DE2524569C3 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserresonator der im Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen m Art.

Ein derartiger, beispielsweise aus der US-PS 92 370 bekannter Laserresonator ermöglicht es, gegenüber den ursprünglich verwendeten Resonatoren, deren Abschlußwände die Gestalt von planparallelen Spiegeln hatten, die Flußdichte der Laserenergie am Orte des teildurchlässigen Spiegels zu verringern, indem die Laserenergie über eine ringförmige Fläche verteilt durch den Spiegel geleitet wird. Diese Ringfläche ist bedeutend größer als der Bereich, welcher von einem normalen Laserstrahl aus einem Resonator mit planparallelen Spiegeln bestrahlt wird, so daß die Gefahr von Beschädigungen des teildurchlässigen Spiegels aufgrund thermischer Spannungen vermindert ist

Es ist weiter in der Lasertechnik bekannt, daß entweder der teildurchlässige Spiegel oder der vollständig reflektierende Spiegel oder auch beide die Abschlußwände des Laserresonators bildende Spiegel Ausschnitten bestimmter Kugelflächen entsprechen. Dabei ist aber gemäß einer bekannten Konstruktion der Abstand zwischen den Abschlußwänden von dem Krümmungsradius des gekrümmten Spiegels - falls nur ein Spiegel gekrümmt ausgebildet ist — oder von den Krümmungsradien der beiden gekrümmten Spiegel abhängig. Diese Abhängigkeit macht es wiederum unmöglich, die Länge des Laserresonators zu ändern, ohne auch den Krümmungsradius einer Abschlußwand oder beider Abschlußwände des Resonators zu verändern.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, unter Verwendung eines Laserresonators, in welchem die Laserenergie in einem hohlzylindrischen Strahl auftritt, sowie unter Verwendung eines gekrümmten, teildurchlässigen Spiegels als eine Abschlußwand des Laserresonators die Energiedichte am Orte des teildurchlässigen Spiegels zu verringern, ohne daß die Länge des Laserresonators von der Spiegelkrümmung abhängig ist

Diese Aufgabe wird — ausgehend von einem Laserresonator nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 — durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst

Der Laserresonator enthält also einen gekrümmten konvexen Spiegel, der auf die Symmetrieachse des Resonators ausgerichtet ist und die Laserenergie in solcher Weise reflektiert, daß ein divergentes Strahlenbündel entsteht, dessen Strahlen Insbesondere von Punkten auf einem Kreis auszugehen scheinen. Weiter ist ein konkaver, teildurchlässiger Spiegel vorgesehen, dessen Krümmungsradien zu KrQmmungsmittelpunkten hin verlaufen, die ebenfalls auf den genannten Kreis liegen. Der teildurchlässige Spiegel nimmt das divergierende Strahlenbündel auf und dient als die eine Abschlußwand des Resonators. Die Laserenergie, weiche durch den gekrümmten, teildurchlässigen Spiegel hindurchtritt, kann dann von in geeigneter Weise geformten und angeordneten Spiegeln aufgefangen und ausgerichtet oder gebündelt werden.

Weitere Vorteile lassen sich durch Ausgestaltungen der Erfindung erzielen, die im übrigen Gegenstand der Unteransprüche sind, auf welche hier zur Vereinfachung und Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich hingewiesen wird. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar

F i g. 1 eine Skizze zur Beschreibung der Vorgänge beim Hin- und Herreflektieren der Laserenergie innerhalb des optischen Laserresonators, wobei auch Mittel zur Bündelung der austretenden Strahlung angedeutet sind,

Fig. IA eine Skizze zur Erläuterung der Tatasache, daß die Länge des optischen Laserresonators für alle Laserstrahlen konstant ist und

F i g. 2 eine teilweise aufgebrochene Darstellung eines Lasers mit einem Laserresonator der hier angegebenen Art.

in F i g. 1 zeigen die unnumerierten Pfeile schematisch den Verlauf der Laserenergie zwischen den Spiegelelementen, welche einen optischen Laserresonator begrenzen, und welche in der aus der Zeichnung ersichtlichen Art und Weise geformt und angeordnet ί sind. Jede der AbschluBwand-Anordnungen 10 bzw. 12 liegt zu einer Symmetrieachse des Laserresonators konzentrisch bzw. symmetrisch, so daß Laserenergie der gewünschten Wellenlänge zwischen einem vollständig reflektierenden Spiegel 13 und einem teildurchlässi- u> gen Spiegel 15 hin- und herreflektiert wird, wobei die Energie bei jedem Duichgang durch die konvexen Spiegel 17 und 19 achsparallel gerichtet wird. Die zuletzt genannten Spiegel besitzen Reflexionsflächen, welche durch Rotation von Abschnitten (hier durch iö ausgezogene Linien angedeutet) einander gegenüberstehender Parabeln gebildet sind, deren Brennpunkte fw\ und fn auf einer gemeinsamen Hauptachse in bestimmtem Abstand von der Symmetrieachse gelegen sind. Wenn diese Parabelabschnitte um 180° gedreht werden, so erscheint der Brennpunkt fw\ an dem Punkt Av₂ und der Brennpunkt fw\ erscheint an dem L-unkt Zr₂. Brennpunkte entsprechend den Punkten fw\ und/λ sind also jeweils die Brennpunkte für die oberen Hälften der konvexen Spiegel 17 und 19, während Brennpunkte entsprechend den Punkten fw₂ und Zr₂ die Brennpunkte für die jeweils unteren Hälften der Spiegel 17 und 19 sind. Der vollständig reflektierende Spiegel 13 und der teildurchlässige Spiegel 15 sind durch Rotation von Kreisbogenabschnitten gebildet, deren Krümmungsmit- ]< > telpunkte im Abstand von der Symmetrieachse auf dem durch die Spurenpunkte h\ und fw\ angedeuteten Brennkreis gelegen sind. Auch hier bilden Punkte ähnlich den Punkten /r₂ und /W₂ die Brennpunkte für die jeweils unteren Hälften der zuletzt genannten Spiegel. i> Dreht man also die Erzeugenden, nämlich die jeweiligen Parabelabschnitte oder Kreisbogenabschnitte, um 360°, so ergibt sich folgendes:

a) Die Brennpunkte jedes Paares der gewählten -40 Kurvenabschnitte beschreiben zusammenfallende Brennkreise, welche in Radialebenen zur Symmetrieachse des Systems liegen und zu dieser Achse konzentrisch sind;

b) die reflektierenden Flächen des vollständig reflek- -r. tierenden Spiegels 13 und des teildurchlässigen Spiegels 15 sind kugelähnliche Flächen;

c) die reflektierenden Flächen der konvexen Spiegel 17 und 19 sind Paraboloidstümpfe.

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Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß wegen der Entfernung der Krümmungsmittelpunkt der zuerst genannten Spiegel von der Symmetrieachse die reflektierenden Flächen dieser Spiegel nicht echte Kugelflächen sind und daß wegen der Entfernung der Brennpunkte der zuletzt erwähnten Spiegel von der Symmetrieachse diese Spiegel keine echten Paraboloidstümpfe sind. Um die hier als bevorzugt anzusehenden Spiegelflächen von den regulären Kugel- bzw. Paraboloidflächen zu unterscheiden, sollen diese Flächen im feo folgenden mit dem Vorsatz »R« gekennzeichnet werden. Die Form des vollständig reflektierenden Spiegels 13 und des teildurchlässigen Spiegels 15 sei nachfolgend als R-sphärisch bezeichnet. Die Form der konvexen Spiegel 17 und 19 sei nachfolgend als e>-: R-paraboloidisch bezeichnet Außerhalb des hier vorgeschlagenen optischen Las«* resonators befindet sich ein weiterer, mit 21 bezeichneter Spiegel, dessen Reflexionsfläche der Flächengestalt entspricht, welche durch ' Rotation eines Teiles einer Ellipse entsteht, welche mit einem Brennpunkt, der mit fe bezeichnet ist, auf der Symmetrieachse des Systems gelegen ist und deren anderer Brennpunkt mit dem Brennpunkt fw\ zusammenfällt bzw. bei Rotation des Ellipsenteiles um die Symmetrieachse einen Brennkreis beschreibt, welcher mit dem zu dem Spurenpunkt fw\ gehörigen Brennkreis zusammenfällt Diese Reflektorfläche soll als R-ellipsoidisch bezeichnet werden.

Die Einzelteile der gezeigten Einrichtung werden durch einen zylindrischen Glasmantel 23 und eine metallische, zylindrische Hülse 25 vervollständigt Die zylindrische metallische Hülse und der zylindrische Glasmantel bilden zusammen mit dem teildurchlässigen Spiegel 15 und dem vollständig reflektierenden Spiegel 13 sowie den konvexen Spiegeln 12 und 10 einen geschlossenen Raum, in weichen in einer nicht dargestellter* Weise ein Lasergas oder eine Laserflüssigkeit eingefüllt wird. Handelt es .ich um einen Feststofflaser, so sind selbstverständlich di". zylindrische metallische Hülse 25 und der zylindrische Glasmantel 23 nicht erforderlich. Es ist darauf hinzuweisen, daß bei Auswahl der richtigen Abschnitte der Parabeln als Erzeugende für die konvexen Spiegel 17 und 19 die Laserenergie (nämlich die angeregte Energie mit der gewünschten Wellenlänge) an den Spiegelflächen eine innere Totalreflexion erfahren kann, so daß keine metallischen Reflexionsflächen an diesen Stellen vorgesehen werden müssen. Das bedeutet, daß die betreffenden Oberflächenbereiche des Lasermaterials selbst entsprechend geformt sind, um die konvexen Spiegel 17 und 19 zu bilden.

Eine ganz wesentliche Forderung an einen optischen Laserresonator ist es selbstverständlich, daß die Länge L des Weges für sämtliche Laserenergiestrahlen zwischen dem vollständig reflektierenden Spiegel und dem teildurchlässigen Spiegel, welche die Abschluß wände des Anregungsraumes bilden, konstant bleibt Anhand der F i g. 1 und IA kann aufgezeigt werden, daß diese erforderliche Konstanz der Weglängen gegeben ist, wenn die Längen der Wege sämtlicher Strahlen in einem parallelgerichteten Bündel, gemessen von einer Radialebene zu dem Strahlenbündel bis hin zu dem teildurchlässigen Spiegel 15 bzw. dem vollständig reflektierenden Spiegel 13 gleich bleibt In F i g. 1A ist die Linie ii\ der Ort der Verschneidung einer solchen Radialebene mit der Zeichenebene, wobei die Radialebene an Ort des Auftreffend i\ eines innenliegenden Strahles des zur Systemachse parallelgerichteten Strahlenbündels auf einer parabolischen Fläche mit dem Brennpunkt fw, errichtet ist. Der Bogen kc ist ein Kreisbogen mit dem Zentrum bei fw\, wobei dieser Kreisbogen durch den Auftreffpunkt k des äußeren Strahles des parallelgcrichteten Strahlenbündel auf die parabolische Oberfläche geht. Man erkennt, daß sämtliche Strahlen in dem parallelgerichteten Strahlenbündel nach der Reflexion so abgelenkt werden, daß sie eine Richtung eri.alten, als gehen sie von dem Brennpunkt <V| aus, wobei sämtliche Strahlen auf den Kreisbogen i₂c zwischen den Punkten /₂ und c treffen. Wenn dann die Längen der Strecken i\c und H₂ gleich sind, so sind die Längen der Wege der Strahlen von gleichen Punkten zu Punkten auf dem Bogen c₂c\ gleich, wobei diese Punkte auf einem Kreis mit dem Mittelpunkt bei fw\ gelegen sind. Die nachfolgenden Gleichungen I) bis 6), welche unter Verwendung der in Fig. IA gewählten Bezeichnungen angeschrieben sind,

zeigen, daß die Längen der Strecken i]c und //> gleich sind:

H₂ = r2 cos /1) — /·| cos Λ ι :

II)
(21

C-U₁ = r, (I - cos/4 2) - Γ| (I -cos.-i^): (.1)

aber:

Γι (1 — cos A₂) = ρ '.

und

ι·, (I -cos/),) = ρ:

daher

— /i'i = ρ — ρ = 0 .

(4)
(51
16)

Verfolgt man die Gedankengänge der vorstehend λ . λ

angegebenen Gleichungen, so kann gezeigt werden, daß """'^

die Länge irgend eines Strahles von seinem Schnitt mit .'» hierin bedeuten: der Linie ;;Ί bis zu dem Kreisbogen hc stets gleich der Länge der Strecke /icoder der Strecke H₁ ist.

Es sei nun auf F i g. 2 Bezug genommen, worin entsprechende Teile wie in Fig. 1 auch mit gleichen Bezugszahlen, jedoch mit einem zusätzlichen Strich, r> gekennzeichnet sind. Die verschiedenen Spiegel sind in der vorstehend angegebenen Art und Weise zusammengesetzt, wobei im übrigen gebräuchliche Konstruktionen verwendet werden können. Die verschiedenen Bauteile sind etwa an Ringen 30 und 32 befestigt so daß ίο eine einheitliche Konstruktion entsteht, welche den optischen Laser-Anregungsraum bildet. Eine Anregungs-Energiequelle 34, beispielsweise eine Reihe von Batterien, ist über Schaltmittel 36 an ein Gasentladungsgerät 38 oder an eine Ladestromquelle 40 angeschlos- r, Es gilt also: sen. Ein geeignetes Lasergas wird von einer Gasquelle 42 aus in den optischen Laser-Anregungsraum über eine nicht näher bezeichnete Rohrleitung eingelassen, hierin bedeuten welche in dem vorliegend gezeigten Konstruktionsbeispiel durch den Ring 32 geführt ist Durch periodisches Anregen des gewählten Lasergases durch das von dem Der teildurchlässige Spiegel kann in der Weist hergestellt werden, daß nach irgend einem bekannter Verfahren ein Belag aus einem bestimmten Werkstoff beispielsweise aus Zinkselenid. (ZnSe) oder au< Kochsalz (NaCI) hergestellt wird, um eine transparent Basis zu bilden. Jedenfalls erkennt man, daß, nachden die Spiegel 13' und 15' keine besondere gegenseitige Beziehung und Lage aufzuweisen brauchen, det Krümmungsradius des teildurchlässigen Spiegels 15 verhältnismäßig groß relativ zu der Querabmessung de konvexen Spiegels 19' gewählt wird. Das Theorem vor Pappus fordert dann, daß die Fläche des teildurchlässi gen Spiegels 15' entsprechend größer als die Fläche de; konvexen Spiegels 19' gewählt wird, so daß sich dami eine Verminderung der Lichtstromdichte in dem teildurchlässigen Spiegel ergibt. Es gilt nämlich die nachfolgend angegebene Gleichung:

A\j /is'

c/i5 /19' I/'- I I.I . Mtl' W.7' I
"I ? ' '"13" I'll' "MV

die Fläche des teildurchlässigen Spiegels 15',

die Fläche des konvexen Spiegels 19',

die Länge des Kreisbogens, welche die

Erzeugende des teildurchlässigen Spiegels 15

den Abstand des Schwerpunktes des Bogen·

itücks /15' von der Symmetrieachse des

Systems, die Länge des Parabelstückes, welches die

Erzeugende des konvexen Spiegels 19' ist und

den Abstand des Schwerpunktes des Bogen-

stückes /19' von der Symmetrieachse des

Systems.

ctiiituci ic

witu 111 UClIl

Lasermedium eine stimulierte Emission angeregt. Der Teil der Laserenergie, welcher zwischen dem vollständig reflektierenden Spiegel 13' und dem teildurchlässigen Spiegel 15' hin- und herreflektiert wird, trägt aufgrund der Abstimmung des Resonatorraumes zu der Laserwirkung bei und bildet ein parallelgerichtetes Strahlenbündel hohlzylindrischer Gestalt zwischen dem zylindrischen Mantel 23' und der zylindrischen Metallhülse 25' aus. Nach Reflexion an dem konvexen Spiegel 17' verwandelt sich das zunächst achsparallele, hohlzylindrische Strahlenbündel in ein divergierendes Strahlenbünde. Nach Reflexion an dem vollständig reflektierenden Spiegel 13' wird das divergierende Strahlenbündel wieder zu einem in sich zurückgeworfenen, konvergierenden Strahlenbündel. Nach neuerlicher Reflexion an dem konvexen Spiegel 17 wird daher das konvergierende Strahlenbündel wieder zu einem parallelgerichteten Strahlenbündel. Dieselben Vorgänge spielen sich zwischen dem konvexen Spiegel 19' und dem teildurchlässigen Spiegel 15' ab. Zusätzlich tritt selbstverständlich ein Teil der Laserenergie durch den teildurchiässigen Spiegel 15' als divergierendes Strahlenbünde! aus. Dieses divergierende Strahlenbünde! kann durch Reflexion an dem Spiegel 2V in der gewünschten Weise neuerlich fokussiert werden.

Di 5' die Lichtstromdichte am Orte des teildurchläs sigen Spiegels 15' und

D\g die Lichtstromdichte am Ort des konvexen Spiegels 19'.

Betrachtet man F i g. 2 und die Gleichungen (7) und

(8), so wird deutlich, daß die größten Lichtstromdichten in einem Laser der hier vorgeschlagenen Art an den konvexen Spiegeln 17' und 19* wirksam sind, wöbe angenommen wird, daß die Flächen der beiden konvexen Spiegel gleich sind. Nachdem die konvexen Spiegel 17 und ίΨ hohl ausgeführt sein können, und "bei die zylindrische Metallhülse 25 verbunden sind, weiche ebenfalls hohl ist, kann in einfacher Weise unter Verwendung an sich bekannter Mittel (nicht dargestellt) ein Kühlmittel auf die Innenseiten der Spiegel durch die Abschlußwandanordnung IC geleitet werden. Außerdem können Teile des Raumes innerhalb der konvexen Spiegel 17' und 19' sowie innerhalb der zylindrischen metallischen Hülse 25' von bestimmten Teilen des Gerätes eingenommen werden, beispielsweise von der Lasergasquelle 42. Auch versteht es sich, daß das beschriebene Gerät so abgewandelt werden kann, daß der Laser kontinuierlich strafalt und nicht, wie zuvor angegeben, impulsweise betrieben wird. Weiter erkennt man, daß die Abschlußwandanordnung IC durch einen optisch flachen, ringförmigen Reflektor ersetzt werden kann und daß der Spiegel 2V nicht R-ellipsoidische Form aufzuweisen braucht

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Laterresonator mit zwei zu einer Symmetrieachse rotationssymmetrischen Endspiegeln, in dem "> die Laserstrahlung an der Austrittsseite Ober eine ringförmige Fläche verteilt ist, bei dem an der Austrittsseite ein teildurchlässiger Endspiegel (15, 15') und ein konvexer Spiegel (19, 19') vorgesehen sind, wobei die Reflexionsfläche des konvexen In Spiegels /wischen dem teildurchlässigen Spiegel und der Symmetrieachse gelegen und durch Rotation eines Abschnittes einer Parabel um die Symmetrieachse gebildet ist und wobei der Parabelbrennpunkt im Abstand von der Symmetrieachse liegt, und bei dem der Austrittsseite gegenüberliegend als zweiter Endspiegel ein vollständig reflektierender Spiegel (13) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der teildurchlässige Spiegel (15 bzw. 15') eine konk.ve Reflexionsfläche hat, die durch Rotation eines kurzen Kreisbogenabschnittes um die Symmetrieachse des Resonators erzeugt ist, wobei der Mittelpunkt des erzeugenden Kreisbogenabschnittes und der Brennpunkt der erzeugenden Parabel (fm bzw. /W2) des konvexen Spiegels (19) denselben Kreis beschreiben.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsfläche des konvexen Spiegels (19 bzw. 19') von der Symmetrieachse des Resonators in allen Flächenteilen einen bestimmten jo Abstand einhält

3. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite vollständig reflektierende Spiegel (13) eine kcnkave Reflexionsfläche hat und seine Erzeugende ein um Jie Symmetrieach- a se rotierendes Kreisbogenstück ist, daß ein weiterer konvexer Spiegel (17 bzw. 17') vorgesehen ist, dessen Reflexionsfläche durch Rotation eines Abschnittes einer zweiten Parabel, deren Hauptachse parallel zur Hauptachse der erstgenannten Parabel verläuft oder mit ihr zusammenfällt, um die Symmetrieachse des Resonators gebildet ist, und daß der Krümmungsmittelpunkt (Zn, fn) der Erzeugenden des vollständig reflektierenden Spiegels (13) mit dem Brennpunkt der zweiten Parabel zusammenfällt

4. Resonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelte Weglänge für die kohärente Strahlung zwischen dem teildurchlässigen Spiegel (15 bzw. 15') und dem vollständig reflektierenden Spiegel (13 bzw. 13') ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge der kohärenten Strahlung innerhalb des optischen Laserresonators ist.

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