DE19631353C2 - Laser with master oscillator and amplifier - Google Patents
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Description
Laser mit einem Masteroszillator, umfassend ein ein erstes laseraktives Medium durchsetzendes Oszillatorstrahlungsfeld, aus welchem ein Oszillator laserstrahl auskoppelbar ist, mit einem den Oszillatorlaserstrahl verstärkenden Verstärker, dessen Verstärkerstrahlungsfeld ein zweites laseraktives Medium zuerst in einer Richtung und nach Reflexion an einem phasenkonjugierenden Medium in der umgekehrten Richtung durchsetzt und einen durch den Oszilla torlaserstrahl modendefinierten austretenden Laserstrahl erzeugt, wobei aus dem Oszillatorlaserstrahl mittels einer Abbildungsoptik das Verstärkerstrah lungsfeld volumenvergrößert gebildet ist, und sich das Verstärkerstrahlungs feld und das Oszillatorstrahlungsfeld hinsichtlich ihrer Ausdehnung parallel zur Richtung der optischen Achse des Oszillatorlaserstrahls zumindest zum Teil über dieselben Bereiche erstrecken.Laser with a master oscillator, comprising a first laser active Medium penetrating oscillator radiation field, from which an oscillator Laser beam can be decoupled with one that amplifies the oscillator laser beam Amplifier whose amplifier radiation field is a second laser-active medium first in one direction and after reflection on a phase conjugate Medium interspersed in the opposite direction and one through the Oszilla Toral laser beam generated mode-defined emerging laser beam, being from the oscillator laser beam by means of imaging optics, the amplifier beam lungsfeld is formed enlarged volume, and the amplifier radiation field and the oscillator radiation field with respect to their extension parallel to Direction of the optical axis of the oscillator laser beam at least in part extend over the same areas.
Ein derartiger Laser ist aus "IEEE Journ. Quant. Electron., Vol. 24, No. 6, Juni 1988, S. 1124-1140" bekannt. Bei diesen bekannten Lasern bestehen jedoch Probleme hinsichtlich der Strahlqualität.Such a laser is from "IEEE Journ. Quant. Electron., Vol. 24, No. 6, June 1988, pp. 1124-1140 ". However, these known lasers exist Beam quality problems.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Laser der gattungs gemäßen Art derart zu verbessern, daß dieser bei großer Leistung eine mög lichst gute Strahlqualität aufweist. The invention is therefore based on the object of a laser of the genus to improve according to the way that this is possible with great performance has the best possible beam quality.
Diese Aufgabe wird bei einem Laser der eingangs beschriebenen Art erfin dungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verstärkerstrahlungsfeld dabei so geformt ist, daß dies in azimutalen Bereichen um den Oszillatorlaserstrahl herum verläuft.This task is invented with a laser of the type described in the introduction solved according to the invention in that the amplifier radiation field so is shaped to be in azimuthal areas around the oscillator laser beam runs around.
Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß sie die Möglichkeit schafft, das Verstärkerstrahlungsfeld so zu formen, daß eine Auffächerung oder Auf teilung der Oszillatorlaserstrahlung erfolgt und damit eine großvolumige opti male Ausnutzung des zweiten laseraktiven Mediums möglich ist, wobei gleich zeitig die Auffächerung oder Aufteilung des Oszillatorlaserstrahls in das Ver stärkerstrahlungsfeld möglichst geringe Phasenverzerrungen liefert, so daß sich diese beim phasenkonjugiert reflektierten Verstärkerstrahlungsfeld wieder aufheben.The solution according to the invention has the advantage that it creates the possibility of to shape the amplifier radiation field so that a fanning out or on division of the oscillator laser radiation takes place and thus a large-volume opti male use of the second laser-active medium is possible, the same timely the fanning or splitting of the oscillator laser beam into the ver stronger radiation field provides as little phase distortion as possible, so that this is reflected again in the phase conjugate reflected amplifier radiation field cancel.
Besonders günstige Verhältnisse sind dann erreichbar, wenn das Verstärker strahlungsfeld im Querschnitt ringförmig ausgebildet ist und die optische Achse des Oszillatorlaserstrahls umschließt, so daß das Verstärkerstrahlungsfeld ein möglichst großes Volumen des zweiten laseraktiven Mediums durchsetzen kann, um eine möglichst große Verstärkung zu erreichen.Particularly favorable conditions can be achieved if the amplifier radiation field is annular in cross section and the optical axis encloses the oscillator laser beam so that the amplifier radiation field Enforce the largest possible volume of the second laser-active medium can to achieve the greatest possible gain.
Besonders günstig läßt sich die geometrische Anordnung dann gestalten, wenn das Verstärkerstrahlungsfeld parallel zur optischen Achse des Oszillatorlaserstrahls verläuft, da dann auf die Erstreckung des Verstärkerstrahlungsfeldes in Rich tung der optischen Achse keine Rücksicht genommen werden muß.The geometric arrangement can be designed particularly favorably if the amplifier radiation field parallel to optical axis of the oscillator laser beam runs because then on the extension of the amplifier radiation field in Rich direction of the optical axis no consideration must be taken.
Eine hinsichtlich der Abbildung des Oszillatorlaserstrahls auf das Verstärkerstrahlungsfeld besonders günstige Lösung sieht vor, daß das Verstärkerstrahlungsfeld symmetrisch zur optischen Achse des Oszillatorlaserstrahls angeordnet ist, da in diesem Fall das Auffächern oder Aufteilen des Oszillator laserstrahls in das Verstärkerstrahlungsfeld symmetrisch zur optischen Achse des Oszillatorlaserstrahls erfolgen kann und somit die optischen Wege in allen Richtungen dieselben sind.One regarding the imaging of the oscillator laser beam solution particularly favorable to the amplifier radiation field provides that the amplifier radiation field symmetrical to optical axis of the oscillator laser beam is arranged there in this case, fanning or splitting the oscillator laser beam into the amplifier radiation field symmetrically optical axis of the oscillator laser beam can take place and thus the optical paths are the same in all directions.
Besonders günstig ist es, wenn das Verstärkerstrahlungsfeld rotationssymmetrisch zur optischen Achse des Oszillatorlaser strahls angeordnet ist.It is particularly favorable if the amplifier radiation field rotationally symmetrical to the optical axis of the oscillator laser beam is arranged.
Eine besonders günstige geometrische Lösung sieht vor, daß die optische Achse des Oszillatorstrahlungsfeldes und die optische Achse des Verstärkerstrahlungsfeldes zusammenfallen, so daß das Oszillatorstrahlungsfeld koaxial zu dem Ver stärkerstrahlungsfeld angeordnet ist.A particularly favorable geometric solution provides that the optical axis of the oscillator radiation field and the optical axis of the amplifier radiation field coincide, so that the oscillator radiation field coaxial with the ver stronger radiation field is arranged.
Hinsichtlich der relativen Anordnung des Oszillatorstrah lungsfeldes bezüglich des Verstärkerstrahlungsfeldes wurden bislang keinerlei Angaben gemacht. Beispielsweise könnten diese in Richtung der optischen Achse so weit versetzt ange ordnet sein, daß sie völlig getrennt nebeneinander liegen. With regard to the relative arrangement of the oscillator beam tion field with respect to the amplifier radiation field so far no information given. For example this is offset so far in the direction of the optical axis order that they are completely separate from each other.
Ein hinsichtlich des Raumbedarfs günstiges Ausführungsbei spiel sieht vor, daß das Verstärkerstrahlungsfeld und das Oszillatorstrahlungsfeld sich hinsichtlich ihrer Ausdehnung in Richtung der optischen Achse überlappen.A favorable execution in terms of space requirements game provides that the amplifier radiation field and Oscillator radiation field with regard to their expansion overlap in the direction of the optical axis.
Noch besser ist es, wenn das Oszillatorstrahlungsfeld sich in Richtung der optischen Achse durch das Verstärkerstrahlungs feld hindurch erstreckt. Diese Lösung erlaubt insbesondere eine kompakte Anordnung sowohl für das Oszillatorstrahlungs feld als auch für das Verstärkerstrahlungsfeld.It is even better if the oscillator radiation field is in Direction of the optical axis through the amplifier radiation extends through the field. This solution allows in particular a compact arrangement for both the oscillator radiation field as well as for the amplifier radiation field.
Im Rahmen der erfindungsgemäßen Konzeption ist sowohl ein erstes laseraktives Medium als auch ein zweites laseraktives Medium vorgesehen, die prinzipiell unterschiedlich sein können. Eine besonders günstige Lösung sieht jedoch vor, daß das erste laseraktive Medium und das zweite laseraktive Medium von demselben Medium gebildet sind.Within the framework of the concept according to the invention, both first laser-active medium and a second laser-active one Medium provided that are different in principle can. A particularly cheap solution, however, provides that the first laser active medium and the second laser active Medium are formed by the same medium.
Noch vorteilhafter ist es hierbei, wenn das erste laseraktive Medium und das zweite laseraktive Medium nicht nur von dem selben Medium gebildet sind, sondern auch in demselben An regungsvolumen angeordnet sind, so daß eine einheitliche Anregung des gesamten laseraktiven Mediums erfolgt. Damit ist ein besonders einfacher Aufbau und insbesondere eine beson ders einfache Anregung des laseraktiven Mediums sowohl für das Oszillatorstrahlungsfeld als auch für das Verstärker strahlungsfeld geschaffen. It is even more advantageous if the first is laser-active Medium and the second laser active medium not only from that are formed in the same medium, but also in the same way excitation volume are arranged so that a uniform The entire laser-active medium is excited. So that is a particularly simple structure and in particular a special simple excitation of the laser active medium for both the oscillator radiation field as well as for the amplifier radiation field created.
Hinsichtlich der Kopplung der Oszillatorlaserstrahlung und des Verstärkerstrahlungsfeldes über die genannte Abbildungs optik wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß der Oszillatorlaserstrahl und das Verstärkerstrahlungsfeld durch ein Waxicon gekoppelt sind, wobei das Waxicon dazu dient, aus dem Oszillatorlaserstrahl ein im Querschnitt ringförmiges Verstärkerstrahlungsfeld zu generieren.With regard to the coupling of the oscillator laser radiation and of the amplifier radiation field over the above-mentioned images No details have yet been given to optics. So look a particularly advantageous embodiment that the Oscillator laser beam and the amplifier radiation field through a waxicon are coupled, the waxicon being used to the oscillator laser beam has an annular cross section Generate amplifier radiation field.
Um eine phasenkonjugierende Reflexion des Verstärker strahlungsfeldes zu erhalten, ist vorteilhafterweise vorge sehen, daß das Verstärkerstrahlungsfeld durch ein Fokussier element auf das phasenkonjugierende Medium fokussiert ist.A phase conjugate reflection of the amplifier To obtain radiation field is advantageously pre see that the amplifier radiation field by a focusing element is focused on the phase conjugate medium.
Das Fokussierelement ist - um in einfacher Weise das phasen konjugierende Medium pumpen zu können - mit einem Durchlaß für einen Pumplichtstrahl für den Resonantenabsorber ver sehen.The focusing element is - to phase in a simple way to be able to pump conjugating medium - with one passage for a pump light beam for the resonant absorber ver see.
Im einfachsten Fall ist in diesem Fall das Fokussierelement durch einen Linsenring gebildet.In the simplest case, the focusing element is in this case formed by a lens ring.
Das Fokussierelement ist dabei beispielsweise so ausgebildet, daß ein Fokusbereich innerhalb einer Pumplichtverteilung liegt. The focusing element is designed, for example, that a focus area within a pump light distribution lies.
Alternativ dazu ist vorgesehen, daß das Fokussierelement einen Linienfokus erzeugend ausgebildet ist. Ein Beispiel eines einen Linienfokus erzeugenden Fokussierelementes ist ein in Transmission betriebenes Axicon.Alternatively, it is provided that the focusing element is designed to generate a line focus. An example of a focusing element generating a line focus an axicon operated in transmission.
Hinsichtlich der phasenkonjugierenden Reflexion des Ver stärkerstrahlungsfeldes wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbei spiel vor, daß das Verstärkerstrahlungsfeld und das phasen konjugiert reflektierte Verstärkerstrahlungsfeld dieselben optischen Elemente durchlaufen. Damit ist sichergestellt, daß im phasenkonjugiert reflektierten Verstärkerstrahlungsfeld die Defizite der optischen Elemente sich gerade kompensieren.Regarding the phase conjugate reflection of Ver the radiation field has not yet been specified made. This is a particularly advantageous embodiment play that the amplifier radiation field and the phase conjugate reflected amplifier radiation field the same go through optical elements. This ensures that in the phase conjugate reflected amplifier radiation field the deficits of the optical elements are currently being compensated.
Besonders vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn das phasen konjugiert reflektierte Verstärkerstrahlungsfeld auch die Abbildungsoptik zwischen dem Oszillatorlaserstrahl und dem Verstärkerstrahlungsfeld durchsetzt, so daß auch deren Ein flüsse in dem phasenkonjugiert reflektierten Verstärker strahlungsfeld korrigiert werden.It is also particularly advantageous if the phases conjugate reflected amplifier radiation field also Imaging optics between the oscillator laser beam and the Amplifier radiation field penetrates, so that their on flows in the phase conjugate reflected amplifier radiation field can be corrected.
Eine besonders günstige Lösung sieht vor, daß das phasen konjugiert reflektierte Verstärkerstrahlungsfeld auf einen koaxial zum Oszillatorlaserstrahl verlaufenden Laserstrahl abbildbar ist, welcher dann durch geeignete Mittel vom Oszillatorlaserstrahl trennbar ist. A particularly favorable solution provides that the phases conjugates reflected amplifier radiation field onto one Laser beam running coaxially to the oscillator laser beam is reproducible, which is then from the Oscillator laser beam is separable.
Ein geeignetes Mittel, um in diesem Fall den Laserstrahl vom Oszillatorlaserstrahl zu trennen, sieht vor, daß das phasen konjugiert reflektierte Verstärkerstrahlungsfeld eine Phasen verschiebung von 90° gegenüber dem Verstärkerstrahlungsfeld aufweist, so daß eine Trennung von Oszillatorlaserstrahl und Laserstrahl beispielsweise durch die unterschiedliche Polari sation derselben möglich ist.A suitable means to remove the laser beam from the Separating the oscillator laser beam provides for this to phase conjugate reflected amplifier radiation field one phase shift of 90 ° with respect to the amplifier radiation field has, so that a separation of the oscillator laser beam and Laser beam, for example, through the different polar patterns sation of the same is possible.
Hinsichtlich der phasenkonjugierenden Reflexion wurden im Zusammenhang der bisherigen Erläuterung der einzelnen Aus führungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß als phasenkon jugierendes Medium ein resonanter Absorber mit Vierwellen mischung arbeitet und insbesondere von aus dem Masteroszilla tor ausgekoppelter Pumpstrahlung gepumpt ist.Regarding the phase conjugate reflection were in Connection of the previous explanation of the individual Aus management examples no further details given. So one sees advantageous embodiment before that as a phase con youthful medium a resonant absorber with four waves mixture works and especially from the Masteroszilla Coupled pump radiation is pumped.
Vorzugsweise tritt die Pumpstrahlung auf einer dem Oszilla torlaserstrahl gegenüberliegenden Seite des Masteroszillators aus.The pump radiation preferably occurs on one of the oszilla Tor laser beam opposite side of the master oscillator out.
Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, daß das Pumpen des phasenkonjugierenden Mediums durch in entgegengesetzten Rich tungen verlaufende Pumpstrahlung erfolgt, wobei die einander entgegengesetzt laufenden Pumpstrahlungen um 90° gegenein ander phasenverschoben sind und die rückwärts laufende Pumpstrahlung zweckmäßigerweise durch Reflexion der vorwärts laufenden Pumpstrahlung an einem reflektierenden Element erzeugbar ist.A particularly advantageous embodiment of the solution according to the invention provides that the pumping of the phase conjugate medium in opposite directions pumping radiation takes place, the each other opposite pumping radiation by 90 ° the other are out of phase and the reverse Pump radiation expediently by reflection of the forward running pump radiation on a reflective element can be generated.
Das reflektierende Element ist vorzugsweise so ausgebildet, daß dessen Reflexionsfläche mit einer Krümmung einer Wellen front der Pumpstrahlung übereinstimmt.The reflective element is preferably designed such that that its reflection surface with a curvature of a wave front of the pump radiation corresponds.
Bei einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, daß das phasenkon jugierende Medium durch das laseraktive Medium des Master oszillators gebildet ist, wobei zweckmäßigerweise das erste und das zweite laseraktive Medium ebenfalls durch ein und dasselbe laseraktive Medium gebildet werden.In another advantageous embodiment, a The solution according to the invention provides that the phase con youthful medium through the laser active medium of the master oscillator is formed, expediently the first and the second laser-active medium also by and the same laser-active medium are formed.
Die erfindungsgemäße Lösung betrifft sowohl sogenannte Gas laser, bei welchen ein Lasergas, beispielsweise CO2, das laseraktive Medium bildet, als auch Festkörperlaser, bei welchen ein Festkörper das laseraktive Medium bildet.The solution according to the invention relates both to so-called gas lasers, in which a laser gas, for example CO 2 , forms the laser-active medium, and to solid-state lasers, in which a solid forms the laser-active medium.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Dar stellung einiger Ausführungsbeispiele; in der Zeichnung zeigen:Other features and advantages of the invention are the subject the following description and the graphic Dar position of some embodiments; in the drawing demonstrate:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungs gemäßen Lasers; Figure 1 is a schematic longitudinal section through a first embodiment of a laser according to the Invention.
Fig. 2 einen Schnitt längs Linie 2-2 in Fig. 1; FIG. 2 shows a section along line 2-2 in FIG. 1;
Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt ähnlich Fig. 1 durch ein zweites Ausführungsbeispiel; Fig. 3 shows a schematic longitudinal section similar to Figure 1 through a second embodiment.
Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt ähnlich Fig. 1 durch ein drittes Ausführungsbeispiel und Fig. 4 is a schematic longitudinal section similar to Fig. 1 through a third embodiment and
Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt ähnlich Fig. 1 durch ein viertes Ausführungsbeispiel. Fig. 5 is a schematic longitudinal section similar to Fig. 1 through a fourth embodiment.
Ein in Fig. 1 dargestelltes erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lasers umfaßt ein als Ganzes mit 10 bezeichnetes Anregungsvolumen, beispielsweise ein Entladungs volumen, in welchem beispielsweise CO2 als laseraktives Medium Lasergas vorhanden und durch elektrische Entladung angeregt ist.A first exemplary embodiment of a laser according to the invention shown in FIG. 1 comprises an excitation volume, designated as a whole by 10, for example a discharge volume in which, for example, CO 2 is present as a laser-active medium and is excited by electrical discharge.
Das Entladungsvolumen 10 liegt dabei zwischen zwei Elektroden 12 und 14, über welche die Anregung des Lasergases erfolgt.The discharge volume 10 lies between two electrodes 12 and 14 , via which the laser gas is excited.
Ferner ist das Entladungsvolumen stirnseitig mit Fenstern 16 und 18 abgeschlossen, welche für die zu erzeugende Laser strahlung durchsichtig sind. Furthermore, the discharge volume is closed at the end with windows 16 and 18 , which are transparent to the laser radiation to be generated.
In dem Entladungsvolumen 10, vorzugsweise mittig zwischen den beiden Elektroden 12 und 14, erstreckt sich ein Oszillator strahlungsfeld 20 eines Masteroszillators längs einer optischen Achse 22, die ihrerseits in einem mittigen Bereich zwischen den Elektroden 12 und 14 liegt.In the discharge volume 10 , preferably centrally between the two electrodes 12 and 14 , an oscillator radiation field 20 of a master oscillator extends along an optical axis 22 , which in turn lies in a central area between the electrodes 12 and 14 .
Das Oszillatorstrahlungsfeld 20 durchsetzt dabei die Fenster 16 und 18 des Entladungsvolumens 10 und wird an zwei Reso natorspiegeln 24 und 26 reflektiert, welche außerhalb des Entladungsvolumens 10 auf einer dem Entladungsvolumen 10 abgewandten Seite der Fenster 16 und 18 angeordnet sind.The oscillator radiation field 20 passes through it, the windows 16 and 18 of the discharge volume 10, and is natorspiegeln two Reso 24 and 26 reflects, which side of the window remote from outside of the discharge volume 10 on a the discharge volume 10 are arranged 16 and 18th
Eine Alternativlösung sieht vor, daß einer der Resonator spiegel 24, 26 oder beide in die Fenster 16, 18 integriert sind, beispielsweise durch Aufdampfen geeigneter Schichten.An alternative solution provides that one of the resonator mirrors 24 , 26 or both are integrated in the windows 16 , 18 , for example by vapor deposition of suitable layers.
Eine Polarisation des Oszillatorstrahlungsfeldes 20 erfolgt durch einen zwischen den Resonatorspiegeln 24, 26 ange ordneten Polarisator 27, beispielsweise in Form des Polari sationsstrahlteilers 27.The oscillator radiation field 20 is polarized by a polarizer 27 arranged between the resonator mirrors 24 , 26 , for example in the form of the polarization beam splitter 27 .
Der Resonatorspiegel 24 ist dabei beispielsweise als Resona torspiegel mit Gauss'schem Reflexionsprofil ausgebildet, während der Resonatorspiegel 26 als Resonatorspiegel mit geringer Auskopplung ausgebildet ist, so daß sich auf einer dem Entladungsvolumen 10 abgewandten Seite des Resonator spiegels 26 ein koaxial zur optischen Achse 22 verlaufender, polarisierter Oszillatorlaserstrahl 28 ausbreitet und auf ein Waxicon 30 trifft, und zwar auf einen Mittenkegel 32 des selben, welcher den Oszillatorlaserstrahl 28 in Richtung einer äußeren Reflexionsfläche 34 reflektiert, wobei durch die äußere Reflexionsfläche 34 des Waxicons 30 ein im Quer schnitt ringförmiges Verstärkerstrahlungsfeld 40 erzeugt wird, wie in Fig. 2 dargestellt. Dabei weist vorzugsweise das Waxicon 30 ein parabolisches Profil auf, so daß mit diesem eine Aufweitung des Verstärkerstrahlungsfeldes zur optimalen Ausnutzung des gesamten Entladungsvolumens 10 möglich ist. Dieses Verstärkerstrahlungsfeld 40 breitet sich ausgehend vom Waxicon 30 wieder in Richtung 42 zum Entladungsvolumen 10 hin aus, durchsetzt das Fenster 18, dann das Entladungsvolumen 10 und wird nach Hindurchtreten durch das Fenster 16 von einem Fokussierelement 44 auf ein phasenkonjugierendes Reflexions element 46 fokussiert. Das Fokussierelement 44 ist dabei bei spielsweise als konventionelle Linse mit einem zentralen Durchbruch 48 ausgebildet, wobei der Sinn des zentralen Durchbruchs 48 nachfolgend erläutert wird.The resonator mirror 24 is for example configured as resonators torspiegel with Gaussian reflectivity profile is formed during the resonator 26 as a resonator mirror with low outcoupling so that at a the discharge volume 10 side of the resonator facing away from mirror 26 coaxially extending to the optical axis 22, polarized oscillator laser beam 28 propagates and strikes a waxicon 30 , namely on a center cone 32 of the same, which reflects the oscillator laser beam 28 in the direction of an outer reflection surface 34 , a cross-sectionally ring-shaped amplifier radiation field 40 being generated by the outer reflection surface 34 of the waxicon 30 , as shown in Fig. 2. The waxicon 30 preferably has a parabolic profile, so that it is possible to widen the amplifier radiation field for optimum utilization of the entire discharge volume 10 . This amplifier radiation field 40 spreads starting from the wax icon 30 again in the direction 42 to the discharge volume 10 out, passes through the window 18 , then the discharge volume 10 and after passing through the window 16 is focused by a focusing element 44 on a phase conjugating reflection element 46 . The focusing element 44 is designed, for example, as a conventional lens with a central opening 48 , the meaning of the central opening 48 being explained below.
Das phasenkonjugierende Reflexionselement 46 ist beispiels weise als Gaszelle 50 mit einem Gasvolumen 52 ausgebildet, wobei in dem Gasvolumen 52 als resonanter Absorber 34SF6 angeordnet ist. Die Gaszelle 50 weist dabei zwei einander gegenüberliegende und koaxial zur optischen Achse 22 ange ordnete Fenster 54 und 56 auf, wobei das ringförmige Verstärkerstrahlungsfeld 40 durch das Fenster 56 in die Gas zelle 50 eintritt und zu einem innerhalb der Gaszelle 50 vor zugsweise auf der optischen Achse 22 liegenden Fokusbereich 58 verläuft.The phase-conjugating reflection element 46 is designed, for example, as a gas cell 50 with a gas volume 52 , SF6 being arranged in the gas volume 52 as a resonant absorber 34 . The gas cell 50 in this case has two mutually opposite and coaxially to the optical axis 22 arranged windows 54 and 56, wherein the annular amplifier radiation field 40 cell through the window 56 into the gas 50 enters and an optical prior preferably on the inside of the gas cell 50 axis 22 lying focus area 58 runs.
In dem Fokusbereich 58 ist eine phasenkonjugierende Reflexion des in Richtung 42 einfallenden Verstärkerstrahlungsfeldes 40 dann möglich, wenn ein Pumpen des resonanten Absorbers im Fokusbereich 58 erfolgt, und zwar durch längs der optischen Achse 22 verlaufende und in entgegengesetzten Richtungen 62 und 64 einfallende Pumplichtstrahlung 60, welche dadurch erzeugt wird, daß ein Teil des Oszillatorstrahlungsfeldes 20 durch den Resonatorspiegel 24 und den Durchbruch 48 in dem Fokussierelement 44 hindurchtritt und sich in Richtung 62 zur Gaszelle 50 hin ausbreitende Pumplichtstrahlung 60 bildet, die durch das Fenster 56 in die Gaszelle 50 eintritt, im Fokusbereich 58 den resonanten Absorber pumpt, dann durch den Fokusbereich 58 hindurchtritt und zum Fenster 54 aus der Gas zelle 50 wieder austritt, um von einem symmetrisch zur optischen Achse 22 angeordneten Spiegel 66 wieder zurück zur Gaszelle 50 in Richtung 64 reflektiert zu werden, so daß durch das Fenster 54 die sich nunmehr auch in Richtung 64 ausbreitende Pumplichtstrahlung 60 in die Gaszelle 50 ein tritt und den resonanten Absorber im Fokusbereich 58 pumpt. Dabei ist der Spiegel 66 so ausgebildet, daß seine reflek tierende Fläche an eine Form einer Wellenfront der Pumplicht strahlung 60 angepaßt ist. In the focus area 58 , a phase conjugate reflection of the amplifier radiation field 40 incident in the direction 42 is possible when the resonant absorber is pumped in the focus area 58 , namely by pump light radiation 60 which runs along the optical axis 22 and falls in opposite directions 62 and 64 , which is produced in that a part of the oscillator radiation field 20 passes through the resonator mirror 24 and the opening 48 in the focusing element 44 and forms pump light radiation 60 which propagates in the direction 62 towards the gas cell 50 and enters the gas cell 50 through the window 56 in the focus area 58 pumps the resonant absorber, then passes through the focus area 58 and exits to the window 54 from the gas cell 50 again in order to be reflected back by a mirror 66 arranged symmetrically to the optical axis 22 back to the gas cell 50 in the direction 64 , so that through the window 54 which is now au ch in the direction of 64 pump light radiation 60 enters the gas cell 50 and pumps the resonant absorber in the focus area 58 . The mirror 66 is designed so that its reflecting surface is adapted to a shape of a wave front of the pump light radiation 60 .
Dadurch ist in dem Reflexionselement 46 eine Vierwellen mischung erzeugbar, welche letztlich dazu führt, daß das Ver stärkerstrahlungsfeld in zur Richtung 42 entgegengesetzter Richtung 68 phasenkonjugiert reflektiert wird und wieder aus der Gaszelle 50 durch das Fenster 56 austritt, sich zum Fokussierelement 44 hin ausbreitet und dann bei Weiteraus breitung wiederum das Entladungsvolumen 10 durchläuft, auf die äußere reflektierende Fläche 34 des Waxicons 30 trifft und von der reflektierenden Kegelfläche des Waxicons 30 zu einem einen vollen Querschnitt aufweisenden Laserstrahl 70 geformt wird, welcher sich vom Waxicon 30 ausgehend in Rich tung des Entladungsvolumens 10 ausbreitet, allerdings durch einen vor dem Resonatorspiegel 26 angeordneten Polarisations strahlteiler 72 quer zur optischen Achse 22 reflektiert wird und den austretenden Laserstrahl 70 bildet.As a result, in the reflective element 46 is a four-wave mixing generated, which ultimately results in the Ver more radiation field is reflected phase conjugated in the opposite to the direction 42 in the direction 68 and then exits the gas cell 50 through the window 56, propagates to the focusing element 44 back and then with further spread again the discharge volume 10 passes through, hits the outer reflecting surface 34 of the wax icon 30 and is formed by the reflecting conical surface of the wax icon 30 into a full cross-section laser beam 70 which starts from the wax icon 30 in the direction of the discharge volume 10 propagates, but is reflected by a polarization beam splitter 72 arranged in front of the resonator mirror 26 transversely to the optical axis 22 and forms the emerging laser beam 70 .
Zur Verbesserung des Polarisationsgrades der Pumplichtstrah lung ist dem Resonatorspiegel 24 noch ein Polarisations strahlteiler 74 nachgeordnet, welcher bei Ausbildung des Fensters 54 der Gaszelle als λ/4-Platte dazu führt, daß die sich in Richtung 64 ausbreitende reflektierte Pumplichtstrah lung 60 gegenüber der sich in Richtung 62 ausbreitenden Pumplichtstrahlung 60 senkrecht polarisiert ist und somit vom Polarisationsstrahlteiler 74 quer zur optischen Achse 22 reflektiert wird, so daß das Oszillatorstrahlungsfeld 20 gegenüber der sich in Richtung 64 ausbreitenden Pumplicht strahlung 60 optisch isoliert ist. To improve the degree of polarization of the pump light radiation, the resonator mirror 24 is also followed by a polarization beam splitter 74 , which, when the window 54 of the gas cell is designed as a λ / 4 plate, leads to the fact that the reflected pump light beam 60 propagating in the direction 64 relative to that in Direction 62 propagating pump light radiation 60 is polarized perpendicularly and thus is reflected by the polarization beam splitter 74 transversely to the optical axis 22 , so that the oscillator radiation field 20 is optically isolated from the pump light radiation 60 propagating in the direction 64 .
Eine Reflexion der Laserstrahlung 70 durch den Polarisations strahlteiler 72 quer zur optischen Achse 22 ist dadurch mög lich, daß das phasenkonjugierende Reflexionselement 46, aus gelöst durch die um 90° gedrehte Polarisationsrichtung der, in Richtung 64 laufende Pumplichtstrahlung 60, ebenfalls das sich in Richtung 68 ausbreitende phasenkonjugierte Ver stärkerstrahlungsfeld 40 mit einer um 90° gedrehten Polari sation gegen über dem sich in Richtung 42 ausbreitenden Ver stärkerstrahlungsfeld 40 zurücklaufen läßt, so daß letztlich die sich vom Waxicon 30 in Richtung des Polarisationsstrahl teilers 72 sich ausbreitende Laserstrahlung gegenüber der Oszillatorlaserstrahlung um 90° in der Polarisationsrichtung gedreht ist.A reflection of the laser radiation 70 through the polarization beam splitter 72 transverse to the optical axis 22 is possible that the phase-conjugating reflection element 46 , triggered by the polarization direction rotated by 90 ° of the pump light radiation 60 running in the direction 64 , also in the direction 68 propagating phase-conjugated United intensifying radiation field 40 with a 90 ° rotated polarization against the propagating in the direction 42 extending Ver intensifying radiation field 40 , so that ultimately the laser beam spreading from the waxicon 30 in the direction of the polarization beam 72 72 differs from the oscillator laser radiation by 90 ° is rotated in the direction of polarization.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß das Oszillatorstrahlungsfeld 20 durch entsprechende Wahl der Resonatorspiegel 24 und 26 als Strahlungsfeld im trans versalen Grundmode definierbar ist, wodurch auch die Oszillatorlaserstrahlung 28 im transversalen Grundmode vor liegt und somit auch das Verstärkerstrahlungsfeld 40, bei welchem sich aufgrund der phasenkonjugierten Reflexion sämt liche Inhomogenitäten und Phasenstörungen ausgelöst durch das Waxicon, das Fenster 18, das Entladungsvolumen 10, das Fenster 16 und die Fokussieroptik 44 kompensieren, so daß letztlich die austretende Laserstrahlung 70 trotz Verstärkung im transversalen Grundmode austritt. The advantage of the solution according to the invention can be seen in the fact that the oscillator radiation field 20 can be defined as a radiation field in the transversal basic mode by appropriate selection of the resonator mirrors 24 and 26, as a result of which the oscillator laser radiation 28 is also present in the transverse fundamental mode and thus also the amplifier radiation field 40 , in which compensate for all inhomogeneities and phase disturbances triggered by the waxicon, the window 18 , the discharge volume 10 , the window 16 and the focusing optics 44 due to the phase conjugate reflection, so that ultimately the emerging laser radiation 70 emerges despite amplification in the transverse basic mode.
Darüber hinaus hat die Anordnung des Oszillatorstrahlungs feldes 20 ungefähr zentral des Entladungsvolumens 10 den Vor teil, daß in diesem Bereich die Einwirkungen von Phasen störungen durch das laseraktive Medium am geringsten sind, da der größte Abstand von den Elektroden 12, 14 vorliegt.In addition, the arrangement of the oscillator radiation field 20 approximately centrally of the discharge volume 10 has the part before that in this area the effects of phase interference by the laser-active medium are the least since the greatest distance from the electrodes 12 , 14 is present.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 3, sind diejenigen Teile, die mit denen des ersten Ausführungs beispiels identisch sind, mit denselben Bezugszeichen ver sehen, so daß diesbezüglich auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel vollinhaltlich Bezug genommen wird.In a second embodiment, shown in Fig. 3, those parts that are identical to those of the first embodiment example see ver with the same reference numerals, so that reference is made in full to the comments on the first embodiment.
Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel in der Gaszelle 50 ein anderes Isotop als resonanter Absorber vorgesehen, nämlich 32SF6, wodurch eine Verschiebung der Laserwellenlänge von 10,59 µm auf 10,49 µm erforderlich ist.In contrast to the first exemplary embodiment, in the second exemplary embodiment, another isotope is provided in the gas cell 50 as a resonant absorber, namely 32SF6, as a result of which a shift in the laser wavelength from 10.59 μm to 10.49 μm is required.
Dies erfordert eine besondere Wellenlängenabstimmung beim Oszillatorstrahlungsfeld 20. Aus diesem Grund ist anstelle des Resonatorspiegels 26 ein Auskopplungsgitter 80 vorge sehen, mit welchem eine Wellenlängenabstimmung des Oszillatorstrahlungsfeldes 20 möglich ist.This requires a special wavelength tuning in the oscillator radiation field 20 . For this reason, instead of the resonator mirror 26, a coupling-out grating 80 is provided, with which a wavelength tuning of the oscillator radiation field 20 is possible.
Das Auskopplungsgitter 80 reflektiert den Oszillatorlaser strahl 28 nunmehr quer zur optischen Achse 22, so daß drei Umlenkspiegel 82, 84 und 86 erforderlich sind, um den Oszillatorlaserstrahl 28 wieder parallel zur optischen Achse 22 zu führen und diesen durch den Polarisationstrahlteiler 72 hindurchtreten und auf das Waxicon 30 auftreffen zu lassen.The decoupling grating 80 reflects the oscillator laser beam 28 now transversely to the optical axis 22 , so that three deflecting mirrors 82 , 84 and 86 are required in order to guide the oscillator laser beam 28 again parallel to the optical axis 22 and pass it through the polarization beam splitter 72 and onto the waxicon 30 to hit.
Im übrigen ist das zweite Ausführungsbeispiel in gleicher Weise ausgebildet wie das erste Ausführungsbeispiel.Otherwise, the second embodiment is the same Formed like the first embodiment.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 4, sind diejenigen Teile, die mit denen des zweiten und des ersten Ausführungsbeispiels identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß bezüglich der Ausbildung der selben auf die Ausführungen zu diesen Ausführungsbeispielen vollinhaltlich Bezug genommen wird.In a third exemplary embodiment, shown in FIG. 4, those parts which are identical to those of the second and first exemplary embodiments are provided with the same reference numerals, so that reference is made in full to the explanations regarding these exemplary embodiments with regard to the design of the same.
Im Gegensatz zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ist das fokussierende Element 44' keine Linse, sondern ein Axicon 90, welches bei Durchstrahlung in der Gaszelle 50 einen Linienfokus erzeugt, wie beispielsweise in der Veröffent lichung von Scott et al., Optical Engineering, December 1992, Vol. 31, No. 12, Page 2640-2643 beschrieben ist. Im Bereich dieses Linienfokus 92 innerhalb der Gaszelle 50 erfolgt dann in bekannter Weise eine Vierwellenmischung, wie auch im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel ausführlich beschrieben, wobei der Linienfokus 92 den Vorteil hat, daß die Wechselwirkung längs desselben aufgrund der größeren Wechselwirkungslänge besser ist als bei dem ersten Ausfüh rungsbeispiel. In contrast to the first and second exemplary embodiments, the focusing element 44 'is not a lens, but an axicon 90 , which generates a line focus when irradiated in the gas cell 50 , as described, for example, in the publication by Scott et al., Optical Engineering, December 1992 , Vol. 31, No. 12, Page 2640-2643 . In the area of this line focus 92 within the gas cell 50 , a four-wave mixing then takes place in a known manner, as also described in detail in connection with the first exemplary embodiment, the line focus 92 having the advantage that the interaction along it is better than that due to the greater interaction length first exemplary embodiment.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 5, sind ebenfalls diejenigen Teile, die mit denen des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels identisch sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Gegensatz zu den voranstehenden Ausführungsbeispielen ist für die Vierwellenmischung keine separate Gaszelle mehr erforderlich. Vielmehr erfolgt die Vierwellenmischung in dem in dem Entladungsvolumen 10 vor handenen laseraktiven Medium. Hierzu ist das Waxicon 30' so ausgebildet, daß es das Verstärkerstrahlungsfeld 40' auf die optisch Achse, und zwar in einen Fokusbereich 100 fokussiert, welcher auf der optischen Achse 22, und zwar innerhalb des Entladungsvolumens 10, liegt, so daß in dem Fokusbereich 100, der auch von dem Oszillatorstrahlungsfeld 20 durchsetzt ist, die Vierwellenmischung in bekannter Art und Weise erfolgt, wobei das sich in Richtung 42 nunmehr zur optischen Achse 22 hin ausbreitende Verstärkerstrahlungsfeld 40' in dem Fokus bereich 100 phasenkonjugiert reflektiert wird und sich in entgegengesetzter Richtung 68 wieder zum Waxicon 30' hin aus breitet.In a fourth exemplary embodiment, shown in FIG. 5, those parts which are identical to those of the first and second exemplary embodiments are also provided with the same reference numerals. In contrast to the previous exemplary embodiments, a separate gas cell is no longer required for the four-wave mixing. Rather, the four-wave mixing takes place in the laser-active medium present in the discharge volume 10 . For this purpose, the waxicon 30 'is designed such that it focuses the amplifier radiation field 40 ' on the optical axis, specifically in a focus area 100 which lies on the optical axis 22 , specifically within the discharge volume 10 , so that in the focus area 100 , which is also penetrated by the oscillator radiation field 20 , the four-wave mixing takes place in a known manner, the amplifier radiation field 40 'now propagating in the direction 42 towards the optical axis 22 being reflected in phase-conjugate fashion in the focus region 100 and reflected again in the opposite direction 68 towards the waxicon 30 '.
Ferner ist bei dem vierten Ausführungsbeispiel noch das Fenster 18 des Entladungsvolumens 10 als λ/4-Platte auszu bilden, um auch dem phasenkonjugiert reflektierten Ver stärkerstrahlungsfeld 40' hinsichtlich seiner Polarisation eine Drehung von 90° zu vermitteln. Furthermore, in the fourth exemplary embodiment, the window 18 of the discharge volume 10 is also to be formed as a λ / 4 plate in order to also impart a rotation of 90 ° to the phase-conjugate reflected amplifying radiation field 40 'with respect to its polarization.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist neben CO2 als Lasergas auch Ar, Xe oder CO einsetzbar.In the solution according to the invention, in addition to CO 2 , Ar, Xe or CO can also be used as laser gas.
Ferner können neben 32SF6 oder 34SF6 auch BCl3 als resonant absorbierendes Medium oder auch Gemische aus diesen Gasen als phasenkonjugiert reflektierende Medien eingesetzt werden.In addition to 32SF6 or 34SF6, BCl3 can also be used as resonant absorbent medium or mixtures of these gases as phase conjugate reflective media are used.
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