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A) Einleitung
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Die
Erfindung betrifft Flachkanalresonatoren insbesondere für linienabstimmbare
Bandleiterlaser, mit zwei Wellenleiterplatten (3, 4),
die eine Fläche, z.B.
eine rechteckige aufweisen, zwischen welchen ein Spalt der Höhe h ausgebildet
ist, die in der Ebene quer zu diesem Spalt mit Hilfe eines Gitters
(1) linienabstimmbar sind, deren Leistungsauskopplung über die
0. Littrow-Ordnung des Gitters stattfindet, wobei der Auskopppelgrad
ortsabhängig
in der Ebene quer zum Spalt (x-Richtung) durch Aufteilung in die
0., bzw. –1.
Beugungsordnung geeignet gewählt
werden kann, wobei diese Aufteilung durch das Tastverhältnis der
Gitterstege (6) zu den Gittergräben (7) bei fester
Gitterperiode p und konstanter Gittertiefe t eingestellt wird.
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B) Stand der Technik
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In
den letzten Jahren setzte sich im Bereich der CO2-Laser
aufgrund des kompakten Aufbaus und der effizienten Diffusionskühlung des
Lasermediums der Bandleiterlaser immer stärker durch. Während für ältere CO2-Laser mit stationärem Wärmeleitungsprozeß die Laserleistung
nur mit der Länge
der Entladung skaliert, ist dies beim Bandleiterlaserkonzept nicht
der Fall. Hier kann die Wärme
durch die großflächigen Elektroden
abgeführt
werden und die Skalierung der Laserleistung ist für diesen
Aufbau der Entladungsfläche
proportional. Die übliche
Struktur eines solchen Bandleiterlasers sind zwei Entladungsflächen (3, 4)
die durch einen dünnen
Spalt (Höhe
h), in der Größenordnung
von wenigen Millimetern, getrennt sind, in welchem eine Gasentladung
brennt. Die Breite w dieser Elektroden ist um ein Vielfaches größer als
der Abstand h der Elektroden. Diese Struktur führt somit zu einem rechteckigen
schichtförmigen
Entladungsraum im Gegensatz zu dem quadratischen Entladungsquerschnitt
typischer Wellenleiterlaser.
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Bedingt
durch den rechteckigen Entladungsquerschnitt erhält man bezüglich der optischen Eigenschaften
des Flachkanal-Resonators auch unterschiedliches Ausbreitungsverhalten
für die
Laserstrahlung. In der Richtung der Gasentladung (y-Richtung) handelt
es sich bedingt durch den engen Elektrodenabstand um eine Wellenleiterausbreitung
entlang der Elektroden, analog einem klassischen Wellenleiterlaser.
Hingegen quer zur Entladung (x-Richtung) kann die Ausbreiung des
Lichtes wie im freien Raum betrachtet werden. Aufgrund der unterschiedlichen
Ausbreitungsbedingungen in den beiden zueinander orthogonalen Achsen
spricht man auch von sogenannten Hybridresonatoren.
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Konventionelle
stabile Resonatoren neigen in der Praxis bedingt durch die große Breite
w des Kanals zum Anschwingen höherer
Gauß-Hermite-Moden,
welche jedoch für
praktische Zwecke in der Regel ungeeignet sind, da sie bei gleichem
Taillenradius wesentlich schneller divergieren. Aus diesem Grund
hat sich in den letzten Jahren die Verwendung unterschiedlichster
Resonatorkonfigurationen durchgesetzt, die ein besseres Strahlparameterprodukt
erzeugen.
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Die
einfachste, jedoch vom optischen Aufwand aufwendigste Methode, da
man mehr als zwei optische Elemente benötigt, ist die Faltung des Strahles
in der xz-Ebene. Diese Faltung wird dabei entweder mit ebenen Spiegeln
oder mit Dachkantspiegeln durchgeführt.
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Eine
andere Möglichkeit
besteht darin, sogenannte instabile Resonatoren zu verwenden, bei
denen die Beugungsverluste des Resonators zur Auskopplung verwendet
werden. Eine Variante dieser instabilen Resonatoren stellen Resonatoren
mit einem Spiegel mit transversal varriierendem Reflektionsfaktorverlauf
als Auskoppelspiegel dar. Dieser transversal variierende Reflektionsfaktorverlauf
hat dabei in der Regel eine Ortsabhängigkeit, die sich durch eine Gauß- (n =
2) bzw. durch eine sogenannte Supergauß-Verteilung (n > 2) beschreiben läßt. Dabei
ist n die Potenz in der folgenden Funktion :
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Der
Faktor R0 stellt dabei die maximale Reflektivität in der
Mitte des Spiegels dar und die Größe wm das
Maß, bei
dem die Reflektivität
auf 1/e2 abgesunken ist.
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Alle
instabilen Resonatorkonfigurationen verwenden immer zwei mehr oder
weniger gekrümmte
Resonatorspiegel. Ein Gitter als linienselektives Element kann in
erster Näherung
durch einen ebenen Spiegel dargestellt werden. Ein gehöriger Nachteil
von instabilen Resonatoren zeigt sich jedoch bei der Verwendung
von ebenen Spiegeln.
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Bei
einem sogenannten 'positive-brauch' Resonator erhält man für den Krümmungsradius
bei geometrisch optischen Verstärkungen
von 1,1 < M < 1,3 sehr große Krümmungsradien
für den
zweiten Resonatorspiegel (2) (R > 20 m für Resonatorlängen L < 0,5 m), welche
fertigungstechnisch nicht mit einer vertretbaren Toleranz gefertigt
werden können.
Dieser Nachteil tritt zwar bei 'negative-branch' Reonatoren nicht
auf, da die Spiegelkrümmungsradien
hier in einem fertigungstechnisch sehr günstigen Bereich liegen, jedoch
liegt hier der innere Brennpunkt des Resonators so nahe am Gitter,
das eine breite Ausleuchtung des Gitters praktisch nicht mehr stattfindet. Aus
diesen Gründen
ist die Verwendung von instabilen Resonatoren für gitterabstimmbare Bandleiterlaser
ohne größeren optischen
Aufwand, soll heißen mit
mehr als zwei Spiegeln, nicht angezeigt.
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In
herkömmlichen
Gitterresonatoren wird lediglich die –1. Littrow-Ordnung des Gitters
verwendet. Da immer auch ein Teil des einfallenden Strahls in der
0. Littrow-Ordnung überkoppelt
und diese Ordnung nicht genutzt wird, entstehen so am Gitter Verluste.
Des weiteren ist gerade bei gitterabstimmbaren Wellenleiterlasern
eine aufwändige
Aufweitungsoptik notwendig, um eine möglichst große Gitterfläche auszuleuchten.
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Aus
der
EP 0 675 579 A1 ist
ein linienabstimmbarer Flachkanalresonator mit zwei Wellenleiterplatten
bekannt, die jeweils eine geeignete, zum Beispiel rechteckförmige Fläche aufweisen
und einen Abstand in der Größenordnung
von Millimeter haben. Die Druckschrift zielt dabei darauf ab, durch eine
sogenannte „instabile
Resonatorkonfiguration" durch
eine Auskopplung am Spiegel vorbei einen verbesserten Betrieb zu
erreichen. Zentraler Bestandteil dieser Erfindung ist im Übrigen die
Verwendung eines Silizium-Spiegels, der für 9,4 μm und 10,6 μm Wellenlänge deutlich unterschiedliche
Reflektivitäten bedingt
durch eine unterschiedliche Oberflächenbeschichtung aufweist und
somit eine Laseraktivität
bei 9,4 μm
unterdrückt.
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Aus
der
EP 0 242 939 B1 ist
es bekannt, einen Wellenleiter-Laser mittels Littrow-Gitter als
frequenzbestimmendes Element zur Rückkopplung und Auskopplung
der Laserstrahlung einzusetzen. Bei diesem Stand der Technik geht
es allerdings zentral darum, wie durch die Erhöhung des Gasdrucks und damit
der Druckverbreiterung der Abstimmbereich des Lasers erweitert werden
kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines linienabstimmbaren
Hybrid-Resonators,
welcher die eingangsgenannten Vorteile des Bandleiters ausnutzt
und die Nachteile umgeht.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein erfindungsgemäßes Littrow-Gitter geeigneter
Strukturierung als wellenlängenbestimmendes
Bauelement und gleichzeitig als Auskoppelelement Verwendung findet.
Bei konstanter Gitterperiode p wird dabei das Verhältnis zwischen
Gitterstegbreite und Gittergrabenbreite (im weiteren als Tastverhältnis t
bezeichnet) so variiert, daß ein
in x-Richtung veränderlicher
Auskopplungsgrad entsteht. Dabei wird die Reflexion in die –1. Littrow-Ordnung
wieder in den Resonator zurück
reflektiert, während
die 0. Littrow-Ordnung als Auskopplung Verwendung findet, also erfindungsgemäß nicht
als Verlust zu betrachten ist.
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Durch
die Variation des Tastverhältnisses entstehen
zwischen diesen Bereichen unterschiedlichen Tastverhälnisses
unterschiedliche Phasendifferenzen der reflektierten Wellen. Dies
führt also
dazu, daß das
Gitter nicht mehr als ebener Spiegel sondern in erster Näherung als
leicht gekrümmter
Spiegel mit einem großen
Krümmungsradius
zu betrachten ist. Dieser Effekt tritt natürlich bei einem herkömmlichen Gitter,
welches nicht tastverhältnismoduliert
ist, nicht auf, weshalb diese auch als ebene Spiegel zu betrachten
sind. Wie groß die
maximale Phasendifferenz der einzelnen Bereiche auf dem Gitter sind, hängt im wesentlichen
von der Gittertiefe ab, so daß man
das tastverhältnismodulierte
Gitter abhängig von
der Grabentiefe näherungsweise
entweder als ebenen oder als gekrümmten Spiegel betrachten kann.
D.h. auch, daß damit
der Einsatz instabiler Resonatoren durchaus wieder angezeigt sein
kann, da jetzt die Einschränkung,
daß Gitter
immer als ebene Spiegel zu beschreiben sind, wegfällt.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen
und von Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 schematisch
den Aufbau des linienabstimmbaren Flachkanalresonators mit dem entsprechenden
Reflexions (Littrow)-gitter und zwei Wellenleiterplatten, die als
HF-Elektroden ausgebildet sein können.
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2 die
Struktur eines beispielhaften binären Littrow-Gitters.
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3 die
Leistungsaufteilung in die 0. bzw. –1. Littrow-Ordnung in Abhängigkeit
vom Verhältnis Stegbreite
zu Grabenbreite bei konstanter Gitterperiode.
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4 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen gitterabstimmbaren
Resonators.
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5 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen gitterabstimmbaren
Resonators.
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In 1 sind
die beiden Wellenleiterplatten 3 und 4 dargestellt,
die einen rechteckigen Spalt der Breite w und der Höhe h ausbilden.
Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Littrow-Gitter 1 und
dem Spiegel 2 entsteht durch das unterschiedliche Verhältnis von
w zu h ein Hybridresoantor. Da h nur wenige Millimeter groß ist, breitet
sich das Licht in der y-Richtung entsprechend den Gesetzen klassischer
Wellenleiterresonatoren aus. Dagegen kann in x-Richtung von einer
Freiraumausbreitung des Lichtes ausgegangen werden. Ohne aktives
Medium kann dieser Hybridresonator z.B. als Transmissionsfilter
verwendet werden. Wird dagegen z.B. ein laserfähiges Medium in den Raum zwischen
die Wellenleiterplatten eingebracht, so kann zwischen dem Littrow-Gitter 1 und
dem Spiegel 2 ein Laserstrahl anschwingen. Das laserfähige Medium
besteht im beispielhaften Fall eines CO2-Lasers
z.B. aus einem mittels einer geeigneten HF-Quelle 5 angeregten
Plasma. Hierbei handelt es sich in der Regel bei den Wellenleiterplatten
um Metallkörper.
Andere aktive Medien, wie z.B. optisch gepumpte Laserkristalle (z.B. Nd-YAG-Kristalle)
sind denkbar. Nicht eingezeichnet sind die evtl. nötigen Kühlkanäle in den
Elektroden, sowie sämtliche
zur Aufrechterhaltung des etwaigen Unterdrucks nötigen Vakuumkomponenten.
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In 2 ist
ein kleiner Ausschnitt eines erfindungsgemäßen, beispielhaften binären Littrow-Gitters
(1) dargestellt. Die Leistungsaufteilung in die beiden
Littrow-Ordnungen findet bei konstanter Gitterperiode durch Variation
der Breite der Gitterstege (6) und der Breite der Gittergräben (7)
bei konstanter Gittertiefe statt. Weiterhin ergibt sich bei konstanter
Gittertiefe t aufgrund des unterschiedlichen Tastverhältnisses
der einzelnen Gitterbereiche eine unterschiedliche Phasendifferenz
der reflektierten Wellen. Ebenso können anstelle des gezeichneten
binären Gitters
auch andere Gittergrundstrukturen, z.B. sogenannte 'V-Groove'-Gitter verwendet
werden.
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In 3 ist
eine solche beispielhafte ortsabhängige Leistungsaufteilung durch
das Littrow-Gitter 1 schematisch dargestellt. In dem hier
gezeichneten Beispiel wird im oberen Bereich 30% der einfallenden Leistung
P1 in die –1. Littrow-Ordnung zurückreflektiert,
wohingegen idealerweise der verbleibende Rest von 70% in die 0.
Littrow-Ordnung gekoppelt wird. Im unteren Bereich dagegen wird
60% in die –1.
Littrow-Ordnung gekoppelt und die restlichen 40% in die 0. Ordnung.
Dieses unterschiedliche Verhalten wird beispielhaft allein durch
das unterschiedliche Verhältnis
von Gitterstegbreite zu Gittergrabenbreite bei konstanter Gitterperiode
p und konstanter Gittertiefe t eingestellt.
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In 4a ist
eine einfache Ausführungsform eines
Flachkanalresonators dargestellt. Zwischen dem Spiegel 2 und
dem ebenen Spiegel 8 bildet sich um die optische Achse 9 ein
gefalteter Laserstrahl 11 als sogenannter M-Mode aus. Die
Brennweite des Spiegels 2 entspricht dabei der Länge des
Resonators. Es sei hier auf den Artikel von Shaul Yatsiv et al., "Narrow Gaussian CO2 laser beam in an M mode of a rectangular
sheath cavity" in "SPIE Proceedings" vol. 1276 (1990)
hingewiesen. Der Spiegel zeichnet sich vor allem durch seinen in
x-Richtung ortsabhängigen
Reflexionsgrad aus. Über
zwei Drittel seiner Fläche
ist der Spiegel 8 vollreflektierend. Das verbleibende Drittel
ist teilreflektierend (hier beispielhaft 80% Leistungsreflexion),
wobei an dieser Stelle die Laserstrahlauskopplung stattfindet. Damit
sich der eingezeichnete M-Mode ergibt, muß man einen sogenannten Centerstop 10 einsetzen,
welcher die Eigenschaft haben soll, daß er kein Licht reflektiert.
Es ergibt sich somit eine einfache Möglichkeit zur Faltung des Laserstrahles
durch den Bandleiter.
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In 4b ist
die erste erfindungsgemäße Ausführungsform
eines gitterabstimmbaren Flachkanalresonators dargestellt. Der Strahlverlauf
in diesem Resonator entspricht dem Verlauf des Resonators aus 4a.
Auch hier bildet sich durch den Center-Stop 10 und dem
Resonatorspiegel 2 um die optische Achse 9 der
M-Mode 11 aus. Erfindungsgemäß wird lediglich der ebene
Spiegel 8 aus 4a durch ein erfindungsgemäßes Littrow-Gitter 1 geeignet
ersetzt. Das Littrow-Gitter 1 wird dabei in x-Richtung
geeignet strukturiert, um den in 4b dargestellten
beispielhaften Reflexionsverlauf für die –1. Littrow-Ordnung zu erzeugen.
Das Littrow-Gitter dient in diesem Aubau entsprechend seiner bekannten
Frequenzselektion als wellenlängenbestimmendes
Bauelement, so daß auf
diese Art ein gitterabstimmbarer Flachkanalresonator z.B. für Bandleiterlaser
entsteht.
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In 5a ist
eine weitere einfache beispielhafte Ausführungsform eines Flachkanalresonators dargestellt.
Der Resonatorspiegel 13 hat in dieser Ausführungsform
einen ortsabhängigen
Reflexionsverlauf entsprechend dem in 5a gezeichneten Verlauf.
Der Spiegelkrümmungsradius
des Spiegel 2 wird dabei so gewählt, das sich ein stabiler
Resonator ergibt. Es sei hier auf den Artikel von H. Zucker, "Optical Resonators
With Variable Reflectivity Mirrors" in "The
Bell System Technical Journal",
November 1970 hingewiesen. Der analytische Reflexionsfaktorverlauf
wird dabei durch eine 'Gauß'sche Glockenkurve' bzw. durch eine
sogenannte 'Supergauß'sche Glockenkurve' beschrieben. Es
bildet sich in diesem Resonator eine Feldverteilung 12 um
die optische Achse 9 ähnlich
der eines klassischen stabilen Resonators mit konstant reflektierenden
Spiegeln aus. Der hier beispielhaft gezeichnete Verlauf eines stabilen Resonators
läßt sich
auf den Fall eines instabilen erweitern. Für diesen Fall ergibt sich anstelle
der hier eingezeichneten Feldverteilung 12 eine Feldverteilung,
die eher der eines klassisch instabilen Resonators mit Gauß- bzw.
Supergaußförmiger Feldverteilung
entspricht.
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In 5b ist
die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform
eines gitterabstimmbaren Flachkanalresonators dargestellt. Im Vergleich
zu 5a wird hier lediglich der Spiegel 13 durch
ein erfindungsgemäßes Gitter 1 ersetzt.
Das Tastverhältnis des
Gitters wird dabei so in x-Richtung variiert, daß sich der beispielhaft eingezeichnete
Reflexionsfaktorverlauf für
die –1.
Littrow-Ordnung ergibt. Der Feldverlauf in diesem Resonator ist
dem des Resonators aus 5a ähnlich, wobei auch hier die
Resonatorkonfiguration wie in 5a entweder stabil
oder instabil sein kann. Der hier gezeichnete Fall entspricht dabei
dem Fall eines stabilen Resonators. Auch bei dieser zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform
eines linienabstimmbaren Bandleiterresonators dient die allseits
bekannte Frequenzselektion des Gitters 1 als wellenlängenbestimmende
Eigenschaft.
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Der
Patentanspruch 1 beschreibt die grundlegende Idee der Erfindung.
Im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen,
wie z.B. in dem Artikel von Ch. Budzinski et al., "Apodized outcouplers
for unstable resonators" in "SPIE Proceedings" Denhaag 1991 Vol. 1500/25
beschrieben, in denen die optimale Leistungsaufteilung durch eine
Gittertiefenmodulation bei konstantem Tastverhältnis des Littrow-Gitters (1)
vorgenommen wird, wird in dem der Erfindung zugrunde liegenden Fall,
die optimale Leistungsaufteilung bei konstanter Gittertiefe durch
eine Modulation des Tastverhältnisses
vorgenommen, was technologisch ein wesentlich einfacheres Konzept
darstellt.
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Der
Patentanspruch 2 beschreibt eine Möglichkeit zur optimalen Leistungsaufteilung
des Littrow-Gitters (1) gemäß 4b, während eine
andere optimale Möglichkeit
zur Leistungsaufteilung am Littrow-Gitter (1) gemäß der 5b in
den Patentansprüchen
3 und 4 beschrieben wird.
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Eine
mögliche
Alternative zu der im Patentanspruch 1 beschriebenen Form des binären Littrow-Gitters
(1) stellt die im Patentanspruch 5 dargestellte Form eines
V-Groove Gitters dar. Die V-Groove Struktur stellt sich hierbei
bei einer entsprechenden Kristallrichtung, z.B. in einem Silizium-Einkristall von
selbst beim Atzvorgang ein. Durch eine Modulation der Breite, welche
einhergeht mit einer automatischen Modulation der Grabentiefe, da
der Winkel der V-Grooves immer konstant bleibt, wird hier ebenfalls eine
vom Tastverhältnis
abhängige
Kopplung der einfallenden Leistung in die 0. bzw. –1. Beugungsordnung
erreicht, genauso wie dies bei einer Tastverhältnismodulation bei einem binären Littrow-Gitter
der Fall ist. Dieser Anspruch stellt somit eine fertigungstechnische
Alternative zu dem Fall eines Binärgitters dar.
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In
den Patentansprüchen
6 bis 8 werden verschiedene mögliche
Laserkonfigurationen dargestellt, bei denen in jedem Falle von der
Frequenzselektivität
des Verfahrens Gebrauch gemacht wird.
