CN101420101B - 气体激光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及产生射出放电管的近衍射受限的圆形光束。通过使用简单的聚焦系统、附加波导带和空间滤波器以及新的不对称混合平面波导谐振器，可以产生射出放电管的衍射受限圆形光束。另外提出了第二种类似的设计，以允许在放电管外部直接进行空间滤波，由此使光束的滤波成为新增的选择。

Description

气体激光器件
技术领域
本发明涉及气体激光器件，并且具体地涉及但不限于一种在从3微米到12微米的波长区域中操作的RF激励平板(slab)放电激光管(vessel)。
背景技术
图1(a)是在与美国专利5,335,242中提供的现有技术一致的常规矩形不对称混合平面波导气体激光器件1，该器件用来生成长度从3微米到12微米的激光输出波长。为了在形成于谐振器镜2、3内的激光器空腔内生成增益，通过在常称为平板的两个金属平面电极4之间具有尺度A的窄缝5中激励射频放电，在电极之间产生射频气体放电。关于这一技术的概况，参阅美国专利4,719,639。激光器具有相互不同的竖直尺度A和水平尺度B以及激光谐振器镜2、3，这些镜是凹面球镜以在较宽的横向自由空间方向B上形成负支路不稳定的谐振器，由此光束经过两个谐振器镜中具有最小曲率半径的镜3的硬边6耦合输出。在窄得多的横向方向A上，谐振器镜2、3与平面电极4结合形成波导。在示出了自由空间不稳定方向的图1(b)中给出了激光器的平面图，而在示出了谐振器波导方向的图1(c)中示出了截面图。以下讨论概括了如下常规校正方案的限制，这些方案用以将来自不对称混合平面波导激光谐振器的输出光束格式化成近衍射受限的圆形光束，这是多数激光工艺应用的先决条件。
参照图1(b)，内部谐振器光束7经过镜3的硬边6从谐振器耦合输出从而在自由空间不稳定方向上生成具有常称为顶帽(top-hat)的轮廓(分布)9的光束8。这一近场光束将相应地需要传播到它的远场，在该远场中它的轮廓(分布)10具有含相邻旁瓣的中心最大值，这些旁瓣然后可以使用空间滤波器来去除以给定近衍射受限的高斯型光束分布。通过允许光束自然地传播或者使用凹面镜或者正透镜生成聚焦来产生向远场的传播。一般而言，在自由空间不稳定方向上的谐振器选择是共焦型，这要求校准在该方向上的耦合输出光束8。为了从在3微米到12微米范围的选定波长操作的此类激光器实现适当的耦合输出，在自由空间方向上的光束宽度C一般是如下尺寸，该尺寸使得为了允许校准光束8自然地传播到远场而需要的距离是以米为单位的等级。这要求对于多数设计而言在自由空间方向上的耦合输出光束8必须聚焦并且因此需要至少两个附加外部镜以使光束转向并且沿着气体激光放电管外部结构的长度折回光束。这一方法使设计尽可能紧凑而又无需使用聚焦功率高的光学器件以生成自由空间远场；其中高辐照水平将出现在滤波的旁瓣中并且为了安装空间滤波器将需要很高程度的位置准确度以免热损坏。
在图1(c)中描绘了谐振器的波荡方向。如上文提到的那样，这一方向与谐振器的自由空间部稳定方向正交。在宽度A为1mm-2mm的波导缝5中生成波导光束11，这要求现有近场波导光束分布12与在自由空间不稳定方向上的较宽校准光束相比高度地发散，然而与自由空间不稳定光束不同，在近场12和远场13中的分布形状均近似高斯、因此无需空间滤波。一般而言，允许现有波导光束11传播如下距离使得它的尺寸等于自由空间光束的尺寸。然后使用圆柱镜/透镜或者有角度的球镜来校正波导光束的波阵面曲率(发散)半径以匹配于自由空间光束，这一校正在自由空间光束已经空间滤波之前或者之后进行。普遍使用前述用来沿着气体激光放电管外部结构的长度折回光束的两个折叠镜以在波导方向上执行一些或者所有校正。然而，为了在保持校正方案不长于激光放电管长度这一限制内实现所需校正，常常需要使用附加的光束折叠。这样的设计常常需要附加构架和最优安装系统，这增加了成本和整体结构重量。除了这些问题之外还需要允许谐振器光束特征和校正系统光功率容差的变化，这要求校正系统必须在它的组成校正光学器件的定位和入射角方面在某一程度上可调。
发明内容
因而，本发明的目的在于消除与常规不对称混合平面波导器件的所需光束校正相伴的上述困难和不足。具体而言，本发明的目的在于提供一种产生无需进一步外部校正的近衍射受限的圆形光束、与不对称混合平面波导谐振器一起操作的气体激光管。这样的器件与具有常规校正系统的不对称混合平面波导激光器相比将结构更简易、成本更低和重量更轻。
根据本发明提供一种如在所附权利要求中阐明的装置和方法。根据附属权利要求和以下描述将清楚本发明的其它特征。
根据本发明的第一方面，一种气体激光放电管与不对称混合平面波导谐振器、光学聚焦系统/聚焦光学器件和附加波导带长度一起操作。附加波导带和聚焦系统/聚焦光学器件优选地作用于来自混合平面波导谐振器的输出光束以在波导带的出口在自由空间不稳定方向上形成与在该位置形成的正交波导光束束腰(waist)的尺度匹配的光束束腰从而产生圆形输出。另外，自由空间不稳定光束现在处于它的所谓远场中并且可以在与附加波导带的出口接近或者紧接在该出口之后的点空间滤波，从而产生在已经激励放电管之后无需进一步外部校正的近衍射受限的圆形光束。
根据本发明的第二方面，一种气体激光放电管与不对称混合平面波导谐振器、光学聚焦系统/聚焦光学器件和附加波导带长度一起操作。附加波导带和聚焦系统/聚焦光学器件优选地作用于来自不对称混合平面波导谐振器的输出光束，以在光束已经从附加波导带传播之后的一段短距离处在自由空间不稳定方向上形成光束束腰。
自由空间光束束腰的位置可以在放电管内部或者外部，后一选项具有可以在构造和密封放电管之后添加滤波的优点。也可以优选地设置光束束腰的尺寸和位置使得发散波导光束尺寸在该位置或者在已经形成自由空间光束束腰之后的一段短距离处匹配。然后使用位于光束尺寸匹配的位置处的圆柱镜/透镜来校正波导光束发散以等于自由空间不稳定光束的发散，从而生成圆形光束。根据自由空间光束束腰的位置和光束为圆形的位置，校正圆柱镜/透镜可以放置于放电管内部或者外部。
基于本发明的第一和第二方面，优选有意识地提供不对称混合平面波导谐振器设计以便定位与谐振器平面波导放电平行和相邻的附加平面波导带。具体而言，在激光器中不对称混合平面波导优选地配置为由两个镜组成的负支路谐振器，该谐振器经过具有最大曲率半径的谐振器空腔镜耦合输出光束。这然后优选地允许聚焦系统为简易球形凹面镜、与耦合输出光束成近似法线入射角操作、将谐振器输出光束输入耦合到与谐振器的平面波导放电平行和相邻的附加平面波导带。另外，如上文提到的不对称混合平面波导激光谐振器以视之为共焦谐振器的点附近或者就在该点处的配置操作，这有助于从矩形平板放电高效提取增益；用于谐振器输出光束的有效几何源与谐振器的理论共焦点接近或者完全重合。
另外，在谐振器的该第二方面中，不对称混合平面波导谐振器优选地配置为由两个镜组成的正支路谐振器，该谐振器经过具有凹面曲率半径的谐振器空腔镜耦合输出光束。这同样允许聚焦系统为简易的球形凹面镜、与耦合输出光束成近似法线入射角操作、将谐振器输出光束输入耦合到与谐振器的平面波导放电平行和相邻的附加平面波导带。同样，这一谐振器可以与视之为共焦谐振器的点附近或者就在该点处的配置操作，这与前文一样有助于从矩形平板放电高效提取增益；用于谐振器输出光束的有效几何源与谐振器的理论共焦点接近或者完全重合。
优选地，波导带长度具有尺寸适合于高效输入耦合来自第一方面的平面波导谐振器的输出光束的横向尺度。
优选地选择长度与聚焦系统/光学器件的功率有关联的第一方面的波导带使得在波导带端在自由空间不稳定方向上形成的光束束腰的中心瓣等于正交波导光束束腰的中心瓣。
优选地，波导带长度包括用以去除光束在自由空间不稳定方向上的二次旁瓣、定位于波导带出口附近或者紧接在该出口之后的空间滤波器，由此提供近衍射受限的圆形光束。
优选地，第二方面的波导带长度使与聚焦系统/光学器件的功率有关联的长度选择为使得在自由空间方向上的光束束腰形成于在光束已经从附加波导带传播之后的一段短距离处，并且优选地包含于气体激光管内部或者外部。
优选地提供位于光束束腰位置附近或者在该位置处的属于自由空间不稳定光束的二次旁瓣的空间滤波，以便生成衍射受限的光束。
也可以优选地设置光束束腰的尺寸和位置使得发散波导光束尺寸在该位置或者在已经形成自由空间光束束腰之后的一段短距离处匹配。然后可以使用定位于光束尺寸匹配的位置处的圆柱镜/透镜来校正波导光束发散，以使其等于自由空间不稳定光束的发散，从而生成衍射受限的圆形光束。
不对称混合平面波导谐振器可以是经过具有最大曲率半径的谐振器空腔镜来耦合输出光束的、由两个镜组成的负支路谐振器。
不对称混合平面波导谐振器可以是经过具有凹面曲率半径的谐振器空腔镜来耦合输出光束的、由两个镜组成的正支路谐振器。
不对称混合平面波导谐振器可以适于以与视之为共焦谐振器的点附近或者就在该点处的配置操作，这有助于从矩形平板放电高效提取增益；用于输出光束的有效几何源优选地与谐振器的理论共焦点接近或者完全重合。
聚焦系统/光学器件可以包含角度可调的镜面或者表面，使得波导带纵轴可布置为平行于平板波导放电的纵轴。
不对称混合平面波导谐振器可以合并有单个光学部件，该光学部件作为属于不对称混合平面波导谐振器的谐振器镜之一来工作以及也充当上文提到的聚焦系统/光学器件的一部分或者全部。
根据本发明的一个方面，提供一种气体激光器，该气体激光器包括：
两个基本上平行的电极板，形成可操作成聚焦和反射激光谐振器光束的波导；
激励装置，可操作成实现气体放电；
第一和第二聚焦/反射装置，在电极板之间彼此相向；以及
第三聚焦/反射装置，可操作成将谐振器光束引向气体激光器的出口。
谐振器光束优选地由电极板以及第一和第二聚焦/反射装置形成。在光穿过时从气体放电提取增益从而产生谐振器光束。
第一、第二和/或第三聚焦/反射装置优选为弯曲反射器。
气体激光器优选地包括与由电极板形成的波导优选地相邻和优选地共面的附加波导元件或者波导带。第三聚焦/反射装置优选地可操作成聚焦现有谐振器光束以基本上在附加波导元件的出口处或者在该出口附近、优选地在自由空间不稳定方向上形成光束束腰。光束束腰可以形成于附加波导元件以外。
附加波导优选地可操作成将现有谐振器光束约束于波导方向上。附加波导优选地位于第三聚焦/反射装置与气体激光器的出口之间。
第三聚焦/反射装置优选地可操作成聚焦现有谐振器光束以形成尺寸与光束束腰在波导方向上的尺寸基本上相同的光束束腰，该尺寸优选为附加波导元件的板间距。第三聚焦/反射装置可以角度可调。第三聚焦/反射装置可以是第一或者第二聚焦/反射装置之一的一部分。
激光器可以包括适于去除现有谐振器光束(优选地在自由空间方向上)的旁瓣的空间滤波装置。优选地，空间滤波装置位于激光器的出口处或者附近。
激光器可以是不对称平面波导谐振激光器。
优选地选择在激光放电的较宽横向方向上的第一和/或第二聚焦/反射装置以形成近似共焦或者共焦谐振器。
本发明延及一种用于气体放电激光器的谐振器，所述谐振器合并有前一方面的电极板和聚焦/反射装置。
根据本发明的另一方面，提供一种产生激光谐振器光束的方法，所述方法包括：
使用基本上平行的电极板通过气体的射频激励在气体中产生放电；
从通过在第一与第二聚焦/反射装置之间反射和聚焦放电而生成的光提取增益；以及
使用第三反射装置将所述谐振器光束引向出口。
所有这里所述特征可以在任何组合中与任何上述方面组合。
附图说明
为了更好地理解本发明并且示出如何可以将本发明的实施例付诸实际，现在将通过例子对示意附图进行参照：
图1(a)是如在美国专利5,335,242中公开的常规现有技术矩形不对称混合平面波导气体激光器件的透视图。
图1(b)是示出了激光谐振器的自由空间不稳定方向的在图1(a)中呈现的现有技术激光器的平面图，
图1(c)是示出了激光谐振器的波导方向的在图1(a)中呈现的现有技术激光器的截面图，
图2(a)是优选实施例的光学放电结构的透视图，
图2(b)是图2(a)中呈现的优选实施例的平面图，
图2(c)是图2(a)中呈现的优选实施例的截面图，
图3(a)是优选实施例的派生实施例的平面图，
图3(b)是优选实施例的派生实施例的截面图，
图4是以负支路共焦配置操作的本发明不对称混合平面波导谐振器的平面图，
图5是以正支路共焦配置操作的本发明不对称混合平面波导谐振器的平面图。
具体实施方式
将参照附图、即图2(a)、图2(b)和图2(c)来描述本发明的优选实施例。图2(a)示出了优选实施例的光学放电结构的透视图；气体放电结构142包括两个金属平面矩形电极152，其中射频激励气体放电在两个电极之间的窄缝162中延伸。缝162的宽度通常为1mm-2mm、间隙宽度D在整个放电结构维持于100微米内。这一均匀缝与电极的平坦金属表面结合也表现为在谐振器的窄横向维度E中形成用于激光谐振器的波导。在由平板的宽度G或者取而代之由放置于放电端的谐振器镜的宽度限定的谐振器的较宽横向自由空间维度F中，激光谐振器在这一自由空间方向上作为不对称不稳定谐振器来操作，其中激光束经过镜之一的硬边耦合输出。在图2(a)中示出了谐振器自由空间光束172的实线光线轨迹。
如上文提到的那样，谐振器镜放置于放电结构的任一端。这两个镜均具有在面向气体放电的表面上机加工的球形凹面曲率半径并且在横向自由空间维度F中形成共焦或者近似共焦负支路不稳定光学系统。具有最小曲率半径的谐振器镜182定位于有光束从放电结构和激光管射出的放电端。具有最大曲率半径的谐振器镜192位于放电的相反端，正是此镜192具有硬边202从而实现来自谐振器的光束耦合输出。具有在面向放电的表面上机加工的球形凹面曲率半径的第三个镜212与镜192相邻。第三个镜212的角度使得它从与激光谐振器的光轴O成角度的激光谐振器获得输出，并且沿着气体放电与激光谐振器的光轴O平行的相邻部分折回输出光束222，放电的这一部分232现在充当附加波导带。空间滤波器242被定位为紧接于附加波导带232的出口之后，使得它用以在自由空间方向上对耦合输出光束进行空间滤波。一般而言，空间滤波器是反射器件、最可能但是并非必然是金属性质、具有与其中加工的波导缝尺寸D近似的宽度H的槽262，该槽允许自由空间光束的中心最大值穿过而又将有害的自由空间旁瓣从主瓣反射出去。希望在从波导的出口向后数厘米处放置空间滤波器以便可以从谐振器的光路引开所反射的自由空间旁瓣、由此阻止光学‘反馈’，也希望避免从射频激励放电到滤波器金属结构的可能闪络(flash-over)。
图2(b)是图2(a)中呈现的优选实施例的平面图、并且示出了谐振器和在较宽横向自由空间不稳定方向上的校正、而且也包括放电管272和在管壁内允许输出光束从放电管传播的管光学窗282的概况。在谐振器内的自由空间不稳定光束172同样表示为实线光线轨迹。在本发明中，输出光束222在由第三个镜212沿着放电管的长度折回之前在放电管272的后部射出激光谐振器。谐振器被设计为使得离开谐振器的光束222源于靠近放电中心的虚拟点源302而发散。通过对第三个镜212的曲率半径和从谐振器的耦合输出程度的恰当选择，所得光束222具有图2(c)中所示在附加波导带232的出口312处的如下光束束腰，该光束束腰在滤波时产生尺寸与正交波导光束束腰在附加波导带232的出口312处的尺寸相等的近衍射受限的自由空间光束，其中图2(c)是沿着图2(b)中的轴线P获得的激光放电管截面图。因此，射出激光放电管272的光束222为圆形并且经滤波而无需附加校正。回到图2(b)，可以在附加波导带232的出口对自由空间光束进行滤波的原因在于：自由空间光束是在它的近场中，一种不可能(如在本发明的背景技术部分中讨论的那样)在利用常规现有技术平面波导激光谐振器和常规校正时在放电管内部产生的情形。另一重要注意点在于可以配置常规不对称平面波导激光器使得射出激光谐振器的光束为圆形；也就是输出不稳定自由空间和波导光束的尺寸相同；在详述微波激励气体放电的美国专利5,048,048中呈现了这样的配置。在射出的发散光束从平面波导谐振器的出口传播之后，根据波导光束束腰的尺寸和激光器的所选操作波长，光束在理论上可以在与波导的出口相距小于0.3m的距离处在自由空间方向上空间滤波而无需聚焦自由空间不稳定光束。然而，这一方式限于操作功率在200瓦特以下的激光器，因为它的实际应用受平面波导放电的允许横向宽度约束。这一约束的原因在于经过输出镜的硬边射出谐振器的自由空间光束的宽度与平面波导放电的宽度之比近似地给出了谐振器的部分耦合输出。理想地，约0.06-0.2的分数值通常提供从在3微米到12微米的波长操作的此类平面波导气体放电激光谐振器最高效的功率提取。遗憾的是，随着分数值开始下降到0.06以下，功率提取效率急剧下降。这一趋势限制了将这一现有技术方式实际应用于横向宽度根据(范围通常在1mm-2mm的)波导缝尺寸而不大于20mm-30mm的平面波导气体放电。也应当注意来自于如在美国专利5,048,048中呈现的这一类平面波导激光器的辐照水平很高，并且可能在将常用材料用于在3微米到12微米波长范围中操作的窗基板时造成对放电管光学窗的光学损坏。在本发明的优选实施例中也可能看起来是这种情况，然而在本发明的情况下，回到图2(a)、图2(b)和图2(c)，示出了金属电极152为矩形并且具有沿着它们的整个长度延伸的附加波导带232；并非对于所有设计和功率电平都必然是这种情况。随着平面波导气体放电激光器功率升级，平面波导电极的宽度和长度一般增加以产生更大面积增益。放电有源区的这一面积升级可能给它本身带来没有沿着平面波导电极152的整个长度延伸的附加波导带长度。因此，在与放电管的光学窗282有明显距离处可能生成圆形光束，使得发散输出光束在放电管的光学窗282处的尺寸已经增加到辐照水平不再造成光学损坏的值。这一方案的实现自然地需要使用如下空间滤波器242，该空间滤波器与射频放电电隔离以便将它放置于附加波导带232的出口附近并且设计成使得滤波的光束成分不能光学‘反馈’到激光谐振器。
图3(a)示出了本发明优选实施例的派生实施例的平面图。在这一变形中，第三个镜213具有的曲率半径使得在自由空间不稳定方向上的所得输出光束223具有并非如优选实施例中那样在附加波导带233的出口处323、而是在光束已经射出附加波导带之后有一段短距离的位置333处的光束束腰。这一方式实现了考虑更广泛的谐振器耦合输出和附加波导带长度，因为设计不再受制于使光束尺寸在附加波导带端相等。也应当注意位置333可以选择为在放电管的置信度(confide)以内或者以外。使位置333设置于放电管的置信度以外的潜在优点在于可以将滤波作为选项提供给终端用户。对照而言，使位置333在放电管的置信度以外的弊端在于：在将普遍可用材料用于窗基板时，由于对放电管的输出窗283上形成的允许辐照水平的约束，因此针对本发明的二氧化碳气体激光器变形的平均激光器输出功率限于不大于200W的值。在自由空间方向上工作用以在自由空间方向上生成近衍射受限的光束的空间滤波器243直接放置于位置333。空间滤波器的狭缝宽度约等于自由空间光束中心最大值的3＊w0，其中w0是传统的1/e2光束半径。在图3(b)中示出了沿着图3(a)中的线P截取的激光放电管截面图，该截面图展现了输出光束223在它射出附加波导带233时在波导方向上发散。为了校正波导发散使得它匹配于正交自由空间光束束腰的发散，圆柱透镜343放置于在正交方向上的光束尺寸相等的位置353。选择圆柱透镜343的焦距使得不同发散随后匹配，从而产生圆形衍射受限的光束。应当注意，根据针对自由空间方向而选择的光束束腰尺寸和位置，位置353可以在位置333或者在进一步距离处。这要求如果位置333在放电管内部则这一校正光学器件可以在放电管内部，并且该光学器件潜在地可以起到密封器件的作用使得光学器件343和283为同一光学器件。
为了更好地描述本发明的谐振器，在作为自由空间方向平面图的图4中呈现了本发明不对称负支路谐振器的共焦变形；其中未示出本发明的第三个校正镜。在其上各自形成曲率半径的两个镜184与194之间形成的共焦或者近似共焦不对称谐振器在自由空间方向上操作，其中形成的镜面跨激光放电144彼此相向形成谐振器。首先选择镜面的曲率半径使得谐振器可以描述为在自由空间方向上不稳定。当谐振器自由空间几何参数乘积g1＊g2在边界以外时满足这一不稳定要求：
0≤g1＊g2≤1
其中g1＝1-L/R1和g2＝1-L/R2，L是跨放电的镜间距、R1是镜184的自由空间镜曲率半径、R2是镜194的自由空间镜曲率半径。针对自由空间谐振器的第二项要求是由属于镜184和194的自由空间曲率半径形成的光轴平行于气体放电144的主轴T；这有助于从气体放电高效提取增益。自由空间谐振器的光轴定义为经过镜184和194的两个曲率半径中心而延伸的轴O。在图4中，镜184的曲率半径中心在位置354，镜194的曲率半径中心在位置364。针对自由空间谐振器的第三项要求是它为共焦或者近似共焦，这一要求也有助于从气体放电高效提取增益。当属于自由空间谐振器镜184和194的焦点彼此相交时满足这一要求。在图4中，谐振器的共焦交点为304，而镜184和194的焦点分别为374和384并且处于将曲率半径中心与它们的镜面连接的相应线上的中途。
讨论至此，如在美国专利5,048,048和5,335,242的现有技术中呈现的常规共焦不对称负支路谐振器也适用所提出的要求。然而不同于常规设计，本发明的激光谐振器光束在自由空间不稳定方向上经过在具有最大曲率半径的谐振器镜194上机加工匹配的硬边204射出，这与常规设计截然相反。这造成在自由空间不稳定方向上的射出光束294发散而不是如常规不对称负支路谐振器的情况那样校准，其中发散光束的几何原点为谐振器的共焦交点304。由谐振器镜184和194包围的放电在自由空间方向上的理想宽度Q按照如下表达式与自由空间谐振器的放大率M和放电宽度W有关：
Q＝W/M
其中自由空间谐振器的放大率M定义为比率R2/R1。最后为了提高从放电高效提取增益，针对自由空间谐振器的第五项要求是自由空间谐振器的光轴O相对于放电主轴T有偏移。轴的这一偏移是在从谐振器镜194上加工的硬边204背离的方向上。按照如下等式的给定，相对于谐振器194的硬边204来定义自由空间不稳定谐振器的光轴O的偏移S：
S＝W/(M2+M)
图5示出了其中未示出本发明第三个校正镜的本发明正支路谐振器的等效平面图。同样与针对负支路谐振器的情况一样有五项要求。在其上各自形成曲率半径的两个镜185与195之间形成的共焦或者近似共焦不对称谐振器在自由空间方向上操作，其中形成的镜面跨激光放电145彼此相向形成谐振器。首先选择镜面的曲率半径使得谐振器可以描述为在自由空间方向上不稳定。当谐振器自由空间几何参数乘积g1＊g2在边界以外时满足这一不稳定要求：
0≤g1＊g2≤1
其中g1＝1-L/R1和g2＝1-L/R2，L是跨放电的镜间距、R1是镜185的自由空间镜曲率半径、R2是镜195的自由空间镜曲率半径。在这一实例中，185的镜面为凸面从而造成R1具有负值。针对自由空间谐振器的第二项要求是由属于镜185和195的自由空间曲率半径形成的光轴平行于气体放电145的主轴T；这有助于从气体放电高效提取增益。自由空间不稳定谐振器的光轴定义为经过镜185和195的两个曲率半径中心而延伸的轴O。在图5中，镜185和195的曲率半径中心落在图左边的位置。针对自由空间谐振器的第三项要求是它为共焦或者近似共焦，这一要求也有助于从气体放电高效提取增益。当属于自由空间谐振器镜185和195的焦点相交时满足这一要求。在图5中，谐振器的共焦交点为305，而镜185和195的焦点分别为375和385并且处于将曲率半径中心与它们的镜面连接的相应线上的中途。
讨论至此，如在美国专利4,719,639的现有技术中呈现的常规共焦不对称正支路谐振器也适用所提出的要求。然而不同于常规设计，本发明的激光谐振器光束在自由空间不稳定方向上经过在具有凹面曲率半径的谐振器镜195上匹配的硬边205射出，这与具有在含凸面曲率半径的谐振器镜上加工的硬边的常规设计截然相反。这造成在自由空间不稳定方向上来自谐振器的射出光束295略有发散而不是如常规不对称负支路谐振器的情况那样校准，其中发散光束的几何原点为谐振器的共焦交点305。由谐振器镜185和195包围的放电在自由空间方向上的理想宽度Q按照如下表达式与自由空间谐振器的放大率M和放电宽度W有关：
Q＝W/M
其中自由空间谐振器的放大率M定义为比率-R2/R1。最后为了提高从放电高效提取增益，针对自由空间谐振器的第五项要求是自由空间谐振器的光轴O相对于放电主轴T有偏移。轴的这一偏移是在从谐振器镜195上加工的硬边205背离的方向上。自由空间不稳定谐振器的光轴O的偏移S使得光轴O与距离谐振器镜195的硬边205最远的放电纵向边共轴地延伸。
关注与本申请有关的与本说明书同时或者在本说明书之前提交的所有文章和文献，并且所有这样的文章和文献的内容援引结合于此。
在本说明书(包括任何所附权利要求、说明书摘要和附图)中公开的所有特征和/或这样公开的任何方法或者过程的所有步骤可以以除了与至少一些这样的特征和/或步骤互斥的组合之外的任何组合进行组合。
除非另有指明，在本说明书(包括任何所附权利要求、说明书摘要和附图)中公开的每个特征可以由服务于相同、等效或者相似目的的替代特征所取代。因此，除非另有指明，公开的每个特征仅仅是广义系列等效或者相似特征中的一个例子。
本发明不限于前述一个或者多个实施例的细节。本发明延及在本说明书(包括任何所附权利要求、说明书摘要和附图)中公开的特征中的任何新颖特征或者任何新颖组合、或者这样公开的任何方法或者过程的步骤中的任何新颖步骤或者任何新颖组合。

Claims (13)

1.一种气体激光器件，包括：
两个基本上平行的电极板(152)，形成可操作成聚焦和反射激光谐振器光束的波导；
激励装置，可操作成实现气体放电；
第一和第二反射装置(182，192)，在所述电极板(152)之间彼此相向以形成谐振器，所述第一和第二反射装置的相应曲率半径和间距使得在与所述电极板(152)平行的自由空间平面中所述谐振器不稳定并且基本上共焦；以及
在所述谐振器外部的第三反射装置(212)，可操作成将所述谐振器光束引向所述气体激光器的出口(282)，
其特征在于包括位于所述第三反射装置(212)与所述气体激光器的所述出口(282)之间、在所述谐振器外部的附加波导元件(232)，其中所述第三反射装置(212)邻近于所述谐振器的一端，而所述气体激光器的所述出口(282)邻近于所述谐振器的相反端；其中
所述第二反射装置具有硬边并且具有大于所述第一反射装置的曲率半径的、在自由空间不稳定方向上的曲率半径，并且所述第三反射装置在物理上区分于所述第一和第二反射装置，所述第三反射装置引导光通过所述附加波导元件到达所述气体激光器的出口。
2.如权利要求1所述的气体激光器件，其特征在于适于经过所述第二反射装置(192)耦合输出所述谐振器光束(292)，所述第二反射装置(192)具有的曲率半径使得射出的所述光束发散并且与所述不稳定谐振器的纵轴成角度地射出。
3.如权利要求1或者2所述的气体激光器件，其中所述第三反射装置(212)可操作成基本上将射出的所述谐振器光束聚焦在所述附加波导元件(232)的出口(312)处，以在自由空间方向上形成尺寸与在正交波导方向上形成的光束束腰基本上相同的光束束腰(333)。
4.如权利要求3所述的气体激光器件，其中包括：空间滤波装置(242)，该空间滤波装置可操作成对所述光束整形以用于使用、基本上位于所述附加波导元件(232)的所述出口(312)处而且适于去除在所述自由空间方向上的旁瓣，以便在所述气体激光器件内部生成衍射受限的圆形光束。
5.如权利要求1或者2所述的气体激光器件，其中所述第三反射装置(213)可操作成将射出的所述谐振器光束在所述自由空间方向上聚焦在所述附加波导元件(232)的出口(312)以外。
6.如权利要求5所述的气体激光器件，包括空间滤波装置(243)，该空间滤波装置基本上放置于所述自由空间光束束腰(333)处并且适于去除所述光束在所述自由空间方向上的旁瓣以便生成衍射受限的光束。
7.如权利要求6所述的气体激光器件，包括光学元件(343)，该光学元件位于正交自由空间和波导光束的尺寸基本上相同的位置处，并且具有光功率以使得在正交方向上的不同发散基本上相同(353)、由此生成衍射受限的圆形光束。
8.如权利要求7所述的气体激光器件，其中所述空间滤波装置(243)和光学元件(343)可以放置于气体激光管内部或者外部。
9.如权利要求1或2所述的气体激光器件，其中所述附加波导元件(232/233)与由所述电极板(152)形成的所述波导相邻且共面。
10.如权利要求1或2所述的气体激光器件，其中所述第三反射装置(212/213)的角度可调。
11.如权利要求1或2所述的气体激光器件，其中所述第一和第二反射装置(182/184/185，192/194/195)具有用以在与所述电极板(152)平行的平面中形成近似共焦谐振器的曲率半径。
12.如权利要求1或2所述的气体激光器件，其中通过在所述基本上平行的电极板(152)之间的缝(162)内包含的气体的射频激励来产生放电。
13.一种在气体管中产生激光谐振器光束的方法，所述方法包括：
通过气体的射频激励在基本上平行的电极板之间产生气体放电；
通过在第一与第二反射装置(182，192)之间反射所得的谐振器光束从所述气体放电提取增益；以及
使用在所述谐振器外部的第三反射装置(212)将所述谐振器光束引向出口，
其特征在于，沿着位于所述第三反射装置(212)与所述气体管的出口(282)之间的附加波导元件(232)引导所述光束，所述附加波导元件(232)在所述谐振器外部，其中所述第三反射装置(212)邻近于所述谐振器的一端，而所述气体管的所述出口(282)邻近于所述谐振器的相反端；其中
所述第二反射装置具有硬边并且具有大于所述第一反射装置的曲率半径的、在自由空间不稳定方向上的曲率半径，并且所述第三反射装置在物理上区分于所述第一和第二反射装置，所述第三反射装置引导光通过所述附加波导元件到达所述气体管的出口。
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