WO2000077894A1 - Resonator für einen hf-angeregten laser - Google Patents

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WO2000077894A1
WO2000077894A1 PCT/DE2000/001946 DE0001946W WO0077894A1 WO 2000077894 A1 WO2000077894 A1 WO 2000077894A1 DE 0001946 W DE0001946 W DE 0001946W WO 0077894 A1 WO0077894 A1 WO 0077894A1
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resonator according
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partial discharge
laser
resonator
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PCT/DE2000/001946
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Holger SCHLÜTER
Thomas Zeller
Wolfgang Andreasch
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Trumpf Lasertechnik Gmbh
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    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
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    • H01S3/223—Gases the active gas being polyatomic, i.e. containing two or more atoms
    • H01S3/2232—Carbon dioxide (CO2) or monoxide [CO]

Definitions

  • the invention relates to a resonator for an RF-excited laser according to the preamble of claim 1.
  • Such resonators are used, among other things.
  • used for C0 lasers which can be used for machining and in particular for cutting or welding workpieces of all kinds.
  • a resonator which was used in the formulation of the preamble of claim 1, is known from DE 38 13 572 A1. Largely similar resonators are described in DE 37 16 873 A1 or DE 38 13 569 A1.
  • an excimer laser is known from DE 41 02 079 A1, in which a stack of discharge electrodes is provided. This stack is traversed by a meandering ionization laser beam, which is generated by a separate laser at another point. The "actual" laser beam is only reflected back and forth in the space between two electrodes. Since the height of the stack and the width of the electrodes are decisive for the cross section of the laser beam, one can comparatively large cross-section obtained.
  • a disadvantage of the known device is that an additional ionization laser beam is used, so that not only the end mirror of the actual laser beam but also the retroreflectors provided for the ionization laser beam have to be adjusted.
  • the invention has for its object to develop a resonator and in particular a stable resonator for an RF-excited laser according to the preamble of claim 1 such that the partial beam paths penetrate a large volume of the laser medium, and yet an effective RF excitation in comparison simple dissipation of the power loss is possible.
  • each partial discharge space i. assigned two electrode surfaces to each laser partial beam path running between two deflections.
  • the required high RF power can thus be effectively coupled into the laser medium. This applies in particular if the distance between the electrode areas assigned to each partial discharge space is small compared to the extent of each electrode area in the direction of the propagation of the laser beam and preferably also small in comparison to the extent of each electrode area perpendicular to the direction of propagation of the laser beam.
  • the extent of each partial discharge space parallel to the electrode surfaces and perpendicular to the direction of propagation of the laser beam is at least twice and preferably at least five times as large as the extent of the partial discharge space perpendicular to the surface of the electrodes and perpendicular to the direction of propagation of the laser beam,
  • electrodes of the same potential are arranged according to the invention between adjacent partial discharge spaces. This not only makes control easier, but also arcs between prevents neighboring electrodes from seeing. In addition, a compact structure can be achieved in this way.
  • phase-neutral means that the optical path length for all partial beams is the same or different by a half-number multiple of the wavelength.
  • the folding mirrors consist of retro reflectors, i.e. from two mirror surfaces standing on top of each other.
  • retroreflectors an angular misalignment of the laser beam of the star-shaped laser is avoided when the folding mirror is tilted: an angular misalignment only leads to a transverse misalignment. This significantly reduces the adjustment effort.
  • the comb laser the previously described only applies to tilting around the cutting line of the two mirror surfaces of the retroreflector.
  • each partial discharge space can be arranged in a star shape, with each partial discharge space and thus each partial beam path having a substantially greater extent in the radial direction than in the azimuthal direction, so that in turn each one Partial beam path volume is large in relation to the overall dimensions of the laser.
  • the individual partial beam paths are arranged as a stack, so that the path of the laser beam is meandering or helical.
  • the resonator according to the invention can be used for any gases and in particular CO 2 or CO laser gas mixtures. In the latter If you have a compact design, you will get a laser with an output of a few kW to several 10 kW, which is particularly suitable for material processing.
  • An embodiment is preferred in which the retroreflectors provided on each end face of the partial beam paths are arranged on a common base plate which is arranged perpendicular to the partial beam paths.
  • a further simplification of the structure in all embodiments is obtained in that the electrodes of all partial beam paths are combined into two groups and that all electrodes in a group are formed in one piece.
  • the two groups are referred to below as internal electrodes and external electrodes without restricting the general design.
  • the electrodes of a group can advantageously be arranged in a comb shape.
  • the electrodes of a group of star-shaped lasers are gas-tightly connected to one another and to end elements so that the laser gas is located in the cavity enclosed by the electrodes and the end elements, it is particularly advantageous if the distance in the radial direction is azimuthal Connecting parts of the electrodes of one group from the corresponding azimuthal connecting parts of the electrodes of the other group are significantly larger than the respective electrode spacing in the azimuthal direction. As a result, the excitation of the laser gas at locations that do not belong to the active laser medium and thus unnecessary heat development is avoided.
  • the electrodes belonging to adjacent partial beam paths of a group enclose a cavity through which a cooling fluid flows. In this way, particularly in the case of a diffusion-cooled laser, the heat generated is dissipated particularly effectively.
  • the laser beam has a non-circular cross section. It is therefore preferred if an astigmatic optic is provided after the decoupling mirror, which forms an approximately rotationally symmetrical beam from the laser beam, which are easier to focus.
  • the number of partial beam paths is 4 * N (N: integer)
  • N integer
  • a very simple production method for the folding mirrors according to the invention is possible: The mirror surfaces of the retroreflectors are milled from a mirror blank, opposing mirror surfaces being milled in one setting, and the mirror blank being rotated further by 360 N for milling the opposite surface.
  • FIG. 1 shows the structure of a laser with a stable resonator according to the invention in a perspective view
  • FIG. 2a shows a top view of the electrode structure of a stable resonator according to the invention
  • FIG. 3a shows a plan view of a retroreflector structure according to the invention
  • 3b shows a side view of a retroreflector structure according to the invention
  • 3c shows a perspective view of a retro-reflective structure according to the invention.
  • FIG. 4a shows a further arrangement according to the invention in a longitudinal section of the individual partial beam paths as a stack, so that according to this exemplary embodiment the path of the laser beam is meandering
  • FIG. 4b shows the arrangement according to the invention of FIG. 4a in cross section
  • FIG. 1 shows an overview in perspective of the beam path in the case of a stable resonator according to the invention.
  • the resonator has two folding mirrors 1 a and 1 b shown in more detail in FIGS. 3a to 3c, which - as will be explained later - are designed as retroreflector units. Between the retroreflector units 1 a and 1 b only electrodes 2 and 3 shown in FIG. 2 are provided, between which there are partial discharge spaces 4 ', the dimensions of which in the direction perpendicular to the surfaces of the electrodes 2 and 3 are much smaller than parallel to the surfaces of the electrodes.
  • This arrangement leads to the laser beam 4, indicated only schematically in FIG. 1, which has a comparatively small extension in the azimuthal direction and a large extension in the radial direction.
  • the retroreflector unit 1b lacks a retroreflector so that beams 4a and 4b can emerge.
  • the beam 4b is reflected back in itself by a part of the coupling-out element 5 designed as a rear-view mirror, while the beam 4a emerges through the coupling-out element 5.
  • 6 designates a partially transparent mirror which allows part of the laser beam 4a to emerge.
  • a beam shaping lens (not shown), for example a cylindrical lens, can be arranged which generates a laser beam with a circular cross section and a homogeneous energy distribution over the cross sectional area from the laser beam with an approximately rectangular cross section.
  • 2a shows a top view of the electrode structure of a stable resonator according to the invention.
  • 2 denotes an inner electrode structure
  • 3 denotes an outer electrode structure.
  • Both structures consist of electrodes 21 and 31, which run radially and enclose a discharge gap 7.
  • the individual electrodes 21 and 31 are connected via connecting parts 22 and 32, so that the electrodes 21 and 31 are combined in groups.
  • the electrodes together with end faces elements, such as the retroreflector units enclose the space in a gas-tight manner in which the laser medium, such as a CO 2 or CO laser gas mixture, is located.
  • a cooling medium such as water, can circulate, which absorbs the heat transferred from the laser medium to the electrodes.
  • 2b shows the inner electrode in perspective
  • FIG. 2c shows the outer electrode in perspective
  • FIG. 2d shows the two electrodes in the assembled state in perspective.
  • the same parts are provided with the same reference numerals, so that there is no need to introduce them again.
  • FIG. 3a shows a top view of a retrorefiector structure according to the invention.
  • 3b shows a side view of a retrorefiector structure according to the invention, while
  • FIG. 3c shows a retrorefiector structure according to the invention in perspective.
  • the individual retroreflectors are arranged on a common base plate 10.
  • Each retroreflector is formed by two flat partial mirrors 11 and 12, the normal of which enclose an angle of 90 °.
  • the light path is the same for all partial beams of the partial beam paths 4 ':
  • the partial beam 41 strikes the mirror 11 or 12 “higher” while the partial beam 42 hits lower.
  • the difference in the beam length in the vertical direction exactly compensates for the additional path that the partial beam 41 has to travel more between the mirror surfaces 11 and 12 has as the sub-beam 42.
  • FIG. 4a to 4c show sectional views for an embodiment in which the individual partial beam paths are arranged as a stack, so that the path of the laser beam is meandering.
  • Fig. 4a shows a longitudinal section, in which the same parts have been given the same reference numerals as explained above.
  • FIG. 4b shows a cross section at AA in FIG. 3a, while FIG. 4c shows the detail Z to explain the structure of the retroreflector from FIG. 4a.
  • 5a and 5b show unfolded, ie without the "inserted" retroreflectors, the beam propagation between the coupling-out mirror 9 and the rear-view mirror 8.
  • the individual partial beam paths can have in the plane on the The direction of propagation of the laser beam is vertical, has a dimension of 50 mm and in the other direction has a dimension of 3 mm.
  • Each partial beam path can be, for example, 500 mm long, so that the total length is 6000 mm in 12 partial beam paths :

Abstract

Beschrieben wird ein Resonator für einen HF-angeregten Gaslaser, mit einer wenigstens zwei Elektroden aufweisenden Elektrodeneinrichtung, einem mehrere Teilentladungsräume aufweisenden Gasentladungsraum, und einer Spiegelanordnung, die einen Rückspiegel, einen Auskoppelspiegel sowie wenigstens einen Retroreflektor aufweist, die den zwischen Rück- und Auskoppelspiegel laufenden Laserstrahl derart umlenkt, dass er die Teilentladungsräume durchläuft. Die Erfindung zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: jedem Teilentladungsraum sind zwei Elektrodenflächen zugeordnet; die Ausdehnung jedes Teilentladungraums parallel zu den Elektrodenflächen und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls ist wenigstens doppelt so gross wie die Ausdehnung des Teilentladungsraumes senkrecht zur Oberfläche und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls; zwischen benachbarten Teilentladungsräumen sind Elektroden gleichen Potentials angeordnet.

Description

Resonator für einen HF-angeregten Laser
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Resonator für einen HF-angeregten Laser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Resonatoren werden u.a. für C0 -Laser eingesetzt, die zur Bearbeitung und insbesondere zum Schneiden oder Schweißen von Werkstücken aller Art verwendet werden können.
Stand der Technik
Ein Resonator, von dem bei der Formulierung des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ausgegangen worden ist, ist aus der DE 38 13 572 A1 bekannt. Weitgehend ähnliche Resonatoren sind in der DE 37 16 873 A1 oder der DE 38 13 569 A1 beschrieben.
Bei dem in der DE 38 13 572 A1 beschriebenen Resonator sind zwei Re- troreflektoren vorhanden, die den Strahlengang des Lasers mehrfach falten.
Weiterhin ist aus der DE 41 02 079 A1 ein Excimer-Laser bekannt, bei dem ein Stapel von Entladungselektroden vorgesehen ist. Dieser Stapel wird von einem - an einer anderen Stelle von einem getrennten Laser erzeugten - lonisations-Laserstrahl mäanderförmig durchlaufen. Der "eigentliche" Laserstrahl wird nur in dem Zwischenraum zwischen zwei Elektroden hin- und herreflektiert. Da die Höhe des Stapels und die Breite der Elektroden maßgeblich für den Querschnitt des Laserstrahles sind, kann man einen vergleichsweise großen Querschnitt erhalten. Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist jedoch, daß ein zusätzlicher lonisatioπs-Laserstrahl eingesetzt wird, so daß nicht nur die Endspiegel des eigentlichen Laserstrahls, sondern auch die für den lonisations-Laserstrahl vorgesehenen Retrore- flektoren justiert werden müssen.
Weiterhin sind Resonatoren anderer Gattung aus den US-PSen 5,689, 523 und 5,648,980 bekannt:
In diesen Druckschriften sind Laserresonatoren mit einem sternfömigen Querschnitt beschrieben, bei denen es sich um keine stabilen Resonatoren im eigentlichen Sinne handelt. Vielmehr handelt es sich um eine Mehrzahl voneinander unabhängiger Laser, deren Einzelstrahlen erst durch komplizierte Spiegelanordnungen zu einem nicht kohärenten Strahlenbündel vereinigt werden.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Resonator und insbesondere einen stabilen Resonator für einen HF-angeregten Laser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß die Teilstrahlengänge ein großes Volumen des Lasermediums durchdringen, und bei dem trotzdem eine effektive HF-Anregung bei vergleichsweise einfacher Abfuhr der Verlustleistung möglich ist.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 folgende. Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, ein großes aktives Volumen des Lasermediums eines gattungsgemäßen Laserresonators durch eine Abkehr von einem rotationssymmetrischen Querschnitt jedes Teilstrahlengangs zu erreichen. Insbesondere kann der Querschnitt des Laserstrahls jedes Teilstrahlengangs zumindest annähernd rechteckförmig sein.
Durch den nicht rotationssymmetrischen Strahl des Lasers "überstreicht" der Laser bei vergleichsweise wenigen Faltungen ein großes Volumen, so daß der Laser eine hohe Leistung haben kann. Um das Lasermedium gerade bei einem Hochleistungslaser in einfacher und dennoch effektiver Weise anregen zu können, sind jedem Teilentladungsraum, d.h. jedem zwischen zwei Umlenkungen verlaufenden Laser-Teilstrahlengang zwei Elektrodenflächen zugeordnet. Damit kann die erforderliche hohe HF- Leistung effektiv in das Lasermedium eingekoppelt werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Abstand der jedem Teilentladungsraum zugeordneten Elektrodenflächen klein im Vergleich zu der Ausdehnung jeder Elektrodenfläche in Richtung der Ausbreitung des Laserstrahls und bevorzugt auch klein im Vergleich zu der Ausdehnung jeder Elektrodenflächen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls ist. Die Ausdehnung jedes Teilentladungsraums parallel zu den Elektrodenflächen und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls ist erfindungsgemäß wenigstens doppelt und bevorzugt wenigstens fünfmal so groß wie die Ausdehnung des Teilentladungsraumes senkrecht zur Oberfläche der Elektroden und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls,
Weiterhin sind erfindungsgemäß zwischen benachbarten Teilentladungsräumen Elektroden gleichen Potentials angeordnet. Hierdurch wird nicht nur die Ansteuerung erleichtert, sondern es werden auch Überschläge zwi- sehen benachbarten Elektroden verhindert. Außerdem läßt sich so ein kompakter Aufbau erzielen.
Bevorzugt ist ein stabiler Resonator. Hierfür ist es erforderlich, daß die Umlenkung zwischen zwei nacheinander durchlaufenen Teilentladungsräumen, d.h. zwischen zwei benachbarten oder bei Verwendung eines schneckenförmigen Umlaufs - hierzu wird auf die DE 38 13 572 A1 verwiesen - einander gegenüberliegenden Teilentladungsräumen, phasenneutral erfolgt. Phasenneutral bedeutet, daß die optische Weglänge für alle Teilstrahlen gleich oder um ein halbzahliges Vielfaches der Wellenlänge verschieden ist.
Um eine phasenneutrale Umlenkung des Laserstrahls zwischen nacheinander durchlaufenen Teilstrahlengängen zu erreichen, so daß die Strecke, die beliebige Teilstrahlen durchlaufen, für alle Teilstrahlen gleich ist, wird eine U-förmige Faltung eingesetzt. Hierzu bestehen die Faltungsspiegel aus Retroflektoren, d.h. aus zwei aufeinander stehenden Spiegelflächen. Durch den Einsatz von Retroreflektoren wird ein Winkelversatz des Laserstrahls des sternförmigen Lasers bei einer Verkippung der Faltungsspiegel vermieden: Ein Winkelversatz führt vielmehr nur zu einem transversalen Versatz. Damit ist der Justageaufwand deutlich reduziert. Beim Kamm- Laser gilt das zuvor beschriebene nur für Verkippungen um die Schnittlinie der beiden Spiegelflächen des Retroreflektors.
Hierdurch ist es möglich, einen stabilen Resonator zu erhalten, bei dem sich der Strahl nicht nur senkrecht zu den Elektrodenoberflächen durch Wellenleitung stabil, sondern auch in Richtung parallel zu den Elektro- denoberlächen und senkrecht zur Strahlrichtung stabil frei ausbreitet. Die Anordnung und die Ausbildung der den einzelnen Teilentladungsräumen zugeordneten Elektrodenflächen kann dem jeweiligen Einsatzfall angepaßt sein.
Exemplarisch und bevorzugt sind in den Ansprüchen 10 bzw. 12 zwei Möglichkeiten für die Anordnung der Elektrodenflächen und damit für die Anordnung der Teileπtladungsräume angegeben:
Hierzu können - wie für Resonatoren anderer Gattung aus den genannten US-PSen 5,689,523 und 5,648,980 bekannt - die einzelnen Teilentladungsräume sternförmig angeordnet sein, wobei jeder Teilentladungsraum und damit jeder Teilstrahlengang in Radialrichtung eine wesentlich größere Erstreckung als in Azimutalrichtung hat, so daß wiederum das von jedem Teilstrahlengang durchlaufene Volumen im Verhältnis zu den Gesamtabmessungen des Lasers groß ist.
Bei einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Resonators sind die einzelnen Teilstrahlengänge als Stapel angeordnet, so daß der Weg des Laserstrahls mäander- oder schneckenförmig verläuft.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau erhält man ein - verglichen mit dem gattungsgemäßen Stand der Technik - wesentlich größeres Volumen des Lasermediums, wiederum im Verhältnis zu den Gesamtabmessungen des Lasers betrachtet, bei einer gegebenen Zahl von Faltungen und einem bestimmten Abstand zwischen den Faltungsspiegeln bei einfacher Einkop- pelung der HF-Energie.
Der erfindungsgemäße Resonator kann für beliebige Gase und insbesondere C02 - bzw. CO-Lasergasgemische eingesetzt werden. Im letzteren Falle erhält man bei einem kompakten Aufbau einen Laser mit einer Leistung von wenigen kW bis mehreren 10 kW, der insbesondere zur Materialbearbeitung geeignet ist.
Dennoch ist es möglich, auf ein Kühlgebläse zu verzichten und den Laser als diffusionsgekühlten Laser auszubilden, wobei die Wärme des Gases in jedem Teilstrahlengang über die zugeordneten Elektrodenflächen abgeleitet wird.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die jeweils auf einer Stirnseite der Teilstrahlengänge vorgesehenen Retroreflektoren auf einer gemeinsamen Grundplatte angeordnet sind, die senkrecht zu den Teilstrahlengängen angeordnet ist.
Eine weitere Vereinfachung des Aufbaus bei allen Ausführungsformen erhält man dadurch, daß die Elektroden aller Teilstrahlengänge zu zwei Gruppen zusammengefaßt sind, und daß alle Elektroden einer Gruppe einstückig ausgebildet sind. Die beiden Gruppen werden im folgenden ohne Beschränkung der allgemeinen Ausbildung als Innenelektroden und Außenelektroden bezeichnet.
Vorteilhaft können die Elektroden einer Gruppe kammförmig angeordnet sein.
Insbesondere dann, wenn die Elektroden einer Gruppe von sternförmigen Lasern gasdicht miteinander sowie mit stirnseitigen Abschlußelementen verbunden sind, so daß sich das Lasergas in dem von den Elektroden und den Abschlußelementen eingeschlossenen Hohlraum befindet, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Abstand in Radialrichtung der azimutalen Verbindungsteile der Elektroden einer Gruppe von den entsprechenden azimutalen Verbindungsteilen der Elektroden der anderen Gruppe deutlich größer als der jeweilige Elektrodenabstand in Azimutalrichtung ist. Hierdurch wird die Anregung des Lasergases an Stellen, die nicht zum aktiven Lasermedium gehören, und damit eine unnötige Wärmeentwicklung vermieden.
Dabei ist es möglich, daß bezugsfertige Profile insbesondere aus Alumi- num die Elektroden einer Gruppe bilden. Hierdurch werden nicht nur die Herstellkosten des erfindungsgemäßen Laserresonators verringert, sondern es ist auch möglich, den Laser je nach gewünschter Leistung in der Länge zu skalieren.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung schließen die zu benachbarten Teilstrahlengängen gehörenden Elektroden einer Gruppe einen Hohlraum ein, durch den ein Kühlfluid strömt. Hierdurch erhält man gerade bei einem diffusionsgekühlten Laser eine besonders effektive Abfuhr der entstehenden Wärme.
Bei dem erfindungsgemäßen Laserresonator hat der Laserstrahl einen nicht kreisrunden Querschnitt. Deshalb ist es bevorzugt, wenn nach dem Auskoppelspiegel eine astigmatische Optik vorgesehen ist, die aus dem Laserstrahl einen in etwa rotationssysmmetrischen Strahl formt, die einfacher zu fokussieren sind.
Wenn bei sternförmigen Lasern die Zahl der Teilstrahlengänge 4*N (N: ganze Zahl) beträgt, ist ein sehr einfaches Herstellverfahren für die erfindungsgemäßen Faltungsspiegel möglich: Die Spiegelflächen der Retroreflektoren werden aus einem Spiegelrohling gefräst, wobei einander gegenüberliegende Spiegelflächen in einer Aufspannung gefräst werden, und der Spiegelrohling zum Fräsen der gegenüberliegenden Fläche um 360 N weiter gedreht wird.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispieleπ unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen hinsichtlich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:
Fig. 1 den Aufbau eines Lasers mit einem erfindungsgemäßen stabilen Resonator in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 2a den Elektrodenaufbau eines erfindungsgemäßen stabilen Resonators in einer Aufsicht,
Fig. 2b perspektivisch die Innenelektrode,
Fig. 2c perspektivisch die Außenelektrode,
Fig. 2d perspektivisch die Innen- und Außenelektrode,
Fig. 3a eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Retroreflektor- struktur,
Fig. 3b eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Retroreflektor- struktur, und Fig. 3c eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Re- tro refl e kto rstru ktu r .
Fig. 4a eine weitere erfindungsgemäße Anordnung im Längsschnitt der einzelnen Teilstrahlengänge als Stapel, so daß gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Weg des Laserstrahls mä- anderförmig verläuft, ,
Fig. 4b die erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 4a im Querschnitt,
Fig. 4c der Ausschnitt im Längsschitt nach Fig. 4a zur Strahlungsumkehr,
Fig. 5a - b Darstellungen zur Beschreibung der Strahlpropagation,
Fig. 1 zeigt perspektivisch in einer Übersichtsdarstellung den Strahlverlauf bei einem erfindungsgemäßen stabilen Resonator. Der Resonator weist an seinen Stirnseiten zwei in Fig. 3a bis 3c näher dargestellte Faltuπgsspiegel 1 a und 1 b auf, die - wie noch erläutert werden wird - als Retroreflektorein- heiten ausgebildet sind. Zwischen den Retroreflektoreinheiten 1 a und 1 b sind nur in Fig. 2 dargestellte Elektroden 2 bzw. 3 vorgesehen, zwischen denen sich Teilentladungsräume 4' befinden, deren Abmessungen in Richtung senkrecht zu den Oberflächen der Elektroden 2 bzw. 3 sehr viel kleiner als parallel zu den Oberflächen der Elektroden sind. Diese Anordnung führt zu dem in Fig. 1 nur schematisch angedeuteten Laserstrahl 4, , der eine vergleichsweise geringe Ausdehnung in azimutaler und eine große Ausdehnung in radialer Richtung hat. Bei der Retroreflektoreinheit 1b fehlt ein Retroreflektor, so daß Strahlen 4a und 4b austreten können. Der Strahl 4b wird von einem als Rückspiegel ausgebildeten Teil des Auskoppelelements 5 in sich zurück reflektiert, während der Strahl 4a durch das Auskoppelelement 5 austritt. Mit 6 ist ein teildurchlässiger Spiegel bezeichnet, der einen Teil des Laserstrahls 4a austreten läßt. Im Anschluß an den teildurchlässigen Spiegel 6 kann eine nicht dargestellte Strahlformungsoptik, beispielsweise eine Zylinderlinse angeordnet sein, die aus dem Laserstrahl mit einem angenähert rechteckigen Querschnitt einen Laserstrahl mit kreisförmigen Querschnitt und homogener Energieverteilung über die Querschnittsfläche erzeugt.
Fig. 2a zeigt den Elektrodenaufbau eines ertϊndungsgemäßen stabilen Resonators in einer Aufsicht. Mit 2 ist eine Innenelektrodenstruktur bezeichnet, während 3 eine Außenelektrodenstruktur bezeichnet. Beide Strukturen bestehen aus Elektroden 21 bzw. 31 , die radial verlaufen und einen Entladungsspalt 7 einschließen. In Azimutalrichtung sind die einzelnen Elektroden 21 bzw. 31 über Verbindungsteile 22 bzw. 32 verbunden, so daß die Eletroden 21 und 31 jeweils zu Gruppen zusammengefaßt sind. Damit schließen die Elektroden zusammen mit Stirnseiten Elementen, wie beispielsweise den Retroreflektoreinheiten den Raum gasdicht ein, in dem sich das Lasermedium, wie beispielsweise ein C02 - bzw. CO-Laser- gasgemisch befindet.
In den von den jeweils direkt benachbarten Elektroden 21 bzw. 31 eingeschlossen Räumen 23 und 33 kann ein Kühlmedium, wie Wasser zirkulieren, das die vom Lasermedium auf die Elektroden übertragene Wärme aufnimmt. Fig. 2b zeigt perspektivisch die Innenelektrode, Fig. 2c perspektivisch die Außenelektrode, während Fig. 2d perspektivisch die beiden Elektroden im zusammengebauten Zustand zeigt. Dabei sind gleiche Teile mit den selben Bezugszeichen versehen, so daß auf eine erneute Vorstellung verzichtet wird.
Fig. 3a zeigt eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Retrorefiektorstruktur. Fig. 3b zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Retrorefiektorstruktur, während Fig. 3c perspektivisch einen erfindungsgemäße Retrorefiektorstruktur zeigt.
Die einzelnen Retroreflektoren sind auf einer gemeinsamen Grundplatte 10 angeordnet. Jeder Retroreflektor wird von zwei ebenen Teilspiegeln 11 bzw. 12 gebildet, deren Normalen einen Winkel von 90° einschließen. Der Lichtweg ist für alle Teilstrahlen der Teilstrahlengänge 4' gleich:
Der Teilstrahl 41 trifft nämlich „höher" auf den Spiegel 11 bzw. 12 auf, während der Teilstrahl 42 tiefer auftrifft. Der Unterschied in der Strahllänge in senkrechter Richtung kompensiert genau den zusätzlichen Weg, den der Teilstrahl 41 mehr zwischen den Spiegelflächen 11 und 12 zurückzulegen hat als der Teilstrahl 42.
Die Fig. 4a bis 4c zeigen Schnittansichten für ein Ausführungsbeispiel, bei dem die einzelnen Teilstrahlengänge als Stapel angeordnet sind, so daß der Weg des Laserstrahls mäanderförmig verläuft. Fig. 4a zeigt einen Längsschnitt, bei dem gleiche Teile mit den selben Bezugszeichen wie vorstehend erläutert versehen worden sind. Fig. 4b zeigt einen Querschnitt bei A-A in Fig. 3a, während Fig. 4c das Detail Z zur Erläuterung des Aufbaus des Retroreflektrors aus Fig. 4a zeigt. Die Fig. 5a und 5b zeigen entfaltet, d.h. ohne die „zwischengeschobenen" Retroreflektoren die Strahlpropagation zwischen dem Auskoppelspiegel 9 und dem Rückspiegel 8. Dabei sind typische, jedoch nicht einschränkende Maße angegeben: Beispielsweise können die einzelnen Teilstrahlengänge haben in der Ebene, die auf der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls senkrecht steht, eine Abmessung von 50 mm und in der anderen Richtung eine Abmessung von 3 mm haben. Jeder Teilstrahlengang kann z.B. 500 mm lang sein, so daß bei 12 Teilstrahlengängen die Gesamtlänge 6000 mm beträgt. Dabei breitet sich der Strahl folgendermaßen aus:
- Stabil durch Weilenleitung senkrecht zu den Oberflächen der Elektroden 31 und 32. (Fig. 5b)
- Frei und stabil in Richtung parallel zu den Elektrodenoberflächen und senkrecht zur Strahlrichtung (Fig. 5a).

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Resonator für einen HF-angeregten Gaslaser, mit
- einer wenigstens zwei Elektroden aufweisenden Elektrodeneinrichtung
- einem mehrere Teilentladungsräume aufweisenden Gasentladuπgs- raum, und
- einer Spiegelanordnung, die einen Rückspiegel, einen Auskoppelspiegel sowie wenigstens einen Retroreflektor aufweist, die den zwischen Rück- und Auskopppelspiegel laufenden Laserstrahl derart umlenkt, daß er mehrere Teilentladungsräume durchläuft, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- jedem Teilentladungsraum sind zwei Elektrodenflächen zugeordnet,
- die Ausdehnung jedes Teilentladungsraums parallel zu den Elektrodenflächen und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls ist wenigstens doppelt so groß wie die Ausdehnung des Teilentladungsraumes senkrecht zur Elektrodenoberfläche und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls,
- zwischen benachbarten Teilentladungsräumen sind Elektroden gleichen Potentials angeordnet.
2. Resonator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung jedes Teilentladungraums parallel zu den Elektrodenflächen und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls ist wenigstens fünfmal so groß wie die Ausdehnung des Teilentladungsraumes senkrecht zur Elektro- denoberfläche und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls.
3. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator ein stabiler Resonator ist.
4. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenflächen als Wellenleiter für den Laserstrahl dienen.
5. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermedium ein C02- bzw. CO- Lasergasgemisch ist.
6. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasergas diffusionsgekühlt ist.
7. Resonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme des Gases in jedem Teilentladungsraum über die zugeordneten Elektrodenflächen abgeleitet wird.
8. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtquerschnitt des Resonators durch die Teilentladungsräume und die Elektroden in etwa vollständig ausgefüllt ist.
9. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die jedem Teilentladungsraum zugeordneten Elektrodenflächen eine ebene Form haben, und insbesondere als Platten ausgebildet sind.
10. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Elektrodenflächen als Stapel angeordnet sind.
11. Resonator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teilstrahlengänge zwischen den Elektrodenflächen wenigstens einen Mäander bilden.
12. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Elektrodenflächen sternförmig angeordnet sind.
13. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl in jedem Teilentladungsraum in Ebenen senkrecht zur optischen Achse parallel zur Oberfläche der Elektrodenflächen eine wesentlich größere Erstreckung als senkrecht zur Oberfläche hat.
14. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils auf dem gleichen Potential liegenden Elektrodenflächen der einzelnen Teilentladungsräume zu einer Gruppe zusammengefaßt sind.
15. Resonator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenflächen einer Gruppe einstückig ausgebildet sind.
16. Resonator nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß alle Elektrodenflächen einer Gruppe leitend miteinander verbunden sind.
17. Resonator nach Anspruch 14 oder 15 in Verbindung mit Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand in Radialrichtung der azimutalen Verbindungsteile der Elektroden einer Gruppe von den entsprechenden azimutalen Verbindungsteilen der Elektroden der anderen Gruppe deutlich größer als der jeweilige Elektrodenabstand in Azimutalrichtung ist.
18. Resonator nach Anspruch 14 oder 15 in Verbindung mit Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden einer Gruppe kamm- förmig angeordnet sind.
19. Resonator nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden einer Gruppe gasdicht miteinander verbunden sind.
20. Resonator nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenflächen beider Gruppen mit stirnseitigen Abschlußelementen verbunden sind.
21. Resonator nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenflächen einer Gruppe eine äußere Elektrode bilden, die als zur Umgebungsluft abgedichtetes Lasergasgefäß dient.
22. Resonator nach einem der Ansprüche 14 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenflächen einer Gruppe eine äußere Elektrode bilden, die als Masse dient.
23. Resonator nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenflächen einer Gruppe eine äußere Elektrode bilden, die als HF-Abschirmung dient.
24. Resonator nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß Stranggußprofile aus insbesondere Aluminium die Elektrodenflächen einer Gruppe bilden.
25. Resonator nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die zu benachbarten Teilstrahlengängen gehörenden Elektrodenflächen einer Gruppe einen Hohlraum einschließen, durch den ein Kühlfluid strömt.
26. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Retroreflektor zwei derart angeordnete plane Teilspiegel aufweist, daß der Laserstrahl zwischen in Strahlrichtung aufeinanderfolgenden Teilentladungsräumen phasenneutral umgelenkt wird.
27. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils auf einer Stirnseite der Teilstrahlengänge vorgesehenen Retroreflektoren auf einer gemeinsamen Grundplatte angeordnet sind, die senkrecht zu den Teilstrahlengängen angeordnet ist.
28. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Auskoppelspiegel eine astigmatische Optik vorgesehen ist, die aus dem Laserstrahl einen rotationssysmmetrischen Strahl formt.
29. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückspiegel und der Auskoppelspiegel unabhängig von den Retroreflektoren angeordnet sind.
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