WO1992001322A1

WO1992001322A1 - Laserresonator

Info

Publication number: WO1992001322A1
Application number: PCT/DE1991/000568
Authority: WO
Inventors: Keming Du; Peter Loosen; Uwe Habich
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date: 1990-07-11
Filing date: 1991-07-11
Publication date: 1992-01-23
Also published as: DE9117074U1; DE4123024C2; DE4123024A1

Abstract

Beschrieben wird ein Laserresonator mit zwei einander zugewendeten Spiegeln (M1, M2) und mit einer Strahlauskoppelstelle (13). Erfindungsgemäss ist die Spiegelfläche wenigstens eines Spiegels (M1) derart ausgebildet, dass die von ihr reflektierte Strahlung (23) in azimutaler Richtung umläuft.

Description

Laserresonator B e s c h r e i b u n g

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laserresonator, mit zwei einander zugewendeten Spiegeln und mit wenigstens einer Strahiauskoppelstelle.

Stand der Technik

Derartige Resonatoren, die mit sog. Laser-Endspiegeln versehen sind, und bei denen das im Rescnatcr zwischen den Endspiegein befindliche Medium angeregt wird, sind allgemein bekannt.

Bei einer Reihe von Lasern sind die beiden Spiegel nicht nur gieichachsig angeordnet, sondern ihre gemeinsame Achse ist zugleich auch die optische Achse des optischen Systems, von der aus sich die Laserschwingung aufbaut. Um einen Ausgangsstrahl des Lasers zu erhalten, ist mindestens einer der Spiegel teiidurchiässig ausgeführt, reflektiert also nur einen Teil der auf ihn fallenden Strahlung und läßt den anderen Teil der

Strahlung durch; weiterhin ist es bekannt, einen Spiegel mit einem im Vergleich zum anderen Spiegel geringeren Außendurchmesser zu versehen, so daß ein im Querschnitt ringförmiger Ausgangsstrahl gebildet wird.

Wie bereits ausgeführt, wird bei den allgemein bekannten Resonatoren das zwischen den Spiegein befindliche aktive Medium z.B. durch Pumplicht oder durch Hochfrequenzstrahlung angeregt. Die beim Anregungsprozeß entstehende Wärme muß abgeführt werden. Hierzu steht bei den Lasern mit Laserresonatoren, bei denen die Achse der beiden Spiegel mit der optischen Achse zusammenfällt, nur der Außenumfang des aktiven Mediums zur Verfügung.

Es ist deshalb mehrfach vorgeschlagen worden, den Laserresonator mit dem aktiven Medium mit einem kreisringförmigen Querschnitt zu versehen, so daß eine Wärmeabfuhr auch über die innere Begrenzungsfläche möglich ist.

Bei einer kreisring- bzw. annularförmigen Querschnittsausbiidung des aktiven Mediums sind die verschiedensten Resonatorausbildungen mit zusätzlichen Umienk- oder Faltungsspiegeln oder mit in Axialrichtung fokussierenden Spiegeln vorgeschlagen worden. Nur beispielhaft wird auf die DE 35 46 152 AI, die DE 35 16 232 C2 oder die DE 38 13 951 A1 verwiesen.

Weiterhin sind Resonatoren mit internen Axicons bekannt. Bei diesen Resonatoren sind die Endspiegei auf der einen Seite des hohlzylindrischen aktiven Mediums angeordnet; auf dessen anderer Seite befindet sich ein Axicon. Letzteres faltet aus dem aktiven Medium auf ihm fallendes Licht U-förmig durch den Hohlraum und durch eine Bohrung eines ringförmigen Resonatorenendspiegels hindurch auf den anderen gleichachsig angeordneten Endspiegel, der teildurchlässig ist oder einen den Durchmesser des ringförmigen Endspiegels unterschreitenden Außendurchmesser aufweist. Ein solcher Resonator mit internem Axicon hat also für jeden Strahlengangabschnitt eines Laserstrahls vier optische Flächenabschnitte, nämlich zwei an den Endspiegein und zwei am Axicon. Alle vier Spiegelflächen müssen extrem genau zueinander justiert werden. Außerdem weisen die Resonatoren eine hohe Empfindlichkeit gegen transversale Verschiebung des Axicons bezüglich der optischen Achse auf.

Die Spaltung der optischen Achse bei diesem Resonator und die relativ große Frsneizahl führen zum Anschwingen muitihoher azimutaler Moden mit einer schiechten

Strahlqualität. Reflexionen infoige der Achsversetzung (off-axis-Refiexionen) verursachen Poiansationsrotation, also Veränderungen der Polarisation m azimutaler bzw. Umfangsrichtung. Die vorgenannten Justier- und Strahiσualitätsprobleme lassen Resonatoren mit internen Axicons als nicht optimale Lösung erscheinen.

Außerdem sind kreisringförmige bzw. hohizylindrische Muitipass-Resonatoren bekannt. Diese haben außer den beiden Endspiegeln zwei Faltungsspiegel, die derart angeordnet sind, daß der Laserstrahl zickzackförmig oder U-förmig gefaltet durch das hohizylindrische aktive Medium geschickt wird. Bei derartigen Resonatoren kann zwar die Justierempfindlichkeit durch entsprechende Ausbildung der Spiegel, insbesondere der Faitungεspiegel in erträglichen Grenzen gehalten werden und es ergibt sich auch eine annehmbare Strahlqualität, jedoch wird das aktive Medium nur zum Teil ausgenutzt, weil die Strahlengänge nicht das gesamte zur Verfügung stehende Volumen beanspruchen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laserresonator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß ein aktives Medium mit insbesondere annularförmigen bzw. hohlzylindrischem Querschnitt vollständig der Erzeugung von Laserstrahlung ausgenutzt wird, und der Strahl bei geringem Jusiteraufwnad eine gute Qualität hat.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Spiegelfläche wenigstens eines Spiegels derart ausgebildet ist, daß die von ihr reflektierte Strahlung in azimutaler Richtung umläuft.

Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Resonator entweder als Wave-Guide-Resonatcr ausgebildet sein, oder wenigstens eine Spiegelfläche radial gekrümmt sein. Dabei ist es bevorzugt, wenn die radial gekrümmte Spiegelfläche wenigstens teilringförmig ausgebildet und dort mit einer die Strahlung azimutal ablenkenden Krümmung versehen ist, und daß die lokalen Neigungen der gekrümmten Spiegelfläche in radialer und azimutaler Richtung im Sinne des Umlaufs der Strahlung auf der teilringförmigen Spiegelfläche aufeinander abgestimmt sind.

Ein Vorteil der Erfindung ist, daß nur zwei Spiegel benötigt werden, um ein annularförmiges bzw. hohlzylindrisches aktives Medium zumindest auf einem Teil des gesamten Ringumfangs querschnittsmäßig vollständig zum Lasern heranzuziehen. Ein wichtiger Vorteil ist damit, eine Vollvolumendeckung des hohlzylindrischen aktiven Mediums mit nur zwei Spiegeln zu erreichen, also eine hohe Effizienz mit der geringstmöglichen Zahl justierempfindlicher Spiegel. Desweiteren ist die Justierung bezüglich einer oder mehrerer optischer Achsen unproblematisch, was sich günstig auf die

Strahlqualität bzw. auf eine gewünschte Strahlverteilung auswirkt.

Die azimutale Krümmung der Spiegelfläche bewirkt eine azimutale Neigung der Strahlung und die Abstimmung der lokalen Neigungen der Spiegelfläche bewirkt den infolge der Ringform erforderlichen Umlauf der Strahlung. Die Abstimmung erfolgt beispielsweise durch Verlagerung der KrümmungsZentren, wobei die Größe der Verlagerungen in bekannter Weise experimentell oder rechnerisch ermittelt werden kann.

Wenn man davon ausgeht, daß die durch die azimutale Krümmung bedingte Ablenkung der Strahlung sehr gering ist, wird der Laserresonatcr so ausgebildet, daß die azimutale Krümmung folgender Bedingung genügt:

z (r,ø) beschreibt die Form der Spiegelfläche in radialer (r) und azimutaler (ø) Richtung,

r = radialer Koordinate

ø = Azimutwinkel

r_o = radiale Koordinate des Strahiungskreises

L = Abstand der Spiegeimittelpunkte c = resonatorabhängige Konstante. Durch Einhalten der oben genannten Beziehung können alle Strahlanteile auf einem Kreis bzw. einem Teilkreis mit dem Radius r₀ umlaufen.

Es ist zweckmäßig, die gekrümmte Spiegelfläche vollringförmig auszubilden, um eine optimale Ausnutzung des gesamten hohlzylindrischen aktiven Mediums zu erreichen. Die dadurch erreichbaren Vorteile sind aber auch dadurch zu erzielen, daß zwei halbringförmige gekrümmte Spiegelflächen beidseitig der optischen Achse angeordnet sind.

Im Bedarfsfall wird der Laserresonator so ausgebildet, daß zwischen den beiden Spiegein mehrere optische Achsen vorhanden sind, und daß zumindest eine der Anzahl der optischen Achsen entsprechende Anzahl gekrümmter Spiegelflächen vorhanden ist, und daß jeder optischen Achse mindestens eine der Spiegelflächen zugeordnet ist. Mit Hilfe mehrerer optischer Achsen kann insbesondere die gewünschte Strahlverteiiung gewährleistet werden, nämlich die Ausbildung von mehreren, der Anzahl der optischen Achsen entsprechenden Laserstrahlen, wenn entsprechend viele Strahlauskoppelsteiien vorhanden sind.

Um eine stabile und den praktischen Anforderungen an den Aufbau des Resonators genügende Ausgestaltung zu erreichen, wird der Laserresonator so ausgebildet, daß ein eine Strahlauskoppelstelle aufweisender Spiegel ein geschlossener Ring mit einer die Strahiauskoppelstelle bildenden Aussparung ist. Der geschlossene, insbesondere einstückige Ring sorgt für die gewünschte Stabilität des betreffenden Spiegels und die Aussparung bildet die Strahiauskoppelstelle in baulich einfacher Weise. Eine Beeinflussung der Strahlqualität ist dadurch möglich, daß zwischen den Spiegeln oder an den Spiegeln die Modenbildung beeinflussende Bauteile vorhanden sind. Die die Modenbildung beeinflussenden Bauteile erlauben es, Moden zu selektieren und demgemäß den Laserstrahl bzw. dessen Qualität an den gewünschten Einsatzzweck anzupassen.

In Anpassung an die Ausgestaltung des die radial gekrümmte Spiegelfläche aufweisenden Spiegeis ist der Laserresonator so ausgebildet, daß die Bauteile ringförmig, scheibenförmig oder einen Außenring und eine Innenscheibe aufweisende Modenblenden mit radial nach innen bzw. außen weisenden, die gekrümmte Spiegelfläche azimutal verteilt abdeckenden Blendenabschnitten sind. Die Biendenabschnitte gestatten es bei entsprechender Anordnung oder bei der Verwendung mehrerer Modenbienden, den gewünschten Mode zu züchten.

Es ist aber auch möglich, den Laserrescnatcr sc auszubilden, daß die gekrümmte Spiegelfläche nichtreflektierende und/oder parallel zur optischen Achse vor- oder zurückspringende reflektierende Flächenabschnitte aufweist. Die nichtreflektierenden Fiächenabschnitte wirken grundsätzlich wie Modenblenden, da sie optisch nicht aktiv sind. Die vor- oder zurückspringenden Flächenabschnitte sind optisch aktiv, reflektieren also, bewirken jedoch eine konstruktive Interferenz für den gewünschten Mode und eine destruktive Interferenz für alle anderen Moden.

Es ist möglich, daß einer der Spiegel zumindest auf einem Teil seines Umfangs teiltransmissiv (teildurch lässig) ist. Bei einer derartigen Ausbildung kann die teiltransmissive Auskoppelstelle vergleichsweise groß gehalten werden, ohne den Auskoppelgrad zu groß zu machen oder das Anschwingen des Lasers zu beeinträchtigen. Der Querschnitt des ausgekoppelten Strahls kann durch Wahl der teiltransmissiven Fläche des Spiegels im gewünschten Sinne beeinflußt werden, um ihn an die durchzuführende Bearbeitung anzupassen. Das ist von besonderer Bedeutung, wenn die Modenbildung beeinflussende Bauteile verwendet werden, die ebenfalls dazu dienen, den Laserstrahl bzw. dessen Qualität an den gewünschten Einsatzzweck anzupassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

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

Fig. 1a und b die Abbildung eines ringförmigen Spiegeis mit einer in radialer Richtung und in azimutaler Richtung gekrümmten Spiegelfläche in Rückansicht und im Schnitt,

Fig. 2 eine skizzierte perspektivische Darstellung

eines dem Ring der Fig. la,d ähnlichen Ringes, jedoch mit erheblich vergrößerten axialen Abweichungen der Spiegelflächenabschnitte,

Fig. 3 eine Abwicklung der Höhe der Spiegelfläche des

Spiegels der Fig. 2 auf einem Mittelradius r₀ in azimutaler Richtung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Berechnungsgrößen für die mathematische Bedingung, unter der die Laserstrahlung auf dem Kreis r₀ umläuft,

Fig. 5 bis 7 schematische Darstellungen zweier Spiegel für mit in azimutaler Richtung über unterschiedliche Umfange umlaufende Laserstrahiung,

Fig. 8 eine eindimensionale Darstellung eines Laserresonators mit nichtlinearer Magnifikation,

Fig. 9a,b,c unterschiedliche Ausbildungen von Modenblenden,

Fig. 10 und 11 Spiegel mit unterschiedlich ausgebildeten modenseiektierenden Bauteilen, und Fig. 12 ein Ausführungsbeispiel mit einer "Wave-Guide"

Die Fig. la,b zeigen die konstruktive Ausbildung eines Spiegels M2 eines Laserresonators 10, der m Fig. 5 schematisch dargestellt ist und aus den beiden Spiegeln M1 und M2 besteht, die in einem Abstand 1 ihrer Spiegelmittelpunkte O voneinander koaxial angeordnet sind. Die Spiegel M1, M2 sind ringförmig ausgebildet und bilden jeweils einen Strahlungskreis mit der radialen Koordinate r=r_o. Infolge des ringförmigen Aufbaus der Spiegel M1, M2 wird zwischen ihnen ein annularförmiger bzw. hohlzylindrischer Raum gebildet, der von aktivem Medium eingenommen werden kann, also beispielsweise einem Lasergas für chemische Laser oder für Gaslaser.

Werden für einen derartigen Laser rohrfcrmige Elektroden zur Hochfrequenzanregung eingesetzt, so wird der Durchmesser der Außenelektrode durch den Außendurchmesser der Spiegel M1, M2 bestimmt und der Durchmesser der Innenelektrode durch den Innendurchmesser der Spiegel M1, M2. Dieser Innendurchmesser kann gegen null tendieren. Den Raum für den Mittelpunkt O bzw. die die beiden Mittelpunkte O verbindende Achse 18 und den unmittelbar angrenzenden Raum wird man nicht in den Reflexionsräum für Laserstrahlung einbeziehen, da sich hier wegen der speziellen Ausbildung der Spiegelfläche 11 der Spiegel M1, M2 unerwünschte physikalische Erscheinungen beim Laser einstellen. Eine solche Ausbildung der Spiegel Ml, M2, also mit gegen null tendierender radialer Koordinate r. des Innendurchmessers wird auch nur dann angewendet werden können, wenn auf eine Innenkühlung des Raums für das aktive Medium verzichtet werden kann. Insbesondere in diesem Fall ist es auch möglich, die Spiegel als Scheiben auszubilden, von denen mindestens eine die spezielle, nachfolgend beschriebene Spiegelfläche aufweist. Praktisch dürfte der Einsatz einer solchen vollen Scheibe insbesondere dann sein, wenn der Spiegel M2 unter Berücksichtigung des Resonatortyps als Scheibe mit planer Spiegelfläche ausgebildet werden kann.

Die Spiegel M1, M2 des Resonators 10 besitzen in besonderer Weise ausgebildete Spiegeflächen 11. Sie sind in radialer Richtung gekrümmt, also in Richtung der radialen Koordinate r, und sie sind in azimutaler Richtung gekrümmt, also in Richtung des Azimutwinkels ø. Die in Richtung der Mittelachse gegebene Ξrstreckung der Spiegelflächen 11 ist demgemäß z = f (r,ø). Diese axiale Erstreckung z bzw. die radiale und die azimutale Krümmung muß so gestaltet sein, daß die Laserstrahlung auf einem Kreis mit dem mittleren Radius r_o umläuft. In dieser Strahlungsbahn ist eine Strahiauskoppelstelle 13 vorhanden. Anhand von Fig. 4 wird die Bedingung abgeleitet, welcher die axiale Erstreckung z(r,ø) genügen muß, damit der Laserstrahl bzw. die Laserstrahlung auf den Spiegein M1, M2 mit dem Radius r₀ umläuft. Es ergibt sich ersichtlich:

Diese Bedingung muβ also erfüllt sein, um die Strahlung auf einen Kreis mit dem Radius r_o zu zwingen. In dieser Beziehung sind

und

die Tangential- bzw. Radialkomponenten, des nicht dargestellten Vεrbindungsvektcrs zwischen unα Für αiese Komponenten gilt:

In den Gleichungen (1a) sind und die azimutale:

bzw. radialen Winkelkomponenten eines Projektionsstrahis 19 vom Additionspunkt 20 der Komponenten δ0 und δr zur Projektion der Spitze 21 auf den Spiegel M1. Wenn der Winkel AΦ zwischen

und

sehr klein ist, also zahlreiche Reflexionen zwischen M1 und M2 stattfinden, gilt:

Damit folgt aus (1) und (1a) näherungsweise; α_r = - La² _ø / 2r_o ( 3 )

In Fig. 4 ist durch die mit den Pfeilen 23 versehenen

Linien der Strahlungsverlauf zwischen den Spiegeln M1,

M2 angegeben. Dieser Strahlungsverlauf gilt im Prinzip für jeden unendlich kleinen Bereich der Spiegelfläche

11. Der mathematische Zusammenhang zwischen dem Verlauf der Strahlung gemäβ den Pfeilen 23 und den lokalen

Neigungen der Oberfläche ist bezüglich des Strahls 22 unter Heranziehung der Winkelkomponenten α_r und α_ø durch die partiellen Ableitungen δz/δr und δz/δø der Oberflächenfunktion z(r,ø) gegeben. Es bestehen die folgenden Zusmamenhänge :

α _r = c * δz/δr ¦

= ro (4) α_ø = c * δz/δø ¦ _{r = ro} / r_o (5)

c ist eine vom Resonator abhängige Konstante, für stabile Resonatoren ist c = i, für konfokaie instabile Resonatoren gilt c = 2, für allgemeine instabile Resonatoren ist c eine Funktion der Magnifikation und der Resonatorlänge.

Bei Einsetzen von (4) und (5) in (3) ergibt sich der folgende Zusammenhang:

δz/δr ¦_r=ro = -c * L/2r_o ³ (δz/δø ¦ _r=ro) ² (6) Wenn die Neigungen der Spiegeloberfläche in r- und ø-

Richtung nach der Beziehung (6) zusammenhängen, läuft der Strahl auf einem Kreis mit dem Radius ro um.

Zur Verdeutlichung der grundsätzlichen räumlichen Ausgestaltung der Spiegelfläche 11 wird die schematische Darstellung der Fig. 2 herangezogen, die einen ringförmigen Spiegel M2 mit einem Schütz als Strahiauskoppelstelle 13 zeigt. Der Ring hat eine bei vertikalem Einbau vertikale Rückseite 24, die gemäβ Fig. la,b ausgebildet sein kann, also mit Stiften 25 versehen sein kann, um den Spiegel M2 an einer Justiereinrichtung eines Gehäuses zu befestigen. Der Rückseite 24 axial gegenüber ist an der anderen Stirnseite die Spiegelfläche 11 angeordnet. Sie ist radial, aber auch azimutal gekrümmt. Die radiale Krümmung ergibt sich insbesondere aus der Kante 26. Die azimutale Krümmung ergibt sich aus der Darstellung der Fig. 2 in Verbindung mit Fig. 3. An der Steile 0 = 0 ist die Höhe h des

Spiegels M2 = h_max. In beiden azimutalen Richtungen ø verringert sich die Höhe h gemäβ Fig. 3 nach der Beziehung:

h = h_max - (r₀·ø)² / 2R = h_max - S² / 2R wobei S = r_o * ø gilt und die abgewickelte Länge des ringförmigen Spiegels M2 ist. Bei der praktischen Ausbildung des Spiegels M2 ist zu berücksichtigen, daß der radiale Krümmungsradius R vergleichsweise groß ist, so daß die Höhe h_max und die Höhe h in der Nähe der Strahlauskoppelstelle 13 vergleichsweise gering ist. R liegt in der Gröβenordnung von 10 bis 20 m.

Für die aus der Fig. 1b ersichtliche Verlagerung des Radiusmittelpunktes P für die Krümmungsradien R in radialer Richtung ergeben sich die folgenden Beziehungen: δ₁ = c₁ * ø² δ₂ = c₂ * ø² + C₃*ø⁴

wobei c, bis c, resonatorabhängige Konstanten sind. Aus den Beziehungen ergibt sich, daß die Verlagerungen des Radiusmittelpunktes P für die Krümmungsradien R umso größer sind, je größer der Winkel ø ist, was beispielsweise bei der Abstimmung der lokalen Neigungen der Spiegelfläche 11 zu berücksichtigen ist.

Anhand der Fig. 5 bis 7 wird erläutert, wie die Laserstrahlung zwischen den Spiegeln M1, M2 reflektiert und ausgekoppelt wird. Der Umlaufbereich der Laserstrahlung wird durch den für ø angegebenen Bereich gekennzeichnet. Gemäß Fig. 6 läuft die Laserstrahlung also zwischen 0 und n um, d.h. um 180°. Das entspricht Fig. 2, wo die Laserstrahlung von 0 aus infoige der in jeder azimutalen Richtunbg abfallenden Spiegefläche 11 zur Auskoppelstelle 13 hin abgelenkt wird. Diese Ablenkung erfolgt ausgehend von der durch die Nullposition verlaufende optische Achse 12 zwischen zwei Spiegeln M1, M2. Der durch die Pfeile 23 gekennzeichnete Strahlungsverlauf ist aus Fig. 6 ersichtlich. Die Strahlung verläuft also in beiden mit s bzw. ø gekennzeichneten Richtungen zur Auskoppelstelle 13, um dort den ausgekoppelten Laserstrahl 26 zu bilden.

In Abweichung vom vorbeschriebenem läuft die Laserstrahlung gemäß Fig. 5 im Bereich von ø = 0 bis 0 = 2π um, d.h. um 360°. Es ist eine in nur einer einzigen azimutalen Richtung geneigte Spiegelfläche 11 vorhanden, bei der die Höhe h von 0 aus gemäß Fig. 3 nur in Richtung +S verläuft. Die Ausbildung des Spiegels ist wendelartig, so daß man bei den in Rede stehenden Spiegein mit ring- oder teilringförmigen Spiegelflächen auch von Wendelspiegeln sprechen kann.

Der Resonator 10 der Fig. 7 hat zwei optische Achsen 12 und zwei Auskoppelstellen 13, die so angeordnet sind, daß Strahlung im Bereich von ø = 0 bis ø = π/2 verläuft. Das aus den Fig. 2, 3 veranschaulichte Profil bzw. dessen Krümmungen sind also über den Umfang von 360° der Spiegel M1,M2 der Fig. 9 doppelt vorhanden. Es entstehen zwei Laserstrahlen 26.

Fig. 8 zeigt einen abgewickelten Schnitt durch die Spiegel M1,M2 auf dem Kreis mit dem Radius r₀. Diese Abwicklung veranschaulicht die Krümmung der Spiegelflächen 11 in beiden, von der optischen Achse 12 ausgehenden azimutalen Richtungen. Infolge der Auskoppelstelie 13 ist die Abwicklung des Spiegeis M2 kürzer. Der azimutale Krümmungsverlauf der Spiegel M1,M2 zeigt, daß es möglich ist, Resonatoren mit nichtlinearer Magnefikation auszubilden.

Für den Resonator 10 der Fig. 8 gilt ebenso, wie für alle vorbeschriebenen und weiteren Resonatoren mit den vorbeschriebenen kennzeichnenden Merkmalen, daß sie durch entsprechende Auswahl der Krümmungen der Spiegelflächen 11 ihrer Spiegel M1,M2 entweder instabil oder stabil ausgebildet werden können, wie auch kofokal oder nichtkonfokal. Die zutreffende Auswahl hängt jeweils von dem zu berücksichtigenden Einsatz der Laserstrahlung ab.

Beim Einsatz der Laser bzw. der Laserstrahlung ist von Bedeutung, daß die Laserstrahlung die gewünschten Moden aufweisen soll. Beispielsweise soll der Hermitesche Mode gezüchtet werden, also der Grundmode, der sich beispielsweise dadurch auszeichnet, daß der Laserstrahl mit einem derartigen Mode am stärksten fokussiert werden kann.

Die Fig. 9a bis 9c zeigen Bauteile zur Beeinflussung der Modenbildung der Laserstrahlung und sind als Modenblenden 14 ausgebildet. Die Modenblende 14 der Fig. 9a ist ringförmig und hat nach innen weisende Blendenabschnitte 15, welche die Spiegelfläche 11 teilweise abdecken. Die Verteilung der Blendenabschnitte 15 in azimutaler Richtung ergibt sich entsprechend den Anforderungen an die auszubildenden Moden. Dasselbe gilt für die radial nach außen weisenden Blendenabschnitte 15 der scheibenförmigen Bodenblende 14 der Fig. 9b und für die Blendenabschnitte 15 der Modenblende 14 der Fig. 9c. Letztere Modenblende 14 besteht aus einem Außenring 14 und einer Innenscheibe 14", die durch die Blendenabschnitte 15 zu einer Baueinheit miteinander verbunden sind. Sämtliche Modenblenden 14 bestehen beispielsweise aus Blechscheiben.

Modenblendenstrukturen können auch direkt auf die Spiegelfläche 11 aufgebracht werden. Fig. 10 zeigt einen Spiegel Ml in scnematischer Darstellung mit in azimutaler Richtung verteilten nicht optischen Flächenabschnitten 16. Die Flächenabschnitte 16 reflektieren also nicht, so daß infolgedessen die Ausbildung der Laserstrahlung im Sinne einer Modenseiektion beeinflußt werden kann. Die Flächenabschnitte 16 reflektieren beispielsweise diffus oder absorbieren die Laserstrahlung. Fig. 11 zeigt eine der Fig. 10 entsprechende Darstellung eines Spiegels M1, jedoch mit m azimutaler Richtung verteilten Flächenabschnitten 17, die optisch wirksam sind. Sie sind jedoch gemäß Fig. 11 m axialer Richtung vorspringend angeordnet, kennen jedoch auch rückspringend angeordnet werden. In beiden Fällen ergibt sich ein Höhenunterschied δ von z.B. λ/A . wobei λ die Wellenlänge des Laserlichts ist. Dementsprechend wird die Resonatorlänge geändert und es bilden sich Interferenzschwingungen aus, die so bestimmt werden können, daß der gewünschte Mode angeregt und unerwünschte Mode gedämpft werden.

Die Strahlquaiität des ausgekoppelten Strahls mit einem monohermitischem Mode kann durch geeignete Phasentransformationen erhöht werden.

Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit einem Wave-Guide-Resonatcr mit einem ringförmigem Querschnitt. Hierzu sind die Innenfläche 101 der beispielsweise aus Al₂O₃ bestehenden Außenelektrode A und die Außenfläche 102 der Inneneiektrode I, die den Resonator einschließen, als reflektierende Flächen mit optischer Qualität ausgeführt.

Der Endspiegel M1 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsge- dankens direkt auf der Innenelektrode I aufgebracht, während der Endspiegel M2 ein Wendelspiegel ist, der über eine Mikrometerschraube 103 jusiterbar ist.

Mit K ist der gekühlte Innenraum, über den ein Teil der umgesetzten Leistung abgeführt wird, und mit Ö die Öffnung bezeichnet, durch die der Laserstrahl ausgekoppelt wird.

Vorstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens beschrieben worden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Laserresonator (10), mit zwei einander zugewendeten Spiegeln (M1,M2) und mit wenigstens einer Strahiauskoppelstelle (13),

dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelfläche (11) wenigstens eines Spiegels derart ausgebildet ist, daß die von ihr reflektierte Strahlung in azimutaler Richtung umläuft.

2. Laserresonator nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Laserresonator { 12 ] einen ringförmigen Querschnitt hat.

3. Laserresonator nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Spiegel eine radial gekrümmte Spiegelfläche (11) aufweist.

4. Laserresonator nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächen des Lasermediums refelktierend ausgebildet sind, so daß ein Wave-Guide-Resonatcr gebildet wird.

5. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strahlung in azimutaler Richtung ablenkende Spiegelfläche teilringförmig ausgebildet und dort mit einer die Strahlung azimutal ablenkenden Krümmung versehen ist, und daß die lokalen Neigungen der gekrümmten Spiegelfläche in radialer und azimutaler Richtung im Sinne des Umlaufs der Strahlung auf der teilringförmigen Spiegelfläche aufeinander abgestimmt sind.

6. Laserresonator nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Steigung in

Radialrichtung und in Azimutrichtung folgende Beziehung besteht: δz/δr ¦_r=ro = -c * L/2r_o ³ (δz/δø ¦ _r=ro) ² z (r,ø) beschreibt die Form der Spiegelfläche in radialer (r) und azimutaler (ø) Richtung,

r = radialer Koordinate

ø = Azimutwinkel

r_o = radiale Koordinate des Strahiungskreises

L = Abstand der Spiegeimittelpunkte c = resonatorabhängige Konstante.

7. Laserresonator nach Anspruch 5 oder 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Spiegelfläche

(11) vollringförmig ausgebildet ist.

8. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei haibringförmige gekrümmte Spiegelflächen (11) beidseitig der optischen Achse angeordnet sind.

9. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Spiegeln (M1,M2) mehrere optische Achsen (12) vorhanden sind, und daß zumindest eine der Anzahl der optischen Achsen (12) entsprechende Anzahl gekrümmter Spiegelflächen (11) vorhanden ist, und daß jeder optischen Achse

(12) mindestens eine der Spiegelflächen (11) zugeordnet ist.

10. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein eine Strahiauskoppelstelle (13) aufweisender Spiegel (11) ein geschlossener Ring mit einer die Strahiauskoppelstelle (13) bildenden Aussparung bzw. einem Loch ist.

11. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Spiegein (M1, M2) oder an den Spiegeln (M1,M2) die Modenbildung beeinflussende Bauteile vorhanden sind.

12. Laserresonator nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile ringförmig, scheibenförmig oder einen Außenring (14') und eine Innenscheibe (14") aufweisende Modenblende (14) mit radial nach innen bzw. außen weisenden, die gekrümmte Spiegelfläche (11) azimutal verteilt abdeckenden Blendenabschnitten (15) sind.

13. Laserresonatcr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Spiegelfläche (11) nichtreflektierεnde und/oder parallel zur optischen Achse (12) vor- oder zurückspringende reflektierende, azimutal verteilte Flächenabschnitte (16,17) aufweist.

14. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Spiegel (M1,M2) zumindest auf einem Teil seines Umfangs teiltransmissiv ist.