DE2445597A1

DE2445597A1 - Unstabiles resonatorsystem

Info

Publication number: DE2445597A1
Application number: DE19742445597
Authority: DE
Inventors: Stuart Newman Mapes; Michael Leonard Skolnick; George Robert Wisner
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1973-09-24
Filing date: 1974-09-24
Publication date: 1975-03-27
Also published as: IT1022255B; CA1020658A; JPS5061197A; GB1471019A; US3909744A

Description

.hbntanwal¹; DipHng. iblf /Aenges

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PATENTMENGES Zorneding 30 74 87-803

Tag/Date 2 3. Sep, 1974

Anwaltsakte U 200

United Aircraft Corporation» East Hartford, Conn. 06108, V.St.A.

Unstabiles Resonatorsystem

Die Erfindung betrifft allgemein Lasersysteme und insbesondere die Erzeugung eines ringförmigen Bündels elektromagnetischer Strahlung, welches eine hohe Bestrahlungsstärke in der Fernfeldverteilung hat.

Die fortgesetzte Entwicklung von verschiedenen Laseranordnungen hat zu verstärkten Bemühungen geführt, das Verstärkungsmedium in einem Laserresonator wirksamer auszunutzen. Typische stabile Resonatoren, die für den Betrieb mit optischen oder beinahe optischen Wellenlängen vorgesehen sind, neigen dazu, kollimierte Bündel

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verhältnismäßig geringen Durchmessers auf Resonanz zu bringen, und infolgedessen wird die in dem Verstärkungsmedium verfügbare Besetzungsinversion nur teilweise erschöpft. Resonatoren, die eine große Fehl anpassung zwischen den Abmessungen des Verstärkungsmediums und der Betriebsmode haben, arbeiten nicht wirksam und liefern eine Ausgangsleistung, die kleiner ist als die theoretisch verfügbare. Diese Überlegungen führen häufig zu Anordnungen, in welchen das Laserbündel das Verstärkungsmedium längs eines geknickten optischen Weges mehrfach durchläuft. Anordnungen mit mehrfachem Durchlauf nutzen das Verstärkungsmedium zwar wirksamer aus, sie neigen jedoch zu einem komplizierten geometrischen Aufbau, da eine integrierte Ansammlung von in geeigneter Weise fluchtenden Reflexionsflächen und zugeordnete Strukturen zum Erzielen der mehrfachen Durchläufe erforderlich sind.

Eine andere Lösung besteht darin, einen Hohlraumresonator zu schaffen, welcher,optisch unstabil ist, so daß der Raum, der von dem durch den Resonator hindurchgehenden Laserbündel durchlaufen wird, fast beliebig groß gemacht werden kann, um die tatsächlichen Abmessungen des zur Verfügung stehenden Verstärkungsmediums enger anzunähern. Unstabile Systeme vermeiden zwar die Moden mit kleinen Durchmessern, die für die Gruppe der stabilen Resonatoren charakteristisch sind, sie geben jedoch ein Laserbündel ab, welches dazu neigt, die Form eines dünnen Ringes mit geringer Vergrößerung in dem Nahfeld zu haben. Der hierin verwendete Ausdruck "Vergrößerung" ist das Verhältnis des Außendurchmessers eines Ringes zu seinem Innendurchmesser. Die Energie in einem Laserbündel, welches in dem Nahfeld ein Ring ist, kann in vielen Anwendungsfällen in dem Fernfeld nicht ausreichend fokussiert werden.

Ein Hauptziel der Erfindung ist es, ein ringförmiges Laserenergiebündel mit einem Lasersystem zu schaffen, in welchem die Fernfeldverteilung des Bündels unabhängig von den Laserresonator-Betriebskenndaten optimiert werden kann. Außerdem soll gemäß der Erfindung ein Laserbündel, welches eine ringförmige Verteilung hoher Strahlungsflußdichte in dem Fernfeld hat, mit einem System erzeugt werden, welches einen unstabilen Resonator enthält. Außerdem schafft die Er-

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findung eine verbesserte Fokussierbarkeit eines ringförmigen Laserstrahlungsbündels.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die relative Intensität in einem ringförmigen Bündel von kohärenter Strahlung, die in einem bestimmten Raumwinkel in dem Fernfeld auftritt, sowohl von dem Außendurchmesser als auch der Vergrößerung des Ringes abhängig ist. In dem spezifischen Grenzfall eines Ringes mit einem Innendurchmesser von Null (eine Vergrößerung von unendlich) ist nämlich das ringförmige Bündel eine gleichmäßig beleuchtete Platte mit einem kreisförmigen Querschnitt. Das Bündel kann in dem Fernfeld zu einem Mittelpunktsfleck fokussiert werden, welcher eine Gruppe von konzentrischen Ringen hat und wobei der Hauptanteil der Energie in dem Fleck enthalten ist. Wenn der Querschnitt des Bündels ein Ring ist, wird seine Vergrößerung verringert und ein größerer Teil der Energie in dem ringförmigen Bündel erscheint in den konzentrischen Ringen um den Fernfeldfleck herum, wobei die Energie in den Ringen in demselben Verhältnis vergrößert wird, in dem die Vergrößerung des Ringes verringert wird.

Gemäß der Erfindung wird ein ko.llimiertes Laserstrahlungsbündel in einem unstabilen Resonator erzeugt, und der Umfang des Bündels wird zu einem ringförmigen Bündel geformt, dessen Vergrößerung mit einer zweckmäßigen Optik vergrößert wird, damit in dem Fernfeld ein Plattenmuster erhalten wird, welches eine Energiedichte hat, die sich der theoretischen Grenze für gleichmäßige Beleuchtung nähert.

Bei einer Ausführungsform, der Erfindung mit einer einzigen kegelförmigen Fläche wird ein kollimiertes Bündel in einem unstabilen Resonator mit einer Mittelachse erzeugt, und der Umfang des Bündels wird.mittels eines ringförmigen Spiegels, der konzentrisch um die Achse angeordnet ist, zu einer ringförmigen Säule geformt. Das ringförmige Bündel wird in eine Linse geleitet, welche eine verspiegelte Rückfläche hat, der Ring wird im Durchmesser verkleinert und als ein ringförmiges Ausgangsbündel mit einer,höheren Vergrößerung durch die Mittelöffnung in dem ringförmigen Spiegel hindurch zurück-

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geworfen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung mit zwei kegelförmigen Flächen wird eine reflektierende Optik dazu verwendet, den Durchmesser des ringförmigen Bündels zu verringern und seine Vergrößerung zu erhöhen. Bei noch einer anderen AusfUhrungsform der Erfindung wird das ringförmige Bündel aus dem Resonator in der Vergrößerung mittels einer reflektierenden Optik erhöht und das ringförmige Ausgangsbündel verläßt das System, ohne zurück durch den ringförmigen Kopplungsspiegel zu gehen.

Ein Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, daß die Betriebsbedingungen eines unstabilen Resonators im wesentlichen unabhängig von einer Optimierung der Fernfeldenergieverteilung des Ausgangsbündels aus dem Resonator optimiert werden können. Außerdem kann der ringförmige Kopplungsspiegel räumlich nahe bei der Vergrößerungsoptik angeordnet werden, wodurch die Bündel verarbeitung erleichtertwird, bevor das Bündel Beugungseffekte erfährt. Darüberhinaus kann die Optik, die zum Verändern der Bündel vergrößerung verwendet wird, abgestützt werden, ohne aaö irgendwelche Hindernisse in den Weg der Bündelfortpflanzung eingebracht werden, und die Ausrichtungsempfindlichkeit des gesamten Intensitätsverteilungssystems ist mit den Beschränkungen von praktischen System kompatibel. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist der große Bereich, über welchen die Vergrößerung eines ringförmigen Bündels aufgrund der Einstellbarkeit der Anordnung gesteuert werden kann. Bei den Ausführungsformen, bei welchen zum Verändern der Vergrößerung des ringförmigen Bündels Strahlenbrechungselemente verwendet werden, wird nur eine kegelförmige Fläche benötigt, da der Bündelweg innerhalb einer einzigen Linse umgelenkt wird.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist die Fähigkeit, die Intensitätsverteilung eines ringförmigen Strahlungsbündels in dem Fernfeld zu steuern. Darüberhinaus kann das Bündel eine große Vergrößerung haben, welche eine gute Fokussierbarkeit des Bündels ermöglicht. Die Erfindung gestattet die Erzeugung von Laserenergie, welche eine Fernfeldverteilung hat, die sich einer Airy-Verteilung nähert, obwohl

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das Grundprinzip der Erfindung in gleicher Weise auf entweder kreisförmige oder zweidimensionale Geometrien anwendbar ist. Zu den weiteren Merkmalen der Erfindung gehört die Erzeugung eines Bündels von kollimierter Strahlung in einem unstabilen Resonator und die Beibehaltung der Kollimierung während des Prozesses des Veränderns der Vergrößerung des ringförmigen Bündels. Das ringförmige Bündel aus dem Resonator ist zu der Vergrößerungsoptik koaxial, was zu einem Ausgangsbündel führt, das zu dem ringförmigen Bündel aus dem Resonator koaxial ist. Weiter richtet der ringförmige Kopplungsspiegel das ringförmige Bündel auf die Vergrößerungsoptik, so daß das Systemausgangsbündel das System durch das Mittel! och in dem ringförmigen Spiegel verlassen kann. In dem Fall einer strahlenbrechenden Vergrößerungsoptik ist die Erfindung durch eine Antireflexvorderflache auf der Linse und eine total reflektierende Rückfläche auf der Linse gekennzeichnet; eine Fläche mit einem einzigen Scheitel auf der Linse verursacht eine Doppelbrechung der Laserstrahlung auf ihrem Weg längs des geknickten (umgelenkten) Ausbreitungsweges.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Längsschnittansicht eines typischen unstabilen Resonatorsystems, welches zum Erzeugen eines kollimierten ringförmigen Laserenergiebündels gemäß der Erfindung verwendet wird,

Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung der Brechungsoptik, die zum Verändern der Vergrößerung des von dem in Fig. 1 dargestellten Resonator abgegebenen ringförmigen Bündel verwendet wird,

Fig. 3 eine vereinfachte 'schematische Darstellung einer einstellbaren Ausführungsform der Brechungsoptik,

Fig. 4 eine vereinfachte schematische Darstellung eines reflektierenden optischen Systems, welches die Ausbreitungsrichtung umkehrt, wobei die Vergrößerung des von dem Re-

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sonator abgegebenen ringförmigen Bündels verändert wird,

Fig. 5 eine vereinfachte schematische Darstellung der reflektierenden Optik, welche die Vergrößerung des von dem Resonator abgegebenen Bündels verändert und ein sich in Vorwärtsrichtung fortpflanzendes Ausgangsbündel erzeugt,

Fig: 6a ein vereinfachtes Diagramm, welches die Intensitätsverteilung in dem Nahfeld für ein ringförmiges Bündel zeigt, das eine gleichmäßige Intensitätsverteilung hat,

Fig. 6b ein vereinfachtes Diagramm, welches die entsprechende Intensitätsverteilung zeigt, nachdem der Ring eine Vergrößerung erfahren hat,

Fig. 7 in einem Diagramm für das Nahfeld das Verhältnis der

Strahlungsintensität eines vergrößerten Ringes zu einem gleichmäßig verteilten Ring in Abhängigkeit vom Radius,

Fig. 8 ein Schema eines Ringes in Verbindung mit einer Linse, wobei die geometrischen Parameter dargestellt sind, die sich auf die Nahfeld- und die Fernfeldbündel Intensitäten beziehen,

Fig. 9 in einem Diagramm den Prozentsatz der Gesamtleistung in dem Fernfeld für ein ringförmiges Bündel als Funktion des Bündel haibwinkels für verschiedene Vergrößerungswerte, und

Fig. 10 in einem Diagramm den Prozentsatz der Gesamtleistung in dem Fernfeld als Funktion des Bündel haibwinkels für gleichmäßige und vergrößerte Ringverteilur.gen.

Ein durch Konvektion gekühlter, mit elektrischer Entladung arbeitender COp-Gaslaser ist in Fig. 1 dargestellt. Bei dieser Anordnung handelt

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es sich um einen typischen unstabilen Resonator, dessen Betriebskenndaten im Einzelnen in dem Aufsatz "Unstable Resonators For CO₂ Electric Discharge Convection Lasers", G.R. Wisner u.a., in Applied Physics Letters, Band 22, Nr.1, Januar 1973, S.14, beschrieben sind. Der Laser 10 ist ein unstabiler Resonator, welcher zwischen einem Konkavspiegel 12 und einem Konvexspiegel 14 gebildet ist. Die Umhüllung für das Gas besteht hauptsächlich aus einem Paar Pyrexglasröhren 16, die jeweils einen Gaseinlaß 18 und einen gemeinsamen Strömungsraum 20 mit einem Gasauslaß 22 haben. Außerdem sind in Fig. 1 ein ringförmiger Kopplungsspiegel 24 und eine feststehende Linse 26 dargestellt, die durch einen büchsenförmigen Ansatz 28 an dem Hauptresonatoraufbau strukturell abgestützt ist. Die Zusatzausrüstung, wie etwa Gasversorgung, Pumpen und elektrische Stromquellen sind zwar nicht dargestellt, das Gas tritt jedoch durch jeden der Einlasse 18 ein und durch den Auslaß 22 aus. Die Einlasse 18 dienen außerdem als Kathoden für die elektrische Entladung, und der Auslaß 22 ist eine gemeinsame Anode für jede der Kathoden.

Der in Fig. 1 dargestellte Resonator erzeugt ein ringförmiges Bündel von 1500 W Leistung, wenn er mit folgenden Parametern betrieben wird. Der Resonatorspiegel abstand beträgt ungefähr 3 m und jede der beiden elektrischen Anregungsentladungen hat eine Länge von angenähert 8 cm; die Pyrexglasröhren haben einen Durchmesser von, 75 mm. Die Fresnel-Zahl des Hohlraums beträgt 35 und die äquivalente Fresnel-Zahl für die im folgenden angegebenen Daten beträgt 3,5, was einem Modendurchmesser von 66 mm entspricht; die Resonatorausgangsbündel ringvergrößerung beträgt 1,35. Das Betriebsmedium wird mit angenähert 1200 A/s durch den Resonator hindurchgeleitet.

Fig. 2 zeigt eine ausführlichere Darstellung des mit einer einzigen kegelförmigen Fläche versehenen Brechungselements 26 von Fig. 1. Der Hauptteil der Linse hat die Form eines Zylinders mit einer Mittelachse 32 und einem Radius R von 7,5 cm. Die Germaniumlinse hat eine ebene Rückfläche 34, die zu cfer Achse senkrecht ist, und diese Fläche ist mit Gold beschichtet, damit sie in bezug auf die COg-Strahlung total reflektierend ist, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Linse hat außerdem eine Vorderfläche 36, die kegelförmig ist

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und einen Scheitelwinkel von 90° hat. Die kegelförmige Fläche ist mit einer Masse überzogen, beispielsweise mit Thoriumfluorid, welches ein Antireflexmaterial ist, das zum Verbessern der Durchlassung der CO_?-Strahlung verwendet wird. Die 1,35-Vergrößerung für den Fall eines ringförmigen Bündels 38 mit einem Durchmesser von 66 mm ist gleich dem Verhältnis von Radius R_L zu Radius R_$. Da der Radius R^ 33 mm beträgt, beträgt der Radius R^ angenähert 24 mm. In gleicher Weise hat das Systemausgangsbündel 40 eine Vergrößerung M¹, die gleich der Größe des Verhältnisses des Radius R'_L zu dem Radius R¹^ ist; Daten, welche einen Bereich von Ausgangsvergrößerungen repräsentieren, werden im folgenden erläutert.

Fig. 3 zeigt eine einstellbare Brechungslinse 26a, welche eine Rückfläche 34a hat, die statt reflektierend zu sein, mit Antireflexmaterial überzogen ist. Die Linse 26a arbeitet mit einem total reflektierenden Spiegel 38 zusammen, der an dem Resonatoransatz 28 einstellbar gehaltert ist. Mit einem veränderlichen Abstand S, wie in Fig. 3 gezeigt, kann die Vergrößerung des Syste;:.-ausgangsbündels 40 eingestellt werden, obgleich das Resonatorausgangsbündel 38 einen festen Durchmesser hat.

Die Fig. 4 und 5 zeigen schematische Darstellungen von Reflexionsoptiken, die im wesentlichen dieselbe Aufgabe wie die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Linsensysteme erfüllen können. Bei der Anordnung von Fig. 4 werden zwei genau angepaßte kegelförmige Reflexionsflächen 42, 44 verwendet, die auf einer Spiegelachse 46 konzentrisch ausgerichtet sind. Die Kegel vergrößern die Vergrößerung eines ringförmigen Bündels. Während des Verfahrens wird der Außendurchmesser des Bündels verkleinert, und das Bündel mit erhöhter Vergrößerung pflanzt sich in einer zu der Richtung des einfallenden Bündels 40 entgegengesetzten Richtung 48 auf .einem '· cg fcrt, welcher ebenfalls zu der Spiegelachse konzentrisch ist. In ähnlicher .^eise weist die in Fig. 5 dargestellte analoge Anordnung ein angepa.:.s£ Paar von kegelförmigen Reflexionsflächen auf, die die Vergrößerung eines ringförmigen Bündels erhöhen und seinen Durchmesser verringern. Dai d-äsem weiteren Aufbau breitet sich

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das SystemausgangsbUndel 40 zwar in derselben Richtung aus wie das ringförmige Bündel 38, in*den Bündelweg ist jedoch eine Tragstrebe 48 eingebracht.

Der einzelne Modenausgang eines unstabilen Resonators ist theoretisch ein dunner Ring mit einer fast gleichmäßigen Phasenintensität. Viele Anwendungsfälle, bei welchen solche unstabilen Resonatoren verwendet werden, erfordern, daß das ringförmige Äusgangsbündel in dem Fernfeld zu einem kleins,t möglichen Fleck fokussiert wird. Verschiedene theoretische Überlegungen haben gezeigt, daß die innerhalb eines räumlichen Winkels in dem Fernfeld enthaltene Leistung eine Funktion sowohl des Außendurchmessers als auch der Vergrößerung des ringförmigen Bündels ist. Beispielsweise führt ein vollständig ausgefüllter Ring, bei welchem es sich um eine gleichmäßig beleuchtete Platte mit einem unendlich großen Vergrößerungsfaktor handelt, zu der klassischen Airy-Verteilung in dem Fernfeld. Da jedoch die Vergrößerung für einen Ring mit festem Außendurchmesser abnimmt, verschiebt sich die Leistungsverteilung in dem Fernfeld allmählich von der .Mittelplatte zu den die Platte konzentrisch umgebenden Ringen.

Der ringförmige Ausgang aus typischen unstabilen Resonatoren, von denen einer in Fig. 1 dargestellt ist, erzeugt ein ringförmiges Bündel mit einer Vergrößerung in dem Bereich von 1,2 bis 2 und, wenn derartige Bündel fokussiert werden, liegt die.Leistung in der Mittel platte der Fernfeldverteilung zwischen angenähert 14% und 48% der Gesamtleistung in dem ringförmigen Bündel. Gemäß der ErfincL-ng ermöglicht ein unstabiler Resonator in Verbindung mit einer zweckmäßigen Vergrößerungsoptik der in den Zeichnungen dargestellten Art eine Verringerung sowohl des großen als auch des kleinen Durchmessers des Ringes, während die GroQe der Differenz zwischen diesen Durchmessern konstant gehalten wird. Das Ergebnis ist eine Zunahme der Vergrößerung des ringförmigen Bündels und eine Zunahme des in der Mittelplatte in der Fernfeldverteilung enthaltenen Anteils der Leistung auf angenähert 48%. Diese Wirkungen werden mit einer gleichzeitigen Änderung der Nahfeldintensitätsverteilung erreicht, die nach einer Zunahme der Vergrößerung bei dem kleinen Durchmesser des Ringes ein Maximum hat und mit zu-

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nehmendem Durchmesser abnimmt. Ein Laserbündel, welches irgendeines von vielen ringförmigen Intensitätsprofilen hat, kann zwar mit einem unstabilen Resonator erzeugt werden, durch sorgfältige Auslegung kann jedoch das Profil so erzeugt werden, daß es sich einer gleichmäßigen Intensität nähert, beispielsweise der in Fig. 6a dargestellten Intensität. Zur Erleichterung der Beschreibung wird hier das Profil der Intensität aus dem in Fig. 1 dargestellten Resonator als gleichmäßig angenommen. Wenn ein Ring mit gleichmässiger Intensität eine Veränderung in der Vergrößerung gemäß der Erfindung erfährt, nimmt die Intensität in dem Nahfeld ein Profil an, wie es in Fig. 6b gezeigt ist. Obgleich die Innen- und Außendurchmesser des Ringes abnehmen, wenn die Vergrößerung zunimmt, bleibt die Differenz zwischen den maximalen und minimalen Radien für sämtliche Vergrößerungswerte unverändert.

Das Verhältnis der Intensität eines ringförmigen Bündels, welches im Durchmesser zusammengeschrumpft ist, zu der Intensität des Tundels vor der Vergrößerung ist für eine spezifische Gruppe von Parametern in Fig. 7 gezeigt. Ein Ring mit einem großen Durchmesser R, von 33 mm und einer Vergrößerung von 1,35 wurde der Bequemlichkeit halber im Hinblick auf den oben beschriebenen Resonator gewählt. Die relative Bündel intensität, d.h. das Verhältnis von Ausgangsbündelintensität zu Eingangsbündel intensität ist als eine Funktion des Radius R¹ des Ausgangsbündels für verschiedene Werte der Ausgangsbündelvergrößerung aufgetragen. Die verwendeten Ausdrücke "Eingang" ■jnd "Ausgang" dienen zur Beschreibung des ringförmigen Bündels in bezug auf die optische Einrichtung, die zum Verändern seiner Vergrößerung verwendet wird. Die gestrichelten Kurven in Fig. 7 zeigen einen Vergrößerer, welcher ein Bündel zusammendrängt und seinen Weg umkehrt, so daß das zusammengedrängte Bündel sich längs der Achse des einfallenden Bündels zurückbewegt. Die ausgezogenen Linien in Fig. 7 zeigen einen Vergrößerer, welcher das einfallende Bündel zusammendrängt und es in derselben Richtung wie das einfallende Bündel weiterleitet. Die geometrische Lage irgendeines Punktes auf den dargestellten Kurven gibt die realtiven Nahfeldintensitäten eines Bündels vor und nach einer Veränderung der Vergrößerung an irgendeinem Radius an, über welchen sich der Ring erstreckt.

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Fig. 8 zeigt die geometrischen Überlegungen, die sich auf die " Nahfeld- und Femfeldbündelintensitäten für einen Ring beziehen. In dem speziellen Fall einer Nahfeldintensitätsverteilung, die eine gleichmäßig beleuchtete Scheibe ist (ein Bündel mit unendlich großer Vergrößerung), ist die Fernfeldverteilung eine Airy-Verteilung, und die Nahfeld- und Fernfeldparameter sind durch folgende Gleichung gegeben

_A ' 2,44 F λ

wobei

d_s der Fleckdurchmesser in dem Fernfeld ist, F die Brennweite der Linse ist, λ die Wellenlänge der Strahlung ist, und Dg der Durchmesser des ringförmigen Bündels ist.

Ein zweckmäßiger Parameter zum Beschreiben der Winkel ausdehnung des zentralen Fleckes des Bündels in dem Fernfeld ist der Bündelhalbwinkel Θ, der zu dem Quotienten Lambda/Bündeldurchmesser proportional sein wird. Die Gleichung ist ganz allgemein und die Proportionalitätskonstante zwischen dem Halbwinkel und dem Parameter λ/D ändert sich als eine Funktion der Nahfeldverteilung. Für den Desonderen Fall einer Airy-Verteilung beträgt die ProportionalitätspT.onstante 1,22.

Fig. 9 zeigt in einem Diagramm den Prozentsatz der Gesamtbündelleistung in dem Fernfeld eines ringförmigen Bündels als Funktion des Halbwinkels. Der Parameter ist die Vergrößerung des ringförmigen Bündels, und der Halbwinkel ist in Mehrfachen von λ/D gegeben. Das Diagramm zeigt nämlich die Fernfeldumsetzung einiger der in Fig. gezeigten Kurven. Das Diagramm zeigt die übertragung von Strahlung von den Außenringen zu der Mittel scheibe in der Fernfeldverteilung, wenn die Vergrößerung des Bündels zunimmt. Ein greifbares physikalisches Ergebnis des Bündel umlenkers ist die Konzentration der Energie aus einem ringförmigen Bündel in dem zentralen Fleck der Fernfeldverteilung, wobei es sich um einen Effekt handelt, der insbesondere in Anwendungsfällen, wie Schweißen und Schneiden,

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nützlich ist.

Wenn ein gleichmäßiger Ring, wie etwa der in Fig. 6a gezeigte, vergrößert wird, neigt die Intensität in dem Nahfeld dazu, längs des Innenradius des Ringes einen Scheitelwert anzunehmen, wie in Fig. 6b gezeigt_;- obgleich man erwartet, daß eine mit einem Scheitel versehene Verteilung dieser Art eine Ausbreitung der Zentrumsverteilung in dem Fernfeld verursacht, ergibt sich in Wirklichkeit ein genau gegenteiliges Ergebnis und tatsächlich enthält die Zentrumsverteilung mehr Leistung.

Fig. 10 vergleicht den Anteil der Gesamtleistung in dem Fernfeld, die in einem bestimmten Bündel haibwinkel für ein zusammengedrängtes ringförmiges Bündel enthalten ist, mit einem ringförmigen Bündel der selben Vergrößerung, dessen Intensitätsverteilung gleichmäßig ist. Der Anteil der innerhalb der Mittelscheibe enthaltenen Gesamtleistung für jeden Vergrößerungsfall ist für die zusammengedrängte Verteilung (dargestellt mit ausgezogenen Linien) größer als für den idealen gleichförmigen Ring (dargestellt mit getrichelten Linien).

Die Erfindung ist oben in bezug auf eine C0₂-Laseranordnunc, oeschrieben worden, die eine Strahlung mit etwa 10 Mikron erzeugt. Die Lehre der Erfindung ist ohne weiteres auf andere Wellenlängen sowie bei anderen .Laseranordnungen vollkommen anwendbar. Ebenso bezieht sich zwar die Beschreibung hauptsächlich auf ringförmige S:rar»lungsbündel und kreisförmige Optiken, zweidimensional Anordnungen können jedoch ohne weiteres ebenfalls verwendet werden.

Im Rahmen der Erfindung bietet sich dem Fachmann über die oben beschriebenen Beispiele hinaus eine Vielzahl von Vereinfachungs- und Abvvandlungsmöglichkeiten.

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Claims

Patentansprüche:

1.) System zum Erzeugen eines Laserstrahl ungsausgangsbUndels, welches in dem Fernfeld stark fokussierbar ist, gekennzeichnet durch eine optische Einrichtung, die einen unstabilen Resonator mit einer optischen Achse bildet, längs welcher ein kollimiertes Laserstrahlungsbündel durch die stimulierte Emission von Strahlung in einem in dem Resonator angeordneten Verstärkungsmedium erzeugt wird, durch einen Spiegel, der symmetrisch um die optische Achse angeordnet ist und den äußeren Teil des kollimierten Bündels symmetrisch um eine zentrale Achse aus dem Resonator hinausreflektiert, wobei die Nahfeidstrahlungsverteilung über das aus dem Resonator hinausreflektierte Bündel eine zentrale Lücke und in bezug auf die zentrale Achse einen maximalen Radius (R^) und einen minimalen Radius (R^) hat, und durch einen Bündel umlenker, der symmetrisch um die zentrale Achse und in unmittelbarer Nähe der optischen Achse angeordnet ist und das Verhältnis des maximalen Radius zu dem minimalen Radius vergrößert, während das Bündel kollimiert gehalten wird.

2. System nach Anspruch 1 zum Erzeugen einer ringförmigen v'erte^ung in dem Nahfeld und einer kleinen Fleckgröße in dem Fernfeld, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel ein ringförmiger Spiegel ist, der den äußeren Teil des kol.limierten Bündels als ein zu der zentralen Achse symmetrisches ringförmiges 8'ündel aus dem Resonator hinausreflektiert.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der unstabile Resonator eine Fresnel-Zahl hat, die größer als 35 ist.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von maximalem Radius zu minimalem Radius in dem Bereich von 1,2 bis 2,0 liegt.

5. System nach einem der Ansprücne 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

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daß der Bündel umlenker eine zylindrische Brechungslinse mit einer ebenen Endfläche, die mit einem reflektierenden Material überzogen ist, und mit einer kegelförmigen Endfläche aufweist, die mit einem Antireflexmaterial überzogen ist, daß die Linse so ausgerichtet ist, daß die kegelförmige Fläche dem ringförmigen Spiegel am nächsten liegt, so daß das ringförmige Bündel aus dem Resonator durch die kegelförmige Endfläche in die Linse eindringt, durch Lichtbrechung im Durchmesser verringert, durch die verspiegelte Fläche reflektiert wird und die Linse durch die kegelförmige Endfläche als ein kollimiertes ringförmiges Ausgangsbündel verläßt.

6. System nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bündel umlenker ein zweiteiliger Reflektor ist, welcher einen Kegel und eine kegelförmige öffnung aufweist, die eine gemeinsame Ausrichtungsachse und gleiche Kegelwinkel haben.

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