WO1989010642A1

WO1989010642A1 - Laser

Info

Publication number: WO1989010642A1
Application number: PCT/DE1989/000250
Authority: WO
Inventors: Keming Du; Peter Loosen; Gerd Herziger
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewand
Priority date: 1988-04-22
Filing date: 1989-04-21
Publication date: 1989-11-02
Also published as: JPH04501036A; DE3813572A1; US5148443A; EP0410991A1

Description

Laser

Beschreibung

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laser, mit einem mittels zweier Resonatorendspiegel mehrfach gefalteten Strahlengang und mit mindestens einem den Laserstrahl retroreflektiv faltenden Reflektor, dessen Achse zur Achse eines weiteren Reflektors insbesondere parallel versetzt angeordnet ist, nach Patent ... (Patentanmeldung P 37 16 873.8).

Stand der Technik

Bei dem Laser nach der Haupterfindung ist eine Vielzahl von den Laserstrahl retroreflektiv faltenden Reflektoren als Dachkantspiegel ausgebildet und jeweils zwei benachbarte sind zueinander in der Faltiingsebene etwa um die Hälfte ihrer Gesamtbreite bzw. etwa um die Breite eines Reflektorspiegels achsparallel versetzt, damit der Strahlengang des Laserstrahls hin- und hergehend und dabei fortschreitend gefaltet werden kann. Die Dachkantspiegel sind also Bauteile eines sogenannten Multipassresonators. Deren Faltungsspiegel bzw. Reflektoren dienen dazü., die Längserstreckung des Lasers zu verringern.

Durch die Faltung ergeben sich jedoch im allgemeinen Prob l eme in der Strahlführung und in der Strahlqualität. Die Strahlführung wird dadurch beeinträchtigt, daß der Strahl nicht völlig exakt in die gewünschte Richtung reflektiert wird, weil die Spiegeljustierung nicht exakt ist oder durch die Ausgestaltung des Lasers unerwünschterweise beeinflußt werden kann. Die Strahlqualität wird beispielsweise durch Beugungseffekte beim Reflektieren in den Eckbereichen von Dachkantspiegeln verschlechtert. Allgemein gilt, daß die Nachteile mit der Anzahl der Faltungen zunehmen.

Eine generelle Verbesserung hinsichtlich der vorerwähnten Nachteile ergibt sich durch die Verwendung von retroreflektiven Spiegeln, zu denen auch die vorerwähnten Dachkantspiegel zählen. Derartige retroreflektive Spiegel haben die Eigenschaft, einen einfallenden Strahl unabhängig vom Einfallswinkel parallel zu sich selbst zu reflektieren, so daß ihre Justierungsempfindlichkeit vergleichsweise gering ist. Derartige retroreflektive Reflektoren wirken in einer Ebene, wie beispielsweise die vorerwähnten Dachkantspiegel, oder dreidimensional, wenn also drei Spiegelflächen rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Obwohl die Justierungsempfindlichkeit von z. B. 10 Millirad gegenüber anderen, nicht retroreflektiven Reflektoren von z. B. 100 Mikrorad bereits erheblich verringert ist, wird die Strahlqualität jedoch noch als verbesserungswürdig angesehen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, einen Laser der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß er unter Beibehaltung seiner vergleichsweise geringen Justierungsempfindlichkeit eine verbesserte Strahlqualität aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Strahlengang mit dem retroreflektiven Reflektor mindestens zweimal gefaltet ist. Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß der Einfluß optischer Inhomogenitäten auf die Strahlqualität durch die spezielle Faltungsgeometrie dieser retroreflektiven Reflektoren zumindest teilweise aufgehoben werden kann. Auch die Justierungsempfindlichkeit wird bei solchen Reflektoren weiter verringert. Das wird in erster Linie dadurch erreicht, daß der retroreflektive Reflektor mehrfach ausgenutzt wird, um den Strahlengang zu falten. Es entfallen also die optischen Ungenauigkeiten zwischen einzelnen, von einander unabhängigen Reflektoren, wobei auch Justierungsfehler mehrerer einzelner retroreflektiver Reflektoren vermieden und die Stabilität erhöht werden können. Optische Inhomogenitäten werden insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Multipassresonatoren verringert, indem räumliche Überlagerungen einzelner Strahlengangabschnitte vermieden werden können.

Vorteilhafterweise ist die Achsversetzung der Reflektoren gleich oder größer, als der Radius des Laserstrahls und kleiner, als die radiale Erstreckung eines Reflektorspiegels. Durch diese Bemessung der Achsversetzung wird einerseits gewährleistet, daß eine gegenseitige Überlappung von Strahlengangabschnitten vermieden wird. Durch die Vermeidung von Überlappungen einander paralleler Strahlengangabschnitte des Laserstrahls wird die dabei bestmögliche Strahlqualität erreicht. Der Laserstrahl bleibt im Faltungsbereich der beiden Reflektoren. Außerdem wird dadurch ermöglicht, daß der Laserstrahl nicht in den Eckbereich eines Reflektors hineinzustrahlen braucht. Derartige Ecken zwei- oder dreidimensionaler retroreflektiver Reflektoren führen zu ausgeprägten Beugungseffekten, weil die Ecken der Reflektoren nicht exakt rechtwinklig ausgeführt werden können. Vielmehr sind stets Abrundungen und weitere Resonatorverluste bewirkende Unebenheiten vorhanden, die einen erheblichen Divergenzwinkel der von ihnen reflektierten Strahlung bewirken und auch die Strahlqualität entschieden beeinträchtigen . Därüber hinaus ist die Ecke des retroreflektiven Reflektors generell der Beschädigungsgefahr ausgesetzt, so daß durch eine diese Ecke vermeidende Strahlführung die Gefahr der Beeinträchtigung der Laserstrahlung allgemein vermieden wird.

Der retroreflektive Reflektor wirkt zweidimensional und die Achsversetzung liegt in der Faltungsebene vor. Durch diese Ausgestaltung des Lasers bzw. seiner Resonatoranordnung kann eine günstige Ausnutzung des aktiven Lasermaterials in einer Ebene erreicht werden. Eine optimale Ausnutzung des aktiven Materials im Raum bzw. in drei voneinander abweichenden Richtungen wird erreicht, wenn der retroreflektive Reflektor dreidimensional wirkt und die Achsversetzung durch eine auf den zur Verfügung stehenden Querschnitt des aktiven Lasermaterials angepaßte translatorische Versetzung dieses Reflektors bestimmt ist. In beiden vorbeschriebenen Fällen kommt zu den oben genannten Vorteilen noch eine gesteigerte Flexibilität bei der Anpassung der Reflektoren an die baulichen Gegebenheiten des Lasers durch entsprechende Wahl der Achsversetzung. Außerdem ist auch die Ausnutzung des aktiven Materials effektiver, also der Leistungsgewinn, als bei herkömmlichen Multipassresonatoren.

Vorteilhafterweise sind zwei einander zumindest optisch gegenüberliegende retroreflektive Reflektoren vorhanden und jeder Reflektor faltet den Strahlengang mindestens zweimal. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere für einen einfachen Aufbau zwei- oder dreidimensional wirkender retroreflektiver Reflektoren vorteilhaft, weil zumindest etwa gleichviel faltende und damit etwa gleichgroße Reflektoren zum Einsatz kommen.

Um den zwischen zwei retroreflektiven Reflektoren befindlichen Raum, der das aktive Lasermaterial möglichst gedrängt aufweist, möglichst vollständig auszunutzen, ist der Laser so ausgebildet, daß ein Resonatorendspiegel gleichachsig mit einem retroreflektiven Reflektor oder zu diesem achsparallel im Sinne einer spiralartigen Aufweitung des Strahlengangs angeordnet ist. Dabei ist es zweckmäßig, daß der Resonatorendspiegel im Eckbereich des Reflektors angeordnet ist, der ohnehin wegen der oben beschriebenen Nachteile nicht in den Strahlengang mit einbezogen werden sollte, so daß sich dadurch die Kompaktheit des Aufbaus des Lasers weiter steigern läßt.

Von besonderer Bedeutung für eine möglichst kompakte Bauart des Lasers ist die Ausnutzung eines sich radial in allen Richtungen erstreckenden Raums des aktiven Lasermaterials. Das kann mit ebenen bzw. zweidimensional wirkenden retroreflektiven Reflektoren dadurch erreicht werden, daß zwei den Laserstrahl in mindestens zwei Strahlengangebenen retroreflektiv zu falten gestattende zweidimensional wirkende Reflektoren und mindestens ein dazu hochkant angeordneter, die Überleitung des Strahlengangs zwischen den beiden Strahlengangebenen bewirkender retroreflektiver Reflektor vorhanden sind. Damit die retroreflektiven Reflektoren möglichst optimal zur Strahlfaltung ausgenutzt werden können, sind die beiden Resonatorendspiegel seitlich außerhalb der Strahlengangebene neben einem der retroreflektiven Reflektoren jeweils auf der Höhe einer der Strahlengangebenen angeordnet.

Wenn zwei dreidimensional retroreflektiv wirkende Reflektoren vorhanden sind und eine zwei einander parallele Strahlengangebenen bewirkende translatorische Achsversetzung aufweisen, wird die Anzahl voneinander separater reflektierender Bauteile der mehrere Strahlengangebenen aufweisenden Resonatoranordnung weiter verringert. Es entfallen ein oder mehrere Spiegel zur Überleitung des Strahlengangs zwischen zwei Strahlengangebenen.

Da die Laserstrahlung insbesondere bei einer vielfachen Faltung des Strahlengangs nicht immer zu vernachlässigende Divergenzen bzw. Leistungsverluste aufweist, ist es vorteilhaft, wenn in den Strahlengang mindestens eine zwischenfokussierende Optik eingeschaltet ist. Die Ausgestaltung dieser Optik wird auf die jeweils gegebene Anordnung der Strahlführung abgestimmt. Vorteilhafterweise ist ihre Ausbildung derart, daß die zwischenfokussierende Optik ein alle Strahlengangabschnitte jeweils umlenkender, parabolisch wirkender Spiegel oder eine sich über den gesamten, vom gefalteten Strahlengang eingenommenen Querschnitt erstreckende Sammellinse ist. Dabei wird der parabolisch wirkende Spiegel aus. Gründen einfacher Herstellbarkeit insbesondere bei in einer oder in mehreren Ebenen gefaltetem Strahlengang eingesetzt, während die Sammellinse vorzuziehen ist, wenn der Strahlengang bezüglich der Querschnittsebene derart ausgestaltet ist, daß die Herstellung parabolisch wirkender Spiegel zu aufwendig ist oder zu größerer ungenauer Strahlführung und unannehmbar verschlechterter Strahlqualität führt.

Der erfindungsgemäße Laser kann unter Heranziehung der vorbeschriebenen Merkmale insbesondere so ausgestaltet werden, daß er eine Strahlteilung ermöglicht. Er wird dabei so ausgerüstet, daß ein Resonatorendspiegel als teiltransmittierendes Fenster innerhalb des gefalteten Strahlengangs angeordnet ist, und daß diesem Resonatorendspiegel mindestens ein weiterer teiltransmittierender Auskoppelspiegel nachgeordnet ist. Die den Resonator verlassende Laserstrahlung wird zwischen den retroreflektierenden Reflektoren außerhalb des Resonatorbereichs so geführt, daß ein Teil der Laserstrahlung ausgekoppelt wird und der reflektierte Strahlungsanteil als zweiter Strahl an anderer Stelle zur Verfügung steht. Die auf diese Weise erreichte Strahlteilung ist insbesondere deswegen von Interesse, weil der den Resonator verlassende Strahlungsanteil von den retroreflektiven Reflektoren erneut durch aktives Lasermaterial geleitet und damit verstärkt werden kann, und zwar sowohl vor dem Erreichen des bzw. eines Auskoppelspiegels, als auch danach. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn beide Resonatorendspiegel gleichachsig angeordnet sind und mindestens eine Reflektorfläche eines der Reflektoren den Auskoppelspiegel bildet. In diesem Fall stehen alle durch die Reflektoren gebildeten Strahlengangabschnitte zur Verstärkung der gesamten Laserstrahlung oder eines Teils derselben zur Verfügung und die Strahlqualität sowie die Justierungsempfindlichkeit werden nicht durch eine vergrößerte Anzahl von Einzelteilen verschlechtert.

In Ausgestaltung der Erfindung hat der Laser einen das aktive Material in dem Strahldurchmesser angepaßten Kanälen aufweisenden Laserblock aus dielektrischem Werkstoff, und die retroreflektiven Reflektoren sind im Abstand vom Block oder auf entsprechend geformten Endflächen angeordnet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1, 2 zwischen zwei zweidimensionalen retroreflektiven Spiegeln gefaltete unterschiedliche Strahlengänge in schematischer Darstellung,

Fig. 3a eine perspektivische schematische Darstellung eines mit zwei Strahlengangebenen ausgebildeten Resonators,

Fig. 3b eine Aufsicht auf den Resonator der Fig. 3a zur Verdeutlichung der Strahlführung,

Fig. 4a eine perspektivische Darstellung eines Resonators mit zwei kubisch wirkenden retroreflektiven Reflektoren,

Fig. 4b die Strahlverteilung der Anordnung der Fig. 4a in Richtung A,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines einzelnen dreidimensional wirkenden retroreflektiven Reflektors,

Fig. 6 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung mit einer zwischenfokussierenden Optik, Fig. 7 einen dreidimensional wirkenden retroreflektiven Reflektor mit einem zwischenfokussierenden Parabolspiegel,

Fig. 8, 9 Ausführungsformen von Lasern mit mehrfach ausgekoppelter Laserstrahlung.

Beste Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt zwei in derselben Ebene einander gegenüberliegend angeordnete retroreflektive Reflektoren M1 und M2. Jeder Reflektor M1, M2 hat zwei im rechten Winkel zueinander angeordnete Spiegelflächen 10, 11, welche die Achsen a1, a2 als Winkelhalbierende einschließen. Diese Achsen sind in der Darstellungsebene achsparallel zueinander versetzt, wobei die Achsversetzung gleich d ist. Die Reflektoren M1, M2 bilden mit zwei Resonatorendspiegeln m1, m2 eine Resonatoranordnung, wobei der zwischen den Endspiegeln m1, m2 verlaufende Laserstrahl 13 in der Darstellungsebene mehrfach gefaltet ist. Die räumliche Ausbreitung bzw. der Durchmesser des Laserstrahls 13 wird durch den Spiegel ml bestimmt, der im Eckbereich des Reflektors M1 angeordnet ist. Demgemäß hat der Laserstrahl 13 den Durchmesser D. In Bezug darauf ist die Achsversetzung der Reflektoren M1, M2 derart, daß d gleich oder größer als D/2 ist, also als der Radius des Laserstrahls 13.

Gemäß Fig. 1 ist der Strahlengang des Laserstrahls 13 zwischen den Resonatorendspiegeln m1, m2 mehrfach gefaltet, wobei der linke Reflektor M1 zweifach und der rechte Reflektor M2 dreifach faltet. Es ergeben sich insgesamt sechs parallel nebeneinander in einer Strahlengangebene liegende Strahlengangabschnitte 14, wobei die Parallelität der Strahlengangabschnitte 14 relativ unabhängig davon ist, ob die Reflektoren M1, M2 etwa in der Darstellungsebene gemäß Doppelpfeil 29 geringfügig zueinander verdreht sind; denn die Faltung durch die Reflektoren M1, M2 erfolgt retroreflektiv, d.h. ein einfallender Strahlengangabschnitt wird parallel zu sich selbst reflektiert. Aus Fig. 1 ist weiterhin ersichtlich, daß die Strahlengangabschnitte 14 relativ dicht nebeneinander angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine gute Ausnutzung des aktiven Lasermaterials, welches zur Vereinfachung nicht dargestellt ist. Die Ausnutzung ist über den gesamten der Laserstrahlung zur Verfügung stehenden Querschnitt etwa gleich groß, weil der Resonatorendspiegel ml gleichachsig mit dem retroreflektiven Reflektor M1 angeordnet ist und die Achsversetzung d nur wenig größer als D/2 ist. Dieses Übermaß bestimmt, wie weit die beiden innersten Strahlengangabschnitte 14a, 14b von der Ecke 15 des Reflektors M2 entfernt sind. Diese Entfernung der Strahlengangabschnitte 14a, 14b von der Ecke 15 bzw. die gegenseitige Entfernung der Strahlengangabschnitte 14a, 14b muß um größer sein, je inhomogener die Ausbildung der Ecke 15 und je größer infolgedessen die Verringerung der Strahlqualität ist.

Fig. 2 zeigt eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung, bei der der Abstand der einander benachbarten inneren Strahlengangabschnitte 14a, 14b erheblich größer ist, als in Fig. 1. Diese Ausführungsform kommt für solche Resonatoranordnungen in Betracht, bei denen die Ecken 15 der Reflektoren M1, M2 besonders inhomogen sind. Das ist beispielsweise der Fall, falls die Reflektoren M1, M2 nicht einstückig sind, also beispielsweise aus einstückigen Dachkantspiegeln bestehen, sondern aus voneinander separaten Spiegelflächen, die mit einem gewissen Abstand voneinander z.B. von einem blockartigen Bauteil in ihrer zueinander rechtwinkeligen Anordnung gehalten werden. In diesem Fall ist nicht nur die Ecke 15, sondern auch der sie umgebende Eckbereich für eine Reflektion des Laserstrahls nicht verwendbar und vorteilhafterweise wird der Resonatorendspiegel ml nicht gleichachsig zum Reflektor M1 angeordnet, wie in Fig. 1, sondern achsparallel zu diesem Reflektor M1 versetzt.

In beiden vorbeschriebenen Resonatoranordnungen ist die Zuordnung der Resonatorendspiegel M1, M2 zu den Achsen a1, a2 der Reflektoren M1, M2 so getroffen, daß sich eine spiralartige Aufweitung des Strahlengangs ergibt. In beiden Fällen versteht sich auch, daß die Achsversetzung d kleiner ist, als die radiale Erstreckung r eines Reflektorspiegels, z. B. 11, da sonst eine Mehrfachfaltung durch zumindest einen Reflektorspiegel, z.B. M2 nicht möglich ist.

In Fig. 3a, 3b ist ein Laser mit zwei retroreflektiven Reflektoren M1, M2 dargestellt, welche als Dachkantspiegel für zwei übereinander liegende Strahlengangebenen 16, 17 ausgebildet sind. Dementsprechend ist die Höhe h jedes Reflektors M1, M2 mindestens gleich 2D. Zur Überleitung des Laserstrahls 13 zwischen den beiden Strahlengangebenen 16, 17 ist ein hochkant angeordneter retroreflektiver Reflektor M3 vorhanden, der die Umlenkung des Laserstrahls 13 zwischen den Strahlengangabschnitten 14c und 14d vornimmt, wobei er gleichachsig mit dem Reflektor M1 angeordnet ist, der in seinem Eckbereich zwei übereinanderliegende Durchtrittsbohrungen 18 für den Laserstrahl 13 aufweist.

Der Reflektor M1 ist gemäß Fig. 3b unter Berücksichtigung der Achsversetzung d etwas schmaler gehalten, als der Reflektor M2, so daß der Laserstrahl 13 zu den Resonatorendspiegeln m1, m2 gelangen kann. Diese sind an einem Trägerblock 19 übereinander jeweils auf der Höhe der Strahlengangebenen 16, 17 angeordnet. Der Spiegel m1 wirkt, wie bei den Ausführungsformen der Fig. 1, 2, ausschließlich reflektierend, während der Spiegel m2, wie die Spiegel m2 der vorbeschriebenen Ausführungsformen, ein teiltransmittierendes Fenster ist, also als Auskoppelspiegel wirkt. Der Strahlengang der Laserstrahlung 13 verläuft infolgedessen ausgehend vom Spiegel m1 in der Strahlengangebene 16 spiralig bis in die Achse al des Reflektors M1 und von dort über den hochkant angeordneten Reflektor M3 in die Strahlengangebene 17 und sich spiralig aufweitend bis zum Endspiegel m2, durch den ein Teil der Laserstrahlung ausgekoppelt wird. Die in den Fig. 1 bis 3b dargestellten Resonatoranordnungen betreffen retroreflektive Reflektoren, welche zweidimensional wirken. Diese sind senkrecht zur Darstellungsebene justierungsempfindlich, so daß. bei entsprechenden Anforderungen vorteilhafterweise dreidimensional wirkende retroreflektive Reflektoren verwendet werden sollten. Einen solchen Reflektor M4 zeigt in schematischer Darstellung Fig. 5. Dieser Reflektor M4 besteht aus drei rechtwinkelig zueinander angeordneten Spiegeln 20, 21, 22, was in Fig. 4a ebenfalls dargestellt wurde. Die Laserstrahlung wird durch einen solchen kubisch wirkenden retroreflektierenden Reflektor M4 auch dann parallel zu sich selbst reflektiert, wenn der Reflektor nicht nur in der Darstellungsebene verschwenkt angeordnet ist, sondern auch und/oder zusätzlich in einer zur Reflektorachse senkrechten Richtung.

In Fig. 4a ist eine Reflektoranordnung dargestellt, deren Reflektoren M4, M5 kantenparallel bzw. drehungsfrei und damit translatorisch um den Vektor r0 verschoben ist. Es ergeben sich zwei Faltungsebenen 16, 17 gemäß Fig. 4b, in der die Projektionen r'0 und die Projektionen der in Fig. 4a dargestellten Ortsvektoren r2 bis r5 der ümlenkpunkte des Strahlengangs des Laserstrahls 13 auf den Reflektorspiegeln 20, 21, 22 sowie die Projektionen der Ortsvektoren r1, r6 für die Resonatorendspiegel m1, m2 bzw. die mit diesen fluchtenden Durchtrittsöffnungen des Spiegels 20 eingezeichnet sind, von denen eine Durchtrittsöffnung 23 in Fig. 4a dargestellt ist.

Die Achsversetzung der Reflektoren M4, M5 ergibt sich aus der Projektion r'0.

Fig. 6 zeigt eine der Fig. 1 ähnliche Anordnung von Reflektoren M1, M2 und Resonatorendspiegeln m1, m2, wobei aber in dem Strahlengang des Laserstrahls 13 ein parabolisch wirkender Spiegel 24 angeordnet ist. Die Anordnung ist derart, daß eine ümlenkung des gesamten Strahlenganges um 90° erfolgt. Der Spiegel 24 ist eine zwischenfokussierende Optik und besteht aus mehreren, jeweils einen Parabolspiegel bildenden Spiegelteilen 24', die auf den Strahlengang so abgestimmt sind, daß jedem Strahlengangabschnitt, z. B. 14a, ein Spiegelteil 24' zugeordnet ist und die zwischenfokussierende Wirkung ausübt.

Die aus Fig. 6 ersichtliche, um 90° erfolgende ümlenkung des gesamten Strahlengangs kann unerwünscht sein, wenn die durch die ümlenkung bedingten räumlichen Überlagerungen der Strahlengangabschnitte in aktivem Material stattfinden. In diesem Fall wäre eine Sammellinse anstelle des Spiegels 24 und Anordnung der Reflektoren gemäß Fig. 1 vorteilhafter.

Fig. 7 zeigt einen retroreflektiven Reflektor M4 mit drei rechtwinkelig zueinander angeordneten Reflektorspiegeln 20 bis 22, wobei jedoch der Spiegel 20 parabolisch ausgebildet ist. Es erfolgt also eine Zwischenfokussierung durch diesen Spiegel 20 im Falle des dreidimensional wirkenden Reflektors M4. Da der Spiegel 20 die Fokussierung nur bezüglich einer Ebene vornehmen kann, ist es erforderlichenfalls vorteilhaft, auch die Spiegel 21, 22 parabolisch auszubilden.

Fig. 7 betrifft die Ausbildung eines oder mehrerer Reflektorspiegel 20 bis 22 des räumlich wirkenden Reflektors M4 als zwischenfokussierende Optik. Auch bei zweidimensional wirkenden Reflektoren ist eine Zwischenfokussierung durch den Reflektor selbst möglich. Dies wurde in Fig. 3a durch eine entsprechend gekrümmte Kantenlinie 25 am Reflektor M2 angedeutet.

Anstelle der Resonatorendspiegel m1 oder m2 kann ein Scraperspiegel mit konvex gekrümmtem, auf die Lochgröße des Scraperspiegels abgestimmtem Endspiegel verwendet werden, um einen Multipassresonator instabiler Konfiguration zu schaffen, der insbesondere für einen Hochleistungslaser ausgelegt ist, wobei die vielfache Faltung des Strahlengangs zu einer entsprechend großen Verstärkung bei möglichst kompakter Laserausbildung und den vorbeschriebenen besonderen Vorteilen geringer Justierungsempfindlichkeit und hoher Strahlqualität führt. Es ist aber auch möglich, die vorbeschriebenen Resonatorkonfigurationen stabil auszubilden. Die mehrfache Faltung mit eng nebeneinander liegenden Strahlengangabschnitten bewirkt dann die gewünschte hohe Ausnutzung des aktiven Lasermaterials auch bei niedrigen Moden bzw. geringen Strahlquerschnitten.

Besondere Bedeutung hat die erfindungsgemäße Mehrfachfaltung in dem Fall, daß gemäß Fig. 8, 9 ein Resonatorendspiegel m2 innerhalb des gefalteten Strahlengangs des Laserstrahls 13 angeordnet, wird. Fig. 8, 9 zeigen gleichachsig angeordnete Resonatorendspiegel m1, m2. Der Spiegel m2 ist teiltransmittierend, so daß die ihn verlassende Laserstrahlung in ihren Grundeigenschaften durch die Verhältnisse zwischen den Spiegeln m1, m2 bestimmt wird. Der Resonator kann beispielsweise mit einer nicht dargestellten Modenblende auf Grundmodebetrieb eingestellt werden. Die den teiltransmittierenden Resonatorendspiegel m2 verlassende Strahlung wird dann in vorbeschriebener Weise durch die retroreflektiven Reflektoren M1, M2 und gegebenenfalls eine zwischenfokussierende Optik 24 gefaltet bzw. umgelenkt, wobei sie beim Durchlaufen aktiven Materials verstärkt wird.

Die Besonderheit beider Ausführungsformen der Fig. 8, 9 besteht darin, daß dem Resonatorendspiegel m2 ein Auskoppelspiegel m3 im Strahlengang nachgeordnet ist. Infolgedessen verläßt ein Teil des Laserstrahls das System und bildet einen ersten externen Laserstrahl S1. Dabei ersetzt der Auskoppelspiegel m3 den lediglich reflektierenden, nicht teiltransmittierenden Spiegel 11 des retroreflektiven Reflektors M1. Infolgedessen ergibt sich eine den Fig. 1, 2 entsorechende spiralige Führung des Strahlengangs, bei der jedes Mal, wenn der Laserstrahl erneut auf den Reflektorspiegel m3 trifft, ein weiterer externer Laserstrahl erzeugt wird, z.B. S2, bis der Laserstrahl 13 das Reflektorsystem verläßt und den externen Strahl S3 bildet. Auf diese Weise kann eine Strahlteilung erreicht werden, wobei auch von den Vorteilen der vorbeschriebenen Ausfύhrungsformen Gebrauch gemacht wird. Bei der Strahlaufteilung ist besonders vorteilhaft, daß nach jeder Strahlteilung eine Verstärkung stattfindet, so daß externe Strahlen mit entsprechend angepaßten Leistungen zur Verfügung stehen. Beispielsweise kann die Leistungsanpassung so erfolgen, daß alle Strahlen gleiche Leistung haben. Es ist dann beispielsweise Grundmodebetrieb möglich, so daß die externen Laserstrahlen S1 bis S3 beispielsweise als parallel geführte Schneidstrahlen eingesetzt werden können, z.B. bei der Blechtrennung.

In Fig. 8 ist zwischen den Reflektoren M1, M2 ein Laserblock 26 angeordnet, der aus dielektrischem Werkstoff besteht, beispielsweise aus Keramik. In ihm sind Kanäle 27 angeordnet, die das aktive Material aufnehmen, beispielsweise Gas. Der Laserblock 26 hat im Winkel zueinander stehende Endflächen 28, auf die der retroreflektive Reflektor M1 bzw. M2 aufgebracht ist, so daß sich eine dementsprechend kompakte und stabile Laserausgestaltung ergibt.

Die Kanäle 27 sind entsprechend dem Strahlengang einander parallel und senkrecht zueinander angeordnet, so daß sie sich entsprechende räumliche Überlagerung der Strahlengänge ergeben. Das kann zu einer unannehmbaren Verschlechterung der Strahlqualität führen. In diesem Falle müßten räumlichen Überlagerungen außerhalb des aktiven Materials des Lasers erfolgen, was in Fig. 9 dargestellt wird, wo der Laserblock 26 so angeordnet ist, daß die retroreflektierenden Reflektoren M1, M2 bzw. der zwischenfokussierende Spiegel 24 Abstand davon haben. Bezüglich der Resonatorendspiegel m1, m2 versteht sich für alle Ausführungsformen, daß entweder teiltransmittierende oder vollreflektierende Spiegel verwendet werden können. Während erstere üblicherweise dazu benutzt werden, stabile Resonatoren zu bilden, werden letztere zur Konstruktion instabiler Resonatoren herangezogen. Die vorbeschriebenen Faltungskonzepte sind also für die beiden grundsätzlichen Resonatorkonzepte einsetzbar. Außerdem ist es möglich, die Resonatorendspiegel m1, m2 durch nicht lichtsperrende Fenster zu ersetzen. Es liegt dann ein Verstärker bzw. Oszillator vor, der der Verstärkung des in ihn eingestrahlten kohärenten Lichts dient. Ein solcher Verstärker kann in Verbindung mit Lasern eingesetzt werden, die ihrerseits ein eigenständiges, laserlichterzeugendes Resonatorsystem aufweisen. Auch in einem solchen Fall bewähren sich die vorbeschriebenen Faltungskonzepte im Sinne der Aufgabenstellung zur Verbesserung von Lasersystemen.

Gewerbliche Verwertbarkeit

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung eines Lasers mit erheblich verbesserter Strahlungsqualität.

Claims

Ansprüche

1. Laser, mit einem mittels zweier Resonatorendspiegel mehrfach gefalteten Strahlengang und mit mindestens einem den Laserstrahl retroreflektiv faltenden Reflektor, dessen Achse zur Achse eines weiteren Reflektors insbesondere parallel versetzt angeordnet ist, nach Patent ... (Patentanmeldung P 37 16 873.8), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Strahlengang mit dem retroreflektiven Reflektor (M1, M2 , M4, M5) mindestens zweimal gefaltet ist.

2. Laser nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Achsversetzung (d) der Reflektoren (M1, M2, M4, M5) gleich oder größer ist, als der Radius (D/2) des Laserstrahls (13) und kleiner, als die radiale Erstreckung (r) eines Reflektorspiegels (z. B. 11).

3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der retroreflektive Reflektor

(M1, M2) zweidimensional wirkt und die Achsversetzung (d) in der Faltungsebene vorliegt.

4. Laser nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z ei c h n e t, daß der retroreflektive Reflektor

(M4, M5) dreidimensional wirkt und die Achsversetzung durch eine auf den zur Verfügung stehenden Querschnitt des aktiven Lasermaterials angepaßte translatorische Versetzung r0 dieses Reflektors (z. B. M4) bestimmt ist.

5. Laser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwei einander zumindest optisch gegenüberliegende retroreflektive Reflektoren (M1, M2) vorhanden sind und jeder Reflektor (M1, M2) den Strahlengang mindestens zweimal faltet.

6. Laser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Resonatorendspiegel (m1) gleichachsig mit einem retroreflektiven Reflektor (M1) oder zu diesem achsparallel im Sinne einer spiralartigen Aufweitung des Strahlengangs angeordnet ist.

7. Laser nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Resonatorendspiegel (m1) im Eckbereich des Reflektors (M1) angeordnet ist.

8. Laser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwei den Laserstrahl (13) in mindestens zwei Strahlengangebenen (16, 17) retroreflektiv zu falten gestattende zweidimensional wirkende Reflektoren (M1, M2) und mindestens ein dazu hochkant angeordneter, die Überleitung des Strahlengangs zwischen den beiden Strahlengangebenen (16, 17) bewirkender retroreflektiver Reflektor (M3 ) vorhanden sind.

9. Laser nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die beiden Resonator endspiegel (m1, m2) seitlich außerhalb der Strahlengangebenen (16, 17) neben einem der retroreflektiven Reflektoren (M1, M2) jeweils auf der Höhe einer der Strahlengangebenen (16, 17) angeordnet sind.

10. Laser nach Anspruch 4 und 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwei dreidimensional retroreflektiv wirkende Reflektoren (M4, M5) vorhanden sind und eine zwei einander parallele Strahlengangebenen (16, 17) bewirkende translatorische Achsversetzung (r0) aufweisen.

11. Laser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in den Strahlengang mindestens eine zwischenfokussierende Optik (24) eingeschaltet ist.

12. Laser nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die zwischenfokussierende Optik (24) ein alle Strahlengangabschnitte jeweils umlenkender, parabolisch wirkender Spiegel oder eine sich über den gesamten, vom gefalteten Strahlengang eingenommenen Querschnitt erstreckende Sammellinse ist.

13. Laser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Resonatorendspiegel (m2) als teiltransmittierendes Fenster innerhalb des gefalteten Strahlengangs angeordnet ist, und daß diesem Resonatorendspiegel (m2) mindestens ein weiterer teiltransmittierender Auskσppelspiegel (m3) nachgeordnet ist.

14. Laser nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß beide Resonatorendspiegel (m1, m2) gleichachsig angeordnet sind und mindestens eine Reflektorfläche eines der Reflektoren den Auskoppelspiegel (m3) bildet.

15. Laser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß er einen das aktive Material in dem Strahldurchmesser angepaßten Kanälen (27) aufweisenden Laserblock (26) aus dielektrischem Werkstoff hat, und daß die retroreflektiven Reflektoren (M1, M2, M4, M5) im Abstand vom Block (26) oder auf entsprechend geformten Endflächen (28) angeordnet sind.

16. Laser, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß anstelle der Resonatorendspiegel (m1, m2) nicht lichtsperrende Fenster vorhanden sind.