DE2334299C3 - Mehrstrahllaser - Google Patents

Description

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 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 DE-PS 11 65 749 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 DE-AS 15 14 639 ein optischer, von sphärischen Hohlspiegeln begrenzter Resonator für optische Sender (Laser) bekannt, dessen Auslaßspiegel von einer einseitig teildurcblässig verspiegelten Linse gebildet wird, wobei zum Zweck der Auskopplung eines kohärenten, allein durch Beugung divergierenden »Paralleltt-strahlenbündels die Linse als meniskusförmige Sammellinse ausgebildet ist, deren innerhalb des optischen Resonators gelegener Brennpunkt mit dem Krümmungsmittelpunkt ihres Hohlspiegels zusammenfällt

ίο Zur Leistungssteigerung von Lasern ist es neben einer Anordnung mehrerer Lasereinheiten im wesentlichen parallel nebeneinander außerdem noch notwendig, den Querschnitt einer jeden Lasereinheit 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 einem 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 einzel* nen 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 Mehrstrahllasers;

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

Fig,3 einen Auslaßspiegel in mehrteiliger Ausbildung.

F i g. I zeigt einen Mehrstrahllaser mit Gasentladungsröhren, wobei es sich beispielsweise um einen COi-Gaslaser handeln kann. Dieser Mehrstrahllaser besteht aus vier Gaslaserröhren, die zueinander parallel ausgerichtet simi. Jeder Laser 2 besteht aus einer Gasentladungsröhre 3, die einen Gaseinlaß 3a und einen Gasauslaß 3b sowie zylindrische Elektroden 4a und Ab 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 Gasentladungsröhren 3 bestehen aus einem isolierenden Material, beispielsweise Glas oder Keramik, und werden derart gegeneinandergehalten, daß eine möglichst genaue ParaHellage 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, weiches sich durch Aufdampfen von beispielsweise Gold oder Aluminium mit hohem Reflexionsvermögen und einer Dicke von 10,6μπι 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 S bestehen aus Germanium oder Galliumarsenid, d. h. aus Materialien, die Infrarotstrahlen im Wellenlängenbereich von etwa 10,6 μΐπ durchlassen, auf das die dielektrischen Spiegelschichten aufgebracht sind. Mit Hilfe eines Klebemittels sind die Spiegel auf einem Spiegelträger S 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 Spiegelträger 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 einem 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 diese 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 Auslaßspjegel 5 mit HiUe 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 Aa und den Bälgen 10 eine Einheit bildet, so daß eine Spannung an die Elektrode 4a angelegt werden

is 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 eingeschnürt wird. Bei einem Mehrstrahllaser mit einer Rohrlänge vun z.B. zwei Meter kann mit Gasentladungsröhren in Parallelanordnung eine Ausgangsleistung von \ß kW erreicht werden, während bei einer Rohrlänge der Gasentladungsröhren von z.B. Im 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 Parallellage 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- δ/dvom 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 i = 0,1 mm, R = 2 m und d = 1 m ist Diese geringfügige Versetzung bewirkt praktisch keine Beeinträchtigung der emittierten Laserstrahlen. So erhäl·; 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 F i g. 3

so 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)

1. Patentansprüche;

   L 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, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Zylinderkörper (3) ein vollständig reflektierender Spiegel (6) und ein Auslaßspiegel (S, 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. 2. Mehrstrahllaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelträger (8, 18) mit öffnungen zur Aufnahme der Auslaßspiegel (5, 17) versehen ist.
3. 3. Mehrstrahllaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen der Auslaßspiegel (5) eine Ebene bilden.
4. 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. 5. Mehrstrahllaser nach einem eier Ansprüche 1 bis

   4, dadurch gekennzeichnet, daß die vollständig reflektierenden Spiegel (6) sphärische Konkavspiegel sind.
6. 6. Mehrstrahllaser nach einem der Ansprüche 1 bis

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