DE3151228C2

DE3151228C2 - Optischer Resonator für einen Laser

Info

Publication number: DE3151228C2
Application number: DE19813151228
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Phys. Dr. 8088 Eching Brumme
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-12-23
Filing date: 1981-12-23
Publication date: 1984-11-29
Also published as: DE3151228A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Laserresonator mit zwei einander gegenüberstehenden Resonatorspiegeln (4, 5), die zur thermischen Stabilisierung des Resonators unmittelbar an den endseitigen, geschliffenen und optisch polierten Stirnflächen (2, 3) eines blockförmigen Trägers (1) angeordnet sind, der aus einem glaskeramischen Material besteht. Die Erfindung ist für Laserresonatoren allgemein geeignet, insbesondere für CO ↓2-Laser.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Resonator für einen Laser, insbesondere für einen CO2-Laser, mit zwei einander gegenüberstehenden Resonatorspicgeln, die an den endseitigen Stirnflächen eines blockförmigcn, glaskeramischen Trägers angeordnet sind, der mit mindestens einer Ausnehmung zur Aufnahme eines aktiven Lasermediums und gegebenenfalls von Zubehörteilen ausgebildet ist.

Ein Laser dieser Art ist aus der Zeitschrift »IEEE Journal of Quantum Electronics« QE —7 (1971), Nr. 12, S. 573—575 bekannt. Dieser Laser ist ein He-Ne-Gaslaser mit einem bloekförmigen Träger aus Glaskeramik, wobei die einander gegenüberstehenden Resonatorspiegel an den endscitigen Stirnflächen des Trägers angeordnet und zwischen dem Träger und den Spiegeln noch Indium-Film-Dichtungen vorgesehen sind. Außerdem weist der Träger an den Enden je einen sich in Längsrichtung in das Innere des Trägers erstreckenden, an inneren Bcgren/.ungsflächen endenden Hohlraum mit koaxialen Elektroden auf, wobei das aktive Lasermedium in einer die beiden Hohlräume miteinander verbindenden zentralen Bohrung gehalten ist. Bei diesem bekannten Laser sind somit die Rcsonutorspiegcl ohne

separate Spiegelhalterungen wie z. B. Platten und ohne zusätzliche mechanische Justiervorrichtungen an einem bloekförmigen, mechanisch ausreichend stabilen Träger aus einem einheitlichen Material, nämlich aus Glaskeramik. angeordnet. Dieses Material hat einen sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, so daß es eine nur extrem geringe, praktisch vernachlässigbare Wärmedehnung aufweist Ein aus einem Glaskeramik-Block bestehender Träger für die Spiegel eines optisehen Resonators ist daher unabhängig von Temperaturschwankungen. Es ergibt sich somit eine nahezu temperaturunabhängige Anordnung der Resonatorspiegel, d. h. die Spiegelanordnung ist temperaturunempfindlich sowohl gegenüber Temperalurschwankungen der Umgebung des optischen Resonators als auch gegenüber im Resonator selbst auftretenden Temperaturschwankungen infolge zugeführter, den Resonator ungleichmäßig oder gleichmäßig erwärmender Energie. Bei dem bekannten Laser wird somit eine hohe Stabilisierung des Resonators erreicht.

Hierbei ist zwar eine nachträgliche Justierbarkeit der Rcsonatorspiegel nicht mehr gegeben, aber infolge der Eigenschaften des Trägermaterials auch nicht mehr erforderlich, da die einmal eingestellte Position der Resonatorspiegel stets erhalten bleibt. Der glaskeramische Träger des bekannten Lasers weist je einen sich in Längsrichtung in das Innere des Trägers erstreckenden, an inneren Begrenzungsflächen endenden Hohlraum mit koaxialen Elektroden auf, wobei das aktive Lasermedium in einer die beiden Hohlräume miteinander verbindenden zentralen Bohrung gehalten ist. Aufgrund dieses Aufbaus des Trägers ist es nicht möglich. Zubehörteile, wie eine Wellcnleitcrhalterung und/oder Kühlvorrichtung oder ein stabförmiges aktives Medium mit Halterung, in einfacher Weise unterzubringen. Außerdem kompliziert die zwischen dem Träger und den Spiegeln angeordnete Indium-Filmdichtung den Aufbau.

Aus der DE-OS 30 10 943 ist ein Gas- oder Flüssigkeitslaser bekannt, dessen länglicher rohrförmiger Laserkörpcr geschliffene und polierte Endflächen aufweist, an denen die Rcsonatorspiegel direkt befestigt sind. Bei diesem Laser besteht jedoch der Laserkörper aus Keramik und muß dickwandig ausgebildet werden, so daß Zubehörteile nicht innerhalb, sondern außerhalb des Quarzglas-Blockes angeordnet werden müssen.

Der F.rfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den optischen Resonator der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß er eine einfache Unterbringung weiterer Zubehörteile gestaltet und in seinem Aufbau wenigcr kompliziert ist, ohne daß die thermische Stabilität des Laserresonators beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem optischen Resonator der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die endseitigen Stirnflächen des Trage rs geschliffen und optisch poliert sind, und daß die Ausnehmung an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Trägers nach außen offen ist und sich in Längsrichtung des Trägers bis nahe an die endseitigen Stirnflächen erstreckt.

Kin derart ausgebildeter Spiegelträger bildet eine Möglichkeit zur Aufnahme von Zubehörteilen, wie z. B. Wellcnleitcrhalterung, Gasreservoir und Elektrodenhaltung bei einem COj-Wcllenlciter-Laser im Inneren des Glaskeramik-Trägers. Die Ausbildung des Spicgelträgers als Kcsonalorgchäuse mit den genannten Ausnehmungen für das aktive Lasermedium, die Laserstrahlung und Zubehörteile beeinträchtigt die thermische Stiibiliiiii des Laserresonators in keiner Weise, da bei

dem erfindungsgemäßen optischen Resonator infolge der extrem günstigen thermischen Eigenschaften des glaskeramischen Materials keine dickwandige Ausführung erforderlich ist

Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes des Patentanspruchs 1 sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele von optischen Laserresonatoren nach der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigen jeweils in einer Seitenansicht in schematischcr Darstellung die

Fig. 1 einen optischen Plan-Plan-Resonator, F i g. 2 einen Plan-Konkav-Resonator, und

Fig.3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Gas-Wellenleiter-Lasars für einen Plan-Plan-Resonator.

Allen Ausführungsformen eines optischen Resonators nach den F i g. t bis 3 ist der grundsätzliche Aufbau gemeinsam. Der optische Resonator besteht aus zwei einander gegenüberstehenden Resonatorspiegeln, die unmittelbar an den endseitigcn, geschliffenen Stirnflächen eines blockförmigen Trägers angeordnet sind, der aus einem glaskeramischen Material besieht und der an den endseitigen Stirnflächen op'.isch poliert ist. Als solches Material hat sich die unter dem Warenzeichen »Zerodur« der Fa. Schott bekannte Glaskeramik als besonders geeignet herausgestellt, die vorzugsweise in transparentem Zustand hierfür verwendet wird.

Bei dem optischen Resonator nach F i g. 1 besteht der Glaskeramik-Träger 1 aus einem z. B. 100 mm langen einteiligen Stab, der einen rechteckigen Querschnitt von 20 · 20 mm aufweist Die endseitigen Stirnflächen 2 und 3 des Glaskeramik-Trägers 1 sind mit einem Plan-Parallelschliff versehen, d. h. genau eben und parallel zueinander geschliffen und optisch poliert. Diese Stirnflächen 2 und 3 dienen als Auflageflächen für die beiden Resonatorspiegel 4 und 5, welche hier als Plan-Parallelspiegel ausgebildet sind und durch einen Plan-Parallelschliff und die optische Politur der beiden Stirnflächen zueinander winkelgetreu, d. h. parallel angeordnet sind. Die Resonatorspiegel 4 und 5 bestehen bei einem COr Laser z. B. aus Zinkselenid oder Germanium und werden im einfachsten Fall durch im Inneren des Glaskeramik-Trägers 1 herrschenden Unterdruck an den Stirnflächen 2 und 3 gehalten. Damit läßt sich in vielen Fällen, z. B. im Laboraufbau, bereits eine ausreichende Fixierung der Spiegel erreichen. In manchen l-'ällen, /. B. Dei in mobilen Geräten oder Anlagen eingesetzten Lasern, kann es jedoch zweckmüßig sein, die Spiegel zusätzlich in ihrer Position zu befestigen und dann durch Klemmung, Klebung, Lötung oder dergleichen zu fixieren. Solche Mittel können z. B. gegen die Spiegel andrückende Drahtklammern sein. Diese Mittel sind aber lediglich zusätzliche Befestigungsmittel und haben keinerlei justierende Wirkung. Die Position der beiden Resonatorspiegel 4 und 5, d. h. die Stabilität des Abstandes der Spiegel voneinander und der Winkelposition zueinander, ist allein durch den Glaskeramik-Träger 1 gewährleistet, der die Spiegel genau parallel und in einem bestimmten Abstand zueinander trägt. Die Spiegel 4 und/oder 5 können auch aus dem gleichen glaskeramischen Material wie ihr Träger bestehen und dann lediglich durch Ansprengen an dem Träger gehalten werden.

Der Glaskeramik-Träger 1 dient nicht nur als Träger für die Resonatorspiegel 4 und 5, sondern bildet gleichzeitig ein Resonatorgehäuse für den Laser. Hierzu ist der Glaskeramik-Träger mil einer Ausnehmung 6 versehen, die an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen, von denen hier nur die vordere Seitenfläche 8 zu sehen ist, nach außen offen ist und die sich in Längsrichtung des Trägers 1 bis nahe an die endseitigcn Stirnflächen 2 und 3 erstreckt. Die Ausnehmung 6 ist dort z. B. durch Rundungen 9 und 10 begrenzt und dient als Raum zur Aufnahme eines aktiven Lasermediums, z. B. eines Nd-YAG- oder eines Rubinstabes. In diesem Raum kann auch noch eine Halterung für das aktive Lasermedium untergebracht werden. Außerdem ist der Glaskeramik-Träger 1 an beiden Enden mit je einer in die Ausneh- mung 6 mündenden, an den Stirnflächen 2 und 3 offenen Bohrung 11 und 12 versehen, deren Durchmesser hier etwas kleiner ist als die lichte Innenweite der Ausnehmung 6. Diese Bohrungen dienen als Austrittsöffnungen für die Laserstrahlung. Die Ausnehmung 6 kann auch

!■> noch für eine Kühlung genutzt werden.

Der optische Resonator nach Fi g. 2 ist ein Plan-Konkav-Resonator mit einem Glaskeramik-Träger 20, dessen eine Stirnfläche 21 plan geschliffen und optisch poliert ist und als Auflagefläche für einen Planspiegel 22 dient, während die andere Stirnfläche 23 einen sphärischen Schliff mit optischer Politur aufweist und als Auflagefläche für einen konkaven Spiegel 24 mit gleichem Krümmungsradius dient. Auch hier haben die Spiegel 22 und 24 eine gemeinsame, durch den Glaskeramik-Trä-

2¹I ger gegebene optische Achse. In seiner übrigen Ausgestaltung entspricht der Glaskeramik-Träger 20 genau dem in !·" i g. 1 dargestellten und dort beschriebenen Träger 1.

Die F i g. 3 zeigt wiederum einen Plan-Plan-Resona-

)o tor für einen für mittlere und hohe Ausgangsleistungen geeigneten Gas-Wellenleiter-Laser, insbesondere für einen COrLascr, der hinsichtlich der Ausbildung der Stirnflächen des Glaskeramik-Trägers 60 und der Ausbildung und Anordnung der Resonatorspiegel 61, 62 dem optischen Resonator nach F i g. 1 entspricht. Lediglich das Innere des Glaskeramik-Trägers 60 ist in hierzu unterschiedlicher, folgender Weise ausgebildet. Der Glaskeramik-Träger 60 weist wie in Fig. 1 und 2 eine Ausnehmung 63 auf, die an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen von denen hier wieder nur die vordere Seitenfläche 64 zu sehen ist, nach außen offen ist und die sich in Längsrichtung des Trägers 60 bis nahe an die endseitigcn Stirnflächen 65, 66 erstreckt. Die Ausnehmung 63 ist dort z. B. durch Rundungen 67,68 begrenzt

4^r> und dient insbesondere als Raum zur Aufnahme eines aktiven Lasermediums. Hierzu ist der Glaskeramik-Träger 60 an beiden Enden noch mit je einer in die Ausnehmung 63 mündenden, an den Stirnflächen 65,66 offenen Bohrung 69,70 versehen, deren Durchmesser gleich der Innenweite der Ausnehmung ist. Diese Bohrungen dienen hier zum einen als Austrittsöffnungen für die Laserstrahlung und zum anderen zur Aufnahme jeweils eines wärmeleitenden, z. B. aus Kupfer bestehenden Wellenleiter- und Elektrodenträgers 71 bzw. 72, die an den

v> Enden des z. B. ein Aluminiumoxidröhrchen 73 umfassenden Wellenleiters angebracht sind und sich zwecks Kühlung in die Ausnehmung 63 hinein erstrecken. Die äußeren Stirnseiten der Träger 71 und 72 schließen hier mit den Stirnseiten des Röhrchens 73 bündig und mit

ω den Stirnflächen 65,66 des Glaskeramik-Trägers 60 fast bündig ab, so daß sich zwischen den Enden der Träger 71 und 72 und den Resonatorspiegeln 61,62 ein kleiner Zwischenraum befindet. Die lichte Außenweite der Träger 71, 72 entspricht etwa der lichten Innenweite der

b^r> Bohrungen 69,70 und der Ausnehmung 63. In dem in die Ausnehmung 63 hineinragenden Bereich sind die Träger 71, 72 noch mit radialen Einstichen 74 bzw. 75 versehen, um KühlriDDcn zu bilden.

Bei den dargestellten Ausführungsformen besteht der Glaskeramik-Träger in bevorzugter Weise jeweils aus einem einteiligen blockformigen Stab. In manchen Fällen kann es jedoeh zweekmäßig sein, wenn der Glaskeramik-Träger aus mehreren Einzelteilen besteht, die zu einem einzigen Teil aneinandergefügt sind und dann wieder einen blockförmigen Stab bilden. Dies kann, du die Einzelteile alle aus Glaskeramik bestehen, z. B. durch Aneinandersprengen erfolgen.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

W)

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Resonator für einen Laser, insbesondere für einen ΟΟτ-Laser, mit zwei einander gegenüber stehenden Resonatorspiegeln, die an den endseitigen Stirnflächen eines blockförmigcn, glaskeramischen Trägers angeordnet sind, der mit mindestens einer Ausnehmung zur Aufnahme eines aktiven Lasermediums und gegebenenfalls von Zubehörteilen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die endscitigen Stin .flächen (2,3) des Trägers (1) geschliffen und optisch poliert sind und daß die Ausnehmung (6) an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen (8) des Trägers (1) nach außen offen ist und sich in Längsrichtung des Trägers bis nahe an die endseitigen Stirnflächen (2,3) erstreckt.

2. Optischer Resonator nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (60) an beiden Enden mit je einer in die Ausnehmung (63) mündenden Bohrung (69, 70) versehen ist. deren Durchmesser gleich der Innenweite der Ausnehmung (63) ist und daß in diese Bohrungen (69, 70) je ein wärmeleitender Wellenleiter- und Elektrodenträger (71,72) eingesetzt ist.

3. Optischer Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter- und Elektrodenträger (71, 72) an den Enden eines z. B. ein AIuminiumoxydröhrchen (73) umfassenden Wellenleiters angebracht sind und sich in die Ausnehmung (63) hinein erstrecken.

4. Optischer Resonator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Außenweite der Wellenleiter- und Elektroden irägcr (71,72) etwa der lichten Innenweite der Bohrungen (69, 70) und der Ausnehmung (63) entspricht.

5. Optischer Resonator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter- und Elektrodenträger (71,72) in dem in die Ausnehmung (63) hineinragenden Bereich mit radialen Einstichen (74,75) versehen sind.