DE4325063C2 - Koaxialer Wellenleiterlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen koaxialen Wellenleiterlaser, wie er beispiels­ weise aus der WO 91/15045 bekannt ist.

In der WO 91/15045 ist ein elektrisch angeregter Gaslaser offenbart, dessen Entla­ dungsraum zwischen koaxialen hohlzylindrischen Elektroden angeordnet ist. Ge­ genüber den offenen Stirnseiten dieser Elektroden befinden sich Resonatorspiegel, deren Oberflächen derart gekrümmt sind, daß ein auf einen Spiegel treffender Strahl nicht in sich selbst reflektiert wird, sondern bei jeder Reflexion in Umfangsrichtung versetzt wird und zickzackmäßig zum Rand eines der Resonatorspiegel wandert und dort durch ein Austrittsfenster aus dem Resonator austritt. Der aus dem instabilen Resonator austretende Strahl hat entsprechend der geometrischen Gestalt des Aus­ trittsfensters einen ringsegmentförmigen Querschnitt. Seine Intensitäts- und Polari­ sationsverteilung ist bezüglich seiner Mitten- oder Strahlachse nicht rotationssym­ metrisch. Diese Asymmetrie bleibt auch bei der darauf folgenden Strahlfokussierung erhalten und kann nur durch zusätzliche Strahlformungssysteme, wie sie beispiels­ weise aus der US 4 921 338 bekannt sind, annähernd korrigiert werden.

In der älteren nicht vorveröffentlichten deutschen Patent­ anmeldung DE 42 03 225 A1 ist ein koaxialer Laser offenbart, bei dem ein Resonatorspiegel in Umfangsrichtung abwechselnd reflektierend und durchlässig ist, so daß der Resonator eine in Umfangsrichtung periodische Struktur aufweist. Diese Maß­ nahme soll eine Vereinfachung der Auskopplung des Laserstrah­ les aus dem Resonator bewirken. Um die Kohärenz der Laser­ strahlung auf dem gesamten Umfang des Resonators sicherzu­ stellen wird eine Beugungskopplung der einzelnen Segmente herbeigeführt. Diese Beugungskopplung tritt dann auf, wenn eine bestimmte Relation zwischen Resonatorlänge, Wellenlänge des Laserlichtes und Breite der Segmente erfüllt ist. Vom Talbot-Effekt wird bei dieser Resonatoranordnung nicht Ge­ brauch gemacht.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen koaxialen Wellenleiterlaser anzugeben, mit dem ein Laserstrahl erzeugt werden kann, der eine rotationssymme­ trische Intensitätsverteilung bei zugleich hoher Strahlqualität hat. Diese Eigenschaf­ ten sollen auch bei großflächigen Anregungsquerschnitten mit daraus resultierenden hohen azimutalen Fresnel-Zahlen erhalten bleiben.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen koaxialen Wellenleiterlaser mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Durch das Einbringen einer ringförmigen periodischen Struktur in den Resonator eines koaxialen Wellen­ leiterlasers werden die Selbstabbildungseigenschaften periodischer Anordnungen, in der Literatur als Talbot-Effekt bekannt, ausgenutzt. Dadurch wird eine azimutale Kopplung, d. h. eine Kopplung aller Segmente des koaxialen Wellenleiters in Um­ fangsrichtung auch bei großem Umfang erreicht und ein kohärenter Betrieb erzwun­ gen.

Um einen "Multimode-Betrieb" mit niedriger Strahlqualität zu vermeiden, muß bei der Benutzung bekannter stabiler Resonatoren die azimutale Fresnelzahl in der Größenordnung von 1 liegen. Die azimutale Fresnelzahl F_azimut ist dabei definiert durch die Beziehung F_azimut=(r·π)²/(λ·L), wobei r der Mittenradius, λ die Wellen­ länge und L die Länge des Resonators des koaxialen Wellenleiters ist.

Aufgrund der Skalierungsgesetze für CO₂-Wellenleiterlaser liegt die azimutale Fresnelzahl für koaxiale CO₂-Wellenleiterlaser im Kilowatt-Bereich jedoch in der Größenordnung 10 bis 10³. Ein stabiler "Single-Mode-Betrieb" kann damit bei den bekannten koaxialen CO₂-Wellenleiterlasern nicht erreicht werden.

Unter der Vielzahl von möglichen Moden, die sich in einem koaxialen Wellenleiter hoher azimutaler Fresnelzahl ausbilden können, gibt es dabei auch eine hinreichend große Anzahl von Moden, die nach einem Resonator-Umlauf die gleiche relative Phasenschiebung erfahren. Durch das erfindungsgemäße Einfügen einer ringförmi­ gen periodischen Struktur, des sogenannten "Talbot-Gitters", dessen Periodizität oder Gitterkonstante a exakt mit der Resonatorlänge L abgestimmt werden muß, in den koaxialen Resonator wird ein Talbot-Resonator erzeugt, in dem eine Selektion und Synchronisation dieser Moden erfolgt und ein kohärenter Betrieb erreicht wird.

Die Ausnutzung des Talbot-Effektes ist zwar für einen ebenen Wellenleiterlaser beispielsweise aus der WO 93/01635 bekannt. Eine einfache Transformation der Dimensionierungsgesetze des ebenen Talbot-Resonators auf den koaxialen Fall ist jedoch nicht möglich, da die optischen Gesetze der Strahlausbreitung in ebenen und koaxialen Wellenleitern verschieden sind.

Die Erfindung beruht somit auf der Erkenntnis, daß der Talbot-Effekt auch bei koaxialen Wellenleitern ausgenutzt werden kann und dort zusätzlich die Möglich­ keit eröffnet, einen bezüglich seiner Strahlachse weitgehend rotationssymmetrischen Laserstrahl zu erzeugen, ohne daß zusätzliche komplexe Strahlformungssysteme er­ forderlich sind. Der aus dem Resonator austretende Strahl ist zwar im Nahfeld noch entsprechend der Periodizität des ringförmigen Talbot-Gitters azimutal strukturiert. Im Fernfeld, beispielsweise im Fokus einer Linse, verschwindet diese Struktur und geht in eine rotationssymmetrische Intensitätsverteilung über.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung befindet sich die periodische Struktur zwischen dem optisch undurch­ lässigen Resonatorspiegel und den koaxialen Elektroden.

Als Träger der periodischen Struktur ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein zwischen dem Resonatorspiegel und den Elektroden angeordnetes Bauteil vorgesehen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der op­ tisch undurchlässige Resonatorspiegel selbst Träger der peri­ odischen Struktur.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausfüh­ rungsbeispiele der Zeichnung verwiesen, in deren

Fig. 1 ein koaxialer Wellenleiterlaser gemäß der Erfindung in einem Schnitt veranschaulicht ist.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer innerhalb des Re­ sonators angeordneten periodischen Struktur in ei­ ner Draufsicht.

Fig. 3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer in den Resonator eingebrachten periodischen Struk­ tur in einem Längsschnitt.

Fig. 4 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Resona­ torspiegels im Längsschnitt.

Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere vorteilhafte Ausgestal­ tung eines Resonatorspiegels in einer Draufsicht bzw. in einem außermittigen Längsschnitt,

Fig. 7 zeigt die Intensitätsverteilung in einer Quer­ schnittfläche des aus dem erfindungsgemäßen Resona­ tor austretenden Laserstrahls. In

Fig. 8 ist ein bevorzugter Endspiegel eines Resonators in einem Schnitt veranschaulicht, und in

Fig. 9 und 10 sind Anordnungen zur radialen Strahlkompres­ sion in einem Schnitt schematisch dargestellt.

Gemäß Fig. 1 sind in einem Gehäuse 1 koaxial zwei hohlzylin­ drische Elektroden 2 und 3 angeordnet. Die innere Elektrode 2 befindet sich auf einem Rohr 4, das in Richtung der Pfeile 5 von einem Kühlmittel, beispielsweise destilliertes Wasser, durchströmt wird. Die äußere Elektrode 3 ist am Gehäuse 1 be­ festigt und schließt zwischen sich und dem Gehäuse 1 einen Raum 6 ein, der durch Einlaß- und Auslaßstutzen 7 in Richtung der Pfeile 8 ebenfalls von einem Kühlmedium durchströmt ist. Die äußere Elektrode 3 und die innere Elektrode 2 sind in geeigneter Weise mit einem Hochfrequenzgenerator 10 mit einer Arbeitsfrequenz von beispielsweise 100 MHz verbunden. Die beiden Elektroden 2 und 3 sind vorzugsweise aus Metall, bei­ spielsweise Aluminium Al, oder aus keramischen Werkstoffen, beispielsweise Aluminiumoxid Al₂O₃, gefertigt. Sie schließen zwischen sich einen Entladungs­ raum 11 ein, der eine Höhe h von nur wenigen Millimetern, beispielsweise 1,5 mm, aufweist. Die Zentrierung der beiden Elektroden zueinander muß äußerst genau er­ folgen, damit die Höhe h im gesamten Entladungsraum 11 nur gering, beispielswei­ se weniger als 0,1 mm, variiert.

An beiden Enden des Entladungsraumes 11 sind gegenüber den Stirnflächen der Elektroden 2 und 3 ein erster und ein zweiter Resonatorspiegel 12 bzw. 13 vorgese­ hen, die zur Aufnahme des Rohrs 4 ebenfalls eine hohlzylindrische Gestalt haben. Der erste Resonatorspiegel 12 besteht vorzugsweise aus Metall, beispielsweise Kup­ fer Cu, und besitzt auf seiner den Elektroden 2 und 3 zugewandten Oberfläche einen hohen Reflexionsgrad, üblicherweise größer als 99,9%. Der zweite Resonatorspie­ gel 13 ist im Wellenlängenbereich des Laserlichtes teildurchlässig und besteht bei einem CO₂-Laser beispielsweise aus Galliumarsenid oder Zinkselenid.

Im Ausführungsbeispiel der Figur haben die beiden Resonatorspiegel 12 und 13 eine plane Oberfläche und sind deshalb einfach herzustellen.

Das Gehäuse 1 ist gegenüber dem Resonatorspiegel 13 mit einem ringförmigen Austrittsfenster 14 versehen, durch das ein ringförmiger Laserstrahl 15 austritt.

Zwischen einer Stirnseite des durch die Elektroden 2 und 3 festgelegten Entladungs­ raumes 11 und einem der beiden Resonatorspiegel 12 und 13, vorzugsweise vor dem strahlungsundurchlässigen ersten Resonatorspiegel 12, ist ein Talbot-Gitter 20 mit einer in Umfangsrichtung des Entladungsraumes periodischen Gitterstruktur, die im Ausführungsbeispiel durch radial angeordnete Gitterdrähte 22 gebildet wird, ange­ ordnet.

Der Abstand L der Resonatorspiegel 12 und 13 und somit die Länge L des Resona­ tors entspricht dem ganzzahligen Vielfachen der halben Talbot-Länge L_T, d. h. der Länge, nach der sich die durch das Talbot-Gitter 20 erzwungene Feldverteilung selbst reproduziert. Für die Talbot-Länge L_T gilt bei einem koaxialen Wellenleiter folgende Beziehung:

L_T = (a²/λ) · f(r,h,n(ρ))

Dabei bedeuten a die Periodenlänge oder Gitterkonstante der resonatorinternen pe­ riodischen Struktur, λ die Wellenlänge, h die Höhe des Entladungsraumes 11, d. h. den Abstand der Elektroden 2 und 3, r der Mittenradius des Entladungsraumes 11 und n(ρ) die räumliche Verteilung des von der Dichte ρ abhängigen optischen Bre­ chungsindex innerhalb des Wellenleiters. Es hat sich gezeigt, daß die Funktion f(r,h,n(ρ)) einen Wert besitzt, der nahe bei 1 liegt, so daß die Gitterkonstante a für eine gegebene Resonatorlänge L = k·L_T/2 einfach abgeschätzt werden kann. Für k = 1 gilt somit näherungsweise a ≈ (λ·2L)^1/2. Für r = 30 mm und h = 1,5 mm sowie ei­ nem Talbot-Gitter 20 mit 55 Gitterdrähten 22 ergibt sich dann eine Gitterkonstante a von 3,34 mm und daraus für einen CO₂-Wellenleiterlaser eine Resonatorlänge L von ungefähr 526 mm.

In Fig. 2 ist zu erkennen, daß im Talbot-Gitter 20 die periodische Struktur durch Gitterdrähte 22 gebildet ist, die radial zwischen zwei koaxialen Halteringen 21 und 23 angeordnet sind. Um die Resonatorverluste möglichst niedrig zu halten, muß die Dicke der Gitterdrähte 22 sehr viel kleiner als die Gitterkonstante a sein. Im Ausführungsbeispiel haben die Gitterdrähte 22 eine Dicke von etwa 50 µm.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist ein Talbot-Gitter 30 vorgesehen, bei dem in Längsrichtung ausgedehnte koaxiale Hohlzylinder 31 und 33 einen Halterahmen bilden, in dem über den Umfang verteilt mehrere sich in Längsrichtung erstreckende Metallfolien 32 eingebracht sind, die in Umfangsrichtung eine periodische Struktur bilden. Die Hohlzylinder 31 und 33 bilden dabei eine Fortsetzung des durch die Elektroden 2 und 3 gebildeten Wellenleiters.

Anstelle eines als eigenständiges Bauteil in den Strahlengang eingebrachten Talbot-Gitters 20 oder 30 (Fig. 2 bzw. 3) kann gemäß Fig. 4 auch ein erster Resona­ torspiegel 12a vorgesehen sein, dessen Oberfläche selbst Träger der Gitterelemente 22a einer periodischen Struktur ist und auf diese Weise selbst ein Talbot-Gitter bil­ det.

Gemäß Fig. 5 und 6 kann die periodische Struktur beispielsweise auch dadurch erzeugt werden, daß in einem ersten Resonatorspiegel 12b Gitterelemente 22b ein­ geätzt, geritzt oder diamantgefräst sind.

Der durch das Austrittsfenster 14 des Gehäuses 1 (Fig. 1) austretende Strahl 15 hat eine annähernd kreisringförmige Gestalt und hat unmittelbar hinter dem Strahlaus­ tritt eine in Fig. 7 angedeutete Intensitätsverteilung. Die Maxima 24a und 24b sind einander entsprechend der Gitterkonstante a eng benachbart, so daß sich eine annä­ hernd rotationssymmetrische Intensitätsverteilung ergibt. Die azimutale Nahfeld­ struktur geht dabei im Fernfeld in eine völlig rotationssymmetrische Intensitätsver­ teilung über. Jeweils benachbarte Maximas 24a und 24b der Nahfeldstruktur unter­ scheiden sich in ihrer Phasenlage um den Winkel π. Diese Phasenunterschiede kön­ nen durch geeignete Phasenschieber, die in ihrer Geometrie dem Talbot-Gitter ähn­ lich sind, kompensiert werden. Dabei werden beispielsweise benachbarte Ring-Sektoren abwechselnd phasenschiebend und phasenverzögernd beschichtet.

Anstelle eines planen ersten Resonatorspiegels 12 (Fig. 1) ist in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 8 ein als Rotations-Toroid geformter Endspiegel 12c vorgesehen. Der Krümmungsradius R des Toroiden beträgt dabei vorzugsweise das Doppelte seines Abstandes zu den Elektroden.

Aufgrund des großen Mittenradius r und des kleinen Elektrodenabstandes h ergibt sich ein geringer Aperturfüllfaktor A_F. Näherungsweise beträgt A_F ≈ 2·h/r. Mit h = 1,5 mm und r = 30 mm ergibt sich A_F ≈ 0,1. Das bedeutet, daß sich in erster Näherung nur etwa 10% der Gesamtleistung im zentralen Peak des fokussierten Strahls (in der 0-ten Ordnung) befindet und etwa 90% in den höheren Beugungs­ ordnungen.

Dieser Umstand kann mit Hilfe bekannter Techniken der radialen Strahlkompression durch resonatorinterne oder -externe Axicons beträchtlich verbessert werden.

Fig. 9 veranschaulicht eine Anordnung mit einem resonatorinternen W-Axicon 40 zur radialen Strahlkompression. Gegenüber dem Entladungsraum 11 ist hierzu unter 45° ein mit einer zentralen Bohrung 42 versehener Planspiegel 44 angeordnet, der die aus dem Entladungsraum 11 austretenden Strahlen um 90° umlenkt, die dann entsprechend dem in der Figur dargestellten Strahlengang vom W-Axicon 40 zu­ sammengeführt und zu einem hinter dem Planspiegel angeordneten zweiten Resona­ torspiegel 13a umgelenkt werden.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 ist außerhalb des Resonators ein Transmissions-Axicon 50 vorgesehen, das ebenfalls gemäß dem in der Figur eingezeich­ neten Strahlengang eine radiale Strahlkompression bewirkt.

Grundsätzlich lassen sich mit diesen Techniken Apertur-Füllfaktoren von nahezu 100% erreichen.

Claims (5)

1. Koaxialer Wellenleiterlaser, insbesondere koaxialer CO₂-Wellenleiterlaser, mit einem ersten und einem zweiten Resonatorspiegel (12, 12a, 12b, 12c bzw. 13, 13a), die einen Resonator bilden, in dem koaxial zueinander Elektroden (2, 3) angeordnet sind, wobei innerhalb des Resonators eine in Umfangsrichtung periodische Struktur (22, 22a, 22b, 32) derart angeordnet ist, daß ein Talbot-Resonator gebildet ist.

2. Koaxialer Wellenleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Struktur (22, 22a, 22b, 32) zwischen einem der Resonatorspiegel (12, 12a, 12b, 12c) und der ihm zugewandten Stirnseite der Elektroden (2, 3) angeordnet ist.

3. Koaxialer Wellenleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Resonatorspiegel (12, 12a, 12b, 12c) für das Laserlicht optisch undurchlässig ist und der zweite Resonatorspiegel (13, 13a) teildurchlässig ist und sich die periodische Struktur (22, 22a, 22b, 32) zwischen dem ersten Resonatorspiegel (12, 12a, 12b, 12c) und den Elektroden (2, 3) befindet.

4. Koaxialer Wellenleiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger der periodischen Struktur (22, 23) ein zwischen dem ersten Resonatorspiegel (12, 12c) und den Elektroden (2, 3) angeordnetes Bauteil (20, 30) vorgesehen ist.

5. Koaxialer Wellenleiterlaser nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß der erste Resonatorspiegel (12a, 12b) Träger der periodischen Struktur (22a, 22b) ist.