ES2629987T3

ES2629987T3 - Dispositivo de láser de gas

Info

Publication number: ES2629987T3
Application number: ES08167352.7T
Authority: ES
Inventors: Gavin Markillie
Original assignee: Rofin Sinar UK Ltd
Current assignee: Rofin Sinar UK Ltd
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2028-10-23
Also published as: EP2053707A3; US20090110016A1; US8116348B2; EP2053707B1; CN101420101A; JP2009105408A; CN101420101B; JP5517434B2; EP2053707A2; EP2053708A1

Abstract

Un dispositivo láser de gas que comprende: un recipiente (272) de gas para láser; dos placas (152) de electrodos sustancialmente paralelas que forman una guía de onda operable para enfocar y reflejar un haz resonador láser; medios de excitación operables para originar una descarga de gas entre las placas (152) de electrodo sustancialmente paralelos; primeros y segundos reflectores (182, 192) curvados que se enfrentan el uno al otro entre las placas (152) del electrodo para formar un resonador, con respecto a los rayos de curvatura y una separación del primero y segundos reflectores (182, 192) es tal que el resonador en el plano de espacio libre paralelo a las placas (152) del electrodo es inestable y sustancialmente confocal, y caracterizado por que el tercer reflector (212) curvado externo al resonador operable para dirigir el haz resonador a una salida (282) del recipiente (272) de gas láser; doblando el tercer reflector curvado el haz resonador de nuevo a lo largo de la sección adyacente de las placas (152) de electrodo sustancialmente paralelas que es paralela a un eje óptico del resonador, actuando la sección adyacente de las placas (152) de los electrodos sustancialmente paralelos como una banda (232) de guía de onda adicional, externa al resonador, ubicada entre el tercer reflector (212) curvado y la salida (282) del recipiente (272) de gas laser en donde el tercer reflector (212) curvado es adyacente a un extremo del resonador y la salida (282) de recipiente (272) de gas laser es adyacente y opuesta al extremo del resonador.

Description

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DESCRIPCION

Dispositivo de laser de gas Campo tecnico

La invencion se relaciona con laseres de descarga de gas, particularmente, pero no limitados a, un recipiente de laser de descarga de bloque excitado por RF, que opera en una region de longitud de onda de 3 a 12 micrometros.

Antecedentes de la invencion:

La Fig. 1(a) es una vista en perspectiva de un dispositivo 1 de laser de gas con gma de onda plana hibrida asimetrica rectangular convencional consistente con la tecnica anterior presentada en la patente US 5, 335, 242 utilizado para generar longitudes de onda de salida de laser de 3 a 12 micrometros de longitud. Para generar ganancia dentro de la cavidad laser formada entre los espejos resonadores 2, 3, se crea una descarga de gas de Radio Frecuencia entre dos electrodos 4 planos metalicos a menudo denominados como bloques; al excitar una descarga de Radio Frecuencia en el espacio estrecho 5 con dimension A entre los electrodos. Para una revision de esta tecnologfa refierase a la patente US 4, 719, 639. El laser tiene dimensiones verticales A y horizontales B diferentes la una de la otra, y espejos 2, 3, resonadores laser que son espejos esfericos concavos para formar un resonador inestable de rama negativa en la direccion B del espacio libre lateral mas amplio, por medio del cual el haz es acoplado por fuera pasando el borde 6 duro del espejo 3 que tiene el radio mas bajo de curvatura de los dos espejos resonadores. En la direccion A transversal mas estrecha los espejos 2, 3 resonadores en conjunto con los electrodos 4 planos forman una gma de onda. Una vista plana del laser es dada en la Fig. 1 (b) que muestra la direccion inestable de espacio libre, y se muestra una vista en seccion en la Fig. 1 (c) que muestra la direccion de la gma de onda del resonador. La siguiente discusion resalta las limitaciones de los esquemas de correccion convencionales para formatear el haz de salida desde el resonador laser de gma de onda plana hibrido asimetrico, en un haz limitado de difraccion limitada circular y cercano; que es un prerrequisito para la mayona de las aplicaciones de proceso laser.

En referencia a la Fig. 1 (b) el haz 7 del resonador interno esta acoplado por fuera del resonador pasando el borde 6 duro del espejo 3, que genera un haz 8 con un perfil 9 en la direccion inestable de espacio libre que es a menudo denominada como sombrero. Este haz de campo cercano requerira de acuerdo con esto ser propagado hacia su campo cercano en el cual su perfil 10 tiene una maxima central con lobulos de lado adyacente que se pueden retirar utilizando un filtro espacial para dar un perfil de haz de difraccion limitada cercana tipo Gaussiano. La propagacion en el campo lejano es producida al permitirle al haz propagarse naturalmente, o generar un foco utilizando un espejo concavo o unos lentes positivos. En general la seleccion del resonador en la direccion inestable del espacio libre es de tipo confocal, dictando que el haz 8 acoplado por fuera en esa direccion es colimado. Con el fin de lograr acoplamientos de salida adecuados de estos tipos de laseres que operan a una longitud de onda seleccionada en el rango de 3 a 12 micrometres, el ancho C del haz en la direccion del espacio libre es generalmente de un tamano tal que las distancias requeridas para permitirle al haz 8 colimado propagarse naturalmente hacia el campo lejano, son del orden de muchos metros. Esto dicta que la mayona de los disenos del haz 8 acoplado por fuera en la direccion del espacio libre se debe enfocar, y por lo tanto requiere al menos dos espejos externos adicionales para girar el haz y doblarlo de regreso a lo largo de la longitud de la estructura externa del recipiente de descarga del laser de gas. Este metodo mantiene el diseno tan compacto como sea posible, mientras que tambien niega la necesidad de utilizar opticas de energfa de enfoque alto para generar el campo lejano de espacio libre; por medio del cual los niveles de irradiancia grandes estanan presentes en los lobulos laterales filtrados y un grado muy alto de precision posicional se requerina para montar el filtro espacial para evitar el dano termico.

Se describe en la Fig. 1 (c) la direccion de la gma de onda del resonador. Como se menciono anteriormente, esta direccion es ortogonal a la direccion inestable del espacio libre del resonador. El haz 11 de la gma de onda se genera en el espacio 5 de la gma de onda, con un ancho A de 1-2 mm, que dicta que el perfil 12 del haz de la gma de onda de campo cercano saliente es altamente divergente comparado con el haz colimado mas amplio en la direccion inestable del espacio libre, sin embargo, a diferencia del haz inestable de espacio libre, la forma del perfil tanto en el campo cercano 12 como el lejano 13 es aproximadamente Gaussiano, y por lo tanto no requiere filtro espacial. En general, el haz 11 de gma de onda saliente se le permite propagarse a una distancia a rafz de la cual su tamano es igual a aquel del haz de espacio libre. El radio de curvatura frontal de la onda (divergencia) del haz de la gma de onda es luego corregido para coincidir con aquel del haz de espacio libre que utiliza un espejo/lente cilmdricos o un espejo esferico angulado, esta correccion ocurre antes o despues de que el haz de espacio libre se ha filtrado espacialmente. Es practica comun utilizar los dos espejos de doblamiento anteriormente mencionados que son utilizados para doblar el haz de regreso a lo largo de la longitud de la estructura externa del recipiente de descarga del laser de gas, para efectuar algunas, o toda la correccion en la direccion de la gma de onda. Sin embargo, con el fin de lograr la correccion requerida dentro de la limitacion de mantener el esquema correctivo no mayor de la longitud del recipiente de descarga de laser se requiere a menudo que se utilicen dobleces de haz adicionales. Tales disenos a menudo requieren estructuras adicionales y sistemas de montaje optico, que elevan los costos y el peso de la estructura total. Agregado a estos

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temas, es la necesidad de permitir variaciones tanto en las caractensticas del haz resonador como en las tolerancias en las potencias opticas del sistema correctivo, lo que dicta que el sistema correctivo debe ser ajustable en algun grado, tanto en la ubicacion como el angulo de incidencia de sus elementos opticos correctivos componentes

La patente US 5 392 309 A divulga un dispositivo laser resonador confocal inestable con primeros y segundos reflectores curvados.

La solicitud de patente US 2007 019 701 divulga un resonador de anillo de 3 espejos, en donde el cuarto espejo plano se coloca por fuera del resonador para acoplar por fuera la luz proveniente del resonador.

Resumen de la invencion:

De acuerdo con esto, es un objeto de esta invencion eliminar las dificultades anteriormente descritas y los inconvenientes que acompanan la correccion requerida del haz de un dispositivo de grna de onda plano hforido asimetrico convencional. Mas espedficamente, un objeto de la presente invencion y suministrar un recipiente de laser de gas que opera con un resonador de grna de onda plano hibrido asimetrico que produce un has redondo de difraccion limitada cercana que no requiere ninguna correccion externa adicional. Tal dispositivo, en comparacion con un laser de grna de onda plano hibrido asimetrico que tiene un sistema de correccion convencional, sera mas simple en construccion, mas bajo en costo y mas ligero en peso. De acuerdo con la presente invencion se suministra un aparato y metodo como se establecio en las reivindicaciones finales. Otras caractensticas de la invencion seran evidentes de las reivindicaciones dependientes, y la descripcion que sigue.

De acuerdo con un primer aspecto de la invencion, un recipiente de descarga laser de gas opera con un resonador de grna de banda plano hibrido asimetrico, un sistema de enfoque optico/optica de enfoque y una longitud de la banda de grna de onda adicional. La banda de grna de onda adicional y el sistema de enfoque/optica de enfoque actuan preferiblemente tras el haz de salida del resonador de grna de onda plano hibrido para formar una cintura de haz en la direccion inestable del espacio libre a la salida de la banda de grna de onda que coincide con las dimensiones de la cintura del haz de grna de onda ortogonal formado en esa posicion, creando una salida redonda. Mas aun, el haz inestable de espacio libre es ahora lo que denomina su campo lejano, y puede ser espacialmente filtrado en un punto cercano o justo despues de la salida de la banda de grna de onda adicional, creando un haz redondo con difraccion limitada cercana que no requiere ninguna correccion externa adicional despues de que ha salido del recipiente de descarga.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invencion, el recipiente de descarga de laser de gas opera con un resonador de grna de onda plano hibrido asimetrico, un sistema de enfoque optico/optica de enfoque y una longitud de tira de banda de grna de onda adicional. La banda de grna de onda adicional y el sistema de enfoque/optica de enfoque preferiblemente actuan sobre el haz de salida desde el resonador de grna de onda plana hfbrida asimetrica para formar una cintura de haz en la direccion inestable del espacio libre una distancia corta despues de que el haz sea propagado desde la banda de grna de onda adicional.

La posicion de la cintura del haz de espacio libre se puede seleccionar para ser interna o externa al recipiente de descarga, la opcion posterior tiene la ventaja de que el filtro se puede agregar despues de la construccion y sellado del recipiente de descarga. El tamano y la posicion de la cintura del haz tambien puede ser preferiblemente establecida de tal manera que el tamano del haz de grna de onda divergente coincide en esa posicion, o a una corta distancia despues de que se ha formado la cintura del haz de espacio libre. La divergencia del haz de grna de onda puede ser entonces corregida para igualar aquella del haz inestable de espacio libre que utiliza un espejo cilmdrico/lentes ubicados en la posicion donde los tamanos del haz coinciden, generando un haz redondo. Dependiendo de la posicion de la cintura del haz de espacio libre y la posicion donde el haz es redondo, el espejo cilmdrico corrector/lentes se pueden colocar internos o externos al recipiente de descarga.

Adicional al primer y segundo aspectos de la invencion, el diseno del resonador de grna de onda plano hibrido asimetrico es preferiblemente a proposito satisfecho ubicando la banda de grna de onda plana adicional paralela y adyacente a la descarga de grna de onda plana del resonador. Espedficamente, un laser por medio del cual la grna de onda plana hibrida asimetrica es preferiblemente configurada como dos resonadores de rama negativa de espejo que acoplan por fuera el haz pasando el espejo de la cavidad resonadora que tiene el radio de curvatura mas grande. Esto luego preferiblemente permite al sistema de enfoque ser un espejo concavo esferico simple, que opera a una incidencia normal cercana al haz acoplado por fuera, en acoplamiento con el haz de salida resonador en una banda de grna de onda plana adicional que es tanto paralela como adyacente a la descarga de grna de onda plana del resonador. Mas aun, el resonador laser de grna de onda plana hibrida asimetrica como se menciono anteriormente, que opera con una configuracion que es cercana o exactamente en el punto donde esta es considerada un resonador confocal, que ayuda en la extraccion eficiente de ganancia de la descarga bloque rectangular; la fuente geometrica efectiva para el haz de salida del resonador es cercana o exactamente coincidente con el punto confocal teorico del resonador.

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Adicionalmente, el resonador de grna de onda plano hibrido asimetrico, que en este segundo aspecto del resonador, es preferiblemente configurado como un resonador de rama positiva de dos espejos que acopla por fuera el haz que pasa el espejo de la cavidad del resonador que tiene un radio de curvatura concavo. Esto de nuevo le permite al sistema de enfoque ser un espejo concavo esferico simple, que opera en incidencia normal cercana al haz acoplado por fuera, en acoplamiento con el haz de salida del resonador en una banda de grna de onda plana adicional que es tanto adyacente a la descarga de grna de onda plana del resonador. De nuevo, este resonador puede operar con una configuracion que esta cercana o exactamente en el punto donde se considera un resonador confocal, como antes, ayuda en la extraccion eficiente de la ganancia de la descarga bloque rectangular; la fuente geometrica efectiva del haz de salida del resonador que es cercana o exactamente coincidente con el punto confocal teorico del resonador.

Preferiblemente, la longitud de la banda de grna de onda tiene dimensiones transversales que son de un tamano adecuado para acoplar internamente de manera eficiente el haz de salida del resonador de grna de onda plana del primer aspecto.

La banda de grna de onda del primer aspecto cuya longitud en conjunto con la energfa del sistema de enfoque/optica es preferiblemente a ser seleccionada de tal manera que el lobulo central de la cintura del haz formado en la direccion inestable el espacio libre en el extremo de la banda de grna de onda igual a aquella de la cintura del haz de grna de onda ortogonal.

Preferiblemente, la longitud de la banda de grna de onda incluye un filtro espacial ubicado cerca o justo despues de la salida de la banda de grna de onda que actua para remover los lobulos laterales del haz en la direccion inestable del espacio libre, dando de esta manera un haz redondo de difraccion limitada cercana.

Preferiblemente, la longitud de la banda de grna de onda del segundo aspecto tiene una longitud en conjunto con la energfa del sistema de enfoque/optica a ser seleccionada de tal manera que una cintura del haz en la direccion del espacio libre se forma a una corta distancia despues de que el haz sea propagado desde la banda de grna de onda adicional, y esta preferiblemente contenida dentro o externa al recipiente de laser de gas.

El filtrado espacial de los lobulos laterales secundarios pertenecen al haz inestable de espacio libre, cerca o en la posicion de cintura del haz se suministra preferiblemente con el fin de generar un haz con difraccion limitada

El tamano y posicion de la cintura del haz tambien puede ser preferiblemente ajustado de tal manera que el tamano del haz de la grna de onda divergente es coincidente en esa posicion, o a una distancia corta despues de que la cintura del haz de espacio libre se ha formado. La divergencia del haz de la grna de onda puede ser entonces corregida para igualar aquella del haz inestable de espacio libre que utiliza un espejo/lentes cilmdricos ubicados en la posicion donde los tamanos del haz coinciden, generalmente un haz de difraccion limitada circular.

El resonador de grna de onda plano hibrido asimetrico puede ser un resonador de rama negativa de dos espejos que acopla por fuera del haz pasando el espejo de la cavidad del resonador que tiene el radio de curvatura mas grande.

El resonador de grna de onda plano hibrido asimetrico puede ser un resonador de rama positiva de espejo que acopla por fuera el haz pasando el espejo de la cavidad del resonador que tiene un radio de curvatura concavo.

El resonador de grna de onda plano hibrido asimetrico se puede adaptar para operar con una configuracion que esta cercana o exactamente en el punto donde se considera un resonador confocal, que ayuda en la extraccion eficiente de ganancia de la descarga bloque rectangular; la fuente geometrica efectiva para el haz de salida esta preferiblemente cercano exactamente coincidente con el punto confocal teorico del resonador

El sistema/optica de enfoque puede contener superficies de espejo o una superficie ajustable en angulo, de tal manera que el eje longitudinal de la banda de grna de onda se pueda disponer paralela al eje longitudinal de la descarga de grna de onda del bloque

En una realizacion por fuera del alcance de la presente invencion el resonador de grna de onda plano hibrido asimetrico puede incorporar un componente optico unico que se desempena como uno de los espejos resonadores que pertenecen al resonador de grna de onda plano hibrido asimetrico, asf como tambien actuando como parte de todo el sistema/optica de enfoque anteriormente mencionado

De acuerdo con la presente invencion, se suministra un laser de gas que comprende:

Un recipiente de gas para laser;

Dos placas de electrodo sustancialmente paralelas que forman una grna de onda operable para enfocar y reflejar un haz de resonador

Medios de excitacion operables para originar una descarga de gas;

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Primeros y segundos reflectores curvados que se enfrentan el uno al otro entre las placas de electrodo; y

Un tercer reflector curvado operable para dirigir el haz resonador a una salida del recipiente de gas de laser, en donde

El tercer reflector curvado dobla el haz resonador de regreso a lo largo de una seccion adyacente de las placas de electrodo paralelas que es paralela a un eje optico del resonador, esta seccion adyacente actua como una banda de gma de onda adicional, externa al resonador, ubicada entre el tercer reflector y la salida del recipiente de laser de gas, y

El reflector curvado es adyacente a un extremo del resonador y la salida del laser de gas es adyacente a un extremo opuesto del resonador.

El haz resonador es preferiblemente desarrollado mediante placas de electrodo y los primeros y segundos medios de enfoque/reflexion. La ganancia es extrafda de la descarga de gas en la medida en que la luz pasa a traves de este, dando origen a un haz resonador

El primero, segundo y/o tercer medio de enfoque/reflexion son preferiblemente reflectores curvados

El laser de gas incluye preferiblemente un elemento de gma de onda adicional, o una banda de gma de onda, preferiblemente adyacente y preferiblemente coplanar a la gma de onda formada por las placas de electrodo. Los terceros medios de enfoque/reflexion son preferiblemente operables para enfocar el haz resonador que sale para formar una cintura de haz, preferiblemente en una direccion inestable de espacio libre, sustancialmente en o cerca a la salida del elemento de gma de onda adicional. La cintura del haz se puede formar mas alla del elemento de gma de onda adicional.

La gma de onda adicional es preferiblemente operable para restringir el haz resonador que sale en la direccion de gma de onda. La gma de onda adicional es preferiblemente ubicada entre los terceros medios de enfoque/reflexion y la salida del laser de gas

Los terceros medios de enfoque/reflexion son preferiblemente operables para enfocar el haz resonador que sale para formar una cintura de haz sustancialmente igual en tamano como el tamano de la cintura del haz en la direccion de la gma de onda, cuyo tamano es preferiblemente una distancia de separacion de las placas del elemento de gma de onda adicional. Los terceros medios de enfoque/reflexion pueden ser ajustables en angulo. En una realizacion por fuera del alcance de la presente invencion, los terceros medios de enfoque/reflexion pueden ser parte de uno de los primeros o segundos medios de enfoque/reflexion

El laser puede incluir medios de filtrado espaciales, adaptados, para retirar los lobulos laterales del haz resonador que sale, preferiblemente en la direccion del espacio libre. Preferiblemente, los medios de filtrado espaciales estan ubicados en o cerca a la salida del laser

El laser puede ser un laser resonador de gma de onda plana asimetrica.

Los primeros y/o segundos medios de enfoque/reflexion en la direccion lateral mas amplia de la descarga del laser son preferiblemente escogidos para formar un resonador aproximadamente confocal o confocal.

La invencion se extiende a un resonador para laser de descarga de gas, dicho resonador incorpora las placas de electrodo y los medios de enfoque/reflexion del aspecto previo

De acuerdo con otro aspecto de la presente invencion, se suministra un metodo de crear un haz resonador de laser, dicho metodo incluye:

Generar una descarga en un gas mediante excitacion por Radio Frecuencia del gas que utiliza placas de electrodo sustancialmente paralelas;

Extraer ganancia de la luz generada al reflejar y enfocar la descarga entre los primeros y segundos medios de enfoque/reflexion; y

Guiar el haz resonador a una salida que utiliza terceros medios de enfoque/reflexion

Todas las caractensticas descritas aqm se pueden combinar con cualquiera de los aspectos anteriores, en cualquier combinacion.

Para un mejor entendimiento de la invencion, y para mostrar como las realizaciones de la misma se pueden llevar a efecto, se hace ahora referencia, por via de ejemplo, a los dibujos diagramaticos que la acompanan en los cuales:

Descripcion de los dibujos:

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La Fig. 1 (a) es una vista en perspectiva de un dispositivo laser de gas de grna de onda plano hibrido asimetrico rectangular convencional de la tecnica anterior como se divulgo en la patente US 5, 335, 242

La Fig. 1 (b) es una vista plana de un laser de la tecnica anterior presentado en la Fig. 1 (a) que muestra la direccion inestable de espacio libre del resonador laser,

La Fig. 1 (c) es una vista en seccion de un laser de la tecnica anterior presentado en la Fig. 1 (a) que muestra la direccion de la grna de onda del resonador laser,

La Fig.2 (a) es una vista en perspectiva de la estructura optica y de descarga de la realizacion preferida,

La Fig. 2 (b) es una vista plana de la realizacion preferida presentada en la Fig. 2 (a),

La Fig. 2 (c) es una vista en seccion de la realizacion preferida presentada en la Fig. 2 (a),

La Fig. 3 (a) es una vista plana de la derivada de la realizacion preferida,

La Fig. 3 (b) es una vista en seccion de la derivada de la realizacion preferida,

La Fig. 4 es una vista plana del resonador de grna de onda plano hibrido asimetrico inventado que opera en la configuracion confocal de rama negativa,

La Fig. 5 es una vista plana del resonador de grna de onda plana hibrido asimetrico inventado en la configuracion confocal de rama positiva

Descripcion detallada de la invencion:

La realizacion preferida de esta invencion se describira con referencia a los dibujos que la acompanan, a saber, la Fig. 2 (a), Fig. 2 (b) y Fig. 2 (c). La Fig. 2 (a) muestra un dibujo en perspectiva de la estructura optica y de descarga de la realizacion preferida; la estructura 142 de descarga de gas comprende dos electrodos 152 rectangulares planos metalicos, con una descarga de gas excitado por Radio Frecuencia en el espacio 162 estrecho entre los electrodos. El ancho del espacio 162 es usualmente de 1- 2mm, con un ancho D de espacio mantenido dentro de los 100 micrometres sobre la totalidad de la estructura de descarga. Este espacio uniforme en conjunto con la superficie metalice plana de los electrodos tambien actua para formar una grna de banda para el resonador laser en la dimension E transversal estrecha del resonador. En la dimension F de espacio libre lateral mas amplia del resonador definido mediante el ancho del bloque G, o alternativamente el ancho de los espejos resonadores ubicados en los extremos de la descarga, el resonador laser opera en esta direccion de espacio libre como un resonador inestable asimetrico, con el haz laser acoplado por fuera pasando el borde duro de uno de los espejos. Una traza de rayo de lrnea solida del haz 172 de espacio libre del resonador se muestra en la Fig. 2 (a).

Como se menciono anteriormente, en cualquier extremo de la estructura de descarga se colocan los espejos resonadores. Ambos espejos tienen un radio de curvatura concavo esferico maquinado sobre las superficies que se enfrentan en la descarga del gas, y forman una rama negativa confocal o aproximadamente confocal, el sistema optico inestable en la dimension F de espacio libre lateral. El espejo resonador que tiene el radio de curvatura 182 mas pequeno, se ubica en el extremo de descarga donde el haz sale de la estructura de descarga y el recipiente de laser. En el extremo opuesto de la descarga esta el espejo 192 resonador que tiene el radio de curvatura mas grande, es este espejo 192 el que tiene un borde 202 duro, que le posibilita acoplarse por fuera del haz desde el resonador. Adyacente al espejo 192 esta un tercer espejo 212 que tiene un radio de curvatura concavo esferico maquinado sobre la superficie que se enfrenta hacia la descarga. El angulo del tercer espejo 212 es tal que este toma la salida desde el resonador laser que esta en angulo con el eje optico del resonador O laser, y dobla el haz 222 de salida de regreso a lo largo de una seccion adyacente de la descarga del gas que esta paralelo al eje optico de resonador o laser, esta seccion de la descarga 232 actua ahora como una banda de grna de onda adicional. Solo despues de salir de la banda 232 de grna de onda adicional, un filtro 242 espacial se ubica de tal manera que este actua para filtrar espacialmente el haz acoplado por fuera en la direccion de espacio libre. En general, el filtro espacial es un dispositivo de reflexion, mas probablemente de naturaleza metalica pero no necesariamente, con una ranura 262 de ancho H similar al tamano del espacio de la grna de onda maquinado en este, que le permite al maximo central del haz de espacio libre pasar a traves de este aunque tambien reflejando los lobulos laterales de espacio libre no deseados por fuera del haz principal. Es deseable colocar el filtro espacial unos pocos centimetres atras de la salida de la grna de onda con el fin de que los lobulos laterales de espacio libre reflejados se puedan dirigir alejandose en la senda optica del resonador deteniendo de esta manera la “retroalimentacion” optica, y tambien evita posibles saltos de la descarga excitada por Radio Frecuencia a la estructura metalica del filtro.

La Fig. 2 (b) es una vista plana de la realizacion preferida presentada en la Fig. 2 (a) y muestra el resonador y la correccion en la direccion inestable de espacio libre lateral mas amplia, y tambien incluye un esquema del recipiente 272 de descarga, y la ventana 282 optica del recipiente dentro de la pared del recipiente que le permite al haz de salida

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propagarse desde el recipiente de descarga. El haz 172 inestable de espacio libre dentro del resonador es de nuevo representado como un trazo de rayo de lmea solida. En la presente invencion, el haz 222 de salida sale del resonador laser en la parte trasera del recipiente 272 de descarga antes de ser doblado a regreso a lo largo de la longitud del recipiente de descarga por el tercer espejo 212. El resonador se disena de tal manera que el haz 222 que deja el resonador es divergente, originandose desde una fuente 302 de punto de punto virtual cerca al centro de descarga. A traves de la seleccion correcta del radio de curvatura del tercer espejo 212, y el grado de acoplamiento de salida desde el resonador el haz 222 resultante tiene una cintura de haz en la salida 312 de la banda 232 de gma de onda adicional, el cual cuando el filtrado produce un haz de espacio libre de difraccion limitada cercano que es igual al tamano de aquel de la cintura de haz de gma de onda ortogonal en la salida 312 de la banda 232 de gma de onda adicional mostrada en la Fig. 2 (c) que es una vista en seccion del recipiente de descarga del haz tornado a lo largo del eje de la lmea P en la Fig. 2 (b). Asf el haz 222 que sale del recipiente 272 de descarga de laser es tanto redondo como filtrado y no requiere correccion adicional. De regreso de nuevo a la Fig. 2 (b), la razon de que el haz de espacio libre se pueda filtrar a la salida de la banda 232 de gma de onda adicional es que el haz de espacio libre es considerado como estando en su campo lejano, una situacion que no es posible de producir interna al recipiente de descarga cuando se emplea un resonador laser de gma de onda plano o convencional de la tecnica anterior y la correccion convencional, tal como se discutio en la seccion alejada del antecedente de esta invencion. Otro punto importante de notar es que el laser de gma de onda plano asimetrico convencional se puede configurar de tal manera que el haz que sale del resonador laser es redondo; a saber los tamanos del haz inestables y de gma de onda de espacio libre exterior son los mismos; tal configuracion se presento en la patente US 5, 048, 048 detallando una descarga de gas excitada por microondas. Despues de la propagacion del haz divergente que sale de la salida del resonador de gma de onda plano, dependiendo del tamano de la cintura del haz de gma de onda en la longitud de onda seleccionada el haz opera en, el haz puede ser en teona espacialmente filtrado en la direccion de espacio libre a distancias de menos de 0.3 m desde la salida de la gma de onda sin la necesidad de enfocar el haz inestable de espacio libre. Sin embargo, esta aproximacion esta limitada a los laseres que operan en potencia por debajo de 200 vatios, porque su aplicacion practica esta restringida al ancho lateral permisible de la descarga de gma de onda plana. La razon para esta restriccion es que el acoplamiento de la salida de fraccion del resonador es aproximadamente dado por el ancho del haz de espacio libre que sale del resonador pasando el borde duro del espejo de salida, dividido por el ancho de la descarga de gma de onda plana. Idealmente, los valores de fraccion de alrededor de 0.06 - 0.2 comunmente dan la extraccion de energfa mas eficiente de estos tipos de resonadores laser de descarga de gas de gma de onda que opera a longitudes de onda de 3 a 12 micrometres. Desafortunadamente, los valores de fraccion inician para caer por debajo de 0.06, la eficiencia de extraccion de energfa cae muy dramaticamente. Esta tendencia limita la aplicacion practica de esta aproximacion de la tecnica anterior a descargas de gas de gma de onda plana que tienen un ancho lateral no mayor de 20- 30 mm, dependiendo del tamano del espacio de gma de onda seleccionado, que usualmente varia de 1 - 2 mm. Tambien se debe notar que los niveles de radiacion de este tipo de laser de gma de onda plano como se presenta en la patente US 5, 048, 048 son muy altos y pueden conducir a un dano optico en la ventana optica del recipiente de descarga cuando se emplean materiales comunmente utilizados para el sustrato de la ventana que opera en la region de longitud de onda de 3 a 12 micrometros. Este tambien parece ser el caso de la presente realizacion preferida de la invencion, sin embargo, en el caso de la presente invencion; de regreso de nuevo a la Fig. 2 (a), la Fig. 2 (b) y la Fig. 2 (c) los electrodos 152 metalicos se muestran como rectangulares con una banda 232 de gma de onda adicional que corre su longitud completa; esto no necesariamente tiene que ser el caso para todos los disenos y niveles de energfa. En la medida en que los laseres de descarga de gas de gma de onda plano escalan en energfa, generalmente el ancho y la longitud de los electrodos de gma de onda plana se incrementan para generar mayor ganancia de area. Este escalamiento del area de la region activa de descarga le confiere asf mismo una longitud de banda de gma de onda adicional que no corre la longitud completa de los electrodos 152 de gma de onda plana. Asf un haz redondo se puede generar a una distancia significativa de la ventana 282 optica del recipiente de descarga, de tal manera que el tamano del haz de salida dirigente en la ventana 282 optica del recipiente de descarga se ha incrementado a un valor mediante el cual los niveles de irradiacion ya no originan dano optico. Naturalmente el cumplimiento de este esquema requiere el uso de un filtro 242 espacial que es electricamente aislado de la descarga de Radio Frecuencia con el fin de colocarla cerca a la salida de la banda 232 de gma de onda adicional, y disenada de tal manera que los componentes del haz filtrado no pueden “retroalimentarse” opticamente en el resonador laser.

La Fig. 3 (a) muestra una vista plana para un derivado de la realizacion preferida de la presente invencion. En esta variante el tercer espejo 213 tiene un radio de curvatura tal que el haz 223 de salida resultante en la direccion inestable de espacio libre tiene una cintura de haz que no esta en la salida 323 de la banda 233 de gma de onda adicional como en la realizacion preferida, sino en una posicion 333 una distancia corta despues de que el haz ha salido de la banda de gma de onda adicional. Esta aproximacion posibilita una mayor variedad del resonador por fuera de acoplamientos y longitudes de banda de gma de onda adicionales a ser considerados como el diseno ya no esta restringido para tener tamanos de haz iguales al extremo de la banda de gma de onda. Tambien se debe notar que la posicion 333 se puede seleccionar para estar dentro o fuera de los confines del recipiente de descarga. Una ventaja adicional de tener la posicion 333 establecida por fuera de los confines del recipiente de descarga, es que el filtrado se puede ofrecer al usuario final como una opcion. En contraste, una desventaja de tener una posicion 333 por fuera de los confines del

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recipiente de descarga es que la energfa de salida del laser promedio para variantes de laser de gas Dioxido de Carbono de esta invencion estan limitados a valores no mayores de 200 W, debido a las restricciones de los niveles de irradiacion permisibles formados en la ventana 283 de salida del recipiente de descarga cuando se utilizan materiales comunmente disponibles para el sustrato de la ventana. Directamente en la posicion 333 esta colocado un filtro 243 espacial, que actua en la direccion del espacio libre para generar un haz de difraccion limitada cercana en la direccion del espacio libre. El ancho de la ranura del filtro espacial es de aproximadamente igual a 3*w0 del maximo central del haz de espacio libre, donde w0 es el radio del haz 1 /e2 tradicional. Se muestra en la Figura 3 (b) una vista en seccion del recipiente de descarga del laser tomado a lo largo de la lmea P en la Fig. 3 (a), demostrando el haz 223 de salida divergente en la direccion de la grna de onda en la medida en que este sale de la banda 233 de la grna de onda adicional. Con el fin de corregir la divergencia de la grna de onda de tal manera que este coincida con la divergencia de la cintura del haz de espacio libre ortogonal, se colocan unos lentes 343 cilmdricos en la posicion 353 que es donde los tamanos del haz en la direccion ortogonal son iguales. La longitud focal de los lentes 343 cilmdricos se selecciona de tal manera que las divergencias diferentes son entonces coincidentes, creando un haz con difraccion limitada circular. Se debe notar que dependiente del tamano de la cintura del haz y la ubicacion seleccionada para la direccion del espacio libre, la posicion 353 puede estar en una posicion 333 o a una distancia adicional. Esto dicta que la optica correctiva puede ser interna al recipiente de descarga si la posicion 333 es interna al recipiente de descarga, y podna tomar potencialmente el papel de sellar el dispositivo, de tal manera que las opticas 343 y 283 son una y la misma optica.

Para describir mejor el resonador de esta invencion, la variante confocal del resonador de la rama negativa asimetrica inventada se presenta en la Fig. 4 como una vista plana de la direccion de espacio libre; con el tercer espejo correctivo de la invencion no mostrado. En la direccion de espacio libre un resonador asimetrico confocal o casi confocal opera formado entre dos espejos 184 y 194 con un radio de curvatura formado en cada espejo, las superficies formadas se enfrentan una a la otra a traves de la descarga 144 de laser para formar un resonador. El radio de curvatura de las superficies de espejo se seleccionan primeramente de tal manera que el resonador se puede describir como inestable en la direccion del espacio libre. Este requisito inestable se cumple cuando el producto de parametro geometrico de espacio libre del resonador, g1*g2, esta por fuera de los lfmites:

0 < g1. g2 <1

Donde g1 = 1-L/R1 y g2 = 1-L/R2, siendo L la separacion de los espejos a traves de la descarga, y R1 es el radio de curvatura del espejo de espacio libre para el espejo 184, y R2 es el radio de curvatura del espejo de espacio libre para el espejo 194. El segundo requerimiento para este resonador de espacio libre es que el eje optico formado por el radio de curvatura de espacio libre que pertenece a los espejos 184 y 194 sea paralelo al eje T principal de la descarga 144 de gas; esto ayuda en la extraccion eficiente de la ganancia proveniente de la descarga del gas. El eje optico del resonador de espacio libre se define como el eje O que corre a traves de los dos centros del radio de curvatura de los espejos 184 y 194. En la Fig. 4 el centro del radio de curvatura para el espejo 184 esta en la posicion 354, el centro del radio de curvatura para el espejo 194 esta en la posicion 364. El tercer requisito para el resonador de espacio libre es que este sea confocal o casi confocal, este requisito tambien ayuda en la extraccion eficiente de la ganancia de la descarga del gas. Este requisito se cumple cuando los puntos focales que pertenecen a los espejos 184 y 194 resonadores de espacio libre se intersectan el uno al otro. En la Fig. 4 el punto de interseccion confocal del resonador es 304, y los puntos focales de los espejos 184 y 194 son respectivamente 374 y 384 y estan a mitad de camino a lo largo de las lmeas respectivas que unen el centro con los radios de curvatura con las superficies de espejo.

Hasta este punto en la discusion, los requerimientos propuestos tambien son compartidos por un resonador de rama negativa asimetrica confocal convencional, tal como se presento en la tecnica anterior de las patentes US 5, 048, 048 y 5, 335, 242. Sin embargo, en la partida del diseno convencional, el haz resonador laser de la presente invencion sale pasando el borde 204 duro que esta maquinado sobre el espejo 194 resonador que tiene el radio de curvatura mas largo en la direccion inestable de espacio libre, el opuesto exacto de un diseno convencional. Esto da como resultado en un haz 294 que sale en la direccion inestable del espacio libre que es divergente en lugar de colimada segun sea el caso de un resonador de rama negativa asimetrico convencional, el origen geometrico del haz divergente que es el punto 304 de interseccion confocal del resonador. El ancho Q ideal de la descarga en la direccion del espacio libre que esta incluido por los espejos 184 y 194 resonadores se relaciona con la amplificacion M de resonador del espacio libre y el ancho W de descarga de la siguiente expresion:

Q = W/M

Donde la amplificacion M, del resonador de espacio libre, se define como la proporcion R2/R1. Finalmente, con el fin de promover la extraccion eficiente de la ganancia desde la descarga, un quinto requisito para el resonador de espacio libre es que el eje O optico del resonador de espacio libre se cambie con respecto al eje T principal de descarga. Este cambio del eje es en una direccion alejada del borde 204 duro que es maquinado sobre el espejo 194 resonador. El desfase S del eje O optico del resonador inestable de espacio libre se define con respecto al borde 204 duro del espejo resonador 194 dando la siguiente expresion:

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S = W/(M2 + M)

La Fig. 5 muestra la vista plana equivalente de un resonador de rama positiva de la invencion con el tercer espejo correctivo de la invencion no mostrado. De nuevo, como lo fue el caso para el equivalente de la rama negativa, existen cinco requisitos. En la direccion de espacio libre un resonador asimetrico confocal o casi confocal opera, formado entre dos espejos 185 y 195 con un rayo de curvatura formado en cada espejo, las superficies formadas se enfrentan la una a la otra a traves de una descarga 145 laser para formar un resonador. El radio de curvatura de las superficies del espejo se seleccionan primeramente de tal manera que el resonador se pueda describir como inestable en la direccion de espacio libre. Estos requisitos inestables se cumplen cuando el producto del parametro geometrico del espacio libre del resonador, g1*g2, esta por fuera de los lfmites:

0 < g1. g2 < 1

Cuando g1 = 1-L/R1 y g2 = 1-L/R2, L es la separacion de los espejos a traves de la descarga, y R1 es el radio de curvatura del espejo de espacio libre para el espejo 185 y R2 es el radio de curvatura del espejo de espacio libre para el espejo 195. En este caso, la superficie del espejo 185 es convexa, llevando a R1 que tiene un valor negativo. El segundo requisito para el resonador de espacio libre es que el eje optico formado por el radio de espacio libre de las curvaturas que pertenecen a los espejos 185 y 195 sea paralela al eje T principal de la descarga 145 del gas; esto ayuda en la extraccion eficiente de la ganancia de la descarga del gas. El eje optico del resonador inestable de espacio libre se define como el eje O que corre a traves de los dos centros del radio de curvatura de los espejos 185 y 195. En la Fig. 5 el centro del radio de curvatura para el espejo 185 y 195 descansa en una posicion a la izquierda de la figura. El tercer requisito para el resonador de espacio libre es que este sea confocal o casi confocal, este requisito tambien ayuda en la extraccion eficiente de la ganancia de la descarga del gas. Este requisito se cumple cuando los puntos focales que pertenecen a los espejos 185 y 195 resonadores e inestables de espacio libre se interceptan el uno con el otro. En la Fig. 5 el punto de interseccion confocal de resonador es 305, y los puntos focales de los espejos 185 y 195 son respectivamente 375 y 385 y el medio camino a lo largo de las lmeas respectivas que unen el centro de los rayos de curvatura con su superficies de espejo.

Hasta este punto en la discusion, los requisitos propuestos tambien son compartidos por el resonador de rama positiva asimetrico confocal convencional, tal como se presento en la tecnica anterior de la patente US 4, 719, 639. Sin embargo, en la partida del diseno convencional, el haz resonador laser de la presente invencion sale pasando un borde 205 duro que es maquinado sobre el espejo 195 resonador que es un radio de curvatura concavo en la direccion inestable del espacio libre, el opuesto exacto de un diseno convencional el cual tiene un borde duro maquinado sobre el espejo resonador con un radio de curvatura convexo. Este da como resultado en el haz 295 que sale desde el resonador en la direccion inestable de espacio libre que es ligeramente divergente en lugar de colmado como es el caso del resonador de rama positiva simetrico, el origen geometrico del haz divergente que es el punto 305 de interseccion confocal del resonador. El ancho Q ideal de la descarga es la direccion de espacio libre que esta incluida por los espejos 185 y 195 resonadores se relaciona con la amplificacion M del resonador de espacio libre y el ancho W de descarga por medio de la siguiente expresion:

Q = W/M

donde la amplificacion M, del resonador de espacio libre, se define como la proporcion -R2 / R1. Finalmente, con el fin de adicionar la extraccion eficiente de la ganancia desde la descarga, un quinto requisito para el resonador de espacio libre es que el eje O optico del resonador de espacio libre se cambie con respecto al eje T principal de descarga. Este cambio del eje esta en una direccion alejado del borde 205 duro que se maquina sobre el espejo 195 resonador. El desfase S del eje O optico de resonador inestable de espacio libre es tal que el eje O optico corre coaxial con el borde longitudinal de descarga que esta mas alejado del borde 205 duro del espejo 195 resonador.

Claims

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Reivindicaciones

1. Un dispositivo laser de gas que comprende: un recipiente (272) de gas para laser;

dos placas (152) de electrodos sustancialmente paralelas que forman una grna de onda operable para enfocar y reflejar un haz resonador laser;

medios de excitacion operables para originar una descarga de gas entre las placas (152) de electrodo sustancialmente paralelos;

primeros y segundos reflectores (182, 192) curvados que se enfrentan el uno al otro entre las placas (152) del electrodo para formar un resonador, con respecto a los rayos de curvatura y una separacion del primero y segundos reflectores (182, 192) es tal que el resonador en el plano de espacio libre paralelo a las placas (152) del electrodo es inestable y sustancialmente confocal, y

caracterizado por que el tercer reflector (212) curvado externo al resonador operable para dirigir el haz resonador a una salida (282) del recipiente (272) de gas laser;

doblando el tercer reflector curvado el haz resonador de nuevo a lo largo de la seccion adyacente de las placas (152) de electrodo sustancialmente paralelas que es paralela a un eje optico del resonador, actuando la seccion adyacente de las placas (152) de los electrodos sustancialmente paralelos como una banda (232) de grna de onda adicional, externa al resonador, ubicada entre el tercer reflector (212) curvado y la salida (282) del recipiente (272) de gas laser en donde el tercer reflector (212) curvado es adyacente a un extremo del resonador y la salida (282) de recipiente (272) de gas laser es adyacente y opuesta al extremo del resonador.
2. Un dispositivo laser de gas como se reivindico en la reivindicacion 1, caracterizado por estar adaptado a un acople exterior del haz (292) resonador desde el resonador pasando el segundo reflector (192) curvado, teniendo el ultimo un radio de curvatura tal que el haz resonador acoplado por fuera es divergente y sale del resonador en un angulo a un eje longitudinal del resonador inestable para incidir sobre el tercer reflector (212) curvado externo al resonador.
3. Un dispositivo laser de gas como se reivindico en la reivindicacion 1 o 2, en el cual el tercer reflector (212) curvado, es operable para enfocar el haz resonador sustancialmente en una salida (312) de la banda (232) de grna de onda adicional para formar una cintura (333) de haz en la direccion del espacio libre sustancialmente del mismo tamano que la cintura del haz formado en la direccion de la grna de onda ortogonal, perpendicular a las placas (152) del electrodo.
4. Un dispositivo laser de gas como se reivindico en la reivindicacion 3, que comprende medios (242) de filtrado espacial operables para conformar el haz para utilizar y ubicar sustancialmente a la salida (312) de la banda (232) de grna de onda adicional y adaptado para retirar los lobulos laterales en la direccion del espacio libre para generar de esta manera un haz redondo de difraccion limitada interno al recipiente (272) de gas para laser.
5. Un dispositivo laser de gas como se reivindico en la reivindicacion 1 o 2, en el cual el tercer reflector (213) curvado es operable para enfocar el haz de salida del resonador en la direccion del espacio libre mas alla de la salida (323) de la banda (233) de grna de onda adicional.
6. Un dispositivo laser de gas como se reivindico en la reivindicacion 5, que comprende medios (243) de filtrado espaciales colocados sustancialmente en la cintura (333) del haz de espacio libre y adaptado para retirar los lobulos laterales del haz en la direccion del espacio libre para generar de esta manera un haz de difraccion limitada.
7. Un dispositivo laser de gas como se reivindico en la reivindicacion 5 o 6, que comprende un elemento (343) optico que esta ubicado donde un espacio libre y el tamano del haz de la grna de onda son ortogonales el uno al otro, y sustancialmente el mismo, y el elemento optico tiene una potencia optica tal que las diferentes divergencias en las direcciones ortogonales son hechas sustancialmente iguales (353), generando de esta manera un haz de difraccion limitada circular.
8. Un dispositivo laser de gas como se reivindico en la reivindicacion 5, 6 y 7, en el cual los medios (243) de filtrado espacial y el elemento (343) optico se pueden colocar internos o externos al recipiente de gas laser.
9. Un dispositivo laser de gas como se reivindico en cualquier reivindicacion precedente, en el cual la banda (232/233) de grna de onda adicional es adyacente y coplanar con la grna de onda formada por las placas (152) del electrodo.
10. Un dispositivo laser de gas como se reivindico en cualquier reivindicacion precedente, en el cual el tercer reflector (212/213) curvado es ajustable en angulo.
11. Un dispositivo laser de gas como se reivindico en cualquier reivindicacion precedente, en el cual el primero y segundo reflectores (182/184/185, 192/194/195) curvados tienen rayos de curvatura para formar un resonador casi confocal en el plano paralelo a las placas (152) del electrodo.
12. Un dispositivo laser de gas como se reivindico en cualquier reivindicacion precedente, en el cual se crea una 5 descarga mediante excitacion de radiofrecuencia del gas contenido dentro del espacio (162) entre las placas (152) del

electrodo sustancialmente paralelo.
13. Un metodo para crear un haz laser inestable confocal en el recipiente (272) de gas laser, incluyendo dicho metodo:

originar una descarga de gas entre dos placas (152) de electrodos sustancialmente paralelas mediante excitacion de radiofrecuencia del gas, formando dichas placas (152) de electrodos paralelos una grna de onda operable para enfocar 10 y reflejar un haz resonador laser;

extraer ganancia de la descarga de gas al reflejar el haz resonador resultante entre los primeros y segundos reflectores (182, 192) curvados que se enfrentan el uno al otro entre las placas (152) del electrodo para formar un resonador,

caracterizado porque guiar el haz resonador a una salida (282) del recipiente (272) de gas laser utilizando un tercer reflector (212) curvado externo al resonador;

15 en donde el haz es guiado a lo largo de la seccion adyacente de las placas (152) del electrodo sustancialmente paralelas que es paralela a un eje optico de resonador, actuando la seccion adyacente de las placas (152) del electrodo sustancialmente paralelas como una banda (232) de grna de onda adicional ubicada entre el tercer reflector (282) curvado y la salida (282) del recipiente (272) de gas laser, siendo dicha banda (232) de grna de onda adicional externa al resonador,

20 en donde el tercer reflector (212) curvado es adyacente a un extremo del resonador y la salida (282) del recipiente (272) de gas laser es adyacente y opuesta al extremo del resonador.