DE4303404C2 - Laseroszillator - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Laseroszillator gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 3.
Ein Laseroszillator der gattungsgemäßen Art ist aus der GB-
Z.: "Optics & Laser Technology", Vol. 21, No. 6, 1989, S. 389
bis 391, bekannt. Es ist dort ein einzelner konischer Spiegel
mit einem Scheitelwinkel von 90° vorgesehen, wobei die
konische Oberfläche des konischen Spiegels auf der optischen
Achse liegt und mit Abstand zu einem zweiten Spiegel mit
einer teilreflektierenden, ebenen Oberfläche angeordnet ist.
Nachteilig ist bei diesem bekannten Laseroszillator jedoch,
daß seine Gesamtlänge relativ groß ist und der
Transmissionswirkungsgrad stark verschlechtert wird, wenn ein
nachgeschalteter Wellenhohlleiter verwendet wird, der nicht
gerade, sondern gebogen ist.
Weiterhin ist aus der EP 0 383 586 A2 eine Laservorrichtung
bekannt, bei der zwischen zwei ebenen, voll reflektierenden
Spiegeln eine Gasentladungsröhre sowie ein schräggestellter,
teilreflektierender Spiegel angeordnet ist, um einen
Ausgangs-Laserstrahl senkrecht zur optischen Achse des
Laseroszillators zu richten.
Bei dem aus der US 4,292,602 bekannten Laseroszillator ist
ein kubisches Prisma mit drei jeweils paarweise senkrecht
aufeinander stehenden reflektierenden Oberflächen vorgesehen,
wodurch ein zum einfallenden Laserstrahl paralleler
Ausgangsstrahl auch dann erreicht werden soll, wenn das
Prisma relativ zum gegenüberliegenden Reflektor ungenau
ausgerichtet ist.
Aus der DE 30 13 217 A1 ist eine Laservorrichtung mit zwei
End-Prismen, einem Eck-Prisma und einem Umlenk-Prisma
bekannt. Diese Komponenten sind derart angeordnet, daß eine
Strahlung, die von einem Endreflektor zum anderen läuft,
einmal durch das Eck-Prisma und zweimal durch das Umlenk-
Prisma hindurchläuft. Weiterhin ist im optischen Hohlraum ein
Strahlteilungs-Polarisator vorgesehen, um einen Laser-
Ausgangsstrahl zu erzeugen.
Weiterhin ist ein Wellenhohlleiter zum Übertragen eines
Laserstrahls bekannt. Der Laserstrahl geht durch den
Wellenhohlleiter hindurch und wird dabei von einer inneren
Begrenzungsfläche des Wellenhohlleiters reflektiert. Es ist
vorteilhaft, daß der Wellenhohlleiter einen kreisförmigen
Querschnitt hat. Die Gründe dafür sind, daß ein im
Querschnitt kreisförmiger Wellenhohlleiter in eine beliebige
Richtung gebogen werden kann und daß der Biegewiderstand des
Wellenhohlleiters in allen Richtungen konstant ist.
Um den Transmissionswirkungsgrad dann zu erhöhen, wenn der
Laserstrahl durch den im Querschnitt kreisförmigen Wellen
hohlleiter hindurchgeht, wird vorzugsweise ein tangential po
larisierter Laserstrahl (TE₀₁-Mode-Laserstrahl) verwendet. In
den "Applied Physics Letters", Band 38 (10), 1981, gibt es
einen Artikel mit dem Titel "Low-order TE0q operation of a
CO₂ laser for transmission through circular metallic wave
guides"; dieser Artikel offenbart einen CO₂-Laseroszillator,
der dazu dient, einen TE0q-Mode-Laserstrahl zu erzeugen. Die
ser Laseroszillator weist ein Entladungsrohr auf, das ein
CO₂-Gas enthält. Ein erster Spiegel und eine konvexe Linse
sind an sich gegenüberliegenden Enden des Entladungsrohrs
angeordnet. Ein gerades Metallrohr und ein zweiter Spiegel
sind axial zu dem Entladungsrohr angeordnet. Die
reflektierenden Oberflächen des ersten und des zweiten
Spiegels sind einander entgegengesetzt. Die konvexe Linse und
das Metallrohr sind zwischen dem ersten und dem zweiten
Spiegel angeordnet. Ein Laserstrahl, der von dem ersten
Spiegel parallel zu einer optischen Achse dieses Laserstrahls
reflektiert wird, fällt auf die konvexe Linse und wird
konzentriert von ihr und dann einem Endabschnitt des
Metallrohres zugeführt. Der so dem Metallrohr zugeführte
Laserstrahl geht durch das Metallrohr hindurch und wird dabei
von einer inneren Begrenzungsfläche des Metallrohres
reflektiert und wird dann von dem anderen Ende des
Metallrohres ausgesendet. Dieser Laserstrahl wird von dem
zweiten Spiegel reflektiert, so daß er wieder in das andere
Ende des Metallrohres eintritt. Der so in das Metallrohr
eingeführte Laserstrahl geht durch das Metallrohr hindurch
und wird dabei von der inneren Begrenzungsfläche des
Metallrohres auf die gleiche Weise, wie oben beschrieben, re
flektiert, und geht dann von dem oben erwähnten einen Ende
weiter in Richtung der konvexen Linse, wobei er divergiert.
Dieser Laserstrahl wird von der konvexen Linse parallel zu
der oben genannten optischen Achse gemacht, und man läßt ihn
in Richtung des ersten Spiegels weitergehen, so daß er von
diesem ersten Spiegel reflektiert wird. Während dieses Vor
gangs der Hin- und Herbewegung des Laserstrahls zwischen dem
ersten und dem zweiten Spiegel wird der Laserstrahl verstärkt
und von dem Metallrohr in die TE0q-Mode polarisiert. Der er
ste oder der zweite Spiegel ist halbdurchlässig. Den ver
stärkten Laserstrahl läßt man durch diesen halbdurchlässigen
Spiegel hindurchgehen und austreten.
Der erste Spiegel hat zwar eine konkave Reflexionsfläche,
dies ist jedoch nur zum Korrigieren der Divergenz des Laser
strahls, so daß er parallel zu der optischen Achse gehalten
wird, und die konkave Reflexionsfläche hat nicht die Aufgabe,
den Laserstrahl tangential zu polarisieren. Da der Krümmungs
radius der Reflexionsfläche des ersten Spiegels ungefähr 5 m
beträgt, während der Durchmesser des Entladungsrohres unge
fähr 11 mm ist, kann diese Reflexionsfläche als eine im
großen und ganzen ebene Fläche angesehen werden.
Da bei dem bekannten Laseroszillator das Metallrohr, das
einen Laserstrahl in die TE0q-Mode bringt, im geradlinigen
Abstand von dem Entladungsrohr angeordnet sein muß, hat der
Laseroszillator zwangsweise eine große Gesamtlänge. Außerdem,
wenn der erzeugte Laserstrahl durch den im Querschnitt
kreisförmigen Wellenhohlleiter hindurchgeleitet wird, ist der
Transmissionswirkungsgrad hoch, wenn der Wellenhohlleiter
gerade ist, jedoch wird der Transmissionswirkungsgrad
erheblich abgesenkt, wenn der Wellenhohlleiter mit einem
kleinen Krümmungsradius gebogen ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen
Laseroszillator zu schaffen, bei dem ein Laserstrahl, der
einen hohen Transmissionswirkungsgrad hat, einem im
Querschnitt kreisförmigen Wellenhohlleiter zugeführt werden
kann, ohne die Größe des Geräts zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Laseroszillator gemäß Anspruch 1 bzw. Anspruch 3 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den
weiteren Ansprüchen beschrieben.
Beim erfindungsgemäßen Lasergenerator gemäß Anspruch 1 sind
die reflektierenden Oberflächen des ersten und des zweiten
Spiegels jeweils konische Oberflächen, wobei der zweite
Spiegel einen Teil des Laserstrahls hindurchtreten läßt,
wodurch die Emissionseinrichtung gebildet ist.
Beim erfindungsgemäßen Laseroszillator gemäß Anspruch 3 sind
die reflektierenden Oberflächen des ersten und des zweiten
Spiegels jeweils konische Oberflächen und reflektieren den
Laserstrahl vollständig. Zusätzlich weist die
Emissionseinrichtung einen dritten Spiegel auf, der zwischen
dem ersten und dem zweiten Spiegel angeordnet und gegenüber
der optischen Achse geneigt ist, wobei der dritte Spiegel
einen Teil des Laserstrahls reflektiert und den Rest
durchläßt.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen im folgenden
beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Laser
oszillators nach der Erfindung;
Fig. 2 ein Diagramm, das den Transmissionswirkungsgrad
eines Laserstrahls bezogen auf die Krümmung eines
Wellenhohlleiters zeigt;
Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Laserstrahls im pola
risierten Zustand; und
Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung eines abgewandelten
Laseroszillators nach der Erfindung.
Der in Fig. 1 gezeigte Laseroszillator ist ein CO₂-Laseroszillator
und hat ein Entladungsrohr 10. Das Entladungsrohr 10
hat entgegengesetzte Endabschnitte 11 und 12, deren jeweili
ger Durchmesser groß ist. Eine Gaseinlaßöffnung 11a und eine
Gasauslaßöffnung 12a sind in den Begrenzungswänden der entge
gengesetzten Endabschnitte 11 bzw. 12 gebildet. Hauptsächlich
aus CO₂ bestehendes Gas wird durch die Eingangsöffnung 11a in
das Gasentladungsrohr 10 geleitet und durch die Auslaßöffnung
12a austreten gelassen.
Ein Paar Entladungselektroden 21 und 22 zum Pumpen des ge
nannten Gases sind in den entgegengesetzten Enden 11 und 12
des Entladungsrohres 10 jeweils angeordnet.
Außerdem sind Spiegel 31 und 132 an den entgegengesetzten En
den 11 und 12 des Entladungsrohrs 10 jeweils angeordnet. Die
Spiegel 31 und 132 haben jeweils reflektierende Oberflächen
31a und 132a, die einander zugekehrt sind. Der eine Spiegel 31
ist aus einem Material hergestellt, das in der Lage ist, In
frarotstrahlung zu reflektieren. Ein solches Material ist
beispielsweise Aluminium, Kupfer oder rostfreier Stahl. Die
reflektierende Oberfläche 31a des Spiegels 31 ist eine koni
sche Oberfläche, die einen Scheitelwinkel von 90° hat und
hochglanzpoliert ist. Diese konische Oberfläche divergiert in
Richtung des anderen Spiegels 132 unter einem Winkel von 45°
bezüglich einer Mittelachse des Entladungsrohrs 10, nämlich
einer optischen Achse A, wobei der Scheitel der konischen
Oberfläche auf der optischen Achse A angeordnet ist. Der an
dere Spiegel 132 ist aus einem Material hergestellt, das In
frarotstrahlung übertragen kann, wie z. B. ZnSe.
Die reflektierende Oberfläche 132a ist mit einem Metall beschich
tet, das in der Lage ist, Infrarotstrahlung derart zu reflek
tieren, daß der Spiegel 132 einen Teil des Laserstrahls hin
durchtreten läßt. Der Reflexionsindex des Spiegels 132 beträgt
ungefähr 50 bis 90% bezogen auf den Laserstrahl.
Die reflektierende
Oberfläche 132a des halbdurchlässigen Spiegels 132 ist ebenfalls konisch.
Ein Vorsprung 135, der eine
konische Oberfläche 135a hat, ist auf der zu der reflektierenden
Oberfläche 32a gegenüberliegenden Seite des Spiegels 132 ge
bildet. Die konische Oberfläche 135a hat die gleiche Form wie
die reflektierende Oberfläche 132a und ist um 45° gegenüber
einer optischen Achse A geneigt, wobei der Scheitel der koni
schen Oberfläche 135a auf der optischen Achse A angeordnet
ist. Der Laserstrahl wird von der reflektierenden Oberfläche
132a gebrochen, um durch den Spiegel 132 hindurchzugehen, wo
nach er von der konischen Oberfläche 135a nochmals gebrochen
wird, um auf einem zu der optischen Achse A parallelen Licht
strahl zurückgebracht zu werden, und er fällt dann auf eine
konvexe Linse 50.
Ein Ende eines Wellenhohlleiters 40 aus Metall ist mit Abstand zum Spiegel 132 auf
der optischen Achse A angeordnet.
Ferner ist die konvexe Linse 50 auf der
optischen Achse A zwischen dem Spiegel 132 und dem einen Ende
des Wellenhohlleiters 40 angeordnet. Der Wellenhohlleiter 40
ist vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Spiegel
31.
Der im Infrarotbereich im Entladungsrohr 10 erzeugte Laser
strahl wird durch eine stimulierte Emission weiter verstärkt,
während er innerhalb der und zwischen den Spiegeln 31 und 132
hin- und hergeht. Außerdem wird dieser Laserstrahl bezüglich
der optischen Achse A tangential polarisiert, wie in Fig. 3
gezeigt ist, jedesmal wenn er von den reflektierenden Oberflächen
31a und 132a der die konischen Oberflächen aufweisenden Spiegel
31, 132 reflektiert wird. Da die reflektierenden Oberflächen 31a, 132a um
45° bezüglich der Achse A geneigt sind, wird der Laserstrahl
zweimal von den reflektierenden Oberflächen 31a, 132a reflektiert
und in Richtung des gegenüberliegenden Spiegels derart geworfen, daß er zu
der optischen Achse A parallel ist.
Der so verstärkte Laserstrahl tritt durch den Spiegel 132 hin
durch, wird von der konvexen Linse 50 fokussiert und dann dem
einen Ende des Wellenhohlleiters 40 zugeführt. Da der Laser
strahl genügend tangential polarisiert ist, wie durch die
durchgezogene Linie in Fig. 2 dargestellt ist, wird ein hoher
Transmissionswirkungsgrad selbst dann aufrechterhalten, wenn
der Wellenhohlleiter 40 eine Biegung mit einer großen Krüm
mung, d. h. mit einem kleinen Krümmungsradius, aufweist. Zum
Vergleich ist der Transmissionswirkungsgrad des Laserstrahls,
der mit dem in dem oben genannten Artikel beschriebenen Gerät
erhalten wird, in Fig. 2 mit einer gestrichelten Linie darge
stellt.
Da die konischen reflektierenden Oberflächen 31a, 132a der Spiegel
31, 132, die an jeweils einem Ende des Entladungsrohrs 10 angeordnet sind,
dazu verwendet werden, den tangential polarisierten Laserstrahl
zu erhalten, kann auf das Metallrohr der bekannten Vorrich
tung verzichtet werden, wodurch die erfindungsgemäße Vorrich
tung eine kompakte Form erhält.
Bei einer weiteren Ausführungsform, die in Fig. 4 gezeigt
ist, ist eine transparente Platte 200, die Infrarotstrahlen
durchläßt und aus ZnSe hergestellt ist, an einem Endabschnitt
12 eines Entladungsrohres 10 auf einer optischen Achse A an
geordnet. Neben dem Entladungsrohr 10 ist ein Spiegel 232 auf
der optischen Achse A derart angeordnet, daß er einen Abstand
von der transparenten Platte 200 hat und dieser zugekehrt
ist. Der Spiegel 232 ist aus dem gleichen Material wie der
Spiegel 31 und hat die gleiche Form wie der Spiegel 31. Eine
reflektierende Oberfläche 232a des Spiegels 232 steht einer
reflektierenden Oberfläche 31a des Spiegels 31 gegenüber.
Außerdem ist ein halbdurchlässiger Spiegel 240 auf der opti
schen Achse A angeordnet. Der Spiegel 240 ist aus ZnSe herge
stellt und hat eine flache Plattenform, wobei eine Oberfläche
des Spiegels 240 mit einem reflektierenden Material derart
beschichtet ist, daß der Transmissionsfaktor des Spiegels 240
50 bis 95% beträgt. Da auch bei dieser Ausführungsform die
reflektierenden Oberflächen 31a und 232a der beiden Spiegel
31 und 232 konische Oberflächen sind, kann der Laserstrahl
wirkungsvoll tangential polarisiert werden. Der verstärkte
Laserstrahl wird von dem Spiegel 240 reflektiert, so daß er
sich in zwei Richtungen weiter bewegt, wonach er von den kon
vexen Linsen 50 konzentriert wird, um dem einen Ende eines
Wellenhohlleiters 40 zugeführt zu werden.
Weitere Änderungen und Abwandlungen können gemacht werden,
ohne vom Grundgedanken der Erfindung abweichen zu müssen.
Beispielsweise kann auch ein anderer Laser als ein CO₂-Laser
verwendet werden.
Obwohl der Laserstrahl nach der Erfindung durch einen Wellen
hohlleiter geleitet werden kann, dessen innere Begrenzungs
fläche aus Metall besteht, kann er auch durch einen Wellen
hohlleiter geleitet werden, der aus einem Metallrohr besteht,
dessen innere Begrenzungsfläche mit einem Dielektrikum, wie
z. B. Germanium, versehen ist.
Claims (7)
1. Laseroszillator mit
- a) einem ersten und einem zweiten Spiegel (31, 132), die auf einer optischen Achse (A) im Abstand voneinander angeordnet sind und zueinander entgegengesetzte reflektierende Oberflächen (31a, 132a) haben, und zwischen denen ein optischer Pfad für einen hin- und hergehenden Laserstrahl gebildet ist;
- b) einer Emissionseinrichtung (132) zum Emittieren eines Laserstrahls von dem optischen Pfad zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel (31, 132);
- c) einem Lasermedium, das zwischen dem ersten und zweiten Spiegel (31, 132) angeordnet ist; und
- d) einer Pumpeinrichtung (21, 22) zum Pumpen des Lasermediums; wobei
- e) die reflektierende Oberfläche (31a, 132a) von mindestens einem der Spiegel (31, 132) eine konische Oberfläche ist, die einen Scheitelwinkel von 90° hat, wobei die konische Oberfläche mit ihrem Scheitel auf der optischen Achse (A) liegt und mit der optischen Achse (A) einen Winkel von 45° bildet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die reflektierenden Oberflächen (31a, 132a) des ersten und des zweiten Spiegels (31, 132) jeweils konische Oberflächen sind, wobei der zweite Spiegel (132) einen Teil des Laserstrahls hindurchtreten läßt, wodurch die Emissionseinrichtung gebildet ist.
daß die reflektierenden Oberflächen (31a, 132a) des ersten und des zweiten Spiegels (31, 132) jeweils konische Oberflächen sind, wobei der zweite Spiegel (132) einen Teil des Laserstrahls hindurchtreten läßt, wodurch die Emissionseinrichtung gebildet ist.
2. Laseroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Spiegel (132) auf der zu dessen reflektierenden
Oberfläche (132a) entgegengesetzten Seite mit einem Vorsprung
(135) versehen ist, der eine zweite konische Oberfläche (135a)
hat, die unter einem Winkel von 45° bezüglich der optischen
Achse (A) angeordnet ist, wobei der Scheitel der zweiten
konischen Oberfläche (135a) auf der optischen Achse (A) liegt.
3. Laseroszillator mit
- a) einem ersten und einem zweiten Spiegel (31, 232), die auf einer optischen Achse (A) im Abstand voneinander angeordnet sind und zueinander entgegengesetzte reflektierende Oberflächen (31a, 232a) haben, und zwischen denen ein optischer Pfad für einen hin- und hergehenden Laserstrahl gebildet ist;
- b) einer Emissionseinrichtung zum Emittieren eines Laserstrahls von dem optischen Pfad zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel (31, 232);
- c) einem Lasermedium, das zwischen dem ersten und zweiten Spiegel (31, 232) angeordnet ist; und
- d) einer Pumpeinrichtung (21, 22) zum Pumpen des Lasermediums; wobei
- e) die reflektierende Oberfläche (31a, 232a) von mindestens einem der Spiegel (31, 232) eine konische Oberfläche ist, die einen Scheitelwinkel von 90° hat, wobei die konische Oberfläche mit ihrem Scheitel auf der optischen Achse (A) liegt und mit der optischen Achse (A) einen Winkel von 45° bildet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die reflektierenden Oberflächen (31a, 232a) des ersten und des zweiten Spiegels (31, 232) jeweils konische Oberflächen sind und den Laserstrahl vollständig reflektieren, und die Emissionseinrichtung einen dritten Spiegel (240) aufweist, der zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel (31, 232) angeordnet und gegenüber der optischen Achse (A) geneigt ist, wobei der dritte Spiegel (240) einen Teil des Laserstrahls reflektiert und den Rest durchläßt.
daß die reflektierenden Oberflächen (31a, 232a) des ersten und des zweiten Spiegels (31, 232) jeweils konische Oberflächen sind und den Laserstrahl vollständig reflektieren, und die Emissionseinrichtung einen dritten Spiegel (240) aufweist, der zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel (31, 232) angeordnet und gegenüber der optischen Achse (A) geneigt ist, wobei der dritte Spiegel (240) einen Teil des Laserstrahls reflektiert und den Rest durchläßt.
4. Laseroszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermedium hauptsächlich aus
CO₂-Gas besteht und die Pumpeinrichtung aus einer
Entladungseinrichtung (21, 22) besteht, die in einem Rohr (10)
angeordnet ist, das koaxial zu der optischen Achse (A)
angeordnet und mit CO₂ gefüllt ist.
5. Laseroszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste und der zweite Spiegel (31, 132) an
entgegengesetzten Endabschnitten des Rohres (10) angeordnet
sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4345289A DE4345289C2 (de) | 1992-02-07 | 1993-02-05 | Optische Anordnung mit einem Laseroszillator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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