DE3148905C2

DE3148905C2 - Laser resonator

Info

Publication number: DE3148905C2
Application number: DE19813148905
Authority: DE
Inventors: Konrad Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Altmann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1981-12-10
Filing date: 1981-12-10
Publication date: 1984-10-11
Also published as: DE3148905A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Resonator mit großer Fresnelzahl, dessen Spiegel großflächig ausgebildet sind, wobei eine der beiden oder beide Spiegelflächen eine zweidimensionale perodische Struktur aufweisen und kleinere Bereiche der Spiegelfläche translationssymmetrisch hinsichtlich gewisser Verschiebungen innerhalb einer zur Resonatorachse senkrechten Ebene ausgebildet sind und dadurch eine gleichmäßige Intensitätsverteilung über den ganzen Resonatorquerschnitt gewährleistet ist und außerdem eine hohe Kohärenz der Strahlung und eine geringe Divergenz der ausgekoppelten Strahlung erbringt.The invention relates to an optical resonator with a large Fresnel number, the mirrors of which are formed over a large area, wherein one of the two or both mirror surfaces have a two-dimensional periodic structure and smaller areas of the mirror surface are translationally symmetrical with regard to certain displacements within a plane perpendicular to the resonator axis and thereby a uniform intensity distribution over the entire resonator cross-section is ensured and, moreover, results in a high level of coherence of the radiation and a low divergence of the coupled-out radiation.

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Laserresonator mit großer Fresnelzahl.The invention relates to a laser resonator with a large Fresnel number.

Solche Resonatoren sind an sich bekannt. Aufgrund ihrer großflächigen Spiegelausbildung sind daher auch die Fresneizahlen dieser Resonatoren groß, was zu einer hohen Anzahl von angeregten Transversalmoden führt. Hierdurch jedoch wird die Strahlungsintensität sehr ungleichmäßig über die Spiegelfläche verteilt, was sowohl für astabile wie auch für stabile Resonatoren gleichermaßen gilt. In beiden Fällen ergibt sich aus experimentellen und theoretischen Untersuchungen eine annähernd schalenförmige Intensitätsverteilung. Zu erwähnen ist hierzu, daß bei rechteckigen Aperturen eine Konzentration der Strahlungsintensität an den Ecken zusätzlich auftritt. Dies führt nun dazu, daß das Medium nicht über die gesamte Fläche ausgenutzt wird. Bei Lasern mit strömendem Medium wird in solchen Fällen der mittlere Strömungsquerschnitt schlechter genutzt, was zu einem Verlust eines erheblichen Anteils der auskoppelbaren Energie führt.Such resonators are known per se. Because of their large-area mirror training are therefore also the Fresne numbers of these resonators are large, resulting in a high number of excited transverse modes leads. As a result, however, the radiation intensity is distributed very unevenly over the mirror surface, which The same applies to both astable and stable resonators. In both cases it results from experimental and theoretical investigations an approximately bowl-shaped intensity distribution. To mention This is because, in the case of rectangular apertures, the radiation intensity is concentrated at the corners additionally occurs. This now leads to the fact that the medium is not used over the entire surface. With lasers With a flowing medium, the mean flow cross-section is less used in such cases, which leads to a loss of a considerable proportion of the energy that can be extracted.

Ein weiteres Problem stellt die Kohärenz der ausgekoppelten Strahlung dar. Um eine solche Strahlung zu erhalten, muß der Auskoppelbereich auf den Spiegelrand beschränkt werden. Da die durch Beugung bedingte Divergenz eines Strahls proport'onal zum Durchmesser der strahlenden Fläche ist, hat dies eine schlechtere Fokussierbarkeit des Strahls zur Folge. Soll der Strahl über größere Entfernungen geleitet werden, so wirkt sich dies besonders nachteilig aus.Another problem is the coherence of the coupled-out radiation. To such a radiation received, the decoupling area must be limited to the mirror edge. Since the diffraction-conditioned Divergence of a ray proportional to the diameter the radiating surface, this results in poor focusability of the beam. Should the beam are conducted over greater distances, this has a particularly disadvantageous effect.

Durch die DE-OS 28 04 371 ist ein Halbleiter bekanntgeworden, bei dem durch optische Kopplung sehr schmaler schichtförmiger Bereiche, in denen Lasertätigkeit stattfindet, der öffnungswinkel der Streukeule im Fernfeld erheblich reduziert ist. Die schichtförmige Struktur bezieht sich hier auf das Medium und nicht eine besondere Gestaltung der Resonatorspiegel.From DE-OS 28 04 371 a semiconductor has become known in which by optical coupling very narrow layered areas in which laser activity takes place, the opening angle of the scattering lobe is significantly reduced in the far field. The layered one Structure here refers to the medium and not a special design of the resonator mirror.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Resonator der eingangs genannten Art zu schaffen, der sowohl eine gleichmäßige Intensitätsverteilung über den Resonatorquerschnitt gewährleistet als auch eine hohe Kohärenz der Strahlung und eine geringe Divergenz der ausgekoppelten Strahlung ermöglicht und eine vollständige Auskopplung der verfügbaren Energie gewährleistetThe present invention is based on the object of providing an optical resonator of the type mentioned at the beginning Kind of creating a uniform intensity distribution over the resonator cross-section guaranteed as well as a high coherence of the radiation and a low divergence of the decoupled Radiation enables and ensures a complete decoupling of the available energy

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 niedergelegten Maßnahmen gelöst Weitere Ausgestaltungen •ier Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the measures laid down in claim 1. Further developments • ier invention are specified in the subclaims.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein Laserresonator großer Fresnelzahl geschaffen ist der keine ungleichmäßige Intensitätsverteilung über den gesamten Resonatorquerschnitt mehr aufweist und dessen Strahlungskohärenz wesentlich verbessertThe advantages achieved by the invention are in particular that a laser resonator with a large number of Fresnel created that no uneven intensity distribution over the entire resonator cross-section has more and significantly improves its radiation coherence

Außerdem hai der Resonator den Vorieii, daß die Spiegelflächen in einer oder beiden Dimensionen sehr groß gewählt werden können, was insbesondere bei Lasern mit schnellströmenden Medien (z. B. gasdynamischer Laser) zur Erreichung einer vollständigen Auskopplung der verfügbaren Energie von Bedeutung istIn addition, the resonator has the advantage that the Mirror surfaces can be chosen to be very large in one or both dimensions, which is particularly the case with lasers with fast-flowing media (e.g. gas dynamic laser) to achieve complete decoupling the available energy is important

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Darstellung in den Figuren der Zeichnung erläutert Es zeigtIn the following, exemplary embodiments of the invention are illustrated using the schematic representation in the figures the drawing explains it shows

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine Spiegelfläche eines Laserresonators gemäß einem Ausführungsbeispiel;F i g. 1 is a plan view of a mirror surface of a Laser resonator according to an embodiment;

Fig. la einen Schnitt entlang der Linie A-A gemäß Fig.!;FIG. 1 a shows a section along the line AA according to FIG.

Fig.2 einen Schnitt entlang der Linie A-A gemäß F i g. 1 in einem weiteren Ausführungsbeispiel;2 shows a section along the line AA according to FIG. 1 in a further embodiment;

F i g. 3 ein Diagramm eines Resonators mit zwei Potentialmulden. F i g. 3 is a diagram of a resonator with two potential wells.

Die vorgeschlagene und in den F i g. 1 und la schematisch dargestellte Spiegelfläche 10 whd mit einer zweidimensionalen periodischen Struktur versehen, die dergestalt ausgebildet ist, daß in der ebenen Spiegelfläche kleine konkav-sphärische Mulden 11 periodisch angeordnet sind. Die hier gezeigte Fläche 10 weist von Mulde zu Mulde 11 »eckige« Übergänge 12 auf. In F i g. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei hier diese Übergänge 12 abgerundet sind. Im Resonator kann nun die eine Spiegelfläche wie vorbeschrieben ausgestaltet sein und die andere Spiegelfläche eine ebene Fläche aufweisen oder aber beide Spiegelflächen sind wie vorbeschrieben ausgestaltet.The proposed and in the F i g. 1 and la schematically illustrated mirror surface 10 whd is provided with a two-dimensional periodic structure which is designed such that small concave-spherical troughs 11 are periodically arranged in the flat mirror surface. The surface 10 shown here has “angular” transitions 12 from trough to trough 11. In Fig. 2 shows a further exemplary embodiment, these transitions 12 being rounded here. In the resonator, one mirror surface can now be configured as described above and the other mirror surface can have a flat surface, or both mirror surfaces can be configured as described above.

Die transversalen Moden eines optischen Resonators lasten sich mit Hilfe der nicht relativistischen Quantentheorie berechnen, indem man als Teilchenmasse die relativistische Masse des Photons benutzt (DE-OS 3135 544.2). Die Transversalmoden eines Resonators mit periodischer Struktur entsprechen daher den Eigenfunktionen eines Teilchens im periodischen Potentialfeld. In einem selchen Potentialfeld sind diskrete gebundene und freie Kontinuumszustände möglich. Die Beschreibung der Transversalmoden, welche den gebundenen Zuständen entsprechen, erhält man, wenn man die sphärischen Bereiche als Einzelresonatoren auffaßt und die Kopplung zwischen ihnen vernachlässigt. Auf diese Weise erhält man für jeden dieser Einzelresonatoren dieselben Transversalmoden mit denselben diskreten Energieniveaus der Photonen. Wegen der in der Realität bestehenden wechselseitigen Kopplung dieserThe transverse modes of an optical resonator are burdened with the help of the non-relativistic quantum theory calculate by using the relativistic mass of the photon as the particle mass (DE-OS 3135 544.2). The transverse modes of a resonator with a periodic structure therefore correspond to the eigenfunctions of a particle in the periodic potential field. In such a potential field there are discrete bound and free continuum states possible. The description the transverse modes, which correspond to the bound states, are obtained if one regards the spherical areas as individual resonators and neglects the coupling between them. on In this way, the same transverse modes with the same discrete ones are obtained for each of these individual resonators Energy levels of the photons. Because of the mutual coupling of these in reality

Einzelresonatoren sind diese Niveaus jedoch yV-fach aufgespalten, wobei »N« die Anzahl der Einzelresonatoren ist.Individual resonators, however, these levels are split yV-fold, where "N" is the number of individual resonators.

Der Krümmungsradius und der Durchmesser dieser sphärischen Flächen 11 können nun so gewählt werden, daß in ihnen nur ein einziges diskretes Niveau möglich ist. Das heißt, daß in ihnen nur der Grundmode anschwingen kann. Wegen der Kopplung der Einzelresonatoren ist jedoch dieser Mode n-fach aufgespalten, d. h, daß — bezogen auf den gesamten Resonator — /110 verschiedene Überlagerungen der Grundmoden der Einzelresonatoren möglich sind, die sich hinsichtlich der Symmetrieeigenschaften bezüglich einer Vertauschung der Einzelresop.atoren unterscheiden.The radius of curvature and the diameter of these spherical surfaces 11 can now be chosen so that only a single discrete level is possible in them. That means that only the basic mode starts to oscillate in them can. Because of the coupling of the individual resonators, however, this mode is split n-fold, d. h that - based on the entire resonator - / 110 different superimpositions of the basic modes of the individual resonators are possible, which differ with regard to the Differentiate between symmetry properties with regard to an interchanging of the individual Resop.atoren.

Die F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Resonators mit nur zwei Einzelresonatoren dargestellt. Den beiden Energieniveaus entsprechen ein symmetrischer und ein antisymmetrischer Mode iP_s und (P₃. Ost die zugehörigen Intensitäten proportional zu den Betragsquadranten The F i g. 3 shows an exemplary embodiment of a resonator with only two individual resonators. The two energy levels correspond to a symmetrical and an antisymmetrical mode _{iP s} and (P _3. East the associated intensities proportional to the quadrants of the magnitude

sind, folgt aus F i g. 3, daß der symmetrische Mode das Medium besser ausnutzt als der antisymmetrische. Der symmetrische Mode wird daher eine größere Verstärkung erfahren und somit den antisymmetrischen am Entstehen verhindern.follows from FIG. 3 that the symmetrical mode makes better use of the medium than the antisymmetrical one. Of the symmetrical mode will therefore experience a greater gain and thus the antisymmetrical am Prevent emergence.

Dieser Effekt läßt sich nun verstärken, indem man die Auskoppelstellen in die Potentialmulden legt, denn dann sind zusätzlich noch die Auskoppelverluste des antisymmetrischen Mode größer als die des symmetrischen.This effect can now be reinforced by placing the decoupling points in the potential wells, because then In addition, the coupling-out losses of the antisymmetric mode are greater than those of the symmetric one.

Dies gilt nun sinngemäß auch für einen Resonator mit einen /V-fachen Potentialmuldenanzahl. Das zeigt, daß es möglich ist, auch in einem solchen Resonator nur den vollständig symmetrischen Grundmode zum Anschwingen zu bringen.This also applies analogously to a resonator with a / V times the number of potential wells. It shows that it is possible, even in such a resonator, to only use the completely symmetrical fundamental mode to start oscillating bring to.

Die Auskoppelstellen müssen nicht unbedingt in die Mulden 11 des periodisch strukturierten Spiegels 10 gelegt werden. Es kann zur Erreichung eines parallelen Strahlengangcs zweckmäßiger sein, sie in entsprechender Weise auf den gegenüberliegenden ebenen Spiegel zu verteilen.The coupling-out points do not necessarily have to be placed in the troughs 11 of the periodically structured mirror 10 will. In order to achieve a parallel beam path, it may be more expedient to convert them accordingly Way to distribute on the opposite flat mirror.

Durch die vorgeschlagenen Meißnahmen wird es in einem Resonator großer Fresnelzahl ermöglicht, nur einen einzigen Transversalmode zum Anschwingen zu bringen und daher ist die erzeugte Laserstrahlung auch vollständig kohärent. Außerdem wird — wie aus der F i g. 3 auch hervorgeht — das Medium ziemlich gleichmäßig ausgenutzt. Dies kann nun bei Lasern mit strömendem Medium noch dadurch verstärkt werden, daß man die in F i g. 1 gezeigte Struktur nicht exakt parallel zur Strömui/gsrichtung anordnet, sondern leicht verdreht dazu.The proposed measures make it possible to use only one in a resonator with a large number of Fresnel to bring the single transverse mode to oscillate and therefore the generated laser radiation is also completely coherent. In addition, as shown in FIG. 3 also shows - the medium pretty evenly exploited. In lasers with a flowing medium, this can be intensified by the fact that one in F i g. 1 is not arranged exactly parallel to the direction of flow, but is slightly twisted to.

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Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

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Claims

Patent claims:

1. Laser resonator with a large Fresnel number. characterized in that at least one the resonator surfaces (10) has a two-dimensional periodic structure (11,12), with smaller ones Surface areas translationally symmetrical with respect to displacements within one to the resonator axis perpendicular plane are formed and the radius of curvature and the diameter of this spherical surfaces are chosen so that they behave like individual resonators, in each of which only a discrete basic mode can oscillate.

2. Resonator according to claim 1, characterized in that the periodic structure is hexagonal Represents a grid in the manner of a honeycomb

3. Resonator according to claim 1 or 2, characterized in that in the resonator mirror surface (10) small, concave-spherical single mirrors (11) (potential wells) lying next to one another are embedded are.

4. Resonator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the transitions (12) are rounded between the flat and the spherical mirror surfaces.

5. Resonator according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the periodic Structure (11, 12) of the mirror surfaces (10) given preferred directions in the case of a laser flowing medium from the flow direction of the laser medium: jms are oriented differently.