DE4112311A1 - Transversal elektrisch gepumpter gaslaser mit schraeg ausgefuehrtem strahldurchgang - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem durch eine elektrische Querentladung gepumpten Gaslaser mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.

Entladungsgepumpte Excimerlaser sind die wichtigsten Hoch­ leistungslaser für den ultravioletten Spektralbereich. Ein üblicher entladungsgepumpter Excimerlaser enthält einen Laserkopf mit einem Entladungsgefäß (Laserkammer), das mit einem geeigneten Gasgemisch (Lasergas) gefüllt ist und zwei langgestreckte Elektroden enthält, die eine Länge von eini­ gen 10 cm bis 1 m haben können, parallel zueinander verlaufen und sich im Abstand von einigen Zentimetern gegenüberstehen. Im Betrieb werden diese Elektroden impulsartig mit einer elektrischen Spannung von einigen 10 kV und einer Anstiegs­ zeit von typischerweise 10 bis 100 ns beaufschlagt, um zwischen den Elektroden eine möglichst homogene Entladung zu erzeugen. Um dies zu erreichen, ist es außerdem notwendig, daß der Entladungsraum zwischen den Elektroden gleichzeitig, z. B. durch eine Reihe von kleinen Funkenstrecken, mit hartem ultravioletten Licht beleuchtet wird, damit eine genügende Vorionisation der Entladungsstrecke vorhanden ist, da sich sonst statt der homogenen Entladung nur eine Reihe von Einzelfunken ausbilden würde. Bei entsprechender Form­ gebung der Elektroden kann die entstehende Entladung eine Breite von einigen Millimetern bis etwa 1 cm erreichen. Wegen des Abfalls der Anregungsdichte quer zur Entladungs­ richtung ist jedoch die Verteilung der Leistung der ent­ stehenden Laserstrahlung über ihren Querschnitt relativ inhomogen, was für viele Anwendungen Nachteile mit sich bringt. Eine bessere Homogenität des Strahlprofils und eine Vergrößerung des Querschnitts läßt sich bis heute nur mit einer sehr aufwendigen Röntgen-Vorionisierung erreichen.

Dies alles gilt auch für andere quergepumpte Gaslaser. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Homogenität des Strahlprofils eines durch eine elektrische Querentladung gepumpten Gaslasers zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einem Gaslaser mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen durch das kennzeich­ nende Merkmal des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gaslasers sind Gegenstand von Unter­ ansprüchen.

Durch die Erfindung läßt sich eine wesentliche Verbesserung der Homogenität des Strahlprofils und eine vor allem für die Anwendung als Laserverstärker ultrakurzer Laserpulse erwünschte Vergrößerung des Strahlquerschnitts mit einfachen Mitteln erreichen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a eine Prinzipdarstellung eines bekannten Gaslasers;

Fig. 1b eine Fig. 1a entsprechende Prinzipdarstellung zur Erläuterung des Erfindungsgedankens;

Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung eines Laseroszillators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Laserverstärkers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Aus­ führungsbeispiels eines Gaslasers gemäß der Erfindung und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Gaslaser-Verstärkers gemäß der Erfindung.

Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Laserstrahlengang, also die optische Achse z, nicht wie üblich und in Fig. 1a dargestellt, parallel zur Längsrich­ tung der in Fig. 1a schraffiert dargestellten Entladung oder mit anderen Worten gesagt parallel zur Längsrichtung der Entladungselektroden verläuft sondern unter einem gewissen, von Null verschiedenen Winkel β. Bei einem Laser­ verstärker verläuft die Richtung z′ des Strahlenganges des zu verstärkenden Laserstrahls also im Winkel β zur Längs­ richtung z des durch die Entladung erzeugten Verstärkungs­ medium, also das angeregte Lasergas, bzw. der Elektroden.

Fig. 2 zeigt schematisch einen Laseroszillator, der einen durch einen möglichst vollständig reflektierenden Spiegel 12 sowie durch einen teildurchlässigen Spiegel 14 begrenzten optischen Resonator aufweist, dessen optische Achse durch eine strichpunktierte Gerade 16 dargestellt ist. Zwischen den Spiegeln 12, 14 befindet sich ein nur schematisch ange­ deutetes, übliches Entladungsgefäß 18 (Laserkammer), in dem sich zwei längliche Entladungselektroden, deren Längsrichtung durch eine gestrichelte Gerade 22 bezeichnet ist, in einem Abstand von einigen Zentimetern gegenüberliegen. Das Ent­ ladungsgefäß 18 enthält ein geeignetes Lasergas z. B. eine Mischung von Neon, Krypton und Fluor, ferner sind eine Einrichtung zur Vorionisierung des Lasergases seitlich der Elektroden sowie eine Impulsspannungsquelle vorgesehen. Die Impulsspannungsquelle liefert im Betrieb an die Elektroden elektrische Impulse mit z. B. einer Spitzenspannung von einigen 10 kV, einer Anstiegszeit von typischerweise 10 bis 100 ns und einer Dauer in der Größenordnung von 50 bis 100 ns. Diese nicht dargestellten Einrichtungen sind üblich und brauchen daher nicht näher erläutert zu werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung verläuft die Längsrichtung 22 der Elektroden 20 unter einem gewissen, von Null ver­ schiedenen Winkel, der zweckmäßigerweise zwischen etwa 1° und 5° betragen kann, bezüglich der optischen Achse 16 des optischen Resonators, also des entstehenden Laserstrahls.

Es ist sofort ersichtlich, daß die Entladung zwischen den Elektroden, die durch eine Schraffierung in Fig. 2 ange­ deutet ist, jetzt dem Laserstrahl einen größeren Querschnitt darbietet. Allerdings ist auch die Weglänge des Laserstrahls durch die Entladung und damit auch die Verstärkung kleiner. Durch den schrägen Durchgang des Laserstrahls durch die Entladung integriert der Strahl jedoch nun über die Inhomo­ genitäten an den Rändern der Entladung, so daß jetzt im Gegensatz zur bekannten Anordnung gemäß Fig. 1a eine wesentlich homogenere Verteilung der Laserleistung über den außerdem noch vergrößerten Strahlquerschnitt erreicht wird.

Als Beispiel für die erzielbaren Verbesserungen von Quer­ schnittsgröße und Homogenität der Verstärkung wurde ein kommerzieller Excimerlaser (Modell EMG 501, Lambda Physik, Göttingen) mit einer üblichen Gasmischung für KrF gefüllt und als Verstärker für einen ultrakurzen Laserpuls von 450 fs Dauer bei 248 nm Wellenlänge benutzt. Bei konventioneller Konfiguration, bei der der zu verstärkende Strahl längs der Achse der Entladung verläuft, erhielt man einen Strahl­ querschnitt von 25×5 mm² bei relativ inhomogener Inten­ sitätsverteilung. Läßt man dagegen den Strahl in einem Winkel von 1,8° oder 2,4° zur Längsachse der Entladung durch diese fallen, so wird die Intensitätsverteilung wesentlich homogener und die Strahlquerschnitte wachsen auf 25×22 mm² bzw. 25×25 mm² an. Um mit diesen Einfallswinkeln arbeiten zu können, wurden nur die üblichen Fenster mit ihren Halte­ rungen von dem kommerziellen Laser entfernt und durch 90×50×7 mm³ große MgF₂-Fenster mit entsprechenden Haltern ersetzt. Da der Strahlquerschnitt durch die er­ findungsgemäße schräge Strahlführung bis zum Fünffachen gegenüber der bei der normalen Konfiguration anwächst, kann bei entsprechender Intensität des Eingangsstrahles auch die Ausgangsleistung des verstärkten Strahles, die, wie all­ gemein bekannt, bei den verwendeten kurzen Pulslängen dem Verstärkungsquerschnitt proportional ist, auf das Fünffache gesteigert werden.

Die Verringerung der Weglänge durch die Entladung infolge des schrägen Durchganges des Laserstrahles läßt sich, wie in Fig. 3 dargestellt ist, leicht kompensieren, wenn man eine X-Konfiguration mit doppeltem Durchgang durch die Entladung benutzt. Der Laserverstärker, dessen für die Erfindung wesentliche Teile in Fig. 3 dargestellt sind, enthält ein Entladungsgefäß 318, welches an seinen Stirnseiten mit MgF₂-Fenster 318a, 318b versehen ist. Im Inneren des Ent­ ladungsgefäßes 318 befindet sich ein Lasergas, z. B. eine Mischung aus Neon, Krypton und Fluor, und ein Paar einander gegenüberliegender, langgestreckter, streifenförmiger Elektroden, die einen schraffiert dargestellten Entladungs­ bereich 320a einschließen. Beim einen Ende des Entladungs­ gefäßes 318 sind zwei Strahlumlenkspiegel 324, 326 ange­ ordnet, welche einen zu verstärkenden Eingangslaserstrahl 328, der unter einem Winkel β durch den Entladungsbereich 320a gegangen ist, in Rückwärtsrichtung spiegelsymmetrisch zum Eingangsstrahl 328 wieder durch den Entladungsbereich 320 fallen läßt, so daß der Ausgangsstrahl 330 also zweimal schräg durch den Entladungsbereich 320 gelaufen ist. Hier­ durch wird außer der Querschnittsvergrößerung eine besonders weitgehende Integration über die Inhomogenitäten an den Rändern der Entladung erreicht.

Fig. 4, in der für entsprechende Teile die gleichen Bezugs­ zeichen verwendet wurden wie in Fig. 2, zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Laseroszillatoranordnung gemäß der Erfindung. Hier sind statt eines einzigen Paares 20 in Fig. 2 im Entladungsgefäß 18 zwei Paare 20a, 20b von Elektroden gestaffelt angeordnet, deren Längsrichtungen parallel zueinander in der beschriebenen Weise schräg zur Richtung des Laserstrahls verlaufen. Selbstverständlich können auch drei oder mehr Paare von Elektroden vorgesehen sein und benachbarte Elektrodenpaare können im Winkel zueinander verlaufen. Die Verwendung mehrerer Paare kürzerer Elektroden anstelle einer sehr langen Elektrode hat den Vorteil, daß die verstärkte Spontanemission, die die Inversion in der Entladung herabsetzt und außerdem einen unerwünschten Untergrund der Laseremission bildet, gegenüber den konventionellen Anordnungen mit langen Elektroden wesentlich herabgesetzt wird. Auch bei einer solchen Auf­ teilung der Elektroden in zwei oder mehr Paare ergibt sich durch den Winkel zwischen der Längsrichtung der Elektroden und der Resonatorachse bzw. der Strahlrichtung wieder die oben beschriebene Querschnittsvergrößerung und wesentlich verbesserte Homogenität des Strahlprofils.

Fig. 5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Excimerlaser-Verstärker mit dreifachem Strahldurch­ gang durch den Entladungsbereich. Der Laserverstärker gemäß Fig. 5 entspricht zum Teil dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3, so daß für gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet worden sind.

Im ersten Durchgang wird der Excimerlaser als Vorverstärker in konventioneller Weise benutzt, um eine hohe Verstärkung bei kleinem Strahlquerschnitt zu erreichen. Der Eingangs­ strahl 327 wird vorzugsweise aufgeweitet, wenn er nicht bereits, wie in Fig. 5 angedeutet, eine ausreichende Divergenz aufweist, und er wird parallel zur Längsrichtung der Entladung 320 durch diese geführt. Der vorverstärkte Strahl wird dann durch ein Paar von Umlenkspiegeln 325a, 325b so umgelenkt, daß der umgelenkte Strahl 328 in einem zweiten Durchgang schräg durch den Entladungsbereich 320 verläuft. Der Strahl wird dann durch die Umlenkspiegel 324, 326 erneut umgelenkt und geht dann in entgegengesetzter Richtung nochmals schräg durch den Entladungsbereich 320, so daß dann schließlich ein Ausgangsstrahl 330 mit ent­ sprechend hoher Ausgangsleistung, großem Querschnitt und hoher Homogenität erhalten wird.

Die Erfindung ist nicht auf Excimerlaser beschränkt sondern läßt sich in entsprechender Weise auf alle in ähnlicher Weise entladungsgepumpten Gaslaser anwenden, beispielsweise den Stickstofflaser um nur ein Beispiel zu nennen. Es kann zweckmäßig sein, den Querschnitt des Strahls vor dem schrägen Durchgang durch die langgestreckte Entladungszone zumindest quer zur Entladungsrichtung so weit zu vergrößern, daß die ganze Länge der Entladungszone vom Strahl ausge­ leuchtet wird.

Claims (8)

1. Durch eine elektrische Querentladung gepumpter Gaslaser mit

• a) einem Entladungsgefäß (18), in dem sich
• b) ein Lasergas und
• c) mindestens ein Paar einander gegenüberliegender, läng­ licher Entladungselektroden (20), die in einer vorge­ gebenen Längsrichtung verlaufen und durch einen Ent­ ladungsbereich getrennt sind, befinden;
• d) einem in einer vorgegebenen Richtung (16) durch den Entladungsbereich führenden Strahlengang für Laser­ strahlung, und
• e) einer Einrichtung zur Vorionisierung des Lasergases im Entladungsbereich,

dadurch gekennzeichnet, daß die Längsrichtung (22) der Elektroden (20) einen gewissen, von Null verschiedenen Winkel mit der Richtung (16) des Strahlenganges bildet.

2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gewisse Winkel zwischen 1° und 5° beträgt.

3. Gaslaser nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Strahlumlenkanordnung (324, 326), die einen schräg durch den Entladungsbereich gefallenen Laserstrahl (328) so umlenkt, daß er erneut schräg durch den Entladungsbereich (320a) fällt (Fig. 3).

4. Gaslaser nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Entladungsgefäß (18) mindestens zwei Paare einander gegenüberliegender, länglicher Entladungselektroden (20a, 20b) enthält.

5. Gaslaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungselektroden-Paare gestaffelt und parallel zueinander verlaufen (Fig. 4).

6. Gaslaser nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlengang der Laserstrahlung in einem ersten Durchgang parallel zur Längsrichtung der Entladungselektroden durch den Entladungsbereich verläuft und daß mindestens eine Strahlumlenkanordnung (325a, 325b; 324, 326) vorgesehen ist, die den Strahl dann mindestens ein weiteres Mal schräg durch den Entladungsbereich (320) lenkt (Fig. 5).

7. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Vorionisierung eine UV-Vorionisierungseinrichtung ist.