DE102011003147B3

DE102011003147B3 - Bandleiterlaser

Info

Publication number: DE102011003147B3
Application number: DE102011003147A
Authority: DE
Inventors: Florian Engel; Stefan Ruppik; Volker Scholz; Hermann Hage
Original assignee: Rofin Sinar Laser GmbH
Current assignee: Rofin Sinar Laser GmbH
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2031-01-27
Also published as: JP5719038B2; WO2012100866A1; US8913642B2; EP2668701A1; JP2014504028A; US20130308673A1

Abstract

Bei einem Bandleiterlaser befindet sich ein Kohlendioxid CO2 enthaltenden Gasgemisch als laseraktives Medium in einem Entladungsraum (10), der zwischen zwei einander mit ihren Flachseiten gegenüberliegenden plattenförmigen metallischen Elektroden (6, 8) gebildet ist. An den einander gegenüberliegenden Stirnseiten (12, 14) des Entladungsraumes ist jeweils ein Resonatorspiegel (16, 18) angeordnet, die parallel zu den Flachseiten einen instabilen Resonator bilden. Zumindest eine der einander zugewandten Flachseiten ist entweder auf der gesamten Flachseite (2, 4) mit einer dielektrischen Schicht (20) versehen, deren Dicke auf zumindest einer Teilfläche (21) größer ist als im restlichen Bereich (22) der Flachseite (2, 4) oder die zumindest eine Flachseite (2, 4) ist ausschließlich auf zumindest einer Teilfläche (21) mit einer dielektrischen Schicht (20) versehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bandleiterlaser, wie er beispielsweise aus der EP 0 305 893 A2 oder der US 4,719,639 A bekannt ist.
Bei einem solchen Bandleiter- oder Slablaser handelt es sich um einen Laser, dessen Resonator eine Kombination aus einem Wellenleiter-Resonator und einem instabilen Resonator des positiven oder negativen Zweiges ist. Bei einem solchen Bandleiterlaser 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. Gegenuber den Stirnflachen 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 Entladungsraumes entstehenden elektromagnetischen Strahlung durch die Wellenleitereigenschaften der Elektroden festgelegt.
In einem solchen Laser ist die Strahlverteilung in Richtung der instabilen Achse, d. h. parallel zu den Elektroden und zur Stirnflache des Entladungsraumes im Wesentlichen durch die Geometrie der Resonatorspiegel festgelegt. In der zur instabilen Achse senkrechten Wellenleiterachse haben die Oberflächen der Elektroden als begrenzende Wand des Wellenleiters entscheidenden Einfluss auf die Ausbildung der Strahlverteilung in dieser Richtung. Die Eigenschaften der Oberfläche, d. h. ihre Rauheit und der Werkstoff aus dem sie bestehen, sowie ihr gegenseitiger Abstand bestimmen, welcher Resonatormode die günstigsten Ausbreitungsbedingungen vorfindet.
Die Elektroden bestehen aus Metall oder einem dielektrischen Material. In der US 4,719,639 A ist als geeigneter Werkstoff für die Elektroden ein elektrisch leitfähiges Metall, beispielsweise Aluminium, oder ein Dielektrikum, beispielsweise Aluminiumoxid Al₂O₃, genannt, wobei im letzteren Fall auf der dem Entladungsraum abgewandten Seite ein elektrisch leitfähiges Metall angeordnet werden muss.
Auch aus der EP 0 444 442 A2 ist es bekannt, die aus Aluminium bestehenden Elektroden an ihren dem Entladungsraum zugewandten Oberflächen mit einer aus Aluminiumoxid Al₂O₃ bestehenden Schicht zu versehen, die zur Dämpfung höherer Wellenleitermoden dient. Die Aufbringung einer hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften genau reproduzierbaren und definierten Dämpfungsschicht gestaltet sich jedoch für Bandleiterlaser im Multikilowatt-Bereich mit ausgedehnten Elektrodenflächen als sehr problematisch.
Der Einfluss einer dielektrischen Beschichtung der dem Entladungsraum zugewandten Oberflächen der Elektroden auf die Dämpfung der sich in einem von den Elektroden begrenzten Hohlraum ausbreitenden Wellenleitermoden ist auch für konventionelle Wellenleiterlaser beispielsweise aus der US 4,875,218 bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Bandleiterlaser mit metallischen Elektroden anzugeben, bei dem die vorstehend genannten Probleme weitgehend vermieden sind.
Die genannte Aufgabe wird gemaß der Erfindung gelöst mit einem Bandleiterlaser mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen befindet sich bei einem Bandleiterlaser als laseraktives Medium ein Kohlendioxid CO₂ enthaltendes Gasgemisch zwischen zwei einander mit ihren Flachseiten gegenuberliegenden plattenförmigen metallischen Elektroden, die einen Entladungsraum festlegen. An den einander gegenüber liegenden Stirnseiten des Entladungsraumes ist jeweils ein Resonatorspiegel angeordnet, die parallel zu den Flachseiten einen instabilen Resonator bilden. Zumindest eine der einander zugewandten Flachseiten ist entweder ausschließlich auf zumindest einer Teilfläche mit einer dielektrischen Schicht oder auf der gesamten Flachseite mit einer dielektrischen Schicht versehen, wobei in diesem Fall die Dicke der dielektrischen Schicht auf zumindest einer Teilfläche größer ist als im restlichen Bereich der Flachseite.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass es zur Unterdrückung unerwünschter Moden grundsätzlich ausreicht, nur einen Teil zumindest einer der einander zugewandten Flachseiten, d. h. nicht die gesamte Flachseite einer der Elektroden mit einer dicken dielektrischen Schicht zu versehen, wenn deren Schichtdicke größer ist als die Dicke, die fur eine dieselbe Dampfung bewirkende dielektrische Schicht erforderlich wäre, die auf der gesamten Flachseite aufgebracht ist. Dementsprechend ist es ausreichend, nur eine Teilfläche mit einer dielektrischen Schicht zu versehen, die aufgrund der geringeren Flächenausdehnung dieser Teilfläche einfacher und genauer reproduzierbar auf die Elektrode aufgebracht werden kann. Dies kann entweder dadurch geschehen, dass ausschließlich eine Teilfläche mit einer dielektrischen Schicht versehen wird, d. h. dass der restliche Bereich der Flachseite nicht beschichtet wird. Insbesondere im Hochleistungsbereich ist es aber zur Vermeidung von Überschlägen zwischen den Elektroden erforderlich, auf der gesamten Flachseite eine dielektrische Beschichtung vorzusehen. Dabei hat sich gezeigt, dass es hierzu ausreicht, die Flachseite mit einer dielektrischen Schicht zu beschichten, deren Dicke kleiner ist als die Dicke der Schicht, die für eine effektive Unterdrückung höherer Moden erforderlich wäre. Gemäß der Erfindung ist deshalb in diesem Fall vorgesehen, die dielektrische Schicht nur auf einer Teilfläche dicker zu machen als im restlichen Bereich der Flachseite.
Unter dem Begriff „Teilfläche” ist dementsprechend für die vorliegende Anmeldung entweder ein Flächenbereich zu verstehen, in dem die dielektrische Schicht dicker ist als in den übrigen Bereichen der Flachseite, oder aber ein Flächenbereich zu verstehen, der als einziger Bereich der Flachseite eine dielektrische Schicht aufweist.
In der Praxis hat sich als geeignete Schichtdicke für diese Teilflächen etwa 3 bis 7 μm herausgestellt, während der restliche Bereich entweder nicht beschichtet ist oder aber für Hochleistungslaser mit einer Ausgangsleistung im kW-Bereich mit einer Schicht versehen ist, deren Schichtdicke höchstens 2 μm beträgt. Als dielektrische Schicht ist vorzugsweise Aluminiumoxid Al₂O₃ oder Siliciumdioxid SiO₂ vorgesehen.
Die in den Unteransprüchen angegebenen vorteilhaften Ausführungsformen beruhen dabei auf der zusätzlichen Überlegung, dass es auf den einander zugewandten Flachseiten der Elektroden Bereiche bzw. Teilflächen gibt, die zwar nur einen Teil der gesamten Flache einnehmen, aber dennoch einen großeren Beitrag zur Dämpfung unerwünschter Wellenleitermoden leisten als andere Bereiche der Flachseiten.
Wenn als Resonator ein konfokaler Negativzweig-Resonator mit einem innerhalb des Entladungsraumes befindlichen Fokus vorgesehen ist, deckt die zumindest eine Teilflache den Fokus ab, so dass sich dieser innerhalb der zumindest einen Teilfläche befindet.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele verwiesen. Es zeigen:
1 einen Bandleiter- oder Slablaser in einer schematischen Draufsicht, bei dem die mit einer dielektrischen Schicht versehene Teilfläche der zumindest einen Elektrode durch Schraffur hervorgehoben ist,
2 einen Querschnitt parallel zur Stirnseite der Elektroden ebenfalls in einer schematischen Prinzipdarstellung,
3 bis 8 weitere Ausführungsformen eines Bandleiterlasers gemäß der Erfindung jeweils in einer schematischen Draufsicht, mit ebenfalls durch Schraffur hervorgehobenen beschichteten Teilflachen.
Gemäß 1 und 2 umfasst ein Bandleiter- bzw. Slablaser gemäß der Erfindung zwei einander mit ihren Flachseiten 2, 4 gegenüberliegende plattenförmige metallische Elektroden 6, 8, die einen in eine Längsrichtung 9 ausgedehnten Entladungsraum 10 festlegen, in dem sich ein Kohlendioxid CO₂ enthaltendes Gasgemisch als laseraktives Medium befindet. An den einander gegenüberliegenden Stirnseiten 12, 14 des Entladungsraumes 10 ist jeweils ein Resonatorspiegel 16, 18 angeordnet. Die beiden Resonatorspiegel 16, 18 bilden in einer parallel zu den Flachseiten der Elektroden 6, 8 orientierten Ebene einen instabilen Resonator. Im dargestellten Beispiel handelt es sich um einen konfokalen instabilen Resonator des positiven Zweiges, dessen Fokus sich außerhalb des Resonators, d. h. außerhalb des von den Resonatorspiegeln 16, 18 festgelegten Raumes auf der in der Figur eingetragenen und parallel zur Langsrichtung verlaufenden Resonatorachse 19 befindet. Der sich zwischen den Resonatorspiegeln 16, 18 ausbreitende Laserstrahl LS wird am seitlichen Rand einer der Stirnflächen, im Beispiel die Stirnfläche 14, ausgekoppelt.
Die Elektroden 6, 8 sind auf ihren einander zugewandten Flachseiten 2, 4 mit einer dielektrischen Schicht 20 versehen, die auf einer in 1 durch Schraffur hervorgehobenen Teilfläche 21 dicker ist als im übrigen Bereich 22 und sich am seitlichen Auskoppelrand 23, d. h. im Bereich der Längsseite der Elektroden 6, 8 befindet, an der der Laserstrahl LS parallel zur Langsrichtung 9 aus dem Entladungsraum 10 austritt, und sich auf der gesamten Lange zwischen den einander gegenüberliegenden Stirnseiten 12 bzw. 14 erstreckt. Im Beispiel hat die Teilfläche 21 eine rechteckige Gestalt und ihre Breite b entspricht etwa der Breite des ausgekoppelten Laserstrahls LS.
Im Ausführungsbeispiel sind beide Elektroden 6, 8 auf ihrer gesamten Flache jeweils mit einer solchen dielektrischen Schicht 20 versehen und beide Elektroden 6, 8 weisen eine Teilfläche 21 auf, in der die Beschichtung dicker ist als im übrigen Bereich 22. Grundsätzlich ist auch eine Ausführungs- form möglich, bei der nur die Teilfläche 21 einer oder die Teilflächen beider Elektroden beschichtet sind oder bei der beide Elektroden auf ihrer gesamten Flachseite mit einer dielektrischen Schicht 20 versehen sind aber nur eine der Elektroden eine solche dicker beschichtete Teilfläche 20 aufweist.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind zwei konkav gekrümmte Resonatorspiegel 16, 18 vorgesehen, so dass ein konfokaler Resonator des negativen Zweiges gebildet wird, dessen gemeinsamer Fokus F innerhalb des von den Resonatorspiegeln 16, 18 gebildeten Resonators liegt. Bei diesem Fokus F handelt es sich um einen Linienfokus, der sich senkrecht zu den Flachseiten zwischen den Elektroden 6, 8 erstreckt. In einem solchen Resonator breitet sich der Laserstrahl LS hauptsachlich innerhalb eines Gebietes G aus, das von den in der 3 eingezeichneten Randstrahlen 24, 26 begrenzt ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Teilflächen 21 mit einer dickeren dielektrischen Schicht versehen, die sich einander gegenüberliegend jeweils am stirnseitigen Rand der Flachseite befinden. Eine solche Ausführungsform ist auch für den in 1 dargestellten Positivzweig-Resonator geeignet.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel können wiederum beide Elektroden 6, 8 an den jeweils gegenuberliegenden Stirnseiten mit einer solchen dickeren dielektrischen Schicht versehen sein. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann für Bandleiterlaser mit niedrigen Ausgangsleistungen eine Beschichtung ausschließlich in den Teilflächen 21 zumindest einer der Elektroden 6, 8 vorgesehen sein.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 befindet sich bei einem Negativzweig-Resonator die Teilfläche 21 ausschließlich in einer den Fokus F umgebenden innenliegenden, d. h. von den seitlichen Randbereichen der Elektroden 6, 8 beabstandeten Zone.
In den Ausfuhrungsbeispielen gemaß den 5 und 6 sind Teilflächen 21 vorgesehen, die den Fokus F abdecken und sich entweder als in Querrichtung, d. h. parallel zu den Stirnseiten verlaufendes schmales Band bis zu den einander gegenüberliegenden Längsseiten erstrecken (5) oder als in Langsrichtung verlaufendes schmales Band zwischen den einander gegenüberliegenden Stirnseiten angeordnet sind (6).
Im Ausführungsbeispiel gemaß 7 ist die Teilfläche 21 auf die dreieckförmigen Gebiete begrenzt, innerhalb denen sich der Laserstrahl LS innerhalb des Resonators hauptsächlich ausbreitet.
8 zeigt eine Ausfuhrungsform mit einem Positivzweig-Resonator, bei der sich die Teilflächen 21 an dem seitlichen Rand der Elektroden 6, 8 befinden, an dem die Resonatorachse 19 verläuft.
Alternativ zu den in den Ausfuhrungsbeispielen gemäß 1, 2, 3, 5 bis 7 dargestellten, sich jeweils bis zu den Randern der Elektroden erstreckenden Teilflachen können auch grundsatzlich Teilflächen vorgesehen sein, die beabstandet von den Randern sind. Ebenso können topologische Strukturen vorgesehen sein, die von den hauptsächlich dargestellten rechteckigen oder dreieckformigen Formen abweichen. Darüber hinaus können die in den 1, 3 bis 7 und in den 1, 3 und 8 jeweils dargestellten Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden.

Claims

Bandleiterlaser mit einem Kohlendioxid CO₂ enthaltenden Gasgemisch als laseraktives Medium, das sich zwischen zwei einander mit ihren Flachseiten gegenüberliegenden plattenförmigen metallischen Elektroden (6, 8) befindet, die einen Entladungsraum festlegen (10), an dessen einander gegenüberliegenden Stirnseiten (12, 14) jeweils ein Resonatorspiegel (16, 18) angeordnet ist, die parallel zu den Flachseiten einen instabilen Resonator bilden, wobei zumindest eine der einander zugewandten Flachseiten (2, 4) entweder auf der gesamten Flachseite mit einer dielektrischen Schicht (20) versehen ist, deren Dicke auf zumindest einer Teilfläche (21) größer ist als im restlichen Bereich (22) der Flachseite (2, 4), oder die zumindest eine Flachseite (2, 4) ausschließlich auf zumindest einer Teilfläche (21) mit einer dielektrischen Schicht (20) versehen ist.
Bandleiterlaser nach Anspruch 1, bei dem sich die zumindest eine Teilfläche am stirnseitigen Rand der Flachseite befindet.
Bandleiterlaser nach Anspruch 2, bei dem sich die Teilflä- che bis zu den einander gegenüberliegenden Längsseiten der Elektrode erstreckt.
Bandleiterlaser nach Anspruch 1, bei dem sich die zumindest eine Teilfläche an einem Auskoppelrand der Flachseite befin- det.
Bandleiterlaser nach Anspruch 4, bei dem sich die Teilfläche bis zu den einander gegenüberliegenden Stirnseiten er- streckt.
Bandleiterlaser nach Anspruch 1, bei dem der Resonator ein konfokaler Negativzweig-Resonator mit einem innerhalb des Entladungsraums befindlichen Fokus ist, und bei dem der Fokus innerhalb der zumindest einen Teilfläche liegt.
Bandleiterlaser nach Anspruch 6, bei dem die Teilfläche innerhalb der Flachseite angeordnet ist.
Bandleiterlaser nach Anspruch 6, bei dem sich die Teilflä- che bis zu den einander gegenüberliegenden Längsseiten der Elektrode erstreckt.
Bandleiterlaser nach Anspruch 6, bei dem sich die Teilfläche bis zu den einander gegenüberliegenden Stirnseiten erstreckt.