DE3937493C2 - Quergeströmter Gasentladungslaser mit Mikrowellenanregung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen quergeströmten Gasentladungs­ laser für hohe Leistungen, mit einem in Richtung einer Resonatorlängsachse einander gegenüberliegend im Abstand angeordnete Spiegelsätze aufweisenden Resonator, welcher einen sich sowohl in Richtung der Resonatorlängsachse als auch in einer zu dieser senkrechten Querrichtung aus­ dehnenden Strahlenverlauf aufweist und welcher von einem Lasergas in der Querrichtung durchströmt ist, und mit einer zweidimensionalen, seitlich offenen Entladungs­ struktur, umfassend sich in einer Ebene parallel zur Rich­ tung der Resonatorachse und zur Querrichtung erstreckende, einander gegenüberliegende und den Strahlenverlauf zwischen sich einschließende Begrenzungsflächen für einen Gasent­ ladungsraum.

Ein derartiger quergeströmter Gasentladungslaser für hohe Leistungen ist beispielsweise aus der DE 37 32 172 A1 bekannt.

Bei einem derartigen Gasentladungslaser erfolgt die An­ regung des Lasergases durch eine Hochfrequenzentladung, wobei die beiden Begrenzungsflächen des Gasentladungsraums jeweils selbst als plattenförmige Elektroden dienen, denen die Hochfrequenz zugeführt wird und über welche die Hoch­ frequenzanregung des Lasergases im Gasentladungsraum er­ folgt.

Eine derartige Anregung der Gasentladung mit Hochfrequenz bringt jedoch die üblichen, hochfrequenztechnischen Prob­ leme hinsichtlich der Abstrahlung und der Abschirmung mit sich und ist insbesondere dann, wenn hohe Hochfrequenz­ leistungen benötigt werden, sehr kostenintensiv und auf­ wendig.

Aus der DE 37 08 314 A1 ist im Zusammenhang mit einem Excimerlaser und im Zusammenhang mit der Unterdrückung des Wandkollapses bei einem Excimerlaser eine TEM-Wellenleiterstruktur zur Erreichung einer konstanten Feldstärke offenbart, bei welcher Einkoppelleiter in Längsrichtung der optischen Achse schräg zu dieser verlaufen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen quergeströmten Gasentladungslaser der gattungsgemäßen Art mit einer möglichst effektiven Mikrowellenanregung für das Lasergas zu versehen.

Diese Aufgabe wird bei einem Gasentladungslaser der ein­ gangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Mikrowellenquelle vorgesehen ist, daß von der Mikrowellenquelle Mikrowellen in einen zur Entladungs­ struktur führenden, zwei einander gegenüberliegende Band­ leiter aufweisenden TEM-Wellenleiter einspeisbar sind, daß jeweils auf einer dem Gasentladungsraum gegenüberliegenden Seite einer jeden der Begrenzungsflächen eine vom Lasergas im Gasentladungsraum getrennte Einkopplungsstruktur ange­ ordnet ist, welche jeweils mit einem der Bandleiter ver­ bunden ist, daß sich beide Einkopplungsstrukturen gemein­ sam in einer Richtung erstrecken, die in einer zur Begrenzungsfläche (32, 34) parallelen Ebene liegt und gemeinsam in einem Streifen­ bereich in dem Gasentladungsraum längs der Richtung der Einkopplung eine im wesentlichen konstante Mikrowellenein­ kopplung bewirken.

Mit einer derartigen erfindungsgemäßen Anordnung wird es mit einfachen Mitteln erreicht, daß auch in einem Gasent­ ladungslaser eine Mikrowellenanregung möglich ist, wobei insbesondere die erfindungsgemäßen Einkopplungsstrukturen im Anschluß an den TEM-Wellenleiter für eine gleichmäßige Verteilung der Mikrowellen über den gesamten Gasent­ ladungsraum sorgen.

Besonders vorteilhaft im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung ist es, wenn sich die Einkopplungsstrukturen über ein Mehrfaches einer halben Wellenlänge der Mikrowellen in der Richtung der Einkopplung erstrecken und somit die Möglichkeit bieten, über möglichst langgestreckte Bereiche eine konstante Mikrowellenleistungseinkopplung zu erzielen. Bezüglich der Ausbildung der Einkopplungsstrukturen wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn jede Einkopplungsstruktur eine mit dem jeweiligen Bandleiter ver­ bundene und sich in der Richtung der Einkopplung erstreckende elektrisch leitende Platte aufweist.

Vorzugsweise ist die leitende Platte dabei so angeordnet, daß sie mit ihrer Längserstreckung in der Richtung der Einkopplung verläuft.

Besonders einfach läßt sich eine sukzessive und konstante Mikrowellenleistungseinkopplung in den Streifenbereich des Gasentladungsraums dadurch erreichen, daß die leitende Platte einer Einkopplungsstruktur in Richtung ihrer Längserstreckung einen spitzen Winkel mit der jeweiligen Begrenzungsfläche einschließen. In dem Bereich der leiten­ den Platte, welche einen großen Abstand von der Begren­ zungsfläche aufweist, wird nur ein geringer Teil der zur Verfügung stehenden Mikrowellenleistung eingekoppelt, während in dem Bereich, der einen geringen Abstand von der Begrenzungsfläche aufweist, ein größerer Teil der Mikro­ wellenleistung in den Streifenbereich eingekoppelt wird. Somit besteht die Möglichkeit, von der ankommenden Mikro­ wellenleistung zunächst einen kleinen Teil auszukoppeln und in den Streifenbereich einzukoppeln und sukzessive einen größeren Teil auszukoppeln, so lange, bis letztlich die gesamte vorhandene Mikrowellenleistung in den Streifenbereich eingekoppelt wird, so daß insgesamt, über die Länge des Streifenbereichs in Richtung der Einkopplung gesehen, eine konstante Mikrowellenleistung in diesen ein­ gekoppelt wird.

Hierzu ist es günstig, wenn die leitende Platte mit einem einen maximalen Abstand von der Begrenzungsfläche auf­ weisenden Endbereich mit dem jeweiligen Bandleiter ver­ bunden ist, so daß in diesem Bereich die größte Mikro­ wellenleistung zugeführt und dann sukzessive im Verlauf der Längserstreckung der leitenden Platte in den Streifen­ bereich eingekoppelt wird.

Bislang wurde lediglich darauf Bezug genommen, wie die leitende Platte mit ihrer Längserstreckung relativ zum Wellenleiter angeordnet ist. Um auch in Querrichtung eine gleichmäßige Mikrowellenleistungseinkopplung in den Streifenbereich zu erhalten, ist vorgesehen, daß die leitende Platte mit ihrer zur Längserstreckung im rechten Winkel verlaufenden Quererstreckung parallel zur Begrenzungs­ fläche verläuft, so daß in jeder Querrichtung stets eine konstante Mikrowelleneinkopplung erfolgt.

Die bislang beschriebenen Ausführungsbeispiele der er­ findungsgemäßen Lösung funktionieren grundsätzlich mit lediglich einer leitenden Platte bei jeder Einkopplungsstruktur. Besonders vorteilhaft läßt sich die Einkopplung in den Streifenbereich jedoch dann anpassen, wenn eine der Einkopplungsstrukturen zwischen der leitenden Platte und der Wellenleiterfläche ein sich in der Richtung der Einkopplung erstreckendes und in Mikrowellenausbreitungsrichtung stetig seine Dicke verringerndes dielektrisches Keil­ element aufweist.

Dieses Keilelement soll lediglich stetig seine Dicke redu­ zieren, in welcher Form dies erfolgt, kann von den jewei­ ligen geometrischen Verhältnissen und der jeweils in den Streifenbereich einzukoppelnden Leistung abhängig gemacht werden. Im einfachsten Fall ist vorgesehen, daß die Dicke des Keilelements in Mikrowellenausbreitungsrichtung linear abnimmt.

Hinsichtlich der Ausbildung des Keilelements ist es besonders vorteilhaft, wenn das Keilelement eine im wesentlichen der gesamten Längserstreckung der leitenden Platte entsprechende Länge aufweist.

Darüber hinaus ist es in Ergänzung dazu vorteilhaft, wenn das Keilelement eine der Quererstreckung der leitenden Platte der jeweiligen Einkopplungsstruktur entsprechende Breite quer zur Richtung der Einkopplung aufweist.

Im einfachsten Fall ist das Keilelement so angeordnet, daß die jeweilige leitende Platte auf dem Keilelement auf­ liegt. Andererseits ist es zweckmäßig, wenn das Keil­ element auf einer die Begrenzungsfläche tragenden Wellen­ leiterwand aufliegt.

Hinsichtlich der Art des Abschlusses der Einkopplungsstrukturen an ihrem, einer Verbindung mit dem Bandleiter gegenüberliegenden Ende wurden bislang keine Ausführungen gemacht. So ist es beispielsweise denkbar, Einkopplungsstrukturen mit einem Kurzschluß abzuschließen.

Wenn jedoch Reflexionen der Mikrowellen vermieden werden sollen, ist es vorteilhaft, die Einkopplungsstrukturen mit einem Mikrowellensumpf abzuschließen.

Im konstruktiv einfachsten Fall umfaßt der Mikrowellen­ sumpf dabei ein Keilstück aus einem verlustbehafteten Dielektrikum.

Bei den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde lediglich davon ausgegangen, daß eine der Einkopplungsstrukturen so ausgebildet ist, daß deren leitende Platte in einem spitzen Winkel zur jeweiligen Begrenzungsfläche verläuft, während die andere Einkopplungsstruktur so aus­ gebildet sein kann, daß deren leitende Platte parallel zur jeweiligen Begrenzungsfläche verläuft.

Bei einem verbesserten Ausführungsbeispiel, bei welchem eine optimierte gleichmäßige Einkopplung der Mikrowellen­ leistung in den Streifenbereich erfolgt, ist vorgesehen, daß die beiden einander gegenüberliegenden Einkopplungs­ strukturen jeweils eine mit ihrer Längsrichtung in einem spitzen Winkel zur Begrenzungsfläche verlaufende leitende Platte aufweisen.

Ergänzend oder alternativ dazu ist aber auch denkbar, daß zur Erreichung des gleichen Zwecks die beiden einander gegenüberliegenden Einkopplungsstrukturen Keilelemente aufweisen.

Eine weitere Alternative, welche insbesondere für groß­ flächige geometrische Anordnungen geeignet ist, sieht vor, daß eine Einkopplungsstruktur zwei entgegengesetzt zu­ einander verlaufende Mikrowellenausbreitungsrichtungen aufweist, so daß somit eine Aufteilung der ankommenden Mikrowellenleistung in die beiden Richtungen erfolgt.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die leitende Platte der Einkopplungsstruktur in einem mittleren Bereich mit dem entsprechenden Bandleiter verbunden ist.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Ausbildung der leitenden Platte so, daß diese ausgehend von dem mittleren Bereich mit zwei jeweils in einem spitzen Winkel zur Begrenzungs­ fläche verlaufenden Abschnitten auf diese zu geneigt ist.

Zusätzlich oder alternativ dazu kann vorgesehen sein, daß die Einkopplungsstruktur zwei sich in entgegengesetzte Richtungen erstreckende Keilelemente aufweist.

Insbesondere für große Ausdehnungen von Begrenzungsflächen und einer großen Ausdehnung des entsprechenden Resonators ist es günstig, wenn mehrere Sätze einander gegenüber­ liegender Einkopplungsstrukturen vorgesehen sind.

Vorzugsweise sind die Einkopplungsstrukturen dabei so angeordnet, daß die Richtungen der Einkopplung derselben parallel zueinander verlaufen.

Um eine möglichst gleichmäßige Anregung im Gasentladungs­ raum zu erreichen, ist vorgesehen, daß die den Einkopplungsstrukturen zugeordneten Streifenbereiche im wesent­ lichen aneinander anschließen und somit keine toten Be­ reiche von nicht angeregtem Lasergas im Gasentladungsraum entstehen.

Eine optimale Anregung des erfindungsgemäßen Gasent­ ladungslasers ist dann erreicht, wenn der Streifenbereich oder die Streifenbereiche sich in Querrichtung im wesent­ lichen über dem vom Resonatorstrahlengang durchsetzten Teilbereich des Gasentladungsraums erstrecken, so daß, was insbesondere bei einem sich mit großer Dimension in Quer­ richtung erstreckenden Resonator von Bedeutung ist, über die gesamte Querrichtung angeregtes Lasergas zur Verfügung steht. Eine optimale Ausnützung des Resonators ist dann gegeben, wenn sich der oder die Streifenbereiche im wesentlichen in Richtung der Resonatorlängsachse über den vom Resonatorstrahlengang durchsetzten Teilbereich des Gasentladungsraums erstrecken.

Die Richtungen der Einkopplung der jeweils einander zugeord­ neten Einkopplungsstrukturen können relativ zur Ent­ ladungsstruktur prinzipiell beliebig liegen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Richtungen der Einkopplung parallel zur Resonatorlängsachse oder senkrecht zur Resonatorlängsachse verlaufen.

Bei den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden hinsichtlich des Materials, aus welchem die die Begren­ zungsfläche tragende Wand hergestellt ist, keine näheren Angaben gemacht. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die die Begrenzungsfläche tragende Wand aus Metall ist.

Alternativ dazu ist es aber auch bei bestimmten Ausfüh­ rungen von Gasentladungslasern möglich, wenn die die Begrenzungsfläche tragende Wand aus dielektrischem Material ist.

Eine besonders einfache und optimierte Anregung des Laser­ gases im Gasentladungsraum läßt sich dann erreichen, wenn bei Verwendung mehrerer Sätze von Einkopplungsstrukturen jeder Satz einer Einkopplungsstruktur mit einer eigenen Mikrowellenquelle verbunden ist, da sich in diesem Fall in einfacher Weise mehrere Mikrowellenquellen kleiner Leistung, also beispielsweise mehrere kommerziell erhält­ liche Magnetrons, zur Anregung des Lasergases zusammen verwenden lassen und dabei die Probleme, die üblicherweise beim Zusammenschalten mehrerer Magnetrons auf einen TEM-Wellenleiter auftreten, vermieden werden, da jedes Magnetron über einen separaten TEM-Wellenleiter die Mikro­ wellen dem Gasentladungsraum zuführt und somit auch eine Wechselwirkung, die häufig zu Störungen und Leistungs­ minderungen der Magnetrons führt, nicht auftreten kann, da Kopplungseffekte zwischen den einzelnen Einkopplungsstrukturen gar nicht oder nur in geringem Maße auftreten.

Hinsichtlich des Resonators selbst wurden im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung keine genauen Angaben gemacht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Resonator so ausge­ bildet ist, daß er durch mehrfache Reflexionen an den Spiegeln mit einer Komponente in Richtung der Resonator­ achse und in der Querrichtung den sich sowohl in Richtung der Resonatorachse als auch in der Querrichtung ausdehnen­ den Strahlenverlauf erzeugt.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn es sich bei dem Resonator um einen instabilen Resonator handelt.

Zu einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß der Resonator einen als Lasertätigkeits­ raum bezeichneten Volumenbereich des Gasentladungsraums durchsetzt, welcher stromabwärts der Lasergasströmung eines Anregungsraums angeordnet ist, wobei der Anregungs­ raum durch mindestens einen der Streifenbereiche gebildet ist. Dies hat den großen Vorteil, daß vor einem Eintritt des Lasergases in den Lasertätigkeitsraum eine voll­ ständige Anregung desselben erfolgen kann, so daß ein vollständig angeregtes Lasergas in den Lasertätigkeitsraum gelangt und somit eine optimale Laseraktivität erreichbar ist.

Prinzipiell wäre es denkbar, daß der Anregungsraum und der Lasertätigkeitsraum sich überlappen, wobei die vorstehend genannten Vorteile dann in Erscheinung treten, wenn in einem quergeströmten Laser das Lasergas rechtzeitig vor Eintritt in den Lasertätigkeitsraum vollständig angeregt ist. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn zwischen dem Anregungsraum und dem Lasertätigkeitsraum ein mikro­ wellenanregungsfreier Zwischenraum vorgesehen ist, da dieser dem angeregten Lasergas die Möglichkeit gibt, sich vollständig zu durchmischen und zu homogenisieren, so daß ein homogen angeregtes Lasergas in den Lasertätigkeitsraum eintritt und somit eine optimale Lasertätigkeit in dem von dem Resonator durchsetzten Lasertätigkeitsraum erfolgt.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn in dem Laser­ tätigkeitsraum selbst keine Mikrowellenanregung mehr erfolgt.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegen­ stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichne­ rischen Darstellung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines er­ findungsgemäßen Gasentladungslasers mit einer Einkopplungsstruktur;

Fig. 2 eine Variante des ersten Ausführungsbei­ spiels allerdings ohne Resonatorspiegel;

Fig. 3 eine Darstellung ähnlich Fig. 2 eines zweiten Ausführungsbeispiels;

Fig. 4 eine Darstellung ähnlich Fig. 2 eines dritten Ausführungsbeispiels und

Fig. 5 eine Darstellung ähnlich Fig. 2 eines vierten Ausführungsbeispiels;

Fig. 6 eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 1 eines fünften Ausführungsbeispiels.

Ein erstes, als Ganzes mit 10 bezeichnetes Ausführungsbei­ spiel eines erfindungsgemäßen quergeströmten Gasent­ ladungslasers umfaßt einen als Ganzes mit 12 bezeichneten Resonator, welcher zwei einander gegenüberliegende Spiegelsätze 14 und 16 aufweist. Der Resonator 12 ist dabei als gefalteter Resonator ausgebildet, so daß eine Resonatorachse 18 desselben beispielsweise von einem ersten Spiegel 13 des ersten Spiegelsatzes 14 mit einem Ast 18a zu einem ersten Spiegel 15 des zweiten Spiegel­ satzes 16, von diesem zu einem zweiten Spiegel 17 des zweiten Spiegelsatzes 16 mit einem Ast 18b verläuft, von diesem Spiegel 17 mit einem Ast 18c zu einem zweiten Spiegel 19 des ersten Spiegelsatzes 14, welcher als teil­ durchlässiger Spiegel ausgebildet ist und einen sich weiter in Richtung des Astes 18c ausbreitenden Laserstrahl 20 durchläßt, so daß dieser dann den ausgekoppelten Laser­ strahl darstellt, andererseits aber auch in einem Ast 18d der Resonatorachse den Laserstrahl wieder zu dem ersten Spiegel 13 des ersten Spiegelsatzes 14 reflektiert.

Somit ist also die Resonatorachse insgesamt in vier Äste 18a bis d unterteilt, wobei die Äste 18a und 18c die Resonatorlängsachsen darstellen, während die Äste 18b und d, die in einer zur Resonatorlängsachse 18a und c sich senkrecht erstreckenden Querrichtung 24 verlaufen, die Resonatorquerachsen bilden.

Der Resonator 12 hat somit einen sowohl in Richtung der Resonatorlängsachsen 18a und c sowie sich in einer zu Resonatorquerachsen parallelen Querrichtung 24 ausdehnen­ den Strahlenverlauf.

Dieser Resonator 12 ist von einer Lasergasströmung 26 durchsetzt, welche in der Querrichtung 24 durch den Resonator 12 hindurchtritt.

Beispielsweise handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen quergeströmten Hochleistungslaser um einen CO₂-Laser, bei welchem das Lasergas in bekannter Weise den Resonator 12 in der Querrichtung 24 durchsetzt.

Die Lasergasströmung 26 ist von einem den sich zwischen den Spiegelsätzen 14 und 16 erstreckenden Teil des Resona­ tors 12 zwischen sich einschließenden, als Ganzes mit 30 bezeichneten Gasentladungskanal geführt, welcher zwei parallel zueinander ausgerichtete Begrenzungsflächen 32 und 34 umfaßt, die sich jeweils in Ebenen parallel zur Querrichtung 24 und zur Resonatorlängsachse 18a, c er­ strecken und den Strahlenverlauf des Resonators 12 zwischen sich einschließen.

In diesem Gasentladungskanal 30 findet eine Anregung des in der Lasergasströmung 26 herangeführten Lasergases statt, welches dann im Resonator 12 zur Ausbildung der Laserstrahlung führt.

Die Begrenzungsflächen 32 und 34 sind jeweils durch eine Wand 36 und 38 getragen. Im vorliegenden Fall sind es die Wand 38 und die Wand 36.

Zwischen den Wänden 36 und 38 wird ein Gasentladungsraum 40 gebildet, welcher von dem jeweiligen Lasergas, bei­ spielsweise CO₂, durchströmt ist.

Die Anregung des Lasergases im Gasentladungsraum 40 er­ folgt im dargestellten Ausführungsbeispiel über Mikro­ wellen, welche von einem als Mikrowellenquelle dienenden Magnetron 42 erzeugt und in einen TEM-Wellenleiter 44 ein­ gespeist werden, welcher einen ersten Bandleiter 46 und einen zweiten Bandleiter 48 umfaßt.

Der erste Bandleiter 46 ist mit einer ersten Einkopplungsstruktur 50 verbunden, während der zweite Bandleiter mit einer zweiten Einkopplungsstruktur 52 verbunden ist.

Beim ersten Ausführungsbeispiel wird die erste Einkopplungsstruktur 50 durch eine sich an ein Endstück 54 des ersten Bandleiters 46 in dessen Ebene anschließende elek­ trisch leitende Platte 56 gebildet. Das Endstück 54 ist dabei im Abstand über der Wand 38 und parallel zu dieser angeordnet und die leitende Platte 56 erstreckt sich von dem Endstück mit einer Längserstreckung 58 auf die Wand 38 zu, so daß die Längserstreckung 58 mit der Wand 38 einen spitzen Winkel α einschließt. Außerdem verläuft die leitende Platte 56 mit ihrer senkrecht auf der Längser­ streckung stehenden Quererstreckung 60 parallel zur Wand 38.

Vorzugsweise erfolgt der Anschluß der leitenden Platte 56 an den ersten Bandleiter 46 so, daß die Längserstreckung 58 der leitenden Platte 56 im rechten Winkel zu einer Längsrichtung 62 des Endstücks angeordnet ist.

Zweckmäßigerweise endet beim in Fig. 1 dargestellten Aus­ führungsbeispiel die leitende Platte 56 mit ihrem dem End­ stück 54 abgewandten Ende 64 in geringem Abstand über einer sich in der Querrichtung 24 erstreckenden und dem ersten Spiegelsatz 14 zugewandten Breitseitenkante 66 der Wand 38.

Die zweite Einkopplungsstruktur 52 umfaßt die als metal­ lische Platte ausgeführte Wand 36, an deren sich die in der Querrichtung 24 erstreckende und dem zweiten Spiegelsatz 16 zugewandte Breitseitenkante 68 sich der zweite Band­ leiter 48 in Fortsetzung anschließt.

Die beiden einander gegenüberliegenden Einkopplungsstrukturen 50 und 52 führen nun zu einer sukzessiven Ein­ kopplung von längs des TEM-Wellenleiters 44 zugeführten Mikrowellen in einer Richtung der Einkopplung 70, welche parallel zu den Wellenleiterflächen 32 und 34 in Richtung der Längserstreckung 58 verläuft. Gleichzeitig fällt mit der Richtung der Einkopplung 70 die Mikrowellenausbreitungs­ richtung 72 zusammen, da die an dem TEM-Wellenleiter 44 in dessen Längsrichtung 62 ankommenden Mikrowellen sich im rechten Winkel nun in Richtung der Längserstreckung 58 mit ihrer Mikrowellenausbreitungsrichtung 72 fortsetzen. Durch die in dem Winkel α auf die Wand 38 zu laufende leitende Platte 56 wird eine sukzessive Einkopplung der Mikrowellen in den Gasentladungsraum 40 erreicht und somit in einem zwischen den beiden Einkopplungsstrukturen 50 und 52 liegenden Streifenbereich 74 eine im wesentlichen in der Richtung der Einkopplung gleichförmige Mikrowellenanregung des Lasergases erzielt, wobei sich dieser Streifenbereich 74 in der Querrichtung 24 mindestens über die Ausdehnung des Resonators in der Querrichtung 24 erstreckt.

Vorzugsweise liegt die Einkopplungsrichtung 70 parallel zur Resonatorlängsachse 18a, c.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in einem zwischen der leitenden Platte 56 und der Wand 38 liegenden Zwischenraum 76 lediglich Luft vorhanden, welche als Dielektrikum wirkt, so daß die metallische Wand 38 wie über einen Kondensator an die leitende Platte 56 ange­ koppelt ist.

Bei einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels, darge­ stellt in Fig. 2, ist in dem Zwischenraum 76 ein keil­ förmiges Dielektrikum 78 eingesetzt, welches einerseits auf der Wand 38 aufliegt und andererseits die leitende Platte 56 trägt.

Auch mit diesem gegenständlichen Dielektrikum, anstelle von Luft als Dielektrikum in dem Zwischenraum 76, ist eine Ankopplung der metallischen Wand 38 wie über einen Konden­ sator an die leitende Platte 56 und somit an den ersten Bandleiter 46 gegeben.

Zusätzlich ist, wie in Fig. 2 vorgesehen, auch im Bereich des Endes 64 der leitenden Platte 56 ein über die gesamte Quererstreckung 60 derselben ausdehnendes Keilstück 80 aus einem verlustbehafteten Dielektrikum vorgesehen, welches in der Mikrowellenausbreitungsrichtung 72 eine zunehmende Dicke aufweist und den Abstand zwischen der Wand 38 und dem Ende 64 der leitenden Platte 56 vollständig ausfüllt. Dieses Keilstück 80 dient damit als Mikrowellensumpf, welcher Mikrowellenreflexionen an dem Ende 64 der leiten­ den Platte 56 und der Breitseitenkante 66 der Wand 38 ver­ hindert.

Vorzugsweise erstreckt sich das Keilstück lediglich über eine geringe Distanz entgegengesetzt zur Mikrowellenaus­ breitungsrichtung 72 und nimmt im Verlauf dieser Er­ streckung in seiner Dicke auf Null ab.

Alternativ zum Vorsehen eines Mikrowellensumpfes ist es auch denkbar, das Ende 64 der leitenden Platte 56 und der Breitseitenkante 66 der Wand 38 elektrisch leitend mit­ einander zu verbinden und somit einen Kurzschluß vorzu­ sehen, mit welchem die erste Einkopplungsstruktur 50 abgeschlossen ist.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 3, sind dieselben Teile, insoweit als sie mit denen des ersten Ausführungsbeispiels identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß bezüglich deren Beschrei­ bung auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel verwiesen werden kann.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel sind die mit einem ersten TEM-Wellenleiter 44a verbundenen Einkopplungsstrukturen 50a und 52a jeweils mit einem dielek­ trischen Keilelement 78a versehen, so daß beiderseits des zwischen diesen liegenden Streifenbereichs 74a eine in der Mikrowellenausbreitungsrichtung 72a zunehmende Einkopplung in diesen Streifenbereich 74a erfolgt und somit insgesamt in dem Streifenbereich 74a in der Richtung der Einkopplung 70a eine gleichmäßige Mikrowelleneinkopplung erfolgt. Zusätzlich zu dem ersten Satz von Einkopplungsstrukturen 50a und 52a ist ein zweiter Satz von Einkopplungsstrukturen 50b und 52b vorgesehen, welche mit einem zweiten TEM-Wellenleiter 74b verbunden sind und auch diese beiden Einkopplungsstrukturen 50b und 52b sind jeweils mit einem Keilelement 78b versehen. Allerdings erstreckt sich die Mikrowellenausbreitungsrichtung 72b dieses zweiten Satzes von Einkopplungsstrukturen 50b und 52b entgegengesetzt zur Mikrowellenausbreitungsrichtung 72a, jedoch parallel zu diesen. Dadurch erfolgt ebenfalls eine gleichmäßige Anregung des Lasergases in einem Streifen­ bereich 74b des Gasentladungsraums 40. Vorzugsweise ist die Erstreckung der beiden Überkopplungsstrukturen in ihren Querrichtungen 60a und 60b so gewählt, daß beide Sätze von Einkopplungsstrukturen 50a, 52a und 50b, 52b zugeordnete Streifenbereiche 74a und 74b aufweisen, die aneinander anschließen und damit im wesentlichen den gesamten, vom Resonator 12 durchsetzten Bereich des Gas­ entladungsraums 40 ausfüllen.

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 4, ist die erste Einkopplungsstruktur 50′ so ausgebildet, daß sie zwei Abschnitte 56v, 56h einer elektrisch leiten­ den Platte umfaßt, die sich ausgehend von einem im wesent­ lichen mittig zur Einkopplungsstruktur 50′ geführten End­ stück 54 des TEM-Wellenleiters 44, welches im Abstand zur Wellenleiterfläche 34 angeordnet ist, mit ihrer Längser­ streckung 58v und 58h in der Richtung der Einkopplung 70 erstrecken und dabei in Richtung auf die Wand 38 zu ver­ laufen, so daß sie mit ihren jeweiligen Enden 64v und 64h in geringem Abstand von der Wand 38 stehen.

Damit ist auch ausgehend von dem Endstück 54 jedem Ab­ schnitt 56v, h eine eigene Mikrowellenausbreitungsrichtung 72v und 72h zuzuordnen, welche ausgehend von dem Endstück 54 entgegengesetzt zueinander gerichtet sind, jedoch parallel zur Einkopplungsrichtung 70 verlaufen.

Zwischen den Abschnitten 56v, h und dem Endstück 54 ist ein dielektrischer Doppelkeil 82 vorgesehen, welcher zwei Keilelemente 78v und 78h umfaßt, die zwischen den jewei­ ligen Abschnitten 56v, h und der Wand 38 liegen.

Ähnlich wie beim zweiten Ausführungsbeispiel ist die Einkopplungsstruktur 52′ vereinfacht ausgebildet, d. h. sie umfaßt die leitende Wand 36 als elektrisch leitende Platte, an welche mittig der zweite Bandleiter 48 herange­ führt und leitend mit dieser verbunden ist.

Über den TEM-Wellenleiter 44 herangeführte Mikrowellen­ leistung wird ausgehend von dem Endstück 54 in die beiden Mikrowellenausbreitungsrichtungen 72v und 72h jeweils zur Hälfte aufgeteilt und während ihres Verlaufes in den Mikrowellenausbreitungsrichtungen 72v, h sukzessive in den Streifenbereich 74′ des Gasentladungsraums eingekoppelt, so daß im wesentlichen über den gesamten von der Resona­ torlängsrichtung 18a, c durchsetzten Teilbereich des Gas­ entladungsraums 40 eine im wesentlichen gleichmäßige An­ regung des Lasergases in diesem Streifenbereich 74′ erfolgt.

Bei einem vierten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 5, sind zwei Sätze gleichartiger Mikrowelleneinkopplungs­ strukturen 50a′, 52a′ und 50b′ und 52b′ vorgesehen, die jeweils einander gegenüberliegen. Die Einkopplungsstrukturen 50a′ und 50b′ sind im wesentlichen identisch wie die Einkopplungsstruktur 50′ des dritten Ausführungs­ beispiels ausgeführt, so daß bezüglich deren Beschreibung und Funktion auf die Ausführungen zum dritten Ausführungs­ beispiel verwiesen werden kann.

Im Gegensatz dazu sind auch die Einkopplungsstrukturen 52a′ und 52b′ spiegelsymmetrisch bezüglich des Gasent­ ladungsraums 40 ausgeführt, d. h. sie sind ebenfalls mit Doppelkeilen 82a und 82b versehen, so daß über beide einander gegenüberliegende Doppelkeile 82a oder 82b des jeweiligen Satzes von Einkopplungsstrukturen 50a′, 52a′ oder 50b′, 52b′ eine im wesentlichen konstante Einkopplung in die diesen Sätzen von Einkopplungsstrukturen jeweils zugeordneten Streifenbereiche 74a′ und 74b′ erfolgt, die ebenfalls über die Wellenleiterlängsrichtung im wesent­ lichen konstant ist.

Zu jedem Satz von Einkopplungsstrukturen 50a′, 52a′ und 50b′, 52b′ ist jeweils ein TEM-Wellenleiter 44a und 44b geführt, welcher jeweils mit einem diesem zugeordneten Magnetron 42a, b in Verbindung steht, so daß jeder Satz von Einkopplungsstrukturen 50a′, 52a′ oder 50b′, 52b′ mit einem eigenen Magnetron 42a oder 42b versorgt wird.

Vorzugsweise sind die beiden Streifenbereiche 74a′ und 74b′ so gewählt, daß sie im wesentlichen den gesamten, vom Resonator 12 durchsetzten Teilbereich des Gasentladungs­ raums, insbesondere in der Querrichtung 24 erfassen.

Bei einem fünften Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 6, sind, insoweit als dieselben Teile wie bei den bis­ herigen Ausführungsbeispielen vorhanden sind, dieselben Bezugszeichen verwendet, so daß bezüglich dieser Teile auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen werden kann.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Wände 36 und 38 mit den Begrenzungsflächen 32 und 34 in der Querrichtung 24, und zwar stromabwärts der Laser­ gasströmung 26 über den ersten Bandleiter 46 hinaus, so daß lediglich in einem Teil des von den Wänden 36 und 38 eingeschlossenen Gasentladungsraums 40′ eine Mikrowellen­ anregung des Lasergases stattfindet. Dieser Teil des Gas­ entladungsraums 40′ ist als Anregungsraum 100 bezeichnet und umfaßt den mikrowellenangeregten Streifenbereich 74.

Ein Laserresonator, als Ganzes mit 12′ bezeichnet, ist nun so angeordnet, daß die einander gegenüberliegenden Spiegelsätze 14′ und 16′ zu einem Strahlenverlauf 18′ zwischen diesen führen, welcher einen Lasertätigkeitsraum 102 des Gasentladungsraums 40′ durchsetzt. Dieser Laser­ tätigkeitsraum 102 liegt in Richtung der Lasergasströmung 26 stromabwärts des Anregungsraums 100 und ist vorzugs­ weise, wie in Fig. 6 dargestellt, durch einen Zwischenraum 104 zwischen dem Anregungsraum und dem Lasertätigkeitsraum 102 getrennt, in welchem eine intensive Durchmischung des im Anregungsraum 100 angeregten Lasergases stattfinden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt keine Mikro­ wellenanregung im Zwischenraum 104 und im Lasertätigkeits­ raum 102.

Die Spiegelsätze 14′ und 16′ brauchen nicht notwendiger­ weise planparallele Oberflächen, wie im gezeichneten Aus­ führungsbeispiel dargestellt, zu haben, es können sämtliche Arten von Spiegelsätzen für stabile und instabile Resona­ toren Verwendung finden. Wichtig ist allein, daß der Spiegelsatz jeweils so ausgebildet ist, daß der Strahlen­ verlauf des dadurch gebildeten Resonators 12′ lediglich den vom Anregungsraum 100 getrennten und außerhalb des Anregungsraums 100 liegenden Lasertätigkeitsraum 102 durchsetzt.

Vorzugsweise liegen dabei der Anregungsraum 100 und der Lasertätigkeitsraum 102 parallel zueinander und von­ einander getrennt durch einen eine konstante Breite in Querrichtung 24 aufweisenden Zwischenraum 104.

Claims (32)

1. Quergeströmter Gasentladungslaser für hohe Leistungen mit einem in Richtung einer Resonatorlängsachse ein­ ander gegenüberliegend im Abstand angeordnete Spiegelsätze aufweisenden Resonator, welcher einen sich sowohl in Richtung der Resonatorlängsachse als auch in einer zu dieser senkrechten Querrichtung aus­ dehnenden Strahlenverlauf aufweist und welcher von einem Lasergas in der Querrichtung durchströmt ist, und mit einer zweidimensionalen, seitlich offenen Entladungsstruktur, umfassend sich in einer Ebene parallel zur Richtung der Resonatorlängsachse und zur Querrichtung erstreckende, einander gegenüberliegende und den Strahlenverlauf zwischen sich einschließende Begrenzungsflächen für einen Gasentladungsraum, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mikrowellenquelle (42) vorgesehen ist, daß von der Mikrowellenquelle (42) Mikrowellen in einen zur Entladungsstruktur (30) führenden, zwei einander gegenüberliegende Bandleiter (46, 48) aufweisenden TEM-Wellenleiter (44) einspeisbar sind, daß jeweils auf einer dem Gasentladungsraum (40) gegenüberliegen­ den Seite einer jeden der Begrenzungsflächen (32, 34) eine vom Lasergas im Gasentladungsraum (40) getrennte Einkopplungsstruktur (50, 52) angeordnet ist, welche jeweils mit einem der Bandleiter (46, 48) verbunden ist, daß sich beide Einkopplungsstrukturen (50, 52) gemeinsam in einer Richtung (70) erstrecken, die in einer zur Begrenzungsfläche (32, 34) parallelen Ebene liegt und gemeinsam in einem Streifenbereich (74) in dem Gasentladungsraum (40) längs der Richtung (70) eine im wesentlichen konstante Mikrowellenein­ kopplung bewirken.

2. Gasentladungslaser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Einkopplungsstrukturen (50, 52) um ein Mehrfaches einer halben Wellenlänge der Mikrowellen in der Richtung (70) erstrecken.

3. Gasentladungslaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einkopplungsstruktur (50, 52) eine mit dem jeweiligen Bandleiter (46, 48) ver­ bundene und sich in der Richtung (70) erstreckende elektrisch leitende Platte (56, 36) aufweist.

4. Gasentladungslaser nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die leitende Platte (56, 36) einer Einkopplungsstruktur (50, 52) mit ihrer Längserstreckung (58) in der Richtung (70) verläuft.

5. Gasentladungslaser nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die leitende Platte (56) einer Ein­ kopplungsstruktur (50) in Richtung ihrer Längser­ streckung (58) einen spitzen Winkel (α) mit der jeweiligen Begrenzungsfläche (34) einschließt.

6. Gasentladungslaser nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die leitende Platte (56) mit einem einen maximalen Abstand von der Begrenzungsfläche (34) aufweisenden Endbereich mit dem jeweiligen Band­ leiter (46) verbunden ist.

7. Gasentladungslaser nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Platte (56, 36) mit ihrer zur Längserstreckung (58) im rechten Winkel verlaufenden Quererstreckung (60) parallel zur Begrenzungsfläche (32, 34) verläuft.

8. Gasentladungslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Ein­ kopplungsstrukturen (50) zwischen der leitenden Platte (56) und der Begrenzungsfläche (34) ein sich in der Richtung (70) erstreckendes und in Mikrowellenausbreitungsrichtung (72) stetig seine Dicke verringerndes dielektrisches Keilelement (78) aufweist.

9. Gasentladungslaser nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dicke des Keilelements (78) in Mikrowellenausbreitungsrichtung (72) linear abnimmt.

10. Gasentladungslaser nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Keilelement (78) eine im wesentlichen der gesamten Längserstreckung (58) der leitenden Platte (56) der jeweiligen Einkopplungs­ struktur (50) entsprechende Länge aufweist.

11. Gasentladungslaser nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Keilelement eine der Quererstreckung (60) der leitenden Platte (56) der jeweiligen Einkopplungsstruktur (50) entsprechende Breite quer zu der Richtung (70) aufweist.

12. Gasentladungslaser nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige leitende Platte (56) auf dem Keilelement (78) aufliegt.

13. Gasentladungslaser nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Keilelement (78) auf einer die Begrenzungsfläche (34) tragenden Wellen­ leiterwand (38) aufliegt.

14. Gasentladungslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Ein­ kopplungsstrukturen (50) mit einem Mikrowellensumpf (80) abgeschlossen ist.

15. Gasentladungslaser nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mikrowellensumpf ein Keilstück (80) aus einem verlustbehafteten Dielektrikum umfaßt.

16. Gasentladungslaser nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden einander gegenüberliegenden Einkopplungsstrukturen (50, 52) jeweils eine mit ihrer Längserstreckung (58) einen spitzen Winkel (α) zur Begrenzungsfläche (32, 34) verlaufende leitende Platte (56) aufweist.

17. Gasentladungslaser nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüber­ liegenden Einkopplungsstrukturen (50, 52) Keil­ elemente (78) aufweisen.

18. Gasentladungslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einkopp­ lungsstruktur (50′) zwei entgegengesetzt zueinander verlaufende Mikrowellenausbreitungsrichtungen (72v, h) aufweist.

19. Gasentladungslaser nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die leitende Platte (56v, h) der Ein­ kopplungsstruktur (50′) in einem mittleren Bereich mit dem entsprechenden Bandleiter (46) verbunden ist.

20. Gasentladungslaser nach Anspruch 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die leitende Platte ausgehend von dem mittleren Bereich mit zwei jeweils in einem spitzen Winkel (α) zur Begrenzungsfläche (34) verlaufenden Abschnitten (56v, h) auf diese zugeneigt ist.

21. Gasentladungslaser nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplungs­ struktur (50′) zwei sich in entgegengesetzte Rich­ tungen erstreckende Keilelemente (78v, h) aufweist.

22. Gasentladungslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sätze (50a, 52a; 50b, 52b; 50a′, 52a′; 50b′, 52b′) einander gegenüberliegender Einkopplungsstrukturen vorgesehen sind.

23. Gasentladungslaser nach Anspruch 22, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Richtungen (70) der Sätze von Einkopplungsstrukturen (50a, 52a; 50b, 52b; 50a′, 52a′; 50b′, 52b′) parallel zueinander verlaufen.

24. Gasentladungslaser nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die den Einkopp­ lungsstrukturen zugeordneten Streifenbereiche (74a, 74b; 74a′, 74b′) im wesentlichen aneinander an­ schließen.

25. Gasentladungslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der oder die Streifenbereiche (74, 74a, 74b, 74a′, 74b′) in Querrichtung (24) im wesentlichen über den vom Resonatorstrahlengang durchsetzten Teilbereich des Gasentladungsraums (40) erstrecken.

26. Gasentladungslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der oder die Streifenbereiche (74, 74a, 74b, 74a′, 74b′) im wesentlichen in Richtung der Resonatorlängsachse über den vom Resonatorstrahlengang durchsetzten Teil­ bereich des Gasentladungsraums (40) erstrecken.

27. Gasentladungslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung (70) parallel oder senkrecht zur Resonatorlängsachse (18a, c) verläuft.

28. Gasentladungslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Begrenzungsfläche (32, 34) tragende Wand (36, 38) aus Metall ist.

29. Gasentladungslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die die Begrenzungsfläche (34) tragende Wand (38) aus dielektrischem Material ist.

30. Gasentladungslaser nach einem der Ansprüche 22 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Satz (50a, 52a; 50b, 52b; 50′a, 52a′; 50b′, 52b′) von Einkopplungs­ strukturen eine eigene Mikrowellenquelle (42) zuge­ ordnet ist.

31. Gasentladungslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (12′) einen als Lasertätigkeitsraum (102) bezeichneten Volumenbereich des Gasentladungsraums (40′) durch­ setzt, welcher stromabwärts der Lasergasströmung (26) eines Anregungsraums (100) angeordnet ist, wobei der Anregungsraum (100) durch mindestens einen der Streifenbereiche (74) gebildet ist.

32. Gasentladungslaser nach Anspruch 31, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Anregungsraum (100) und dem Lasertätigkeitsraum (102) ein mikrowellenan­ regungsfreier Zwischenraum (104) liegt.