DE3427424A1

DE3427424A1 - GAS LASER SYSTEM

Info

Publication number: DE3427424A1
Application number: DE19843427424
Authority: DE
Inventors: Minoru Suzuki; Chikara Hitachi Yamaguchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-07-27
Filing date: 1984-07-25
Publication date: 1985-02-14
Also published as: GB2145274B; GB2145274A; JPS6028287A; GB8417276D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls unter Verwendung eines gasförmigen Lasermediums und insbesondere eine Verbesserung der in dieser Vorrichtung angeordneten Umlenkspiegel.The present invention relates to a device for generating a laser beam using a gaseous one Laser medium and in particular an improvement of the deflecting mirror arranged in this device.

In einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls unter Verwendung eines gasförmigen aktiven, d.h. Laserstrahlen aussendenden Mediums (im folgenden als "Gaslaser" bezeichnet) wird in einem aktiven Bereich (Laserbereich), der ein Gasgemisch (z.B. ein Helium-Stickstoff-Kohlendioxid-Gemisch) enthält, eine Glimmentladung hervorgerufen, um das Gasgemisch anzuregen und dadurch Laserlicht zu erzeugen. Das Laserlicht kommt mit einem optischen Hohlraum in Resonanz, der durch eine Vielzahl von in dem Laserbereich vorgesehenen Spiegeln gebildet ist, und wird anschließend durch einen Ausgangsspiegel aus dem Hohlraum herausgeführt. Der austretende Laserstrahl kann für Arbeiten wie das Schneiden und Schweißen einer Eisenplatte oder Ähnlichem verwendet werden. Bei derartigen Schneide- oder Schweißarbeiten wird angestrebt, die Schneide- oder Schweißbreite so klein wie möglich zu machen, da so eine präzise Bearbeitung erfolgen kann und die Laserbearbeitung damit für unterschiedliche Bearbeitungsgegenstände anwendbar ist. Eine kleine Bearbeitungsbreite ist durch die Verwendung eines Laserstrahls zu erzielen, der eine sogenannte Ein-Mode-Charakteristik aufweist. Bei der Ein-Mode-Charakteristik ist die Energiedichte im Mittenbereich des Laserstrahlfleckes erheblich größer als die Energiedichte in den Umfangsbereichen. Um diese Ein-Mode-Charakteristik zu erzielen, ist ein großer Abstand der Spiegel des optischen Hohlraums für das Laserlicht erforderlich. Zu diesem Zweck ist ein Paar einander gegenüberstehender Umlenkspiegel vorgesehen, zwischen denen der Laserbereich liegt, um das La-In an apparatus for generating a laser beam using a gaseous active, i.e. laser beam emitting medium (hereinafter referred to as "gas laser") is in an active area (laser area), which is a Gas mixture (e.g. a helium-nitrogen-carbon dioxide mixture) contains, caused a glow discharge to excite the gas mixture and thereby generate laser light. The laser light comes into resonance with an optical cavity created by a plurality of provided in the laser area Mirroring is formed, and is then led out of the cavity through an output mirror. The emerging laser beam can be used for work such as cutting and welding an iron plate or the like be used. In cutting or welding work of this type, the aim is to maintain the cutting or welding width to make it as small as possible, since such a precise processing can take place and the laser processing with it for different Processing objects is applicable. A small processing width is possible through the use of a To achieve laser beam, which has a so-called one-mode characteristic. With the one-mode characteristic the energy density in the central area of the laser beam spot is considerably greater than the energy density in the peripheral areas. In order to achieve this one-mode characteristic, a large spacing of the mirrors is the optical Required cavity for the laser light. For this purpose, a pair of opposing deflection mirrors is provided, between which the laser area lies in order to

serlicht mehrmals durch den angeregten Laserbereich hindurchtreten zu lassen. In einem derartigen Aufbau wird jedoch die Breite eines jeden Umlenkspiegels groß/ und es ist erforderlich, den Laserbereich breit zu machen. Dadurch werden auch große Abmessungen des Gaslasersystems bedingt.Serlicht pass through the excited laser area several times allow. In such a structure, however, the width of each deflecting mirror becomes large / and it is necessary to to make the laser area wide. This also results in large dimensions of the gas laser system.

Die generelle Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen/ ein Gaslasersystem anzugeben, mit dem die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile zumindest teilweise überwunden werden. Eine speziellere Aufgabe liegt darin, ein Gaslasersystem zu schaffen, dessen Br.eitenabmessung kleiner als die der herkömmlichen Systeme ist.The general object of the present invention is to be seen in / to specify a gas laser system with which the The disadvantages inherent in the prior art are at least partially overcome. A more specific task is To create a gas laser system, the width of which is smaller than that of the conventional systems.

Erfindungsgemäß wird zur Lösung dieser Aufgaben ein Gaslasersystem angegeben, in dem jeder Umlenkspiegel einen Freiraum aufweist, durch den ein Laserstrahl zwischen einem Ausgangsspiegel und einem rückseitigen Spiegel hindurchtreten kann, wobei der optische Weg durch diese Freiräume verläuft, wodurch die Breite des Lasers verringert wird.According to the invention, a gas laser system is used to achieve these objects indicated, in which each deflecting mirror has a free space through which a laser beam between an output mirror and a rear mirror can pass through, whereby the optical path runs through these free spaces, thereby reducing the width of the laser.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im einzelnen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:Preferred embodiments of the invention are described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings show:

2o' Fig. 1 eine perspektivische schematische Ansicht einer Aus-. führungsform eines erfindungsgemäßen Gaslasersystems2o 'Fig. 1 is a perspective schematic view of an Aus. management form of a gas laser system according to the invention

mit transversalem Gasfluß;
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung derwith transverse gas flow;
Fig. 2 is a schematic representation to illustrate the

in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform; Fig. 3 eine Schnittansicht zur Erklärung der Struktur des in den Fig. 1 und 2 gezeigten optischen Hohlraums;embodiment shown in Fig. 1; Fig. 3 is a sectional view for explaining the structure of the optical cavity shown in Figs. 1 and 2;

Fig. 4AFigure 4A

und 4B Quer- und Längsschnitte der in den Fig. 1, 2 bzw. 3and FIG. 4B are cross and longitudinal sections of the structures shown in FIGS. 1, 2 and 3, respectively

gezeigten Umlenkspiegel; unddeflection mirror shown; and

Fig. 5AFigure 5A

und 5B Quer- und Längsschnitte der Umlenkspiegel nach einerand FIG. 5B shows transverse and longitudinal sections of the deflecting mirrors according to one

anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gaslasersystems. another embodiment of the gas laser system according to the invention.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gaslasers mit transversalem Gasfluß dargestellt.In the following with reference to FIGS. 1, 2 and an embodiment of the gas laser according to the invention with transverse gas flow is shown.

Wie in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigt, ist der Gaslaser mit einem hermetisch verschlossenen Stahlbehälter 1 versehen, dessen Inneres hauptsächlich von einem Umwälzkanal 2 und einem optischen Hohlraum 3 gebildet ist.As shown in Figs. 1, 2 and 3, the gas laser is with a hermetically sealed steel container 1, the interior of which is mainly of a circulation channel 2 and an optical cavity 3 is formed.

Der Umwälzkanal 2 ist mit einem Gebläsemotor 5, der ein Gasgemisch 4 in einer mit einem Pfeil bezeichneten Richtung (d.h. in einerRichtung A) umwälzt, sowie mit einem Wärmetauscher 6 versehen. Beide Enden des Kanals 2 stehen mit Seitenflächen des Hohlraum-Bereiches 3 in Verbindung.The circulation duct 2 is equipped with a fan motor 5, which is a gas mixture 4 in a direction indicated by an arrow (i.e. in a direction A), as well as with a heat exchanger 6 provided. Both ends of the channel 2 are connected to side surfaces of the cavity area 3.

Im oberen bzw. im unteren Teil des Hohlraum-Bereiches 3 sind eine Kathode 8 und eine Anode 7 angeordnet, über einen Balg 11 sind Halteplatten 12 und 13 an der rechten bzw. linken Wand des Hohlraum-Bereiches 3 angebracht. Weiterhin sind ein Ausgangsspiegel 15 und ein rückseitiger Spiegel 16 über einen Balg 14 mit den Außenflächen der Halteplatten 12 bzw. 13 verbunden. Erste und zweite Umlenkspiegel 17 und 18 sind über ein Befestigungselement 19 so an den Innenflächen der Halteplatten 12 bzw. 13 angebracht, daß sie neben dem Ausgangsspiegel 15 bzw. dem rückseitigen Spiegel 16 liegen. Die ersten und zweiten Umlenkspiegel 17 und 18 sind an den Befestigungselementen 19 so angebracht, daß ihre reflektierenden Oberflächen eine Neigung aufweisen und einander gegenüberstehen. Der Aufbau der Umlenkspiegel 17 und 18 ist in den Fig. 4A und 4B gezeigt. Da die beiden Spiegel im wesentlichen identisch ausgelegt sind, ist in den Fig. 4A und 4B nur der erste Umlenkspiegel 17 dargestellt, während auf die Beschreibung des zweiten Umlenkspiegels 18 verzichtet wird.In the upper and lower part of the cavity area 3, a cathode 8 and an anode 7 are arranged via a bellows 11 are holding plates 12 and 13 on the right and left, respectively Wall of the cavity area 3 attached. Also, an exit mirror 15 and a rear mirror 16 are above a bellows 14 connected to the outer surfaces of the retaining plates 12 and 13, respectively. First and second deflection mirrors 17 and 18 are via a fastening element 19 so attached to the inner surfaces of the holding plates 12 and 13 that they are next to the exit mirror 15 or the rear mirror 16 are. The first and second deflection mirrors 17 and 18 are attached to the Fasteners 19 attached so that their reflective surfaces have an incline and face each other. The structure of the deflecting mirrors 17 and 18 is shown in FIGS. 4A and 4B. As the two mirrors essentially are designed identically, only the first deflection mirror 17 is shown in FIGS. 4A and 4B, while on the description of the second deflection mirror 18 is dispensed with.

Wie in den Fig. 4A und 4B gezeigt, trägt das Befestigungselement 19 ein Ende einer Halterungsplatte 20. Der erste Umlenkspiegel 17 ist zwischen dieser Halterungsplatte 20 und einem Klemmelement 22 angeordnet, wobei zwischen dem Umlenkspiegel 17 und der Halterungsplatte 20 ein Dichtungsring 21 vorgesehen ist. In das Klemmelement 22 und die Halterungsplatte 20 ist eine Durchsteckschraube 23 eingeführt und so festgezogen, daß der erste Umlenkspiegel 17 zwischen der Halterungsplatte 20 und dem Klemmelement 22 gehalten wird.As shown in Figures 4A and 4B, the fastener 19 supports one end of a mounting plate 20. The first deflection mirror 17 is arranged between this mounting plate 20 and a clamping element 22, with between the deflection mirror 17 and the mounting plate 20, a sealing ring 21 is provided. In the clamping element 22 and the mounting plate 20, a through screw 23 is inserted and tightened so that the first deflection mirror 17 between the Bracket plate 20 and the clamping member 22 is held.

Die am ersten Umlenkspiegel 17 erzeugte Wärme kann durch Wasser abgeführt werden, das in Pfeilrichtung durch einen in dem Klemmelement 22 vorgesehenen Kühlmittelkanal 24 fließt. Der erste Umlenkspiegel 17 weist eine Ausnehmung auf. Diese Ausnehmung 25 ist in den Bereichen des ersten Umlenkspiegels 17, der Halterungsplatte 20 und des Klemmelementes 22 vorgesehen, die an den Strahlengang 3OA angrenzen, der durch den Ausgangsspiegel 15 verläuft.The heat generated at the first deflection mirror 17 can be dissipated by water, which in the direction of the arrow by a provided in the clamping element 22 coolant channel 24 flows. The first deflection mirror 17 has a recess on. This recess 25 is in the areas of the first deflection mirror 17, the mounting plate 20 and the clamping element 22 are provided which adjoin the beam path 30A which runs through the output mirror 15.

Wenn zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 eine Gleichspannung angelegt wird, tritt zwischen diesen Elektroden eine Glimmentladung auf, und das Gasgemisch 4 wird angeregt. Damit bildet sich ein angeregter Laserbereich 31, und es wird Laserlicht 30 erzeugt. Das Laserlicht 30 kommt mit einem von dem Ausgangsspiegel 15, dem ersten Umlenkspiegel 17, dem zweiten Umlenkspiegel 18 und dem rückseitigen Spiegel 16 gebildeten optischen Hohlraum in Resonanz, wodurch in diesem Hohlraum, wie in Fig. 3 gezeigt, fünf optische Wege 3OA bis 3OE entstehen. Der optische Weg 3OA verläuft, wie in den Fig. 4A und 4B gezeigt, durch die Ausnehmung 25. Weiterhin ist die Ausnehmung 25 in dem ersten Umlenkspiegel 17, der Halterungsplatte 20 und dem Klemmelement 22 in unmittelbarer Nähe der optischen Wege 3OB und 3OC vorgesehen, die neben dem optischen Weg 3OA liegen. Damit kann der Abstand zwischen dem optischen Weg 3OA und dem optischen Weg 3OB (oder 30C) klein gehalten werden. Der Ausgangsspiegel 15 kann in anderenWhen a DC voltage is applied between the anode 7 and the cathode 8, a voltage occurs between these electrodes Glow discharge on, and the gas mixture 4 is excited. An excited laser region 31 is thus formed, and it becomes Laser light 30 is generated. The laser light 30 comes with one of the output mirror 15, the first deflection mirror 17, the second deflection mirror 18 and the rear mirror 16 formed optical cavity in resonance, whereby in this cavity, as shown in Fig. 3, five optical paths 30A to 3OE arise. The optical path 30A runs, as shown in FIGS. 4A and 4B, through the recess 25. Furthermore is the recess 25 in the first deflection mirror 17, the mounting plate 20 and the clamping element 22 in the immediate vicinity Proximity of the optical paths 30B and 3OC which are adjacent to the optical path 30A are provided. This allows the distance between the optical path 30A and the optical path 30B (or 30C) can be made small. The output mirror 15 can be in others

Worten unmittelbar neben den optischen Wegen 3OB und 3OC angeordnet sein. In ähnlicher Weise kann der Abstand zwischen dem optischen Weg 3OE und dem optischen Weg 3OC (oder 30D) klein gehalten werden, indem eine weitere Ausnehmung 25 in dem zweiten Umlenkspiegel 18 und den dazugehörigen Bauteilen vorgesehen wird. Damit kann der Abstand L zwischen den optischen Wegen 3OA und 3OE um einen Betrag verringert werden, der der Versetzung der optischen Wege 3OA und 3OE in Richtung des mittleren optischen Weges 3OC entspricht. Demgemäß können die optischen Wege 3OA bis 3OE in einem schmalen Laserbereich angeordnet sein, wodurch das in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Ausführungsbeispiel ohne Verringerung der Lichtausbeute mit kleinen Abmessungen hergestellt werden kann.Words can be arranged immediately next to the optical paths 3OB and 3OC. Similarly, the distance between the optical path 3OE and the optical path 3OC (or 30D) can be kept small by adding another recess 25 is provided in the second deflection mirror 18 and the associated components. This allows the distance L between the optical paths 30A and 30E can be decreased by an amount equal to the displacement of the optical paths 30A and 3OE in the direction of the central optical path corresponds to 3OC. Accordingly, the optical paths can be 30A to 30E be arranged in a narrow laser area, whereby the embodiment shown in Figs. 1 to 3 without Reducing the light output can be made with small dimensions.

Die in jedem der Umlenkspiegel 17 und 18, den Halterungsplatten 20 und den Klemmelementen 22 vorgesehene Ausnehmung 25 ist immer auf Seite des Ausgangsspiegels oder des rückseitigen Spiegels angeordnet und kann damit als eine Positioniermarke dienen. Damit wird die Durchführung der Positionierung erleichtert, und die für den Zusammenbau des Hohlraum-Bereiches erforderliche Zeit kann, verkürzt werden. The one in each of the deflecting mirrors 17 and 18, the mounting plates 20 and the clamping elements 22 provided recess 25 is always on the side of the exit mirror or the rear Arranged mirror and can thus serve as a positioning mark. This will carry out the positioning facilitated, and the time required for assembling the cavity portion can be shortened.

Die Fig. 5A und 5B zeigen den ersten Umlenkspiegel, wie er in einer anderen Ausführungsform eines Gaslasersystems nach vorliegender Erfindung Anwendung findet. Nach den Fig. 5A und 5B ist in dem ersten Umlenkspiegel 17 und der Halterungsplatte 20 an einer Position neben den optischen Wegen 3OB und 3OC eine durchgehende öffnung 25A vorgesehen, um den Abstand zwischen dem optischen Weg 30Ä und dem optisehen Weg 3OB (oder 30C) klein zu halten. In ähnlicher Weise ist eine weitere durchgehende öffnung 25A in dem zweiten Umlenkspiegel 18 und der damit verbundenen Halterungsplatte vorgesehen, um den Abstand zwischen dem optischen Weg 3OEFIGS. 5A and 5B show the first deflecting mirror as it is in another embodiment of a gas laser system according to The present invention finds application. According to FIGS. 5A and 5B is in the first deflecting mirror 17 and the mounting plate 20 a through opening 25A is provided at a position next to the optical paths 3OB and 3OC in order to to keep the distance between the optical path 30A and the optical path 30B (or 30C) small. In a similar way is a further through opening 25A in the second deflecting mirror 18 and the mounting plate connected to it provided to the distance between the optical path 3OE

und dem optischen Weg 3OC (oder 30D) zu verringern. Damit kann der Abstand zwischen den optischen Wegen 30A und 3OE verkleinert werden.and the optical path 3OC (or 30D). Thus, the distance between the optical paths 30A and 30E can be reduced in size.

In den oben dargestellten Ausführungsbeispielen wurden kreisförmige Umlenkspiegel verwendet. Statt dieser kreisförmigen Umlenkspiegel können jedoch auch quadratische oder rechteckige Umlenkspiegel Anwendung finden. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung auch auf einen anderen Typ eines Gaslasers mit transversalem Gasfluß anwendbar, in dem von den drei Größen:TranSportrichtung des Gasgemisches, Entladungsrichtung und Ausbreitungsrichtung des Laserlichts zwei Größen parallel zueinander und senkrecht zu der anderen Größe sind. Darüberhinaus ist die Erfindung auf einen Gaslaser vom Typ mit axialem Gasfluß, in dem sämtliche oben genannten Richtungen parallel zueinander sind, sowie auf einen geschlossenen Gaslaser anwendbar, in dem das Gasgemisch nicht zirkuliert. In the exemplary embodiments shown above, circular Deflection mirror used. Instead of this circular Deflection mirrors, however, can also be used with square or rectangular deflection mirrors. Furthermore, the present Invention also applicable to another type of transverse gas flow gas laser in that of the three Sizes: Direction of transport of the gas mixture, direction of discharge and the direction of propagation of the laser light are two sizes parallel to each other and perpendicular to the other size. Moreover, the invention is directed to a gas laser of the axial gas flow type in which all of the above directions are parallel to each other, as well as applicable to a closed gas laser in which the gas mixture does not circulate.

Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich wird, kann nach vorliegender Erfindung ein Gaslaser mit geringen Abmessungen hergestellt werden.As is apparent from the above description, according to the present invention, a gas laser can be made small in size getting produced.

Ah/biAh / bi

Claims

STHEHL SGHLTHKL -HOPF SCHULZ

3A27424

WIDKNMAYKRSTKASSK 17, I) HOOO Ml) NCI IKN 22

HITACHI, LTD.

DEA-26712

July 25, 1984

Gas laser system

e:

Gas laser,
marked by

one hermetically sealed and containing a gas mixture (4) Container (1),

a cathode (7) and an anode (8) which are each provided in the hermetically sealed container (1) and between which a glow discharge is generated in order to excite the gas mixture (4),
an output mirror (15) for leading out the laser light (30) generated by the excited gas mixture (4) and a rear mirror (16) which are provided at opposite ends of the hermetically sealed container (1), and
first and second deflecting mirrors (17, 18) which face each other and are provided in the immediate vicinity of the exit mirror (15) or the rear mirror (16),

said mirror being used as a resonator for the generated Laser light (30) are used, and in the first deflecting mirror (17) in an area which corresponds to the output mirror (15), as well as in the second deflecting mirror (18) in an area which corresponds to the rear mirror (16) Free space (25, 25A) is provided for the passage of the laser light (30).

2. Gas laser according to claim 1, characterized in that the free space is a recess (25).

3. Gas laser according to claim 1, characterized in that that the free space is a continuous opening (25A).

4. Gas laser according to one of claims 1 to 3, characterized in that that it is a transverse gas flow system.

5. Gas laser according to one of claims 1 to 3, characterized in that that it is an axial gas flow system.

6. Gas laser according to one of claims 1 to 5, characterized in that that a closed gas laser system is used.