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DE8502446U1 - Gas laser with a frequency-selective dielectric layer system - Google Patents

Gas laser with a frequency-selective dielectric layer system

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Publication number
DE8502446U1
DE8502446U1 DE19858502446 DE8502446U DE8502446U1 DE 8502446 U1 DE8502446 U1 DE 8502446U1 DE 19858502446 DE19858502446 DE 19858502446 DE 8502446 U DE8502446 U DE 8502446U DE 8502446 U1 DE8502446 U1 DE 8502446U1
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DE
Germany
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layers
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laser
layer
laser according
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DE19858502446
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German (de)
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08018Mode suppression
    • H01S3/08022Longitudinal modes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/03Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/034Optical devices within, or forming part of, the tube, e.g. windows, mirrors

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
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  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Description

Balzers Aktiengesellschaft Unser ZeichenBalzers Aktiengesellschaft Our mark

Für st enttarn Liechtenstein VPA 85 P 8 O O 5 DEFor st enttarn Liechtenstein VPA 85 P 8 O O 5 DE

Siemens Aktiengesellschaft
Berlin und München
Siemens Aktiengesellschaft
Berlin and Munich

Gaslaser mit einem frequenzselektiven dielektrischen Schichtensystem. Gas laser with a frequency-selective dielectric layer system.

Die Erfindung betrifft einen Gaslaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Laser ist beispielsweise aus der DE-OS 23 42 911 bekannt.The invention relates to a gas laser according to the preamble of claim 1. Such a laser is for example from DE-OS 23 42 911 known.

Gaslaser strahlen gewöhnlich auf einer Vielzahl von Wellenlängen. Man muß daher, wenn nur eine einzige Wellenlänge benötigt wird, Vorkehrungen zur Unterdrükkung des restlichen Emissionsspektrums treffen. In der eingangs zitierten Offenlegungsschrift wird hierzu vorgeschlagen, einen der beiden Resonatorspiegel folgendermaßen zu beschichten: Vor und hinter einer λ/2-Schicht befinden sich - in spiegelsymmetrischer Anordnung - mehrere, jeweils aus einer optisch dichten und einer optisch dünnen λ/4-Schicht gebildete Paare (A= Wellenlänge des störenden Lichts). Ein derartiges Schichtensystem liefert ein ausgeprägtes Reflexionsminimum. Man kann damit aus einer Reihe relativ eng benachbarter Laserlinien ohne weiteres eine bestimmte Linie wegfiltern; es bereitet aber Schwierigkeiten, umgekehrt aus dem gleichen Spektrum alle Linien bis auf eine zu unterdrücken.Gas lasers usually emit at a variety of wavelengths. One must therefore, if only one Wavelength is required, take precautions to suppress the rest of the emission spectrum. In the For this purpose, it is proposed to use one of the two resonator mirrors as follows to be coated: In front of and behind a λ / 2-layer there are several, Pairs each formed from an optically dense and an optically thin λ / 4 layer (A = wavelength of the interfering light). Such a layer system provides a pronounced minimum reflection. One can thus from a number of relatively closely spaced laser lines easily filter out a certain line; but it causes difficulties, the other way round from the same Spectrum to suppress all lines but one.

Eine solche Frequenzcharakteristik ließe sich durch eine modifizierte Beschichtung erzielen. Hierfür sind allerdings Schichtengefüge erforderlich, deren Reflexionsmaxima temperatur- und druckabhängig sind, und zwar in einem Ausmaß, das beispielsweise bei einem Ar+-Laser mit seinen relativ geringen Linienabständen zu spürbaren Leistungseinbüßen "führt. Weniger kritisch sind die Verhältnisse, wenn man die Linienauswahl durch dielektrische Kantenfilter auf beiden Spiegeln trifft. Dem ste-Les 1 Lk/9.1.1985Such a frequency characteristic could be achieved with a modified coating. For this, however, are Layer structure required, the reflection maxima of which are temperature and pressure dependent, namely in to an extent that can be felt, for example, with an Ar + laser with its relatively small line spacing Loss of performance "leads. Less critical are the conditions, if one makes the line selection through dielectric edge filters on both mirrors. The ste-les 1 Lk / 9.1.1985

85 P 8 O O 5 DE85 P 8 O O 5 DE

her allerdings höhere Kosten gegenüber: Die Spiegelherstellung ist aufwendig - man muß ein relativ weiches Material mit einer häufig auch noch gekrümmten Oberfläche polieren und beschichten - und führt zu Ausbeuten von deutlich unter 100%.Here, however, higher costs compared to: The mirror production is complex - you have to have a relatively soft one Polishing and coating material with an often curved surface - and this leads to yields of well below 100%.

Natürlich könnte man mit breitbandigen Spiegeln arbeiten und die Linienauswahl durch Etalons, frequenzselektive Polarisatoren oder dispergierende Elemente besorgen lu lassen {uei—kjo c\j ou ?£.? uuer tro-uo <nj fy /η-ό). ^uä Teile im Resonator sollten allerdings nach Möglichkeit vermieden werden, allein schon deshalb, weil sie den Aufbau komplizierter machen und den Strahl schwächen.Of course one could work with broadband mirrors and let the line selection take care of etalons, frequency-selective polarizers or dispersing elements lu {uei — kjo c \ j ou ? £.? uuer tro-uo <nj fy / η-ό). Other parts in the resonator should, however, be avoided if possible, if only because they make the structure more complicated and weaken the beam.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Laser der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß störende Frequenzanteile des Laserlichts einfach und zuverlässig unterbunden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Lasertype mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.The invention is therefore based on the object of designing a laser of the type mentioned in such a way that disruptive frequency components of the laser light can be suppressed easily and reliably. This object is achieved according to the invention solved by a laser type with the features of claim 1.

Der vorgeschlagene Gaslaser läßt sich relativ kostengünstig fertigen: Zusatzteile sind nicht erforderlich. Das Brewster-Fenster besteht gewöhnlich aus einem harten, gut polierbaren Material (Quarz) mit planen Oberflächen; es läßt sich also bequem vergüten und beschichten. Die Mehrfachschicht ist aus nur zwei Schichtenarten aufgebaut; die Schichten dürfen dabei von ihrem Elealwert ( A). abweichen, vorausgesetzt, Schichten gleicher Art sind mit einer Toleranz von einigen % - gleich dick. Hinzukommen bemerkenswerte optische Qualitäten: Verglichen mit einem frequenzseiektiven Spiegel sind die Dämpfungswerte beim Nutz- und Störlicht in etwa gleich und die Einflüsse von Temperatur- und Druckänderungen geringer.The proposed gas laser can be manufactured relatively inexpensively: additional parts are not required. The Brewster window usually consists of a hard, easily polished material (quartz) with flat surfaces; it can therefore be easily tempered and coated. The multilayer is made up of only two types of layers; the layers may vary from their Elealwert (A). differ, provided that layers of the same type are of the same thickness with a tolerance of a few%. There are also remarkable optical qualities: Compared to a frequency-selective mirror, the attenuation values for useful and interfering light are roughly the same and the effects of temperature and pressure changes are less.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.Advantageous refinements and developments of the invention are the subject of additional claims.

L' 3 - L ' 3 -

VPA 85 P 8 O O 5 DEVPA 85 P 8 O O 5 DE

Der Lösungsvorschlag soll nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Teile mit gleichem Bezugszeichen versehen. Es zeigen
Fig. 1 das Ausführungsbeispiel in einem schematischen
The proposed solution will now be explained in more detail using an exemplary embodiment shown in the drawing. In the figures of the drawing, parts that correspond to one another are provided with the same reference numerals. Show it
Fig. 1 shows the embodiment in a schematic

Längsschnitt undLongitudinal section and

Fig. 2 von dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 einen vergrößerten Ausschnitt, mit einer genaueren Darstellung der Mehrfachschicht.FIG. 2 shows an enlarged section of the exemplary embodiment in FIG. 1, with a more detailed representation the multilayer.

Der dargestellte Laser ist ein Ar+-Laser, der ausschließlich bei einer Frequenz von 0,488um emittieren soll. Er enthält im einzelnen ein argongefülltes Entladungsrohr 1, das an seinen beiden Enden mit je einer Entladungselektrode 2, 3 versehen ist und durch ,je ein Brewster-Fenster 4, 5 abgeschlossen wird. Das Rohr befindet sich in einem durch zwei Spiegel 6, 7 gebildeten Resonator.The laser shown is an Ar + laser, which should only emit at a frequency of 0.488um. In detail, it contains an argon-filled discharge tube 1 which is provided with a discharge electrode 2, 3 at each of its two ends and is closed off by a Brewster window 4, 5 each. The tube is located in a resonator formed by two mirrors 6, 7.

Das Fenster 5 ist auf seiner dem Spiegel 7 zugewandten Seite mit einer dielektrischen Mehrfachschicht 8 überzogen. Dieses Schichtensystem besteht aus zwölf Einzelschichten 9, 10, die abwechselnd einen Brechungsindex von 2,2 bzw. 1,46 haben und 71,2nm bzw. 120,5nm dick sind. Sie bestehen aus aufgedampftem Ta2U3 bzw. S1O2. Die Brewster-Fenster bestehen ebenfalls aus Quarz.The window 5 is covered with a dielectric multilayer 8 on its side facing the mirror 7. This layer system consists of twelve individual layers 9, 10, which alternately have a refractive index of 2.2 and 1.46, respectively, and 71.2nm and 120.5nm thick, respectively. They consist of vapor-deposited Ta2U3 or S1O2. the Brewster windows are also made of quartz.

Für die einzelnen Laserlinien \ mit ihren Anregungswahrscheinlichkeiten A ergeben sich - für p-polarisiertes Licht bei einem Einfallswinkel von 55,5° - folgende Reflexionsfaktoren Rr, For the individual laser lines \ with their excitation probabilities A result - for p-polarized light at an angle of incidence of 55.5 ° - the following reflection factors Rr,

Ai (nm)Ai (nm) D f οδ ^D f οδ ^ AA. 454454 1111th 0.120.12 456456 1212th 0.350.35 466466 1313th 0.20.2 473473 9.79.7 0.30.3

λ i (nm)λ i (nm) Rp {%) Rp {%) AA. 476476 7.47.4 0.750.75 488488 0.0000,000 1.51.5 496496 6.86.8 0.70.7 501501 17.717.7 0.40.4 514514 5151 2.02.0

J '4 - J '4 -

"VPA 85 P 8 O O 5 OE"VPA 85 P 8 O O 5 OE

Bei Schichtdickenrehiern von -lift und Streulicht- und Absorptionsverlusten von insgesamt<O,05% belaufen sich die Verluste bei der O,488um-Linie auf etwa 0,2%. Die übrigen Laserlinien sind ausgedämpft; dies gilt insbesondere auch für die an sich stark angeregte 0,5i4um-Linie, weil gerade in diesem Frequenzbereich der R -Wert besonders hoch ist.With layer thickness turning of -lift and scattered light and absorption losses from a total of <0.05% the Losses on the 0.488 µm line to about 0.2%. The remaining Laser lines are attenuated; this also applies in particular to the 0.5i4um line, which is strongly excited in itself, because it is straight The R value is particularly high in this frequency range.

Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf das dargestellte Ausführungsbeispiel. So läßt sich die Mehrfachschicht - in entsprechender Anpassung - für die Selektion anderer Ar+-Linien oder Linien anderer (Edel-)Gase und in geeigneten Fällen sogar zur Auswahl von mehr als einer Linie verwenden. Davon abgesehen bleibt es dem Fachmann unbenommen, das Schichtensystem im vorgeschlagene η Rahmen in mehrfacher Hinsicht abzuwandeln: Die niedrig- und/oder hochbrechenden Schichten könnten beispielsweise zur Steigerung der Selektivität - dicker gewählt werden (q>1); die Mehrfachschicht könnte wenigstens teilweise auf die Innenseite des Brewster-Fensters aufgebracht werden - eine Aufteilung auf beide Fensterseiten kann sich aus Gründen der Thermostabilität empfehlen; die Schichten lassen sich auch auf andere Weise, beispielsweise durch eine Sputtertechnik, auftragen. Im übrigen ist es ohne Belang, ob das Brewster-Fenster einen gasdichten Rohrabschluß bildet oder rein mechanisch gehaltert wird.The invention is not limited to the illustrated embodiment. The multilayer can be used - with appropriate adaptation - for the selection of other Ar + lines or lines of other (noble) gases and, in suitable cases, even for the selection of more than one line. Apart from that, the person skilled in the art is at liberty to modify the layer system in several respects within the proposed η framework: The low and / or high refractive index layers could, for example, be chosen to be thicker (q> 1) to increase the selectivity; the multilayer could at least partially be applied to the inside of the Brewster window - a division between both sides of the window can be recommended for reasons of thermal stability; the layers can also be applied in other ways, for example by a sputtering technique. In addition, it is irrelevant whether the Brewster window forms a gas-tight pipe closure or is supported purely mechanically.

7 Pe*eß*|fnsprüche
2 Figuren
7 Opinions
2 figures

Claims (7)

- ·5 -'■ VPA 85P 8 00 5DE -PattentFpisprüche- · 5 - '■ VPA 85P 8 00 5DE - patent claims 1. Gaslaser, enthaltend
1a) ein Entladungsrohr, das
b).zumindest an einem seiner beiden Enden mit einem Brewster-Fenster versehen ist;
1. Gas laser containing
1a) a discharge tube that
b). is provided with a Brewster window at at least one of its two ends;
2a) ein frequenzselektives dielektrisches Schichtensystem zur Unterdrückung unerwünschter Laserlinien, mit2a) a frequency-selective dielectric layer system to suppress unwanted laser lines, with b) einer Mehrfachschicht aus mehreren aufeinander folgenden Schichten, die alternierend einen hohen Brechungsindex nn ("Schichten erster Art") und einen niedrigen Brechungsindex n^ ("Schichten zweiter Art") aufweisen (An = H^-Ii1=O, 5) und insbesondere die gleiche optische Dicke haben;b) a multilayer consisting of several successive layers which alternately have a high refractive index n n ("layers of the first type") and a low refractive index n ^ ("layers of the second type") (A n = H ^ -Ii 1 = O, 5) and in particular have the same optical thickness; dadurch gekennzeichnet, daß 2c) das Schichtensystem auf demBrewster-Fenster (5) angeordnet ist,characterized in that 2c) the layer system on the Brewster window (5) is arranged d) ausschließlich aus der Mehrfachschicht (8) besteht, e) zwischen fünf und neun Schichten (9, 10) jeder Artd) consists exclusively of the multiple layer (8), e) between five and nine layers (9, 10) of each type vorgesehen sind, und daß gilt:
f) 0 2^ ^l
are provided, and that the following applies:
f) 0 2 ^ ^ l
(dim « Dicke der i-ten Schicht der m-ten Art, gemessen in Richtung des durchtretenden Lichts; q * ganze Zahl - 0;(d im «thickness of the i-th layer of the m-th type, measured in the direction of the light passing through; q * integer - 0; A. = Wellenlänge der gewünschten Laserlinie in der jeweiligen Schicht).A. = wavelength of the desired laser line in the respective layer).
2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gilt: 0,99dQm =dim=1,01dQm und2. Laser according to claim 1, characterized in that the following applies: 0.99d Qm = d im = 1.01d Qm and 3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrfachschicht (8) aus höchstens sieben Schichten (9, 10) jeder Art besteht und daß gilt: 1,9=nh = 2,5 , 1,38=^^1,7 und ^n = O,6.3. Laser according to claim 1 or 2, characterized in that the multiple layer (8) consists of a maximum of seven layers (9, 10) of each type and that the following applies: 1.9 = n h = 2.5, 1.38 = ^ ^ 1,7 and ^ n = O, 6. Il ) 1 )Il) 1) -'•6 - VPA 85P 8 O 05 QE- '• 6 - VPA 85P 8 O 05 QE 4. Argon-Ionen-Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß λ= 0,488um, daß die Mehrfachschicht (8) aus mindestens sechs Schichten (9, 10) Jeder Art besteht und daß gilt: 2,1 = 1^ = 2,3 und 1,4 = ^ = 1,5.4. argon-ion laser according to claim 3, characterized characterized that λ = 0.488um that the Multi-layer (8) consists of at least six layers (9, 10) of each type and that the following applies: 2.1 = 1 ^ = 2.3 and 1.4 = ^ = 1.5. 5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrfachschicht (8) aus sechs Schichten (9, 10) jeder Art besteht, daß n^ und U1 Werte5. Laser according to claim 4, characterized in that the multilayer (8) consists of six layers (9, 10) of each type, that n ^ and U 1 values von etwa 2,2 bzw. 1,46 haben und daß die Schichten (9, 10) der ersten und zweiten Art etwa 71,2nm bzw. 120,5nm dick sind.of about 2.2 and 1.46 and that the layers (9, 10) of the first and second types are about 71.2 nm and 120.5 nm thick are. 6. Laser nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schichten (9, 10) erster und zweiter Art aus Ta£°3 bzw* Si026. Laser according to claim 5, characterized in that the layers (9, 10) of the first and second type of Ta £ ° 3 or * Si0 2 7. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r ch gekennzeichnet, daß sich die Mehrfachschicht (8) auf der Außenseite des Brewster-Fensters (5) befindet.7. Laser according to one of claims 1 to 6, d a d u r ch characterized in that the multilayer (8) is located on the outside of the Brewster window (5).
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