DE102022125537A1 - Mirror arrangement - Google Patents

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DE102022125537A1 DE102022125537.9A DE102022125537A DE102022125537A1 DE 102022125537 A1 DE102022125537 A1 DE 102022125537A1 DE 102022125537 A DE102022125537 A DE 102022125537A DE 102022125537 A1 DE102022125537 A1 DE 102022125537A1
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Martin Weitz
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Rheinische Friedrich Wilhelms Univ Bonn Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Rheinische Friedrich Wilhelms Universitaet Bonn Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spiegelanordnung (10) umfassend wenigstens zwei Spiegel (12, 14), wobei die Spiegel (12, 14) derart zueinander angeordnet sind, dass ein Lichtstrahl (16) mehrfach zwischen den zwei Spiegeln (12, 14) hin und her reflektierbar ist und ein Lasermedium (40) und/oder eine spektroskopisch zu untersuchende Probe (20) in den Lichtstrahl (16) einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Spiegel (12, 14) wenigstens anteilig einen Bereich (18, 34) mit einer strukturierten Oberfläche aufweist derart, dass ein Ein- und/oder Auskoppeln des Lichtstrahles (16) in die Spiegelanordnung (10) über diesen Bereich (18, 34) realisierbar ist und/oder derart, dass der Lichtstrahl (16) in der Spiegelanordnung (10) mehrfach transversal versetzt zueinander umläuft.Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung der obigen Spiegelanordnung (10) als Laserresonator bei einem Laser, als Pumplaserstrahllenkung für einen Scheibenlaser oder als Absorptionszelle bei einem Spurengasspektrometer.The invention relates to a mirror arrangement (10) comprising at least two mirrors (12, 14), wherein the mirrors (12, 14) are arranged in such a way that a light beam (16) can be reflected back and forth between the two mirrors (12, 14) several times and a laser medium (40) and/or a sample (20) to be examined spectroscopically can be introduced into the light beam (16), characterized in that at least one of the mirrors (12, 14) has at least a portion of an area (18, 34) with a structured surface such that coupling and/or decoupling of the light beam (16) into and/or out of the mirror arrangement (10) can be realized via this area (18, 34) and/or such that the light beam (16) circulates in the mirror arrangement (10) several times transversely offset from one another. Furthermore, the invention relates to the use of the above mirror arrangement (10) as a laser resonator in a laser, as Pump laser beam steering for a disk laser or as an absorption cell in a trace gas spectrometer.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spiegelanordnung umfassend wenigstens zwei Spiegel.The invention relates to a mirror arrangement comprising at least two mirrors.

Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung der obigen Spiegelanordnung bei einem Laser, einem Scheibenlaser oder einem Spurengasspektrometer.The invention further relates to the use of the above mirror arrangement in a laser, a disk laser or a trace gas spectrometer.

Spiegelanordnungen umfassend wenigstens zwei Spiegel sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Beispielsweise werden sie bei Laserresonatoren verwendet oder bilden bei der Spurengasanalyse mit Absorptionszellen eine Rolle.Mirror arrangements comprising at least two mirrors are generally known in the prior art. For example, they are used in laser resonators or play a role in trace gas analysis with absorption cells.

Die Leistung von Lasern ist in vielen Fällen durch das Volumen des zur Verstärkung des Lichts im Laserresonator dienenden aktive Medium gegeben, dessen wirksamer Durchmesser durch die Modengröße gegeben ist. Zudem kann es, insbesondere bei Hochleistungslasern dazu kommen, dass sich aufgrund von thermischen Linseneffekten das Brechungsindexprofil im Verstärkungsmedium oder bei Optiken des Lasers verändert. Dies kann zu einer Dejustage des Strahlengangs im Resonator und/oder zu einer Dejustage des Strahlenganges eines Pumplichtstrahles des Lasers führen und damit zu einer Leistungseinbuße und/oder zu einem veränderten Modenprofil der Laseremission führen.In many cases, the power of lasers is determined by the volume of the active medium used to amplify the light in the laser resonator, the effective diameter of which is given by the mode size. In addition, particularly with high-power lasers, it can happen that the refractive index profile in the gain medium or in the laser's optics changes due to thermal lens effects. This can lead to a misalignment of the beam path in the resonator and/or to a misalignment of the beam path of a pump light beam of the laser and thus lead to a loss of power and/or to a changed mode profile of the laser emission.

Bei der Spurengasanalytik ist die vom Licht durch die spektroskopisch zu untersuchende Probe zurückgelegte Weglänge für die Nachweisempfindlichkeit relevant. Problematisch bei der Spurengasanalytik ist allerdings, dass das Ein- und Auskoppeln des Lichtstrahles in die Spiegelanordnung zumeist über eine Bohrung erfolgt, was bedeutet, dass eine mechanische Bearbeitung des Spiegelsubstrats erforderlich ist, um einen Strahlenweg zur Ein- und Aus-kopplung zu ermöglichen. Entsprechen ist der Aufbau komplex und aufwändig.In trace gas analysis, the path length traveled by light through the sample to be examined spectroscopically is relevant for the detection sensitivity. The problem with trace gas analysis, however, is that the light beam is usually coupled in and out of the mirror arrangement via a hole, which means that mechanical processing of the mirror substrate is required in order to enable a beam path for coupling in and out. Accordingly, the structure is complex and time-consuming.

Ausgehend davon ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Spiegelanordnung bereitzustellen, die die Nachteile des Stands der Technik überwindet. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung eine Spiegelanordnung bereitzustellen, die ein einfaches Ein- und Auskoppeln des Lichtstrahles ermöglicht, eine Leistung von Lasern verbessert und/oder eine Empfindlichkeit in der Spurengasanalytik erhöht.Based on this, it is the object of the invention to provide an improved mirror arrangement that overcomes the disadvantages of the prior art. In particular, it is the object of the invention to provide a mirror arrangement which enables the light beam to be coupled in and out easily, improves the performance of lasers and/or increases sensitivity in trace gas analysis.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.This object is achieved by the features of the independent patent claims. Preferred developments can be found in the subclaims.

Die Erfindung betrifft eine Spiegelanordnung umfassend wenigstens zwei Spiegel, wobei die Spiegel derart zueinander angeordnet sind, dass ein Lichtstrahl mehrfach zwischen den zwei Spiegeln hin und her reflektierbar ist und ein Lasermedium und/oder eine spektroskopisch zu untersuchende Probe in den Lichtstrahl einbringbar ist, und wobei wenigstens einer der Spiegel wenigstens anteilig einen Bereich mit einer strukturierten Oberfläche aufweist derart, dass ein Ein- und/oder Auskoppeln des Lichtstrahles in die Spiegelanordnung über diesen Bereich realisierbar ist und/oder derart, dass der Lichtstrahl in der Spiegelanordnung mehrfach transversal versetzt zueinander umläuft.The invention relates to a mirror arrangement comprising at least two mirrors, wherein the mirrors are arranged in relation to one another in such a way that a light beam can be reflected back and forth between the two mirrors several times and a laser medium and/or a sample to be examined spectroscopically can be introduced into the light beam, and wherein at least one of the mirrors has at least a portion of an area with a structured surface in such a way that coupling and/or decoupling of the light beam into and/or out of the mirror arrangement can be realized via this area and/or in such a way that the light beam circulates in the mirror arrangement several times transversely offset from one another.

Die Erfindung betrifft zudem die Verwendung der obigen Spiegelanordnung als Laserresonator bei einem Laser, als Pumplaserstrahllenkung für einen Scheibenlaser oder als Absorptionszelle bei einem Spurengasspektrometer.The invention also relates to the use of the above mirror arrangement as a laser resonator in a laser, as a pump laser beam guide for a disk laser or as an absorption cell in a trace gas spectrometer.

Ein Aspekt der Erfindung ist also, dass wenigsten einer der Spiegel den Bereich mit der strukturierten Oberfläche umfasst. Dieser Bereich wirkt bevorzugt als diffraktives optisches Element zur Strahlformung des Lichtstrahls und ermöglicht derart ein Ein- und/oder Auskoppeln des Lichtstrahles aus der Spiegelanordnung und/oder ein zueinander transversal versetztes mehrfaches Umlaufen des Lichtstrahls in der Spiegelanordnung.One aspect of the invention is therefore that at least one of the mirrors includes the area with the structured surface. This area preferably acts as a diffractive optical element for beam shaping of the light beam and thus enables the light beam to be coupled in and/or out of the mirror arrangement and/or the light beam to rotate multiple times in the mirror arrangement in a transversely offset manner.

Bevorzugt ist der Bereich mit der strukturierten Oberfläche derart ausgestaltet, dass ein Ein- und/oder Auskoppeln des Lichtstrahles in die Spiegelanordnung mittels eines Lichtstrahles realisierbar ist, der nicht parallel zu einer die zwei Spiegel verbindenden Achse ist. In anderen Worten trifft zum Beispiel zum Einkoppeln bevorzugt also ein zu der verbindenden Achse schräg einfallender Lichtstrahl auf den Bereich mit der strukturierten Oberfläche des wenigstens einen Spiegels. Ein zueinander transversal versetztes mehrfaches Umlaufen des Lichtstrahls in der Spiegelanordnung bedeutet zudem bevorzugt, dass der Lichtstrahl die Spiegelanordnung in unterschiedlichen Wegen, die in einer Richtung senkrecht zur Verbindungsachse der zwei Spiegel zueinander versetzt sind, durchläuft. The area with the structured surface is preferably designed in such a way that the light beam can be coupled in and/or out of the mirror arrangement by means of a light beam that is not parallel to an axis connecting the two mirrors. In other words, for coupling purposes, for example, a light beam incident obliquely to the connecting axis preferably hits the area with the structured surface of the at least one mirror. A transversely offset multiple rotation of the light beam in the mirror arrangement also preferably means that the light beam passes through the mirror arrangement in different paths that are offset from one another in a direction perpendicular to the connecting axis of the two mirrors.

Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass der Bereich mit strukturierter Oberfläche Auswölbungen aufweist, also dass die Oberfläche des Spiegels in dem Bereich nicht eben und/oder glatt ist. Dies ermöglicht die Strahlformung des Lichtstrahls, über das damit geschaffene diffraktive optische Element. Bevorzugt ist für eine effiziente diffraktive Strahlformung vorgesehen, dass der Phasenwinkel der Lichtwellen ortsabhängig um einen Wert von 2π variiert werden kann. Dementsprechend weisen die Auswölbungen der Oberfläche des Spiegels bevorzugt maximale Höhen auf, die im Bereich der halben Wellenlänge des Lichtstrahls liegen, da derart bei Rückreflexion ein Gangunterschied von einer ganzen Wellenlänge erreicht werden kann. Insbesondere bei einem Betrieb der Anordnung im sichtbaren oder nahinfraroten optischen Spektralbereich ist entsprechend bevorzugt vorgesehen, dass die Auswölbungen maximale Höhen im Bereich von bis zu 200 nm bis 800 nm aufweisen.It is further preferably provided that the region with a structured surface has bulges, i.e. that the surface of the mirror in the region is not flat and/or smooth. This enables the beam shaping of the light beam via the diffractive optical element created thereby. For efficient diffractive beam shaping, it is preferably provided that the phase angle of the light waves can be varied by a value of 2π depending on the location. Accordingly, the bulges of the surface of the mirror preferably have maximum heights that are in the range of half the wavelength of the light beam, since in this way a path difference of a whole wavelength is created upon back reflection. length can be achieved. In particular when the arrangement is operated in the visible or near-infrared optical spectral range, it is preferably provided that the bulges have maximum heights in the range of up to 200 nm to 800 nm.

Bei der Spurengasanalyse mittels der Spiegelanordnung kann also das Ein- und/oder Auskoppeln des Lichtstrahles durch eine gezielte seitliche Ablenkung nach einer gewünschten Zahl von Umläufen des Lichtstrahles zwischen den Spiegeln mit einem entsprechenden Oberflächenprofil im Bereich mit der strukturierten Oberfläche erfolgen. Anders als beim Stand der Technik ist also keine mechanische Bearbeitung des Spiegelsubstrats erforderlich, um einen Strahlenweg zur Ein- und Auskopplung zu ermöglichen. Entsprechend vereinfacht die Spiegelanordnung den Aufbau beträchtlich.When analyzing trace gases using the mirror arrangement, the coupling and/or decoupling of the light beam can be carried out by a targeted lateral deflection after a desired number of revolutions of the light beam between the mirrors with a corresponding surface profile in the area with the structured surface. Unlike with the prior art, no mechanical processing of the mirror substrate is required to enable a beam path for coupling and decoupling. Accordingly, the mirror arrangement simplifies the structure considerably.

Bei einem Laser kann durch den Bereich mit der strukturierten Oberfläche das wirksame Volumen des aktiven Mediums im Laserresonator mit einem geeignet geformten Oberflächenprofils durch einen Mehrfachdurchgang des Strahls in unterschiedlichen Wegen erhöht werden, wodurch sich die Laserleistung steigern lässt. Zudem lassen sich aufgrund der strukturierten Oberfläche durch thermische Linseneffekte hervorgerufene Abbildungsfehler kompensieren.In a laser, the area with the structured surface can be used to increase the effective volume of the active medium in the laser cavity with a suitably shaped surface profile by multiple passes of the beam in different paths, thereby increasing the laser power. In addition, imaging errors caused by thermal lens effects can be compensated for due to the structured surface.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spiegelanordnung im Bereich zwischen den zwei Spiegeln frei von einer Linse und/oder einem Prisma ist und/oder dass die Spiegelanordnung zum Ein- und/oder Auskoppeln des Lichtstrahles frei von einer Bohrung ist. Es ist also gerade nicht vorgesehen, dass zum Ein- und/oder Auskoppeln des Lichtstrahles und/oder zum Erzeugen des transversalen Versatzes des Lichtstrahls weitere optische Elemente wie insbesondere Linsen und/oder Prismen innerhalb der Spiegelanordnung vorgesehen sind. Entsprechend ist der Aufbau der Spiegelanordnung sehr einfach. Zudem wird das Ein- und/oder Auskoppeln auch nicht durch eine mechanische Bearbeitung des Spiegelsubstrates mittels einer Bohrung ermöglicht, so dass sich der Aufbau kostengünstig realisieren lässt.According to a preferred development of the invention, it is provided that the mirror arrangement in the area between the two mirrors is free of a lens and/or a prism and/or that the mirror arrangement for coupling in and/or out of the light beam is free of a bore. It is therefore not intended that further optical elements such as, in particular, lenses and/or prisms are provided within the mirror arrangement for coupling in and/or out of the light beam and/or for generating the transverse offset of the light beam. Accordingly, the structure of the mirror arrangement is very simple. In addition, coupling in and/or out is not made possible by mechanical processing of the mirror substrate using a hole, so that the structure can be implemented cost-effectively.

Grundsätzlich ist es möglich, den Bereich mit der strukturierten Oberfläche auf unterschiedliche Arten herzustellen, beispielsweise indem auf den unstrukturierten Spiegel zusätzliches Material in einem additiven Verfahren aufgebracht wird. Alternativ oder zusätzlich kann im Rahmen eines subtraktiven Verfahrens Material entfernt werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist allerdings vorgesehen, dass der Bereich mit der strukturierten Oberfläche durch Bestrahlen eines Spiegels mit einer unstrukturierten Oberfläche mit einem fokussierten Heizlaserstrahl erhältlich ist. Es wird also zur Erzeugung der strukturierten Oberfläche gerade kein zusätzliches Material auf den unstrukturierten Spiegel aufgebracht oder Material davon entfernt. Stattdessen werden mittels gezielter Erwärmung Auswölbungen in dem Spiegel erzeugt.In principle, it is possible to produce the area with the structured surface in different ways, for example by applying additional material to the unstructured mirror in an additive process. Alternatively or additionally, material can be removed as part of a subtractive process. According to a further preferred development of the invention, however, it is provided that the area with the structured surface can be obtained by irradiating a mirror with an unstructured surface with a focused heating laser beam. In other words, no additional material is applied to the unstructured mirror or material is removed from it to produce the structured surface. Instead, bulges are produced in the mirror by means of targeted heating.

Durch das Verfahren mittels des Heizlasers lassen sich die Bereiche mit der strukturierten Oberfläche mit einer sehr hohe Beugungseffizienz erzeugen, welche umgerechnet auf die Herstellungsgenauigkeit mit additiven und/oder subtraktiven Verfahren einer Anzahl Stufen von mehr als 2500 entsprechen. Zudem ist das Verfahren besonders einfach anzuwenden, so dass ein auf die gewünschte Anwendung zugeschnittenes Oberflächenprofil einfach erstellbar ist.The process using the heating laser allows the areas with the structured surface to be created with a very high diffraction efficiency, which, when converted to the manufacturing accuracy using additive and/or subtractive processes, corresponds to a number of steps of more than 2500. In addition, the process is particularly easy to use, so that a surface profile tailored to the desired application can be easily created.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Spiegel einen Schichtaufbau mit einem Substrat, einer Absorptionsschicht und einer dielektrischen Schichtstruktur aufweist. Weiter bevorzugt besteht das Substrat aus Quarzglas und/oder die Absorptionsschicht aus amorphem Silizium. Insbesondere die Absorptionsschicht des Spiegels ermöglicht, dass der Bereich mit der strukturierten Oberfläche auf einfache Weise mittels des fokussierten Heizlaserstrahl erhältlich ist. Die Spiegelreflektivität wird durch die zusätzliche Absorptionsschicht grundsätzlich nicht beeinflusst, da sich die für die Spiegelreflektivität verantwortliche Schicht unterhalb der Absorptionsschicht befindet. Weiterthin ist es auch möglich, dass beide oder alle Spiegel der Spiegelanordnung auf diese Weise ausgestaltet sind.According to a further preferred development of the invention, it is provided that the at least one mirror has a layer structure with a substrate, an absorption layer and a dielectric layer structure. More preferably, the substrate consists of quartz glass and/or the absorption layer consists of amorphous silicon. In particular, the absorption layer of the mirror enables the area with the structured surface to be easily accessible using the focused heating laser beam. The mirror reflectivity is fundamentally not influenced by the additional absorption layer, since the layer responsible for the mirror reflectivity is located below the absorption layer. Furthermore, it is also possible for both or all mirrors of the mirror arrangement to be designed in this way.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Spiegel eine Transmission für den Lichtstrahl von T ≤ 10-2, einen Reflexionsgrad für den Lichtstrahl von mehr als 99% aufweist, und/oder nicht als teilreflektierender Auskopplungsspiegel ausgestaltet ist. Da die Ein- und/oder Auskopplung des Lichtstrahles in die Spiegelanordnung über den Bereich mit der strukturierten Oberfläche erfolgt, ist es nicht notwendig einen teilreflektierenden Auskopplungsspiegel in der Spiegelanordnung zu verwenden, so dass die damit bei jedem Umlauf einhergehenden Auskopplungsverluste unterbleiben. Bevorzugt sind beide Spiegel der Spiegelanordnung und/oder alle Spiegel der Spiegelanordnung als für den Lichtstrahl hochreflektive Spiegel mit T ≤ 10-2 und/oder einem Reflexionsgrad von mehr als 99% ausgestaltet. Weiter bevorzugt ist kein Spiegel der Spiegelanordnung als teilreflektierender Auskopplungsspiegel ausgestaltet. Der teilreflektierende Auskoppelspiegel eines üblichen Laseraufbaus kann bevorzugt durch eine Beugung des Lichtstrahls an einem strukturierten Bereich ersetzt werden, im Zuge dessen ein Teil des Lichtstrahls seitlich ausgekoppelt wird und der andere Teil im Resonator verbleibt.According to a further preferred development of the invention, it is provided that the at least one mirror has a transmission for the light beam of T ≤ 10 -2 , a reflection factor for the light beam of more than 99%, and/or is not designed as a partially reflecting output mirror. Since the coupling and/or decoupling of the light beam into and/or out of the mirror arrangement takes place via the area with the structured surface, it is not necessary to use a partially reflecting output mirror in the mirror arrangement, so that the associated output losses with each revolution are avoided. Preferably, both mirrors of the mirror arrangement and/or all mirrors of the mirror arrangement are designed as mirrors that are highly reflective for the light beam with T ≤ 10 -2 and/or a reflection factor of more than 99%. Further preferably, no mirror of the mirror arrangement is designed as a partially reflecting output mirror. The partially reflecting output mirror of a conventional laser structure can preferably be replaced by diffraction of the light beam at a structured area, in As a result, part of the light beam is coupled out to the side and the other part remains in the resonator.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Spiegel als gekrümmter Spiegel ausgestaltet ist, und die Spiegelanordnung derart ausgestaltet ist, dass sich auf dem gekrümmten Spiegel mehrere konzentrisch angeordnete Reflexionsbereiche für den Lichtstrahl ergeben und wenigstens zwei direkt nebeneinanderliegende Reflexionsbereiche als Bereiche mit der strukturierten Oberfläche ausgestaltet sind. Um ein mehrfaches Umlaufen des Lichtstrahles in der Spiegelanordnung zu ermöglichen, sieht eine bevorzugte Weiterbildung also vor, dass der Lichtstrahl in der Spiegelanordnung bezogen auf den gekrümmten Spiegel - der im Folgenden als erster Spiegel bezeichnet wird - kreisförmig umläuft. In anderen Worten wird der Lichtstrahl also bevorzugt jeweils von einem ersten Reflexionsbereich des ersten Spiegels über den zweiten Spiegel der Spiegelanordnung auf den dem ersten Reflexionsbereich benachbarten zweiten Reflexionsbereich gelenkt, wobei sich dieses Muster wiederholt und der Lichtstrahl somit kreisförmig umläuft. Weiter bevorzugt sind zum Ein- und Auskoppeln des Lichtstrahls aus der Spiegelanordnung entsprechend zwei zueinander benachbarte Reflexionsbereiche als Bereiche mit der strukturierten Oberfläche ausgestaltet.According to a further preferred development of the invention, it is provided that the at least one mirror is designed as a curved mirror, and the mirror arrangement is designed in such a way that several concentrically arranged reflection areas for the light beam are formed on the curved mirror and at least two reflection areas directly next to one another are designed as areas with the structured surface. In order to enable the light beam to circulate multiple times in the mirror arrangement, a preferred development provides that the light beam in the mirror arrangement rotates in a circle with respect to the curved mirror - which is referred to below as the first mirror. In other words, the light beam is preferably directed from a first reflection area of the first mirror via the second mirror of the mirror arrangement to the second reflection area adjacent to the first reflection area, with this pattern repeating and the light beam thus rotating in a circle. Further preferably, for coupling the light beam in and out of the mirror arrangement, two adjacent reflection areas are designed as areas with the structured surface.

In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der wenigstens eine Spiegel als gekrümmter Spiegel ausgestaltet ist und die Spiegelanordnung derart ausgestaltet ist, dass sich ein innerer Ring mit mehreren konzentrisch angeordneten Reflexionsbereichen und ein äußerer Ring mit mehreren konzentrisch angeordneten Reflexionsbereichen ergibt, und

  • a) beim äußeren Ring wenigstens vier paarweise direkt nebeneinanderliegende Reflexionsbereiche als Bereiche mit der strukturierten Oberfläche ausgestaltet sind und/oder
  • b) beim inneren Ring wenigstens zwei direkt nebeneinanderliegende Reflexionsbereiche als Bereiche mit der strukturierten Oberfläche ausgestaltet sind.
In this context, according to a further preferred development of the invention, it is provided that the at least one mirror is designed as a curved mirror and the mirror arrangement is designed such that an inner ring with several concentrically arranged reflection areas and an outer ring with several concentrically arranged reflection areas are obtained, and
  • a) in the outer ring, at least four reflection areas lying directly next to each other in pairs are designed as areas with the structured surface and/or
  • b) in the inner ring, at least two reflection regions directly adjacent to one another are designed as regions with the structured surface.

Der Lichtstrahl kann also in mehreren ineinander liegenden Ringen umlaufen. Bevorzugt wird der Lichtstrahl in dieser Weiterbildung in den äußeren Ring über einen ersten Bereich mit strukturierter Oberfläche eingekoppelt, wird mehrfach über zum ersten Bereich benachbarte Reflexionsbereiche mittels des zweiten Spiegels reflektiert, bis der Lichtstrahl den zweiten strukturierten Bereich erreicht, der den Lichtstrahl über den zweiten Spiegel in den inneren Ring weiterleitet. Dort wird der Lichtstrahl wieder bevorzugt jeweils von einem der Reflexionsbereiche über den zweiten Spiegel der Spiegelanordnung auf den dem einen Reflexionsbereich benachbarten Reflexionsbereich gelenkt und läuft derart kreisförmig um, bis er wieder über einen Bereich mit strukturierter Oberfläche in den äußeren Ring umgelenkt wird und daraufhin über einen Bereich mit strukturierter Oberfläche ausgekoppelt wird.The light beam can therefore circulate in several rings lying one inside the other. In this development, the light beam is preferably coupled into the outer ring via a first area with a structured surface, is reflected several times by means of the second mirror via reflection areas adjacent to the first area until the light beam reaches the second structured area, which passes the light beam on via the second mirror into the inner ring. There, the light beam is again preferably directed from one of the reflection areas via the second mirror of the mirror arrangement to the reflection area adjacent to the one reflection area and circulates in a circle until it is again deflected into the outer ring via an area with a structured surface and is then coupled out via an area with a structured surface.

Es sind aber auch andere zu den oben beschriebenen Möglichkeiten vorhanden, um mit der Spiegelanordnung einen mehrfachen Durchgang des Lichtstrahles mit transversalem Versatz in der Spiegelanordnung zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der wenigstens eine Spiegel als planer Spiegel ausgebildet ist und/oder dass der wenigstens eine Spiegel eine zentrische Öffnung umfasst. Bevorzugt ist vorgesehen, dass einer der Spiegel der Spiegelanordnung als planer Spiegel ausgebildet ist und zum Ein- und/oder Auskoppeln den Bereich mit strukturierter Oberfläche umfasst. Weiter bevorzugt ist der zweite Spiegel als gekrümmter Spiegel ausgestaltet, wobei der Fokus des gekrümmten Spiegels innerhalb der Spiegelanordnung liegt. Zudem weist der gekrümmte Spiegel bevorzugt wenigstens zwei direkt nebeneinanderliegende Bereiche mit der strukturierten Oberfläche auf und ermöglicht derart bei Einführung eines reflektiven Elementes in den Fokuspunkt ein kreisförmiges Umlaufen des Lichtstrahles in der Spiegelanordnung. Diese Weiterbildung ist insbesondere für Scheibenlaser von Vorteil, bei denen im Fokuspunkt des gekrümmten Spiegels ein scheibenförmiges Lasermedium mit reflektiver Beschichtung angeordnet ist. Die zentrische Öffnung im Spiegel ermöglicht den Austritt des vom Lasermedium des Scheibenlasers erzeugten Laserstrahl aus der Spiegelanordnung.However, there are also options other than those described above to enable the mirror arrangement to allow the light beam to pass multiple times with a transverse offset in the mirror arrangement. In this context, according to a further preferred development of the invention, it is provided that the at least one mirror is designed as a flat mirror and/or that the at least one mirror comprises a central opening. It is preferably provided that one of the mirrors of the mirror arrangement is designed as a flat mirror and includes the area with a structured surface for coupling in and/or out. More preferably, the second mirror is designed as a curved mirror, with the focus of the curved mirror lying within the mirror arrangement. In addition, the curved mirror preferably has at least two directly adjacent areas with the structured surface and thus enables the light beam to rotate in a circular manner in the mirror arrangement when a reflective element is introduced into the focal point. This development is particularly advantageous for disk lasers in which a disk-shaped laser medium with a reflective coating is arranged in the focal point of the curved mirror. The central opening in the mirror allows the laser beam generated by the laser medium of the disk laser to exit the mirror arrangement.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens einer der zwei Spiegel zur Kompensation von Abbildungsfehlern einen Bereich mit einer strukturierten Oberfläche aufweist. Insbesondere in Zusammenhang mit dem Scheibenlaser kann es zu einem thermischen Linseneffekt kommen, wenn das in der Spiegelanordnung im Fokuspunkt angeordnete aktive Lasermedium im Vergleich zum Rest der Spiegelanordnung wärmer ist und derart verformt oder eine Brechungsindexänderung eintritt. Dies kann zu einer Fehlausrichtung der Spiegelanordnung zum Lasermedium und somit zu abweichenden Lasermodenprofilen und/oder einer Verschiebung der Strahlausrichtung führen. Die zur Kompensation von Abbildungsfehlern vorhandenen Bereiche mit strukturierter Oberfläche ermöglichen es auf einfache Weise den Fokus des Lichtstrahles auch nach Mehrfachdurchgang durch die Spiegelanordnung klein zu halten.According to a further preferred development of the invention, it is provided that at least one of the two mirrors has an area with a structured surface to compensate for imaging errors. Particularly in connection with the disk laser, a thermal lens effect can occur if the active laser medium arranged in the focus point in the mirror arrangement is warmer compared to the rest of the mirror arrangement and is deformed in this way or a change in the refractive index occurs. This can lead to misalignment of the mirror arrangement with the laser medium and thus to different laser mode profiles and/or a shift in the beam alignment. The areas with a structured surface to compensate for imaging errors make it easy to focus the light beam even after more to keep compartment passage through the mirror arrangement small.

In Bezug zum kreisförmigen Umlaufen des Lichtstrahles in der Spiegelanordnung ist zur Realisierung eines Laserbetriebs weiter bevorzugt vorgesehen, dass Bereiche außerhalb der Reflexionsbereiche eine strukturierte Oberfläche aufweisen, derart dass lediglich der zwischen den Reflexionsbereichen hin und her reflektierte Lichtstrahl innerhalb der Spiegelanordnung umläuft. Somit wird durch die strukturierte Oberfläche also sichergestellt, dass keine anderen geschlossenen Umläufe in der Spiegelanordnung als der gewünschte Pfad möglich sind. Bevorzugt wird dazu die Oberfläche außerhalb der Reflexionsbereiche derart strukturiert, dass eine gerichtete Reflexion in eine Richtung nach außerhalb der Spiegelanordnung stattfindet. Dies ist insbesondere für Laserresonatoren, bei denen mittels den zwei Spiegeln eine stehende Welle erzeugt wird von Vorteil, da es eine Selektion von gewünschten Lasermoden erlaubt.In relation to the circular circulation of the light beam in the mirror arrangement, in order to implement laser operation, it is further preferably provided that areas outside the reflection areas have a structured surface such that only the light beam reflected back and forth between the reflection areas circulates within the mirror arrangement. The structured surface therefore ensures that no other closed circulations in the mirror arrangement than the desired path are possible. For this purpose, the surface outside the reflection areas is preferably structured in such a way that a directed reflection takes place in a direction outside the mirror arrangement. This is particularly advantageous for laser resonators in which a standing wave is generated by means of the two mirrors, since it allows a selection of desired laser modes.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen den Spiegeln ein Lasermedium und/oder eine spektroskopisch zu untersuchende Probe, besonders bevorzugt eine gasförmige Probe, angeordnet ist. In Bezug zum Lasermedium ermöglicht die Spiegelanordnung aufgrund des einfachen Ein- und/oder Auskoppelns einen besonders einfachen Aufbau und/oder aufgrund des Mehrfachdurchganges eine besonders hohe Laserleistung. In Bezug zur spektroskopisch zu untersuchenden Probe ermöglicht die Spiegelanordnung aufgrund des einfachen Ein- und/oder Auskoppelns einen besonders einfachen Aufbau und/oder aufgrund des Mehrfachdurchganges eine besonders geringe Nachweisgrenze.According to a further preferred development of the invention, it is provided that a laser medium and/or a sample to be examined spectroscopically, particularly preferably a gaseous sample, is arranged between the mirrors. In relation to the laser medium, the mirror arrangement enables a particularly simple structure due to the simple coupling and/or decoupling and/or a particularly high laser power due to the multiple passes. In relation to the sample to be examined spectroscopically, the mirror arrangement enables a particularly simple structure due to the simple coupling and/or decoupling and/or a particularly low detection limit due to the multiple passes.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Lasermedium als scheibenförmiger Laserkristall ausgestaltet, auf dessen Rückseite eine reflektive Beschichtung aufgebracht ist und vorgesehen ist, dass der in der Spiegelanordnung umlaufende Lichtstrahl auf das Lasermedium fokussiert wird. Wie bereits erwähnt lässt sich durch die Spiegelanordnung besonders einfach ein Scheibenlaser realisieren, bei dem das Ein- und/oder Auskoppeln des Pumplichtstrahles über den Bereich mit der strukturierten Oberfläche erfolgt und/oder Abbildungsfehler einfach über den Bereich mit der strukturierten Oberfläche kompensierbar sind.According to a further preferred development, the laser medium is designed as a disk-shaped laser crystal, on the back of which a reflective coating is applied and it is provided that the light beam circulating in the mirror arrangement is focused on the laser medium. As already mentioned, the mirror arrangement makes it particularly easy to create a disk laser in which the pump light beam is coupled in and/or out via the area with the structured surface and/or imaging errors can be easily compensated for via the area with the structured surface.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Bereich mit der strukturierten Oberfläche als diffraktiver Strahlteiler ausgestaltet ist. Bevorzugt wird ein solcher Bereich zum Auskoppeln des Lichtstrahles verwendet werden, wenn die Spiegelanordnung als Laserresonator verwendet wird und/oder wenn zwischen den wenigstens zwei Spiegeln ein aktives Lasermedium angeordnet ist. Das Oberflächenprofil der strukturierten Oberfläche ermöglicht also einerseits eine Rückreflexion des Lichtstrahles in die Spiegelanordnung und zugleich auch ein Auskoppeln eines Teils des Lichtstrahles aus der Spiegelanordnung.According to a further preferred development of the invention, it is provided that the area with the structured surface is designed as a diffractive beam splitter. Such an area is preferably used for coupling out the light beam if the mirror arrangement is used as a laser resonator and/or if an active laser medium is arranged between the at least two mirrors. The surface profile of the structured surface therefore enables, on the one hand, a back reflection of the light beam into the mirror arrangement and at the same time also a coupling out of a part of the light beam from the mirror arrangement.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert.The invention is explained below by way of example with reference to the drawings using preferred embodiments.

In der Zeichnung zeigen

  • 1 eine schematische Darstellung einer Spiegelanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
  • 2 in a) eine vergrößerte Darstellung des Bereichs 22 aus 1, und in b) eine vergrößerte Darstellung des Bereichs 18 aus 1,
  • 3 eine schematische Darstellung des Spiegels 12 aus 1 aus einer anderen Perspektive,
  • 4 eine schematische Darstellung eines Spiegels einer weiteren Spiegelanordnung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
  • 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Spiegelanordnung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und
  • 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Spiegelanordnung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Show in the drawing
  • 1 a schematic representation of a mirror arrangement according to a preferred embodiment of the invention,
  • 2 in a) an enlarged view of the area 22 1 , and in b) an enlarged view of the area 18 1 ,
  • 3 a schematic representation of the mirror 12 1 from a different perspective,
  • 4 a schematic representation of a mirror of a further mirror arrangement according to a further preferred embodiment of the invention,
  • 5 a schematic representation of a further mirror arrangement according to a further preferred embodiment of the invention, and
  • 6 a schematic representation of a further mirror arrangement according to a further preferred embodiment of the invention.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Spiegelanordnung 10 umfassend einen ersten Spiegel 12 und einen zweiten Spiegel 14, wobei die Spiegel 12, 14 derart zueinander angeordnet sind, dass ein Lichtstrahl 16 mehrfach zwischen den zwei Spiegeln 12, 14 hin und her reflektierbar ist. Zudem weist vorliegend der erste Spiegel 12 einen Bereich 18 mit einer strukturierten Oberfläche auf derart, dass ein Einkoppeln des Lichtstrahles 16 in die Spiegelanordnung 10 über diesen Bereich 18 realisierbar ist und derart, dass der Lichtstrahl 16 in der Spiegelanordnung 10 mehrfach transversal versetzt zueinander umläuft. Der Bereich 18 ist vergrößert in 2b) dargestellt. 3 zeigt zudem den ersten Spiegel 12 aus der Spiegelanordnung 10 von einer anderen Perspektive. Der Spiegel 12 weist zudem in einem Bereich 34 (siehe hierzu 3) ebenfalls eine strukturierte Oberfläche auf derart, dass ein Auskoppeln des Lichtstrahles 16 möglich ist. In Bezug zu 1 findet die Auskopplung des Lichtstrahls 16 in rückseitiger Richtung der Zeichenebene statt. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a mirror arrangement 10 comprising a first mirror 12 and a second mirror 14, the mirrors 12, 14 being arranged relative to one another in such a way that a light beam 16 can be reflected back and forth several times between the two mirrors 12, 14. In addition, in the present case, the first mirror 12 has an area 18 with a structured surface in such a way that the light beam 16 can be coupled into the mirror arrangement 10 via this area 18 and in such a way that the light beam 16 rotates in the mirror arrangement 10 several times transversely offset from one another. The area 18 is enlarged in 2 B) shown. 3 also shows the first mirror 12 from the mirror arrangement 10 from a different perspective. The mirror 12 also points in an area 34 (see 3 ) also has a structured surface in such a way that the light beam 16 can be coupled out. In relation to 1 the light beam 16 is decoupled in the rear direction of the drawing plane.

Vorliegend wird die Spiegelanordnung 10 zur Spurengasanalyse bei Gasen 20 mit kleinem Absorptionsquerschnitt verwendet. Die Spiegelanordnung 10 bildet also einen Multipass-Resonator bestehend aus den zwei Spiegeln 12, 14, wobei der zweite Spiegel 14 ein üblicher gekrümmter Spiegel 14 ist und der erste Spiegel 12 neben einer sphärischen Krümmung wie bereits erwähnt in den Bereichen 18 und 34 das strukturierte Oberflächenprofil aufweist. Andere Bereiche 22, 32 des ersten Spiegels, wie in 2a) beispielhaft am Bereich 22 dargestellt, sind nicht strukturiert und weisen ein für Spiegel übliches glattes Oberflächenprofil auf.In the present case, the mirror arrangement 10 is used for trace gas analysis for gases 20 with a small absorption cross section. The mirror arrangement 10 thus forms a multipass resonator consisting of the two mirrors 12, 14, wherein the second mirror 14 is a conventional curved mirror 14 and the first mirror 12 has the structured surface profile in the areas 18 and 34 in addition to a spherical curvature as already mentioned. Other areas 22, 32 of the first mirror, as in 2a) shown as an example in area 22, are not structured and have a smooth surface profile typical for mirrors.

Das Oberflächenprofil in den Bereichen 18 und 34 (siehe 2b)) erlaubt den Mehrfachdurchgang des Lichtstrahles 16 durch das zwischen den zwei Spiegeln 12, 14 angeordnete und spektroskopisch zu untersuchende Gas 20 sowie ein seitliches Ein- und Auskoppeln. Der Krümmungsradius der beiden Spiegel 12, 14 entspricht in diesem Ausführungsbeispiel gerade dem Abstand zwischen den zwei Spiegeln 12, 14, so dass sich ohne das zusätzliche strukturierte Oberflächenprofil in den Bereichen 18 und 34 gerade eine konfokale Resonatorgeometrie ergeben würde.The surface profile in areas 18 and 34 (see 2 B) ) allows the light beam 16 to pass multiple times through the gas 20 arranged between the two mirrors 12, 14 and to be examined spectroscopically, as well as lateral coupling and decoupling. In this embodiment, the radius of curvature of the two mirrors 12, 14 corresponds exactly to the distance between the two mirrors 12, 14, so that without the additional structured surface profile in the areas 18 and 34, a confocal resonator geometry would result.

Wie in 2 zu erkennen ist, weist der Spiegel 12 einen schichtartigen Aufbau mit einem Substrat 24 einer Absorptionsschicht 26 und einer reflektierende dielektrische Schichtstruktur 28 auf. Das Substrat besteht vorliegend aus Quarzglas und die Absorptionsschicht 26 aus amorphem Silizium. Der Bereich 18 wurde vorliegend mit einem Mikrodelaminationsverfahren strukturiert, um ein Einkoppeln des Lichtstrahles 16 zu ermöglichen. Dafür wird bei einem unstrukturierten Spiegel in dem Bereich 18 durch lokale Erwärmung der Absorptionsschicht 26 mit von der Seite des Substrats 24 eingestrahltem fokussierten Laserstrahl eines Hilfslasers (in der Figur nicht gezeigt) ein zur Strahlablenkung geeignetes räumliches Profil durch Mikrostrukturierung der Spiegeloberfläche erzeugt. Das zu dieser diffraktiven Ablenkung geeignete Oberflächenprofil kann durch Strukturierung mit Delaminationshöhen im Bereich der optischen Wellenlänge des Lichtstrahles 16 erreicht werden, entsprechend variiert der Abstand 30 zwischen der Absorptionsschicht 26 und der dielektrischen Schichtstruktur 28 auf dieser Höhenskala. Analog wurde mit dem Bereich 34 verfahren, um ein seitliches Auskoppeln zu ermöglichen.As in 2 As can be seen, the mirror 12 has a layered structure with a substrate 24, an absorption layer 26 and a reflective dielectric layer structure 28. The substrate in this case consists of quartz glass and the absorption layer 26 of amorphous silicon. The region 18 was structured in this case using a microdelamination process in order to enable the light beam 16 to be coupled in. For this purpose, in the case of an unstructured mirror in the region 18, a spatial profile suitable for beam deflection is generated by microstructuring the mirror surface by locally heating the absorption layer 26 with a focused laser beam of an auxiliary laser (not shown in the figure) irradiated from the side of the substrate 24. The surface profile suitable for this diffractive deflection can be achieved by structuring with delamination heights in the range of the optical wavelength of the light beam 16; the distance 30 between the absorption layer 26 and the dielectric layer structure 28 varies accordingly on this height scale. The same procedure was followed with area 34 to enable lateral decoupling.

3 zeigt den ersten Spiegel 12 aus der Spiegelanordnung 10 aus 1 von einer anderen Perspektive, bei der auf die dielektrische Schichtstruktur 28 geblickt wird, wobei die den Umlauf des Lichtstrahles 16 verursachenden Reflexionsbereiche 18, 22, 32, 34 auf der Spiegeloberfläche dargestellt sind. Ein Einkoppeln des Lichtstrahles 16 wird ermöglicht, indem die Oberfläche des Spiegels 12 im Bereich 18 mikrostrukturiert ist, ein Auskoppeln wird ermöglicht, indem der Reflexionsbereich 34 ebenfalls mikrostrukturiert ist. Das Einkoppeln erfolgt also über den Bereich 18, das Auskoppeln in rückseitiger Richtung der Zeichenebene der 1 bei über den Bereich 34. 3 shows the first mirror 12 from the mirror arrangement 10 1 from a different perspective, looking at the dielectric layer structure 28, with the reflection areas 18, 22, 32, 34 causing the circulation of the light beam 16 on the mirror surface being shown. A coupling of the light beam 16 is made possible by the surface of the mirror 12 being microstructured in the area 18, and a coupling out is made possible by the reflection area 34 also being microstructured. The coupling takes place via the area 18, the coupling out in the rear direction of the drawing plane 1 at over the range 34.

4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Spiegels 12 der Spiegelanordnung 10, bei der die Reflexionsfläche des Spiegels 12 mit einem zweiten Ringbereich mit insgesamt zwölf Reflexionsbereichen B 1-B 12 ausgestaltet ist. Um eine Umlenkung des Lichtstrahls 16 von den äußeren in den inneren Ringbereich und zurück zu erlauben, sind vorliegend neben der Ein- und Auskopplung analog zu 3, die über B1 bzw. B 12 erfolgt, zusätzlich die Bereiche B4, B5, B8 und B9 mikrostrukturiert. 4 shows a further exemplary embodiment of a mirror 12 of the mirror arrangement 10, in which the reflection surface of the mirror 12 is designed with a second ring area with a total of twelve reflection areas B 1-B 12. In order to allow a deflection of the light beam 16 from the outer to the inner ring area and back, in the present case, in addition to the coupling in and out, analogous to 3 , which takes place via B1 and B 12, the areas B4, B5, B8 and B9 are also microstructured.

In 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Spiegelanordnung 10, bei der die Spiegelanordnung 10 zur Strahllenkung eines Pumpstrahls 16 eines Scheibenlasers verwendet wird. Ein Laserresonator des Scheibenlasers wird vorliegend durch die zwei Spiegel 36, 38 gebildet. Auf dem Spiegel 36 ist das zu pumpende aktive scheibenförmige Lasermedium 40 angeordnet. Vorliegend wird über zwei mikrostrukturierte Spiegel 12, 14 der Spiegelanordnung 10, wobei davon einer mit planem Substrat 14 und einer mit gekrümmtem Substrat 12, eine mehrfache Umlenkung des Pumplichtstrahls 16 mit aufeinander folgenden Fokussierungen auf das aktive Lasermedium 40 erreicht.In 5 shows a further embodiment of the mirror arrangement 10, in which the mirror arrangement 10 is used to direct a pump beam 16 of a disk laser. A laser resonator of the disk laser is formed in the present case by the two mirrors 36, 38. The active disk-shaped laser medium 40 to be pumped is arranged on the mirror 36. In the present case, a multiple deflection of the pump light beam 16 with successive focusing on the active laser medium 40 is achieved via two microstructured mirrors 12, 14 of the mirror arrangement 10, one with a flat substrate 14 and one with a curved substrate 12.

Die mikrostrukturierten Spiegel 12, 14 erlauben durch entsprechende diffraktive Umlenkung sowohl für den Spiegel 12, eine Umlenkung des Pumplichtstrahles 16 zwischen verschiedenen Ringbereichen (analog zu 3) und eine Ein- und Auskopplung des Pumplichtstrahls 16 aus der Anordnung 10. Zusätzlich erlauben entsprechend ausgebildete diffraktive Profile der mikrostrukturierten Spiegel 12, 14 eine Kompensation von Abbildungsfehlern, auch solcher, die durch thermische Linseneffekte verursacht sind, was es ermöglicht den Pumpfokus auch nach Mehrfachdurchgang durch die Anordnung 10 klein zu halten. In diesem Ausführungsbeispiel sind die mikrostrukturierten Spiegel 12, 14 mit je einer zentrischen Öffnung 42 ausgebildet, um den Laserbetrieb sowie eine unproblematische mechanische Halterung der Scheibenlaserkomponenten 36, 40 zu ermöglichen.The microstructured mirrors 12, 14 allow the pump light beam 16 to be redirected between different ring areas (analogous to) through appropriate diffractive deflection for both the mirror 12 3 ) and a coupling and decoupling of the pump light beam 16 from the arrangement 10. In addition, appropriately designed diffractive profiles of the microstructured mirrors 12, 14 allow compensation for imaging errors, including those caused by thermal lens effects, which enables the pump focus even after multiple passes to keep it small by the arrangement 10. In this exemplary embodiment, the microstructured mirrors 12, 14 are each designed with a central opening 42 in order to enable laser operation and unproblematic mechanical mounting of the disk laser components 36, 40.

6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Spiegelanordnung 10, bei dem die Spiegelanordnung 10 in einem Laserresonator eine vergrößerte Wechselwirkungslänge in einem aktiven, verstärkenden Medium 40 durch Mehrfachdurchgang erreicht wird. Von der grundsätzlichen Geometrie der Spiegelanordnung 10 ist die vorliegende Spiegelanordnung 10 sehr ähnlich zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgeführt. Die Spiegelanordnung 10 weist also die zwei Spiegel 12, 14, vorliegend ein üblicher gekrümmten Spiegel 14 sowie der Spiegel 12, der neben einer sphärischen Krümmung einen mit dem Mikrodelaminationsverfahren strukturiertes Oberflächenprofil aufweist. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel in 1 und 3, bei dem die Bereiche 18 und 34 zum Ein- und Auskoppeln mikrostrukturiert sind, wird vorliegend durch geeignete Strukturierung der Bereiche 18 und 34 erreicht, dass der Lichtstrahl 16 auf dem gleichen Pfad hin- und zurück läuft, so dass sich eine Stehwelle ausbildet. In anderen Worten dienen die Bereiche 18 und 34 also als Endspiegel des Laserresonators. Für den Bereich 34 wird ein Oberflächenprofil verwendet, das eine diffraktive Rückreflexion ermöglicht. Der Reflexionsbereich 18 dient zudem als Auskoppler des Laserresonators. Hier wird ein diffraktives Profil gewählt, das neben einer Rückreflexion auch eine Auskopplung eines Teils des Lichtstrahls 16 aus dem Laserresonator ermöglicht, sprich dieser Bereich 18 wird entsprechend der Erfordernisse an einen diffraktiven Strahlteiler strukturiert. Um das Anschwingen anderer Lasermoden als die gewünschte Mehrfachreflexionsmode zu unterdrücken, ist zudem vorgesehen, dass das Oberflächenprofil des Spiegels 12 außerhalb der Bereiche 18, 22, 32, 34 derart strukturiert wird, dass keine anderen geschlossenen Umläufe im Resonator als der gewünschte Pfad möglich sind. Dazu wird eine für eine gerichtete Reflexion in eine andere Richtung nach außen gewähltes diffraktives Profil verwendet. Die Auskopplung des Lichtstrahls kann trotz des Mehrfachdurchgangs durch den Laserresonator transversal monomodig erfolgen. 6 shows a further exemplary embodiment of the mirror arrangement 10, in which the mirror arrangement 10 in a laser resonator achieves an increased interaction length in an active, amplifying medium 40 through multiple passes. In terms of the basic geometry of the mirror arrangement 10, the present mirror arrangement 10 is very similar to that in 1 shown Example of leadership carried out. The mirror arrangement 10 therefore has the two mirrors 12, 14, in the present case a conventional curved mirror 14, and the mirror 12, which, in addition to a spherical curvature, has a surface profile structured using the microdelamination process. In contrast to the exemplary embodiment in 1 and 3 , in which the areas 18 and 34 are microstructured for coupling in and out, in the present case it is achieved by suitable structuring of the areas 18 and 34 that the light beam 16 runs back and forth on the same path, so that a standing wave is formed. In other words, the areas 18 and 34 serve as end mirrors of the laser resonator. A surface profile is used for the area 34, which enables diffractive back reflection. The reflection area 18 also serves as a coupler for the laser resonator. Here, a diffractive profile is selected which, in addition to back reflection, also enables part of the light beam 16 to be decoupled from the laser resonator, i.e. this area 18 is structured according to the requirements of a diffractive beam splitter. In order to suppress the oscillation of laser modes other than the desired multiple reflection mode, it is also provided that the surface profile of the mirror 12 is structured outside the areas 18, 22, 32, 34 in such a way that no closed circulations in the resonator other than the desired path are possible. For this purpose, a diffractive profile selected for directed reflection in a different outward direction is used. The light beam can be decoupled in a transverse monomode despite the multiple passage through the laser resonator.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
SpiegelanordnungMirror arrangement
1212
erster Spiegelfirst mirror
1414
zweiter Spiegelsecond mirror
1616
Lichtstrahllight beam
1818
Bereich mit strukturierter Oberfläche, ReflexionsbereichArea with textured surface, reflection area
2020
Gasgas
2222
nicht strukturierter Bereich, Reflexionsbereichnon-structured area, reflection area
2424
SubstratSubstrat
2626
AbsorptionsschichtAbsorption layer
2828
dielektrische Schichtstrukturdielectric layer structure
3030
AbstandDistance
3232
ReflexionsbereichReflection area
3434
Reflexionsbereich, Bereich mit strukturierter OberflächeReflection area, area with structured surface
B1, B4, B5, B8, B9, B12B1, B4, B5, B8, B9, B12
Reflexionsbereiche, Bereiche mit strukturierter OberflächeReflective areas, areas with a structured surface
B2, B3, B6, B7, B10, B11B2, B3, B6, B7, B10, B11
Reflexionsbereiche, nicht strukturierter BereichReflective areas, non-structured area
3636
Spiegel von Laserresonator des ScheibenlasersMirror of laser resonator of disk laser
3838
Spiegel von Laserresonator des ScheibenlasersMirror of laser resonator of disk laser
4040
LasermediumLaser medium
4242
zentrische Öffnungcentral opening

Claims (11)

Spiegelanordnung (10) umfassend wenigstens zwei Spiegel (12, 14), wobei die Spiegel (12, 14) derart zueinander angeordnet sind, dass ein Lichtstrahl (16) mehrfach zwischen den zwei Spiegeln (12, 14) hin und her reflektierbar ist und ein Lasermedium (40) und/oder eine spektroskopisch zu untersuchende Probe (20) in den Lichtstrahl (16) einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Spiegel (12, 14) wenigstens anteilig einen Bereich (18, 34) mit einer strukturierten Oberfläche aufweist derart, dass ein Ein- und/oder Auskoppeln des Lichtstrahles (16) in die Spiegelanordnung (10) über diesen Bereich (18, 34) realisierbar ist und/oder derart, dass der Lichtstrahl (16) in der Spiegelanordnung (10) mehrfach transversal versetzt zueinander umläuft.Mirror arrangement (10) comprising at least two mirrors (12, 14), the mirrors (12, 14) being arranged in relation to one another in such a way that a light beam (16) can be reflected back and forth between the two mirrors (12, 14) several times and a laser medium (40) and/or a sample (20) to be examined spectroscopically can be introduced into the light beam (16), characterized in that at least one of the mirrors (12, 14) has at least a portion of an area (18, 34) with a structured surface in such a way that the light beam (16) can be coupled into and/or out of the mirror arrangement (10) via this area (18, 34) and/or in such a way that the light beam (16) circulates in the mirror arrangement (10) several times transversely offset from one another. Spiegelanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die Spiegelanordnung (10) in einem Bereich zwischen den zwei Spiegeln (12, 14) frei von einer Linse und/oder einem Prisma ist und/oder wobei die Spiegelanordnung (10) zum Ein- und/oder Auskoppeln des Lichtstrahles (16) frei von einer Bohrung ist.Mirror arrangement (10). Claim 1 , wherein the mirror arrangement (10) is free of a lens and/or a prism in an area between the two mirrors (12, 14) and/or wherein the mirror arrangement (10) is used to couple in and/or out the light beam (16). is free of a hole. Spiegelanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Bereich (18, 34) mit der strukturierten Oberfläche durch Bestrahlen eines Spiegels (12, 14) mit einer unstrukturierten Oberfläche mit einem fokussierten Heizlaserstrahl erhältlich ist.Mirror arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein the region (18, 34) with the structured surface is obtainable by irradiating a mirror (12, 14) with an unstructured surface with a focused heating laser beam. Spiegelanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der wenigstens eine Spiegel (12, 14) eine Transmission für den Lichtstrahl (16) von T ≤ 10-2, einen Reflexionsgrad für den Lichtstrahl (16) von mehr als 99% aufweist, und/oder nicht als teilreflektierender Auskopplungsspiegel ausgestaltet ist.Mirror arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein the at least one mirror (12, 14) has a transmission for the light beam (16) of T ≤ 10 -2 , a reflectance for the light beam (16) of more than 99%, and / or is not designed as a partially reflecting output mirror. Spiegelanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der wenigstens eine Spiegel (12, 14) als gekrümmter Spiegel (12) ausgestaltet ist, und die Spiegelanordnung (10) derart ausgestaltet ist, dass sich auf dem gekrümmten Spiegel (12) mehrere konzentrisch angeordnete Reflexionsbereiche (18, 22, 32, 34) für den Lichtstrahl (16) ergeben und wenigstens zwei direkt nebeneinanderliegende Reflexionsbereiche (18, 34) als Bereiche (18, 34) mit der strukturierten Oberfläche ausgestaltet sind.Mirror arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein the at least one mirror (12, 14) is designed as a curved mirror (12), and the mirror arrangement (10) is designed such that there are several concentrically on the curved mirror (12). arranged reflection areas (18, 22, 32, 34) for the light beam (16) and at least two directly adjacent reflection areas (18, 34) are designed as areas (18, 34) with the structured surface. Spiegelanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der wenigstens eine Spiegel (12, 14) als gekrümmter Spiegel (12) ausgestaltet ist und die Spiegelanordnung (10) derart ausgestaltet ist, dass sich ein innerer Ring mit mehreren konzentrisch angeordneten Reflexionsbereichen (B5, B6, B7, B8) und ein äußerer Ring mit mehreren konzentrisch angeordneten Reflexionsbereichen (B1, B2, B3, B4, B9, B10, B11, B12) ergibt, und a) beim äußeren Ring wenigstens vier paarweise direkt nebeneinanderliegende Reflexionsbereiche (B1, B4, B9, B12) als Bereiche mit der strukturierten Oberfläche ausgestaltet sind und/oder b) beim inneren Ring wenigstens zwei direkt nebeneinanderliegende Reflexionsbereiche (B5, B8) als Bereiche mit der strukturierten Oberfläche ausgestaltet sind.Mirror arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein the at least one mirror (12, 14) is designed as a curved mirror (12) and the mirror arrangement (10) is designed such that an inner ring with a plurality of concentrically arranged reflection areas (B5 , B6, B7, B8) and an outer ring with several concentrically arranged reflection areas (B1, B2, B3, B4, B9, B10, B11, B12), and a) in the outer ring, at least four reflection areas (B1, B4, B9, B12) lying directly next to one another in pairs are designed as areas with the structured surface and/or b) in the inner ring, at least two directly adjacent reflection areas (B5, B8) are designed as areas with the structured surface. Spiegelanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der wenigstens eine Spiegel (12, 14) als planer Spiegel (14) ausgebildet ist und/oder wobei der wenigstens eine Spiegel (12, 14) eine zentrische Öffnung (42) umfasst.Mirror arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein the at least one mirror (12, 14) is designed as a planar mirror (14) and/or wherein the at least one mirror (12, 14) comprises a central opening (42). Spiegelanordnung (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei Bereiche außerhalb der Reflexionsbereiche (18, 22, 32, 34, B1 - B12) eine strukturierte Oberfläche aufweisen, derart dass lediglich der zwischen den Reflexionsbereiche (18, 22, 32, 34, B1 - B12) hin und her reflektierte Lichtstrahl (16) innerhalb der Spiegelanordnung (10) umläuft.Mirror arrangement (10) according to one of the Claims 5 or 6 , wherein areas outside the reflection areas (18, 22, 32, 34, B1 - B12) have a structured surface such that only the light beam (16) reflected back and forth between the reflection areas (18, 22, 32, 34, B1 - B12) circulates within the mirror arrangement (10). Spiegelanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen den Spiegeln (12, 14) ein Lasermedium (40) und/oder eine spektroskopisch zu untersuchende Probe (20) angeordnet ist.Mirror arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein a laser medium (40) and/or a sample (20) to be examined spectroscopically is arranged between the mirrors (12, 14). Spiegelanordnung (10) nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Lasermedium (40) als scheibenförmiger Laserkristall ausgestaltet ist, auf dessen Rückseite eine reflektive Beschichtung (36) aufgebracht ist und der in der Spiegelanordnung (10) umlaufend Lichtstrahl (16) auf das Lasermedium (40) fokussiert wird.Mirror arrangement (10) according to the preceding claim, wherein the laser medium (40) is designed as a disk-shaped laser crystal, on the back of which a reflective coating (36) is applied and the light beam (16) circulating in the mirror arrangement (10) is focused on the laser medium (40). Verwendung einer Spiegelanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche als Laserresonator bei einem Laser, als Pumplaserstrahllenkung für einen Scheibenlaser oder als Absorptionszelle bei einem Spurengasspektrometer.Use of a mirror arrangement (10) according to one of the preceding claims as a laser resonator in a laser, as a pump laser beam guide for a disk laser or as an absorption cell in a trace gas spectrometer.
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