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Die
Erfindung betrifft einen Laserresonator nach dem Oberbegriff des
Hauptanspruchs sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
Laseresonators.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der 1 bis 5 erläutert.
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Es
zeigt
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1 ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Laserresonators
als Längsschnitt und
zum Vergleich einen entsprechenden Laserresonator in nicht gefalteter
Form,
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2 in
entsprechender Darstellung drei weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Laserresonatoren,
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3 einen
erfindungsgemäßen Laserresonator
in entsprechender Darstellung, ergänzt um eine Aufsicht auf eine
Lichtaustrittsfläche
sowie eine Aufsicht auf zwei Endspiegels dieses Laserresonators,
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4 in
einer der 3 entsprechenden Darstellung
ein anderes Ausführungsbeispiel
der Erfindung und
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5 einen
weiteren erfindungsgemäßen Laserresonator
mit doppelt gefaltetem Strahlengang sowie zum Vergleich einen entsprechenden
Laserresonator in ungefalteter Form.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.