DE3604231C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optisch stabilen Resonator zur Erzeugung eines Laserstrahles nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie er beispielsweise aus der DE-AS 14 39 402 als bekannt hervorgeht.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Verbesserung von Hochleistungs-Laserresonatoren. Deshalb sei in diesem Zusammenhang zunächst auf Zeitschriftenartikel aus der Zeitschrift "Applied Optics" 1966, Seiten 1550-1567 oder aus der Zeitschrift "Lasers & Applications" 1985, Seiten 79 bis 83 verwiesen. In dieser Literatur ist auch das Unterscheidungskriterium für sogenannte stabile und instabile Resonatoren zur Laserstrahlerzeugung angegeben.

Die meisten sogenannten instabilen Resonatoren arbeiten ausschließlich mit reflektiven optischen Elementen im Resonator, die thermisch höher belastbar sind als transmissive optische Elemente, weil zum einen die Reflektionsverluste geringer sind als die Adsorbtionsverluste transmissiver Elemente und weil zum anderen reflektive optische Elemente intensiv kühlbar sind. Die instabilen Resonatoren brauchen insbesondere kein transmissiv belastetes Auskoppelfenster wie die sogenannten stabilen Resonatoren aufzuweisen, weil bei solchen Resonatoren der Strahl aus dem Resonator durch eine Bohrung herausgeführt werden kann, die aufgrund einer geschickten Anordnung von quergerichteten aerodynamischen Strömungen den im Innern des Resonators herrschenden Unterdruck gegenüber der äußeren Umgebung aufrechtzuerhalten vermag. Mit den instabilen Resonatoren sind zwar ohne weiteres Leistungsbereiche von über 1,5 kW im austretenden Laserstrahl realisierbar, je­ doch ist die Strahlqualität, d.h. die Energieverteilung über den Strahlquerschnitt hinweg nicht homogen und auch zeitlich nicht an jeder Stelle konstant. Insbesondere ist an dem Strahl eines instabilen Resonators nachteilig, daß er eine hohlzylindrische Form aufweist, sein Energiemaximum liegt also nicht in der Strahlmitte, sondern ist kreisförmig am Rand verteilt. Dadurch läßt sich der Arbeitsstrahl eines instabilen Resonators nicht optimal fein fokussieren, so daß sich aufgrund wellenoptischer Gesetzmäßigkeiten eine gewisse Grenze für die Energiedichte in einem fokussierten Laserstrahl ergibt.

Mit einem stabil arbeitenden Resonator zur Laserstrahlerzeugung ist zwar eine bessere Strahlqualität, nämlich ein Laserstrahl mit einer sogenannten Gaußschen Energieverteilung über den Strahlquerschnitt hinweg erzielbar, der sich besonders eng fokussieren läßt. Auch ist im zeitlichen Verlauf eine bessere Konstanz des Energieprofils eines solchen Laserstrahles mit stabil arbeitenden Resonatoren herstellbar. Nachteilig an dieser Resonatorart ist jedoch die hohe thermische Belastung des Auskoppelfensters, durch welches der Laserstrahl hindurchtreten muß. Bei den bisher bekannten Resonatorbauformen von stabil arbeitenden Resonatoren sind unter Inkaufnahme von wenigen höhergradigen Moden im Arbeitsstrahl höchstens Leistungen in der Größenordnung von etwa 1,5 kW erzielbar. Mit Rücksicht auf die angestrebte Gaußsche Energieverteilung innerhalb des erzeugten Laserstrahles wird für den Resonator eine Fresnel-Zahl von 1 angestrebt. Zur Bedeutung dieser Zahl und zu deren Ermittlung sei auf die eingangs zitierte Literatur verwiesen. Eine sehr kleine Fresnel-Zahl in der Größe nahe bei 1 erfordert jedoch eine sehr große Resonatorbaulänge. Zwar kann durch eine raumsparende gefaltete Anordnung des Strahlenganges die Außenform des Resonators selber relativ kleingehalten werden, jedoch ist die optisch wirksame Länge des Strahlenganges sehr groß, und es ist schwierig, ihn stabil und lagegenau zu justieren, was für eine hohe Leistungsausbeute besonders wichtig ist. Durch kleinste thermische Veränderungen innerhalb des Resonators kann es zu einer Dejustierung der Spiegel kommen, was höhere Verluste und ein Durchbrennen der optischen Elemente zur Folge haben kann. In dieser Hinsicht ist - wie gesagt - besonders das Auskoppelfenster gefährdet, weil es nicht intensiv kühlbar ist, wie beispielsweise ein Spiegel. Auch eine Vergrößerung des Auskoppelfensters zur Reduzierung der Energiedichte bringt wenig Abhilfe, weil mit zunehmender Größe des Auskoppelfensters bzw. des Strahldurchmessers die Fresnel-Zahl größer wird und die Strahlqualität rasch abnimmt; d. h., es treten mit zunehmender Größe des Strahldurchmessers bei sonst gleichen Voraussetzungen höhergradige Moden auf, die man gerade vermeiden möchte. Aufgrund des Vorhandenseins höhergradiger Moden im austretenden Laserstrahl läßt sich der Strahl ebenfalls weniger gut fokussieren und somit die für ein gutes Arbeitsergebnis erforderliche hohe Energiedichte nicht mehr erreichen.

Die eingangs zitierte gattungsbildende DE-AS 14 39 402 zeigt einen Laserresonator, bei dem der Strahlquerschnitt innerhalb des Resonators eine Querschnittsveränderung erfährt, so daß der Strahlquerschnitt am Auskoppelfenster größer ist als der kleinere Querschnitt innerhalb des Resonators. Durch diese Strahlaufweitung in Richtung zum Auskoppelfenster hin soll die Energiedichte des austretenden Strahles reduziert und das Auskoppelfenster entsprechend thermisch entlastet werden. Zwar spricht diese Literaturstelle von "hohen Leistungen", jedoch enthält der dort beschriebene Laser-Resonator Merkmale, die seine Leistung von Hause aus beschränken. Eine Leistungsgrenze stellt die Verwendung eines Feststoffes als Anregungsmedium dar. Aus derartigen Feststoffen kann Verlustwärme nur über Wärmeleitung innerhalb des Feststoffes zu den Außengrenzen des Festkörpers abgeführt werden. Eine weitere Leistungsgrenze stellt die Verwendung von transmissiv beaufschlagten optischen Elementen zur Strahlaufweitung dar; auch bei diesen Bauteilen kann Verlustwärme nur durch Wärmeleitung in den Festkörpern abgeführt werden, die jedoch schlechte Wärmeleiter sind. Ein weiteres stark leistungsbeschränkendes Merkmal ist die sogenannte fokale Querschnittsveränderung des Strahles innerhalb des Resonators, bei der der Stahl im Brennpunkt, also auf einer minimalen Querschnittsfläche vereinigt wird. Dadurch entstehen an dieser Stelle im Lichtstrahl so hohe Energiedichten, daß es bei den innerhalb des Resonators üblichen Vakua schon bei relativ kleinen Strahlleistungen zu sogenannten Strahldurchbrüchen kommt, die zur Zerstörung der Wellenfronten, d. h. zur Zerstörung der Kohärenz des Lichtes führen, wodurch das am Auskoppelfenster austretende Licht inkohärent wird und die für Laserlicht typischen Eigenschaften gar nicht mehr aufweist und somit für die beabsichtigten Zwecke unbrauchbar wird. Aufgrund dieser vielfältigen leistungsbeschränkenden Merkmale des bekannten Resonators kommt dieser nicht für Hochleistungsanwendungen infrage. Hierfür müßten Laserleistungen im Bereich von 1 kW oder mehr erzeugt werden, wie sie zum Schweißen von stärkeren Stahlblechen nötig sind.

Die US-PS 36 09 585 geht auf einen Laser-Resonator für hohe Leistungen ein, bei dem die Austrittsleistung so hoch ist, daß sie nicht mehr von einem teildurchlässigen Spiegel ertragen werden kann. Die Auskopplung des Laserlichtes aus dem Resonator erfolgt bei diesem Resonator mittels eines voll reflektierenden Spiegels, der zweierlei definierte Reflexionsrichtungen aufweist. Und zwar ist die Oberfläche des Spiegels nach Art einer Fresnel-Linse gestaltet. Ein hoher Prozentsatz der Spiegeloberfläche wirft die ankommende Strahlung in der gleichen Richtung wieder zurück; relativ schmale Streifen der Spiegeloberfläche sind geneigt, so daß streifenweise das Licht seitlich wegreflektiert wird. Die Streifen sind in ihrer Neigung und in ihrem gegenseitigen Abstand der reflektierenden Oberflächen so angeordnet und aufeinander abgestimmt, daß die reflektierte Strahlung ebenfalls kohärent ist. Nachdem dieses voll reflektierende Auskoppelelement nicht transmissiv von der Strahlung beaufschlagt ist, kann es zum einen aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff hergestellt und zum anderen auf der gesamten rückseitigen Oberfläche intensiv gekühlt werden. Nachteilig an diesem Resonator ist jedoch, daß der Strahlaustritt aus dem Resonator durch eine offene Fläche erfolgen muß, so daß ein Vakuum innerhalb des Resonators nur unter besonderen Vorkehrungen und in beschränkter Höhe aufrechterhalten werden kann.

Die DD-PS 1 44 993 zeigt einen Laserresonator, bei dem durch geeignete Anwendung von Strahlaufweitungen innerhalb des Laserresonators die breitbandig emittierte Laserstrahlung spektral eingeengt werden soll. Und zwar soll die Strahlaufweitung durch Reflektionsgitter in streifendem Einfall benutzt werden. Um die damit verbundene Vergrößerung der Baulänge der Resonatoren und die Resonatorverluste zu verringern, sieht die erwähnte Literaturstelle vor, die zur Strahlaufweitung benutzten Reflektionsgitter so anzuordnen, daß eine starke Strahlabwinkelung innerhalb des Resonators erzeugt wird. Diese Literaturstelle beschreibt also eine Anordnung von optischen Elementen zur Strahlaufweitung innerhalb des Resonators, die einen platzsparenden und geknickten Strahlverlauf hervorruft. Allerdings ist der dort geschilderte Impulslaser nicht für Hochleistungszwecke geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen stabilen Resonator der gattungsmäßig zugrunde gelegten Art dahingehend auszugestalten, daß trotz einer hohen Gesamtenergie des austretenden Lichtstrahles beispielsweise oberhalb von 1 kW die Energiedichte am Auskoppelfenster lediglich Werte erreicht, die ohne weiteres beherrschbar sind und daß trotzdem eine der Gaußschen Energieverteilung zumindest angenäherte Energieverteilung im austretenden Lichtstrahl realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Durch das konvergierende und das divergierende optische Element im Resonator wird eine Zweiteilung des Resonators in einen Verstärkerteil und in einen Modenfilterteil vorgenommen. Dies erlaubt es, den Verstärkerteil auf hohe Fresnel-Zahlen auszulegen, was eine Reduzierung der Energiedichte am Auskoppelfenster ermöglicht, obwohl die insgesamt austretende Lichtleistung sehr hoch ist. Der Modenfilterteil kann auf kleine Fresnel-Zahlen im Bereich von 1 ausgelegt werden, was dank des geringen Strahlenquerschnittes nur geringe, ohne weiteres beherrschbar Resonatorbaulängen erfordert. Und zwar reduziert sich die Resonatorbaulänge dank des reduzierten Strahlquerschnittes im Modenfilterteil. Bei einer Reduzierung des Strahldurchmessers auf die Hälfte reduziert sich bei gleicher Fresnel-Zahl die Strahllänge im Modenfilterteil auf lediglich noch ein Viertel.

Dank der erfindungsgemäßen Unterteilung der Resonatoren im Verstärkerteil mit relativ geringer Energiedichte und großem Strahldurchmesser einerseits und in Modenfilterteil mit geringem Strahlquerschnitt und dadurch erzielbarer kleiner Fresnel-Zahl bei kurzer Baulänge andererseits wird den stabil arbeitenden Resonatoren ein Leistungsgebiet erschlossen, welches diesem Resonatortyp aufgrund der hohen thermischen Belastung des Auskoppelfensters bisher verwehrt war.

Dank der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der stabilen Resonatoren können nicht nur hochwertige Strahlen, die nur noch die Grundmode enthalten und die sich sehr gut fokussieren lassen, erzeugt werden, sondern es können auch Strahlleistungen erreicht werden, die bei der erwähnten Strahlqualität bisher nicht erreichbar waren. Selbst unter der Verwendung langbrennweitiger Objektive, bei denen naturgesetzlich eine nur beschränkte Fokussierung möglich ist, können aufgrund hoher Strahlleistungen entsprechende Energiedichten produziert werden, mit denen ein einwandfreies Schweißergebnis erzielbar ist. Ein mittelbarer Vorteil der Erfindung ist nicht nur eine längere Lebensdauer der Fokussierobjektive dank der Verwendungsmöglichkeit langbrennweitiger Objektive, sondern auch ein gutes Arbeitsergebnis aufgrund der insgesamt höheren Strahlleistung. Dadurch können Werkstückquerschnitte verschweißt werden, die aufgrund ihrer Größe bisher noch nicht einer Lagerschweißung zugänglich waren.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im übrigen sind nachfolgend anhand der Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert; dabei zeigen

Fig. 1 eine stark schematisierte Prinzipdarstellung eines Resonators mit Unterteilung in einen Verstärker- und in einen Modenfilterteil unter Verwendung transmissi­ ver optischer Elemente bei gradlinigem Strahlengang,

Fig. 2 den Resonator unter Verwendung reflektiver optischer Elemente bei der Strahlver­ jüngung und der Anwendung eines geknickten Strahl­ verlaufes,

Fig. 3 eine Abwandlung des Resonators nach Fig. 2, bei dem kleinere Umlenkwinkel an den querschnittsverändernden optischen Elementen realisiert sind,

Fig. 4 den Resonator, bei dem das divergierende opti­ sche Element mit dem Endspiegel des Resonators funktionell integriert ist und im Modenfilterteil ein konischer Verlauf des Strahles vorhanden ist und

Fig. 5 eine weitere Abwandlung des Resonators unter Verwendung von sphärisch gestalteten strahlquer­ schnittsverändernden Spiegeln und unter Zwischen­ schaltung eines zylindrisch geformten Spiegels zur Korrektur eines Astigmatismus.

Obwohl die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Re­ sonatoren sogenannte Gaslaser darstellen, bei denen das laseraktive Medium ein Gas ist, ist die Erfindung ohne wei­ teres auch bei Festkörperlasern oder Flüssigkeitslasern realisierbar. Selbstverständlich ist es für die Erfindung unerheblich, ob die Gaslaser längs- oder querdurchströmt sind und welcher Art die Anregung des laseraktiven Mediums, beispielsweise durch Hochspannung, durch Hochfrequenz oder durch Licht, ist. Die erfindungsgemäß mögliche Reduzierung der Energiedichte im Verstärkerteil des Resonators kommt insbesondere auch Festkörperlasern zugute, so daß für diese Art von Resonatoren durch die Erfindung ein neues Leistungs­ gebiet erschlossen werden kann. Andererseits ist die Erfin­ dung nicht nur auf Hochleistungslaser beschränkt, sondern kann auch vorteilhaft auf sonstige Laserlichtquellen ange­ wandt werden, bei denen es auf eine hohe Strahlqualität an­ kommt, bei denen also im Nutzstrahl nach Möglichkeit nur die Grundmode enthalten sein soll.

Die stark schematisierte Resonatordarstellung nach Fig. 1 läßt das erfindungsgemäße Prinzip besonders deutlich er­ kennen. Der dort gezeigte Resonator weist an seinem rück­ wärtigen Ende einen relativ kleinen voll reflektierenden Endspiegel 1 auf, dessen spiegelnde Oberfläche übertrieben gekrümmt dargestellt ist. Durch diese sehr geringe Spiegel­ krümmung soll einer Strahldivergenz, die durch die Wellen­ natur des Lichtes bedingt ist, entgegengewirkt werden. Auf der gegenüberliegenden Endseite des Resonators, an der der erzeugte Nutzstrahl austritt, ist das sogenannte Auskoppel­ fenster 2 vorgesehen, welches als teilreflektierender Spie­ gel ausgebildet ist. In einem dem Auskoppelfenster 2 zunächst liegenden Bereich ist innerhalb des Resonators der Verstär­ kerteil 3 vorgesehen, in welchem ein laseraktives Medium, bei­ spielsweise Kohlendioxydgas enthalten ist und welches durch ein Paar von Hochspannungselektroden 15 mit Anregungsenergie speisbar ist. Durch die angelegte Hochspannung wird das Gas teilweise ionisiert und dessen Moleküle in einen Anregungs­ zustand versetzt, so daß Lichtverstärkung durch stimulierte Emission eintritt. Im Anschluß an den durch eine strichpunk­ tierte Linie angedeuteten Verstärkerraum des Verstärkertei­ les 3 ist eine konvergierende Linse 5 und eine divergierende Linse 6 angebracht, durch die der innerhalb des Verstärker­ teiles anstehende Lichtstrahl mit dem Durchmesser D auf einen wesentlich engeren Lichtstrahl mit dem Durchmesser d und einer dementsprechend größeren Energiedichte verkleinert wird. Der im Querschnitt verringerte Strahl wird auf den Endspiegel 1 geleitet und zu dem Verstärkerteil 3 zurück geleitet, wobei er durch die beiden Linsen 6 und 5 wieder auf den im Ver­ stärkerteil vorliegenden größeren Durchmesser vergrößert wird. Die Modenfilterwirkung des Filterteiles 4 des Resona­ tors kommt durch eine entsprechend schlanke Gestaltung des in diesem Resonatorteil anstehenden Strahles zustande. Dank des relativ geringen Strahlquerschnittes lassen sich auch bei vertretbarer Strahllänge kleine Fresnel-Zahlen realisie­ ren; je kleiner die Fresnel-Zahl, um so größer ist die Fil­ terwirkung für höhergradige Strahlmoden. Bei einer Fresnel- Zahl von etwa 1 ist im erzeugten Laserlichtstrahl im wesent­ lichen nur noch die Grundmode TEM₀₀ vorhanden. Bei einer Fresnel-Zahl von 1 ist die aus der Wellenlänge und der Strahllänge L des Modenfilterteils gebildete Fläche eben­ so groß, wie ein Quadrat mit der Seitenlänge des halben Strahldurchmessers. Bei einem CO₂-Laser mit einer Licht­ wellenlänge von 10,6 µm und einem Strahldurchmesser d innerhalb des Modenfilterteiles von 5 mm bedeutet dies zur Erzielung einer Fresnel-Zahl von 1 eine Strahllänge L von etwa 60 cm. Zwar ist in diesem relativ eng gebündelten Strahl die Energiedichte sehr hoch; sie ist jedoch zumin­ dest von dem Endspiegel 1 ertragbar, weil dieser wirkungs­ voll mit Kühlwasser von der Rückseite her gekühlt werden kann. Lediglich das transmissive optische Element 6, näm­ lich die Zerstreuungslinse ist nicht so wirksam kühlbar, so daß aufgrund dieser Linse der Resonator nach Fig. 1 auf relativ geringe Leistungen beschränkt sein wird. Je­ doch ist die konvergierend wirkende Linse 5 aufgrund des großen Strahldurchmessers nur mit einer relativ kleinen Energiedichte belastet, und zwar einer solchen Energie­ dichte, die auch dem Austrittsfenster zugemutet wird. Diese Energiedichten sind - das wird hier unterstellt - ohne weiteres von anderen transmissiven optischen Elemen­ ten ebenfalls ertragbar.

Eine Abwandlungsform des Resonators ist in Fig. 1 strich­ punktiert angedeutet; und zwar ist dort die divergierende Wirkung der Linse 6 in eine entsprechende konvexe Gestaltung des Endspiegels 1 integriert. Dadurch ist die von der Ener­ giedichte her hochbelastete Zerstreuungslinse 6 entbehrlich. Selbstverständlich muß außerdem noch die konvergierend wir­ kende Linse 5 langbrennweitig ausgestaltet werden, so daß sich ein relativ schlanker Strahlkonus ergibt. Auch mit ei­ nem Modenfilterteil mit einem solchen konischen Strahlver­ lauf ist eine Modenfilterwirkung erzielbar und eine kleine Fresnel-Zahl realisierbar. Bei einer Fresnel-Zahl von 1 ist bei einem solchen Strahlengang ein Viertel des Recht­ eckes mit den Seitenlängen D×d gleichzusetzen mit dem Rechteck aus Lichtwellenlänge und Strahllänge im Moden­ filterteil. Bei einem Strahldurchmesser am Endspiegel 1 von 5 mm, einer Lichtwellenlänge von 10,6 µm und einem Durchmesserverhältnis des konusförmigen Strahles im Moden­ filterteil von 1:5 muß der Modenfilterteil eine Länge von etwa 2,95 m haben, um eine Fresnel-Zahl von 1 mit ihm reali­ sieren zu können. Dies ist eine durchaus noch beherrschbare und justage-unempfindliche Baulänge. Bei einem Durchmesser­ verhältnis von 1:5 am kleinen und am großen Durchmesser des Lichtstrahles wird jedoch die Energiedichte im Verstärker­ teil des Resonators auf ein 25stel oder auf 4% derjenigen Energiedichte reduziert, die am Endspiegel 1 ansteht.

Im Gegensatz zu dem relativ lang bauenden Modenfilterteil 4 - im Vergleich zu herkömmlichen Resonatoren ist auch dieser Modenfilterteil immer noch kurz - ist der Verstärkerteil 3 des Resonators relativ gedrungen, weil dank des großen Durch­ messers D des Verstärkerteiles ein großes Volumen an laser­ aktivem Medium darin untergebracht werden kann, welches für die Leistung des erzeugten Laserstrahles verantwortlich ist. Je größer der Durchmesser, um so größer ist bei gegebener Länge l _a des Verstärkerraumes die erzeugbare Leistung oder - bei vorgegebener Leistung - nimmt mit zunehmendem Durch­ messer die spezifische Strahlbelastung der transmissiven optischen Elemente im Verstärkerteil ab. Es sei an dieser Stelle der Vollständigkeit halber noch angemerkt, daß die spezifische Strahlbelastung der Linse 5 höher ist, als die des Auskoppelfensters 2, weil nur ein Bruchteil derjenigen Lichtenergie durch das Auskoppelfenster austritt im Ver­ gleich zu der Leistung des Lichtes, die innerhalb des Resona­ tors hin und her reflektiert wird und die Linse 5 durchtritt. Entsprechend dem Reflexionsgrad des teilreflektierenden Spiegels, den das Auskoppelfenster darstellt, ist also die spezifische Strahlbelastung der Linse 5 höher. Bei einem Reflexionsgrad von 75% am Auskoppelfenster 2 ist die spezifische Belastung an der Linse 5 aufgrund der Durch­ strahlung viermal so hoch wie am Auskoppelfenster, weil bei 25% Durchlässigkeit Energie im Verhältnis 1 : 4 ausge­ koppelt wird.

Die Resonatordarstellung nach Fig. 2 ist zwar auch noch recht schematisch, zeigt jedoch etwas mehr Einzelheiten als die Darstellung nach Fig. 1. Vor allen Dingen sind bei dieser Ausführungsform - vom Auskoppelfenster 2 abgesehen - nur reflektiv arbeitende optische Elemente innerhalb des Resonators vorgesehen, die dank einer intensiven Kühlmög­ lichkeit thermisch hoch belastbar sind.

Der Verstärkerteil 3 dieses Resonators besteht im wesent­ lichen aus einem Verstärkerrohr 21, welches nach außen hin durch das Auskoppelfenster 2 abgeschlossen ist; im Bereich des Anfangs und des Endes des Rohres ist ein Kranz von Elek­ troden 15 am Rohrumfang angebracht, die an eine Hochspannungs­ quelle 16 angeschlossen sind. Außerhalb der Elektroden sind Anschlüsse am Verstärkerrohr angebracht, über die das laser­ aktive Medium, z.B. Kohledioxydgas mittels der Umwälzpumpe 17 der Länge nach durch das Verstärkerrohr hindurch gepumpt werden und durch einen Wärmetauscher 18 gefördert werden kann. Dort kann über äußere Kühlwasser-Zu- und Ablaufleitungen 20 die im Verstärkerrohr aufgenommene Verlustwärme nach außen abgeführt werden. Der Vollständigkeit halber sei noch er­ wähnt, daß noch weitere Mittel zum Evakuieren des Kreislauf­ systemes und des gesamten Resonators und zum Einspeisen von Kohlendioxydgas als Peripheriegeräte vorgesehen sind, was je­ doch nicht dargestellt ist.

Der Modenfilterteil des Resonators beginnt mit einem am Ende des Verstärkerrohres 21 angebrachten konvergierenden Spiegel 7, der als Parabolspiegel ausgebildet ist und den Strahl um 90° gegenüber der Achse des Verstärkerrohres ab­ lenkt. Selbstverständlich ist der Spiegel so groß bemessen, daß er die gesamte Querschnittsfläche (Durchmesser D) des im Verstärkerteil des Resonators anstehenden Lichtstrahles er­ faßt. Aufgrund der relativ großen Strahlabmessung ist die Energiebelastung dieses Spiegels relativ gering; trotzdem ist er als wasser-kühlbarer Spiegel mit einer rückseitig angebrachten Kühlwasserkammer 22 ausgebildet. Der konvergierende Strahl ist auf einen weiteren, divergierend wirkenden Spie­ gel 13 gerichtet, der das konische Lichtbündel in einen paral­ lelen Lichtstrahl mit dem Durchmesser d umwandelt und gleich­ zeitig parallel zum Verstärkerrohr 21 umlenkt. Aufgrund des geringen Strahldurchmessers ist die spezifische Strahlbe­ lastung dieses Spiegels hoch, weshalb dieser Spiegel unbe­ dingt durch Wasser intensiv gekühlt werden muß und eben­ falls mit einem Wasserkühlraum 22 versehen ist. Auch der zweite, divergierend wirkende Spiegel 13 ist als Parabolspie­ gel ausgebildet, allerdings mit einer konvexen Spiegelober­ fläche. Dieser Parabolspiegel ist ebenfalls so angeordnet, daß die Parallellage des letzten Strahlteiles zum Verstärker­ rohr 21 erreicht wird. Der Endspiegel 1′ ist ebenfalls ther­ misch hoch belastet und als kühlbarer Spiegel mit Wasserkühl­ raum 22 ausgebildet. Die Kühlräume 22 der Spiegel sind an einen Kühlwasserkreislauf mit Kühlwasservorlauf 23 und Kühl­ wasserrücklauf 24 sowie einem Wärmetauscher 19 angeschlossen, der wärmeabgabeseitig ebenfalls an den Kühlwasser-Zu- und Ab­ lauf 20 angeschlossen ist. Über den Wärmetauscher 19 wird die Verlustwärme der Spiegel nach außen abgeführt.

Bei der Darstellung nach Fig. 2 ist der Endspiegel 1′ als konkaver Spiegel dargestellt, was jedoch ebenfalls über­ trieben gezeichnet ist; damit soll lediglich - wie im Zu­ sammenhang mit dem Endspiegel 1 des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 erläutert - eine Einflußnahmemöglichkeit auf die wellennaturbedingte Strahlaufweitung angedeutet werden.

Für die Modenfilterwirkung des Modenfilterteiles des Reso­ nators nach Fig. 2 ist neben dem Durchmesser d des Licht­ strahles im letzten Teil des Modenfilterteiles vor allen Dingen die Strahllänge L, also der Abstand des divergierenden Spiegels 13 vom Endspiegel 1′ maßgebend. Unter Beachtung die­ ser Größen wird für den Modenfilterteil eine Fresnel-Zahl nahe bei 1 angestrebt. Demgegenüber wird für den auf den Ver­ stärkerteil 3 beschränkten Strahlanteil eine höhere Fresnel- Zahl angestrebt, um eine geringere Energiedichte beim Durch­ tritt des Strahles durch das Auskoppelfenster 2 zu bekommen und um ein hohes aktives Volumen im Resonator unterbringen zu können. Für die Auslegung auf eine bestimmte Fresnel-Zahl ist hier neben dem Strahldurchmesser D vor allen Dingen der Abstand der spiegelnden Oberfläche des Auskoppelfensters 2 von dem konvergierend wirkenden Spiegel 7, also das Maß l maßgebend.

Nachfolgend soll anhand eines Zahlenbeispieles eine Abschät­ zung der thermischen Belastung der einzelnen optischen Ele­ mente und eine Größenabschätzung bisher kritischer Baumaße des Resonators vorgenommen werden. Hierzu seien zunächst einige Annahmen getroffen: Die Austrittsleistung des Reso­ nators soll bei einem Auskoppelungsgrad von 50% 5 kW be­ tragen; außerdem sei angenommen, daß der Strahldurchmesser im letzten Teil des Modenfilterteiles des Resonators 10 mm betrage und daß der Strahldurchmesser im Verstärkerteil des Resonators 50 mm betrage. Unter Zugrundelegung dieser ange­ nommenen Zahlenwerte ergibt sich für den Modenfilterteil eine Strahllänge von 2,5 m, wenn auf eine Fresnel-Zahl von 1 ausgelegt wird. Die mittlere Strahlleistung im Innern des Resonators beträgt unter der getroffenen Annahme 10 kW was eine spezifische Strahlbelastung von etwa 125 Watt pro mm² Spiegelfläche des Endspiegels bzw. des divergierenden Spiegels bedeutet; diese Belastungswerte sind bei flüssigkeitskühlbaren Spie­ geln ohne weiteres erträglich. Bei einem Absorptionsver­ lust von maximal 0,5% an den Spiegeln muß je Spiegel eine Verlustleistung von 50 Watt abgeführt werden, was auch bei kleinen Spiegeln ohne weiteres möglich ist.

Eine gewisse Abwandlung des Resonators nach Fig. 2 ist in Fig. 4 dargestellt. Und zwar ist bei dem dort gezeigten Resonator die Funktion des divergierenden Spiegels mit in den Endspiegel 1′′ hineinkonstruiert, der eine konvexe Spiegeloberfläche 10 aufweist. Der Umlenkspiegel 11 ist als Planspiegel ausgeführt, der lediglich die Funktion hat, das konische Lichtstrahlenbündel von dem konvergierenden Spiegel 9 mit relativ langer Brennweite parallel in Richtung zum Endspiegel 1′′ hin abzuwinkeln. Für die Fresnel-Zahl-Be­ rechnung des Modenfilterteiles dieses Resonators muß in die entsprechende Gleichung das Produkt aus der Hälfte des klei­ nen Strahldurchmessers d und der Hälfte des großen Strahl­ durchmessers D eingesetzt werden. Zwar ergibt sich durch die konische Ausbildung des Strahles im Modenfilterteil eine größere Länge, um eine Fresnel-Zahl von beispielsweise 1 erreichen zu können, jedoch ist nur ein einziger Spiegel, nämlich der Endspiegel 1′′ im Resonator vorhanden, der sehr hoch thermisch belastet ist. Außerdem hat die Zwischenschal­ tung eines Umlenkspiegels 11 den Vorteil, daß dieser zum Herauskorrigieren eines Astigmatismus ausgenutzt werden kann. Und zwar können abweichend von der teureren parabolischen Gestaltung der Spiegel 9 und 1′′ diese auch als Kugelspiegel ausgebildet werden; der dabei sich einstellende Astigmatismus kann durch eine zylindrische Gestaltung des Umlenkspiegels 11 herauskorrigiert werden. Kugelspiegel sind heute wesentlich billiger erhältlich als Parabolspiegel.

Die Ausführung des Resonators nach Fig. 3 verwendet - ebenso wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 - para­ bolisch gestaltete Spiegel 7 und 8, die ebenfalls wasser­ kühlbar sind. Der wesentliche Unterschied des Ausführungs­ beispieles nach Fig. 3 gegenüber den bereits geschilderten Ausführungsbeispielen ist der, daß die Ablenkwinkel an den Spiegeln 7 und 8 kleiner als 90° sind, was mit geringeren Einstellungs- und Justageschwierigkeiten und mit geringerer Qualitätseinbuße als bei einer 90° Umlenkung realisierbar ist. Auffallend hierbei ist, daß der divergierend wirkende Spiegel 8 von dem konvergierenden Spiegel 7 etwa genauso weit entfernt ist, wie der Endspiegel 1′ von dem divergierend wirkenden Spiegel 8. Diese relativ große Länge des konischen Strahlteiles kommt dem Modenfilterteil des Resonators auch schon zugute; und zwar ist die Modenfilterwirkung dieses konischen Strahles im Vergleich zu derjenigen Modenfilter­ wirkung, die im Bereich des parallelen Strahles erreicht wird, um den Faktor des Durchmesserverhältnisses der Strahlen am großen und kleinen Ende des konischen Strahlteiles kleiner. Bei einem Durchmesserverhältnis von 1 : 5 ist also die Moden­ filterwirkung im konischen Strahlteil etwa nur 20% von der Modenfilterwirkung im parallelen Strahlengang.

In Fig. 5 ist eine weitere Abwandlung des Modenfilterteiles des Resonators dargestellt; und zwar ist dort die bereits im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 an­ gesprochene Möglichkeit des Herauskorrigierens eines Astig­ matismus mittels eines Zylinderspiegels erwähnt. Am Ende des Verstärkerteiles 3 bzw. des Verstärkerrohres 21 ist ein ebener Umlenkspiegel 11 vorgesehen, der den relativ großflächigen, aus dem Verstärkerteil in den Modenfilter­ teil übertretenden Strahl zu dem konvergierend wirkenden Spiegel 12 mit kugelförmiger Spiegeloberfläche umlenkt.

Von dort wird der Strahl etwa parallel zum Verstärkerrohr 21 in Richtung zu dem Zylinderspiegel 14 umgelenkt, der so eingestellt ist, daß der bei der Umlenkung an dem Kugelspiegel 12 auftretende Astigmatismus wieder heraus­ korrigiert wird. Der Zylinderspiegel 14 lenkt den Licht­ strahl in Richtung zum divergierend wirkenden Spiegel 13 weiter, auf den der konische Lichtstrahl mit einem Durch­ messer d auftrifft. Durch diesen Spiegel 13 wird der Licht­ strahl schließlich als paralleles Lichtbündel mit einem Ver­ lauf etwa parallel zu dem Verstärkerrohr 21 zu dem End­ spiegel 1′ hin geleitet. Auch der divergierende Spiegel 13 ist als Kugelspiegel ausgebildet; auch der dadurch auftre­ tende Astigmatismus kann durch den Zylinderspiegel 14 heraus­ korrigiert werden. Zwar ist der Aufwand bei dem in Fig. 5 dargestellten Modenfilterteil des Resonators mit insgesamt 5 Spiegeln relativ groß; jedoch erscheint dieser Aufwand auf­ grund der Verwendungsmöglichkeit von den billiger und genau herstellbaren Kugelspiegeln vertretbar.

Claims (6)

1. Optisch stabiler Laserresonator zur Erzeugung eines Laser­ strahles, mit einem am einen Ende des Resonators angeord­ neten, das Licht voll reflektierenden Endspiegel und mit einem am anderen Ende des Resonators angeordneten, als teilreflektierender Spiegel ausgebildeten Auskoppelfenster, ferner mit einem vom Licht mehrfach in entgegengesetzter Richtung gleichachsig durchstrahlten, mit Verstärkungsener­ gie speisbaren, laseraktivem Medium, ferner mit einem Paar von innerhalb des Resonators angeordneten, divergierend und konvergierend wirkenden optischen Elementen, welche dem auf das Auskoppelfenster auftreffenden Lichtstrahl einen wesentlich größeren Strahlquerschnitt verleihen als dem auf den Endspiegel auftreffenden Strahl dadurch gekennzeichnet,

• - daß das laseraktive Medium (Verstärkerteil 3) zum einen im Bereich des großen Strahlquerschnittes und zum anderen zwischen dem Auskoppelfenster einerseits und dem divergierenden bzw. konvergierenden optischen Elementen andererseits angeordnet ist, wobei diese als kühlbare (Kühlräume 22) Spiegel ausgebildet sind und
• - daß die in Strahlrichtung angemessene, für die Beugungsverluste maßgebliche Länge (1) laseraktiven Mediums (Verstärkerteil 3) und der Durchmesser (D) des Lichtstrahles innerhalb davon so ausgelegt sind, daß für den auf das laseraktive Medium (Verstärkerteil 3) beschränkten Strahlanteil sich eine Fresnel-Zahl von über 1, vorzugsweise von über 10 ergibt und daß der zwischen dem divergierenden optischen Element (6, 8 oder 13) bzw. dem konvergierenden optischen Element (9) und dem Endspiegel (1, 1′, 1″) befindliche Strahl hinsichtlich Lauflänge (D) und Durchmesser (d) so ausgelegt ist, daß sich isoliert für diesen Strahlanteil eine Fresnel- Zahl von unter 5, vorzugsweise von unter 1,5 ergibt.

2. Optisch stabiler Laserresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das konvergierend als auch das divergierend wirkende optische Element (6, 8, 10, 13) jeweils gesondert ausgebildet und optisch möglichst nahe beieinander aber möglichst weit weg vom Endspiegel (1, 1′, 1″) angeordnet sind.

3. Optisch stabiler Laserresonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dessen Strahlengang raumsparend über Umlenkspiegel geknickt angeordnet ist.

4. Optisch stabiler Laserresonator nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die der raumsparenden Abwinklung des Strahlenganges dienenden Umlenkspiegel zugleich auch als konvergierende bzw. divergierende Spiegel ausgebildet sind.

5. Optisch stabiler Laserresonator nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkwinkel der konvergierenden bzw. divergierenden Spiegel kleiner als 90° sind.

6. Optisch stabiler Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die konvergierenden und divergierenden Spiegel (12, 13) mit kugelförmiger Spiegeloberfläche ausgebildet sind und daß zwischen beiden eine Umlenkung des Strahles über einen Spiegel (14) mit zylindrischer Spiegeloberfläche erfolgt.