DE3915151A1 - Spiegelanordnung fuer einen instabilen laser-resonator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spiegelanordnung für einen instabilen Laser-Resonator.

Instabile Resonatoren sind bei Lasern, insbesondere Gaslasern, dann von Vorteil, wenn irgendeine Kombination folgender Eigen­ schaften auftritt: große Verstärkung, großes Modenvolumen, hohe Energie oder große Leistung. Der Vorteil solcher Resonatortypen besteht darin, daß die Grundmode stabil erzeugt werden kann und teildurchlässige Spiegel nicht benötigt werden. Vgl. in diesem Zusammenhang das Buch "Lasers" von A. F. Siegmann, University Science Books, Mill Valley, California, 1986, S. 858 ff. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß für die Auskopp­ lung der Laserleistung ein zusätzlicher Umlenkspiegel (scraper), der einen achsenfernen Teil des Strahlungsfeldes aus dem Resona­ tor auskoppelt, besonders günstig ist. Ein solcher instabiler Resonator besteht somit aus mindestens drei spiegelnden Flächen, die bei Hochleistungslasern gekühlt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spiegelanordnung für einen instabilen Laser-Resonator der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine besonders günstige Anordnung und Zuordnung des Umlenkspiegels zu einem der beiden endseitigen Resonatorspiegel derart erzielt werden kann, daß eine mechanisch stabile, justierbare Fassung für die optischen Elemente des Resonatorspiegel und des Umlenkspiegels gegeben ist. Das Strahlungsfeld im Resonator und der ausgekoppelte Anteil soll außerdem durch mechanische Bauteile nicht beein­ flußt bzw. beeinträchtigt werden können.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe mit einer gattungs­ gemäßen Spiegelanordnung, wobei im Strahlungsfeld zwischen den beiden Resonatorspiegeln ein zur optischen Achse gekippter ringscheibenförmiger Umlenkspiegel zur Auskopplung eines achsen­ fernen Teils des Strahlungsfeldes vorgesehen ist, dadurch gelöst, daß der Umlenkspiegel und einer der beiden Resonator­ spiegel an einem gemeinsamen Tragkörper justierbar gehalten sind, wobei der Tragkörper einen gleichachsig zur Umlenkspiegel­ öffnung und zur optischen Achse des Resonatorspiegels verlaufen­ den Strahlenkanal und Kühlkanäle zur Hin- und Rückleitung eines Kühlmittels zu bzw. von den beiden Spiegeln aufweist.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß der Konstruktions- und Fertigungsaufwand im Ver­ gleich zu einer Laseranordnung, bei welcher drei einzeln ausge­ führte separat gekühlte und gehaltene Spiegel vorhanden wären, beträchtlich reduziert ist.

Im folgenden werden anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der anliegenden Zeichnung dargestellt ist, der Erfindungsgegen­ stand sowie weitere Vorteile erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 in schematischer Darstellung die Spiegelanordnung eines instabilen Laser-Resonators (confocal, positiver Ast) nach der Erfindung mit einem zur optischen Achse gekippten Umlenkspiegel zur Strahlauskopplung;

Fig. 2 in einem Axialschnitt nach der Schnittebene II-II aus Fig. 4 die kombinierte Einheit aus dem einen Resonator­ spiegel, dem Umlenkspiegel, einem Tragkörper und einem Einsatzkörper;

Fig. 3 den Schnitt längs der Schnittebene III-III aus Fig. 4 durch den Tragkörper;

Fig. 4 die Stirnansicht auf die Spiegelanordnung nach Fig. 2 und

Fig. 5 einen Teilschnitt längs der Schnittebene IV-IV aus Fig. 4.

Gemäß Fig. 1 liegen sich gleichachsig in bezug auf die optische Achse X-X des schematisch dargestellten Lasers die beiden Resona­ torspiegel 1 (erster Spiegel) und 2 (zweiter Spiegel) gegenüber. Im Strahlungsfeld R zwischen den beiden Resonatorspiegeln 1 und 2 näher zum zweiten Spiegel und weiter entfernt vom ersten Spiegel 1 ist ein Umlenkspiegel 3 ("scraper") zur Auskopplung eines achsenfernen Teils R 1 des Strahlungsfeldes R derart angeordnet, daß er ein röhrenförmiges Strahlenbündel R 1′ nach außen wirft. Die Spiegelfläche des zweiten Spiegels 2 habe den Krümmungs­ radius ϕ ₂, so daß ein Konvex-Spiegel gebildet wird, wie es sche­ matisch dargestellt ist. Der gegenüberliegende erste Spiegel 1 ist ein Konkavspiegel mit Krümmungsradius ϕ ₁. Bei dem so gebildeten instabilen Resonator - des im übrigen nicht dargestellten Lasers - werden mithin zwischen den beiden Spiegeln 1, 2 hin und her re­ flektierte Strahlen zunehmend in die Außenzonen der beiden Spie­ gel reflektiert, so daß ab einer gewissen Anzahl von Reflektionen die äußere Ringzone des Strahlenbündels auf den Innenbereich des Umlenkspiegels 3 trifft, welcher zur optischen Achse X-X z.B. um einen Winkel von 45° geneigt ist und ringscheibenförmig ausgebil­ det, d.h. mit einer zentrischen Öffnung 3 a versehen ist, durch welche der Kern R 2 des Strahlungsfeldes hindurchgelassen wird.

Gemäß Fig. 2 sind der Umlenkspiegel 3 und der zweite Spiegel 2, also einer der beiden Resonatorspiegel 1, 2, an einem gemeinsamen Tragkörper 4 justierbar gehalten. Letzterer weist einen gleich­ achsig zur Umlenkspiegelöffnung 3 a und gleichachsig zur optischen Achse X-X des des Resonators Re nach Fig. 1 verlaufenden Strahlen­ kanal 4 a auf. Weiterhin sind, wie es Fig. 2 in Verbindung mit Fig. 3 und 4 zeigt, eine erste Gruppe 5 von Kühlkanälen 5 a, 5 b zur Kühlung des Umlenkspiegels 3 und eine zweite Gruppe 6 mit Kühlkanälen 6 a, 6 b zur Kühlung des zweiten Spiegels 2 vorgesehen, worauf noch näher eingegangen wird.

Der Tragkörper 4 ist als ein hohlzylindrischer Körper mit einem Tragflansch 4 b und einer Kanalerweiterung 4 c am Flanschende zur Aufnahme eines Resonatorspiegel-Einsatzes 7 ausgebildet. Letzterer ist ein stopfenförmiger Körper, an dessen innerer Stirnfläche der Resonatorspiegel 2 befestigt ist und welcher mit zu und von der Anlagefläche des Spiegels 2 führenden Kühl­ kanälen 6 a,6 b versehen ist. Mit seinem am äußeren Ende vorge­ sehenen Montageflansch 7 a ist der Einsatzkörper 7 am Endflansch 4 b des Tragkörpers 4 - justierbar in Richtung der optischen Achse X-X des Resonators Re (Fig. 1) - befestigt bzw. zu befestigen.

Der Umlenkspiegel 3 ist im dargestellten Beispiel an den ent­ sprechend der Auskoppelrichtung unter einem Neigungswinkel (im Beispiel 45°) schräg abgeschliffenen Spiegelsitzflächen 4 d des freien Endes des Tragkörpers 4 aufsitzend festgelötet. Die Sitzflächen 4 d sind von rinnenförmigen Spiegelkühlkanälen 8 durchzogen, die z.B. auf konzentrischen Kreisen liegen und zu­ laufseitig an einen Kühlwasserzufuhrkanal 5 a (Fig. 3) ange­ schlossen sind und ablaufseitig an einen Kühlwasserrückführ­ kanal 5 b. Der Umlenkspiegel 3 ist an seiner Spiegelsitzfläche 4 d derart festgelötet, daß auch die Spiegelkühlkanäle 8 nach außen hermetisch abgeschlossen sind.

Eine ähnliche Befestigungs- und Kühlart ist für den Resonator­ spiegel 2 gewählt: In die Stirnfläche des stopfenförmigen Körpers 7 sind bei 9 angedeutete, rinnenförmige Kühlkanäle ein­ gebracht, die an ihrem einen Ende mit dem Zuführkanal 6 a für das Kühlmedium und an ihrem anderen Ende mit dem Rückführkanal 6 b für das Kühlmedium kommunizieren, wobei als Kühlmedium vor­ zugsweise Wasser verwendet wird. Die mit 7d bezeichnete Stirn­ fläche bildet wieder eine Spiegelsitzfläche für den an dieser Stirnfläche festgelöteten Resonatorspiegel 2, wobei die Löt­ verbindung entsprechend der Lötverbindung beim Umlenkspiegel 3 nach außen hermetisch dicht ist und die Rückseite des Spiegels 2 von der durch die Kühlkanäle 9 strömenden Kühlflüssigkeit benetzt und gekühlt wird. Entsprechendes gilt für den Umlenk­ spiegel 3. Mit 10 ist ein in eine Ringnut am Grunde der Kanal­ erweiterung 4 c eingelegter Dichtungsring, insbesondere O-Ring, bezeichnet, gegen den der mit dem Spiegel versehene Einsatzkörper dichtend gedrückt wird, wenn letzterer mit seinem Flansch 7 a und den entsprechenden Flanschschrauben 11 (Fig. 4) in seine endgül­ tige Montagestellung nach Fig. 2 gebracht wird. Die Kühlmittel- Anschlußarmaturen für den Einsatzkörper 7 sind mit 12 bezeichnet; es handelt sich um Schlauch-Anschlußarmaturen, in welchen die nicht näher dargestellten Anschlußschläuche dichtend gefaßt sind und welche mit einem Schraubkopf in entsprechende Bohrungen 13 dichtend eingeschraubt werden können, wobei die Achsen der Gewinde­ bohrungen 13 etwas exzentrisch bezüglich der Kühlkanäle 6 a, 6 b an­ geordnet sind. Entsprechende Kühlmittelschlauch-Anschlußarmaturen 14 zum Anschluß an die Kühlmittelzu- und -abfuhrkanäle 5 a, 5 b des Umlenkspiegels 3 (siehe Fig. 3 und 4) sind an den Tragkörper 4 angeschlossen, und entsprechende zu den Kanälen 5 a, 5 b etwas ex­ zentrische Gewindebohrungen zum Einschrauben der Gewindeköpfe der Anschlußarmaturen sind mit 15 bezeichnet.

Der Flansch 7 a des Einsatzkörpers 7 ist, wie es Fig. 4 zeigt, im Bereich der Anschlußarmaturen 14 etwas ausgespart, damit ein Zugang zum Ansetzen der Gewindeschlüssel an die Sechskantmuttern der Anschlußarmaturen gegeben ist. Bei der Befestigung der ge­ samten Spiegelanordnung nach Fig. 2 wird letztere durch eine entsprechende Gehäusebohrung des nicht dargestellten Lasergehäu­ ses mit dem Durchmesser D ₁ hindurch eingeschoben (Fig. 5) und mit ihrem Flansch 4 b unter dichtender Anlage eines in die Ring­ nut (16) eingelegten O-Ringes 16 a (Fig. 2) gegen das Gehäuse mittels der Flanschschrauben 17 (siehe Fig. 4), auf die opti­ sche Achse X-X feinjustiert ausgerichtet, verspannt. Eine Boh­ rung für eine solche Spannschraube 17 ist in Fig. 5 zu erkennen, wobei in dieser Fig. die Ringnut 16 der Einfachheit halber weg­ gelassen wurde. Mittels der Dichtringe 16 a und 10 (Fig. 2) kann eine vakuumdichte Verbindung zwischen Tragkörper 4 und Laserge­ häuse bzw. Einsatzkörper 7 und Tragkörper 4 hergestellt werden.

Claims (4)

1. Spiegelanordnung für einen instabilen Laser-Resonator, wobei im Strahlungsfeld zwischen den beiden Resonatorspiegeln ein zur optischen Achse gekippter ringscheibenförmiger Umlenkspiegel zur Auskoppelung eines achsenfernen Teils des Strahlungsfeldes vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenk­ spiegel (3) und einer der beiden Resonatorspiegel (2) an einem gemeinsamen Tragkörper (4) justierbar gehalten sind, wobei der Tragkörper (4) einen gleichachsig zur Umlenkspiegelöffnung (3 a) und zur optischen Achse (x-x) des Resonators (Re) verlaufenden Strahlenkanal (4 a) und Kühlkanäle (5 a, 5 b; 6 a, 6 b) zur Hin- und Rückleitung eines Kühlmittels zu bzw. von den beiden Spiegeln (3 bzw. 4) aufweist.

2. Spiegelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Tragkörper (4) als hohlzylindrischer Körper mit einem Tragflansch (4 b) und einer Kanalerweiterung (4 c) am Flanschende zur Aufnahme eines Resonatorspiegel-Einsatzes (7) ausgebildet ist.

3. Spiegelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Resonatorspiegel-Einsatz (7) ein stopfenförmiger Körper ist, mit dem an seiner inneren Stirnfläche befestigten Resonatorspiegel (2), mit zu und von der Spiegelanla­ gefläche führenden Kühlkanälen (6 a, 6 b) und mit an seinem äußeren Ende vorgesehenem Montageflansch (7 a), mit welchem der Einsatz am Endflansch (4 b) des Tragkörpers (4) - justierbar in Richtung der optischen Achse (x-x) des Resonators - befestigbar ist.

4. Spiegelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Dichtungen (10 bzw. 16 a) ein vakuumdichter Dichtsitz des Trag­ körpers (4) im Lasergehäuse bzw. des Einsatzkörpers (7) im Tragkörper (4) hergestellt ist.