DE3722256A1 - Laserresonator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserresonator, zwischen den Endspiegeln mehrfach, mindestens jedoch dreifach, U-förmig gefaltet, wobei wenigstens zwei Faltungsebenen parallel oder senkrecht zueinander liegen.

Derart gestaltete Resonatoren erlauben es, bei verhältnis­ mäßig geringer Baulänge des gesamten Lasers, eine be­ trächtliche optische Länge zwischen den Resonatorendspie­ geln, welche gewöhnlich größtenteils mit einem laser­ aktiven Medium angefüllt ist, räumlich kompakt unterzu­ bringen. Im Gegensatz zu Resonatoren, bei welchen die Fal­ tung dergestalt geschieht, daß einfallender und reflektier­ ter Lichtstrahl einen kleinen Winkel zur Normalen der Oberfläche des Faltungsspiegels bilden, wird bei U-förmig gefalteten Resonatoren die völlige Strahlumlenkung um 180° durch zwei aufeinanderfolgende 90°-Reflexionen in derselben Ebene vermittels zweier Spiegel vollzogen. Aufgrund des geringfügig unterschiedlichen Reflexions­ faktors für parallel bzw. senkrecht zur Reflexionsebene polarisiertes Licht, erleidet gemäß den Fresnel'schen Formeln für Reflexion und Brechung der senkrecht zur Reflexionsebene polarisierte Anteil geringere Absorption, so daß sich in einem Laserresonator bevorzugt derart polarisierte Strahlung ausbildet.

Befindet sich in einem Laserresonator eine gleiche Anzahl solcher Umlenkungen, welche aufeinander senkrecht stehen, so kompensieren sich ihre bezüglich der Polarisations­ ebene verschiedenen Reflexionsfaktoren, so daß sich keine bevorzugte Polarisationsebene ausbilden wird. Gibt es jedoch wenigstens eine überzählige Umlenkung in einer be­ stimmten Ebene, oder aber eine Umlenkung mit einer Re­ flexionsebene unter einem anderen, im Prinzip beliebigen Winkel zu den sich kompensierenden Umlenkungen, so wird sich ein polarisierter Laserstrahl mit einer Polarisation senkrecht zu dieser bevorzugten Umlenkebene ausbilden.

Die Ausbildung einer stabilen Polarisationsebene ist bei Lasern für die Materialbearbeitung außerordentlich er­ wünscht, da durch Einfügen eines sogenannten Phasenschie­ berspiegels in den Strahlengang in an sich bekannter Weise der linear polarisierte Laserstrahl in einen zirku­ lar polarisierten umgewandelt werden kann. Dieser ist nun insbesondere beim Schneiden von Metallen in allen Schnittrichtungen gleich gut geeignet, da es keine Vorzugs­ richtung in bezug auf die Polarisationsebene gibt.

Weiterhin bewirkt eine U-förmige Strahlumlenkung eine Bildwendung um eine Achse senkrecht zur Faltungsebene. Im vorliegenden Fall beinhaltet der Begriff "Bild" ins­ besondere das Vorliegen einer bestimmten Polarisations­ richtung, sowie die Existenz einer Asymmetrie im trans­ versalen Modenbild, hervorgerufen durch eine nicht rotationssymmetrische Anregung des laseraktiven Mediums, wie sie beispielsweise bei einem hochfrequent angeregten Laser mit quer zur optischen Achse angeordneten Elektro­ den vorliegt.

Steht nun die o. g. Symmetrieachse der Bildwendung in einem beliebigen Winkel zur Ausrichtung der Polarisation bzw. Asymmetrie, so wird jene durch die Strahlumlenkung um das Doppelte dieses Winkels gedreht. Geschieht dies zwischen zwei oder mehreren gleichartig orientierten laseraktiven Medien innerhalb eines Laserresonators, so kann durch Bilddrehung eine weitgehende Modensymmetrierung erzielt werden.

In der bisher gängigen Praxis werden verschiedene Methoden angewandt, um sich das polarisationsabhängige Reflexions­ vermögen der Metalle zur Polarisierung von Laserstrahlung zunutze zu machen. So werden insbesondere 90°-Umlenk­ spiegel in Laserresonatoren herkömmlicher Bauweise einge­ fügt, um eine definierte lineare Polarisation zu erzwingen. Da es bei der Verwendung von reflektierenden Phasenschie­ berspiegeln zur Umwandlung von linear polarisierter in zir­ kular polarisierte Strahlung erforderlich ist, daß die Reflexionsebene des Spiegels um 45° gegen die Polarisations­ ebene gedreht ist, ordnet man den o. g. Umlenkspiegel im Laser selbst so an, daß seine Reflexionsebene unter 45° zur Vertikalen liegt. Auf diese Weise erzielt man einen unter 45° zur Vertikalen polarisierten Laserstrahl. Dies er­ laubt, den externen Phasenschieberspiegel direkt als horizontalen oder vertikalen Umlenkspiegel zu nutzen, ohne eine weitere 45°-Umlenkung einführen zu müssen. Zahlreiche CO₂-Laser der ersten Generation sind auf diese Weise nachgerüstet worden. Eine Variante dieser Idee ist in der europäischen Patentanmeldung 01 21 611 A1 angegeben: dort wird der gesamte gefaltete Resonator um einen Winkel von 45° gegen die Vertikale gedreht, um einen unter 45° polarisierten Laserstrahl zu erhalten.

Das Problem der Asymmetrie transversaler Moden, insbeson­ dere bei transversal angeregten CO₂-Lasern, wurde auf ver­ schiedene Weise angegangen. Die Offenlegungsschriften DE 35 36 693 A1 und DE 35 20 989 A1 beschreiben fast identische, doppelhelixartige Elektrodenanordnungen zur Verbesserung der Rotationssymmetrie der Entladung, wie sie in ähnlicher Weise von TEA-Lasern seit langem bekannt sind. Eine andere Variante wird von der Fa. Trumpf, Ditzingen, be­ schrieben und angewandt. Hier werden die mehrfach unter­ teilten Entladungsstrecken durch Elektrodenpaare an­ geregt, welche gegeneinander verdreht auf den Entladungs­ rohren angeordnet sind. Auf diese Weise wird ebenfalls die Ausbildung einer Vorzugsrichtung unterdrückt.

Wir haben es im vorliegenden Fall mit zwei Problemkreisen zu tun, die, wie dargestellt, nach dem bisherigen Stand der Technik getrennt gelöst werden. So liefern die Lösungen zur Erzeugung einer vorzugsweise unter 45° gegen die Vertikale geneigten Polarisationsebene keinen Beitrag zur Lösung des Asymmetrieproblems - und umgekehrt. Außerdem erscheinen alle Lösungswege verhältnismäßig aufwendig hin­ sichtlich ihrer technischen Realisierung.

So ist insbesondere, wie bereits erwähnt, die Einführung eines weiteren Umlenkspiegels in einen Laserresonator eine technische Notlösung, da dieser Spiegel gewöhnlich keine weitere Funktion hat, als die Erzeugung einer Vorzugs­ richtung der Polarisation. Für den Strahlengang im Resona­ tor selbst ist er überflüssig und ein zusätzlich Energie schluckendes Element.

Die Lösung, den gesamten Resonator um 45° zu drehen, ist technisch aufwendig, da auch bei allen übrigen Komponenten des Lasers diese Verkippung technisch berücksichtigt werden muß.

Die beiden erstgenannten Lösungen zur Symmetrierung des laseraktiven Mediums selbst, welche eine Doppelhelix als Elektroden verwenden, sind z. Teil herstellungstechnisch außerordentlich aufwendige Konstruktionen. Ferner treten infolge ihrer Gestalt an den Oberflächen der Elektroden starke Feldstärkeinhomogenitäten mit hohen Spitzenwerten auf, welche keinen optimalen Betrieb eines derart gestal­ teten Lasers ermöglichen.

Die zuletzt genannte Lösung mit gegeneinander verdrehten Elektrodenpaaren ist wiederum technisch relativ aufwendig, da an jedem Elektrodenpaar die Hochfrequenzzufuhr anders ausgestaltet werden muß.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, beide ge­ nannten Problemkreise auf einfache und technisch elegante Weise gleichzeitig zu lösen.

Dazu wird erfindungsgemäß mindestens eine Faltungsebene in bezug auf die übrigen Faltungsebenen um einen beliebigen Winkel, der sich jedoch von null oder neunzig Grad unterscheidet, gedreht.

Besonders einfache Konfigurationen werden durch die Wahl von 45° anstatt eines beliebigen Winkels erzielt. In der Praxis ist es vorteilhaft und in manchen Fällen geradezu unerläßlich, daß es sich dabei um eine 45°-Orientierung gegenüber der Vertikalen handelt.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß auf einfachste Weise, nämlich durch geeignete Wahl der Faltungsebenen in einem Laserresonator sowohl eine Symmetrierung des Moden­ bildes, als auch eine definierte, stabile Ausrichtung der Polarisationsebene eines Lasers erzielt wird. Der techni­ sche Aufwand ist dabei nicht größer als bei Verwendung eines herkömmlich gefalteten Resonators, bei welchem die vorliegenden Überlegungen nicht berücksichtigt sind.

Abb. 1 zeigt schematisch vereinfacht ein Ausführungs­ beispiel einer Resonatoranordnung, welche den Erfindungs­ gegenstand in besonders vorteilhafter Weise nutzt. Zahlreiche weitere Resonatorvarianten lassen sich hieraus in logischer Fortentwicklung leicht herleiten.

Dargestellt ist der Strahlengang in einem dreifach U-för­ mig gefalteten Resonator. Reflektiert vom total reflektie­ renden Endspiegel (1) durchläuft ein Strahl einen ersten laseraktiven Bereich zwischen den Elektroden (6). Zwischen diesen Elektroden herrscht ein im wesentlichen horizon­ tales elektrisches Feld (beispielsweise ein hochfrequentes Wechselfeld), welches Abweichungen von der Rotations­ symmetrie der Modenstruktur bewirkt.

Nach einer U-förmigen Umlenkung in der Horizontalen durch die Umlenkspiegel (2) durchläuft der Strahl einen weiteren gleichgearteten Bereich mit Elektroden (6) gleicher Orientierung. Danach geschieht eine U-förmige Umlenkung durch die Umlenkspiegel (3), welche unter einem Winkel von 45° gegen die Vertikale geschieht. Dadurch werden die o. g. Abweichungen von der Rotationssymmetrie um 90° gedreht. Dieser gedrehte Laserstrahl durchläuft nun einen weiteren, gleich orientierten laseraktiven Bereich mit Elektroden (6), eine weitere horizontale Umlenkung mit den Spiegeln (4), sowie einen letzten laseraktiven Bereich mit Elektroden (6), wodurch die genannten Asymmetrien weitestgehend aufgeho­ ben werden. Anschließend verläßt ein Teil des Strahls den Laser durch den Auskoppelspiegel (5).

Aufgrund des geringfügigen Unterschieds im Reflexionsver­ halten hinsichtlich der Polarisationsrichtung wird die Strahlung im Laser, wie bereits ausgeführt, durch die Umlenkung an jedem Spiegel linear polarisiert. Während sich die Polarisationswirkungen der horizontalen Umlen­ kungen (2) und (4) infolge der Bilddrehung um 90° exakt kompensieren, bleibt netto eine Polarisation unter einem 45°-Winkel durch die Umlenkung der Spiegel (3) übrig.

Claims (3)

1. Laserresonator, zwischen den Endspiegeln mehrfach, mindestens jedoch dreifach U-förmig gefaltet, wobei wenigstens zwei Faltungsebenen parallel oder senkrecht zueinander liegen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens eine Faltungsebene in bezug auf die übrigen Faltungsebenen um einen be­ liebigen Winkel, der sich jedoch von null oder neunzig Grad unterscheidet, gedreht ist.

2. Laserresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gedrehte Faltungs­ ebene einen Winkel von 45° zu den anderen Faltungs­ ebenen einnimmt, oder daß bei Vorliegen mehrerer solcher Faltungsebenen alle um einen Winkel von plus oder minus 45° zu den vorgenannten Ebenen gedreht sind, während sie untereinander parallel oder senkrecht angeordnet sein können.

3. Laserresonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gedrehte(n) Fal­ tungsebene(n) um 45° gegen die Horizontale (bzw. Vertikale) gedreht sind.