DE112008002013T5

DE112008002013T5 - Kompensation thermischer Verzerrung für Laserspiegel

Info

Publication number: DE112008002013T5
Application number: DE112008002013T
Authority: DE
Inventors: Leon A. Glastonbury Newman; Vernon A. Windsor Sequin; Lenny Bolton Laughman; Adrian Sheldon Papanide
Original assignee: Coherent Inc
Current assignee: Coherent Inc
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2008-07-10
Publication date: 2010-06-17
Also published as: GB201001076D0; CN101803131A; CN101803131B; JP2010535418A; US7965757B2; US20090034577A1; GB2463614A; US20100103974A1; JP5419297B2; US7664159B2; GB2463614B; WO2009017586A1

Abstract

Kopfteilbaugruppe zum Halten eines Endspiegels in einem Gasentladungslaser, umfassend:
einen Flansch, der eine der Entladung zugewandte Innenfläche und eine gegenüberliegende Außenfläche aufweist, wobei der Flansch eine Spiegelhalterung aufweist, die auf der Innenfläche des Flansches eine Säule zur Befestigung mit einem Spiegelelement und die ferner an der Außenfläche des Flansches eine Mechanik zum Einstellen einer Spiegelneigung aufweist;
ein langgestrecktes Spiegelelement, das im Wesentlichen aus einem metallischen Material gebildet ist und an der Säule der Spiegelhalterung auf der Rückfläche des Spiegelelements befestigt ist, und wobei die Vorderfläche des Spiegelelements einen länglich ausgedehnten gekrümmten reflektierenden Abschnitt zur Steuerung einer Lichtausbreitung aufweist, wobei die Vorderfläche ferner wenigstens eine plane Fläche aufweist, die sich parallel zum gekrümmten Abschnitt erstreckt; und
einen langgestreckten Streifen, der mit der planen Fläche des Spiegelelements verbunden und aus einem metallischen Material mit einem geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizient gebildet ist als derjenige des das Spiegelelement bildenden metallischen Materials.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Hochleistungs-Kohlendioxid-Plattenlaser (Hochleistungs-Kohlendioxid-Slab-Laser). Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine Konstruktion eines Spiegelsystems, das eine thermische Verzerrung reduziert und eine Richtungsstabilität verbessert.
HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft diffusionsgekühlte Hochleistungs-Kohlendioxid-Plattenlaser. Ein Beispiel eines solchen Lasers kann in dem gleichfalls eigenen US-Patent Nr. 5 140 606 gefunden werden, das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Diese Laser umfassen ein Paar rechteckiger Metallelektroden, die innerhalb eines dicht verschlossenen Gehäuses montiert sind, welches das Lasergas enthält. Die Elektroden sind nahe beieinander beabstandet zur Festlegung eines scheibenförmigen Entladungsbereichs. Radiofrequenz-Leistung (RF-Leistung) wird dazu verwendet, das Gas zur Erzeugung von Laserlicht anzuregen.
Diese Typen von Lasern verwenden typischerweise einen hybriden optischen Resonator, der einen instabilen Resonator in der Breitendimension der parallel gegenüberliegenden Elektroden und einen Resonator vom Wellenleitertyp in der vertikalen Dimension (d. h. in der ”Lücken”-Dimension), welche die beiden Elektroden trennt, aufweist. Frühere Konstruktionen verwendeten einen postiven Zweig eines instabilen Resonators (siehe, z. B., US-Patent Nr. 4 719 639 , das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist). Spätere Konstruktionen haben einen negativen Zweig eines instabilen Resonators verwendet (siehe US-Patent Nr. 5 048 048 ).
Die Konstruktionen mit einem positiven Zweig eines instabilen Resonators sind etwa eine Größenordnung schwieriger auszurichten als Konstruktionen mit einem negativen Zweig, jedoch sind die Konstruktionen weit weniger empfindlich für Abweichungen der Ausgangsstrahlrichtung in Abhängigkeit von Änderungen der Krümmung der Spiegel der Resonatoren bei Temperaturänderungen. Andererseits sind die Resonatoren mit negativem Zweig einfacher auszurichten, jedoch sind ihre Abweichungen der Strahlrichtung viel empfindlicher für Änderungen der Spiegelkrümmung mit der Tem peratur. Die Abweichung in der Spiegelkrümmung mit der Temperatur bewirkt, dass die Richtung des Ausgangslaserstrahls sich ändert.
Um die Vorteile des einfacher auszurichtenden Resonators mit negativem Zweig zu erreichen, müssen die großen Änderungen in der Richtungsstabilität des Laserstrahls bei Änderungen der Spiegelkrümmung mit der Temperatur beseitigt werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Entladungslänge kürzer wird und die Breite zunimmt. Eine Untersuchung zeigt, dass die Richtungsabweichungen des Laserstrahls direkt mit der Breite des Resonators mit negativem Zweig zunehmen und sich umgekehrt wie das Quadrat seiner Länge verhalten. In der industriellen Anwendung von CO₂-Lasern wird das Entwerfen eines kürzeren industriellen CO₂-Lasers als günstig angesehen, solang die Strahlqualität nicht beeinträchtigt ist. In dieser Hinsicht muss, wenn die Länge der Entladung verkürzt wird, die Breite der Entladung vergrößert werden, um die gleiche Entladungsfläche zu erhalten, die für die gleiche Laserausgangsleistung notwendig ist.
Bei einer Konstruktion eines Resonators mit negativem Zweig weisen der Auskopplungsspiegel und der Rückreflexionsspiegel konkave Oberflächen auf. Die Spiegel erstrecken sich, außer an der Auskopplungsseite, normalerweise über die gesamte Breite der parallel gegenüberliegenden Elektroden, die um eine kleine Lücke in der vertikalen Dimension getrennt sind. Es kommt zur direkten thermischen Erwärmung der reflektierenden Oberfläche des Spiegels durch die Laserstrahlung, weil die hochreflektierenden dünnen Filme, die an der Oberfläche des Spiegels angebracht sind, eine sehr geringe, jedoch endliche Absorption aufweisen, welche die Oberfläche des Spiegels erwärmt. Die Wärme von dieser reflektierenden Oberfläche breitet sich durch die Dicke des Spiegels aus, wodurch ein Temperaturgradient zwischen der Vorder- und Rückfläche des Spiegels aufgebaut wird.
Da die Rückseite des Spiegels normalerweise mit einem massiven mechanischen Gehäuse verbunden ist, das den Spiegel aufnimmt, ist die Rückseite des Spiegels gewöhnlich kälter als die Vorderfläche, wodurch ein Temperaturgradient zwischen der Vorder- und Rückfläche aufrechterhalten wird. Dieser Temperaturgradient nimmt mit der Laserleistung zu und bewirkt eine Verzerrung oder Verkrümmung der Oberfläche des Spiegels, wodurch die Geometrie des optischen Resonators gestört wird, was in unerwünschten Änderungen der Leistungsmerkmale des Ausgangsstrahls des Lasers resultiert, wie etwa in Abweichungen von Strahlprofilformen und in Richtungsabweichungen. Im Falle eines Temperaturgradienten bewirkt das Verkrümmen, dass die konkave Spiegeloberfläche (die Seite in Richtung der Laserentladung) mehr konvex wird.
Änderungen in den Parametern des Ausgangsstrahls in Reaktion auf Änderungen der Betriebsbedingungen des Lasers, wie etwa einer RF-Eingangsleistung zur Entladung, einer Pulswiederholungsfrequenz, eines Auslastungsgrads (duty cycle), etc., bewirken Änderungen des Temperaturgradienten des Spiegels, und solche Änderungen sind in industriellen Lasersystemen nicht erwünscht. Die Beseitigung oder Reduzierung dieser thermischen Verzerrungseffekte des Laserspiegels ist sehr erstrebenswert und bildet den Schwerpunkt dieser Offenbarung. Es ist wichtig zu bemerken, dass diese Erfindung breitere Anwendungen hat als nur die Richtungsabweichungen eines Ausgangsstrahls eines instabilen Laserresonators zu reduzieren. Beispielsweise kann sie für die Reduktion von Spiegelverzerrungen in optischen Systemen relevant sein, die hohe optische Leistung handhaben.
Unsere analytische Untersuchung und experimentelle Erprobung haben gezeigt, dass die Hauptursache von Strahlrichtungsabweichungen im Ausgang eines Platten-CO₂-Lasers, der einen instabilen Resonator mit negativem Zweig einsetzt, Änderungen in der Krümmung der Oberflächen des hochreflektierenden Rückreflexionsspiegels und des Auskopplungsspiegels des instabilen Resonators sind. Diese Änderung in der Krümmung wird durch die drei nachstehend aufgeführten thermischen Effekte bewirkt:

1. Ein Temperaturgradient über die Dicke des Spiegels bewirkt eine Wölbung der Spiegel. Da die Rückseite des Spiegels kühler ist als die reflektierende Oberfläche des Spiegels, wird der Spiegel weniger konkav aufgrund der Tatsache, dass die Vorderfläche sich mehr ausdehnt als die Rückfläche. Wir haben gefunden, dass ein Temperaturgradient von wenigen Grad zu einer Ablenkung des Ausgangsstrahls des Lasers in einem inakzeptablen Umfang führen kann.
2. Ein Ansteigen der Durchschnittstemperatur des Spiegels durch die Erwärmung des Spiegels durch die Laserstrahlung bewirkt auch, dass der Spiegel weniger konkav wird aufgrund der thermischen Ausdehnung des Materials des Spiegels. Änderungen in der Krümmung des Spiegels ändern die optimale Ausrichtung des Resonators und verschlechtern die Leistungsmerkmale des Lasers. In unserem Fall ist Kupfer das Spiegelmaterial, jedoch können ähnliche Änderungen der Krümmungseffekte bei anderen Spiegelmaterialien, wie etwa z. B. Silizium, erwartet werden.
3. Der Bimetall-Effekt zwischen dem Spiegelmaterial (gewöhnlich Kupfer) und dem großen Spiegelhalter des Kopfteils (gewöhnlich aus Aluminium gefertigt) ändert auch den Krümmungsradius aufgrund der Wölbung, die durch die zwei Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bewirkt wird. Es ist wichtig zu bemerken, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient von Aluminium größer ist als für Kupfer. In diesem Fall, bewirkt der Bimetall-Effekt, dass der konkave Spiegel mehr konkav wird.

Die schädlichen Auswirkungen einer Spiegelerwärmung sind im Stand der Technik angesprochen worden. Zum Beispiel beschreibt US-Patent Nr. 5 020 895 die Verwendung einer adaptiven optischen Technik, um thermische Verformungen der Spiegel zu kompensieren. Diese Herangehensweise erforderte die Verwendung einer aktiven elektronischen Rückkopplungsschaltung, die mit einem Sensor und einem Aktuator, wie etwa einer Piezoelektrik oder einer regulierenden Flüssigkeit oder einer Gasdruckkammer, verbunden ist zur Bereitstellung einer Kraft, um dem Krümmungsradius entgegenzuwirken, der durch die thermischen Effekte am Spiegel entsteht. Diese Herangehensweise erhöht unerwünschterweise Komplexität und Kosten des Lasers.
Eine andere Technik aus dem Stand der Technik war die Verwendung einer aktiven elektronischen Rückkopplungsschaltung, die mit einem Temperatursensor und einem Heizelement verbunden ist zur Erwärmung der Rückseite des Spiegels des Resonators, um eine passende Temperaturverteilung aufzubauen, die der Änderung des Krümmungsradius entgegen wirkt (siehe US-Patent Nr. 5 751 750 ). Das letztere Patent berichtete auch über eine Herangehensweise, die einen kleinen Teil der Laserstrahlung auskoppelt und sie zur Bestrahlung der Rückfläche der Spiegel verwendet, um die Temperatur der Vorder- und Rückfläche der Spiegel anzugleichen. Diese beiden Herangehensweisen erhöhen unerwünschterweise Komplexität und Kosten der Laser.
Das US-Patent 4 287 421 offenbart ein transparentes Spiegelmaterial mit reflektierenden Beschichtungen, die vorausgewählt sind, eine Ausbreitung eines geringen Teils der Laserstrahlung durch die Beschichtungen und das Spiegelmaterial zu ermöglichen, um wiederum durch eine Beschichtung auf der Rückseite des Spiegels absorbiert zu werden. Die Reflexions- und Absorptionsparameter sind so gewählt, dass eine durch die absorbierende Beschicht absorbierte Strahlung zur Erwärmung der Rückseite des Spiegels ausreichend ist, um den Temperaturgradienten zwischen der Vorderseite und Rückseite des Spiegels zu kompensieren. Die Einschränkung dieser Herangehensweise ist die Notwendigkeit eines transparenten Materials für den Spiegel. Folglich ist sie bei Kupferspiegeln nicht anwendbar, die wir für widerstandsfähiger gegen Beschädigung halten als entweder Si- oder ZnSe-Spiegel.
ABRISS DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wendet sich an thermische Spiegelverzerrungen unter Verwendung des Bimetall-Effekts zur Verbesserung einer Spiegelverzerrung, statt sie zu verschlechtern. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Endkopfteilbaugruppen des Lasergehäuses durch einen Flansch festgelegt, auf den ein Spiegelträger montiert ist. Ein (länglich) ausgedehntes Spiegelelement ist am Träger montiert. Das Spiegelelement ist aus Metall gebildet und umfasst einen gekrümmten Abschnitt an dessen Vorderfläche, die eine der reflektierenden Oberflächen des Resonators festlegt. Die Vorderfläche umfasst ferner wenigstens ein, und vorzugsweise zwei, plane Bereiche, die sich parallel zum gekrümmten Abschnitt des Spiegels erstrecken. Diese planen Bereiche können gegenüber dem gekrümmten Abschnitt vertieft sein.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können Metallstreifen auf dem planen Abschnitt des Spiegelelements befestigt sein. Diese Streifen sind aus einem Material gebildet, das einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das metallische Material des Spiegelelements. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Spiegelelement aus Kupfer gefertigt, und die Steffen sind aus Edelstahl gefertigt.
Wegen der unterschiedlichen Ausdehnungsraten der beiden Materialien werden der Spiegel und die Streifen den Bimetall-Effekt aufweisen. In diesem Fall neigt der Bimetall-Effekt zu bewirken, dass der konkave Spiegel konkaver wird. Dagegen neigt die unterschiedliche Erwärmung zu bewirken, dass der Spiegel weniger konkav wird. Durch eine passende Auswahl der Dicke und Größe der Edelstahlstreifen können die beiden Effekte abgestimmt werden, wodurch eine Verzerrung minimiert wird.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind ein oder mehrere Metallstreifen auf der Rückseite des Spiegelelements montiert. In diesem Fall sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Streifen größer gewählt als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Spiegelelements, um den Effekten des durch eine Erwärmung der Vorderfläche des Spiegels bedingten Temperaturgradienten entgegenzuwirken.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen ersichtlich werden, in denen:
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Darstellung einer Kopfteil- und Spiegelbefestigung sowie eines Spiegels aus dem Stand der Technik, wobei die der Laserentladung zugewandte Seite gezeigt ist.
2 ist eine perspektivische Darstellung des Kopfteils aus dem Stand der Technik, wobei die Seite außerhalb der Laserkammer gezeigt ist.
3A ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Kopfteil- und Spiegelbaugruppe, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
3B ist eine zusammengefügte perspektivische Darstellung des Kopfteils aus 3A.
4A ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Kopfteil- und Spiegelbaugruppe, die in Überemstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist zur Verwendung an der Auskopplungsseite der Entladung.
4B ist eine zusammengefügte perspektivische Darstellung des Kopfteils der 4A.
5 ist ein Diagramm, das die Verbesserung in der Richtungsstabilität aufgrund einer Verwendung der vorliegenden Erfindung in einem Testlaser zeigt.
6A ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Kopfteil- und Spiegelbaugruppe, die in Übereinstimmung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind.
6B ist eine zusammengefügte perspektivische Darstellung des Kopfteils der 6A.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 und 2 zeigen die Kopfteilbaugruppe 10, die wir in unseren experimentellen Lasern zur Montage eines gekrümmten Spiegels verwendet haben, der einen Teil eines instabilen Resonators mit negativem Zweig eines CO₂-Plattenlasers bildet.
Die Kopfteilbaugruppe umfasst einen Aluminiumflansch 12, der auf das Hauptgehäuse geschraubt wird, um die Laserrohgehäusekammer hermetisch dicht zu verschließen, welche die Elektroden, das CO₂-Gasgemisch aus CO₂:N₂:H_e:X_e und die Resonatorspiegel enthält. Ein O-Ring 14 stellt die hermetische Abdichtung bereit. Die gleichfalls eigene US-Patentanmeldung Seriennr. 12/079 296, eingereicht am 26. März 2008 (aufgenommen durch Bezugnahme) zeigt ein Beispiel eines Laserrohrgehäuses, an welches der hier offenbarte Flansch befestigt werden kann (siehe auch oben zitiertes Patent Nr. 5 140 606).
Ein Kupferspiegel 16 ist auf eine Aluminiumspiegelbasis 18 montiert, die wiederum mit der erhöhten inneren Oberfläche 20 des Aluminiumflansches verbunden ist. Der Spiegel 16 umfasst einen (länglich) ausgedehnten, hochpolierten konkaven Bereich 22, der die reflektierende Oberfläche des Spiegels festlegt. Ein Paar planer Oberflächen 26 sind an jeder Seite der gekrümmten Oberfläche angeordnet. Die planen Oberflächen treten hinter der gekrümmten Oberfläche zurück, so dass der Spiegel im Querschnitt im Wesentlichen eine T-Form aufweist.
Die Befestigung des Kupferspiegels an der großen Aluminiumbasis führt zu einem großen Bimetall-Effekt aufgrund des großen Unterschieds im thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien. Dieser Bimetall-Effekt bewirkt eine große Änderung in der Krümmung des Spiegels, die zu Abweichungen der Strahlrichtung des Laserstrahls abhängig von der Temperatur führt.
Die erhöhte Oberfläche 20 des Flansches weist eine Säule 28 auf, die in zwei Achsen in ihrer Winkellage einstellbar ist und die in die Rückfläche des Flansches maschinell eingearbeitet ist, wie in 2 gezeigt ist. Diese neigbare Säule 28 umfasst vertiefte Frontflächen, die eine hermetische Abdichtung aufrechterhalten, indem sie ein integraler Teil der Endflanschbaugruppe sind durch eine dünne Wange, die während des maschinellen Herstellungsprozesses stehen bleibt und die das Ende der einstellbaren Säule mit dem Aluminiumflanschmaterial verbindet (siehe oben zitiertes US-Patent Nr. 5 140 606 ). Die vier in 2 gezeigten Schrauben 32 werden zum Einstellen der Orientierung des Spiegels in den zwei Winkelachsen verwendet, um den Resonatorhohlraum des Lasers auszurichten.
Diese in den 1 und 2 gezeigte Struktur der Spiegelbaugruppe wurde verwendet, um einen hybriden instabilen Wellenleiterresonator mit negativem Zweig für einen 400 bis 500 W CO₂-Plattenlaser zu bilden. Die Breite der Elektroden betrug 3,780 Zoll (9,6012 cm). Der Radius der Krümmungen für die Spiegel betrug annähernd 0,6 m. (Weitere Details dieses Testlasers können in der US-Provisional-Anmeldung Seriennr. 60/962 555, eingereicht am 30. Juli 2007, gefunden werden, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.)
Diese Struktur einer Spiegelanordnung aus dem Stand der Technik stellt einen Laserausgangsstrahl mit Richtungsabweichungen von 400 bis 800 Mikroradianten bereit, nachdem der Laser eingeschaltet worden war. Diese Strahlrichtungsabweichung ist in den meisten Arbeitsanwendungen der Lasermaterialverarbeitung nicht akzeptabel. Es wurde durch sowohl analytische als auch experimentelle Untersuchungen festgestellt, dass die Richtungsabweichung, die durch Änderungen in der Länge des Hohlraums mit der Temperatur bewirkt werden, annähernd 30 Mikroradianten je Grad C war. Diese Laserstrahlablenkung, die durch Änderungen in der Länge des Hohlraums mit der Temperatur bewirkt werden, sind unbedeutend im Vergleich zu den drei früher genannten thermischen Effekten, die Änderungen im Krümmungsradius des Spiegels bewirken; nämlich der Temperaturgradient zwischen den Vorder- und Rückflächen des Spiegels; der thermischen Ausdehnung des Kupfers, welche die Krümmung des Spiegels ändert und der Bimetall-Effekt zwischen Aluminium und Kupfer bei Temperaturänderungen.
Der größte Beitrag zu den Strahlrichtungsabweichungen in Abhängigkeit von der Temperatur wurde durch den Bimetall-Effekt zwischen der großen Aluminium-Basisplatte und dem auf die Basisplatte montierten Kupferspiegel verursacht. Die Laserstrahlablenkung aufgrund des Bimetall-Effekts zwischen Kupfer und Aluminium in der in 1 gezeigten Baugruppe wurde als annähernd 220 Mikroradianten je Grad C gefunden. Von größter Bedeutung war die Feststellung, dass der Bimetall-Effekt dazu verwendet werden kann, die Änderungen der Strahlablenkung zu kompensieren, die durch die Änderungen des Krümmungsradius des Spiegels bewirkt werden aufgrund der Änderungen des Temperaturgradienten der Spiegel und aufgrund der thermischen Ausdehnung zwischen dem Kupfer und dem Aluminium.
Es ist wichtig zu bemerken, dass die Verwendung einer Spiegelstruktur mit Bimetall-Effekt zur Reduzierung der Änderungen im Krümmungsradius des Spiegels in Abhängigkeit von der Temperatur bei instabilen optischen Resonatoren breitere Anwendungen hat, als der Schwerpunkt dieser Offenbarung, den die Reduzierung einer Ablenkung eines Ausgangsstrahls eines CO₂-Plattenlasers als eine Funktion von Temperaturänderungen bildet, die durch Änderungen in der Laserausgangsleistung, einem Auslastungsgrad im Betrieb, einer Pulswiederholungsfrequenz, etc. bewirkt werden.
Die 3A und 3B zeigen eine bevorzugte Herangehensweise zur Reduzierung von Abweichungen aufgrund der Erwärmung der Spiegel. Wie nachstehend diskutiert wurden zwei signifikante Änderungen gegenüber der Konstruktion der 1 und 2 gemacht. Zum einen wurde die große Aluminiumbasis 18 beseitigt. Zum zweiten wurde ein Paar Edelstahlstreifen 40 an die ebenen Oberflächen 26 des Spiegels 16 befestigt. Die Edelstahlstreifen fungieren zur Begrenzung der Verkrümmung des Spiegels aufgrund unterschiedlicher Erwärmung.
In unseren Experimenten sind die Streifen 40 aus dem Edelstahl 17-4PH gebildet. Jeder der Edelstrahlstreifen ist am T-förmigen Spiegel aus Kupfer durch Halteschrauben 44 befestigt und wird hier durch Sechskantmuttern 46 gehalten. Die Baugruppe aus T-förmigem Spiegel und Edelstahlstreifen ist an der erhöhten Fläche 20 durch zwei Befestigungsschrauben (nicht gezeigt) befestigt. Ein Passstift 48 wird verwendet, um den Spiegel auf die zwei Befestigungslöcher mit Gewinde auszurichten.
Die erhobene Fläche 20 ist mit der in den zwei Achsen im Winkel einstellbaren Säule verbunden, wie in 2 zu sehen ist. Die Säule wird verwendet, um den Spiegel (von) außerhalb der hermetisch abgedichteten Laserrohrgehäusekammer einzustellen.
Wie in den 3A und 3B gezeigt ist, schafft die Beseitigung der Aluminiumbasisplatte 18 der 1 und 2 und das Befestigen der Mitte des T-förmigen Spiegels direkt auf der erhöhten Oberfläche 20 der in zwei Achsen im Winkel einstellbaren Säule eine große Verbesserung hinsichtlich der Richtungsabweichung des Ausgangslaserstrahls in Abhängigkeit von der Temperatur, indem der Bimetall-Effekt zwischen der Aluminiumbasisplatte und dem Kupferspiegel beseitigt wird. Der Bimetall-Effekt zwischen den Edelstahlstreifen 40, die an der Vorderseite des T-förmigen Kupferspiegels befestigt sind, konnte die verbleibende Strahlrichtungsabweichung in Abhängigkeit von der Temperatur kompensieren. Die Baugruppe 12 aus Flansch und Spiegel wird dann an einem Laserrohrgehäuse befestigt (wie etwa in den oben zitierten Dokumenten beschrieben ist).
Die Dicke und Länge der Edelstahlstreifen sind aufgrund der Dimensionen des T-förmigen Kupferspiegels ausgewählt und ursprünglich aufgrund von Analysen und Versuchen eingestellt, bis der gewünschte Umfang einer thermischen Kompensation über einen gewünschten Temperaturbereich erzielt wird. Edelstahlstreifen sind in dieser Offenbarung diskutiert worden, jedoch sind andere Materialien mögliche Kandidaten, ohne die Erfindung zu schmälern. Das einzige Erfordernis ist, dass der thermischen Ausdehnungskoeffizient der Streifen geringer ist als derjenige des Materials, das den Spiegel bildet. Auf diese Weise kann der Bimetall-Effekt das Verkrümmen kompensieren, das durch unterschiedliches Erwärmen der Spiegel erzeugt wird.
Die 4A und 4B sind den 3A und 3B ähnelnde Darstellungen, jedoch zeigen sie die Auskopplungsseite des Lasers. Der Hauptunterschied ist die Hinzufügung des Ausgangsanschlusses 50, durch den der Laserstrahl das Laserrohrgehäuse verlässt. Ein Halter 52 ist zur Aufnahme eines Ausgangsfensters (nicht gezeigt) vorgesehen, das aus Materialien wie etwa ZnSe oder Si gebildet ist. Der Fensterhalter 52 ist konstruiert, um die hermetische Abdichtung aufrechtzuerhalten. Es sollte bemerkt werden, dass die Länge des Spiegels 26 für die Ausgangsseite kürzer ist aufgrund der Notwendigkeit, einen Kopplungsanschluss des Ausgangsstrahls für den Resonator vorzusehen.
Der Umfang einer Auskopplung aus dem hybriden instabilen Wellenleiterresonator mit negativem Zweig wird durch die Verstärkung des Resonators bestimmt, wie dem Fachmann wohlbekannt ist.
Eine alternative und bevorzugte Herangehensweise zum Zusammenhalten der beiden Bimetall-Materialien, wie etwa dem in dieser Offenbarung diskutierten Beispiel mit Kupfer und Edelstahl, besteht darin, die zwei Materialien durch entweder (Weich-)Löten oder Hartlöten miteinander zu verbinden, anstatt die oben diskutierte mechanische Andrucktechnik zu verwenden. Die Herangehensweise des (stoffschlüssigen) Verbindens erfordert anfänglich mehr Entwicklungsaufwand als die Herangehensweise des mechanischen Andrucks, kann jedoch eine höhere Langzeitstabilität bieten, insbesondere nachdem das Laserrohrgehäuse einem Temperaturzyklus ausgesetzt wird beim Ausheizen während des Herstellungszyklus.
5 ist ein Diagramm, das einige Daten zur Richtungsabweichung von zwei Lasern zeigt, einer mit und der andere ohne bimetallische thermische Kompensation. Die mit A beschrifteten Kurven entsprechen einem Laser, der die Konstruktion der 1 und 2 aus dem Stand der Technik aufweist. Die mit B beschrifteten Kurven entsprechen einer Laserkonstruktion in Übereinstimmung mit den 3 und 4. Die 5 zeigt Temperaturabweichungen der Spiegel des Lasers über die Zeit, die durch ein temperaturgesteuertes Kühlmittel geändert werden, das auf die Spiegel angewendet wird. Die 5 zeigt auch die Strahlrichtungsabweichung des instabilen Resonators (UR, „unstable resonator”) in Abhängigkeit von der Zeit, die der Spiegeltemperaturabweichung durch das Kühlmittel zu dieser Zeit entspricht. Beide Laser hatten die gleiche Ausgangsleistung von 400 W und waren wie oben beschrieben.
Zur Zeit t = 0 wird der Laser aus dem Stand der Technik eingeschaltet und seine Spiegeltemperatur beginnt von 22°C auf annähernd 29°C in annähernd 1000 Sekunden zu steigen (Kurve A1). Diese Zeit ist die normale Zeit für den Temperaturanstieg an den Laserspiegeln beim Einschalten des Lasers. Während dieser Einschaltzeit änderte sich die Winkellage des Ausgangsstrahls des Lasers aus dem Stand der Technik (Kurve A2) um annähernd 1200 Mikroradianten (d. h. von 6300 auf 7500 Mikroradianten). Nach 1000 Sekunden wurde die Spiegeltemperatur des Lasers aus dem Stand der Technik durch das gesteuerte Kühlmittel erhöht, so dass um annähernd 1500 Sekunden später (d. h. einer Zeit ≤ 2500 Sekunden) die Temperatur des Laserspiegels annähernd 40°C betrug. Bei einer Spiegeltemperatur von annähernd 40°C betrug die Laserstrahllage annähernd 9500 Mikroradianten, was einer Änderung der Lage um 2000 Mikroradianten entspricht. Nach 2500 Sekunden wurde die Temperatur des Spiegels auf annähernd 25°C gesenkt, was bewirkte, dass die Richtungslage des Strahls auf annähernd 6100 Mikroradianten abnahm (d. h. einer Änderung der Winkellage auf annähernd 3400 Mikroradianten). Dieses Verhalten ist sicher für die meisten Anwendungen der Materialbearbeitung nicht akzeptabel.
Zur Zeit t = 0 wurde der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgebildete Laser (der hinsichtlich der Ausgangsleistung gleich dem Laser aus dem Stand der Technik war) eingeschaltet und die Temperatur seines Spiegel begann von 22°C auf annähernd 32°C anzusteigen etwas mehr als 1000 Sekunden später (Kurve B1). Während dieser Einschaltzeit sank die Winkellage des Ausgangsstrahls von 6300 Mikroradianten auf annähernd 6100 Mikroradianten (Kurve B2), d. h. eine Änderung um nur annähernd 100 Mikroradianten. Dies stellt eine Verbesserung um mehr als eine Größenordnung dar. Zu einer sogar noch größeren Verbesserung der Strahlrichtungsstabilität kommt es, als die Temperatur auf 40°C erhöht wurde und dann auf annähernd 6°C absank. Die in der 5 gezeigte Richtungsstabilität ist für die meisten Anwendungen der Materialverarbeitung akzeptabel. Ein Vergleich des Ablenkungsverhaltens des Lasers aus dem Stand der Technik mit jenem der in Übereinstimmung der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, zeigt klar die Verbesserung, die mit der bimetallischen thermischen Kompensation der instabilen Resonatorspiegel erreicht ist. Zum Beispiel wurde die Richtungsstabilität beim Einschalten von etwa einem Milliradiant auf etwa 100 Mikroradianten reduziert.
Die 6A und 6B zeigen eine alternative Herangehensweise. Das Ausführungsbeispiel der 6A und 6B ist das gleichen wie das Ausführungsbeispiel der 3A und 3B, außer dass die Streifen 40A zur Steuerung der Spiegelverkrümmung auf der Rückfläche des Spiegelelements 16 statt auf der Vorderfläche angeordnet sind. In diesem Fall sollte der thermische Ausdehnungskoeffizient der Streifen 40A größer sein als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Spiegelelements. Auf diese Weise wird der Bimetall-Effekt dazu neigen, den Spiegel konkaver zu machen, während der Temperaturgradient dazu neigt, den Spiegel weniger konkav zu machen. Durch passend ausgewählte Dicke und Breite der Streifen 40A können die beiden Effekte so abgestimmt werden, dass die Richtungsstabilität verbessert werden kann.
Obgleich zwei Streifen 40A gezeigt sind, kann jede Anzahl (einer oder mehrere) verwendet werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Breite des Spiegelelements 16 (vertikale Dimension der 6A) größer als in der 3A gezeigt, um zu ermöglichen, dass ein Paar Streifen 40A auf der Rückfläche des Spiegelelements befestigt wird, während ein Freiraum für die Befestigung 48 in der Mitte vorgesehen ist.
Im Fall eines Spiegelelements aus Kupfer können die Streifen aus Aluminium gebildet sein. Es wird bemerkt, dass die Konstruktion gemäß Stand der Technik einen großen Aluminiumblock 18 (1) umfasst, der auf der Rückfläche des Spiegelelements befestigt ist. Dieser große Block erzeugte einen großen und unkontrollierten Bimetall-Effekt. Demgegenüber, und wie oben bemerkt, können die Dimensionen der Streifen zur Abstimmung des Effekts des Temperaturgradienten und zur Verbesserung der Leistungsmerkmale ausgewählt werden.
Während es für wünschenswert gehalten wird, die Streifen auf entweder der Vorderfläche des Spiegelelements (3 und 4) oder der Rückfläche des Spiegelele ments (6) zu befestigen, kann es auch möglich sein, die Streifen entlang dessen Seitenkanten zu befestigen.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, können darin verschiedene Änderungen und Modifikationen durch einen Fachmann vorgenommen werden, ohne vom in den angefügten Ansprüchen festgelegten Umfang und Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Zusammenfassung
Kompensation thermischer Verzerrung für Laserspiegel
Es wird eine Laserspiegelbaugruppe mit verbesserter Richtungsstabilität offenbart. Ein ausgedehnter Spiegel weist einen konkaven reflektierenden Abschnitt auf. Ein Paar ausgedehnter planer Abschnitte erstreckt sich parallel des konkaven reflektierenden Abschnitts auf dessen beiden Seiten. Die planen Abschnitte treten hinter den reflektierenden Abschnitt zurück. Der Spiegel ist aus Kupfer gebildet. Ein Paar Edelstahlstreifen (40) ist mit den planen Abschnitten (26) verbunden. Die Funktion des Bimetall-Effekt zwischen dem Kupferspiegel und den Edelstahlstreifen (40) wirkt dem Verkrümmen des Spiegels aufgrund unterschiedlicher Erwärmungseffekte entgegen, die während des Betriebs entstehen. In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist ein Paar Aluminiumstreifen auf der Rückfläche des Spiegels montiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5140606 [0002, 0031]
- US 4719639 [0003]
- US 5048048 [0003]
- US 5020895 [0010]
- US 5751750 [0011]
- US 4287421 [0012]

Claims

Kopfteilbaugruppe zum Halten eines Endspiegels in einem Gasentladungslaser, umfassend: einen Flansch, der eine der Entladung zugewandte Innenfläche und eine gegenüberliegende Außenfläche aufweist, wobei der Flansch eine Spiegelhalterung aufweist, die auf der Innenfläche des Flansches eine Säule zur Befestigung mit einem Spiegelelement und die ferner an der Außenfläche des Flansches eine Mechanik zum Einstellen einer Spiegelneigung aufweist; ein langgestrecktes Spiegelelement, das im Wesentlichen aus einem metallischen Material gebildet ist und an der Säule der Spiegelhalterung auf der Rückfläche des Spiegelelements befestigt ist, und wobei die Vorderfläche des Spiegelelements einen länglich ausgedehnten gekrümmten reflektierenden Abschnitt zur Steuerung einer Lichtausbreitung aufweist, wobei die Vorderfläche ferner wenigstens eine plane Fläche aufweist, die sich parallel zum gekrümmten Abschnitt erstreckt; und einen langgestreckten Streifen, der mit der planen Fläche des Spiegelelements verbunden und aus einem metallischen Material mit einem geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizient gebildet ist als derjenige des das Spiegelelement bildenden metallischen Materials.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei das Spiegelelement hauptsächlich aus Kupfer gebildet ist und der Streifen hauptsächlich aus Edelstahl gebildet ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei der Streifen mit dem Spiegelelement verschraubt ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei der Streifen stoffschlüssig mit dem Spiegelelement verbunden ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die plane Fläche von der gekrümmten Fläche in eine Richtung weg von der Entladung zurückgesetzt ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei das Spiegelelement eine zweite plane Fläche aufweist, die sich parallel zum gekrümmten Abschnitt erstreckt und auf einer Seite der gekrümmten Fläche, gegenüberliegend der wenigstens einen planen Fläche, angeordnet ist, und wobei die Baugruppe ferner einen zweiten länglich ausge dehnten Metallstreifen aufweist, der mit der zweiten planen Fläche verbunden ist, wobei der zweite Streifen aus einem metallischen Material mit einem geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet ist, als derjenige des das Spiegelelement bildenden metallischen Materials.
Baugruppe nach Anspruch 6, wobei die planen Flächen gegenüber dem gekrümmten Abschnitt in eine Richtung weg von der Entladung zurückgesetzt sind.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei der gekrümmte Abschnitt konkav geformt ist.
Kopfteilbaugruppe zum Halten eines Endspiegels in einem Gasentladungslaser, umfassend: einen Flansch, der eine der Entladung zugewandte Innenfläche und eine gegenüberliegende Außenfläche aufweist, wobei der Flansch eine Spiegelhalterung aufweist, wobei die Spiegelhalterung auf der Innenfläche des Flansches eine Säule zur Befestigung mit einem Spiegelelement aufweist, und wobei die Spiegelhalterung ferner an der Außenfläche des Flansches eine Mechanik zum Einstellen einer Spiegelneigung aufweist; ein länglich ausgedehntes Spiegelelement, das im Wesentlichen aus einem metallischen Material gebildet ist und an der Säule der Spiegelhalterung auf der Rückfläche des Spiegelelements befestigt ist, und wobei die Vorderfläche des Spiegelelements einen länglich ausgedehnten gekrümmten reflektierenden Abschnitt zur Steuerung einer Lichtausbreitung aufweist, wobei die Vorderfläche ferner ein Paar planer Flächen aufweist, die sich parallel zum gekrümmten Abschnitt auf dessen beiden Seiten erstrecken, wobei die planen Flächen gegenüber dem gekrümmten Abschnitt in einer Richtung weg von der Entladung zurückgesetzt sind; und einen länglich ausgedehnten Streifen, der mit jeder der planen Flächen des Spiegelelements verbunden ist, wobei die Streifen aus einem metallischen Material mit einem geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet sind, als derjenige des das Spiegelelement bildenden metallischen Materials.
Baugruppe nach Anspruch 9, wobei das Spiegelelement hauptsächlich aus Kupfer gebildet ist und die Streifen hauptsächlich aus Edelstahl gebildet sind.
Baugruppe nach Anspruch 9, wobei die Streifen mit dem Spiegelelement verschraubt sind.
Baugruppe nach Anspruch 9, wobei die Streifen mit dem Spiegelelement stoffschlüssig verbunden sind.
Kopfteilbaugruppe zum Halten eines Endspiegels in einem Gasentladungslaser, umfassend: einen Flansch, der eine der Entladung zugewandte Innenfläche und eine gegenüberliegende Außenfläche aufweist, wobei der Flansch eine Spiegelhalterung aufweist, wobei die Spiegelhalterung auf der Innenfläche des Flansches eine Säule zur Befestigung mit einem Spiegelelement aufweist, und wobei die Spiegelhalterung ferner an der Außenfläche des Flansches eine Mechanik zum Einstellen einer Spiegelneigung aufweist; ein länglich ausgedehntes Spiegelelement, das im Wesentlichen aus einem metallischen Material gebildet ist und an der Säule der Spiegelhalterung auf der Rückfläche des Spiegelelements befestigt ist, und wobei die Vorderfläche des Spiegelelements einen länglich ausgedehnten gekrümmten reflektierenden Abschnitt zur Steuerung einer Lichtausbreitung aufweist; und einen länglich ausgedehnten Streifen, der mit der Rückfläche des Spiegelelements verbunden ist, wobei der Streifen aus einem metallischen Material mit einem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet ist, als derjenige des das Spiegelelement bildenden metallischen Materials.
Baugruppe nach Anspruch 13, wobei das Spiegelelement hauptsächlich aus Kupfer gebildet ist und der Streifen hauptsächlich aus Aluminium gebildet ist.
Baugruppe nach Anspruch 13, wobei der Streifen mit dem Spiegelelement verschraubt ist.
Baugruppe nach Anspruch 13, wobei der Streifen mit dem Spiegelelement stoffschlüssig verbunden ist.
Baugruppe nach Anspruch 13, wobei ein Paar von Streifen mit der Rückfläche des Spiegels verbunden ist, wobei das Paar von Streifen sich parallel zueinander erstreckt und die Streifen auf beiden Seiten der Säule angeordnet sind.
Kopfteilbaugruppe zum Halten eines Endspiegels in einem Gasentladungslaser, umfassend: einen Flansch, der eine der Entladung zugewandte Innenfläche und eine gegenüberliegende Außenfläche aufweist, wobei der Flansch eine Spiegelhalterung aufweist, wobei die Spiegelhalterung auf der Innenfläche des Flansches eine Säule zur Befestigung mit einem Spiegelelement aufweist, und wobei die Spiegelhalterung ferner an der Außenfläche des Flansches eine Mechanik zum Einstellen einer Spiegelneigung aufweist; ein länglich ausgedehntes Spiegelelement, das im Wesentlichen aus einem metallischen Material gebildet ist und an der Säule der Spiegelhalterung auf der Rückfläche des Spiegelelements befestigt ist, und wobei die Vorderfläche des Spiegelelements einen länglich ausgedehnten gekrümmten reflektierenden Abschnitt zur Steuerung einer Lichtausbreitung aufweist; und einen länglich ausgedehnten Streifen, der mit dem Spiegelelement verbunden ist, wobei der Streifen aus einem metallischen Material gebildet ist, und wobei die Lage des Streifens und dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient zur Kompensation der Verkrümmung des Spiegels ausgewählt ist, die durch einen Temperaturgradienten bewirkt ist, der durch eine Wechselwirkung zwischen dem Spiegel und einem Laserstrahl bedingt ist.
Baugruppe nach Anspruch 18, wobei die Vorderfläche des Spiegelelements wenigstens eine plane Fläche aufweist, die sich parallel des gekrümmten Abschnitts erstreckt, und wobei der Streifen auf der planen Fläche montiert ist, und wobei der Streifen einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, als derjenige des das Spiegelelement bildenden Materials.
Baugruppe nach Anspruch 18, wobei der Streifen mit der Rückfläche des Spiegelelements verbunden ist, und wobei der Streifen einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, als derjenige des das Spiegelelement bildenden Materials.