Dispositivo resonador láser con componentes ópticos soldados por láser.

Dispositivo resonador láser (2) que comprende varios componentes ópticos (5, 6, 7, 8, 11) y una placa soporte

(13) de vidrio, en particular vidrio de cuarzo, vitrocerámica o cerámica cristalina, sobre la que está fijado al menos uno de los componentes ópticos (5, 6, 7, 8, 11), donde el al menos un componente óptico (5, 6, 7, 8, 11) fijado sobre la placa soporte (13) está formado por vidrio, en particular vidrio de cuarzo, vitrocerámica o cerámica cristalina, y está unido por fusión de material directamente a la placa soporte (13) mediante al menos una unión por soldadura láser (14) o está fijado mediante un elemento intermedio (30) de vidrio, en particular vidrio de cuarzo, vitrocerámica o cerámica cristalina, estando éste unido por fusión de material en cada caso mediante una unión por soldadura láser (141, 142) tanto al al menos un componente óptico (5, 6, 7, 8, 11) como a la placa soporte (13).

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E12160606.

Solicitante: Trumpf Laser Marking Systems AG.

Nacionalidad solicitante: Suiza.

Dirección: Ausserfeld 7214 Grüsch SUIZA.

Inventor/es: ZIOLEK,CARSTEN DR, ZIMER,HAGEN, KRUSE,DIETMAR DR, MARZENELL,STEFAN DR.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > MAQUINAS-HERRAMIENTAS; TRABAJO DE METALES NO PREVISTO... > SOLDADURA SIN FUSION O DESOLDEO; SOLDADURA; REVESTIMIENTO... > Trabajo por rayos láser, p. ej. soldadura, corte... > B23K26/32 (tomando en consideración las propiedades del material involucrado)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS QUE UTILIZAN LA EMISION ESTIMULADA > Láser, es decir, dispositivos para la producción,... > H01S3/042 (para láser de estado sólido)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS QUE UTILIZAN LA EMISION ESTIMULADA > Láser, es decir, dispositivos para la producción,... > H01S3/02 (Detalles de estructura)

PDF original: ES-2488715_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Dispositivo resonador láser con componentes ópticos soldados por láser

La presente invención se refiere a un dispositivo resonador láser con varios 5 componentes ópticos y con una placa de soporte donde está fijado al menos uno de los componentes ópticos.

El documento US 5.170.409 describe un resonador láser donde las fijaciones del espejo del resonador, de vidrio de cuarzo, están pegadas con un adhesivo UV sobre una placa soporte plana de vidrio o vidrio de cuarzo. Dado que la placa ío soporte y las fijaciones del espejo se pueden producir con materiales cuyos coeficientes de dilatación térmica son relativamente bajos, la estabilidad térmica del resonador láser mejora.

En otro dispositivo resonador láser conocido, las superficies de los componentes ópticos a montar se metalizan y a continuación se sueldan mediante un tampón 15 de soldadura sobre una placa soporte que dispone de contactos opuestos metálicos correspondientes. Sin embargo, la metalización de las superficies a soldar genera un alto coste. Además, si el componente óptico y la placa soporte tienen coeficientes de dilatación diferentes, en caso de una carga térmica se pueden producir tensiones en el material que pueden conducir a un desajuste de 20 los componentes ópticos o incluso a destruir la unión soldada.

Cuando se endurece el adhesivo o se solidifica el tampón de soldadura, se producen efectos de contracción que pueden conducir a un desajuste de los componentes ópticos y sólo permiten un montaje automático de forma limitada. Además, en caso de potencias láser elevadas y un tamaño constructivo reducido, 25 existe el peligro de que se produzca una evaporación del adhesivo o del tampón de soldadura por la carga térmica, ensuciándose la cavidad del resonador. Esto provoca desde un comportamiento inestable del dispositivo resonador láser hasta un fallo total del mismo.

Para evitar la deformación por efectos de contracción, durante la adhesión se 30 debería reducir al mínimo el espesor del intersticio de adhesión y no se debería producir ningún ángulo interno. En un caso ideal, los componentes ópticos y la placa soporte están en contacto plano. De este modo, la cantidad de grados de libertad en los que se puede posicionar el componente óptico con respecto a la placa soporte se limita a aquellos movimientos dentro de la superficie de contacto.

Por ejemplo, de acuerdo con los documentos US 6. 320.706 y US2008/0260330, la utilización de elementos auxiliares de conformación adecuada entre el componente óptico y la placa soporte elimina dicha limitación y no obstante posibilita un contacto plano tanto con respecto al componente óptico como con respecto a la placa soporte.

El objetivo de la presente invención es evitar efectos de contracción, tensiones de material y evaporaciones en un dispositivo resonador láser del tipo mencionado en la introducción y aumentar así la precisión de ajuste y la durabilidad de los componentes ópticos, así como también proporcionar un procedimiento de montaje correspondiente.

Este objetivo se resuelve según la invención mediante un dispositivo resonador láser con varios componentes ópticos y con una placa soporte de vidrio, en particular vidrio de cuarzo, vitrocerámica o cerámica cristalina, sobre la que está fijado al menos uno de los componentes ópticos, estando este o estos componentes ópticos fijados sobre la placa soporte formados por vidrio, en particular vidrio de cuarzo, vitrocerámica o cerámica cristalina, y unidos por fusión de material directamente a la placa soporte a través de al menos una unión por soldadura láser o fijados mediante un elemento intermedio de vidrio, en particular vidrio de cuarzo, vitrocerámica o cerámica cristalina, que está unido por fusión de material en cada caso mediante una unión por soldadura láser tanto con el componente o los componentes ópticos como con la placa soporte.

De acuerdo con la invención, uno o más componentes ópticos de vidrio, vitrocerámica o cerámica cristalina del dispositivo resonador láser están montados por soldadura con rayo láser (también denominada "soldadura de vidrio por rayo láser") en la placa soporte, también hecha de vidrio, vitrocerámica o cerámica cristalina, o en el elemento intermedio. En el caso de los componentes ópticos soldados por láser, se puede tratar por ejemplo de espejos resonadores, un cuerpo láser de estado sólido, una lente, en particular una lente de índice gradual para el acoplamiento de luz bombeada, y en caso dado un modulador, pudiendo todos ellos producirse con vidrio o vidrio de cuarzo o cerámica cristalina (por ejemplo BK7, Yb:vidrio, sílice fundida, SF57, Nd cerám¡co:YAG). La placa soporte está hecha preferentemente de una vitrocerámica, por ejemplo Zerodur o ULE.

Hasta ahora, la soldadura de vidrio por rayo láser se ha utilizado para soldar de forma localmente selectiva fibra de vidrio de sílice a vidrios ópticos. Para ello es necesario que el punto de unión sea accesible para el rayo láser. De este modo se pueden unir por fusión de material, por ejemplo, fibras de cables de fibra óptica

con componentes de vidrio ópticamente activos o pasivos de alta calidad mecánica y óptica. La aportación de calor necesaria para soldar los componentes se consigue con ayuda de un láser de CO2. Por ejemplo en L. Schaefer, M. Schmidt, Welding of glass fibres onto lagrescale substrates with high mechanical stability and optical quality, Physics Procedía 5 (2010), páginas 145-152 se describe la soldadura por rayo láser de fibras de vidrio en sustratos.

De forma especialmente preferente, todos los componentes ópticos están hechos de vidrio, en particular vidrio de cuarzo, de vitrocerámica o de cerámica cristalina, y están unidos por fusión de material mediante soldadura láser a la placa soporte o a elementos intermedios. Dado que todos los componentes ópticos están soldados por láser, en el dispositivo resonador láser no existe metal de aportación ni adhesivo.

También preferentemente, todos los componentes ópticos unidos por fusión de material a la placa soporte están hechos de materiales con coeficientes de dilatación térmica iguales o similares a los de la placa soporte. Un coeficiente de dilatación similar de la placa soporte y de los componentes ópticos conduce a uniones por fusión de material prácticamente libres de tensión incluso en caso de carga térmica. De forma especialmente preferente, los componentes ópticos están hechos del mismo material que la placa soporte.

En otro aspecto, la invención también se refiere a un procedimiento para producir un dispositivo resonador láser configurado tal como se ha descrito más arriba, donde, de acuerdo con la invención, el componente óptico a fijar a la placa soporte se fija a la placa soporte y a continuación, con ayuda de un rayo láser, en particular un rayo láser de CO2, se une a la placa soporte bien directamente por soldadura por fusión de material, bien mediante un elemento intermedio unido en cada caso por soldadura con fusión de material.

En primer lugar, los componentes ópticos se posicionan individualmente sobre la placa soporte y a continuación se fijan mediante soldadura de vidrio por rayo láser. La disposición de los componentes ópticos puede realizarse de forma pasiva por fijación sobre la placa soporte o, alternativamente, utilizando diversos métodos de medición (por ejemplo procedimientos basados en cámaras, autocolimación, ajuste de reflejos de láser de prueba, aumento al máximo de la potencia de la luz láser), mediante control manual o también parcial o totalmente automatizado. La aportación de energía local necesaria para la soldadura de vidrio es suministrada por un láser, preferentemente un láser de CO2, cuyo rayo láser... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo resonador láser (2) que comprende varios componentes ópticos (5, 6, 7, 8, 11) y una placa soporte (13) de vidrio, en particular vidrio de cuarzo, vitrocerámica o cerámica cristalina, sobre la que está fijado al 5 menos uno de los componentes ópticos (5, 6, 7, 8, 11), donde el al menos

un componente óptico (5, 6, 7, 8, 11) fijado sobre la placa soporte (13) está formado por vidrio, en particular vidrio de cuarzo, vitrocerámica o cerámica cristalina, y está unido por fusión de material directamente a la placa soporte (13) mediante al menos una unión por soldadura láser (14) o está ío fijado mediante un elemento intermedio (30) de vidrio, en particular vidrio

de cuarzo, vitrocerámica o cerámica cristalina, estando éste unido por fusión de material en cada caso mediante una unión por soldadura láser (14i, 142) tanto al al menos un componente óptico (5, 6, 7, 8, 11) como a la placa soporte (13).

2. Dispositivo resonador láser según la reivindicación 1, caracterizado porque

el al menos un componente óptico fijado sobre la placa soporte (13) es un espejo de resonador (5, 6).

3. Dispositivo resonador láser según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el al menos un componente óptico fijado sobre la placa soporte (13)

es un medio láser de estado sólido (7).

4. Dispositivo resonador láser según cualquiera de las reivindicaciones

anteriores, caracterizado porque el al menos un componente óptico fijado sobre la placa soporte (13) es un modulador óptico (8).

5. Dispositivo resonador láser según cualquiera de las reivindicaciones

anteriores, caracterizado porque el al menos un componente óptico fijado

sobre la placa soporte (13) es una óptica de acoplamiento (11) prevista para acoplar luz de bombeo (10), en particular una lente de índice gradual.

6. Dispositivo resonador láser según cualquiera de las reivindicaciones

anteriores, caracterizado porque todos los componentes ópticos (5, 6, 7, 8,

11) están hechos de vidrio, en particular vidrio de cuarzo, de vitrocerámica

o de cerámica cristalina, y están unidos por fusión de material mediante soldadura láser (14) a la placa soporte (13) o a un elemento intermedio (30).

g

7. Dispositivo resonador láser según cualquiera de las reivindicaciones

anteriores, caracterizado porque uno o más de los componentes ópticos (5, 6, 7, 8, 11) unidos por fusión de material a la placa soporte (13) o al elemento intermedio (30) están hechos de materiales con coeficientes de

dilatación térmica iguales o prácticamente iguales a los de la placa soporte

(13) o del elemento intermedio (30).

8. Dispositivo resonador láser según cualquiera de las reivindicaciones

anteriores, caracterizado porque una unión por soldadura láser (14; 14i, 142) está formada por al menos un cordón de soldadura láser que se

lo extiende a lo largo del contorno de unión del componente óptico (5, 6, 7, 8,

11) dispuesto en la placa soporte (13) o en el elemento intermedio (30).

9. Dispositivo resonador láser según cualquiera de las reivindicaciones

anteriores, caracterizado porque la profundidad de fusión de la unión por soldadura láser (14) en la placa soporte (13) y en el al menos un

componente óptico (5, 6, 7, 8, 11) unido por fusión de material con la

misma es como máximo de aproximadamente 500 pm, preferentemente de entre 10 pm y 30 pm.

10. Dispositivo resonador láser según cualquiera de las reivindicaciones

anteriores, caracterizado porque la placa soporte (13), el elemento

intermedio (30) y/o al menos uno de los componentes ópticos (5, 6, 7, 8,

11) unidos a éstos por fusión de material están dopados con átomos extraños de modo que resulta una profundidad de penetración óptima para la unión por soldadura láser (14; 14i, 142) de la radiación láser utilizada para la soldadura por rayo láser.

11. Dispositivo resonador láser según cualquiera de las reivindicaciones

anteriores, caracterizado porque, además de la placa soporte (13), al menos uno de los componentes ópticos (5, 6, 7, 8, 11), preferentemente el medio láser (7) o el modulador óptico (8), está en contacto térmico con al menos otra superficie a través de la cual el componente óptico se enfría.

12. Procedimiento para producir una dispositivo resonador láser (2) según

cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque un componente óptico (5, 6, 7, 8, 11) a fijar en la placa soporte (13) se dispone en la placa soporte (13) o en el elemento intermedio (30) soldado por láser a la misma y a continuación se suelda por fusión de material con la placa

soporte (13) o con el elemento intermedio (30) con ayuda de un rayo láser (20), en particular un rayo láser de CO2.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado porque el componente óptico (5, 6, 7, 8, 11) a fijar en la placa soporte (13) se suelda 5 por fusión de material a lo largo de su contorno de unión marginal a la

placa soporte (13) o al elemento intermedio (30) con ayuda del rayo láser (20).