DE3937491C2 - Wellenleiterlaser mit Mikrowellenanregung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wellenleiterlaser mit einem in Richtung einer Resonatorachse einander gegenüberliegend im Abstand angeordnete Spiegel aufweisenden Resonator, welcher einen sich sowohl in Richtung der Resonatorachse als auch in einer zu dieser senkrechten Querrichtung ausdehnenden Strah­ lenverlauf aufweist, mit einem sich mit einer Wellenleiter­ längsrichtung im wesentlichen in Richtung der Resonatorachse zwischen den Spiegeln erstreckenden optischen Wellenleiter, welcher sich in einer Ebene parallel zur Richtung der Resona­ torachse und zur Querrichtung erstreckende, einander gegen­ überliegende und parallel zueinander verlaufende Wellen­ leiterflächen aufweist, welche den Strahlenverlauf durch Reflexion führen, und mit einem zwischen den Wellenleiter­ flächen liegenden und ein Lasergas beinhaltenden Gasentla­ dungsraum.

Ein derartiger Wellenleiterlaser ist beispielsweise aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 305 893 A2 bekannt. Bei diesem Wellenleiterlaser erfolgt die Anregung des Lasergases durch eine Hochfrequenzentladung, wobei beide Wellenleiterflächen jeweils als Elektroden dienen, denen die Hochfrequenz zuge­ führt wird und über welche die Hochfrequenzanregung des La­ sergases im Gasentladungsraum erfolgt.

Bei Hochfrequenzanregung eines derartigen Wellenleiterlasers sind aufwendige Maßnahmen erforderlich, um einen homogenen Strombelag auf den Elektroden und somit eine homogene Anre­ gung des Lasergases im Gasentladungsraum zu erhalten. Bei­ spielsweise werden hierzu zusätzliche Bauelemente den Elek­ troden parallelgeschaltet. Eine derartige Anregung der Gasentladung bringt ferner die üblichen hochfrequenztechnischen Probleme hinsichtlich der Abstrahlung und Abschirmung mit sich und ist daher, insbeson­ dere bei hohen einzukoppelnden Hochfrequenzleistungen, sehr kostenintensiv und aufwendig.

Die DE 37 08 314 A1 offenbart einen Laser, bei welchem das laseraktive Gas in einem nicht als Wellenleiter ausgebildeten Gasbehältnis innerhalb eines die Mikrowellen führenden Hohl­ leiters oder Resonators angeordnet ist, um eine in ausrei­ chenden Maße definierte und homogene Anregung des laser­ aktiven Gases zu erhalten. Bei dieser Druckschrift ist somit das laseraktive Medium in­ nerhalb einer die Mikrowellen führenden oder speichernden Mikrowellenstruktur angeordnet, so daß hinsichtlich der Füh­ rung des Laserstrahlungsfeldes und der Dimensionierung des laseraktiven Volumens auf die geometrischen Vorgaben der Mikrowellen führenden Mikrowellenstruktur Rücksicht genommen werden muß. Ferner ist die die Mikrowellen führende Mikrowellenstruktur mit Öffnungen für einen Durchtritt des Laserstrahlungsfeldes zu versehen.

Der Erfindung liegt ausgehend von der EP 0 305 893 A1 die Auf­ gabe zugrunde, einen Wellenleiterlaser der gattungsgemäßen Art mit einer technisch möglichst einfach auszuführenden und somit kostengünstigeren Anregung für das Lasergas zu verse­ hen.

Diese Aufgabe wird bei einem Wellenleiterlaser der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Mikrowellenquelle vorgesehen ist, daß von der Mikrowellen­ quelle Mikrowellen in den optischen Wellenleiter über einen Mikrowellen-Hohlleiter eingespeist werden, derart, daß der Hohlleiter mit einer Überkopplungsstruktur verbunden ist und daß die vom Lasergas getrennte Überkopplungsstruktur auf ei­ ner der Wellenleiterflächen so angeordnet ist, daß die Überkopp­ lungsstruktur sich in einer zur Wellenleiterfläche parallelen Überkopplungsrichtung erstreckt und in einem Streifenbereich in dem Gasentladungsraum längs der Überkopplungsrichtung aufgrund von Wanddurchbrüchen eine im wesentlichen konstante Mikrowellenleistungseinkopplung bewirkt.

Mit einer derartigen erfindungsgemäßen Anordnung wurde mit einfachen Mitteln erreicht, daß auch in einem Wellenleiter­ laser eine Mikrowellenanregung effektiver möglich ist, wobei insbesondere die erfindungsgemäße Überkopplungsstruktur für eine gleichmäßige Verteilung der Mikrowellenleistung über den gesamten Gasentladungsraum sorgt und die Möglichkeit eröff­ net, den optischen Wellenleiter unabhängig von der Überkopp­ lungsstruktur auszubilden.

Eine derartige Überkopplungsstruktur läßt sich besonders ein­ fach an einen die Mikrowellen heranführenden Hohlleiter an­ passen und bietet außerdem die Möglichkeit, in einfacher Weise durch die Art der Durchbrüche in der Wand die Mikro­ wellenleistungseinkopplung in den Gasentladungsraum festzu­ legen und somit eine in Überkopplungsrichtung im wesentlichen konstante Mikrowellenleistungseinkopplung zu erreichen.

Besonders vorteilhaft im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung ist es, wenn sich die Überkopplungsstruktur über ein Mehrfa­ ches einer halben Wellenlänge der Mikrowellen in Überkopp­ lungsrichtung erstreckt und somit die Möglichkeit bietet, über möglichst langgestreckte Bereiche eine konstante Mikro­ wellenleistungseinkopplung zu erreichen.

Bezüglich der Ausbildung der Überkopplungsstruktur sind ver­ schiedene, dem Fachmann für Mikrowellen bekannte Lösungen denkbar. Als besonders bevorzugt hat sich eine Lösung erwie­ sen, bei welcher die Überkopplungsstruktur ein sich in Über­ kopplungsrichtung erstreckendes Hohlleiterstück mit einer zur Wellenleiterfläche hin durchbrochenen Wand aufweist.

Die Art der Durchbrüche in der Wand kann grundsätzlich belie­ big gewählt sein. Als besonders vorteilhaft hat es sich er­ wiesen, wenn die durchbrochene Wand einen sich in Überkopp­ lungsrichtung erstreckenden Schlitz aufweist, durch welchen eine Überkopplung in den Gasentladungsraum möglich ist.

Besonders zweckmäßig ist es hierbei, wenn der Schlitz eine in Mikrowellenausbreitungsrichtung zunehmende Breite auf­ weist. Durch die zunehmende Breite läßt sich besonders günstig die Mikrowellenleistungseinkopplung steuern, wobei beim Vorliegen noch hoher Mikrowellenleistung der Schlitz schmal ist und aufgrund der abnehmenden Mikrowellen­ leistung durch die zunehmende Überkopplung in Mikrowellen­ ausbreitungsrichtung auch der Schlitz breiter gewählt werden kann, so daß letztendlich am Ende des Hohlleiter­ stücks mehr oder weniger die gesamte noch vorhandene Mikrowellenleistung in den Gasentladungsraum eingekoppelt wird.

Alternativ oder ergänzend zum Vorsehen eines Schlitzes ist es im Rahmen eines weiteren Ausführungsbeispiels der er­ findungsgemäßen Lösung auch noch vorteilhaft, wenn die durchbrochene Wand eine Serie von in Mikrowellenausbrei­ tungsrichtung liegenden Öffnungen aufweist. Auch mit diesen Öffnungen läßt sich in besonders einfacher Weise eine Überkopplung in den Gasentladungsraum erreichen.

Besonders günstig ist es hierbei auch, wenn die Öffnungen in Mikrowellenausbreitungsrichtung eine zunehmende Größe aufweisen, so daß ebenfalls mit abnehmender Mikrowellen­ leistung in dem Hohlleiterstück auch gleichzeitig eine stärkere Einkopplung von Mikrowellen in den Gasentladungs­ raum erfolgt.

Um in erfindungsgemäßer Weise möglichst einfach die Über­ kopplungsstruktur vom Lasergas im Gasentladungsraum zu trennen, und andererseits aber auch noch eine effektive Einkopplung von Mikrowellen in den Gasentladungsraum zu gewährleisten, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die durchbrochene Wand mit einem Dielektrikum verschlossen ist.

Durch dieses Dielektrikum kann einmal in der Überkopp­ lungsstruktur Luft bei Umgebungsdruck vorliegen und andererseits in dem Gasentladungsraum das jeweilige gewünschte Lasergas auf dem entsprechenden Druck gehalten werden.

Besonders einfach ist es dabei, wenn das Dielektrikum die Wellenleiterfläche trägt, d. h., daß das Dielektrikum gleichzeitig als Wand des Wellenleiters dient.

Die einfachste und vorteilhafteste Lösung im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung ist die, daß das Dielektrikum optisch reflektierend ausgebildet ist, so daß das Dielek­ trikum sowohl die durchbrochene Wand verschließt, als auch die Wand des Wellenleiters bildet und schließlich auch noch selbst die Wellenleiterfläche darstellt.

Bezüglich der näheren Ausbildung des Hohlleiterstücks selbst wurden bislang keine detaillierteren Angaben gemacht. So ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß das Hohlleiterstück endseitig abgeschlossen ist.

Besonders zweckmäßig ist es hierbei, wenn das Hohlleiter­ stück mit einer endseitigen Kurzschlußplatte abgeschlossen ist.

Die Kurzschlußplatte hat jedoch manchmal den Nachteil, daß sie zu unerwünschten Reflexionen im Hohlleiterstück führen kann. Aus diesem Grund ist es besonders vorteilhaft, wenn das Hohlleiterstück mit einem Mikrowellensumpf abge­ schlossen ist.

Um insbesondere in dem Hohlleiterstück die Mikrowellenaus­ breitung zu dosieren und somit gleichzeitig aber auch die Mikrowellenleistungseinkopplung in den Gasentladungsraum noch definierter zu steuern, ist es besonders vorteilhaft, wenn das Hohlleiterstück mit einer Serie von Tuner­ schrauben versehen ist, mit welchen zusätzlich zur An­ passung der Durchbrüche in der Wand eine vollständige An­ passung des Hohlleiterstücks hinsichtlich der Mikrowellen­ leistungseinkopplung in den Gasentladungsraum möglich ist.

Das Hohlleiterstück selbst kann im einfachsten Fall ein gerade gerichtetes Hohlleiterstück sein. Zweckmäßig hat es sich aber auch erwiesen, wenn das Hohlleiterstück ein T-Stück ist, dessen Querarm sich in Überkopplungsrichtung erstreckt. In diesem Fall wird bereits im Querarm eine gleichmäßige Aufteilung der eingekoppelten Mikrowellen­ leistung in zwei entgegengesetzte Richtungen erfolgen, so daß sich die Gleichmäßigkeit der Mikrowellenleistungs­ einkopplung von dem Querarm in den Gasentladungsraum noch besser einstellen läßt.

Eine weitere Modifikation der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, daß sich das Hohlleiterstück in Mikrowellenaus­ breitungsrichtung verjüngt, um die Mikrowellenleistungs­ einkopplung in den Gasentladungsraum zu dosieren.

Hierbei ist es beispielsweise auch denkbar, im einfachsten Fall den Schlitz in Mikrowellenausbreitungsrichtung mit konstanter Breite oder die Serie von Öffnungen in Mikro­ wellenausbreitungsrichtung mit konstantem Querschnitt aus­ zuführen. Noch besser ist es jedoch, wenn die Verjüngung des Hohlleiterstücks mit einer Anpassung des Schlitzes oder des Querschnitts der Serie von Öffnungen in Mikro­ wellenausbreitungsrichtung einhergeht.

Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, daß das Hohlleiterstück geschlitzt ist und beide Wellenleiterflächen mitsamt dem dazwischen liegenden Streifenbereich übergreift.

Besonders vorteilhaft im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung ist es, wenn mehrere Überkopplungsstrukturen vorge­ sehen sind. Dadurch läßt sich, insbesondere bei sehr breit und lang ausgeführtem Wellenleiter, durch Variation der Anordnung der Überkopplungsstrukturen eine sehr gleichmäßige An­ regung des Lasergases im Gasentladungsraum erreichen. Hierzu sieht die einfachste Variante vor, daß die Über­ kopplungsstrukturen nebeneinander liegen.

Die optimale Anregung des Lasergases im Gasentladungsraum ist dann erreicht, wenn die Streifenbereiche den Gasent­ ladungsraum im wesentlichen ausfüllen. Dies läßt sich besonders einfach dann erreichen, wenn die Mikrowellenausbreitungsrichtung in den aufeinander folgenden Streifenbereichen zugeordneten Überkopplungs­ strukturen entgegengesetzt verläuft, so daß sich eine gegebenenfalls auftretende unterschiedliche Breite der Streifenbereiche, bedingt durch die zunehmende Breite des Schlitzes oder den zunehmenden Querschnitt der Öffnungen einer Serie von diesen kompensieren läßt.

Der große Vorteil bei der Verwendung mehrerer Überkopp­ lungsstrukturen tritt dann noch deutlicher zutage, wenn jede Überkopplungsstruktur über den Hohlleiter mit einer eigenen Mikrowellenquelle verbunden ist. In einem der­ artigen Fall lassen sich in einfacher Weise mehrere Mikro­ wellenquellen zur Anregung des Lasergases im Gasent­ ladungsraum verwenden, ohne daß diese Mikrowellenquellen durch einen Hohlleiter verbunden werden und damit eine Vielzahl von Problemen bei der Kopplung mehrerer Mikro­ wellenquellen durch einen einzigen Hohlleiter vermieden wird. Beim Verwenden jeweils einer einer Überkopplungs­ struktur zugeordneten Mikrowellenquelle werden die Prob­ leme alle vermieden, da sich insbesondere auch durch die auf­ einander folgenden Streifenbereiche gegenseitige Wechselwirkungen zwischen den Mikrowellenquellen und somit eine negative Beeinflussung derselben vermeiden lassen.

Besondere Vorteile bringt es im Rahmen der erfindungsge­ mäßen Lösung, wenn die Überkopplungsstrukturen beiderseits des Gasentladungsraums angeordnet sind, und somit die Möglichkeit schaffen, von zwei entgegengesetzten Rich­ tungen Mikrowellenleistung in den Gasentladungsraum einzu­ koppeln, um das Lasergas darin mit der höchstmöglichen Leistung anzuregen.

Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn einander gegenüber­ liegende Mikrowellenstrukturen gegeneinander versetzt angeordnet sind.

Bezüglich der Ausrichtung der Überkopplungsrichtung relativ zum Wellenleiter und zum Resonator wurden bislang keine näheren Ausführungen gemacht. So sieht die ein­ fachste Lösung vor, daß die Überkopplungsrichtung parallel zur Resonatorachse verläuft. Dies bietet insbesondere bei einer einzigen Überkopplungsstruktur den Vorteil, daß der Wellenleiter und der Resonator relativ lang gewählt werden können, und daß deren Breite der Breite des Streifenbe­ reichs der gewählten Überkopplungsstruktur entspricht, so daß das Lasergas im gesamten Gasentladungsraum angeregt ist.

Darüber hinaus lassen sich auch bei breit ausgeführten Wellenleitern und Resonatoren bei einer parallel zur Resonatorachse und vorzugsweise auch parallel zur Wellen­ leiterachse verlaufenden Überkopplungsrichtung mehrere, sich in Richtung dieser erstreckende Überkopplungs­ strukturen an einem Wellenleiter anordnen.

Insbesondere bei breit ausgeführten Wellenleitern ist es jedoch auch denkbar, daß die Überkopplungsrichtung parallel zur Querrichtung verläuft und somit durch die Anordnung mehrerer Überkopplungsstrukturen auch eine An­ regung des Lasergases über im wesentlichen die gesamte Länge des Resonators und des Wellenleiters erfolgt. Insbe­ sondere bei instabilen Resonatoren ist es erforderlich, im Bereich der Resonatorachse genügend Mikrowellenleistung zur Verfügung zu haben, um ein Anschwingen des Lasers zu gewährleisten, so daß sich in diesem Fall eine parallel zur Querrichtung verlaufende Überkopplungsrichtung als günstig erwiesen hat, da mit dieser keine Probleme be­ stehen, den Gasentladungsraum über die gesamte Breite des optisch instabilen Resonators anzuregen, und eine even­ tuell nicht vollständige Ausnützung der Länge dieses Resonators weniger Probleme bereitet, als eine unvoll­ ständige Anregung über die Breite desselben.

Ausführungsbeispiele, die von der erfindungsgemäßen Lösung Gebrauch machen, sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des Wellenleiterlasers mit ge­ strichelt angedeuteter Überkopplungsstruktur;

Fig. 2 das erste Ausführungsbeispiel bei aufge­ schnittener Überkopplungsstruktur und ohne Resonatorspiegel;

Fig. 3 eine Darstellung ähnlich Fig. 2 einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels;

Fig. 4 eine Darstellung ähnlich Fig. 1, allerdings ohne Resonatorspiegel, einer weiteren Variante des ersten Ausführungsbeispiels;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels mit weggelassenen Resonatorspiegeln;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels mit weggelassenen Resonatorspiegeln;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels mit weggelassenen Resonatorspiegeln;

Fig. 8 eine Draufsicht in Richtung des Pfeils A in Fig. 7;

Fig. 9 eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 4 eines fünften Ausführungsbeispiels und

Fig. 10 eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 9 eines sechsten Ausführungsbeispiels.

Ein erstes, als Ganzes mit 10 bezeichnetes Ausführungs­ beispiel eines erfindungsgemäßen Wellenleiterlasers umfaßt einen als Ganzes mit 12 bezeichneten Resonator, welcher einen konvexen Spiegel 14 und einen konkaven Spiegel 16 aufweist. Der Resonator 12 ist dabei als optisch in­ stabiler Resonator ausgebildet, wobei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Resonatorachse 18 in Fig. 1 von einem linken Rand des konvexen Spiegels 14 zu einem linken Rand des konkaven Spiegels 16 verläuft.

Eine Spiegelfläche 20 des konvexen Spiegels 14 steht dabei im Schnittpunkt mit der Resonatorachse 18 senkrecht auf dieser und gleiches gilt für eine Spiegelfläche 22 des konkaven Spiegels 16.

Eine Lasertätigkeit des Resonators 12 beginnt daher im Bereich der Resonatorachse 18 und führt zu einem sich in einer Querrichtung 24 ausbreitenden Strahlenverlauf auf­ grund von Reflexionen an den Spiegelflächen 20 und 22 und schließlich zu einem austretenden Laserstrahl 26, welcher sich in einer Austrittsrichtung 28 parallel zur Resonator­ achse 18 ausbreitet und in seiner Geometrie einmal durch die Ausdehnung der Spiegelflächen 20 und 22 senkrecht zur Querrichtung 24 und zur Resonatorachse 18 und ein andermal durch eine geringere Erstreckung des konvexen Spiegels 14 gegenüber dem konkaven Spiegel 16 in Querrichtung 24 bedingt ist.

Vorzugsweise sind die Spiegel 14 und 16 als zylindrische Spiegel mit in Richtung senkrecht zur Querrichtung 24 und zur Resonatorachse 18 gerade gerichteter Spiegelfläche ausgebildet und außerdem zueinander konfokal.

Zwischen den Spiegeln 14 und 16 erstreckt sich ein als Ganzes mit 30 bezeichneter Wellenleiter, welcher zwei parallel zueinander ausgerichtete Wellenleiterflächen 32 und 34 umfaßt, die sich jeweils in Ebenen parallel zur Querrichtung 24 und zur Resonatorachse 18 erstrecken und den Strahlenverlauf des Resonators 12 zwischen sich ein­ schließen. Die Wellenleiterflächen 32 und 34 sind dabei optisch reflektierend ausgebildet, so daß zwischen den Spiegeln 14 und 16 hin- und herverlaufende Strahlen 35 an diesen mehrfach reflektiert und somit durch die Wellen­ leiterflächen 32 und 34 geführt werden.

Die Wellenleiterflächen 32 und 34 sind jeweils durch eine Wand 36 und 38 getragen. Im vorliegenden Fall ist die Wand 38 aus dielektrischem Material hergestellt und zur Aus­ bildung der Wellenleiterfläche 34 für die Laserstrahlen 35 reflektierend ausgebildet. Die Wand 36 ist im einfachsten Fall aus Metall ausgebildet.

Zwischen den Wänden 36 und 38 wird ein Gasentladungsraum 40 gebildet, welcher das jeweilige Lasergas enthält. Die Anregung des Lasergases im Gasentladungsraum erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel über Mikrowellen, welche von einem als Mikrowellenquelle 42 dienenden Magnetron erzeugt und in einen Hohlleiter 44 eingespeist werden, welcher zu einer Überkopplungsstruktur 46 führt, welche sich über der Wand 38 auf einer dem Gasentladungsraum 40 gegenüberliegenden Seite der Wellenleiterfläche 34 er­ streckt. Die Überkopplungsstruktur 46 verläuft dabei mit ihrer Überkopplungsrichtung 48 parallel zur Resonatorachse 18 und erstreckt sich in dieser Richtung über im wesent­ lichen die gesamte Erstreckung der Wand 38 in dieser Rich­ tung.

Im einfachsten Fall umfaßt die in Fig. 1 gestrichelt ge­ zeichnete Überkopplungsstruktur 46 ein Hohlleiterstück 50, welches mit einer Wand 52 auf der Wand 38 unmittelbar auf­ liegt. Vorzugsweise handelt es sich bei der Wand 52 um die Wand einer Breitseite des Hohlleiterstücks 50, es ist aber auch in gleicher Weise möglich, anstelle der Wand 52 einer Breitseite das Hohlleiterstück 50 mit einer Wand 54 einer Schmalseite auf der Wand 38 aufzulegen.

Von diesem Hohlleiterstück 50 hat nun eine Einkopplung der sich in diesem in einer Ausbreitungsrichtung 56, welche mit der Überkopplungsrichtung 48 in diesem Fall zusammen­ fällt, ausbreitenden Mikrowellen in den Gasentladungsraum 40 zu erfolgen. Hierzu ist die Wand 52 des ganz aus Metall ausgeführten Hohlleiterstücks 50, wie in Fig. 2 darge­ stellt, mit einem Schlitz 58 versehen, welcher sich in Ausbreitungsrichtung 56 der Mikrowellen von einem Anfangs­ bereich 60 der Überkopplungsstruktur 46 zu einem Endbe­ reich 62 hin zunehmend in der Querrichtung 24 erweitert. Dieser Schlitz 58 ermöglicht einen Durchtritt der Mikro­ wellen aus dem Hohlleiterstück 50 durch die aus dielek­ trischem Material ausgeführte Wand 38 hindurch in den Gas­ entladungsraum 40 und führt zu einer Mikrowellenanregung des Lasergases in einem Streifenbereich 64 des Gasent­ ladungsraums 40. Die zunehmende Breite des Schlitzes 58 dient dazu, in dem Streifenbereich 64 eine im wesentlichen konstante Mikrowellenleistungseinkopplung zu erreichen, da die zunächst im Anfangsbereich 60 der Überkopplungs­ struktur 46 ankommenden Mikrowellen mit hoher Leistung zur Verfügung stehen und vermieden werden soll, daß die gesamte Mikrowellenleistung bereits im Anfangsbereich 60 in den Gasentladungsraum 40 eingekoppelt wird. Aus diesem Grund wird durch den schmalen Schlitz nur eine geringe Leistungsauskopplung im Anfangsbereich 60 zugelassen, die jedoch in Ausbreitungsrichtung 56 der Mikrowellen immer größer wird, so daß die Leistung der Mikrowellen in ihrer Ausbreitungsrichtung 56 bis zum Endbereich 62 konstant abnimmt, in welchem dann die gesamte noch in dem Hohl­ leiterstück 50 vorhandene Mikrowellenleistung in den Streifenbereich 64 eingekoppelt wird.

Der Schlitz 58 kann sich dabei linear in der Überkopp­ lungsrichtung 48 erstreckende Ränder 66 aufweisen, es ist aber auch möglich, die Ränder 66, wie in Fig. 2 darge­ stellt, nichtlinear auszubilden und deren Abstand so anzu­ passen, daß die Einkopplung der Mikrowellen in den Streifenbereich 64 gleichmäßig erfolgt.

Ein Inneres 68 des Hohlleiterstücks 50 ist dabei von dem Lasergas im Gasentladungsraum 40 vollständig getrennt, so daß im Hohlleiter Luft unter Normaldruck vorliegen kann und lediglich in dem gewünschten Streifenbereich die er­ forderliche Gasentladung eintritt.

Eine Variante des ersten Ausführungsbeispiels, dargestellt in Fig. 3, zeigt anstelle des Schlitzes 58 eine Serie von einzelnen Öffnungen 70, welche ebenfalls beginnend im Anfangsbereich 60 eine geringe Querschnittsfläche auf­ weisen und zunehmend in Überkopplungsrichtung 48 oder in Ausbreitungsrichtung 56 der Mikrowellen eine stetig zu­ nehmende Querschnittsfläche aufweisen, um den gleichen Effekt wie beim in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbei­ spiel zu erreichen, nämlich eine nur begrenzte Einkopplung von Mikrowellen im Anfangsbereich 60 und eine vollständige Einkopplung der noch im Endbereich 62 ankommenden Mikro­ wellen.

Ansonsten ist die in Fig. 3 dargestellte Variante in gleicher Weise ausgeführt wie das erste Ausführungsbei­ spiel, so daß dieselben Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind und hinsichtlich deren Beschreibung auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel verwiesen werden kann.

Ein Abschluß des Hohlleiterstücks 50 im Endbereich 62 der Überkopplungsstruktur 46 erfolgt, wie in Fig. 1 ebenfalls gestrichelt angedeutet, durch eine Kurzschlußplatte 74, d. h. durch eine quer zur Ausbreitungsrichtung 56 stehende Metallwand.

Alternativ zur Kurzschlußplatte 74 kann, wie in Fig. 4 bei einer weiteren Variante des ersten Ausführungsbeispiels dargestellt, in das Hohlleiterstück 50 im Endbereich 62 ein als Mikrowellensumpf 76 bezeichenbarer Keil aus verlustbehaftetem dielektrischem Material eingesetzt sein, welcher an einem Ende 80 das Hohlleiter­ stück 50 vollständig verschließt, sich in der Querrichtung 24 über die gesamte Breite des Hohlleiterstücks 50 er­ streckt und mit einer Schrägfläche 82 von der Wand 36 mit zunehmendem Abstand zur gegenüberliegenden Wand 84 hin ausläuft. Dieser Keil 76 wirkt als verlustbehaftetes Dielektrikum und dient dazu, die üblicherweise an der Kurzschlußplatte 74 auftretenden Reflexionen entgegen zur Ausbreitungs­ richtung 56 der Mikrowellen zu unterbinden.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 5, ist der Wellenleiter 30′ breiter ausgeführt als beim ersten Ausführungsbeispiel, so daß die Überkopplungsstruktur 46 mit dem Hohlleiterstück 50, dessen Abmessungen durch die Frequenz des Magnetrons 42 festgelegt sind, zur vollständigen Anregung des Gasent­ ladungsraums 40 nicht mehr ausreichend ist. Aus diesem Grund sind auf der Wand 38′ des Wellenleiters 30′ mehrere Überkopplungsstrukturen 46a, 46b und 46c angeordnet und auf der gegenüberliegenden Wand 36′ die Überkopplungs­ strukturen 46d und 46e, welche alle entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel und den im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erläuterten Alternativen ausge­ bildet sind.

Jede dieser Überkopplungsstrukturen 46a bis 46e führt zur Anregung des Lasergases im Gasentladungsraum 40 in einem der jeweiligen Überkopplungsstruktur 46a bis 46e zugeord­ neten Streifenbereich 64a bis 64e, wobei bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel die Überkopplungsstrukturen 46a bis 46e so dicht gelegt sind, daß die Streifenbereiche 64a bis 64e unmittelbar aneinander angrenzen und somit eine Anregung des Lasergases im gesamten Gasentladungsraum 40 erfolgt.

Vorzugsweise ist dabei jede der Überkopplungsstrukturen mit einem eigenen Magnetron 42a bis 42e versorgt, die alle unabhängig voneinander arbeiten können. Damit ist zusätz­ lich zu einer sowohl in Richtung der Resonatorachse, d. h. in Überkopplungsrichtung 48 konstanten Anregung des Laser­ gases als auch einer in der Querrichtung 24 im wesent­ lichen konstanten Anregung des Lasergases über den ge­ samten Gasentladungsraum 40 noch zusätzlich erreicht, daß mehrere Magnetrons 42a bis 42e, welche kommerziell mit be­ grenzten Leistungen erhältlich sind, mit der Summe ihrer Leistungen für das Betreiben des erfindungsgemäßen Wellen­ leiterlasers zur Verfügung stehen, ohne daß die üblicher­ weise auftretenden Probleme bei der Zusammenkopplung mehrerer Magnetrons 42 auftreten, da aufgrund der Über­ kopplung der Mikrowellenleistung in die jeweils den einzelnen Überkopplungsstrukturen 46a bis 46e zugeordneten Streifenbereiche 64a bis 64e auch gleichzeitig eine gegen­ seitige Beeinflussung der Magnetrons 42a bis 42e unter­ einander verhindert ist.

Genau wie beim ersten Ausführungsbeispiel liegen bei einem dritten Ausführungsbeispiel des Lasers, dargestellt in Fig. 6, die Über­ kopplungsstrukturen 46 auf der Wand 38, allerdings sind mehrere Überkopplungsstrukturen 46a′, 46b′, 46c′, 46d′ und 46e′ vorgesehen, welche die gesamte Wand 38 überdecken.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel verlaufen die Überkopplungsrichtungen 48a′ bis 48e′ in diesem Aus­ führungsbeispiel nicht mehr parallel zur Resonatorachse 18, sondern nunmehr parallel zur Querrichtung 24, d. h. senk­ recht zur Resonatorachse 18. Die Überkopplungsstrukturen 46a′ bis 46e′ sind geradlinige Fortsetzungen von zu diesen führenden Hohlleitern 44a′ bis 44e′, welche, ähnlich der Variante in Fig. 3, jeweils Serien von Wanddurchbrüchen 70 aufweisen, deren Querschnittsfläche in Ausbreitungs­ richtung 56 der Mikrowellen zunimmt.

Darüber hinaus sind die zu den Überkopplungsstrukturen 46a′ bis 46e′ führenden Hohlleiter 44a′ bis 44e′ jeweils abwechselnd auf gegenüberliegenden Seiten der Wand 38 zu­ geführt, so daß auch jeweils die Ausbreitungsrichtungen 56 der Mikrowellen in den Überkopplungsstrukturen 46a′ bis 46e′ aufeinanderfolgend jeweils die entgegengesetzte Rich­ tung aufweisen. Die dadurch im Gasentladungsraum 40 ange­ regten Streifenbereiche 64a′ bis 64e′ liegen dabei eben­ falls dicht beieinander, so daß sowohl in der Überkopp­ lungsrichtung 48a′ bis 48e′ als auch quer zu dieser, d. h. in Richtung der Resonatorachse 18, eine im wesentlichen konstante Anregung des Lasergases im Gasentladungsraum 40 erfolgt.

Bei einem vierten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 7, ist der Wellenleiter 30 genau wie beim ersten Aus­ führungsbeispiel ausgebildet und auch ein zeichnerisch allerdings nicht dargestellter entsprechender Resonator 12 vorgesehen, so daß diesbezüglich auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel verwiesen werden kann. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel sind Überkopp­ lungsstrukturen 71a, 71b, 71c und 71d vorgesehen, welche jeweils mit einem von einem Magnetron 42 kommenden Hohl­ leiter 44 verbunden sind und die Form einer T-Verzweigung aufweisen. Ein Querarm 72a bis 72d dieser T-Verzweigung ist dabei ebenfalls in der Form eines Hohlleiterstücks ausgebildet und mittig an einen Mittelarm 73a, 73b ange­ schlossen, der seinerseits wiederum mit dem jeweiligen Hohlleiter 44a, b in Verbindung steht. Die Querarme 72a bis 72d erstrecken sich längs einer Über­ kopplungsrichtung 75, die parallel zur Resonatorachse 18 verläuft auf der Wand 38 und der Wand 36 des Wellenleiter­ lasers 30. Es existieren jedoch ausgehend vom Mittelarm 73a jeweils zwei Mikrowellenausbreitungsrichtungen 78 und 79, die jeweils zu Endabschlüssen 81 und 83 des Querarms 72a hin verlaufen. Die Endabschlüsse 81 und 83 können entweder Kurzschlußplatten, wie in Fig. 1 dargestellt, oder ein als Mikrowellensumpf wirkender Keil, wie in Fig. 4 darge­ stellt, sein.

Entsprechend den beiden entgegengesetzten Mikrowellenaus­ breitungsrichtungen 78 und 79 sind nun in einer auf der Wand 38 aufliegenden Wand 86a bis 86d des jeweiligen Quer­ arms 72a bis 72d Serien von Durchbrüchen 88 und 90 in dieser Wand 86a vorgesehen, die jeweils in Mikrowellenaus­ breitungsrichtung 78 bzw. 79 zunehmende Querschnitte auf­ weisen, um, wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 3 er­ läutert, in den den jeweiligen Überkopplungsstrukturen 71a bis 71d zugeordneten Streifenbereichen 92a bis 92d in der jeweiligen Überkopplungsrichtung 75 eine im wesentlichen gleichmäßige Mikrowellenleistungseinkopplung zu erreichen.

Wie insbesondere in Fig. 8 dargestellt, sind die Querarme 72a und 72b auf der Wand 38 und die Querarme 72d und 72e auf der Wand 36 jeweils gegeneinander versetzt angeordnet, so daß die angeregten Streifenbereiche 92a bis 92d im Gas­ entladungsraum 40 dicht beieinander liegen und damit ins­ gesamt eine gleichmäßige Anregung des Lasergases im Gas­ entladungsraum 40 sowohl in Richtung der Resonatorachse 18 als auch in der Querrichtung 24 erreicht ist.

Um noch zusätzlich die Anpassung der Mikrowellenleistungs­ einkopplung in den Gasentladungsraum in der Überkopplungs­ richtung 86 verbessern zu können und insbesondere nach­ träglich variieren zu können, sind längs der Mikrowellen­ ausbreitungsrichtungen 78 und 79 mittig der Querarme 72a bis 72d in einer der Wand 86b gegenüberliegenden Wand 94 Serien von Tunerschrauben 96 angeordnet, welche vorzugs­ weise aus dielektrischem Material hergestellt sind und je nachdem, wie tief diese in ein Inneres 98 des Querarms 72b hineinragen, die Möglichkeit einer weiteren Anpassung der Überkopplung bieten.

Bei einem fünften Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 9, umfaßt die Überkopplungsstruktur 46 ebenfalls ein Hohl­ leiterstück 50′, welches sich mit seiner Überkopplungs­ richtung 48 parallel zur Resonatorachse 18 erstreckt, allerdings mit seiner der Wand 52′ gegenüberliegenden Wand 84′ vom Anfangsbereich 60 beginnend bis zum Endbereich 62 auf die Wand 52′ zuläuft und damit durch Verjüngung in Mikrowellenausbreitungsrichtung 56 zu einer stetig zunehmenden Überkopplung der Mikrowellen in den darunter liegenden Streifenbereich 64 beitritt. Der Schlitz 58, welcher in dem ersten Ausführungsbeispiel eine in Mikrowellenausbreitungsrichtung 56 zunehmende Breite aufweist, kann daher bei dem fünften Ausführungsbeispiel im einfachsten Fall eine konstante Breite aufweisen, da die zunehmende Einkopplung von Mikrowellen durch die Verjüngung des Hohlleiterstücks 50′ erfolgt. Es ist aber auch durchaus im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung, den Schlitz 58′ genau wie den Schlitz 58 des ersten Ausführungsbeispiels auszuführen und durch die Kombination des sich verjüngenden Hohlleiterstücks 50′ mit einem sich in Mikrowellenausbreitungsrichtung 56 verbreiternden Schlitz 58′ eine konstante Mikrowellenleistungseinkopplung in dem Streifenbereich 64 zu erreichen.

Bei einem sechsten Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Wellenleiterlasers, dargestellt in Fig. 10, sind im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel die Überkopplungsstrukturen 46a, 46b, 46c, 46d jeweils als Hohlleiterstücke mit einem mittigen Längsschlitz 100 aus­ gebildet, welcher von dem Wellenleiter 30 durchsetzt ist. Vorzugsweise sind dabei einander gegenüberliegende Wände 102 und 104 einer Breitseite des Hohlleiterstücks mit diesem Längsschlitz 100 versehen, wobei zusätzlich die beiden Wände 104 in Mikrowellenausbreitungsrichtung 56 noch auf­ einander zulaufen, um eine Mikrowelleneinkopplung in dem Streifenbereich 64, welcher dem in dem Längsschlitz 100 liegenden Teilbereich des Gasentladungsraums 40 ent­ spricht, in der Überkopplungsrichtung 48, welche nunmehr parallel zur Querrichtung 24 und senkrecht zur Resonator­ achse 18 verläuft, möglichst gleichmäßig zu gestalten.

Vorzugsweise steht in der Ausführung gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel die Resonatorachse 18 senkrecht auf einer der Wände 102 oder 104.

Der Längsschlitz 100 ist bei dem sechsten Ausführungsbei­ spiel durch die Wände 36 und 38 des Wellenleiters sowie durch eine zusätzliche Wand 106, welche sich zwischen den Wänden 36 und 38 längs einer Querseite 108 des Längs­ schlitzes 100 erstreckt und somit die Überkopplungs­ struktur 46 vollständig und gasdicht von dem Gasent­ ladungsraum 40 trennt.

Die Überkopplungsstrukturen 46a bis 46d sind jeweils ebenfalls an ihrem Ende 110 entweder durch eine Kurzschlußplatte oder durch einen Mikrowellensumpf verschlossen.

Claims (24)

1. Wellenleiterlaser mit einem in Richtung einer Resona­ torachse einander gegenüberliegend im Abstand angeord­ nete Spiegel aufweisenden Resonator, welcher einen sich sowohl in Richtung der Resonatorachse als auch in einer zu dieser senkrechten Querrichtung ausdehnenden Strah­ lenverlauf aufweist, mit einem sich in einer Wellenlei­ terlängsrichtung im wesentlichen in Richtung der Reso­ natorachse zwischen den Spiegeln erstreckenden optischen Wellenleiter, welcher sich in einer Ebene parallel zur Richtung der Resonatorachse und zur Querrichtung er­ streckende, einander gegenüberliegende und parallel zu­ einander verlaufende Wellenleiterflächen aufweist, wel­ che den Strahlenverlauf durch Reflexionen führen, und mit einem zwischen den Wellenleiterflächen liegenden und ein Lasergas beinhaltenden Gasentladungsraum, dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine Mikrowellenquelle (42) vorgesehen ist,
• - daß von der Mikrowellenquelle (42) Mikrowellen in den optischen Wellenleiter (30) über einen Mikrowellen-Hohlleiter (44) eingespeist werden, derart, daß der Hohlleiter (44) mit einer Überkopplungsstruktur (46) verbunden ist

und

• - daß die vom Lasergas getrennte Überkopplungsstruktur (46) auf einer der Wellenleiterflächen (32, 34) so angeordnet ist, daß die Überkopplungsstruktur (46) sich in einer zur Wellenleiterfläche (34) parallelen Überkopplungs­ richtung (48) erstreckt und in einem Streifenbereich (64) in dem Gasentladungsraum (40) längs der Überkopp­ lungsrichtung (48) durch Wanddurchbrüche eine im wesent­ lichen konstante Mikrowellenleistungseinkopplung bewirkt.

2. Wellenleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die Überkopplungsstruktur (46) über ein Mehrfaches einer halben Wellenlänge der Mikrowellen in Überkopplungsrichtung (48) erstreckt.

3. Wellenleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die durchbrochene Wand (52) einen sich in der Überkopplungsrichtung (48) erstreckenden Schlitz (58) aufweist.

4. Wellenleiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schlitz (58) eine in Mikrowellenausbrei­ tungsrichtung (56) zunehmende Breite aufweist.

5. Wellenleiterlaser nach einem der Ansprüche 3 oder 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die durchbrochene Wand (52) eine Serie von in Mikrowellenausbreitungsrichtung (56) liegenden Öffnungen (70) aufweist.

6. Wellenleiterlaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Öffnungen (70) in Mikrowellenausbreitungs­ richtung (56) eine zunehmende Größe aufweisen.

7. Wellenleiterlaser nach einem der voranstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die durchbrochene Wand (52) mit einem Dielektrikum verschlossen ist.

8. Wellenleiterlaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das Dielektrikum die Wellenleiterfläche (32, 34) trägt.

9. Wellenleiterlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß das Dielektrikum optisch reflektierend ausgebildet ist.

10. Wellenleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß das Hohlleiterstück (50) end­ seitig abgeschlossen ist.

11. Wellenleiterlaser nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Hohlleiterstück (50) mit einer end­ seitigen Kurzschlußplatte (74) abgeschlossen ist.

12. Wellenleiterlaser nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Hohlleiterstück (50) mit einem Mikro­ wellensumpf (76) abgeschlossen ist.

13. Wellenleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß das Hohlleiterstück (50) mit Tunerschrauben (96) versehen ist.

14. Wellenleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß das Hohlleiterstück ein T-Stück (72, 73) ist, dessen Querarm (72) sind in Über­ kopplungsrichtung (48) erstreckt.

15. Wellenleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß das Hohlleiterstück (50) sich in Mikrowellenausbreitungsrichtung (56) verjüngt.

16. Wellenleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß das Hohlleiterstück geschlitzt ist und beide Wellenleiterflächen (32, 34) mitsamt dem dazwischen liegenden Streifenbereich (64) übergreift.

17. Wellenleiterlaser nach einem der voranstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Überkopp­ lungsstrukturen (46) vorgesehen sind.

18. Wellenleiterlaser nach Anspruch 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Überkopplungsstrukturen (46) neben­ einander liegen.

19. Wellenleiterlaser nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenbereiche (64) den Gasentladungsraum (40) im wesentlichen ausfüllen.

20. Wellenleiterlaser nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenausbrei­ tungsrichtungen (56) in den aufeinander folgenden Strei­ fenbereichen (64) zugeordneten Überkopplungsstrukturen (46) in entgegengesetzter Richtung verlaufen.

21. Wellenleiterlaser nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß jede Überkopplungsstruktur (46) über den Hohlleiter (44) mit einer eigenen Mikro­ wellenquelle (42) verbunden ist.

22. Wellenleiterlaser nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Überkopplungsstrukturen (46) beiderseits des Gasentladungsraums (40) angeordnet sind.

23. Wellenleiterlaser nach Anspruch 22, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeweils einander gegenüberliegende Über­ kopplungsstrukturen (46) gegeneinander versetzt angeordnet sind.