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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Phasenschiebe-Einrichtung zur
Stabilisierung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung
innerhalb eines Laserresonators, wobei der Laserresonator eine Polarisator-Einrichtung
zur Erzeugung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung
umfasst. Sie betrifft weiterhin einen Laserresonator zur Erzeugung und
Stabilisierung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung
mit einer Polarisator-Einrichtung zur Erzeugung radial oder azimutal
polarisierter Laserstrahlung.
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Eine
Laserresonator mit einer Polarisator-Einrichtung zur Erzeugung radial
oder azimutal polarisierter Laserstrahlung ist durch den Artikel „Optical
Elements of a Laser Cavity for the Production of a Beam with Axially
Symmetric Polarization" von Goncharskii et al., Optics and Spectroscopy
Vol. 89, Nr. 1, 2000, Seiten 146–149, bekannt
geworden. In dem Artikel werden axial symmetrische Gitter als Polarisator-Einrichtungen
zur Erzeugung radial und/oder azimutal polarisierter Laserstrahlung
in einem Laserresonator beschrieben, wobei zwischen zwei Gittertypen
unterschieden wird: Beim ersten, sternförmigen Gittertyp
verlaufen die Gitterlinien ausgehend von einem gemeinsamen Mittelpunkt
radial nach außen, so dass der Abstand zwischen zwei benachbarten
Gitterlinien und damit die Gitterperiode mit zunehmendem Abstand
vom Mittelpunkt anwächst. Dies führt dazu, dass
radial polarisierte Laserstrahlung bei diesem Gittertyp nur mit
einem Anteil an falsch polarisierter Strahlung erhalten werden kann.
Beim zweiten, konzentrischen Gittertyp verlaufen die Gitterlinien
ringförmig, so dass das Gitter über den gesamten
radialen Bereich eine konstante Gitterperiode aufweist.
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Die
Erzeugung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung in einem
Laserresonator kann daneben auch durch Polarisator-Einrichtungen
wie bspw. in der
US
6,680,799 B1 , der
DE 10 2004 042 748 A1 oder der
US 6,191,890 B1 beschrieben
ausgeführt sein, welche bezüglich dieses Aspekts
durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht werden. Es
versteht sich, dass hierbei jeweils die Reflexionsgraddifferenz
zwischen radial und azimutal polarisierter Laserstrahlung pro Umlauf
im Laserresonator größer als die Depolarisation
für radial/azimutal polarisierte Strahlung pro Umlauf im
Laserresonator gewählt werden muss. Unter Depolarisation versteht
man hierbei den Leistungsanteil in der unerwünschten Polarisationsrichtung
(z. B. azimutaler Polarisation) im Verhältnis zur gesamten
Leistung.
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Aus
der
US 6,680,799 B1 ist
ein Sub-Wellenlängen-Gitter zur Erzeugung radial polarisierter Strahlung
bekannt, dessen Gitterperiode kleiner als die Wellenlänge
der einfallenden Laserstrahlung ist. Das Sub-Wellenlängen-Gitter
ist in einer Ausführungsform auf ein dielektrisches Mehrfachschichtsystem
aufgebracht, das auf einem metallischen oder dielektrischen Substrat
angeordnet ist. Die Polarisationsselektivität des Gitters
ist abhängig davon, ob der Laserstrahl von der Substratseite
oder der Gitterseite her einfällt: Im ersten Fall durch
Einkopplung der unerwünschten Polarisationskomponente in
einen Wellenleitermode einer Deckschicht des Mehrfachschichtsystems,
im zweiten Fall durch Absorption der unerwünschten Polarisationskomponente
in ein metallisches Substrat oder, bei Verwendung eines dielektrischen
Substrats dadurch, dass die unerwünschte Polarisationskomponente
unter Winkeln, die im Bereich der Totalreflexion liegen, in Leaky-Modes
in das Substrat eingekoppelt wird. Prinzipiell ist die Bandbreite
der Einkopplung sehr schmal, so dass Sub-Wellenlängen-Gitter
in der Regel mit engen Toleranzen zu fertigen sind.
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Aus
der
DE 10 2004
042 748 A1 ist ein periodisches oder quasiperiodisches,
konzentrisches oder spiralförmiges Beugungsgitter bekannt
geworden, bei dem die Gitterperiode größer als
die Laserwellenlänge ist, so dass neben der nullten Beugungsordnung
auch höhere Beugungsordnungen auftreten. Die Gitterperiode
und die Gitterform sind derart gewählt, dass bezüglich
der Laserwellenlänge der Reflexionsgrad der TM-Komponente
in die eine genutzte Beugungsordnung größer als
der Reflexionsgrad der TE-Komponente in diese Beugungsordnung ist.
Durch geeignete Wahl der Gitterperiode und Gitterform wird ein Teil
der einfallenden Laserstrahlung nicht in die eine genutzte Beugungsordnung
zurückgeworfen, sondern wird abhängig von der
Polarisation, mehr oder weniger auch in andere Beugungsordnungen
gelenkt. Dadurch wird ein nennenswerter Teil der TE-Polarisation
aus der optischen Achse ausgebeugt, während die TM-Polarisation
nur in der einen genutzten Beugungsordnung zurückreflektiert
wird. Dies hat zur Folge, dass die TE-Polarisation höhere Verluste
im Laserresonator erfährt.
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Die
US 6,191,890 B1 beschreibt
eine Anordnung, bei der zwischen einem ersten und einem zweiten
dielektrischen Medium eine dielektrische Schicht angebracht ist,
welche eine periodische Variation der dielektrischen Eigenschaften
parallel zur Schicht aufweist und deren Periodenlänge kleiner
als die Wellenlänge der Laserstrahlung im zweiten dielektrischen
Medium ist. Mittels dieser gitterförmigen, periodischen
Struktur kann vom ersten Medium einfallende Laserstrahlung mit einem
ersten Polarisationszustand mit einem hohen Reflexionsgrad in die nullte
Beugungsordnung, d. h. spekular, reflektiert werden (sog. GIRO „Giant
Reflectivity to Order 0"-Effekt), wohingegen Laserstrahlung mit
einem zweiten Polarisationszustand nur in sehr geringem Maße
reflektiert wird.
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In
Laserresonatoren erzeugte Laserstrahlung ist für gewöhnlich
unpolarisiert oder linear polarisiert. Linear polarisierte Laserstrahlung 2 weist
eine identische Ausrichtung des elektrischen Feldstärkevektors,
welche im Folgenden als Polarisationsrichtung Ey bezeichnet
wird, über den gesamten Strahlquerschnitt 1 auf,
wie in 1a gezeigt ist. Die Laserstrahlung 2 hat
keine Komponente des elektrischen Feldstärkevektors in
einer dazu senkrechten Polarisationsrichtung Ex.
Bei bestimmten Anwendungen kann es von Vorteil sein, wenn die Laserstrahlung 3a, 3b in
einem Laserresonator azimutal oder radial polarisiert ist, wie in 1b und 1c gezeigt
ist. Bei den beiden letztgenannten Polarisationstypen ist die Laserstrahlung 3a, 3b lokal
linear polarisiert, weist aber über den Strahlquerschnitt 1 hinweg
eine inhomogene Verteilung auf, d. h. die elektrischen Feldstärkevektoren
Eφ, Er verlaufen
an jedem Punkt in azimutaler bzw. in radialer Richtung, wobei in
der Mitte des Strahlquerschnitts eine Nullstelle vorliegt und der
elektrische Feldstärkevektor Eφ,
bzw. Er an dieser Stelle verschwindet.
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Bei
modernen CO2-Hochleistungslasern zur Lasermaterialbearbeitung,
die bspw. zum Laserschneiden oder Laserschweißen eingesetzt
werden, sind mehrere Faltungsspiegel üblich, die den Strahlengang
zwischen einem Endspiegel und einem Auskoppelspiegel falten. 2 zeigt
einen quadratisch gefalteten Laserresonator 4 eines CO2-Gaslasers mit acht Entladungsstrecken.
Ein teildurchlässiger Auskoppelspiegel 5 und ein
hochreflektierender Endspiegel 6 begrenzen den Laserresonator 4.
Der Laserstrahl wird über acht Faltungsspiegel 7a–c, 8a–b, 9a–c
in zwei übereinander liegenden Ebenen quadratisch gefaltet,
wobei vier Faltungsspiegel 7a–c, 8a in
der oberen Ebene und vier Faltungsspiegel 8b, 9a–c
in der unteren Ebene angeordnet sind. Der Laserstrahl wird vom Endspiegel 6 kommend
an den ersten drei Faltungsspiegeln 7a, 7b und 7c in
der oberen Ebene um jeweils 90° umgelenkt. Der Laserstrahl,
der vom dritten Faltungsspiegel 7c auf den vierten Faltungsspiegel 8a in
der oberen Ebene umgelenkt wird, wird von diesem und anschließend
vom ersten Faltungsspiegel 8b in der unteren Ebene ebenfalls
um 90° umgelenkt, allerdings in einer dazu senkrechten
Richtung, und gelangt von der oberen Ebene in die untere Ebene.
Die drei weiteren Faltungsspiegel 9a, 9b und 9c lenken
den Laserstrahl um jeweils 90° in der unteren Ebene um.
Vom vierten Faltungsspiegel 9c der unteren Ebene kommend
trifft der Laserstrahl auf den teildurchlässigen Auskoppelspiegel 5,
an dem ein Teil des Laserstrahls aus dem Laserresonator 4 ausgekoppelt
und ein anderer Teil in sich zurück reflektiert wird. Der
reflektierte Laserstrahl trifft in umgekehrter Richtung auf die
acht Faltungsspiegel 7a–c, 8a–b, 9a–c
und durchquert sämtliche Entladungsstrecken zwischen dem
Auskoppelspiegel 5 und dem Endspiegel 6.
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Bekannt
ist, dass jeder beliebige Polarisationszustand eines Laserstrahls
(z. B. radial oder azimutal) nach Reflexion an einem optischen Element durch Überlagerung
einer senkrecht und einer parallel polarisierten Komponente dargestellt
werden kann. Die senkrecht polarisierte (s-polarisierte) Komponente
ist senkrecht zur Einfallsebene, die durch den einfallenden und
reflektierten Laserstrahl gebildet ist, ausgerichtet und die parallel
polarisierte (p-polarisierte) Komponente parallel zur Einfallsebene.
Optische Materialien (beschichtete und unbeschichtete Spiegel) weisen
für die s- und p-polarisierten Komponenten eines Laserstrahls
unterschiedliche Reflexionsgrade R in Abhängigkeit vom
Einfallswinkel α auf, wie in 3a dargestellt
ist. Bei größeren Einfallswinkeln ist für
gewöhnlich der Reflexionsgrad R der s-polarisierten Komponente
(Kurve S) größer als der Reflexionsgrad R der
p-polarisierten Komponente (Kurve P). Zusätzlich zur Reflexionsgraddifferenz
bildet sich bei der Reflexion auch eine vom Einfallswinkel α abhängige
Phasendifferenz Δφ zwischen den senkrecht und
parallel polarisierten Komponenten aus, wie in 3b dargestellt
ist.
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Betrachtet
man den Laserresonator gemäß 2 erkannt
man, dass die ersten drei Faltungsspiegel 7a–c
der oberen Ebene und die letzten drei Faltungsspiegel 9a–c
der unteren Ebene die gleiche Umlenkebene aufweisen (erste Umlenkebene),
wohingegen die Umlenkebene der beiden übrigen Faltungsspiegel 8a und 8b senkrecht
dazu ausgerichtet ist (zweite Umlenkebene). Dies führt
dazu, dass die senkrecht polarisierte Komponente der ersten Umlenkebene
zur parallel polarisierten Komponente der zweiten, dazu senkrechten
Umlenkebene wird. Gleiches gilt für die parallel polarisierte
Komponente der ersten Umlenkebene. Insgesamt erfährt ein
Laserstrahl durch Umlenkung an den acht Faltungsspiegeln 7a–c, 8a–b, 9a–c
eine Reflexionsgraddifferenz von δR = δR7a + δR7b + δR7c – δR8a – δR8b + δR9a + δR9b + δR9c (als
lineare Näherung für große Reflexionsgrade
Ri und kleine Reflexionsgraddifferenzen δRi der Faltungsspiegel) und eine Phasendifferenz von δφ = δφ7a + δφ7b + δφ7c – δφ8a – δφ8b + δφ9a + δφ9b + δφ9c zwischen
den senkrecht und parallel zur Einfallsebene polari sierten Komponenten,
die sich aus den Reflexionsgraddifferenzen δRi und
Phasendifferenzen δφi der
Faltungsspiegel 7a–c, 8a–b, 9a–c
ergeben.
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Als
Faltungsspiegel für CO2-Hochleistungslaser
werden in der Regel Silizium- oder Kupfer-Spiegel mit einer hochreflektierenden
metallbasierenden Beschichtung, sogenannte MMR-Spiegel (MMR=Maximum
Metal Reflector), oder Spiegel mit einer hart-versiegelten Silber-
oder Goldbeschichtung verwendet. MMR-Spiegel weisen eine dielektrische
Beschichtung auf und erzeugen Reflexionsgrade > 99,7% bei 10,6 μm. Herstellungsbedingte
Ungenauigkeiten bspw. in der Schichtdicke oder in den Brechungsindices
der einzelnen Schichten führen dazu, dass jeder Faltungsspiegel
individuelle Reflexionsgrad- und Phasendifferenzen δRi, δφi zwischen
den s- und p-polarisierten Komponenten des Laserstrahls aufweist.
Der Optikhersteller II-VI gibt für seine Faltungsspiegel
Toleranzen für die Reflexionsgraddifferenz von 0,2% und
für die Phasendifferenz < 2° an. Eine
Messung der Reflexionsgrad- und Phasendifferenzen einer Mehrzahl
von Faltungsspiegel hat ergeben, dass typische Faltungsspiegel für
CO2-Hochleistungslaser bei einer Reflexion
unter einem Einfallswinkel von 45° eine Reflexionsgraddifferenz δRi von ungefähr 0,2% und eine Phasendifferenz δφi von ungefähr 1° zwischen
den senkrecht und parallel polarisierten Komponenten des Laserstrahls
pro Faltungsspiegel aufweisen. Die Herstellung von Faltungsspiegeln
mit engeren Fertigungstoleranzen würde einen erheblichen
Mehraufwand bei den Herstellungskosten bedeuten.
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Untersuchungen
an gefalteten Laserresonatoren, wie dem Laserresonator in 2,
haben gezeigt, dass ein im Laserresonator erzeugter, radial oder
azimutal polarisierter Laserstrahl instabil werden kann und die
Polarisation von radial oder azimutal in lineare, elliptische oder
eine undefinierte Polarisation wechseln kann. Die Erfinder haben
erkannt, dass die Ursache für diese instabile radiale oder
azimutale Polarisation in der Phasendifferenz δφ zwischen
den senkrecht und parallel zur Einfallsebene polarisierten Komponenten
des Laserstrahls liegt, die nach Reflexion an konventionellen Faltungsspiegeln oder
Strahlteilern im Laserresonator auftritt. Die Phasendifferenz δφ zwischen
den s- und p-polarisierten Laserstrahlkomponenten kann dazu führen,
dass ein anderer als der gewünschte radiale oder azimutale Polarisationszustand
die Randbedingungen des Laserresonators besser erfüllt
und sich im Laserresonator einstellt, so dass die radiale oder azimutale
Polarisation zerstört wird.
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Wenn
die Reflexionsgrad- und Phasendifferenzen der Faltungsspiegel bekannt
sind, kann bei der Auswahl der Faltungsspiegel für einen
Laserresonator darauf geachtet werden, dass sich die Reflexionsgrad-
und Phasendifferenzen δRi, δφi der einzelnen Faltungsspiegel möglichst
ausgleichen und nicht verstärken, d. h. die Faltungsspiegel
werden so ausgewählt und im Laserresonator angeordnet,
dass die Summen der Reflexionsgrad- und Phasendifferenzen δR, δφ möglichst
klein sind. Allerdings entsteht ein zusätzlicher Aufwand
durch die Messung der Reflexionsgrad- und Phasendifferenzen sowie die
Selektion und Paarung der Faltungsspiegel.
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Das
Problem der auftretenden Phasendifferenzen zwischen den senkrecht
und parallel polarisierten Komponenten des Laserstrahls kann weder durch
genauere Herstellungsverfahren noch durch die Selektion und Paarung
der Faltungsspiegel vollständig gelöst werden.
Bei den Faltungsspiegeln treten wie bei allen optischen Elementen
Alterungseffekte auf, die dazu führen, dass sich die Reflexionsgrad-
und Phasendifferenzen δRi, δφi der einzelnen Faltungsspiegel während
der Lebenszeit eines Faltungsspiegels verändern. Außerdem
sind die Reflexionsgrad- und Phasendifferenzen δRi, δφi temperaturabhängig,
so dass sich die Werte durch die Absorption von Laserstrahlung im
Faltungsspiegel verändern.
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Aufgabe der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Phasenschiebe-Einrichtung
und einen Laserresonator der eingangs genannten Art dahingehend
weiterzubilden, dass die im Laserresonator erzeugte radial oder
azimutal polarisierte Laserstrahlung stabilisiert und besser in
ihrer Orientierung kontrolliert werden kann.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Phasenschiebe-Einrichtung der eingangs genannten Art, welche
derart ausgebildet ist, dass sie pro Umlauf im Laserresonator eine
Phasendifferenz zwischen ca. 30° und ca. 330°,
bevorzugt zwischen ca. 70° und ca. 290°, besonders
bevorzugt zwischen ca. 160° und ca. 200°, insbesondere
von ca. 180° zwischen der radialen und der azimutalen Polarisationsrichtung
der Laserstrahlung erzeugt und eine axiale Symmetrie aufweist.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass radial oder azimutal polarisierte Laserstrahlung
im Laserresonator durch das Vorsehen einer Einrichtung zur Erzeugung
einer Phasendifferenz zwischen der radialen und azimutalen Polarisationsrichtung
besser kontrolliert werden kann, insbesondere wenn zusätzliche phasenschiebende
optische Elemente wie z. B. Faltungsspiegel oder Strahlteiler im
Laserresonator angeordnet sind. Weil die unerwünschte Phasendifferenz
in der Regel an nicht-axialsymmetrischen optischen Elementen wie
den planaren Faltungsspiegeln erzeugt wird, ist zur Kompensation
dieser unerwünschten Phasendifferenz eine Phasenschiebe-Einrichtung
von Vorteil, welche die gewünschte axiale Symmetrie aufweist.
Die Phasenschiebe-Einrichtung wird hierbei so ausgelegt, dass die über
den gesamten Strahlquerschnitt auftretende, lokal entsprechend der
Symmetrie der Faltungsspiegel variierende, unerwünschte
Phasendifferenz durch eine betragsmäßig große,
axialsymmetrisch verteilte Phasendifferenz überboten wird.
Diese Phasendifferenz kann über das gesamte Feld der Laserstrahlung
konstant sein oder in den oben angegebenen Grenzen radial oder azimutal über
das Feld variieren. Eine über das gesamte Feld konstante
Phasendifferenz von ca. 180° hat sich hierbei als besonders
vorteilhaft erwiesen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Phasenschiebe-Einrichtung
als Gitter ausgebildet, wobei die Gitterperiode und bevorzugt auch
die Gitterform derart gewählt sind, dass das Gitter die
gewünschte Phasendifferenz zwischen radialer und azimutaler
Polarisationsrichtung erzeugt. Das axial symmetrische Gitter kann
hierbei zusätzlich auch als Polarisator-Einrichtung dienen
und zwischen der radialen und azimutalen Polarisationsrichtung eine
Reflexionsgraddifferenz oder eine Transmissionsgraddifferenz erzeugen,
je nachdem, ob das Gitter als reflektierendes oder als transmissives
optisches Element ausgebildet ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform ist die Phasenschiebe-Einrichtung
als transmissives optisches Element ausgebildet. Ein solches optisches Element
kann innerhalb des Laserresonators bspw. zwischen einem Auskoppelspiegel
und einem Endspiegel angeordnet werden und wird von der Laserstrahlung
bei einem Umlauf im Laserresonator zweimal durchlaufen, so dass
dieses gegenüber einer Phasenschiebe-Einrichtung, welche
als reflektierendes optisches Element ausgebildet ist, nur die halbe Phasendifferenz
erzeugen muss.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist das transmissive
optische Element als form-doppelbrechendes Element ausgebildet.
Durch geeignete Mikrostrukturierung von transparenten, optisch isotropen
Materialien (z. B. GaAs für Infrarotanwendungen) mit einer
Periodizität, die in mindestens einer Dimension deutlich
unter der benutzten Laserwellenlänge liegt, kann auf der
Basis der Form-Doppelbrechung ein transmissives optisches Element
hergestellt werden, dessen optische Verzögerung zwischen „schneller"
und „langsamer" Polarisationsrichtung und dessen lokale
Orientierung der Polarisationsachsen durch die Art der Mikrostrukturierung
(z. B. Form und Orientierung der Einzelstrukturen) in geeigneter
Weise gesteuert werden kann, um eine radial/azimutal (bzw. radialsymmetrisch)-doppelbrechende
Verzögerungsplatte (vorzugsweise mit ca. 90° Phasendifferenz
im Einfachdurchgang) zu erzeugen. Hierbei ist nicht zwingend erforderlich,
dass die Mikrostrukturen ein Gitter ausbilden, vielmehr können
auch Mikrostrukturen verwendet werden, bei denen lokal Strukturen
vorgesehen sind, welche auf makroskopischer Ebene nicht zusammenhängen.
Form-doppelbrechende Gitter als Phasenschiebe-Einrichtung sind z.
B. in folgenden Veröffentlichungen beschrieben: "Broadband
form birefringent quarter-wave plate for the mid-infrared wavelength
region": Gregory P. Nordin and Panfilo C. Deguzman (11 October 1999/Vol.
5, No. 8/OPTICS EXPRESS 163), sowie „Form-birefringence
structure fabrication in GaAs by use of SU-8 as a dry-etching mask":
Lin Pang, Maziar Nezhad, Uriel Levy, Chia-Ho Tsai, and Yeshaiahu
Fainman (APPLIED OPTICS/Vol. 44, No. 12/20 April 2005),
welche bezüglich dieses Aspekts durch Bezugnahme zum Inhalt dieser
Anmeldung gemacht werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Phasenschiebe-Einrichtung
als reflektierendes optisches Element ausgebildet. Bevorzugt ist
das reflektierende optische Element als Endspiegel oder als Auskoppelspiegel
ausgebildet. Diese optischen Elemente können zusätzlich
auch als Polarisator-Einrichtung ausgebildet sein und daher neben
der gewünschten Phasendifferenz auch eine Reflexionsgraddifferenz erzeugen,
durch den die radial oder azimutal polarisierte Laserstrahlung in
dem Laserresonator erzeugt wird. Sowohl die Erzeugung der radial
oder azimutal polarisierten Laserstrahlung als auch deren Stabilisierung
können daher an ein- und demselben optischen Element vorgenommen
werden. Alternativ kann ggf. auch einer der im Laserresonator vorhandenen
Faltungsspiegel ein Gitter aufweisen, dass als Phasenschiebe-Einrichtung
ausgebildet ist und eine Phasendifferenz zwischen der radialen und
azimutalen Polarisationsrichtung erzeugt.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das reflektierende optische
Element ein Mehrfachschichtsystem, das auf einem Substrat angeordnet ist.
Das Mehrfachschichtsystem kann hierbei als reflexionsverstärkende
Beschichtung ausgebildet sein und weist hierzu eine Anzahl von Einzelschichten auf,
deren Brechungsindizes und Dicken derart aufeinander abgestimmt
sind, dass durch Interferenzeffekte der Anteil der von dem optischen
Element reflektierten Strahlung möglichst groß wird.
Auf oder in dem Mehrfachschichtsystem oder an dem Substrat können
hierbei Strukturen vorgesehen sein, welche die gewünschte
Phasendifferenz erzeugen.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung ist die Phasenschiebe-Einrichtung
als Gitter ausgebildet, bei dem die Gitterperiode, der Aufbau des
Mehrfachschichtsystems, das Material des Substrats und bevorzugt
auch die Gitterform derart gewählt sind, dass die radiale
oder azimutale Polarisationsrichtung der Laserstrahlung in mindestens
einen Leaky-Mode des Mehrfachschichtsystems und des Substrats eingekoppelt
und die Phasendifferenz zwischen der radialen und der azimutalen
Polarisationsrichtung (E
r, E
φ) der
Laserstrahlung erzeugt wird. Der Aufbau des Mehrfachschichtsystems
ist durch die Anzahl der Einzelschichten, die Abfolge der Einzelschichten
sowie durch deren Brechungsindizes und geometrischen Schichtdicken
bestimmt. Das Gitter kann hierbei grundsätzlich wie die
in der
US 6,680,799
B1 beschriebenen Gitter ausgelegt sein, welche zur Erzeugung
einer Reflektionsgraddifferenz zwischen den radial und azimutal
polarisierten Laserstrahlkomponenten ausgelegt sind, wobei zusätzlich
die oben genannten Parameter noch so aufeinander abgestimmt werden
müssen, dass sich auch die gewünschte Phasendifferenz
zwischen radialer und azimutaler Polarisationsrichtung einstellt.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Phasenschiebe-Einrichtung
als periodisches oder quasiperiodisches, konzentrisches oder spiralförmiges
Gitter ausgebildet, bei dem die Gitterperiode und bevorzugt auch
die Gitterform derart gewählt sind, dass bezüglich
der Laserwellenlänge der TM-Reflexionsgrad des Gitters
in die eine genutzte Beugungsordnung größer oder
kleiner als der TE-Reflexionsgrad des Gitters in diese Beugungsordnung
ist und die Phasendifferenz zwischen der radialen und der azimutalen
Polarisationsrichtung der Laserstrahlung erzeugt wird. Das Gitter
kann in diesem Fall grundsätzlich wie die in der eingangs
genannten
DE 10
2004 042 748 A1 beschriebenen Gitter ausgelegt sein, wobei
auch in diesem Fall zusätzlich die oben genannten Parameter
derart aufeinander abgestimmt werden müssen, dass sich
eine Phasendifferenz zwischen den radial und azimutal polarisierten
Laserstrahlkomponenten einstellt, welche die unerwünschte,
z. B. durch die Faltungsspiegel im Laserresonator hervorgerufene
Phasendifferenz überbietet.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das reflektierende
optische Element als Gitter an einer Grenzfläche zwischen
einem ersten dielektrischen Medium mit einem ersten Brechungsindex
und einem zweiten dielektrischen Medium mit einem zweiten, kleineren
Brechungsindex gebildet, wobei die Gitterperiode kleiner als die
Wellenlänge der Laserstrahlung in dem zweiten dielektrischen Medium
ist, und wobei die Gitterperiode und bevorzugt auch die Gitterform
derart gewählt sind, dass ein mittlerer Brechungsindex
des Gitters zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Brechungsindex
liegt. Die Laserstrahlung propagiert im ersten Medium und wird an
der Grenzfläche zum zweiten Medium reflektiert. Hierbei
ist das zweite Medium beispielsweise Luft oder Lasergas mit einem
zweiten Brechungsindex. Dieser Gittertyp ist in der eingangs erwähnten
US 6,191,890 B1 beschrieben
und ermöglicht eine besonders hohe Reflexion der auf die Grenzfläche
auftreffenden Laserstrahlung.
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Bevorzugt
sind bei dem oben beschriebenen Gitter die Brechungsindizes der
dielektrischen Medien, die Gitterperiode und bevorzugt auch die
Gitterform derart gewählt, dass die radiale oder azimutale Polarisationsrichtung
der Laserstrahlung in höhere Beugungsordnungen gebeugt
und die Phasendifferenz zwischen der radialen und der azimutalen
Polarisationsrichtung der Laserstrahlung erzeugt wird. Neben der Erzeugung
einer besonders großen Reflexionsgraddifferenz kann zur
Erzeugung der gewünschten Phasendifferenz ebenfalls der
eingangs genannte GIRO-Effekt genutzt werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Phasenschiebe-Einrichtung
als Polarisator-Einrichtung zur Erzeugung radial oder azimutal polarisierter
Laserstrahlung ausgebildet. In diesem Fall erzeugt die Phasenschiebe-Einrichtung
zusätzlich zu der Phasendifferenz auch eine ausreichende
Reflexionsgrad- oder Transmissionsgraddifferenz zwischen der radialen
und azimutalen Polarisationsrichtung zur Ausbildung eins radialen
oder azimutalen Polarisationszustands der Laserstrahlung in dem
Laserresonator.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform wird neben der Phasendifferenz
auch eine Reflexionsgraddifferenz zwischen der radialen und der
azimutalen Polarisationsrichtung erzeugt, wobei die Reflexionsgraddifferenz
bevorzugt mindestens 5%, besonders bevorzugt mindestens 15% und
insbesondere mindestens 50% beträgt. Durch einen hinreichend großen
Unterschied im Reflexionsgrad zwischen radial und azimutal polarisierter
Laserstrahlung lässt sich der gewünschte radiale
bzw. azimutale Polarisationszustand in dem Laserresonator einstellen.
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Die
Erfindung betrifft auch einen Laserresonator mit einer Polarisator-Einrichtung
zur Erzeugung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung,
bei dem eine Phasenschiebe-Einrichtung zur Erzeugung einer Phasendifferenz
zwischen der radialen und der azimutalen Polarisationsrichtung der
Laserstrahlung innerhalb des Laserresonators vorgesehen ist, die wie
oben beschrieben ausgebildet ist, so dass der gewünschte
radiale bzw. azimutale Polarisationszustand der Laserstrahlung in
dem Laserresonator stabilisiert werden kann.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Laserresonator
mindestens einen, bevorzugt mindestens drei Faltungsspiegel auf,
die den Strahlengang der Laserstrahlung zwischen einem Endspiegel
und einem Auskoppelspiegel falten. Die Faltungsspiegel ermöglichen
einen kompakten Aufbau und dadurch eine hohe mechanische Stabilität des
Laserresonators.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der
Laserresonator einen Auskoppelspiegel, welcher als Phasenschiebe-Einrichtung
ausgebildet ist, und einen Endspiegel, welcher als Polarisator-Einrichtung
ausgebildet ist. In diesem Fall werden die Reflexionsgraddifferenz
und die Phasendifferenz an den beiden gegenüberliegenden
Enden des Laserresonators erzeugt. Durch eine Aufteilung dieser
beiden Funktionen auf zwei verschiedene optische Elemente können
die Reflexionsgraddifferenz und die Phasendifferenz getrennt voneinander eingestellt
werden, so dass die jeweils hierfür zur Verfügung
stehenden Parameter über einen größeren
Wertebereich variiert und somit jede Funktion für sich
besser optimiert werden kann.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform weist der Laserresonator
einen Endspiegel auf, welcher als Phasenschiebe-Einrichtung ausgebildet
ist, sowie einen Auskoppelspiegel, welcher als Polarisator-Einrichtung
ausgebildet ist. In diesem Fall sind die Funktionen des Endspiegels
und des Auskoppelspiegels gegenüber dem oben beschriebenen
Fall vertauscht.
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Bei
einer weiteren alternativen Ausführungsform weist der Laserresonator
einen Auskoppelspiegel auf, welcher als Phasenschiebe-Einrichtung
und als Polarisator-Einrichtung ausgebildet ist. Durch die kombinierte
Erzeugung und Stabilisierung der radial oder azimutal polarisierten
Laserstrahlung an einem einzigen optischen Element können
gegenüber dem Fall, dass hierfür zwei oder mehr
optische Elemente vorgesehen werden, Kosten eingespart werden.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform weist der Laserresonator
einen Endspiegel auf, welcher als Phasenschiebe-Einrichtung und
als Polarisator-Einrichtung ausgebildet ist. Neben dem Auskoppelspiegel
kann auch der Endspiegel des Laserresonators zur kombinierten Erzeugung
und Stabilisierung der radial oder azimutal polarisierten Laserstrahlung
verwendet werden. Sowohl beim Endspiegel als auch beim Auskoppelspiegel
ist es hierbei vorteilhaft, dass die Laserstrahlung nahezu senkrecht
auf deren Oberfläche auftrifft.
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Bei
einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Phasenschiebe-Einrichtung
als transmissives, insbesondere als form-doppelbrechendes optisches
Element ausgebildet, welches zwischen dem Auskoppelspiegel und dem
Endspiegel ange ordnet ist. Neben der bereits oben beschriebenen
Möglichkeit, die Phasendifferenz durch Form-Doppelbrechung
zu erzeugen, kann ggf. auch ein doppelbrechendes Element zum Einsatz
kommen, welches aus einer Vielzahl von Einzelelementen (Facetten)
zusammengesetzt ist, die jeweils unterschiedliche doppelbrechende
Eigenschaften besitzen und in ihrer Gesamtheit die gewünschte
Phasendifferenz erzeugen.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung ist die Phasenschiebe-Einrichtung
auf dem Auskoppelspiegel oder dem Endspiegel angeordnet und steht
in direktem Kontakt zum Auskoppelspiegel oder Endspiegel. Als Phasenschiebe-Einrichtung
kann hierbei beispielsweise eine transmissive form-doppelbrechende Platte
dienen. Hierbei kann die Phasenschiebe-Einrichtung auf dem Auskoppelspiegel
oder dem Endspiegel fixiert werden, z. B. indem sie am Rand aufgeklebt
oder in einer gemeinsamen Halterung gelagert wird.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung ist die Polarisator-Einrichtung
als Auskoppelspiegel oder als Endspiegel ausgebildet und dient zur
Erzeugung von Laserstrahlung mit einem radialen oder azimutalen
Polarisationszustand, indem der Unterschied im Reflexionsgrad zwischen
diesen beiden Polarisationsrichtungen hinreichend groß gewählt
wird.
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Bei
einer alternativen Weiterbildung ist die Polarisator-Einrichtung
als transmissives, insbesondere als form-doppelbrechendes optisches
Element ausgebildet. In diesem Fall wird Laserstrahlung mit dem
unerwünschten Polarisationszustand nicht oder nur in geringem
Maße transmittiert und so eine Transmissionsgraddifferenz
zwischen radialer und azimutaler Polarisationsrichtung erzeugt.
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Bei
einer weiteren alternativen Weiterbildung ist die Polarisator-Einrichtung
durch den mindestens einen Faltungsspiegel gebildet. In diesem Fall
wird die radial oder azimutal polarisierte Laserstrahlung durch
die Reflexionsgraddifferenz des oder der Faltungsspiegel zwischen
den senkrecht und parallel zur Einfallsebene polarisierten Komponenten
der Laserstrahlung erzeugt, wie in 3a gezeigt
ist. Hierbei hat es sich als besonders günstig erwiesen,
wenn die Phasenschiebe-Einrichtung zur Erzeugung einer Phasendifferenz
zwischen der radialen und der azimutalen Polarisationsrichtung der
Laserstrahlung in dem Laserresonator zwischen 30° und 330°,
bevorzugt zwischen 60° und 300°, besonders bevorzugt zwischen
65° und 90°, außerordentlich bevorzugt zwischen
70° und 80°, insbesondere bei 75° ausgelegt
ist.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der
Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die
noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich
oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die
gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht
als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern
haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung
der Erfindung.
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Es
zeigen:
-
1a–c
den Strahlquerschnitt eines Laserresonators mit linear (1a),
azimutal (1b) und radial (1c)
polarisierter Laserstrahlung;
-
2 einen
gefalteten Laserresonator mit einem Auskoppelspiegel, einem Endspiegel
und acht Faltungsspiegeln;
-
3a,
b die Reflexionsgrade R (3a) und
Phasendifferenzen Δφ (3b) der
senkrecht und parallel polarisierten Komponenten eines Laserstrahls
in Abhängigkeit vom Einfallswinkel α des Laserstrahls
für einen dielektrisch beschichteten Faltungsspiegel;
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4a–c
ein Gitter zur Erzeugung radial polarisierter Laserstrahlung in
einer Schrägansicht und einer Detailansicht gemäß III
(4a), ein auf einem dielektrischen Substrat und
Mehrfachschichtsystem aufgebrachtes Gitter mit Leaky-Moden (4b)
und ein auf einem dielektrischen Substrat aufgebrachtes Gitter mit
GIRO-Effekt (4c);
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5a,
b Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen
Laserresonators mit einem Auskoppelspiegel als Phasenschiebe-Einrichtung
und einem Endspiegel als Polarisator-Einrichtung (5a)
und mit dem Auskoppelspiegel als Phasenschiebe- und Polarisator-Einrichtung
(5b);
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6a–d
Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen
Laserresonators mit einer form-doppelbrechenden Platte als Phasenschiebe-Einrichtung,
welche zwischen Endspiegel und Auskoppelspiegel (6a,
b), auf dem Endspiegel (6c) bzw.
auf dem Auskoppelspiegel (6d) angebracht ist;
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7a,
b Berechnete Reflexionsgrade und Reflexionsgraddifferenzen (7a)
sowie berechnete Phasendifferenzen (7b) eines
Gitters mit Leaky-Moden; und
-
8a,
b Berechnete Reflexionsgrade und Reflexionsgraddifferenzen (8a)
sowie berechnete Phasendifferenzen (7b) eines
Gitters mit GIRO-Effekt.
-
Die 4a–c
zeigen bekannte Polarisator-Einrichtungen zur Erzeugung radial oder
azimutal polarisierter Laserstrahlung, die in einem Laserresonator
angeordnet werden können.
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4a zeigt
einen Gitterspiegel
10 mit einem Gitter
11, das
eine Ringstruktur mit konzentrischen Gitterrillen
12 und
Gitterstegen
13 aufweist und an einer Oberfläche
14 eines
metallischen Substrats
15 durch Drehbearbeitung erzeugt
ist. Beim Gitter
11 wird die Laserstrahlung mit tangential
zu den Gitterrillen
12 verlaufender Polarisation als TE-polarisiert
und die mit rechtwinklig zu den Gitterrillen
12 verlaufender
Polarisation als TM-polarisiert bezeichnet. Die wesentlichen Parameter, über
die die Polarisation beeinflusst wird, sind die Gitterperiode Λ,
die Tiefe d der Gitterrillen
12 und die Breite b der Gitterstege
13.
Als Füllfaktor f wird das Verhältnis der Breite
b der Gitterstege
13 zur Gitterperiode Λ bezeichnet.
Für Gitter
11 mit konzentrischen Gitterrillen
12 entsprechen
die TE-Komponente der azimutalen Polarisationsrichtung und die TM-Komponente
der radialen Polarisationsrichtung. Die Ermittlung der erforderlichen
Parameter (Gitterperiode, Gitterform und Wahl des Substratmaterials)
erfolgt über kommerziell verfügbare Berechnungsmethoden
z. B. auf Basis der RCWA(=rigorous coupled wave analysis)-Methode.
Insbesondere kann das Gitter
11 wie in der
DE 10 2004 042 748 A1 beschrieben
ausgebildet sein, d. h. eine Gitterperiode Λ aufweisen,
welche größer als die Wellenlänge der
Laserstrahlung in dem Laserresonator ist, oder gemäß der
US 6,680,799 B1 oder
der
US 6,191,890 B1 ausgebildet
sein, d. h. eine Gitterperiode Λ aufweisen, welche kleiner
als die Laserwellenlänge ist.
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4b zeigt
einen Gitterspiegel
20 mit einem Sub-Wellenlängen-Gitter
21,
das an einer Deckschicht
24 eines Mehrfachschichtsystems
22 gebildet ist,
welches auf einem dielektrischen Substrat
23 angeordnet
ist. Das Sub-Wellenlängen-Gitter
21 kann auch
innerhalb einer oder mehrerer Schichten des Mehrfachschichtsystems
22 oder
zwischen dem Mehrfachschichtsystem
22 und dem Substrat
23 angeordnet
sein (nicht gezeigt). Die Gitterperiode und die Gitterform des Gitters
21 sind
derart gewählt, dass eine Polarisationsrichtung des Laserstrahls
in mindestens einen Leaky-Mode des Mehrfachschichtsystems
22 und
des Substrats
23 eingekoppelt wird. Dies kann wie in der
US 6,680,799 B1 beschrieben erfolgen,
wobei die spektrale Lage des zumindest einen Leaky-Modes derart
gewählt wird, dass diese nahe genug an der Laserwellenlänge λ
0 liegt. Durch geeignete Wahl der Gitterperiode
und Gitterform in Kombination mit dem Aufbau des Mehrfachschichtsystems
22 (Material,
Schichtdicke, Brechungsindizes), kann die Lage der Reflexionsgraddifferenz ΔR zwischen
axialer und radialer Polarisationsrichtung so beeinflusst werden,
dass diese im gewünschten Bereich liegt.
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Das
Design kann auch so ausgelegt werden, dass sich mehrere Leaky-Moden
in unmittelbarer Nähe der Laserwellenlänge λ0 befinden. Dies geschieht dadurch, dass
für einen gewählten Ansatz, d. h. für
eine vorgegebene Wahl der Parameter des Mehrfachschichtsystems 22,
die Feldverteilung der Leaky-Moden berechnet wird und diejenige(n) Schicht(en)
identifiziert werden kann (können), die in größter
Wechselwirkung mit dem Leaky-Mode steht (stehen). Die genaue spektrale
Lage dieses Leaky-Modes kann nun durch Variation dieser Schicht(en)
beeinflusst werden. Durch numerische Rechenmethoden (z. B. RCWA)
kann man so iterativ die gewünschte spektrale Lage aller
Leaky-Moden beeinflussen. Hierbei kann sich ggf. herausstellen, dass
der gewählte Ansatz dahingehend modifiziert werden muss,
dass die Anzahl der Schichten des Mehrfachschichtsystems 22 variiert
wird. Mit der spektralen Platzierung der Leaky-Moden und passender
Gitter-Auslegung, die diese Leaky-Moden resonant ankoppeln, kann
daher auf die spektrale Verteilung der Reflexionsgraddifferenz ΔR
von radialer und azimutaler Polarisationsrichtung Einfluss genommen
werden.
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Der
Gitterspiegel 20 gemäß 4b kann
als hochreflektierender Endspiegel für einen Laserresonator
ausgebildet sein, wobei der Reflexionsgrad durch den Aufbau des
Mehrfachschichtsystems 22 eingestellt wird. Die durch einen
Pfeil angedeutete, auf das Gitter 21 auftreffende Laserstrahlung
wird von diesem in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung
unterschiedlich stark reflektiert. Grundsätzlich kann der
Gitterspiegel 20 auch so ausgebildet sein, dass der Laserstrahl
von der Seite des Substrats 23 einfällt und das
Gitter auf der Rückseite des Endspiegels angeordnet ist
(vgl. die Anordnung in 4c).
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4c zeigt
einen weiteren Gitterspiegel
30 mit einem Sub-Wellenlängen-Gitter
31,
bei dem die Gitterperiode Λ kleiner als die Laserwellenlänge λ
0 (10,6 μm für CO
2-Laserstrahlung) ausgelegt ist. Die Gitterparameter
(Gitterperiode Λ, Gitterform) sind derart gewählt,
dass das Gitter
31 den sogenannten GIRO-Effekt zeigt, der
eine hohe Polarisationsselektivität zur Folge hat. Einzelheiten
zum GIRO-Effekt sind in der eingangs erwähnten
US 6,191,890 B1 beschrieben.
Der Gitterspiegel gemäß
4c weist
ein erstes dielektrisches Medium
32 (z. B. Galliumarsenid)
als Substrat mit einem ersten Brechungsindex von n
1 =
3,27 bei 10,6 μm, ein zweites dielektrisches Medium
33 (z.
B. Luft) mit einem zweiten Brechungsindex n
2 nahe
1,0 und das an einer Grenzfläche zwischen den beiden dielektrischen
Medien
32,
33 gebildete Gitter
31 auf,
welches einen mittleren Brechungsindex n
AV aufweist,
der zwischen den beiden Brechngsindizes n
1,
n
2 liegt. Der Gitterspiegel
30 kann
als hochreflektierender Endspiegel ausgebildet sein, wobei das Gitter
31 auf
der Rückseite des Endspiegels angeordnet ist. Der durch
einen Pfeil angedeutete einfallende Laserstrahl durchquert das erste dielektrische
Medium
32 und wird vom Gitter
31 reflektiert.
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Die 5a und 5b zeigen
zwei Laserresonatoren 40, 40' mit jeweils einem
hochreflektierenden Endspiegel 41, 41' und einem
teildurchlässigen Auskoppelspiegel 42, 42',
wobei im Strahlengang 43 zwischen End- und Auskoppelspiegel
jeweils zwei Faltungsspiegel 44, 45 angeordnet
sind, die unter einem Einfallswinkel von jeweils 45° betrieben
werden. Die Phasenschiebe-Einrichtung ist bei den Laserresonatoren 40, 40' von 5a und 5b als
reflektierendes optisches Element ausgebildet.
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5a zeigt
einen Laserresonator 40, bei dem der Auskoppelspiegel 42 als
Phasenschiebe-Einrichtung und der Endspiegel 41 als Polarisator-Einrichtung
ausgebildet sind. Der Auskoppelspiegel 42 ist mit einem
Gitter 46 versehen, das eine Phasendifferenz Δφ zwischen
radialer und azimutaler Polarisationsrichtung der Laserstrahlung
erzeugt und der Endspiegel 41 weist ein Gitter 47 auf,
das eine Reflexionsgraddifferenz ΔR zwischen der radialen und
azimutalen Polarisationsrichtung erzeugt. Es versteht sich, dass
auch der Endspiegel 41 als Phasenschiebe-Einrichtung und
der Auskoppelspiegel 42 als Polarisator-Einrichtung ausgebildet
sein können (nicht gezeigt).
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5b zeigt
einen Laserresonator
40', bei dem der Auskoppelspiegel
42' als
Phasenschiebe-Einrichtung und als Polarisator-Einrichtung ausgebildet
ist. Der Auskoppelspiegel
42' ist hierzu mit einem Gitter
48 versehen,
das eine Phasendifferenz Δφ und eine Reflexionsgraddifferenz ΔR
zwischen radialer und azimutaler Polarisationsrichtung der Laserstrahlung
erzeugt, so dass sich im Laserresonator
40' ein radialer
Polarisationszustand einstellt, wie er in
1c dargestellt
ist. Die Intensitätsverteilung der im Laserresonator
40' erzeugten,
radial polarisierten Strahlung ist ringförmig um das Zentrum
des Strahlquerschnitts verteilt. Anstatt zur Einstellung des gewünschten
Polarisationszustands das Gitter
48 auf dem teildurchlässigen
Auskoppelspiegel
42' anzuordnen, könnte es auch
auf dem Endspiegel
41' angeordnet sein (nicht gezeigt).
Das Gitter
48 kann wie in der
US 6,680,799 B1 , der
DE 10 2004 042 748
A1 , der
US
6,191,890 B1 oder dem Artikel von Goncharski et al. beschrieben
ausgeführt sein. Für Einzelheiten zur Auswahl
geeigneter Parameter für die Erzeugung der Reflexionsgraddifferenz ΔR
sei auf diese Dokumente verwiesen, wobei die Parameter des Gitters
48 zusätzlich
derart gewählt werden müssen, dass sich zwischen
radialer und azimutaler Polarisation auch die gewünschte
Phasendifferenz einstellt.
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Die 6a,
b zeigen zwei weitere Laserresonatoren 50, 50' mit
einem hochreflektierenden Endspiegel 51 und einem teildurchlässigen
Auskoppelspiegel 52, bei denen im Strahlengang 53 zwischen
dem End- und dem Auskoppelspiegel 51, 52 zwei
Faltungsspiegel 54, 55 angeordnet sind, die einen
Laserstrahl unter einem Einfallswinkel von jeweils 45° umlenken.
Die Phasenschiebe-Einrichtung ist in beiden Fällen als
transmissives, form-doppelbrechendes optisches Element 56, 56' ausgebildet, das
zwischen dem End- und dem Auskoppelspiegel 51, 52 angeordnet
ist. Es versteht sich, dass zur Herstellung der gewünschten
Phasendifferenz Δφ mittels eines transmissiven
optischen Elements in einem Laserresonator 50, 50' dieses
nur die Hälfte der gewünschten Phasendifferenz Δφ erzeugen
darf, da ein solches transmissives optisches Element bei einem Umlauf
der Laserstrahlung im Laserresonator 50, 50' zweimal
durchlaufen wird. Neben der bereits oben beschriebenen Möglichkeit,
die Phasendifferenz durch Form-Doppelbrechung zu erzeugen, kann
ggf. auch ein doppelbrechendes Element zum Einsatz kommen, welches
aus einer Vielzahl von Einzelelementen (Facetten) zusammengesetzt
ist, die jeweils unterschiedliche doppelbrechende Eigenschaften besitzen
und in ihrer Gesamtheit die gewünschte Phasendifferenz
erzeugen.
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6a zeigt
einen Laserresonator 50, bei dem neben dem form-doppelbrechenden
Element 56 (im Folgenden auch als form-doppelbrechende
Platte bezeichnet) ein weiteres transmissives optisches Element 57 als
Polarisator-Einrichtung vorgesehen ist, welches eine Transmissionsgraddifferenz ΔT
zwischen radialer und azimutaler Polarisationsrichtung der Laserstrahlung
erzeugt. Anstatt eine transmissive Polarisator-Einrichtung 57 zur
Erzeugung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung zu verwenden,
können auch der Auskoppelspiegel 51 oder der Endspiegel 52 als
Polarisator-Einrichtung, welche eine Reflexionsgraddifferenz ΔR
zwischen radialer und azimutaler Polarisationsrichtung der Laserstrahlung
erzeugt, ausgebildet sein (nicht gezeigt). Es versteht sich, dass
die form-doppelbrechende Platte 56 auch zwischen dem Endspiegel 51 und
dem ersten Faltungsspiegel 54 oder zwischen dem Auskoppelspiegel 52 und
dem zweiten Faltungsspiegel 55 angeordnet sein könnte
(nicht gezeigt).
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6b zeigt
einen Laserresonator 50', bei dem die transmissive, form-doppelbrechende
Platte 56' als Phasenschiebe- und als Polarisator-Einrichtung
ausgebildet ist. Die form-doppelbrechende Platte 56' erzeugt
bei zweimaligem Durchqueren die gewünschte Phasendifferenz Δφ und
die gewünschte Trans missionsgraddifferenz ΔT zwischen
radialer und azimutaler Polarisationsrichtung der Laserstrahlung
in dem Laserresonator 50'.
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Die 6c,
d zeigen Laserresonatoren 60, 60' mit einem Endspiegel 61 und
einem Auskoppelspiegel 62. Im Strahlengang 63 zwischen
dem End- und Auskoppelspiegel 61, 62 sind zwei
Faltungsspiegel 64, 65 angeordnet, die den Laserstrahl
um jeweils 90° umlenken. Die Funktion der Phasenschiebe-Einrichtung
wird wie in 6a, b von einer form-doppelbrechenden
Platte 66 erfüllt. Als Polarisator-Einrichtung
ist der Auskoppelspiegel 62 ausgebildet, welcher eine Reflexionsgraddifferenz ΔR
zwischen der radialen und azimutalen Polarisationsrichtung der Laserstrahlung
erzeugt. Hierzu kann der Auskoppelspiegel 62 ein Gitter
gemäß den 4a–c
oder ein anderes Gitter mit den gewünschten Eigenschaften aufweisen.
Die form-doppelbrechende Platte 66 ist in dem Laserresonator 60 von 6c auf
dem Endspiegel 61 und in dem Laserresonator 60' von 6d auf
dem Auskoppelspiegel 62 fixiert.
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Den
in 5a, b und 6a–d
dargestellten Typen von Laserresonatoren 40, 40'; 50, 50'; 60, 60' ist
gemeinsam, dass sie zur Herstellung eines stabilen, axial symmetrischen
Polarisationszustands der Laserstrahlung sowohl eine Reflexionsgraddifferenz bzw.
eine Transmissionsgraddifferenz erzeugen als auch die Phasendifferenz
zwischen den Polarisationsrichtungen der Laserstrahlung lokal geeignet
beeinflussen. Es versteht sich, dass der Fachmann die oben gezeigten
Anordnungen entsprechend seiner Bedürfnisse modifizieren,
d. h. z. B. die Zahl der Faltungsspiegel oder die Wellenlänge
der Laserstrahlung variieren kann. Insbesondere kann auch eine größere
als die gezeigte Anzahl von Polarisator- bzw. Phasenschiebe-Einrichtungen
in einem Laserresonator angeordnet sein, wobei diese Elemente auch anders
als hier beschrieben ausgeführt und an anderen Stellen
im Laserresonator angeordnet sein können. Auch können
die Faltungsspiegel 44, 45; 54, 55; 64, 65 ggf.
als Polarisator-Einrichtung zur Erzeugung radial oder axial polarisierter
Laserstrahlung dienen, so dass auf eine zusätzliche, axial
symmetrische Polarisator-Einrichtung in dem Laserresonator verzichtet
werden kann. Ferner können die Faltungsspiegel 44, 45; 54, 55; 64, 65 auch
mit Gitterstrukturen versehen werden, welche die gewünschte
Reflexionsgrad- und Phasendifferenzen aufweisen und welche für
die typischerweise auftretenden Einfallswinkel von 45° optimiert
sind.
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Die 7a und 7b zeigen
die berechneten Reflexionsgrade R und Reflexionsgraddifferenzen ΔR
(7a) sowie die berechneten Phasendifferenzen Δφ (7b)
für ein Gitter, das als Phasenschiebe- und Polarisator-Einrichtung
und gleichzeitig als Endspiegel in einem Laserresonator ausgebildet ist.
Das Gitter 21 ist entsprechend dem in 4b gezeigten
Aufbau auf der Deckschicht 24 aus Germanium des Mehrfachschichtsystems 22 gebildet,
welches wiederum auf dem dielektrischen Substrat 23 aus
Galliumarsenid aufgebracht ist. Das Gitter 21 weist eine
Ringstruktur mit konzentrischen Gitterrillen und Gitterstegen auf
(vgl. 4a) und ist für den
Betrieb mit Laserstrahlung bei einer Laserwellenlänge λ0 von 10,6 μm ausgelegt. Das Gitter 21 weist
ferner eine Gitterperiode Λ auf, welche geringer als die
Laserwellenlänge λ0 ist
und 6,27 μm beträgt. Die Tiefe d der Gitterrillen
liegt bei 3,42 μm und die Breite der Gitterstege entspricht
der halben Gitterperiode Λ des Gitters 21, so
dass der Füllfaktor f des Gitters 50% entspricht. Die Parameter
des Gitters 21 wurden dahingehend optimiert, dass die unerwünschte
azimutale Polarisationskomponente in Leaky-Moden eingekoppelt wird.
Das mit diesen Parametern ausgestattete Gitter ermöglicht
die Erzeugung einer Reflexionsgraddifferenz ΔR und einer
Phasendifferenz Δφ, welche die stabile Erzeugung
von radial polarisierter Strahlung in einem Laserresonator ermöglichen,
wie im Folgenden näher ausgeführt ist.
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7a zeigt
die Abhängigkeit der Reflexionsgrade R der TM- und TE-polarisierten
Laserstrahlung von der Wellenlänge λ der einfallenden
Laserstrahlung. Deutlich zu erkennen ist, dass für bestimmte
Werte der Wellenlänge λ die TE-Komponente Minima
des Reflexionsgrades R aufweist, welche als Leaky-Moden bezeichnet
werden, deren Lage von der Beschaffenheit des Mehrfachschichtsystems 22 und
des Substrats 23 abhängig ist. Die zu den beiden
Leaky-Moden TEL1 und TEL2 gehörigen
Wellenlängen λ1 und λ2 sind in einem so geringen Abstand zur Betriebswellenlänge λ0 des Gitters 21 angeordnet, dass
sie sich innerhalb der spektralen Verstärkungsbandbreite
eines zugehörigen Laserresonators befinden. Dies wird erreicht,
indem der relative spektrale Abstand der beiden Leaky-Moden TEL1 und TEL2 von der
Laserwellenlänge λ0 (10,6 μm)
gegeben durch Δλ1 = |λ1 – λ0|/λ0 bzw. Δλ2 =
|λ2 – λ0|/λ0, bei
weniger als 5%, insbesondere bei weniger als 3%, liegt.
-
Für
die Laserwellenlänge λ0 von
10,6 μm liegt der Reflexionsgrad R der TM-Komponente bei 99,6%
und der Reflexionsgrad R der TE-Polarisation bei 41%, so dass sich
eine Reflexionsgraddifferenz ΔR von 58,6% zwischen den
TM- und TE-Komponenten ergibt. Die in 7b gezeigte
Phasendifferenz Δφ liegt bei der Laserwellenlänge λ0 von 10,6 μm bei 180° (2π =
360°).
-
Die 8a und 8b zeigen
die berechneten Reflexionsgrade R und Reflexionsgraddifferenzen ΔR
(8a) sowie die berechneten Phasendifferenzen Δφ (8b)
für ein Gitter 31, das als Phasenschiebe- und
Polarisator-Einrichtung und gleichzeitig als Endspiegel in einem
Laserresonator ausgebildet ist. Das Gitter 31 ist entsprechend
dem in 4c gezeigten Aufbau auf einem
dielektrischen Substrat 32 aus Galliumarsenid (GaAs) gebildet
und weist eine Ringstruktur mit konzentrischen Gitterrillen und
Gitterstegen (vgl. 4a) auf und ist für
den Betrieb mit Laserstrahlung bei einer Laserwellenlänge λ0 von 10,6 μm ausgelegt. Die Gitterperiode Λ beträgt
6,27 μm, die Tiefe d der Gitterrillen liegt bei 3,42 μm
und die Breite b der Gitterstege entspricht der halben Gitterperiode Λ(b
= 3,135 μm).
-
Der
berechnete Reflexionsgrad R des Gitters 31 für
TM- und TE-polarisierte Laserstrahlung ist in 8a in
Abhängigkeit von der Wellenlänge λ dargestellt,
wobei die Reflexionsgraddifferenz ΔR zwischen der TM- und
TE-Komponente bei der Betriebswellenlänge λ0 von 10,6 μm maximal ist. Hier
beträgt der Reflexionsgrad R für die TM-Komponente
99,2% und für die TE-Komponente 0,1%, d. h. die Reflexionsgraddifferenz ΔR
liegt bei 99,1%. Dies ist möglich, weil die Parameter des
Gitters 31 derart gewählt sind, dass dieses den
sogenannten GIRO-Effekt zeigt, welcher eine außerordentlich
starke Polarisationsselektivität zur Folge hat. Zur Erzeugung
eines radialen bzw. azimutalen Polarisationszustands sollte die
Reflexionsgraddifferenz ΔR zwischen der TM- und TE-Komponente
mindestens 5%, bevorzugt mindestens 15%, besonders bevorzugt mindestens
50% betragen.
-
8b zeigt
die berechnete Phasendifferenz Δφ zwischen TE-
und TM-polarisierter Laserstrahlung. Diese liegt bei der Laserwellenlänge λ0 von 10,6 μm bei –2,3
rad, d. h. bei 2,3 × 57,3° = 131,8° (absolut).
Durch eine solche Phasendifferenz Δφ kann erreicht
werden, dass die im Laserresonator ausgebildete, radial polarisierte Laserstrahlung
auch bei Vorhandensein von phasenschiebenden optischen Elementen,
wie bspw. mehreren Faltungsspiegeln (siehe 2) erhalten
werden kann.
-
Die
oben beschriebenen radial symmetrischen Gitter sind derart ausgelegt,
dass die Gitterperiode Λ über das gesamte Feld
der Laserstrahlung konstant ist. Es versteht sich, dass zur Erzeugung und/oder
zur Stabilisierung der Laserstrahlung die Gitterperiode Λ bzw.
die Gitterform ggf. auch in radialer Richtung variabel gewählt
werden können, so dass insbesondere die Phasendifferenz
von der radialen Koordinate abhängig wird. Bei der Modulation der
Gitterperiode Λ ist jedoch darauf zu achten, dass diese
bei Gittern vom in der
DE
10 2004 042 748 A1 beschriebenen Typ nicht kleiner gewählt
wird als die Laserwellenlänge λ
0 bzw.
bei Gittern vom in der
US 6,680,799
B1 oder der
US
6,191,890 B1 beschriebenen Typ die Laserwellenlänge λ
0 nicht überschreitet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6680799
B1 [0003, 0004, 0023, 0051, 0052, 0058, 0070]
- - DE 102004042748 A1 [0003, 0005, 0024, 0051, 0058, 0070]
- - US 6191890 B1 [0003, 0006, 0025, 0051, 0055, 0058, 0070]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „Optical
Elements of a Laser Cavity for the Production of a Beam with Axially
Symmetric Polarization" von Goncharskii et al., Optics and Spectroscopy
Vol. 89, Nr. 1, 2000, Seiten 146–149 [0002]
- - "Broadband form birefringent quarter-wave plate for the mid-infrared
wavelength region": Gregory P. Nordin and Panfilo C. Deguzman (11
October 1999/Vol. 5, No. 8/OPTICS EXPRESS 163), sowie „Form-birefringence
structure fabrication in GaAs by use of SU-8 as a dry-etching mask":
Lin Pang, Maziar Nezhad, Uriel Levy, Chia-Ho Tsai, and Yeshaiahu
Fainman (APPLIED OPTICS/Vol. 44, No. 12/20 April 2005) [0020]