DE4004071C2 - Optischer Resonator für Festkörperlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Resonator für Festkörperlaser nach dem Oberbegriff des Hauptan­ spruchs.

Es ist bekannt, daß die Strahlqualität eines Lasers, die durch das Produkt aus Radius des Laserstrahls und halben Divergenzwinkel definiert ist, die Fokussierbar­ keit der Laserstrahlung bestimmt und für zahlreiche Anwendungen, insbesondere für die Materialbearbeitung und für die Energieübertragung über große Entfernungen sehr wichtig ist und unbedingt berücksichtigt werden muß. Sie wird nicht nur durch die Eigenschaften des Laserkörpers als aktivem Medium, beispielsweise durch seine Homogenität, sondern in starkem Maße auch durch die Auslegung des optischen Resonators beeinflußt. Hohe Strahlqualität und damit gute Fokussierbarkeit sind in einem bekannten Resonator, der aus zwei den Austritts­ flächen der Laserstrahlung aus dem Laserkörper direkt gegenüberliegenden Spiegeln besteht, wobei ein Spiegel­ teil durchlässig ist, gleichbedeutend mit dem alleini­ gen Auftreten des Grundmodes (TEM_oo). Dies läßt sich bei Lasersystemen geringer Ausgangsleistung auch in der Praxis meistens gut realisieren. Bei Hochenergielasern, die einen großvolumigen Laserkörper als aktives Medium voraussetzen, läßt sich mit derartigen stabilen Resona­ toren jedoch keine hohe Strahlqualität erzielen, ohne daß der Resonator sehr lang ist. Instabile Resonatoren, bei denen der Laserstrahl derart gelenkt wird, daß er ohne teildurchlässigen Spiegel ausgekoppelt werden kann, liefern zwar hohe Strahlqualität, die Fernfeld­ verteilung des ausgekoppelten Laserstrahls besitzt je­ doch Nebenmaxima, die für viele Anwendungen unerwünscht sind. Bei üblichen bekannten instabilen Zweispiegel- Resonatoren kann die Forderung nach hoher Strahlquali­ tät und optimaler Auskopplung gleichzeitig nicht er­ füllt werden. Bei der Verwendung von rechteckigen La­ serplatten, sogenannten Slabs, ist die Strahlqualität zwar unabhängig von der Pumpleistung, wodurch der Vor­ teil entsteht, daß der Laserfokus sich nicht mit der Ausgangsleistung des Lasers ändert, die Strahlqualität ist aber bei üblichen stabilen Resonatoren aus Spiegeln aufgrund des großen Querschnittsverhältnisses von Höhe zu Breite schlecht, da hohe Modenzahlen auftreten und mit steigender Ordnung der Moden die Fokussierbarkeit schlechter wird.

Aus dem Buch "Laser", W. Kleen, R. Müller (Herausgeber), Springer-Verlag 1969, Seiten 133-137, ist ein optischer Resonator für Festkörperlaser bekannt, der einen Laser­ stab mit zwei totalreflektierenden Dachkantprismen auf­ weist, wobei die Auskopplung von Licht mit Hilfe des optischen Tunneleffekts durch ein Prisma geschieht, das im Abstand von etwa einer Lichtwellenlänge an eine Dachfläche angesetzt ist.

Die WO 89/10 642 A1 betrifft einen Laser, der zwei in der­ selben Ebene einander gegenüberliegend angeordnete re­ troreflektierende Reflektoren aufweist, wobei jeder Reflektor zwei im rechten Winkel zueinander angeordnete Spiegelflächen umfaßt. Die die Winkel halbierenden Ach­ sen sind achsparallel zueinander versetzt. In dem Eck­ bereich des einen Reflektors ist ein Endspiegel m1 an­ geordnet, und ein weiterer Spiel m2, der teilreflektie­ rend ausgebildet sein kann, liegt dem Randbereich des anderen Reflektors gegenüber. Die Reflektoren bilden mit den Endspiegeln eine Resonatoranordnung, wobei der zwischen den Endspiegeln verlaufende Laserstrahl mehr­ fach gefaltet wird und die räumliche Ausbreitung bzw. der Durchmesser des Laserstrahls wird durch den Spiegel im Eckbereich des einen Reflektors bestimmt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, einen gut justierbaren opti­ schen Resonator für Festkörperlaser zu schaffen, mit dem die Strahlqualität bei Beibehaltung hoher Ausgangs­ energie verbessert wird und die thermischen Effekte im aktiven Medium verringert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Dadurch, daß die Reflektoranordnungen beidseitig des Laserkörpers jeweils ein Prisma aufweisen, deren Basis­ flächen parallel zu den Austrittsflächen des aktiven Mediums liegen und deren Winkelhalbierenden zueinander parallel versetzt sind, wobei auf der Seite jedes Pris­ mas ein optisches Element angeordnet ist, von denen das eine zur Auskopplung teilreflektierend und das andere hochreflektierend ist, wird eine verbesserte Justier­ barkeit erreicht und die Strahlqualität sowohl bei Ver­ wendung als stabilen oder instabilen Resonator verbes­ sert. Bei dieser Anordnung kann durch Wahl der Prismen­ abmessungen und gegebenenfalls der Auskoppelspiegel eine optimale Auskopplung bei beliebiger Kleinsignal­ verstärkung und hoher Strahlqualität bei großvolumigen Lasern erreicht werden.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die prinzipielle Darstellung des Resona­ tors gemäß einem ersten Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 schematisch die Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 schematisch die Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels, und

Fig. 4 schematisch die Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 sind beidseitig des Laserkörpers 3, der vor­ zugsweise als Laserplatte ausgebildet ist, jeweils ein 90°-Prisma, den Austrittsflächen 12, 13 mit ihren Ba­ sisflächen jeweils gegenüberliegend, parallel und ver­ setzt zueinander angeordnet, wobei sie gleich groß oder unterschiedlich groß ausgebildet sein können. Durch diese Anordnung liegen die Mittelachsen bzw. Winkelhal­ bierenden der Prismen 1, 2 versetzt zueinander. Der Strahlengang bei einer Anordnung nach Fig. 1 ist ver­ gleichbar in Fig. 3 dargestellt, wobei die Strahlung mehrfach zwischen den Prismen 1, 2 hin- und herläuft und an deren schrägen Flächen jeweils um 90° abgelenkt wird.

Die Strahlung, die an den Prismen 1, 2 vorbeifällt, wird durch zwei Planspiegel 9, 10 aufgefangen und re­ flektiert, wobei eine der beiden Planspiegel, bei­ spielsweise der Spiegel 9 zur Auskopplung der Strahlung teilreflektierend ausgebildet ist. Dieser reflektiert die Strahlung teilweise durch den Laserkörper hindurch auf das Prisma 2 zurück und läßt sie teilweise zur Aus­ kopplung hindurch. Hinter dem teilreflektierenden Spie­ gel 9 können nicht dargestellte optische Elemente zum Fokussieren vorgesehen sein. Die Fokussierung kann auch teilweise oder vollständig über den Spiegel 9 erfolgen, dessen Beschichtungsflächen 5, 6 dann mit entsprechen­ den Krümmungsradien versehen sind. Auch anstelle des Planspiegels 10 kann eine gekrümmter Spiegel verwendet werden.

Die Strahlung wird mehrfach hin und her reflektiert und geht somit mehrfach durch den Laserkörper, wodurch eine optimale Ausnutzung des aktiven Mediums und eine Redu­ zierung der Laserschwelle erreicht wird. Die kleine effektive Fresnelzahl hat eine hohe Strahlqualität zur Folge.

Wenn der teilreflektierende Spiegel 9 weggelassen wird und die austretende Laserstrahlung lediglich durch ent­ sprechende optische Elemente fokussiert wird, ist die Anordnung als instabiler Resonator ausgebildet, der in einer anderen Ausführungsform auch dadurch realisiert werden könnte, daß ein gekrümmter total reflektierender Spiegel anstelle des Spiegels 9 vorgesehen ist, der die Strahlung an dem Laserkörper vorbei auf eine Fokussier­ einheit lenkt.

In Fig. 2 sind die beiden Spiegel 9, 10 in den Prismen 1, 2 integriert und bilden mit diesen eine Einheit. Die Oberflächen des Prismas 1 sind teilreflektierend ausge­ bildet, so daß die Strahlentnahme durch den oberen Teil des Prismas 1 vorgenommen werden kann. Die Fläche 11 des Prismas 2 ist dann reflektierend. Die Funktionswei­ se ist die gleiche wie in Fig. 1.

Weiterhin können die den Spiegeln 9, 10 entsprechenden Flächen direkt auf den Austrittsflächen 12, 13 des La­ serkörpers 3 angeordnet sein und zusätzlich können auch die Prismen 1, 2 Bestandteil des Laserkörpers 3 sein, d. h. an diesen angeformt sein.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel mit dem entsprechenden Strahlengang ist in Fig. 3 dargestellt, wobei die Ober­ fläche 15 des Prismas 2, und zwar nur der obere Teil der Oberfläche 15, optisch beschichtet und teilreflek­ tierend ist. Diese Oberfläche reflektiert die Laser­ strahlung teilweise durch den Laserkörper 3 hindurch auf den hochreflektierenden Spiegel 17 zurück und läßt teilweise zur Auskopplung hindurch. Die auszukoppelnde Strahlung wird durch das Prisma 2 auf ein weiteres Prisma 1 umgelenkt und geht mehrfach hin und her durch den Restteil des Laserkörpers, bis sie schließlich vom unteren Teil des Laserkörpers austritt. Auf dem langen Weg wird die Strahlung um Größenordnungen verstärkt. In diesem Fall wirkt der eine Teil des Laserkörpers als Oszillator und der andere als Verstärker.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 oszilliert die Laserstrahlung zunächst zwischen dem hochreflektieren­ den Spiegel 17 und der Oberfläche 15, wird über das Prisma 2 ausgekoppelt und auf das Prisma 1 umgelenkt. Danach läuft sie mehrfach durch die zwei zueinander versetzten Prismen 1, 16 und wird somit verstärkt. Die Wirkungsweise entspricht der wie bei dem Ausführungs­ beispiel nach Fig. 3.

Claims (7)

1. Optischer Resonator für Festkörperlaser mit einem aktiven Medium und jeweils zu den Austrittsflächen des aktiven Mediums parallelliegenden Reflektor­ anordnungen, die mindestens ein 90°-Prisma aufwei­ sen, wobei die Laserstrahlung retroreflektiv durch das aktive Medium geführt wird und ein Teil der Laserstrahlung ausgekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelhalbierende zweier mit ihren Basis­ flächen (14, 15) in an sich bekannter Weise parallel zu den Austrittsflächen (12, 13) des akti­ ven Mediums (3) liegenden Prismen (1, 2) zueinander parallel versetzt sind, und daß auf der Seite je­ des Prismas (1, 3) ein optisches Element (9, 10) angeordnet ist, von denen das eine zur Auskopplung teilreflektierend und das andere hochreflektierend ist.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die optischen Elemente (9, 10) ge­ krümmt sind.

3. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente eine Baueinheit mit den Prismen (1, 2) bilden.

4. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der beiden Prismen (1, 2) mit einer die Oberfläche teilweise bedeckenden reflek­ tierenden Schicht (15) versehen ist und die Laser­ strahlung direkt ohne teilreflektierendes opti­ sches Element auskoppelbar ist.

5. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Prismen gekreuzt zueinander angeordnet sind.

6. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Laserkörper (3) als Platte ausgebildet ist.

7. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß ein hochreflektierendes planes oder gekrümmtes optisches Element (17) und die teilreflektierende Oberfläche (15) des Prismas (2) eine Reflektoranordnung bilden, zwischen denen die Laserstrahlung durch einen Teil des Laserkör­ pers hindurch hin- und herreflektiert und über das Prisma (2) ausgekoppelt wird, wobei die ausgekop­ pelte Laserstrahlung durch weitere Prismen (1, 16) umgelenkt wird und durch den Restteil des Laser­ körpers läuft, so daß die optischen Elemente (2, 17) einen Oszillator und die Elemente (1, 16) einen sich daran anschließenden Verstärker bilden.