DE4229137A1 - Gepulstes Hochleistungslasersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein gepulstes Hochleistungslasersystem, umfassend einen Resonator mit Resonatorspiegeln und mit einem sich zwischen den Resonatorspiegeln er­ streckenden Resonatorstrahlungsfeld sowie ein von dem Resonatorstrahlungsfeld über eine aktive Länge durch­ setztes anregbares Lasermedium.

Bei derartigen gepulsten Hochleistungslasersystemen besteht das Problem, daß zur Erzeugung möglichst hoher Pulsleistungen eine möglichst hohe Besetzungsinversions­ dichte aufgebaut werden muß.

Dem Aufbau einer derartigen hohen Besetzungsinversions­ dichte steht jedoch entgegen, daß ab einer bestimmten Größe der Besetzungsinversion die Lasertätigkeit selbst­ tätig einsetzt, so daß eine höhere Besetzungsinversions­ dichte nicht mehr erreichbar ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gepulstes Hochleistungslasersystem zu schaffen, bei welcher eine möglichst hohe Besetzungsinversionsdichte erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Resonatorstrahlungsfeld ein laserpulsbestimmender Güte­ schalter derart angeordnet ist, daß die aktive Länge des Resonatorstrahlungsfeldes durch den Güteschalter in mindestens zwei Segmente trennbar ist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist somit darin zu sehen, daß der Güteschalter nicht nur die Güte des Resonators heruntersetzt, sondern auch die Möglichkeit schafft, die aktive Länge des Resonatorstrahlungsfeldes in mindestens zwei Segmente zu trennen und damit die An­ schwingschwelle zu erhöhen.

Die aktive Länge des Resonatorstrahlenfeldes ist dabei die Länge desselben, mit welcher dieses einen Entladungsraum mit laseraktivem Medium durchsetzt.

Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des er­ findungsgemäßen Hochleistungslasers sieht vor, daß der Güteschalter eine das Resonatorstrahlungsfeld auf einen Linienfokus abbildende Abbildungsoptik und einen im Be­ reich des Linienfokus wirksamen mechanischen Zerhacker aufweist. Ein derartiger mechanischer Zerhacker gibt den Linienfokus frei oder deckt ihn ab und schafft in Kombina­ tion mit dem Linienfokus eine optimale Möglichkeit zur Güteschaltung, da mit dieser hohe Leistungen schnell geschaltet werden können.

Der Güteschalter kann dabei mit den unterschiedlichsten Abbildungsoptiken ausgestattet sein. Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel sieht vor, daß der Güteschalter als Abbildungsoptik einen Kegelspiegel aufweist, bei welchem der Linienfokus in dessen Kegelachse liegt. Dieser Kegel­ spiegel bietet eine einfache und unempfindliche Möglich­ keit, um einen Verlauf des Resonatorstrahlungsfeldes zu erhalten, bei welchem durch den Güteschalter die aktive Länge desselben in mehrere Segmente trennbar ist.

Alternativ dazu sieht eine weitere Möglichkeit vor, daß der Güteschalter als Abbildungsoptik zwei konfokal ange­ ordnete zylindrische Parabolspiegel aufweist, bei welchen der Linienfokus parallel zu deren Zylinderrichtung ver­ läuft. Mit derartigen Parabolspiegeln wird ebenfalls eine einfache und justierunempfindliche Optik des Güteschalters geschaffen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Parabolspiegel vom Linienfokus kommende Strahlung in entgegengesetzte Rich­ tungen reflektieren, da bei einer derartigen Anordnung der Parabolspiegel durch Krümmungen der Parabolspiegel be­ dingte Verzerrungen kompensiert werden.

Eine vorteilhafte Realisierungsmöglichkeit der erfindungs­ gemäßen Lösung sieht vor, daß die aktive Länge des Reso­ natorstrahlungsfeldes in mindestens zwei eine vergleich­ bare aktive Länge aufweisende Segmente auftrennbar ist. Vorzugsweise haben die Segmente ungefähr dieselbe aktive Länge.

Noch vorteilhafter ist es, wenn die aktive Länge des Resonatorstrahlungsfeldes in drei Segmente auftrennbar ist.

Um eine möglichst hohe Auftrennung zu erreichen ist es besonders vorteilhaft, wenn das Resonatorstrahlungsfeld die Güteschaltung zweifach durchläuft.

Bei einem zweifachen Durchlauf der Güteschaltung könnte eine Auftrennung durch zwei mechanische Zerhacker oder durch einen mechanischen Zerhacker erfolgen, welcher auf jeden Durchlauf des Resonatorstrahlenfelds mit einem anderen Zerhackerelement, das heißt beispielsweise einem anderen Schlitz, wirkt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Resonator­ strahlungsfeld denselben Linienfokus zweifach durchläuft, da in diesem Fall lediglich ein mechanischer Zerhacker mit einem sich öffnenden und schließenden Zerhackerelement erforderlich ist und somit keinerlei Probleme mit der Synchronisierung beispielsweise zweier sich öffnender und schließender Zerhackerelemente bestehen.

Die erfindungsgemäße Konzeption läßt sich besonders ein­ fach dann erreichen, wenn der Resonator einen vom Güte­ schalter kommende Strahlung in diesen parallel versetzt zurückreflektierenden Umlenkspiegel aufweist, wobei dieser Umlenkspiegel vorzugsweise als Kegelspiegel ausgebildet ist.

Da die Strahlqualität von erfindungsgemäßen Hochleistungs­ lasern bei Verwendung von Lasergas als Lasermedium auf­ grund der in Strömungsrichtung variierenden, das heißt abnehmenden Dichte des Lasermediums begrenzt ist, woraus ein Gradient der optischen Weglänge bei unterschiedlichen in Richtung quer zur Resonatorachse nebeneinanderliegenden Teilstrahlungsfeldern des Resonatorstrahlungsfeldes resul­ tiert, der zu einer Verkippung des Laserstrahls und zu einer Verschlechterung der Strahlqualität führt, ist es besonders vorteilhaft, wenn das Resonatorstrahlungsfeld so durch das Lasermedium geführt ist, daß Unterschiede in den optischen Weglängen von Teilstrahlungsfeldern des Reso­ natorstrahlungsfeldes reduziert werden.

Ein Resonatorstrahlungsfeld im Sinne der Erfindung ist aus einer Vielzahl von nebeneinander in ihrer Ausbreitungs­ richtung verlaufenden Teilstrahlungsfeldern aufgebaut und weist eine endliche Querschnittsfläche quer zu der jewei­ ligen Ausbreitungsrichtung auf. Ein Resonatorstrahlungs­ feld kann dabei beispielsweise mehrere in einer einzigen gemeinsamen Ausbreitungsrichtung nebeneinander verlaufende Teilstrahlungsfelder umfassen oder durch Hin- und Her­ reflexion zwischen zwei Spiegeln festgelegte Teil­ strahlungsfelder.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die unterschied­ liche optische Weglänge der Teilstrahlungsfelder im wesentlichen kompensiert ist.

Dies läßt sich besonders vorteilhaft dann realisieren, wenn das Hochleistungslasersystem zwei vom Resonator­ strahlungsfeld durchsetzte Entladungsräume aufweist, wobei die Entladungsräume vorzugsweise identisch ausgebildet sind. Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn in den Ent­ ladungsräumen Gasentladungen mit identischen Entladungs­ verhältnissen, vorzugsweise identischer in der Strömungs­ richtung variierender Dichte, stattfinden.

In diesem Fall ist vorzugsweise das Resonatorstrahlungs­ feld so ausgebildet, daß dieses die Entladungsräume derart durchsetzt, daß sich die Einflüsse der unterschiedlichen optischen Weglänge auf das Resonatorstrahlungsfeld im wesentlichen kompensieren.

Eine derartige Kompensation der optischen Weglänge kann dabei in unterschiedlichster Art und Weise erfolgen. So ist bei einer einfachen Variante der erfindungsgemäßen Lösung vorgesehen, daß jeder Entladungskanal von einem Ast des Resonatorstrahlungsfeldes durchsetzt ist, wobei bei gleichen Strömungsrichtungen die Teilstrahlungsfelder der beiden Äste um die optische Achse gegeneinander um 180° verdreht sind oder bei entgegengesetzten Strömungsrich­ tungen die Teilstrahlungsfelder gegenüber der optischen Achse unverdreht die Entladungskanäle durchsetzen.

Ein besonders leistungsfähiges Ausführungsbeispiel sieht vor, daß jeder Entladungskanal durch zwei Äste des Reso­ natorstrahlungsfeldes durchsetzt ist, wobei die zwei Äste insbesondere im wesentlichen parallel zueinander ver­ laufen.

Im Rahmen der bislang beschriebenen Ausführungsbeispiele wurde nicht darauf eingegangen, wie das Resonator­ strahlungsfeld beim zweiten Durchtritt durch den Linien­ fokus relativ zu seiner Lage beim ersten Durchtritt durch den Linienfokus ausgerichtet ist.

So ist es besonders vorteilhaft wenn die Teilstrahlungs­ felder des Resonatorstrahlungsfeldes den Linienfokus beim zweiten Durchtritt in einen anderen Bereich durchsetzen als beim ersten Durchtritt.

Eine zweckmäßige Lösung zur Kompensation von Geometrie­ fehlern sieht vor, daß die Teilstrahlungsfelder welche beim ersten Durchtritt in einem Endbereich des Linienfokus liegen und beim zweiten Durchtritt in einem mittigen Bereich des Linienfokus liegen.

Noch vorteilhafter ist es wenn die Teilstrahlungsfelder, welche beim ersten Durchtritt in einem Endbereich des Linienfokus liegen, beim zweiten Durchtritt in gegenüber­ liegendem Endbereich des Linienfokus liegen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegen­ stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichne­ rischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht eines ersten Ausführungsbeispiels;

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Darstellung des Hochleistungslasersystems im Bereich der Entladungskanäle;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Resonator­ strahlungsfeldes;

Fig. 4 eine Seitenansicht der Verläufe des Strahlungs­ feldes in Richtung des Pfeils P4;

Fig. 5 eine ausschnittsweise vergrößerte Darstellung von Linienfokus und mechanischem Zerhacker;

Fig. 6 eine Darstellung des Strahlungsfeldes ähnlich Fig. 4 bei Betrachtung von äußeren Bereichen des Strahlungsfeldes;

Fig. 7 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungs­ beispiel ohne das Umwälzsystem und

Fig. 8 eine Ansicht in Richtung des Pfeils P8 in Fig. 7.

Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochleistungslasers, dargestellt in Fig. 1 und 2, umfaßt ein als Ganzes mit 10 bezeichnetes Entladungsgehäuse, in welchem zwei Entladungskanäle 12 und 14 angeordnet sind. Diese Entladungskanäle 12 und 14 sind identisch dimensio­ niert. Vorzugsweise sind die Entladungskanäle 12 und 14, wie in Fig. 1 dargestellt, parallel zueinander und neben­ einander angeordnet, so daß sie von dem Lasergas eines gemeinsamen Gasumwälzsystems 16 in ihren Querrichtungen 18 bzw. 20 gemeinsam durchströmt sind, wobei auch die Gas­ ströme in den Entladungskanälen 12 und 14 jeweils im wesentlichen identisch sind.

Das Gasumwälzsystem 16 umfaßt einen Zufuhrkanal 22 von welchem ein Gasstrom 24 zu einer Einströmöffnung 26 bzw. 28 der Entladungskanäle 12 bzw. 14 geführt ist, wobei sich der Gasstrom 24 auf die beiden Entladungskanäle 12 und 14 jeweils zur Hälfte aufteilt. Nach Durchströmung der beiden Entladungskanäle 12 und 14 in deren Querrichtung 18 bzw. 20 vereinigen sich die beiden Teilströme im Bereich von Abströmöffnungen 30 bzw. 32 zu einem gemeinsamen aus­ tretenden Gasstrom 34, welcher in einem Abströmkanal 36 eine Kühleinrichtung 38 durchströmt und von dieser zu einem Gebläse 40 geführt wird, das wiederum den Gasstrom 24 in den Zufuhrkanal 22 drückt.

Die Entladungskanäle sind mit Elektroden 11, 13 und 15 versehen, die zur Erzeugung einer Hochfrequenzentladung in Entladungsräumen 72 und 74 in den Entladungskanälen 12 und 14 dienen. Hierzu ist eine zeichnerisch nicht dargestellte Hochfrequenzquelle vorgesehen, die mit den Elektroden 11, 13 und 15 verbunden ist.

Die Entladungskanäle 12 und 14 sind von einem Resonator­ strahlungsfeld 42 eines als Ganzes mit 44 bezeichneten und separat in Fig. 3 nochmals dargestellten Resonators durch­ setzt, welcher mit einem als Ganzes mit 46 bezeichneten Güteschalter versehen ist.

Im dargestellten Fall umfaßt das Resonatorstrahlungsfeld 42 einen ersten Ast 50, welcher sich in dem Entladungs­ kanal 12 erstreckt. Der erste Ast 50 des Resonator­ strahlungsfeldes 42 ist dabei einfach gestrichelt dar­ gestellt. Dieser erste Ast 50 ist gekoppelt mit einem zweiten Ast 52, welcher den Entladungskanal 14 durchsetzt und doppelt gestrichelt dargestellt ist. Der zweite Ast 14 wird seinerseits durch einen als Kegelspiegel ausgebilde­ ten Umlenkspiegel 54 des Resonators 44 mit einem dreifach gestrichelt dargestellten dritten Ast 56 in dem Ent­ ladungskanal 12, welcher seinerseits wiederum vom Güte­ schalter 46 mit einem in dem Entladungskanal 14 angeord­ neten und dort in Form eines vierfach gestrichelt darge­ stellten vierten Astes 58 gekoppelt ist.

Der erste Ast 50 und der vierte Ast 58 treffen dabei jeweils auf einen von zwei Endspiegel 60 bzw. 62 des Resonators 44.

Wie in Fig. 2 dargestellt, sind die beiden Endspiegel 60 und 62 sowie der Umlenkspiegel 54 in einem gemeinsamen Spiegelgehäuse 64 angeordnet, welches sich an das Ent­ ladungsgehäuse 10 auf einer Stirnseite 76 anschließt, während ein Gehäuse 66 für den als Ganzes mit 46 bezeich­ neten Güteschalter sich an der gegenüberliegenden Stirn­ seite 78 des Entladungsgehäuses 10 anschließt.

Sowohl das Spiegelgehäuse 64 als auch das Gehäuse 66 stehen mit ihrem jeweiligen Innenraum 68 bzw. 70 in Ver­ bindung mit den von dem Gasstrom 24 durchsetzten Ent­ ladungsräumen 72 bzw. 74, so daß zwischen den gegenüber­ liegenden Stirnseiten 76 und 78 des Entladungsgehäuses 10, an welchen sich das Spiegelgehäuse 64 bzw. das Gehäuse 66 anschließen, kein gasdichter Abschluß erforderlich ist und somit in den Innenräumen 68 bzw. 70 die gleichen Druckver­ hältnisse wie in den Entladungsräumen 72 und 74 herrschen, wobei die Innenräume 68 bzw. 70 nicht vom Gasstrom 24 durchsetzt sind und somit bezüglich einer Durchströmung vom Gasstrom 24 einen Totraum darstellen.

Vorzugsweise sind somit das Spiegelgehäuse 64 und das Gehäuse 66 gasdicht mit den Stirnseiten 76 bzw. 78 des Entladungsgehäuses 10 verbunden.

Der Güteschalter 46 umfaßt als Abbildungsoptik vorzugs­ weise einen Kegelspiegel 80, welcher mit einer Kegelachse 82 symmetrisch zwischen den Ästen 50, 52, 56 und 58 und vorzugsweise parallel zu diesen angeordnet ist. Durch die Kegelachse 82 hindurch läuft eine Symmetrieebene 84, welche zwischen den Ästen 52 und 58 einerseits sowie 56 und 50 andererseits und vorzugsweise mittig zwischen diesen liegt. Ferner liegt auf der Kegelachse 82 und somit auch in der Ebene 84 ein Linienfokus 86, auf welchen der Kegelspiegel 80 alle Äste 52 und 50 sowie 56 und 58 fokus­ siert. Hierzu sind die einzelnen Äste so anzuordnen, daß der erste Ast 50 und der zweite Ast 52 sowie der dritte Ast 56 und der vierte Ast 58 jeweils einander bezüglich der Kegelachse 82 gegenüberliegen und im selben Abstand von einer geometrischen Kegelspitze 88 auf den Kegel­ spiegel 80 auftreffen (Fig. 2 und 3).

In der Ebene 84 erstreckt sich ferner noch ein Zerhacker­ rad 90, welches um eine Drehachse 92 drehbar ist, die ihrerseits senkrecht auf der Ebene 84 steht und die Kegel­ achse 82 schneidet.

Das Zerhackerrad 90 ist mit im selben Abstand von der Drehachse 92 angeordneten Schlitzen 94 versehen, welche so angeordnet sind, daß mit diesen der Linienfokus 86 frei­ gebbar oder durch zwischen diesen Schlitzen liegende Bereiche 96 des Zerhackerrads 90 überdeckbar ist, so daß dann, wenn der Linienfokus 86 in einem der Schlitze 94 liegt, alle vier Äste 50 und 52 sowie 56 und 58 des Reso­ nators 44 über den Kegelspiegel 80 miteinander gekoppelt sind und bei einem durch einen Bereich 96 überdeckten Linienfokus 86 der Kegelspiegel 80 die vier Äste 50 und 52 sowie 56 und 58 nicht miteinander koppelt.

Um ein Durchdringen des Kegelspiegels 80 zu ermöglichen, ist dieser mit Schlitzen 100 versehen, durch welche sich das in der Ebene 84 liegende Zerhackerrad 90 in den Kegel­ spiegel 80 hineinerstreckt, um den Linienfokus 86 durch die Schlitze 94 freizugeben oder die Bereich 96 zu über­ decken (Fig. 3).

Das Zerhackerrad 90 wird seinerseits durch einen Antrieb 102 rotierend angetrieben, wobei vorzugsweise das Zer­ hackerrad 90 unmittelbar auf einer Antriebswelle 103 des Antriebs 102 sitzt.

Erfindungsgemäß ist der Antrieb 102 ferner in dem Gehäuse 66 angeordnet und an diesem gehalten, so daß sowohl der Antrieb 102 als auch das Zerhackerrad 90 in dem Innenraum 70 liegen, in welchem die gleichen Druckverhältnisse wie in den Entladungsräumen 72 und 74 herrschen, das heißt vorzugsweise der für CO₂-Laser übliche Unterdruck bei dem für übliche CO₂-Laser vorgesehenen Gasgemisch.

Mit dem Güteschalter 46 sind somit die Äste 50 und 52 sowie 56 und 58 des Resonatorstrahlungsfeldes 42 vonein­ ander trennbar, oder miteinander koppelbar, wobei zu berücksichtigen ist, daß der als Kegelspiegel ausgebildete Umlenkspiegel 54 den zweiten Ast 52 und den dritten Ast 56 ständig miteinander koppelt.

Dadurch erfolgt eine Auftrennung einer aktiven Länge des Resonatorstrahlungsfeldes 42, welche sich aus der Länge ergibt, über welche das Resonatorstrahlungsfeld 42 die Entladungsräume 72 und 74 durchsetzt, in mehrere Segmente, wobei ein erstes Segment durch die Länge 104 gebildet wird, mit welcher der erste Ast 50 den Entladungsraum 72 durchsetzt, ein zweites Segment durch die Teillängen 105 und 106 gebildet wird mit welcher der zweite Ast 52 bzw. der dritte Ast 56 den zweiten Entladungsraum 74 bzw. den ersten Entladungsraum 72 durchsetzen, und das dritte Seg­ ment durch die Länge 107, mit welcher der vierte Ast den zweiten Entladungsraum 74 durchsetzt. Vorzugsweise ist der Kegelspiegel 54 so ausgebildet, daß er eine Kegelachse 110 aufweist, welche mittig zwischen dem zweiten Ast 52 und dem dritten Ast 56 verläuft und sich vorzugsweise parallel zu diesen erstreckt. In gleicher Weise wie beim Kegel­ spiegel 80 treffen der zweite Ast 52 und der dritte Ast 56 in jeweils demselben Abstand von einer geometrischen Kegelspitze 111 des Kegelspiegels 54 auf diesen auf und werden unter Ausbildung eines allerdings ununterbrochenen Linienfokus 108 auf der Kegelachse 110 miteinander ge­ koppelt.

Der Güteschalter 46 schafft somit die Möglichkeit, durch Abdecken des Linienfokus 86 mittels eines seiner Bereiche 96 das Resonatorstrahlungsfeld 42 in drei nicht mehr mit­ einander gekoppelte Segmente seiner aktiven Länge zu unterteilen, nämlich in die aktive Länge 104 des ersten Astes 50, die aktive Länge 107 des vierten Astes 58 sowie die aktive Länge 105 plus 106 des zweiten Astes 52 ge­ koppelt mit dem dritten Ast 56.

Gibt dagegen einer der Schlitze 94 den Linienfokus 86 frei, so sind alle Äste 50 und 52 sowie 56 und 58 mitein­ ander gekoppelt, so daß die erwünschte Lasertätigkeit ein­ tritt.

Erfindungsgemäß ist ferner im Bereich des Linienfokus 108 eine Blende 109 vorgesehen (Fig. 4), welche als räumliche Modenblende wirkt und außerdem zu einer Verbesserung der Schaltsteilheit durch Verkürzen der effektiven Schaltzeit dient, da zusätzliche Beugungsverluste bei noch nicht vollständiger Freigabe des Resonatorstrahlungsfeldes durch den Güteschalter unterdrückt werden.

Ein Auskoppeln eines Laserstrahls 112 erfolgt vorzugsweise mittels eines ringförmigen Scraperspiegels 114, welcher einen peripheren Ring des ersten Astes 50 vor dem End­ spiegel 60 auskoppelt und beispielsweise senkrecht zum ersten Ast 50 in Form des austretenden Laserstrahls 112 reflektiert.

Zur Verbesserung der Strahlqualität von Hochleistungs­ lasern, die durch eine in der Strömungsrichtung 118 variierende, insbesondere abnehmende Dichte des Lasergases in den Entladungsräumen 72 und 74 begrenzt wird und ein­ hergeht mit einem Gradienten der optischen Weglänge im Resonator quer zur Achse des Resonators ist bei dem vor­ liegenden Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung eine mehrfache Umkehr von Teilstrahlungsfeldern T der einzelnen Äste 50, 52, 56, 58 bezüglich einer Strömungs­ richtung 118 des Lasergases vorgesehen.

Betrachtet man ausgehend von dem ersten Ast 50 des Resonators 44 die Kopplung desselben über den Kegelspiegel 80 mit dem zweiten Ast 52, so zeigt sich eine Umkehr der Lage von Teilstrahlungsfeldern T_V und T_H bezüglich der Strömungsrichtung 118 des Lasergases durch die beiden Ent­ ladungsräume 72 und 74. Liegt im ersten Ast 50 das Teil­ strahlungsfeld T_V bezogen auf die Strömungsrichtung 118 auf der Vorderseite eines Resonatorstrahlungsfeldes 42 und ein Teilstrahlungsfeld T_H auf der Rückseite des Resonator­ strahlungsfeldes 42, so erfolgt die Kopplung mit dem zweiten Ast 52 so, daß das Teilstrahlungsfeld T_H bezüglich der Strömungsrichtung 118 vorne und das Teilstrahlungsfeld T_V bezüglich der Strömungsrichtung 118 hinten liegen (Fig. 4).

Eine weitere Umkehrung erfolgt durch die Kopplung des zweiten Astes 52 mit dem dritten Ast 56 über den als Kegelspiegel 54 ausgebildeten Umlenkspiegel. Durch die Fokussierung auf den Linienfokus 108 erfolgt eine weitere Umkehr der Teilstrahlungsfelder T_V und T_H, so daß nunmehr im dritten Ast 56 das Teilstrahlungsfeld T_V bezüglich der Strömungsrichtung 118 wieder vorne liegt und das Teil­ strahlungsfeld T_H hinten. Eine weitere Umkehrung erfolgt über die Fokussierung durch den Linienfokus 86 bei der Kopplung zwischen dem dritten Ast 56 und dem vierten Ast 58, so daß beim vierten Ast 58 wiederum das Teil­ strahlungsfeld T_H bezüglich der Strömungsrichtung 118 vorne liegt und das Teilstrahlungsfeld T_V bezüglich der Strömungsrichtung 118 hinten.

Insgesamt liegen somit im Entladungsraum 72 beim ersten und dritten Ast jeweils die Teilstrahlungsfelder T_V vorne und die Teilstrahlungsfelder T_H hinten, während umgekehrt im Entladungsraum 74 beim zweiten Ast 52 und vierten Ast 58 jeweils die Teilstrahlungsfelder T_H bezüglich der Strömungsrichtung 118 vorne und die Teilstrahlungsfelder T_V hinten liegen.

Das Resonatorstrahlungsfeld 42 im Sinne der vorliegenden Erfindung ist aus einer Vielzahl von nebeneinander in ihrer Ausbreitungsrichtung verlaufenden Teilstrahlungs­ feldern T aufgebaut und weist eine endliche Querschnitts­ fläche quer zu der jeweiligen Ausbreitungsrichtung auf. Das Resonatorstrahlungsfeld 42 kann dabei beispielsweise mehrere in einer einzigen gemeinsamen Ausbreitungsrichtung verlaufende Teilstrahlungsfelder T umfassen oder durch Hin- und Herreflexion zwischen zwei Spiegeln festgelegte Teilstrahlungsfelder T.

Damit ist durch die erfindungsgemäße Lösung gleichzeitig erreicht, daß die variierende Dichte des Lasergases über die Kopplung sämtlicher Äste 50, 52, 56 und 58 im wesent­ lichen vollständig kompensierbar ist, so daß optimale Bedingungen für die Strahlqualität vorliegen.

Bei der Güteschaltung 46 im Linienfokus 86 mittels des Zerhackerrades 90 treten ferner Ungleichmäßigkeiten beim Überdecken des Linienfokus 86 mittels der Bereiche 96 dadurch auf, daß der Linienfokus 86 eine endliche Breite B in Umfangsrichtung des Zerhackerrades 90 aufweist, so daß selbst wenn eine vordere Kante 122 und eine, in Drehrich­ tung 123 gesehen, hintere Kante 124 in radialer Richtung zur Drehachse 92 verlaufen, entweder die Freigabe durch die vordere Kante 122 oder die Überdeckung durch die hintere Kante 124 über eine Länge L des Linienfokus 86 in radialer Richtung zur Drehachse 92 scheibenradiusabhängig ist.

Diese Radiusabhängigkeit beim Freigeben oder Überdecken des Linienfokus 86 läßt sich teilweise ebenfalls durch die erfindungsgemäße Lösung kompensieren, wie in Fig. 6 dar­ gestellt. Durch den Kegelspiegel 80 wird nämlich bei der Kopplung des ersten Astes 50 mit dem zweiten Ast 52 wird der erste Ast 50 so auf den Linienfokus 86 fokussiert, daß ein den äußeren Bereich A des Linienfokus durchsetzendes Teilstrahlungsfeld T_A durch das bezüglich der Kegelachse 82 maximal außen liegende Teilstrahlungsfeld des Astes 50 gebildet wird, während ein den inneren Bereich 1 des Linienfokus 86 durchsetzendes Teilstrahlungsfeld T_I durch das maximal innen liegende Teilstrahlungsfeld des Astes 50 gebildet wird. Diese Verhältnisse werden in identischer Weise im zweiten Ast 52 vorgefunden.

Durch die Kopplung des zweiten Astes 52 mit dem dritten Ast 56 erfolgt jedoch eine Änderung dahingehend, daß sowohl das äußere Teilstrahlungsfeld T_A als auch das innere Teilstrahlungsfeld T_I so in den dritten Ast 56 durch Fokussierung auf die Kegelachse 108 abgebildet werden, daß diese von Kegelspiegel 80 in einen mittleren Bereich M des Linienfokus 86 bei Kopplung des dritten Astes 56 mit dem vierten Ast 58 reflektiert werden.

Das heißt, daß bei ungleichmäßiger Freigabe durch die vordere Kante 122 oder Überdeckung durch die hintere Kante 124 des Linienfokus 86 über die Länge L sich dies bei der Kopplung zwischen dem ersten Ast 50 und dem zweiten Ast 52 dadurch am stärksten auswirkt daß die im äußeren Bereich A und im inneren Bereich I liegenden Teilstrahlungsfelder T_A und T_I am unterschiedlichsten betroffen sind, während sich diese ungleichzeitige Überdeckung und Freigabe bei der Kopplung zwischen dem dritten Ast 56 und dem vierten Ast 58 nur geringfügig auf die Teilstrahlungsfelder T_A und T_I auswirkt, da diese beim zweiten Durchtritt durch den Linienfokus 86 in einem mittleren Bereich M liegen.

Das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hoch­ leistungslasers arbeitet so, daß durch das rotierende Zer­ hackerrad 90 sowie die Breite der Schlitze 94 und der Bereiche 96 sowohl Pulsdauer als auch Pulsintervalle der Hochleistungslaserpulse vorgebbar sind und daß in den Pulsintervallen eine Aufteilung der aktiven Länge des Resonatorstrahlungsfeldes 42 in drei Segmente 104, 105 und 106, 107 erfolgt. Ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung, dargestellt in Fig. 7 sieht ebenfalls zwei Entladungskanäle 12′ und 14′ vor, die jedoch nicht wie beim ersten Ausführungsbeispiel unmittel­ bar nebeneinanderliegen, sondern in deren Längsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei ein Güteschalter 146 zwischen diesen sitzt.

Der Resonator 144 mit seinem Resonatorstrahlungsfeld 142 umfaßt ebenfalls zwei Endspiegel 160 und 162, welche in einem Spiegelgehäuse 164 angeordnet sind, das auf der Stirnseite 76′ des Entladungskanals 12′ sitzt, während auf einer gegenüberliegenden Stirnseite 78′ sich der Güte­ schalter 146 sich mit seinem Gehäuse 166 anschließt. Der Entladungskanal 12′ weist ebenfalls einen Entladungsraum 72′ auf, welcher von einem ersten Ast 150 und einem vierten Ast 158 des Resonators 144 durchsetzt ist, während der zweite Entladungskanal 14′ von einem zweiten Ast 152 und einem dritten Ast 156 durchsetzt ist.

Der Entladungskanal 14′ schließt sich auf einer dem Ent­ ladungskanal 12′ gegenüberliegenden Seite an das Gehäuse 166 des Güteschalters 146 mit seiner Stirnseite 76′′ an, während sich an seiner gegenüberliegenden Stirnseite 78′′ ein weiteres Spiegelgehäuse 165 anschließt, in welchem der Umlenkspiegel 154 sitzt, welcher in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel als Kegelspiegel ausge­ bildet ist und den zweiten Ast 152 mit dem dritten Ast 156 koppelt, wobei dessen Kegelachse 208 symmetrisch zwischen dem zweiten Ast 152 und dem dritten Ast 156 liegt und sich vorzugsweise parallel zu diesen erstreckt.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel umfaßt der Güteschalter 146 als Abbildungsoptik nicht einen Kegel­ spiegel, sondern zwei zylindrische Parabolspiegel 180 und 182, welche konfokal zu einem Linienfokus 186 angeordnet sind, wobei die Zylinderrichtungen der zylindrischen Parabolspiegel 180 und 182 parallel zueinander und parallel zur Längsrichtung des Linienfokus 186 verlaufen.

Der Linienfokus 186 ist dabei durch ein wie beim ersten Ausführungsbeispiel ausgebildetes Zerhackerrad 190, welches mit Schlitzen 194 und geschlossenen, dazwischen­ liegenden Bereichen 196 versehen ist in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel freigebbar und abdeckbar, wobei eine radiale Richtung des Zerhackerrades 190 bezüg­ lich seiner Drehachse 92 parallel zum Linienfokus ver­ läuft. Darüber hinaus ist das Zerhackerrad 190 in gleicher Weise wie das Zerhackerrad 90 durch einen Antrieb 202, welcher in einem Gehäuse 166 des Güteschalters 146 ge­ halten ist, antreibbar.

Die zylindrischen Parabolspiegel 180 und 182 sind dabei so angeordnet, daß sie vom Linienfokus 186 kommende Strahlen jeweils in unterschiedliche Richtungen reflektieren, so daß dadurch eine durch den Parabolspiegel bewirkte Strahl­ deformation kompensierbar ist.

Vorzugsweise haben die beiden Parabolspiegel 180 und 182 eine identische Krümmung.

Der Parabolspiegel 180 koppelt somit den ersten Ast 150 über den Linienfokus 186 mit dem zweiten Ast 152 und dem dritten Ast 156 über den Linienfokus mit dem vierten Ast 158. Dabei verlaufen die über die Parabolspiegel 180 und 182 gekoppelten Äste 150 und 152 bzw. 156 und 158 symme­ trisch zum Linienfokus 186 und auch senkrecht zu einer Längserstreckung desselben.

Durch das Zerhackerrad 190 ist somit die aktive Länge des Resonatorstrahlungsfeldes 142 in drei Segmente, nämlich die aktive Länge 204 des ersten Astes 150, die aktive Länge 205 und 206 des zweiten Astes 152 kombiniert mit der des dritten Astes 156 und die aktive Länge 207 des vierten Astes 158 aufteilbar.

Der Entladungsraum 72′ und der Entladungsraum 74′ werden mit in der Strömungsrichtung 118 strömendem Lasergas durchströmt, wobei die Strömungsrichtung 118 in einer Ebene liegt, welche parallel zu den Längsrichtungen 151 und 159 des ersten Astes 150 bzw. des vierten Astes 158 und der Querrichtung 18 verläuft und somit durch diese festgelegt ist.

In gleicher Weise liegt die Strömungsrichtung 118 im Ent­ ladungsraum 74′ in einer Ebene, welche parallel zu den Längsrichtungen 153 und 157 des zweiten Astes 152 bzw. des dritten Astes 156 und der Querrichtung 20 verläuft und durch diese festgelegt ist. Diese beiden Ebenen gehen ferner ineinander über und stehen senkrecht zur Längser­ streckung des Linienfokus 186 sowie senkrecht zu der Zylinderrichtung der beiden zylindrischen Parabolspiegel 180 und 182.

Betrachtet man die Kompensation der Änderung der optischen Weglänge durch den in der Strömungsrichtung 118 auftreten­ den Dichtegradienten des Lasergases in den beiden Ent­ ladungsräumen 72′ und 74′, so ergibt sich daraus, daß ein vorne liegendes Teilstrahlungsfeld T_V des ersten Astes 150 über die beiden zylindrischen Parabolspiegel 180 und 182 als hinten liegendes Teilstrahlungsfeld T_V des zweiten Astes 152 abgebildet wird. Gleiches gilt für das im ersten Ast 150 hinten liegende Teilstrahlungsfeld T_H. Ferner erfolgt eine Umkehr der Teilstrahlungsfelder T durch den Kegelspiegel 154 dergestalt, daß das vorne liegende Teil­ strahlungsfeld T_H des zweiten Astes 152 beim dritten Ast 156 bezüglich der Strömungsrichtung 118 hinten liegt, während das hintere Teilstrahlungsfeld T_V des zweiten Astes 152 im dritten Ast 156 vorne liegt.

Zwischen dem dritten Ast 156 und dem vierten Ast 158 erfolgt eine Kopplung mittels der zylindrischen Parabol­ spiegel 180 und 182 dergestalt, daß ebenfalls eine Umkehr der Teilstrahlungsfelder T stattfindet, so daß das im dritten Ast 156 hinten liegenden Teilstrahlungsfeld T_V beim vierten Ast 158 bezüglich der Strömungsrichtung vorne liegt und das vorne liegende Teilstrahlungsfeld T_V beim dritten Ast 156 in gleicher Weise beim vierten Ast 158 bezüglich der Strömungsrichtung 118 hinten liegt.

Betrachtet man summarisch die Kopplung der Teilstrahlungs­ felder T, so erfolgt in jedem der Entladungsräume 72′ und 74′ jeweils eine Kompensation dahingehend, daß beim jeweils anderen Ast die Teilstrahlungsfelder umgekehrt angeordnet sind.

Wie ferner in Fig. 8 dargestellt, erfolgt beim zweiten Ausführungsbeispiel eine Umkehr der Lage der Teil­ strahlungsfelder T beim zweiten Durchtritt durch den Linienfokus 186 gegenüber dem ersten Durchtritt, wie sich aus folgendem ergibt. Das bei einem ersten Durchtritt durch den Linienfokus 186 in einen linken Bereich L des Linienfokus 186 vom Parabolspiegel 180 reflektierte Teilstrahlungsfeld T_L wird nach Durchlaufen des zweiten Astes 152 durch den Kegelspiegel 154 derart invertiert, daß es beim zweiten Durchtritt durch den Linienfokus 186 auf der rechten Seite R des Linienfokus 186 liegt. Gleiches gilt für das auf der rechten Seite R im Linien­ fokus 186 liegende Teilstrahlungsfeld T_R, das ebenfalls durch den Kegelspiegel 154 derart invertiert wird, daß dieses nach Durchlaufen des dritten Astes 156 auf der linken Seite L des Linienfokus 186 liegt.

Daraus folgt, daß die Teilstrahlungsfelder T in dem Linienfokus 186 beim Übertritt der Strahlung von dem dritten Ast 156 in den vierten Ast 158 gegenüber den Teil­ strahlungsfeldern T in Linienfokus 186 beim Übertritt der Strahlung vom ersten Ast 150 in den zweiten Ast 152 inver­ tiert sind, so daß sich ein ungleichmäßiges Freigeben oder ungleichmäßiges Überdecken des Linienfokus durch die Vorderkante 122 und die hintere Kante 124, wie bereits im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel be­ schrieben, beim zweiten Ausführungsbeispiel vollständig aufhebt.

Dasselbe gilt für die Bedingungen betreffend den Puls­ betrieb mittels des Zerhackerrades 190.

Im übrigen sind die Entladungskanäle 12′ und 14′ und die Entladungsräume 72′ und 74′ identisch aufgebaut wie beim ersten Ausführungsbeispiel, so daß bezüglich der Beschrei­ bung hierzu auf die Ausführungen zum ersten Ausführungs­ beispiel verwiesen werden kann.

Bei beiden Ausführungsbeispielen erfolgt eine Anregung des Lasergases auf übliche, bekannte Weise, vorzugsweise über eine Hochfrequenzentladung bei bekannten Lasergasgemischen für quergeströmte Laser, wie beispielsweise CO₂ mit üblichen Zusätzen, in den Entladungskanälen 12 und 12′ sowie 14 und 14′, wozu mit geeigneter Hochfrequenz ange­ regt wird, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Claims (16)

1. Gepulstes Hochleistungslasersystem, umfassend einen Resonator mit Resonatorspiegeln und mit einem sich zwischen den Resonatorspiegeln erstreckenden Reso­ natorstrahlungsfeld sowie ein von dem Resonator­ strahlungsfeld über eine aktive Länge durchsetztes anregbares Lasermedium, dadurch gekennzeichnet, daß im Resonatorstrahlungsfeld (42; 142) ein laser­ pulsbestimmender Güteschalter (46; 146) derart ange­ ordnet ist, daß die aktive Länge des Resonator­ strahlungsfelds (42; 142) durch den Güteschalter (46; 146) in mindestens zwei Segmente (104, 105 und 106, 107; 204, 205 und 206, 207) trennbar ist.

2. Hochleistungslasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Güteschalter (46; 146) eine das Resonatorstrahlungsfeld (42; 142) auf einen Linienfokus (86; 186) abbildende Abbildungsoptik (80; 180, 182) und einen im Bereich des Linienfokus (86; 186) wirksamen mechanischen Zerhacker (90; 190) auf­ weist.

3. Hochleistungslaser nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Güteschalter (46) als Abbildungs­ optik einen Kegelspiegel (80) aufweist, bei welchem der Linienfokus (86) in dessen Kegelachse (82) liegt.

4. Hochleistungslaser nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Güteschalter (146) als Abbildungs­ optik zwei konfokal angeordnete Parabolspiegel (180, 182) aufweist, bei welchen der Linienfokus (186) parallel zu deren Zylinderrichtung verläuft.

5. Hochleistungslaser nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Parabolspiegel (180, 182) vom Linienfokus (186) kommende Strahlung in entgegen­ gesetzte Richtungen reflektieren.

6. Hochleistungslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Länge (104, 105 und 106, 107; 204, 205 und 206, 207) des Resonatorstrahlungsfeldes (142) in mindestens zwei eine vergleichbare aktive Länge (104, 107; 204, 205) aufweisende Segmente auftrennbar ist.

7. Hochleistungslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonator­ strahlungsfeld (42; 142) die Güteschaltung (46; 146) zweifach durchläuft.

8. Hochleistungslaser nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Resonatorstrahlungsfeld (42; 142) denselben Linienfokus (86, 186) zweifach durchläuft.

9. Hochleistungslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (44, 144) einen vom Güteschalter (46, 146) kommende Strahlung in diesen parallelversetzt zurückreflek­ tierenden Umlenkspiegel (54, 154) aufweist.

10. Hochleistungslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonator­ strahlungsfeld (42, 142) so durch das Lasermedium geführt ist, daß Differenzen zwischen den optischen Weglängen von Teilstrahlungsfeldern des Resonator­ strahlungsfeldes (42; 142) reduziert werden.

11. Hochleistungslaser nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die unterschiedliche optische Weglänge der Teilstrahlungsfelder (T_V, T_H) im wesentlichen kompensiert ist.

12. Hochleistungslaser nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß dieser zwei vom Resonator­ strahlungsfeld (42, 142) durchsetzte Entladungsräume (72, 74) aufweist.

13. Hochleistungslaser nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in den Entladungsräumen (72, 74) Gas­ entladungen mit identischen Entladungsverhältnissen stattfinden.

14. Hochleistungslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teil­ strahlungsfelder (T_A, T_I; T_R, T_L) des Resonator­ strahlungsfeldes (42) den Linienfokus (86, 186) beim zweiten Durchtritt in einem anderen Bereich durch­ setzen als beim ersten Durchtritt.

15. Hochleistungslaser nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Teilstrahlungsfelder (T_A, T_I) des Resonatorstrahlungsfeldes (42) beim ersten Durchtritt durch den Linienfokus (86) in einem Endbereich (A, I) des Linienfokus liegen und beim zweiten Durchtritt in einem mittigen Bereich (M) des Linienfokus (86) liegen.

16. Hochleistungslaser nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Teilstrahlungsfelder (T_R, T_L) welche beim ersten Durchtritt in einem Endbereich (R, L) des Linienfokus (186) liegen, beim zweiten Durch­ tritt im gegenüberliegenden Endbereich (L, R) des Linienfokus (186) liegen.