DE4345289C2 - Optische Anordnung mit einem Laseroszillator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Eine optische Anordnung der gattungsgemäßen Art ist aus der GB-Z. "Optics & Laser Technology", Vol. 21, No. 6, 1989, S. 389 bis 391, bekannt. Es ist dort ein Laseroszil­ lator mit einem einzelnen konischen Spiegel mit einem Scheitelwinkel von 90° vorgesehen, wobei die konische Oberfläche des konischen Spiegels auf der optischen Achse liegt und mit Abstand zu einem zweiten Spiegel mit einer teilreflektierenden, ebenen Oberfläche angeordnet ist. Nachteilig ist bei diesem bekannten Laseroszillator je­ doch, daß- seine Gesamtlänge relativ groß ist und der Transmissionswirkungsgrad stark verschlechtert wird, wenn ein nachgeschalteter Wellenhohlleiter verwendet wird, der nicht gerade, sondern gebogen ist. Hinweise auf das Pola­ risationsverhalten dieses Laseroszillators sind dieser Veröffentlichung nicht entnehmbar.

Weiterhin ist ein Wellenhohlleiter zum Übertragen eines Laserstrahls bekannt. Der Laserstrahl geht durch den Wel­ lenhohlleiter hindurch und wird dabei von einer inneren Begrenzungsfläche des Wellenhohlleiters reflektiert. Es ist vorteilhaft, daß der Wellenhohlleiter einen kreisför­ migen Querschnitt hat. Die Gründe dafür sind, daß ein im Querschnitt kreisförmiger Wellenhohlleiter in eine belie­ bige Richtung gebogen werden kann und daß der Biegewider­ stand des Wellenhohlleiters in allen Richtungen konstant ist.

Um den Transmissionswirkungsgrad dann zu erhöhen, wenn der Laserstrahl durch den im Querschnitt kreisförmigen Wellen­ hohlleiter hindurchgeht, wird vorzugsweise ein tangential polarisierter Laserstrahl (TE₀₁-Mode-Laserstrahl) verwen­ det. In den "Applied Physics Letters" Band 38 (10), 1981, S.743-745, gibt es einen Artikel mit dem Titel "Low-order TE_0q opera­ tion of a CO₂ laser for transmission through circular metallic wave­ guides"; dieser Artikel offenbart einen CO₂-Laseroszillator, der dazu dient, einen TE_0q-Mode-Laserstrahl zu erzeugen. Die­ ser Laseroszillator weist ein Entladungsrohr auf, das ein CO₂-Gas enthält. Ein erster Spiegel und eine konvexe Linse sind an sich gegenüberliegenden Enden des Entladungsrohrs angeordnet. Ein gerades Metallrohr und ein zweiter Spiegel sind axial zu dem Entladungsrohr angeordnet. Die reflektierenden Oberflächen des ersten und des zweiten Spiegels sind einander entgegengesetzt. Die konvexe Linse und das Metallrohr sind zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel angeordnet. Ein Laserstrahl, der von dem ersten Spiegel parallel zu einer optischen Achse dieses Laserstrahls reflektiert wird, fällt auf die konvexe Linse und wird konzentriert von ihr und dann einem Endabschnitt des Metallrohres zugeführt. Der so dem Metallrohr zugeführte Laserstrahl geht durch das Metallrohr hindurch und wird dabei von einer inneren Begrenzungsfläche des Metallrohres reflektiert und wird dann von dem anderen Ende des Metallrohres ausgesendet. Dieser Laserstrahl wird von dem zweiten Spiegel reflektiert, so daß er wieder in das andere Ende des Metallrohres eintritt. Der so in das Metallrohr eingeführte Laserstrahl geht durch das Metallrohr hindurch und wird dabei von der inneren Begrenzungsfläche des Metallrohres auf die gleiche Weise, wie oben beschrieben, re­ flektiert, und geht dann von dem oben erwähnten einen Ende weiter in Richtung der konvexen Linse, wobei er divergiert. Dieser Laserstrahl wird von der konvexen Linse parallel zu der oben genannten optischen Achse gemacht, und man lädt ihn in Richtung des ersten Spiegels weitergehen, so daß er von diesem ersten Spiegel reflektiert wird. Während dieses Vor­ gangs der Hin- und Herbewegung des Laserstrahls zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel wird der Laserstrahl verstärkt und von dem Metallrohr in die TE_0q-Mode polarisiert. Der er­ ste oder der zweite Spiegel ist halbdurchlässig. Den ver­ stärkten Laserstrahl läßt man durch diesen halbdurchlässigen Spiegel hindurchgehen und austreten.

Der erste Spiegel hat zwar eine konkave Reflexionsfläche, dies ist jedoch nur zum Korrigieren der Divergenz des Laser­ strahls, so daß er parallel zu der optischen Achse gehalten wird, und die konkave Reflexionsfläche hat nicht die Aufgabe, den Laserstrahl tangential zu polarisieren. Da der Krümmungs­ radius der Reflexionsfläche des ersten Spiegels ungefähr 5 m beträgt, während der Durchmesser des Entladungsrohres unge­ fähr 11 mm ist, kann diese Reflexionsfläche als eine im großen und ganzen ebene Fläche angesehen werden.

Da bei dem bekannten Laseroszillator das Metallrohr, das einen Laserstrahl in die TE_0q-Mode bringt, im geradlinigen Abstand von dem Entladungsrohr angeordnet sein muß, hat der Laseroszillator zwangsweise eine große Gesamtlänge. Außerdem, wenn der erzeugte Laserstrahl durch den im Querschnitt kreisförmigen Wellenhohlleiter hindurchgeleitet wird, ist der Transmissionswirkungsgrad hoch, wenn der Wellenhohlleiter gerade ist, jedoch wird der Transmissionswirkungsgrad erheblich abgesenkt, wenn der Wellenhohlleiter mit einem kleinen Krümmungsradius gebogen ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine optische Anordnung zu schaffen, bei der ein Laserstrahl, der einen hohen Transmissionswirkungsgrad hat, einem im Querschnitt kreisförmigen Wellenhohlleiter zugeführt werden kann, ohne die Größe der Anordnung zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs gelöst.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich durch eine konvexe Linse zum Konzentrieren des von der Emissionseinrichtung emittierten Laserstrahls sowie durch einen Wellenhohlleiter aus Metall aus, der einen kreisförmigen Querschnitt und einen Endabschnitt zum Empfangen des von der konvexen Linsen konzentrierten Laserstrahls sowie eine innere Begrenzungsfläche aufweist, die als reflektierende Oberfläche für den Laserstrahl ausgebildet ist.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen im folgenden beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer optischen Anordnung nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm, das den Transmissionswirkungsgrad eines Laserstrahls bezogen auf die Krümmung eines Wellenhohlleiters zeigt;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Laserstrahls im pola­ risierten Zustand; und

Fig. 4 und 5 schematische Schnittdarstellungen von abgewan­ delten optischen Anordnung nach der Erfindung.

Der in Fig. 1 gezeigte Laseroszillator ist ein CO₂-Laseroszi­ llator und hat ein Entladungsrohr 10. Das Entladungsrohr 10 hat entgegengesetzte Endabschnitte 11 und 12, deren jeweili­ ger Durchmesser groß ist. Eine Gaseinlaßöffnung 11a und eine Gasauslaßöffnung 12a sind in den Begrenzungswänden der entge­ gengesetzten Endabschnitte 11 bzw. 12 gebildet. Hauptsächlich aus CO₂ bestehendes Gas wird durch die Eingangsöffnung 11a in das Gasentladungsrohr 10 geleitet und durch die Auslaßöffnung 12a austreten gelassen.

Ein Paar Entladungselektroden 21 und 22 zum Pumpen des ge­ nannten Gases sind in den entgegengesetzten Enden 11 und 12 des Entladungsrohres 10 jeweils angeordnet.

Außerdem sind Spiegel 31 und 32 an den entgegengesetzten En­ den 11 und 12 des Entladungsrohrs 10 jeweils angeordnet. Die Spiegel 31 und 32 haben jeweils reflektierende Oberflächen 31a und 32a, die einander zugekehrt sind. Der eine Spiegel 31 ist aus einem Material hergestellt, das in der Lage ist, In­ frarotstrahlung zu reflektieren. Ein solches Material ist beispielsweise Aluminium, Kupfer oder rostfreier Stahl. Die reflektierende Oberfläche 31a des Spiegels 31 ist eine koni­ sche Oberfläche, die einen Scheitelwinkel von 90° hat und hochglanzpoliert ist. Diese konische Oberfläche divergiert in Richtung des anderen Spiegels 32 unter einem Winkel von 45° bezüglich einer Mittelachse des Entladungsrohrs 10, nämlich einer optischen Achse A, wobei der Scheitel der konischen Oberfläche auf der optischen Achse A angeordnet ist. Der an­ dere Spiegel 32 ist aus einem Material hergestellt, das In­ frarotstrahlung übertragen kann, wie z. B. ZnSe, und hat eine flache Plattenform. Die reflektierende Oberfläche 32a des Spiegels 32 verläuft senkrecht zu der optischen Achse. Die reflektierende Oberfläche 32a ist mit einem Metall beschich­ tet, das in der Lage ist, Infrarotstrahlung derart zu reflek­ tieren, daß der Spiegel 32 einen Teil des Laserstrahls hin­ durchtreten läßt. Der Reflexionsindex des Spiegels 32 beträgt ungefähr 50 bis 90% bezogen auf den Laserstrahl.

Ein Ende eines Wellenhohlleiters 40 aus Metall ist derart auf der optischen Achse A angeordnet, daß es einen Abstand von dem Spiegel 32 hat. Ferner ist eine konvexe Linse 50 auf der optischen Achse A zwischen dem Spiegel 32 und dem einen Ende des Wellenhohlleiters 40 angeordnet. Der Wellenhohlleiter 40 ist vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Spiegel 31.

Der im Infrarotbereich im Entladungsrohr 10 erzeugte Laser­ strahl wird durch eine stimulierte Emission weiter verstärkt, während er innerhalb der und zwischen den Spiegeln 31 und 32 hin- und hergeht. Außerdem wird dieser Laserstrahl bezüglich der optischen Achse A tangential polarisiert, wie in Fig. 3 gezeigt ist, jedesmal wenn er von der reflektierenden Ober­ fläche 31a des die konische Oberfläche aufweisenden Spiegels 31 reflektiert wird. Da die reflektierende Oberfläche 31a um 45° bezüglich der Achse A geneigt ist, wird der Laserstrahl zweimal von der reflektierenden Oberfläche 31a reflektiert und in Richtung des Spiegels 32 derart geworfen, daß er zu der optischen Achse A parallel ist.

Der so verstärkte Laserstrahl tritt durch den Spiegel 32 hin­ durch, wird von der konvexen Linse fokussiert und dann dem einen Ende des Wellenhohlleiters 40 zugeführt. Da der Laser­ strahl genügend tangential polarisiert ist, wie durch die durchgezogene Linie in Fig. 2 dargestellt ist, wird ein hoher Transmissionswirkungsgrad selbst dann aufrechterhalten, wenn der Wellenhohlleiter 40 eine Biegung mit einer großen Krüm­ mung, d. h. mit einem kleinen Krümmungsradius, aufweist. Zum Vergleich ist der Transmissionswirkungsgrad des Laserstrahls, der mit dem in dem oben genannten Artikel beschriebenen Gerät erhalten wird, in Fig. 2 mit einer gestrichelten Linie darge­ stellt.

Da die konische reflektierende Oberfläche 31a des Spiegels 31, der an einem Ende des Entladungsrohrs 10 angeordnet ist, dazu verwendet wird, den tangential polarisierten Laserstrahl zu erhalten, kann auf das Metallrohr der bekannten Vorrich­ tung verzichtet werden) wodurch die erfindungsgemäße Vorrich­ tung eine kompakte Form erhält.

Es wird nun eine abgewandelte Form der erfindungsgemäßen optischen Anordnung beschrieben, wobei die gleichen Bezugsziffern wie bei der vorausgegangenen Ausführungsform für die entspre­ chenden Teile verwendet werden und wobei diese Teile nicht näher beschrieben werden. Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausfüh­ rungsform haben zwei entgegengesetzte Spiegel 31 und 132 re­ flektierende Oberflächen 31a und 132a, die konisch sind. Der Spiegel 132 ist halbdurchlässig wie der Spiegel 32 der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform. Ein Vorsprung 135, der eine konische Oberfläche 135a hat, ist auf der zu der reflektierenden Oberfläche 132a gegenüberliegenden Seite des Spiegels 132 gebildet. Die konische Oberfläche 135a hat die gleiche Form wie die reflektierende Oberfläche 132a und ist um 45° gegenüber einer optischen Achse A geneigt, wobei der Scheitel der konischen Oberfläche 135a auf der optischen Achse A angeordnet ist. Der Laserstrahl wird von der reflektierenden Oberfläche 132a gebrochen, um durch den Spiegel 132 hindurchzugehen, wonach er von der konischen Oberfläche 135a nochmals gebrochen wird, um auf einem zu der optischen Achse A parallelen Lichtstrahl zurückgebracht zu werden, und er fällt dann auf eine konvexe Linse 50. Da bei dieser Ausführungsform die beiden Spiegel 31 und 132 reflektierende Oberflächen 31a und 132a, die konisch sind, haben, wird der Laserstrahl noch stärker tangential polarisiert.

Bei einer weiteren Ausführungsform, die in Fig. 5 gezeigt ist, ist eine transparente Platte 200, die Infrarotstrahlen durchläßt und aus ZnSe hergestellt ist, an einem Endabschnitt 12 eines Entladungsrohres 10 auf einer optischen Achse A an­ geordnet. Neben dem Entladungsrohr 10 ist ein Spiegel 232 auf der optischen Achse A derart angeordnet, daß er einen Abstand von der transparenten Platten 200 hat und dieser zugekehrt ist. Der Spiegel 232 ist aus dem gleichen Material wie der Spiegel 31 und hat die gleiche Form wie der Spiegel 31. Eine reflektierende Oberfläche 232a des Spiegels 232 steht einer reflektierenden Oberfläche 31a des Spiegels 31 gegenüber. Außerdem ist ein halbdurchlässiger Spiegel 240 auf der opti­ schen Achse A angeordnet. Der Spiegel 240 ist aus ZnSe herge­ stellt und hat eine flache Plattenform, wobei eine Oberfläche des Spiegels 240 mit einem reflektierenden Material derart beschichtet ist, daß der Transmissionsfaktor des Spiegels 240 50 bis 95% beträgt. Da auch bei dieser Ausführungsform die reflektierenden Oberflächen 31a und 232a der beiden Spiegel 31 und 232 konische Oberflächen sind, kann der Laserstrahl wirkungsvoll tangential polarisiert werden. Der verstärkte Laserstrahl wird von dem Spiegel 240 reflektiert, so daß er sich in zwei Richtungen weiter bewegt, wonach er von den kon­ vexen Linsen 50 konzentriert wird, um dem einen Ende eines Wellenhohlleiters 40 zugeführt zu werden.

Obwohl der Laserstrahl so der Erfindung durch einen Wellen­ hohlleiter geleitet werden kann, dessen innere Begrenzungs­ fläche aus Metall besteht, kann er auch durch einen Wellen­ hohlleiter geleitet werden, der aus einem Metallrohr besteht, dessen innere Begrenzungsfläche mit einem Dielektrikum, wie z. B. Germanium, versehen ist.

Claims (1)

1. Optische Anordnung, umfassend einen Laseroszillator mit

• a) einem ersten und einem zweiten Spiegel (31; 32, 132, 232), die auf einer optischen Achse (A) im Abstand voneinander angeordnet sind und zueinander entgegengesetzte reflektierende Oberflächen (31a; 32a, 132a, 232a) haben, und zwischen denen ein optischer Pfad für einen hin- und hergehenden Laserstrahl gebildet ist;
• b) einer Emissionseinrichtung (32, 132, 240) zum Emittieren eines Laserstrahls von dem optischen Pfad zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel (31; 32, 132, 232);
• c) einem Lasermedium, das zwischen dem ersten und zweiten Spiegel (31; 32, 132, 232) angeordnet ist; und
• d) einer Pumpeinrichtung (21, 22) zum Pumpen des Lasermediums; wobei
• e) die reflektierende Oberfläche (31a; 32a, 132a, 232a) von mindestens einem der Spiegel (31; 32, 132, 232) eine konische Oberfläche ist, die einen Scheitelwinkel von 90° hat, wobei die konische Oberfläche mit ihrem Scheitel auf der optischen Achse (A) liegt und mit der optischen Achse (A) einen Winkel von 45° bildet, gekennzeichnet durch eine konvexe Linse (50) zum Konzentrieren des von der Emissionseinrichtung (32, 132, 240) emittierten Laserstrahls, und durch einen Wellenhohlleiter (40) aus Metall, der einen kreisförmigen Querschnitt und einen Endabschnitt zum Empfangen des von der konvexen Linse (50) konzentrierten Laserstrahls sowie eine innere Begrenzungsfläche aufweist, die als reflektierende Oberfläche für den Laserstrahl ausgebildet ist.