DE2449123C3 - Auskoppelspiegel für astabile Laserresonatoren - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Auskoppelspiegel für astabile Laserresonatoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (vgl. »Appl. Phys. Lett«, Bd. 22[1973],Nr.l,S.14,15).

Bisher wurden für solche Resonatoren nur Auskoppelspiegel mit kreisrundem oder rechteckigem (quadratischem) Querschnitt benutzt Theoretische Überlegungen (IEEE J. Quant Electron. QE-IO [1974J Nr. 3, S. 346 bis 355) zeigen jedoch, daß derart regelmäßige Berandungen zu konstruktiven Interferenzen am Ort der virtuellen Brennpunkte des Resonators führen. Diese verursachen inhomogene Phasen- und Amplitudenprofile des internen Strahlungsfeides, vergrößern also die Divergenz des ausgekoppelten Laserstrahls und verringern das Modendiskriminationswrhältnis, welches ein Maß dafür ist ob und wie leicht der Laser im Grundmodenbetrieb arbeitet Die Theorie ergibt, daß diese unerwünschten Interferenzen verringert oder ganz vermieden werden können, wenn die die Strahlauskopplung bestimmende Spiegelberandung in bestimmter Weise von einer der bisher üblichen kreisförmigen oder quadratischen bzw. rechteckigen Kontur abweicht

Die einfachsten derartigen Konturen haben z. B. die Form von Ellipsen, zwei-, drei- und vierbläitrigen Kleeblättern bzw. Rosetten von genau vorgeschriebener Form. Wählt man also für die Spiegelberandung eine dieser theoretisch berechneten Konturen, so kommt die Divergenz des ausgekoppelten Laserstrahls dem idealen Minimum, nämlich der beugungsbegrenzten Divergenz, am nächsten.

Die bisher übliche Art der Strahlauskopplung besteht darin, einen metallischen, bei den üblicherweise bevorzugten konfokalen Resonatoren konvexen Vollspiegel mit von der Resonatorgeometrie bestimmten Krümmungsradius als Auskoppelspiegel zu benutzen, dessen Querabmessungen kleiner als die des im Resonator herrschenden Strahlungsfeldes sind. Der ausgekoppelte Strahl ist dann der über die Berandung ^o des Spiegels hinausreichende Teil des Strahlungsfeides.

Eine zweite, mitunter vorteilhaftere, bekannte Ausführungsform benützt einen schief im Strahlengang von dem konvexen Auskoppelspiegel angeordneten metallischen Hilfsspiegel (in der Regel ein Planspiegel) mit _h-, einer im Strahlengang konzentrisch liegenden Bohrung von kleinerem Durchmesser als dem des Konvexspiegels. Bezüglich der Resonatorgeometrie entspricht dies genau dem Fall des zuvor beschriebenen Auskoppelspiegels mit dem gleichen Querschnitt wie die zentrale öffnung des Planspiegels, nur daß der ausgekoppelte Strahl nicht in Richtung der Resonatorachse, sondern quer dazu verläuft

Bisher mußte auf die Anwendung von Auskoppelspiegeln verzichtet werden, deren Spiegelbegrenzung so gestaltet ist, daß die Divergenz des ausgekoppelten Laserstrahls der beugungsbegrenzten Divergenz nahekommt Dies trifft insbesondere für einen schräg im Strahlengang eines Lasers angeordneten Auskoppelspiegel zu, wie er beispielsweise in »Appl. Phys. Lett«, Vol. 22, No, 1, f. January 1973, S. 14,15, beschrieben ist Entsprechend den dort zu F i g. 1 gemachten Ausführungen kommt hier ein metallischer Spiegel mit einer im Strahlengang konzentrisch liegenden Bohrung zur Anwendung. Es ist weder wirtschaftlicher noch naheliegend, bei einem metallischen Spiegel die Kontur dieser Bohrung so zu verändern, daß ein mit diesem Spiegel ausgekoppelter Laserstrahl der beugungsbegrenzten Divergenz nahekommt Letzteres ist aber nicht mit Spiegeln erreichbar, die senkrecht im Strahlengang eines- Lasers angeordnet sind und die gemäß der DE-PS 12 87 228 mit einer zentralen, kreisförmig begrenzten spiegelnden Fläche auf einem lichtdurchlässigen Träger versehen sind.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Auskoppelspiegel Jer eingangs genannten Art so auszubilden, daß dessen Spiegelbegrenzung bei geringem Aufwand so gestaltet werden kann, daß die Divergenz des ausgekoppelten Laserstrahls der beugungsbegrenzten Divergenz nahekommt

Erfindungsgemäß ist für einen Auskoppelspiegel der genannten Art diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Spiegel in Form eines metallischen Belages auf ein strahlungsdurchlässiges Substrat aufgetragen ist und daß die innere Begrenzung des Spiegelbelages so geformt ist, daß die Divergenz des ausgekoppelten Laserstrahls der beugungsbegrenzten Divergenz nahekommt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann dabei zumindest die den Spiegelbelag tragende Oberfläche des Substrates gekrümmt sein.

Auskoppelspiegel der genannten Art können dadurch relativ preisgünstig hergestellt werden, daß auf einem lichtdurchlässigen Substrat mit ebenen oder gekrümmten Flächen eine den zentralen Bereich abdeckende Maske aufgebracht wird, deren Kontur sich ohne Schwierigkeiten in geeigneter Form herstellen läßt, wodurch die nicht abgedeckte Randzone des Substrates in bekannter Weise mit einem hochreflektierenden Spiegelbelag, beispielsweise durch Aufdampfen, versehen wird. Die ggf. mehrfach verwendbaren Masken lassen sich dabei mit hoher Genauigkeit und sehr preisgünstig sowohl für ebene als auch für gekrümmte Soiegelflächen herstellen, so daß die durch einen relativ komplizierten Kurvenverlauf ihrer Randzone erreichbaren Vorteile für alle Anwendungsfälle voll ausschöpfbar sind. Durch die Möglichkeit, das Verfahren auch bei Substraten mit gekrümmten Flächen anzuwenden, ist ein weiterer Nutzungsbereich für unterschiedliche Laserbauformen gegeben, wobei dem Auskoppelspiegel bei entsprechender Krümmung seiner Flächen auch eine zusätzliche Linsenfunktion zur Erlangung bestimmter Resonatorparameter gegeben werden kann. Durch letzteres können ggf. erforderliche zusätzliche Linsen im Resonatorteil des Lasers eingespart werden.

Ein für einen CXh-Laser bestimmtes Ausführungsbei-

spiel der Erfindung sieht als Bedampfungsmaterial Gold und als Substratmaterial Germanium vor, das mit dielektrischen Antireflexionsschichten versehen ist Es können jedoch ebenso andere Substratmaterialien, wie KCl, GaAs, CdTe, ZnSe, CdS usw. und Bedampfungsmaterialien, wie Ag, Ni Cr, Cu, Al usw. und geeignete dielektrische Schichten verwendet werden. Grundsätzlich sind die Materialien so auszuwählen, daß der reflektierende Teil des Auskoppelspiegels einen möglichst hohen, der durchlässige Teil dagegen einen möglichst niedrigen Reflexionskoeffizienten und eine möglichst geringe Absorption für die Laserstrahlung besitzt

Der Anwendungsbereich der Spiegel gemäß der Erfindung umfaßt Laser kleiner und mittlerer Leistung, welche den Einsatz astabiler Resonatoren erlauben, also CO2-, CO-, Nd:YAG-Laser usw. Bei Verwendung von Substratmaterialien geringster Absorption und hoher Wärmeleitfähigkeit weiche zur Zeit Gegenstand intensiver Forschung sind, ist jedoch auch die Anwendung bei Hochleistungslasern (z. B. beim gasdynamischen COrLaser) möglich und vorteilhaft

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Figuren beschrieben. Es zeigt

F i g. I einen Querschnitt durch einen Auskoppelspiegel;

Fig.2 eine Draufsicht des Ausführungsbeispiels gemäß F ig. 1.

Das als Auskoppelspiegel für einen astabilen Laserresonator in seiner optisch erforderlichen Form geschliffene und polierte, für die Laserstrahlung durchsichtige Substrat tO wird, falls erforderlich, zunächst mit einer oder zwei Antireflexionsschichten 11 vergütet Anschließend wird außerhalb des zentralen Bereichs des Substrates 10 eine hochreflektierende Schicht 12 aufgebracht, wobei die innnere Berandung 13 der Schicht 12 eine theoretisch berechnete, von der kreisrunden oder quadratischen (rechteckigen) Form abweichende Form besitzt z. B. die Form einer bestimmten Ellipse oder einer bestimmten Rosette (F ig. 21

Der Übersichtlichkeit halber zeigt F; g. 1 die Anordnung des Auskoppelspiegels bezüglich der übrigen Spiegel 14a und 14Z> eines spe7^;iHen astabiien Resonators. Der Verlauf der ausgekoppelten Laserstrahlung 15 ist ebenfalls angedeutet

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche;

1. Auskoppelspiegel für astabile Laserresonatoren mit einem lichtdurchlässigen zentralen Bereich und einer hochreflektierenden Randzone, der schräg im Strahlengang eines Resonators angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (12) in Form eines metallischen Belages auf ein strahlungsdurchlässiges Substrat (10) aufgetragen ist und daß die innere Begrenzung des Spiegelbelages so geformt ist, daß die Divergenz des ausgekoppelten Laserstrahles der beugungsbegrenzten Divergenz nahekommt

2. Auskoppelspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die den Spiegelbelag is tragende Oberfläche des Substrats (10) gekrümmt ist