DE4212978C2 - Process for producing a laser mirror with a radial reflection gradient - Google Patents

Description

Laserspiegel mit radialem Gradient bzw. Verfahren zur Herstellung eines Laserspiegels mit radialem Reflexionsgradient gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sind beispielsweise aus der Druck­ schrift "Q-Switched Nd:YAG-laser with super-Gaussian resonators", Opt. Letters, Vol. 16, No. 9, May 1991 bzw. aus "Recent developments in laser resonators design", Optical and Quantum Electronics, Vol. 23, Nr. 9, Nov. 91, pp 1105-1134 bekannt. Durch die US-Zeitschrift "Appl. Opt.", 22, No. 3, (1983), Seite 441-442 ist die Verwendung von Materialien mit einem radialen Gradienten des Brechungsindex für optische Zwecke bekannt und aus derselben Zeitschrift in den Seiten 432-440 sind Angaben zur Erzeugung von Brechungindexgradienten zu entnehmen. Die Anwendung solcher Spiegel liegt zum einen in der Reduktion von Beugungsverlusten an Laserspiegeln, insbesondere an miniaturisierten Spiegeln in den Fällen, in denen die Laserresonatormode in ihrem Durchmesser nur unwesentlich kleiner ist als der Laserspiegel-Durchmesser, und zum anderen in der Reduktion von Moden höherer Ordnung in transversal gepumpten Lasersystemen.Laser mirror with radial gradient or method for producing a laser mirror with radial reflection gradient according to the preamble of Claim 1 are for example from the print font "Q-Switched Nd: YAG-laser with super-Gaussian resonators", opt. Letters, Vol. 16, No. 9, May 1991 or from "Recent developments in laser resonators design ", Optical and Quantum Electronics, Vol. 23, No. 9, Nov. 91, pp 1105-1134. Through the US magazine "Appl. Opt.", 22, No. 3, (1983), pages 441-442 is the use of materials with known a radial gradient of the refractive index for optical purposes and from the same journal on pages 432-440 are details of To see generation of refractive index gradients. The application on the one hand, such a mirror lies in the reduction of diffraction losses on laser mirrors, especially on miniaturized mirrors in the Cases in which the laser resonator mode only in diameter is insignificantly smaller than the laser mirror diameter, and for others in the reduction of higher order modes in transverse pumped laser systems.

Solche Laserspiegel werden nach dem Stand der Technik in aufwendigen Be­ dampfungsverfahren so hergestellt, daß die Schichtdicken der dielektri­ schen Schichtpakete radial variiert werden. Aus der resultierenden Wel­ lenlängenverschiebung der Reflexionsmaxima der Schichtpakete ergibt sich dann ein radialer Gradient im Reflexionsgrad bei einer definierten La­ serwellenlänge. Diese Bedampfungsverfahren sind bekanntlich jedoch sehr aufwendig und langwierig, da das gezielte Aufwachsen von Schichten mit vorgegebener radialer Dickenvarianz nur schwer zu beherrschen ist.Such laser mirrors are according to the prior art in complex Be vaporization process so that the layer thickness of the dielectri layer packets can be varied radially. From the resulting wel length shift of the reflection maxima of the layer packets results then a radial gradient in the reflectance at a defined La wavelength. These vaporization processes are known to be very, however elaborate and lengthy because the targeted growth of layers with predetermined radial thickness variance is difficult to control.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Laserspiegels der eingangs genannten Art zu schaffen, das wesentlich vereinfacht, qualitativ und wirtschaftlich optimiert ist und Laserspiegel erzeugt, die als "super-gaussian-mirror" verwendet werden können. The present invention has for its object a method for To produce a laser mirror of the type mentioned at the outset, that is significantly simplified, qualitatively and economically optimized and generates laser mirrors that are used as "super-gaussian-mirror" can.  

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angege­ ben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele er­ läutert. Die Figuren der Zeichnung ergänzen diese Erläuterungen. Es zei­ genThis object is achieved by the measures specified in claim 1. Refinements and developments are given in the subclaims ben and in the description below are exemplary embodiments purifies. The figures in the drawing supplement these explanations. It shows gene

Fig. 1 ein Diagramm bezüglich des Brechungsindex-Verlaufes von Gradien­ ten-Index-Linsen (Glasstäbe), Fig. 1 is a diagram with respect to the refractive index curve of Gradien ten-index lenses (glass rods),

Fig. 2 ein Diagramm bezüglich des Reflexionsverlaufes für eine bestimm­ te Wellenlänge in Abhängigkeit von der Position auf dem Spiegel­ substrat über den Spiegeldurchmesser. Fig. 2 is a diagram relating to the reflection curve for a specific te wavelength depending on the position on the mirror substrate over the mirror diameter.

Fig. 3 ein Schemabild eines Schichtpaketes auf einem Substrat mit ra­ dialem Brechungsindexgradienten Fig. 3 is a schematic image of a layer package on a substrate with ra dialem refractive index gradient

Die Erfindung sieht vor, daß ein gleichförmiges di­ elektrisches Schichtpaket auf ein Substrat aufgebracht wird, welches ei­ nen radialen Brechungsindexgradienten aufweist. Wählt man nun das Schichtpaket beispielsweise so, daß das Schichtmaterial mit dem höheren Brechungsindex auf der dem Substrat zugewandten Seite angeordnet ist, so ergibt sich ein dem Brechungsindexverlauf proportionaler Reflexionsver­ lauf.The invention provides that a uniform di electrical layer package is applied to a substrate, which egg has a radial refractive index gradient. Now choose that Layer package, for example, so that the layer material with the higher Refractive index is arranged on the side facing the substrate, so there is a reflection ver proportional to the refractive index curve run.

Die Herstellung von Gläsern mit genau definiertem Brechungsindex-Gra­ dienten ist beim Stand der Technik bereits weitgehend entwickelt worden und wird gut beherrscht. Solche Gläser sind in Form von stabförmigen Mi­ krooptiken unter der Bezeichnung "Gradienten-Index-Linsen (GRIN)" bekannt und erhältlich. Untersuchungen der Anmelderin haben nun ergeben, daß sich solche GRIN-Glasstäbe gut als Substrate für miniaturisierte Spiegel mit radialem Reflexionsgradienten bei Spiegeldurchmessern von ca. 1 bis 3 mm eignen, aber auch zur Herstellung großformatiger Substrate verwend­ bar sind. Der Brechungsindex variiert hierbei typisch von der Mitte bis zum Rande des Substrates mit parabelförmigem Verlauf, wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist.The production of glasses with a precisely defined refractive index gradient has largely been developed in the prior art and is well mastered. Such glasses are known and available in the form of rod-shaped micro optics under the name "gradient index lenses (GRIN)". Investigations by the applicant have now shown that such GRIN glass rods are well suited as substrates for miniaturized mirrors with radial reflection gradients with mirror diameters of approximately 1 to 3 mm, but can also be used for the production of large-format substrates. The refractive index typically varies from the center to the edge of the substrate with a parabolic shape, as can be seen from FIG. 1.

Zur Herstellung von Laserspiegeln mit radialem Reflexionsgradienten wählt man das dielektrische Schichtpaket so, daß das hochbrechende Schichtmaterial nächst dem Substrat zu liegen kommt, woraus sich auf ei­ nem Substrat mit einem radialen Brechungsindexgradienten ein Reflexions­ verlauf ergibt, wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist. Das Schichtpaket setzt sich gemäß Fig. 3 wie folgt zusammen:For the production of laser mirrors with radial reflection gradients, one selects the dielectric layer package in such a way that the high-index layer material comes to lie next to the substrate, which results in a reflection course on a substrate with a radial refractive index gradient, as can be seen from FIG. 2. According to FIG. 3, the layer package is composed as follows:

Auf einem Substrat 10 mit radialem Brechungsindexgradienten werden ab­ wechselnd hoch- (20) und niedrigbrechende (30) Dielektrika so aufge­ bracht, daß eine Reflexion bei einer gewünschten Wellenlänge erreicht wird (λ/4-Schichten) und daß beispielsweise das hochbrechende Medium nächst dem Substrat zu liegen kommt.On a substrate 10 with a radial refractive index gradient, alternating high- ( 20 ) and low-refractive ( 30 ) dielectrics are brought up in such a way that reflection is achieved at a desired wavelength (λ / 4 layers) and that, for example, the high-index medium is next to the substrate comes to rest.

Die Herstellung von Substraten mit radialem Brechungsindexgradienten ist in der Literatur ausführlich beschrieben, so z. B. in E.W.Marchand, "Gra­ dient Index Optics", Academic Press New York, 1978. Als Ausgangsmateria­ lien werden zumeist Gläser oder Kunststoffe verwendet, wobei ein Bre­ chungsindexgradient im Falle der Gläser zumeist durch Diffusions-Ionen­ austausch (Salz-Ätzbad) durchgeführt wird. Auch Ionenimplantationsver­ fahren und Neutronenbestrahlung sind als Herstellungsverfahren bekannt­ geworden.The manufacture of substrates with radial refractive index gradients is described in detail in the literature, e.g. B. in E.M.Marchand, "Gra serves Index Optics, "Academic Press New York, 1978. As the starting material Mostly glasses or plastics are used, with a bre index gradient in the case of glasses mostly due to diffusion ions exchange (salt etching bath) is carried out. Also ion implantation ver driving and neutron radiation are known as manufacturing processes become.

Durch die Abnahme der Reflektivität zum Rande des Spiegels hin, werden sowohl Beugungserscheinungen an den Spiegelrändern gemildert, als auch die Entstehung höherer Lasermoden in beispielsweise transversal gepump­ ten Lasersystemen dadurch verhindert, daß nicht kollinear mit der opti­ schen Achse verlaufende (höhere) Moden einen gegenüber der Grundmode (TEMOO) höheren Resonatorverlust aufweisen. By decreasing the reflectivity towards the edge of the mirror both diffraction symptoms at the mirror edges are alleviated, as well the emergence of higher laser modes in, for example, transversely pumped ten laser systems prevented that not collinear with the opti (higher) modes running along the axis are compared to the basic mode (TEMOO) have higher resonator loss.  

Unter Verwendung von Spiegelsubstraten mit einem radialen Brechungsin­ dexgradient wird somit bei herkömmlicher Bedampfung dielektrischer, ho­ mogener Schichten sehr einfach und wirtschaftlich ein radialer Refle­ xionsgradient erzeugt.Using mirror substrates with a radial refractive index With conventional vapor deposition, the dex gradient is thus dielectric, ho radial layers very easily and economically xions gradient generated.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung eines Laserspiegels mit einem radialen Gradient des Reflexionsgrades, dadurch gekennzeichnet, daß eine gleichförmige dielektrische Schicht oder ein dielektrisches Schichtpaket auf ein Substratmaterial aufgebracht wird, das selbst einen radialen Brechungsindexgradient aufweist, wobei die Schicht oder das Schichtpaket so gewählt wird, daß der Brechungsindexgradient einen maßgeblichen Ein­ fluß auf das Reflexionsverhalten des Schichtpaketes ausübt.1. A method for producing a laser mirror with a radial gradient of the reflectance, characterized in that a uniform dielectric layer or a dielectric layer package is applied to a substrate material which itself has a radial refractive index gradient, the layer or the layer package being chosen such that the refractive index gradient has a significant influence on the reflection behavior of the layer package. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Spiegelsubstrate herkömmliche Gradienten-Index-Linsen Verwendung finden.2. The method according to claim 1, characterized in that as Mirror substrates conventional gradient index lenses are used. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den jeweils gegebenen Wellenlängenbereich optisch transparente Materialien - beispielsweise Gläser oder Kunststoffe - als Spiegelsubstrat verwendet werden, in welchen durch geeignete Prozesse - wie beispielsweise Diffu­ sions-Ionenaustausch, Ionenimplantation oder Neutronenbestrahlung - ein radialer Brechungsindexgradient erzeugt wird.3. The method according to claim 1, characterized in that for the given given wavelength range optically transparent materials - For example glasses or plastics - used as a mirror substrate in which suitable processes - such as Diffu ion exchange, ion implantation or neutron irradiation radial refractive index gradient is generated.