DE4012689A1

DE4012689A1 - Pumped excimer laser with homogeneous energy profile - has optical element deflecting divergent light at distance from optical axis to obtain parallel beam

Info

Publication number: DE4012689A1
Application number: DE19904012689
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Sowada
Original assignee: Lambda Physik AG
Current assignee: Lambda Physik AG
Priority date: 1990-04-20
Filing date: 1990-04-20
Publication date: 1991-10-24

Abstract

The laser has a resonator (10) containing the laser medium which is pumped so that its density decreases with the distance from the optical axis (A) in at least one plane. A reflective mirror (12) and an exit mirror (14) lie at opposite ends of the resonator space, with an optical element (18) within the resonator (10) which deflects the laser light (S1) diverging from the optical axis, to obtain a parallel beam. The exit mirror (14) has a greater reflection coefficient at a distance from the optical axis (A) than closer to the cutter. ADVANTAGE - Reduced energy losses.

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser mit einem Resonator, in dem ein Medium angeordnet ist, das so energetisch gepumpt wird, daß die Dichte der gepumpten Energiezustände des Mediums mit dem Abstand von der optischen Achse des Lasers in zumindest einer die optische Achse enthaltenden Ebene abnimmt, sowie mit einem Rückspiegel und einem Auskoppelspiegel, zwischen denen das Medium angeordnet ist.The invention relates to a laser with a resonator in which a medium is arranged which is so energetically pumped that the density of the pumped energy states of the medium with the Distance from the optical axis of the laser in at least one the plane containing the optical axis decreases, as well as with a Rearview mirror and a coupling mirror, between which the Medium is arranged.

Bei einer Reihe von Lasertypen, wie insbesondere Gas-Entla dungslasern (z. B. Excimer-Laser), ist die Anregung des aktiven Mediums (z. B. des Plasmas bei einer Gasentladung) nicht homogen im Resonatorraum verteilt. Fig. 1 zeigt schematisch für einen Gas-Entladundslaser (z. B. einen Excimer-Laser) die Verteilung der Dichte der angeregten Zustände im Gas (sogenannte Pumpdich teverteilung) bei einem Resonator mit ebenen Spiegeln. Die Pumpdichteverteilung ist bei transversaler Anregung des aktiven Mediums spiegelsymmetrisch zu einer Ebene, die der in Fig. 1 strichpunktierten Linie A entspricht, während bei einer longi tudinalen Anregung des Mediums eine rotationssymmetrische Ver teilung in bezug auf die strichpunktierte Linie A als Rota tionsachse vorliegt. In a number of laser types, such as gas discharge lasers in particular (e.g. excimer laser), the excitation of the active medium (e.g. the plasma during a gas discharge) is not homogeneously distributed in the resonator chamber. Fig. 1 shows schematically for a gas discharge laser (z. B. an excimer laser) the distribution of the density of the excited states in the gas (so-called pump density distribution) in a resonator with plane mirrors. The pump density distribution is mirror-symmetrical to a plane which corresponds to the dash-dotted line A in FIG. 1 when transverse excitation of the active medium is present, while there is a rotationally symmetrical distribution with respect to the dash-dotted line A as the axis of rotation in the case of longitudinal excitation of the medium.

Dementsprechend ist beispielsweise bei einem Excimer-Laser auch das Profil des Laserstrahls nicht homogen. Bei transversaler Anregung zwischen zwei sich parallel zur Laserachse A er streckenden Elektroden ist das Intensitätsprofil des Laser strahls in einer sich zwischen den Elektroden erstreckenden Ebene relativ gleichmäßig abgeflacht und weist steile Flanken auf, während das Intensitätsprofil senkrecht zu einer durch die Elektroden aufgespannten Ebene etwa gaussförmig ist.This is also the case, for example, with an excimer laser the profile of the laser beam is not homogeneous. With transverse Excitation between two parallel to the laser axis A er stretching electrodes is the intensity profile of the laser beam in a extending between the electrodes Flattened level relatively evenly and has steep flanks on, while the intensity profile is perpendicular to one through the Electrode spanned plane is approximately Gaussian.

Solche inhomogenen Intensitätsprofile entstehen aufgrund einer inhomogenen Pumpdichteverteilung im Lasermedium. Im Resonator des Lasers bildet sich ein Laserstrahl aus, solange die Lei stungsverluste, welche unter anderem durch die Auskoppelung von Strahlteilen am Auskoppelspiegel entstehen, kleiner sind als die Verstärkung des Strahls durch stimmulierte Emission.Such inhomogeneous intensity profiles result from a inhomogeneous pump density distribution in the laser medium. In the resonator the laser forms a laser beam as long as the lei performance losses, which are caused, among other things, by the decoupling of Beam parts on the output mirror are smaller than the amplification of the beam by stimulated emission.

In Fig. 1 sollen die Linien L die Pumpdichteverteilung im La sermedium andeuten, d. h. je dichter die Linien L liegen, um so höher ist die Dichte der energetisch gepumpten Zustände des Me diums. Bei einer solchen, nach außen abfallenden Pumpdichtever teilung entsteht eine Einschnürung des Laserstrahls auf dieje nigen Bereiche des Mediums, in denen eine hinreichende Beset zungsinversion vorliegt. Die in weiter außen liegende Bereiche des Mediums beim Pumpen transferierte Energie geht dabei verlo ren und wird z. B. als Fluoreszenz abgestrahlt. Aufgrund solcher Energieverluste wird der energetische Wirkungsgrad des Lasers vermindert.In Fig. 1 the lines L are to indicate the pump density distribution in the laser medium, ie the closer the lines L are, the higher the density of the energetically pumped states of the medium. With such an outward falling pump density distribution there is a constriction of the laser beam onto those areas of the medium in which there is sufficient occupation inversion. The energy transferred to the outside of the medium during pumping is lost and is lost e.g. B. emitted as fluorescence. The energy efficiency of the laser is reduced due to such energy losses.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser der ein gangs genannten Art so weiterzubilden, daß sein energetischer Wirkungsgrad verbessert ist. Darüberhinaus soll mit einem er findungsgemäßen Laser auch eine Homogenisierung des Strahlpro fils des Lasers gefördert werden. The invention has for its object a laser gangs mentioned in such a way that his energetic Efficiency is improved. In addition, with a he inventive laser also a homogenization of the beam pro fils of the laser are promoted.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird dieses Ziel da durch erreicht, daß der Resonator ein optisches Element auf weist, das im Resonator parallel zu und fern der optischen Achse verlaufende Laserstrahlen so umlenkt, daß sie weiterhin parallel zur optischen Achse und näher an dieser verlaufen.According to a first aspect of the invention, this object is achieved achieved by the resonator having an optical element points that in the resonator parallel to and far from the optical Deflects the axis of the laser beam so that it continues run parallel to and closer to the optical axis.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das angestrebte Ziel dadurch erreicht, daß der Auskoppelspiegel entfernt von der optischen Achse einen größeren Reflexionskoeffizienten hat als näher an der optischen Achse.According to a further aspect of the invention, the desired Objective achieved by removing the coupling mirror from the optical axis has a larger reflection coefficient than closer to the optical axis.

Bevorzugt werden die beiden vorstehend genannten erfindungsge mäßen Maßnahmen kombiniert, d. h. ein Resonator zeichnet sich dadurch aus, daß sowohl ein optisches Element vorgesehen ist, welches im Resonator fern der optischen Achse verlaufende La serstrahlen näher an die optische Achse umlenkt als auch daß der Auskoppelspiegel in einem von der optischen Achse des La sers entfernten Bereich einen im Vergleich mit dem Bereich um die optische Achse größeren Reflexionskoeffizienten aufweist.The two above-mentioned fiction are preferred combined measures, d. H. a resonator stands out characterized in that both an optical element is provided, which La runs in the resonator far from the optical axis deflects ser rays closer to the optical axis than that the decoupling mirror in one of the optical axis of the La or the distant area compared to the area around the optical axis has larger reflection coefficients.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das optische Element, welches bewirkt, daß ein parallel zur opti schen Achse einfallender Strahl, der relativ weit von der opti schen Achse entfernt ist, in einen achsparallelen, in der Nähe der Achse verlaufenden Strahl überführt wird, als Prisma ausge bildet, welches benachbart dem Rückspiegel (100%-Spiegel) des Resonators angeordnet ist.According to a preferred embodiment of the invention optical element, which causes a parallel to the opti rule axis incident relatively far from the opti axis is removed, in an axially parallel, nearby the axis extending beam is transferred out as a prism forms, which is adjacent to the rearview mirror (100% level) of the Resonators is arranged.

Es ist aber auch möglich, den Rückspiegel selbst so auszufor men, daß er diese Funktion übernimmt, d. h. die Strahlen von außen nach innen in der beschriebenen Weise umlenkt.But it is also possible to design the rearview mirror yourself men that he takes over this function, d. H. the rays of redirected outside in the manner described.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben. Further preferred embodiments of the invention are in the other subclaims described.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:An embodiment of the invention is described below the drawing explained in more detail. It shows:

Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch einen Laserresonator mit einer Pumpdichteverteilung und Fig. 1 shows schematically a section through a laser resonator with a pump density distribution and

Fig. 2 schematisch einen erfindungsgemäß ausgestalteten Laserresonator. Fig. 2 shows diagrammatically a laser resonator designed according to the invention.

Der in den Figuren gezeigte Resonator 10 weist einen 100%-ig reflektierenden Rückspiegel 12 und einen Auskoppelspiegel 14 auf. Das Lasermedium 16 befindet sich zwischen den Spiegeln. Beispielsweise handelt es sich um den Resonator eines Excimer- Lasers, dessen gasförmiges Medium transversal durch eine Gas entladung zwischen Elektroden (nicht gezeigt) angeregt wird. Die Anordnung gemäß Fig. 1 und die darin gezeigte Pumpdichte verteilung ist herkömmlich.The resonator 10 shown in the figures has a 100% reflecting rear-view mirror 12 and a coupling-out mirror 14 . The laser medium 16 is located between the mirrors. For example, it is the resonator of an excimer laser, the gaseous medium of which is transversely excited by a gas discharge between electrodes (not shown). The arrangement according to Fig. 1 and the pump density shown therein is conventional distribution.

Fig. 2 zeigt zwei erfindungsgemäße Verbesserungen. Fig. 2 shows two improvements according to the invention.

Zunächst ist der plane Rückspiegel 12 mit 100%-iger Reflexion durch ein prismatisches Element 18 modifiziert, das benachbart dem Rückspiegel 12 angeordnet ist. Das prismatische Element 18 hat die selbe Symmetrie in bezug auf die optische Achse A des Lasers, wie die Inhomogenität der Pumpdichteverteilung. Dies entspricht den Schnitten gemäß den Fig. 1 und 2.First, the flat rear-view mirror 12 is modified with 100% reflection by a prismatic element 18 , which is arranged adjacent to the rear-view mirror 12 . The prismatic element 18 has the same symmetry with respect to the optical axis A of the laser as the inhomogeneity of the pump density distribution. This corresponds to the cuts according to FIGS. 1 and 2.

Das prismatische Element 18 bewirkt, daß ein relativ weit außen im Medium, d. h. unter relativ großem Abstand zur optischen Achse A verlaufender Laserstrahl S₁ so abgelenkt wird, daß er näher an die optische Achse A gelangt, siehe hierzu den umge lenkten und reflektierten Strahl S₄. Der Strahl S₄ läuft durch Bereiche des Lasermediums, die eine höhere Pumpdichte aufweisen als die Bereiche, durch die der Strahl S₁ läuft, so daß der Ge winn durch stimulierte Verstärkung beim Strahl S₄ erhöht ist. The prismatic element 18 causes a relatively far outside in the medium, ie at a relatively large distance from the optical axis A laser beam S ₁ is deflected so that it comes closer to the optical axis A, see the deflected and reflected beam S _4th The beam S ₄ runs through areas of the laser medium which have a higher pump density than the areas through which the beam S ₁ runs, so that the gain is increased by stimulated amplification in the beam S ₄ .

Die in das Medium beim Anregen gepumpte Energie wird somit bes ser ausgebeutet und der Wirkungsgrad des Lasers verbessert.The energy pumped into the medium during excitation is thus determined exploited and the efficiency of the laser improved.

Statt der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung mit einem prismatischen Element 18 kann auch der Rückspiegel 12 direkt so geformt werden, daß er die gleiche Wirkung hat wie das in Fig. 2 mit dem Rückspiegel 12 zusammenwirkende prismati sche Element 18.Instead of the embodiment of the invention shown in FIG. 2 with a prismatic element 18 , the rear view mirror 12 can also be shaped directly so that it has the same effect as the prismatic element 18 interacting with the rear view mirror 12 in FIG. 2.

Die vorstehend beschriebene Anordnung gemäß Fig. 2 bewirkt nicht nur eine verbesserte Energieausbeute, sondern auch eine verbesserte Gleichförmigkeit der Intensitätsverteilung über den Querschnitt des durch den Auskoppelspiegel 14 ausgekoppelten Laserstrahls.The arrangement described above according to FIG. 2 not only brings about an improved energy yield, but also an improved uniformity of the intensity distribution over the cross section of the laser beam coupled out through the coupling mirror 14 .

Das Ziel einer verbesserten Energieausbeute und einer ebenfalls verbesserten Gleichförmigkeit des Strahlprofils wird gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel auch dadurch gefördert, daß der Auskoppelspiegel 14 in der nachfolgend beschriebenen Weise weitergebildet ist. Der Auskoppelspiegel 14 weist einen in Fig. 2 mit einem einfachen Strich dargestellten zentralen Bereich auf, durch den mittig die optische Achse A geht und der beispielsweise eine Reflektivität aufweist, die einem herkömm lichen Auskoppelspiegel entspricht. Einige Prozent der einfal lenden Laserstrahlung werden somit durch den zentralen Bereich des Auskoppelspiegels 14 durchgelassen.The goal of an improved energy yield and a likewise improved uniformity of the beam profile is also promoted according to the exemplary embodiment shown in FIG. 2 by further developing the coupling-out mirror 14 in the manner described below. The decoupling mirror 14 has a central region shown in FIG. 2 with a simple line, through which the optical axis A passes in the middle and which, for example, has a reflectivity which corresponds to a conventional coupling mirror. A few percent of the incident laser radiation are thus transmitted through the central region of the coupling-out mirror 14 .

In einem Abstand x von der optischen Achse A des Lasers ist aber der Auskoppelspiegel 14 hoch reflektierend ausgebildet, d. h. der Reflexionskoeffizient ist hier größer als im mittigen Bereich des Auskoppelspiegels. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind die hochreflektierenden Abschnitte des Auskoppel spiegels 14 mit 14′ bezeichnet. At a distance x from the optical axis A of the laser, however, the coupling-out mirror 14 is designed to be highly reflective, ie the reflection coefficient is larger here than in the central region of the coupling-out mirror. In the embodiment of FIG. 2, the highly reflective portions of the coupling mirror 14 are designated 14 '.

Die hochreflektierenden Abschnitte 14′ des Auskoppelspiegels definieren räumliche Bereiche im Laserresonator 10, in denen der Gütefaktor des Resonators erhöht ist. Diese Bereiche liegen beim Beispiel gemäß Fig. 2 etwa zwischen den Strahlen S₃ und S₁ (und entsprechend spiegelbildlich auf der anderen Seite der optischen Achse A). Die in den äußeren Bereichen des Mediums gespeicherte Energie wird durch die hochreflektierenden Ab schnitte 14′ des Auskoppelspiegels 14 mit besserem Wirkungsgrad in Laserstrahlung umgesetzt und die mittels des prismatischen Elementes 18 (oder eines vergleichbaren Bauteiles) umgelenkte Strahlung (vergleiche Strahl S₂) erhält durch Nachverstärkung im zentralen Bereich des Mediums mit hoher Pumpdichte eine deutliche Nachverstärkung, so daß eine Auskoppelung im zentra len Abschnitt des Auskoppelspiegels 14 (der eine geringere Reflektivität als die äußeren Abschnitte 14′ aufweist) möglich ist.The highly reflective sections 14 'of the coupling mirror define spatial areas in the laser resonator 10 , in which the quality factor of the resonator is increased. In the example according to FIG. 2, these areas lie approximately between the beams S ₃ and S ₁ (and accordingly in mirror image on the other side of the optical axis A). The energy stored in the outer areas of the medium is converted by the highly reflective sections 14 'of the coupling mirror 14 with better efficiency into laser radiation and the radiation deflected by means of the prismatic element 18 (or a comparable component) (compare beam S ₂ ) is obtained by amplification in the central region of the medium with a high pump density, a clear amplification, so that a decoupling in the central portion of the decoupling mirror 14 (which has a lower reflectivity than the outer sections 14 ') is possible.

Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung werden im Vergleich mit dem Stand der Technik auch solche Bereiche des Lasermediums zur Strahlbildung ausgenutzt, in denen die Pumpdichte beim Stand der Technik zu gering ist, um eine stimulierte Verstär kung des Strahls zu erreichen und überdies erfolgt eine Ver gleichmäßigung der Intensitätsverteilung über den Strahlquer schnitt aufgrund der erfindungsgemäßen Inversion von in bezug auf die optische Achse A inneren und äußeren Strahlanteilen.With the arrangement described above are compared with the prior art also such areas of the laser medium exploited for beam formation in which the pump density at State of the art is too low to provide a stimulated boost to reach the beam and a ver uniformity of the intensity distribution across the beam cross cut due to the inversion of in relation to the invention on the optical axis A inner and outer beam components.

Claims

1. Laser with a resonator ( 10 ), in which a medium is arranged, which is so energetically pumped that the density of the pumped energy states of the medium in at least one plane containing the optical axis with the distance from the optical axis (A) of the laser decreases, as well as with a rearview mirror ( 12 ) and a coupling mirror ( 14 ), between which the medium ( 16 ) is arranged, characterized in that the resonator ( 10 ) has an optical element ( 18 ) which is parallel to and far from the optical axis (A) extending laser beams (S ₁ ) deflected so that they continue to run parallel to the optical axis (A) and closer to it.

2. Laser with a resonator ( 10 ) in which a medium is arranged, which is so energetically pumped that the density of the pumped energy states of the medium in at least one plane containing the optical axis with the distance from the optical axis (A ) of the laser decreases, and with a rearview mirror ( 12 ) and a decoupling mirror ( 14 ), between which the medium ( 16 ) is arranged, characterized in that the decoupling mirror ( 14 ) from the optical axis (A) ren a size Reflection coefficient than closer to the optical axis (A).

3. Laser according to claim 1 and optionally claim 2, characterized in that the optical element ( 18 ) is a prism which is arranged adjacent to the rearview mirror ( 12 ).

4. Laser according to claim 1 and optionally claim 2, characterized in that the rear view mirror is shaped so that it deflects in the resonator parallel to and far from the optical axis (A) laser beams (S ₁ ) so that they continue parallel to the optical Run axis (A) and closer to it.

5. Laser according to one of claims 2 to 4, characterized in that the reflection coefficient of the coupling mirror ( 14 ) as a function of the distance to the optical axis (A) is larger.

6. Laser according to one of claims 2 to 5, characterized in that the coupling mirror ( 14 ) in at least one plane containing the optical axis (A) tending at a distance (x) from the optical axis (A) is highly reflective.