[go: up one dir, main page]

WO2014012847A1 - Laseroszillator und verfahren zum erzeugen zweier laserstrahlen unterschiedlicher wellenlängen - Google Patents

Laseroszillator und verfahren zum erzeugen zweier laserstrahlen unterschiedlicher wellenlängen Download PDF

Info

Publication number
WO2014012847A1
WO2014012847A1 PCT/EP2013/064721 EP2013064721W WO2014012847A1 WO 2014012847 A1 WO2014012847 A1 WO 2014012847A1 EP 2013064721 W EP2013064721 W EP 2013064721W WO 2014012847 A1 WO2014012847 A1 WO 2014012847A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser
fundamental
frequency
laser radiation
radiation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2013/064721
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ivo Zawischa
Christian Stolzenburg
Alexander Killi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser GmbH filed Critical Trumpf Laser GmbH
Priority to CN201390000630.8U priority Critical patent/CN204558874U/zh
Publication of WO2014012847A1 publication Critical patent/WO2014012847A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/0813—Configuration of resonator
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
    • B23K26/0608—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams in the same heat affected zone [HAZ]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
    • B23K26/0613—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams having a common axis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08086—Multiple-wavelength emission
    • H01S3/0809—Two-wavelenghth emission
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/108—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using non-linear optical devices, e.g. exhibiting Brillouin or Raman scattering
    • H01S3/109—Frequency multiplication, e.g. harmonic generation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08054—Passive cavity elements acting on the polarization, e.g. a polarizer for branching or walk-off compensation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10038—Amplitude control
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/107—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using electro-optic devices, e.g. exhibiting Pockels or Kerr effect

Definitions

  • the present invention relates to a laser oscillator for generating two laser beams of different wavelengths with a laser resonator comprising a laser-active solid for generating a fundamental laser radiation, a non-linear solid for generating a frequency-converted laser radiation from the fundamental laser radiation and at least one output mirror for decoupling the fundamental and the frequency-converted laser Having radiation from the laser resonator, as well as a method for generating two laser beams of different wavelengths.
  • the resonator For material processing intensive laser radiation with stable parameters, such as. Laser energy, laser power and beam quality needed. Theoretically, many laser modes fall within the gain bandwidth of an active solid-state medium within a laser cavity. However, the resonator preferably lasers on the laser mode within the gain bandwidth that experiences the highest gain. If the resonator works exactly on this laser mode, it is in a stable state. For internal frequency conversion, the conversion efficiency depends on crystal properties, temperature, phase, angle of incidence and laser mode of the radiation to be converted. For the laser resonator, the frequency conversion is considered to be loss of laser radiation and it will try to work on another laser mode within the gain bandwidth which has a more favorable gain / loss ratio.
  • resonator-internal frequency conversion thus occur in the generation of frequency-converted laser light, the problems of dynamic instability by mode jumps, this problem is particularly noticeable in high-power lasers.
  • the fiber coupling of pure infrared resonators sometimes leads to strong unwanted relaxation oscillations when reflected back into the resonator.
  • resonator-internal frequency conversion requires complicated frequency-selective elements to fix the wavelength (i.e., to produce losses for wavelengths that are not converted).
  • the fundamental and the frequency-converted laser beam are decoupled via the same output mirror in a predefined power ratio.
  • the desired power ratio of the two laser beams is adjusted externally on the resonator via the selected reflection coating of the beam splitter as desired, but then fixed.
  • GB 2 175 737 A it is known from GB 2 175 737 A that the coupling of a high-energy laser beam into a workpiece is improved by using a second laser beam of shorter wavelength, which impinges on the workpiece simultaneously and in the same processing point as the first laser beam.
  • the longer wavelength laser beam is generated with a C0 2 laser and the shorter wavelength laser beam with a YAG laser.
  • US 2008/0296272 A1 discloses a laser oscillator in which two laser beams of different wavelengths having an adjustable modulation frequency are coupled out of the laser resonator alternately and are each directed to the same processing point.
  • the laser resonator comprises a first optical resonator path for generating the first laser beam and a first output mirror for decoupling only the first laser beam, a second optical resonator path for generating the second laser beam and a second output mirror for decoupling only the second laser beam, and an electro-optical modulator, which either switches one or the other optical resonator path.
  • the modulation frequency of the two laser beams is determined by the voltage pulse sequence applied to the electro-optical modulator.
  • the fundamental laser radiation of the laser-active solid and the second harmonic laser radiation are alternately generated at the modulation frequency in the two optical resonator paths and coupled out of the laser resonator via the respective outcoupling mirrors, whereby the frequency conversion of the coupled-out laser beams to the third resonator is external and fourth harmonic takes place.
  • the power ratio of the two decoupled laser beams easily and long !! to be able to change.
  • This object is achieved in the case of the laser oscillator mentioned above in that the laser resonator has a modulation device for modulation of the decoupling ratio of fundamental and frequency-converted laser radiation.
  • the fundamental and frequency-converted laser radiation can be decoupled simultaneously in almost any adjustable power ratio with high overall efficiency and high power (> 100 watts cw) and are available for the machining process.
  • the variable coupling-out ratio enables optimum machining of the workpiece by means of the two laser beams.
  • the Auskoppelconce modulation means by a polarization-dependent Auskoppelspiegel for polarization-dependent coupling out of the fundamental laser radiation and a NEN polarization modulator for adjusting the polarization direction of the
  • This polarization modulation can be done mechanically in the ms range, e.g. with a motor-rotatable retarder plate, or electro-optically (or else photoelastically or magneto-optically) in the ns to ps range with an electrically controllable polarization modulator (for example Pockels cell).
  • an electrically controllable polarization modulator for example Pockels cell
  • the decoupling ratio modulation device is formed by a heating and / or cooling device for regulating the temperature of the non-linear solid.
  • the frequency conversion efficiency of the nonlinear solid is temperature-dependent and can therefore be adjusted selectively via the temperature of the non-linear solid.
  • the decoupling ratio modulation device is formed by a device for rotating the non-linear solid body relative to the incident fundamental laser radiation.
  • the frequency conversion efficiency of the non-linear solid depends on the angle of incidence of the fundamental laser radiation and can therefore be adjusted in a targeted manner via the angle of rotation of the non-linear solid.
  • the laser-active medium may comprise, for example, a host crystal which is selected from the group comprising: YAG, YVO 4, YO 3, Sc 2 O 3, Lu 2 O 3, KGdWO 4, KYWO 4, YAP, YALO, GGG, GSGG, GSAG, LBS, GCOB, FAP, SFAP, YLF etc. These host crystals may each be doped with Yb3 + or Nd3 +, Ho, Tm3, etc. as the active material.
  • the laser-active solid can, for example
  • the invention also relates to a method for generating two laser beams of different wavelengths, in particular for laser machining of a workpiece by means of the two laser beams, wherein the two laser beams generated in a laser resonator as fundamental laser radiation and frequency-converted laser radiation of a laser-active solid and at least one Auskoppel- mirror from the Laser resonator are coupled out simultaneously and according to the invention, the power ratio of the two decoupled laser beams within the resonator is adjusted by modulating the decoupling ratio of fundamental and frequency-converted laser radiation.
  • the Auskoppelconce of fundamental and frequency-converted laser radiation is changed during a machining process.
  • the power fraction of decoupled frequency-converted laser radiation is at least 25%, preferably at least 50%, particularly preferably at least 90%, and then in the further processing process to less than 50%, preferably between 0.1% and 20%, be reduced.
  • This variable coupling-out ratio enables optimum machining of the workpiece by means of the two laser beams.
  • the workpiece material is still cold and still has a lower absorption for infrared radiation, so that a higher proportion of frequency-converted laser radiation is needed. This effect is particularly pronounced with Cu materials.
  • FIG. 1 Show: Fign. 1-4 different embodiments of the laser oscillator according to the invention, each having a modulation device for modulating the decoupling ratio of fundamental and frequency-converted laser radiation, namely with a rotatable wave plate (FIG. 1), with an electro-optical polarization modulator (FIG. 2), with a temperature control (FIG ) and with a rotary drive (Figure 4);
  • a modulation device for modulating the decoupling ratio of fundamental and frequency-converted laser radiation namely with a rotatable wave plate (FIG. 1), with an electro-optical polarization modulator (FIG. 2), with a temperature control (FIG ) and with a rotary drive (Figure 4);
  • FIGS. 5a-5c different variants of a free beam of the decoupled
  • FIGS. 6a, 6b different variant of a fiber guide of the coupled-out laser beams of the laser oscillator according to the invention.
  • FIGS. 7a, 7b different variants of focusing the decoupled laser beams of the laser oscillator according to the invention.
  • the laser oscillator 1 is used to generate two laser beams A, B of different wavelengths ⁇ ⁇ , ⁇ 2 ⁇ and is described in the figures using the example of a disk laser.
  • the pump source eg, laser diodes
  • the pump source required for optically pumping the disk laser is omitted.
  • Identical or functionally identical components are designated by the same reference numbers in the figures.
  • the in Fign. 1 to 4 each comprise a laser resonator 2 with a laser-active solid in the form of a Yb: YAG disk laser crystal 3 for generating a fundamental laser radiation ⁇ ⁇ .
  • the laser resonator 2 is highly reflective by two with respect to the fundamental laser radiation ⁇ ⁇ Defined ⁇ end mirror 4a, 4b, between which the fundamental laser radiation ⁇ ⁇ is reflected back and forth.
  • the laser resonator 2 are further a Auskoppelapt 5 for coupling only the fundamental laser radiation ⁇ ⁇ , two (or more) with respect to the fundamental laser radiation ⁇ ⁇ highly reflective A w -Umlenkapt 6, 7 and a nonlinear solid (SHG crystal) 8 for generating a frequency doubled laser radiation ⁇ 2 W arranged from the fundamental laser radiation ⁇ ⁇ .
  • the A w -EndLite 4a is also for the frequency-doubled laser radiation AE2 W highly reflective, and thus also represents a highly reflective A 2w -Endspiegel.
  • the second A w deflection mirror 7 trans for the frequency-doubled laser radiation ⁇ 2 ⁇ missive and thus forms an output mirror for Decoupling only the frequency-doubled laser radiation ⁇ 2 ⁇ ⁇
  • the fundamental laser radiation ⁇ ⁇ and the frequency-doubled laser radiation ⁇ 2 ⁇ are decoupled simultaneously from the laser resonator 2.
  • the laser resonator 2 can, as shown in FIGS. 1 to 4, have a single resonator path for the fundamental laser radiation ⁇ ⁇ and the frequency-converted laser radiation ⁇ 2 ⁇ .
  • wavelengths other than those at which the highest efficiency is obtained in the doubling process can be oscillated.
  • frequency-selective elements such as wavelength filters, are incorporated.
  • wavelength filters 9 are arranged, for example, between A w end mirror 4 b and disk laser crystal 3, but may also be located elsewhere in the laser resonator 2.
  • the filtering can also be realized only with a filter.
  • an intracavity radiation field with the fundamental Yb: YAG laser radiation ⁇ ⁇ of 1030 nm is generated.
  • a part of this fundamental laser radiation ⁇ ⁇ is coupled out via the A w -Auskoppelspiegel 5 from the laser resonator 2 as a laser beam A.
  • Another part of the fundamental laser radiation ⁇ ⁇ is frequency-doubled by means of the SHG crystal 8 to 515 nm and coupled out via the frequency-selective ⁇ 2 W -Auskoppelspiegel 7 from the laser resonator 2 as a laser beam B.
  • the wavelength filter 9 is incorporated as a frequency-selective element in the beam path.
  • Laser oscillator 1 shown 1 and 2 further comprises in the beam path of the fundamental laser radiation ⁇ ⁇ modulation means 10 for modulating the Auskoppelmiks of fundamental and frequency-converted laser radiation ⁇ ⁇ , ⁇ 2 ⁇ on.
  • This modulation device 10 is formed by a polarization-dependent coupling-out mirror 5 for the polarization-dependent coupling out of the fundamental laser radiation ⁇ ⁇ and by a polarization modulator for adjusting the polarization direction of the fundamental laser radiation ⁇ ⁇ impinging on the coupling-out mirror 5.
  • the polarization modulator is shown in FIG.
  • a lambda retardation plate 11 that can be rotated in the double arrowed direction 12 about the optical axis for modulation into the ms range and in FIG. 2 by an electrooptical polarization modulator 21, such as a Pockels cell, or a photoelastic or magneto-optical modulator designed for a modulation to the ns to ps range.
  • an electrooptical polarization modulator 21 such as a Pockels cell, or a photoelastic or magneto-optical modulator designed for a modulation to the ns to ps range.
  • the polarization dependent coupling mirror 5 has for different polarization directions of the fundamental laser radiation ⁇ ⁇ different degrees of transmission. Depending on the polarization direction of the incident fundamental laser radiation ⁇ ⁇ , the coupling-out mirror 5 forms a partially reflective ⁇ ⁇ coupling-out mirror, at which a part of the fundamental laser radiation ⁇ ⁇ is coupled out of the laser resonator 2 as laser beam A, or a highly reflective ⁇ deflection mirror, on which no fundamental laser radiation ⁇ ⁇ is coupled out of the laser resonator 2.
  • the partial reflectivity of the output mirror 5 can thus ⁇ of the fundamental wavelength ⁇ - and consequently also the out-coupled power of the fundamental laser radiation ⁇ ⁇ and the respectively associated frequency doubled laser radiation ⁇ 2 ⁇ - be varied.
  • ⁇ the fundamental wavelength
  • ⁇ the respectively associated frequency doubled laser radiation
  • ⁇ 2 ⁇ - the respectively associated frequency doubled laser radiation
  • the workpiece material is still cold and still has a lower absorption for infrared radiation, so that a higher proportion of frequency-converted laser radiation is needed.
  • This effect is especially pronounced for Cu materials.
  • the overall performance plays a role, so that the proportion of frequency-converted laser radiation can be reduced.
  • the two laser beams A, B at the same time with different focal position or at different positions, such as the frequency-converted laser radiation in the flow of the fundamental laser radiation, impinge on the workpiece, so as the coupling of the fundamental laser radiation ⁇ ⁇ in the workpiece through Use of the frequency-doubled laser radiation ⁇ 2 ⁇ to improve.
  • the laser oscillator oscillator 1 could, for example, be designed as follows: A Yb: YAG disk laser head forms a multimode CW laser. Typical resonator-internal circulating power is 10 kW. An overall output of fundamental and frequency-converted laser radiation of 10% is selected. For the total decoupling of 1 kW, a doubling efficiency of 1% is necessary to produce 00 W frequency-converted light. This is sufficient to be able to omit frequency-selective elements. Typical crystal lengths are between a few 100 ⁇ and a few mm. In particular, at high CW intensities, it might be useful to provide the frequency-converting crystal with a highly reflective HR coating and to arrange on a heat sink analogous to the disk laser crystal. Power scaling by using multiple laser heads is possible.
  • the polarization modulator 21 can also be arranged between the outcoupling mirror 5 and the SHG crystal 8 in order to determine the polarization of the laser beam impinging on the SHG crystal 8 and thereby changing the conversion efficiency of the SHG crystal 8.
  • the polarization modulator 21 can also be arranged between the outcoupling mirror 5 and the SHG crystal 8 in order to determine the polarization of the laser beam impinging on the SHG crystal 8 and thereby changing the conversion efficiency of the SHG crystal 8.
  • the A w -Auskoppelapt 5 also forms the end mirror 4b and is not polarization dependent, that a further deflection mirror 16 is provided and that the modulation means 10 for modulation of the coupling-out ratio of fundamental and frequency-converted laser radiation ⁇ ⁇ , ⁇ 2 ⁇ is formed by a heating and / or cooling device 31 with associated temperature control, which is in thermal contact with the SHG crystal 8.
  • the frequency conversion efficiency of the SHG crystal 8 is temperature-dependent and therefore can be adjusted selectively, albeit slowly, via the temperature of the SHG crystal 8. From Fig. 3, the laser oscillator 1 shown in Fig.
  • the modulation device 10 for modulating the Auskoppelmiks of fundamental and frequency-converted laser radiation ⁇ ⁇ , ⁇ 2 ⁇ by a rotary drive 41 for tilting (double arrow 42) of the SHG crystal. 8 is formed opposite to the incident fundamental laser radiation ⁇ ⁇ .
  • the frequency conversion efficiency of the nonlinear solid 8 is dependent on the angle of incidence of the fundamental laser radiation ⁇ ⁇ and can therefore be set selectively via the tilt angle of the SHG crystal 8.
  • the rotation was chosen around an axis that is perpendicular to the beam axis; a rotation about the beam axis is also conceivable.
  • the laser resonator of the laser oscillator according to the invention may also be a ring resonator in which the fundamental laser radiation ⁇ ⁇ rotates, so no end mirror but only deflecting mirrors are provided, and the fundamental and the frequency doubled laser radiation ⁇ ⁇ , ⁇ 2 ⁇ 1 or at two different outcoupling mirrors analogous to FIG. 2 are coupled out of the ring resonator at the same Auskoppelspiegel analogous to FIG.
  • a single outcoupling beam with ⁇ ⁇ and ⁇ 2 ⁇ and in the second case a first outcoupling beam with ⁇ ⁇ and a second outcoupling beam with ⁇ 2 ⁇ is coupled out.
  • the two laser beams A, B can be separated via free-jet propagation either separately (FIG. 5a) or spatially superimposed (FIGS. 5b, 5c) to the machining head (FIG. not shown) of a laser processing machine.
  • the laser beam A is two of the fundamental wavelength ⁇ ⁇ highly reflective w A deflection mirror 51 collinear deflected to the laser beam B 52, wherein the second deflecting mirror 52 for the frequency-converted wavelength ⁇ 2 ⁇ is transmissive.
  • the laser beam B is shown in Figure 5c. Two for the frequency-converted wavelength ⁇ 2 ⁇ highly reflective AE2 W deflection mirror 53, deflected 54 collinear with the laser beam A, said second deflecting mirror 54 for the fundamental wavelength is transmissive ⁇ ⁇ .
  • the two laser beams A, B can either be coupled via a coupling lens 61, 62 into a transport fiber 63, 64 (FIG spatial collinear superimposition (analogous to FIGS. 5b, 5b) via a common coupling-in lens 65 into a common transport fiber 66 (FIG. 6b).
  • the laser beams A, B guided separately or together in the free-jet or fiber guide can finally be focused together onto the workpiece.
  • separately guided laser beams A, B (FIG.
  • the laser beams A, B are focused on the workpiece surface by means of a spatial collinear superposition (analogous to FIGS. 5 b, 5 c) via focusing optics 71.
  • the laser beams A, B are focused on the workpiece surface via a collimating lens 72 and a focusing lens 73, wherein all the optical components can be made achromatic.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Laser Surgery Devices (AREA)

Description

Laseroszillator und Verfahren zum Erzeugen zweier Laserstrahlen
unterschiedlicher Wellenlängen
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laseroszillator zum Erzeugen zweier Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen mit einem Laserresonator, der einen laser- aktiven Festkörper zum Erzeugen einer fundamentalen Laserstrahlung, einen nichtlinearen Festkörper zum Erzeugen einer frequenzkonvertierten Laserstrahlung aus der fundamentalen Laserstrahlung und mindestens einen Auskoppelspiegel zum gleichzeitigen Auskoppeln der fundamentalen und der frequenzkonvertierten Laser- Strahlung aus dem Laserresonator aufweist, sowie auch ein Verfahren zum Erzeugen zweier Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen.
Ein derartiger Laseroszillator und ein derartiges Verfahren sind beispielsweise aus der US 5,083,007 bekannt geworden.
Für die Material bearbeitung wird intensive Laserstrahlung mit stabilen Parametern, wie z.B. Laserenergie, Laserleistung und Strahlqualität, benötigt. Theoretisch fallen sehr viele Lasermoden in die Verstärkungsbandbreite eines aktiven Festkörpermedi- ums innerhalb eines Laserresonators. Der Resonator lasert aber bevorzugt auf derjenigen Lasermode innerhalb der Verstärkungsbandbreite, welche die höchste Verstärkung erfährt. Arbeitet der Resonator exakt auf dieser Lasermode, befindet er sich in einem stabilen Zustand. Bei interner Frequenzkonversion hängt die Konversionseffizienz von Kristalleigenschaften, Temperatur, Phase, Einfallswinkel und Lasermode der zu konvertierenden Strahlung ab. Für den Laserresonator ist die Frequenzkonversion als Verlust der Laserstrahlung anzusehen, und er wird versuchen, auf einer anderen Lasermode innerhalb der Verstärkungsbandbreite zu arbeiten, welche ein günstigeres Verstärkungs-/Verlustverhältnis aufweist. Bei resonatorinterner Frequenzkonversion treten also bei der Erzeugung von frequenzkonvertiertem Laserlicht die Probleme der dynamischen Instabilität durch Modensprünge auf, wobei dieses Problem vor allem bei Hochleistungslasem bemerkbar wird. Die Faserkopplung von reinen infraroten Resonatoren führt mitunter zu starken unerwünschten Relaxationsoszillationen bei Rückreflexion in den Resonator. Des Weiteren werden bei der resonatorinternen Frequenzkonversion komplizierte frequenzselektive Elemente zur Fixierung der Wellenlänge benötigt (d. h. zur Erzeugung von Verlusten für Wellenlängen, die nicht konvertiert werden).
Bei dem aus US 5,083,007 bekannten Laseroszillator werden der fundamentale und der frequenzkonvertierte Laserstrahl über den gleichen Auskoppelspiegel in einem fest vorgegebenen Leistungsverhältnis ausgekoppelt. Das gewünschte Leistungsverhältnis der beiden Laserstrahlen wird resonatorextern über die gewählte Reflexi- onsbeschichtung des Strahlenteilers wie gewünscht, dann aber fest eingestellt. Aus GB 2 175 737 A ist es bekannt, dass die Einkopplung eines hochenergetischen Laserstrahls in ein Werkstück durch Verwendung eines zweiten Laserstrahls kürzerer Wellenlänge verbessert wird, der gleichzeitig und im gleichen Bearbeitungspunkt wie der erste Laserstrahl auf das Werkstück auftrifft. Der Laserstrahl längerer Wellenlän- ge wird mit einem C02-Laser und der Laserstrahls kürzerer Wellenlänge mit einem YAG-Laser erzeugt.
Aus US 2008/0296272 A1 ist weiterhin ein Laseroszillator bekannt, bei dem zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge mit einstellbarer Modulationsfrequenz ab- wechselnd aus dem Laserresonator ausgekoppelt und jeweils auf den gleichen Bearbeitungspunkt gerichtet werden. Der Laserresonator umfasst einen ersten optischen Resonatorpfad zum Erzeugen des ersten Laserstrahls und einen ersten Auskoppelspiegel zum Auskoppeln ausschließlich des ersten Laserstrahls, einen zweiten optischen Resonatorpfad zum Erzeugen des zweiten Laserstrahls und einen zweiten Auskoppelspiegel zum Auskoppeln ausschließlich des zweiten Laserstrahls, sowie einen elektrooptischen Modulator, der entweder den einen oder den anderen optischen Resonatorpfad schaltet. Die Modulationsfrequenz der zwei Laserstrahlen wird durch die am elektrooptischen Modulator angelegte Spannungspulsfolge bestimmt. In einer gezeigten Ausführungsvariante werden in den beiden optischen Resonator- pfaden jeweils die fundamentale Laserstrahlung des laseraktiven Festkörpers und die zweite harmonische Laserstrahlung abwechselnd mit der Modulationsfrequenz erzeugt und über die jeweiligen Auskoppelspiegel aus dem Laserresonator ausgekoppelt, wobei resonatorextern noch eine Frequenzkonversion der ausgekoppelten Laserstrahlen auf die dritte und vierte Harmonische stattfindet.
Es ist demgegenüber die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Laseroszillator der eingangs genannten Art das Leistungsverhältnis der beiden ausgekoppelten Laserstrahlen leicht und sehne!! ändern zu können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem eingangs genannten Laseroszillator dadurch gelöst, dass der Laserresonator eine Modulationseinrichtung zur Modulation des Auskoppelverhältnisses von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung aufweist. Mit dem erfindungsgemäße Laseroszillator können bei hoher Gesamteffizienz und bei hoher Leistung (> 100 Watt cw) die fundamentale und die frequenzkonvertierte Laserstrahlung in nahezu beliebig einstellbarem Leistungsverhältnis gleichzeitig ausgekoppelt werden und stehen für den Bearbeitungsprozess zur Verfügung. Das vari- able Auskopplungsverhältnis ermöglicht eine optimale Bearbeitung des Werkstücks mittels der beiden Laserstrahlen. So ist bei Bearbeitungsbeginn (Einstechvorgang) das Werkstückmaterial noch kalt und benötigt viel Energie, so dass mit nahezu 100% frequenzkonvertierter Laserstrahlung gearbeitet wird. Im weiteren Bearbeitungsverlauf spielt vor allem die Gesamtleistung eine Rolle, so dass der Anteil der frequenz- konvertierten Laserstrahlung zurückgefahren werden kann.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Auskoppelverhältnis-Modulationseinrichtung durch einen polarisationsabhängigen Auskoppelspiegel zum polarisationsabhängigen Auskoppeln der fundamentalen Laserstrahlung und ei- nen Polarisationsmodulator zum Einstellen der Polarisationsrichtung der auf den
Auskoppelspiegel treffenden fundamentalen Laserstrahlung gebildet. Diese Polarisationsmodulation kann mechanisch im ms-Bereich, z.B. mit einer motorisch verdrehbaren Verzögerungsplatte, oder elektrooptisch (oder auch photoelastisch oder magnetooptisch) im ns- bis ps-Bereich mit einem elektrisch ansteuerbaren Polarisations- modulator (z.B. Pockelszelle) erfolgen.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Auskoppelverhältnis-Modulationseinrichtung durch eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung zum Regeln der Temperatur des nichtlinearen Festkörpers gebildet. Die Frequenzkonversi- onseffizienz des nichtlinearen Festkörpers ist temperaturabhängig und kann daher gezielt über die Temperatur des nichtlinearen Festkörpers eingestellt werden.
In einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Auskoppelverhältnis-Modulationseinrichtung durch eine Einrichtung zum Verdrehen des nichtline- aren Festkörpers gegenüber der einfallenden fundamentalen Laserstrahlung gebildet. Die Frequenzkonversionseffizienz des nichtlinearen Festkörpers ist abhängig vom Einfallswinkel der fundamentalen Laserstrahlung und kann daher gezielt über den Drehwinkel des nichtlinearen Festkörpers eingestellt werden. Das laseraktive Medium kann beispielsweise einen Wirtskristall aufweisen, welcher ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: YAG, YV04, Y03, Sc203, Lu203, KGdW04, KYW04, YAP, YALO, GGG, GSGG, GSAG, LBS, GCOB, FAP, SFAP, YLF etc. Diese Wirtskristalle können jeweils mit Yb3+ oder Nd3+, Ho, Tm3 etc. als aktivem Material dotiert sein. Der laseraktive Festkörper kann beispielsweise
Yb:YAG oder Nd:YAG sein, wobei Yb:YAG aufgrund seiner höheren Effizienz bevorzugt ist, aber aufgrund seines im Vergleich zu Nd:YAG breiteren Verstärkungsspektrums wellenselektive Elemente benötigt werden. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erzeugen zweier Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen, insbesondere zur Laserbearbeitung eines Werkstücks mittels der zwei Laserstrahlen, wobei die beiden Laserstrahlen in einem Laserresonator als fundamentale Laserstrahlung und als frequenzkonvertierte Laserstrahlung eines laseraktiven Festkörpers erzeugt und über mindestens einen Auskoppel- spiegel aus dem Laserresonator gleichzeitig ausgekoppelt werden und wobei erfindungsgemäß das Leistungsverhältnis der beiden ausgekoppelten Laserstrahlen resonatorintern durch Modulation des Auskoppelverhältnisses von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung eingestellt wird. Vorzugsweise wird das Auskoppelverhältnis von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung im Laufe eines Bearbeitungsprozesses geändert. So kann beispielsweise zu Beginn des Bearbeitungsprozesses der Leistungsanteil an ausgekoppelter frequenzkonvertierter Laserstrahlung mindestens 25%, bevorzugt mindestens 50%, besonders bevorzugt mindestens 90%, betragen und dann im weiteren Bearbeitungsprozess auf kleiner als 50%, bevorzugt zwischen 0,1 % und 20%, reduziert werden. Dieses variable Auskopplungsverhältnis ermöglicht eine optimale Bearbeitung des Werkstücks mittels der beiden Laserstrahlen. So ist bei Bearbeitungsbeginn (Einstechvorgang) das Werkstückmaterial noch kalt und weist noch eine geringere Absorption für Infrarotstrahlung auf, so dass ein höherer Anteil an frequenz- konvertierter Laserstrahlung benötigt wird. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei Cu-Werkstoffen. Im weiteren Bearbeitungsverlauf spielt vor allem die Gesamtleistung eine Rolle, so dass der Anteil der frequenzkonvertierten Laserstrahlung zurückgefahren werden kann. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen: Fign. 1-4 verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Laseroszillators mit jeweils einer Modulationseinrichtung zur Modulation des Auskoppelverhältnisses von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung, nämlich mit einer verdrehbaren Wellenplatte (Fig. 1 ), mit einem elektrooptischen Polarisationsmodulator (Fig. 2), mit einer Temperaturregelung (Fig. 3) und mit einem Drehantrieb (Fig. 4);
Fign. 5a-5c verschiedene Varianten einer Freistrahlführung der ausgekoppelten
Laserstrahlen des erfindungsgemäßen Laseroszillators;
Fign. 6a, 6b verschiedene Variante einer Faserführung der ausgekoppelten Laserstrahlen des erfindungsgemäßen Laseroszillators; und
Fign. 7a, 7b verschiedene Variante einer Fokussierung der ausgekoppelten Laserstrahlen des erfindungsgemäßen Laseroszillators.
Der erfindungsgemäße Laseroszillator 1 dient zum Erzeugen zweier Laserstrahlen A, B unterschiedlicher Wellenlängen λω, λ2ω und wird in den Figuren am Beispiel eines Scheibenlasers beschrieben. In den Figuren ist die zum optischen Pumpen des Scheibenlasers erforderliche Pumpquelle (z.B. Laserdioden) ausgelassen. Gleiche oder funktionsgleiche Komponenten sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Die in Fign. 1 bis 4 gezeigten Laseroszillatoren 1 umfassen jeweils einen Laserresonator 2 mit einem laseraktiven Festkörper in Form eines Yb:YAG-Scheibenlaser- kristalls 3 zum Erzeugen einer fundamentalen Laserstrahlung λω. Der Laserresonator 2 ist durch zwei bezüglich der fundamentalen Laserstrahlung λω hochreflektive λω-Endspiegel 4a, 4b definiert, zwischen denen die fundamentale Laserstrahlung λω hin und her reflektiert wird. Im Laserresonator 2 sind weiterhin ein Auskoppelspiegel 5 zum Auskoppeln nur der fundamentalen Laserstrahlung λω, zwei (oder auch mehr) bezüglich der fundamentalen Laserstrahlung λω hochreflektive Aw-Umlenkspiegel 6, 7 sowie ein nichtlinearer Festkörper (SHG-Kristall) 8 zum Erzeugen einer frequenzverdoppelten Laserstrahlung Ä2W aus der fundamentalen Laserstrahlung λω angeordnet. Der Aw-Endspiegel 4a ist auch für die frequenzverdoppelte Laserstrahlung Ä2W hochreflektiv und stellt somit auch einen hochreflektiven A2w-Endspiegel dar. Der zweite Aw-Umlenkspiegel 7 ist für die frequenzverdoppelte Laserstrahlung λ2ω trans- missiv und bildet somit einen Auskoppelspiegel zum Auskoppeln nur der frequenzverdoppelten Laserstrahlung λ2ω· Die fundamentale Laserstrahlung λω und die frequenzverdoppelte Laserstrahlung λ2ω werden gleichzeitig aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelt. Der Laserresonator 2 kann, wie in den Fign. 1 bis 4 gezeigt ist, einen einzigen Resonatorpfad für die fundamentale Laserstrahlung λω und die frequenz- konvertierte Laserstrahlung λ2ω aufweisen.
Wenn der Laseroszillator 1 im CW-Betrieb oder quasi-CW-Betrieb arbeitet, können andere Wellenlängen als die, bei denen die höchste Effizienz im Verdopplungspro- zess erhalten wird, anschwingen. Um einen effizienten, stabilen Frequenzkonversi- ons-prozess zu erhalten, werden frequenzselektive Elemente, wie z.B. Wellenlängenfilter, eingebaut. In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind solche Wellenlängenfilter 9 beispielhaft zwischen Aw-Endspiegel 4b und Scheibenlaserkristall 3 angeordnet, können aber auch an anderer Stelle im Laserresonator 2 stehen. Die Filterung kann auch nur mit einem Filter realisiert werden.
Im Laseroszillator 1 wird ein resonatorinternes Strahlungsfeld mit der fundamentalen Yb:YAG-Laserstrahlung λω von 1030 nm erzeugt. Ein Teil dieser fundamentalen Laserstrahlung λω wird über den Aw-Auskoppelspiegel 5 aus dem Laserresonator 2 als Laserstrahl A ausgekoppelt. Ein weiterer Teil der fundamentalen Laserstrahlung λω wird mittels des SHG-Kristalls 8 auf 515 nm frequenzverdoppelt und über den frequenzselektiven Ä2W-Auskoppelspiegel 7 aus dem Laserresonator 2 als Laserstrahl B ausgekoppelt. Um einen effizienten, stabilen Frequenzkonversionsprozess zu erhalten, ist der Wellenlängenfilter 9 als frequenzselektives Element im Strahlengang eingebaut. Es besteht kein linearer, sondern ein näherungsweise quadratischer Kon- versionszusammenhang zwischen der frequenzverdoppelten Laserstrahlung λ2ω und der zugrundeliegenden fundamentalen Laserstrahlung λω. Je höher also die Leistung der auf den SHG-Kristall 8 auftreffenden fundamentalen Laserstrahlung λω ist, umso stärker steigt auch die Leistung der im SHG-Kristall 8 erzeugten frequenzverdoppel- ten Laserstrahlung λ2ω an.
Der in Fign. 1 und 2 gezeigte Laseroszillator 1 weist weiterhin im Strahlengang der fundamentalen Laserstrahlung λω eine Modulationseinrichtung 10 zur Modulation des Auskoppelverhältnisses von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laser- Strahlung λω, λ2ω auf. Diese Modulationseinrichtung 10 ist durch einen polarisationsabhängigen Auskoppelspiegel 5 zum polarisationsabhängigen Auskoppeln der fundamentalen Laserstrahlung λω und durch einen Polarisationsmodulator zum Einstellen der Polarisationsrichtung der auf den Auskoppelspiegel 5 treffenden fundamentalen Laserstrahlung λω gebildet. Der Polarisationsmodulator ist in Fig. 1 durch eine motorisch in Doppelpfeilrichtung 12 um die optische Achse verdrehbare Lambda- Verzögerungsplatte 11 für eine Modulation bis in den ms-Bereich und in Fig. 2 durch einen elektrooptischen Polarisationsmodulator 21 , wie z.B. eine Pockelszelle, oder einen photoelastischen oder magnetooptischen Modulator für eine Modulation bis in den ns- bis ps-Bereich ausgebildet.
Der polarisationsabhängige Auskoppelspiegel 5 weist für unterschiedliche Polarisationsrichtungen der fundamentalen Laserstrahlung λω unterschiedlich starke Transmission auf. Abhängig von der Polarisationsrichtung der auftreffenden fundamentalen Laserstrahlung λω bildet der Auskoppelspiegel 5 einen teilreflektiven λω- Auskoppelspiegel, an dem ein Teil der fundamentalen Laserstrahlung λω als Laserstrahl A aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelt wird, oder einen hochreflektiven λω-Umlenkspiegel, an dem keine fundamentale Laserstrahlung λω aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelt wird. Über den Polarisationsmodulator 1 1 , 21 kann somit die Teilreflektivität des Auskoppelspiegels 5 für die fundamentale Wellenlänge λω - und folglich auch die ausgekoppelte Leistung der fundamentalen Laserstrahlung λω und der jeweils zugehörigen frequenzverdoppelten Laserstrahlung λ2ω - variiert werden. Für jeden am Polarisationsmodulator 1 1 , 21 eingestellten Auskoppelgrad der fundamentalen Laserstrahlung λω ergibt sich eine unterschiedliche Leistung der Laserstrahlung λω im Resonator und aufgrund des nichtlinearen Konversionszusammen- hangs ein unterschiedliches Auskopplungsverhältnis von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung, das von nahezu 0% bis 100% frequenzkonvertierte Laserstrahlung eingestellt werden kann. Dieses variable Auskopplungsverhältnis ermöglicht eine optimale Bearbeitung eines Werkstücks mittels der beiden Laserstrahlen A, B. So ist bei Bearbeitungsbeginn (Einstechvorgang) das Werkstückmaterial noch kalt und weist noch eine geringere Absorption für Infrarotstrahlung auf, so dass ein höherer Anteil an frequenzkonvertierter Laserstrahlung benötigt wird. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei Cu- Werkstoffen Im weiteren Bearbeitungsverlauf spielt vor allem die Gesamtleistung eine Rolle, so dass der Anteil der frequenzkonvertierten Laserstrahlung zurückgefahren werden kann. Beispielsweise können die beiden Laserstrahlen A, B gleichzeitig im gleichen Punkt mit unterschiedlicher Fokuslage oder an unterschiedlichen Positionen, z.B. die frequenzkonvertierte Laserstrahlung im Vorlauf der fundamentalen La- serstrahlung, auf das Werkstück auftreffen, um so die Einkopplung der fundamentalen Laserstrahlung λω in das Werkstück durch Verwendung der frequenzverdoppelten Laserstrahlung λ2ω zu verbessern.
Der Laseroszillator Oszillator 1 könnte beispielsweise wie folgt ausgebildet sein: Ein Yb:YAG-Scheibenlaserkopf bildet einen Multimode CW-Laser. Typische resonatorinterne umlaufende Leistung beträgt 10 kW. Eine gesamte Auskopplung aus fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung von 10% wird gewählt. Bei der Gesamtauskopplung von 1 kW ist eine Verdopplungseffizienz von 1 % notwendig, um 00 W frequenzkonvertiertes Licht zu erzeugen. Dies ist ausreichend, um frequenz- selektive Elemente weglassen zu können. Typische Kristalllängen liegen zwischen einigen 100 μιτι und einigen mm. Insbesondere bei hohen CW-Intensitäten könnte es sinnvoll sein, den frequenzkonvertierenden Kristall mit einer hochreflektiven HR- Beschichtung zu versehen und analog zum Scheibenlaserkristall auf einer Wärmesenke anzuordnen. Leistungsskalierung durch Verwendung mehrerer Laserköpfe ist möglich.
In einer hier nicht gezeigten Variante der Fig. 2 kann der Polarisationsmodulator 21 auch zwischen dem Auskoppelspiegel 5 und dem SHG-Kristall 8 angeordnet sein, um die Polarisation des auf den SHG-Kristall 8 auftreffenden Laserstrahls und dadurch die Konversionseffizienz des SHG-Kristalls 8 zu ändern. So gibt es beispielsweise bei Verwendung einer Lambda/2-Platte keine zusätzliche Auskopplung am Auskoppelspiegel 5, sondern nur eine andere Polarisation im SHG-Kristall 8. Von Fign. 1 und 2 unterscheidet sich der in Fig. 3 gezeigte Laseroszillator 1 dadurch, dass hier der Aw-Auskoppelspiegel 5 auch den Endspiegel 4b bildet und nicht polarisationsabhängig ist, dass ein weiterer Umlenkspiegel 16 vorgesehen ist und dass die Modulationseinrichtung 10 zur Modulation des Auskoppelverhältnisses von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung λω, λ2ω durch eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung 31 mit zugehöriger Temperaturregelung gebildet ist, die in thermischem Kontakt mit dem SHG-Kristall 8 steht. Die Frequenzkonversionseffizienz des SHG-Kristalls 8 ist temperaturabhängig und kann daher gezielt, wenn auch nur langsam, über die Temperatur des SHG-Kristalls 8 eingestellt werden. Von Fig. 3 unterscheidet sich der in Fig. 4 gezeigte Laseroszillator 1 dadurch, dass hier die Modulationseinrichtung 10 zur Modulation des Auskoppelverhältnisses von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung λω, λ2ω durch einen Drehantrieb 41 zum Verkippen (Doppelpfeil 42) des SHG-Kristalls 8 gegenüber der einfallenden fundamentalen Laserstrahlung λω gebildet ist. Die Frequenzkonversionseffizi- enz des nichtlinearen Festkörpers 8 ist abhängig vom Einfallswinkel der fundamentalen Laserstrahlung λω und kann daher gezielt über den Kippwinkel des SHG-Kristalls 8 eingestellt werden. Hier wurde die Drehung um eine Achse, die senkrecht zur Strahlsachse steht, gewählt; eine Drehung um die Strahlachse ist auch denkbar. Obwohl in den Fign. 1 bis 4 nur lineare Laserresonatoren gezeigt sind, kann der Laserresonator des erfindungsgemäßen Laseroszillators auch ein Ringresonator sein, in dem die fundamentale Laserstrahlung λω umläuft, also keine Endspiegel sondern nur Umlenkspiegel vorgesehen sind, und die fundamentale und die frequenzverdoppelte Laserstrahlung λω, λ2ω entweder am gleichen Auskoppelspiegel analog zu Fig. 1 oder an zwei unterschiedlichen Auskoppelspiegeln analog zu Fig. 2 aus dem Ringresonator ausgekoppelt werden. Im ersten Fall wird ein einziger Auskoppelstrahl mit λω und λ2ω und im zweiten Fall ein erster Auskoppelstrahl mit λω und ein zweiter Auskoppelstrahl mit λ2ω ausgekoppelt. Wie in Fign. 5a-5c am Beispiel von separat aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelten Laserstrahlen A, B gezeigt ist, können die beiden Laserstrahlen A, B über Freistrahlpropagation entweder separat (Fig. 5a) oder nach räumlicher Überlagerung gemeinsam (Fign. 5b, 5c) zum Bearbeitungskopf (nicht gezeigt) einer Laserbearbei- tungsmaschine geführt werden. In Fig. 5b wird der Laserstrahl A über zwei für die fundamentale Wellenlänge λω hochreflektive Aw-Umlenkspiegel 51 , 52 kollinear zum Laserstrahl B umgelenkt, wobei der zweite Umlenkspiegel 52 transmissiv für die frequenzkonvertierte Wellenlänge λ2ω ist. In Fig. 5c wird der Laserstrahl B über zwei für die frequenzkonvertierte Wellenlänge λ2ω hochreflektive Ä2W-Umlenkspiegel 53, 54 kollinear zum Laserstrahl A umgelenkt, wobei der zweite Umlenkspiegel 54 transmissiv für die fundamentale Wellenlänge λω ist.
Wie in Fign. 6a und 6b am Beispiel von separat aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelten Laserstrahlen A, B gezeigt ist, können die beiden Laserstrahlen A, B ent- weder jeweils über eine Einkoppellinse 61 , 62 in eine Transportfaser 63, 64 (Fig. 6a) eingekoppelt oder nach räumlicher kollinearer Überlagerung (analog zu Fign. 5b, 5b) über eine gemeinsame Einkoppellinse 65 in eine gemeinsame Transportfaser 66 (Fig. 6b) eingekoppelt werden. Wie in Fign. 7a und 7b gezeigt ist, können die in Freistrahl- oder Faserführung separat oder gemeinsam zum Bearbeitungskopf geführten Laserstrahlen A, B abschließend gemeinsam auf das Werkstück fokussiert werden. Im Falle von separat geführten Laserstrahlen A, B (Fig. 7a) werden die Laserstrahlen A, B nach räumlicher kollinearer Überlagerung (analog zu Fign. 5b, 5c) über eine Fokussieroptik 71 auf die Werkstückoberfläche fokussiert. Im Falle von gemeinsam geführten Laserstrahlen A, B (Fig. 7b) werden die Laserstrahlen A, B über eine Kollimationslinse 72 und eine Fokussierlinse 73 auf die Werkstückoberfläche fokussiert, wobei alle optische Komponenten achromatisch ausgeführt sein können.

Claims

Patentansprüche
1. Laseroszillator (1 ) zum Erzeugen zweier Laserstrahlen (A, B) unterschiedlicher Wellenlängen (λω, λ2ω), mit einem Laserresonator (2), der einen laseraktiven Festkörper (3) zum Erzeugen einer fundamentalen Laserstrahlung (λω), einen nichtlinearen Festkörper (8) zum Erzeugen einer frequenzkonvertierten Laserstrahlung (λ2ω) aus der fundamentalen Laserstrahlung (λω) und mindestens einen Auskoppelspiegel (5, 7) zum gleichzeitigen Auskoppeln der fundamentalen und der frequenzkonvertierten Laserstrahlung (λω, λ2ω) aus dem Laserresonator (2) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Laserresonator (2) eine Modulationseinrichtung (10) zur Modulation des Auskoppelverhältnisses von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung (λω, λ2ω) aufweist.
2. Laseroszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelverhältnis-Modulationseinrichtung (10) durch einen polarisationsabhängigen Auskoppelspiegel (5) zum polarisationsabhängigen Auskoppeln der fundamentalen Laserstrahlung (λω) und einen Polarisationsmodulator (1 1 , 21 ) zum Einstellen der Polarisationsrichtung der auf den Auskoppelspiegel (5) treffenden fundamentalen Laserstrahlung (λω) gebildet ist.
3. Laseroszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsmodulator als eine verdrehbare Verzögerungsplatte (1 1 ) oder als ein elektrooptischer, photoelastischer oder magnetooptischer Modulator (21 ), insbesondere als eine Pockelszelle, ausgebildet ist.
4. Laseroszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelverhältnis-Modulationseinrichtung (10) durch eine Heiz- und/oder Kühlein- richtung (31 ) zum Ändern der Temperatur des nichtlinearen Festkörpers (8) gebildet ist.
5. Laseroszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelverhältnis-Modulationseinrichtung (10) durch eine Einrichtung (41 ) zum Verdrehen des nichtlinearen Festkörpers (8) gegenüber der einfallenden fundamentalen Laserstrahiung (λω) gebildet ist.
6. Laseroszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserresonator (2) einen ersten Auskoppelspiegel (5) zum Auskoppeln nur der fundamentalen Laserstrahlung (λω) und einen zweiten Auskoppelspiegel (7) zum Auskoppeln nur der frequenzkonvertierten Laserstrahlung (λ2ω) aufweist.
7. Laseroszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine separate oder gemeinsame Freistrahlführung für die aus dem Laserresonator (2) ausgekoppelten zwei Laserstrahlen (A, B) vorgesehen ist.
8. Laseroszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine separate oder gemeinsame Faserführung für die aus dem Laserresonator (2) ausgekoppelten zwei Laserstrahlen (A, B) vorgesehen ist.
9. Laseroszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Fokussieroptik (71 , 73) für die aus dem Laserresonator (2) ausgekoppelten zwei Laserstrahlen (A, B) vorgesehen ist.
10. Laseroszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der laseraktive Festkörper (3) Yb:YAG oder Nd:YAG ist.
1 1 . Laseroszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserresonator (2) einen einzigen Resonatorpfad für die fundamentale Laserstrahlung (λω) und die frequenzkonvertierte Laserstrahlung (λ2ω) aufweist.
12. Verfahren zum Erzeugen zweier Laserstrahlen (A, B) unterschiedlicher Wellenlängen (λω, λ2ω), insbesondere zur Laserbearbeitung eines Werkstücks mittels der zwei Laserstrahlen (A, B), wobei die beiden Laserstrahlen (A, B) in einem Laserresonator (2) als fundamentale Laserstrahlung (λω) und als frequenzkonvertierte Laserstrahlung (λ2ω) eines laseraktiven Festkörpers (3) erzeugt und über mindestens einen Auskoppelspiegel (5, 7) aus dem Laserresonator (2) gleichzeitig ausgekoppelt werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Leistungsverhältnis der beiden ausgekoppelten Laserstrahlen (A, B) resonatorintern durch Modulation des Auskoppelverhältnisses von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung (λω, λ2ω) eingestellt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskoppelverhältnis von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung (λω, λ2ω) durch Modulieren der Polarisationsrichtung der auf einen polarisationsabhängigen Auskoppelspiegel (5) treffenden fundamentalen Laserstrahlung (λω) moduliert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskoppelverhältnis von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung (λω, λ2ω) durch Ändern der Temperatur des nichtlinearen Festkörpers (8) moduliert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskoppelverhältnis von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung (λω, λ2ω) durch Verdrehen des nichtlinearen Festkörpers (8) gegenüber der einfallenden fundamentalen Laserstrahlung (λω) moduliert wird. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskoppelverhältnis von fundamentaler und frequenzkonvertierter Laserstrahlung (λω, λ2ω) während eines Bearbeitungsprozesses geändert wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des Bearbeitungsprozesses der Leistungsanteil an ausgekoppelter frequenzkonvertierter Laserstrahlung (λ2ω) mindestens 25%, bevorzugt mindestens 50%, besonders bevorzugt mindestens 90%, beträgt und dann im weiteren Bearbeitungsprozess reduziert wird, insbesondere auf kleiner als 50%, bevorzugt zwischen 0,1 % und 20%, reduziert wird.
PCT/EP2013/064721 2012-07-19 2013-07-11 Laseroszillator und verfahren zum erzeugen zweier laserstrahlen unterschiedlicher wellenlängen Ceased WO2014012847A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201390000630.8U CN204558874U (zh) 2012-07-19 2013-07-11 用于产生不同波长的两个激光射束的激光振荡器

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012212672.4A DE102012212672B4 (de) 2012-07-19 2012-07-19 Laseroszillator und Verfahren zum gleichzeitigen Erzeugen zweier Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen
DE102012212672.4 2012-07-19

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014012847A1 true WO2014012847A1 (de) 2014-01-23

Family

ID=48782344

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2013/064721 Ceased WO2014012847A1 (de) 2012-07-19 2013-07-11 Laseroszillator und verfahren zum erzeugen zweier laserstrahlen unterschiedlicher wellenlängen

Country Status (3)

Country Link
CN (1) CN204558874U (de)
DE (1) DE102012212672B4 (de)
WO (1) WO2014012847A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017012898A1 (de) * 2015-07-17 2017-01-26 Trumpf Laser Gmbh Strahlmodulator mit frequenzkonversion sowie zugehöriges verfahren und laserbearbeitungsmaschine

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015115416B4 (de) * 2015-09-14 2018-09-13 Bruker Daltonik Gmbh Austastung von Pulsen in Pulslasern für LDI-Massenspektrometer
DE102015121988B4 (de) * 2015-12-16 2021-06-10 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Laserbearbeitungsanlage mit wählbarer Wellenlänge des Bearbeitungsstrahls
PL3523083T3 (pl) * 2016-11-18 2024-02-05 Ipg Photonics Corporation System i sposób laserowej obróbki materiałów
KR102596305B1 (ko) * 2017-11-20 2023-10-30 아이피지 포토닉스 코포레이션 재료의 가공을 위한 시스템 및 방법 레이저

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2175737A (en) 1985-05-09 1986-12-03 Control Laser Limited Laser material processing
US5083007A (en) 1990-08-01 1992-01-21 Microelectronics And Computer Technology Corporation Bonding metal electrical members with a frequency doubled pulsed laser beam
JPH07226561A (ja) * 1994-02-14 1995-08-22 Sumitomo Metal Mining Co Ltd レーザ装置
JPH07235720A (ja) * 1994-02-22 1995-09-05 Toshiba Corp レ−ザ発振装置
JP2000357833A (ja) * 1999-06-16 2000-12-26 Shimadzu Corp 波長変換レーザ装置
JP2005313195A (ja) * 2004-04-28 2005-11-10 Miyachi Technos Corp 二波長重畳型レーザ出射ユニット及びレーザ加工装置
US20080296272A1 (en) 2007-05-31 2008-12-04 Electro Scientific Industries, Inc. Multiple laser wavelength and pulse width process drilling
US7463658B2 (en) * 2006-02-13 2008-12-09 Jenoptik Laser, Optik, Systeme Gmbh Laser and method for generating pulsed laser radiation

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7486705B2 (en) * 2004-03-31 2009-02-03 Imra America, Inc. Femtosecond laser processing system with process parameters, controls and feedback
US7528342B2 (en) * 2005-02-03 2009-05-05 Laserfacturing, Inc. Method and apparatus for via drilling and selective material removal using an ultrafast pulse laser

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2175737A (en) 1985-05-09 1986-12-03 Control Laser Limited Laser material processing
US5083007A (en) 1990-08-01 1992-01-21 Microelectronics And Computer Technology Corporation Bonding metal electrical members with a frequency doubled pulsed laser beam
JPH07226561A (ja) * 1994-02-14 1995-08-22 Sumitomo Metal Mining Co Ltd レーザ装置
JPH07235720A (ja) * 1994-02-22 1995-09-05 Toshiba Corp レ−ザ発振装置
JP2000357833A (ja) * 1999-06-16 2000-12-26 Shimadzu Corp 波長変換レーザ装置
JP2005313195A (ja) * 2004-04-28 2005-11-10 Miyachi Technos Corp 二波長重畳型レーザ出射ユニット及びレーザ加工装置
US7463658B2 (en) * 2006-02-13 2008-12-09 Jenoptik Laser, Optik, Systeme Gmbh Laser and method for generating pulsed laser radiation
US20080296272A1 (en) 2007-05-31 2008-12-04 Electro Scientific Industries, Inc. Multiple laser wavelength and pulse width process drilling

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017012898A1 (de) * 2015-07-17 2017-01-26 Trumpf Laser Gmbh Strahlmodulator mit frequenzkonversion sowie zugehöriges verfahren und laserbearbeitungsmaschine
CN107850818A (zh) * 2015-07-17 2018-03-27 通快激光有限责任公司 具有频率转换的射束调制器以及所属方法和激光加工机
CN107850818B (zh) * 2015-07-17 2021-11-02 通快激光有限责任公司 具有频率转换的射束调制器以及所属方法和激光加工机

Also Published As

Publication number Publication date
DE102012212672A1 (de) 2014-02-06
DE102012212672B4 (de) 2020-07-02
CN204558874U (zh) 2015-08-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69632860T2 (de) Diodengepumpter Multiaxialmodenlaser mit Frequenzverdopplung und mit Frequenzverdreifachung innerhalb des Resonators
DE19955599B4 (de) Laser mit Wellenlängenumwandlung und Bearbeitungsvorrichtung mit einem solchen Laser
DE60302451T2 (de) Pumpverfahren für laserresonator und lasersystem
DE60003408T2 (de) Kontinuierliches fern-uv-laser-system mit zwei aktiven resonatoren
DE69731475T2 (de) Frequenzverdoppelter Laser mit einem quasiphasenangepassten nichtlinearen Element innerhalb des Resonators
DE69300520T2 (de) Hochleistungslaser mit faseroptischer zuleitung.
DE60034589T2 (de) Modengekoppelter dünner scheibenlaser
DE19907722A1 (de) Lasersystem zur Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse
DE69617938T2 (de) Diodengepumpter laser mit kristallen mit starker thermaler fokussierung
WO2014012847A1 (de) Laseroszillator und verfahren zum erzeugen zweier laserstrahlen unterschiedlicher wellenlängen
DE602004006914T2 (de) Medizinisches Lasergerät
DE102004007881A1 (de) Optische gepumpte Laservorrichtung zur Erzeugung von Laserimpulsen
DE60309313T2 (de) Festkörperlaser, gepumpt von einer Laserdiode mit einem konvergenten Bündel
EP0977328B1 (de) Rauscharmer frequenzvervielfachter Laser mit Strahlseparator
DE60014074T2 (de) Diodenlasergepumpter festkörperlaser
EP0864190B1 (de) Frequenzverdoppelter diodengepumpter festkörperlaser
EP2561406A1 (de) Parametrischer oszillator und verfahren zum erzeugen ultrakurzer pulse
DE19946176B4 (de) Diodengepumpter Laser mit interner Frequenzverdopplung
DE69529939T2 (de) Laservorrichtung
EP4550043A1 (de) Optisch-parametrischer verstärker
DE69315620T2 (de) Hoherdurchschnittsstärke Laser mit generizender Strahlung in der Nähe der 530 NM
AT500694B1 (de) Einrichtung zum erzeugen kohärenter strahlung
EP1722450A1 (de) Anamorphotischer scheibenförmiger Festkörperlaser
WO2014108143A1 (de) Regenerative laserverstärkeranwendungen
DE19510423C2 (de) Laseranordnung zur resonatorinternen Summenfrequenzmischung

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201390000630.8

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13735304

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13735304

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1