DE3782973T2

DE3782973T2 - Laservorrichtung.

Info

Publication number: DE3782973T2
Application number: DE8787304638T
Authority: DE
Inventors: Itamar Shoshan
Original assignee: ELECTRO OPTICS IND Ltd
Current assignee: ELECTRO OPTICS IND Ltd
Priority date: 1986-05-27
Filing date: 1987-05-26
Publication date: 1993-04-29
Anticipated expiration: 2007-05-27
Also published as: US4731788A; IL78936A; NO168397B; EP0247823A3; NO872195L; CA1287154C; DE3782973D1; NO872195D0; IL78936A0; NO168397C; EP0247823B1; JPS6324687A; EP0247823A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf eine neue optische Konfiguration für Laserquellen und insbesondere auf die Konzeption eines Lasers mit einem Ausgangsstrahl von hoher Leistung (oder hoher Energie) und geringer Divergenz.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die zunehmende Vielfalt von Laseranwendungen in den letzten Jahren hat zu einer Bedarfszunahme an Laserquellen mit für individuelle Anforderungen geeigneten Eigenschaften geführt. Zu den Eigenschaften, weiche diese Laserquellen kennzeichnen, gehören die monochromatische Art des erzeugten Lichts, ihre Richtungsbündelung, Leistung und Kohärenz. Bei der Konzeption von Laserlichtquellen ergeben sich Schwierigkeiten, weil die Erzielung erhöhter Niveaus einiger dieser Eigenschaften häufig unvereinbare Entwurfsbeschränkungen mit sich bringt. Eine Darstellung dieses Problems kann man in Bezug auf die Konzeption einer Laserquelle für erhöhte Leistungs- und Richtungsbündelungsniveaus sehen. Ein Maßstab der Richtungsbündelung eines Laserlichtstrahls ist sein Divergenzwinkel.
Im allgemeinen schließt ein Lasersystem ein aktives Medium ein, das sich innerhalb eines optischen Resonators befindet, um einen Oszillatorstrahl zu erzeugen. In einem stabilen Laserresonator ist eine weitgehend angewendete Methode zur Erzielung einer geringen Divergenz, die einem äußerst richtungsgebündelten Strahl entspricht, die Einführung einer Öffnung, um den Oszillatorstrahl enger zu bündeln. Ein solcher Resonator wird als Resonator mit kleiner Fresnel-Zahl beschrieben. Das wiederum bedeutet, daß der Wert von D2/L gering ist, wobei D = der Durchmesser des sich innerhalb des Resonators ausbreitenden Oszillatorstrahls, und L = die Resonatorlänge.
Die geringste, der Beugungsgrenze entsprechende Divergenz erzielt man beispielsweise dann, wenn D2/L die Größenordnung der Wellenlänge des Lasers hat. Für eine Wellenlänge von 1 Mikron und einen 1 m langen Resonator ist der Durchmesser der Öffnung für den Laserresonator, welcher die Breite des Oszillatorstrahls bestimmt, daher auf etwa 1 mm begrenzt. Mit dieser kleinen Öffnung wird während der Laserwirkung jedoch ein enger Oszillatorstrahl erzeugt, der nur einen kleinen Teil des Volumens des aktiven Mediums gebraucht. Als Folge der begrenzten Ausnutzung des Aktivmediumvolumens wird die Ausgangsleistung erheblich reduziert, und der Laser ist in sich selbst unwirksam. Es wäre daher erwünscht einen Laser zu haben, der durch Mehrausnutzung des Aktivmediumvolumens unter Aufrechterhaltung der geringen Divergenz und des hohen Wirkungsgrades eine hohe Ausgangsleistung erzielt.
Eine Lösung, die zur Erzielung eines erhöhten Wirkungsgrades vorgeschlagen wurde, ist die Reduzierung des Volumens des aktiven Mediums durch Verringerung seines Durchmessers. Das hat den Effekt, den Anteil des von dem Oszillatorstrahl gebrauchten Aktivmediumvolumens zu vergrößern. Diese Lösung wird in einigen Lasersystemen (z.B. He-Ne Laser und einige Co2 Laser) angewendet. In Festkörperlasern ist die Benutzung eines dünnen Stabs (--von beispielsweise 1 oder 2 mm Durchmesser) zur Reduzierung des Aktivmediumvolumens wegen mechanischer Festigkeitsüberlegungen und wegen der schlechten Kopplung mit der als optische Pumpquelle benutzten Blitzlampe undurchführbar.
Eine bessere Lösung zur Ausnutzung des aktiven Mediums wird durch Benutzung eines unstabilen Resonators bereitgestellt. Diese Methode wird beispielsweise von Herbst et al in Optics Communications, Band 21, Seite 5 (1977) beschrieben. Mit dieser Konzeption erzielt man eine sehr geringe Divergenz bei hoher Ausgangsleistung, und das gesamte Volumen des aktiven Mediums wird ausgenutzt. Ein bedeutender Nachteil dieser Konzeption ist jedoch die überaus hohe Schwingungsschwelle, die zu einem niedrigen Wirkungsgrad des Lasers führt.
Eine weitere Lösung bezüglich der Aktivmediumausnutzung basiert auf dem sogenannten "teleskopischen Resonator", wie beispielsweise von Hanna et al in "Optics Communications", Band 37, Seite 359 (1081) beschrieben. In dieser Konzeption wird ein Strahlaufweiter in einen stabilen Resonator eingesetzt. Auf einer Seite des Strahlaufweiters, wo sich das aktive Medium befindet, ist der Oszillatorstrahl breit und nutzt dadurch das gesamte Volumen des aktiven Mediums aus. Auf der anderen Seite des Strahlaufweiters ist der Oszillatorstrahl eng und erhält dadurch eine kleine effektive Fresnel-Zahl des Resonators aufrecht. Dieser Lösungsweg stellt einen Ausgangsstrahl von hoher Leistung und geringer Divergenz mit einem guten Wirkungsgrad bereit. Ein innewohnender Nachteil der Konzeption ist jedoch die sehr hohe Leistungsdichte in dem engen Oszillatorstrahl, die auf dieser Seite des Strahl aufweiters dazu neigt, eine Beschädigung optischer Bauelemente zu verursachen.
Ein weiterer Vorschlag nach dem Stand der Technik für eine Lösung des Aktivmediumausnutzungsproblems findet sich in der Offenbarung in der US-Patentschrift Nr. 3,852,684 (Roess et al). Dieses Patent offenbart ein Lasergerät zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einer Grundschwingungsform, wobei dieses Gerät einen Teil eines laseraktiven Materials als den Oszillator und den restlichen Teil als einen Verstärker benutzt, so daß die in dem Lasermaterial gespeicherte Energie voll ausgenutzt wird. Das Lasergerät besteht aus einem laseraktiven Material, einem Paar kleiner Spiegel, die konzipiert sind, um einen optischen Resonator zu bilden, der einen Teil des laseraktiven Materials ausnutzt, wobei der restliche Teil des laseraktiven Materials ein Verstärkerteil ist. Eines der Spiegelpaare ist teillichtdurchlässig, um das Entkoppeln des Strahls von dem Resonator zu ermöglichen. Das Gerät umfaßt weiterhin ein angepaßtes optisches System, welches Mittel einbezieht, um einen vom optischen Resonatorteil entkoppelten Laserstrahl zwecks Verstärkung durch den Verstärkerteil des laseraktiven Materials zu lenken.
Ein weiterer, früherer, dem von Roes ähnlicher Vorschlag findet sich in der US-Patentschrift Nr. 4,276,519 (Marteau). Hier wird, wie bei Roes, die Verstärkung erreicht und demzufolge der Laserwirkungsgrad verbessert. In beiden Fällen treten jedoch Leistungsverluste aufgrund der Tatsache auf, daß der aufgeweitete Ausgangsstrahl, wenn er zur Verstärkung zum aktiven Medium zurückgeworfen wird, entlang seinem Ausgangsverlauf reflektiert wird, so daß mindestens ein Teil von ihm ohne 100 % Transmission durch den Oszillatorausgangsspiegel hindurchgehen muß. Als Folge davon reduzieren die hohen Reflexionsverluste in diesem Ausgangsspiegel die Intensität des aufgeweiteten Strahls erheblich und reduzieren somit den Wirkungsgrad des Lasergeräts. Wenn auch aufgrund der Tatsache, daß mehr vom Volumen des aktiven Mediums benutzt wird, mit solchen Anordnungen eine Verstärkung erzielt wird, so leiden diese Konzeptionen jedoch dennoch, wie vorstehend angeführt, unter durch die Tatsache begründeten Verlusten, daß die Zurücklenkung des Strahls zur Verstärkung durch den teildurchlässigen Spiegel stattfindet.

KURZE INHALTSANGABE DER ERFINDUNG

Demzufolge besteht ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung darin, die vorerwähnten Nachteile zu überwinden und einen Laser bereitzustellen, der leistungsfähig ist, ein großvolumiges Aktivmedium ausnutzt und einen Ausgangsstrahl mit geringer Divergenz hat.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Lasergerät bereitgestellt, das einen Laseroszillator mit geringer Divergenz von der Art einbezieht, in der ein Strahl innerhalb des Laserresonators innerhalb eines optischen Resonators entlang einer Resonatorachse und innerhalb eines Oszillatorabschnitts des Volumens eines aktiven Mediums ausgebreitet wird, und in der ein Teil der Intensität des besagten Strahls für den Laserresonator durch ein erstes Auskoppelmittel als Strahl außerhalb des Laserresonators ausgekoppelt wird und sich entlang eines Strahlengangs außerhalb des besagten optischen Resonators ausbreitet, bestehend aus:
einem innerhalb des besagten optischen Resonators und in dem besagten Strahlengang positionierten Einführungsmittel zum Lenken des besagten Strahls außerhalb des Laserresonators in das besagte aktive Medium als wiedereingeführten Strahl, so daß durch den besagten Strahlengang und die besagte Resonatorachse eine geschlossene Schleife gebildet wird;
einem zweiten Auskoppelmittel, das innerhalb des besagten optischen Resonators positioniert ist, um den besagten wiedereingeführten Strahl nach der Verstärkung in dem besagten aktiven Medium als Ausgangsstrahl aus dem besagten Lasergerät herauszuziehen, und
einem Aufweitungsmittel, das innerhalb der besagten geschlossenen Schleife positioniert ist, um den darin befindlichen Strahl so aufzuweiten, daß die Querschnittsfläche des besagten wiedereingeführten Strahls bei Eintritt in das besagte aktive Medium wesentlich größer ist als die des besagten Oszillatorabschnitts,
wobei die Anordnung so ist, daß der besagte Strahl innerhalb des Laserresonators und der besagte wiedereingeführte Strahl, die sich entlang dem besagten aktiven Medium ausbreiten, in im wesentlichen orthogonal zueinander liegenden Ebenen linear polarisiert sind.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nunmehr einige bevorzugte praktische Ausführungsformen derselben nur anhand eines nichtbeschränkenden Beispiels unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen:
zeigt Abb. 1 eine schematische Darstellung eines Festkörperlasersystems, das ein Paar Polarisationselemente gemäß den Grundgedanken der Erfindung verwendet;
zeigt Abb. 2 eine alternative praktische Ausführungsform der Erfindung, die so konfiguriert ist, daß ein drittes Polarisationselement benutzt wird;
zeigt Abb. 3 eine andere Ausführungsform des Strahlengangs der Konfiguration von Abb. 2;
zeigt Abb. 4 eine alternative praktische Ausführungsform der Erfindung, die so konfiguriert ist, daß ein teildurchlässiger Spiegel in dem System nach Abb. 1 benutzt wird;
zeigt Abb. 5 eine alternative praktische Ausführungsform der Erfindung unter Benutzung eines unstabilen Resonators;
zeigt Abb. 6 eine alternative praktische Ausführungsform der Erfindung, die so konfiguriert ist, daß der Strahlaufweiter innerhalb des Resonators positioniert ist;
zeigt Abb. 7 eine alternative Anordnung, die so konfiguriert ist, daß der Resonator nach Abb. 6 geknickt ist;
zeigt Abb. 8 eine abgewandelte Form des Strahlaufweiters für Verwendung in den alternativen praktischen Ausführungsformen, und
zeigt Abb. 9 eine weitere abgewandelte Form des Strahlaufweiters für Verwendung in den alternativen praktischen Ausführungsformen.
Um nunmehr auf Abb. 1 Bezug zu nehmen, so wird hier eine schematische Darstellung einer praktischen Ausführungsform eines Festkörperlasersystems gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Laseroszillator wird durch ein aktives Medium 17 in Form eines Stabes bereitgestellt, der durch eine Blitzlampe (nicht dargestellt) optisch gepumpt wird und zwischen zwei Totalumlenkspiegeln 18 und 19 angeordnet ist, die einen stabilen optischen Resonator 20 mit der Achse 21 begrenzen. Einer oder beide von 25 dieser Spiegel können durch Reflektoren anderer Typen wie z.B. Porro-Prisma oder Corner-Cubes ersetzt werden. Eine benachbart zum Umlenkspiegel 19 angeordnete Öffnug für den Laserresonator 22 ermöglicht eine transversale Eigenschwingungsauswahl. Um eine geringe Divergenz zu erzielen, muß der Durchmesser der Öffnung 22 klein sein, wodurch die Fresnel-Zahl des Resonators 20 reduziert wird. Wie bereits vorstehend beschrieben, wird dadurch die verfügbare Ausgangsleistung eingeschränkt, da nur der innerste Längsabschnitt 23 (der einen Oszillatorabschnitt darstellt) des Aktivmedium-17-Volumens zur Erzeugung des engen Strahls innerhalb des Laserresonators 24 beiträgt. Die Ausgangsleistung wird jedoch, wie gemäß der Erfindung ersichtlich, durch Ausnutzung des Gesamtvolumens des aktiven Mediums 17 erhöht.
Das Lasersystem nach dieser praktischen Ausführungsform ist mit einem Strahlaufweiter 25 ausgestattet, der sich außerhalb des Resonators 20 befindet und entlang einem Strahlengang 26 angeordnet ist, der ein Paar Spiegel zur Knickung des Strahlengangs 27 und 28 enthält. Gewöhnlich ist der Strahlaufweiter 25 als ein Paar Positiv- und Negativlinsen 29 und 30 gemäß Abb. 1 oder gemäß einer der alternativen praktischen Ausführungsformen in den Abbildungen 8 und 9 vorgesehen, die an späterer Stelle beschrieben werden. Der Resonator 20 ist durch Polarisationselemente 31 und 32, die gewöhnlich als Polarisationsstrahlenteiler vorgesehen sind, an den Strahlengang 26 gekoppelt. Im Betrieb wird die Polarisation des Strahls innerhalb des Laserresonators 24 durch die Polarisationselemente 31 und 32 in der in Abb. 1 gezeigten Konfiguration als p-Polarisation hergestellt. Ein Abschnitt dieses Strahls innerhalb des Laserresonators 24 wird durch ein Phasenplättchen 34 in eine s-Polarisation umgewandelt und als Strahl außerhalb des Laserresonators 36 auf einer Seite des aktiven Mediums 17 durch das Polarisationselement 31, das ein erstes Auskoppelmittel darstellt, aus dem Resonator 20 ausgekoppelt. Dieser s-polarisierte Strahl 36 wird in den Strahlengang 26 eingeführt, wo er durch den Spiegel 27 reflektiert und sodann durch den Durchgang durch den Strahlaufweiter 25 aufgeweitet und kollimiert. Der s-polarisierte aufgeweitete Strahl 38 wird sodann durch den Spiegel 28 reflektiert und als wiedereingeführter Strahl 39 kollimiert über das ein Einführungsmittel darstellende Polarisationselement 32 in die andere Seite des aktiven Mediums 17 zurückgelenkt. Der wiedereingeführte Strahl 39 wird sodann verstärkt, und weil der resultierende verstärkte Strahl ebenfalls s-polarisiert ist, kann er als Ausgangsstrahl 42 durch das Polarisationselement 31 (das ein zweites Auskoppelmittel darstellt) aus dem Lasersystem ausgekoppelt werden.
Der Durchmesser der Öffnung 22 und das Verstärkungsverhältnis des Strahlaufweiters 25 bestimmen den Durchmesser des aufgeweiteten Strahls 38. Folglich kann der Durchmesser des wiedereingeführten Strahls 39 passend mit dem des aktiven Mediums 17 gemacht werden, so daß das Gesamtvolumen des aktiven Mediums 17 ausgenutzt wird. Das heißt, der innere Teil 23 des aktiven Mediums 17 wird durch den p-polarisierten Strahl innerhalb des Laserresonators 24 ausgenutzt, während der äußere Teil 40 die Verstärkung des s-polarisierten, kollimierten, aufgeweiteten Strahls 38 bereitstellt.
Die Divergenz des Ausgangsstrahls 42 ist aufgrund der kleinen Fresnel-Zahl des Resonators 20 gering. Diese Divergenz kann sogar durch eine geeignete Auswahl des Durchmessers der Öffnung 22 und der als Abstand zwischen den Umlenkspiegeln 18 und 19 definierten Resonatorlänge beugungsbegrenzt werden.
Somit werden mit der soeben beschriebenen Anordnung die folgenden Vorteile erzielt:
1. Das gesamte Volumen des aktiven Mediums 17 wird ausgenutzt, da der aufgeweitete Strahl 38 durch den Strahlaufweiter 25 gut kollimiert wird, und es wird ein optimaler Wirkungsgrad erzielt. Für den Fall, wo das aktive Medium 17 ein zylindrischer Stab ist, ist der Strahlaufweiter 25 so angepaßt, daß der Durchmesser des aufgeweiteten Strahls 38 dem des aktiven Mediums 17 gerade eben entspricht. Selbst wenn der aufgeweitete Strahl 38 einen Durchmesser hat, der gerade noch größer oder kleiner ist als der des aktiven Mediums 17, wird dennoch eine Verbesserung im Wirkungsgrad gegenüber Konzeptionen nach dem Stand der Technik erzielt.
2. In Anbetracht der Tatsache, daß der aufgeweitete Strahl außerhalb des Laserresonators 38 als wiedereingeführter Strahl 39 durch das Polarisationselement 32 in das aktive Medium 17 reflektiert wird, ohne durch das erste Auskoppelmittel 31 hindurchgehen zu müssen, gibt es keinen bedeutsamen Verlust bei der Wiedereinführung des aufgeweiteten Strahls außerhalb des Laserresonators 38 in das aktive Medium 17. Das resultiert aus der Benutzung separater erster Auskoppelmittel 31 und Einführungsmittel 32, so daß die Funktionen des Auskoppelns des Strahls außerhalb des Laserresonators 36 und der Zurücklenkung des aufgeweiteten Strahls 38 getrennt sind. Somit werden optimale Ergebnisse erzielt, da die Zurücklenkung des aufgeweiteten Strahls 38 durch das Polarisationselement 32 von dem durch das Phasenplättchen 24 bestimmte Auskoppelverhältnis nicht beeinträchtigt wird. Mit anderen Worten: die Wiedereinführung des aufgeweiteten Strahls 38 stört nicht den Betrieb des Resonators 20. Das Polarisationselement 31 koppelt einen Teil des Strahls innerhalb des Laserresonators 24 als Strahl außerhalb des Laserresonators 36 in den Strahlengang 26. Dieser Teil kann durch Drehung des Phasenplättchens 34 auf das optimale Auskoppelverhältnis eingestellt werden, um dadurch einen optimalen Wirkungsgrad des Laseroszillators zu erhalten. Ungeachtet dieser Einstellung wird der aufgeweitete Strahl 38, da er s-polarisiert ist, durch das Polarisationselement 32 fast vollkommen zum aktiven Medium 17 hin reflektiert. Nach der Verstärkung wird er in ähnlicher Weise während des anschließenden Auskoppelns durch das Polarisationselement 31 reflektiert. Somit gibt es beim Zurücklenken des aufgeweiteten Strahls 38 zu dem aktiven Medium 17 praktisch keinen Verlust der, falls vorhanden, den Wirkungsgrad des Oszillators reduzieren würde. Das steht im Gegensatz zu den vorerwähnten Vorschlägen von Roess und Marteau, wo der Versuch, Verluste bei der Zurücklenkung des aufgeweiteten Strahls zu dem aktiven Medium den Wirkungsgrad des Oszillators reduziert.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die planare Wellenfrontcharakteristik des Strahls innerhalb des Laserresonators 24. Das steht im Gegensatz zu der sphärischen Wellenfrontcharakteristik des Strahls innerhalb des Laserresonators in einem unstabilen Resonator. Somit lassen sich dispergierende Glieder wie ein Beugungsgitter oder ein Etalon zu spektralen Verengungs- und Abstimmungszwecken mühelos in den Resonator 20 einbauen.
In der soeben beschriebenen bevorzugten praktischen Ausführungsform ist der Oszillatorstrahl 24 als eine p-Polarisation aufweisend dargestellt. Durch entsprechende Positionierung der Polarisationselemente 31 und 32 kann jedoch ein s-Polarisations- Resonator so bereitgestellt werden, daß der Oszillatorstrahl 24 s-polarisiert ist, während der Strahl außerhalb des Laserresonators 36, der aufgeweitete Strahl 38, der wiedereingeführte Strahl 39 und der Ausgangsstrahl 42 sämtlich p-polarisiert sind.
Die Erfindung ist auf alle Typen von Lasern - entweder Impuls- oder kontinuierliche Laser - mit einem gasförmigen, flüssigen oder Festkörper-Aktivmedium anwendbar. Die Erfindung ist auch auf Innenschalter umfassende Laser wie z .B. Q-geschaltete, modusgesperrte oder 'cavity-dumped' Laser anwendbar (ANMERKUNG DES ÜBERSETZERS: 'cavity-dumped' Laser könnte ein 'Laser mit abgeschaltetem/außer Betrieb gesetztem Resonator' sein). Außerdem kann die Erfindung in Kombination mit verschiedenen Typen von Laserresonatoren - stabil, unstabil, Ringversion, beugungsgekoppelt oder andere - benutzt werden.
Entsprechend der verlangten Leistung des Lasers sind der Durchmesser der Öffnung 22 und das Verstärkungsverhältnis des Strahlaufweiters 25 Entwurfsparameter, die als Kompromißlösung zwischen guter Divergenz und gutem Wirkungsgrad bestimmt werden sollten.
Eine spezifische Erläuterung der Erfindung wird nunmehr durch eine Beschreibung der Entwurfsparameter eines Neodym-YAG Festkörperlasers vermittelt.
Das aktive Medium 17 ist aus einem Nd:YAG Stab mit Antireflexschicht von 6,3 mm Durchmesser und 100 mm Länge hergestellt. Die Spiegel 18 und 19 sind mit 1,06 Mikron 100 % reflektierende Spiegel. Das Phasenplättchen 34 ist ein Viertelwellenlängenplättchen für 1,06 Mikron und ist für maximale Ausgangsenergie eingestellt. Der Strahlaufweiter 25 ist auf zwei Einzellinsen mit einem Vergrößerungsverhältnis von 1,7 hergestellt. Der Durchmesser der Öffnung 22 ist auf 4 mm eingestellt. Das optische Pumpen des Laserstab-Aktivmediums 17 erfolgt in einem enggekoppelten Resonator durch eine Xenonblitzlampe mit einem Bohrungsdurchmesser von 4 mm und einer Bogenlänge von 88 mm.
Das Kühlen des Laserstabs erreicht man durch Umlaufwasser. Die Resonatorlänge beträgt 70 cm.
Das Lasersystem kann mit einem elektrischen Eingang von 10 Joule pro Impuls bei einer Impulsfolgefrequenz von 20 Impulsen/sek. betrieben werden. Charakteristische Messungen des Ausgangsstrahls 42 weisen eine Ausgangsenergie von 220 Millijoule und eine Fernfelddivergenz von 1,1 Milliradianten aus. In einer anderen praktischen Ausführungsform lieferte das Einfügen eines Q-Schalters in den Laserresonator 20 zwischen Öffnung 22 und Spiegel 19 Impulse von 20 Nanosekunden mit 160 Millijoule pro Impuls.
In den Abbildungen 2 - 9 sind mehrere verschiedene praktische Ausführungsformen gemäß der Erfindung gezeigt, welche Variationen in optischen Bauelementen und Anordnungen des Resonators und Strahlenganges veranschaulichen, die nunmehr beschrieben werden. Gleiche Ziffern beziehen sich auf gleiche Teile der vorhergehenden Abbildungen.
Um nunmehr auf Abbildung 2 Bezug zu nehmen, so wird dort eine alternative praktische Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die so konfiguriert ist, daß zwei separate Polarisationselemente 52 und 54 das Polarisationselement 31 von Abbildung 1 ersetzen. In dieser Anordnung wird ein Strahl außerhalb des Laserresonators 36 durch das Polarisationselement 52 (das ein erstes Auskoppelmittel darstellt) ausgekoppelt, während das Polarisationselement 54 (das ein zweites Auskoppelmittel darstellt) den Ausgangsstrahl 42 auskoppelt.
Abbildung 3 veranschaulicht eine weitere alternative praktische Ausführungsform der Erfindung, die so konfiguriert ist, daß der Strahlengang 26 abgewandelt und zwischen den Polarisationselementen 52 und 58 geknickt ist. Das Polarisationselement 52 stellt ein erstes Auskoppelmittel dar, und das Polarisationselement 58 stellt ein Einführungsmittel dar, welches den aufgeweiteten Strahl zu dem aktiven Medium 17 zurücklenkt, in dem er verstärkt wird. Nach der Verstärkung wird er sodann durch das Polarisationselement 59 (das ein zweites Auskoppelmittel darstellt) als Ausgangsstrahl 42 ausgekoppelt.
Abbildung 4 veranschaulicht eine weitere alternative praktische Ausführungsform der Erfindung, die so konfiguriert ist, daß ein p-polarisierter Ausgangsstrahl 36' durch einen teildurchlässigen Spiegel 62, der anstelle des Umlenkspiegels 18 vorgesehen ist, vom Resonator 20 ausgekoppelt wird. Ein zusätzlicher Spiegel zur Knickung des Strahlengangs 63 vervollständigt den Strahlengang 26. In dieser Anordnung ist es nicht nötig, ein Phasenplättchen innerhalb des Resonators 20 anzubringen. Stattdessen wird ein Halbwellenlängenplättchen 64 (das ein Polarisations-Rotationsmittel darstellt) auf beiden Seiten des Strahlaufweiters 25 im Strahlengang 26 angebracht, um die p-Polarisation des Strahls außerhalb des Laserresonators 36' in einen s-polarisierten, aufgeweiteten Strahl 61 umzuwandeln, der nach der Verstärkung als Ausgangsstrahl 42 ausgekoppelt wird.
In einer alternativen Anordnung dieser praktischen Ausführungsform wird das Halbwellenlängenplättchen 64 innerhalb des optischen Resonators neben dem teildurchlässigen Spiegel 62 positioniert. Der Strahl innerhalb des Laserresonators 24 geht durch das Halbwellenlängenplättchen 64 und wird dadurch s-polarisiert und wird mit dieser Polarisation durch den teildurchlässigen Spiegel 62 als Strahl außerhalb des Laserresonators 36' durchgelassen. Eine Komponente des s-polarisierten Strahls innerhalb des Laserresonators 24 wird durch den teildurchlässigen Spiegel 62 reflektiert und wird auf p-Polarisation zurückgebracht, nachdem sie ein zweites Mal durch das Halbwellenlängenplättchen 64 hindurchgegangen ist. Somit bleibt der Teil des Strahls innerhalb des Laserresonators 24, der den Oszillatorabschnitt 23 bildet, p-polarisiert.
Abbildung 5 veranschaulicht eine weitere praktische Ausführungsform ähnlich der in Abbildung 4 gezeigten, außer daß sphärische Spiegel 65 und 66 die Spiegel 62 und 19 ersetzen. Der Spiegel 65 ist eine kleine Konvexausführung und der Spiegel 66 eine große Konkavausführung, und zusammen umgrenzen sie einen beugungsgekoppelten unstabilen Resonator 67 mit einer Achse 68 - eine Konfiguration ähnlich derjenigen, die zuvor in Verbindung mit dem Stand der Technik durch Herbst beschrieben wurde. In dieser Konfiguration ist es nicht erforderlich, eine Öffnung in dem Resonator 67 vorzusehen, da der erzeugte Strahl außerhalb des Laserresonators 69 nahezu beugungsbegrenzt ist. Als Folge der Beugungsauskopplung hat der Strahl außerhalb des Laserresonators 69 einen ringförmigen Querschnitt. Der aufgeweitete Strahl 70 ist ebenfalls ringförmig, so daß er mit dem unbenutzten äußeren Teil 40 des aktiven Mediums 17 genau zusammengepaßt werden kann, um optimale Leistungsfähigkeit des Lasersystems bereitzustellen.
In der in Abbildung 1 dargestellten bevorzugten praktischen Ausführungsform ist der Strahlaufweiter 25 außerhalb des Resonators 20 vorgesehen. In einer abgewandelten Anordnung kann der Strahlaufweiter 25 gemäß Darstellung in Abbildung 6 innerhalb des Resonators 20 angebracht werden. Auf der Seite des Strahlaufweiters 25 neben dem aktiven Medium 17 ist der Abschnitt 24 des Strahls innerhalb des Laserresonators verengt, während auf der anderen Seite des Strahlaufweiters 25 der Abschnitt 71 des Strahls innerhalb des Laserresonators aufgeweitet ist. Das Phasenplättchen 34 wandelt einen Teil des aufgeweiteten Balkens 71 auf s-Polarisation um, und dieser Teil wird sodann aus dem Resonator 20 als Strahl außerhalb des Laserresonators 72 ausgekoppelt, der über den Strahlengang 26 und das Polarisationselement 32 zur Verstärkung zum aktiven Medium 17 zurückgelenkt wird. Beim Hindurchgehen durch das aktive Medium 17 wird der verstärkte Strahl aufgeweitet und als Ausgangsstrahl 74 durch das Polarisationselement 31 ausgekoppelt. Diese Konfiguration bietet den Vorteil einer reduzierten Intensität im Bereich des Resonators 20, wo der aufgeweitete Strahl 71 einen großen Querschnitt hat, was in Lasern nützlich ist, die optische Elemente mit niedriger Schadensschwelle haben wie z.B. ein Q-schaltender Kristall oder ein Beugungsgitter.
Abbildung 7 veranschaulicht eine alternative praktische Ausführungsform der Erfindung auf der Grundlage der Konfiguration von Abbildung 6, in der der Resonator 20 durch Benutzung von zwei Spiegeln zur Knickung des Strahlengangs 86 und 88 geknickt wird. Alternativ kann ein Knickprisma benutzt werden. Diese Konfiguration bietet den Vorteil der Kompaktheit. Das Konzept des Knickresonators läßt sich auf die anderen, in den Abbildungen 1 - 5 gezeigten praktischen Ausführungsformen anwenden.
Anhand der vorstehenden Beschreibung versteht es sich, daß der Strahlengang 26 des Strahls außerhalb des Laserresonators 36 und die Resonatorachse 21 an jedem Punkt eine geschlossene Schleife bildet, an dem der Strahlaufweiter 25 positioniert werden kann, um die gewünschte Strahlaufweitung zu erhalten.
Abbildung 8 veranschaulicht einen Strahlaufweiter 100 als eine alternative praktische Ausführungsform des Strahlaufweiters 25 der vorhergehenden Abbildungen. Die Linsen des Strahlaufweiters 25 werden durch gewölbte Spiegel 101 und 102 ersetzt.
Abbildung 9 veranschaulicht einen "Axicon Strahlaufweiter" 104, der in einer verbesserten alternativen praktischen Ausführungsform der Erfindung anstatt des herkömmlichen Strahlaufweiters 25 benutzt werden kann. Dieser Strahlaufweiter 104 wird durch ein Paar optischer Elemente 105 und 106, jedes mit einer als "Axicon" bezeichneten konischen Form, gebildet. Der auf die erste Axicon auffallende enge Strahl 107 wird auf einen Strahl 108 mit einem ringförmigen Querschnitt aufgeweitet, der mit dem ungenutzten Bereich entsprechend dem äußeren Teil 40 des aktiven Mediums 17 gemäß Abbildung 1 genau zusammenpaßt. Auf diese Weise läßt sich ein verbesserter Wirkungsgrad erzielen.
Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Lasersystem bereitgestellt, in dem ein Ausgangsstrahl mit hoher Leistung und geringer Divergenz durch Ausnutzung des gesamten Volumens eines aktiven Mediums durch Benutzung eines Strahlaufweiters in einer Strahlengang-Konfiguration erzeugt wird, die konzipiert wurde, um Verluste auf ein Minimum zu beschränken.

Claims

1. Ein Lasergerät einschließlich eines Laseroszillators mit geringer Divergenz von der Art, in der ein Strahl innerhalb des Laserresonators (24, 71) innerhalb eines optischen Resonators (20) entlang einer Resonatorachse (21) und innerhalb eines Oszillatorabschnitts (23) des Volumens eines aktiven Mediums (17) ausgebreitet wird, und in der ein Teil der Intensität des besagten Strahls für den Laserresonator (24, 71) durch ein erstes Auskoppelmittel (31, 52, 69, 65) als Strahl außerhalb des Laserresonators (36, 36', 69, 72) aus dem Oszillator ausgekoppelt wird und sich entlang eines Strahlenganges (26) außerhalb des besagten optischen Resonators (20) ausbreitet, bestehend aus:

einem innerhalb des besagten optischen Resonators und in dem besagten Strahlengang (26) positionierten Einführungsmittel (32, 58) zum Lenken des besagten Strahls außerhalb des Laserresonators (36, 36', 69, 72) in das besagte aktive Medium (17) als wiedereingeführten Strahl (39), so daß durch den besagten Strahlengang (26) und die besagte Resonatorachse (21) eine geschlossene Schleife gebildet wird;

einem zweiten Auskoppelmittel (31, 54, 42), das innerhalb des besagten optischen Resonators (20) positioniert ist, um den besagten wiedereingeführten Strahl (39) nach der Verstärkung in dem besagten aktiven Medium (17) als Ausgangsstrahl (42, 74) aus dem besagten Lasergerät herauszuziehen, und

einem Aufweitungsmittel (25, 100, 104), das innerhalb der besagten geschlossenen Schleife positioniert ist, um den darin befindlichen Strahl so aufzuweiten, daß die Querschnittsfläche des besagten wiedereingeführten Strahls (39) bei Eintritt in das besagte aktive Medium (17) wesentlich größer ist als die des besagten Oszillatorabschnitts (23),

wobei die Anordnung so ist, daß der besagte Strahl innerhalb des Laserresonators (24, 71) und der besagte wiedereingeführte Strahl (39), die sich entlang dem besagten aktiven Medium (17) ausbreiten, in im wesentlichen orthogonal zueinander liegenden Ebenen linear polarisiert sind.

2. Ein Lasergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Einführungsmittel (32, 58) ein Polarisationselement (32, 58) einbezieht.

3. Ein Lasergerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte zweite Auskoppelmittel (31, 42, 54) ein Polarisationselement (31, 42, 54) einbezieht.

4. Ein Lasergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des besagten wiedereingeführten Strahls (39) im wesentlichen gleich der des besagten aktiven Mediums (17) ist.

5. Ein Lasergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Laseroszillator ein Öffnungsabgrenzungsmittel (22) einbezieht, um die Querschnittsfläche des besagten Oszillatorabschnitts (23) des aktiven Mediums (17) zu bestimmen.

6. Ein Lasergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der besagte Oszillatorabschnitt (23) um einen innersten Längsabschnitt des besagten aktiven Mediums (17) befindet.

7. Ein Lasergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte aktive Medium (17) ein Festkörper-Lasermaterial ist.

8. Ein Lasergerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Festkörper-Lasermaterial ein Neodym-YAC Kristall ist.

9. Ein Lasergerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Festkörper-Lasermaterial in Form eines zylindrischen Stabes vorgesehen ist.

10. Ein Lasergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Auskoppelmittel (52) ein drittes Polarisationselement (52) einbezieht.

11. Ein Lasergerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Laseroszillator ein Phasenplättchen (34) einbezieht, welches das Auskopplungsverhältnis des besagten ersten Auskoppelmittels (52) bestimmt.

12. Ein Lasergerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte erste Auskoppelmittel (31, 52) und zweite Auskoppelmittel (31, 54) durch ein Einzelelement (31) gebildet sind.

13. Ein Lasergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Auskoppelmittel (62) einen teildurchlässigen Spiegel (62) einbezieht, und daß ein Polarisations-Rotationsmittel (64) vorgesehen ist, um eine Polarisationsebene des besagten Strahls außerhalb des besagten Laserresonators (36' ) zu drehen.

14. Ein Lasergerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Polarisations-Rotationsmittel (64) ein Halbwellenplättchen (64) ist.

15. Ein Lasergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Laseroszillator einen geknickten Resonator einbezieht.

16. Ein Lasergerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte erste Auskoppelmittel (31, 52) und das besagte Einführungsmittel (32, 58) aus einem Paar benachbarter Polarisationselemente besteht.

17. Ein Lasergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das besagte Strahlaufweitungsmittel (25, 100, 104) in dem besagten Strahlengang (26) außerhalb des besagten Laseroszillators befindet.

18. Ein Lasergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich das besagte Strahlaufweitungsmittel (25, 100, 104) innerhalb des optischen Resonators zwischen dem besagten Einführungsmittel (32, 58) und dem besagten ersten Auskoppelmittel (31, 62, 65) befindet.

19. Ein Lasergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Strahlaufweitungsmittel (25) Linsen (29, 30) einbezieht.

20. Ein Lasergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Strahlaufweitungsmittel (100) nichtplanare Spiegel (101, 102) einbezieht.

21. Ein Lasergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Strahlaufweitungsmittel (104) "Axicon" Elemente (105, 106) einbezieht.

22. Ein Lasergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Laseroszillator einen unstabilen Resonator einbezieht.

23. Ein Lasergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Laserosziliator ein Q- geschalteter Oszillator ist.

24. Ein Lasergerät nach einem der Ansprüche 3 bis 23, wenn abhängig von den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Polarisationselemente (31, 52, 32, 31, 54) durch Polarisations-Strahlenteilungswürfel gebildet werden.

25. Ein Lasergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Strahl innerhalb des Laserresonators (24, 71) p-polarisiert, und der besagte wiedereingeführte Strahl (39) s-polarisiert ist.

26. Ein Lasergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Strahl innerhalb des Laserresonators (24, 71) s-polarisiert, und der besagte wiedereingeführte Strahl (39) p-polarisiert ist.