DE4424726C1

DE4424726C1 - Coaxial waveguide laser with stable resonator

Info

Publication number: DE4424726C1
Application number: DE19944424726
Authority: DE
Inventors: Sergej Dr Anikitchev; Ev Vladimir Solov; Ev Iouri Prof Anan; Vitaly Lopota; Klaus Dipl Phys Schanz
Original assignee: Rofin Sinar Laser GmbH
Current assignee: Rofin Sinar Laser GmbH
Priority date: 1994-07-13
Filing date: 1994-07-13
Publication date: 1996-02-01
Anticipated expiration: 2014-07-14

Abstract

The laser has a hollow cylindrical active medium (6) and a resonator mirror (8) cooperating with one of its end faces, directing the laser radiation (20) obtained from the active medium into a hollow space (32) enclosed coaxially by the active medium. A second resonator mirror (10) is provided at the second end face of the active medium, with a third partially transparent resonator mirror (12) at this end face of the hollow space. Pref. the first resonator mirror has inner and outer rotationally symmetrical parabolic mirror surfaces with a constant annular focus.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen koaxialen Laser mit ei nem stabilen Resonator, insbesondere auf einen koaxialen Wel lenleiterlaser.The invention relates to a coaxial laser with egg stable resonator, especially on a coaxial world conductor laser.

Laser, bei denen das laseraktive Medium einen ringförmigen Querschnitt und die Gestalt eines Hohlzylinders hat werden als koaxiale Laser bezeichnet. Koaxiale Laser mit hoher Lei stung, insbesondere koaxiale CO₂-Laser, haben zwangsläufig einen großen Durchmesser. Bei koaxialen Lasern mit einfachen stabilen Resonatoren, bei denen ein Strahl mit ringförmigem Querschnitt aus dem Resonator ausgekoppelt wird, ist dies aber mit einer sehr großen azimutalen Fresnelzahl Fazimut = (πr)²/(λL) (Mittenradius des aktiven Mediums r, Länge des Resonators L, Wellenlänge λ) verbunden, so daß bei großer Leistung keine hohe Strahlqualität erzielt werden kann.Lasers in which the laser-active medium has an annular shape Cross section and the shape of a hollow cylinder referred to as coaxial laser. Coaxial lasers with high lei stung, especially coaxial CO₂ lasers, inevitably a large diameter. With coaxial lasers with simple stable resonators, in which a beam with an annular Cross-section is coupled out of the resonator, this is but with a very large azimuthal Fresnel number Fazimut = (πr) ² / (λL) (center radius of the active medium r, Length of the resonator L, wavelength λ) connected, so that at high power, high beam quality cannot be achieved can.

In der US-A-5 099 492 ist deshalb bei einem ringförmigen oder koaxialen CO₂-Laser die Verwendung eines stabilen Resonators mit einem resonatorinternen Axiconspiegel vorgeschlagen wor den. Bei diesem bekannten CO₂-Laser bilden zwei konzentrisch bzw. koaxial zueinander angeordnete hohlzylindrische Elektro den einen Entladungsraum mit ringförmigem Querschnitt. In diesem Entladungsraum befindet sich als laseraktives Medium CO₂-Gas. Gegenüber einer der Stirnflächen dieses Entladungs raumes ist ein ringförmiger ebener erster Resonatorspiegel angeordnet. Der anderen Stirnfläche des Entladungsraums ist als zweiter Resonatorspiegel ein w-förmiges Axicon mit zwei einander zugewandten Spiegelflächen zugeordnet. Diese Spie gelflächen haben die Gestalt einer Mantelfläche eines Kegel stumpfes bzw. eines dazu koaxialen Kegels. Der gegenüber dem w-förmigen Axicon aus der ringförmigen Stirnfläche des Entla dungsraumes austretende Strahl hat ebenfalls einen ringförmi gen Querschnitt. Er wird durch das w-förmige Axicon in einen Strahl mit zylindrischem Querschnitt umgewandelt, der sich innerhalb des von der inneren hohlzylindrischen Elektrode gebildeten Hohlraumes in Richtung der Resonator- oder Zylin derachse ausbreitet. Der auf diese Weise durch das w-förmige Axicon komprimierte Strahl trifft nach Durchlaufen des von der inneren hohlzylindrischen Elektrode gebildeten Hohlraumes auf einen im Zentrum des ersten Resonatorspiegels angeordne ten teildurchlässigen Spiegel und wird dort teilweise aus dem Resonator ausgekoppelt. Zwischen dem w-förmigen Axicon und dem teildurchlässigen Spiegel wird durch Beugungseffekte ein Mode mit niedriger Ordnung und hoher Strahlqualität erzeugt.In US-A-5 099 492 is therefore in an annular or coaxial CO₂ laser the use of a stable resonator suggested with an internal resonator axicon mirror the. In this known CO₂ laser form two concentrically or coaxially arranged hollow cylindrical electro the one discharge space with an annular cross section. In this discharge space is located as a laser-active medium CO₂ gas. Opposite one of the end faces of this discharge space is an annular flat first resonator mirror arranged. The other end face of the discharge space is as a second resonator mirror a w-shaped axicon with two assigned mirror surfaces facing each other. This game Gel surfaces have the shape of a lateral surface of a cone blunt or a coaxial cone. The one opposite the w-shaped axicon from the annular face of the discharge emerging space also has an annular cross section. It is integrated into one by the w-shaped axicon Beam with cylindrical cross section converted to itself inside of the inner hollow cylindrical electrode formed cavity in the direction of the resonator or cylin spreading the axis. That way through the w-shaped Axicon compressed beam hits after going through the of the inner hollow cylindrical electrode formed cavity arranged on one in the center of the first resonator mirror partially translucent mirror and there is partially from the Coupled resonator. Between the w-shaped axicon and the semi-transparent mirror is caused by diffraction effects Low-order fashion with high beam quality is generated.

Die Resonatoranordnung dieses bekannten Lasers ist jedoch für koaxiale Laser, bei denen der Abstand zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode relativ klein ist, nicht geeignet. Dies ist insbesondere bei koaxialen Wellenleiter lasern der Fall, wo der zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode gebildete Entladungsraum einen äußeren koaxialen Wellenleiter bildet, dessen radialer Wandabstand im Millimeterbereich liegt. Mit einem kleinen Wandabstand und einer dementsprechend schmalen Auskoppelapertur für den aus dem Entladungsraum austretenden Strahl ist eine hohe Strahl divergenz verbunden, die zu hohen Beugungsverlusten führt. Diese Beugungsverluste sind um so größer, je größer die opti sche Weglänge zwischen der Auskoppelapertur des äußeren Wel lenleiters und der Stirnfläche des von der inneren Elektrode umschlossenen, beispielsweise ebenfalls als Wellenleiter aus gebildeten Hohlraumes ist, so daß mit einem w-förmigen Axicon mit kegelmantelförmigen Spiegelflächen gemäß der bekannten Resonatoranordnung nur ein unbefriedigender Wirkungsgrad er zielt werden kann.However, the resonator arrangement of this known laser is for coaxial lasers where the distance between the inner Electrode and the outer electrode is relatively small, not suitable. This is particularly the case with coaxial waveguides laser the case where the between the inner electrode and discharge space formed an outer electrode coaxial waveguide forms, the radial wall distance in Millimeter range. With a small wall clearance and a correspondingly narrow coupling aperture for the the beam emerging from the discharge space is a high beam divergence, which leads to high diffraction losses. The greater the opti, the greater the diffraction losses cal path length between the coupling aperture of the outer world lenleiters and the end face of the from the inner electrode enclosed, for example also as a waveguide formed cavity, so that with a w-shaped axicon with cone-shaped mirror surfaces according to the known Resonator arrangement only an unsatisfactory efficiency can be aimed.

Darüber hinaus sind bei Hochleistungslasern der Strahlkom pression Grenzen gesetzt, die durch die maximal zulässige Be lastung der resonatorinternen Optiken verursacht sind. Um beispielsweise bei einem CO₂-Wellenleiterlaser mit einer Re sonatorlänge von 2 m eine Fresnelzahl in der Größenordnung von 3 zu erreichen um eine niedrige Modenordnung zu erhalten, müßte der ringförmige Strahl auf einen Durchmesser von 5 mm komprimiert werden. Unter Beibehaltung der dem Wandabstand der Elektroden entsprechenden Ringdicke D₁ des aus den Entla dungsraum austretenden Strahles von beispielsweise 1,5 mm und einer Kompression des Durchmessers auf 2R₂ = 5 mm, würde dann die Querschnittsfläche des komprimierten ebenfalls ringförmi gen Strahles etwa 2πR₂D_f ≈ 24 mm² betragen. Bei einer Lei stung P von etwa 5 kW wäre dies eine Flächenleistungsdichte von 21 kw/cm². Dies ist bei Hochleistungs-CO₂-Lasern aufgrund der Zerstörschwellen derzeit bekannter Werkstoffe nicht mög lich. Mit dem in der US-A-5,099,492 vorgeschlagene Resonator ist eine niedrige Fresnelzahl nur durch eine Erhöhung der Re sonatorlänge möglich. Dies steht jedoch dem grundlegenden Ziel entgegen, kompakte CO₂-Laser zu gestalten.In addition, in the case of high-power lasers, the beam compression is limited by the maximum permissible load on the cavity-internal optics. In order to achieve a Fresnel number of the order of 3 in a CO₂ waveguide laser with a resonator length of 2 m in order to obtain a low mode order, the annular beam would have to be compressed to a diameter of 5 mm. While maintaining the wall distance of the electrodes corresponding ring thickness D₁ of the beam emerging from the discharge space of, for example, 1.5 mm and compressing the diameter to 2R₂ = 5 mm, the cross-sectional area of the compressed, also ring-shaped beam would then be approximately 2πR₂D _f ≈ 24 mm² be. At a power P of about 5 kW, this would be an area power density of 21 kw / cm². This is not possible with high-performance CO₂ lasers due to the destruction thresholds of currently known materials. With the resonator proposed in US Pat. No. 5,099,492, a low Fresnel number is only possible by increasing the resonator length. However, this runs counter to the fundamental goal of designing compact CO₂ lasers.

Die Verwendung resonatorinterner Axiconspiegel ist auch aus der EP 0 100 089 A1 für einen Gaslaser mit einem zylindri schen Entladungsraum bekannt.The use of internal resonator axicon mirrors is also out EP 0 100 089 A1 for a gas laser with a cylinder known discharge space.

In der DE 40 22 818 A1 ist ein Festkörperlaser offenbart, bei dem mehrere Festkörperstäbe koaxial zueinander angeordnet und optisch durch eine resonatorinterne Spiegelanordnung gekop pelt sind.A solid-state laser is disclosed in DE 40 22 818 A1, at which several solid rods arranged coaxially to each other and optically coupled through an internal resonator mirror arrangement pelt are.

Aus der DE 42 03 225 A1 ist ein koaxialer Wellenleiterlaser bekannt, bei dem im Strahlengang des Laserstrahls außerhalb des Resonators ein Axicon mit gekrümmten Spiegelflächen ange ordnet ist, das lediglich zur resonatorexternen Strahlformung dient. Die Resonatorspiegel selbst haben ebene Spiegelflä chen. Die innerhalb des Resonators auftretenden Beugungsver luste können auf diese Weise nicht verringert werden.DE 42 03 225 A1 describes a coaxial waveguide laser known in the outside in the beam path of the laser beam the resonator an axicon with curved mirror surfaces is arranged, that is only for resonator-external beam shaping serves. The resonator mirrors themselves have flat mirror surfaces chen. The diffraction ver. Occurring within the resonator Lusts cannot be reduced in this way.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen koaxialen Laser mit einem stabilen Resonator anzugeben, bei dem auch bei kleinen Abstand der koaxial zueinander angeordneten Elek troden und bei einem kurzen Resonator eine hohe Strahlquali tät und ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden kann.The invention is based on the object, a coaxial Specify lasers with a stable resonator, which also at a small distance between the coaxially arranged elec and a high beam quality with a short resonator activity and high efficiency can be achieved.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit ei nem koaxialen Laser, mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Ein koaxialer Laser, insbesondere ein koaxialer Wellenleiterlaser mit einem stabilen Resonator sowie einem hohlzylindrischen aktiven Medium, enthält einen gegenüber der Stirnfläche des aktiven Mediums angeordneten ersten Resonatorspiegel, der die aus dem aktiven Medium austretenden Strahlen durch tele skopische Abbildung in einen koaxial vom aktiven Medium umge benen Hohlraum einkoppelt.The above object is achieved according to the invention with egg nem coaxial laser, with the features of claim 1. A coaxial laser, especially a coaxial waveguide laser with a stable resonator and a hollow cylindrical active medium, contains one opposite the end face of the active medium arranged first resonator mirror, the the rays emerging from the active medium through tele scopic image in a coaxial from the active medium Coupling the next cavity.

Durch die Verwendung eines ersten Resonatorspiegels, der eine Strahlformung durch teleskopische Abbildung des äußeren ring förmigen Strahles in einen inneren, vorzugsweise ebenfalls ringförmigen Strahl ermöglicht, kann im Unterschied zu einem im Stand der Technik bekannten kegelförmigen Axicon der Durchmesser des Strahls verkleinert und gleichzeitig seine Ringdicke vergrößert werden. Dadurch kann erreicht werden, daß die Intensität des inneren Strahles und die Intensität des äußeren Strahles annähernd gleich bleiben und eine über mäßige Belastung der resonatorinternen Optiken durch die mit einem Axicon durchgeführte Strahlkompression wird vermieden.By using a first resonator mirror, the one Beam formation through telescopic imaging of the outer ring shaped beam into an inner, preferably also allows an annular beam, unlike one in the prior art known conical axicon Diameter of the beam is reduced and at the same time its Ring thickness can be increased. This can be achieved that the intensity of the inner ray and the intensity of the outer ray remain approximately the same and one over moderate loading of the resonator-internal optics by the Axicon beam compression is avoided.

Durch diese Abbildung mit dem ersten Resonatorspiegel treten außerdem auch bei einer schmalen Auskoppelapertur, wie sie insbesondere bei koaxialen Wellenleiterlasern vorliegen, deutlich geringere Beugungsverluste auf, weil durch eine Er höhung der Ringdicke die Strahldivergenz reduziert wird.Step through this image with the first resonator mirror also with a narrow decoupling aperture, like her especially with coaxial waveguide lasers, significantly lower diffraction losses because of an Er increasing the ring thickness, the beam divergence is reduced.

In einer bevorzugten Ausgestaltung-der Erfindung wird die te leskopische Abbildung durch einen ersten Resonatorspiegel be wirkt, der eine äußere und eine innere rotationssymmetrische parabolische Spiegelfläche aufweist, deren ringförmige Fokusse wenigstens annähernd zusammenfallen. Der erste Resonatorspie gel hat somit eine einem herkömmlichen w-Axicon ähnliche Ge stalt, mit dem Unterschied, daß anstelle von kegelförmigen Spiegeln parabolische Spiegelflächen vorgesehen sind.In a preferred embodiment of the invention, the te lescopic imaging by a first resonator mirror be acts of an outer and an inner rotationally symmetrical has parabolic mirror surface, the annular focus at least approximately coincide. The first resonator pie gel thus has a ge similar to a conventional w-Axicon stalt, with the difference that instead of conical Mirror parabolic mirror surfaces are provided.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein zweiter Resonatorspiegel mit einer toroidalen Spiegelfläche vorgese hen. Dadurch wird ebenfalls eine verlustarme Einkopplung der vom Resonatorspiegel reflektierten Strahlen in das aktive Me dium gewährleistet.In a further preferred embodiment is a second Resonator mirror with a toroidal mirror surface hen. This also results in a low-loss coupling of the rays reflected from the resonator mirror into the active Me guaranteed.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist ein zweite Resonatorspiegel mit einer rotationssymmetrischen pa rabolischen Spiegelfläche vorgesehen. Dadurch wird neben ei ner guten Einkopplung in das aktive Medium eine gute azi mutale Kopplung aller Segmente des aktiven Mediums erreicht. In a particularly advantageous embodiment, a second resonator mirror with a rotationally symmetrical pa Rabolic mirror surface provided. In addition to egg good coupling into the active medium a good azi mutal coupling of all segments of the active medium achieved.

Vorzugsweise ist ein erster Resonatorspiegel vorgesehen, der den aus dem aktiven Medium austretenden Laserstrahl in einen koaxial vom aktiven Medium umgebenen zylindrischen oder im Querschnitt kreisringförmigen Hohlraum einkoppelt.A first resonator mirror is preferably provided, which the laser beam emerging from the active medium into one coaxially surrounded by the active medium or cylindrical Coupling cross-section annular cavity.

Die der Erfindung zugrundeliegenden Überlegungen sind prinzi pieller Natur und nicht auf ein spezielles aktives Medium be schränkt. Ihre Anwendung ist jedoch vorzugsweise für gasför mige aktive Medien, insbesondere ein CO₂ enthaltendes aktives Medium, vorgesehen, das sich in einem von einer koaxialen Elektrodenanordnung gebildeten ersten Entladungsraum befin det.The considerations on which the invention is based are principle pial nature and not on a special active medium limits. However, their application is preferably for gas Mige active media, in particular a CO₂-containing active Medium, provided in one of a coaxial Electrode arrangement formed first discharge space det.

In einer insbesondere für CO₂-Laser geeigneten Ausgestaltung der Erfindung werden die aus dem ersten Entladungsraum aus tretenden Strahlen in einen von ihm umgebenen Hohlraum mit ringförmigem Querschnitt eingekoppelt, der einen zweiten Ent ladungsraum bildet.In a particularly suitable configuration for CO₂ lasers the invention are those from the first discharge space rays entering a cavity surrounded by it ring-shaped cross section coupled, the second Ent cargo space forms.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausfüh rungsbeispiele der Zeichnung verwiesen, in derenTo further explain the invention, the Ausfü Example of the drawing referenced in the

Fig. 1 ein koaxial er Laser gemäß der Erfindung in einem Längschnitt schematisch veranschaulicht ist. In Fig. 1 is a coaxial laser according to the invention is schematically illustrated in a longitudinal section. In

Fig. 2 und 3 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Lasers gemäß der Erfindung jeweils in einem Querschnitt dar gestellt, Figs. 2 and 3 is made of a laser according to the invention respectively in a cross section an advantageous embodiment,

Fig. 3 zeigt schematisch eine weitere vorteilhafte Ausge staltung der Erfindung ebenfalls in einem Längsschnitt. Fig. 3 shows schematically a further advantageous embodiment of the invention also in a longitudinal section.

Gemäß Fig. 1 enthält ein koaxialer CO₂-Laser eine innere und eine äußere hohlzylindrische Elektrode 2 bzw. 4 die koaxial zueinander um eine gemeinsame Zylinderachse 5 angeordnet sind und deren einander zugewandten Oberflächen einen ersten Ent ladungsraum 6 mit ringförmigem Querschnitt bilden. Die im Entladungsraum 6 befindliche CO₂-Gas-Mischung bildet das ak tive Medium, so daß die geometrische Form des Entladungsraum 6 auch die geometrische Form des aktiven Mediums festlegt.Referring to FIG. 1, a coaxial CO₂ laser includes an inner and an outer hollow cylindrical electrode 2 and 4 which are arranged coaxially with each other about a common cylinder axis 5 and their surfaces facing each other form a first Ent cargo space 6 of annular cross section. The CO₂ gas mixture located in the discharge space 6 forms the active medium, so that the geometric shape of the discharge space 6 also defines the geometric shape of the active medium.

Gegenüber den Stirnflächen dieses Entladungsraumes 6 sind ein erster und ein zweiter totalreflektierender Resonatorspiegel 8 bzw. 10 angeordnet. Der erste Resonatorspiegel 8 ist ein an eine angenähert w-förmiges Axicon mit rotationssymmetrischen parabolischen Spiegelflächen 82 und 84. Die äußere und innere Spiegelfläche 82 bzw. 84 haben in der Regel eine unterschied liche Krümmung. In beiden Fällen handelt es sich um Flächen, die durch die Rotation zweier zu unterschiedlichen Parabeln gehörenden Parabelabschnitte um eine parallel zur Symmetrie achse dieser Parabeln verlaufende Rotationsachse hervorgehen, die mit der Symmetrie- oder Zylinderachse 5 der koaxialen Elektroden 2 und 4 zusammenfällt. Diese Spiegelflächen 82 und 84 sind hinsichtlich ihrer Krümmung und Anordnung derart auf einander abgestimmt, daß sie einen gemeinsamen kreislinien förmigen Fokus F₁ besitzen, d. h. die Parabeln, aus denen diese Spiegelflächen 82 und 84 hervorgehen haben eine gemein same Parabelachse und einen gemeinsamen Brennpunkt.A first and a second totally reflecting resonator mirror 8 and 10 are arranged opposite the end faces of this discharge space 6 . The first resonator mirror 8 is an axicon approximated to W with rotationally symmetrical parabolic mirror surfaces 82 and 84 . The outer and inner mirror surfaces 82 and 84 generally have a different curvature. In both cases, these are surfaces which result from the rotation of two parabolic sections belonging to different parabolas around an axis of rotation which runs parallel to the axis of symmetry of these parabolas and which coincides with the axis of symmetry or cylinder 5 of the coaxial electrodes 2 and 4 . These mirror surfaces 82 and 84 are coordinated with each other in terms of their curvature and arrangement such that they have a common circular focus F 1, ie the parabolas from which these mirror surfaces 82 and 84 emerge have a common parabolic axis and a common focal point.

Bei dem gegenüber der anderen Stirnfläche des Entladungsrau mes 6 angeordneten zweiten Resonatorspiegel 10 handelt es sich um einen totalreflektierenden Parabolspiegel, dessen Spiegelfläche 102 durch ein Rotationsparaboloid um die Zylin derachse 5 gebildet wird. Der geometrische Fokus F₂ dieses parabolischen Resonatorspiegels 10 liegt dann auf der Zylin derachse 5. Mit diesem parabolischen zweiten Resonatorspiegel 10 wird ein aus dem ersten Entladungsraum 6 austretender Strahl an einer um 180° versetzten Stelle wieder in den Ent ladungsraum 6 eingekoppelt. Durch diese Maßnahme wird eine sehr gute Kopplung aller azimutalen Bereiche des ersten Ent ladungsraumes 6 erzielt.In the arranged opposite the other end face of the discharge chamber 6 , the second resonator mirror 10 is a totally reflecting parabolic mirror, the mirror surface 102 of which is formed by a paraboloid of revolution around the cylinder axis 5 . The geometric focus F₂ of this parabolic resonator mirror 10 is then on the cylinder axis 5 . This parabolic second resonator mirror 10, an emerging from the first discharge chamber 6 beam is coupled at a position offset by 180 ° position back into the cargo space Ent. 6 This measure results in a very good coupling of all azimuthal regions of the first discharge space 6 .

Der aus dem ersten Entladungsraum 6 zum ersten Resonatorspie gel 8 austretende Strahl 20 hat einen annähernd ringförmigen Querschnitt mit einem Außenradius R₁ und einer Ringdicke D₁. Er wird vom ersten Resonatorspiegel 8 in einen komprimierten Strahl 22 mit ringförmigem Querschnitt mit Außenradius R₂ und Ringdicke D₂ umgewandelt. Der erste Resonatorspiegel 8 ist eine Kombination eines konventionellen w-förmigen Axicons mit einem parabolischen Spiegelteleskop. Die Abmessungen R₁, D₁ des äußeren Strahls 20 werden durch die gewünschte Strahllei stung bestimmt. Die Brennweiten der Spiegelflächen 82 und 84 werden so gewählt, daß der komprimierte Strahl 22 bei maxima ler Ringdicke D₂ möglichst verlustarm in den inneren Hohlraum 30 eingekoppelt wird. Der Außenradius des inneren Hohlraumes 30 wird so gewählt, daß eine möglichst niedrige azimutale Fresnelzahl erreicht wird.The emerging from the first discharge space 6 to the first resonator gel 8 beam 20 has an approximately annular cross section with an outer radius R 1 and a ring thickness D 1. It is converted from the first resonator mirror 8 into a compressed beam 22 with an annular cross section with an outer radius R₂ and a ring thickness D₂. The first resonator mirror 8 is a combination of a conventional w-shaped axicon with a parabolic mirror telescope. The dimensions R₁, D₁ of the outer beam 20 are determined by the desired beam line. The focal lengths of the mirror surfaces 82 and 84 are chosen such that the compressed beam 22 is coupled into the inner cavity 30 with as little loss as possible at a maximum ring thickness D 2. The outer radius of the inner cavity 30 is chosen so that the lowest possible azimuthal Fresnel number is achieved.

Der komprimierte Strahl 22 trifft nach Durchqueren des Hohl raumes 30 auf einen teilreflektierenden Transmissionsspiegel 12, vorzugsweise ein ZnSe-Spiegel mit einer planen oder sphä rischen Oberfläche, und wird dort teilweise als Laserstrahl 24 aus dem Resonator ausgekoppelt.After crossing the cavity 30, the compressed beam 22 strikes a partially reflecting transmission mirror 12 , preferably a ZnSe mirror with a planar or spherical surface, and is partially decoupled there from the resonator as a laser beam 24 .

Die Resonatorspiegel 8, 10 sowie der Transmissionsspiegel 12 bilden einen stabilen Resonator mit der Länge L, der der op tischen Weglänge eines halben Strahlumlaufes entspricht.The resonator mirrors 8 , 10 and the transmission mirror 12 form a stable resonator with the length L, which corresponds to the optical path length of half a beam revolution.

In der Figur sind die Ausbreitungsbedingungen der Strahlen 20 und 22 anhand von geometrischen Strahlen veranschaulicht. In der Praxis liegen jedoch durch Beugung verursachte divergente Strahlen mit zum Rand abklingender Intensitätsverteilung vor, so daß die in der Figur veranschaulichte und sich aus der geometrischen Optik ergebende scharf abgegrenzte ringförmige Struktur des Strahles 22 nicht auftritt und auch im Zentrum des Strahles 22 eine von Null verschiedene Intensität vor liegt.In the figure, the propagation conditions of the rays 20 and 22 are illustrated using geometric rays. In practice, however, there are divergent rays caused by diffraction with an intensity distribution decaying towards the edge, so that the sharply delimited ring-shaped structure of the beam 22 illustrated in the figure and resulting from the geometrical optics does not occur and also in the center of the beam 22 one of zero different intensity is present.

Um eine übermäßige thermische Belastung der nur schlecht zu kühlenden Spitze des inneren Parabolspiegels 84 sowie zusätz liche Beugungsverluste zu vermeiden, ist es auch bei einem im Querschnitt kreisförmigen inneren Hohlraum 30 zweckmäßig, die beiden Parabolspiegel 82 und 84 derart zu dimensionieren, daß bei geometrischer Strahlausbreitung die Randstrahlen des Strahlenbündels 20 nicht bis an die Spitze S des inneren Pa rabolspiegels 84 herangeführt werden, d. h. die theoretisch maximale Ausfüllung (D₂ = R₂)zu vermeiden.In order to avoid excessive thermal stress on the tip of the inner parabolic mirror 84, which is difficult to cool, and additional diffraction losses, it is also expedient in the case of an inner cavity 30 which is circular in cross section to dimension the two parabolic mirrors 82 and 84 in such a way that the geometric beam spread causes the Edge rays of the beam 20 are not brought up to the tip S of the inner parabolic mirror 84 , ie to avoid the theoretically maximum filling (D₂ = R₂).

Eine weitere Verringerung der azimutalen Fresnelzahl kann da durch erreicht werden, daß gemäß Fig. 2 ein zweiter, bei spielsweise planer Resonatorspiegel 10 vorgesehen ist, der in beispielsweise vier oder mehrere zueinander koaxiale Segmente 10a-10d unterteilt ist. Diese Segmente werden durch nichtre flektierende Stege 11a-11d voneinander getrennt, deren Breite etwa der Höhe des Entladungsraumes 6 entspricht. Durch diese Segmentierung wird ein Vielstrahllaser realisiert, des sen Einzelstrahlen eine hohe Strahlqualität haben. Eine kohä rente Kopplung der Segmente wird dabei durch Beugung an den Stegen 11a-11d erreicht. Die Kopplung kann zusätzlich durch die Verwendung eines in Segmente unterteilten parabolischen zweiten Resonatorspiegel 10, wie er beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist, verbessert werden.A further reduction in the azimuthal Fresnel number can be achieved by providing a second, for example planar resonator mirror 10 according to FIG. 2, which is divided into, for example, four or more segments 10 a- 10 d coaxial with one another. These segments are carried nichtre inflectional webs 11 a- 11 d separated from each other, the width of which corresponds approximately to the height of the discharge space. 6 This segmentation creates a multi-beam laser whose individual beams have a high beam quality. A coherent coupling of the segments is achieved by diffraction at the webs 11 a- 11 d. The coupling can additionally be improved by using a parabolic second resonator mirror 10 , which is divided into segments, as is shown for example in FIG. 1.

In einer weiteren Ausgestaltung können gemäß Fig. 3 auch die Elektroden 2 und 4 in Segmente 2a-2d bzw. 4a-4d aufge teilt werden. Dies erleichtert zusätzlich die Zu- und Abfuhr eines zur Kühlung der Elektroden 2 und 4 erforderlichen Kühl mediums.In a further embodiment, according to FIG. 3, the electrodes 2 and 4 can also be divided into segments 2 a- 2 d and 4 a- 4 d. This also facilitates the supply and removal of a cooling medium required for cooling the electrodes 2 and 4 .

Gemäß Fig. 4 kann anstelle eines parabolischen zweiten Reso natorspiegels auch ein toroidaler Resonatorspiegel 110 vorge sehen sein, der zusätzlich eine fokussierende Wirkung besitzt und bewirkt, daß der aus dem Entladungsraum 6 austretende Strahl 20, der aufgrund von Beugungseffekten entgegen der zeichnerischen Darstellung divergent ist, in sich selbst ab gebildet wird und nahezu ohne Verluste wieder in den Entla dungsraum 6 eingekoppelt wird. Diese Ausführungsform ist ins besondere für einen Wellenleiterlaser geeignet, bei dem der Abstand der äußeren Elektroden so klein ist, daß die Ausbrei tungsbedingungen für die sich innerhalb dieser Hohlräume aus breitenden elektromagnetischen Wellen im wesentlichen durch ihre Wellenleitereigenschaften, d. h. Reflexion an den Wänden dieser Hohlräume bestimmt werden. In diesem Fall spricht man von einem koaxialen Wellenleiterlaser. Dies ist für CO₂-La ser, die Strahlung mit einer Wellenlänge λ = 10,6 µm erzeu gen, bereits der Fall, wenn die Höhe des Entladungsraumes 6 wenige Millimeter beträgt.According to FIG. 4, a toroidal resonator 110 can see provided instead of a parabolic second Reso natorspiegels be additionally has a focusing effect and causes the coming out of the discharge space 6 beam 20 which is divergent due to diffraction effects contrary to the drawing, is formed in itself and is coupled back into the discharge space 6 with almost no losses. This embodiment is particularly suitable for a waveguide laser in which the distance between the outer electrodes is so small that the propagation conditions for the electromagnetic waves spreading within these cavities are essentially determined by their waveguide properties, ie reflection on the walls of these cavities . In this case one speaks of a coaxial waveguide laser. This is already the case for CO₂ lasers that generate radiation with a wavelength λ = 10.6 µm when the height of the discharge space is 6 a few millimeters.

In der Figur ist außerdem noch eine weitere vorteilhafte Aus gestaltung veranschaulicht, bei der koaxial zu den Elektroden 2 und 4 innerhalb der Elektrode 2 ein zylindrischer Stab 31 angeordnet ist, der mit der Elektrode 2 einen Hohlraum 32 mit ringförmigem Querschnitt bildet, in dem sich die von der Spiegelfläche 84 reflektierten Strahlen in Richtung zu einem vorzugsweise sphärischen Auskoppelspiegel 13 ausbreiten.In the figure, a further advantageous embodiment is also illustrated, in which a cylindrical rod 31 is arranged coaxially to the electrodes 2 and 4 within the electrode 2 , which forms with the electrode 2 a cavity 32 with an annular cross section, in which the Spread rays reflected from the mirror surface 84 in the direction of a preferably spherical coupling-out mirror 13 .

Die Abbildungseigenschaften des ersten Resonatorspiegels sind an den Außenradius R₂ und die Dicke D₂ des inneren Hohlraumes 32 entsprechend den vorstehenden Ausführungen angepaßt.The imaging properties of the first resonator mirror are adapted to the outer radius R₂ and the thickness D₂ of the inner cavity 32 in accordance with the above statements.

Der innere Stab 31 kann bei einem Gasentladungslaser eben falls als Elektrode ausgebildet sein, so daß durch den Hohl raum 32 ein zweiter, ebenfalls mit einem aktiven Medium ge füllter Entladungsraum entsteht.The inner rod 31 can also be designed as an electrode in the case of a gas discharge laser, so that a second discharge space, also filled with an active medium, is created by the hollow space 32 .

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des in Fig. 4 dargestellten Lasers kann außerdem eine Segmentierung, wie sie anhand der Fig. 2 und 3 erläutert ist, vorgenommen werden.In a further preferred embodiment of the laser shown in FIG. 4, segmentation as explained with reference to FIGS. 2 and 3 can also be carried out.

Claims

1. Coaxial laser, in particular coaxial waveguide laser, with a stable resonator and a hollow cylindrical active medium ( 6 ) which contains a first resonator mirror ( 8 ) which is arranged opposite one end face of the active medium ( 6 ) and which contains the active medium ( 6 ) Coupling emerging laser beams ( 20 ) by means of telescopic imaging by means of two curved mirror surfaces into a cavity ( 30 , 32 ) surrounded coaxially by the active medium ( 6 ), and the second resonator mirror ( 10 ,) arranged opposite the other end surface of the active medium ( 6 ) 110 ), a third partially transparent resonator mirror ( 12 ) being arranged on the latter end face of the cavity ( 30 , 32 ).

2. Coaxial laser according to claim 1, characterized in that the first resonator mirror ( 8 ) has an outer and an inner rotation-symmetrical parabolic mirror surface ( 82 , 84 ), the annular foci of which coincide at least approximately.

3. Coaxial laser according to claim 1 or 2, characterized in that the opposite to the other end face of the active medium ( 6 ) lying second resonator mirror ( 10 ) is provided with a rotationally symmetrical parabolic mirror surface ( 102 ).

4. Coaxial laser according to claim 1 or 2, characterized in that the opposite the other end face of the active medium ( 6 ) lying second resonator mirror ( 110 ) is provided with a toroidal mirror surface ( 112 ).

5. Coaxial laser according to one of the preceding claims, characterized in that a cylindrical cylindrical cavity ( 30 ) is provided.

6. Coaxial laser according to one of claims 1 to 4, characterized in that a cavity ( 32 ) is provided with an annular cross section.

7. Coaxial laser according to one of the preceding claims, characterized in that a gaseous, in particular CO₂-containing active medium ( 6 ) is provided which is in a electrode arrangement ( 2 , 4 ) formed by a coaxial electrode ( 2 ), the first discharge space ( 6 ).

8. Coaxial laser according to claim 7 in conjunction with claim 6, characterized in that the cavity ( 32 ) with an annular cross section forms a second discharge space.

9. Coaxial laser according to one of claims 7 or 8, characterized in that the second resonator mirror ( 10 ) and / or the electrodes ( 2 , 4 ) in coaxial segments ( 10 a- 10 d, 2 c- 2 d, 4 c - 4 d) are divided.