DE4026516A1 - Bandleiterlaser mit variabler wellenleiterdicke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen hochfrequenzangeregten Hoch­ leistungslaser, umfassend zwei einander gegenüberliegend angeordnete Resonatorspiegelflächen aufweisende Resonator­ spiegel, einen zwischen den Resonatorspiegelflächen lie­ genden Gasentladungsraum, einen sich zwischen diesen Reso­ natorspiegelflächen erstreckenden Wellenleiter mit zwei einander gegenüberliegenden und dem Gasentladungsraum zu­ gewandten reflektierenden Wellenleiterflächen, und einen Strahlenverlauf, welcher ein Ausgangswellenbündel auf­ weist, das sich seinerseits in einer senkrecht auf einem Bereich der ersten Spiegelfläche stehenden Ausgangs­ richtung zur zweiten Spiegelfläche hin ausbreitet und durch mehrfache Hin- und Herreflektion zwischen der zweiten und der ersten Spiegelfläche sich in einer zur Ausgangsrichtung senkrechten Querrichtung zwischen den Wellenleiterflächen mit räumlicher Kohärenz als Wellen­ bündelsystem ausbreitet.

Ein derartiger hochfrequenzangeregter Hochleistungslaser ist aus der EP-A-03 05 893 bekannt.

Bei diesem Laser wird die Entstehung des Wellenbündel­ system ausgehend von dem Ausgangswellenbündel dadurch be­ wirkt, daß die Spiegelflächen gemäß den Spiegelflächen eines instabilen Laserresonators geformt - beispielsweise zylindrisch gekrümmt - sind.

Der Wellenleiter hingegen umfaßt sich in zwei parallel zueinander verlaufenden Ebenen erstreckende Wellenleiter­ flächen, welche die Strahlen in der Richtung ohne Rich­ tungsveränderung weiterreflektieren, in welche sie von den Resonatorspiegelflächen reflektiert werden.

Die Herstellung und Justierung der Resonatorspiegelflächen als Spiegelflächen eines instabilen Resonators birgt Pro­ bleme und kann aufwendig sein.

Aus diesem Grund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hochleistungslaser der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß zur Bildung des Wellenbündelsystems, aus­ gehend von dem Ausgangswellenbündel, eine Anordnung der Resonatorspiegelflächen als solche eines instabilen Reso­ nators nicht zwingend notwendig ist, sondern daß die Aus­ breitung des Wellenbündelsystems mit räumlicher Kohärenz in der zur Ausgangsrichtung senkrechten Querrichtung durch andere Maßnahmen bewirkt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Hochleistungslaser der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die senkrecht zur Ausgangsrichtung verlaufenden Tangenten an die beiden das Ausgangswellenbündel reflek­ tierenden ersten Wellenleiterflächenbereiche parallel zueinander verlaufen und daß sich ein Abstand der sich an die das Ausgangswellenbündel reflektierenden ersten Wellenleiterflächenbereiche anschließenden zweiten Wellen­ leiterflächenbereiche über eine Ausbreitungsstrecke in Richtung der Querrichtung mit zunehmender Ausbreitung des Wellenleiterbündelsystems, ausgehend von dem Abstand der ersten Wellenleiterflächenbereiche, stetig vergrößert. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird somit die Möglich­ keit geschaffen, die kohärente Ausbreitung des Wellen­ bündelsystems in der Querrichtung durch die spezielle Form der Wellenleiterflächen zu erreichen, so daß keine beson­ dere Form und Anordnung der Resonatorspiegel hierzu erfor­ derlich ist.

Damit ist in besonders einfacher Weise die Möglichkeit ge­ schaffen, einen Hochleistungslaser der eingangs beschrie­ benen Art auf möglichst einfache und kostengünstige Weise herzustellen, nämlich durch geeignete Form und Anordnung der Wellenleiterflächen.

Besonders vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Lösung ist, daß die gegenseitige Ausrichtung der Wellenleiter­ flächen bei der vorliegenden Erfindung keiner so empfind­ lichen Justierung bedarf, wie die gegenseitige Anordnung der Resonatorspiegelflächen, so daß sich mit der erfin­ dungsgemäßen Ausführung insbesondere der Justieraufwand und der Aufwand, um die einzelnen Komponenten in der justierten gegenseitigen Ausrichtung zu halten, erheblich verringert.

Ein auf Grund der einfachen Herstellung besonders vorteil­ haftes Ausführungsbeispiel sieht vor, daß die erste Spiegelfläche eben ausgebildet ist.

Desweiteren ist es aus Kostengründen von Vorteil, wenn die zweite Spiegelfläche eben ausgebildet ist. Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel sieht dabei vor, daß die erste und die zweite Spiegelfläche eben ausgebildet sind und parallel zueinander ausgerichtet verlaufen.

Die Tatsache, daß die Spiegelflächen ebene Spiegelflächen sind schließt jedoch nicht die Verwendung von Spiegel­ flächen anderer Form bei der vorliegenden erfindungs­ gemäßen Idee aus.

Hinsichtlich der Ausbildung der ersten Wellenleiter­ flächenbereiche wurden im Rahmen der bislang beschriebenen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht. So können die ersten Wellenleiterflächenbereiche eine nennenswerte Breite aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn diese so schmal wie möglich gehalten sind, wobei vorzugsweise die ersten Wellenleiterflächenbereiche im wesentlichen eine infinitesimal kleine Erstreckung, beispielsweise in Linienbreite, in der Querrichtung auf­ weisen.

Hinsichtlich der Art und der Ausbildung der zweiten Wellenleiterbereiche wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So ist es besonders vorteilhaft, wenn sich der Abstand der sich an die das Ausgangswellenbündel reflek­ tierenden ersten Wellenleiterflächenbereiche anschlie­ ßenden zweiten Wellenleiterflächenbereiche über die ge­ samte Erstreckung dieser zweiten Wellenleiter­ flächenbereiche in der Querrichtung stetig vergrößert.

Die zweiten Wellenleiterflächenbereiche können dabei im einen Fall im wesentlichen als Ebenen ausgebildet sein.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn eine der Wellen­ leiterflächen in der Querrichtung konvex und eine der Wellenleiterflächen in der Querrichtung konkav ausgebildet ist, so daß durch die konvexe und konkave Krümmung der Wellenleiterflächen in einfacher Weise die Möglichkeit geschaffen ist, an die ersten Wellenleiterflächenbereiche mit parallelen Tangenten durch Veränderung der Krümmung die zweiten Wellenleiterflächenbereiche anschließen zu lassen.

Die einfachste Realisierung gekrümmter Wellenleiterflächen ist die, daß die Wellenleiterflächen in der Querrichtung zylindrisch gekrümmt sind.

Im Fall von zylindrisch gekrümmten Wellenleiterflächen ist jeder zylindrischen Krümmung eine Krümmungsachse zuge­ ordnet. So lassen sich die erfindungsgemäßen Wellenleiter­ flächen besonders einfach dadurch relativ zueinander an­ ordnen, daß die Krümmungsachsen der Wellenleiterflächen im Abstand parallel zueinander verlaufen. Es ist aber auch alternativ dazu denkbar, daß die Krümmungsachsen in einer Ebene liegen, jedoch miteinander einen Winkel ein­ schließen. Als weitere Alternative ist es denkbar, daß die Krümmungsachsen windschief zueinander verlaufen.

Hinsichtlich der Ausrichtung der Spiegelflächen relativ zu den Krümmungsachsen wurden bei den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel vor, daß eine Spiegelfläche senkrecht zu einer Krümmungsachse verläuft. Noch vorteilhafter ist es jedoch, wenn beide Spiegel­ flächen senkrecht zu der einen Krümmungsachse verlaufen oder noch besser, wenn beide Spiegelflächen senkrecht zu den beiden Krümmungsachsen verlaufen, was jedoch bedingt, daß die Krümmungsachsen parallel zueinander verlaufen.

Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfin­ dungsgemäßen Hochleistungslasers, welches insbesondere relativ einfach gefertigt werden kann, sieht vor, daß die Wellenleiterflächen durch eine azimutal geschlossene Außenmantelfläche eines Innenzylinders und eine azimutal geschlossene Innenmantelfläche eines Außenzylinders ge­ bildet werden, so daß zwischen der Außenmantelfläche und der Innenmantelfläche der Gasentladungsraum angeordnet ist.

Im Rahmen der bislang beschriebenen Ausführungsbeispiele wurde nicht näher darauf eingegangen, wie eine Auskopplung eines Laserstrahls aus dem erfindungsgemäßen Hoch­ leistungslaser erfolgen soll.

So sieht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel vor, daß eine Auskopplung des Laserstrahls durch einen teildurchlässigen Spiegelbereich erfolgt. Dieser teildurchlässige Spiegel­ bereich kann entweder dadurch realisiert sein, daß er nur einen Teil der auftreffenden Strahlung reflektiert, den anderen Teil hindurchtreten läßt oder daß der teildurch­ lässige Spiegelbereich mit nicht reflektierenden Bereichen versehen ist, die die Möglichkeit eines Durchtritts für die Laserstrahlung schaffen.

Eine besonders zweckmäßige Konzeption ist dabei so aufge­ baut, daß der teildurchlässige Spiegelbereich in einer das Wellenbündelsystem hin- und herreflektierenden Spiegel­ fläche liegt, das heißt also, daß das Ausgangswellenbündel von zwei vollreflektierenden Spiegelflächen begrenzt ist, und lediglich im Bereich des Wellenbündelsystems teil­ durchlässige Spiegelbereiche vorgesehen sind.

Bei einer besonders vorteilhaften Konstruktion des erfin­ dungsgemäßen Hochleistungslasers ist vorgesehen, daß der teildurchlässige Spiegelbereich von einem Austrittswellen­ bündel in einer Austrittsrichtung durchsetzt wird und daß die senkrecht zur Austrittsrichtung verlaufenden Tangenten an die beiden das Austrittswellenbündel reflektierenden Wellenleiterflächenbereiche parallel zueinander verlaufen. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, die Auskopplung in einem Bereich durchzuführen, in welchem das Austritts­ wellenbündel durch die angrenzenden Wellenleiter­ flächenbereiche keine zusätzlichen Reflektionen in Quer­ richtung erfährt.

Bezüglich der Anregung des erfindungsgemäßen Hochlei­ stungslasers wurden keine näheren Angaben gemacht. Vor­ zugsweise sind dabei die Wellenleiterflächen tragenden Wellenleiterwände so ausgebildet, daß sie Elektroden um­ fassen, wobei in diese Wellenleiterwände entweder Elek­ troden auf- oder eingesetzt sein können oder die Wellen­ leiterwände selbst als Elektroden, das heißt also bei­ spielsweise aus Metall, ausgebildet sein können. Im übrigen wird bezüglich der Art der Anregung, der Art des Lasergases und der möglichen Wellenlängen auf die Aus­ führungen in der EP-A-03 05 893 Bezug genommen.

Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Hoch­ leistungslasers sind Gegenstand der nachfolgenden Be­ schreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels in nicht maßstäblichen Größenverhältnissen;

Fig. 2 eine Ansicht in Richtung des Pfeils A Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht in Richtung des Pfeils B in Fig. 1;

Fig. 4 eine ausschnittsweise vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs eines Wellenleiters in Fig. 1 mit nicht maßstäblichen Größenverhältnissen;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hochleistungslasers mit weggelassenen Spiegeln in nicht maßstäblichen Größenverhältnissen;

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels in übertrieben dargestellten, nicht maßstäblichen Größenverhältnissen;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels mit weggelassenen Spiegeln ähnlich Fig. 6 in übertrieben dargestellten, nicht maßstäblichen Größenverhältnissen und

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels mit weggelassenen Spiegeln ähnlich Fig. 6 in übertrieben dargestellten, nicht maßstäblichen Größenverhältnissen.

Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochleistungslasers, dargestellt in den Fig. 1 bis 4 um­ faßt einen als Ganzes mit 10 bezeichneten optischen Wellenleiter mit einer unteren Wellenleiterfläche 12 und einer oberen Wellenleiterfläche 14, die jeweils optisch reflektierend ausgebildet und einander zugewandt sind. Diese beiden Wellenleiterflächen 12 und 14 werden getragen von oberen und unteren Wellenleiterwänden 16 bzw. 18 des Wellenleiters 10.

Die Wellenleiterflächen 12 und 14 der Wellenleiterwände 16 und 18 erstrecken sich dabei von einer vorderen Stirnseite 20, gebildet durch vordere Stirnseitenkanten 22 und 24 zu einer hinteren Stirnseite 26, gebildet durch hintere Stirnseitenkanten 28 und 30 in einer Längsrichtung 32 sowie von einer linken Längsseite 34 mit Längsseitenkanten 36 und 38 in einer Querrichtung 40 zu einer rechten Längs­ seite 42 mit Längsseitenkanten 44 und 46.

Den beiden Stirnseiten 20 und 26 zugewandt sind jeweils Resonatorspiegelflächen 50 und 52 von Resonatorspiegeln 54 und 56 angeordnet, wobei die Resonatorspiegelflächen 50 und 52 vorzugsweise in einer Ebene liegen, die parallel zu den Stirnseitenkanten 22 und 24 bzw. 28 und 30 verläuft. Bevorzugterweise stehen die Resonatorspiegelflächen 50 und 52 parallel zueinander und senkrecht auf der Längsrichtung 32.

Von den beiden Wellenleiterflächen 12 und 14 ist ein Gas­ entladungsraum 60 eingeschlossen, welcher sich in der Querrichtung 40 erfindungsgemäß mindestens von den Längs­ seitenkanten 36 und 38 bis zu den Längsseitenkanten 44 und 46 erstreckt und in der Längsrichtung 32 von den Stirn­ seitenkanten 22 und 24 bis zu den Stirnseitenkanten 28 und 30, vorzugsweise jedoch über diese hinaus jeweils bis zu den Resonatorspiegeln 50 und 52.

In dem Gasentladungsraum ist das jeweilige Lasergas einge­ schlossen, das vorzugsweise in diesem strömungsfrei steht, wobei die Gasmoleküle desselben lediglich durch Diffu­ sionsprozesse wandern. Dabei erfolgt eine Kühlung des Lasergases bevorzugt durch Stöße mit den Wellenleiter­ flächen 12 und 14 und Abkühlung des Gases an den Wellen­ leiterwänden 16 und 18, wobei die Wellenleiterwände bevor­ zugterweise mit einer Kühleinrichtung gekühlt sind, die im einfachsten Fall in den Wellenleiterwänden 14 und 16 ver­ laufende Kühlkanäle umfaßt.

Bevorzugterweise erfolgt die Anregung des Lasergases in dem Gasentladungsraum 60 durch Hochfrequenzeinkopplung, wobei eine besonders günstige Lösung vorsieht, daß die Wellenleiterwände 16 und 18 Hochfrequenzelektroden um­ fassen, welche über Hochfrequenzleitungen 62 und 64 mit einer zeichnerisch nicht dargestellten Hochfrequenzquelle verbunden sind.

Im einfachsten Fall sind die Wellenleiterwände 16 und 18 aus einem Metall, welches für die Laserstrahlung reflek­ tierend ist, so daß die Wellenleiterflächen 12 und 14 un­ mittelbar durch entsprechend bearbeitete Oberflächen der Wellenleiterwände 16 und 18 gebildet sind.

Wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, laufen die Wellenleiter­ flächen 12 und 14 in der Längsrichtung 32 parallel zuein­ ander, während sie in der Querrichtung 40 ausgehend von den Längsseitenkanten 36 und 38 mit zunehmender Er­ streckung in der Querrichtung 40 einen sich ständig ver­ größernden Abstand a aufweisen, wobei die Wellenleiter­ flächen 12 und 14 in der Längsrichtung 32 nach wie vor weiterhin parallel zueinander verlaufen. Die Wellenleiter­ flächen 12 und 14 bilden in Querrichtung unterschiedliche Bereiche. Zunächst bilden sie unmittelbar im Anschluß an die Längsseitenkanten 36 und 38 erste Wellenleiter­ flächenbereiche 68 und 70, deren senkrecht zu den Längs­ seitenkanten 36 und 38 verlaufende Tangenten 72 und 74 untereinander parallel zueinander verlaufen, so daß die ersten Wellenleiterbereiche 68 und 70 ebenfalls in der Querrichtung 40 im wesentlichen über eine kurze Distanz parallel zueinander ausgerichtet sind. Im Anschluß an die ersten Wellenleiterbereiche 68 und 70 gehen die Wellen­ leiterflächen 12 und 14, beispielsweise über einen ge­ krümmten Bereich, stetig in zweite Wellenleiter­ flächenbereiche 76 bzw. 78 über, wobei die Wellenleiter­ flächenbereiche 76 und 78 im einfachsten Falle keilförmig zueinander verlaufende ebene Flächen sind, die mit den Tangenten 72 und 74 jeweils einen Keilwinkel α einschließen.

Ein mit derartigen Wellenleiterflächen 12 und 14 ver­ sehener Wellenleiter 10 führt in der Längsrichtung 32 - wie bereits bei Wellenleitern mit parallelen Wellen­ leiterflächen bekannt - zu einer Hin- und Herreflektion eines Lichtstrahls 80 zwischen den Wellenleitern 12 und 14, wenn dieser sich von einer Resonatorspiegelfläche 50 zur anderen Resonatorspiegelfläche 52 oder umgekehrt ausbreitet.

Da in den ersten Wellenleiterflächenbereichen 68 und 70 die Tangenten 72 und 74 parallel zueinander verlaufen, bildet sich in dem ersten Wellenleiterflächenbereich ein in Fig. 1 und 4 dargestelltes Ausgangswellenbündel 82 aus, welches bei der Reflektion an den Wellenleiterflächen 12 und 14 keine Reflektionskomponente in der Querrichtung 40 erfährt, sondern lediglich in der Längsrichtung 32 reflek­ tiert wird. Dieses Ausganswellenbündel 82 breitet sich somit in einer Ausgangsrichtung 84 aus, welche zumindest senkrecht auf der Resonatorspiegelfläche 50, vorzugsweise aber auch senkrecht auf der Resonatorspiegelfläche 52 steht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 4 verläuft die Ausgangsrichtung 84 parallel zur Längs­ richtung 32.

In Form des Ausgangswellenbündels 82 erfolgt ein "Anschwingen" des Lasers, wobei die ersten Wellenleiter­ flächenbereiche 68 und 70 in der Querrichtung 40 so schmal wie möglich, vorzugsweise im wesentlichen linienförmig, ausgebildet sind. Sobald nun das Ausgangswellenbündel eine geringfügige Ablenkung quer zur Ausgangsrichtung 84 in der Querrichtung 40, die ebenfalls senkrecht zur Ausgangs­ richtung 84 verläuft, erfährt, erfolgt die Reflektion der Lichtstrahlen 80 an einem der zweiten Wellenleiter­ flächenbereiche 76 und 78, die auf Grund ihres in Quer­ richtung 40 nicht parallelen Verlaufes dazu führen, daß ein reflektierter Lichtstrahl zusätzlich noch in der Quer­ richtung 40 reflektiert wird. Der Einfachheit halber ist in Fig. 3 die Reflektion eines Lichtstrahls 82 lediglich in Richtung der Querrichtung 40 dargestellt, wobei zu er­ kennen ist, daß sich die Komponente q, mit welcher der Lichtstrahl 82 in Querrichtung reflektiert wird, ständig vergrößert, da der Einfallswinkel e von Reflektion zu Reflektion an den zweiten Wellenleiterflächenbereichen 76 und 78 stets größer wird.

In Fig. 4 ist anhand eines Lichtstrahls 86, welcher sich mit einer Komponente p parallel zur Ausgangsrichtung 84 und einer Komponente q parallel zur Querrichtung 40 aus­ breitet, die Reflektion an dem zweiten Wellenleiter­ flächenbereich 76 perspektivisch dargestellt.

Durch die Reflektion in der Querrichtung 40 wird aus dem Ausgangswellenbündel 82, wie in Fig. 1 schematisch ange­ deutet, ein Wellenbündelsystem 88, welches aus dem Aus­ gangswellenbündel 82 durch Hin- und Herreflektion an den Resonatorspiegelflächen 52 und 50 mit einer zusätzlichen Reflektionskomponente q in der Querrichtung 40, hervorge­ rufen durch die Reflektionen an den zweiten Wellenleiter­ flächenbereichen 76 und 78, entsteht. Der Übersichtlich­ keit halber wurde bei der zeichnerischen Darstellung des Wellenbündelsystems 88 in Fig. 1 dieses lediglich mit seinen Komponenten in Ausgangsrichtung 84 und Querrichtung 40 dargestellt, und die Reflektion zwischen den Wellen­ leiterflächen 12 und 14 weggelassen.

Um einen Laserstrahl 90 auskoppeln zu können, ist die Resonatorspiegelfläche 50 vollständig reflektierend aus­ gebildet, während die Resonatorspiegelfläche 52 einen vollständig reflektierenden Bereich 92 aufweist, der sich in Querrichtung von der Längsseite 34 in Richtung der Längsseite 42 erstreckt, jedoch im Abstand von der Längs­ seite 42 endet und in einen teilreflektierenden Bereich 94 übergeht, welcher den Laserstrahl 90 im wesentlichen parallel zur Ausgangsrichtung 84 austreten läßt.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 5) eines er­ findungsgemäßen Hochleistungslasers ist zur besseren Ver­ anschaulichung lediglich der Wellenleiter 110 desselben dargestellt.

Insoweit als dieselben Teile und Elemente wie beim ersten Ausführungsbeispiel Verwendung finden, sind diese mit den­ selben Bezugszeichen versehen, so daß vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug ge­ nommen werden kann.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel sind die Wellenleiterflächen 112 und 114 mit einer konstanten Krümmung versehen, wobei die Wellenleiterfläche 112 konkav und die Wellenleiterfläche 114 konvex gekrümmt ist.

In gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel haben die Wellenleiterflächen 112 und 114 einen ersten Wellenleiterflächenbereich 168 und 170, dessen Tangenten 172 und 174 parallel zueinander verlaufen. Der erste Wellenleiterflächenbereich begrenzt das Ausgangswellen­ bündel 82, welches sich in der Ausgangsrichtung 84 aus­ breitet, die senkrecht zu den Tangenten 174 und 172 ver­ läuft und senkrecht auf der zeichnerisch nicht darge­ stellten Resonatorspiegelfläche 50, bei welcher es sich um eine ebene Spiegelfläche handelt, steht.

An diese ersten Wellenleiterbereiche 168 und 170 schließen sich die zweiten Wellenleiterbereiche 176 und 178 an, deren Abstand a sich mit zunehmender Erstreckung derselben in der Querrichtung 40 vergrößert, wobei im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel die zweiten Wellenleiter­ flächenbereiche 176 und 178 im wesentlichen keine Ebenen, sondern gekrümmte Flächen sind.

In gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel weisen die Wellenleiterflächen 112 und 114 jedoch über ihre gesamte Erstreckung parallel zur Ausgangsrichtung 84 denselben Abstand a auf.

Das zweite Ausführungsbeispiel funktioniert in gleicher Weise wie das erste Ausführungsbeispiel, das heißt es bildet sich das Ausgangswellenbündel 82, von welchem aus­ gehend sich dann ein Wellenbündelsystem 88 mit räumlicher Kohärenz in Querrichtung 40 ausbreitet, wobei in gleicher Weise eine Auskopplung des Laserstrahls 90 über eine teil­ durchlässige Spiegelfläche erfolgt.

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Hochleistungslasers, dargestellt in Fig. 6, ist der Wellenleiter 210 durch zwei ineinander angeordnete Zylinder 216 und 218 gebildet, wobei der Zylinder 216 eine Innenmantelfläche 212 aufweist, welche die eine Wellen­ leiterfläche darstellt, während der Zylinder 218 eine Außenmantelfläche 214 aufweist, welche die andere Wellen­ leiterfläche bildet.

Diese beiden Zylinder 216 und 218 weisen jeweils vordere Stirnseiten 220 und 222 auf sowie hintere Stirnseiten 224 und 226, wobei die vorderen Stirnseiten 220 und 222 und die hinteren Stirnseiten 224 und 226 jeweils in einer Ebene liegen.

Ferner weisen die Zylinder 216 und 218 Zylinderachsen 228 bzw. 230 auf, welche, wie in Fig. 6 dargestellt, parallel zueinander, jedoch im Abstand voneinander verlaufen und in einer Ebene 232 liegen. Damit liegt der innere Zylinder 218 nicht koaxial zum äußeren Zylinder 216, sondern entsprechend dem Abstand der Zylinderachsen 228 und 230 versetzt, so daß der zwischen den Wellenleiterflächen 212 und 214 gebildete Gasentladungsraum 260 eine ungleich­ förmige radiale Erstreckung bezüglich der Zylinderachse 228 aufweist mit einer engsten Stelle 262 und einer weitesten Stelle 264, die beide in der Ebene 232 liegen.

Auf Grund der Tatsache, daß die Wellenleiterflächen 212 und 214 Zylinderflächen sind, ergibt sich, daß die Tangen­ ten 272 und 274 an die Wellenleiterflächen 212 und 214 an der engsten Stelle 262 längs der Schnittlinie der Ebene 232 mit den Wellenleiterflächen 212 uns 214 parallel zu­ einander verlaufen, wobei die Tangenten 272 und 274 sich parallel zu einer Querrichtung 240 erstrecken, welche eine Azimutalrichtung bezüglich der Zylinderachse 228 darstellt und senkrecht zu der Ausgangsrichtung 284 verläuft, in welcher sich das Ausgangswellenbündel 282, welches im Bereich der engsten Stelle 262 entsteht, ausbreitet.

Aus demselben Grund sind auch die Tangenten an die Wellen­ leiterflächen 212 und 214 längs der Schnittlinie mit der Ebene 232 an der weitesten Stelle 264 parallel zueinander.

Im Prinzip funktioniert dieses dritte, in Fig. 6 darge­ stellte Ausführungsbeispiel genau wie das erste und das zweite Ausführungsbeispiel, das heißt, daß sich an der engsten Stelle 262 das Ausgangswellenbündel 282 bildet, welches durch linienförmig sich parallel zur Ausgangs­ richtung 284 erstreckende erste Wellenleiter­ flächenbereiche 268 und 270 begrenzt ist, und daß sich ausgehend von diesem Ausgangswellenbündel 282 jeweils nun beiderseits der engsten Stelle 262 sich ein Wellenbündelsystem 288a und 288b bis zur weitesten Stelle 264 ausbreitet. Da diese beiden Wellenbündelsysteme 288a und 288b aus demselben Ausgangswellenbündel entstanden sind, sind sie auch untereinander kohärent, so daß sich über die gesamte Azimutalrichtung 240 bezüglich der Zylinderachse 228 eine im wesentlichen homogene ge­ schlossene Intensitätsverteilung bildet.

Im einfachsten Fall stehen bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel die beiden Resonatorspiegelflächen 250 und 252 parallel zueinander, wobei zur Auskopplung des Laserstrahls 290 die hintere Resonatorspiegelfläche 252 im Bereich der weitesten Stelle 264 einen teildurchlässigen Bereich 294 aufweist, durch welchen ein von den Wellen­ leiterflächen 212 und 214 an der weitesten Stelle 264 be­ grenztes und sich in einer Austrittsrichtung 265 ausbrei­ tendes Austrittswellenbündel als Laserstrahl 290 austritt.

Darüberhinaus ist es außerdem im einfachsten Fall noch vorteilhaft, wenn die Resonatorspiegelflächen 250 und 252 senkrecht zu den Zylinderachsen 228 und 230 verlaufen.

Bei Varianten des dritten Ausführungsbeispiels ist es aber auch denkbar, daß die Resonatorspiegelflächen 250 und 252 weder parallel zueinander noch senkrecht zu den Zylinder­ achsen 228 und 230 verlaufen. Die einzige Bedingung ist die, daß eine der Resonatorspiegelflächen, in diesem Fall die Resonatorspiegelfläche 250, senkrecht auf der Aus­ gangsrichtung 284 steht, von welcher ausgehend sich das Ausgangswellenbündel 282 in dem Wellenleiter 210 aus­ breitet.

Im übrigen funktioniert das dritte Ausführungsbeispiel nach dem gleichen Prinzip wie das erste und das zweite Ausführungsbeispiel, da sich der Abstand der Wellenleiter­ flächen 212 und 214 ausgehend von der engsten Stelle 262 und den ersten Wellenleiterflächenbereichen 268 und 270 mit den sich daran anschließenden Wellenleiter­ flächenbereichen 276a und b sowie 278a und b mit zu­ nehmender Erstreckung in Azimutalrichtung 240 erweitern, das heißt einen immer größer werdenden Abstand voneinander aufweisen, so daß der gleiche Effekt wie beim ersten Aus­ führungsbeispiel, nämlich eine Reflektion der Strahlung in Azimutalrichtung 240, auftritt und auf die detaillierten Erläuterungen dieser Reflektion in der Querrichtung oder Azimutalrichtung 240 des ersten Ausführungsbeispiels ver­ wiesen werden kann.

Bei einem vierten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 7, sind dieselben Elemente und Teile, insoweit als sie mit denen des dritten Ausführungsbeispiels identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß vollinhaltlich auf die Ausführungen zum dritten Ausführungsbeispiel Bezug genommen werden kann.

Im Gegensatz zum dritten Ausführungsbeispiel sind ledig­ lich die beiden Zylinderachsen 228′ und 230′ nicht parallel zueinander ausgerichtet, sondern liegen in einer Ebene 232′ und weisen in dieser Ebene 232′ einen Winkel w miteinander auf.

In gleicher Weise liegt auch die engste Stelle 262 in der Ebene 232′ und die Ausgangsrichtung 284 erstreckt sich in der Ebene 232′, so daß auch die Tangenten 272′ und 274′ an die Wellenleiterflächen 212 und 214 im Bereich der engsten Stelle 264 senkrecht zur Ausgangsrichtung 284 und parallel zueinander verlaufen. Der einzige Unterschied zum dritten Ausführungsbeispiel ist, daß in Ausgangsrichtung der Ab­ stand zwischen den ersten Wellenleiterflächenbereichen 268 und 270 nicht konstant ist, sondern entsprechend der Winkelstellung der Zylinderachsen 228′ und 230′ zueinander variiert. Dies hat jedoch keine Ablenkung des Ausgangs­ wellenbündels 282 in der Querrichtung 240 zur Folge, sondern verändert lediglich die Reflektionsbedingungen in der einen oder anderen Richtung. Die Reflektion in Quer­ richtung 240 erfolgt erst durch die zweiten Wellenleiter­ bereiche 276 und 278, die sich an die ersten Wellenleiter­ bereiche 268 und 270 anschließen.

Somit funktioniert vom Prinzip her das vierte Ausführungs­ beispiel genau wie das dritte Ausführungsbeispiel.

Bei einem fünften Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 8, liegen im Prinzip die gleichen Verhältnisse wie beim dritten und vierten Ausführungsbeispiel vor, mit dem einzigen Unterschied, daß nunmehr die Zylinderachsen 228′′ und 230′′ windschief zueinander verlaufen. In diesem Fall muß die Ausgangsrichtung 284 nicht notwendigerweise parallel zu den Zylinderachsen 228′′ und 230′′ verlaufen, sondern kann schräg zu diesen verlaufen, wobei der Verlauf der Zylinderachse 284 durch die ersten Wellenleiter­ flächenbereiche 268 und 270 definiert ist, deren senkrecht zur Ausgangsrichtung 284 gerichtete Tangenten parallel zu­ einander verlaufen.

Hinsichtlich der Resonatorspiegelflächen ist die einzige Bedingung darin zu sehen, daß die Ausgangsrichtung 284 auf einer Resonatorspiegelfläche senkrecht steht und sich von dieser ausgehend ausbreitet.

Im übrigen wird auf die detaillierten Ausführungen zu den vorausgehend beschriebenen Ausführungsbeispielen verwiesen.

Bei allen nicht maßstäblich dargestellten Ausführungs­ beispielen betragen bei einer funktionierenden Ausfüh­ rungsform der Abstand der ersten Wellenleiter­ flächenbereiche ungefähr 1,5 mm, der Abstand der zweiten Wellenleiterflächenbereiche ungefähr 1,5 mm bis ungefähr 2 mm, die Erstreckung der zweiten Wellenleiter­ flächenbereiche in der Querrichtung ungefähr 30 mm bis 100 mm und die Erstreckung der Wellenleiterflächenbereiche in der Ausgangsrichtung ungefähr 200 mm bis 60 mm. Als Laser­ gas wird vorzugsweise Co₂+N₂+He bei einem Druck von ungefähr 150 mbar verwendet und angeregt wird mit Frequenzen von ungefähr 100 MHz bis 200 MHz.

Claims (17)

1. Hochfrequenzangeregter Hochleistungslaser umfassend zwei einander gegenüberliegend angeordnete Resona­ torspiegelflächen aufweisende Resonatorspiegel,
einen zwischen den Resonatorspiegelflächen liegen­ den Gasentladungsraum,
einen sich zwischen diesen Resonatorspiegelflächen erstreckenden Wellenleiter mit zwei einander gegen­ überliegenden und dem Gasentladungsraum zugewandten reflektierenden Wellenleiterflächen, und einem Strahlenverlauf, welcher ein Ausgangswellenbündel aufweist, das sich seinerseits in einer senkrecht auf einem Bereich der ersten Spiegelfläche stehen­ den Ausgangsrichtung zur zweiten Spiegelfläche hin ausbreitet und durch mehrfache Hin- und Herreflek­ tion zwischen der zweiten und der ersten Spiegel­ fläche sich in einer zur Ausgangsrichtung senk­ rechten Querrichtung zwischen den Wellenleiter­ flächen mit räumlicher Kohärenz als Wellenbündel­ system ausbreitet, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht zur Ausgangsrichtung (84) verlaufen­ den Tangenten (72, 74; 172, 174; 272, 274) an beide das Ausgangswellenbündel (82, 282) reflektierenden ersten Wellenleiterflächenbereiche (68, 70; 168, 170; 268, 278) parallel zueinander verlaufen und daß sich ein Abstand (a) der sich an die das Aus­ gangswellenbündel (82, 282) reflektierenden ersten Wellenleiterflächenbereiche (68, 70; 168, 178; 268, 278) anschließenden zweiten Wellenleiter­ flächenbereiche (76, 78; 176, 178; 276, 278) über eine Ausbreitungsstrecke in Richtung der Quer­ richtung (40, 240) mit zunehmender Ausbreitung des Wellenbündelsystems (88, 288) ausgehend von dem Abstand der ersten Wellenleiterflächenbereiche (68, 70; 168, 170; 268, 270) stetig vergrößert.

2. Hochleistungslaser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Resonatorspiegelfläche (50, 250) eben ausgebildet ist.

3. Hochleistungslaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Resonatorspiegel­ fläche (52, 252) eben ausgebildet ist.

4. Hochleistungslaser nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Resonatorspiegelflächen (50, 52; 250, 252) parallel zueinander verlaufen.

5. Hochleitungslaser nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Resonatorspiegelflächen in einem Winkel zueinander verlaufen.

6. Hochleistungslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Wellenleiterflächenbereiche (68,70; 168, 170; 268, 270) eine im wesentlichen linienförmige Erstreckung in Querrichtung (40, 240) aufweisen.

7. Hochleistungslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Ab­ stand (a) der sich an die das Ausgangswellenbündel (82, 282) reflektierenden ersten Wellenleiter­ flächenbereiche (68, 70; 168, 170; 268, 270) an­ schließenden zweiten Wellenleiterflächenbereiche (76, 78; 176, 178; 276, 278) sich über die gesamte Erstreckung dieser zweiten Wellenleiterflächen­ bereiche (76, 78; 176, 178; 276, 278) in der Quer­ richtung (40, 240) stetig vergrößert.

8. Hochleistungslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Wellenleiterflächen (114, 214) in der Querrichtung (40, 240) konvex und eine der Wellenleiterflächen (112, 212) in der Querrichtung (40, 240) konkav ausgebildet ist.

9. Hochleistungslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen­ leiterflächen (112, 114; 212, 214) in der Quer­ richtung (40, 240) zylindrisch gekrümmt sind.

10. Hochleistungslaser nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Krümmungsachsen (228, 230) der Wellenleiterflächen (212, 214) im Abstand parallel zueinander verlaufen.

11. Hochleistungslaser nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Krümmungsachsen (228′, 230′) einen Winkel (w) miteinander einschließen.

12. Hochleistungslaser nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Krümmungsachsen (228′′, 230′′) windschief zueinander verlaufen.

13. Hochleistungslaser nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spiegelfläche (250) senkrecht zu einer Krümmungsachse (228) ver­ läuft.

14. Hochleistungslaser nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter­ flächen (212, 214) durch eine azimutal geschlossene Innenmantelfläche eines Außenzylinders (216) und eine azimutal geschlossene Außenmantelfläche eines Innenzylinders (218) gebildet werden.

15. Hochleistungslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aus­ kopplung eines Laserstrahls (90, 290) durch einen teildurchlässigen Spiegelbereich (94, 294) erfolgt.

16. Hochleistungslaser nach Anspruch 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der teildurchlässige Spiegelbe­ reich (94, 294) in einer das Wellenbündelsystem (88, 288) hin- und herreflektierenden Resonator­ spiegelflächen (52, 252) liegt.

17. Hochleistungslaser nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der teildurch­ lässige Spiegelbereich (294) von einem Austrittswellenbündel in einer Austrittsrichtung durchsetzt wird und daß die senkrecht zur Aus­ trittsrichtung verlaufenden Tangenten an die beiden das Austrittswellenbündel reflektierenden Wellen­ leiterflächenbereiche parallel zueinander verlaufen.