DE102010064147B4

DE102010064147B4 - Bandleiter-Laserverstärker und Laseranordnung mit einem Bandleiter-Laserverstärker

Info

Publication number: DE102010064147B4
Application number: DE201010064147
Authority: DE
Inventors: Dr. Hage Hermann; Jörg Porath
Original assignee: Rofin Sinar Laser GmbH
Current assignee: Rofin Sinar Laser GmbH
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: DE102010064147A1; WO2012084425A1

Abstract

Bandleiter-Laserverstärker mit einer Mehrzahl übereinander gestapelt angeordneter flächenhaft ausgedehnter und mit ihren Flachseiten einander gegenüberliegender Elektroden (4a–c), zwischen denen jeweils ein schmaler Entladungsraum (6a, b) gebildet ist, in dem sich ein Kohlendioxid CO2 enthaltendes Lasergas befindet, wobei an den Stirnseiten (8a, b) jedes Entladungsraumes (6a, b) jeweils ein Faltspiegel (10a, b) angeordnet ist und die Entladungsräume (6a, b) mit einer Koppelspiegelanordnung (12) optisch hintereinander geschaltet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bandleiter-Laserverstärker sowie eine Laseranordnung mit einem Bandleiter-Laserverstärker.
Die Extraktion hoher Leistungen aus einem Laseroszillator ist aufgrund der damit einhergehenden Größenzunahme des Laseroszillators mit einer Vielzahl von Einschränkungen, beispielsweise hinsichtlich der Strahlqualität, der Strahlstabilität und der Pulslänge verknüpft, wobei in der Regel die minimal erzielbare Pulslänge mit wachsender Ausgangsleistung zunimmt. Um eine hohe Laserleistung bei zugleich guter Strahlqualität, hoher Stabilität der optischen Eigenschaften und möglichst kurzer Pulslänge zu erzielen, ist es bekannt, einen Laserstrahl mit einem relativ kleinen Laseroszillator und entsprechend niedriger Ausgangsleistung zu erzeugen und diesen mit Hilfe eines oder mehrerer in Reihe geschalteter Laserverstärker zu verstärken.
Bei einem Bandleiter- oder Slab-Laseroszillator handelt es sich um einen beispielsweise aus der EP 0305893 A2 oder der US 4 719 639 A bekannten Laseroszillator, dessen Resonator eine Kombination aus einem Wellenleiter-Resonator und einem instabilen Resonator des positiven oder negativen Zweiges ist. Bei einem solchen Bandleiter-Laseroszillator befindet sich ein Kohlendioxid CO₂ enthaltendes Gasgemisch in einem zwischen zwei flachen plattenförmigen Elektroden gebildeten schmalen Entladungsraum. Durch Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes wird das zwischen den Elektroden befindliche Gasgemisch angeregt. Gegenüber den Stirnflächen des auf diese Weise gebildeten schmalen quaderförmigen Entladungsraumes ist jeweils ein Resonatorspiegel angeordnet. Die Resonatorspiegel bilden in einer Richtung parallel zur Schmalseite des Entladungsraumes einen instabilen konfokalen Resonator mit freier Strahlpropagation. Quer zu dieser Richtung werden die Ausbreitungsbedingungen der innerhalb des Entladungsraums entstehenden elektromagnetischen Strahlung durch die Wellenleitereigenschaften der Elektroden festgelegt.
Ein derart geformter Entladungsraum kann auch als Laserverstärker eingesetzt werden, wenn an den Stirnseiten des Entladungsraumes anstelle von Resonatorspiegeln Faltspiegel angeordnet werden, die einen am Rand des Entladungsraumes parallel zur Längsseite in den Entladungsraum eintretenden Laserstrahl zickzackförmig ablenken, so dass dieser mehrfach den Entladungsraum durchquert und dabei eine Verstärkung erfährt. Eine Laseranordnung, bei der einem Laseroszillator ein Bandleiter-Laserverstärker nachgeschaltet ist, ist beispielsweise aus der DE 10 2009 024 360 A1 bekannt. Bandleiterlaser oder Wellenleiterlaser mit einer Faltspiegelanordnung sind beispielsweise auch aus der US 2008/0 205 475 A1 bzw. der US 5 684 821 A bekannt.
Zum Erzielen einer hohen Verstärkung mit einem Bandleiter-Laserverstärker ist es grundsätzlich möglich, die Elektrodenfläche entsprechend zu vergrößern. Einer Vergrößerung der Elektrodenflächen ist jedoch nur bedingt möglich, da die Herstellung sehr großer Elektroden mit der hinsichtlich ihrer Planizität erforderlichen Genauigkeit an fertigungstechnische Grenzen stößt. Darüber hinaus führt eine derartige Skalierung zu einem Laseraufbau mit in der Praxis unerwünschten Längs- oder Querausdehnungen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, einen Bandleiter-Laserverstärker anzugeben, mit dem bei kompaktem Aufbau eine hohe Verstärkung erzielt werden kann. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Laseranordnung mit einem Bandleiter-Laserverstärker anzugeben, mit der es möglich ist, bei ebenfalls kompaktem Aufbau eine hohe Leistung zu erzielen.
Hinsichtlich des Bandleiter-Laserverstärkers wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patenanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen umfasst der Bandleiter-Laserverstärker eine Mehrzahl übereinander gestapelt angeordneter flächenhaft ausgedehnter und mit ihren Flachseiten einander gegenüberliegender Elektroden, zwischen denen jeweils ein schmaler Entladungsraum gebildet ist, in dem sich ein Kohlendioxid CO₂ enthaltendes Lasergas befindet. An den Stirnseiten jedes Entladungsraumes ist jeweils ein Faltspiegel angeordnet und die Entladungsräume sind mit einer Koppelspiegelanordnung optisch hintereinander geschaltet.
Durch eine derartige Serienschaltung übereinander gestapelt angeordneter schmaler Entladungsräume kann bei kompaktem Aufbau des Bandleiter-Laserverstärkers entsprechend der Anzahl der übereinander gestapelten Entladungsräume eine hohe Verstärkung mit technologisch beherrschbaren Elektrodenflächen erzielt werden. So muss ein den Resonator umgebendes Vakuumgefäß nur geringfügig in seiner Bauhöhe entsprechend der Anzahl der im Stapel übereinander angeordneten Elektroden vergrößert werden. Darüber hinaus muss der zur Aufnahme des Resonators notwendige Unterbau nicht vergrößert werden, wie es bei nebeneinander oder hintereinander angeordneten Laserverstärkern der Fall wäre.
Ein besonders kompakter Aufbau wird erzielt, wenn einander benachbarte Entladungsräume durch eine gemeinsame Elektrode voneinander räumlich getrennt sind. Ein weiterer Vorteil einer solchen Anordnung besteht außerdem darin, dass die zwischenliegenden Elektroden eine symmetrische thermische Belastung erfahren, d. h. beide Flachseiten in gleicher Weise thermisch belastet werden, so dass eine durch unterschiedliche thermische Belastung verursachte Verbiegung dieser Elektroden nicht mehr auftreten kann.
Als Faltspiegel sind insbesondere Planspiegel vorgesehen, deren Spiegelflächen vorzugsweise leicht geneigt, d. h. schräg zueinander angeordnet sind, um eine optische Rückkopplung auszuschließen und um sicherzustellen, dass der sich zwischen den Faltspiegeln ausbreitende Laserstrahl nicht in sich selbst zurückreflektiert wird.
Hinsichtlich der Laseranordnung wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 4. Gemäß diesen Merkmalen enthält die Laseranordnung einen ersten und wenigstens einen zweiten jeweils zwischen zwei übereinander gestapelt angeordneten flächenhaft ausgedehnten und mit ihren Flachseiten einander gegenüberliegenden Elektroden gebildeten schmalen Entladungsraum, in dem sich ein Kohlendioxid CO₂ enthaltendes Lasergas befindet. An den Stirnseiten eines ersten Entladungsraumes ist jeweils ein Resonatorspiegel angeordnet, die einen instabilen Resonator in einer parallel zu den Flachseiten orientierten Richtung bilden, wobei an den Stirnseiten des zumindest einen zweiten Entladungsraumes jeweils ein Faltspiegel angeordnet ist und erster und zweiter Entladungsraum mit einer Koppelspiegelanordnung optisch miteinander gekoppelt sind. Mit anderen Worten: Der erste Entladungsraum bildet gemeinsam mit den Resonatorspiegeln einen Bandleiter-Laseroszillator, während der zumindest eine darüber angeordnete zweite Entladungsraum als Bandleiter-Laserverstärker genutzt wird.
Auf diese Weise ist es möglich, eine Laseranordnung herzustellen, die bei kompaktem Aufbau und mit technologisch beherrschbaren Elektrodenflächen einen Laserstrahl mit hoher Leistung erzeugt.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele verwiesen. Es zeigen:
1 einen Bandleiter-Laserverstärker gemäß der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht,
2 und 3 jeweils einen parallel zu den Elektrodenflächen verlaufenden Querschnitt durch den Bandleiter-Laserverstärker gemäß 1 in verschiedenen Schnittebenen,
4 eine Laseranordnung gemäß der Erfindung ebenfalls in einer schematischen Ansicht auf die Längsseite,
5 die in 4 dargestellte Laseranordnung in einem Querschnitt parallel zu den Elektrodenflächen.
Gemäß 1 sind bei einem Bandleiter-Laserverstärker gemäß der Erfindung auf einem gemeinsamen Unterbau 2 drei Elektroden 4a, 4b und 4c übereinander in einem Stapel angeordnet. Zwischen den Elektroden 4a und 4b und zwischen den Elektroden 4b und 4c ist jeweils ein schmaler Entladungsraum 6a bzw. 6b gebildet, in dem sich ein Kohlendioxid CO₂ enthaltendes Lasergas befindet. In den Entladungsraum 6a wird an einer Stirnfläche 8a ein Laserstrahl LS_in eingekoppelt, der von einem in der Figur nicht dargestellten externen Laseroszillator erzeugt wird und sich parallel zur Längsseite des Entladungsraumes 6a ausbreitet.
Gegenüber den Stirnseiten 8a des Entladungsraumes 6a sind Faltspiegel 10a angeordnet, die den sich innerhalb des Entladungsraumes 6a ausbreitenden und an den Stirnseiten 8a austretenden Laserstrahl LS in den jeweiligen Entladungsraum 6a bzw. b zurückreflektieren, so dass dieser den Entladungsraum 6a zwischen den einander gegenüberliegenden Faltspiegeln 10a mehrfach zickzackförmig durchläuft und bei jedem Durchlauf verstärkt wird, bis er an einem seitlichen Rand aus dem Entladungsraum 6a austritt und auf eine Koppelspiegelanordnung 12 trifft, die den Laserstrahl LS in den darüber liegenden Entladungsraum 6b eingekoppelt, den er zwischen gegenüber den Stirnseiten 8b dieses Entladungsraumes 6b angeordneten Faltspiegeln 10b ebenfalls mehrfach durchquert bis er aus dem Entladungsraum 6b als austretender verstärkter Laserstrahl LS_out ausgekoppelt wird. Die beiden übereinander angeordneten Entladungsräume 6a, b sind dementsprechend durch die Koppelspiegelanordnung 12 optisch hintereinander geschaltet.
Im Ausführungsbeispiel der Figur sind zwei Entladungsräume 6a, b übereinander angeordnet. Grundsätzlich können jedoch mehrere solcher Entladungsräume übereinander angeordnet werden.
2 veranschaulicht den zickzackförmigen Verlauf des in den Entladungsraum 6a eingekoppelten Laserstrahls LS_in. Hierzu sind im Ausführungsbeispiel die Spiegelflächen beider Faltspiegel 10a schräg zu einer in Längsrichtung parallel zu den Flachseiten der Elektroden 4a, b verlaufenden Systemachse 14 angeordnet. Grundsätzlich kann aber auch die Spiegelfläche eines der beiden Faltspiegel 10a senkrecht zu dieser Systemachse 14 angeordnet sein. Wesentlich ist nur, dass die Spiegelflächen der beiden Faltspiegel 10a nicht parallel zueinander sondern leicht geneigt gegeneinander bzw. schräg zueinander angeordnet sind.
Nach mehrfachem Durchqueren des Entladungsraumes 6a wird der austretende Laserstrahl LS von der Koppelspiegelanordnung 12 in den darüber liegenden Entladungsraum 6b eingekoppelt, den er, wie dies in 3 dargestellt ist ebenfalls mehrfach zickzackförmig zwischen den ebenfalls schräggestellten Faltspiegeln 10b durchläuft bis er ebenfalls am Rand einer der Stirnflächen austritt.
Gemäß 4 sind bei einer Laseranordnung ebenfalls drei Elektroden 4a, b, c in einem Stapel übereinander angeordnet, so dass ein erster Entladungsraum 6a und ein zweiter Entladungsraum 6b gebildet werden, die übereinander angeordnet sind. Abweichend zu dem in 1–3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind jedoch gegenüber den Stirnflächen 8a des ersten Entladungsraums 6a Resonatorspiegel 20 angeordnet, so dass ein Bandleiter-Laseroszillator gebildet wird. Der in diesem Bandleiter-Laseroszillator erzeugte Laserstrahl LS wird aus dem auf diese Weise gebildeten instabilen Resonator ausgekoppelt und über die Koppelspiegelanordnung 12 in den darüber liegenden Entladungsraum 6b eingekoppelt, an dessen Stirnseiten 8b jeweils Faltspiegel 10b angeordnet sind, so dass der in den Entladungsraum 6b eingekoppelte Laserstrahl LS diesen mehrfach zickzackförmig durchquert und dabei verstärkt wird. Mit anderen Worten: In dem in 4 dargestellten Aufbau sind Laseroszillator und Bandleiter-Laserverstärker in einem Stapel integriert, wobei als Laseroszillator ebenfalls ein Bandleiter-Laseroszillator vorgesehen ist, bei dem es sich im Ausführungsbeispiel um einen Negativzweig-Resonator mit innen liegendem Fokus F handelt, wie dies durch den in 5 dargestellten Strahlengang und den konkaven Resonatorspiegeln 20 veranschaulicht ist. Auch in diesem Ausführungsbeispiel können über dem Bandleiter-Laseroszillator mehrere Bandleiter-Laserverstärker in einem Stapel angeordnet werden.
Alternativ zu den in den Ausführungsbeispielen dargestellten ebenen Faltspiegeln können auch Faltspiegel mit leicht konkav oder konvex gekrümmten Spiegelflächen vorgesehen sein.

Claims

Bandleiter-Laserverstärker mit einer Mehrzahl übereinander gestapelt angeordneter flächenhaft ausgedehnter und mit ihren Flachseiten einander gegenüberliegender Elektroden (4a–c), zwischen denen jeweils ein schmaler Entladungsraum (6a, b) gebildet ist, in dem sich ein Kohlendioxid CO₂ enthaltendes Lasergas befindet, wobei an den Stirnseiten (8a, b) jedes Entladungsraumes (6a, b) jeweils ein Faltspiegel (10a, b) angeordnet ist und die Entladungsräume (6a, b) mit einer Koppelspiegelanordnung (12) optisch hintereinander geschaltet sind.
Bandleiter-Laserverstärker nach Anspruch 1, bei dem einander benachbarte Entladungsräume (6a, b) durch eine gemeinsame Elektrode (4b) voneinander räumlich getrennt sind.
Bandleiter-Laserverstärker nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Faltspiegel (10a, b) ebene Spiegelflächen aufweisen, die schräg zueinander angeordnet sind.
Laseranordnung mit einem Bandleiter-Laserverstärker mit einem ersten und wenigstens einem zweiten jeweils zwischen zwei übereinander gestapelt angeordneten flächenhaft ausgedehnten und mit ihren Flachseiten einander gegenüberliegenden Elektroden (4a–c) gebildeten schmalen Entladungsraum (6a, b), in denen sich ein Kohlendioxid CO₂ enthaltendes Lasergas (LG) befindet, wobei an den Stirnseiten (8a) des ersten Entladungsraums (6a) jeweils ein Resonatorspiegel (20) angeordnet ist, die einen instabilen Resonator in einer parallel zu den Flachseiten orientierten Richtung bilden, und an den Stirnseiten (8b) des zweiten Entladungsraumes (6b) jeweils ein Faltspiegel (10b) angeordnet ist, wobei erster und zweiter Entladungsraum (6a, 6b) bzw. zweite Entladungsräume (6b) mit einer Koppelspiegelanordnung (12) optisch hintereinander geschaltet sind.
Laseranordnung nach Anspruch 4, bei der einander benachbarte Entladungsräume (6a, 6b) durch eine gemeinsame Elektrode (4b) voneinander räumlich getrennt sind.