WO2006032535A1 - Laserresonator - Google Patents

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WO2006032535A1
WO2006032535A1 PCT/EP2005/010375 EP2005010375W WO2006032535A1 WO 2006032535 A1 WO2006032535 A1 WO 2006032535A1 EP 2005010375 W EP2005010375 W EP 2005010375W WO 2006032535 A1 WO2006032535 A1 WO 2006032535A1
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mirror
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laser
substrate
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Alexander Büttner
Uwe Detlef Zeitner
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Definitions

  • the invention relates to a laser resonator according to the preamble of the main claim and a method for producing such a Läserresonators.
  • Such laser resonators which are delimited by two surface-structured end mirrors, are known, for example, from the patents US Pat. Nos. 5,454,004 and 5,745,511.
  • the purpose of the surface-structured end mirrors is to ensure that the laser resonator receives a fundamental mode which results in better utilization of the pumped region of an active medium in the laser resonator compared to conventional laser resonators and better suppression of higher modes to achieve a better beam quality.
  • laser resonators consist of two opposing mirrors. Such a resonator or a corresponding laser has transversal modes of a shape which results from mirror shape and mirror spacing.
  • conventional resonators mostly spherical and plane mirrors are used.
  • Gauss-Laguer or Gauss-Hermitean modes are generated. Which and how many modes oscillate depends on circulating losses of the modes and a gain which results in an active medium of the laser.
  • a Gaussian fundamental mode has best beam quality and lowest circulation losses, whereas higher modes experience higher circulation losses.
  • Resonators relatively small differences between the circulation losses of the various modes, so vie ⁇ le modes swing, which brings a deteriorated beam quality with it.
  • Essential application goals of resonators with surface-structured mirrors which deviate from conventional, for example spherical, resonators are generation by a user of defined output beam profiles, in particular for the purpose of improved utilization of a pumping volume and thus an increased output power, as well an improvement of the beam quality by increasing the circulation losses of higher modes.
  • the use of surface-structured mirrors thus makes intracavity beam shaping possible, for example se targeted generation of a super-Gaussian fundamental mode, which the said publications and the publications cited therein, in particular in connection with solid state lasers, for example Nd: YAG lasers, CC> 2 lasers and semiconductor lasers has already been extensively studied.
  • the embodiments of the laser resonator in such a way that the two surface-structured end mirror thus the same substrate are arranged ange ⁇ on a common, which is made possible by the fact 'that the laser resonator has a whe- by at least one ren mirror folded beam path, has several advantages yourself. Because the end mirrors are arranged on the same substrate, they have a fixed orientation relative to one another. In particular, the two end mirrors or surface structures characterizing these end mirrors can be produced in a single production process, as a result of which the relative orientation of the two end mirrors relative to one another can be defined and implemented with extremely high accuracy. A disadvantageous complicated subsequent adjustment of the two end mirrors relative to one another is unnecessary. by.
  • the at least one further mirror which is needed to realize the folded beam path, a significantly lower cost is required because such a further mirror usually only three degrees of freedom (distance and Verkip ⁇ pung in two directions) must be adjusted. Since the at least one further mirror does not have to have a non-trivial surface structure, a translation in the mirror plane and a rotation around a mirror normal are not significant in this case.
  • a desired fundamental mode of the laser resonator can be realized with higher precision, which makes it possible, for example, to achieve a better space utilization of an active medium or pumping volume of a corresponding laser and thus a higher power yield. Due to the easier and thus more precise adjustment, finally, a better suppression of higher (in particular transversal) modes can be achieved, which results in a better jet quality.
  • a preferred method for producing a laser resonator of the type described accordingly provides that a surface of the substrate is structured in two regions corresponding to the end mirrors in a single production process by applying further layers and / or by removing surface layers. Such a production process can also be multi-level (for example, by a successive removal of several surfaces). chen Anlagenen).
  • the decisive factor is that the two end mirrors are each processed in one working step, that is to say in particular advantageously without the substrate being reacted between surface-structuring measures in the regions of the two end mirrors. It is particularly advantageous to produce the end mirrors by means of laser lithography, which is possible with extremely high accuracy and relatively low expenditure. To protect surface areas which are not to be removed, masks can be used for this purpose.
  • Surface structured in the present document are those mirrors which deviate from simple plane mirrors or spherical mirrors.
  • these should be mirrors with a surface structure by means of which the laser resonator receives a desired fundamental mode, preferably at the same time as good as possible suppression of higher modes.
  • a corresponding surface structure will be characterized by small length scales compared to the mirror dimensions.
  • the desired (transversal) fundamental mode may, for example, be a supergaussian mode with a view to maximizing space utilization in the active medium.
  • the surface-structured end mirrors can have refractive profiles, ie continuous profiles. Usually one is facing a desired one Fundamental mode calculated mirror profile be refractive. From this profile integer multiples of half the wavelength can be subtracted, resulting in an equivalent, also exact diffractive profile. It is also possible to use end mirrors with diffractive profiles which only approximate a calculated refractive or diffractive mirror profile. A profile of one of the two or both surface-structured end mirrors can thus also be unsteady and consist, for example, of only a finite number of different levels.
  • one of the end mirrors or each end mirror is mirrored on a side facing the resonator, for example gold-plated or coated with another reflecting layer, or that the substrate is at least in an area at least one of the end mirrors is mirrored on a side facing away from the resonator.
  • the respective end mirror is given by a reflective, surface-structured region, while the surface-structured region defining the end mirror is transmissive in the latter case, so that a reflection with a passage of light through the substrate except for a back surface the substrate is connected.
  • the corresponding side of the substrate is mirror-coated all over, for example gold-plated or coated with another reflective material.
  • a targeted local phase change desired in the case of laser resonators can be achieved in the embodiments of the end mirror explained above.
  • the realization of advantageous basic modes usually leads to surface structures with typical Length scales, which are small compared to a diameter of the corresponding end mirror.
  • the two surface-structured end mirrors are arranged side by side on one side of the substrate.
  • the laser resonator has, in addition to the two end mirrors, exactly one further mirror and a beam path which is simply folded by means of this mirror.
  • the laser resonator has an optical axis that is slightly inclined relative to a normal of the substrate and / or the further mirror, for example tilted by 0.5 ° and 2 °, whereby an arrangement of the two Endspiegel next to each other in an otherwise largely symmetrical and clear structure is possible.
  • the two end mirrors could be next to each other placed on a planar substrate and the optical path are chosen so that the Laserre- sonator a folded at two locations, reflect to the terminally each orthogonal to the substrate optical axis has This embodiment would bring.
  • the advantage is that the surface structures of the two end mirrors could be taken over by a corresponding laser resonator according to the prior art with two end mirrors facing each other, possibly after a simple mirroring.
  • the further mirror can be designed as a plane mirror or have a curved, for example spherically curved, surface. In a typical construction with only a single folded beam path, it may be advantageous if the further mirror is convex.
  • the substrate may also have a flat or curved surface on which the surface-structured end mirrors are arranged.
  • the surface of the substrate facing the resonator it can be advantageous for the surface of the substrate facing the resonator to be concave, so that a desired basic mode can be realized in a simple manner.
  • the further mirror is provided by a surface of an active medium arranged in the laser resonator.
  • This surface may possibly be mirrored.
  • a simple structure results from this because it is possible to dispense with an additional component.
  • the laser resonator may have a decoupling region in a region of one of the two end mirrors or also in a region of the further mirror or one of the further mirrors. For this purpose, a mirroring into the corresponding area can be omitted. It is also possible to mirror the corresponding end mirror or further mirror in such a way that incident light is not completely reflected. The decoupling area can then possibly be just as big as the corresponding end mirror or further mirrors. A decoupling by the further mirror or one of the further mirrors may be particularly advantageous, because it generally has no non-trivial surface structure, which can avoid unwanted diffractions or refractions of light.
  • the present invention can be applied to both stable and unstable resonators. Be ⁇ special advantages brings the invention for unstable resonators with it, where typically two surface-structured end mirror are required to realize a desired fundamental mode.
  • a particularly good suppression of higher modes can be achieved by the substrate being blackened in an environment of an end mirror, or darkened by a diaphragm or provided with a scattering surface structure.
  • this end mirror is limited to a range within which the fundamental mode of the laser resonator exceeds a defined threshold, for example a threshold of between 0% and 1% of a maximum intensity of the fundamental mode.
  • a scattering surface structure for example, a simple grid may be provided, which may be easier to implement than blackening or dimming, but a similar effect is achieved by light incident in the vicinity of the end mirror light from the Strahlen ⁇ gear is bent out.
  • At least one further phase structure, diffraction structure and / or aperture is arranged in the beam path of the laser resonator.
  • This may be a simple diaphragm, a lattice-like structure or else an optical element with a pseudorandom, locally fluctuating phase shift.
  • a better Aus ⁇ utilization of the pumped area in the active medium of the corresponding laser can be achieved.
  • the laser resonator is to be used in a laser with longitudinal excitation, it may be advantageous for the pump radiation to be coupled in by the further mirror or one of the further mirrors.
  • the latter is generally not surface-structured, a diffraction of the pump radiation which is difficult to control is thereby avoided, whereby the pump radiation can be focused better and a spatially optimized An ⁇ compared to the prior art movement of the active medium becomes possible.
  • an additional mirrored surface to be provided on the substrate outside surface-structured regions, that is to say typically outside the end mirrors, which forms an auxiliary resonator together with the at least one further mirror.
  • This auxiliary resonator which will typically have lower circulation losses than the actual laser resonator, can be used in an advantageous manner for adjusting the laser resonator. This is due to the fact that such an auxiliary resonator typically speaks more easily than the laser resonator delimited by two surface-structured end mirrors.
  • the additional mirrored surface may, for example, be arranged between the two end mirrors on the substrate.
  • the additional mirrored surface or each of the additional mirrored surfaces should be dimmable in order to switch off the auxiliary resonator after adjustment of the laser resonator. This can be achieved, for example, by subsequent blackening of the corresponding surfaces. surface.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a laser resonator according to the invention as a longitudinal section and for comparison a corresponding laser resonator in unfolded form
  • FIG. 3 shows a laser resonator according to the invention in a corresponding representation, supplemented by a plan view of a light exit surface and a plan view of two end mirrors of this laser resonator,
  • the laser resonator shown in FIG. 1 a) has two surface-structured end mirrors 1 and 2, which are arranged side by side on one side of a common substrate.
  • this one has Laser resonator on a further mirror 3 and thus ei ⁇ NEN by means of its folded beam path.
  • the further mirror 3 is a plane mirror, with the said substrate also being flat.
  • FIG. 1 b shows a corresponding laser resonator without the further mirror 3 and accordingly with an unfolded beam path, which otherwise has identical optical properties to the resonator shown in FIG. 1 a).
  • the laser resonator has an optical axis inclined relative to a normal of the two end mirrors 1 and 2 by an angle ⁇ , whereby a simple folding of the beam path through the further mirror 3 parallel to the end mirrors 1 and 2 in the exemplary embodiment from FIG a) becomes possible.
  • the angle ⁇ shown here has a value of between 0.5 ° and 5 °.
  • An overall length of the unfolded resonator drawn in as L is halved in the laser resonator according to the invention from FIG. 1 a).
  • the further mirror 3 is executed as an additional component in the illustrated resonator according to the invention.
  • this further mirror 3 can also be provided by a preferably mirrored surface of an active medium arranged in the laser resonator.
  • this laser resonator has a decoupling region 4, which, as in the following figures, is indicated by an arrow symbolizing an emerging light.
  • the decoupling region 4 is in the present case realized by a not completely reflective coating of the end mirror.
  • a mirroring of the corresponding end mirror 2 in a subregion is omitted.
  • the coupling-out region 4 could also be provided by the further mirror 3 or a partial region of the further mirror 3.
  • an injection of pump radiation for longitudinal stimulation of the laser resonator is performed by the further mirror 3, which is not structured itself.
  • excitation by one of the end mirrors 1 or 2 or transversely excitation of the laser resonator would also be possible.
  • the surface-structured end mirrors 1 and 2 have diffractive profiles with a discontinuous course and are mirrored on a side facing the resonator (ie, in FIG. 1 a) on the right) by a gold coating.
  • a design of an end mirror 1 or 2 or of both end mirrors 1 and 2 with transmissive surface-structured regions would also be possible, in which case a side of the substrate facing away from the resonator could be mirror-coated by a corresponding coating.
  • the end mirrors 1 and 2 are structured in such a way that the laser resonator, taking into account the optical properties of the optical medium arranged in the laser resonator, maintains a defined and desired transverse mode as a fundamental mode, while higher modes are relatively well suppressed.
  • refractive structured end mirrors can be used in the same way.
  • FIGS. 2 a) to 2 c Other embodiments of the present invention are shown in FIGS. 2 a) to 2 c).
  • Wie ⁇ recurring features are, as in the dar ⁇ on following figures, again provided with the same reference numerals.
  • the mirrored surface 5 is blackened or covered after an adjustment of the laser resonator so that only the actual resonator formed by the surface-structured end mirrors 1 and 2 and the further mirror 3 is then operated.
  • the one shown in FIG. formed laser resonator the Aus ⁇ management example described above.
  • FIG. 2 b A similar laser resonator is shown in FIG. 2 b), which differs from the laser resonator described with reference to FIG. 2 a in that the further mirror 3 does not execute as a plane mirror but as a spherically concave curved mirror is. Similar embodiments are conceivable in which ' the further mirror 3 has a convex curvature.
  • FIG. 2 c Another embodiment is shown in FIG. 2 c).
  • the further mirror 3 is again embodied as a plane mirror.
  • the two surface-structured end mirrors 1 and 2 are arranged on a spherically curved, concave surface of the corresponding substrate.
  • the substrate is blackened or provided with a scattering surface structure, such as a lattice structure, in an environment of the end mirror 2 in which a coupling out of laser light takes place.
  • a scattering surface structure such as a lattice structure
  • phase structures, diffraction structures and / or apertures can be arranged, by means of which a better utilization of space in the active medium of the laser resonator and a better suppression of higher modes can be realized.
  • phase or diffraction structures and apertures are to be considered in a calculation of the profiles of the end mirrors 1 and 2.
  • FIG. 1 A design example of a laser resonator in a further embodiment of the invention is shown in FIG. This figure shows an unstable Nd: YAG resonator with Gaussian fundamental mode. This resonator results from simple folding of a linear resonator with an optical axis which is inclined relative to a normal of the end mirrors 1 and 2 by an angle of 0.75 °.
  • Fig. 3 b illustrates an intensity distribution of the decoupled fundamental mode on a back side of the substrate, which carries the two end mirrors 1 and 2.
  • the two end mirrors 1 and 2 of this La-serresonators themselves are illustrated in Fig. 3 c).
  • a decoupling region 4 of the unstable resonator which is provided by a non-mirrored and even non-structured quadrant in the end mirror 1.
  • the further mirror 3 serving to fold the laser resonator is again designed as a plane mirror in the present case.
  • a thermal lens 6 which results from heating of the laser resonator and an active medium arranged in the laser resonator during operation of the laser resonator.
  • this thermal lens 6 has a focal length of 4 m and is taken into account in a calculation of the end mirrors 1 and 2.
  • the imaged Nd: YAG resonator has an emission wavelength of 1064 nm.
  • surface-structured regions of the end mirrors 1 and 2 can be recognized outside of the decoupling region 4, on which calculated phase distributions are obtained.
  • the illustrated resonator has a
  • FIG. 3 In a manner corresponding to FIG. 3, another embodiment of the invention is shown in FIG.
  • L5 present invention imaged. Again, it is an Nd: YAG resonator with an emission wavelength of 1064 nm.
  • This resonator like the laser resonator described above with reference to FIG. 3, has two end mirrors 1 and 2 with a diffractive top surface, However, it is designed differently as a stable resonator and has a fundamental mode which reproduces the Greek letter ⁇ . This basic mode, which is coupled out in the outcoupling region 4 in the end mirror 2, or its intensity distribution, is illustrated in FIG. 4 b).
  • an additional mirrored surface 5 arranged an ⁇ , running flat and highly reflective is cooperating with the further mirror 3 forms a slightly springing auxiliary resonator for adjusting the laser resonator.
  • This additional mirrored surface 5 can also be seen in FIG. 4 c), which is a plan view of the substrate with the two
  • End mirrors 1 and 2 shows. 4c) also shows a calculated phase distribution of the two surface-structured end mirrors 1 and 2, which have a side length 7 of 3 mm. It is provided that the additional mirrored surface 5 is darkened after an adjustment of the resonator, for example by means of a suitable aperture.
  • the laser resonator explained with reference to FIG. 4 has an optical axis which is inclined by about 1.16 ° relative to a normal of the end mirrors 1 and 2 and of the further mirror 3.
  • the optical fields traveling back and forth in the resonator no longer propagate parallel to a normal of the end mirrors 1 and 2 and / or the further mirror, as in the previously described embodiments 3, but in a direction tilted by said angle in lateral Di ⁇ direction.
  • the tilting is effected by changing the optical function of the structured mirrors and can be taken into account in the optical design of the resonator.
  • the oblique propagation of the fields makes it possible to fold the laser resonator, the additional mirror 3 serving as a folding mirror being positioned here at a distance of half a resonator length L / 2 from the substrate. This reduces a geo metric length of the laser to half.
  • This arrangement allows a lithographically accurate positioning of the two surface-structured end mirrors 1 and 2 on a single substrate in a manufacturing process, ie under exactly the same conditions of manufacture.
  • the end mirrors 1 and 2 are positioned in the lateral dimensions (in mirror plane) as well as with respect to a rotation about a mirror normal lithographically accurate (lateral ⁇ 0.1 microns, relative rotation ⁇ 0.001 °) zuein ⁇ other.
  • the folding is ultimately to be expected with a reduction of diffraction losses and an improvement of the resonator behavior.
  • the principle described can be applied both to stable resonators and to unstable resonators with arbitrary transverse fundamental mode distributions.
  • the end mirrors 1 and 2 do not necessarily have to be designed with diffractive structures (that is, as discontinuous surface profiles), but may also be refractive, ie. be executed as a smooth surface profiles.
  • the principle can furthermore be applied generally to lasers with any active media.
  • the further mirror 3 can be designed according to the statements as a plane mirror or also have a radius of curvature.
  • the substrate has a simple diffractive structure, which causes better suppression of higher modes.
  • FIG. 5 a A further embodiment of the invention is finally shown in Fig. 5 a). Recurring features are here again provided with the same reference symbols and will not be explained in detail.
  • the laser resonator shown here has, in addition to the two end mirrors 1 and 2 arranged on a single substrate, two further mirrors 3 and a beam path folded twice by means of this mirror 3. This results in a particularly simple beam geometry, which makes it possible to use surface structures for the end mirrors 1 and 2 which are known in the same form from a corresponding conventional linear resonator.
  • Such an optically equivalent linear laser resonator with an unfolded beam path is shown for comparison in FIG. 5 b).
  • the laser resonator according to the invention from FIG. 5 a) results in a simple manner by adding the further mirrors 3, by means of which the beam path is folded at two points by a respective right angle.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laserresonator, der durch zwei oberflächenstrukturierte Endspiegel (1, 2) begrenzt ist, wobei die zwei oberflächenstrukturierten Endspiegel (1, 2) auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, wobei der Laserresonator ferner einen mittels mindestens eines weiteren Spiegels (3) gefalteten Strahlengang aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Laserresonators.

Description

FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V. 057PCT 0902
Laserresonator
Die Erfindung betrifft einen Laserresonator nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Läserresonators.
Derartige Laserresonatoren, die durch zwei oberflä¬ chenstrukturierte Endspiegel begrenzt sind, sind bei¬ spielsweise aus den Patentschriften US 5,454,004 und US 5,745,511 bekannt. Durch die oberflächenstruktu¬ rierten Endspiegel soll dabei erreicht werden, dass der Laserresonator eine Grundmode erhält, die eine, verglichen zu herkömmlichen Laserresonatoren bessere Ausnutzung des gepumpten Bereichs eines aktiven Medi- ums im Laserresonator zur Folge hat, und dass höhere Moden besser unterdrückt werden, um eine bessere Strahlqualität zu erreichen.
In der Regel bestehen Laserresonatoren aus zwei sich einander gegenüberstehenden Spiegeln. Ein solcher Re¬ sonator bzw. ein entsprechender Laser hat transversa¬ le Moden einer Form, die sich aus Spiegelform und Spiegelabstand ergibt. In konventionellen Resonatoren werden meist sphärische und plane Spiegel verwendet. In herkömmlichen sphärischen Resonatoren werden bei¬ spielsweise sog. Gauß-Laguersche bzw. Gauß- Hermitesche Moden erzeugt. Welche und wie viele Moden anschwingen, hängt ab von Umlaufverlusten der Moden und einer in einem aktiven Medium des Lasers er¬ folgenden Verstärkung. Typischerweise besitzt eine gaußförmige Grundmode eine beste Strahlqualität und geringste Umlaufverluste, wogegen höhere Moden höhere UmlaufVerluste erfahren. Nachteile solcher konventio- nellen Resonatoren ist, dass die typischerweise an¬ schwingenden Moden eine im aktiven Medium auf einen Bereich nahe einer optischen Achse beschränkte Aus¬ dehnung haben und deswegen eine im aktiven Medium ge¬ speicherte Energie nicht vollständig verbraucht wer- den kann. Weiterhin ergeben sich in konventionellen
Resonatoren relativ geringe Unterschiede zwischen den Umlaufverlusten der verschiedenen Moden, so dass vie¬ le Moden anschwingen, was eine verschlechterte Strahlqualität mit sich bringt.
Wesentliche Anwendungsziele von Resonatoren mit ober¬ flächenstrukturierten Spiegeln, die von herkömmli¬ chen, beispielsweise sphärischen, Resonatoren abwei¬ chen, sind eine Erzeugung durch einen Nutzer defi- nierter Ausgangsstrahlprofile, insbesondere zum Zweck einer verbesserten Ausnutzung eines Pumpvolumens und damit einer erhöhten Ausgangsleistung, sowie eine Verbesserung der Strahlqualität durch eine Erhöhung der UmlaufVerluste höherer Moden. Durch die Verwen- düng oberflächenstrukturierter Spiegel wird also eine resonatorinterne Strahlformung möglich, beispielswei- se eine gezielte Erzeugung einer super-gaußförmigen Grundmode, was den genannten Druckschriften und den darin zitierten Veröffentlichungen zufolge insbeson¬ dere im Zusammenhang mit Festkörperlasern, beispiels- weise Nd:YAG-Lasern, CC>2-Lasern und Halbleiterlasern bereits ausgiebig untersucht worden ist.
Die demnach bekannten gattungsgemäßen Laserresonato¬ ren sind allerdings mit einem entscheidenden Nachteil behaftet, der auch die Ursache dafür bildet, dass solche Laser trotz der offensichtlichen Vorteile bis¬ lang nicht kommerziell erhältlich sind. Der genannte Nachteil ergibt sich durch eine im Vergleich zu her¬ kömmlichen Resonatoren deutlich höhere Genauigkeits- anforderung bezüglich einer Justage, insbesondere ei¬ ner Relativjustage der beiden oberflächenstrukturier¬ ten Endspiegel. Damit verbunden ist ein nachteilig hoher Herstellungsaufwand, der bei einer Verwendung mehrerer oberflächenstrukturierter optischer Elemente zum Zweck einer gezielten Strahlformung im Laserreso¬ nator nach dem Stand der Technik unvermeidbar ist. Anders als bei herkömmlichen Resonatoren sind nämlich bei gattungsgemäßen Laserresonatoren nur äußerst ge¬ ringe Toleranzen zulässig, wenn die oberflächenstruk- turierten Endspiegel ihren Zweck einer gezielten
Strahlformung und Erzeugung einer bestimmten Grund¬ mode bei einer Unterdrückung höherer Moden erfüllen sollen. Da Laserresonatoren mit zwei oberflächen¬ strukturierten Endspiegeln im Allgemeinen nicht rota- tionssymmetrisch bezüglich einer optischen Achse sind, müssen die Endspiegel, anders als bei herkömm¬ lichen Resonatoren, bezüglich einer großen Anzahl von Freiheitsgraden zueinander justiert werden, nämlich in der Regel bezüglich eines Spiegelabstands, einer Translation in zwei lateralen Dimensionen, einer Ro¬ tation um die optische Achse und einer Verkippung in zwei Dimensionen.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen entsprechenden Laserresonator zu ent- wickeln, der den geschilderten Nachteil der Erforder¬ nisse einer ausgesprochen aufwendigen Justage vermei¬ det. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Laserre¬ sonators vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Laserresonator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs sowie durch ein Ver- fahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Vorteil¬ hafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen der Er¬ findung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteran¬ sprüche.
Die Ausführungen des Laserresonators in einer Weise, dass die zwei oberflächenstrukturierten Endspiegel auf einem gemeinsamen, also demselben Substrat ange¬ ordnet sind, was dadurch ermöglicht wird, 'dass der Laserresonator einen mittels mindestens eines weite- ren Spiegels gefalteten Strahlengang aufweist, bringt mehrere Vorteile mit sich. Dadurch, dass die Endspie¬ gel auf demselben Substrat angeordnet sind, haben diese relativ zueinander eine feste Orientierung. Insbesondere können die beiden Endspiegel bzw. diese Endspiegel charakterisierende Oberflächenstrukturen in einem einzigen Herstellungsprozess hergestellt werden, wodurch die relative Orientierung der beiden Endspiegel zueinander mit einer äußerst hohen Genau¬ igkeit definiert und realisiert werden kann. Eine nachteilige aufwendige nachträgliche Justage der bei¬ den Endspiegel relativ zueinander erübrigt sich da- durch. Dabei ist zu beachten, dass für eine Justage des mindestens einen weiteren Spiegels, der benötigt wird, um den gefalteten Strahlengang zu realisieren, ein deutlich geringerer Aufwand erforderlich ist, weil ein solcher weiterer Spiegel in der Regel nur bezüglich dreier Freiheitsgrade (Abstand und Verkip¬ pung in zwei Richtungen) justiert werden muss. Da der mindestens eine weitere Spiegel keine nichttriviale Oberflächenstruktur aufweisen muss, fällt eine Trans- lation in Spiegelebene und eine Rotation um eine Spiegelnormale bei diesem nicht ins Gewicht.
Durch die vereinfachte Justage wird es ferner mög¬ lich, bei einem Laserresonator der hier vorgeschlage- nen Art verglichen zum Stand der Technik deutlich re¬ duzierte Toleranzen zu realisieren. Dadurch wiederum kann eine gewünschte Grundmode des Laserresonators mit höherer Präzision realisiert werden, wodurch sich beispielsweise eine bessere Raumausnutzung eines ak- tiven Mediums bzw. Pumpvolumens eines entsprechenden Lasers und damit eine höhere Leistungsausbeute errei¬ chen lässt. Aufgrund der leichteren und dadurch prä¬ ziseren Justage lässt sich schließlich auch eine bes¬ sere Unterdrückung höherer (insbesondere transversa- ler) Moden erreichen, womit sich eine bessere .Strahl¬ qualität ergibt.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines La¬ serresonators beschriebener Art sieht dementsprechend vor, dass eine Oberfläche des Substrats in zwei den Endspiegeln entsprechenden Bereichen in einem einzi¬ gen Herstellungsprozess durch Auftragen weiterer Schichten und/oder durch Abtragen von Oberflächen¬ schichten strukturiert wird. Ein solcher Herstel- lungsprozess kann auch mehrstufig sein (beispielswei¬ se durch ein sukzessives Abtragen mehrerer Oberflä- chenschichten) . Entscheidend ist, dass die beiden Endspiegel jeweils in einem Arbeitsschritt bearbeitet werden, also insbesondere vorteilhafterweise ohne ein Umsetzen des Substrats zwischen oberflächenstruktu- rierenden Maßnahmen in den Bereichen der zwei End¬ spiegel. Besonders vorteilhaft ist es, die Endspiegel durch Laserlithographie herzustellen, was mit äußerst hoher Genauigkeit und verhältnismäßig geringem Auf¬ wand möglich ist. Zum Schutz von Oberflächenberei- chen, die nicht abgetragen werden sollen, können da¬ bei Masken verwendet werden. Zur Oberflächenstruktu- rierung der Endspiegel kann ferner auf alle Verfahren zurückgegriffen werden, die in den erwähnten Druck¬ schriften US 5,454,004 A und US 5,745,511 A beschrie- ben sind, wozu auf diese Druckschriften verwiesen wird, die in dieser Hinsicht als vollumfänglich in die vorliegende Schrift aufgenommen gelten sollen.
Als oberflächenstrukturiert sollen in der vorliegen- den Schrift solche Spiegel bezeichnet sein, die von einfachen Planspiegeln oder sphärischen Spiegeln ab¬ weichen. Vorzugsweise soll es sich dabei um Spiegel mit einer Oberflächenstruktur handeln, durch die der Laserresonator eine gewünschte Grundmode bei vorzugs- weise zugleich möglichst guter Unterdrückung höherer Moden erhält. Typischerweise wird eine entsprechende Oberflächenstruktur durch verglichen zu den Spiegel¬ abmessungen kleine Längenskalen charakterisiert sein. Bei der gewünschten (transversalen) Grundmode kann es sich mit Blick auf eine möglichst gute Raumausnutzung im aktiven Medium beispielsweise um eine super- gaußförmige Mode handeln.
Die oberflächenstrukturierten Endspiegel können refraktive Profile aufweisen, also stetige Profile. In der Regel wird ein mit Blick auf eine gewünschte Grundmode errechnetes Spiegelprofil refraktiv sein. Von diesem Profil können ganzzahlige Vielfache der halben Wellenlänge abgezogen werden, womit sich ein äquivalentes, ebenfalls exaktes diffraktives Profil ergibt. Es ist auch möglich, Endspiegel mit diffrak- tiven Profilen zu verwenden, welche ein errechnetes refraktives oder diffraktives Spiegelprofil nur ap¬ proximieren. Ein Profil eines der beiden oder beider oberflächenstrukturierten Endspiegel kann also auch unstetig sein und beispielsweise nur aus einer endli¬ chen Anzahl verschiedener Niveaus bestehen.
Bei verschiedenen Ausführungen der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass einer der Endspiegel oder jeder Endspiegel auf einer dem Resonator zugewandten Seite verspiegelt, beispielsweise vergoldet oder mit einer anderen spiegelnden Schicht beschichtet, ist oder dass das Substrat zumindest in einem Bereich mindes¬ tens eines der Endspiegel auf einer dem Resonator ab- gewandten Seite verspiegelt ist. Im erstgenannten
Fall ist der jeweilige Endspiegel durch einen reflek¬ tierenden, oberflächenstrukturierten Bereich gegeben, während der oberflächenstrukturierte, den Endspiegel definierende Bereich im letztgenannten Fall transmis- siv ist, so dass eine Reflektion mit einem Durchtritt des Lichts durch das Substrat bis auf eine rückseiti¬ ge Oberfläche des Substrats verbunden ist. Mit Blick auf eine möglichst einfache Herstellung der Endspie¬ gel ist es vorteilhaft, wenn die entsprechende Seite des Substrats vollflächig verspiegelt, beispielsweise vergoldet oder mit einem anderen spiegelnden Material beschichtet, ist. Eine bei Laserresonatoren gewünsch¬ te gezielte lokale Phasenänderung lässt sich bei bei¬ den erläuterten Ausführungen der Endspiegel errei- chen. Die Realisierung vorteilhafter Grundmoden führt in der Regel zu Oberflächenstrukturen mit typischen Längenskalen, die verglichen zu- einem Durchmesser des entsprechenden Endspiegels klein sind.
Ein besonders einfacher und daher vorteilhafter Auf- bau ergibt sich, wenn die zwei oberflächenstruktu¬ rierten Endspiegel nebeneinander auf einer Seite des Substrats angeordnet sind. In dem Fall kann es genü¬ gen, wenn der Laserresonator neben den beiden End¬ spiegeln genau einen weiteren Spiegel und einen mit- tels dieses Spiegels einfach gefalteten Strahlengang aufweist. Dabei kann es vorgesehen sein, dass der La¬ serresonator eine gegenüber einer Normalen des Sub¬ strats und/oder des weiteren Spiegels leicht geneig¬ te, beispielsweise um 0,5° und 2° geneigte, optische Achse hat, womit eine Anordnung der beiden Endspiegel nebeneinander bei einem ansonsten weitgehend symmet¬ rischen und übersichtlichen Aufbau möglich wird.
Alternativ wäre es natürlich auch möglich, eine FaI- tung des Strahlengangs durch beispielsweise zwei wei¬ tere, gegeneinander gekippte Spiegel zu realisieren. In dem "Fall könnten die zwei Endspiegel nebeneinander auf einem ebenen Substrat untergebracht werden und der Strahlengang so gewählt werden, dass der Laserre- sonator eine an zwei Stellen gefaltete, an den End¬ spiegeln jeweils zum Substrat orthogonale optische Achse hat. Diese Ausführung brächte den Vorteil mit sich, dass die Oberflächenstrukturen der beiden End¬ spiegel von einem entsprechenden Laserresonator nach dem Stand der Technik mit zwei einander gegenüberlie¬ genden Endspiegeln - eventuell nach einer einfachen Spiegelung - übernommen werden könnten.
Der weitere Spiegel kann je nach Ausführung als Plan- Spiegel ausgeführt sein oder eine gekrümmte, bei¬ spielsweise sphärisch gekrümmte, Oberfläche haben. Bei einem typischen Aufbau mit einem nur einfach ge¬ falteten Strahlengang kann es vorteilhaft sein, wenn der weitere Spiegel konvex ausgeführt ist. Auch das Substrat kann ausführungsabhängig eine ebene oder ei- ne gekrümmte Oberfläche aufweisen, auf der die ober¬ flächenstrukturierten Endspiegel angeordnet sind. Hier kann es vorteilhaft sein, dass die dem Resonator zugewandte Oberfläche des Substrats konkav ausgeführt ist, damit in einfacher Weise eine gewünschte Grund- mode realisiert werden kann.
Besonders vorteilhafte weil aufwandsarm zu realisie¬ rende Ausführungen der Erfindung sehen vor, dass der weitere Spiegel durch eine Oberfläche eines im Laser- resonator angeordneten aktiven Mediums gegeben ist.
Diese Oberfläche kann eventuell verspiegelt sein. Ein einfacher Aufbau ergibt sich damit, weil auf ein zu¬ sätzliches Bauteil verzichtet werden kann.
Der Laserresonator kann in einem Bereich einer der beiden Endspiegel oder auch in einem Bereich des wei¬ teren Spiegels bzw. eines der weiteren Spiegel einen Auskoppelbereich aufweisen. Dazu kann eine Verspiege- lung in den entsprechenden Bereich ausgespart sein. Möglich ist es auch, den entsprechenden Endspiegel bzw. weiteren Spiegel so zu verspiegeln, dass auf¬ treffendes Licht nicht vollständig reflektiert wird. Der Auskoppelbereich kann dann eventuell genauso groß sein wie der entsprechende Endspiegel oder weitere Spiegel. Eine Auskoppelung durch den weiteren Spiegel bzw. einen der weiteren Spiegel kann besonders vor¬ teilhaft sein, weil dieser in der Regel keine nicht¬ triviale Oberflächenstruktur aufweist, womit sich e- ventuell unerwünschte Beugungen oder Brechungen aus- tretenden Lichts vermeiden lassen. Die vorliegende Erfindung lässt sich sowohl auf sta¬ bile als auch auf instabile Resonatoren anwenden. Be¬ sondere Vorteile bringt die Erfindung für instabile Resonatoren mit sich, bei denen typischerweise zwei oberflächenstrukturierte Endspiegel erforderlich sind, um eine erwünschte Grundmode zu realisieren.
Eine besonders gute Unterdrückung höherer Moden lässt sich unter Umständen dadurch erreichen, dass das Sub- strat in einer Umgebung eines Endspiegels geschwärzt oder durch eine Blende abgedunkelt oder mit einer streuenden Oberflächenstruktur versehen ist. Dazu kann es vorgesehen sein, dass dieser Endspiegel auf einen Bereich beschränkt ist, innerhalb dessen die Grundmode des Laserresonators eine definierte Schwel¬ le, beispielsweise eine Schwelle von zwischen 0 % und 1 % einer maximalen Intensität der Grundmode, über¬ schreitet. Als streuende Oberflächenstruktur kann beispielsweise ein einfaches Gitter vorgesehen sein, dass sich unter Umständen leichter realisieren lässt als eine Schwärzung oder Abblendung, wobei aber ein ähnlicher Effekt erreicht wird, indem in der Umgebung des Endspiegels auftreffendes Licht aus den Strahlen¬ gang herausgebeugt wird. Zum Zwecke der besseren Rea- lisierung einer gewünschten Grundmode und einer bes¬ seren Unterdrückung höherer Moden kann es ferner vor¬ teilhaft sein, wenn im Strahlengang des Laserresona¬ tors mindestens eine weitere Phasenstruktur, Beu¬ gungsstruktur und/oder Apertur angeordnet ist. Dabei kann es sich um eine einfache Blende, eine gitterähn¬ liche Struktur oder auch ein optisches Element mit einer pseudo-zufälligen, örtlich schwankenden Phasen¬ verschiebung handeln. Insbesondere eine bessere Aus¬ nutzung des gepumpten Bereichs im aktiven Medium des entsprechenden Läsers lässt sich damit erreichen. Wenn der Laserresonator in einem Laser mit longitudi- naler Anregung eingesetzt werden soll, kann es vor¬ teilhaft sein, dass eine Einkopplung vom Pumpstrah¬ lung durch den weiteren Spiegel bzw. einen der weite- ren Spiegel erfolgt. Da dieser, anders als die End¬ spiegel, in der Regel nicht oberflächenstrukturiert ist, wird dadurch eine schwer zu kontrollierende Beu¬ gung der Pumpstrahlung vermieden, womit sich die Pumpstrahlung besser fokussieren lässt und eine ge- genüber dem Stand der Technik räumlich optimierte An¬ regung des aktiven Mediums möglich wird.
Schließlich kann es vorgesehen sein, dass sich auf dem Substrat außerhalb oberflächenstrukturierter Be- reiche, also typischerweise außerhalb der Endspiegel, eine zusätzliche verspiegelte Fläche befindet, die zusammen mit dem mindestens einen weiteren Spiegel einen Hilfsresonator bildet. Dieser Hilfsresonator, der typischerweise geringere Umlaufverluste haben wird als der eigentliche Laserresonator, kann in vor¬ teilhafter Weise zur Justage des Laserresonators ver¬ wendet werden. Das hängt damit zusammen, dass ein solcher Hilfsresonator typischerweise leichter an¬ spricht als der durch zwei oberflächenstrukturierte Endspiegel begrenzte Laserresonator. Die zusätzliche verspiegelte Fläche kann beispielsweise zwischen den zwei Endspiegeln auf dem Substrat angeordnet sein. In gleicher Weise wäre es auch denkbar, zwei zusätzliche verspiegelte Flächen zur Bildung eines Hilfsresona- tors vorzusehen, von denen jede neben einem der End¬ spiegel angeordnet sein könnte. Vorteilhafterweise sollte die zusätzliche verspiegelte Fläche bzw. jede der zusätzlichen verspiegelten Flächen abblendbar sein, um den Hilfsresonator nach Justage des Laserre- sonators auszuschalten. Das kann beispielsweise durch ein nachträgliches Schwärzen der entsprechenden Flä- che bzw. Flächen geschehen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wer¬ den im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 5 erläu- tert.
Es zeigt
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsge- mäßen Laserresonators als Längsschnitt und zum Vergleich einen entsprechenden Laserre¬ sonator in nicht gefalteter Form,
Fig. 2 in entsprechender Darstellung drei weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer La¬ serresonatoren,
Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Laserresonator in entsprechender Darstellung, ergänzt um eine Aufsicht auf eine Lichtaustrittsfläche so¬ wie eine Aufsicht auf zwei Endspiegels die¬ ses Laserresonators,
Fig. 4 in einer der Fig. 3 entsprechenden Dar- Stellung ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 5 einen weiteren erfindungsgemäßen Laserreso¬ nator mit doppelt gefaltetem Strahlengang sowie zum Vergleich einen entsprechenden
Laserresonator in ungefalteter Form.
Der in der Figur 1 a) gezeigte Laserresonator weist zwei oberflächenstrukturierte Endspiegel 1 und 2 auf, die nebeneinander auf einer Seite eines gemeinsamen Substrats angeordnet sind. Zusätzlich weist dieser Laserresonator einen weiteren Spiegel 3 und damit ei¬ nen mittels dessen gefalteten Strahlengang auf. Bei dem weiteren Spiegel 3 handelt es sich um einen Plan¬ spiegel, wobei auch das genannte Substrat eben ausge- führt ist.
Zum Vergleich ist in der Fig. 1 b) ein entsprechender Laserresonator ohne den weiteren Spiegel 3 und dem¬ entsprechend mit einem nicht gefalteten Strahlengang gezeigt, der ansonsten zu dem in Fig. 1 a) gezeigten Resonator identische optische Eigenschaften hat. Zu erkennen ist, dass der Laserresonator eine gegenüber einer Normalen der beiden Endspiegel 1 und 2 um einen Winkel α geneigte optische Achse hat, wodurch eine einfache Faltung des Strahlengangs durch den zu den Endspiegeln 1 und 2 parallelen weiteren Spiegel 3 im Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 a) möglich wird. Der hier vergrößert dargestellte Winkel α hat realiter einer Wert von zwischen 0,5° und 5°. Eine als L ein- gezeichnete Baulänge des ungefalteten Resonators hal¬ biert sich bei dem erfindungsgemäßen Laserresonator aus Fig. 1 a) .
Der weitere Spiegel 3 ist bei dem abgebildeten erfin- dungsgemäßen Resonator als zusätzliches Bauteil aus¬ geführt. In gleicher Weise kann dieser weitere Spie¬ gel 3 auch durch eine dann vorzugsweise verspiegelte Oberfläche eines im Laserresonator angeordneten akti¬ ven Mediums gegeben sein.
In einem Bereich des in der Fig. 1 a) unter dem ers¬ ten Endspiegel 1 angeordneten Endspiegels 2 weist dieser Laserresonator einen Auskoppelbereich 4 auf, der, wie auch in den folgenden Figuren, durch einen austretendes Licht symbolisierenden Pfeil angedeutet ist. Der Auskoppelbereich 4 ist im vorliegenden Fall durch eine nicht vollständig reflektierende Beschich- tung des Endspiegels realisiert. Bei einer anderen Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zum gleichen Zweck eine Verspiegelung des entspre- chenden Endspiegels 2 in einem Teilbereich ausgespart ist. In gleicher Weise könnte der Auskoppelbereich 4 auch durch den weiteren Spiegel 3 oder einen Teilbe¬ reich des weiteren Spiegels 3 gegeben sein. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass eine Einkoppelung von Pumpstrahlung zur longitu- dinalen Anregung des Laserresonators durch den selbst nicht strukturierten weiteren Spiegel 3 hindurch er¬ folgt. Alternativ wäre auch eine Anregung durch einen der Endspiegel 1 oder 2 hindurch oder eine transver- sale Anregung des Laserresonators möglich.
Die oberflächenstrukturierten Endspiegel 1 und 2 wei¬ sen im vorliegenden Fall diffraktive Profile mit ei¬ nem unstetigen Verlauf auf und sind auf einer dem Re- sonator zugewandten Seite (also in der Fig. 1 a) rechts) durch eine Goldbeschichtung verspiegelt. Al¬ ternativ wäre auch eine Auslegung eines Endspiegels 1 oder 2 oder beider Endspiegel 1 und 2 mit transmissi- ven oberflächenstrukturierten Bereichen möglich, wo- bei dann eine dem Resonator abgewandte Seite des Sub¬ strats durch eine entsprechende Beschichtung verspie¬ gelt sein könnte. Die Endspiegel 1 und 2 sind so strukturiert, dass der Laserresonator unter Berück¬ sichtigung optischer Eigenschaften des im Laserreso- nator angeordneten optischen Mediums eine definierte und gewünschte transversale Mode als Grundmode er¬ hält, während höhere Moden verhältnismäßig gut unter¬ drückt werden. Zu diesem Zweck können in gleicher Weise refraktiv strukturierte Endspiegel verwendet werden. Bei dem vorliegend beschriebenen Ausführungs¬ beispiel wurden theoretisch errechnete refraktive Spiegelprofile jedoch durch diffraktive Profile mit annähernd gleichen Spiegeleigenschaften approximiert, wobei diese diffraktiven Profile dann durch Laserli¬ thographie in einem einzigen Herstellungsprozess auf einer Oberfläche des Substrats realisiert wurden. Au¬ ßer einem lokalen Abtragen von Oberflächenschichten des Substrats könnte auch ein Auftragen weiterer Schichten zur Realisierung der oberflächenstruktu¬ rierten Endspiegel 1 und 2 vorgesehen werden.
Andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfin¬ dung sind in den Figuren 2 a) bis 2 c) gezeigt. Wie¬ derkehrende Merkmale sind dabei, wie auch in den dar¬ auf folgenden Figuren, wieder mit den gleichen Be- zugszeichen versehen.
Bei dem in der Figur 2 a) gezeigten Laserresonator befindet sich zwischen den beiden oberflächenstruktu¬ rierten Endspiegeln 1 und 2 eine zusätzliche verspie- gelte Fläche 5 auf dem Substrat, das auch die End¬ spiegel 1 und 2 trägt. Diese zusätzliche verspiegelte Fläche 5 bildet zusammen mit dem dem Substrat gegen¬ über und zu diesem parallel angeordneten weiteren Spiegel 3 einen Hilfsresonator, mit dessen Hilfe der abgebildete Laserresonator justiert werden kann. Ein dabei zuerst anschwingender Bereich des Laserresona¬ tors ist in der Fig. 2 a) durch einen gestrichelten Doppelpfeil angedeutet. Die zusätzliche verspiegelte Fläche 5 ist, wie auch der weitere Spiegel 3, als Planspiegel ausgeführt. Es ist vorgesehen, dass die verspiegelte Fläche 5 nach einer Justage des Laserre¬ sonators geschwärzt oder abgedeckt wird, so dass dann nur noch der durch die oberflächenstrukturierten End¬ spiegel 1 und 2 und den weiteren Spiegel 3 gebildete eigentliche Resonator betrieben wird. Bezüglich der übrigen Merkmale entspricht der in der Fig. 2 a) ab- gebildete Laserresonator dem zuvor beschriebenen Aus¬ führungsbeispiel.
In Fig. 2 b) ist ein ähnlicher Laserresonator ge- zeigt, der sich von dem anhand der Fig. 2 a) be¬ schriebenen Laserresonator dadurch unterscheidet, dass der weitere Spiegel 3 nicht als Planspiegel, sondern als sphärisch konkav gekrümmter Spiegel aus¬ geführt ist. Ähnliche Ausführungen sind denkbar, bei denen 'der weitere Spiegel 3 eine konvexe Krümmung aufweist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 2 c) gezeigt. Bei dem dort abgebildeten Laserresonator, der dem anhand der Fig. 1 a) beschriebenen Laserreso¬ nator ähnelt, ist der weitere Spiegel 3 wieder als Planspiegel ausgeführt. Dafür sind die beiden ober¬ flächenstrukturierten Endspiegel 1 und 2 auf einer sphärisch gekrümmten, konkaven Oberfläche des ent- sprechenden Substrats angeordnet.
Bei allen bislang erläuterten Ausführungsbeispielen kann es vorgesehen sein, dass das Substrat in einer Umgebung des Endspiegels 2, bei dem eine Auskoppelung von Laserlicht erfolgt, geschwärzt oder mit einer streuenden Oberflächenstruktur, wie beispielsweise einer Gitterstruktur versehen ist. Durch diese Schwärzung bzw. beugende Struktur, die bewirkt, dass der Endspiegel 2 auf einen Bereich beschränkt ist, innerhalb dessen die Grundmode eine definierte, bei¬ spielsweise zwischen 0 % und 1 % einer maximalen In¬ tensität liegende Schwelle überschreitet, wird eine besonders gute Unterdrückung höherer transversaler Moden erreicht. Zusätzlich oder alternativ können im Strahlengang der beschriebenen Laserresonatoren, also in einem Bereich zwischen den Endspiegeln 1 und 2 und dem weiteren Spiegel 3, weitere Phasenstrukturen, Beugungsstrukturen und/oder Aperturen angeordnet sein, durch welche sich eine bessere Raumausnutzung im aktiven Medium des Laserresonators und eine besse- re Unterdrückung höherer Moden realisieren lassen.
Dabei sind solche Phasen- bzw. Beugungsstrukturen und Aperturen selbstverständlich bei einer Berechnung der Profile der Endspiegel 1 und 2 zu berücksichtigen.
Ein Designbeispiel für einen Laserresonator in einer weiteren Ausführung der Erfindung ist in der Fig. 3 gezeigt. Diese Figur zeigt einen instabilen Nd:YAG- Resonator mit gaußförmiger Grundmode. Dieser Resona¬ tor ergibt sich durch einfache Faltung eines linearen Resonators mit einer optischen Achse, die gegenüber einer Normalen der Endspiegel 1 und 2 um einen Winkel von 0,75° geneigt ist.
Fig. 3 b) veranschaulicht eine Intensitätsverteilung der ausgekoppelten Grundmode auf einer Rückseite des Substrats, das die beiden Endspiegel 1 und 2 trägt. Die zwei Endspiegel 1 und 2 dieses La-serresonators selbst sind in Fig. 3 c) veranschaulicht. Zu erkennen ist dort ein Auskoppelbereich 4 des instabilen Reso- nators, der durch einen nicht verspiegelten und selbst nicht strukturierten Quadranten im Endspiegel 1 gegeben ist. Der weitere, zur Faltung des Laserre¬ sonators dienende Spiegel 3 ist im vorliegenden Fall wieder als Planspiegel ausgeführt. Angedeutet ist zu- sätzlich eine thermische Linse 6, die sich durch ein Aufheizen des Laserresonators und eines im Laserreso¬ nator angeordneten aktiven Mediums bei einem Betrieb des Laserresonators ergibt. Diese thermische Linse 6 hat im vorliegenden Fall eine Brennweite von 4 m und ist bei einer Berechnung der Endspiegel 1 und 2 be¬ rücksichtigen. Der abgebildete Nd:YAG-Resonator hat eine Emissionswellenlänge von 1064 nm. In der Fig. 3 c) sind, außerhalb des Auskoppelbereichs 4 oberflä¬ chenstrukturierte Bereiche der Endspiegel 1 und 2 zu erkennen, auf denen berechnete Phasenverteilungen an-
5 gedeutet sind. Der abgebildete Resonator hat eine
Baulänge L/2 von 0,1 m und entspricht damit in seinem optischen Eigenschaften im Wesentlichen einem ent¬ sprechenden ungefalteten Resonator einer Länge von L = 0,2 m. Eingezeichnet ist in Fig. 3 c) schließlich
.0 auch eine Seitenlänge 7 der Endspiegel 1 und 2, die einen Betrag von 1,28 mm hat.
In einer der Fig. 3 entsprechenden Darstellungsweise ist in Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der
L5 vorliegenden Erfindung abgebildet. Wieder handelt es sich um einen Nd:YAG-Resonator mit einer Emissions¬ wellenlänge von 1064 nm. Dieser Resonator weist, wie der zuvor anhand der Fig. 3 beschriebene Laserresona¬ tor, zwei Endspiegel 1 und 2 mit diffraktiver Ober- 0 fläche auf, ist aber abweichend als stabiler Resona¬ tor ausgeführt und weist eine Grundmode auf, die den griechischen Buchstaben π wiedergibt. Diese Grund¬ mode, die im Auskoppelbereich 4 im Endspiegel 2 aus¬ gekoppelt wird, bzw. deren Intensitätsverteilung ist 5 in der Fig. 4 b) veranschaulicht.
Bei dem in Fig. 4 a) abgebildeten Laserresonator hat der weitere Spiegel, der wieder als Planspiegel aus¬ geführt ist, einen Abstand von L/2 = 0,125 m von den
30 beiden Endspiegeln 1 und 2. Eingezeichnet ist wieder eine thermische Linse 6, die sich durch eine Erwär¬ mung des aktiven Mediums ergibt und die eine Brenn¬ weite von 4 m hat. Zwischen den Endspiegeln 1 und 2 ist, ähnlich den Laserresonatoren aus den Fign. 2 a)
35 und 2 b) , eine zusätzliche verspiegelte Fläche 5 an¬ geordnet, die plan und hochreflektierend ausgeführt ist und mit dem weiteren Spiegel 3 zusammenwirkend einen leicht anspringenden Hilfsresonator zur Justage der Laserresonators bildet. Diese zusätzliche ver¬ spiegelte Fläche 5 ist auch in Fig. 4 c) zu erkennen, die eine Aufsicht auf das Substrat mit den beiden
Endspiegeln 1 und 2 zeigt. Zu erkennen ist in Fig. 4 c) auch eine berechnete Phasenverteilung der beiden oberflächenstrukturierten Endspiegel 1 und 2, die ei¬ ne Seitenlänge 7 von 3 mm haben. Es ist vorgesehen, dass die zusätzliche verspiegelte Fläche 5 nach einer Justage des Resonators beispielsweise mittels einer geeigneten Blende abgedunkelt wird. Der anhand der Fig. 4 erläuterte Laserresonator hat eine optische Achse, die gegenüber einer Normalen der Endspiegel 1 und 2 und des weiteren Spiegels 3 um etwa 1,16° ge¬ neigt ist. Gegenüber einem entsprechenden Laserreso¬ nator mit in herkömmlicher Weise nicht gefaltetem Strahlengang propagieren die im Resonator hin- und rücklaufenden optischen Felder hier, wie auch bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen, nicht mehr parallel zu einer Normalen der Endspiegel 1 und 2 und/oder des weiteren Spiegels 3, sondern in einer demgegenüber um den genannten Winkel in lateraler Di¬ mension verkippten Richtung. Die Verkippung wird durch Änderung der optischen Funktion der struktu¬ rierten Spiegel bewirkt und kann im optischen Design des Resonators berücksichtigt werden.
Die schiefe Propagation der Felder ermöglicht eine Faltung des Laserresonators, wobei der als Faltungs¬ spiegel dienende zusätzliche Spiegel 3 hier im Ab¬ stand einer halben Resonatorlänge L/2 vom Substrat positioniert wird. Dadurch reduziert sich eine geo¬ metrische Länge des Lasers auf die Hälfte. Diese FaI- tung erlaubt eine lithographisch genau Positionierung der beiden oberflächenstrukturierten Endspiegel 1 und 2 auf einem einzigen Substrat in einem Herstellungs- prozess, d.h. unter exakt gleichen Herstellungsbedin¬ gungen. Die Endspiegel 1 und 2 sind in den lateralen Dimensionen (in Spiegelebene) sowie bezüglich einer Rotation um eine Spiegelnormale lithographisch genau (lateral < 0,1 μm, relative Rotation < 0,001°) zuein¬ ander positioniert. Durch die Faltung ist letztend¬ lich mit einer Reduzierung von Beugungsverlusten und einer Verbesserung des Resonatorverhaltens zu rech- nen.
Das beschriebene Prinzip lässt sich sowohl auf stabi¬ le Resonatoren als auch auf instabile Resonatoren mit beliebigen transversalen Grundmodenverteilungen an- wenden. Die Endspiegel 1 und 2 müssen nicht unbedingt mit diffraktiven Strukturen (d.h. als unstetige Ober¬ flächenprofile) ausgelegt sein, sondern können auch refraktiv, d.h. als glatte Oberflächenprofile ausge¬ führt sein. Das Prinzip lässt sich ferner ganz allge- mein auf Laser mit beliebigen aktiven Medien anwen¬ den. Der weitere Spiegel 3 kann nach den Gesagten als Planspiegel ausgeführt sein oder auch einen beliebi¬ gen Krümmungsradius besitzen.
Beispielsweise bei dem in der Fig. 4 gezeigten Laser¬ resonator ist ein Bereich zwischen den beiden ober¬ flächenstrukturierten Endspiegeln 1 und 2 unstruktu¬ riert und mit einer erhöhten Spiegelreflektivität ausgeführt, so dass in diesem Bereich, der die zu- sätzliche verspiegelte Fläche 5 bildet, ein leichtes Anschwingen des Lasers möglich ist, wodurch eine Ver¬ kippung des Substrats und des weiteren Spiegels 3 zu¬ einander justiert werden kann. Der durch die zusätz¬ liche verspiegelte Fläche 5 und den weiteren Spiegel 3 gebildete Hilfsresonator hat deutlich geringere Um¬ laufverluste als der eigentliche Resonator und wird daher wie gesagt nach einer Justage des Resonators abgeblendet. Außerhalb der zusätzlichen verspiegelten Fläche 5 und der oberflächenstrukturierten Endspiegel 1 und 2 weist das Substrat eine einfache beugende Struktur auf, die eine bessere Unterdrückung höherer Moden bewirkt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schließlich in der Fig. 5 a) gezeigt. Wiederkehrende Merkmale sind hier wieder mit den gleichen Bezugszei¬ chen versehen und werden nicht mehr im Einzelnen er¬ läutert. Abweichend von den zuvor beschriebenen La¬ serresonatoren weist der hier gezeigte Laserresonator neben den beiden auf einem einzigen Substrat angeord- neten Endspiegeln 1 und 2 zwei weitere Spiegel 3 und einen mittels dieser Spiegel 3 zweifach gefalteten Strahlengang auf. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache Strahlgeometrie, die es erlaubt, für die Endspiegel 1 und 2 Oberflächenstrukturen zu verwen- den, die in gleicher Form von einem entsprechenden herkömmlichen linearen Resonator bekannt sind. Ein solcher optisch äquivalenter linearer Laserresonator mit einem nicht gefalteten Strahlengang ist zum Ver¬ gleich in Fig. 5 b) dargestellt. Aus dem dort abge- bildeten herkömmlichen Resonator ergibt sich der er¬ findungsgemäße Laserresonator aus Fig. 5 a) in ein¬ facher Weise durch Hinzufügen der weiteren Spiegel 3, mittels derer der Strahlengang an zwei Stellen um je¬ weils einen rechten Winkel gefaltet wird.

Claims

FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V. 057PCT 0902Patentansprüche
1. Laserresonator, der durch zwei oberflächenstruk¬ turierte Endspiegel (1, 2) begrenzt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die zwei oberflächenstrukturierten Endspie- gel (1, 2) auf einem gemeinsamen Substrat ange¬ ordnet sind, wobei der Laserresonator einen mit¬ tels mindestens eines weiteren Spiegels (3) ge¬ falteten Strahlengang aufweist.
2. Laserresonator nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass die zwei oberflächenstrukturier¬ ten Endspiegel (1, 2) nebeneinander auf einer Seite des Substrats angeordnet sind.
3. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er einen mittels genau eines weiteren Spiegels (3) einfach gefal¬ teten Strahlengang aufweist.
4. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Spiegel (3) ein Planspiegel ist oder eine gekrümmte Oberfläche hat.
5. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine ebene oder gekrümmte Oberfläche aufweist, auf der die oberflächenstrukturierten Endspiegel (1, 2) angeordnet sind.
6. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Spiegel (3) durch eine Oberfläche eines im Laserresona¬ tor angeordneten aktiven Mediums gegeben ist.
7. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er in einem Bereich einer der beiden Endspiegel (1, 2) oder des wei¬ teren Spiegels (3) einen Auskoppelbereich (4) aufweist.
8. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Endspiegel (1, 2) auf einer dem Resonator zugewandten Seite verspiegelt ist oder das Sub¬ strat zumindest in einem Bereich mindestens ei¬ nes der Endspiegel (1, 2) auf einer dem Resona¬ tor abgewandten Seite verspiegelt ist.
9. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächen¬ strukturierten Endspiegel (1, 2) refraktive oder diffraktive Profile aufweisen.
10. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er einen stabilen oder einen instabilen Resonator bildet.
11. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat in einer Umgebung eines Endspiegels (1, 2) ge- schwärzt oder mit einer streuenden Oberflächen¬ struktur versehen ist.
12. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang mindestens eine weitere Phasenstruktur, Beu- gungsstruktur und/oder Apertur angeordnet ist.
13. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis
12, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf dem Substrat außerhalb oberflächenstrukturierter Be¬ reiche eine zusätzliche verspiegelte Fläche (5) befindet, die zusammen mit dem mindestens einen weiteren Spiegel (3) einen Hilfsresonator zur Justage des Resonators bildet.
14. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis
13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einkopp- lung von Pumpstrahlung durch den weiteren Spie¬ gel (3) vorgesehen ist.
15. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis
14, dadurch gekennzeichnet, dass die Endspiegel (1, 2) eine laserlithographierte Oberfläche auf- weisen.
16. Verfahren zur Herstellung eines Laserresonators nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass eine Oberfläche des Substrats in zwei den Endspiegeln (1, 2) entsprechenden Bereichen in einem einzigen Herstellungsprozess durch Auftragen weiterer Schichten und/oder durch Abtragen von Oberflächenschichten struktu¬ riert wird.
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