DE69009263T2

DE69009263T2 - Lasersystem.

Info

Publication number: DE69009263T2
Application number: DE69009263T
Authority: DE
Inventors: Oded Amichai; Avigdor Zajdman
Original assignee: OPTOMIC TECHN CORP Ltd
Current assignee: OPTOMIC TECHN CORP Ltd
Priority date: 1989-03-28
Filing date: 1990-03-26
Publication date: 1994-11-24
Anticipated expiration: 2010-03-27
Also published as: EP0390013A3; ATE106621T1; EP0390013A2; EP0390013B1; DE69009263D1; JPH0362579A; US5099492A; ES2056278T3; JP2786508B2; IL89781A0

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft verbesserte stabile optische Resonatoren, welche von speziellem Wert in Lasersystemen sind. Gemäß der Erfindung wird ein stabiler Resonator für eine ringförmige Konfiguration des lasernden Mediums in einem Lasersystem zur Verfügung gestellt, in welchem als Innerhohlraum-Element ein Waxicon oder Axicon verwendet wird. Das neuartige System hat eine Anzahl von Vorteilen, wobei einer von diesen die Erzielung eines stabilen Betriebs mit einem kompakten, zylindrischen, nichtkreisförmigem Ausgangsbündel hoher Qualität ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG:

In einer Vielfalt von Lasern wird eine ringförmige zylindrische Konfiguration des lasernden Mediums verwendet. Dieses hat ausgeprägte Vorteile speziell in Hochleistungslasern (chemisch, elektrisch oder optisch gepumpt). Die ringförmige Konfiguration macht eine kompakte Ausbildung möglich, macht eine leistungsfähige Gaskühlung, Gaserneuerung, Pumpgleichförmigkeit, etc. möglich. Die ringförmige Konfiguration hat den Nachteil, daß sie die Erzeugung eines Einzel-Niedrigordnung-Quermodus-Betriebs kompliziert, worin ein kompakter Bündelbereich erforderlich ist, worin der Modus auf der Achse entspringt. Durch Rückkopplung steuert der Modus in dem kompakten Bereich die Strahlung in dem ringförmigen Bereich.
Eine Art und Weise des Erhaltens eines mittigen Bündelbereichs, worin ein Einzel-Niedrigordnung-Quermodus erreicht werden kann, besteht darin, ein zusätzliches Innerhohlraum-Element vom Axicon- oder Waxicontyp zu verwenden, welches das ringförmige Bundel in ein kompaktes zylindrisches transformiert, oder umgekehrt. Instabile Resonatoren, in denen Axicons oder Waxicons als Innerhohlraum-Elemente verwendet werden, sind gut bekannt. Solche instabilen Resonatoren sind sehr empfindlich für optomechanische Instabilitäten und Fehlfluchtungen der optischen Elemente. Diese Empfindlichkeit ist ein ernsthaftes Problem, speziell bei industriellen Lasern, welche unter harten Umweltbedingungen betrieben werden. Bisher bestand eines der Mittel zum Überwinden dieser Empfindlichkeit darin, den flachen Rückkopplungsspiegel durch einen Winkelretroreflektor zu ersetzen, welches die Empfindlichkeit für optische Fluchtung um eine oder zwei Größenordnungen vermindert. Bei industriellen Lasern des CO&sub2;-Typs, die ein großes Volumen und einen Hochleistungsausgang haben, kann die Verwendung eines solchen Winkelretroreflektors teuer sein. Für ein Medium relativ knapper Verstärkung sind instabile Resonatoren nicht gut geeignet. Der niedrige Ausgangskopplungskoeffizient, welcher er forderlich ist, verursacht zwei Probleme:
(i) Verschlechterte Quermodus-Diskrimination und demgemäß einen Verlust von einigen der Vorteile instabiler Resonatoren.
(ii) Erzeugung eines dünnen ringförmigen Ausgangsbündels, das ein Nachteil für industrielle Anwendungen ist.
US-A-4 050 036 offenbart einen instabilen Resonator für eine ringförmige Konfiguration des lasernden Mediums in einem Lasersystem, welches all Intrahohlraumelement ein Waxicon umfaßt.

ABRISS DER ERFINDUNG

Die Erfindung, wie sie im Anspruch 1 definiert ist, betrifft stabile optische Resonatoren, welche in einer Vielfalt von Lasersystemen von Nutzen sind. Die Erfindung betrifft einen stabilen Resonator für eine ringförmige Konfiguration des lasernden Mediums in einem Lasersystem, welches als Intrahohlraumelement ein Waxicon umfaßt. Das resultierende Lasersystem ist ein solches, welches eine hohe Leistung gibt und weiches von ziemlich kompakter Konfiguration ist.
Fin Lasersystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt einen ringförmigen Verstärkungsbereich zwischen zwei konzentrischen rohrförmigen coaxialen Elektroden. Die beiden zylindrischen Elektroden werden durch geeignete isolierende mechanische Teile an Ort und Stelle gehalten. Die besagten zylindrischen Elektroden sind von hohlem, doppelwandigem Aufbau, so daß demgemäß ein Innenraum vorgesehen ist, durch welchen ein geeignetes Kühlmedium zirkuliert werden kann. An einem der Enden des ringförmigen Verstärkungsbereichs sind Mittel für das Einführen eines Gases oder einer gasförmigen Mischung vorgesehen, und ein Ausgang für ein solches Gas oder eine solche gasförmige Mischung ist an dem anderen Ende des ringförmgen Verstärkungsbereichs vorgesehen. An beiden Enden des ringförmigen Verstärkungsbereichs sind kreisförmige Fenster von einem geeigneten Material vorgesehen, wie ZnSe, welche durch halgabgedichtete Spiegelträger ersetzt sein können. Es sind Mittel zum Anlegen von Hochfrequenzleistung an die beiden Elektroden vorgesehen, so daß demgemäß eine Entladung in der Gasmischung in dem Verstärkungsbereich hergestellt werden kann. Auf beiden Seiten des Verstärkungsbereichs sind jeweils ein flacher ringförmiger Rückkopplungsspiegel senkrecht zu der Achse der Zylinder, und an dem anderen Ende, auch senkrecht zu der Achse, ein Waxicon vorgesehen. In dem mittigen Bereich, der durch den ringförmigen flachen Spiegel begrenzt ist, ist ein konkaver Ausgangskoppler vorgesehen. Das von dem aktiven Medium herkommende Laserbündel hat eine ringförmige Form, und es geht weg durch das erste der ZnSe-Fenster und erreicht das Waxicon, wo es in ein zylindrisches Bündel umgewandelt wird welches nach dem Ausgangskoppler zu reflektiert wird, von welchem ein Teil des Bündels das System als Ausgangsbündel verläßt, während ein Teil rückwärts nach dem Waxicon zu reflektiert wird, welches wieder seine Form in eine ringförmige umwandelt, wobei es nach dem flachen ringförmigen Rückkopplungsspiegel zu gerichtet wird, wodurch es eine Verstärkung in dem ringförmigen Verstärkungsbereich erfährt, wieder zurückreflektiert wird, eine weitere Verstärkung in dem Verstärkungsbereich erfährt, und wieder auf das Waxicon gerichtet wird, wo die Form wieder in eine zylindrische verändert wird. Die Entladung und Lichtverstärkung findet in dem lasernden Bereich (Verstärkungsbereich) statt. Der kompakte Bereich, wo das Bündel zylindrisch ist, ist der Bereich, wo die Modussteuerung ausgeführt wird. In diesem Bereich und aufgrund von Diffraktionsphänomenen wird das Bündel so gesteuert, daß es einen Modus niedriger Ordnung von hoher Qualität erreicht. Dieser Prozeß wird durch Diffraktionsfiltereigenschaften der ringförmigen Öffnung des aktiven lasernden Mediums erhöht. Der optische Resonator dieses Systems kann als ein entfalteter Resonator angesehen werden, in welchem das Faltelement das Waxicon ist. Im folgenden werden auch Ergebnisse einer Wellenfortpflanzungsanalyse dieses Systems geliefert.
Fig. 1(a) veranschaulicht eine Konfiguration eines instabilen Resonators, welcher ein Innerhohlraum-Waxicon umfaßt, welcher in hohem Maße empfindlich für optomechanische Instabilitaten und leichte Fehlfluchtungen der optischen Elemente des Systems ist. In dieser Figur ist A ein flacher Rückkopplungsspiegel, B ein ringförmiges laserndes Medium, C ein Waxicon, E) ein flacher ringförmiger Faltungsspiegel. E ein Abstreifspiegel, E ein konvexer Spiegel, O ein ringförmiges Ausgangsbündel mit einem Quermodus niedriger Ordnung.
Fig. 1(b) veranschaulicht einen instabilen Resonator (ADCF) mit einem Innerhohlraum-Waxicon, welcher weniger empfindlich für optomechanische Instabilitäten und leichte Fehlfluchtungen ist wobei dieses aufgrund der Verwendung des Winkelwürfel-Retroreflektors der Fall ist.
Die in dieser Figur anschaulichen Elemente sind: Winkelwurfel- Retroreflektor A: ringförmiges laserndes Medium B; Waxicon C, flacher Faltungsspiegel D; Abstreifer E; konvexer Spiegel F und ringförmiges Ausgangsbündel O von Quermodus niedriger Ordnung.
Fig. 1(c) veranschaulicht einen stabilen Resonator mit einem Innerhohlraum- Waxicon, welcher wesentlich weniger empfindlich für optomechanische Instabilitäten und für gewisse Fehlfluchtungen der optischen Elemente ist wegen des konkaven Spiegels. Das System dieser Figur umfaßt einen flachen Rückkopplungsspiegel A, ein ringförmiges laserndes Medium B, das Waxicon C, einen flachen Faltungsspiegel D, und einen konkaven Ausgangsspiegel F; wobei O das Ausgangsbündel (Quermodus niedriger Ordnung) ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM:

Die Erfindung wird, nur um ein Beispiel zu geben, unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen schematischen Zeichnungen erläutert, welche nicht maßstabsgerecht sind und in welchen:
Fig. 2 eine Schnitt-Seitenansicht des Lasersystems der Erfindung ist;
Fig. 3 Bündelformen abbildet, die aus einer Wellenfortpflanzungsanalyse eines Lasers der Erfindung resultieren, umfassend eine Verstärkungssättigung einer hochfrequenzerregten CO&sub2;-N&sub2;-He-Mischung.
Wie unter Bezugnahme auf Figur 2 erlautert wird, umfaßt ein Lasersystem der Erfindung in Kombination ein Paar von konzentrischen Metallelektroden 1 und 2, zwischen welchen ein Verstärkungsbereich 5 eingerichtet ist, wobei die besagten konzentrischen Elektroden durch die Zentrierungsteile 12 und 3 gehalten werden. Die beiden Elektroden 1 und 2 sind hohl, und demgemäß ist in jeder ein Kanal 4 bzw. 6 vorgesehen, durch den ein Kühlfluid zirkuliert wird. Die Elektroden 1 und 2 sind durch isolierende Ringe 3 und 12 voneinander isoliert. Das lasernde Gas wird dem Bereich 5 über den Eintrittskanal 8 zugeführt und verläßt diesen Bereich über den Austrittskanal 13. Es sind zwei flache ZnSe-Fenster, senkrecht zu der Achse des Systems vorgesehen, eines, 14, an dem einen Ende, und das andere, 15, an dem anderen Ende des Lasersystems. Diese werden durch Fensterträger 11 an Ort und Stelle gehalten, so daß demgemäß der Verstärkungsbereich gegenüber der außenseitigen Atmosphäre isoliert wird. Es sind Mittel zum Anlegen von Hochfrequenzleistung an die Elektroden 1 und 2 vorgesehen, so daß eine Entladung in dem gasförmigen Medium im Bereich 5 hergestellt wird. Der lasernde Prozeß findet zwischen dem ringförmigen flachen Rückkopplungsspiegel 20 und dem konkaven Ausgangskoppler 17 über das Waxicon 18 statt.
Das von dem aktiven Medium bei A kommende Bündel hat eine ringförmige Form, es geht durch das ZnSe-Fenster 15 hindurch und erreicht das Waxicon 18 bei B, von wo es nach C reflektiert wird, und zum Ausgangskoppler 17. Nach den beiden Reflexionen bei B und C nimmt das Bündel die Form eines zylindrischen Bündels 16 an. Der Bereich CD wird als "der kompakte Bereich" bezeichnet, wohingegen der Bereich BF als der "ringförmige Bereich" bezeichnet wird. Das zylindrische Bundel wird auf den Ausgangskoppler 17 gerichtet, wie bei D ein Teil des Bündels durchgelassen wird und das Ausgangslaserbündel bildet, während ein Teil des besagten Bündels rückwarts nach dem Waxicon 18 zu reflektiert wird, wo es zwei Reflexionen erfährt, bei C und bei B, so daß es zu der ringförmigen Furm zurückkehrt, welches ringförmige Bündel in der Richtung des Rückkopplungsspiegels 20 übertragen wird, wobei es durch den ringförmigen Verstärkungsbereich 5 hindurchgeht, wo es eine optische Verstärkung erfährt. Das Bündel geht durch das zweite ZnSe-Fenster bei H hindurch, auf den Rückkopplungsspiegel 20 bei F. Das ringförmige Bündel wird wieder durch den Spiegel 20 reflektiert und geht durch den Bereich 5 hindurch, wobei es wieder eine optische Verstärkung erfährt, wobei es nach dem Waxicon 18 zu übertragen wird, wo das Bündel wieder zu einer kompakten zylindrischen Form transformiert wird. Die Entladung und Lichtverstärkung findet in dem ringförmigen lasernden Bereich 5 statt, wobei der Bereich CD derjenige ist, wo die Modussteuerung ausgeführt wird. Im Bereich CD wird aufgrund von Diffraktionsphanomenen das Bündel so gesteuert, daß es die Form eines Bündel niedriger Ordnung von transversalem Modus erhält.
Dieser Prozeß wird erhöht durch die Diffraktionsfiltereigenschaften der klaren Öffnung des aktiven Mediums
Der optische Resonator FD,20-17, kann als ein gefalteter Resonator betrachtet werden, wobei das Faltelement das Waxicon 18 ist.
Figur 3 demonstriert das Ergebnis einer Wellenfortpflanzungsanalyse, umfassend eine Verstarkungssättigung einer hochfrequenzerregten CO&sub2;-N&sub2;-He- Mischung.

Claims

1. Stabiles, kompaktes, zylindrisches Lasersystem, welches ein nichtringförmiges Ausgangsbündel vom Modus niedriger Ordnung liefert, wobei das Bündel für optomechanische Instabilitäten und Fehlfluchtungen unempfindlich ist, umfassend:

ein Paar von koaxialen zylindrischen Elektroden mit einem radialen Abstand zwischen einer äußeren Oberfläche der inneren Elektrode (2) und einer inneren Oberfläche der äußeren Elektrode (1);

ein Mittel (4, 6) zum Kühlen der Elektroden;

ein Mittel zum Anlegen von Hochfrequenzleistung an die Elektroden;

ein Mittel (8, 13) zum Einführen einer lasernden Gasmischung zwischen die Elektroden, so daß dadurch ein laserndes Medium in der Form eines ringförmigen Zylinders in dem Raum (5) zwischen den Elektroden vorgesehen wird;

einen stabilen Resonator, umfassend einen ersten Endspiegel (20), einen Zwei-Stufen-Waxicon-Reflektor (18), und einen teilweise durchlässigen konkaven Spiegel (17), wobei der Resonator koaxial zu den Elektroden ist und ein Ausgangsbündel (19) von einem Modus niedriger Ordnung erzeugt, wobei das Ausgangsbündel eine Intensitätsverteilung in dem Fernfeld mit einem einzigen Maximum hat;

wobei der erste Endspiegel eine ringförmige Form hat, sowie eine reflektierende Oberfläche nahe an und zugewandt dem lasernden Medium, wobei der erste Endspiegel koaxial zu den Elektroden und an einem ersten Ende der Elektroden ist;

wobei der teilweise durchlässige konkave Spiegel, der einen Krümmungsradius hat, auf der Achse an dem ersten Ende der Elektroden zentriert ist, einen äußeren Durchmesser hat, der kleiner als ein innerer Durchmesser des ringförmigen Endspiegels ist, als ein zweiter Endspiegel und als ein Ausgangskopplungselement des stabilen Resonators wirkt; und

wobei der Zwei-Stufen-Waxicon-Reflektor, der nahe an dem zweiten Ende der Elektroden untergebracht ist, auf der Achse zentriert ist, den Endspiegeln zugewandt ist, optisch mit den Endspiegeln fluchtet.

2. Lasersystem gemäß Anspruch 1, worin die reflektierende Oberfläche des ringförmigen Spiegels flach ist.

3. Lasersystem gemäß Anspruch 1, worin die reflektierende Oberfläche des ringförmigen Spiegels im wesentlichen konisch ist, wobei sie ein um die Achse zentriertes wesentliches Axicon bildet.

4. Lasersystem gemäß Anspruch 3 oder 2, worin

die Elektroden hohl sind, so daß ein innerer Raum in jeder Elektrode vorgesehen ist;

das Mittel zum Kühlen ein Fluid umfaßt, das durch jeden inneren Raum zirkuliert.

5. Lasersystem gemäß Anspruch 4, worin

das lasernde Medium im wesentlichen aus einer CO&sub2;-N&sub2;-He- Mischung besteht;

das Ausgangsbündel eine Nahfeld- und Fernfeldintensitätsverteilung hat, welche im wesentlichen zylindrisch symmetrisch und im wesentlichen zylindrisch sind.

6. Lasersystem gemäß Anspruch 1, worin das Zwei-Stufen- Waxicon dazu geeignet ist, ein ringförmiges zylindrisches Bündel in ein kompaktes zylindrisches Bündel in einem einzigen Modus niedriger Ordnung umzuwandeln.