EP2504894A1 - Spiegelanordnung zur führung eines laserstrahls in einem lasersystem und strahlfürhungsverfahren für einen laserstrahl - Google Patents

Spiegelanordnung zur führung eines laserstrahls in einem lasersystem und strahlfürhungsverfahren für einen laserstrahl

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EP2504894A1
EP2504894A1 EP10781675A EP10781675A EP2504894A1 EP 2504894 A1 EP2504894 A1 EP 2504894A1 EP 10781675 A EP10781675 A EP 10781675A EP 10781675 A EP10781675 A EP 10781675A EP 2504894 A1 EP2504894 A1 EP 2504894A1
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EP
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mirror
resonator
laser beam
laser
rotation
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Withdrawn
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EP10781675A
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English (en)
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Joachim Meier
Ulrike Wegner
Maximilian Josef Lederer
Daniel Kopf
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High Q Laser GmbH
Original Assignee
High Q Laser GmbH
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Publication date
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Publication of EP2504894A1 publication Critical patent/EP2504894A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a mirror arrangement for guiding a laser beam in a laser system according to the preamble of claim 1, a laser system with such a laser arrangement and a beam guidance method for a laser beam according to the preamble of claim 15.
  • Pulses with a pulse duration in the femtosecond or picosecond range often require large distances between the end mirrors, e.g. if low pulse repetition rates are required, i. typically less than -30 MHz.
  • laser systems are mode-locked laser arrangements according to the principle of pulse decoupling or cavity dumping, for example with Nd: YV0 4 as laser material and average powers between 7.8 W and pulse energies of 15.6 ⁇ J at repetition rates of 500 kHz and 10 W, respectively and 10 ⁇ J at 1 MHz.
  • Nd Nd: YV0 4
  • Such laser systems are used, for example, for material processing.
  • the prior art describes various methods in which two or more mirrors are arranged be reflected that an optical beam or laser beam multiple times between these mirrors and thereby the total path length can be increased on a small footprint.
  • such a multi-pass Herriott cell consists of two mirrors as end mirrors defining the cell, at least one of them with a concave surface, which are arranged at a certain distance from one another.
  • the mirror arrangement itself forms an optical resonator in which a beam is reflected several times and repeats itself after a certain number of passes.
  • an encircling pattern of reflection points forms on the end mirrors, lying on an ellipse or a circle.
  • the beam is decoupled from the mirror array again.
  • this closed beam path in the cell can be disrupted either by separate mirrors or by bores on one of the end mirrors (see, for example, Kowalevicz et al., "Design principles of q-preserving multipass-eave femtosecond lasers” J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 23, No. 4, April 2006).
  • the publications by Kowalevicz et al. ("Generation of 150nj pulses from a ultiple-pass cavity Kerr-lens mode-locked Ti: AL201 oscilator" Optic Letters Opt. Soc. Am., Vol. 23, No.
  • Another beam-folding mirror arrangement is known, for example, from EP 1 588 461, wherein two reflective planar surfaces are arranged such that the laser beam is reflected several times at each of the reflecting surfaces and the beam path reflects a beam incident in the folding device and a beam emerging from the folding device has, wherein the reflective surfaces are oriented against each other with an opening angle greater than 0 °.
  • Such a linear arrangement thus leads to a zig-zag course of the beam path, wherein the reflection points lie on the two reflective surfaces in a line and have a varying distance.
  • the space available for beam folding is only in one plane, i. two-dimensional, used.
  • An object of the present invention is to provide an improved laser system, in particular a diode-pumped, mode-locked laser system.
  • Another object is to provide such a laser system which has increased compactness and / or greater robustness.
  • the invention relates to a mirror arrangement for guiding a laser beam in a laser system or a corresponding beam guidance method for a
  • the mirror arrangement is based on at least two mirrors, which define a resonator for folded beam guidance as an end mirror and between which the beam path is guided back and forth several times, wherein reflections occur in each case at the end mirrors.
  • the beam path in the resonator can be additionally folded by the use of one or more further mirrors, so that the compactness of the arrangement or a total structure using this can be further increased.
  • a laser beam is guided or coupled, so that it passes through a first beam path as part of the total beam path in the resonator.
  • the beam path between the end mirrors wherein the reflection points occurring there lie on a circular line and with one direction of rotation, eg clockwise.
  • the second beam path is preferably formed by back reflection under an angle change such that five reflection points each also occur on the end mirrors, whereby they can lie in the interstices of the reflection point pattern of the first beam path.
  • both beam paths are interlocked with opposite direction of rotation. This is based on an important finding, which results from the consideration of the beam pattern on the end mirrors.
  • Reflection points between the beam paths these can still be interlocked even with different numbers of reflection points.
  • the present invention allows by reversing the direction of rotation at the reversal point the simultaneous use of both directions of rotation, associated with an increase in the number of reflection points and thus an increase in the resonator length with the same size.
  • the coupling or decoupling of the laser beam can be designed.
  • Mirror arrangement or a corresponding method and a laser system using the mirror arrangement are shown schematically below and described purely by way of example. Show in detail the representation of a first embodiment of the inventive mirror arrangement and the inventive beam guiding method for a laser beam;
  • Fig.9-10 shows the representation of a second
  • Fig.1-8 shows the representation of a first
  • Beam guiding method for a laser beam wherein beam guidance is explained in different figures.
  • Fig.l the situation when coupling a laser beam as the input laser beam ES is shown in the resonator, which is formed as Herriott cell at least from a first end mirror 1 and a second end mirror 2 with concave surface.
  • the arrangement of the two end mirrors 1 and 2 shown in this embodiment is chosen purely by way of example. In particular, both mirrors can in principle also be exchanged in their position. Between the two end mirrors runs a connecting these optical resonator axis OA, which is shown in this example as a straight line. In folded arrangements, however, the optical resonator axis OA can also have a correspondingly folded, ie angled course.
  • the Resonator is preceded by a focusing mirror 3 for the input laser beam ES and the output laser beam AS.
  • this focusing mirror 3 directs the laser beam onto a coupling-in mirror 4 and thus into the actual resonator, the axis of the focusing mirror 3 lying in a plane with the resonator axis OA.
  • the laser beam is guided by the coupling mirror 4 onto the first end mirror 1 and then, as shown in FIG. 4, onto the second end mirror 2.
  • multiple reflection occurs at each of the first and second end mirrors 1,2, in this example, four reflection points appear on the end mirrors 1,2, which form a pattern in which the reflection points on the corner points of a square lie.
  • the sequence of reflections at the first and second end mirrors 1, 2 in this case defines a direction of rotation with respect to the resonator axis OA as the axis of rotation.
  • the entirety of the reflections and the intervening beam paths form a first beam path with a defined direction of rotation, wherein this can run clockwise or counterclockwise.
  • the laser beam thus travels with a defined direction of rotation between the first and second end mirrors in the resonator to and fro.
  • the resonator designed so that the direction of rotation is inverted or inverted in a reversal point and the laser beam in the resonator at least partially passes through with the first beam path opposite direction of rotation, whereby a second beam path is defined.
  • a second beam path is defined.
  • an inverting mirror 5 is used to generate the reversal point, so that this causes after passing through the first beam path, a change of the direction of rotation or rotation initiating back reflection.
  • the laser beam is decoupled from the arrangement at this point, which is indicated in FIG. 6 by the dotted arrow.
  • the laser beam now passes through the resonator again in a second beam path of changed or inverted rotational direction, the first and second beam paths being spatially separated.
  • the first and second beam paths form a closed and self-repeating common beam path, which would be traversed again in the case of a return reflection at the beginning of the first beam path.
  • the first and the second beam path have the same number of reflection points, in particular three, four or five reflection points, which lie on a common circular line on each of the two end mirrors 1, 2.
  • the laser beam passes through the pattern of reflection points shown in FIG. 5 and FIG. 6 for both end mirrors 1, 2 and beam paths, respectively in the order of FIG Reflection points 1-8.
  • the different directions of the two beam paths result in opposite directions of rotation.
  • the laser beam After passing through the second beam path, the laser beam is finally guided out of the resonator again as output laser beam AS, which is shown in FIG.
  • the focusing mirror 3 is arranged so that it causes for the output laser beam AS after passing through the second beam path parallel to the resonator axis OA beam offset.
  • the resonator or the mirror arrangement may have a separation mirror 6 shown in FIG. 8 and separating the input laser beam ES and the output laser beam AS.
  • FIGS. 9-10 show the illustration of a second exemplary embodiment of the invention
  • the integration of the second exemplary embodiment of the mirror arrangement according to the invention into an exemplary laser system for generating or amplifying femtosecond or picosecond pulses is shown in FIG.
  • the laser system is designed as mode-locked laser arrangements according to the principle of pulse decoupling or cavity dumping, with Nd: YV0 4 crystals as laser media XTAL1 and XTAL2.
  • Nd YV0 4 crystals as laser media XTAL1 and XTAL2.
  • a saturable absorber mirror SESAM for generating a mode coupling
  • a Pockels cell PC quarter-wave plate ⁇ / 4 and a thin-film polarizer TFP used as pulse extraction components and laser diode sources LD1 and LD2 for pumping the laser media XTAL1 and XTAL2.
  • a photodiode PD a pulse delay generator PDG and a high-voltage supply HVD for the BBO Pockels cell PC and mirror elements M1 to M13
  • the Herriott cell HZ shown in FIGS. 9 and 10 being formed by the mirror elements M8-M13 is and the mirror element M3 represents the output mirror of the laser system.
  • the mirror elements M9 and MIO are used for the Herriott cell as the input and output coupling mirror, the mirror element M8 serving as the focusing mirror.
  • the mirror element M11 which serves as the second end mirror of the Herriott cell, has a radius of curvature of 1600 mm, whereas the mirror elements M12 and M13, which serve as first end mirrors and folding mirrors, are made flat.
  • the mirror elements M1 and M4 are dichroic mirrors which are in conjunction with the fiber-coupled ones Laser diode sources LD1 and LD2 serve as pumping arrangements. With this arrangement, powers between 7.8 W are achieved at repetition rates of 500 kHz and 10 W at 1 MHz.
  • the illustrated laser system is only an example of the use of a mirror assembly according to the invention, so that its use is not limited thereto.
  • the mirror arrangement according to the invention or the beam guidance method according to the invention can be used for a laser beam in a multiplicity of laser systems if a compact and / or robust resonator or an integration of large beam distances is to take place there in a limited space.

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Abstract

In einer Spiegelanordnung zur Führung eines Laserstrahls in einem Lasersystem mit mindestens einem ersten Endspiegel (1) und einem zweiten Endspiegel (2) definieren diese Endspiegel (1, 2) einen Resonator mit optischen Resonatorachse (OA), wobei der Laserstrahl als Eingangslaserstrahl (ES) in den Resonator geführt und nach mehrfacher Reflexion an jeweils dem ersten und dem zweiten Endspiegel (1, 2) als Ausgangslaserstrahl (AS) wieder aus dem Resonator geführt wird. Dabei legt die Abfolge der Reflexionen an dem ersten und dem zweiten Endspiegel (1, 2) eine gegenüber der Resonatorachse (OA) als Drehachse definierte Drehrichtung zwischen dem ersten und zweiten Endspiegel im Resonator fest, wodurch ein erster Strahlgang definiert ist und der Laserstrahl mit einer gegenüber der Resonatorachse (OA) als Drehachse definierten Drehrichtung zwischen dem ersten und zweiten Endspiegel im Resonator umläuft. Der Resonator ist so ausgebildet, dass die Drehrichtung in einem Umkehrpunkt umgekehrt wird und der Laserstrahl im Resonator zumindest teilweise mit zum ersten Strahlgang gegenläufiger Drehrichtung durchläuft, wodurch ein zweiter Strahlgang definiert ist.

Description

Spiegelanordnung zur Führung eines Laserstrahls in einem Lasersystem und Strahlführungsverfahren für einen Laserstrahl
Die Erfindung betrifft eine Spiegelanordnung zur Führung eines Laserstrahls in einem Lasersystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Lasersystem mit einer solchen Laseranordnung und ein Strahlführungsverfahren für einen Laserstrahl nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
In Lasersystemen zur Erzeugung von ultrakurzen Pulsen, d.h. Pulsen mit einer Pulsdauer im Femto- oder Pikosekundenbereich, sind oftmals grosse Abstände zwischen den Endspiegeln erforderlich, z.B. wenn niedrige Pulswiederholraten erforderlich sind, d.h. typischerweise weniger als -30 MHz. Resonatoren solcher Lasersysteme sollen neben der grossen Länge (> 4 m) eine kompakte Bauform, hohe Unempfindlichkeit gegen unbeabsichtigte Verstellung der optischen Elemente, z.B. durch Temperaturänderungen, mechanische Vibrationen etc., sowie einfache
Realisierbarkeit aufweisen.
Ein Beispiel für solche Lasersysteme sind modengekoppelte Laseranordnungen nach dem Prinzip der Pulsauskopplung bzw. Cavity Dumping, z.B. mit Nd:YV04 als Lasermaterial und durchschnittlichen Leistungen zwischen 7,8 W bzw. Pulsenergien von 15, 6 μJ bei Repetitionsraten von 500 kHz und 10 W sowie 10 μJ bei 1 MHz. Solche Lasersysteme werden beispielsweise zur Materialbearbeitung eingesetzt.
Im Stand der Technik werden verschiedene Methoden beschrieben, bei denen zwei oder mehr Spiegel so angeordnet werden, dass ein optischer Strahl bzw. Laserstrahl mehrfach zwischen diesen Spiegel reflektiert und dadurch die totale Pfadlänge auf geringer Grundfläche erhöht werden kann.
Diese Anordnungen werden üblicherweise nach den Autoren der ersten Berichte benannt, z.B. die White-Zelle (J. U. White, J. Opt. Soc. Am. 32, 285 (1942)), die Hanst-Zelle (P. L. Hanst, Adv. Environ. Sei. Technol. 2, 91 (1971)) oder die vermutlich meistverwendete Zelle, die Herriott-Zelle (D. R. Herriott and H. J. Schulte, Appl. Opt. 4, 883 (1965) sowie US 3, 437, 954). Im folgenden wird beispielhaft die Herriott-Zelle detaillierter beschrieben .
Eine solche Herriott-Zelle mit Mehrfachdurchgang bzw. in Multipass-Anordnung besteht in der einfachsten Anordnung aus zwei Spiegeln als die Zelle definierenden Endspiegeln, mindestens einer davon mit konkaver Oberfläche, die in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind. Die Spiegelanordnung bildet selbst einen optischen Resonator, in dem ein Strahl mehrfach reflektiert wird und sich nach einer bestimmten Zahl von Durchgängen selbst wiederholt. An den Endspiegeln bildet sich dabei ein umlaufendes, auf einer Ellipse oder einem Kreis liegendes Muster von Reflexionspunkten. Typischerweise wird der Strahl nach einmaligem Durchlauf der Zelle, d.h. vor der bevorstehenden identischen Wiederholung des Strahlgangs, wieder aus der Spiegelanordnung ausgekoppelt. Zur Auskopplung bei Verwendung in optischen Resonatoren kann dieser geschlossene Strahlengang in der Zelle entweder durch separate Spiegel oder durch Bohrungen an einem der Endspiegel aufgebrochen werden (siehe z.B. Kowalevicz et al . , „Design principles of q-preserving multipass-eavity femtosecond lasers" J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 23, No . 4, April 2006). Auch die Publikationen von Kowalevicz et al . („Generation of 150nj pulses from a ultiple-pass cavity Kerr-lens mode- locked Ti:AL201 oscilator" Optic Letters Opt . Soc. Am., Vol. 23, No. 17, September 2003) sowie SENNAROGLU A, FUJIMOTO J G et al . ("Compact Femtosecond Lasers Based on Novel Multipass Cavities" IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 40, No . 5, Mai 2004) zeigen Beispiele für bekannte Herriott-Zellen mit Mehrfachdurchgang, bei welchen nach einem (entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn erfolgten) „Umlauf" der Reflektionspunkte auf den Endspiegeln, ein retroreflektives Element den Strahl in sich selbst zurücklaufen lässt.
Eine andere strahlfaltende Spiegelanordnung ist beispielsweise aus der EP 1 588 461 bekannt, wobei zwei reflektierende planaren Flächen so angeordnet sind, dass der Laserstrahl an jeder der reflektierenden Flächen mehrfach reflektiert wird und der Strahlgang einen in die Faltvorrichtung einfallenden Strahl und einen aus der Faltvorrichtung ausfallenden Strahl aufweist, wobei die reflektierenden Flächen gegeneinander mit einem Öffnungswinkel grösser 0° orientiert sind. Eine solche lineare Anordnung führt somit zu einem zick-zackförmigen Verlauf des Strahlgangs, wobei die Reflexionspunkte auf den beiden spiegelnden Flächen in einer Linien liegen und einen sich ändernden Abstand aufweisen. In dieser Anordnung wird somit der zur Strahlfaltung zur Verfügung stehende Raum nur in einer Ebene, d.h. zweidimensional, genutzt.
In bisherigen Spiegelanordnungen ist somit die Zahl der Reflexionen auf einen Durchlauf begrenzt oder es erfolgt eine Strahlfaltung nur in einer Ebene. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Lasersystems, insbesondere eines diodengepumpten, modengekoppelten Lasersystems .
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines solchen Lasersystems, das eine erhöhte Kompaktheit und/oder grössere Robustheit aufweist.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der Ansprüche 1 bzw. 15 oder der abhängigen Ansprüche gelöst bzw. die Lösungen weitergebildet.
Die Erfindung betrifft eine Spiegelanordnung zur Führung eines Laserstrahls in einem Lasersystem bzw. ein entsprechendes Strahlführungsverfahren für einen
Laserstrahl. Dabei basiert die Spiegelanordnung auf wenigstens zwei Spiegeln, die als Endspiegel einen Resonator zur gefalteten Strahlführung definieren und zwischen denen der Strahlgang mehrfach hin und her geführt wird, wobei jeweils an den Endspiegeln Reflexionen auftreten. Dabei kann der Strahlgang im Resonator durch die Verwendung von einem oder mehreren weiteren Spiegel zusätzlich gefaltet werden, so dass die Kompaktheit der Anordnung bzw. eines dies nutzenden Gesamtaufbaus weiter erhöht werden kann.
In diese Spiegelanordnung wird ein Laserstrahl geführt bzw. eingekoppelt, so dass dieser einen ersten Strahlgang als Teil des Gesamtstrahlgangs im Resonator durchläuft. Während dieses ersten Durchgangs verläuft der Strahlgang zwischen den Endspiegeln, wobei die dort auftretenden Reflexionspunkte auf einer kreisförmigen Linie liegen und mit einer Drehrichtung, z.B. im Uhrzeigersinn, durchlaufen werden. Nach einem Durchlauf, d.h. nach Erreichen des Punktes, an dem ein erneuter Durchgang durch den schon durchlaufen Pfad bzw. Strahlgang erfolgen würde, erfolgt eine Rückreflexion des Strahls unter einer Winkeländerung, so dass ein identischer oder ähnlicher zweiter Strahlgang durchlaufen wird, der jedoch mit seinen Reflexionspunkten auf den Endspiegeln gegenüber dem ersten Strahlgang versetzt bzw. verdreht ist. Erfolgen beispielsweise im ersten Strahlgang jeweils fünf Reflexionen an den Endspiegeln, so wird der zweite Strahlgang durch Rückreflexion unter Winkeländerung vorzugsweise so ausgebildet, dass ebenfalls jeweils fünf Reflexionspunkte auf den Endspiegeln auftreten, wobei diese in den Zwischenräumen des Reflexionspunktemusters des ersten Strahlgangs zu liegen können. Bei der Rückführung des Strahls im bzw. durch den Resonator wird dabei die Drehrichtung umgekehrt, so dass beide Strahlgänge mit gegenläufiger Drehrichtung ineinander verschränkt werden. Dem liegt eine wichtige Erkenntnis zugrunde, die sich aus der Betrachtung des Strahlmusters auf den Endspiegeln ergibt. Es gibt ein Muster, bei dem die Strahlen im Uhrzeigersinn rotieren, sowie ein Muster mit Rotation im Gegenuhrzeigersinn, wobei beide Muster die ansonsten gleichen Eigenschaften haben. Es ist also prinzipiell möglich eine Spiegelanordnung mit zwei Endspiegeln bzw. eine Herriott-Zelle zweimal zu durchlaufen. Beide Durchläufe haben bis auf den Drehsinn die gleichen Eigenschaften. Eine Separierbarkeit der Strahlen ist durch die unterschiedlichen Winkel gegeben.
Neben dieser hinsichtlich der Reflexionen gleichartigen, jedoch versetzten Strahlführung für beide Strahlgänge ist es durch geeignete Wahl des Rückreflexionswinkels und/oder weiterer strahlbeeinflussender Elemente jedoch auch grundsätzlich möglich, für einen der beiden Strahlgänge eine grössere Zahl von Reflexionspunkten zu realisieren. So können im ersten Strahlgang vier Reflexionspunkten auf den beiden Endspiegeln auftreten, wohingegen der zurücklaufende Strahlgang mit der doppelten Zahl von Reflexionspunkten, d.h. in diesem Fall zehn Reflexionspunkten ausgebildet wird. Durch ein ganzzahliges Verhältnis der
Reflexionspunkte zwischen den Strahlgängen können diese auch bei unterschiedlichen Zahlen von Reflexionspunkten noch ineinander verschränkt werden.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen werden, je nach Ausführungsform, die Punkte auf den Endspiegeln entweder im Uhrzeigersinn oder
Gegenuhrzeigersinn durchlaufen, bevor der Strahl in sich selbst zurückkehrt. Dahingegen erlaubt die vorliegende Erfindung durch Umkehrung der Drehrichtung im Umkehrpunkt den simultanen Einsatz beider Drehrichtungen, verbunden mit einer Erhöhung der Anzahl der Reflektionspunkte und somit einer Erhöhung der Resonatorlänge bei gleicher Baugrösse.
Durch weitere Spiegelkomponenten können die Ein- oder Auskopplung des Laserstrahls gestaltet werden.
Ausführungsbeispiele für eine erfindungsgemässes
Spiegelanordnung bzw. ein entsprechendes Verfahren und ein die Spiegelanordnung verwendendes Lasersystem werden nachfolgend schematisch dargestellt und rein beispielhaft näher beschrieben. Im einzelnen zeigen die Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Spiegelanordnung bzw. des erfindungsgemässen Strahlführungsverfahren für einen Laserstrahl;
Fig.9-10 die Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen
Spiegelanordnung mit einem Faltspiegel und
Fig.11 die Darstellung eines Lasersystems mit dem
zweiten Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemässen Spiegelanordnung .
Fig.1-8 zeigt die Darstellung eines ersten
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen
Spiegelanordnung bzw. des erfindungsgemässen
Strahlführungsverfahren für einen Laserstrahl, wobei Strahlführung in verschiedenen Figuren erläutert wird.
In Fig.l ist die Situation beim Einkoppeln eines Laserstrahls als Eingangslaserstrahl ES in den Resonator dargestellt, wobei dieser als Herriott-Zelle mindestens aus einem ersten Endspiegel 1 und einem zweiten Endspiegel 2 mit konkaver Oberfläche gebildet wird. Die in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Anordnung der beiden Endspiegel 1 und 2 ist rein exemplarisch gewählt. Insbesondere können beide Spiegel in ihrer Position grundsätzlich auch ausgetauscht werden. Zwischen den beiden Endspiegeln verläuft eine diese verbindende optische Resonatorachse OA, wobei diese in diesem Beispiel als eine Gerade dargestellt wird. In gefalteten Anordnungen kann die optische Resonatorachse OA jedoch auch einen entsprechend gefalteten, d.h. gewinkelten Verlauf aufweisen. Dem Resonator ist einen Fokussierspiegel 3 für den Eingangslaserstrahl ES und den Ausgangslaserstrahl AS vorgeschaltet .
Wie in Fig.2 gezeigt wird, lenkt dieser Fokussierspiegel 3 den Laserstrahl auf einen Einkoppelspiegel 4 und somit in den eigentlichen Resonator, wobei die Achse des Fokussierspiegels 3 in einer Ebene mit der Resonatorachse OA liegt.
Nachfolgend wird, wie in Fig.3 dargestellt, der Laserstrahl vom Einkoppelspiegel 4 auf den ersten Endspiegel 1 geführt und danach, wie in Fig.4 gezeigt, auf den zweiten Endspiegel 2.
Wie in Fig.5 gezeigt erfolgt eine mehrfache Reflexion an jeweils dem ersten und dem zweiten Endspiegel 1,2, wobei in diesem Beispiel vier Reflexionspunkte auf den Endspiegeln 1,2 auftreten, welche ein Muster bilden, bei dem die Reflexionspunkte auf den Eckpunkten eines Quadrats liegen. Die Abfolge der Reflexionen an dem ersten und dem zweiten Endspiegel 1,2 definiert hierbei gegenüber der Resonatorachse OA als Drehachse eine Drehrichtung. Die Gesamtheit der Reflexionen und die dazwischen liegenden Strahlstrecken bilden dabei einen ersten Strahlgang mit definierter Drehrichtung aus, wobei dieser im oder entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufen kann. Der Laserstrahl läuft somit mit einer definierten Drehrichtung zwischen dem ersten und zweiten Endspiegel im Resonator hin und her bzw. um.
Im Gegensatz zu einer regulären Herriott-Zelle bzw. Spiegelanordnungen des Stands der Technik ist der Resonator so ausgebildet, dass die Drehrichtung in einem Umkehrpunkt umgekehrt bzw. invertiert wird und der Laserstrahl im Resonator zumindest teilweise mit zum ersten Strahlgang gegenläufiger Drehrichtung durchläuft, wodurch ein zweiter Strahlgang definiert ist. Diese Situation ist in Fig.6 veranschaulicht, wobei in diesem Ausführungsbeispiel ein Invertierspiegel 5 zur Erzeugung des Umkehrpunktes verwendet wird, so dass dieser nach Durchlaufen des ersten Strahlgangs eine die Änderung von Drehrichtung bzw. Drehsinn auslösende Rückreflexion bewirkt. In herkömmlichen Herriott-Zellen wird der Laserstrahl an dieser Stelle aus der Anordnung ausgekoppelt, was in Fig.6 durch den gepunkteten Pfeil angedeutet ist.
Wie in Fig.7 dargestellt ist, läuft der Laserstrahl nun in einem zweiten Strahlgang geänderter bzw. invertierter Drehrichtung erneut durch den Resonator, wobei erster und zweiter Strahlgang räumlich separiert sind. Damit bilden erster und zweiter Strahlgang einen geschlossenen und sich selbst wiederholenden gemeinsamen Strahlgang, der im Fall einer Rückreflexion zu Beginn des ersten Strahlgangs erneut durchlaufen würde. Auf den Endspiegeln 1,2 weisen der erste und der zweite Strahlgang dabei die gleiche Anzahl von Reflexionspunkten, insbesondere drei, vier oder fünf Reflexionspunkte, auf, die auf jedem der beiden Endspiegel 1,2 auf einer gemeinsamen Kreislinie liegen. Dabei wird durch die Reflexion am Invertierspiegel 5 die Lage der Reflexionspunkte von erstem und zweitem Strahlgang auf erstem und zweitem Endspiegel 1,2 gegeneinander versetzt bzw. um die Resonatorachse OA verdreht. In diesem Beispiel durchläuft der Laserstrahl die in Fig.5 und Fig.6 für beide Endspiegel 1,2 und Strahlgänge gezeigten Muster von Reflexionspunkten jeweils in der Reihenfolge der Reflexionspunkte 1-8. Durch die unterschiedlichen Richtungen der beiden Strahlgänge ergeben sich dabei gegenläufige Drehrichtungen.
Nach Durchlaufen des zweiten Strahlgangs wird der Laserstrahl schließlich als Ausgangslaserstrahl AS wieder aus dem Resonator geführt, was in Fig.7 gezeigt wird. Dabei ist der Fokussierspiegel 3 so angeordnet, dass dieser für den Ausgangslaserstrahl AS nach Durchlaufen des zweiten Strahlgangs einen zur Resonatorachse OA parallelen Strahlversatz bewirkt. Zudem kann der Resonator bzw. die Spiegelanordnung einen in Fig.8 gezeigten und den Eingangslaserstrahl ES und den Ausgangslaserstrahl AS trennenden Separationsspiegel 6 aufweisen.
Die Fig.9-10 zeigen die Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen
Spiegelanordnung mit einem den ersten und zweiten Strahlgang gemeinsam faltenden Faltspiegel 8. In dieser für das in Fig.11 gezeigte Lasersystem realisierten Anordnung wird eine Herriott-Zelle bestehend aus drei Spiegeln 7,8,9 eingesetzt, um eine noch kompaktere Bauform zu erhalten. Der Einganslaserstrahl ES wird wiederum durch den Fokussierspiegel 3 als gekrümmtem Spiegel auf den Einkoppelspiegel 4 fokussiert und läuft dann im Uhrzeigersinn einmal durch den Resonator der Spiegelanordnung. Nach dem letzten Reflex am Faltspiegel 8 trifft der Strahl auf den Invertierspiegel 5 und wird nun im Gegenuhrzeigersinn nochmals durch den Resonator geschickt. Am Ende des zweiten Strahlgangs und damit der zweiten Rotation trifft der Laserstrahl erneut den Einkoppelspiegel 4, jedoch mit umgekehrtem Winkel. Dies führt nach Ausbreitung und Reflektion vom Fokussierspiegel 3 zu einer räumlichen Trennung von Eingangs- und Ausgangslaserstrahl ES, AS. Ein nachgeschalteter kleiner Separationsspiegel 6 wird genutzt, um den
Ausgangslaserstrahl AS einfacher zugänglich zu machen.
Die Integration des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Spiegelanordnung in ein beispielhaftes Lasersystem zur Erzeugung oder Verstärkung von Femto- oder Pikosekundenpulsen zeigt Fig.11. Das Lasersystem ist als modengekoppelte Laseranordnungen nach dem Prinzip der Pulsauskopplung bzw. Cavity Dumping ausgebildet, mit Nd: YV04-Kristallen als Lasermedien XTAL1 und XTAL2. Dabei wird ein sättigbarer Absorberspiegel SESAM zur Erzeugung einer Modenkopplung, eine Pockels-Zelle PC mit Viertelwellenlängenplättchen λ/4 und einem Dünnschicht- Polarisator TFP als Pulsauskopplungskomponenten sowie Laserdiodenquellen LD1 und LD2 zum Pumpen der Lasermedien XTAL1 und XTAL2 verwendet. Als weitere Komponenten werden eine Photodiode PD, ein Pulsverzögerungsgenerator PDG und eine Hochspannungsversorgung HVD für die BBO-Pockels-Zelle PC sowie Spiegelelemente Ml bis M13 verwendet, wobei die in Fig.9 und 10 dargestellte Herriott-Zelle HZ durch die Spiegelelemente M8-M13 gebildet wird und das Spiegelelement M3 den Auskoppelspiegel des Lasersystems darstellt. Hingegen wird für die Herriott-Zelle als Ein- und Auskoppelspiegel die Spiegelelemente M9 und MIO verwendet, wobei das Spiegelelement M8 als Fokussierspiegel dient. Das als zweiter Endspiegel der Herriott-Zelle dienende Spiegelelement Mll weist einen Krümmungsradius von 1600 mm auf, wohingegen die als erster Endspiegel und Faltspiegel dienenden Spiegelelemente M12 und M13 flach ausgeführt sind. Die Spiegelelemente Ml und M4 sind dichroitische Spiegel, die in Verbindung mit den fasergekoppelten Laserdiodenquellen LD1 und LD2 als Pumpanordnungen dienen. Mit dieser Anordnung werden Leistungen zwischen 7,8 W bei Repetitionsraten von 500 kHz und 10 W bei 1 MHz erreicht.
Das dargestellte Lasersystem stellt jedoch nur ein Beispiel für den Einsatz einer erfindungsgemässen Spiegelanordnung dar, so dass deren Einsatz nicht hierauf beschränkt ist. Grundsätzlich kann die erfindungsgemässe Spiegelanordnung bzw. das erfindungsgemässe Strahlführungsverfahren für einen Laserstrahl in einer Vielzahl von Lasersystemen Verwendung finden, wenn dort ein kompakter und/oder robuster Resonator bzw. eine Integration grosser Strahlstrecken auf begrenztem Raum erfolgen soll.

Claims

Patentansprüche
1. Spiegelanordnung zur Führung eines Laserstrahls in einem Lasersystem, insbesondere einem Lasersystem zur
Erzeugung von Femto- oder Pikosekundenpulsen, mit mindestens
• einem ersten Endspiegel (1,7),
• einem zweiten Endspiegel (2,9) mit konkaver
Oberfläche,
wobei
- der erste und der zweite Endspiegel (1,2,7,9) einen Resonator mit einer die Endspiegel (1,2,7,9)
verbindenden optischen Resonatorachse (OA) bilden,
- der Laserstrahl als Eingangslaserstrahl (ES) in den Resonator geführt und nach mehrfacher Reflexion an jeweils dem ersten und dem zweiten Endspiegel
(1,2,7,9) als Ausgangslaserstrahl (AS) wieder aus dem Resonator geführt wird, und
- die Abfolge der Reflexionen an dem ersten und dem
zweiten Endspiegel (1,2,7,9) eine gegenüber der
Resonatorachse (OA) als Drehachse definierte
Drehrichtung zwischen dem ersten und zweiten
Endspiegel im Resonator festlegt, wodurch ein erster Strahlgang definiert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Resonator so ausgebildet ist, dass die Drehrichtung in einem Umkehrpunkt umgekehrt wird und der Laserstrahl den Resonator zumindest teilweise mit zum ersten
Strahlgang gegenläufiger Drehrichtung durchläuft, wodurch ein zweiter Strahlgang definiert ist.
2. Spiegelanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator als Herriott-Zelle ausgebildet ist.
3. Spiegelanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
erster und zweiter Strahlgang räumlich separiert sind.
4. Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
erster und zweiter Strahlgang einen geschlossenen und sich selbst wiederholenden gemeinsamen Strahlgang bilden.
5. Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
einen dem ersten und/oder dem zweiten Endspiegel
(1,2,7,9) vorgeschalteten Einkoppelspiegel (4).
6. Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
einen Invertierspiegel (5) zur Erzeugung des
Umkehrpunktes, wobei nach Durchlaufen des ersten
Strahlgangs eine drehrichtungsändernde Reflexion am Invertierspiegel erfolgt.
7. Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste und der zweite Strahlgang die gleiche Anzahl von Reflexionspunkten, insbesondere 3, 4 oder 5
Reflexionspunkte, jeweils auf dem ersten und dem zweiten Endspiegel (1,2,7,9) aufweisen.
8. Spiegelanordnung nach Anspruch 6 und 7,
dadurch gekennzeichnet, dass durch die Reflexion am Invertierspiegel (5) die Lage der Reflexionspunkte von erstem und zweitem Strahlgang auf erstem und zweitem Endspiegel (1,2,7,9) gegeneinander versetzt werden, insbesondere um die Resonatorachse (OA) verdreht werden.
9. Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durcheinen Fokussierspiegel (3) für
Eingangslaserstrahl (ES) und/oder Ausgangslaserstrahl (AS) , insbesondere wobei die optische Achse des
Fokussierspiegels (3) in einer Ebene mit der optischen Resonatorachse (OA) liegt.
10. Spiegelanordnung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Fokussierspiegel (3) so angeordnet ist, dass dieser für den Ausgangslaserstrahl (AS) nach Durchlaufen des zweiten Strahlgangs einen zur Resonatorachse (OA) parallelen Strahlversatz bewirkt.
11. Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Resonator wenigstens einen den ersten und zweiten Strahlgang gemeinsam faltenden Faltspiegel (8) aufweist.
12. Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Resonator wenigstens einen den Eingangslaserstrahl (ES) und den Ausgangslaserstrahl (AS) trennenden
Separationsspiegel (6) aufweist.
13. Lasersystem zur Erzeugung oder Verstärkung von Femto- oder Pikosekundenpulsen mit einer Spiegelanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche.
14. Lasersystem nach Anspruch 13,
gekennzeichnet durch
- einen sättigbaren Absorberspiegel zur Erzeugung einer Modenkopplung,
- einer Pulsauskopplungskomponente, insbesondere einem elektrooptischen Modulator,
- ein Lasermedium, insbesondere aus Nd:YVC>4,
- eine Laserdiodenquelle zum Pumpen des Lasermediums.
15. Strahlführungsverfahren für einen Laserstrahl in einem Lasersystem, insbesondere einem Lasersystem zur
Erzeugung von Femto- oder Pikosekundenpulsen, mit mindestens
• einem ersten Endspiegel (1,7),
• einem zweiten Endspiegel (2,9) mit konkaver
Oberfläche,
wobei
- der erste und der zweite Endspiegel (1,2,7,9) einen Resonator mit einer die Endspiegel (1,2,7,9)
verbindenden optischen Resonatorachse (OA) bilden, mit einem
- Führen des Laserstrahls als Eingangslaserstrahls (ES) in den Resonator,
- Auskoppeln des Laserstrahls nach mehrfacher Reflexion jeweils an dem ersten und dem zweiten Endspiegel (1,2,7,9) als Ausgangslaserstrahl (AS) und
wobei die Abfolge der Reflexionen an dem ersten und dem zweiten Endspiegel (1,2,7,9) eine gegenüber der
Resonatorachse (OA) als Drehachse definierte Drehrichtung zwischen dem ersten und zweiten Endspiegel im Resonator festlegt, wodurch ein erster Strahlgang definiert ist, so dass der Strahl mit einer gegenüber der Resonatorachse als Drehachse definierten
Drehrichtung zwischen dem ersten und zweiten Endspiegel (1,2,7,9) im Resonator umläuft,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drehrichtung in einem Umkehrpunkt umgekehrt wird und der Laserstrahl den Resonator zumindest teilweise mit zum ersten Strahlgang gegenläufiger Drehrichtung
durchläuft, wodurch ein zweiter Strahlgang definiert wird .
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