DE4407710A1 - Wellenleiterlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wellenleiterlaser, umfassend ein laseraktives Medium, eine Pumpquelle für das laser­ aktive Medium und einen Resonator mit einem sich in einer axialen Richtung erstreckenden Wellenleiter, gebildet aus einer zylindrischen äußeren und einer zylindrischen inneren optischen Wellenleiterfläche, zwischen denen sich ein Resonatorstrahlungsfeld im wesentlichen parallel zur der axialen Richtung ausbreitet, und mit zwei Resonator­ spiegeln, zwischen denen sich das Resonatorstrahlungsfeld erstreckt und von denen mindestens ein erster in zur axialen Richtung azimutaler Richtung aufeinanderfolgende Maximalwerte und Minimalwerte der Reflektivität aufweist.

Unter dem Begriff "zylindrisch" sind nicht nur kreis­ zylindrische, sondern auch beliebige Querschnitte zu verstehen und außerdem müssen die Wellenleiterflächen nicht zwingend koaxial zueinander angeordnet sein.

Ein derartiger Wellenleiterlaser ist beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung 42 03 225 bekannt.

Bei diesem Wellenleiterlaser ist der erste Spiegel so aus­ gebildet, daß er reflektierende Segmente und zwischen den reflektierenden Segmenten Auskoppelöffnungen aufweist, wobei sich reflektierende Segmente und Auskoppelöffnungen stetig abwechseln. Dies hat zur Folge, daß aufgrund der hohen azimutalen Fresnelzahl in der Regel ein sehr hoher, dabei jedoch undefinierter Mode anschwingt.

Ferner hat die bekannte Lösung den Nachteil, daß die Aus­ koppelöffnungen durch Spiegelkanten begrenzt sind, so daß hieran Beugungseffekte auftreten, die sich in der ausge­ koppelten Laserstrahlung negativ bemerkbar machen. Aus diesem Grund müssen zur Homogenisierung des Fernfeldes phasenkorrigierende Elemente eingebaut werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wellen­ leiterlaser zu schaffen, in welchem ein ausgewählter definierter Mode anschwingt.

Diese Aufgabe wird bei einem Wellenleiterlaser der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Maximalwerte und die Minimalwerte der Reflektivi­ tät des ersten Resonatorspiegels in azimutaler Richtung gesehen am Ort von Intensitätsmaxima bzw. Intensitäts­ minima eines ausgewählten azimutal geschlossenen und vom Resonatorstrahlungsfeld umfaßten Modes des Resonators angeordnet sind und daß sich in azimutaler Richtung zwischen den aufeinander folgenden Maximalwerten und Minimalwerten sich Zwischenbereiche erstrecken, in denen die Reflektivität zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert liegt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist somit darin zu sehen, daß durch eine definierte Anordnung der Maximal­ werte und Minimalwerte der Reflektivität und der Zwischen­ bereiche der in einem derartigen erfindungsgemäßen Wellen­ leiterlaser anschwingende Mode auswählbar definierbar ist, so daß auch definierte Phasenverhältnisse in der ausge­ koppelten Laserstrahlung vorliegen.

Im einfachsten Fall ist dabei vorgesehen, daß die Reflek­ tivität in den Zwischenbereichen Zwischenwerte aufweist, die mindestens eine Stufe bilden.

Um einen möglichst dem Intensitätsverlauf des ausgewählten Modes angepaßten Übergang zwischen den Maximalwerten und den Minimalwerten und umgekehrt zu erhalten, ist vorzugs­ weise vorgesehen, daß die Reflektivität in den Zwischen­ bereichen Zwischenwerte aufweist, die bei einem Übergang von einem der Maximalwerte zu einem der Minimalwerte ab­ nehmen oder beim Übergang von einem der Minimalwerte zu einem der Maximalwerte zunehmen.

Vorzugsweise wird dies dadurch erreicht, daß die Zwischen­ werte aufeinanderfolgende Stufen mit entweder abnehmenden oder zunehmenden Zwischenwerten bilden.

Der Vorteil von in den Zwischenbereichen abgestuften Zwischenwerten ist darin zu sehen, daß sich derartige stufenweise Änderungen der Reflektivität technisch einfach realisieren lassen. Die Stufen haben jedoch den Nachteil, daß sie ebenfalls wieder Beugungserscheinungen nach sich ziehen und somit sich nachteilig auf die Phase der aus­ tretenden Laserstrahlung auswirken.

Aus diesem Grund ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zwischenwerte der Reflektivität in den Zwischenbereichen kontinuierlich abnehmen oder kontinuierlich zunehmen.

Im einfachsten Fall ist dabei vorgesehen, daß die Zwischenwerte, bezogen auf die azimutale Richtung, mit konstanter Steigung abnehmen oder mit konstanter Steigung zunehmen. Damit läßt sich beispielsweise ein trapez- oder dreieckförmiges Profil der Reflektivität erreichen.

Noch vorteilhafter ist es jedoch, wenn die Zwischenwerte stetig abnehmen oder stetig zunehmen. Derartige Varia­ tionen der Zwischenwerte in den Zwischenbereichen lassen sich insbesondere dann erreichen, wenn die Zwischenwerte einer stetig variierenden Funktion, beispielsweise einer periodischen Funktion, folgen.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die Orte der Maxi­ malwerte und die Orte der Minimalwerte bei den Maxima und Minima der periodischen Funktion liegen.

Eine optimale Selektion ist dann erreichbar, wenn die Reflektivität in der azimutalen Richtung denselben Verlauf aufweist, wie die Intensität des ausgewählten Modes des Resonators.

Im einfachsten Fall ist bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung vorgesehen, daß die Reflektivität in der radialen Richtung konstant ist.

Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel sieht vor, daß die Maximalwerte und Minimalwerte der Reflektivität des ersten Resonatorspiegels in radialer Richtung gesehen am Ort der Intensitätsmaxima und der Intensitätsminima des ausgewählten Modes liegen.

Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn sich in radialer Richtung zwischen den aufeinanderfolgenden Maximalwerten und Minimalwerten radiale Zwischenbereiche erstrecken, in welchen die Reflektivität zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert liegt.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Reflektivität in den radialen Zwischenbereichen mindestens eine Stufe bildende Zwischenwerte aufweist.

Eine noch bessere Modenselektion läßt sich dann erreichen, wenn die Reflektivität in den radialen Zwischenbereichen Zwischenwerte aufweist, die bei einem Übergang von einem der Maximalwerte zu einem der Minimalwerte abnehmen oder beim Übergang von einem der Minimalwerte zu einem der Maximalwerte zunehmen.

Dies läßt sich am einfachsten dadurch realisieren, daß die Zwischenwerte aufeinanderfolgende Stufen bilden.

Noch vorteilhafter ist es jedoch, wenn die Zwischenwerte kontinuierlich abnehmen oder zunehmen.

Dies läßt sich beispielsweise durch Zwischenwerte er­ reichen, die mit konstanter Steigung abnehmen oder zu­ nehmen, oder noch besser dadurch, daß die Zwischenwerte stetig abnehmen oder zunehmen.

Im Optimalfall ist der Verlauf der Reflektivität in der radialen Richtung so, daß dieser dem Verlauf der Intensi­ tät des ausgewählten Modes in der radialen Richtung ent­ spricht.

Vorzugsweise erfolgt bei einer derartigen Ausbildung des ersten Resonatorspiegels die Auskopplung von Laserstrah­ lung aus dem Resonatorstrahlungsfeld in den Zwischenbe­ reichen, da in diesen noch eine von null verschiedene Intensität des Modes des Resonatorstrahlungsfeldes vor­ liegt und außerdem die Reflektivität niedriger als der Maximalwert ist, so daß der ausgewählte Mode sich im wesentlichen ungestört ausbilden kann.

In diesem Fall ist es beispielsweise möglich, daß der Maximalwert der Reflektivität des ersten Resonatorspiegels bei mehr als 80%, vorzugsweise bei mehr als 90%, insbe­ sondere bei nahezu 100% liegt.

Vorzugsweise wird die minimale Reflektivität so gewählt, daß diese weniger als 25%, vorzugsweise weniger als 10%, beträgt.

Ergänzend dazu ist es aber auch denkbar, im Bereich des Intensitätsmaximums auch noch zusätzlich Laserstrahlung auszukoppeln, so daß der Maximalwert der Reflektivität bei mehr als 60%, vorzugsweise mehr als 70% liegt und somit auch im Bereich des Maximalwertes seiner Reflektivität der erste Resonatorspiegel noch Laserstrahlung aus dem Reso­ natorstrahlungsfeld austreten läßt.

Hinsichtlich des Aufbaus der Spiegel wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Aus­ führungsbeispiels vor, daß der erste Spiegel ein Substrat umfaßt auf welchem als Schicht ein hochbrechendes Dielektrikum aufgetragen ist, wobei durch Variation einer Dicke der Schicht die Reflektivität variierbar ist.

Da insbesondere bei einem hochbrechenden Dielektrikum das Problem besteht, daß dieses zu in azimutaler Richtung variierenden Phasenverzerrungen führt ist vorzugsweise vorgesehen, daß der erste Spiegel mit einer phasenkompen­ sierenden Schicht versehen ist, welche eine Phasenver­ zerrung aufgrund der variierenden Reflektivität kompen­ siert.

Hinsichtlich des Aufbaus des zweiten Resonatorspiegels wurden ebenfalls keine Angaben gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß der zweite Resonatorspiegel ein vollreflektierender Spiegel ist.

Um aber hinsichtlich der Modenselektion ein weiteres selektives Kriterium einführen zu können ist es ferner vorteilhaft, wenn der zweite Resonatorspiegel am Ort von Intensitätsminima des ausgewählten Modes verlustbehaftete Bereiche aufweist.

Hinsichtlich des laseraktiven Mediums wurden im Zusammen­ hang mit der bisherigen Erläuterung der Erfindung keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Aus­ führungsbeispiel vor, daß das laseraktive Medium ein Gas ist.

Vorzugsweise handelt es sich hierbei um CO₂ unter für CO₂ üblichen Bedingungen.

Ferner ist es vorteilhaft wenn die Pumpquelle für die An­ regung des laseraktiven Mediums eine Hochfrequenzquelle aufweist, so daß eine Anregung des laseraktiven Mediums, insbesondere des Gases über eine Hochfrequenzeinkopplung erfolgt.

Alternativ zum Vorsehen von Gas als laseraktives Medium ist es aber im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung eben­ falls denkbar, wenn das laseraktive Medium ein Festkörper ist. In diesem Fall können die Wellenleiterflächen durch die Außenflächen des Festkörpers gebildet werden.

Vorzugsweise ist in diesem Fall als Pumpquelle für das laseraktive Medium eine Lichtquelle vorgesehen, welche den Festkörper anregt. Als Festkörper kommen alle bekannten Festkörperlasermaterialien, wie beispielsweise NdYAG etc. in Frage.

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

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Lösung;

Fig. 2 einen Schnitt längs Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt längs Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 eine Darstellung der Variation der Reflektivi­ tät des ersten Resonatorspiegels in Abwicklung der Azimutalrichtung unter Angabe des Azimut­ winkels;

Fig. 5 eine Darstellung des Intensitätsverlaufs des ausgewählten Modes über der Azimutalrichtung unter Angabe des Azimutwinkels;

Fig. 6 eine ausschnittsweise Darstellung einer Drauf­ sicht in Richtung des Pfeils P in Fig. 3;

Fig. 7 eine Darstellung des Verlaufs der Reflektivität des ersten Resonatorspiegels ähnlich Fig. 4 zusammen mit dem intensitätsverlauf des ausge­ wählten Modes in der Abwicklung über der Azi­ mutalrichtung bei einem zweiten Ausführungs­ beispiel;

Fig. 8 eine Draufsicht ähnlich Fig. 6 auf den ersten Resonatorspiegel des zweiten Ausführungsbei­ spiels;

Fig. 9 eine Darstellung des Verlaufs der Reflektivität des ersten Resonatorspiegels bei einem dritten Ausführungsbeispiel ähnlich Fig. 4;

Fig. 10 eine Darstellung des Verlaufs der Intensität des ausgewählten Modes (durchgezogen gezeich­ net) in Abwicklung über der Azimutalrichtung beim dritten Ausführungsbeispiel und des reflektierten Teils des Resonator­ strahlungsfeldes (punktiert gezeichnet) sowie des transmittierten Teils und somit ausge­ koppelten Teils des Resonatorstrahlungsfeldes (strichpunktiert gezeichnet) beim dritten Ausführungsbeispiel;

Fig. 11 eine Darstellung eines niedrigeren Modes (dick durchgezogen gezeichnet) im Vergleich zum aus­ gewählten Mode (dünn durchgezogen gezeichnet) und der reflektierten Anteile desselben (punktiert gezeichnet) sowie der trans­ mittierten Anteile desselben (strichpunktiert gezeichnet) bei einem Verlauf der Reflektivität gemäß Fig. 9 des dritten Ausführungsbeispiels;

Fig. 12 eine Darstellung der Draufsicht auf den Spiegel ähnlich Fig. 6 beim dritten Ausführungsbeispiel;

Fig. 13 eine Draufsicht auf den zweiten Resonator­ spiegel des dritten Ausführungsbeispiels;

Fig. 14 eine Draufsicht auf den Resonatorspiegel ähn­ lich Fig. 3 eines vierten Ausführungsbeispiels;

Fig. 15 eine ausschnittsweise Darstellung des Verlaufs der Reflektivität in Azimutalrichtung auf dem Kreis K in Fig. 14 beim vierten Ausführungsbei­ spiel in Abwicklung und

Fig. 16 eine ausschnittsweise Darstellung des Verlaufs der Reflektivität im Bereich des Kreises K in der radialen Richtung beim vierten Ausführungs­ beispiel.

Ein in Fig. 1 dargestelltes erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lasers umfaßt einen als Ganzes mit 10 bezeichneten Wellenleiter, gebildet durch eine äußere zylindrische Wellenleiterfläche 12 und eine innere zy­ lindrische Wellenleiterfläche 14, die beispielsweise beide koaxial zu einer Zylinderachse 16 angeordnet sind.

Dieser zylinderförmige optische Wellenleiter 10 dient zur Führung von Laserstrahlung durch Hin- und Herreflektion zwischen den Wellenleiterflächen 12 und 14 im wesentlichen in Richtung der Zylinderachse 16 zwischen einem ersten Resonatorspiegel 18 und einem zweiten Resonatorspiegel 20 eines Laserresonators 19, die jeweils nahe einer Stirn­ seite des Wellenleiters 10 angeordnet sind.

Der erste Resonatorspiegel 18 ist voll reflektierend, während der zweite Resonatorspiegel 20 einen Auskoppel­ spiegel darstellt, aus welchem zylinderähnlich um die Zylinderachse 16 herum ein Laserstrahlenbündel 22 aus­ tritt, welches durch eine Abbildungsoptik 24, beispiels­ weise eine Fokussierungsoptik oder beispielsweise ein Axicon auf ein zur Zylinderachse 16 koaxiales Laser­ strahlenbündel 26 zusammengeführt wird, das einen geringeren Durchmesser als das Laserstrahlenbündel 22 aufweist.

Zur Anregung von einem in dem Wellenleiter 10 angeordneten laseraktiven Medium vorzugsweise einem Lasergas, bei­ spielsweise CO₂ bei für CO₂ üblichem Druck, dient eine Hochfrequenzquelle 28, welche in dem Wellenleiter 10 durch geeignete Elektrodenanordnungen zu einer Gasentladung in radialer Richtung zur Zylinderachse 16 führt. Im ein­ fachsten Fall stellen - wie nachfolgend beschrieben - die die Wellenleiterflächen 12 und 14 tragenden Wände die Elektroden dar. Es ist aber auch denkbar, separate Elek­ troden vorzusehen. Das Lasergas wird dabei im einfachsten Fall nicht umgewälzt, sondern lediglich durch Stöße an den gekühlten Wellenleiterflächen 12 und 14 abgekühlt.

Alternativ dazu ist auch ein Festkörpermaterial als laser­ aktives Medium möglich, welches vorzugsweise mit einer Pumplichtquelle gepumpt wird.

Wie in Fig. 2 im einzelnen dargestellt, ist die äußere Wellenleiterfläche 12 von einer äußeren Zylinderwand 30 getragen, welche vorzugsweise die Wand eines Metall­ zylinders darstellt, der direkt über eine Leitung 32 mit der Hochfrequenzquelle 28 verbunden ist und als äußere Elektrode dient.

Desgleichen ist die innere Wellenleiterfläche 14 von einer inneren Zylinderwand 34 getragen, welche ebenfalls die Wand eines Metallzylinders ist, der seinerseits über eine Leitung 36 mit der Hochfrequenzquelle 28 verbunden ist.

Wie ferner in Fig. 2 im Detail dargestellt, liegen erste Enden 38 und 40 der Zylinderwände 30 bzw. 34 in einer Ebene 42, und bilden eine erste Stirnseite 44 des Wellen­ leiters 10.

Dieser ersten Stirnseite 44 des Wellenleiters 10 ist der erste Resonatorspiegel 18 mit einem kreisringförmigen reflektierenden Bereich 46 zugewandt, so daß an der ersten Stirnseite 44 eine Totalreflektion der von dem Wellen­ leiter 10 zu dieser durch Hin- und Herreflektion an den zylindrischen Wellenleiterflächen 12 und 14 geführten Strahlung vorliegt.

Vorzugsweise ist dabei der erste Resonatorspiegel 18 durch einen Ring 48 aus einem Trägermaterial gebildet, der den kreisringförmigen reflektierenden Bereich trägt.

Jeweils ein zweites dem ersten gegenüberliegendes Ende 50 und 52 der äußeren Zylinderwand 30 bzw. der inneren Zylinderwand 34 ist ebenfalls in einer Ebene 54 ange­ ordnet, in welcher eine zweite Stirnseite 56 des Wellen­ leiters 10 liegt.

Dieser zugewandt ist, wie bereits beschrieben, der zweite Resonatorspiegel 20 angeordnet, welcher in der azimutalen Richtung A einen variierenden Verlauf der Reflektivität RE aufweist, und dabei, wie insbesondere in Fig. 3 darge­ stellt, eine Vielzahl von in einer Azimutalrichtung A aufeinanderfolgenden maximal reflektierenden Bereichen 60, Zwischenbereichen 62A mit abnehmender Reflektivität RE minimal reflektierenden Bereichen 64 und Zwischenbereichen 62Z mit zunehmender Reflektivität RE aufweist, die perio­ disch aufeinanderfolgen und die sich in radialer Richtung R bezüglich der Zylinderachse 16 über den Abstand A zwischen den zylindrischen Wellenleiterflächen 12 und 14 erstrecken.

Die maximal reflektierenden Bereiche 60, die Zwischen­ bereiche 62A und 62Z und die minimal reflektierenden Bereiche 64 wiederholen sich dabei mit einer derartigen Periodizität in der Azimutalrichtung A, daß ein ganz­ zahliges Vielfaches der Periode genau einem Umlauf in der Azimutalrichtung A entspricht, so daß sich beim zweiten Umlauf die Perioden deckungsgleich wiederholen, wie in Fig. 4 dargestellt. In Fig. 4 ist dabei die Position der einzelnen Bereiche 60, 62 und 64 über dem Azimutwinkel um die Achse 16 dargestellt.

Die Lage des Orts der Bereiche 60, 62 und 64 ist bei der erfindungsgemäßen Lösung festgelegt durch Intensitäts­ maxima I_max und Intensitätsminima I_min der Intensitätsver­ teilung eines ausgewählten Modes MO des Laserresonators 19, dargestellt in Fig. 5.

Die maximal reflektierenden Bereiche 60 sind dabei so an­ geordnet, daß die Intensitätsmaxima I_max innerhalb vor­ zugsweise mittig derselben liegen und die minimal reflek­ tierenden Bereiche 64 sind so angeordnet, daß die Inten­ sitätsminima I_min innerhalb derselben, auch vorzugsweise mittig derselben, liegen.

Damit ist die Periodizität der maximal reflektierenden Bereiche 60, der Zwischenbereich 62A und 62Z und der minimal reflektierenden Bereiche 64 in der Azimutalrich­ tung A identisch mit der Periodizität des Intensitätsver­ laufs des ausgewählten Modes MO in der azimutalen Richtung A.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung von maximal reflek­ tierenden Bereichen 60 und minimal reflektierenden Bereichen 64 sowie Zwischenbereichen 62A und 62Z des Resonatorspiegels 20 läßt sich der ausgewählte Mode MO in dem Laserresonator 19 stabilisieren und es lassen sich andere Moden mehr oder weniger stark unterdrücken, so daß ein sich in dem Laserresonator 19 ausbildendes Resonator­ strahlungsfeld 66 im wesentlichen den ausgewählten Mode MO umfaßt.

Die Auskopplung von das Laserstrahlenbündel 22 bildender Laserstrahlung aus dem Resonatorstrahlungsfeld 66 erfolgt dabei in den Zwischenbereichen 62F und 625 und den minimal reflektierenden Bereichen 64, während in den maximal reflektierenden Bereichen 60 im wesentlichen vollständige Reflektion vom Laserstrahlungsfeld umfaßten Modes MO erfolgt.

Die ausgekoppelte Laserstrahlung bildet dann das Laser­ strahlenbündel 22, welches zu dem koaxialen Laserstrahlen­ bündel 26 mittels der Abbildungsoptik 24 zusammenführbar ist.

Der Resonatorspiegel 20, in Abwicklung dargestellt in Fig. 6, ist dabei so aufgebaut, daß er ein Substrat 68 umfaßt, auf welches eine Schicht 70 beispielsweise durch Auf­ dampfen aufgetragen ist, wobei die Schicht 70 aus einem hochbrechenden Dielektrikum, zum Beispiel Germanium besteht, während das Substrat ein transparentes Material ist. Durch Variation der Dicke D der Schicht 70 läßt sich dann die Reflektivität an unterschiedlichen Orten in der Azimutalrichtung A einstellen.

Die Herstellung eines derartigen Spiegels ist beispiels­ weise aus dem Artikel von Lavigne, McCarthy und Demers in der Zeitschrift APPLIED OPTICS, Vol. 24, No. 16, Seite 2581 bis 2586 bekannt.

Ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lasers ist im Prinzip gleich aufgebaut, wie das erste Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied, daß die Reflek­ tivität RE in den Zwischenbereichen 62A stufenweise ab­ nimmt oder in den Zwischenbereichen 62Z stufenweise zu­ nimmt, wie in Fig. 7 dargestellt. Dies läßt sich am ein­ fachsten, wie in Fig. 8 dargestellt, dadurch realisieren, daß die Dicke der Schicht 70 auf dem Substrat 68 in den Zwischenbereichen 62A und 62Z in Stufen variiert. Die Lage der Stufen ist dabei, wie ebenfalls in Fig. 7 dargestellt, dem Verlauf der Intensitätsverteilung des ausgewählten Modes angepaßt, so daß sich mit einer derartigen in der Azimutalrichtung A variierenden Reflektivität des Resonatorspiegels 20 ebenfalls der ausgewählte Mode selektieren läßt.

Im übrigen wird auf die Ausführungen zum ersten Ausfüh­ rungsbeispiel vollinhaltlich Bezug genommen.

Eine noch optimalere Modenselektion läßt sich bei einem dritten Ausführungsbeispiel dann erreichen, wenn, wie in Fig. 9 dargestellt, die Reflektivität RE denselben Ver­ lauf aufweist wie die Intensität des Modes MO und somit die maximal reflektierenden Bereiche 60 lediglich in azimutaler Richtung A gesehen am Ort der maximalen Inten­ sität I_max des Modes auftreten und die minimal reflek­ tierenden Bereiche 64 lediglich am Ort der minimalen Intensität I_min des Modes MO liegen und zwischen den maximal reflektierenden Bereichen 60 und den minimal reflektierenden Bereich 64 die Zwischenbereiche 62A und 62Z liegen, in denen die Reflektivität RE ebenfalls in azimutaler Richtung A denselben Verlauf aufweist, wie die Intensität I des Modes MO.

Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel wird durch den Resonatorspiegel 20 Laserstrahlung ebenfalls in den Zwischenbereichen 62A und 62Z ausgekoppelt, während im wesentlichen in den minimal reflektierenden Bereichen 64 keine Strahlung ausgekoppelt wird, da mit diesen das Intensitätsminimum I_max des Intensitätsverlaufs des Modes MO zusammenfällt.

In Fig. 10 ist neben dem Intensitätsverlauf I des Modes MO die reflektierte Intensität gepunktet und die vom Reso­ natorspiegel 20 ausgekoppelte Intensität strichpunktiert dargestellt. Dabei ist erkennbar, daß eine Auskopplung von Laserstrahlung aus dem Resonatorstrahlungsfeld 66 im wesentlichen in den Zwischenbereichen 62A und 62Z erfolgt.

Mit einem derartigen Verlauf der Reflektivität des Reso­ natorspiegels 20 lassen sich, wie in Fig. 11 dargestellt, die Moden unterdrücken, die eine größere oder kleinere Ordnung als der ausgewählte Mode MO haben, da deren Intensitätsmaxima I_max nur zu einem erheblich reduzierten Teil reflektiert werden und ein erheblicher Teil der Moden in den Zwischenbereichen 62A und 62Z ausgekoppelt wird.

Bei dem dritten Ausführungsbeispiels ist dabei die Schicht 70, die auf das Substrat 68 aufgetragen wird, derart aus­ gebildet, daß sie entsprechend der Periodizität konti­ nuierlich in ihrer Dicke D variiert, um eine kontinuier­ liche Variation der Reflektivität RE des Resonatorspiegels 20 zu erreichen, wie in Fig. 12 dargestellt.

Da die Schicht 70, die zur Variation der Reflektivität RE eine unterschiedliche Dicke aufweist, aufgrund ihrer unterschiedlichen Dicke auch zu unterschiedlich mit der Azimutalrichtung A variierenden Phasenverzerrungen führen kann, ist auf der der Schicht 70 gegenüberliegenden Seite des Substrats noch eine Kompensationsschicht 72 aufgetragen, welche die von der variierenden Dicke der Schicht 70 erzeugten Phasenverzerrungen wieder kompen­ siert. Die Dicke der Kompensationsschicht 72 ist dabei so bemessen, daß die aus dem Laserresonator 19 durch den Spiegel 20 hindurch austretende Laserstrahlung, welche das Laserstrahlenbündel 22 bildet, an jedem Punkt genau die Phasenlage hat, die der Phasenlage des Resonatorstrah­ lungsfeldes 66 im Laserresonator 19 mit dem ausgewählten Mode MO entspricht.

Ferner ist bei dem dritten Ausführungsbeispiel noch vor­ gesehen, wie in Fig. 13 dargestellt, das der Resonator­ spiegel 18 zwar im Ganzen vollreflektierend ausgebildet ist, jedoch mit Bereichen 74 reduzierter Reflektivität versehen ist, die in der Azimutalrichtung A genau an den Stellen liegen, an denen der ausgewählte Mode MO Inten­ sitätsminima im Bereich des Resonatorspiegels 18 aufweist.

Damit ist durch die Bereiche 74 eine weitere Verstärkung der Modenselektion beim erfindungsgemäßen Laserresonator 19 möglich.

Im übrigen ist das dritte Ausführungsbeispiel gleich auf­ gebaut wie das erste, so daß auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel voll inhaltlich Bezug genommen wird.

Bei einem vierten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 14 bis 16 variiert die Reflektivität des Resonatorspiegels 20 in der Azimutalrichtung R in gleicher Weise wie beim zweiten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 7 und 8, stufenweise, wie ebenfalls in Fig. 14 in Abwicklung des Kreisbogens K über der Azimutalrichtung A dargestellt ist.

Zusätzlich variiert die Reflektivität, wie in Fig. 16 dargestellt, auch noch in der radialen Richtung R, und zwar ausgehend von einem radial innerhalb des Kreises K liegendes Minimalwert 64R über einen radialen Zwischen­ bereich 62ZR zum Maximalwert 60, der auf dem Kreis K liegt, und dann über den radialen Zwischenbereich 62AR zum Minimalwert 64R radial außerhalb des Kreises K, so daß sich insgesamt das in Fig. 14 dargestellte Muster der Reflektivität des Resonatorspiegels 20 ergibt, wobei der Kreis K, in der radialen Richtung gesehen, vorzugsweise mittig zwischen den Wellenleiterflächen 12 und 14 liegt.

Mit einer derartigen Variation der Reflektivität RE in radialer Richtung R ist eine noch schärfere Selektion des ausgewählten Modes MO möglich, da auch diejenigen Moden selektiert werden, die in radialer Richtung anders liegende Intensitätsmaxima aufweisen als die Intensitäts­ maxima, die mit den Maximalwerten und Minimalwerten der Reflektivität in radialer Richtung zusammenfallen.

Im übrigen ist das vierte Ausführungsbeispiel gleich aus­ gebildet wie das zweite und das erste Ausführungsbeispiel, so daß auf die Ausführungen hierzu voll inhaltlich Bezug genommen wird.

Bei allen Ausführungsbeispielen sind vorzugsweise die reflektierenden Flächen 76 und 78 der Resonatorspiegel 18 bzw. 20 hinsichtlich der Richtung der Reflexion als in dieselbe Richtung zurückreflektierende ebene Flächen aus­ gebildet, welche parallel zu den Ebenen 42 bzw. 54 ver­ laufen. Diese stellen die einfachsten Randbedingungen für die Auswahl eines Modes in dem erfindungsgemäßen Laser­ resonator 19 dar.

Ferner verläuft die Reflektivität des Resonatorspiegels 20 bei allen Ausführungsbeispielen in radialer Richtung R im einfachsten Fall konstant. Bei besonderen ausgewählten Moden ist zusätzlich zur Variation in azimutaler Richtung A auch noch eine Variation in der radialen Richtung R vorgesehen.

Darüber hinaus erfolgt bei allen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Lösung die Selektion der ausgewählten Moden entsprechend den Formeln für die Feldverteilung in einem Wellenleiter, wie sie beispielsweise in dem Buch von N. Markuvitz, Waveguide Handbook, McGraw-Hill, New York, Toronto, London 1951, Seite 78 ff, insbesondere Gleichung 43, beschrieben sind.

Bei den erfindungsgemäßen Laserresonatoren kommen vorzugs­ weise als ausgewählte Moden H_mn-Moden zum Einsatz, da diese deutlich geringere Verluste aufweisen, als E_mn-Moden oder TEM-Moden.

Um bei der erfindungsgemäßen Lösung die äußere Zylinder­ wand 30 und die innere Zylinderwand 34 im Abstand AB von einander definiert und stabil zu positionieren, ist an der ersten Stirnseite ein Haltering 80 vorgesehen, welcher mit einer inneren Schulter 82 als innere Auflage für die innere Zylinderwand 34 dient und mit einer äußeren Schulter 84 als äußere Auflage für die äußere Zylinderwand 30. Ferner trägt der Haltering 80 in einer hierfür vorge­ sehenen Ausnehmung 86 den ersten Resonatorspiegel 18.

An ihren zweiten Enden 50 und 52 sind die Zylinderwände 30 und 34 durch U-förmige Halter 88 relativ zueinander fixiert, wobei die Halter 88 mit ihren Seitenschenkeln 90 und 92 jeweils mit Außenseiten bzw. Innenseiten der Zylinderwände 30 bzw. 34 verbunden sind und mit einem Mittelschenkel 94 jeweils ein reflektierendes Segment 60 auf dessen seiner Reflektionsfläche 68 abgewandten Rück­ seite übergreifen.

Vorzugsweise sind die Halter 88 auch noch als Tragelemente für die Fixierung der reflektierenden Segmente 60 ausge­ bildet und halten diese somit mit ihren Reflektionsflächen 68 parallel zur Ebene 54 ausgerichtet.

Daß das Laserstrahlenbündel 22 in das Laserstrahlenbündel 26 über führende Axicon 24 weist vorzugsweise eine äußere konvexe Torusfläche 100 auf, die koaxial zur Zylinderachse 16 angeordnet ist und eine innere konkave Torusfläche 102, die ebenfalls koaxial zur Zylinderachse 16 angeordnet ist.

Claims (24)

1. Wellenleiterlaser umfassend ein laseraktives Medium, eine Pumpquelle für das laseraktive Medium und einen Resonator mit einem sich in einer axialen Richtung erstreckenden Wellenleiter, gebildet aus einer zylindrischen äußeren und einer zylindrischen inneren optischen Wellenleiterfläche, zwischen denen sich ein Resonatorstrahlungsfeld im wesentlichen parallel zu der axialen Richtung ausbreitet, und mit zwei Resonatorspiegeln, zwischen denen sich das Resonator­ strahlungsfeld erstreckt und von denen mindestens ein erster in zur axialen Richtung azimutaler Richtung aufeinanderfolgende Maximalwerte und Minimalwerte der Reflektivität aufweist dadurch gekennzeichnet, daß die Maximalwerte (60) und die Minimalwerte (64) der Reflektivität (RE) des ersten Resonatorspiegels (20) in azimutaler Richtung (A) gesehen am Ort von Inten­ sitätsmaxima (I_max) bzw. Intensitätsminima (I_min) eines ausgewählten azimutal geschlossenen und von dem Resonatorstrahlungsfeld umfaßten Modes (MO) des Resonators (19) angeordnet sind und daß sich in azimutaler Richtung (A) zwischen den aufeinanderfolgenden Maximalwerten (60) und Minimal­ werten (64) Zwischenbereiche (62A, 62Z) erstrecken, in welchen die Reflektivität (RE) zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert liegt.

2. Wellenleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reflektivität (RE) in den Zwischen­ bereichen (62A, 62Z) mindestens eine Stufe bildende Zwischenwerte aufweist.

3. Wellenleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektivität (RE) in den Zwischenbereichen (62A, 62Z) Zwischenwerte aufweist, die bei einem Übergang von einem der Maximalwerte (60) zu einem der Minimalwerte (64) abnehmen oder beim Übergang von einem der Minimalwerte (64) zu einem der Maximalwerte (60) zunehmen.

4. Wellenleiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zwischenwerte aufeinanderfolgende Stufen bilden.

5. Wellenleiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zwischenwerte kontinuierlich ab­ nehmen oder zunehmen.

6. Wellenleiterlaser nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwerte mit konstanter Steigung abnehmen oder zunehmen.

7. Wellenleiterlaser nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwerte stetig abnehmen oder zunehmen.

8. Wellenleiterlaser nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reflektivität (RE) in der Azimutal­ richtung (A) in Form einer periodischen Funktion zwischen den Maximalwerten und den Minimalwerten verläuft.

9. Wellenleiterlaser nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Orte der Maximalwerte und die Orte der Minimalwerte bei den Maxima und Minima der perio­ dischen Funktion liegen.

10. Wellenleiterlaser nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektivi­ tät (RE) in der azimutalen Richtung (A) denselben Verlauf aufweist wie die Intensität (I) des ausge­ wählten Modes (MO) des Resonators (19).

11. Wellenleiterlaser nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auskopplung von Laserstrahlung (22) aus dem Resonatorstrahlungs­ feld (66) in den Zwischenbereichen (62A, 62Z) erfolgt.

12. Wellenleiterlaser nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auskopplung von Laserstrahlung (22) aus dem Resonatorstrahlungsfeld (66) am Ort des Maximalwertes (60) erfolgt.

13. Wellenleiterlaser nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maximalwerte (60) und die Minimalwerte (64R) der Reflektivität (RE) des ersten Resonatorspiegels (20) in radialer Richtung (R) gesehen am Ort von Intensitätsmaxima (I_max) bzw. Intensitätsminima (I_min) des ausgewählten Modes (MO) des Resonators (19) angeordnet sind.

14. Wellenleiterlaser nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich in radialer Richtung (R) zwischen den aufeinanderfolgenden Maximalwerten (60) und Minimalwerten (64R) radiale Zwischenbereiche (62AR, 62ZR) erstrecken, in welchen die Reflektivität (RE) zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert liegt.

15. Wellenleiterlaser nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reflektivität (RE) in den Zwischen­ bereichen (62AR, 62ZR) mindestens eine Stufe bildende Zwischenwerte aufweist.

16. Wellenleiterlaser nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektivität (RE) in den Zwischenbereichen (62AR, 62ZR) Zwischenwerte auf­ weist, die bei einem Übergang von einem der Maximal­ werte (60) zu einem der Minimalwerte (64R) abnehmen oder beim Übergang von einem der Minimalwerte (64R) zu einem der Maximalwerte (60) zunehmen.

17. Wellenleiterlaser nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die radialen Zwischenwerte aufeinander­ folgende Stufen bilden.

18. Wellenleiterlaser nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die radialen Zwischenwerte kontinuier­ lich abnehmen oder zunehmen.

19. Wellenleiterlaser nach Anspruch 16 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Zwischenwerte mit konstanter Steigung abnehmen oder zunehmen.

20. Wellenleiterlaser nach Anspruch 16 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwerte stetig abnehmen oder zunehmen.

21. Wellenleiterlaser nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Resonatorspiegel (20) ein Substrat (68) umfaßt, auf welches als Schicht (70) ein hochbrechendes Dielektrikum aufgetragen ist, wobei durch Variation einer Dicke (D) der Schicht (70) die Reflektivität (RE) variierbar ist.

22. Wellenleiterlaser nach Anspruch 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Resonatorspiegel (20) mit einer phasenkompensierenden Schicht (72) versehen ist, welche eine Phasenverzerrung aufgrund der variierenden Reflektivität (RE) kompensiert.

23. Wellenleiterlaser nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Resonatorspiegel (18) ein vollreflektierender Spiegel ist.

24. Wellenleiterlaser nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Resonatorspiegel (18) am Ort von Intensitätsminima des ausgewählten Modes (MO) verlustbehaftete Bereiche (74) aufweist.