abführung eines innerhalb der Elektroden 6 strömenden
Kühl fluids F versehen, mit dem die in den Elektroden 6 und
im Lasergas LG erzeugte Verlustwärme abgeführt
wird.
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Wenigstens
eine der Elektroden 6 ist mit einer Vielzahl von Bohrungen
oder Öffnungen 16 versehen, die sich ausgehend
von ihren dem Entladungsraum 7 abgewandten Flachseiten 17 bis
in den Entladungsraum 7 erstrecken und diesen mit einem den
gesamten Resonator 2 umgebenden ebenfalls mit Lasergas
LG gefüllten Kammer 18 fluidisch verbinden. Die Öffnungen 16 sind
jeweils in einer Mehrzahl voneinander beabstandeter und zueinander
paralleler Reihen 19 quer zur Systemachse A, d. h. parallel
zur Querrichtung oder Querausdehnung 10 angeordnet. Ihr
Durchmesser bzw. ihr Öffnungsquerschnitt ist so dimensioniert,
dass ihre Gesamtfläche wesentlich kleiner ist als die Fläche
der Elektroden 6, um die Homogenität der Entladung
zu gewährleisten und eine störende Verringerung
der Leistung zu vermeiden, aber hinreichend groß, um eine
signifikante Unterdrückung der Dichtemodulationen zu bewirken. In
der Praxis hat sich ein Flächenverhältnis zwischen Querschnittsfläche
der Öffnungen 16 (ohne Berücksichtigung
eventuell vorhandener Fasen) und Fläche der Elektrode 6 (Flächendichte
der Öffnungen 16) zwischen 0,2% und 1% als vorteilhaft
herausgestellt. So sind beispielsweise in einem Bandleiterlaser
mit einer nominellen Ausgangsleistung von 4,5 kW mit einer Elektrodenfläche
etwa 4·105 mm2 74 Öffnungen 16 mit
einem Durchmesser von 3 mm eingebracht. Dies entspricht einem Flächenverhältnis
von etwa 0,3%. Sie dienen zur Unterdrückung der bei Einspeisung
der getakteten Hochfrequenzleistung bei bestimmten Schaltfrequenzen
f entstehenden und besonders ausgeprägten akustischen Querschwingung des
Lasergases LG. Die Öffnungen 16 können
dabei im Querschnitt kreisrund sein oder beliebige andere Querschnittsformen,
beispielsweise die Form eines Schlitzes, aufweisen.
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Gemäß 2 bis 4 sind
die Elektroden 6 über eine Mehrzahl von Abstandhaltern 20 miteinander
verbunden, die ihren Abstand festlegen. Durch die Verwendung von
voneinander beabstandeten, relativ schmalen Abstandhaltern 20 ist
sichergestellt, dass einer thermischen Ausdehnung der Elektroden 6 in
Längs- und in Querrichtung möglichst wenig Widerstand
entgegengesetzt wird. Dadurch sind ein Verbiegen der Elektroden 6 und
eine damit verbundene. Störung der Wellenleitereigenschaften
des von den Elektroden 6 gebildeten Hohlraumes (Entladungsraum 7)
weitgehend vermieden.
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Im
Schnittbild der 3 ist außerdem zu erkennen,
dass die Öffnungen 16 durch einen vertikal sich
zu den Flachseiten erstreckenden Kanal gebildet werden, der den
Entladungsraum 7 mit dem außerhalb der Elektroden 6 befindlichen
Raum verbindet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
sind die im Inneren der Elektroden 6 verlaufenden Kühlkanäle nicht
dargestellt. Die Öffnungen 16 können
innerhalb einer Reihe gleichmäßig mit jeweils
zueinander gleichem Abstand verteilt sein. Prinzipiell ist es jedoch von
Vorteil, wenn sich die Öffnungen 16 zumindest zur
Mitte hin in einem Bereich befinden, in dem sich die Druckmaxima
(Schwingungsbäuche) einer stehenden Querschwingung befinden
können. Im Ausführungsbeispiel der 3 sind
außerdem beide Elektroden 6 mit Öffnungen 16 versehen,
um auf diese Weise bei geringer Flächendichte der Öffnungen 16 in
jeder der Elektroden 6 die Unterdrückung der Dichtemodulationen
zu verbessern.
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In
den Ausführungsbeispielen der 1–4 sind
die Öffnungen 19 regelmäßig
auf der Elektrodenfläche verteilt. Grundsätzlich
ist es jedoch auch möglich, die Öffnungen 19 unregelmäßig anzuordnen,
um wiederum dadurch möglicherweise verursachte resonanzähnliche
Dichtemodulationen zu vermeiden. Insgesamt hat sich herausgestellt, dass
im Bereich der Längsmittenachse der Elektrode 6 angeordnete Öffnungen 16 deutlich
mehr zur Unterdrückung der in Querrichtung verlaufenden
Dichtemodulationen beitragen, als die am seitlichen, sich in Längsrichtung
erstreckenden Rand der Elektrode 6 angeordneten Öffnungen 16,
so dass es von Vorteil sein kann, in der Mitte der Elektrode 6 eine
höhere Flächendichte der Öffnungen 16 (Gesamtfläche
der Öffnungen pro Flächeneinheit) vorzusehen,
als am seitlichen Rand. Die höhere Flächendichte
im Mittenbereich kann dabei durch die Anzahl der Öffnungen 16 und/oder
durch die Größe der Öffnungen 16 eingestellt
werden, indem im letzteren Fall deren Abmessungen zum Rand hin abnehmen.
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Die
Kurven d, e und f in den Diagrammen der
5 bis
7 geben
Messergebnisse wieder, die mit an einem Bandleiterlaser mit einem
5 kW-Modul gewonnen wurden, der gemäß der vorliegenden
Erfindung mit 176 in 22 Reihen angeordneten Öffnungen
17 versehen
ist. Die Kurve d wurde ebenso wie die Kurve a bei einem Tastverhältnis
von 20%, Kurve e ebenso wie die Kurve b bei einem Tastverhältnis von
50% und Kurve f ebenso wie die Kurve c bei einem Tastverhältnis
von 70% aufgenommen. Den Kurven d, e und f ist zu entnehmen, dass
die in den Kurven a, b bzw. c jeweils bei bestimmten Taktfrequenzen
erkennbaren Leistungseinbrüche praktisch vermieden sind,
ohne dass es hierzu einer Verstellung eines der Resonatorspiegel
bedarf, wie dies in der
DE
102 30 522 A1 vorgeschlagen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4719639
A [0002, 0018]
- - EP 0305893 A2 [0002, 0018]
- - DE 10230522 A1 [0005, 0027]
- - DE 10230159 A1 [0006]