DE3879547T2

DE3879547T2 - Laser-apparat.

Info

Publication number: DE3879547T2
Application number: DE8888108902T
Authority: DE
Inventors: Kazuki Mitsubishi Denki K Kuba; Masaki Mitsubishi Den Kuzumoto; Yasuhiko Mitsubishi Denki Myoi; Masaaki Mitsubishi Denk Tanaka; Shigenori Mitsubishi Denk Yagi; Koji Mitsubishi Denki Ka Yasui
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-06-03
Filing date: 1988-06-03
Publication date: 1993-09-23
Anticipated expiration: 2008-06-04
Also published as: KR890001229A; EP0293907A1; KR910008990B1; US4903271A; DE3879547D1; EP0293907B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laservorrichtung und insbesondere eine Laservorrichtung, die einen Laserstrahl mit hoher Energie und von hoher Qualität erzeugen kann.
Fig. 49 zeigt einen Querschnitt eines Beispiels einer herkömmlichen Laservorrichtung, wie beispielsweise in Hamazaki "Practical Laser Machinings", 1986, Tech Publishing Co. gezeigt. In Fig. 49 bezeichnet ein Bezugszeichen 1 eine konvexe Laserausgangs-Spiegelmatrix mit einer vollständig reflektierenden Beschichtung 40 auf einem Mittenabschnitt ihrer inneren Oberfläche, eine kreisförmige nicht reflektierende Beschichtung 2 auf einer Außenseite der vollständig reflektierenden Beschichtung 40 und eine nichtreflektierende Beschichtung 2 auf ihrer äußeren Oberfläche. Ein Bezugszeichen 6 bezeichnet einen konkaven Kollimationsspiegel und 7 ein Laermedium, zum Beispiel ein CO&sub2;-Gas, das beispielsweise durch eine elektrische Entladung angeregt werden soll oder ein Glasmaterial, das beispielsweise durch ein Blitzlicht angeregt werden soll, wenn die Laservorrichtung vom Festkörper-Typ ist. Bezugszeichen 8 und 9 bezeichnen Laserstrahlen, die in einem aus den Spiegeln gebildeten instabilen Resonator erzeugt werden, wobei ein Äusgangslaserstrahl mit einem Bezugzszeichen 10 angezeigt wird.
Der vollständig reflektierte und durch die vollständig reflektierende Beschichtung 40 auf der inneren Oberfläche des Ausgangsspiegels vergrößerte Laserstrahl 8 wird durch den Kollimationsspiegel 6 in einen parallelen Laserstrahl 9 kollimiert, wahrend er durch das Lasermedium 7 verstärkt wird und ein kreisförmiger, wie ein Ring geformter Laserstrahl 10 wird von einem äußeren Abschnitt der vollständig reflektierenden Beschichtung 40 als ein Ausgangsstrahl abgegeben, der ein wie in Fig. 50a gezeigtes Verteilungsmuster und eine im wesentlichen gleichförmige Phase besitzt und ein durch die Beschichtung 40 entfernter Teil des Laserstrahls wird in den Resonator zurückreflektiert, in dem er hin- und herläuft, während er verstärkt wird.
Um einen derartigen ringförmigen Ausgangslaserstrahl zur Laserbearbeitung zu verwenden, ist es erforderlich, ihn durch ein Linsensystem zu konzentrieren. In einem derartigen Fall ist es jedoch, wie in Fig. 50b gezeigt, äußerst schwierig, ihn ohne Seitenmaxima aufgrund eines Beugungseffekts eines Laserrings zu konzentrieren. Die Größe der Seitenmaxima ergibt sich durch den Vergrößerungsfaktor M, der das Verhältnis eines äußeren Durchmessers zu einem inneren Durchmesser des Rings ist, wobei der größere M-Wert die bessere Konzentration bewirkt. Deshalb kann das Seitenmaximum durch Herabsetzung eines äußeren Durchmessers der vollständig reflektierenden Beschichtung 40 minimiert werden. In einem derartigen Fall wird jedoch ein beträchtlicher Anteil von Laserenergie bei jedem Hin- und Herlaufen eines Strahls in dem Resonator abgegeben, welches eine Verschlechterung einer Kopplungsrate des Resonators und eine Verschlechterung einer Oszillationseffizienz zur Folge hat. Deswegen ist die obere Grenze des industriell verwendbaren M-Wertes höchstens ungefahr 2.
Da die teilweise reflektierende Spiegelmatrix 1 durch den ringförmigen Ausgangsstrahl ungleichmäßig erwärmt wird, wird die Matrix 1 außerdem einer ungleichmäßigen internen thermischen Spannung ausgesetzt, welches bewirkt, daß eine Phasenverteilung des Ausgangsstrahls durcheinander gebracht wird.
Wenn es wünschenswert ist, einen Laserstrahl mit einem höheren Ausgang zu erhalten, besteht außerdem eine beträchtliche Möglichkeit einer Beschädigung der vollständig reflektierenden Beschichtung 40, da die Strahlintensität in einem Mittenabschnitt des Resonators hoch wird.
Im Falle der Festkörper-Lasereinrichtung existieren verschiedene Phasenverteilungen in dem Laserstrahl, der in dem Resonator hin- und herläuft. Unter anderem nimmt man an, daß sich der sogenannte TEM&sub0;&sub0;-Modenstrahl zur Verwendung bei einer Laserbearbeitung eignet. Jedoch besitzt der Laserstrahl mit einem TEM&sub0;&sub0;-Mode einen kleinen Divergenzwinkel und im Vergleich zu den anderen ist sein Querschnitt am kleinsten. Um diesen Mode zu wählen, ist es deshalb erforderlich, ein Blendenelement mit einer kleinen Öffnung in einem optischen Weg anzuordnen. Für den Fall eines YAG-Lasers, bei dem Krümmungsradien des vollständig reflektierenden Spiegels 6 bzw. des Ausgangsspiegels 1 20 m sind und eine optische Entfernung dazwischen 1 m ist, ist beispielsweise ein Durchmesser einers TEM00-Laserstrahls in dem Resonator 1,8 mm, da eine Wellenlänge des Lasers 1,06 um ist. Das bedeutet, daß die Laserbearbeitung mit einer geringen Energie durchgeführt werden muß, die aus einem derartigen Laserstrahl mit kleinem Durchmesser erhalten werden kann. Um eine Energie abzuleiten, die zur Ausführung einer gewünschten Bearbeitung groß genug ist, ist es erforderlich, eine Lichtintensität innerhalb des festen Mediums zu erhöhen, welches bewirkt, daß dieses verzerrt wird. Somit wird die Strahlqualität verschlechtert und in einigen Fällen wird ein Multimode erzeugt. Somit war die maximale Ausgangsenergie der herkömmlichen Festkörper-Lasereinrichtung höchstens 10 W bis 20 W.
EP-A-0 271 809 (eine Referenz lediglich bezüglich Artikel 54(3)) offenbart eine Laservorrichtung umfassend einen Resonator mit einem vollständig reflektierenden Spiegel und einem konvexen teilweise reflektierenden Spiegel, einem zwischen dem vollständig reflektierenden Spiegel und dem konvexen teilweise reflektierenden Spiegel angeordnetes Lasermedium, eine Anregungseinrichtung zum Anregen des Lasermediums und einen Phasenregler zum Regeln einer Phase eines Ausgangslaserstrahls, der durch den konvexen teilweise reflektierenden Spiegel abgenommen wird, wobei der Phasenregler einen konvexen teilweise reflektierenden Abschnitt umfaßt, der auf einem Mittenabschnitt einer Matrix des konvexen teilweise reflektierenden Spiegels gebildet ist und einen Abschnitt, der um den konvexen teilweise reflektierenden Abschnitt herum gebildet ist und eine geringere Reflexion besitzt wie diejenige des konvexen teilweise reflektierenden Abschnittes, wobei die Dicke des Abschnittes mit niedrigerer Reflexion sich von der Dicke des konvexen teilweise reflektierenden Abschnittes so unterscheidet, daß im wesentlichen zwischen Laserstrahlen, die durch den konvexen teilweise reflektierenden Abschnitt und den Abschnitt mit niedrigerer Reflexion durchgehen, im wesentlichen keine Phasendifferenz entsteht und eine dünne Schicht auf dem Mittenabschnitt des konvexen Spiegels, oder auf dem ringförmigen Abschnitt des konvexen Spiegels außerhalb seines Mittenabschnittes, um einen abgestuften Abschnitt herzustellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laservorrichtung zu schaffen, die einen Laserausgangsspiegel besitzt, der sich zur Erzeugung eines kohärenten Laserstrahls eignet, der auf einen ausgefüllten Querschnitt leicht konzentriert ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laservorrichtung zu schaffen, die einen Laserstrahl von hoher Qualität und mit hoher Ausgangsleistung erzeugt, der einen großen Querschnitt aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laservorrichtung zu schaffen, die einen Laserstrahl von hoher Qualität ohne eine Verschlechterung einer Oszillationseffizienz davon erzeugen kann.
Die obige Aufgabe wird entsprechend der vorliegenden Erfindung durch eine Laservorrichtung gelöst, die folgende Merkmale umfaßt: einen Resonator mit einem vollständig reflektierenden Spiegel und einem teilweise reflektierenden Spiegel, ein zwischen dem vollständig reflektierenden Spiegel und dem teilweise reflektierenden Spiegel angeordnetes Lasermedium, eine Anregungseinrichtung zum Anregen des Lasermediums und einen Phasenregler zum Regeln einer Phase eines durch den teilweise reflektierenden Spiegel entnommenen Ausgangslaserstrahl, wobei der Phasenregler einen auf einem Mittenabschnitt einer Matrix des teilweise reflektierenden Spiegels gebildeten teilweise reflektierenden Abschnitt und einen Abschnitt umfaßt, der um den teilweise reflektierenden Abschnitt gebildet ist und eine niedrigere Reflexion besitzt als diejenige des teilweise reflektierenden Abschnitts, wobei sich die Dicke des Abschnittes mit niedrigerer Reflexion von der Dicke des teilweise reflektierenden Abschnittes derart unterscheidet, daß zwischen Laserstrahlen, die durch den teilweise reflektierenden Abschnitt und den Abschnitt mit niedrigerer Reflexion gehen, im wesentlichen keine Phasendifferenz entsteht, und eine dünne Membran, die einen Brechungsindex aufweist, der im wesentlichen demjenigen der Matrix gleicht und die auf der Matrix vorgesehen ist, wobei die Dicke der dünnen Membran geregelt wird, um die Dickendifferenz vorzusehen.
Der Laserausgangsspiegel ermöglicht, daß ein Teil des Ausgangslaserstrahls durch den Mittenabschnitt so hindurchtritt, daß der Querschnitt des sich ergebenden Ausgangslaserstrahls ausgefüllt wird. Die sich zwischen der Spiegelmatrix und der Beschichtung befindliche dünne Membran regelt eine Phase des sich ergebenden Ausgangslaserstrahls, um eine günstige Konzentration eines Ausgangslaserstrahls zu erreichen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zeigen, wie diese umgesetzt werden kann, wird im folgenden beispielhaft auf die bei liegenden Zeichnungen Bezug genommen.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt einer Laservorrichtung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2a und 2b Kennlinien von Laserstrahlen, die durch die vorliegende Erfindung erhalten werden;
Fig. 3 bis 5 Querschnitte von Laserausgangsspiegeln entsprechend anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 Zusammenhange von Phasendifferenz zu Fleckdurchmesser und zur Energiekonzentration eines Ausgangslaserstrahls, der durch die vorliegende Erfindung erhalten wird;
Fig. 7 Zusammenhänge von Beschichtungsdicke zu Permeabilität und zur phasendifferenz eines durch die vorliegende Erfindung erhaltenen Ausgangslaserstrahls;
Fig. 8 einen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispieles einer Laservorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 und 10 Querschnitte von anderen Ausführungsbeispielen des Ausgangsspiegels entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 einen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 bzw. 13 Querschnitte von anderen Ausführungsbeispielen des Ausgangsspiegels entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 14 bis 19 jeweils Querschnitte von anderen Ausführungsbeispielen;
Fig. 20 und 21 Querschnitte von anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 22 bis 23, 25 bis 26, 28 bis 32 und 34 bis 41 jeweils Querschnitte von anderen Ausführungsbeispielen;
Fig. 24, 27 und 33 Querschnitte von anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 42 einen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 43 einen schematischen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 44a und 44b die Gleichmäßigkeit einer Phase eines Ausgangslaserstrahls, der durch die vorliegende Erfindung erhalten wird;
Fig. 45 bis 47 andere Ausführungsbeispiele eines Phasenreglers;
Fig. 48 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Phasenreglers entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 49 einen Querschnitt einer herkömmlichen Laservorrichtung; und
Fig. 50a und 50b Ausgangsstrahlverteilungen, die durch die herkömmliche in Fig. 49 gezeigte Vorrichtung erhalten werden.
Die Ausführungsbeispiele von Fig. 15 bis 19, 22 bis 23, 25 bis 26, 28 bis 32 und 34 bis 41 sind lediglich zum Zwecke einer Erläuterung vorgesehen und stellen die vorliegende Erfindung nicht dar.
In Fig. 1 bezeichnet ein Bezugszeichen 1 eine konvexe Laserausgangs-Spiegelmatrix, wie beispiels ZnSe. Die Spiegelmatrix 1 besitzt nicht reflektierende Beschichtungen 2, von denen jede eine einzelne PbF&sub2;-Schicht auf einem kreisförmigen Abschnitt einer inneren Oberfläche bzw. auf einer äußeren Oberfläche sein kann. Ein Mittenabschnitt der inneren Oberfläche der Spiegelmatrix 1 innerhalb der ringförmigen Beschichtung 2 ist durch eine teilweise reflektierende Beschichtung 4 abgedeckt, die eine Vielfachschicht aus beispielsweise ZnSe und ThF&sub4; usw. sein kann. Ein Bezugszeichen 5 bezeichnet eine dünne Membran, die den gleichen Brechungsindex wie derjenige der Spiegelmatrix 1 besitzt und beispielsweise aus ZnSe besteht, das zwischen der Spiegelmatrix 1 und den Beschichtungen 2 und 4 auf der inneren Oberfläche der Matrix 1 angeordnet ist, 6 einen konkaven Kolllimationsspiegel und 7 ein Lasermedium, beispielsweise für einen CO&sub2;-Gaslaser aus Gas, das durch eine elektrische Entladung angeregt werden soll oder für einen Festkörperlaser aus einem Glasmaterial, das durch ein Blitzlicht erregt werden soll.
Bezugszeichen 8 und 9 bezeichnen Laserstrahlen, die in einem instabilen Resonator erzeugt werden, der aus dem Ausgangsspiegel und dem Kollimationsspiegel 6 gebildet ist, 10 einen Ausgangslaserstrahl, der von dem Resonator entnommen wird und 100 einen Rahmen der Laservorrichtung.
Im Betrieb wird der durch die teilweise reflektierende Beschichtung 4 auf der inneren Oberfläche des Ausgangsspiegels teilweise reflektierte und vergrößerte Laserstrahl 8 durch den Kollimationsspiegel 6 in den parallelen Strahl 9 umgewandelt, während er durch das Lasermedium 7 verstärkt wird. Ein Mittenabschnitt des parallelen Strahls 9 wird durch die teilweise reflektierende Beschichtung 4 abgegeben und sein übriger ringförmiger Abschnitt wird durch die nichtreflektierende Beschichtung 2 abgegeben. Diese zwei Laserteile werden kombiniert, um einen Ausgangslaserstrahl 10 zu bilden. Da ein Querschnitt des Ausgangslaserstrahls 10 ausgefüllt ist, wird dessen Konzentration erleichtert. Um eine günstigere Konzentration zu erreichen, ist es erforderlich, daß die Kohärenz des Ausgangsstrahls hoch ist. Um dieses zu realisieren, ist es ausreichend, eine Phasendifferenz zwischen den durch die jeweiligen Beschichtungen 2 und 4 hindurchtretenden Laserteilen zu beseitigen, da der in dem instabilen Resonator erzeugte Laserstrahl 9 äußerst kohärent ist. Da sich die Beschichtungen 2 und 4 in der Reflektivität und im Aufbau voneinander unterscheiden, tritt jedoch gewöhnlicherweise eine Phasendifferenz zwischen Laserstrahlen auf, die durch die jeweiligen Beschichtungen hindurchtreten. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine derartige Phasendifferenz durch die zwischen der Spiegelmatrix 1 und den Beschichtungen 2 und 4 vorgesehene Membran 5 beseitigt. Die dünne Beschichtung 5 besitzt den gleichen Brechungsindex wie derjenige der Spiegelmatrix 1 und eine verteilte Dicke. Unter der Annahme, daß die Phase des durch die teilweise reflektierende Beschichtung 4 hindurchtretenden Laserstrahls derjenigen des durch die nichtreflektierende Beschichtung 2 hindurchtretenden Laserstrahls um δ vorausläuft, wird die Dicke der dünnen Membran 5 unterhalb der Beschichtung 2 um
d = (n - 1) /λ . δ/ 360,
dicker eingestellt als diejenige unterhalb der Beschichtung 4, worin λ die Wellenlänge des Strahls ist und n ein Brechungsindex der dünnen Membran 5.
In einer schematischen Darstellung zeigt Fig. 2a eine Verteilung eines Ausgangslaserstrahls, der mit einem CO&sub2;-Gaslaser erhalten wird, der den vorliegenden Laserausgangsspiegel besitzt und eine günstige Kohärenz aufweist und Fig. 2b zeigt ein Strahlmuster, das durch Konzentrieren des Ausgangslaserstrahls erhalten wird. Wie in den Fig. 2a und 2b gezeigt, besitzt der sich ergebende Ausgangslaserstrahl im wesentlichen keine Seitenmaxima und ist gut konzentriert.
Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Ausgangsspiegels entsprechend der vorliegenden Erfindung. In Fig. 3 befindet sich eine dünne Membran 5 ähnlich zu der dünnen Membran 5 in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel zwischen einer Spiegelmatrix 1 und einer Beschichtung 2 auf einer äußeren Oberfläche der Matrix 1.
Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem sich eine dünne Membran 5 zwischen einer ringförmigen Beschichtung 2 auf einer inneren Oberfläche einer Spiegelmatrix 1 und der letzteren befindet. Außerdem befindet sich in einem anderen in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel eine dünne Membran 5 zwischen einer Spiegelmatrix 1 und einer Beschichtung 4 auf einem Mittenabschnitt einer inneren Oberfläche der Spiegelmatrix 1.
Fig. 6 zeigt Kurven A und B, die einen Zusammenhang zwischen einem Durchmesser eines konzentrierten Lichtflecks an einem Punkt, an dem eine Lichtintensität 1/e² wird und einer Phasendifferenz bzw. einen Zusammenhang zwischen einem Verhältnis (Energiekonzentration) einer Laserenergie zu einer Gesamtlaserenergie und einer Phasendifferenz zeigen, und Fig. 7 zeigt Zusammenhänge C und D einer Strahlpermeabilität und Phasendifferenz bezüglich der Dicke der Beschichtung 2 auf der inneren Oberfläche der Matrix 1 in dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel, wenn die Reflexion der teilweise reflektierenden Beschichtung 4 50% ist und ein Verhältnis eines Durchmessers des Ausgangsstrahls zu demjenigen der Beschichtung 4 1,5 ist. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, ist der Fleckdurchmesser klein und somit die Energiekonzentration hoch, wenn die Phasendifferenz auf kleiner als 45º beschränkt wird, während der Fleckdurchmesser vergrößert ist und somit die Energiekonzentration verschlechtert wird, wenn die Differenz grdßer als 100º ist. Außerdem zeigt Fig. 7 die Kurven, die erhalten werden, wenn die Beschichtung 5 aus PbF&sub2; (Brechnungsindex: 1,55) auf der Spiegelmatrix 1 aus ZnSe mit einer Dicke von 1,7 um gebildet ist und die teilweise reflektierende Beschichtung 4 aus pbF&sub2; auf dem Mittenabschnitt mit einer Dicke von 2,7 um gebildet ist. Wie dargestellt, ist die Dicke auf der inneren Beschichtung 2 aus ZnSe ungefähr 6,5 um, um den gewünschten Fleckdurchmesser und somit die oben erwähnte Energiekonzentration zu erhalten, die erhalten werden kann, wenn die Permeabilität ungefähr 100% und die Phasendifferenz geringer als 45º ist.
Eine Oberflächenrauhigkeit der inneren Beschichtung 2, die eine Dicke wie oben beschrieben besitzt, kann ziemlich groß sein, wenn sie industriell gefertigt wird.
Da jedoch der durch die innere Beschichtung 2 hindurchtretende Laserstrahl nicht zur Resonanz beiträgt, kann ein Effekt der Oberflächenrauhigkeit der inneren Beschichtung 2 auf eine Laseroszillation vernachlässigt werden.
Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die vorliegende Erfindung auf einen Resonator eines stabilen Typs angewendet wird, der eine konkave Laserausgangs-Spiegelmatrix 11 besitzt. In diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, einen Gauss'schen Moden-Strahl effizient zu erzeugen, wenn eine Reflexion einer ringförmigen Beschichtung 3 auf einer inneren Oberfläche des Spiegels 11 kleiner ist als diejenige der teilweise reflektierenden Beschichtung 4 auf einem Mittenabschnitt der Oberfläche.
Fig. 9 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem eine nichtreflektierende Beschichtung 2 auf einer äußeren Oberfläche einer Spiegelmatrix 1 aus einer Schichtung von Beschichtung 2a und 2b besteht und eine nichtreflektierende ringförmige Beschichtung 2 auf einer inneren Oberfläche der Spiegelmatrix 1 aus einer Schichtung aus Beschichtungen 2a, 2b und 2c besteht.
In Fig. 10, die ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, besteht eine nichtreflektierende Beschichtung 2 auf einer äußeren Oberfläche einer Spiegelmatrix 1 aus einer einzeln geschichteten Beschichtung 2, während eine nichtreflektierende kreisförmige Beschichtung 2 auf einer inneren Oberfläche der Matrix 1 aus einer Schichtung von Beschichtungen 2a, 2b und 2c wie in dem in Fig. 9 gezeigten Fall besteht.
Fig. 14 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Ausgangsspiegel wie im Falle des Ausführungsbeispiels in Fig. 8 mit einer konkaven Matrix 1 versehen ist, außer der Tatsache, daß eine Beschichtung 22 zum Regeln einer relativen Dicke einer teilweise reflektierenden Beschichtung 4 zu einer nichtreflektierenden Beschichtung 2 auf einer inneren Oberfläche des Spiegels 1 auf der teilweise reflektierenden Beschichtung 4 vorgesehen ist.
Fig. 12 bis 14 zeigen jeweils andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. In Fig. 12 wird eine Beschichtung 22 zur Dickenregelung auf einer doppelt geschichteten mittleren teilweise reflektierenden Beschichtung 4, 4' gebildet.
In dem Ausführungsbeispiel in Fig. 13 ist auf einer teilweise reflektierenden Beschichtung 4 eine Vielfachschicht-Beschichtung 2 zur Dickenregelung vorgesehen. In Fig. 11 ist eine Dickenregelungs-Beschichtung 22 auf einer teilweise reflektierenden Beschichtung 4 vorgesehen, die auf einer nichtreflektierenden Beschichtung 2 auf einer inneren Oberfläche einer konvexen Spiegelmatrix 1 gebildet ist.
Diese Vielfachschicht-Beschichtungen zur Dickenregelung erleichtern eine Dickenregelung der teilweise reflektierenden Beschichtung 4 relativ zu der umgebenden nichtreflektierenden Beschichtung 2.
Fig. 15 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem eine teilweise reflektierende Beschichtung 4, die auf einem Mittenabschnitt einer konvexen Ausgangsspiegelmatrix 1 vorgesehen ist, dünner gemacht wird als eine nichtreflektierende Beschichtung 2, die um die teilweise reflektierende Beschichtung 4 vorgesehen ist.
Fig. 20, 21 und 24 zeigen jeweils andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und Fig. 16 bis 19 und 22 bis 23 zeigen andere Ausführungsbeispiele, die sich dafür eignen, eine Phasendifferenz von mehr als 100º zwischen Strahlanteilen, die durch eine nichtreflektierende Beschichtung und eine teilweise reflektierende Beschichtung eines Ausgangsspiegels treten zu kompensieren. In Fig. 16 ist ein Mittenabschnitt einer inneren Oberfläche einer konvexen Spiegelmatrix 1 durch eine teilweise reflektierende Beschichtung 4 abgedeckt und der übrige Abschnitt der inneren Oberfläche ist durch eine dickere nichtreflektierende Beschichtung 2 abgedeckt. Eine äußere Oberfläche der Matrix 1 ist durch eine nichtreflektierende Beschichtung 2 abgedeckt.
In Fig. 17 ist eine reflektierende Membran 10 in Form einer dünnen Metallschicht mit dem gleichen Muster wie das einer teilweise reflektierenden Beschichtung 4 auf einer inneren Oberfläche einer Spiegelmatrix 1, deren Dicke so bestimmt wird, daß dadurch eine Phasendifferenz von mehr als 100º zwischen Licht, das durch die teilweise reflektierende Beschichtung 4 und eine nichtreflektierende Beschichtung 5 tritt, beseitigt wird, auf einer konkaven inneren Oberfläche eines Kollimationsspiegels 6 vorgesehen. Wenn Licht, das durch die teilweise reflektierende Beschichtung 4 tritt, einem Licht, das durch die nichtreflektierende Beschichtung 2 tritt, um δº vorausläuft, bedeutet dies, daß die Dicke der Metallmembran 10 durch
d = λ . δ / 360
bestimmt ist.
In Fig. 18 ist eine Ausnehmung 66 in einer inneren Oberfläche eines Kollimationsspiegels 6 gebildet, die das gleiche Muster wie das einer teilweise reflektierenden Beschichtung 4 besitzt, die auf einer inneren Oberfläche einer konvexen Spiegelmatrix 1 vorgesehen ist. Fig. 19 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, das sich von dem in Fig. 18 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch unterscheidet, daß anstelle der Ausnehmung 66 ein Vorsprung 66 auf der inneren Oberfläche des Kollimationsspiegels 6 gebildet ist. Die Tiefe der Ausnehmung 66 und die Höhe des Vorsprungs 66' werden durch die obige Gleichung bestimmt.
In einem in Fig. 20 gezeigten Ausführungsbeispiel steht eine innere Oberfläche einer Spiegelmatrix 1 nach innen vor, um einen Steg la zu bilden, auf dem eine teilweise reflektierende Beschichtung 4 gebildet ist und in Fig. 21 ist in ähnlicher Weise eine Ausnehmung 1b ausgebildet. Die Höhe und die Tiefe davon werden wie oben beschrieben bestimmt.
Fig. 22 und 23 zeigen andere Ausführungsbeispiele und Fig. 24 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei denen ein Kollimationsspiegel 6 durch einen Vergrößerungsspiegel 6' ersetzt ist und ein Ausgangsspiegel 1 die Form eines konkaven Spiegels annimmt. In diesen Figuren besitzt der Ausgangsspiegel 1 eine äußere Oberfläche mit einem Krümmungsradius, der kleiner ist als derjenige seiner inneren Oberfläche. In Fig. 22 ist eine teilweise reflektierende Beschichtung 4 dicker als eine nichtreflektierende Beschichtung 2 und in Fig. 23 ist eine teilweise reflektierende Oberfläche durch Entfernung eines Mittenabschnitts einer nichtreflektierenden Beschichtung 2 vorgesehen. In Fig. 24 ist eine Ausnehmung 22 auf der äußeren Oberfläche des konkaven Spiegels 1 gebildet, um eine Differenz in einer optischen Weglänge zwischen Strahlen zu schaffen, die durch die nichtreflektierende Beschichtung 2 und eine teilweise reflektierende Beschichtung 4 treten, um dadurch eine Phasendifferenz zu beseitigen.
Es soll darauf hingewiesen werden, daß der konvexe Spiegel 6' in jedem der in Fig. 22 bis 24 gezeigten Ausführungsbeispiele durch einen konkaven Spiegel mit derselben Wirkung ersetzt werden kann.
Fig. 25 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel ähnlich wie das Ausführungsbeispiel in Fig. 22 und umfaßt außerdem einen Phasenkompensationsspiegel 1' in der Form eines flachen Spiegels, der gegenüberliegende Oberflächen aufweist, die mit einer nichtreflektierenden Beschichtung 2' beschichtet sind, wobei eine äußere Oberfläche eine Ausnehmung besitzt, um den gleichen Effekt zu erzielen, der mit dem in Fig. 24 gezeigten Ausgangsspiegel erhalten wird.
Die vorliegende Erfindung kann auch auf einen Festkörperlaser beispielsweise einen YAG-Laser angewendet werden.
Fig. 26 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das auf einer Halbleiterlaservorrichtung angewendet ist. In Fig. 26 ist ein vollständig reflektierender Spiegel 6 durch Atzen eines Endes eines Festkörperlaserelements 7, das einen geschichteten Aufbau besitzt, aus einem Substrat beispielsweise aus n-Typ GaAs, einer auf dem Substrat angeordneten Auflageschicht an beispielsweise n-Typ Ga0,9Al0,1, As einer aktiven Mediumschicht aus beispielsweise p-Typ GaAs, einer weiteren Auflageschicht, die auf der aktiven Schicht angeordnet ist, einer Abdeckungsschicht aus beispielsweise p-Typ GaAs, die auf der letzten Auflageschicht angeordnet ist und Elektroden, die auf beiden Seiten der Schichtung angeordnet sind und durch Aufdampfen eines Metallmaterials darauf gebildet sind.
Die andere Endoberfläche des Halbleiterlaserelements 7 ist geätzt und besitzt ein durch Aufdampfung aufgebrachtes Metall, um einen konkaven Vergrößerungsspiegel zu bilden, dessen äußerer Umfangsabschnitt mit einem nichtreflektierenden Material beschichtet ist, um eine ringförmige nichtreflektierende Beschichtung 2 zu bilden, wobei ein Mittenabschnitt als ein teilweise reflektierender Spiegelabschnitt 4 zurückgelassen wird. In einem anderen in Fig. 27 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Mittenabschnitt der anderen Endoberfläche des Festkörperelements 7 geätzt und durch Aufdampfung mit einem teilweise reflektierenden Material versehen, um einen vergrößernden teilweise reflektierenden Spiegel 1 zu bilden und die gesamte andere Endoberfläche ist mit einer nichtreflektierenden Beschichtung 2 beschichtet. In Fig. 28 ist die äußere Endoberfläche geätzt und mit einer Aufdampfung versehen und ihr äußerer Umfang ist außerdem mit einem nichtreflektierenden Material 2 beschichtet. Natürlich ist es möglich, wenigstens den vollständig reflektierenden Spiegel oder den Ausgangsspiegel getrennt von dem Festkörperelement vorzusehen. In einem derartigen Fall wird die Endoberfläche des Elements, das einem getrennt vorgesehenen Spiegel gegenüberliegt, flach gemacht und mit einer nichtreflektierenden Beschichtung versehen.
Fig. 29 bis 31 zeigen andere Ausführungsbeispiele, bei denen der vollständig reflektierende Spiegel und/oder der Ausgangsspiegel getrennt vorgesehen ist. In Fig. 29 ist ein vollständig relektierender Spiegel getrennt hergestellt und in Fig. 30 ist ein Ausgangsspiegel getrennt vorgesehen. In Fig. 30 wird der Ausgangsspiegel 1 aus einer konvexen Spiegelmatrix gebildet, die entgegengesetzte Oberflächen aufweist, die umfangsmäßig mit nichtreflektierendem Material beschichtet sind. In dem in Fig. 31 gezeigten Ausführungsbeispiel sind ein vollständig reflektierender Spiegel und ein Ausgangsspiegel getrennt vorgesehen.
Fig. 32 und 34 bis 38 zeigen andere Ausführungsbeispiele und Fig. 33 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, die auf die Festkörperlaservorrichtung angewendet werden. In Fig. 32 ist ein vollständig reflektierender Spiegel 6 auf einem Ende eines Festkörperlaserelements 7 durch Aufdampfung eines Metalls gebildet und ein konvexer Ausgangsspiegel 1 ist auf der anderen Seite des Festkörperlaserelements 7 angeordnet, dessen andere Endober£läche mit einer nichtreflektierenden Membran 2 beschichtet ist. Der Ausgangsspiegel 1 besitzt eine äußere Oberfläche, die mit einer nichtreflektierenden Beschichtung 2 aus beispielsweise SiO&sub2; beschichtet ist und eine innere Oberfläche, die umfangsmäßig mit einer nichtreflektierenden Beschichtung des gleichen Materials und im Mittenabschnitt mit einer teilweise reflektierenden Beschichtung 4 aus beispielsweise TiO&sub2; beschichtet ist und zusammen mit dem vollständig reflektierenden Spiegel 6 einen instabilen Resonator bildet. Das Festkörperlaserelement 7 wird beispielsweise durch innerhalb eines Rahmens 100 angeordneten Blitzlampen 10' angeregt. Bezugszeichen 11 und 12 zeigen eine Halterung für die Lampen bzw. einen Reflektor. Fig. 33 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel ähnlich zu dem in Fig. 32 gezeigten, außer daß ein Mittenabschnitt entsprechend der teilweise reflektierenden Beschichtung auf der inneren Oberfläche der äußeren Oberfläche des Ausgangsspiegels mit einer Ausnehmung versehen ist. In einem in Fig. 34 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Ausgangsspiegel durch einen konkaven Spiegel ersetzt. In Fig. 35 ist zwischen dem anderen Ende des Festkörperelements 7 und dem Ausgangsspiegel des in Fig. 32 gezeigten Ausführungsbeispiels ein Q-Schaltelement 50, beispielsweise ein Pockel-Element, eingefügt, um eine Q-Schalt-Impulsoszillation zu realisieren, um dadurch einen Ausgangslaserstrahl mit einer höheren Spitzenausgangsenergie zu erhalten. Wenn ein Element zur Wellenlängenumwandlung, beispielsweise ein KTP-Element, für das Element 50 verwendet wird, ist es möglich, eine wirksame Wellenlängenumwandlung durchzuführen. Eine Kombination des Q-Schaltelements und des Wellenlängeumwandlungselements kann als Element 50 verwendet werden.
Fig. 36 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem die andere Endoberfläche des Festkörperlaserelements 1 direkt mit einer nichtreflektierenden Beschichtung 2 beschichtet ist, um einen Ausgangsspiegel zu bilden, und in Fig. 37 ist das andere Ende des Festkörperlaserelements mit einer nichtreflektierenden Beschichtung 2 beschichtet und liegt dem getrennt vorgesehenen Kollimationsspiegel gegenüber. Fig. 38 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel ähnlich zu dem in Fig. 32 gezeigten, außer daß das eine Ende des Laserelements mit einer nichtreflektierenden Beschichtung 2 beschichtet ist und einem getrennt vorgesehenen Kollimationsspiegel 6 gegenüber liegt.
Fig. 39 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel ähnlich wie das in Fig. 32 gezeigte, außer daß eine zusätzliche Anregungslichtquelle 14, beispielsweise eine Halbleiterlasereinrichtung, vorgesehen ist. Ein Laserstrahl von der Hilfslichtquelle 14 wird durch eine Linse 15 an einen Kollimationsspiegel geliefert, der auf einer mit einer nichtreflektierenden Beschichtung 2 beschichteten äußeren Oberfläche des Festkörperelements 7 gebildet ist, um einen Teil des Festkörperelements 7 entlang seiner optischen Achse anzuregen, und um zusätzlich zu verhindern, daß ein intensiver Multimode-Ausgang neben der Achse erzeugt wird. Eine derartige zusätzliche Lichtquelle kann bei jedem der in Fig. 33 bis 38 gezeigten Ausführungsbeispiele angewendet werden.
Fig. 40 bis 42 zeigen andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, wenn sie auf einen stabilen optischen Resonator eines Gaslasers angewendet wird. In Fig. 40 werden ein flacher teilweise reflektierender Ausgangsspiegel 1 und ein konkaver vollständig reflektierender Spiegel 6 verwendet. Eine innere Oberfläche des Ausgangsspiegels 1 ist mit einer äußeren umf angsmäßigen Beschichtung 2 eines niedrig reflektierenden dielektrischen Materials, das die Form einer Doppelschicht aus ThF&sub4; und/oder ZnSe annehmen kann und mit einer mittleren hoch reflektierenden Vielfachschicht 3 versehen, die eine Schichtung aus vier Membranen wie beispielsweise ThF&sub4; und/oder ZnSe sein kann. Ein Bezugszeichen 16 bezeichnet ein Blendenelement, das eine Öffnung der Vorrichtung definiert und 2 eine nichtreflektierende Beschichtung. Das in Fig. 41 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 40 gezeigten nur dadurch, daß die Beschichtung 2 mit niedrigerer Reflexion entfernt ist und das Ausführungsbeispiel in Fig. 42 unterscheidet sich von demjenigen in Fig. 40 dadurch, daß die äußere Oberfläche des Ausgangsspiegels 1 wie in dem in Fig. 25 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgespart ist,
Fig. 43 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die Phasenregelung eines Ausgangslaserstrahls durch einen Phasenregler 18 durchgeführt wird, der sich stromabwärts eines Ausgangsspiegels eines Resonators befindet. In Fig. 43 nimmt der Phasenregler 18 die Form eines flachen Spiegels an, der sich schräg zu einer optischen Achse des Resonators befindet. Der Regler 18 besitzt eine Reflexionsoberfläche, die aus einem oberen Reflexionsbereich 18a und einem Bereich 18b mit niedrigerer Reflexion gebildet ist, wobei die Grenzlinie abgestuft ist, um eine Phasendifferenz zwischen von diesen Ref lexionsbereichen reflektierten Strahl antei len um λ/2 vorzusehen, wobei λ die Wellenlänge des Strahls ist. Ein Ausgangslaserstrahl 10 von dem Ausgangsspiegel 1 weist einen TEM&sub0;&sub1;-Mode wie bei 10a gezeigt, wenn ein Durchmesser eines Blendenelements 16, das sich vor dem Ausgangsspiegel 1 befindet, größer gemacht wird als ein Wert, durch den ein TEM&sub0;&sub0;-Mode erhalten wird. Im Falle eines CO&sub2;-Gaslasers mit einem Krümmungsradius des vollständig reflektierenden Spiegels von 20 m, mit einem Krümmungsradius des teilweise reflektierenden Spiegels von 10 m und mit einem Abstand zwischen den Spiegeln von 1,8 m wird ein TEM&sub0;&sub1;-Mode erhalten, wenn die Blendengröße 14,5 mm ist und ein TEM&sub0;&sub0;-Mode wird erhalten, wenn die Blendengröße 12 mm ist. Im Falle eines TEM&sub0;&sub1;-Modes entsteht eine Intensitätsverteilung des Strahls 7 und der Phasendifferenz in der X-Richtung so wie in Fig. 44a gezeigt. Das heißt, obwohl zwei Maxima die gleiche Intensität besitzen, unterscheidet sich die Phase um 180º voneinander. Wie in Fig. 44b gezeigt, wird jedoch die phasendifferenz durch Reflexion an dem Regler 8 beseitigt, während die Intensitätsverteilung unverändert ist. Als Folge davon wird die Phase des Ausgangslaserstrahls im wesentlichen gleichmäßig. Durch Konzentration eines derartigen Strahls wie der in Fig. 43 gezeigte Strahl 19 mit gleichmäßiger Phase durch ein Linsensystem wird ein Strahl mit einer Spitzenintensität in seiner Mitte erhalten. Fig. 45 ist ein Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels des Phasenreglers, der integral mit dem teilweise reflektierenden Spiegel 4 gebildet ist und mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet ist. In Fig. 45 bildet eine untere Oberfläche 24 des Reglers 20 den teilweise reflektierenden Spiegel 4 und eine obere abgestufte Oberfläche wirkt als der Regler 8. Das heißt, ein Abschnitt 21 der oberen Oberfläche 23 entspricht dem oberen Abschnitt l8a des Reglers 18 in Fig. 43 und ein nächster Abschnitt 22 davon dient als der untere Abschnitt 18b des Reglers 18. Ein Dickenunterschied zwischen den Abschnitten 21 und 22 wird so ausgewählt, daß eine Differenz in einer optischen Länge n.l dazwischen λ/2 wird, wobei n ein Brechnungsindex der Spiegelmatrix und l eine Dicke davon ist.
Fig. 46 bis 48 erläutern die Phasenregler, die sich für Moden höherer Ordnung eignen. Der in Fig. 46 gezeigte Regler 10 ist ein Hermit'scher-Gauss'scher Typ, der sich für einen TEM&sub1;&sub1;-Mode eignet und der in Fig. 47 gezeigte Regler 11 ist ein Hermit'scher-Gauss'scher Typ, der sich für einen TEM&sub2;&sub1;-Mode eignet. Der in Fig. 48 gezeigte Regler 12 ist für einen Laguerre-Gauss-Mode, beispielsweise einen TEM&sub1;&sub0;-Mode vorgesehen. Der Unterschied in optischer Länge, der durch den vorliegenden phasenregler erzeugt werden soll, ist nicht auf λ/2 beschränkt, sondern 3 λ/2, 5 λ/2 sind möglich, da sie optisch äquivalent sind. Außerdem wird von diesen Werten nicht gefordert, daß sie immer exakt sind und einige Toleranzen können zugelassen werden.
Wie oben beschrieben wird entsprechend der vorliegenden Erfindung die in einem Ausgangslaserstrahl der Gas- oder Festkörperlaservorrichtung durch die Verwendung des teilweise reflektierenden Spiegels bewirkte Phasendifferenz durch den Phasenregler im wesentlichen beseitigt. Deshalb ist es möglich, einen Laserstrahl zu erzeugen, der durch ein optisches Linsensystem gut konzentriert werden kann und in verschiedenen Anwendungen davon wirkungsvoll verwendet werden kann.

Claims

1. Laservorrichtung, umfassend einen Resonator mit einem vollständig reflektierenden Spiegel (6) und einem teilweise reflektierenden Spiegel, einem zwischen dem vollständig reflektierenden Spiegel (6) und dem teilweise reflektierenden Spiegel angeordnetes Lasermedium (7), eine Anregungseinrichtung zum Anregen des Lasermediums und einen Phasenregler zum Regeln einer Phase eines Ausgangslaserstrahls, der durch den teilweise reflektierenden Spiegel entnommen wird, wobei der Phasenregler einen teilweise reflektierenden Abschnitt (4), der auf einem Mittenabschnitt einer Matrix (1) des teilweise reflektierenden Spiegels gebildet ist und einen Abschnitt (2) umfaßt, der um den teilweise reflektierenden Abschnitt gebildet ist und eine niedrigere Reflexion besitzt als diejenige des teilweise reflektierenden Abschnittes, wobei sich die Dicke des Abschnitts (2) mit niedrigerer Reflexion von der Dicke des teilweise reflektierenden Abschnittes (4) derart unterscheidet, daß zwischen Laserstrahlen, die durch den teilweise reflektierenden Abschnitt (4) und den Abschnitt (2) mit niedrigerer Reflexion hindurchtretenden Laserstrahlen im wesentlichen keine Phasendifferenz entsteht, und eine dünne Membran (4), die einen Brechungsindex besitzt, der demjenigen der Matrix (1) im wesentlichen gleicht und die auf der Matrix vorgesehen ist, wobei die Dicke der dünnen Membran geregelt wird, um die Dickendifferenz vorzusehen.

2. Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Membran (5) zwischen der Matrix und wenigstens einem der reflektierenden Abschnitte (2, 4) gebildet ist.

3. Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Membran (5) zwischen der Matrix (1) und dem teilweise reflektierenden Abschnitt (4) und zwischen der Matrix (1) und dem Abschnitt (2) mit niedrigerer Reflexion gebildet ist.

4. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermedium ein Gas ist.

5. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermedium ein Festkörperelement ist.

6. Laservorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vollständig reflektierende Spiegel (6) durch Ätzen einer Endoberfläche des Festkörperlaserelements und durch Aufdampfung einer dünnen Metallmembran gebildet ist.

7. Laservorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsspiegel durch Ätzen der anderen Endoberfläche des Festkörperlaserelements und durch Aufdampfung der teilweise reflektierenden Beschichtung (4) und/oder einer Beschichtung (2) mit niedrigerer Reflexion darauf gebildet ist.

8. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Lichtquelle vorgesehen ist, um zusätzlich einen Abschnitt des Festkörperlaserelements entlang seiner optischen Achse anzuregen.

9. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator ein stabiler Resonator ist.

10. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator ein instabiler Resonator ist.

11. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der vollständig reflektierende Spiegel ein konkaver Kollimationsspiegel ist.

12. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsspiegel ein konvexer Vergrößerungsspiegel ist.

13. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (2) mit niedrigerer Reflexion eine Schicht auf jeder Seite der Matrix (1) umfaßt.