DE19645093C2 - Wellenleiter-Lasersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem umfassend ein zwischen einander gegenüberliegenden Wellenleiterflächen eines optischen Wellenleiters angeordnetes laseraktives Medium, einen mittels Resonatorspiegeln ein kohärentes, den optischen Wellenleiter durchsetzendes Resonatorstrahlungsfeld defi­ nierenden Resonator, aus welchem mehrere relativ zueinander kohärente Strahlungsfelder austreten, ein Kopplungselement, zu welchem die mehreren Strahlungsfelder als ausgekoppelte Strahlungsfelder geführt sind und das die mehreren Strah­ lungsfelder phasendefiniert zueinander zu einem einzigen kohärenten Ausgangsstrahlungsfeld vereinigt.

Ein derartiges Lasersystem ist aus der DE 42 03 225 A1 oder der DE 44 07 710 A1 bekannt. Bei diesen Lasersystemen erfolgt die Zusammenführung mehrerer ausgekoppeler Strahlungsfelder durch sogenannte Axicons, die jedoch nur für eine Vielzahl von zu einer Achse symmetrisch angeordneter Strahlungsfelder geeignet sind.

Ein weiteres Lasersystem ist aus der DE-39 43 373 A1 bekannt. Bei diesem Lasersystem treten zwar mehrere zueinander kohärente Strahlungsfelder aus dem Resonator aus, es werden aber alle bis auf eines zurückreflektiert und dieses eine ausgekoppelte Strahlungsfeld dient als Ausgangsstrahlungs­ feld.

Bei derartigen Lasersystemen besteht nun das Problem, höhere Leistungen zu erreichen, was eine Vergrößerung des für das laseraktive Medium zur Verfügung stehenden Volumens erforder­ lich macht. Üblicherweise wird dies auch durch ein vergrößer­ tes Resonatorstrahlungsfeld und einen entsprechend vergrößer­ ten Wellenleiter erreicht.

Dabei hat sich jedoch gezeigt, daß bei einer derartigen Ver­ größerung des Resonatorstrahlungsfeldes die Auskopplung größerer Leistungen Probleme bereitet, da aufgrund einer Vielzahl geometrischer Einflüsse die Querschnittsfläche des ausgekoppelten Strahlungsfeldes nicht in gleicher Weise ver­ größert werden kann, wie das Resonatorstrahlungsfeld selbst und der Wellenleiter.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Laser­ system der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei welchem auch bei nicht ringförmig geschlossenen Resonatorstrahlungsfeldern höhere Laserleistungen erreichbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Lasersystem der eingangs be­ schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Bildung eines einzigen Ausgangsstrahlungsfeldes mehrere kaskadenartig angeordnete Kopplungselemente vorgesehen sind.

Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt somit auch bei Laser­ systemen entsprechend der Lehre der DE 39 43 373 A1, mehrere Strahlungsfelder aus dem Resonator auszukoppeln, um nur ein ausgekoppeltes Strahlungsfeld zu erhalten, in welchem über dessen Querschnitt eine definierte Phasenrelation gegeben ist.

Erfindungsgemäß ist es somit möglich, bei mehr als zwei Strahlungsfeldern ein einziges Ausgangsstrahlungsfeld in ein­ facher Weise bilden zu können, wobei vorzugsweise jedes der Kopplungselemente zwei Strahlungsfelder miteinander zu einem einzigen Strahlungsfeld vereinigt, das dann wiederum mit einem weiteren Strahlungsfeld durch ein weiteres Kopplungs­ element vereinigt wird.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird im Gegensatz dazu die Tatsache, daß einerseits in dem Resonator ein einziges Reso­ natorstrahlungsfeld vorliegt, andererseits aus dem Resonator aufgrund seiner Konfiguration mehrere Strahlungsfelder aus­ treten, vorteilhafterweise ausgenutzt, um trotz eines auf­ grund vielfacher geometrischer Effekte begrenzten Quer­ schnitts der einzelnen Strahlungsfelder insgesamt möglichst viel Leistung aus dem Resonatorstrahlungsfeld auszukoppeln und diese Leistung nun für eine Hochleistungsanwendung zu einem einzigen kohärenten Ausgangsstrahlungsfeld phasendefi­ niert zu vereinigen, so daß dieses Ausgangsstrahlungsfeld, obwohl es aus den mehreren einzelnen Strahlungsfeldern wie­ derum zusammengesetzt ist, über seinen ganzen Querschnitt eine definierte Phasenrelation aufweist und somit in vorteil­ hafter Weise abbildbar und insbesondere fokussierbar ist.

Um eine phasendefinierte Vereinigung der einzelnen Strah­ lungsfelder zu erreichen, wäre es erforderlich, definiert lange Lichtwege für diese Strahlungsfelder vom Resonator­ strahlungsfeld bis zum Kopplungselement zu schaffen. Da dieses aufwendig ist und auch gegebenenfalls Korrekturen erforderlich sind, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß mindestens ein Strahlungsfeld vor dem Kopplungselement ein Phasenjustierelement durchläuft, so daß dieses relativ zu einem anderen Strahlungsfeld phasenjustierbar ist.

Hinsichtlich der Vereinigung der einzelnen Strahlungsfelder durch das Kopplungselement zu einem einzigen Ausgangsstrah­ lungsfeld sind die unterschiedlichsten Möglichkeiten denkbar. So ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn das Kopplungsele­ ment die Strahlungsfelder in dem Ausgangsstrahlungsfeld über­ einanderlegt, d. h., daß das Ausgangsstrahlungsfeld im wesentlichen denselben Querschnitt aufweist wie jedes einzelne der Strahlungsfelder, die in diesem übereinander­ liegend angeordnet sind.

Alternativ ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß das Kopplungselement die einzelnen Strahlungsfelder in dem Aus­ gangsstrahlungsfeld nebeneinander anordnet, so daß letztlich der Querschnitt des Ausgangsstrahlungsfeldes dem Vielfachen des Querschnitts der einzelnen Strahlungsfelder entspricht.

Hinsichtlich der Phasenverhältnisse in dem Ausgangsstrah­ lungsfeld sind die unterschiedlichsten Möglichkeiten denkbar. Beispielsweise wäre es denkbar, die Phasenverhältnisse so zu legen, daß sich das Ausgangsstrahlungsfeld aufgrund der Über­ lagerung der einzelnen Strahlungsfelder mit unterschiedlicher Phase selbst fokussiert.

Um das Ausgangsstrahlungsfeld konventionell einsetzen zu können, ist jedoch im einfachsten Fall vorgesehen, daß das Ausgangsstrahlungsfeld im wesentlichen ebene Wellenfronten aufweist und somit in einfacher Weise, insbesondere wie ein paralleles Strahlungsbündel, fokussierbar ist.

Im Idealfall sind die aus dem einzigen Resonatorstrahlungs­ feld ausgekoppelten Strahlungsfelder vollständig zueinander kohärent. Dieser Idealfall ist jedoch in der Praxis schwer zu erreichen. Es ist jedoch besonders vorteilhaft, wenn die meh­ reren Strahlungsfelder mindestens eine Kohärenzlänge von 50 cm aufweisen.

Hinsichtlich der Ausbildung des Resonators wurden im Zusam­ menhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausfüh­ rungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß der Resonator als instabiler Resonator ausgebildet ist. Ein der­ artiger instabiler Resonator ist vorzugsweise so aufgebaut, daß sich das Strahlungsfeld in einer transversalen Richtung quer zur Resonatorachse und in einer longitudinalen Richtung parallel zur Resonatorachse ausbreitet.

Um hinsichtlich der Fokussierbarkeit der austretenden Strah­ lungsfelder möglichst optimale Bedingungen zu erhalten, ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Resonator als im transversa­ len Grundmode arbeitender instabiler Resonator ausgebildet ist. Ein derartiger instabiler Resonator hat den Vorteil, daß die ausgekoppelten Strahlungsfelder im Querschnitt keine modenbedingten Intensitätsvariationen aufweisen.

Die Resonatorspiegel des instabilen Resonators können prinzi­ piell alle Formen aufweisen, die aus den bislang bekannten Lösungen für instabile Resonatoren bekannt sind. Eine beson­ ders vorteilhafte Lösung sieht jedoch vor, daß der Resonator Resonatorspiegel aufweist, welche in der quer zur Resona­ torachse verlaufenden transversalen Richtung, in welcher sich das Resonatorstrahlungsfeld ausbreitet, gekrümmt sind, senk­ recht zur transversalen Richtung und quer zur Resonatorachse jedoch krümmungsfrei ausgebildet sind.

Mit einer derartigen Lösung wird zwar auf eine zusätzliche Fokussierung durch die Resonatorspiegel verzichtet. Dies ist jedoch insofern wenig nachteilig, als die Wellenleiterflächen sich quer zur Resonatorachse und parallel zur transversalen Richtung erstrecken und somit quer zur transversalen Richtung eine Aufweitung des Resonatorstrahlungsfeldes verhindern.

Besonders vorteilhaft lassen sich derartige, lediglich in einer Richtung gekrümmte Resonatorspiegel dann realisieren, wenn die Resonatorspiegel zylindrische Spiegelflächen auf weisen. Derartige zylindrische Spiegelflächen lassen sich be­ sonders einfach herstellen. Um möglichst einfach zu führende und einfach zu vereinigende, aus dem Resonator austretende Strahlungsfelder zu erhalten, ist vorteilhafterweise vorge­ sehen, daß der Resonator paarweise konfokal zueinander ange­ ordnete Resonatorspiegel aufweist.

Ein erfindungsgemäßes Lasersystem kann im einfachsten Fall so ausgebildet sein, daß es einen aus zwei Resonatorspiegeln aufgebauten Resonator aufweist, welcher mehrere, im Fall eines instabilen Resonators vorzugsweise zwei, ausgekoppelte Strahlungsfelder aufweist.

Um jedoch besonders hohe Leistungen zu erreichen, und insbe­ sondere hohe Leistungen durch eine Vielzahl von ausgekoppel­ ten Strahlungsfeldern zu erreichen, ist es jedoch besonders vorteilhaft, wenn der Resonator mehrere von dem kohärenten Resonatorstrahlungsfeld durchsetzte Resonatorabschnitte auf­ weist, welche es ermöglichen, den Resonator möglichst kompakt aufzubauen und somit eine möglichst hohe Leistung in mög­ lichst raumsparender Bauweise zu erhalten.

Dabei ist es beispielsweise denkbar, das Resonatorstrahlungs­ feld so zu konzipieren, daß einzelne Resonatorabschnitts­ strahlungsfelder der Resonatorabschnitte Zweige des Resona­ torstrahlungsfeldes sind und beispielsweise von diesem aus­ gehen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, insbesondere um einen einheitlichen Mode des Resonatorstrahlungsfeldes zu definieren, wenn das Resonatorstrahlungsfeld die Resonator­ abschnitte in Strahlungsausbreitungsrichtung aufeinander­ folgend durchsetzt.

Im einfachsten Fall läßt sich ein derartig konzipiertes Reso­ natorstrahlungsfeld dadurch realisieren, daß aufeinanderfol­ gende Resonatorabschnitte mit ihren Resonatorabschnittsachsen einen spitzen Winkel miteinander einschließen und somit die Resonatorabschnitte "V-ähnlich" oder bei mehreren Resonator­ abschnitten "zickzack-ähnlich" zueinander verlaufen.

Um bei der vorstehend beschriebenen Art der Anordnung der Resonatorabschnitte relativ zueinander mit möglichst ein­ fachen Mitteln ein durchgängiges und modendefiniertes Reso­ natorstrahlungsfeld zu erhalten, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Resonatorabschnittsstrahlungsfelder aufeinanderfol­ gender Resonatorabschnitte durch einen als Resonatorab­ schnittskoppler angeordneten Resonatorspiegel gekoppelt sind.

Um jegliche Art von Verzerrungen zu vermeiden, ist vorteil­ hafterweise vorgesehen, daß der als Resonatorabschnittskopp­ ler ausgebildete Resonatorspiegel das gesamte Resonatorab­ schnittsstrahlungsfeld des einen Resonatorabschnitts parallel zu einer einzigen Reflexionsebene mit demselben Reflexions­ winkel in den anderen Resonatorabschnitt reflektiert.

Insbesondere bei zylindrischen Resonatorspiegeln ist vorzugs­ weise vorgesehen, daß auch die Krümmungsachsen der Resonator spiegel in der Reflexionsebene liegen, so daß dadurch eben­ falls keinerlei Verzerrungen bei der Reflexion der Resonator­ abschnittsstrahlungsfelder auftreten.

Vorzugsweise verläuft die Reflexionsebene senkrecht zu den Wellenleiterflächen, so daß aufgrund des geringen Abstandes der Wellenleiterflächen im Verhältnis zu ihrer Erstreckung in transversaler und longitudinaler Richtung die Neigung des Resonatorabschnittkopplers relativ zu den Wellenleiterflächen das Resonatorabschnittsstrahlungsfeld nicht oder nur un­ wesentlich verzerrt.

Eine besonders vorteilhafte und insbesondere hinsichtlich des Resonatorstrahlungsfeldes optimale Konfiguration sieht vor, daß alle Reflexionsebenen aller als Resonatorabschnittskopp­ ler ausgebildeten Resonatorspiegel parallel zueinander ver­ laufen, vorzugsweise in einer einzigen Ebene liegen. In die­ sem Fall erfolgt jeweils nur eine streng symmetrische Refle­ xion der jeweiligen Resonatorabschnittsstrahlungsfelder durch die Resonatorabschnittskoppler und somit werden Verzerrungen bei der Reflexion weitestgehend vermieden.

Prinzipiell wäre es möglich, die einzelnen Resonatorab­ schnittsstrahlungsfelder unterschiedlich zu formen. Eine besonders zweckmäßige Lösung sieht jedoch vor, daß die ein­ zelnen Resonatorabschnittsstrahlungsfelder identisch ausge­ bildet sind. D. h., daß die diese Resonatorabschnittsstrah­ lungsfelder definierenden Resonatorspiegel für jedes dieser Resonatorabschnittsstrahlungsfelder die identische Konfigura­ tion darstellen, d. h. vorzugsweise paarweise identisch ge­ formt und identisch relativ zueinander angeordnet sind.

Um im Falle der Verwendung eines aus mehreren Resonatorab­ schnitten aufgebauten Resonators ebenfalls eine möglichst hohe Leistung auszukoppeln, insbesondere bei begrenztem Quer­ schnitt des einzelnen Strahlungsfeldes, ist vorzugsweise vor­ gesehen, daß aus jedem Resonatorabschnittsstrahlungsfeld min­ destens ein Strahlungsfeld ausgekoppelt ist.

Noch vorteilhafter ist es, wenn aus jedem Resonatorab­ schnittsstrahlungsfeld zwei Strahlungsfelder ausgekoppelt sind.

Dies läßt sich besonders zweckmäßig dann realisieren, wenn jedes der Resonatorabschnittsstrahlungsfelder symmetrisch zur Resonatorachse ausgebildet ist und die beiden Strahlungs­ felder ebenfalls symmetrisch zur Resonatorachse austreten.

Hinsichtlich der Ausbildung des laseraktiven Mediums wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Beschreibung der einzelnen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lasersystems keine näheren Angaben gemacht. So wäre es beispielsweise denkbar, als laseraktives Medium einen Festkörper zu verwenden. Beson­ ders vorteilhaft ist es jedoch, wenn das laseraktive Medium ein Gas, beispielsweise CO₂, ist.

Ferner könnte das laseraktive Medium außerhalb des Wellen­ leiters angeregt und beispielsweise umgewälzt und gekühlt werden. Ein besonders für einen Wellenleiter geeignetes Konzept sieht jedoch vor, daß das laseraktive Medium in dem Wellenleiter diffusionsgekühlt ist.

Um ferner eine besonders vorteilhafte Anregung des laserakti­ ven Mediums zu erreichen, ist vorgesehen, daß das laseraktive Medium durch Hochfrequenz angeregt ist. Eine derartige Anre­ gung des laseraktiven Mediums durch Hochfrequenz läßt sich besonders einfach dadurch realisieren, daß der optische Wellenleiter zwei die Wellenleiterflächen tragende Elektroden aufweist, so daß zwischen den Wellenleiterflächen eine Hoch­ frequenzentladung generierbar ist, über welche eine Anregung des gasförmigen laseraktiven Mediums erfolgt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Dar­ stellung einiger Ausführungsbeispiele. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematisch perspektivische Darstellung eines der erfindungsgemäßen Lösung zugrunde­ liegenden Lasersystems;

Fig. 2 einen Schnitt längs Linie 2-2 durch einen Resonator des Lasersystems gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 einer ersten Variante des Lasersystems gemäß Fig. 1;

Fig. 4 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 einer zweiten Variante des Lasersystems gemäß Fig. 1;

Fig. 5 eine schematische perspektivische Darstellung ähnlich Fig. 1 eines ersten Ausführungsbei­ spiels eines erfindungsgemäßen Lasersystems;

Fig. 6 einen Schnitt in einer in Fig. 5 mit 6-6 an­ gedeuteten Ebene, in welcher eine Resonator­ achse des Lasersystems liegt mit zeichnerisch nicht dargestelltem Wellenleiter;

Fig. 7 einen Schnitt längs Linie 7-7 durch beide in Fig. 5 dargestellte Resonatorabschnitte, wobei die Resonatorabschnitte aufgeklappt nebeneinander angeordnet sind;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels in Draufsicht und

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels in Draufsicht.

Ein in Fig. 1 dargestelltes Lasersystems umfaßt einen als Ganzes mit 10 bezeichneten Resonator, welcher Resonatorspiegel 12 und 14 umfaßt. Ein durch die Resonatorspiegel 12 und 14 definiertes Resonatorstrahlungsfeld 16 wird dabei zwischen den Resonator­ spiegeln 12 und 14 von einem als Ganzes mit 18 bezeichneten optischen Wellenleiter oder Bandleiter geführt, welcher ein­ ander zugewandte Wellenleiterflächen 20 und 22 aufweist, die im wesentlichen im konstanten Abstand zueinander verlaufen und das Laserstrahlungsfeld durch Hin- und Herreflexion zwi­ schen den Resonatorspiegeln 12 und 14 führen.

Die Wellenleiterflächen 20 und 22 erstrecken sich dabei einerseits in einer longitudinalen Richtung L parallel zu einer optischen Achse 24 des Resonators 10 und in einer transversalen Richtung T quer zu dieser über die gesamte Er­ streckung der Resonatorspiegel 12 und 14 quer zur optischen Achse 24 und parallel zu den Wellenleiterflächen 20 und 22.

Wie in Fig. 2 im Schnitt dargestellt, weist der Resonator­ spiegel 12 eine zu einer senkrecht zur Zeichenebene stehenden Krümmungsachse zylindrische Resonatorspiegelfläche 32 auf und der Resonatorspiegel 14 eine ebenfalls zu einer senkrecht zur Zeichenebene stehenden Krümmungsachse verlaufende zylindri­ sche Resonatorspiegelfläche 34, wobei die Resonatorspiegel­ flächen 32 und 34 konfokal zueinander angeordnet sind und der Fokus auf der optischen Achse 24 liegt.

Der Resonator 10 kann dabei als sogenannter konfokaler Reso­ nator mit "positivem Zweig" ausgebildet sein, wie in Fig. 2 dargestellt, oder auch als konfokaler instabiler Resonator mit einem sogenannten "negativen Zweig", wobei in diesem Fall nicht nur die Resonatorspiegelfläche 32 konkav gewölbt ist, sondern auch die Resonatorspiegelfläche 34.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten eines instabilen Resonator erfolgt ein Anschwingen entsprechend der vom Resonator definierten Wellenlänge im Bereich der optischen Achse 24 und dann durch Hin- und Herreflexion zwischen den Resonatorspiegeln 12 und 14 eine Ausbreitung des Resona­ torstrahlungsfeldes quer zur optischen Achse 24 und parallel zur den Wellenleiterflächen 20 und 22 bis zu einem äußeren Teilstrahlungsfeld 36 des Resonatorstrahlungsfeldes 16, wel­ ches dann ausgehend vom konkaven Resonatorspiegel 12 sich in Richtung des Resonatorspiegels 14 ausbreitet und seitlich an diesem vorbei aus dem Resonator 10 in Form eines Strahlungs­ feldes austritt.

Da die Resonatorspiegel 12 und 14 symmetrisch zur optischen Achse 24 liegen, breitet sich das Resonatorstrahlungsfeld auch entsprechend symmetrisch zu dieser aus, so daß ebenfalls symmetrisch zur optischen Achse 24 die Teilstrahlungsfelder 36a und 36b entstehen, welche dann nach Verlassen des Resona­ tors 10 die beiden ausgekoppelten Strahlungsfelder 38a und 38b ergeben, wobei beide Strahlungsfelder 38a und 38b auf­ grund der sich längs der optischen Achse 24 ergebenden An­ schwingbedingung des Resonators 10 aus einem einzigen kohärenten Resonatorstrahlungsfeld 16 stammen und somit selbst kohärent sind und auch relativ zueinander eine definierte Phase aufweisen.

Diese kohärenten Strahlungsfelder 38a und 38b werden, wie in Fig. 1 dargestellt, durch eine Umlenkoptik 40a und 40b so um­ gelenkt, daß sie ungefähr parallel zur optischen Achse 24 längs des Wellenleiters 18 verlaufen und dann wieder durch eine Umlenkoptik 42a und 42b umgelenkt werden, und zwar zu einem als Ganzes mit 44 bezeichneten Kopplungselement.

Jede der Umlenkoptiken 42a, 42b umfaßt einen zylindrischen Spiegel 43a, 43b, welcher eine Divergenz der Strahlungsfelder 38a, 38b korrigiert und somit sich im wesentlichen weder divergent noch konvergent, d. h. mit im wesentlichen konstant bleibendem Querschnitt, ausbreitende Strahlungsfelder 38a, 38b formt. Das nachfolgende Kopplungselement 44 vereinigt diese beiden Strahlungsfelder 38a und 38b, indem es diese übereinanderlegt und damit ein Ausgangsstrahlungsfeld 46 formt.

Das Kopplungselement 44 ist dabei ähnlich wie ein Michelson- Interferometer aufgebaut und umfaßt eine halb durchlässige, halb reflektierende Platte 48, welche jeweils einen Teil der Strahlungsfelder 38a oder 38b reflektiert und den anderen Teil hindurchtreten läßt und somit zwei Überlagerungsstrah­ lungsfelder 50 und 52 erzeugt, wobei in dem Überlagerungs­ strahlungsfeld 50 die beiden Strahlungsfelder 38a und 38b mit derart definierter Phase überlagert sind, daß eine konstruk­ tive Interferenz entsteht, während in dem Überlagerungsstrah­ lungsfeld 52 die beiden Strahlungsfelder 38a und 38b derart überlagert sind, daß eine destruktive Interferenz entsteht. Die konstruktive Interferenz im Überlagerungsstrahlungsfeld 50 und die destruktive Interferenz im Überlagerungsstrah­ lungsfeld 52 lassen sich durch Justierung der Phasen der Strahlungsfelder 38a und 38b relativ zueinander einstellen, wobei die destruktive Interferenz mit Hilfe eines Detektors 54, welcher die Intensität des Überlagerungsstrahlungsfelds 52 erfaßt, einstellbar ist.

Die Einstellung der Phasen der Strahlungsfelder 38a und 38b kann in einfacher Art und Weise dadurch erfolgen, daß eines der Umlenkelemente 42b als Phasenjustierelement ausgebildet ist und über eine Positioniervorrichtung 56, beispielsweise der zylindrische Spiegel, so definiert positionierbar ist, daß sich die relative Phasenlage zwischen dem Strahlungsfeld 38a und dem Strahlungsfeld 38b einstellen läßt.

Im Optimalfall mißt der Sensor 54 die Intensität null, d. h., im Überlagerungsstrahlungsfeld führt die destruktive Inter­ ferenz zu einer Auslöschung der beiden Strahlungsfelder 38a und 38b. Im Gegensatz dazu führt dann die konstruktive Inter­ ferenz im Überlagerungsstrahlungsfeld 50 zur Ausbildung des Ausgangsstrahlungsfeldes 46 mit sich quer zur Ausbreitungs­ richtung 60 des Ausgangsstrahlungsfeldes 46 erstreckenden und zu einer Ebene 62 parallel verlaufenden Wellenfronten, so daß sich das Ausgangsstrahlungsfeld in einfacher Art und Weise fokussieren läßt.

Bei einer ersten Variante des Lasersystems gemäß Fig. 1, dargestellt in Fig. 3, sind diejenigen Teile, die mit denen des ersten Ausführungsbeispiels identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel umfaßt das Kopp­ lungselement 44' keinen halbdurchlässigen Spiegel 48, sondern einen reflektierenden Spiegel 68, welcher das Strahlungsfeld 38a so reflektiert, daß dieses neben dem Strahlungsfeld 38b und parallel zur Ausbreitungsrichtung 60 desselben verläuft. Bei Einstellung der Phase der Strahlungsfelder 38a und 38b zueinander besteht die Möglichkeit, in dem gesamten Ausgangs­ strahlungsfeld 46' ebenfalls eine Phasenbeziehung zwischen dem Strahlungsfeld 38a und 38b in der Art herzustellen, daß insgesamt zu der Ebene 62 parallele Wellenfronten sich im Ausgangsstrahlungsfeld 46 in Ausbreitungsrichtung 60 aus­ breiten.

Bei einer zweiten Variante des Lasersystems gemäß Fig. 1, dargestellt in Fig. 4, wird das jeweilige Strahlungsfeld 38a und 38b nach Symmetrisierung durch die zylindrischen Spiegel 43a bzw. 43b durch das Kopplungselement 44'' mittels einer Einkoppeloptik 70a bzw. 70b in jeweils einen Lichtleiter 72a bzw. 72b an dessen einem Ende 74a bzw. 74b eingekoppelt, wobei dann der jeweilige Lichtleiter 72a bzw. 72b das Strah­ lungsfeld zu einem zweiten Ende 76a bzw. 76b führt, so daß das Strahlungsfeld 38a bzw. 38b aus diesem jeweiligen Ende austritt und mittels einer weiteren Optik 78a bzw. 78b zu jeweils einem parallel verlaufenden Strahlungsfeld 38'a bzw. 38'b geformt wird. Dabei liegen die Optiken 78a bzw. 78b so nebeneinander, daß auch die Strahlungsfelder 38'a bzw. 38'b in gleicher Weise wie bei der ersten Variante des ersten Aus­ führungsbeispiels nebeneinander liegen und ein in der Aus­ breitungsrichtung 60 sich ausbreitendes Ausgangsstrahlungs­ feld 46'' bilden, dessen gemeinsame sich in der Ausbreitungs­ richtung 60 ausbreitende Wellenfronten parallel zu den Ebenen 62 liegt, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehen.

Die Realisierung derartiger Optiken 78a und 78b ist bei­ spielsweise in der DE 196 03 111 A1 beschrieben, auf welche diesbezüglich vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lösung, dargestellt in Fig. 5, umfaßt der Resonator 10' zwei Resonatorabschnitte 10 ₁ und 10 ₂, welche im Prinzip genauso aufgebaut sind, wie der Resonator 10 des ersten Ausführungs­ beispiels. D. h., daß jeder Resonatorabschnitt 10 ₁ oder 10 ₂ ein Resonatorabschnittsstrahlungsfeld 16 ₁ bzw. 16 ₂ aufweist, das einerseits durch einen konvexen Spiegel 14 ₁ und 14 ₂ defi­ niert ist und andererseits durch einen konkaven Spiegel 12 ₁,₂, welcher gleichzeitig als Resonatorabschnittskoppler dient.

Zur Definition des Resonatorabschnittsstrahlungsfeldes 10 ₁ sind der konvexe Resonatorspiegel 14 ₁ und der konkave Resona­ torspiegel 12 _1,2 ebenfalls als zylindrische Spiegel ausgebil­ det, in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel und außerdem ebenfalls konfokal zueinander angeordnet. Das Resonatorabschnittsstrahlungsfeld 10 ₂ ist identisch mit dem Resonatorabschnittsstrahlungsfeld 10 ₁, so daß auch die rela­ tive Anordnung der Resonatorspiegel 14 ₂ und 12 _1,2 zueinander identisch ist.

Dabei stehen allerdings Krümmungsachsen 84 ₁ und 84 ₂ der kon­ vexen Resonatorspiegel 14 ₁ und 14 ₂ senkrecht auf dem jeweili­ gen Resonatorachsenabschnitt 24 ₁ bzw. 24 ₂, während die Krüm­ mungsachse 82 _1,2 des Resonatorspiegels 12 _1,2 senkrecht auf einer Winkelhalbierenden 86 _1,2 der Resonatorabschnittsachsen 24 ₁ und 24 ₂ steht, wie in Fig. 6 dargestellt.

Damit wird jede im Resonatorabschnitt 10 ₁ sich ausbreitende und auf die Resonatorspiegelfläche 32 _1,2 des Resonatorspiegels 12 _1,2 auftreffende Strahlung in den anderen Resonator als 10₂ reflektiert und umgekehrt.

Folglich bildet sich in dem Resonator 10', der aus den beiden Resonatorabschnitten 10 ₁ und 10 ₂ ausgebildet ist, ein ein­ heitliches Resonatorstrahlungsfeld 16' aus, welches die Resonatorabschnittsstrahlungsfelder 16 ₁ und 16 ₂ umfaßt, obwohl jeder einzelne Resonatorabschnitt 10 ₁ bzw. 10 ₂ mit Spiegeln 14 ₁, 12 _1,2 bzw. 14 ₂, 12 _1,2 abgeschlossen ist, die zu einander konfokal sind und damit gemäß den Bedingungen eines instabilen Resonators ausgebildet sind, dessen Strahlungsfeld sich ausgehend von der jeweiligen Resonatorabschnittsachse 24 ₁ bzw. 24 ₂ sich quer zu dieser ausbreitet.

Bei dieser Lösung spannen die beiden Resonatorabschnitts­ achsen 24 ₁ und 24 ₂ eine Ebene 88 auf, die in Fig. 6 der Zeichnungsebene entspricht, in welcher auch die Krümmungs­ achsen 84 ₁ und 84 ₂ der zylindrischen konvexen Spiegel 14 ₁ und 14 ₂ sowie die Krümmungsachse 82 _1,2 des zylindrischen konkaven Spiegels 12 _{1, 2} und außerdem auch die Winkelhalbierende 86 _1,2 liegen (Fig. 6).

Der Strahlenverlauf ist nochmals schematisch erläutert anhand der Fig. 7. Ein Anschwingen des Resonators 10' erfolgt übli­ cherweise mit der durch die Resonatorachse 24, umfassend die Resonatorabschnittsachsen 24 ₁ und 24 ₂, vorgegebenen Länge, wobei eine dann beispielsweise auf den Resonatorspiegel 14 ₁ auftreffende Strahlung von diesem quer zur Resonatorab­ schnittsachse 24 ₁ reflektiert wird und auf die Resonator­ spiegelfläche 32 _1,2 des Resonatorspiegels 12 _1,2 auftrifft. Von dieser reflektierenden Fläche 32 _1,2 wird die Strahlung vom ersten Resonatorabschnitt 10 ₁ gleichzeitig in den zweiten Resonatorabschnitt 10 ₂ reflektiert und breitet sich dort un­ gefähr parallel zur Resonatorabschnittsachse 24 ₂ auf, trifft auf den Resonatorspiegel 14 ₂ und wird von diesem wiederum quer zur Resonatorabschnittsachse 24 ₂ und von dieser weg in Richtung des Resonatorspiegels 12 _{1, 2} reflektiert und dann wieder von dessen Resonatorspiegelfläche 24 _1,2 aus dem Reso­ natorabschnitt 10 ₂ in den Resonatorabschnitt 10 ₁, in welchem sich dann die Strahlung wieder parallel zur Resonatorab­ schnittsachse 24 ₁ in Richtung des Resonatorspiegels 14 ₁ aus­ breitet usw. Hieraus ist erkennbar, daß durch diese Konfigu­ ration sich in beiden Resonatorabschnitten 10 ₁ und 10 ₂ ein einheitliches Strahlungsfeld ausbildet, wobei, wie ebenfalls aus Fig. 7 erkennbar, aus jedem der Resonatorabschnitte 10 ₁ und 10 ₂ zwei Strahlungsfelder 38a₁ und 38b₁ bzw. 38a₂ und 38b₂ austreten, so daß insgesamt vier aus dem gesamten Resonator 10' ausgekoppelte Strahlungsfelder 38a₁, 38b₁, 38a₂, 38b₂ vor­ handen sind.

Diese ausgekoppelten Strahlungsfelder 38a₁, 38b₁ und 38a₂, 38b₂ werden zu Kopplungselementen 44 ₁ bzw. 44 ₂ geführt und von diesen paarweise zu Strahlungsfeldern 38 ₁ bzw. 38 ₂ vereinigt. Diese wiederum werden von einem Kopplungselement 44 zu dem Ausgangsstrahlungsfeld 46'' vereinigt.

Diese kaskadenähnliche Vereinigung der einzelnen ausgekoppel­ ten Strahlungsfelder 38a₁, 38b₁ sowie 38a₂, 38b₂ mittels kaskadenähnlich angeordneten Kopplungselementen 44 ₁, 44 ₂, 44 kann entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel oder der ersten Variante des ersten Ausführungsbeispiels erfolgen.

Ein in Fig. 8 dargestelltes zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lasersystems zeigt einen Resonator 10'', welcher eine Vielzahl von Resonatorabschnitten 10 ₁, 10 ₂, 10 ₃, 10 ₄, 10 ₅, 10 ₆, 10 ₇ und 10 ₈ aufweist, welche sukzessive mitein­ ander gekoppelt sind. Die Resonatorabschnitte 10 ₁ bis 10 ₈ sind identisch und im Prinzip in gleicher Weise aufgebaut, wie beim zweiten Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied jedoch, daß nicht nur der Resonatorspiegel 12 _{1, 2} als Resona­ torabschnittskoppler ausgebildet ist, sondern auch der Reso­ natorspiegel 14 _2,3, in gleicher Weise die weiteren Resonator­ spiegel 12 ₃,₄, 12_5,6 und 12_6,7 sowie auch die Resonatorspiegel 14 _4,5 und 14 _6,7. Lediglich die Resonatorspiegel 14 ₁ und 14 ₈ sind in gleicher Weise ausgebildet und angeordnet wie die Resona­ torspiegel 14 ₁ und 14 ₂ des zweiten Ausführungsbeispiels.

Somit treten aus jedem der Resonatorabschnitte 10 ₁ bis 10 ₈ jeweils zwei Strahlungsfelder 38a und 38b beiderseits der jeweiligen Resonatorspiegel 14 aus, die zu einem Kopplungs­ element geführt und von diesem phasendefiniert zu dem Aus­ gangsstrahlungsfeld 46 mit im wesentlichen ebener Wellenfront vereinigt werden.

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 9, umfaßt der Resonator 10''' ebenfalls eine Vielzahl von Reso­ natorabschnitten 10 ₁ bis 10 ₁₂, die alle dadurch zyklisch mit­ einander gekoppelt sind, daß sämtliche Resonatorspiegel 12 und 14 als Resonatorabschnittskoppler ausgebildet sind, so daß sich ein sämtliche Resonatorabschnitte 10 ₁ bis 10 ₁₂ durch setzendes Resonatorstrahlungsfeld 16''' ergibt, wobei in jedem der Resonatorabschnitte 10 ₁ bis 10 ₁₂ zwei Strahlungs­ felder 38a und 38b ausgekoppelt, zu dem Kopplungselement geführt und phasendefiniert miteinander zu dem Ausgangs­ strahlungsfeld 46 vereinigt werden.

Bei allen Ausführungsbeispielen wurde bislang davon ausge­ gangen, daß die Resonatorspiegel 12 und 14 ein symmetrisch zur Resonatorachse 24 sich ausbildendes Resonatorstrahlungs­ feld 16 erzeugen. Es ist aber auch denkbar, die Resonator­ spiegel 12 und 14 so auszubilden, daß sie sich nur zu einer Seite der Resonatorachse 24 hin erstrecken und somit ein sich nur zu einer Seite der Resonatorachse 24 hin ausdehnendes Resonatorstrahlungsfeld erzeugt, welches dann die Hälfte des symmetrischen Resonatorstrahlungsfeldes darstellt, wie bei­ spielsweise in der EP 0 305 893 A2 offenbart.

Bei allen Ausführungsbeispielen wurde nicht näher definiert, wie das laseraktive Medium ausgebildet sein voll. Vorzugs­ weise ist als laseraktives Medium ein Gas vorgesehen, welches zwischen den Wellenleiterflächen 20 und 22 des jeweiligen Wellenleiters 18 angeordnet ist. Dieses Lasergas kann in unterschiedlichster Art und Weise angeregt werden. Beispiels­ weise kann das Lasergas im Wege seiner Umwälzung angeregt werden und beispielsweise quer zur Resonatorachse 24 und in transversaler Richtung parallel zu den Wellenleiterflächen 20 und 22 den Wellenleiter 18 durchströmen. Besonders vorteil­ haft ist es jedoch, wenn das Lasergas nicht im Wege einer Umwälzung anregbar und kühlbar ist, sondern die Kühlung des­ selben durch Diffusion und Kühlung im Bereich der Wellen­ leiterflächen 20 und 22 erfolgt. In diesem Fall sind die Wellenleiterflächen 20 und 22 gekühlte Oberflächen, bei­ spielsweise die Oberflächen flächiger Kühlelemente.

Eine besonders zweckmäßige Lösung sieht vor, daß die Wellen­ leiterflächen 20 und 22 gleichzeitig Elektrodenflächen einer Hochfrequenzelektrode sind, mit welcher eine Hochfrequenz­ anregung des zwischen den Wellenleiterflächen 20 und 22 ange­ ordneten Lasergases erfolgt. Ein derartiges Lasersystem ist in der EP 0 305 893 A2 offenbart, auf welche vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Claims (21)

1. Lasersystem umfassend ein zwischen einander gegenüber­ liegenden Wellenleiterflächen eines optischen Wellen­ leiters angeordnetes laseraktives Medium, einen, mittels Resonatorspiegeln ein kohärentes, den optischen Wellen­ leiter durchsetzendes Resonatorstrahlungsfeld definie­ renden Resonator, aus welchem mehrere relativ zueinander kohärente Strahlungsfelder austreten, ein Kopplungsele­ ment, zu welchem die mehreren Strahlungsfelder als aus­ gekoppelte Strahlungsfelder geführt sind und das die mehreren Strahlungsfelder phasendefiniert zueinander zu einem einzigen kohärenten Ausgangsstrahlungsfeld ver­ einigt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines einzigen Ausgangsstrahlungsfeldes (46'') mehrere kaskadenartig angeordnete Kopplungselemente (44 ₁, 44 ₂, 44) vorgesehen sind.

2. Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der ausgekoppelten Strahlungsfelder (38) vor dem Kopplungselement (44) ein Phasenjustier­ element durchläuft.

3. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Kopplungselement die ausgekoppelten Strah­ lungsfelder (38) in dem Ausgangsstrahlungsfeld (46) übereinanderlegt.

4. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Kopplungselement die ausgekoppelten Strah­ lungsfelder (38) in dem Ausgangsstrahlungsfeld (46') nebeneinander anordnet.

5. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsstrahlungsfeld (46, 46', 46'', 46''') im wesentlichen ebene Wellen­ fronten (62) aufweist.

6. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die mehreren Strahlungsfelder (38) eine Kohärenzlänge von mehr als 50 cm aufweisen.

7. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (10) als instabiler Resonator (10) ausgebildet ist.

8. Lasersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator als im transversalen Grundmode arbeitender Resonator (10) ausgebildet ist.

9. Lasersystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Resonator (10) Resonatorspiegel (12, 14) aufweist, welche in der quer zur Resonatorachse (24) verlaufenden transversalen Richtung gekrümmt, senkrecht zur transversalen Richtung und quer zur Resonatorachse (24) jedoch krümmungsfrei ausgebildet sind.

10. Lasersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorspiegel (12, 14) zylindrische Spiegel­ flächen aufweisen.

11. Lasersystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (10) paarweise konfo­ kale zueinander angeordnete Resonatorspiegel (12, 14) aufweist.

12. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Resonator mehrere von dem kohärenten Resonatorstrahlungsfeld (16) durchsetzte Resonatorabschnitte (10 ₁ ...) aufweist, in welchen ein durch den optischen Wellenleiter (18) geführtes und sich zwischen zwei Resonatorspiegeln (12, 14) erstreckendes Resonatorabschnittsstrahlungsfeld (16 ₁ ...) verläuft.

13. Lasersystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonatorstrahlungsfeld (16) die Resonatorab­ schnitte in Strahlungsausbreitungsrichtung aufeinander­ folgend durchsetzt.

14. Lasersystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Resonatorabschnitte (10 ₁ ...) mit ihren Resonatorabschnittsachsen (24 ₁ ...) einen spitzen Winkel miteinander einschließen.

15. Lasersystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorabschnittsstrahlungs­ felder (16 ₁) aufeinanderfolgender Resonatorabschnitte durch einen als Resonatorabschnittkoppler (12 _1,2...) angeordneten Resonatorspiegel (12) gekoppelt sind.

16. Lasersystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der als Resonatorabschnittkoppler (12 _1,2 ...) ausge­ bildete Resonatorspiegel (12) das gesamte Resonatorab­ schnittsstrahlungsfeld (16 ₁ ...) des einen Resonatorab­ schnitts (10 ₁ ...) parallel zu einer einzigen Refle­ xionsebene (88) mit demselben Reflexionswinkel in den anderen Resonatorabschnitt (10 ₂ ...) reflektiert.

17. Lasersystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsachsen (82, 84) der Resonatorspiegel (12, 14) in der Reflexionsebene (88) liegen.

18. Lasersystem nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reflexionsebene (88) senkrecht zu den Wellenleiterflächen (20, 22) des Wellenleiters (18) ver­ läuft.

19. Lasersystem nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß alle Reflexionsebenen (88) aller als Resonatorabschnittskoppler (12 _1,2...) ausgebildeten Resonatorspiegel (12) parallel zueinander verlaufen.

20. Lasersystem nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß aus jedem Resonatorabschnittsstrah­ lungsfeld (16 ₁ ...) mindestens ein Strahlungsfeld (38) ausgekoppelt ist.

21. Lasersystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß aus jedem Resonatorabschnittsstrahlungsfeld (16 ₁ ...) zwei Strahlungsfelder (38a₁, b₁) ausgekoppelt sind.