DE102004047493B3 - Laserresonator mit oberflächenstrukturierten Endspiegeln und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laserresonator, der durch zwei oberflächenstrukturierte Endspiegel (1, 2) begrenzt ist, wobei die zwei oberflächenstrukturierten Endspiegel (1, 2) auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, wobei der Laserresonator ferner einen mittels mindestens eines weiteren Spiegels (3) gefalteten Strahlengang aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Laserresonators.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Laserresonator nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Laseresonators.
  • Derartige Laserresonatoren, die durch zwei oberflächenstrukturierte Endspiegel begrenzt sind, sind beispielsweise aus den Patentschriften US 5,454,004 und US 5,745,511 bekannt. Sie werden nicht nur in Festkörper- und Gaslasern genutzt, sondern nach Patentschrift WO 01/97349A1 auch in Halbleiterfasern eingesetzt. Durch die oberflächenstrukturierten Endspiegel soll dabei erreicht werden, dass der Laserresonator eine Grundmode erhält, die eine, verglichen zu herkömmlichen Laserresonatoren bessere Ausnutzung des gepumpten Bereichs eines aktiven Mediums im Laserresonator zur Folge hat, und dass höhere Moden besser unterdrückt werden, um eine bessere Strahlqualität zu erreichen.
  • In der Regel bestehen Laserresonatoren aus zwei sich einander gegenüberstehenden Spiegeln. Ein solcher Re sonator bzw. ein entsprechender Laser hat transversale Moden einer Form, die sich aus Spiegelform und Spiegelabstand ergibt. In konventionellen Resonatoren werden meist sphärische und plane Spiegel verwendet. In herkömmlichen sphärischen Resonatoren werden beispielsweise sog. Gauß-Laguersche bzw. Gauß-Hermitesche Moden erzeugt. Welche und wie viele Moden anschwingen, hängt ab von Umlaufverlusten der Moden und einer in einem aktiven Medium des Lasers erfolgenden Verstärkung. Typischerweise besitzt eine gaußförmige Grundmode eine beste Strahlqualität und geringste Umlaufverluste, wogegen höhere Moden höhere Umlaufverluste erfahren. Nachteile solcher konventionellen Resonatoren ist, dass die typischerweise anschwingenden Moden eine im aktiven Medium auf einen Bereich nahe einer optischen Achse beschränkte Ausdehnung haben und deswegen eine im aktiven Medium gespeicherte Energie nicht vollständig verbraucht werden kann. Weiterhin ergeben sich in konventionellen Resonatoren relativ geringe Unterschiede zwischen den Umlaufverlusten der verschiedenen Moden, so dass viele Moden anschwingen, was eine verschlechterte Strahlqualität mit sich bringt.
  • Wesentliche Anwendungsziele von Resonatoren mit oberflächenstrukturierten Spiegeln, die von herkömmlichen, beispielsweise sphärischen, Resonatoren abweichen, sind eine Erzeugung durch einen Nutzer definierter Ausgangsstrahlprofile, insbesondere zum Zweck einer verbesserten Ausnutzung eines Pumpvolumens und damit einer erhöhten Ausgangsleistung, sowie eine Verbesserung der Strahlqualität durch eine Erhöhung der Umlaufverluste höherer Moden. Durch die Verwendung oberflächenstrukturierter Spiegel wird also eine resonatorinterne Strahlformung möglich, beispielsweise eine gezielte Erzeugung einer super-gaußförmigen Grundmode, was den genannten Druckschriften und den darin zitierten Veröffentlichungen zufolge insbesondere im Zusammenhang mit Festkörperlasern, beispielsweise Nd:YAG-Lasern, CO2-Lasern und Halbleiterlasern bereits ausgiebig untersucht worden ist.
  • Die demnach bekannten gattungsgemäßen Laserresonatoren sind allerdings mit einem entscheidenden Nachteil behaftet, der auch die Ursache dafür bildet, dass solche Laser trotz der offensichtlichen Vorteile bislang nicht kommerziell erhältlich sind. Der genannte Nachteil ergibt sich durch eine im Vergleich zu herkömmlichen Resonatoren deutlich höhere Genauigkeitsanforderung bezüglich einer Justage, insbesondere einer Relativjustage der beiden oberflächenstrukturierten Endspiegel. Damit verbunden ist ein nachteilig hoher Herstellungsaufwand, der bei einer Verwendung mehrerer oberflächenstrukturierter optischer Elemente zum Zweck einer gezielten Strahlformung im Laserresonator nach dem Stand der Technik unvermeidbar ist. Anders als bei herkömmlichen Resonatoren sind nämlich bei gattungsgemäßen Laserresonatoren nur äußerst geringe Toleranzen zulässig, wenn die oberflächenstrukturierten Endspiegel ihren Zweck einer gezielten Strahlformung und Erzeugung einer bestimmten Grundmode bei einer Unterdrückung höherer Moden erfüllen sollen. Da Laserresonatoren mit zwei oberflächenstrukturierten Endspiegeln im Allgemeinen nicht rotationssymmetrisch bezüglich einer optischen Achse sind, müssen die Endspiegel, anders als bei herkömmlichen Resonatoren, bezüglich einer großen Anzahl von Freiheitsgraden zueinander justiert werden, nämlich in der Regel bezüglich eines Spiegelabstands, einer Translation in zwei lateralen Dimensionen, einer Rotation um die optische Achse und einer Verkippung in zwei Dimensionen.
  • Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen entsprechenden Laserresonator zu entwickeln, der den geschilderten Nachteil der Erfordernisse einer ausgesprochen aufwendigen Justage vermeidet. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Laserresonators vorzuschlagen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Laserresonator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.
  • Die Ausführungen des Laserresonators in einer Weise, dass die zwei oberflächenstrukturierten Endspiegel auf einem gemeinsamen, also demselben Substrat angeordnet sind, was dadurch ermöglicht wird, dass der Laserresonator einen mittels mindestens eines weiteren Spiegels gefalteten Strahlengang aufweist, bringt mehrere Vorteile mit sich. Dadurch, dass die Endspiegel auf demselben Substrat angeordnet sind, haben diese relativ zueinander eine feste Orientierung. Insbesondere können die beiden Endspiegel bzw. diese Endspiegel charakterisierende Oberflächenstrukturen in einem einzigen Herstellungsprozess hergestellt werden, wodurch die relative Orientierung der beiden Endspiegel zueinander mit einer äußerst hohen Genauigkeit definiert und realisiert werden kann. Eine nachteilige aufwendige nachträgliche Justage der beiden Endspiegel relativ zueinander erübrigt sich dadurch. Dabei ist zu beachten, dass für eine Justage des mindestens einen weiteren Spiegels, der benötigt wird, um den gefalteten Strahlengang zu realisieren, ein deutlich geringerer Aufwand erforderlich ist, weil ein solcher weiterer Spiegel in der Regel nur bezüglich dreier Freiheitsgrade (Abstand und Verkippung in zwei Richtungen) justiert werden muss. Da der mindestens eine weitere Spiegel keine nichttriviale Oberflächenstruktur aufweisen muss, fällt eine Translation in Spiegelebene und eine Rotation um eine Spiegelnormale bei diesem nicht ins Gewicht.
  • Durch die vereinfachte Justage wird es ferner möglich, bei einem Laserresonator der hier vorgeschlagenen Art verglichen zum Stand der Technik deutlich reduzierte Toleranzen zu realisieren. Dadurch wiederum kann eine gewünschte Grundmode des Laseresonators mit höherer Präzision realisiert werden, wodurch sich beispielsweise eine bessere Raumausnutzung eines aktiven Mediums bzw. Pumpvolumens eines entsprechenden Lasers und damit eine höhere Leistungsausbeute erreichen lässt. Aufgrund der leichteren und dadurch präziseren Justage lässt sich schließlich auch eine bessere Unterdrückung höherer (insbesondere transversaler) Moden erreichen, womit sich eine bessere Strahlqualität ergibt.
  • Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines Laseresonators beschriebener Art sieht dementsprechend vor, dass eine Oberfläche des Substrats in zwei den Endspiegeln entsprechenden Bereichen in einem einzigen Herstellungsprozess durch Auftragen weiterer Schichten und/oder durch Abtragen von Oberflächenschichten strukturiert wird. Ein solcher Herstellungsprozess kann auch mehrstufig sein (beispielsweise durch ein sukzessives Abtragen mehrerer Oberflächenschichten). Entscheidend ist, dass die beiden Endspiegel jeweils in einem Arbeitsschritt bearbeitet werden, also insbesondere vorteilhafterweise ohne ein Umsetzen des Substrats zwischen oberflächenstrukturierenden Maßnahmen in den Bereichen der zwei Endspiegel. Besonders vorteilhaft ist es, die Endspiegel durch Laserlithographie herzustellen, was mit äußerst hoher Genauigkeit und verhältnismäßig geringem Aufwand möglich ist. Zum Schutz von Oberflächenbereichen, die nicht abgetragen werden sollen, können dabei Masken verwendet werden. Zur Oberflächenstrukturierung der Endspiegel kann ferner auf alle Verfahren zurückgegriffen werden, die in den erwähnten Druckschriften US 5,454,004 A und US 5,745,511 A beschrieben sind, wozu auf diese Druckschriften verwiesen wird, die in dieser Hinsicht als vollumfänglich in die vorliegende Schrift aufgenommen gelten sollen.
  • Als oberflächenstrukturiert sollen in der vorliegenden Schrift solche Spiegel bezeichnet sein, die von einfachen Planspiegeln oder sphärischen Spiegeln abweichen. Vorzugsweise soll es sich dabei um Spiegel mit einer Oberflächenstruktur handeln, durch die der Laserresonator eine gewünschte Grundmode bei vorzugsweise zugleich möglichst guter Unterdrückung höherer Moden erhält. Typischerweise wird eine entsprechende Oberflächenstruktur durch verglichen zu den Spiegelabmessungen kleine Längenskalen charakterisiert sein. Bei der gewünschten (transversalen) Grundmode kann es sich mit Blick auf eine möglichst gute Raumausnutzung im aktiven Medium beispielsweise um eine supergaußförmige Mode handeln.
  • Die oberflächenstrukturierten Endspiegel können refraktive Profile aufweisen, also stetige Profile. In der Regel wird ein mit Blick auf eine gewünschte Grundmode errechnetes Spiegelprofil refraktiv sein.
  • Von diesem Profil können ganzzahlige Vielfache der halben Wellenlänge abgezogen werden, womit sich ein äquivalentes, ebenfalls exaktes diffraktives Profil ergibt. Es ist auch möglich, Endspiegel mit diffraktiven Profilen zu verwenden, welche ein errechnetes refraktives oder diffraktives Spiegelprofil nur approximieren. Ein Profil eines der beiden oder beider oberflächenstrukturierten Endspiegel kann also auch unstetig sein und beispielsweise nur aus einer endlichen Anzahl verschiedener Niveaus bestehen.
  • Bei verschiedenen Ausführungen der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass einer der Endspiegel oder jeder Endspiegel auf einer dem Resonator zugewandten Seite verspiegelt, beispielsweise vergoldet oder mit einer anderen spiegelnden Schicht beschichtet, ist oder dass das Substrat zumindest in einem Bereich mindestens eines der Endspiegel auf einer dem Resonator abgewandten Seite verspiegelt ist. Im erstgenannten Fall ist der jeweilige Endspiegel durch einen reflektierenden, oberflächenstrukturierten Bereich gegeben, während der oberflächenstrukturierte, den Endspiegel definierende Bereich im letztgenannten Fall transmissiv ist, so dass eine Reflektion mit einem Durchtritt des Lichts durch das Substrat bis auf eine rückseitige Oberfläche des Substrats verbunden ist. Mit Blick auf eine möglichst einfache Herstellung der Endspiegel ist es vorteilhaft, wenn die entsprechende Seite des Substrats vollflächig verspiegelt, beispielsweise vergoldet oder mit einem anderen spiegelnden Material beschichtet, ist. Eine bei Laserresonatoren gewünschte gezielte lokale Phasenänderung lässt sich bei beiden erläuterten Ausführungen der Endspiegel erreichen. Die Realisierung vorteilhafter Grundmoden führt in der Regel zu Oberflächenstrukturen mit typischen Längenskalen, die verglichen zu einem Durchmesser des entsprechenden Endspiegels klein sind.
  • Ein besonders einfacher und daher vorteilhafter Aufbau ergibt sich, wenn die zwei oberflächenstrukturierten Endspiegel nebeneinander auf einer Seite des Substrats angeordnet sind. In dem Fall kann es genügen, wenn der Laserresonator neben den beiden Endspiegeln genau einen weiteren Spiegel und einen mittels dieses Spiegels einfach gefalteten Strahlengang aufweist. Dabei kann es vorgesehen sein, dass der Laserresonator eine gegenüber einer Normalen des Substrats und/oder des weiteren Spiegels leicht geneigte, beispielsweise um 0,5° und 2° geneigte, optische Achse hat, womit eine Anordnung der beiden Endspiegel nebeneinander bei einem ansonsten weitgehend symmetrischen und übersichtlichen Aufbau möglich wird.
  • Alternativ wäre es natürlich auch möglich, eine Faltung des Strahlengangs durch beispielsweise zwei weitere, gegeneinander gekippte Spiegel zu realisieren. In dem Fall könnten die zwei Endspiegel nebeneinander auf einem ebenen Substrat untergebracht werden und der Strahlengang so gewählt werden, dass der Laserresonator eine an zwei Stellen gefaltete, an den Endspiegeln jeweils zum Substrat orthogonale optische Achse hat. Diese Ausführung brächte den Vorteil mit sich, dass die Oberflächenstrukturen der beiden Endspiegel von einem entsprechenden Laserresonator nach dem Stand der Technik mit zwei einander gegenüberliegenden Endspiegeln – eventuell nach einer einfachen Spiegelung – übernommen werden könnten.
  • Der weitere Spiegel kann je nach Ausführung als Planspiegel ausgeführt sein oder eine gekrümmte, beispielsweise sphärisch gekrümmte, Oberfläche haben. Bei einem typischen Aufbau mit einem nur einfach ge falteten Strahlengang kann es vorteilhaft sein, wenn der weitere Spiegel konvex ausgeführt ist. Auch das Substrat kann ausführungsabhängig eine ebene oder eine gekrümmte Oberfläche aufweisen, auf der die oberflächenstrukturierten Endspiegel angeordnet sind. Hier kann es vorteilhaft sein, dass die dem Resonator zugewandte Oberfläche des Substrats konkav ausgeführt ist, damit in einfacher Weise eine gewünschte Grundmode realisiert werden kann.
  • Besonders vorteilhafte weil aufwandsarm zu realisierende Ausführungen der Erfindung sehen vor, dass der weitere Spiegel durch eine Oberfläche eines im Laserresonator angeordneten aktiven Mediums gegeben ist. Diese Oberfläche kann eventuell verspiegelt sein. Ein einfacher Aufbau ergibt sich damit, weil auf ein zusätzliches Bauteil verzichtet werden kann.
  • Der Laserresonator kann in einem Bereich einer der beiden Endspiegel oder auch in einem Bereich des weiteren Spiegels bzw. eines der weiteren Spiegel einen Auskoppelbereich aufweisen. Dazu kann eine Verspiegelung in den entsprechenden Bereich ausgespart sein. Möglich ist es auch, den entsprechenden Endspiegel bzw. weiteren Spiegel so zu verspiegeln, dass auftreffendes Licht nicht vollständig reflektiert wird. Der Auskoppelbereich kann dann eventuell genauso groß sein wie der entsprechende Endspiegel oder weitere Spiegel. Eine Auskoppelung durch den weiteren Spiegel bzw. einen der weiteren Spiegel kann besonders vorteilhaft sein, weil dieser in der Regel keine nichttriviale Oberflächenstruktur aufweist, womit sich eventuell unerwünschte Beugungen oder Brechungen austretenden Lichts vermeiden lassen.
  • Die vorliegende Erfindung lässt sich sowohl auf sta bile als auch auf instabile Resonatoren anwenden. Besondere Vorteile bringt die Erfindung für instabile Resonatoren mit sich, bei denen typischerweise zwei oberflächenstrukturierte Endspiegel erforderlich sind, um eine erwünschte Grundmode zu realisieren.
  • Eine besonders gute Unterdrückung höherer Moden lässt sich unter Umständen dadurch erreichen, dass das Substrat in einer Umgebung eines Endspiegels geschwärzt oder durch eine Blende abgedunkelt oder mit einer streuenden Oberflächenstruktur versehen ist. Dazu kann es vorgesehen sein, dass dieser Endspiegel auf einen Bereich beschränkt ist, innerhalb dessen die Grundmode des Laserresonators eine definierte Schwelle, beispielsweise eine Schwelle von zwischen 0 % und 1 % einer maximalen Intensität der Grundmode, überschreitet. Als streuende Oberflächenstruktur kann beispielsweise ein einfaches Gitter vorgesehen sein, dass sich unter Umständen leichter realisieren lässt als eine Schwärzung oder Abblendung, wobei aber ein ähnlicher Effekt erreicht wird, indem in der Umgebung des Endspiegels auftreffendes Licht aus den Strahlengang herausgebeugt wird. Zum Zwecke der besseren Realisierung einer gewünschten Grundmode und einer besseren Unterdrückung höherer Moden kann es ferner vorteilhaft sein, wenn im Strahlengang des Laserresonators mindestens eine weitere Phasenstruktur, Beugungsstruktur und/oder Apertur angeordnet ist. Dabei kann es sich um eine einfache Blende, eine gitterähnliche Struktur oder auch ein optisches Element mit einer pseudo-zufälligen, örtlich schwankenden Phasenverschiebung handeln. Insbesondere eine bessere Ausnutzung des gepumpten Bereichs im aktiven Medium des entsprechenden Lasers lässt sich damit erreichen.
  • Wenn der Laserresonator in einem Laser mit longitudi naler Anregung eingesetzt werden soll, kann es vorteilhaft sein, dass eine Einkopplung vom Pumpstrahlung durch den weiteren Spiegel bzw. einen der weiteren Spiegel erfolgt. Da dieser, anders als die Endspiegel, in der Regel nicht oberflächenstrukturiert ist, wird dadurch eine schwer zu kontrollierende Beugung der Pumpstrahlung vermieden, womit sich die Pumpstrahlung besser fokussieren lässt und eine gegenüber dem Stand der Technik räumlich optimierte Anregung des aktiven Mediums möglich wird.
  • Schließlich kann es vorgesehen sein, dass sich auf dem Substrat außerhalb oberflächenstrukturierter Bereiche, also typischerweise außerhalb der Endspiegel, eine zusätzliche verspiegelte Fläche befindet, die zusammen mit dem mindestens einen weiteren Spiegel einen Hilfsresonator bildet. Dieser Hilfsresonator, der typischerweise geringere Umlaufverluste haben wird als der eigentliche Laserresonator, kann in vorteilhafter Weise zur Justage des Laserresonators verwendet werden. Das hängt damit zusammen, dass ein solcher Hilfsresonator typischerweise leichter anspricht als der durch zwei oberflächenstrukturierte Endspiegel begrenzte Laserresonator. Die zusätzliche verspiegelte Fläche kann beispielsweise zwischen den zwei Endspiegeln auf dem Substrat angeordnet sein. In gleicher Weise wäre es auch denkbar, zwei zusätzliche verspiegelte Flächen zur Bildung eines Hilfsresonators vorzusehen, von denen jede neben einem der Endspiegel angeordnet sein könnte. Vorteilhafterweise sollte die zusätzliche verspiegelte Fläche bzw. jede der zusätzlichen verspiegelten Flächen abblendbar sein, um den Hilfsresonator nach Justage des Laserresonators auszuschalten. Das kann beispielsweise durch ein nachträgliches Schwärzen der entsprechenden Fläche bzw. Flächen geschehen.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der 1 bis 5 erläutert.
  • Es zeigt
  • 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laserresonators als Längsschnitt und zum Vergleich einen entsprechenden Laserresonator in nicht gefalteter Form,
  • 2 in entsprechender Darstellung drei weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Laserresonatoren,
  • 3 einen erfindungsgemäßen Laserresonator in entsprechender Darstellung, ergänzt um eine Aufsicht auf eine Lichtaustrittsfläche sowie eine Aufsicht auf zwei Endspiegels dieses Laserresonators,
  • 4 in einer der 3 entsprechenden Darstellung ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung und
  • 5 einen weiteren erfindungsgemäßen Laserresonator mit doppelt gefaltetem Strahlengang sowie zum Vergleich einen entsprechenden Laserresonator in ungefalteter Form.
  • Der in der 1a) gezeigte Laserresonator weist zwei oberflächenstrukturierte Endspiegel 1 und 2 auf, die nebeneinander auf einer Seite eines gemeinsamen Substrats angeordnet sind. Zusätzlich weist dieser Laserresonator einen weiteren Spiegel 3 und damit ei nen mittels dessen gefalteten Strahlengang auf. Bei dem weiteren Spiegel 3 handelt es sich um einen Planspiegel, wobei auch das genannte Substrat eben ausgeführt ist.
  • Zum Vergleich ist in der 1b) ein entsprechender Laserresonator ohne den weiteren Spiegel 3 und dementsprechend mit einem nicht gefalteten Strahlengang gezeigt, der ansonsten zu dem in 1a) gezeigten Resonator identische optische Eigenschaften hat. Zu erkennen ist, dass der Laserresonator eine gegenüber einer Normalen der beiden Endspiegel 1 und 2 um einen Winkel α geneigte optische Achse hat, wodurch eine einfache Faltung des Strahlengangs durch den zu den Endspiegeln 1 und 2 parallelen weiteren Spiegel 3 im Ausführungsbeispiel aus 1a) möglich wird. Der hier vergrößert dargestellte Winkel α hat realiter einer Wert von zwischen 0,5° und 5°. Eine als L eingezeichnete Baulänge des ungefalteten Resonators halbiert sich bei dem erfindungsgemäßen Laserresonator aus 1a).
  • Der weitere Spiegel 3 ist bei dem abgebildeten erfindungsgemäßen Resonator als zusätzliches Bauteil ausgeführt. In gleicher Weise kann dieser weitere Spiegel 3 auch durch eine dann vorzugsweise verspiegelte Oberfläche eines im Laserresonator angeordneten aktiven Mediums gegeben sein.
  • In einem Bereich des in der 1a) unter dem ersten Endspiegel 1 angeordneten Endspiegels 2 weist dieser Laserresonator einen Auskoppelbereich 4 auf, der, wie auch in den folgenden Figuren, durch einen austretendes Licht symbolisierenden Pfeil angedeutet ist. Der Auskoppelbereich 4 ist im vorliegenden Fall durch eine nicht vollständig reflektierende Beschich tung des Endspiegels realisiert. Bei einer anderen Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zum gleichen Zweck eine Verspiegelung des entsprechenden Endspiegels 2 in einem Teilbereich ausgespart ist. In gleicher Weise könnte der Auskoppelbereich 4 auch durch den weiteren Spiegel 3 oder einen Teilbereich des weiteren Spiegels 3 gegeben sein. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass eine Einkoppelung von Pumpstrahlung zur longitudinalen Anregung des Laserresonators durch den selbst nicht strukturierten weiteren Spiegel 3 hindurch erfolgt. Alternativ wäre auch eine Anregung durch einen der Endspiegel 1 oder 2 hindurch oder eine transversale Anregung des Laserresonators möglich.
  • Die oberflächenstrukturierten Endspiegel 1 und 2 weisen im vorliegenden Fall diffraktive Profile mit einem unstetigen Verlauf auf und sind auf einer dem Resonator zugewandten Seite (also in der 1a) rechts) durch eine Goldbeschichtung verspiegelt. Alternativ wäre auch eine Auslegung eines Endspiegels 1 oder 2 oder beider Endspiegel 1 und 2 mit transmissiven oberflächenstrukturierten Bereichen möglich, wobei dann eine dem Resonator abgewandte Seite des Substrats durch eine entsprechende Beschichtung verspiegelt sein könnte. Die Endspiegel 1 und 2 sind so strukturiert, dass der Laserresonator unter Berücksichtigung optischer Eigenschaften des im Laserresonator angeordneten optischen Mediums eine definierte und gewünschte transversale Mode als Grundmode erhält, während höhere Moden verhältnismäßig gut unterdrückt werden. Zu diesem Zweck können in gleicher Weise refraktiv strukturierte Endspiegel verwendet werden. Bei dem vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden theoretisch errechnete refraktive Spiegelprofile jedoch durch diffraktive Profile mit annähernd gleichen Spiegeleigenschaften approximiert, wobei diese diffraktiven Profile dann durch Laserlithographie in einem einzigen Herstellungsprozess auf einer Oberfläche des Substrats realisiert wurden. Außer einem lokalen Abtragen von Oberflächenschichten des Substrats könnte auch ein Auftragen weiterer Schichten zur Realisierung der oberflächenstrukturierten Endspiegel 1 und 2 vorgesehen werden.
  • Andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den 2a) bis 2c) gezeigt. Wiederkehrende Merkmale sind dabei, wie auch in den darauf folgenden Figuren, wieder mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Bei dem in der 2a) gezeigten Laserresonator befindet sich zwischen den beiden oberflächenstrukturierten Endspiegeln 1 und 2 eine zusätzliche verspiegelte Fläche 5 auf dem Substrat, das auch die Endspiegel 1 und 2 trägt. Diese zusätzliche verspiegelte Fläche 5 bildet zusammen mit dem dem Substrat gegenüber und zu diesem parallel angeordneten weiteren Spiegel 3 einen Hilfsresonator, mit dessen Hilfe der abgebildete Laserresonator justiert werden kann. Ein dabei zuerst anschwingender Bereich des Laserresonators ist in der 2a) durch einen gestrichelten Doppelpfeil angedeutet. Die zusätzliche verspiegelte Fläche 5 ist, wie auch der weitere Spiegel 3, als Planspiegel ausgeführt. Es ist vorgesehen, dass die verspiegelte Fläche 5 nach einer Justage des Laserresonators geschwärzt oder abgedeckt wird, so dass dann nur noch der durch die oberflächenstrukturierten Endspiegel 1 und 2 und den weiteren Spiegel 3 gebildete eigentliche Resonator betrieben wird. Bezüglich der übrigen Merkmale entspricht der in der 2a) abgebildete Laserresonator dem zuvor beschriebenen Aus führungsbeispiel.
  • In 2b) ist ein ähnlicher Laserresonator gezeigt, der sich von dem anhand der 2a) beschriebenen Laserresonator dadurch unterscheidet, dass der weitere Spiegel 3 nicht als Planspiegel, sondern als sphärisch konkav gekrümmter Spiegel ausgeführt ist. Ähnliche Ausführungen sind denkbar, bei denen der weitere Spiegel 3 eine konvexe Krümmung aufweist.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der 2c) gezeigt. Bei dem dort abgebildeten Laserresonator, der dem anhand der 1a) beschriebenen Laserresonator ähnelt, ist der weitere Spiegel 3 wieder als Planspiegel ausgeführt. Dafür sind die beiden oberflächenstrukturierten Endspiegel 1 und 2 auf einer sphärisch gekrümmten, konkaven Oberfläche des entsprechenden Substrats angeordnet.
  • Bei allen bislang erläuterten Ausführungsbeispielen kann es vorgesehen sein, dass das Substrat in einer Umgebung des Endspiegels 2, bei dem eine Auskoppelung von Laserlicht erfolgt, geschwärzt oder mit einer streuenden Oberflächenstruktur, wie beispielsweise einer Gitterstruktur versehen ist. Durch diese Schwärzung bzw. beugende Struktur, die bewirkt, dass der Endspiegel 2 auf einen Bereich beschränkt ist, innerhalb dessen die Grundmode eine definierte, beispielsweise zwischen 0 % und 1 % einer maximalen Intensität liegende Schwelle überschreitet, wird eine besonders gute Unterdrückung höherer transversaler Moden erreicht. Zusätzlich oder alternativ können im Strahlengang der beschriebenen Laserresonatoren, also in einem Bereich zwischen den Endspiegeln 1 und 2 und dem weiteren Spiegel 3, weitere Phasenstrukturen, Beugungsstrukturen und/oder Aperturen angeordnet sein, durch welche sich eine bessere Raumausnutzung im aktiven Medium des Laserresonators und eine bessere Unterdrückung höherer Moden realisieren lassen. Dabei sind solche Phasen- bzw. Beugungsstrukturen und Aperturen selbstverständlich bei einer Berechnung der Profile der Endspiegel 1 und 2 zu berücksichtigen.
  • Ein Designbeispiel für einen Laserresonator in einer weiteren Ausführung der Erfindung ist in der 3 gezeigt. Diese Figur zeigt einen instabilen Nd:YAG-Resonator mit gaußförmiger Grundmode. Dieser Resonator ergibt sich durch einfache Faltung eines linearen Resonators mit einer optischen Achse, die gegenüber einer Normalen der Endspiegel 1 und 2 um einen Winkel von 0,75° geneigt ist.
  • 3b) veranschaulicht eine Intensitätsverteilung der ausgekoppelten Grundmode auf einer Rückseite des Substrats, das die beiden Endspiegel 1 und 2 trägt. Die zwei Endspiegel 1 und 2 dieses Laserresonators selbst sind in 3c) veranschaulicht. Zu erkennen ist dort ein Auskoppelbereich 4 des instabilen Resonators, der durch einen nicht verspiegelten und selbst nicht strukturierten Quadranten im Endspiegel 1 gegeben ist. Der weitere, zur Faltung des Laserresonators dienende Spiegel 3 ist im vorliegenden Fall wieder als Planspiegel ausgeführt. Angedeutet ist zusätzlich eine thermische Linse 6, die sich durch ein Aufheizen des Laserresonators und eines im Laserresonator angeordneten aktiven Mediums bei einem Betrieb des Laserresonators ergibt. Diese thermische Linse 6 hat im vorliegenden Fall eine Brennweite von 4 m und ist bei einer Berechnung der Endspiegel 1 und 2 berücksichtigen. Der abgebildete Nd:YAG-Resonator hat eine Emissionswellenlänge von 1064 nm. In der 3c) sind außerhalb des Auskoppelbereichs 4 oberflächenstrukturierte Bereiche der Endspiegel 1 und 2 zu erkennen, auf denen berechnete Phasenverteilungen angedeutet sind. Der abgebildete Resonator hat eine Baulänge L/2 von 0,1 m und entspricht damit in seinem optischen Eigenschaften im Wesentlichen einem entsprechenden ungefalteten Resonator einer Länge von L = 0,2 m. Eingezeichnet ist in 3c) schließlich auch eine Seitenlänge 7 der Endspiegel 1 und 2, die einen Betrag von 1,28 mm hat.
  • In einer der 3 entsprechenden Darstellungsweise ist in 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung abgebildet. Wieder handelt es sich um einen Nd:YAG-Resonator mit einer Emissionswellenlänge von 1064 nm. Dieser Resonator weist, wie der zuvor anhand der 3 beschriebene Laserresonator, zwei Endspiegel 1 und 2 mit diffraktiver Oberfläche auf, ist aber abweichend als stabiler Resonator ausgeführt und weist eine Grundmode auf, die den griechischen Buchstaben n wiedergibt. Diese Grundmode, die im Auskoppelbereich 4 im Endspiegel 2 ausgekoppelt wird, bzw. deren Intensitätsverteilung ist in der 4b) veranschaulicht.
  • Bei dem in 4a) abgebildeten Laserresonator hat der weitere Spiegel, der wieder als Planspiegel ausgeführt ist, einen Abstand von L/2 = 0,125 m von den beiden Endspiegeln 1 und 2. Eingezeichnet ist wieder eine thermische Linse 6, die sich durch eine Erwärmung des aktiven Mediums ergibt und die eine Brennweite von 4 m hat. Zwischen den Endspiegeln 1 und 2 ist, ähnlich den Laserresonatoren aus den 2a) und 2b), eine zusätzliche verspiegelte Fläche 5 angeordnet, die plan und hochreflektierend ausgeführt ist und mit dem weiteren Spiegel 3 zusammenwirkend einen leicht anspringenden Hilfsresonator zur Justage der Laserresonators bildet. Diese zusätzliche verspiegelte Fläche 5 ist auch in 4c) zu erkennen, die eine Aufsicht auf das Substrat mit den beiden Endspiegeln 1 und 2 zeigt. Zu erkennen ist in 4c) auch eine berechnete Phasenverteilung der beiden oberflächenstrukturierten Endspiegel 1 und 2, die eine Seitenlänge 7 von 3 mm haben. Es ist vorgesehen, dass die zusätzliche verspiegelte Fläche 5 nach einer Justage des Resonators beispielsweise mittels einer geeigneten Blende abgedunkelt wird. Der anhand der 4 erläuterte Laserresonator hat eine optische Achse, die gegenüber einer Normalen der Endspiegel 1 und 2 und des weiteren Spiegels 3 um etwa 1,16° geneigt ist. Gegenüber einem entsprechenden Laserresonator mit in herkömmlicher Weise nicht gefaltetem Strahlengang propagieren die im Resonator hin- und rücklaufenden optischen Felder hier, wie auch bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen, nicht mehr parallel zu einer Normalen der Endspiegel 1 und 2 und/oder des weiteren Spiegels 3, sondern in einer demgegenüber um den genannten Winkel in lateraler Dimension verkippten Richtung. Die Verkippung wird durch Änderung der optischen Funktion der strukturierten Spiegel bewirkt und kann im optischen Design des Resonators berücksichtigt werden.
  • Die schiefe Propagation der Felder ermöglicht eine Faltung des Laserresonators, wobei der als Faltungsspiegel dienende zusätzliche Spiegel 3 hier im Abstand einer halben Resonatorlänge L/2 vom Substrat positioniert wird. Dadurch reduziert sich eine geometrische Länge des Lasers auf die Hälfte. Diese Faltung erlaubt eine lithographisch genau Positionierung der beiden oberflächenstrukturierten Endspiegel 1 und 2 auf einem einzigen Substrat in einem Herstellungs prozess, d.h. unter exakt gleichen Herstellungsbedingungen. Die Endspiegel 1 und 2 sind in den lateralen Dimensionen (in Spiegelebene) sowie bezüglich einer Rotation um eine Spiegelnormale lithographisch genau (lateral < 0,1 μm, relative Rotation < 0,001°) zueinander positioniert. Durch die Faltung ist letztendlich mit einer Reduzierung von Beugungsverlusten und einer Verbesserung des Resonatorverhaltens zu rechnen.
  • Das beschriebene Prinzip lässt sich sowohl auf stabile Resonatoren als auch auf instabile Resonatoren mit beliebigen transversalen Grundmodenverteilungen anwenden. Die Endspiegel 1 und 2 müssen nicht unbedingt mit diffraktiven Strukturen (d.h. als unstetige Oberflächenprofile) ausgelegt sein, sondern können auch refraktiv, d.h. als glatte Oberflächenprofile ausgeführt sein. Das Prinzip lässt sich ferner ganz allgemein auf Laser mit beliebigen aktiven Medien anwenden. Der weitere Spiegel 3 kann nach den Gesagten als Planspiegel ausgeführt sein oder auch einen beliebigen Krümmungsradius besitzen.
  • Beispielsweise bei dem in der 4 gezeigten Laserresonator ist ein Bereich zwischen den beiden oberflächenstrukturierten Endspiegeln 1 und 2 unstrukturiert und mit einer erhöhten Spiegelreflektivität ausgeführt, so dass in diesem Bereich, der die zusätzliche verspiegelte Fläche 5 bildet, ein leichtes Anschwingen des Lasers möglich ist, wodurch eine Verkippung des Substrats und des weiteren Spiegels 3 zueinander justiert werden kann. Der durch die zusätzliche verspiegelte Fläche 5 und den weiteren Spiegel 3 gebildete Hilfsresonator hat deutlich geringere Umlaufverluste als der eigentliche Resonator und wird daher wie gesagt nach einer Justage des Resonators abgeblendet. Außerhalb der zusätzlichen verspiegelten Fläche 5 und der oberflächenstrukturierten Endspiegel 1 und 2 weist das Substrat eine einfache beugende Struktur auf, die eine bessere Unterdrückung höherer Moden bewirkt.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schließlich in der 5a) gezeigt. Wiederkehrende Merkmale sind hier wieder mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht mehr im Einzelnen erläutert. Abweichend von den zuvor beschriebenen Laserresonatoren weist der hier gezeigte Laserresonator neben den beiden auf einem einzigen Substrat angeordneten Endspiegeln 1 und 2 zwei weitere Spiegel 3 und einen mittels dieser Spiegel 3 zweifach gefalteten Strahlengang auf. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache Strahlgeometrie, die es erlaubt, für die Endspiegel 1 und 2 Oberflächenstrukturen zu verwenden, die in gleicher Form von einem entsprechenden herkömmlichen linearen Resonator bekannt sind. Ein solcher optisch äquivalenter linearer Laserresonator mit einem nicht gefalteten Strahlengang ist zum Vergleich in 5b) dargestellt. Aus dem dort abgebildeten herkömmlichen Resonator ergibt sich der erfindungsgemäße Laserresonator aus 5a) in einfacher Weise durch Hinzufügen der weiteren Spiegel 3, mittels derer der Strahlengang an zwei Stellen um jeweils einen rechten Winkel gefaltet wird.

Claims (16)

  1. Laserresonator, der durch zwei oberflächenstrukturierte Endspiegel (1, 2) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei oberflächenstrukturierten Endspiegel (1, 2) auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, wobei der Laserresonator einen mittels mindestens eines weiteren Spiegels (3) gefalteten Strahlengang aufweist.
  2. Laserresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei oberflächenstrukturierten Endspiegel (1, 2) nebeneinander auf einer Seite des Substrats angeordnet sind.
  3. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er einen mittels genau eines weiteren Spiegels (3) einfach gefalteten Strahlengang aufweist.
  4. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Spiegel (3) ein Planspiegel ist oder eine gekrümmte Oberfläche hat.
  5. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine ebene oder gekrümmte Oberfläche aufweist, auf der die oberflächenstrukturierten Endspiegel (1, 2) angeordnet sind.
  6. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Spiegel (3) durch eine Oberfläche eines im Laserresonator angeordneten aktiven Mediums gegeben ist.
  7. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er in einem Bereich einer der beiden Endspiegel (1, 2) oder des weiteren Spiegels (3) einen Auskoppelbereich (4) aufweist.
  8. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Endspiegel (1, 2) auf einer dem Resonator zugewandten Seite verspiegelt ist oder das Substrat zumindest in einem Bereich mindestens eines der Endspiegel (1, 2) auf einer dem Resonator abgewandten Seite verspiegelt ist.
  9. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenstrukturierten Endspiegel (1, 2) refraktive oder diffraktive Profile aufweisen.
  10. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er einen stabilen oder einen instabilen Resonator bildet.
  11. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat in einer Umgebung eines Endspiegels (1, 2) geschwärzt oder mit einer streuenden Oberflächenstruktur versehen ist.
  12. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang mindestens eine weitere Phasenstruktur, Beugungsstruktur und/oder Apertur angeordnet ist.
  13. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf dem Substrat außerhalb oberflächenstrukturierter Bereiche eine zusätzliche verspiegelte Fläche (5) befindet, die zusammen mit dem mindestens einen weiteren Spiegel (3) einen Hilfsresonator zur Justage des Resonators bildet.
  14. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einkopplung von Pumpstrahlung durch den weiteren Spiegel (3) vorgesehen ist.
  15. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Endspiegel (1, 2) eine laserlithographierte Oberfläche aufweisen.
  16. Verfahren zur Herstellung eines Laserresonators nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des Substrats in zwei den Endspiegeln (1, 2) entsprechenden Bereichen in einem einzigen Herstellungsprozess durch Auftragen weiterer Schichten und/oder durch Abtragen von Oberflächenschichten strukturiert wird.
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