DE2943322C2 - Instabiler Laserresonator - Google Patents

Description

w'

In analoger Weise läßt sich nun für rechteckige Spiegel eine Vergrößerung m_x bzw. m_y definieren, derart, daß m_x bzw. m_y Längenverhältnisse der jeweiligen Spiegelkanten in x- bzw. einer senkrecht dazu verlaufenden y-Richtung darsteilen. Dann gilt für die gesamte Auskopplung:

K-i—L-

w_vw,,

und für den auf die jeweiligen Spiegelkanten entfallenden Anteil:

„ _

2 m.m.,

und K₁ =

Die Erfindung betrifft einen instabilen Laserresonator wie er im Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben ist.

Laser mit quer zum Resonator strömenden aktiven Medien, insbesondere gasdynamische sowie chemische b5 Laser, in welchen das aktive Medium mit Überschallge- mit schwindigkeit strömt, weisen einen Verlauf der Kleinsignalverstärkung und des Sättigungsverhaltens auf, K = K_x + K₁..

(w,-1)

2 w, W₁.

Gasdynamischer Laser weisen gewöhnlich in Strömungsrichtung einen großen Bereich ausreichend hoher Verstärkung auf, während quer zur Strömungsrichtung infolge der Grenzsehichtausbildung an den Kanalwänden ein Verstärkungsprofil auftritt, welches an diesen Wänden gegen Null strebt Ein Verfahren, die Strahlung aus diesem Medium auszukoppeln, isi in der US-Patentschrift 40 79 340 angegeben. Ein instabiler konfokaler Resonator mit einem konvexen und einem konkaven Laserspiegel mit sphärischen Oberflächen wird so abgewaniielt, daß die Achse des Laserstrahls und die Resonatorachse nicht zusammenfallen, sondern so gegeneinander geneigt sind, daß die Qualität des resultierenden Ferr.feldes optimiert wird. Die Neigung der optischen Achse führt dazu, daß der »Schatten« des Konvexspiegels im Bereich der austretenden Strahlung verschoben wird, so daß beispielsweise der Austritt der Strahlung an der stromaufwärts gelegenen Kante des Konvexspiegels verstärkt, an der stromabwärts gelegenen Kante dagegen verringert wird. Zwar lassen sich dadurch verbesserte Strahlungseigenschaften im Fernfeld erzielen, jedoch bedeutet dies nicht, daß die verfügbare Energie des Mediums optimal abgerufen wird, da die Vergrößerung in Strömungsrichtung und quer dazu konstant bleibt

Es ist eine Spiegelanordnung bekannt (Optics Letters, Band 2, Nr. 6, Juni 1978, Seiten 145 bis 147), bei welcher unterschiedliche Vergrößerung in Strömungsrichtung und quer dazu dadurch erreicht wird, daß man sphärische Spiegel um erhebliche Winkel gegenüber der jo Resonatorachse verschwenkt Auf diese Weise gelingt es, die effektive Krümmung des Spiegels in einer Richtung zu ändern, während die Krümmung senkrecht dazu ungeändert bleibt Durch Wahl geeigneter Verschwenkwinkel und Spiegelradien läßt sich die j-, Konfokalität in beiden Richtungen aufrecht erhalten. Bei diesem Verfahren ist jedoch bisher das Problem der auftretenden, großen Bildfehler, insbesondere der Komakompensation, nicht lösbar. Aus diesem Grunde erhält man hier zwar durch Variation der Vergrößerung in senkrecht zueinander stehenden Richtungen eine gute Strahlungsausbeute, dagegen wird die Qualität der ausgekoppelten Strahlung stark verschlechtert.

Grundsätzlich wäre es möglich, unterschiedliche Vergrößerung auch bei einem instabilen Resonator zu 4-, erhalten, der aus Zylinderspiegeln aufgebaut ist. Während solche Zylinderspiegel in einer Richtung das gewünschte Verhalten zeigen würden, wären ihre Spiegelflächen in der senkrecht dazu stehenden Richtung parallel anzuordnen, d.h. sie würden als Fabry-Perot-Resonator mit der Vergrößerung m_y— \ wirken. Eine solche Anordnung funktioniert nur dann einwandfrei, wenn die Spiegelflächen streng parallel justier* sind, da andernfalls der Strahl aus dem Resonator seitlich auswandert. Ein solcher Resonator ist daher kompliziert in Betrieb zu nehmen und in der Regel instabil im Betrieb.

Prinzipiell ließe sich ein Resonator mit unterschiedlichen Vergrößerungen in verschiedenen Richtungen und mit guten optischen Eigenschaften der ausgekoppelten to Strahlung bei der Verwendung von Spiegelflächen erreichen, die ellipsoidisch geformt sind, die also verschiedene Krümmungsradien in senkrecht zueinander stehenden Richtungen aufweisen. Es erfordert jedoch in der Herstellung bei Berücksichtigung der bei ,5 Laserspiegeln erforderlichen Oberflächengenauigkeit einen unverhältnismäßig hohen zeitlichen und finanziellen Aufwand.

Es ist Aufgabe der Erfindung, optische Resonatoren mit einer in senkrecht aufeinander stehenden Richtungen verschiedenen Vergrößerung zu verwirklichen, mit denen ein vollständig kollimierter Laserstrahl erzeugt werden kann, wobei Abbildungsfehler vermieden werden sollen und wobei der Aufbau des Resonators so einfach sein soll, daß weder eine komplizierte Justierung noch die Verwendung schwer herstellbarer Komponenten notwendig sind

Diese Aufgabe wird bei einem instabilen Laserresonator der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst

Die Verwendung von zwei Zylinderflächen ermöglicht es, die Vergrößerung in verschiedenen Richtungen unterschiedlich einzustellen, da die Achsen der Zylinderelemente senkrecht aufeinander stehen. Diese Anordnung der Zylinderelemente vermeidet außerdem die Notwendigkeit einer exakten Justierung, da die beiden Zylinderspiegel im Zusammenwirken mit den sphärischen Spiegein nicht als Fabry-Perot-Resonator wirken.

Die weiteren optischen Elemente sind vorzugsweise Spiegel, jedoch ist auch die Verwendung von Linsen möglich. Im letzteren Fall ist es günstig, wenn eine solche Zylinderlinse gleichzeitig als Fenster für den Behälter des aktiven Mediums ausgebildet ist.

Die je ~wei benachbarte optische Elemente verbindenden Lichtwege im aktiven Medium lassen sich dadurch verlängern, c'aß durch Einbringen eines oder mehrerer Planspiegel eine oder mehr als eine Faltung des jeweiligen Lichtweges bewirkt wird.

Es ist vorteilhaft, wenn die Lichtwege zwischen den einzelnen optischen Elementen gleich lang sind.

Es kann vorgesehen sein, daß der gesamte Lichtweg nur im Bereich zwischen zwei aufeinanderfolgenden optischen Elementen das aktive Medium durchdringt.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispie! der Erfindung ist vorgesehen, aaß die optischen Elemente derart angeordnet sind, daß der gesamte Lichtweg in einer Ebene liegt; vorzugsweise laufen dabei alle Lichtstrahlen durch das aktive Medium.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß ein Zylinderspiegel derart angeordnet ist, daß der auftreffende Strahl mit der Normalen der Zylinderoberfläche einen Winkel von etwa 45° bildet, wobei die Zylinderachse in der Einfallsebene liegt.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Anordnung der Spiegel eines Resonators;

Fig.2 eine schematische Anordnung der Spiegel eines abgewandelten Ausführungsbeispiels eines Resonators;

Fig.3 ein Diagramm zur Erläuterung der Bestimmung der Dimensionierung der optischen Elemente in einem Resonator gemäß F i g. 1 oder 2;

Fig.4 in einem Diagramm den Zusammenhang der Krümmungen der optischen Elemente des Resonators gemäß F i g. 1 oder 2 und des Gesamtlichtweges L zwischen ihnen;

F i g. 5 in einem Diagramm den Zusammenhang des Verhältnisses der Vergrößerungen in senkrecht zueinander stehenden Richtungen und der Krümmungen der optischen Elemente;

F i g. 6 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Auskopplung in senkrecht aufeinander stehenden Richtungen in Abhängigkeit von den Krümmungen der

optischen Elemente des Resonators gemäß F i g. 1 oder 2;

F i g. 7 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Gesamtkoppelung von den Krümmungen der optischen Elemente und

F i g. 8 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Auskopplung in einer Richtung vom Verhältnis der unter sich gleichen Abstände zwischen einem sphärischen und einem zylindrischen Element und dem Abstand zwischen den beiden optischen Elementen mit in Zylinderfläche.

In F i g. 1 ist schematisch der Aufbau eines Laserresonators dargestellt. In einem nur schematisch angedeuteten Kanal 5 mit rechteckförmigem Querschnitt fließt in Richtung des Pfeiles 6 ein laseraktives Medium, bei i> einem gasdynamischen Laser beispielsweise ein durch eine Hochfrequenzentladung angeregtes, mit Überschallgeschwindigkeit strömendes Gas, im Falle eines chemischen Lasers ein im Bereich des Resonators eine chemische Reaktion erfahrendes Gas.

Ein sphärischer Konkavspiegel 1 ist neben dem Kanal 5 angeordnet, dem auf der anderen Seite des Kanals ein kreiszylindrischer Konvexspiegel 2 gegenübersteht, dessen Zylinderachse im wesentlichen parallel zu den Kanten des Kanals 1 verläuft. Neben dem Konkavspie- 2¹J gel 1 befindet sich ein weiterer zylindrischer Konvexspiegel 3, dessen Zylinderachse im wesentlichen senkrecht zur Zylinderachse des Konvexspiegels 2 verläuft. Diesem gegenüber steht auf der anderen Seite des Kanals 5 ein sphärischer Konvexspiegel 4. Der j« Konvexspiegel 2 ist gegenüber den Spiegeln 1 und 3 derart angeordnet, daß das Licht vom Spiegel 1 unter einem kleinen Winkel 7 auf den Spiegel 3 auftrifft und von dort unter einem ebenfalls kleinen Winkel 8 zum Spiegel 4 gelangt, d. h. die Einfallswinkel der Strahlen 9 r, (zwischen den Spiegeln 1 und 2), 10 (zwischen den Spiegeln 2 und 3) und 11 (zwischen den Spiegeln 3 und 4) sind so gering, daß keine wesentlichen Bildfehler infolge schrägen Lichteinfalls auf die gekrümmten Spiegeloberflächen verursacht werden.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Spiegel außerhalb des Kanals 5 angeordnet, in diesem Falle sind die Wände des Kanals in geeigneter Weise für die Strahlung durchsichtig ausgestaltet, beispielsweise durch Vorsehen entsprechender Fenster in den Kanalseitenwänden. Es ist auch möglich, die Spiegel im Inneren des Kanals anzuordnen und ein entsprechend durchlässiges Fenster nur hinter dem Spiegel 4 anzuordnen, so daß die Strahlung im Bereich des Spiegels 4 aus dem Kanal austreten kann.

In F i g. 1 ist zusätzlich ein Achsenkreuz angegeben, welches die Bezeichnung der Richtungen festlegt; danach erfolgt der Fluß des aktiven Mediums in der positiven X- Richtung.

In F i g. 2 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel dargestellt Ein Kanal 21 wird in gleicher Weise wie der Kanal 5 im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 in Richtung eines Pfeiles 22 von einem aktiven Lasermedium durchströmt Auch hier sind ein sphärischer Konkavspiegel 23, ein kreiszylindrischer Konvexspiegel 24, ein zweiter kreiszylindrischer Konvexspiegel 25 sowie ein sphärischer Konvexspiegel 26 vorgesehen, jedoch unterscheidet sich ihre Anordnung von der im Ausführungsbeispiel der Fig. 1. Der sphärische Konvexspiegel 26 liegt mit seiner Kugelfläche dem Kanal 21 zugewandt neben einer Seitenwand desselben. Diesem gegenüber ist der zylindrische Konvexspiegel 25 angeordnet und zwar derart, daß der Lichtstrahl 31 zwischen dem Konvexspiegel 26 und dem Konvexspiegel 25 etwa unter 45° auf die zylindrische Oberfläche des Konvexspiegels 25 auftrifft, wobei die Zylinderachse des Spiegels 25 in der Einfallsebene des Lichtstrahls 31 liegt. Der zylindrische Konvexspiegel 24 ist derart angeordnet, daß seine Zylinderachse senkrecht auf der Zylinderachse des Konvexspiegels 25 steht, so daß der Lichtstrahl 30 unter etwa 45° auf den Konvexspiegel 24 auftrifft. Der sphärische Konkavspiegel 23 ist derart angeordnet, daß der Lichtstrahl 29 zwischen dem Spiegel 23 und dem Spiegel 24 etwa parallel zum Kanal 21 verläuft. Während im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 die Lichtstrahlen 9, 10 und 11 zumindest während des größten Teils im aktiven Medium verlaufen, verläuft beim Ausführungsbeispiel der F i g. 2 lediglich der Lichtstrahl 31 zum größten Teil im aktiven Medium, die anderen Lichtstrahlen 30 und 29 sind außerhalb des aktiven Mediums angeordnet.

Wie beim Ausführungsbeispiel der F i g. 1 können die Spiegel 25 und 26 sich auch im Innern des Kanals befinden, dann muß für den Austritt des Lichtstrahles 30 einerseits und für den Austritt der ausgekoppelten Strahlung im Bereich des Spiegels 26 andererseits eine geeignete Durchgangsmöglichkeit in der Kanalwand vorgesehen sein.

Ein Achsenkreuz gibt auch hier wieder die Bezeichnung der Richtungen an.

Diese zweite Anordnung hat den Vorteil, daß sowohl der Querschnitt der Auskopplungsstrahlung als auch das Verhältnis der Vergrößerung in V-Richtung und in ^-Richtung den physikalischen Gegebenheiten des laseraktiven Mediums optimal angepaßt werden können, ohne daß weitere Lichtwege im aktiven Medium in Betracht gezogen werden müssen. Darüber hinaus können bei dieser Konfiguration die Lichtwege zwischen den Spiegeln in ihrer Länge sehr unterschiedlich gewählt werden. Wenn die Zylinderachsen wie in dem angegebenen Ausführungsbeispiel in den Ebenen von einfallendem und reflektiertem Lichtstrahl liegen, so ergeben auch große Einfallswinkel (hier etwa 45°) keine Bildfehler.

Bei den beschriebenen Anordnungen läßt sich durch eine geeignete Wahl der Spiegelabstände einerseits und der Krümmungen der Spiegel andererseits ein kollimierter Ausgangsstrahl erzeugen, dessen Ausgangsintensität optimiert ist und dessen Vergrößerung den physikalischen Gegebenheiten des laseraktiven Mediums optimal angepaßt ist d. h. dessen Vergrößerung in X- und V-Richtung unterschiedlich ist.

Im folgenden wird kurz angedeutet wie man.zu einem Satz von Werten für die Krümmungen der Spiegel und deren Abstände gelangt durch welche die erwähnten Forderungen erfüllt sind. Dazu wird auf F i g. 3 verwiesen. Wie bereits erwähnt ist die erfindungsgemäße Anordnung nicht auf zylindrische Spiegel beschränkt sondern grundsätzlich ist auch die Verwendung zylindrischer Linsen möglich. In Fig.3 ist der geometrische Strahlengang bei Verwendung von Linsen dargestellt wobei die Linsen hintereinander gezeichnet sind. Oberhalb der strichpunktierten Linie ist der Strahlengang in A"-Richtung, unterhalb der strichpunktierten Linie der Strahlengang in y-Richtung dargestellt Jede dieser Strahlungen sieht nur einen der zylindrischen Spiegel (hier Linsen) als Linsen, der andere zylindrische Spiegel (hier linse) wirkt für die Strahlung als Planspiegel und kann daher bei der Betrachtung des geometrischen Strahlenganges unberücksichtigt bleiben.

Im folgenden wird anhand des Ausführungsbei.spiels der F i g. 1 im Zusammenhang mit der schematischen Darstellung der F i g. 3 der Strahlengang in A"-Richtung erläutert. Dabei sind neben Komponenten der Anordnung in Fig. 1 in Klammern die entsprechenden Bezeichnungen der F i g. 3 gesetzt.

Ein auf den sphärischen Konvexspiegel 4 (5Ί) parallel auffallendes Lichtbündel wird längs des Lichtweges 11 (a) aufgeweitet. Diese Strahlung trifft auf den zylindrischen Konvexspiegel 3 (Si_x) auf und wird von dem zylindrischen Konvexspiegel 2, der als Planspiegel wirkt und daher beim Strahlengang in X-Richtung nicht erscheint, auf den sphärischen Konkavspiegel 1 ^3) geworfen, wobei längs der Lichtwege 9 und 10 (b) eine weitere Aufweitung erfolgt. Nach Reflexion am Spiegel

1 (Si) wird der Lichtweg in umgekehrter Richtung durchlaufen, wobei die Strahlung durch den zylindrischen Konvexspiegel 3 (S'2_X) parallel gerichtet werden soll, da ein kollimierter Ausgangsstrahl gewünscht wird. Die Erzeugung eines kollimierten Ausgangsstrahls ist eine physikalische Bedingung, welche bei der Bestimmung eines Satzes von Krümmungswerten und relativen Abständen zugrunde gelegt wird.

Anhand der schematischen Darstellung der F i g. 3 lassen sich mit den Gesetzen der geometrischen Optik Beziehungen zwischen den Brennweiten (Krümmungen) der optischen Elemente, deren Abständen und der Vergrößerung m_x errechnen. Die Vergrößerung ergibt sich dabei anschaulich aus der Darstellung der Fig.3; ein auf den sphärischen Konvexspiegel mit einem Radius 1 auftreffendes Strahlungsbündel fällt nach Durchlaufen des vollständigen Lichtweges mit einem um den Faktor m_x vergrößerten Radius auf den Spiegel 4.

Dieselbe Berechnung läßt sich für den Strahlengang in K-Richtung anstellen, die entsprechenden optischen Elemente und Lichtwege sind in F i g. 3 unterhalb der strichpunktierten Linie dargestellt. Die Darstellung unterscheidet sich von der in X-Richtung im wesentlichen dadurch, daß die Strahlung in K-Richtung den Spiegel 3 als Planspiegel sieht, dagegen aber am Spiegel

2 eine Aufweitung bzw. Konzentrierung erfährt.

In Fig. 4 ist graphisch die Abhängigkeit der Krümmungsradien R2 und Ri der zylindrischen Konvexspiegel 2 bzw. 3 vom Krümmungsradius R\ des sphärischen Konkavspiegels 1 aufgetragen, wobei verschiedene Kurven für verschiedene Werte des Krümmungsradius Rs, des Spiegels 4 eingezeichnet sind. Alle Größen Ri, R2, Ri und Rt sind normiert auf den gesamten Lichtweg L, d. h. also auf die Summe der Lichtwege 9, 10 und 11 im Ausführungsbeispiel der Fig. 1. Die Kurven sind in der oben beschriebenen Weise unter Zugrundelegung des in F i g. 3 dargestellten Diagramms berechnet worden, wobei zugrunde gelegt worden ist, daß die Lichtwege zwischen den einzelnen optischen Elementen jeweils gleich sind, daß also mit den Bezeichnungen der Fig.3 folgende Beziehungen gelten:

■l·

α' = 2 b'.

Die gestrichelten Kurven geben für verschiedene Parameter — RaZL die Abhängigkeit der Größe — R₃ZL von der Größe R\/L an, die ausgezogenen Kurven bei gleichen Paramtern die Abhängigkeit der Größe — RiZL von der Größe RiZL

Diese Darstellung gestattet es, bei einer vorgegebenen Krümmung des Spiegels 1 und einer vorgegebenen ■■> Krümmung des Spiegels 4 die notwendigen Krümmungen der Spiegel 2 und 3 zu bestimmen, die zu einem kollimierten Ausgarigsstrahl führen. Die Werte von Ri und Rs. sind dabei weitgehend frei wählbar, es ergeben sich zu jedem Paar von Ri und Rs entsprechende Werte ι« von /?2 und Ri. Von der Wahl der Größen Ri und Rs hängt jedoch das Verhältnis der Vergrößerungen /H₁ und m, ab.

In F i g. 5 ist das Verhältnis

m,

als Funktion der Größe RiZL aufgetragen, wobei als Parameter wieder — RsIL gewählt ist. Diese Beziehung

j(i wurde ebenfalls aus der oben skizzierten Berechnung erhalten, wobei berücksichtigt wurde, daß sich die Größen — R2ZL und — RiZL bei Wahl eines bestimmten Wertes von R\ZLur\a — Ra₁ZLzwangsläufig ergeben.

Wenn man also ein bestimmtes Verhältnis der

j! Vergrößerungen m_A zu m_y wünscht, kann man aus der in F i g. 5 gezeigten Abhängigkeit bei Vorgabe der Größe Ri oder Rs die jeweils andere bestimmen, wobei sich dann aufgrund der in F i g. 4 dargestellten Beziehungen die Größen R2 und Ri zwangsläufig ergeben.

jo In F i g. 6 ist die prozentuale Aufteilung der Auskopplung

—^ bzw. —s.

auf die X- bzw. K-Rich tung als Funktion der Größe R\IL aufgetragen, wobei wiederum als Parameter — RsZL gewählt ist. Diese Aufteilung ist am größten für kleine Radien der Zylinderspiegel und des Konkavspiegels, jedoch für große Radien des Konvexspiegels.

Die totale Auskopplung K als Funktion der Größe RiZL ist in F i g. 7 aufgetragen, wobei wiederum als Parameter -RsZL gewählt ist. Wie in den anderen Kurven deuten die Endpunkte der Kurven einen Vorzeichenwechsel des Radius eines oder beider Zylinderspiegel an; jenseits dieser Bereiche gelangt man zu Werten, deren Anwendung physikalisch nicht sinnvoll wäre.

In den Diagrammen der Fig.4 bis 7 sind die Beziehungen zwischen den verschiedenen Größen nur für bestimmte Werte des Parameters — RtZL eingetragen; selbstverständlich sind die eingetragenen Kurven nur stellvertretend für die für andere Werte vor. — Rv'L sich ergebenden Kurven. Als Voraussetzung für die in den Fig.4 bis 7 gezeigten Beziehungen wurde verwendet daß die Abstände zwischen den einzelnen Spiegeln gleich sind.

Insbesondere mit ei ner Anordnung, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist, kann nun leicht auch das Verhältnis der Abstände zwischen den einzelnen optischen Elementen variiert werden. Auch in diesem Fall lassen sich Beziehungen zwischen den Radien der optischen Elemente und den Vergrößerungen bestimmen, indem man von einem Diagramm ähnlich dem der Fig.3 ausgeht das entsprechend den unterschiedlichen Abständen zwischen den optischen Elementen modifiziert ist Dabei ergeben sich entsprechende Beziehungen wie die in den F i g. 4 bis 7 für den Fall gleicher Abstände

zwischen optischen Elementen dargestellten Beziehungen.

In F i g. 8 ist für einen Spezialfall die Abhängigkeit der Auskopplung in V-Richtung K_s/K als Funktion der Größe R]/L aufgetragen, wobei die Größe R₄ZL konstant ist und -2 beträgt. Als Parameter ist an den Kurven das Längenverhältnis der Lichtwege 29 bzw. 31 zum Lichtweg 30 gewählt vergl. Fig. 2). Bei gleich langen Lichtwegen (Verhältnis 1:1) beträgt die größtmögliche Variation der Auskopplung 2/3 zu 1/3. Mit sinkendem Längenverhältnis wächst nun der Bereich der Auskopplungsvariation an. Bei einigen Anwendungen (chemische Laser) ist diese erweiterete Variation bei der Optimierung der Gesamtauskopplung vorteilhaft.

Die erfindungsgemäße Verwendung einer Resonatoranordnung mit zwei sphärischen und zwei zylindrischen

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otpischen Elementen ermöglicht es damit, nicht nur die Vergrößerung in verschiedenen Richtungen unterschiedlich zu wählen, sondern man kann gleichzeitig auch die Auskopplung in verschiedenen Richtungen und die Gesamtauskopplung optimieren, indem man diese Elemente mit geeigneten Abmessungen zusammenstellt. Die Bestimmung der notwendigen Abmessungen (Krümmungsradien und Abstände) läßt sich anhand der skizzierten Überlegungen allein unter Verwendung der Gesetzte der geometrischen Optik und mit der Bedingung, nach der die ausgekoppelte Strahlung kollimiert sein soll, erzielen. Der konstruktive Aufbau der Spiegelanordnung ist außerordentlich einfach, insbesondere werden dabei leicht herstellbare Elemente verwendet, die keine besonders exakte Justierung erfordern.

Hierzu 6 Blau Zcichniiimen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Instabiler Laserresonator mit zwei sphärischen Spiegeln und einem zwischen diesen angeordneten aktiven Medium zur Erzeugung eines kolümierten Ausgangsstrahles mit nicht rotationssymmetrischer Vergrößerung des Strahldurchmessers, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg zwischen den sphärischen Spiegeln (1, 4; 23, 26) mindestens zwei weitere optische Elemente (2, 3; 24, 25) mit zylindrischer Oberfläche angeordnet sind, deren Zylinderachsen senkrecht zueinander stehen, wobei die Krümmungen der Oberfläche der weiteren optischen Elemente und deren Abstände entsprechend dem gewünschten Verhältnis der Vergröße- rangen des Strahldurchmessers in verschiedenen Richtungen gewählt sind.

2. Instabiler Laserresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren optischen Elemente Spiegel (2,3; 24,25) sind.

3. Instabiler Laserresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren optischen Elemente Linsen sind.

4. Instabiler Laserresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Linsen gleichzeitig als Fenster für den Behälter des aktiven Mediums ausgebildet ist

5. Instabiler Laserresonator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere der je zwei benachbarte optische Elemente verbindenden Lichtwege (9, 10, 11; 31) dadurch verlängert wird, daß durch Einbringen eines oder mehrerer Planspiegel eine oder mehr als eine Faltung des jeweiligen Lichtweges bewirkt wird. j5

6. instabiler Laserresonator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwege (9,10,11; 29,30,31) zwischen den einzelnen optischen Elementen (1,2,3,4; 23,24, 25,26) gleich lang sind.

7. Instabiler Laserresonator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Lichtweg nur im Bereich zwischen zwei aufeinanderfolgenden optischen Elementen (25, 26) das aktive Medium durchdringt

8. Instabiler Laserresonator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (1, 2, 3, 4) derart angeordnet sind, daß der gesamte Lichtweg (9, 10,

• 11) in einer Ebene liegt

9. Instabiler Laserresonator nach einem der Ansprüche 2, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrischer Spiegel (25) derart angeordnet ist, daß der auftreffende Strahl (31) mit der Normalen der Zylinderoberfläche einen Winkel von etwa 45° bildet, wobei die Zylinderachse in der Einfallsebene liegt

welcher entlang der Strömung und quer dazu verschieden ist

Das große aktive Volumen solcher Laser erfordert zur Erzielung einer möglichst optimalen Strahlungsauskopplung einen Resonator mit großen Modenvolumen. Daneben benötigen zahlreiche Anwendungen das Vorliegen eines Laserstrahls möglichst geringer Divergenz. Diese — sich widersprechenden — Forderungen werden am ehesten durch die Verwendung eines instabilen Resonators und/oder ein- oder mehrfacher Faltung des Lichtweges im Resonator mit mehrmaligem Durchgang durch das aktive Medium erfüllt Ein solcher instabiler Resonator umfaßt eine Hauptreflexionsfläche an einem Ende des Resonators und eine kleinere Reflexionsfläche am anderen Ende desselben. Diese Reflexionsflächen sind derart angeordnet, daß die Strahlung bei wiederholtem Durchgang zwischen den Spiegeln von der durch die beiden Reflexionsflächen definierten optischen Achse wegwandern und schließlich an der kleineren Reflexionsfläche vorbei aus dem Resonator austreten. Die Menge dei austretenden Strahlung, also die Auskopplung, hängt ve- den geometrischen Abmessungen der beiden Reflexionsflächen ab.

Einen kollimierten Ausgangsstrahl erhält man bei der Verwendung eines konfokalen, instabilen Resonators; bei einer solchen Konstruktion wird die Anzahl dc: erforderlichen optischen Bauelemente für die Weiterverwendung der Ausgangsstrahlung reduziert

Eine noch bessere Nutzung des laseraktiven Mediums wird unter Einhaltung der genannten Nebenbedingungen erzielt wenn das Maß der Vergrößerung in Strömungsrichtung /n_x und quer dazu m_y verschiedene Werte annimmt Die Vergrößerung m ist für kreisrunde Spiegel in einem konfokalen Resonator mit konkaver Hauptreflexionsfläche mit konvexer kleiner Reflexionsfläche als Verhältnis der Apertui des Konkavspiegels zu jener des Konvexspiegels definiert, die geometrische Auskopplung K als Verhältnis der Fläche des ausgekoppelten Modenringes zur gesamten Querschnittsfläche des Konkavspiegels. Die Beziehung zwischen Vergrößerung mund Auskopplung Klautet demzufolge