DE3515679C1 - Koaxial hochfrequent angeregter Gaslaser, insbesondere CO↓2↓-Laser, mit Multipassresonator - Google Patents

Description

• Gelöst wird diese Aufgabe bei einem solchen Gaslaser, wie er aus der DE-PS 30 03 167 bekannt ist, durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Es wurde festgestellt, daß es gerade in dem Bereich zwischen konfokal und konzentrisch extrem j ustierunempfindliche Multipaß.Konfigurationen gibt. Durch die Verwendung von sphärischen Spiegeln, im Gegensatz zu beispielweise Facettenspiegel, entfällt das Problem der Einzeljustierung einzelner Spiegelelemente. Bei dem erfindungsgemäßen Laser handelt es sich um einen hochfrequent angeregten Gaslaser mit einem metallischen oder dielektrischen Hohlleiter mit axialer Innenelektrode und koaxialer Außenelektrode dergestalt, daß der Laser selbst als dissipativer Abschluß des Hochfrequenzsenders ausgeführt ist, d. h. der Laser bzw. das verstärkende Medium im Laser übernimmt die Aufgabe eines Abschlußwiderstandes für einen Hochfrequenzsender. Von den beiden sphärischen Multipaß-Spiegeln, die im Bereich zwischen konfokal und konzentrisch angeordnet sind, ist der Spiegel auf der der Hochfrequenz-Einspeisung zugekehrten Seite in der Mitte durchbohrt, um hierdurch die Innenelektrode in den zylindrischen Laserverstärker einbringen zu können. Die Innenelektrode wird typischerweise durch den ganzen Resonator bis zum zweiten sphärischen Multipaß-Spiegel geführt, der an geeigneter Stelle wiederum eine Bohrung enthält. In einer solchen Anordnung bestehen die beiden Multipaß-Spiegel bevorzugt aus Metall.
• Der Multipaß folgt den Einhüllenden eines zweischaligen Hyperboloids. Der Multipaßfaktor selbst kann durch geeignete Wahl der Krümmungsradien der Spiegel sowie der Spiegelabstände eingestellt werden. Um den Laser nur im transversalen Grundmode schwingen zu lassen, werden bevorzugt Lochblendenscheiben vor den Spiegeln derart angebracht, daß sich ein Multipaß nur für eine ganz bestimmte Auskoppelrichtung ausbilden kann.
• In einer besonderen Ausgestaltung des Lasers können die Multipaß-Spiegel auch aus plankonvex bearbeitetem transparentem Material bestehen, das auf der konvexen Seite von außen verspiegelt ist. Hierdurch wird eine Schonung der verspiegelten Schichten gegenüber dem Laserplasma erreicht, was eine Steigerung der Lebensdauer des Gesamtsystems mit sich bringt. Solche Laser mit Multipaßresonator zeichnen sich durch ihre extrem kompakte Bauweise aus.
• Weiterhin kann vorteilhaft die Vorderseite der angesprochenen plankonvexen Multipaß-Spiegel konisch auspoliert sein, um somit bei geeignetem Multipaßfaktor eine polarisierte Ausgangsstrahlung zu unterstützen.
• Die Angaben »konfokal« und »konzentrisch« der erfindungsgemäßen Dimensionierungsvorschrift des Lasers beziehen sich auf die den Anregungsraum begrenzenden Multipaß-Spiegel 1 und 2, nicht aber auf die den eigentlichen Resonator begrenzenden Resonatorendspiegel 3 und 4. Die eigentliche Resonatorlänge ergibt sich erst nach mehrmaligem Durchqueren des durch die Spiegel 1 und 2 gebildeten Multipaß-Systems. Die vorgeschlagene monolithische Anordnung derartiger Multipaß-Spiegel zeichnet sich durch die einfache Herstellung der Einzelteile und die einfache Montage bzw. Justierung des Gesamtsystems aus.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist nur einer der Multipaß-Spiegel eine Durchbohrung auf.
• durch die sowohl die in den Multipaß eintretende als auch die aus dem Multipaß austretende Strahlung verläuft.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Gaslasers mit Multipaß-Spiegeln und Resonatorendspiegeln und Fig. 2 eine Darstellung des räumlichen Verlaufes der Strahlung zwischen den Multipaß-Spiegeln.
• Der Laser nach Fig. 1 weist zwei Multipaß-Spiegel (Faltungsspiegel) 1,2 und zwei Resonatorendspiegel 3,4 auf. Die beiden Multipaß-Spiegel weisen den gleichen Krümmungsradius auf. Der Abstand 5 der Multipaß-Spiegel, der zwischen konfokal und konzentrisch liegen soll, und deren Krümmungsradius bestimmen die Winkelverschiebung zwischen den Reflexionspunkten auf der Oberfläche der Multipaß-Spiegel.
• Deren radialer Abstand von der optischen Achse ergibt sich aus dem Strahldurchmesser. Entsprechend sind die dargestellten Öffnungen 6, 7 zum Einstrahlen bzw.
• Auskoppeln des Strahles 8 an vorbestimmten Stellen ausgebildet.
• Der Modendurchmesser wird nicht nur durch die Re- sonatorendspiegel, 3 und 4 sondern auch durch die Multipaß-Spiegel 1 und 2 beeinflußt. Die Resonatorendspiegel 3 und 4 legen unter Berücksichtigung der Wirkung der Multipaß-Spiegel 1 und 2 den Strahlendurchmesser fest. Die Multipaß-Spiegel 1 und 2 sind zur Hindurchführung einer Innenelektrode 9 in der Mitte durchbohrt.
• In radialer Richtung wird der Resonator durch eine Außenelektrode 10 begrenzt.
• In F i g. 2 ist - schematisch - der räumliche Verlauf der Strahlung zwischen den Multipaß-Spiegeln 1 und 2 dargestellt. Im Gegensatz zu der Darstellung nach F i g. 1 wird in diesem Beispiel der Strahl 8 durch eine einzige Durchbohrung 11 in den Multipaß ein- bzw. ausgekoppelt, wodurch die zur Reflexion ausnutzbare Spiegelfläche, da nur eine Öffnung vorhanden ist, vergrößert wird.
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Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Koaxial hochfrequent angeregter, im Dauerstrich oder mit hoher Pulsfrequenz betriebener Gaslaser, inbesondere CO2-Laser, mit einer zylindrischen Außenelektrode (10) und einer in der Zylinderachse der Außenelektrode (10) angeordneten kreiszylindrischen Innenelektrode (9), wobei zwischen der Innenelektrode (9) und der Außenelektrode (10) ein radialer, den Anregungsraum bildender Zwischenraum verbleibt, der in axialer Richtung durch zwei Multipaß-Spiegel 2) und zwei Resonatorendspiegel (3, 4) begrenzt ist und wobei die Laserstrahlung erst nach mehrmaligem Durchlaufen der durch die Multipaß-Spiegel (1, 2) gebildeten Multipaß-Anordnung von einem Resonatorendspiegel zum anderen Resonatorendspiegel gelangt, d a -durch gekennzeichnet, daß die Multipaß-Spiegel (1, 2) sphärische Spiegel sind, die in einem Abstand zwischen konfokal und konzentrisch zueinander angeordnet sind.
2. 2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Multipaß-Spiegel (1) eine Durchbohrung (11) aufweist, durch die sowohl die in den Multipaß eintretende als auch die aus dem Multipaß austretende Strahlung verläuft.

   Die Erfindung betrifft einen Gaslaser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

   Ein derartiger Laser ist aus der DE-PS 30 03 167, die ein Zusatzpatent zu der DE-PS 29 19 708 ist, bekannt.

   Diesem aus der DE-PS 30 03 167 bekannten Laser-Konzept liegt der Gedanke zugrunde, einen Laser zu schaffen, der auch bei geringer Baulänge des kreiszylindrischen Anregungsraumes eine hohe Leistungsdichte erreicht. Bei diesem Laser besteht der optische Resonator aus Spiegeln an den Enden des hohlzylindrischen Anregungsraumes, wobei jeder Spiegel in mehrere getrennte Spiegelelemente aufgeteilt ist, die gleichmäßig verteilt über den kreisringförmigen Querschnitt untergebracht sind und hierbei unterschiedliche Neigungen zu der Resonatorachse derart aufweisen, daß sie zusammen einen geschlossenen, optischen Resonator bilden. Bei dieser Anordnung wird der ganze hohlzylindrische Entladungsraum vom Strahlenbündel nacheinander durchlaufen. In weiteren Ausgestaltungsvarianten haben die Spiegelelemente Sektor- oder Kreisscheibenform. Zur Auskopplung der Laserstrahlung ist der an der Austrittsstelle angeordnete Spiegel nur teilverspiegelt. Solche Laser haben sich im Einsatz gut bewährt. Aufwendig ist jedoch die Justierung der einzelnen Spiegelelemente.

   Bei solchen Lasern mit einem Multipaßresonator entsteht eine optische Verzögerungsleitung, die außer zur Variation der Länge von Laser-Resonatoren, wie in der Dissertation »Optische Verzögerungsleitungen in Nd-YAG-Kavitäten zur Simulation langer Resonatoren« von W. Lobsiger, beschrieben, auch zur Bestimmung der Reflexionswerte dielektrischer Spiegel, zur Messung von Streu- und Absorptionsverlusten in Gasen und zur zeitlichen Verzögerung von Impulsen verwendet werden kann; außerdem machen Michelson-Interferometer hoher spektraler Auflösung hiervon Gebrauch. In der Dissertation von Lobsiger werden darüber hinaus Stabilitätsüberlegungen zu konventionellen Resonatoren angestellt.

   Sphärische Faltungsspiegel sind an sich allgemein bekannt; vgl. beispielsweise die US-PS 37 31 224. Bei dem dort beschriebenen gefalteten Resonator werden aber nur drei Spiegel verwendet, während nach der Erfindung zwei Multipaß-Spiegel und zwei Resonatorendspiegel, also vier Spiegel vorgesehen sind.

   Weiterhin ist in dem Aufsatz »Off-Axis Paths in Spherical Mirror Interferometers« von D. Herriot, H. Kogelnik und R. Kompfner, Applied Optics, April 1964, Vol.
3. 3, Nr.
4. 4, Seiten 523 bis 526 ein Multipaßresonator genannt, der auch für Laser-Resonatoren eingesetzt werden kann, wie der einführenden Zusammenfassung sowie dem ersten Absatz des Aufsatzes zu entnehmen ist. Es wird weiterhin eine Anordnung sphärischer Spiegel entweder in einem Abstand, der der zweifachen Brennweite oder einem Abstand, der der einfachen Brennweite entspricht, also konfokal oder konzentrisch, beschrieben. Ein derart aufgebautes Interferometer läßt bei außeraxialer Einstrahlung einen Multipaß entstehen, wobei diese Anordnung allerdings wegen ihrer sehr hohen Justierempfindlichkeit praktisch nicht mehr für interferometrische Zwecke benutzt werden kann.

   In allgemeinerer Form befaßt sich das Buch von W.

   Brunner und K. Junge: »Lasertechnik - Eine Einführung«, 1982, ab Seite 124 mit stabilen Resonatoren mit kreisförmigen Spiegeln; es werden in diesem Buch auch die Begriffe »konfokal« und »konzentrisch« erläutert. In diesem Buch wird die Lehre vermittelt, daß Resonatoren mit der Bedingung gt xg2=0 (stabiler konfokaler Resonator) und gl x g2 x 1 (stabiler Resonator) vermieden werden sollen, da eine Dejustierung leicht in den instabilen Bereich führt. Bei gl und g2 handelt es sich um die Kenngrößen des Resonators. Gute Stabilität gegen Dejustierung zeigen Resonatoren mit gi x g2 = 1/2.

   Die vorstehend aufgezeigten Literaturstellen sprechen entweder interferometrische Probleme an oder beschäftigen sich mit Resonatorkonfigurationen, bei denen jeweils auch die optische Achse mit Strahlung erfüllt ist oder zumindest von Strahlung durchkreuzt wird.

   Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gaslaser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. so weiterzubilden, daß sich eine größere Justierunempfindlichkeit ergibt, wobei aber die bei geringer Baulänge hohe Leistungsdichte erhalten bleiben soll.