DE2334299B2 - Mehrstrahllaser - Google Patents

Description

5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser Gaslaser, Glaslaser oder Farbkomponentenlaser sind.

Die Erfindung betrifft einen Mehrstrahllaser mit wenigstens einem vollständig reflektierenden Spiegel und wenigstens einem Auslaßspiegel, bei dem der vom stimulierbaren Medium eingenommene Bereich aus mehreren langgestreckten, zueinander parallelen Zylinderkörpern besteht.

Ein Mehrstrahllaser solcher Art, mit dem eine Erhöhung der Leistung möglich ist, ist bereits aus »Proceedings of the IEEE«, Band 51 (1963), Seiten 1036/1037 für einen Gaslaser bekannt, wobei die einzelnen Zylinderkörper als Gasentladungsröhren ausgebildet sind. Jedoch können sich bei diesem bekannten Mehrstrahllaser Fokussierungsschwierigkeiten wegen unzureichender Ebenheit der Spiegel so ergeben. Die Spiegel können sich insbesondere unter dem Einfluß einer Kraft verbiegen, die aufgrund der Differenz zwischen dem Außendruck und dem Innendruck im Gaslaser entsteht.

Weiterhin beschreibt die DT-PS 1165 749 einen optischen Verstärker mit einer zur Anregung des selektiv fluoreszenten Mediums dienenden Lichtquelle, wobei das selektiv fluoreszente Medium aus einem Faserbündel aus mehreren parallel zueinander angeordneten Kristallfasern besteht. Bei diesem Faserbündel sind die Enden so ausgebildet, daß sich ein einheitlicher optischer Körper in Form eines vollständig reflektierenden Spiegels an dem einen Ende und eines Auslaßspiegels an dem anderen Ende ergibt. Dieser Mehrstrahllaser ist jedoch nicht zur Erzeugung hoher Leistungen geeignet.

Außerdem ist aus der DT-AS 15 14 639 ein optischer, von sphärischen Hohlspiegeln begrenzter Resonator für

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ontische Sender (Laser) bekannt, dessen Auslaßspiegel von einer einseitig teildurchlässig versiegelten Linse »(•bildet wird, wobei zum Zweck der Auskopplung eines kohärenten, allein durch Beugung divergierenden Panllel«-strahlenbündels die Linse als memskusförmi- «e Sammellinse ausgebildet ist. deren innerhalb des „mischen Resonators gelegener Brennpunkt mit dem Krümmungsmittelpunkt ihres Hohlspiegels zusa.nmen-

^a Zur Leistungssteigerung von Lasern ist es neben einer Anordnung mehrerer Lasereinheiten im wesentlichen narillel nebeneinander außerdem noch notwendig, den Querschnitt einer jeden Lasereinhe.t zu vergrößern. Bereits durch die Nebeneinanderanordnung einer Vielzahl von Lasereinheiten können Fluchtungsfehler auftreten so daß es schwierig wird, einen exakt parallel gebündelten Laserstrahl zu erhalten, der sich ohne Schwierigkeiten auf einen winzigen Fleck fokussieren ließe Mit der gleichzeitigen Querschnittsvergrößerung der einzelnen Lasereinheiten wird auch der Gesamtquerschnitt des Mehrstrahllasers vergrößert, dessen Strahlung nur mittels eines geeigneten Spiegels auf einen kleinen Fleck fokussiert werden muß. Die Herstellung geeigneter einteiliger Spiegel in der notwendigen exakten Form bereitet bei diesen großen Durchmessern jedoch erhebliche fertigungstechnische Schwierigkeiten und verursacht hohe Herstellungskosten Bei eiPv-m Gaslaser kommen außerdem noch die eingangs erwähnten Fokussierungsschwierigkeiten aufgrund der Verbiegungen des Spiegels durch Druckdifferenzen zwischen Außen- und Innendruck hinzu.

Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines kompakten Mehrstrahllasers mit einem einfach herstellbaren Ausgangsspiegel mit gegenüber einem Mehrstrahllaser der eingangs genannten Art verbesserter Leistung, dessen Strahlung sich unter Ausschaltung all der vorstehend genannten negativen Einflüsse optimal fokussieren läßt.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird gewährleistet, daß die Laserstrahlen jeweils parallel aus dem vom stimulierbaren Medium ausgefüllten Zylinderkörper austreten und somit auf einen kleinen Fleck fokussierbar sind. Da jedem Zylinderkörper ein Auslaßspiegel zugeordnet ist, ergibt sich als Vorteil, daß aufgrund der kleinen Dimension jedes dieser Auslaßspiegel eine präzise Herstellung und Anordnung derselben wesentlich genauer getroffen werden kann und zusätzlich z.B. bei Gaslasern eine wesentlich geringere Verbiegung unter der Kraft der Gasdruckdifferenz als bei der bekannten Anordnung erhalten wird. Durch die Zuordnung jeweils eines vollständig reflektierenden Spiegels zu jedem Zylinderkörper lassen sich Fluchtungsfehler, die durch Mißorientierung der einzelnen Zylinderkörper entstanden sind, verringern bzw. vermeiden. Die' besondere Bedeutung der Erfindung liegt in der Schaffung eines segmentierten Spiegels beliebiger Größe, bei dem die einzelnen Spiegelsegmente hinsichtlich ihrer Spiegelflächen durch gemeinsames Schleifen und/oder Polieren einen exakt ausgebildeten Gesamtspiegel ergeben.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. I den Aufbau eines Mchrstrahllascrs;

F i g. 2 wie sich die Abweichung von der Parallelrichlung bei Gasentladungsröhren auf die Laserstrahlung auswirkt; und

Fig. 3 einen Auslaßspiegel in mehrteiliger Ausbildung.

Fig. 1 zeigt einen Mehntrahllaser mil Gasentladungsröhren, wobei es sich beispielsweise um einen CO'-Gaslaser handeln kann. Dieser Mehrstrahllaser besteht aus vier Gaslaserröhren, die zueinander parallel ausgerichtet sind. Jeder Laser 2 besteht aus einer Gasentladungsröhre 3, die einen Gaseinlaß 3a und einen Casauslaß 3b sowie zylindrische Elektroden 4a und 4b am jeweiligen Ende der Gasentladungsröhre enthält. Jeder Gasentladungsröhre 3 ist ein Auslaßspiegel 5 an ihrem einen Ende und ein vollständig reflektierender Spiegel 6 am anderen Ende zugeordnet. Die Gasentla dungsröhren 3 bestehen aus einem isolierenden Material, beispielsweise Glas oder Keramik, und werden derart gegeneinandergehalten, daß eine möglichst genaue Parallellage erreicht wird. Die Elektroden 4a und 4b bestehen aus nichtrostendem Stahl oder Kohle. Der vollständig reflektierende Spiegel 6 besteht aus Glas oder Metall, beispielsweise aus einem unlegierten Werkzeugstahl; diese Spiegel können jedoch auch aus einem Material hergestellt sein, welches sich durch Aufdampfen von beispielsweise Gold oder Aluminium mit hohem Reflexionsvermögen und einer Dicke von 10,6 μιη auf einem aus Halbleitermaterial bestehenden Substrat ergibt. Jeder vollständig reflektierende Spiegel 6 steht derart mit den Gasentladungsröhren 3 in Verbindung, daß er sich senkrecht zur Längsrichtung der Gasentladungsröhre befindet.

Die Auslaßspiegel 5 bestehen aus Germanium oder Galliumarsenid, d. h. aus Materialien, die Infrarotstrahlen im Wellenlängenbereich von etwa 10,6 μπι durchlassen, auf das die dielektrischen Spiegelschichten aufgebracht sind. Mit Hilfe eines Klebemittels sind die Spiegel auf einem Spiegelträger 8 mit Bezug auf jede betreffende Gasentladungsröhre 3 aufgebracht. Diese Spiegel werden anschließend sowohl an der Vorder- als auch an der Rückseite gleichzeitig plan geschliffen, so daß die Vorder- und die Rückseite jeweils in der gleichen Ebene ausgerichtet sind. Nach dem Abschleifen erhalten die Auslaßspiegel durch Aufdampfen eines mehrschichtigen Films ein geeignetes Reflexionsvermögen von einigen Prozent bis zu mehr als 10 Prozent.

Als Kühler 7 ist ferner ein Wasserkühler vorgesehen, der die Gasentladungsröhren 3 umgibt, um dadurch den Raumbedarf des Mehrstrahllasers, der in Fig. 1 allgemein mit 1 bezeichnet ist, möglichst gering zu halten. Der Kühler 7 kann jedoch auch so konzipiert sein, daß jede einzelne Gasentladungsröhre gekühlt wird, wie es bei konventionellen Laservorrichtungen der Fall ist.

Der Spiegclträger 8 besteht aus einem luftdichten Material, wie beispielsweise Metall, Glas oder Keramik. Vom Spiegelträger 8 werden die einzelnen Auslaßspiegel 5 gemeinsam gehalten. Zur Verstärkung der Auslaßspiegel 5 ist eine Einrichtung 9 vorgesehen, die aus einem Metall, beispielsweise unlegiertem Werkzeugstahl, Kobalt, nichtrostendem Stahl, oder aus einer" keramischen Glas besteht. Durch die Verwendung der Verstärkungseinrichtung 9 wird verhindert, daß sich der Spiegelträger 8 unter dem Einfluß einer Kraft verbiegt, die sich aufgrund der Differenz zwischen dem Außen- und Innendruck ergibt. Falls aiese auftretende Kraft nicht aufgenommen würde, würde die wechselseitige Paralleleinstellung der Auslaßspiegel beeinträchtigt, so daß die Paralleleinstellung des Ausgangsstrahls verlorengehen würde.

Bei dem Mehrstrahllaser 1 kann der Aublaßspiegel 5 mit Hilfe eines Balges 10 und einer Schraube 11 eingestellt werden. Der Auslaßspiegel 5 wird derart eingestellt, daß die Ausgangsleistung des Laserstrahls ein Maximum erreicht. Der Gaseinlaß 3a ist an der Verstärkungseinrichtung 9 befestigt, die mit den Elektroden 4a und den Bälgen 10 eine Einheit bildet, so daß eine Spannung an die Elektrode 4a angelegt werden kann.

Der in F i g. 1 gezeigte Mehrstrahllaser 1 ist nicht durch die Größe des verfügbaren infrarotdurchlässigen Materials in seiner Leistung beschränkt. Vielmehr kann die Ausgangsleistung einfach durch Erhöhung der Zahl der Gasentladungsröhren vergrößert werden, ohne daß die Fokussiermöglichkeit eingeschränkt wird. Bei einem Mehrstrahllaser mit einer Rohrlänge von z. B. zwei Meter kann mit Gasentladungsröhren in Parallelanordnung eine Ausgangsleistung von 1,9 kW erreicht werden, wahrend bei einer Rohrlänge der Gasentladungsröhren von z. B. I m eine Ausgangsleistung von etwa 760 W erreichbar ist.

Fig. 2 erläutert, wie sich eine Abweichung der Gasentladungsröhren von der Parallelität auf die Laserschwingung auswirkt. Ersichtlich ist, daß auch bei Abweichung einer Gasentladungsröhre von der Parallelrichtung die Ausgangsstrahlung in der gewünschten Parallellagc verbleibt. Wenn die maximale Abweichung der Gasentladungsröhre 3 von der parallelen Bezugslinie (optische Achse P) δ mm beträgt, ergibt sich bei Verwendung eines Konkavspiegels mit dem Radius R (das Zentrum dieses Konkavspiegels ist mit C bezeichnet) als vollständig reflektierender Spiegel 6, wobei der Abstand zwischen dem vollständig reflektierenden Spiegel 6 und dem Auslaßspiegel 5 dem Wert d entspricht, eine Laserschwingung, deren Mittelpunkt in einer Position liegt, die um den Betrag X=R- (5/c/vom Zentrum C des vollständig reflektierenden Spiegels 6 abweicht, und die senkrecht zum Auslaßspiegel 5 ist, unabhängig von der Richtung der Gasentladungsröhren. Die Laserstrahlen jeder Gasentladungsröhre 3 verlaufen parallel zueinander, weil die Auslaßspiegel 5 gemeinsam plan geschliffen sind. Die Strahlenbündel sind möglicherweise gegenüber der Achse der Entladungsröhre geneigt. So ist z. B. die Abweichung X = 0,2 mm, wenn <5 = 0,1 mm, R = 2 m und J=Im ist. Diese geringfügige Versetzung bewirkt praktisch keine Beeinträchtigung der emittierten Laserstrahlen. So erhält man einen Laserstrahl hoher Ausgangsleistung, der sich auf einen kleinen Brennfleck fokussieren läßt.

Eine besondere Ausführungsform des Auslaßspiegels, der aus mehreren Einzelspiegeln 17 besteht, die auf einem Spiegelträger 18 gehalten werden, ist in Fig. 3 veranschaulicht. Die konvexe Außenfläche des Außenspiegels ermöglicht eine Fokussierung der Strahlenbündel ohne Verwendung einer weiteren Linse. Dadurch wird die Handhabung eines derartigen Mehrstrahllasers wesentlich vereinfacht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

23 Patentansprüche:

1. Mehrstrahllaser mit wenigstens einem vollständig reflektierenden Spiegel und wenigstens einem Auslaßspiegel, bei dem der vom slimulierbaren Medium eingenommene Bereich aus inch ι langgestreckten, zueinander parallelen Zylindc. ..orpern besteht, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Zylinderkörper (3) ein vollständig reflektierender Spiegel (6) und ein Auslaßspiegel (5, 17) zugeordnet ist, wobei die einzelnen Auslaßspiegel (5, 17) an einem Spiegelträger (8, 18) so befestigt sind, daß ihre Spiegelflächen in einer Ebene liegen.

2. Mehrstrahllaser nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelträger (S, 18) mit Öffnungen zur Aufnahme der Audaßspiegel (5, 17) versehen ist.

I Mehrstrahllaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen der Auslaßspiegel (5) eine Ebene bilden.

4. Mehrstrahllaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche der Auslaßspiegel (17) konvex ist und daß sie einen Teil einer für alle Auslaßspiegel (17) gemeinsamen Kugelfläche bildet.

5. Mehrstrahllaser nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die vollständig reflektierenden Spiegel (6) sphärische Konkavspiegel sind.

6. Mehrstrahllaser nach einem der Ansprüche 1 bis