DE3913188A1 - Laserresonator - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Laserresonator, ins
besondere für Kohlendioxidlaser, mit zwei Resonator-Endspie
geln, die aktives Material zwischen zwei vollreflektierenden
Endspiegelflächen aufweisen, welche einen instabilen Resonator
raum bilden, und mit mindestens einer dritten vollständig re
flektierenden Spiegelfläche, mit der die Laserstrahlung vor
ihrer durch eine Auskopplungsöffnung des Resonators erfolgenden
Auskopplung reflektiert wird.
Die Auskopplung von Laserstrahlung und damit von Laser
leistung aus dem optischen Resonator des Lasers erfolgt ge
wöhnlich dadurch daß ein Resonatorspiegel entweder teiltrans
mittierend ausgebildet ist, oder daß er Laserstrahlung aus dem
Resonatorbereich hinausstrahlt. Resonatoren mit teiltransmit
tierenden Spiegeln sind bevorzugt stabile Resonatoren, bei
denen also der Laserstrahl aufgrund der fokussierenden Wirkung
eines oder beider Spiegel in dem durch die Spiegel definierten
Bereich um die Resonatorachse herum lokalisiert bleibt. Eine
derartige Ausbildung stabiler Resonatoren mit Rotationssymme
trie um die Resonatorachse herum hat den Vorteil, daß die aus
gekoppelte Laserstrahlung eine hohe Strahlqualität hat. Diese
wird beispielsweise dadurch bestimmt, über welche Strecke der
Laserstrahl sich näherungsweise parallel ausbreitet bzw. ist
ein Maß dafür, wie klein der Brennfleck ist, auf den der Laser
strahl gebündelt werden kann bzw. wie groß die höchstens er
reichbare Intensität ist. Die theoretisch höchste Qualität
weist bekanntlich die Strahlverteilung nach dem Gaußschen
Grundmode TEM 00 auf. Andere Strahlverteilungen, z.B. TEM 01
haben abnehmende Strahlqualität bei wachsendem Strahldurchmes
ser. Andererseits ist ein großer Strahldurchmesser erforder
lich, um hohe Ausgangsleistungen zu erzielen, wenn man davon
ausgeht, daß letztere große Volumina aktiven Materials erfor
dern und die Resonatorlänge aus begreiflichen Gründen begrenzt
ist. Daraus ergibt sich, daß eine Steigerung der Ausgangs
leistung durch Vergrößerung des Strahldurchmessers im Prinzip
mit einer Verschlechterung der Strahlqualität einhergeht. Hinzu
kommt, daß die transmittierenden Spiegel nicht beliebig hoch
belastbar sind, also von der durch sie hindurchtretenden Laser
strahlung nicht übermäßig erwärmt werden dürfen, damit ihre op
tische Wirkung nicht beeinträchtigt wird und ihr Material nicht
zerstört wird.
Es ist daher allgemein bekannt, die optischen Resonatoren
mit voll reflektierenden Spiegeln auszurüsten, die derart aus
gebildet und angeordnet sind, daß ein gewisser Anteil der
Laserstrahlung den Resonatorbereich nach einer etlichen Anzahl
von Umläufen verläßt. Die Auskopplung erfolgt üblicherweise mit
einem Loch- oder sogenannten Scraper-Spiegel, wodurch der für
instabile Resonatoren charakteristische Hohlstrahl erzeugt
wird. Derartige instabile Resonatoren haben üblicherweise einen
hohen Auskopplungsgrad und setzen deswegen aktives Material mit
entsprechend hoher Verstärkung voraus. Die Strahlqualität ist
in der Regel etwa um den Faktor 3 bis 4 geringer. Sie ist dann
besonders gering, wenn der Auskopplungsgrad klein gehalten
wird, z.B. durch entsprechende Bemessung der die Auskopplung
bewirkenden Spiegelflächen. Hinzu kommt als grundsätzlicher
Nachteil des instabilen Aufbaus eines Resonators noch die ver
gleichsweise hohe Justierempfindlichkeit seiner Spiegel sowie
seine Empfindlichkeit gegenüber optischen Rückwirkungen, d.h.
gegenüber Lichtreflexion aus der Bearbeitungsstelle in den Re
sonator.
Außer dem allgemein bekannten vorbeschriebenen instabilen
Resonator ist aus der US-PS 36 81 709 ein Laserresonator be
kannt, insbesondere für Kohlendioxidlaser, mit zwei Resonator
endspiegeln, die aktives Material zwischen zwei vollreflektie
renden Endspiegelflächen aufweisen, welche einen Resonatorraum
bilden, und mit mindestens einer dritten vollständig reflektie
renden Spiegelfläche, mit der die Laserstrahlung aus dem Reso
nator ausgekoppelt wird. Die dritte Spiegelfläche, mit der die
Laserstrahlung aus dem Resonator ausgekoppelt wird, ist als
Endspiegelfläche eines der beiden Endspiegel ausgebildet. Der
zwischen den beiden Endspiegelflächen gelegene Resonatorraum
ist stabil und die dritte Spiegelfläche des einen Endspiegels
dient ausschließlich zur Auskopplung von im Grundmode schwin
gendem Laserlicht aus dem stabilen Resonator. Ein instabiler
Resonatorraum ist bei dem bekannten Resonator nicht vorhanden.
Vielmehr erfolgt die Auskopplung der Laserstrahlung durch die
dritte Spiegelfläche des einen Endspiegels direkt auf einen Fo
kussierspiegel eines Fokussiersystems.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen instabilen
Resonator der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß er
mit einem verringerten Auskopplungsgrad auskommt und/oder eine
verbesserte Strahlqualität aufweist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwischen den beiden
Endspiegeln zusätzlich zum instabilen Resonatorraum mindestens
ein stabiler Resonatorraum vorhanden ist, und daß der zum in
stabilen Resonatorraum zusätzliche stabile Resonatorraum in
demselben aktiven Material von der dritten Spiegelfläche als
Endspiegelfläche eines der beiden Endspiegel mit der
Endspiegelfläche des anderen Endspiegels gebildet ist.
Für die Erfindung ist die Mischbauform aus stabilem und
instabilem Resonator von Bedeutung. Mit dem stabilen Resonator
raum wird die mittlere Aufenthaltsdauer der Strahlung im Reso
nator verlängert, so daß die Strahlungsintensität im Resonator
ansteigt. Infolgedessen wird das aktive Material stärker zur
Sättigung hin betrieben und der Wirkungsgrad steigt an. Dement
sprechend verringert sich der Auskopplungsgrad, also das Ver
hältnis von ausgekoppelter Leistung zur im Resonator erzeugten
Leistung. Daher können mit stabilem Resonatorraum versehene in
stabile Resonatoren in Lasersystemen mit vergleichsweise klei
ner Verstärkung eingesetzt werden, um dieselbe externe Laser
strahlleistung zu erzeugen. Außerdem wird durch den Einfluß des
stabilen Resonatorraums auch die innere Struktur des ausgekop
pelten Laserstrahls im Vergleich zu herkömmlichen Resonatoren
so modifiziert, daß sich eine höhere Strahlqualität ergibt bzw.
ein geringerer Fokusradius. Das wird anhand der Ausführungsbei
spiele noch näher erläutert.
Vorteilhafterweise bildet die dritte Spiegelfläche als
Endspiegelfläche eines der beiden Endspiegel mit letzterem eine
Baueinheit bzw. ist Bestandteil dieses Endspiegels. Es ergibt
sich eine feste räumliche Zuordnung zwischen den Endspiegel
flächen, was die Justierempfindlichkeit des Resonators herab
setzt und damit im Sinne der Steigerung der Strahlqualität
wirkt. Der die beiden Spiegelflächen aufweisende Endspiegel
kann in der erforderlichen Form mittels Dreh- und Fräsmaschinen
in entsprechend hoher Präzision hergestellt werden, beispiels
weise rotationssymmetrisch. Dabei ist die erforderliche hohe
Oberflächengüte und auch die Formtoleranz mit Lambda/10 bis
Lambda/20 durch vertretbaren Aufwand erreichbar.
Zweckmäßigerweise ist die dritte Spiegelfläche senkrecht
zur Resonatorachse angeordnet, was zum einen der symmetrischen
Ausbildung des Laserstrahls zugute kommt und darüber hinaus
auch vorteilhaft für die Herstellung der dritten Spiegelfläche
ist bzw. für die Herstellung der anderen Spiegelflächen sein
kann, beispielsweise wenn deren eine mit der dritten Spiegel
fläche eine Baueinheit bildet. In diesem Sinne liegen rota
tionssymmetrische und damit vorteilhafte Spiegelflächen vor,
wenn die dritte Spiegelfläche kreis- oder ringförmig ist.
Eine vom baulichen Aufwand her einfach zu gestaltende Re
sonatoranordnung ergibt sich, wenn die Laserstrahlung als Hohl
strahl durch eine Auskopplungsöffnung mit angepaßtem Quer
schnitt auskoppelbar und die dritte Spiegelfläche innerhalb des
Hohlstrahls im Bereich der Auskopplungsöffnung angeordnet ist.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Laserresonator,
insbesondere für Kohlendioxidlaser, mit einem von zwei vollre
flektierenden Resonatorendspiegeln gebildeten Resonator, und
mit einer kreisförmigen und senkrecht zur Resonatorachse gele
genen Lichtdurchtrittsöffnung in einem der Endspiegel.
Ein derartiger Laserresonator ist aus der EU-OS 01 00 089
bekannt. Der eine Endspiegel des Resonators hat ein Loch, damit
die Laserstrahlung von dem anderen Endspiegel durch dieses Loch
hindurch auf einen Umlenkspiegel treffen kann, der die auf ihn
auftreffende Strahlung mittels eines mit sphärischen Spie
gelflächen versehenen Kegels und einer sich an diesen radial
anschließenden kreisringförmigen konkaven sphärischen Spiegel
fläche auf den mit dem Loch versehenen Spiegel parallel reflek
tiert. Bei diesem bekannten instabilen Resonator erfolgt die
Auskopplung mit einem zwischen den beiden Endspiegeln gelegenen
Scraper-Spiegel, so daß der abgegebene Laserstrahl ein üblicher
Hohlstrahl ist.
Um den vorbeschriebenen Resonator dahingehend zu verbes
sern, daß er mit einem verringerten Auskopplungsgrad auskommt
und/oder eine verbesserte Strahlqualität aufweist, ist die
senkrecht zur Resonatorachse gelegene Lichtdurchtrittsöffnung
eine einen Vollstrahl bildende Auskopplungsöffnung. Im Quer
schnitt dieses Vollstrahls ist die gesamte ausgekoppelte Laser
leistung nahe der Resonatorachse bzw. nahe der Längsachse kon
zentriert, so daß sich eine entsprechende Verbesserung der
Strahlqualität insbesondere bei Fernfeldbetrachtung der Inten
sitätsverteilung über den Strahlquerschnitt ergibt. Zugleich
kann der Laserresonator einfacher aufgebaut werden, weil für
seine grundsätzliche Ausbildung eine Umlenkung des Lichts im
Resonator nicht erforderlich ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Resonators ergibt sich
dadurch, daß der die kreisförmige Öffnung aufweisende Endspie
gel eine kreisringförmige, dem anderen Endspiegel zugewendete
konvexe oder konkave Endspiegelfläche hat, und daß der andere
Endspiegel eine kreisringförmige, mit gegen Null tendierendem
Innendurchmesser versehene konkave oder konvexe Endspiegel
fläche aufweist. Grundbedingung für die Formgebung der beiden
Endspiegelflächen ist lediglich, daß diese zur Erzeugung des
Vollstrahls keine von der Resonatorachse aus dem Reflektionsbe
reich radial nach außen hinauswandernde Reflektionsstrahlen er
zeugen, damit die gesamte ausgekoppelte Laserstrahlung mit dem
Vollstrahl zur Verfügung steht. Es ist allerdings möglich, mit
dem durch die beiden Endspiegelflächen gebildeten Resonatorbe
reich zusammenwirkende und sich überlagernde stabile Resonator
räume zu bilden. Das wird dadurch erreicht, daß sich radial
nach außen und/oder nach innen an die kreisringförmige
Endspiegelfläche des die Öffnung aufweisenden Endspiegels eine
mit der konkaven Endspiegelfläche des anderen Endspiegels einen
stabilen äußeren und/oder inneren Resonatorraum bildende
Endspiegelfläche anschließt. Bei derartigen Resonatoren wird
also von den beiden vorbeschriebenen grundsätzlichen Lösungs
gedanken gemeinsam im Sinne der Verringerung des Aus
kopplungsgrades und/oder der Verbesserung der Strahlqualität
Gebrauch gemacht.
Bei Resonatoren mit Vollstrahlausblendung ist es wichtig,
örtliche Fluktuationen der Laserstrahlungsintensität auszu
schalten, die dadurch entstehen, daß der Strahl beim Durchlau
fen des Resonators von außen zur Mittelachse des Resonators un
mittelbar ausgeblendet wird. Derartigen Fluktuationen wird da
durch begegnet, daß mindestens ein erster Endspiegel eine End
spiegelfläche hat, mit der ein von dem zweiten Endspiegel re
flektierter Strahlungsanteil über die Mittelachse des Resona
tors hinweg auf den zweiten Endspiegel reflektierbar ist. Die
vorgenannten Merkmale führen zu einer Verkoppelung zwischen
sich diagonal über die Mittelachse hinweg gegenüberliegenden
Bereichen eines Endspiegels bzw. beider Endspiegel, wenn die
Spiegelfläche entsprechend ausgebildet ist.
Eine einfache Ausgestaltung der Resonatoranordnung bezüg
lich der der Verkoppelung dienenden Endspiegelfläche liegt vor,
wenn die Endspiegelfläche konkav ausgebildet und konzentrisch
zum die Mittelachse heraum angeordnet ist und mit einer kreis
ringförmigen, unmittelbar um die Lichtdurchtrittsöffnung herum
angeordneten Endspiegelfläche einen stabilen Resonatorraum bil
det. Außer der Verringerung der aus dem instabilen Resonatorbe
reich herrührenden Fluktuationen der Laserintensität bei Voll
strahlauskopplung wird durch den stabilen Resonatorraum eine
Verbesserung der Strahlqualität erreicht.
Eine baulich einfache Ausführungsform eines stabilen Reso
nators ergibt sich dadurch, daß der die kreisförmige Licht
durchtrittsöffnung aufweisende zweite Endspiegel ein planer
Lochspiegel und der andere Endspiegel eine kreisringförmige
konkave Endspiegelfläche aufweist. Der plane Lochspiegel ist
bei allen erforderlichen Abmessungen einfach herzustellen, was
insbesondere von Vorteil ist, wenn er nach Herstellung des ver
gleichsweise komplizierten ersten Endspiegels auf diesen abge
stimmt werden muß.
Um Qualitätsstörungen der Laserstrahlung durch im Bereich
der Symmetrieachse gelegene Spitzen od.dg1. des ersten Endspie
gels zu vermeiden, ist der erste Endspiegel der Lichtdurch
trittsöffnung des zweiten Endspiegels gegenüber mit einer Plan
fläche versehen, die tangential in die Krümmungsbereiche der
konkaven Endspiegelflächen übergeht.
Bei der vorbeschriebenen Ausführungsform handelt es sich
aufgrund des Zusammenwirkens eines Planspiegels und eines Kon
vexspiegels um einen stabilen Resonator.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestell
ten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 die Strahlführung innerhalb eines ersten Resonators
gemäß der Erfindung,
Fig. 2a bis 2b mögliche Varianten des Spiegels M 2 der
Fig. 1,
Fig. 3a bis 3c Darstellungen der Nahfeld-Intensitätsver
teilungen I =f(r) und diesem jeweils zugeordnete
Fernfeldintensitätsverteilungen in schaubildlicher
Darstellung,
Fig. 4 eine radial integrierte Intensitätsverteilung
I =f (Radius),
Fig. 5 bis 7 weitere Ausführungsformen gemäß der Erfindung,
Fig. 8 eine Fluktuation der Laserintensität vermeidende
weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung und
Fig. 9 Ausführungsformen gemäß der Erfindung mit einem
planen Lochspiegel.
Der in Fig. 1 dargestellte Resonator 10 besteht im wesent
lichen aus den beiden Spiegeln M 1 und M 2, die beide rotations
symmetrisch ausgebildet sind. Sie sind infolgedessen bei ent
sprechend rotationssymmetrisch ausgestaltetem aktivem Material
40, das strichpunktiert dargestellt ist, besonders vorteilhaft
zu verwenden. Es ist jedoch auch möglich, die Spiegel M 1, M 2 an
ders zu gestalten, beispielsweise rechteckförmig, um damit ak
tives Material 40 mit entsprechend rechteckigem Querschnitt op
timal ausnutzen zu konnen.
Die Abmessungen der Spiegel M 1, M 2 sind mit D, d 1 und d 2
bezeichnet und geben Durchmesser für diese rotationssymmetri
schen Spiegel an, die gemeinsam die Resonatorachse 11 bilden.
Der Spiegel M 1 ist ein Konkavspiegel mit entsprechend konkaver
Spiegelfläche 12, die vollreflektierend ist, wobei der Spiegel
beispielsweise metallisch ist. Der Spiegel M 2 ist ebenfalls me
tallisch und damit vollreflektierend und hat eine Spiegelfläche
13, die konvex geformt ist. Die beiden vollreflektierenden
Spiegelflächen 12, 13 bilden einen instabilen Resonatorraum 10,
d.h. die zwischen ihnen reflektierten Lichtstrahlen verbleiben
nicht im Resonatorraum 10′ bzw. achsparallel, sondern wandern
radial nach außen hin aus, was durch die Pfeile 14 angedeutet
ist, so daß eine Auskopplung aus dem Resonator 10 durch eine im
Fall der Fig. 1 ringförmige Auskopplungsöffnung 15 erfolgt, wo
durch der ausgekoppelte Laserstrahl 16 als Hohlstrahl bzw. mit
sogenanntem Ringmode vorliegt. Der Laserstrahl 16 wird
außerhalb des Resonators 10 optisch geformt, beispielsweise
kollimiert und einer Anwendung zugeführt, beispielsweise wird
der Laserstrahl 16 zum Schweißen eingesetzt.
Der Spiegel M 2 hat aber außer der Spiegelfläche 13, die
den Durchmesser d 2 hat, noch eine dritte Spiegelfläche 17 mit
einem Außendurchmesser d 1. Diese dritte Spiegelfläche 17 ist
plan und quer zur Resonatorachse 11 angeordnet, so daß sie auf
die Spiegelfläche 12 des Spiegels M 1 gerichtet ist. Mit diesem
bildet sie einen stabilen Resonatorraum 18, der hohlzylinderge
staltig ist und in Fig. 1 durch Punktung hervorgehoben wurde. In
diesem stabilen Resonatorraum wird die Laserstrahlung mit einem
Mode erzeugt, der eine vergleichsweise höhere Strahlqualität
hat bzw. einen geringeren Fokusradius seiner Laserstrahlung er
gibt, als sie bei der Laserstrahlung zwischen den Spiegel
flächen 12, 13 vorliegt. Das wird anhand der Fig. 3a bis 3c und
Fig. 4 erläutert.
In Fig. 3a zeigt I =f(r) den sogenannten Gaußschen Grundmode
TEM 00, also die Verteilung der Intensität entsprechend der
Gaußschen Glockenkurve. Diese Darstellung gilt für die Vertei
lung der Intensität im Nahfeld des Lasers bzw. des Resonators.
Auch im Fernfeld konzentriert sich die Laserintensität gemäß
der schaubildlichen Darstellung der Fig. 3a auf die achsnahen
Radiusbereiche. Dabei bezieht sich die Darstellung auf die In
tensitätsverteilung im Brennpunkt einer 20cm-Linse. Fig. 3b
zeigt vergleichbare Darstellungen für einen Hohlstrahl I =f(r)
im Nahfeld und schaubildlich im Fernfeld. Es ist erkennbar, daß
im Fernfeld, welches für die Verhältnisse des Laserstrahls an
der Anwendungsstelle maßgeblich ist, zwar ebenfalls eine Kon
zentration der Intensität in der Nähe der Strahlachse vorhanden
ist, jedoch ist auch zu erkennen, daß die Intensität in
größeren Abständen noch erheblich ist. Die erfindungsgemäße
Ausgestaltung des Resonators führt hier zu einem verbesserten
Ergebnis mit verringerten Intensitäten außerhalb des zentralen
Intensitätskegels. Das ergibt sich aus Fig. 3c und auch aus
Fig. 4, in der die wertfrei bezogene integrierte Leistung in Ab
hängigkeit vom Radius des Laserstrahls im Fokus einer Linse
(Fokuslänge 20cm) dargestellt ist. Dabei wird der Strahlradius
in herkömmlicher Weise festgelegt, wobei definiert wird, daß
86% der Laserleistung innerhalb eines Kreises mit diesem Radius
liegen sollen. Es ergeben sich die ersichtlichen Verläufe für
den Idealfall des TEM 00 in gestrichelter Darstellung, für den
herkömmlichen instabilen Resonator mit M=2 entsprechend der mit
einem ausgezogenen Strich dargestellten Kurve und für einen er
findungsgemäßen Resonator mit stabilem Resonatorraum entspre
chend der strichpunktierten Kurve. Aus der Darstellung ist
durch die Gerade 19 ersichtlich, daß der Radius bei der Inten
sitätsverteilung durch den erfindungsgemäßen Resonator in der
Größenordnung von bis zu 40% verringert ist.
Die den Fig. 5 bis 7 dargestellten Resonatoren 10 bestehen
jeweils aus den beiden vollreflektierenden Spiegeln M 1 und M 2,
die einander gegenüberliegend angeordnet sind und die Resonato
rachse 11 bilden. Der Spiegel M 1 hat eine kreisringförmige kon
kave Spiegelfläche 12′ mit dem zugehörigen Radius r 12′ und
einem zugehörigen Krümmungsmittelpunkt k 12′. In der Nähe der
Resonatorachse 11 ist die Spiegelfläche 12′ abgerundet, um eine
Spitze und damit eine Inhomogenitätsstelle für die Reflexion
von Licht zu vermeiden.
Der andere Spiegel M 2 ist kreisringförmig und hat eine
Lichtdurchtrittsöffnung 20, die senkrecht zur Resonatorachse 11
angeordnet ist. Die dem Spiegel M 1 zugewendete Fläche besteht
aus einer konvexen Spiegelfläche 13′ und einer dritten Spiegel
fläche 17, die plan ausgebildet ist. Letztere bildet infolge
dessen mit der Spiegelfläche 12′ einen stabilen Resonatorraum
18, der hohlzylindrisch ist. In dem Inneren des hohlzylindri
schen stabilen Resonatorraums 18 wird der Strahlungsverlauf im
wesentlichen durch die konvexe Spiegelfläche 13′ bestimmt, de
ren Radius r 13′ vom zugehörigen Krümmungsmittelpunkt k 13′ zu
rechnen ist. Aus dem Vergleich der Lage der Krümmungsmittel
punkte k 12′, k 13′ ist ersichtlich, daß der Resonator bezüglich
der dazwischen reflektierten Strahlung instabil ist. Infolge
dessen ergibt sich bezüglich des aus der unteren Hälfte von
Fig. 5 ersichtlichen Strahlengangs, daß innerhalb des zwischen
dem stabilen Resonatorraum 18 und dem Strahlengangstrahl 31 ge
legenen instabilen Resonatorraum 32 Reflexionen zwischen den
Spiegelflächen 12′, 13′ stattfinden, während der durch die
Strahlengangsstrahlen 31, 33 gekennzeichnete Strahlungsanteil
zur Bildung des Vollstrahls 34 herangezogen wird, der also
durch die als Auskopplungsöffnung wirkende Lichtdurchtrittsöff
nung 20 ausgekoppelt wird. Infolge der rotationssymmetrischen
Ausgestaltung der Spiegel M 1, M 2, was durch den Pfeil 35 ange
deutet wird, ist die Intensitätsverteilung im Vollstrahl 34
ebenfalls rotationssymmetrisch.
Der Resonator 10 der Fig. 6 unterscheidet sich von dem der
Fig. 5 dadurch, daß zwischen der Spiegelfläche 13′ und der Öff
nung 20 eine weitere, mit der dritten Spiegelfläche 17 gleich
wirkende Spiegelfläche 17′ angeordnet ist. Es entsteht dadurch
ein weiterer stabiler Resonatorraum 18′, der der Steigerung der
Strahlqualität und der Verringerung des Auskopplungsgrads be
züglich des Vollstrahls 34 dient.
Im Resonator 10 der Fig. 7 sind zwei Spiegel M 1, M 2 darge
stellt, die keinerlei Spiegelflächen zur Bildung eines stabilen
Resonatorraums aufweisen. Trotzdem erfolgt eine Verbesserung
der Strahlqualität und eine Verringerung des Auskopplungsgrads
dadurch, daß die Laserstrahlung als Vollstrahl 34 ausgekoppelt
wird. Es sind also lediglich Spiegelflächen 12′, 13′ vorhanden,
welche den Bedingungen für einen instabilen Resonator genügen.
Im übrigen sind die Spiegelflächen 12′, 13′ bzw. die Spiegel
M 1, M 2 ausgebildet, wie es zu den Fig. 5, 6 beschrieben wurde. Ein
mit dem Resonator gemäß Fig. 7 erzeugter Vollstrahl 34 wird
nicht die Qualität der Vollstrahlen 34 der Resonatoren der
Fig. 5, 6 haben, jedoch zeigt er eine deutliche Verbesserung ge
genüber den herkömmlichen Hohlstrahlen.
In allen Fällen der Fig. 1, 5, 6 ist es möglich, die den sta
bilen Resonatorraum 18, 18′ im wesentlichen bestimmenden Spie
gelflächen 17, 17′ abweichend vom dargestellten auszubilden, so
fern nur die Bedingungen für einen stabilen Resonatorraum er
füllt sind. Beispiele hierzu sind aus Fig. 2a bis 2c ersicht
lich. Während die Fig. 2a eine Seitenansicht des Spiegels M 2 der
Fig. 1 zeigt, also mit mittig angeordneter konvexer Spiegel
fläche 13 und ringförmig darum herum angeordneter dritter Spie
gelfläche 17, die eine Planfläche ist, wurde die dritte Spie
gelfläche 17 gemäß Fig. 2b in der Mitte des Spiegels M 2 angeord
net. Die Spiegelfläche 13 ist als konkaver Ring ausgebildet,
der sich radial nach außen an die Spiegelfläche 17 anschließt
und außer der Bildung eines instabilen Resonatorrraums 10′ der
Auskopplung von Laserstrahlung dient. Dadurch wird eine Überla
gerung von Strahlengängen und eine damit verbundene Verschlech
terung der Strahlqualität vermieden. Gemäß Fig. 2c ist die die
Instabilität des Resonators 10 bedingende Spiegelfläche 13 zen
trich angeordnet, ebenso wie in den Fig. 1, 2a. Daran an
schließend ist jedoch eine konkave dritte Spiegelfläche 1 vor
gesehen, die das Licht bündelt, so daß darauf bezugnehmende
Abänderungen der Spiegelfläche 12 vorgenommen werden können.
Derartige Spiegelflächen bzw. Spiegel M 2 können in den unter
schiedlichsten Zusammenstellungen mit anderen Spiegeln M 1 ange
wendet werden, sofern nur gewährleistet ist, daß die Strahlqua
lität verbessert und/oder der Auskopplungsgrad inbesondere
durch entsprechend stabile Resonatorräume verringert wird.
Der in Fig. 8 dargestellte Resonator 10 entspricht in sei
nem grundsätzlichen Aufbau demjenigen der Fig. 7. Auf die dies
bezügliche Beschreibung zur Ausbildung der Spiegel M 1, M 2 und
deren Spiegelflächen 12′, 13′ wird hiermit für Fig. 8 Bezug ge
nommen. Zusätzlich ist eine den Resonatorraum außen begrenzende
Elende 38 eingezeichnet. Die Besonderheit des Resonators 10 der
Fig. 8 besteht darin, daß der Spiegel M 1 eine konkave Spiegel
fläche 37 hat, die im Bereich der mittigen Spitze des Spiegels
M 1 der Fig. 7 angeordnet ist und mit einer Spiegelfläche 17′′
des zweiten Spiegels M 2 zusammenwirkt. Diese Spiegelfläche 17′′
schließt sich unmittelbar an die Lichtdurchtrittsöffnung 20 für
den ausgekoppelten Vollstrahl 34 an und ist kreisringförmig.
Sie bildet mit der Spiegelfläche 37 einen stabilen Resonator
raum 18′′. Mit Hilfe des Resonatorraums 18′′ wird ein von dem
zweiten Spiegel M 2 reflektierter Strahlungsanteil über die Mit
telachse 11 des Resonators 10 hinweg und mit Hilfe der Spiegel
fläche 37 auf den zweiten Spiegel M 2 reflektiert.
Fig. 9 zeigt in schematischer Darstellung die wesentlichen
Bauteile eines stabilen Resonators 10, nämlich die beiden End
spiegel M 1, M 2. Der Spiegel M 2 ist ein planer Lochspiegel, des
sen Loch eine Lichtdurchtrittsöffnung 20 für den Vollstrahl 34
bildet. Der ihm bezüglich der Resonator- oder Symmetrieachse 11
symmetrisch gegenüberliegende Endspiegel M 2 ist mit einer
kreisringförmigen konkaven Endspiegelfläche 12′ versehen.
Zwischen dieser und der Endspiegelfläche 13′ findet der in dem
nicht dargestellten aktiven Material stattfindende Laserprozeß
statt, wobei die Elende 38 eine äußere radiale Begrenzung bil
det. Die optische Achse 43 des Spiegelsystems ist ringförmig
mit einem Durchmesser d. Diesem angepaßt, nämlich etwas klei
ner, ist der Durchmesser d 3 für die Öffnung 20 zum Auskoppeln
eines Strahlungsanteils.
Der Resonator der Fig. 9 ist ein stabiler Resonator, was
sich daraus ergibt, daß der Spiegel M 2 einen unendlich großen
Krümmungsradius hat, so daß der Krümmungsmittelpunkt der Spie
gelfläche 12′ auf jeden Fall zwischen dem unendlichen fernen
Krümmungsmittelpunkt des Spiegels M 2 und diesem selbst liegt
und damit die Bedingung für stabilere Resonanz erfüllt.
Die aus Fig. 9 ersichtliche mittige Spiegelspitze 39 kann
zu Störungen des Schwingungsvorgangs und damit zu Beeinträchti
gungen der Strahlqualität führen. Infolgedessen ist der End
spiegel M 1 mit einer Planfläche 41 versehen, durch die derar
tige Störungen vermieden werden. Die Planfläche 41 mündet tan
gential in die Krümmungsbereiche 42 des Spiegels M 1, so daß
auch hier keine störenden Inhomogenitäten der Spiegelfläche 12
vorhanden sind.
Claims (10)
1. Laserresonator, insbesondere für Kohlendioxidlaser, mit
zwei Resonator-Endspiegeln, die aktives Material zwischen
zwei vollreflektierenden Endspiegelflächen aufweisen, wel
che einen instabilen Resonatorraum bilden, und mit min
destens einer dritten vollständig reflektierenden Spiegel
fläche, mit der die Laserstrahlung vor ihrer durch eine
Auskopplungsöffnung des Resonators erfolgenden Auskopplung
reflektiert wird, dadurch gekennzeich
net, daß zwischen den beiden Endspiegeln (M 1, M 2) zusätz
lich zum instabilen Resonatorraum (10, 32) mindestens ein
stabiler Resonatorraum (18, 18′,18′′) vorhanden ist, und
daß der zum instabilen Resonatorraum (10′,32) zusätzliche
stabile Resonatorraum (18, 18′,18′′) in demselben aktiven
Material (40) von der dritten Spiegelfläche (17, 17′,17′′)
als Endspiegelfläche eines (M 2) der beiden Endspiegel
(M 1, M 2) mit der Endspiegelfläche (12, 12′, 37) des anderen
Endspiegels (M 1) gebildet ist.
2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die dritte Spiegelfläche (17, 17′)
senkrecht zur Resonatorachse (11) angeordnet ist.
3. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die dritte Spiegelfläche
(17, 17′, 17′′) kreis- oder ringförmig ist.
4. Resonator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die La
serstrahlung (16) als Hohlstrahl durch eine Auskopp
lungsöffnung (15) mit angepaßtem Querschnitt auskoppelbar
ist, und daß die dritte Spiegelfläche (17) innerhalb des
Hohlstrahls im Bereich der Auskopplungsöffnung (15) ange
ordnet ist.
5. Laserresonator, insbesondere für Kohlendioxidlaser, mit
einem von zwei vollreflektierenden Resonatorendspiegeln
gebildeten Resonator, mit einer kreisförmigen und senk
recht zur Resonatorachse gelegenen Lichtdurchtrittsöffnung
in einem der Endspiegel, insbesondere nach einem oder meh
reren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die senkrecht zur Resonatorachse (11)
gelegene Lichtdurchtrittsöffnung (20) eine einen Voll
strahl (34) bildende Auskopplungsöffnung ist.
6. Laserresonator nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß der die kreisförmige Öffnung
(20) aufweisende Endspiegel (M 2) eine kreisringförmige,
dem anderen Endspiegel (M 1) zugewendete konvexe oder kon
kave Endspiegelfläche (13′) hat, und daß der andere End
spiegel (M 1) eine kreisringförmige, mit gegen Null tendie
rendem Innendurchmesser versehene konkave oder konvexe
Endspiegelfläche (12′) aufweist.
7. Laserresonator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß sich radial nach außen
und/oder nach innen an die kreisringförmige Endspiegel
fläche (13′) des die Öffnung (20) aufweisenden Endspiegels
(M 2) eine mit der konkaven Endspiegelfläche (12′) des
anderen Endspiegels (M 1) einen stabilen äußeren und/oder
inneren Resonatorraum (18 bzw. 18′ bzw. 18′′) bildende
Spiegelfläche (17 bzw. 17′ bzw. 17′′) anschließt.
8. Laserresonator nach einem oder mehreren der Ansprüche 5
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens ein erster Endspiegel (M 1) eine Endspiegel
fläche (37) hat, mit der ein von dem zweiten Endspiegel
(M 2) reflektierter Strahlungsanteil über die Mittelachse
(11) des Resonators (10) hinweg auf den zweiten Endspiegel
9. Laserresonator nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Endspiegelfläche (37)
konkav ausgebildet und konzentrisch um die Mittelachse
(11) herum angeordnet ist und mit einer kreisringförmigen,
unmittelbar um die Lichtdurchtrittsöffnung (20) herum
angeordneten Spiegelfläche (17′′) einen stabilen Resona
torraum (18′′) bildet.
10. Laserresonator nach einem oder mehreren der Ansprüche 5
bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
der die kreisförmige Lichtdurchtrittsöffnung (20) aufwei
sende zweite Endspiegel (M 2) ein planer Lochspiegel ist
und der andere Endspiegel (M 1) eine kreisringförmige kon
kave Endspiegelfläche (12′) aufweist.
11. Laserresonator nach Anspruch 5 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Endspiegel (M 1)
der Lichtdurchtrittsöffnung (20) des zweiten Endspiegels
(M 2) gegenüber mit einer Planfläche (41) versehen ist, die
tangential in die Krümmungsbereiche (42) der konkaven End
spiegelfläche (12′) übergeht.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893913188 DE3913188C2 (de) | 1988-04-22 | 1989-04-21 | Laserresonator |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3813567 | 1988-04-22 | ||
DE19893913188 DE3913188C2 (de) | 1988-04-22 | 1989-04-21 | Laserresonator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3913188A1 true DE3913188A1 (de) | 1989-11-02 |
DE3913188C2 DE3913188C2 (de) | 1993-11-04 |
Family
ID=25867282
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19893913188 Expired - Fee Related DE3913188C2 (de) | 1988-04-22 | 1989-04-21 | Laserresonator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3913188C2 (de) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3681709A (en) * | 1970-01-27 | 1972-08-01 | United Aircraft Corp | Diffraction coupled laser oscillator focusing system |
DE2449123A1 (de) * | 1974-10-16 | 1976-04-22 | Messerschmitt Boelkow Blohm | Auskoppelspiegel fuer astabile laserresonatoren |
EP0100089A1 (de) * | 1982-07-30 | 1984-02-08 | COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE Société anonyme dite: | Laseroszillator mit Gasfluss |
-
1989
- 1989-04-21 DE DE19893913188 patent/DE3913188C2/de not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3681709A (en) * | 1970-01-27 | 1972-08-01 | United Aircraft Corp | Diffraction coupled laser oscillator focusing system |
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EP0100089A1 (de) * | 1982-07-30 | 1984-02-08 | COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE Société anonyme dite: | Laseroszillator mit Gasfluss |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3913188C2 (de) | 1993-11-04 |
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