DE69408846T2 - Slab-laser mit gefalteter resonatorstruktur - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laser, umfassend:
• ein Lasermedium mit einem plattenförmigen Verstärkungsbereich mit einer breiten und einer engen Achse;
• eine Einrichtung zum Versorgen des verstärkungsmediums mit Energie oder zum Anregen dieses Mediums; und
• eine Resonatoreinrichtung, bei der an den gegenüberliegenden Enden des plattenförmigen verstärkungsbereiches jeweils ein Spiegel angeordnet ist, wobei die Spiegel so ausgerichtet und gekrümmt sind, daß ein Hybridresonator bestimmt ist, der entlang der engen Achse stabil und entlang der breiten Achse instabil ist.
• In den letzten fünf Jahren gab es ein spürbares Interesse an der Entwicklung von Platten-Gaslasern. Wie in dem amerikanischen Patent Nr. 5,123,028 beschrieben wird (das der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 468 152 entspricht), umfaßt diese Art von Laser vorzugsweise zwei planare rechteckige Elektroden, die so zueinander beabstandet sind, daß ein plattenförmiger Entladungsbereich gebildet wird. Der plattenformige Entladungsbereich besitzt eine sich zwischen den Elektroden erstreckende enge Achse und eine sich parallel zu der Elektrodenoberfläche erstreckende breite Achse. Durch die enge Achse ist vorzugsweise ein Wellenleiterkanal zwischen den Elektroden bestimmt.
• Zwischen den Elektroden befindet sich ein Lasergas, wie z.B. Kohlendioxid. Es ist eine Einrichtung vorgesehen, um die Elektroden mit Energie zu versorgen und das Gas anzuregen.
• Bei dem beschriebenen Beispiel wird das Lasergas durch einen Hochfrequenzgenerator angeregt. Benachbart zu den Enden der Elektroden ist jeweils ein Spiegel angeordnet, durch die ein Resonator bestimmt ist.
• Zur Maximierung der Ausgangsleistung und zur Verbesserung der Stabilität eines Plattenlasers ist es wünschenswert, einen "Hybridresonator" zu verwenden. Bei einem Hybridresonator verläuft die Lichtausbreitung in den beiden Achsen unterschiedlich. Wie bereits bemerkt wurde, ist entlang der engen Achse ein stabiler Wellenleiterresonator bestimmt. Im Unterschied hierzu ist entlang der breiten Achse ein Freiraumresonator bestimmt. Wenn die breite Achse breiter ist als ein paar Zentimeter oder mehr, ist der Freiraumresonator durch einen instabilen Resonator bestimmt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein instabiler Resonator mit negativem Zweig oder ein instabiler negativer Zweig-Resonator verwendet. Zusätzlich hierzu ist einer der Endspiegel des Resonators etwas kürzer als der andere Endspiegel ausgebildet, so daß der Laserstrahl "kantengekoppelt" aus dem Resonator ausgekoppelt werden kann.
• Die EP-A-0 355 757 beschreibt einen Plattenlaser mit einem Gas als Lasermedium, der eine Oszillatorstufe in Form eines instabilen Resonators umfaßt, an dessen Enden je ein Spiegel angeordnet ist. Auf diese Oszillatorstufe folgt eine Verstärkerstufe, in der der Strahl durch Reflexion zwischen den Oberflächen zweier gegenüberliegender Planspiegelpaare gefaltet wird. Die Spiegeloberflächen der Paare sind jeweils unter einem Winkel zueinander geneigt, wobei der verstärkte Strahl durch eine Lücke zwischen den Spiegeloberflächen eines dieser Paare aus dem Verstärker austritt.
• Coherent, Inc. hat Laser erfolgreich vermarktet, die entsprechend dem amerikanischen Patent Nr. 5,123,028 ausgebildet waren. Beide Laser eignen sich zur Anwendung bei medizinischen Systemen und für industrielle Anwendungen (wobei sie unter der Marke Ultrapulse" bzw. "Diamond" verkauft werden). Zur Verbesserung dieser Produkte wurden bedeutende Forschungsaktivitäten durchgeführt.
• Ein untersuchter Bereich betrifft die Stabiltät der Ausgangsleistung des Lasers. Wie anhand des obengenannten Patentes zu erkennen ist, sind die Resonatorspiegel am Ende eines abgedichteten Lasergehäuses angebracht. Bei einem Laserbetrieb verändert sich die Länge des Gehäuses und damit auch die Länge des Resonators. Bei einer sich verändernden Resonatorlänge oszillieren unterschiedliche longitudinale Moden des Lasers auf eine Art und Weise, die als Modensweeping oder als Modendurchlauf bekannt ist. Es hat sich gezeigt, daß dieses Modensweeping-Phänomen zu Leistungsfluktuationen von mehr als 10 % und sogar zu Fluktuationen bis zu 15 % führt. Diese Leistungsfluktuationen erweisen sich sowohl für medizinische als auch für industrielle Anwendungen als nachteilig.
• Ein Laser der zuvor beschriebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß an den gegenüberliegenden Enden eines plattenförmigen Verstärkungsbereiches jeweils zumindest zwei Spiegel angeordnet sind, deren Ausrichtung und Krümmung so gewählt ist, daß die Spiegel zusammenwirken und der Strahl entlang mehrerer Wege entlang der breiten Achse gefaltet wird, wobei sich zwischen den den Strahlweg begrenzenden Spiegelpaaren jeweils ein Brennpunkt befindet.
• Durch bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen wird folgendes geschaffen:
• ein Hochleistungswellenleiter-Platten-Gaslaser mit einer Faltungs-Compoundresonatoranordnung;
• eine verbesserte Resonatoranordnung mit einer merklichen Verbesserung der Leistungsstabilität eines Wellenleiter- Platten-Kohlendioxidlasers;
• eine neue Resonatoranordnung mit einer besseren Ausrichtungsstabilität;
• eine neue Resonatoranordnung, die einen Betrieb des Lasers mit einer höheren Anzahl an longitudinalen Moden ermöglicht;
• eine neue Resonatoranordnung, die eine größere Abstimmbarkeit bei einem Einzellinienbetrieb oder einem Monomodenbetrieb ermöglicht;
• eine neue Resonatoranordnung, bei der der Strahl nicht entlang einer Kante sondern in der Mitte des Plattenentladungsbereiches ausgekoppelt wird;
• eine verbesserte Resonatoranordnung, bei der der Entladungsbereich unter Minimierung der durch die Spiegel hervorgerufenen sphärischen Aberrationen verbreitert werden kann;
• eine verbesserte Resonatoranordnung, die auch bei anderen Lasern mit einem plattenförmigen Verstärkungsbereich, wie z.B. einem Festkörper-Plattenlaser, verwendbar ist.
• Eine erfindungsgemäße Ausführungsform besitzt einen einzigartig gestalteten Resonator, bei dem der Strahlweg entlang der Breite der Freiraumachse gefaltet ist. Bei einer Grundausführungsform sind an den Enden der Elektroden jeweils zwei Spiegel angebracht. Ein gefalteter Pfad oder Weg ist so bestimmt, daß der Strahl sechs Mal den Entladungsraum durchquert, während dies im Stand der Technik nur zwei Mal der Fall ist.
• Durch Erhöhung der Weglänge innerhalb des Entladungsbereiches um einen Faktor drei wird die Anzahl der in dem Laser oszillierenden Longitudinalmoden entsprechend erhöht. Durch Erhöhung der oszillierenden Moden lassen sich die mit der Veränderung der Länge des Resonators verbundenen Leistungsfluktuationen merklich verringern. Bei ersten Experimenten waren die Leistungsfluktuationen bei dem vorliegenden Resonator kleiner als 1 % im Vergleich zu 10 bis 15 % bei einem herkömmlich gestalteten Reaktor. Die dreifache Zunahme in der Anzahl an Durchgängen des Strahles durch den Verstärkungsbereich kann auch zu einer größeren betrieblichen Leistungsfähigkeit führen.
• Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Krümmung und die Ausrichtung der Spiegel so gewählt, daß ein compoundresonator bestimmt ist, wobei die den Strahlweg jeweils begrenzenden Spiegel getrennte resonatorförmige Anordnungen bilden. Durch die Ausbreitung zwischen den Spiegelpaaren ist jeweils ein stabiler Wellenleiter entlang der engen Achse und ein instabiler Resonator mit negativem Zweig entlang der breiten Achse bestimmt. Entlang der breiten Achse sind die Spiegel konfokal zueinander angeordnet, so daß zwischen den Spiegelpaaren jeweils ein Brennpunkt vorhanden ist. Dieser einzigartiger Compoundresonator führt zu einer besseren Ausrichtungsstabilität.
• Aufgrund einer anderen vorteilhaften Eigenschaft wird der Strahl anstatt an einer Kante in der Mitte des Lasers ausgekoppelt. Bei einer nachstehend dargestellten Ausführungsform ist zwischen einem der zwei an einem Ende der Elektroden angeordneten Spiegelpaare ein Zwischenraum vorgesehen. Bei dieser Anordnung wird der Laserstrahl durch den Zwischenraum zwischen den Spiegeln aus dem Resonator ausgekoppelt.
• Der vorliegende Resonator läßt sich auch so modifizieren, daß er an den Enden der Elektroden jeweils drei oder mehr Spiegel umfaßt, so daß die Anzahl an Faltungen zunimmt. Durch Zunahme der Anzahl an Faltungen lassen sich die Elektroden einfach verbreitern, so daß die Ausgangsleistung pro Flächeneinheit zunimmt. Bei den Resonatoren nach dem Stand der Technik gab es praktische Grenzen bezüglich der Breite der Elektroden. Bei einer Verbreiterung der Elektroden mußten insbesondere auch die Spiegel verbreitert werden. Die Verbreiterung der Spiegel führte zu unerwünschten sphärischen Aberrationen in dem optischen System. Durch Verwendung mehrerer Spiegel an den Enden des Resonators wird die sphärische Aberration minimiert.
• Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht eines durch Hochfrequenz angeregten Wellenleiter-Plattenresonators mit einem erfindungsgemäßen Compoundresonator.
• Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des gefalteten Weges des Laserstrahls, wobei Fig. 2a die ersten zwei Durchgänge zeigt, während die Fig. 2b und 2c den dritten bzw. den vierten Durchgang zeigen und Fig. 2d den fünften und sechsten Durchgang sowie die Auskopplung des Laserstrahls aus dem Resonator.
• Fig. 3 zeigt eine zu Fig. 2 entsprechende Darstellung, wobei jedoch alle Durchgänge des Laserstrahls in einer einzige Ansicht dargestellt sind.
• Fig. 4 zeigt einen Resonator mit vier Spiegeln, wobei der Strahlweg zur Veranschaulichung der linearen Ausbreitung in entfaltetem Zustand dargestellt ist.
• Fig. 5 zeigt eine zu Fig. 3 entsprechende Darstellung, wobei jedoch der Strahl entlang der Außenkante des Entladungsbereiches ausgekoppelt wird.
• Fig. 6 zeigt den Strahlweg bei einem Resonator mit sechs Spiegeln, wobei an den Enden des Entladungsbereiches jeweils drei Spiegel angeordnet sind und wobei der Strahl jenseits der Innenkante des Außenspiegels ausgekoppelt wird.
• Fig. 7 zeigt den Resonator gemäß Fig. 6, wobei der Strahlweg jedoch entfaltet dargestellt ist.
• Fig. 8 zeigt eine zu Fig. 6 entsprechende Ansicht eines Resonators mit sechs Spiegeln, wobei der Strahl jenseits der Kante eines der Innenspiegel ausgekoppelt wird.
• Fig. 9 zeigt den Strahlweg bei einem Resonator mit acht Spiegeln, wobei an den Enden des Entladungsbereiches jeweils vier Spiegel angeordnet sind.
• Fig. 10 - 15 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform zum Anbringen zweier Spiegel am Ende der Elektroden in einem abgedichteten Gaslaser.
• Fig. 10 zeigt einen Querschnitt mit Blick auf die Oberseite der oberen Elektrode.
• Fig. 11 zeigt eine Seitenansicht mit Blick von der rechten Seite in Fig. 10.
• Fig. 12 zeigt eine Seitenansicht mit Blick von der linken Seite in Fig. 10.
• Fig. 13 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie 13-13 in Fig. 10.
• Fig. 14 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie 14-14 in Fig. 10.
• Fig. 15 zeigt eine perspektivische Ansicht der in Fig. 10 dargestellten Abschlußkappe 114 mit voneinander getrennten und auseinander gezogenen Bauteilen.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
• Fig. 1 zeigt einen Laser 10 mit zwei länglichen, rechteckigen planaren Elektroden 12 und 14. Die Elektroden sind so angeordnet, daß sie einen plattenformigen oder rechteckigen Entladungsbereich 16 bestimmen. Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, ist der Abstand 5 zwischen den Elektroden relativ klein. Durch den Abstand 5 ist die Wellenleiterachse bestimmt. Dieser Abstand beträgt typischerweise etwa 2 mm. Im Unterschied hierzu sind die Elektroden wesentlich breiter ausgebildet. Die Breite W der Elektroden beträgt etwa 4 bis 5 cm.
• In dem Entladungsbereich 16 befindet sich ein Lasergas. Wie in dem oben genannten Patent beschrieben wird, sind die Elektroden bei einem kommerziell erhältlichen Ausführungsbeispiel in einem abgedichteten Gehäuse angeordnet, das als Lasergas auch Kohlendioxid enthält. Das Gas wird durch einen Hochfrequenzgenerator 20 angeregt, der über ein (nicht dargestelltes) Anpassungsnetz mit den Elektroden verbunden ist. Zusätzliche Details über die
• Gestaltung des Lasers ergeben sich aus dem amerikanischen Patent 5,123,028.
• Wie in dem oben genannten Patent beschrieben wird, ist der Resonator dadurch bestimmt, daß benachbart zu dem einen Ende der Elektroden ein erster Spiegel angebracht ist, während benachbart zu dem anderen Ende des Spiegels ein zweiter Spiegel angebracht ist. Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsform werden sphärische Spiegel so ausgewählt, daß sie einen Hybridresonator bestimmen. In der engen Achse ist insbesondere ein Wellenleiterresonator bestimmt (wobei die Ausbreitung des Lichtes durch die Elektrodenoberflächen gesteuert wird). Im Unterschied hierzu ist in der breiten Achse ein instabiler Resonator mit negativem Zweig oder ein instabiler negativer Zweig- Resonator bestimmt (bei dem die Lichtausbreitung lediglich durch die Spiegel gesteuert wird). Die Grundprinzipien dieser Hybridgestaltung werden anhand der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
• Wie am besten in Fig. 1 zu erkennen ist, sind bei dem vorliegenden Resonator an den Enden der Elektroden 12, 14 jeweils zwei Spiegel 30, 34 und 32, 36 angeordnet. Unter der Annahme, daß die Breite der Elektroden gleich der Breite der Elektroden des Resonators nach dem Stand der Technik ist, sind die Spiegel 30 - 36 jeweils in etwa halb so breit wie nach dem Stand der Technik. Die Krümmung und die Ausrichtung der Spiegel ist so gewählt, daß der Strahlweg entlang der breiten Achse oder der Freiraumachse des Lasers gefaltet ist. Dieses Faltungsmuster unterscheidet sich von Faltungen des Strahls in der Wellenleiterachse nach dem Stand der Technik.
• Bei dem in dem amerikanischen Patent 5,123,028 beschriebenen Resonator nach dem Stand der Technik entspricht der Strahlweg innerhalb des Resonators einem zweifachen Durchgang durch den Entladungsbereich. Wenn an den Enden der Elektroden jeweils zwei Spiegel angebracht sind, so wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, durchquert der Strahl im Unterschied hierzu den Enladungsbereich sechs Mal, was zu einer effektiven Zunahme der Weglänge um einen Faktor drei führt. Dies ist mit einer Reihe von Vorteilen verbunden ist, die nachstehend noch ausführlicher beschrieben werden.
• Die Fig. 2a bis 2d zeigen den Weg des gefalteten Strahls. Diese Figuren zeigen jeweils eine Draufsicht auf den Laser gemäß Fig. 1, wobei die Ausbreitung des Strahls in der Freiraumachse dargestellt ist. Wie oben bereits bemerkt wurde, breitet sich der Strahl entlang der engen Achse im Wellenleitermodus aus. In den Zeichnungen erscheinen die Spiegel zwar als eben, sie sind jedoch in der Praxis sphärisch ausgebildet.
• In Fig. 2a geht ein Strahl 40 von dem Spiegel 30 aus und bewegt sich in einer ersten Richtung durch einen ersten Brennpunkt F&sub1; zu dem Spiegel 32. Der Strahl 40 wird an dem Spiegel 32 reflektiert und nach unten auf den Spiegel 34 abgelenkt, wobei er im wesentlichen parallel oder kollimiert verläuft. Es sei darauf hingewiesen, daß der zweite Durchgang auf den zweiten Spiegel 30 gerichtet wäre, wenn der Spiegel 32 nach oben geneigt wäre. Die Eigenschaften der Strahlausbreitung würden dann identisch sein zu den Eigenschaften der Strahlausbreitung bei dem aus dem Stand der Technik bekannten instabilen Resonator mit negativem Zweig, der zwei Spiegel umfaßt. Durch Ausnutzung von Spiegeikrümmungen und Verwendung einer Spiegelanordnung, bei der bei den Durchgängen jeweils die Eigenschaften des instabilen Resonators mit negativem Zweig erhalten bleiben, wird die Stabilität der Ausrichtung nicht in Frage gestellt, selbst wenn der Strahl so gefaltet ist, daß er mehrere Durchgänge durchläuft.
• Fig. 2b veranschaulicht den dritten Durchgang des Strahls von dem Spiegel 34 aus zu dem Spiegel 36. Der Strahl erreicht in dem Punkt F&sub2; einen zweiten Brennpunkt. Fig. 2c veranschaulicht den zu dem Spiegel 34 zurückkehrenden kollimierten Strahl. In Fig. 2d ist der Strahl von dem Spiegel 34 aus zurück auf den Spiegel 32 gerichtet. Bei diesem fünften Durchgang ist der Strahl an dem Punkt F&sub3; fokusiert. Nach dem Erreichen des Spiegels 32 wird der Strahl auf den Spiegel 34 zurückreflektiert, wobei er im wesentlichen parallel oder kollimierend verläuft.
• Bekanntermaßen nimmt die Breite des Strahls bei dieser Art von Resonatoren bei jedem Durchgang zu, was auf die Vergrößerung aufgrund der Spiegelkrümmung zurückzuführen. ist. Wenn der Strahl 40 den Spiegel 30 erreicht, so wie dies in Fig. 2d dargestellt ist, ist er somit breiter als zu dem Zeitpunkt, an dem er zum ersten Mal von dieser Spiegeloberfläche ausging. Aus diesem Grund kann der Strahl entlang der Kante des Spiegels 30 mittels eines bekannten Kantenkopplungsverfahren aus dem Resonator ausgekoppelt werden.
• Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Länge L des Spiegels 30 kleiner als die Länge der anderen Spiegel. Zusätzlich hierzu ist der Spiegel 30 so angeordnet, daß der Spiegel 30 und der benachbarte Spiegel 34 beabstandet zueinander sind. Bei dieser Anordnung kann der Strahl 40 anstatt an der Kante benachbart zu der Mitte des Entladungsraumes ausgekoppelt werden.
• Das Auskoppeln in der Mitte des Entladungsbereiches ist mit einigen praktischen Vorteilen verbunden. So erweist sich die Gestaltung optischer Systeme insbesondere häufig als einfacher, bei denen der Strahl in der Mitte des Lasergehäuses ausgekoppelt wird. Dadurch, daß das Auskoppeln benachbart zu der Mitte des Entladungsraumes erfolgt, lassen sich zusätzlich auch noch Beugungseffekte an der Kante der Platte vermeiden.
• Dieses Auskoppeln in der Mitte des Entladungsraumes wird bei dem erfindungsgemäßen Resonator besonders bevorzugt, da sich hierdurch das Anbringen des Spiegels 30 vereinfacht. Bei einem Resonator, bei dem der Strahl jenseits der Außenkante des Spiegels 30 ausgekoppelt wird (so wie das in Fig. 5 dargestellt ist), erweist sich insbesondere die Genauigkeit bei der Positionierung der Innenkante und der Außenkante des Spiegels 30 als kritischer Punkt. Die Außenkante des Spiegeis 30 muß genau positioniert sein, um den Strahl ordnungsgemäß aus dem Resonator auskoppeln zu können. Zusätzlich hierzu muß auch die Innenkante des Spiegels 30 bezüglich des Spiegels 34 genau positioniert sein (siehe Fig. 5).
• Bei einem Auskoppeln in der Mitte muß lediglich die Innenkante des Spiegels 30 genau positioniert sein. Die Außenkante des Spiegels 30 erstreckt sich (so wie die Außenkanten der Spiegel 32, 34 und 36 auch) einfach über den Entladungsbereich und den Strahlweg hinaus, so daß die Positionierung der Außenkante unkritisch ist.
• Ein wesentlicher Vorteil der hier offenbarten Resonatorgestaltung mit Faltung besteht darin, daß durch den mehrfachen Strahlweg die Länge des Resonanzraumes zunimmt, ohne daß der Entladungsbereich größer wird. Die Anzahl der longitudinalen Moden, die bei einem Oszillator auftreten, ist bekanntermaßen direkt proportional zu der Länge des Resonanzraumes. Durch Verwendung von vier Spiegeln, die zu einer Verdreifachung der Weglänge des Lasers führen, verdreifacht sich somit auch die Anzahl der longitudinalen Moden bei der Oszillation.
• Die größere Zahl an longitudinalen Moden führt zu einer merklichen Verbesserung bei der Leistungsstabilität des Lasers. Die Zunahme an oszillierenden Moden bei der neuen Gestaltung führt insbesondere zu einer Minimierung von Leistungsfluktuationen, die bei einer Veränderung der Länge des Resonanzraumes während des Betriebes aufgrund eines Modensweepings auftreten können. Bei anfänglichen Tests hat sich gezeigt, daß bei dem neugestalteten Resonator die Veränderungen der Ausgangsleistung nicht größer sind als ein Prozent. Dies stellt eine große Verbesserung im Vergleich zu Resonatoren nach dem Stand der Technik dar, bei denen die Ausgangsleistung um zehn bis fünfzehn Prozent schwankt.
• Ein anderer Vorteil, der sich durch Erhöhung der Anzahl an longitudinalen Moden ergibt, die in dem Laser schwingen, besteht darin, daß mehr Ausgangsfrequenzen verfügbar sind. Hierdurch verbessert sich die Abstimmbarkeit des Lasers bei einem Einzellinienbetrieb oder einem Monomodenbetrieb.
• Der vorliegende Compound-Resonator sollte auch mit Resonatoren nach dem Stand der Technik mit gefaltetem Strahlgang verglichen werden, bei denen lediglich ebene Faltungsspiegel verwendet werden. Bei diesen Anordnungen nach dem Stand der Technik, bei denen ebenfalls die Weglänge innerhalb des Lasers erhöht wird, treten zudem deutliche Ausrichtungsprobleme auf. Bei Verwendung von ebenen Reflektoren zur Umlenkung eines Strahls in dem Resonator nimmt insbesondere die Empfindlichkeit bei der Ausrichtung zu, da eine beliebige Winkelverschiebung bei einem Planspiegel zu einer doppelt so großen Winkelverschiebung des reflektierten Strahls führt. Wenn mehrere Planspiegel von einer einzigen gemeinsamen Halterung gehalten werden, wird jegliche Fehlausrichtung der Halterung vielfach verstärkt, so daß merkliche Ausrichtungsfehler auftreten. Bei Verwendung von gekrümmten Spiegeln und bei einer Nachbildung eines instabilen Resonators mit negativem Zweig entlang der einzelnen Strahlwege bleibt der Laser im Unterschied hierzu außerordentlich stabil. Wie oben bereits bemerkt wurde, gibt es bei dieser Anordnung zwischen den den Strahlweg begrenzenden Spiegelpaaren jeweils einen Brennpunkt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der durch die Spiegelgruppen jeweils bestimmte Strahlweg konfokal, was zu einer maximalen Ausrichtungsstabilität führt.
• Ein anderer Vorteil bei der Verwendung mehrerer Spiegel besteht darin, daß die Breite des Plattenentladungsraumes nach Wunsch vergrößerbar ist, ohne daß die mit einer sphärischen Aberration verbundenen Probleme auftreten. Wie oben bereits erwähnt wurde, muß bei einem Resonator nach dem Stand der Technik bei einer Verbreiterung der Elektroden insbesondere auch die Spiegelbreite vergrößert werden. Die Vergrößerung der Spiegelbreite führt jedoch zu unerwünschten sphärischen Aberrationen in dem optischen System. Diese Zunahme der sphärischen Aberrationen begrenzt die maximale Breite des Plattenentladungsbereiches.
• Durch Verwendung mehrerer Spiegel entlang der Breite des Entladungsbereiches muß bei der vorliegenden Anordnung, im Unterschied hierzu, die Breite der einzelnen Spiegel nicht vergrößert werden. Anstatt die verwendeten Elektroden zu verbreitern kann man die an den Enden jeweils verwendete Anzahl an Spiegeln erhöhen, wobei der gewünschte niedrige Pegel an sphärischer Aberration beibehalten wird. Die Verwendung mehrerer Spiegel ermöglicht in der Tat eine Verschmälerung der einzelnen Spiegel. Die Verwendung eines Resonators mit mehreren Spiegeln ermöglicht nun die Gestaltung eines Lasers mit einem sehr viel breiteren Entladungsbereich. Dieses Verfahren läßt die Gestaltung von Lasern mit quadratischen Elektroden (d.h. mit Elektroden mit gleicher Breite und Länge) für möglich erscheinen. Bei einem Laser mit quadratischen Elektroden wird die Entladungsfläche (Breite mal Länge) für eine vorgegebene Länge maximiert. Nachstehend werden zahlreiche Anordnungen mit sechs bzw. acht Spiegeln beschrieben.
• Der vorliegende Compound-Resonator ist auch von Nutzen für andere Arten von Lasern mit einem plattenförmigen Entladungsbereich. Es ist somit möglich, zwischen den in Fig. 2 dargestellten Spiegeln ein Festkörperplattenmaterial anzuordnen. Dieses Konzept stellt eine Erweiterung des Hybridresonators bei Festkörperlasern dar, wie er in dem am 17. Dezember 1985 für Chun ausgegebenen amerikanischen Patent Nr. 4,559,627 beschrieben wird.
• Fig. 3 ist eine zu Fig. 2 entsprechende Darstellung, bei der in einem einzigen Bild alle Strahlwege überlagernd dargestellt sind. In Fig. 4 sind die Strahlwege nicht gefaltet, um den Strahl in linearer Ausbreitung zu zeigen.
• Fig. 5 zeigt eine zu Fig. 3 entsprechende Darstellung mit Ausnahme der Tatsache, daß der Strahl entlang der Außenkante des Spiegels 30 ausgekoppelt wird. Bei dieser Anordnung ist der Spiegel 30 näher an dem Spiegel 34 angeordnet, so daß der vergrößerte oder verstärkte und aufgeweitete Strahl jenseits der Außenkante des Spiegels 30 aus dem Resonator ausgekoppelt werden kann.
• Fig. 6 veranschaulicht den Strahlweg bei einem Resonator mit sechs Spiegeln (M&sub1; - M&sub6;), wobei an den Enden der Platte jeweils drei Spiegel angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform durchläuft der Strahl den Entladungsraum zehn Mal bevor er aus dem Resonator ausgekoppelt wird. Das Auskoppeln erfolgt bei dieser Ausführungsform jenseits des Spiegels M&sub1; entlang der Kante des plattenförmigen Entladungsraums. Durch eine Veränderung der Anordnung des Spiegels M&sub1; kann der Strahl auch zwischen den Spiegeln M&sub1; und M&sub3; aus dem Resonator ausgekoppelt werden. Fig. 7 zeigt den Resonator gemäß Fig. 6 mit nicht gefaltetem Strahlweg.
• Fig. 8 zeigt ein anderes Beispiel eines Resonators mit sechs Spiegeln (M&sub1; - M&sub6;). Entsprechend dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel durchquert der Strahl den Entladungsbereich zehn Mal. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Winkel der Spiegel jedoch so gewählt, daß ein anderes Strahlmuster entsteht. Bei diesem Ausführungsbeispiel beginnt der Strahlweg am mittleren Spiegel M&sub1; und erstreckt sich bis zu dem Spiegel M&sub4;, wobei dieser Verlauf dem Verlauf bei dem in Fig. 2 dargestellten Resonator mit vier Spiegeln entspricht. Der Spiegel M&sub4; ist so geneigt, daß der Strahl diagonal über den Entladungsbereich hinweg zu dem Spiegel M&sub5; reflektiert wird. Die Spiegel M&sub4; und M&sub5; sind (so wie die anderen einen Strahlweg begrenzenden Spiegelpaare auch) so angeordnet, daß ein konfokaler instabiler Resonator mit negativem Zweig entsteht.
• Der Strahl wird durch den Spiegel M&sub5; auf den Spiegel M&sub6; abgelenkt. Nach dem Erreichen des Spiegels M&sub6; wird der Strahl über die Spiegel M&sub5;, M&sub4;, M&sub3; und M&sub2; auf den Spiegel M&sub1; zurückreflektiert. Der Strahl wird nun jenseits der Kante des Spiegels M&sub1; aus dem Resonator ausgekoppelt. Wie sich aus dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt, ermöglicht die vorgestellte Anordnung eine ganze Reihe von unterschiedlichen Strahlwegen, wobei das Auskoppeln jenseits der Kante eines beliebigen Spiegels erfolgen kann.
• Fig. 9 veranschaulicht einen Resonator mit acht Spiegeln (M&sub1; - M&sub8;), wobei an den Enden des Resonators jeweils vier Spiegel angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform ist der Strahl so gefaltet, daß er den Resonator vierzehn Mal durchläuft. Der Strahl wird unterhalb der Innenkante des Spiegeis M&sub1; aus dem Resonator ausgekoppelt. Es sei bemerkt, daß sich die Anzahl der vor und zurück verlaufenden Strahldurchgänge in dem Entladungsbereich bei jedem zusätzlichen Spiegelsatz (d.h. einen zusätzlichen Spiegel an jedem Ende des Resonators) um vier erhöht.
• Die Fig. 10 bis 15 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform eines Lasers mit einem erfindungsgemäßen Resonator. Der Laser umfaßt Einrichtungen oder Hardware zum Anbringen eines Spiegelpaares an den Enden der Elektroden. Die gezeigte Ausführungsform entspricht mit Ausnahme der verbesserten Spiegelhalterung im wesentlichen dem in dem obengenannten Fig. 10 zeigt ein Aluminiumgehäuse 110, das durch zwei Endplatten 112 und 114 hermetisch abgedichtet ist. In dem Gehäuse sind zwei Elektroden 120 (von denen nur eine dargestellt ist) kinematisch oder beweglich angebracht. Über geeignete Durchgänge oder Durchführungen wird Hochfrequenzenergie in das Gehäuse eingekoppelt. In dem Gehäuse befindet sich abgedichtet ein Kohlendioxidlasergas. Die Lasermischung umfaßt typischerweise Helium, Stickstoff und Kohlendioxid in einem Verhältnis von 3:1:1. Sie kann auch etwas Xenon umfassen.
• Der Resonator ist erfindungsgemäß dadurch bestimmt, daß benachbart zu den Enden der Elektroden jeweils zwei Spiegel 30, 32, 34, 36 angebracht sind. Wie in dem amerikanischen Patent Nr. 5,123,028 beschrieben wird, ist die Krümmung der sphärischen Spiegel durch die gewünschte Vergrößerung oder Verstärkung entlang der instabilen Resonatorachse bestimmt. Der Abstand zwischen den Enden der Elektroden und den Spiegeln ist demgemäß so gewählt, daß der Krümmungsradius der Wellenfront des Strahls (entlang der engen Achse) beim Erreichen der Spiegel dem Krümmungsradius der Spiegel entspricht.
• Die Einrichtungen zum Anbringen der Spiegel erfüllen eine ähnliche Funktion wie im Stand der Technik, wo der Neigungswinkel der Spiegel von außerhalb des abgedichteten Gehäuses einstellbar ist. Um dies erreichen zu können, umfassen die Endplatten 112, 114 jeweils zwei ringförmige Nuten 130, 132, 134 und 136. Die Nuten erstrecken sich jeweils soweit in Richtung auf die Innenfläche der Endplatte, daß ein ringförmiger Biegebereich 140, 142, 144 und 146 bestimmt ist. Die Nuten bestimmen auch jeweils ein sich in axialer Richtung erstreckendes Neigungsteil 150, 152, 154 und 156, das radial in den Nuten angeordnet ist.
• Mit der Innenfläche der Endplatte sind Spiegelhalterungen 160, 162, 164 und 166 verbunden, die zu dem jeweils zugehörigen Neigungsteil ausgerichtet ist. Die Spiegel 30, 32, 34 und 36 werden durch die Halterungen gehalten. Wie zu erkennen ist, läßt sich der Winkel eines Spiegels durch Einstellung des Winkels eines Neigungsteus um den ringförmigen Biegebereich einstellen.
• Wie bei der aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsform auch werden eine ganze Reihe von Schrauben und Stiften verwendet, um den Winkel der Neigungsteile zur Veränderung der Spiegelwinkel einzustellen. Im Stand der. Technik werden hierfür vier orthogonale Stifte zum direkten Vorspannen der Neigungsteile verwendet. Diese aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungsform wurde modifiziert, damit an den Enden des Gehäuses jeweils zwei Spiegel angebracht werden können.
• Die neue Gestaltung wird nachstehend zunächst anhand der Endplatte 114 beschrieben. Wie am besten in den Fig. 13 und 15 zu erkennen ist, umfaßt die Endplatte sechs Gewindebohrungen 170, 171, 172, 173, 174, und 175, die in einer ersten Ebene liegen. Die Bohrungen dienen jeweils zur Aufnahme einer Schraube 180, 181, 183, 184 und 185, die je einen Vorspannungsstift 190, 191, 192, 193, 194 und 195 tragen. Die axiale Stellung eines Stiftes wird durch Drehen einer Schraube eingestellt, die umgekehrt wiederum eine Vorspannungskraft auf das zugehörige Neigungsteil ausübt, so daß sich der Neigungswinkel des zugehörigen Neigungsteils und des zugehörigen Spiegels verändert.
• Wie zu erkennen ist, ermöglichen die den Spiegeln jeweils zugeordneten drei koplanaren Schrauben eine Winkeleinstellung der Spiegel in drei von vier erforderlichen Achsen. Die verbleibende Einstellungsachse für die Spiegel liegt jeweils entlang einer Linie, die durch den verbleibenden Spiegel auf der Endplatte 114 belegt ist, so daß es nicht möglich ist, einen vierten Vorspannungsstift und eine zugehörige Schraube zu verwenden, so wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
• Um auch entlang der verbleibenden vierten Achse eine Einstellung zu ermöglichen, wird demgemäß eine Schraube für eine umgekehrte Vorspannung verwendet. Wie am besten in den Fig. 14 und 15 zu erkennen ist, umfassen die Neigungsteile 154, 156 jeweils insbesondere zudem eine Gewindebohrung 210, 212 zur Aufnahme je einer mit einem Gewinde versehenen Schraube 220, 222 und eines zugehörigen Stiftes 230, 232. In der Endplatte sind als Zugang zu den Schrauben 220, 222 nicht mit einem Gewinde versehene Öffnungen 240, 242 angebrachtc Die Gewindebohrungen 210 und 212 liegen in einer Ebene, die in einem gewissen Abstand parallel zu der Ebene der Gewindebohrungen 170 - 175 verläuft, so daß freie Achsen zu den Schrauben 220, 222 vorhanden sind. Durch Drehen der Schrauben 220, 222 werden die Stifte 230, 232 gegen die radiale Außenflächen der Nuten 134, 136 vorgespannt, so daß auf das zugehörige Neigungsteil ein Drehmoment ausgeübt wird. Durch Einstellen der zu den Neigungsteilen jeweils gehörenden vier Schrauben läßt sich von außerhalb des abgedichteten Gehäuses der gewünschte Spiegelwinkel einstellen.
• Die Endplatte 112 unterscheidet sich von der Endplatte 114 dadurch, daß der Strahl durch die Endplatte 112 hindurch aus dem Gehäuse ausgekoppelt wird. Wie am besten in Fig. 10 zu erkennen ist, ist die Innenkante des Spiegels 30 verkürzt ausgebildet, so daß eine Öffnung entsteht, durch die der Strahl aus dem Resonator ausgekoppelt wird. Die Endplatte 112 umfaßt einen Kanal 260, durch den der Strahl passieren kann. In dem Kanal 260 ist ein transparentes Fenster 270 abdichtend angebracht, das aus einem Material besteht, daß für eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 10,6 jim durchlässig ist.
• Die in den Fig. 10 bis 15 dargestellte Spiegelhalterung ist zur Implementierung des erfindungsgemäßen Compoundresonators geeignet. Ein entsprechend ausgebildeter Laser wurde gebaut und getestet. Der Laser umfaßte an den Enden der Elektroden jeweils zwei Spiegel 30 - 36 zur Erzeugung eines gefalteten Strahlweges. Bei den Spiegeln handelte es sich jeweils um sphärische Spiegel, wobei der Krümmungsradius der Spiegel 30 und 34 619 mm betrug, während der Krümmungsradius der Spiegel 32 und 36 693 mm betrug. Der Abstand der Spiegel betrug 655 mm. Die Spiegel 32 und 34 waren so zueinander geneigt, daß zwischen ihnen ein konfokaler Resonator gebildet wurde. Der Neigungswinkel betrug etwa 17 Milliradiant. Während des Aufbaus wurden die Winkel der Spiegel jeweils zusätzlich minimal verstellt, um auf bekannte Art und Weise den Resonator zu stabilisieren und die Laserausgangsleistung zu maximieren. Die Leistungsfluktuationen des Lasers waren während einer 24 stündigen Periode des Dauerbetriebes nicht größer als ein Prozent.
• Obgleich die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ergeben sich für Fachleute auf diesem Gebiet auch zahlreiche Veränderungen und Modifikationen, die in den durch die zugehörigen Ansprüche bestimmten Schutzbereich fallen.

Claims (11)

1. Ein Laser (10) umfassend:

ein Lasermedium mit einem plattenförmigen Verstärkungsbereich (16) mit einer breiten und einer engen Achse,

eine Einrichtung (20) zum Versorgen des Verstärkungsmediums mit Energie und

eine Resonatoreinrichtung mit einem jeweiligen Spiegel (30, 32, 34, 36), der jeder an einem gegenüberliegenden Ende des plattenförmigen Verstärkungsbereichs (16) angeordnet ist, wobei die Spiegel (30, 32, 341 36) eine Ausrichtung und Krümmung so haben, daß ein hybrider Resonator definiert wird, der in Bezug auf die enge Achse stabil und in Bezug auf die breite Achse instabil ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß wenigstens zwei der Spiegel (30, 34; 32, 36) an jedem gegenüberliegenden Ende des plattenförmigen Verstärkungsbereichs (16) sind, und

daß die Ausrichtung und Krümmung der Spiegel (30, 32, 34, 36) so ist, daß die Spiegel zusammenwirken, um den Strahl in der breiten Achse entlang mehrfacher Pfade zu falten und einen Brennpunkt (F1, F2, F3) bereitzustellen, der zwischen jedem Paar der Spiegel, welche den Pfad des Strahls beranden, angeordnet ist.

2. - Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der breiten Achse ein instabiler, negativer Zweigresonator definiert wird.

3. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeden Strahlpfad berandenden Spiegel konfokal angeordnet sind.

4. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl entlang des Randes von einem (30) der Spiegel aus der Resonatoreinrichtung herausgekoppelt wird.

5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl benachbart zu einem seitlichen Rand der breiten Achse des Verstärkungsbereichs aus der Resonatoreinrichtung herausgekoppelt wird.

6. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl aus der Resonatoreinrichtung bei einer Position (270) ausgekoppelt wird, die in einem Zwischenbereich in Bezug auf die breite Achse des Verstärkungsbereichs liegt.

7. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Raum zwischen den Spiegeln (30, 40) an einem Ende des Verstärkungsbereichs definiert ist, um den Laserstrahl aus der Resonatoreinrichtung herauszukoppeln.

8. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur zwei Spiegel (30, 34; 32, 36) an jedem Ende des Verstärkungsbereichs angeordnet sind, um ein Sechs-Pfad- Strahlausbreitungsmuster innerhalb des Verstärkungsbereichs zu definieren.

9. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Spiegel (M&sub1;, M&sub3;, M&sub5;; M&sub2;, M&sub4;, M&sub6;) an jedem Ende des Verstärkungsbereichs angeordnet sind, um ein Zehn-Pfad-Strahlausbreitungsmuster innerhalb des Verstärkungsbereichs zu definieren.

10. Laser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermedium ein Lasergas ist und der plattenförmige Verstärkungsbereich (16) durch ein Paar von länglichen Elektroden (12, 14) definiert ist, welche beabstandet sind, um zwischen diesen einen Entladungsbereich (16) zu definieren, welcher eine plattenförmige Ausbildung mit einer breiten und einer engen Achse hat,

wobei die energiezuführende Einrichtung eine Einrichtung (20) zum Zuführen von Energie zu den Elektroden aufweist, um das Gas anzuregen und eine Gasentladung zu erzeugen, und wobei die wenigstens zwei Spiegel (30, 32, 34, 36) an jedem Ende der Elektroden (12, 14) einander gegenüberliegen.

11. Laser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Beabstandung (5) der Elektroden (12, 14) in der engen Achse ausgewählt ist, um eine Wellenführung oder einen Wellenleiter zu definieren.