DE3144839A1

DE3144839A1 - Laser

Info

Publication number: DE3144839A1
Application number: DE19813144839
Authority: DE
Inventors: Alan Sandford Wantage Oxfordshire Kaye
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1980-11-12
Filing date: 1981-11-11
Publication date: 1982-08-12
Also published as: JPS6342427B2; US4429400A; JPS57106187A

Description

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Anwaltsakte; 31 888

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Laser mit einem unstabilen optischen Hohlraum nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die übliche Form eines axialen, unstabilen, optischen Laserhohlraums weist einen Konkav- oder Hohlspiegel, der einem Konvex- oder Wölbspiegel gegenüberliegt, und einen ebenen Ausgangsspiegel auf, der unter einem Winkel dazwischen angeordnet, so daß auf letzteren auftreffendes Licht aus dem optischen Hohlraum reflektiert wird. Der Ausgangsspiegel weist eine axiale öffnung auf, so daß ein Teil des Lichts durch den Spiegel hindurchgehen kann, um so eine Laserstrahlen abgebende Wirkung in einem Lasermedium zu erhalten, das in dem optischen Hohlraum untergebracht ist. Ein solcher optischer Laserhohlraum hat den Vorteil, daß ein Ausgangsstrahl erzeugt werden kann, welcher einen Kollimationsgrad hat, der sehr nahe bei dem liegt, der durch die Brechungstheorie vorausgesagt wird. Der Nachteil dieser Form eines optischen Laserhohlraums besteht darin, daß der Ausgangsstrahl einen ringförmigen Querschnitt aufweist. Das Verhältnis des Außen- zu dem Innendurchmesser des Spiegels wird als die Vergrößerung M des optischen Laserhohlraums bezeichnet.So wie der Wert der Vergrößerung M kleiner wird, so wird das Fernfeld-Beugungsbild bzw. -muster des Ausgangsstrahls, der eine zentrale Spitze aufweist, die von einer Reihe von Ringen umgeben ist, durch die Energieübertragung

"^ von der zentralen Spitze zu den umgebenden Ringen hin schlechter. Dieser Zustand kann dadurch verbessert werden, daß die öffnung in dem Ausgangsspiegel in eine Lage aus der optischen Achse des optischen Laserhohlraums heraus verschoben wird. Dies hat jedoch den weiteren Nachteil zur

Folge, daß das Brechungsbild bzw. -muster und insbesondere die zentrale Spitze nicht mehr langer kreisförmig sind.

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Gemäß der Erfindung ist daher ein Laser mit einem unstabilen optischen Hohlraum geschaffen, der einen Ausgangsspiegel mit einer außeraxialen Öffnung aufweist, durch welche Laserstrahlung durchgehen kann, um eine Laserwirkung in einem aktiven Medium aufrechtzuerhalten, das in dem optischen Laserhohlraum untergebracht ist, wobei der Ausgangsspiegel so geformt und in einer solchen Lage angeordnet ist, daß er für eine auf treffende '' Laserstrahlung einen elliptischen Querschnitt darstellt, '· wobei die Hauptachse der Ellipse in der Versetzungsrichtung der öffnung in dem Ausgangsspiegel verläuft. Bei einer ganz versetzten öffnung liegt die optimale Elliptizität des Ausgangsspiegels im Bereich von 1,35.

¹^ Nachfolgend wird die Erfindung anhand der anliegenden Zeich nungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Lasers mit einem herkömmlichen unstabilen optischen Hohlraum;

Fig. 2 eine ideale Energieverteilung in dem Fernfeld-Beugungsbild eines derartigen optischen Laser-

hohlrauttis für verschiedene Werte der Hohlraum-

vergrößerung, zusammen mit einer Darstellung

des Querschnitts des in einem derartigen Hohlraum verwendeten Ausgangsspiegeis;

Fig. 3 entsprechende Kurven und einen entsprechenden

Spiegelquerschnitt für eine bestehende außeraxiale Ausgangsspiegelanordnung;

Fig. 4 entsprechende Kurven und einen entsprechenden

Spiegelquerschnitt für eine Ausführungsform ge 35

maß der Erfindung; und

Fig. 5 Nah- und Fernfeld-Strahlenbilder für Ausgangs-

* Spiegelanordnungen der Fig. 3 und 4.

In Fig. 1 und 2 weist ein quererregter Gaslaser mit einem herkömmlichen axialen, unstabilen optischen Hohlraum einen Behälter 1 für ein aktives Gasmedium 2 auf. Der Behälter 1 hat transparente Endwandungen 3 und weist eine Anodenelektrode 4 und eine Kathodenelektrode 5 auf, mittels welchen das aktive Medium 2 in einen Laserstrahlen abgebenden Zustand erregt werden kann. Der Behälter 2 ist in einem optischen Hohlraum 6 angeordnet, der durch einen Konkav- oder Hohlspiegel und einen Konvex- oder Wölbspiegel 8 gebildet ist. Ein ebener Ausgangsspiegel 9 ist in dem optischen Hohlraum 6 festgelegt und in einer solchen Lage angeordnet, daß Laserstrahlung aus dem optischen Laserhohlraum 6 reflektiert wird. Der Ausgangsspiegel 9 weist eine mittige öffnung 10 auf, so daß ein Teil der Laserstrahlung hindurchgehen kann, so daß ein Laserstrahlen abgebender Vorgang eingeleite t werden kann und in dem Laserstrahlen abgebenden Medium 2 aufrecht erhalten werden kann. Die Form und Lage des Ausgangs-

^O spiegeis 9 ist so gewählt, daß er einen kreisringförmigen Querschnitt für eine Laserstrahlung darstellt, die sich zwischen den Spiegeln 7 und 8 hin- und herbewegt, wie in Fig. 2 dargestellt ist.

In Fig. 2 ist das Fernfeld-Beugungsbild oder -muster für drei Werte der Vergrößerung M des optischen Laserhohlraums 2 dargestellt. Der Wert für M = °°, d.h. der Wert, bei welchem keine mittige öffnung 10 in dem Ausgangsspiegel 9 vorhanden ist, ergibt die theoretische, ideale Energiever-"

teilung zwischen der mittleren bzw. zentralen Spitze und dem ersten hellen Ring des Beugungsbildes. Es gibt auch noch weitere Ringe, aber diese sind viel schwächer als der erste Ring und brauchen nicht berücksichtigt zu werden. Hieraus ist zu ersehen, daß, wenn die Vergrößerung M kleiner wird, umso mehr Energie von der mittleren zentralen Spitze an den ersten hellen Ring des Beugungsbilds übertragen wird. Leider ist im allgemeinen ein Wert für die Vergrößerung M im

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!Bereich von 2 erforderlich, um einen wirksamen^Laserstrahlen abgebenden Vorgang aufzubauen.

In Fig. 3 ist die Lage für einen Wert von M = 2 dargestellt, wenn die Winkelteilung oder -trennung der Mitte der öffnung 10 von der geometrischen Achse des Ausgangsspiegels 9 größer wird. Hieraus kann ersehen werden, daß, obwohl die maximale Helligkeit der mittleren Spitze des Beugungsbildes nicht bezüglich des der Fig. 2 geändert ist, die Energie, die in der sogenannten Airy"sehen Scheibe erhalten worden ist, größer wird.

In Fig. 4 sind entsprechende Kurven und ein entsprechendes Spiegelprofil bzw. ein entsprechender Spiegelquerschnitt füreinen Ausgangsspiegel 9 gemäß der Erfindung dargestellt. Wieder sind die Kurven für einen Wert von M = 2 wiedergegeben. Der Spiegel 9 weist eine elliptische öffnung als die außeraxiale öffnung 10 auf, wobei die Hauptachse des Spiegels 9 und der öffnung 10 fluchten. Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, bewirkt das Einbringen einer Elliptizität £ < 1 in der Versetzungsrichtung der Öffnung 10, daß das Fernfeld-Beugungsbild um einen Faktor 1/£ in der Elongationsebene des Spiegels 9 zusammengedrückt wird. Folglich kann die mittlere bzw. zentrale Spitze des Fernfeld-Beugungsbildes

^° in einer axialsymmetrischen Form wieder hergestellt werden, obwohl die äußeren Ringe verzerrt sind. Infolge ihrer schwachen Ausbildung ist dies jedoch weniger wichtig.

Der hierfür erforderliche Wert der Elliptizität £ ist eine

Funktion der Vergrößerung M₁"'' für einen Wert von M = 2 kann gezeigt werden, daß der optimale Wert von £ 1,35 ist.

Die Verwendung eines AusgangsSpiegels mit einer elliptischen Öffnung hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Laserwirkung in einem Bereich stattfindet, welcher in einer Richtung gestreckt ist. Beispielsweise ist in Querströmungs-Hochleistungs-Gaslasern der Laserstrahlen abgebende Bereich

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in der Strömungsrichtung des Lasermediums gestreckt. Wenn die Verstärkung des Lasermediums gleichförmig ist, erhöht ein optischer Hohlraum mit einer Elliptizität £ das Betriebs- oder Modevolumen und die gewonnene bzw. extrahierte

cEnergie um einen Faktor f . Die maximale Intensität auf der Achse des Laserstrahls wird um einen Faktor £ 2 erhöht. Die in der sogenannten Airyschen Scheibe eingeschlossene Energie wird durch das Versetzen der elliptischen öffnung (um einen von M abhängigen Faktor) um die erhöhte extrahierte Gesamt-2Qenergie und durch die Verzerrung der zentralen Spitze, die durch die elliptische öffnung eingebracht worden ist, erhöht .

Für einen Wert von M = 2 und den optimalen Wert von € (1,35) !5wird die eingeschlossene Energie etwa verdoppelt.

In Fig. 5(a) und (b) ist jeweils die Nah- und Fernfeldintensitätsverteilung des Spiegels mit einer kreisförmigen außeraxialen öffnung bzw. des Spiegels mit einer ellipti-

20sehen außeraxialen öffnung dargestellt. Hieraus ist zu ersehen, daß der Spiegel mit der kreisförmigen außeraxialen öffnung ein Fernfeld-Beugungsbild erzeugt, bei welchem die mittlere bzw. zentrale Spitze elliptisch verformt ist, während der Spiegel mit der elliptischen öffnung die kreis-

25förmige Symmetrie in der mittleren Spitze des Fernfeld-Beugungsbilds wieder herstellt.

Ende der Beschreibung
SO

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Laser mit einem unstabilen optischen Hohlraum, mit einem Ausgangsspiegel mit einer außeraxialen öffnung, durch welche Laserstrahlung hindurchgehen kann, um eine Laserwirkung in einem aktiven Medium aufrechtzuerhalten, das in dem optischen Laserhohlraum angeordnet ist, dadurch gekenn ze ich-" n e t, daß der Ausgangsspiegel (9) so geformt und in einer solchen Lage angeordnet ist, daß er für auf ihn auftreffende Laserstrahlung einen elliptischen Querschnitt darstellt, wobei die Hauptachse der Ellipse in der Versetzungsrichtung der öffnung (10) in dem Ausgangsspiegel (9) verläuft.
2. Querströmungs-Gaslaser mit einem Ausgangsspiegel.nach Anspruch 1, und mit einem Laserstrahlen abgebenden Bereich mit einem rechteckigen Querschnitt, dessen Hauptachse mit der Strömungsrichtung des gasförmigen Lasermediums fluchtet, dadurch gekennze ichnet, daß der Hauptdurchmesser des Querschnitts des Ausgangsspiegeis (9) bezüglich der Hauptachse des Laserstrahlen abgebenden Bereichs (6) ausgerichtet ist bzw. fluchtet.

VII/XX/Ktz

«(089)988272 988273 988274

Telegramme:

BERGSTAPFPATENT München TELEX:

Bankkonten: Hypo-Bank München 4410I22850 (Bl./ 70020011) Swift Code HYPO DF MM Bayer Vcrcinsbank München 45.UO(I(BL/. 7ÜO2O270)

1
3. Laser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch g ekennze ichnet, daß das Verhältnis der Hauptdurchmesser des Ausgangsspiegels (9) und der öffnung (10) im wesentlichen gleich 2 ist, und daß die Elliptizität des Quer-

5 Schnitts des Ausgangsspiegels (9) und der öffnung (10) im wesentlichen 1,35 ist.