DE2449123A1

DE2449123A1 - Auskoppelspiegel fuer astabile laserresonatoren

Info

Publication number: DE2449123A1
Application number: DE19742449123
Authority: DE
Inventors: Gunther Dipl Phys Dr Rer Sepp
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1974-10-16
Filing date: 1974-10-16
Publication date: 1976-04-22
Also published as: US4327129A; FR2288404A1; FR2288404B1; DE2449123C3; DE2449123B2

Description

Auskoppelspiegel für astabile Inserresonatoren

Pie Frfindung bezieht sich auf einen Auskoppelspiegel für astabile Laserresonatoren.

Bisher wurden für solche Resonatoren nur 'lu.sicopnel spief el trit kreisrundem oder rechteckigem (quadratischem> Querschnitt benutzt. Theoretische Überlegungen (IEFF J. Quant, Electron. QF-IO, 3^6 ( 197*1 "^ zeigten jedoch, daß derart regelmn ßi«re Berandungen zu konstruktiven Interferenzen am Ort der virtuellen Brennpunkte des Resonators führen. !Mose verursachen inhomogene Phasen- und Amplitudenprofile de=! internen Strahlungsfeldes, vergrößern also die Divergenz des ausgekoppelten Laserstrahls und verringern das Modendiskriminationsverhältnis, welches ein Maß dafür ist, ob und wie leicht der Laser im Grundmodenbetrieb arbeitet. Die Theorie ergab, daß diese unerwünschten Interferenzen verringert oder ganz vermieden werden können, wenn die die Strahlauskopplung bestimmende

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Spiegelberandung in bestimmter V'eise von einer regelmäßigen Kontur abweicht. Die einfachsten derartigen Konturen haben ζ. B. die Form von Ellipsen, zwei-, drei- und vielblnttrigen Kleeblättern bzw. PosPttnn von genau vorgeschriebener Form. Vählt man also für die Spiegelberandung eine dieser theoretisch berpchneten Konturen, so kommt die Pivorgonz des ausgekoppelten Laserstrahls den idealen Minimum, nämlich der beugungsbegrenzten Divergenz, am nächsten.

Pie bisher übliche Art der Strahlauskopplung besteht darin, einen metallischen, bei den üblicherweise bevorzugten konfokalen Resonatoren konvexen Vollspiegel mit von der Resonatorjreometrie bestimmtem Krümmungsradius als Auskoppelspiegel zu benutzen, dessen Querabmessungen kleiner als die des im Resonator herrschenden Strahlungsfeldes sind. Der ausgekoppelte Strahl ist dann der über die Rerandung des Spiegels hinausreichende Teil des Strahlungsfeldes.

Fine zweite, mitunter vorteilhaftere Aiisführungsform benützt einen schief im Strahlengang vor dem konvexen Auskoppelspiegel angeordneten metallischen Hilfsspiegel (in der Regel ein Planspiegel) mit einer im Strahlengang konzentrisch liegenden Bohrung von kleinerem Durchmesser als dem des Konvexspiegels. Bezüglich c\nr Resonatorgeometrie entspricht dies genau dem Fall des zuvor beschriebenen Auskoppelspiegels mit dem gleichen Querschnitt wie die zentrale öffnung des Planspiegels, nur daß der ausgekoppelte Strahl nicht in Resonatorachse, sondern quer dazu verläuft.

Bisher mußte auf die Anwendung der obengenannten Theorie verzichtet werden, da die Herstellung qualitativ hochwertiger Metallvollspiegel mit komplizierteren als kreisrunden oder quadratischen (rechteckigen) Berandungen sehr aufwendig ist.

Per vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,

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eine Methode zu finden, wrlrhp ns erlaubt, i'jp theoretischen Vorschriften für die Au .«koppel ppi egelberandung in einfacher Weise zu realisieren. Hie Lösung ist darin zu sehen, daß anstelle von Metallvoj1spiegeln ein zunächsi für- die Laserstrahlung durchsichtiges Material genommen vi r^ , dessen Vnrderfläche den für die gewählte Vesonator.-poitiptno richtigen Krümmungsradius hat, poliert und eventuell auf ein^r oder beiden Flächen mit einer Antireflexionsschicht versehen ist. Auf die Vorderfläche des Substrats wird ei no hochref lektierende Schicht mittels einer geeigneten Maske aufgedampft oder sonstwie aufgebracht. r>ie Form der ^T-'aske entspricht dabei der geforderten theoretischen Kontur.

Auf-diese Art entsteht entsprechend der ernten der beiden oben angeführten konventionellen Auκführungsfornen ein Spiegel, dessen zentrale Region hochreflektierend ist, den von der Besonatorgeometrie geforderten Krümmungsradius und gleichzeitig eine der Aufdampfmaske entsprechende !Brandung aufweist. Außerhalb dieses Bereichs ist der Spiegel für dir Laserstrahlung durchlass!g· das Substrat kann hier einen beliebigen Krümmungsradius haben und wird zweckmäßi gerweise in seinen Querdimensionen so groß gewählt, daß es den gesamten ausgekoppelten Strahl überdeckt. Fs kann somit "loirhzeitig das beim konventionellen Auskoppelspiegel benöti"te Austrittsfenster für den Laserstrahl ersetzen.

Der ausgekoppelte Laserstrahl erfährt beim Durchtritt durch das Substrat eine Linsenwirkung. Durch geeignete Formgebung der Rückfläche des Substrats kann ein kollimierter, jedoch ebenso auch ein konvergenter oder divergenter Laserstrahl erzeugt werden, so daß bei bestimmten Anwendungsfallen eine zusätzliche Linse erspart werden kann.

Die Linsenwirkung des Substrats ergibt auch bezüglich der Pesonatorgeometrie zusätzliche Freiheiten r^cr Porameterwahl. Fin kollimierter Strahl ζ. Π. kann jetzt nicht nur mit einem

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konfokalen, sondern auch mit einem symmetrischen oder asymmetrischen "osonator erhielt werben, falls die P.ückf lache des Sub pt rat F entsprechend geformt ist.

^er zweiten oben angeführten Äusführungsform entspricht, in ähnlicher ^eise ein hochreflektierender Spiegel, vrobr-i hier jedoch die zentrale Pefion firr die Laserstrahlung durchsichtig ist und eine 6er Aufdampfmaske entsprechende Kontur besitzt. Auch hier besteht die Möglichkeit, den ausgekoppelten Laserstrahl durch die Form der (hochreflektierenden) Vorderflache und jrupatzlich die Ppponatorpr.rameter durch die Pückfläche des Aiiskopprlspiegcls zu beeinflüsp

Durch diese Maßnahmen werden gegenüber den konventionellen Lösungen folgende Vorteile erzielt:

Tie Formgebung der Spiegelberandung ist infolge des Herstellverfahrens mit Aufdampfmaske keiner Beschränkung hinsichtlich Kompliziertheit unterworfen, da das Herstellen einer Aufdampfmaskp mit der theoretischen Kontur keine Schwierigkeiten macht, Pamit können die theoretischen Vorzüge der oben erwähnten Berandungsformen voll ausgeschöpft werden.

Infolge der möglichen Doppelfunktion als Auskoppelspiegel und Linse ergeben sich zusätzliche Freiheiten der Wahl der Resonatorparameter; außerdem kann eine eventuell benötigte nachgeschaltete Linse eingespart werden.

Die bei der ersten Ausführungsform hinzukommende Funktion als Austrittsfenster erlaubt die Einsparung eines gesonderten Austritt sfensters.

Fin für einen COg-Laser bestimmtes Ausführungsbeispiel der Frfindung sieht als Bedampfungsmaterial Gold und als Substratmaterial Germanium vor, das mit dielektrischen Antireflexions-

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schichten versehen ist. Es können jedoch ebenso andere Substratmaterialien, wie KCL, GaAs, CdTp, ZnSe, CdS etc. und BedampfungsmateriaHen wie Ag, Ni Cr, Cu₁ Al etc. und geeignete dielektrische Schichten verwendet werden. Grundsätzlich sind die Materialien so auszuwählen, daß der reflektierende Teil des Auskoppelspi'egels einen möglichst hohen, der durchlässige Teil dagegen einen möglichst niedrigen Reflexionskoeffizienten und eine möglichst gerinre Absorption für die Laserstrahlung besitzt.

Der Anwendungsbereich der erfindungsgemHßrn Spiegel umfaßt Laser kleiner und mittlerer Leistung, welche den Einsatz astabiler Resonatoren erlauben, also CO₀-, CO-, Nd:YAG-Laser etc.. Bei Vorwendung von Substratmaterialien geringster Absorption und hoher Wärmeleitfähigkeit, welche zur Zeit Gegenstand intensiver Forschung sind, ist jedoch auch dir Anwendung bei Hochleistungslasern (z. B. beim gasdynamischen C0_-Laser) möglich und vorteilhaft.

Die Erfindung ist nachfolgend an Ausführungsbeispielen beschrieben und gezeichnet. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Auskoppelspiegel nach der Erfindung (l. Ausfiihrungsform) ;

Fig. 2 eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1; Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Auskoppelspiegel nach der

Erfindung (2. Ausführungsform);
Fig. 4 eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3 mit anderer Berandung als in Fig. 2.

Das als Auskoppelspiegel für einen astabilen Laserresonator in seiner optisch erforderlichen Form geschliffene und polierte, für die Laserstrahlung durchsichtige Substrat 10 wird, falls erforderlich, zunächst mit einer oder zwei Antireflexionsschichten 11 vergütet. Anschließend wird bei der ersten Ausführungsform innerhalb (Fig. l), bei der zweiten Ausführungsform außerhalb (Fig. J) des zentralen Bereichs des Substrats 10 eine

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hochreflektierende Schicht ,12 aufgebracht, wobei die äußere (Fig. l) bzw. innere (Fig· 3^ 'icrandunr 13 f'er Schicht 12 erne theoretisch berechnete, von der kreisrunden oder quadratischen (rechteckigen) Form abweichende Form besitzt, ?.. B. die Form einer bestimmten Π linse (Fig. 2.) oder einer bestimmten Rosette (Fig. h> .

Der Uhersichtlichkei t halbe*- zeigen Fit-·. 1 und F-Jg. 3 die Anordnung der erf i ndungPger'HRen Ansk^pn^l-sniegel bezüglich der übrigen Spiegel l't zwoier snezioller aptabiler Pfsonatoren. Der Verlauf der ausgekoppelten Laserstral'lunf 15 ist ebenfalls angedeutet.

- Patentansprüche -

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Claims

MESS-HP SCHMITT-HÖ! ,ROW- ·ϊΙ CWl - 7 - Ottobrunn, '», Okt. 107*1

GESELLSCHAFT PTOl/*

' WIT BFSCIIRÄMiTri: HAFTUNG ire/Ke

MÜNCHEN

V a i entansprttcV>e

J1.JAuskoppelspiegel für astabile Laserresonatoren zur Erzielung einer beugungsbegrenzt en Piverfenz des ' aserstrahls, dadurch gekennzei chnet , daß im zentralen Teil des für die Laserstrahlung durchsichtigen, geschliffenen und polierten Substrats (IC), dessen Vordpr^fläche die für die gewählte Resonatorkonfiguration erforderliche Krümmung aufweist, eine hochreflektierende Schicht ( IP. ^ mit beliebiger, frei wählbarer Berandungsform aufgebracht wird, derart, daß der innerhalb dieser Brranrtung liegende Teil hochreflektierend, der außerhalb liegende Teil dagegen für die Laserstrahlung durchlässig ist.

2. Auskoppelspiegel nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß bei gegebener P.esonatorgeometrie die Form der RückflHche des Substrats entsprechend der Forderung gewählt ist, ob der ausgekoppelte Laserstrahl kollimiert, fokussiert oder divergent sein soll.

3· Auskoppelsniegel nach Anspruch 1, wobei jedoch die Hollen von hochreflektierendem und durchlässigem Dereich vertauscht sind, dadurch gekennzeichnet , daß der innerhalb der beliebigen, frei wählbaren Berandung liegende Bereich für die Laserstrahlung durchlässig, der außerhalb liegende dagegen hochrnflektierrnd ist.

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-P- h. 03:1. IO721

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-1 fpi pj,-rl nach AnsrniTch 3, dadurch f, ο k e η η εei c is η ρ t , daß bei re.rebener T ofionatorgeotretrie Hie Form r'pr >ιογΙ·γρΠ rkti pronden Vorderflnchr ('of- Subrtrats (lC) pntFTirpchoiK¹ oar forcierrar grvnhlt ist, ob (7er äu^.relcoppoltf» laarrFtra'il l'ol 7 i n-i ert, f okupsiert oder divergent e (> i η

5. AvpV.rpnoli nicer· 1 nach f'pn Ansjprürbrn 3 und k, dadurch ^f (> k ρ η η ζ ρ i c h η ρ t , daß durch die Form der ^T-r'ck«pitp des zentmlrn für dip J-aFPrRtralilung durchsichtigen Hereich ε dps iulftrats (l^) dir Parameter der ⁿe?oriP>tor(^reornrtri ο beeinflußt werden können.

f. AuskopTJPlspipjrpl nach den Ansprüchrn 1 bie "5, dad'.irch jr e Ii e η η ζ e ■"" ebnet , daß vor dem Aufbringen der hochref lekti erent?en Schicht (l?) eine Anti ref lexionsschicht f 11^V| auf eine od^r beide Flächen des Substrat? (10) aufeebrncht vird.

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