DE3613088A1 - Einrichtung zur erhoehung der querschnittsleistungsdichte eines laserstrahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erhöhung der Querschnittsleistungsdichte eines aus einem konfokalen Resonator ausgekoppelten Laserstrahls mit im Querschnitt hoher Intensität auf einem Ring um ein strahlungsfreies Zentrum.

Bei einem Hochenergie-Gaslaser wird ein konfokaler, instabiler Resonator eingesetzt, um ein möglichst großes angeregtes Gasvolumen ausnutzen zu können. Dadurch erhält der Laserstrahl im Querschnitt eine Intensitätsverteilung, bei der ein Ring hoher Intensität ein strahlungsfreies Zentrum umgibt. Im Durchmesser des Laserstrahls liegen dabei außen Intensitätsmaxima, wogegen im Zentrum ein Intensitätsminimum liegt. Im Querschnitt des Laserstrahls ist somit keine Gaußverteilung gegeben, die an sich für die Fokussierung des Laserstrahls erwünscht ist.

In der DE-OS 35 04 366 ist ein optisches System zur Ausbildung eines kreisringförmigen Strahls beschrieben. Es liegt hier ein Reflektor mit einer konischen Fläche innerhalb des kreisringförmigen Strahls. Ein weiterer Reflektor mit einer weiteren konischen Fläche umschließt den ersten Reflektor. Um die beiden Reflektoren aneinander festlegen zu können, sind Bauteile nötig, die notwendigerweise den Strahlengang unterbrechen. Dies reduziert die Gesamtleistung des Laserstrahls.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit der sich der ringförmige Laserstrahl so formen läßt, daß eine annähernde Gaußverteilung seiner Intensität entsteht, ohne daß die Einrichtung den Strahlengang unterbrechende Teile aufweist.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß ein erster Reflektor den ausgekoppelten, in die Einrichtung einfallenden Laserstrahl gegen die Einfallrichtung gespreizt reflektiert, wobei beim gespreizten Laserstrahl der Innendurchmesser des Rings größer als der Außendurchmesser des einfallenden Laserstrahls ist, daß ein zweiter Reflektor den gespreizten Laserstrahl aus der Einfallgegenrichtung auslenkt, und daß ein dritter Reflektor den ausgelenkten Laserstrahl verengt reflektiert, wobei beim verengten Laserstrahl der Außendurchmesser des Rings kleiner als der Außendurchmesser beim einfallenden Laserstrahl ist.

Durch die Einrichtung wird das strahlungsfreie Zentrum des ausgekoppelten Laserstrahls entscheidend verkleinert. Die Intensitätsmaxima des Ringquerschnitts rücken zusammen, so daß annähernd eine Gaußverteilung der Intensität des Laserstrahls, über seinem Querschnitt betrachtet, erreicht ist.

Im Strahlengang des Laserstrahls sind Teile, die diesen unterbrechen würden, überflüssig. Infolge der Spreizung des Laserstrahls am ersten Reflektor, muß der zweite Reflektor nicht innerhalb des Laserstrahls angeordnet sein. Durch die Ablenkung des Laserstrahls am zweiten Reflektor braucht der dritte Reflektor nicht innerhalb des Laserstrahls zu liegen.

Die beschriebene Einrichtung kann ausschließlich mit reflektierenden Bauteilen arbeiten. Es sind dann durchstrahlte Bauteile nicht nötig, was insbesondere bei einem Hochenergie-Laserstrahl günstig ist.

Während sich auch mit dem dritten Reflektor allein eine Verengung des ringförmigen Laserstrahls erreichen ließe, die aber die energiereiche Innenseite des Rings der Intensitätsverteilung nach außen kehrt, ergibt sich mit dieser Anordnung der Reflektoren ein weiteres Austauschen von Innen- und Außenseite, so daß der Anteil des Strahles im Gauß'schen Grundmode höher ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Die Figur zeigt eine Einrichtung zur Erhöhung der Leistungsdichte eines ringförmigen Laserstrahls im Schnitt schematisch.

In einen Trägerkörper 1 ist ein erster Reflektor 2 eingesetzt. Dieser weist einen kegelförmig konvexen Reflexionsoberflächenbereich 3 und einen diesen umschließenden kegelstumpfförmig konkaven Reflexionsoberflächenbereich 4 auf. Die Kegelwinkel betragen jeweils 45° zur Strahleinfallrichtung E.

Dem ersten Reflektor 2 gegenüber ist am Trägerkörper 1 ein zweiter Reflektor 5 angeordnet, der im Winkel von 45° zur Strahleinfallrichtung E steht. Der zweite Reflektor 5 ist mit einer Mittendurchbrechung 6 versehen.

Im Trägerkörper 1 ist ein dritter Reflektor 7, um 90° versetzt zum ersten Reflektor 2 angeordnet. Der dritte Reflektor 7 weist einen kegelförmig konvexen Reflexionsoberflächenbereich 8 und einen diesen umgebenden kegelstumpfförmig konkaven Reflexionsoberflächenbereich 9 auf. Auch hier betragen die Kegelwinkel 45°.

Da alle drei Reflektoren 2, 5 und 7 am Trägerkörper 1 angeordnet sind, ist ihre lagerichtige Justierung einfach.

Tritt in Strahleinfallrichtung E ein ringförmiger Laserstrahl Se mit einem Außendurchmesser Ea und einem Innendurchmesser Ei durch die Mitteldurchbrechung 6 ein, dann trifft er auf den Reflexionsoberflächenbereich 3. Er wird von dort auf den Reflexionsoberflächenbereich 4 gespiegelt und von hier als gespreizter Laserstrahl Sg mit dem Außendurchmesser Ga und dem Innendurchmesser Gi in Gegenrichtung zur Strahleinfallrichtung E auf die plane Reflexionsoberfläche 10 des zweiten Reflektors 5 gelenkt. Die Mittendurchbrechung 6 ist so bemessen, daß zwar der einfallende Laserstrahl Se über seinen gesamten Querschnitt eintreten kann, jedoch der gespreizte Laserstrahl Sg nicht austritt.

Der von der Reflexionsoberfläche 10 ausgelenkte Laserstrahl Sa trifft auf den Reflexionsoberflächenbereich 9 und wird von dort auf den Reflexionsoberflächenbereich 8 gespiegelt. Am Reflexionsoberflächenbereich 8 entsteht der verengte Laserstrahl Sv mit dem Außendurchmesser Va und dem Innendurchmesser Vi. Der verengte Laserstrahl Sv verläßt die Einrichtung durch die Mittendurchbrechung 6 in Strahlausfallrichtung A.

Wie der Figur zu entnehmen, ist der Außendurchmesser Va wesentlich kleiner als der Außendurchmesser Ea. Insbesondere ist der Innendurchmesser Vi wesentlich kleiner als der Innendurchmesser Ei. Der Innendurchmesser Vi geht gegen Null. Er ist in der Figur nur zur Verdeutlichung angegeben.

Die Verengung des Laserstrahls beruht konstruktiv darauf, daß der breitausgelenkte Laserstrahl Sa in der Umgebung der Spitze des Reflexionsoberflächenbereichs 8 auftrifft.

Durch die beschriebene Einrichtung wird einerseits die Leistungsdichte des Laserstrahls erhöht, da die Querschnittsfläche des ausfallenden Laserstrahls Sa mit dem Durchmesser Va wesentlich kleiner ist als die Querschnittsfläche des einfallenden Laserstrahls Se mit dem Durchmesser Ea. Außerdem wird das strahlungsfreie Zentrum mit dem Durchmesser Ei praktisch beseitigt, so daß annähernd mit einer Gauß'schen Verteilung der Strahlungsintensität beim verengten Laserstrahl Sv zu rechnen ist.

Wird am dritten Reflektor 7 der kegelförmige Reflexionsoberflächenbereich 8 gegenüber dem Reflexionsoberflächenbereich 9 in Strahlausfallrichtung A justierbar gemacht, beispielsweise indem der Reflektor 7 an der in der Figur strichliert dargestellten Linie geteilt wird, dann ist eine nachträgliche Justierung möglich. Entsprechendes gilt für den Reflektor 2.

Günstig ist auch, daß die Länge des Weges des gespreizten Laserstrahls Sg vom ersten Reflektor 2 zum dritten Reflektor 7 an seinem gesamten Mantelumfang gleich ist, so daß Phasenverschiebungen nicht auftreten.

Im Rahmen der Erfindung liegen zahlreiche weitere Ausführungsbeispiele. So ist es beispielsweise möglich, die Kegelwinkel zu variieren. Es wird dann eine unterschiedliche Ringbreite (Differenz zwischen Außendurchmesser und Innendurchmesser) erreicht.

Claims (8)

1. Einrichtung zur Erhöhung der Querschnittsleistungsdichte eines aus einem instabilen Resonator ausgekoppelten Laserstrahls mit im Querschnitt hoher Intensität auf einem Ring um ein strahlungsfreies Zentrum, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Reflektor (2) den ausgekoppelten, in die Einrichtung einfallenden Laserstrahl (Se) gegen die Einfallrichtung (E) gespreizt reflektiert, wobei beim gespreizten Laserstrahl (Sg) der Innendurchmesser (Gi) des Rings größer als der Außendurchmesser (Ea) des einfallenden Laserstrahls (Se) ist, daß ein zweiter Reflektor (5) den gespreizten Laserstrahl (Sg) aus der Einfallgegenrichtung auslenkt und daß ein dritter Reflektor (7) den ausgelenkten Laserstrahl (Sa) verengt reflektiert, wobei beim verengten Laserstrahl (Sv) der Außendurchmesser (Va) des Rings kleiner als der Außendurchmesser (Ea) beim einfallenden Laserstrahl (Se) ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (Va) des verengten Laserstrahls (Sv) kleiner als der Innendurchmesser (Ei) des einfallenden Laserstrahls (Se) ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Reflektor (5) für den einfallenden Laserstrahl (Se) eine Mittendurchbrechung (6) aufweist und der gespreizte Laserstrahl (Sg) in der Umgebung der Mittendurchbrechung (6) auf den zweiten Reflektor (5) trifft.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der verengte Laserstrahl (Sv) durch die Mittendurchbrechung (6) austritt.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Reflektor (5) im Winkel von 45° zur Strahleinfallrichtung (E) steht.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der dritte Reflektor (2, 7) je einen kegelförmig konvexen Reflexionsoberflächenbereich (3, 8) und je einen diesen umgebenden kegelstumpfförmig konkaven Reflexionsoberflächenbereich (4, 9) aufweisen.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der einfallende Laserstrahl (Se) auf den konvexen Reflexionsoberflächenbereich (3) des ersten Reflektors (2) trifft und der vom zweiten Reflektor (5) ausgelenkte, gespreizte Laserstrahl (Sa) auf den konkaven Reflexionsoberflächenbereich (8) des dritten Reflektors (7) trifft.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren (2, 5, 7) an einem gemeinsamen Trägerkörper (1) befestigt sind.