DE3913188C2 - Laserresonator - Google Patents

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 bilden, und mit mindestens einer weiteren vollständig reflek­ tierenden Spiegelfläche, mit der die Laserstrahlung vor ihrer durch eine Auskopplungsöffnung des Resonators erfolgenden Aus­ kopplung reflektiert wird.

Die Auskopplung von Laserstrahlung und damit von Laserlei­ stung aus dem optischen Resonator des Lasers erfolgt gewöhnlich dadurch, daß ein Resonatorspiegel entweder teiltransmittierend ausgebildet ist, oder daß er Laserstrahlung aus dem Resonator­ bereich hinausstrahlt. Resonatoren mit teiltransmittierenden Spiegeln sind bevorzugt stabile Resonatoren, bei denen also der Laserstrahl aufgrund der fokussierenden Wirkung eines oder bei­ der Spiegel in dem durch die Spiegel definierten Bereich um die Resonatorachse herum lokalisiert bleibt. Eine derartige Ausbil­ dung stabiler Resonatoren mit Rotationssymmetrie um die Resona­ torachse herum hat den Vorteil, daß die ausgekoppelte Laser­ strahlung eine hohe Strahlqualität hat. Diese wird beispiels­ weise dadurch bestimmt, über welche Strecke der Laserstrahl sich näherungsweise parallel ausbreitet bzw. ist ein Maß dafür, wie klein der Brennfleck ist, auf den der Laserstrahl gebündelt werden kann bzw. wie groß die höchstens erreichbare Intensität ist. Die theoretisch höchste Qualität weist bekanntlich die Strahlverteilung nach dem Gaußschen Grundmode TEM 00 auf. An­ dere Strahlverteilungen, z. B. TEM 01 haben abnehmende Strahl­ qualität bei wachsendem Strahldurchmesser. Andererseits ist ein großer Strahldurchmesser erforderlich, um hohe Ausgangsleistun­ gen zu erzielen, wenn man davon ausgeht, daß letztere große Vo­ lumina aktiven Materials erfordern und die Resonatorlänge aus begreiflichen Gründen begrenzt ist. Daraus ergibt sich, daß eine Steigerung der Ausgangsleistung durch Vergrößerung des Strahldurchmessers im Prinzip mit einer Verschlechterung der Strahlqualität einhergeht. Hinzu kommt, daß die transmittieren­ den Spiegel nicht beliebig hoch belastbar sind, also von der durch sie hindurchtretenden Laserstrahlung nicht übermäßig er­ wärmt werden dürfen, damit ihre optische Wirkung nicht beein­ trächtigt 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 La­ serstrahlung den Resonatorbereich nach einer endlichen 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 Resonator bil­ den, und mit mindestens einer weiteren vollständig reflektie­ renden Spiegelfläche, mit der die Laserstrahlung aus dem Reso­ nator ausgekoppelt wird. Die weitere Spiegelfläche, mit der die Laserstrahlung aus dem Resonator ausgekoppelt wird, ist als Endspiegelfläche eines der beiden Endspiegel ausgebildet. Der zwischen den beiden Endspiegelflächen gelegene Resonator ist stabil und die weitere Spiegelfläche des einen Endspiegels dient ausschließlich zur Auskopplung von im Grundmode schwin­ gendem Laserlicht aus dem stabilen Resonator. Ein instabiler Resonator ist nicht vorhanden. Vielmehr erfolgt die Auskopplung der Laserstrahlung durch die weitere Spiegelfläche des einen Endspiegels direkt auf einen Fokussierspiegel eines Fokussier­ systems.

Ein Laserresonator mit den eingangs genannten Merkmalen ist aus der EP 01 00 089 A1 bekannt. Der eine Endspiegel des Resonators hat ein Loch, damit die Laserstrahlung von dem ande­ ren Endspiegel durch dieses Loch hindurch auf einen Umlenkspie­ gel treffen kann, der die auf ihn auftreffende Strahlung mit­ tels eines mit sphärischen Spiegelflächen versehenen Kegels und einer sich an diesen radial anschließenden kreisringförmigen konkaven sphärischen Spiegelfläche auf den mit dem Loch verse­ henen Spiegel parallel reflektiert. Bei diesem bekannten insta­ bilen Resonator erfolgt die Auskopplung mit einem zwischen den beiden Endspiegeln gelegenen Scraper-Spiegel, so daß der abge­ gebene Laserstrahl ein üblicher Hohlstrahl ist. Dieser bekannte Resonator wird eingesetzt, um das aktive Material im Sinne er­ höhter Leistung besser auszunutzen. Eine Beeinflussung der Strahlqualität ist nicht vorgesehen.

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 Resonator mindestens ein stabiler Resonator vorhanden ist, und daß der zum instabilen Resonator zusätzliche stabile Resonator in demselben aktiven Material von der weiteren, als Spiegelteilfläche eines der bei­ den Endspiegel gebildeten Spiegelfläche mit der Endspiegelflä­ che des anderen Endspiegels gebildet ist.

Für die Erfindung ist die Mischbauform aus stabilem und instabilem Resonator von Bedeutung. Mit dem stabilen Resonator wird die mittlere Aufenthaltsdauer der Strahlung im Resonator verlängert, so daß die Strahlungsintensität im Resonator an­ steigt. 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 Resonator versehene insta­ bile Resonatoren in Lasersystemen mit vergleichsweise kleiner Verstärkung eingesetzt werden, um dieselbe externe Laserstrahl­ leistung zu erzeugen. Außerdem wird durch den Einfluß des sta­ bilen Resonators auch die innere Struktur des ausgekoppelten Laserstrahls im Vergleich zu herkömmlichen Resonatoren so modi­ fiziert, daß sich eine höhere Strahlqualität ergibt bzw. ein geringerer Fokusradius. Das wird anhand der Ausführungsbei­ spiele noch näher erläutert.

Vorteilhafterweise bildet die weitere 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 Endspiegelflä­ chen, was die Justierempfindlichkeit des Resonators herabsetzt 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 entspre­ chend hoher Präzision hergestellt werden, beispielsweise rota­ tionssymmetrisch. Dabei ist die erforderliche hohe Oberflächen­ güte und auch die Formtoleranz mit Lambda/10 bis Lambda/20 durch vertretbaren Aufwand erreichbar.

Zweckmäßigerweise ist die weitere Spiegelfläche senkrecht zur Resonatorachse angeordnet, was zum einen der symmetrischen Ausbildung des Laserstrahls zugute kommt und darüber hinaus auch vorteilhaft für die Herstellung der weiteren Spiegelfläche ist bzw. für die Herstellung der anderen Spiegelflächen sein kann, beispielsweise wenn deren eine mit der weiteren Spiegel­ fläche eine Baueinheit bildet. In diesem Sinne liegen rotati­ onssymmetrische und damit vorteilhafte Spiegelflächen vor, wenn die weitere 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 weitere Spiegelfläche innerhalb des Hohlstrahls angeordnet ist.

Um den Resonator noch weiter dahingehend zu verbessern, daß er mit einem verringerten Auskopplungsgrad auskommt und/oder eine verbesserte Strahlqualität aufweist, ist in einem der Endspiegel eine kreisförmige und senkrecht zur Resonator­ achse gelegene Lichtdurchtrittsöffnung eine einen Vollstrahl bildende Auskopplungsöffnung. Im Querschnitt dieses Vollstrahls ist die gesamte ausgekoppelte Laserleistung nahe der Resonato­ rachse bzw. nahe der Längsachse konzentriert, so daß sich eine entsprechende Verbesserung der Strahlqualität insbesondere bei Fernfeldbetrachtung der Intensitätsverteilung über den Strahl­ querschnitt 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 des Kreisringes versehene konkave oder konvexe Endspiegelfläche aufweist. Grundbedingung für die Formgebung der beiden Endspiegelflächen ist lediglich, daß diese zur Er­ zeugung des Vollstrahls keine von der Resonatorachse aus dem Reflektionsbereich radial nach außen hinauswandernde Reflekti­ onsstrahlen erzeugen, damit die gesamte ausgekoppelte Laser­ strahlung mit dem Vollstrahl zur Verfügung steht. Es ist aller­ dings möglich, mit dem durch die beiden Endspiegelflächen ge­ bildeten Resonatorbereich zusammenwirkende und sich überla­ gernde stabile Resonatoren zu bilden. Das wird dadurch er­ reicht, 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 Resonator bildende Endspiegelfläche anschließt. Bei derartigen Resonato­ ren wird also von den beiden vorbeschriebenen grundsätzlichen Lösungsgedanken 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 Resonator bildet. Außer der Verringerung der aus dem instabilen Resonatorbereich herrührenden Fluktuationen der Laserintensität bei Vollstrah­ lauskopplung wird durch den stabilen Resonator eine Verbesse­ rung 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, und daß der erste Endspiegel der Lichtdurchtrittsöffnung des zweiten Endspiegels gegenüber mit einer Planfläche versehen, die tangential in die Krümmungs­ bereiche der konkaven Endspiegelflächen übergeht. Der plane Lochspiegel ist bei allen erforderlichen Abmessungen einfach herzustellen, was insbesondere von Vorteil ist, wenn er nach Herstellung des vergleichsweise komplizierten ersten Endspie­ gels auf diesen abgestimmt werden muß. Qualitätsstörungen der Laserstrahlung durch im Bereich der Symmetrieachse gelegene Spitzen od.dgl. des ersten Endspiegels werden vermieden. Bei der vorbeschriebenen Ausführungsform handelt es sich aufgrund des Zusammenwirkens eines Planspiegels und eines Konvexspiegels 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 M2 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 M1 und M2, 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 M1, M2 an­ ders zu gestalten, beispielsweise rechteckförmig, um damit ak­ tives Material 40 mit entsprechend rechteckigem Querschnitt op­ timal ausnutzen zu können.

Die Abmessungen der Spiegel M1, M2 sind mit D, d1 und d2 bezeichnet und geben Durchmesser für diese rotationssymmetri­ schen Spiegel an, die gemeinsam die Resonatorachse 11 bilden. Der Spiegel M1 ist ein Konkavspiegel mit entsprechend konkaver Spiegelfläche 12, die vollreflektierend ist, wobei der Spiegel beispielsweise metallisch ist. Der Spiegel M2 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 Resonator 10′, d. h. die zwischen ihnen reflektierten Lichtstrahlen verbleiben nicht im Resonator 10′ bzw. achsparallel, sondern wandern ra­ dial 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 außer­ halb des Resonators 10 optisch geformt, beispielsweise kolli­ miert und einer Anwendung zugeführt, beispielsweise wird der Laserstrahl 16 zum Schweißen eingesetzt.

Der Spiegel M2 hat aber außer der Spiegelfläche 13, die den Durchmesser d2 hat, noch eine dritte Spiegelfläche 17 mit einem Außendurchmesser d1. Diese dritte Spiegelfläche 17 ist plan und quer zur Resonatorachse 11 angeordnet, so daß sie auf die Spiegelfläche 12 des Spiegels M1 gerichtet ist. Mit diesem bildet sie einen stabilen Resonator 18, der hohlzylindergestal­ tig ist und in Fig. 1 durch Punktung hervorgehoben wurde. In diesem stabilen Resonator 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 Spiegelflä­ chen 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 20 cm-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 größe­ ren Abständen noch erheblich ist. Die erfindungsgemäße Ausge­ staltung des Resonators führt hier zu einem verbesserten Ergeb­ nis mit verringerten Intensitäten außerhalb des zentralen In­ tensitätskegels. Das ergibt sich aus Fig. 3c und auch aus Fig. 4, in der die wertfrei bezogene integrierte Leistung in Abhängig­ keit vom Radius des Laserstrahls im Fokus einer Linse (Fokuslänge 20 cm) 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 Resonator entsprechend der strichpunktierten Kurve. Aus der Darstellung ist durch die Gerade 19 ersichtlich, daß der Radius bei der Intensitätsver­ teilung durch den erfindungsgemäßen Resonator in der Größenord­ nung von bis zu 40% verringert ist.

Die den Fig. 5 bis 7 dargestellten Resonatoren 10 bestehen jeweils aus den beiden vollreflektierenden Spiegeln M1 und M2, die einander gegenüberliegend angeordnet sind und die Resona­ torachse 11 bilden. Der Spiegel M1 hat eine kreisringförmige konkave Spiegelfläche 12′ mit dem zugehörigen Radius r12′ und einem zugehörigen Krümmungsmittelpunkt k12′. 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 M2 ist kreisringförmig und hat eine Lichtdurchtrittsöffnung 20, die senkrecht zur Resonatorachse 11 angeordnet ist. Die dem Spiegel M1 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 Resonator 18, der hohlzylindrisch ist. In dem Inneren des hohlzylindrischen stabilen Resonators 18 wird der Strahlungsverlauf im wesentli­ chen durch die konvexe Spiegelfläche 13′ bestimmt, deren Radius r13′ vom zugehörigen Krümmungsmittelpunkt k13′ zu rechnen ist. Aus dem Vergleich der Lage der Krümmungsmittelpunkte k12′, k13′ ist ersichtlich, daß der Resonator bezüglich der dazwischen re­ flektierten Strahlung instabil ist. Infolgedessen ergibt sich bezüglich des aus der unteren Hälfte von Fig. 5 ersichtlichen Strahlengangs, daß innerhalb des zwischen dem stabilen Resona­ tor 18 und dem Strahlengangstrahl 31 gelegenen instabilen Reso­ nator 32 Reflexionen zwischen den Spiegelflächen 12′, 13′ statt­ finden, während der durch die Strahlengangsstrahlen 31, 33 ge­ kennzeichnete Strahlungsanteil zur Bildung des Vollstrahls 34 herangezogen wird, der also durch die als Auskopplungsöffnung wirkende Lichtdurchtrittsöffnung 20 ausgekoppelt wird. Infolge der rotationssymmetrischen Ausgestaltung der Spiegel M1, M2, was durch den Pfeil 35 angedeutet wird, ist die Intensitätsvertei­ lung 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 Resonator 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 M1, M2 darge­ stellt, die keinerlei Spiegelflächen zur Bildung eines stabilen Resonators aufweisen. Trotzdem erfolgt eine Verbesserung der Strahlqualität und eine Verringerung des Auskopplungsgrads da­ durch, 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 M1, M2 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 Resonator 18, 18′ im wesentlichen bestimmenden Spiegelflä­ chen 17, 17′ abweichend vom dargestellten auszubilden, sofern nur die Bedingungen für einen stabilen Resonator erfüllt sind. Beispiele hierzu sind aus Fig. 2a bis 2c ersichtlich. Während die Fig. 2a eine Seitenansicht des Spiegels M2 der Fig. 1 zeigt, also mit mittig angeordneter konvexer Spiegelfläche 13 und ringförmig darum herum angeordneter dritter Spiegelfläche 17, die eine Planfläche ist, wurde die dritte Spiegelfläche 17 ge­ mäß Fig. 2b in der Mitte des Spiegels M2 angeordnet. Die Spie­ gelfläche 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 Überlagerung von Strahlengängen und eine damit verbundene Verschlechterung der Strahlqualität vermieden. Gemäß Fig. 2c ist die die Instabilität des Resonators 10 bedingende Spiegelfläche 13 zentrisch angeord­ net, ebenso wie in den Fig. 1, 2a. Daran anschließend ist jedoch eine konkave dritte Spiegelfläche 17 vorgesehen, die das Licht bündelt, so daß darauf bezugnehmende Abänderungen der Spiegel­ fläche 12 vorgenommen werden können. Derartige Spiegelflächen bzw. Spiegel M2 können in den unterschiedlichsten Zusammenstel­ lungen mit anderen Spiegeln M1 angewendet werden, sofern nur gewährleistet ist, daß die Strahlqualität verbessert und/oder der Auskopplungsgrad inbesondere durch entsprechend stabile Re­ sonatorräume 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 M1, M2 und deren Spiegelflächen 12′, 13′ wird hiermit für Fig. 8 Bezug ge­ nommen. Zusätzlich ist eine den Resonator außen begrenzende Blende 38 eingezeichnet. Die Besonderheit des Resonators 10 der Fig. 8 besteht darin, daß der Spiegel M1 eine konkave Spiegel­ fläche 37 hat, die im Bereich der mittigen Spitze des Spiegels M1 der Fig. 7 angeordnet ist und mit einer Spiegelfläche 17′′ des zweiten Spiegels M2 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 18′′. Mit Hilfe des Resonators 18′′ wird ein von dem zweiten Spiegel M2 reflektierter Strahlungsanteil über die Mittelachse 11 des Resonators 10 hinweg und mit Hilfe der Spiegelfläche 37 auf den zweiten Spiegel M2 reflektiert.

Fig. 9 zeigt in schematischer Darstellung die wesentlichen Bauteile eines stabilen Resonators 10, nämlich die beiden End­ spiegel M1, M2. Der Spiegel M2 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 M2 ist mit einer kreisringförmigen konkaven Endspiegelfläche 12′ versehen. Zwi­ schen dieser und der Endspiegelfläche 13′ findet der in dem nicht dargestellten aktiven Material stattfindende Laserprozeß statt, wobei die Blende 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 d3 für die Öffnung 20 zum Auskoppeln eines Strahlungsanteils.

Der Resonator der Fig. 9 ist ein stabiler Resonator, was sich daraus ergibt, daß der Spiegel M2 einen unendlich großen Krümmungsradius hat, so daß der Krümmungsmittelpunkt der Spie­ gelfläche 12′ auf jeden Fall zwischen dem unendlichen fernen Krümmungsmittelpunkt des Spiegels M2 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 M1 mit einer Planfläche 41 versehen, durch die derar­ tige Störungen vermieden werden. Die Planfläche 41 mündet tan­ gential in die Krümmungsbereiche 42 des Spiegels M1, 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 Resonator bilden, und mit minde­ stens einer weiteren 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 (M1, M2) zusätz­ lich zum instabilen Resonator (10′, 32) mindestens ein stabiler Resonator (18, 18′, 18′′) vorhanden ist, und daß der zum instabilen Resonator (10′, 32) zusätzliche stabile Resonator (18, 18′, 18′′) in demselben aktiven Material (40) von der weiteren als Spiegelteilfläche eines der beiden Endspiegel (M2) gebildeten Spiegelflä­ che (17, 17′, 17′′) mit der Endspiegelfläche (12, 12′, 37) des anderen Endspiegels (M1) gebildet ist.

2. Laserresonator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die weitere Spiegelfläche (17, 17′) senkrecht zur Resonatorachse (11) angeordnet ist.

3. Laserresonator nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die weitere Spiegelfläche (17, 17′, 17′′) kreis- oder ringförmig ist.

4. Laserresonator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die La­ serstrahlung (16) als Hohlstrahl (15) durch eine Auskopplungs­ öffnung mit angepaßtem Querschnitt auskoppelbar ist, und daß die weitere Spiegelfläche (17) innerhalb des Hohl­ strahls angeordnet ist.

5. Laserresonator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem der Endspiegel (M2) eine kreisförmige und senk­ recht zur Resonatorachse gelegene Lichtdurchtrittsöffnung (20) eine einen Vollstrahl (34) bildende Auskopplungsöff­ nung ist.

6. Laserresonator nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der die kreisförmige Öffnung (20) aufweisende Endspiegel (M2) eine kreisringförmige, dem anderen Endspiegel (M1) zugewendete konvexe oder kon­ kave Endspiegelfläche (13′) hat, und daß der andere End­ spiegel (M1) eine kreisringförmige, mit gegen Null tendie­ rendem Innendurchmesser des Kreisringes 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 Endspiegelflä­ che (13′) des die Öffnung (20) aufweisenden Endspiegels (M2) eine mit der konkaven Endspiegelfläche (12′) des an­ deren Endspiegels (M1) einen stabilen äußeren und/oder in­ neren Resonatorraum (18, 18′ 18′′) bildende Spie­ gelfläche (17, 17′, 17′′) anschließt.

8. Laserresonator nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein erster Endspiegel (M1) eine Endspiegelteil­ fläche (37) hat, mit der ein von dem zweiten Endspiegel (M2) reflektierter Strahlungsanteil über die Mittelachse (11) des Resonators (10) hinweg auf den zweiten Endspiegel (M2) reflektierbar ist.

9. Laserresonator nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Endspiegelteilfläche (37) konkav ausgebildet und konzentrisch um die Mittelachse (11) herum angeordnet ist und mit einer kreisringförmigen, unmittelbar um die Lichtdurchtrittsöffnung (20) herum an­ geordneten Spiegelfläche (17′′) einen stabilen Resonator­ raum (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 (M2) ein planer Lochspiegel ist und der andere Endspiegel (M1) eine kreisringförmige kon­ kave Endspiegelfläche (12′) aufweist, und daß der erste Endspiegel (M1) der Lichtdurchtrittsöffnung (20) des zweiten Endspiegels (M2) gegenüber mit einer Planfläche (41) versehen ist, die tangential in die Krümmungsbereiche (42) der konkaven End­ spiegelfläche (12′) übergeht.