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Die
Erfindung betrifft einen Laserresonator für einen Laserstrahl mit zwei
Spiegeln und einem eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche für den Laserstrahl
aufweisenden brechenden Element.
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Ein
derartiger Laserresonator ist beispielsweise aus
EP 1 066 546 B1 bekannt.
Die dort vorgesehene Ausbildung des Laserresonators als Ringresonator
mit zwei Spiegeln und einem Prisma als brechendes Element hat die
Funktion, bei einer Änderung
der Wellenlänge
die optische Weglänge
im Resonator durch eine bloße
translatorische Verschiebung des Prismas anpassen zu können, ohne
dass sich die Winkelbedingungen an den Spiegeln ändern. Die Variation der Laserwellenlänge kann
somit durch eine bloße
translatorische Verschiebung des brechenden Elements zur Anpassung
der Resonatorwellenlänge
an die geänderte
Wellenlänge kompensiert
werden. Die durch den Laserresonator ermöglichte gewisse Durchstimmbarkeit
der Laserwellenlänge
wird dadurch begrenzt, dass der Brechungsindex des brechenden Elements
wellenlängenabhängig ist. Dadurch
wird er unter einem gleichen Winkel einfallenden Laserstrahl bei
einer Änderung
seiner Wellenlänge an
der Eintrittsfläche
durch die unterschiedliche Brechung für eine geänderte Laserwellenlänge um einen
anderen Winkel abgelenkt. Entsprechendes gilt für die Ablenkung an der Austrittsfläche, sodass
durch die Abhängigkeit
des Brechungsindex von der Wellenlänge (Dispersion) eine Dejustierung
des Resonators für
geänderte
Wellenlängen
eintritt.
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Durch
DE 10 2005 061 038
B3 ist es bekannt, dieser Dejustierung dadurch entgegenzuwirken,
dass die Eintrittsfläche
und die Austrittsfläche
des brechenden Elements zur Kompensation der Abhängigkeit des Brechungsindex
von der Wellenlänge
gekrümmt
ausgebildet sind.
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Wenn
eine schmalbandige Ausgangsleistung eines Lasers dieser Art gewünscht ist,
wird in den Laserresonator ein frequenzbestimmendes Element eingesetzt,
beispielsweise in Form eines Fabry-Pérot-Etalons, das zwei zueinander
parallele Flächen
ausweist, die als Eintrittsfläche
und Austrittsfläche
vom Laserstrahl durchlaufen werden. Der Abstand der durch die planparallelen
Flächen
gebildeten teilreflektierenden Spiegel bestimmt in selektiver Form
die Wellenlänge,
die in dem Laserresonator verstärkt
wird. Die teilreflektierenden Spiegel des Etalons wirken als Interferometer,
das nur die in den vorgegebenen Abstand zwischen den planparallelen
Flächen „hineinpassenden” Wellenlängen durchlässt, während die
anderen Wellenlängen
stark gedämpft
werden und daher an der Verstärkung
im Laserresonator nicht mehr teilnehmen. Das Einsetzen eines Etalons
in den Laserresonator erlaubt daher die Einstellung eines schmalbandigen
Ausgangs-Laserstrahls, bringt jedoch aufgrund der zusätzlichen
Flächen,
die vom Laserstrahl durchlaufen werden, – wie jedes in den Resonator
eingesetzte zusätzliche
Element – Verluste
der Laserleistung mit sich. Darüber
hinaus muss das zusätzliche
Element gesondert justiert werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hinsichtlich
der Verlustleistungen verbesserten und seiner Einstellbarkeit vereinfachten
Laserresonator zu ermöglichen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist der Laserresonator der eingangs erwähnten Art
erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, dass das brechende Element aus zwei jeweils eine
Teilbrechung in dieselbe Richtung bewirkenden Teilelementen gebildet
ist, und dass die Teilelemente mit zueinander gewandten Ebenen und
zueinander parallelen und voneinander beabstandeten Grenzflächen zwei
teilreflektierende planparallele Spiegel eines Etalons und, mit
ihren äußeren Grenzflächen, die
Eintrittsfläche
und die Austrittsfläche
des brechenden Elements bilden.
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Durch
die Ausbildung des brechenden Elements aus zwei Teilelementen, deren
planparallele, ebene und in einem Abstand voneinander angeordnete
Grenzflächen
die Funktion eines Etalons ausüben,
wird die brechende Funktion und die frequenzselektive Funktion in
einem Laserresonator in einem brechenden Element vereinigt. Die
Teilelemente üben
Teilbrechungen aus, die in dieselbe Richtung gerichtet sind und
sich zu der Gesamtbrechung des brechenden Elements vereinigen. Hierin
unterscheidet sich die vorliegende Erfindung grundlegend von bekannten
Etalon-Anordnungen
(z. B.
US 6,137,821 ),
die aus zwei Teilprismen gebildet sind, wobei das zweite Teilprisma
lediglich die Brechkraft des ersten Teilprismas kompensiert, so
dass der Laserstrahl einen Parallelversatz erfährt.
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Auch
DE 10 2005 027 315
A1 zeigt ebenfalls eine Kombination einer derartigen Etalon-Anordnung
mit einer dünnen,
zur Abstimmung drehbar angeordneten Etalonscheibe mit zueinander
parallelen Grenzflächen in
einem linearen Laserresonator.
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Demgegenüber sieht
die Erfindung eine Kombination der beispielsweise in einem Ringresonator
benötigten
brechenden Funktion und der frequenzselektiven Funktion in einem
brechenden Element vor, das aus zwei Teilelementen gebildet ist.
Als brechendes Element im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird
ein brechendes Element angesehen, dass eine Ablenkung des Laserstrahls
bewirkt und dabei eine Dispersion verursacht, die nicht durch ein
gleiches antiparalleles Element aufgehoben wird. Die Ablenkung durch
das brechende Element ist daher gewollt und führt nicht nur zu einem parallelen
Versatz.
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In
an sich bekannter Weise können
die teilreflektierenden planparallelen Spiegel bildenden parallelen Grenzflächen der
Teilelemente um einen kleinen Winkel gegen die Laserstrahlrichtung
verkippt angeordnet sein, um Rückreflexe
der beiden ebenen Grenzflächen
in den Resonator zu vermeiden.
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Die
beiden Teilelemente des erfindungsgemäßen Laserresonators sind vorzugsweise
Teilprismen, von denen ein Eintrittsprisma mit seiner schräg stehenden
Fläche
die Eintrittsfläche
und das Austrittsprisma mit seiner schräg stehenden Fläche die
Austrittsfläche
des durch die beiden Teilelemente gebildeten brechenden Elements
darstellen. Die Schrägstellung
wird dabei zweckmäßigerweise
so gewählt,
dass für
den einfallenden Lichtstrahl und den ausfallenden Lichtstrahl jeweils
die Brewster-Bedingung erfüllt
ist, wodurch sich eine verlustarme Ablenkung des Strahls in den
Teil elementen ergibt. Die schräg
stehenden Flächen
bewirken, dass sich der Abstand zwischen der Eintrittsfläche und
der Austrittsfläche
innerhalb des Resonators nach außen verringert, sodass es zweckmäßig ist,
dass die Teilelemente gemeinsam unter Aufrechterhaltung eines bestehenden
Abstandes zwischen den parallelen Grenzflächen senkrecht zur Laserstrahlrichtung
translatorisch verschiebbar sind. Diese Translation dient der Aufrechterhaltung
der Resonanzbedingung im Resonator bei geänderter Wellenlänge. Die
erfindungsgemäße Ausbildung
des Resonators ist insbesondere bei einem Ringresonator vorteilhaft,
kann aber auch bei linearen Resonatoren, die wenigstens ein brechendes
Element enthalten, verwirklicht werden.
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Das
erfindungsgemäße brechende
Element kann zur Abstimmung der Frequenz des Laserresonators mit
einer Stelleinrichtung zur Einstellung des Abstandes der parallelen
Grenzflächen
voneinander versehen sein. Eine zweckmäßige Stelleinrichtung ist beispielsweise
ein Piezo-Steller, mit dem der Abstand zwischen den Grenzflächen symmetrisch
kontrolliert veränderbar
ist.
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In üblicher
Weise können
die planparallelen Grenzflächen
der Teilelemente mit einer den Reflexionsgrad verändernden
Beschichtung versehen sein.
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Durch
die Integration des Etalons in das brechende Element gibt es über die
Wirkung des Etalons hinaus keine weiteren Verluste durch zusätzlich notwendige
optische Elemente. In den kompakten Aufbau des Laserresonators in
Dreiecksform ist das Etalon als frequenzselektierendes Element bereits
integriert.
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Selbstverständlich ist
es auch bei den erfindungsgemäßen Teilelementen
möglich,
die Eintrittsfläche und
die Austrittsfläche
des brechenden Elements gekrümmt
auszubilden, um die Abhängigkeit
des Brechungsindex von der Wellenlänge zu kompensieren, wie dies
durch
DE 10 2005
061 038 B3 gelehrt wird.
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Die
Erfindung soll im Folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 – eine schematische
Darstellung einer Ausführungsform
der Erfindung, bei der der Laserresonator ein Ringresonator ist
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2 – eine schematische
Darstellung einer anderen Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Laserresonators.
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Gemäß 1 besteht
der Ringresonator aus zwei fest montierten Spiegeln M1, M2, die
in bekannter Weise sphärisch
ausgebildet sind, sodass sich ein kompakter stabiler Ringresonator
in der Grundmode TEM00 ergibt.
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Ein
brechendes Element B befindet sich in einer Mittenebene zwischen
den Spiegeln M1, M2, sodass sich die Form eines gleichschenkligen
Dreiecks ausbildet, in der das brechende Element B sich mittig über der durch
die beiden Spiegel M1, M2 gebildeten Basis des Dreiecks befindet.
Da die Spiegel M1, M2 in ihrer Winkelstellung fest und symmetrisch
zur Mittenebene montiert sind, entsteht an beiden Spiegeln ein Ablenkwinkel φ. Daraus
ergibt sich ein auf das brechende Element B einfallender Strahl,
der im justierten Zustand durch den Brechungsindex des brechenden
Elements B parallel zu dem auf der Basis des Dreiecks zwischen den
Spiegeln M1 und M2 verlaufenden Strahl verläuft.
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Das
brechende Element ist erfindungsgemäß aus zwei Teilelementen B1,
B2 gebildet. Die Teilelemente B1 und B2 üben Teilbrechungen aus, die
in dieselbe Richtung gerichtet sind und sich somit zu der Gesamtbrechung
des brechenden Elements B addieren. Die Teilelemente B1, B2 weisen
zwei zueinander planparallele Grenzflächen G1, G2 auf, die senkrecht
auf der Laserstrahlrichtung stehen, sodass sich ihre Flächennormale
in Laserstrahlrichtung befindet. Zur Vermeidung von Rückreflexen
ist eine geringfügige
Abweichung (in der Größenordnung
einiger Milliradian) sinnvoll.
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Die
Teilelemente bilden ferner eine Eintrittsfläche E und eine Austrittsfläche A, die
schräg
zum einfallenden Strahl und zum aus dem brechenden Element B austretenden
Strahl stehen. Die Eintrittsfläche
E und die Austrittsfläche
A schließen
ferner mit den parallelen Grenzflächen G1 und G2 jeweils einen
gleichen Winkel α ein.
Die Teilelemente B1, B2 bestehen ferner aus einem gleichen optischen
Material mit dem Brechungsindex n. Die Wahl der Winkel φ bei dem
hier dargestellten symmetrischen Aufbau des Ringresonators ergibt
sich daraus, dass der Laserstrahl auf die Eintrittsfläche E im
Brewster-Winkel eintreten sollte und im Brewster-Winkel aus der
Austrittsfläche
A wieder austreten sollte. Die Einhaltung der Brewster-Bedingung
(tan(α)
= 1/n bzw. tan(φ)
= (n2 – 1)/2n)
hat bekanntlich eine verlustoptimierte Ablenkung durch das brechende
Element E zur Folge. Hierzu dient auch die Ausrichtung der parallelen
Grenzflächen
G1 und G2 senkrecht zur Laserstrahlrichtung zwischen den Teilelementen
B1, B2.
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Die
beiden zueinander parallel und mit Abstand voneinander angeordneten
Grenzflächen
G1 und G2 können
eine den Reflektionsgrad verändernde
Beschichtung aufweisen, um geeignete teilreflektierende Spiegel
auszubilden, sodass die beiden Grenzflächen G1, G2 mit dem Luftraum
zwischen ihnen ein Etalon bilden, das im Laserresonator eine frequenzbestimmende
Funktion ausübt.
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Der
Abstand zwischen den Grenzflächen
G1 und G2 ist mit einer Stelleinrichtung S unter strenger Beibehaltung
der Parallelität
zwischen den Grenzflächen
G1 und G2 veränderbar,
wobei die Stelleinrichtung beispielsweise durch einen Piezokristall
gebildet ist, der eine Steuerspannung in eine Längenänderung umsetzt. Zur Anpassung
des brechenden Elements B an die Resonatorbedingung, beispielsweise
bei geänderten
Wellenlängen,
ist das brechende Element B senkrecht zu der Strahlrichtung zwischen
den Grenzflächen
G1, G2 translatorisch mit einer Verschiebereinrichtung R bewegbar,
um die resultierende Resonator-Weglänge der betreffenden Wellenlänge anzupassen.
Bei dieser Bewegung wird der eingestellte Abstand zwischen den Grenzflächen G1
und G2 ebenso beibehalten, wie die Winkelstellung der Eintrittsfläche E und
der Austrittsfläche
A zu dem auf diese Flächen
auftreffenden bzw. austretenden Laserstrahl.
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Es
ist erkennbar, dass mit dem klargestellten brechenden Element B
sowohl die in einem Ringresonator benötigte Umlenkfunktion aufgrund
des Brechungsindex als auch die frequenzselektierende Funktion eines Etalons
ausgeübt
wird.
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2 verdeutlicht
eine Anordnung eines Laserresonators, bei dem die beiden Spiegel
M1, M2 den ankommenden Strahl in sich selbst zurückreflektieren, sodass sich
ein einfacher Resonator zwischen den beiden Spiegeln M1, M2 ergibt,
der kein Ringresonator ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist aufgezeigt, dass der Aufbau des Resonators nicht symmetrisch
sein muss. In dem in 2 dargestellten Fall bestehen die
Teilelemente B1' und
B2' aus unterschiedlichen
Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes nB1, nB2. Aus dem Brechungsgesetz ergilbt sich
für die
Teilelemente sin(α1 + φ1) = nB2·sin α1bzw. sin(α2
+ φ2) =
nB1·sin α2.
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Die
Einfallswinkel, die durch die Ablenkwinkel φ1 und φ2 an der Einfallsfläche E und
der Austrittsfläche A
charakterisiert sind, entsprechen der Brewster-Bedingung für die jeweilige
Brechzahl der Teilelemente B1', B2'
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Damit
die Grenzflächen
G1 und G2 in erfindungsgemäßer Weise
parallel zueinander verlaufen und ein Etalon bilden, sind die Prismenwinkel α1 und α2 entsprechend
unterschiedlich. Die Anordnung ist so gewählt, dass der Laserstrahl auch
hier senkrecht zu den Grenzflächen
G1, G2 verläuft.
