DE4311305C2 - Laser mit instabilem Resonator für ringförmige aktive Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Laser mit instabilem Resonator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die ringförmige Medien effektiv ausnutzen, unabhängig davon, ob es sich um feste, flüssige oder gasförmige Medien handelt.

Herkömmliche Lasersysteme machen Gebrauch von zylindri­ schen verstärkenden Medien mit sphärisch gekrümmten Resonatorendspiegeln, deren Krümmungsscheitel und Krüm­ mungsmittelpunkte auf einer Achse liegen, die durch Faltungen der Anordnung des aktiven Mediums angepaßt wird.

Neben zylindrischen angeregten Medien werden auch ring­ förmig angeregte verstärkende Medien verwendet, deren Geometrie ebenfalls durch Faltung, teilweise mit sphä­ risch gekrümmten Faltungsspiegeln ausgenutzt wird.

Derartige nach DE 35 15 679 C1 ausgeführte Resonatoren können sowohl stabil, als auch instabil ausgelegt sein. Neben zylinderförmigen Medien kann bei bestimmten La­ sersystemen die Verwendung von Medien mit ringförmigem Querschnitt bezüglich Kompaktheit und Preis von Vorteil sein (z. B. Gaslaser mit koaxialer Elektrodenanordnung, koaxiale Nd-YAG-Laser und Flüssigkeits-(Dye-)Laser mit axialer Pumplichtquelle).

Zur Ausnutzung ringförmiger verstärkender Medien werden unterschiedliche Resonatoren verwendet.

Beim Einsatz stabiler Resonatoren nach L.W. Casperson, M.S. Shekhani "Mode properties of annular gain lasers" Appl. Optics, vol. 14, no. 11, 1975 wird ein Resonator mit einem toroidalen Spiegel, bei dem der "Krümmungs­ mittelpunkt" der Spiegelfläche außerhalb der Symmetrie­ achse auf einem Kreis liegt, und einem planen Auskop­ pelspiegel beschrieben.

Der Laserstrahl wird auf dem gesamten Umfang ausgekop­ pelt und hat dadurch einen Außendurchmesser, der dem Radius der äußeren Begrenzung des verstärkenden Mediums entspricht.

Die Autoren weisen darauf hin, daß eine Zusammenfassung des Laserstrahls zu verbesserter Modenkontrolle führt, ohne jedoch eine konkrete Ausführungsform vorzuschlagen.

Mit dem in DE 35 15 679 C1 beschriebenen Laser, der einen Lichtstrahl-mittels zweier sphärischer Spiegel mehrfach durch eine koaxiale Gasentladung faltet, wird das ver­ stärkende Medium nur unvollständig ausgenutzt.

Weiterhin ist zur weitergehenden Ausnutzung von Laser­ medien mit ringförmigem Querschnitt durch stabile Reso­ natoren vorgeschlagen worden, die Endspiegel der Reso­ natoren als Ringspiegel mit torusförmiger Oberfläche auszubilden.

Die Krümmungsmittelkreise der Torusspiegel sind so gewählt, daß die dadurch definierte zylinderförmige "optische Achse" im verstärkenden Medium so plaziert ist, daß die Verluste minimiert und die Ausnutzung des Mediums optimiert wird.

Zur Auskopplung wird die Strahlung innerhalb des Reso­ nators durch ein oder mehrere Axicon-Spiegel auf einem teiltransmittierenden Auskoppelspiegel mit angepaßter Krümmung zusammengefaßt.

In US 4,050,036 werden instabile Resonatoren für aktive Medien mit ringförmigem Querschnitt vorgestellt, bei denen die Strahlung innerhalb des Resonators durch ein Axicon zur Rotationsachse des Anregungssystems oder zur Rotationsachse des konvexen Endspiegels zusammengefaßt wird.

Die Auskopplung erfolgt dabei durch transmittierende Fenster mit ausgebrachtem Endspiegel oder durch Scra­ perspiegel.

In P.B. Mumola, H.J. Robertson, G.N. Steinberg, I.L. Kreuzer, A.W. Mc Cullough "Unstable resonators for annular gain volume lasers" Appl. Optics, vol. 17, no. 6, 1978 und R.A. Chodzko, S.B. Mason, E.F. Cross "Annu­ lar converging wave cavity" Appl. Optics, vol. 15, no. 9, 1976 werden weiter instabile Resonatoren beschrie­ ben, die ringförmige Medien ausnutzen.

Das ist einmal der "converging wave unstable (CWUR) resonator" und zum anderen der "half-symmetric unstable resonator with internal axicon (HSURIA)".

Beim CWUR liegt der Radius des ausgekoppelten Strahls in der Größenordnung des Außenradius des verstärkenden Mediums.

Der HSURIA verwendet einen Axicon-Spiegel, der aus zwei konischen Spiegelflächen besteht, zur Zusammenfassung des Laserstrahls.

Sowohl CWUR als auch HSURIA sind instabile Resonatoren, die wegen hoher Verluste nur für hoch verstärkende Medien geeignet sind. Diese Resonatoren weisen eine hohe Justierempfindlichkeit auf. Die Aufweitung der optischen Achse zu einem Kreiszylinder und die hohe Fresnelzahl in azimutaler Richtung führen zum Auftreten von Moden mit hoher azimutaler Modenordnung.

Darüber hinaus sind aus DE 41 23 024 A1 und DE-GM 90 03 331 Resonatoren bekannt, bei denen ein instabiler Reso­ nator mittels nichtrotationssymmetrischer Torusspiegel ("Wendelspiegel") realisiert wird.

Dabei wird der Strahlengang innerhalb des Resonators durch die Formung der Spiegel in Umfangsrichtung ge­ lenkt. Die Auskopplung erfolgt über eine Bohrung am Ende der "Wendel". Die hierfür notwendigen Spiegel sind wegen des aufwendigen Fertigungsverfahrens wesentlich teurer als rotationssymmetrische Spiegel.

Ein zylindersymmetrischer instabiler Resonator mit Auskopplung auf der optischen Achse unter Verwendung torischer Optiken im Resonator wird in US 3,873,942 beschrieben.

Ebenso geht aus einem Artikel von E.F. Yelden et al., "Multichannel laser resonator - an experimental study", Optical and Quantum Electronics, 24, 1992, S. 889-902 aus Fig. 3 auf Seite 892 eine Querschnittsdarstellung eines Resonators hervor, der Spiegel mit torisch ge­ formten Spiegeloberflächen aufweist.

Bisher haben die referierten Ausführungen (mit Ausnahme der in DE 35 15 679 C1 beschriebenen Resonatoren bei klei­ nen Leistungen) keine Verbreitung und keine kommerziel­ le Nutzung gefunden, da die verwendeten instabilen Resonatoren auf hochverstärkende Medien angewiesen waren und zu hohen Instabilitäten im Betrieb neigen.

Abgeleitet aus dem dargestellten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine vollständige und damit effektive Ausnutzung des aktiven Mediums durch den eingesetzten instabilen Resonator zu gewährleisten und die Zahl der zu justierenden Bauelemente zu verringern.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß ist ein Laser mit einem instabilen Resonator, der ein aktives Medium mit ringförmigen Querschnitt zwischen zwei Ringspiegeln aufweist, deren Spiegeloberflächen der Oberfläche eines Abschnittes eines Torus entsprechen, derart ausgebildet, daß die Strahlauskopplung entlang eines ununter­ brochenen ringförmigen Spaltes, der zwischen einer zylinderförmigen Begrenzungswand für das aktive Medium und der Innen- oder Außenkante eines der beiden Ringspiegel (1, 2) besteht erfolgt. Der ringförmige Spalt ist insbesondere nicht durch konstruktive Be­ festigungsmaßnahmen unterbrochen. Ferner ist er­ findungsgemäß eine Spiegelanordnung zur Strahlzusammenführung des unmittelbar den Spalt passierenden, ringförmigen Austrittsstrahls zu einem, einen im Strahlquerschnitt reduzierten Laserstrahl außer­ halb des Resonators vorgesehen und bildet zusammen mit dem, den Spalt bildenden Ringspiegel ganz oder teil­ weise eine Einheit.

Ausgehend von dem ringförmigen Aufbau des erfindungsge­ mäßen Resonators ist keine singuläre optische Achse vorhanden.

Aufgrund des großen Verhältnisses von Umfang zu Spalt­ höhe kann der Resonator als quasi- eindimensional auf­ gefaßt werden.

Die Verbindung der Krümmungsmittelpunkte der beiden torusförmigen Ringspiegel bei einem festen Azimutwin­ kei stellt eine lokale optische Achse dar. Durch die Rotationssymmetrie entsteht eine Kegelfläche optischer Achsen, die durch die Krümmungsmittellinien der beiden torusabschnittsförmigen Ringspiegelflächen bestimmt wird.

Der instabile Resonator kann so angeordnet werden, daß die Kegelfläche der optischen Achsen entweder auf der Innen- oder der Außenseite des instabilen Resonators liegt. Der Auskoppelspalt befindet sich dementsprechend auf der den optischen Achsen gegenüberliegenden Seite der Ringspiegel, da in instabilen Resonatoren die Strahlung von der optischen Achse wegwandert.

Nach Auskopplung aus dem Ringspalt erfolgt die Zusam­ menfassung der Strahlung zur Rotationsachse hin z. B. mittels eines an sich bekannten Axicons oder Re­ flaxicons.

Bei Auskopplung auf der Innenseite der Ringspiegel können Ringspiegel und Axicon in einem Teil mit drei Spiegelflächen gefertigt werden.

Sofern eine Durchführung der zusammengeführten Strah­ lung entlang der Symmetrieachse des Systems nicht mög­ lich ist, kann bei Auskopplung auf der Außenseite des Ringspiegels zumindest die Spiegelfläche des Ringspie­ gels, sowie des kritischen, inneren Kegels eines Re­ flaxicons in einem Bauteil ausgeführt werden.

Durch die Lage des Axicons oder Reflaxicons außerhalb des Resonators werden negative Einflüsse der Strahlfor­ mung durch fertigungsbedingte Fehler der Kegelflächen, Positionierfehler der Kegelflächen zueinander, sowie durch die Singularität der Axiconabbildung im Bereich der inneren Kegelspitze auf resonatorinterne Verluste und Strahlführung ausgeschlossen.

Wesentliche Vorteile der Erfindung bestehen in der großflächigen Anregung des aktiven Mediums und in der damit einhergehenden vollständigen Ausnutzung des akti­ ven Mediums durch den instabilen Resonator.

Durch den erfindungsgemäßen konstruktiven Aufbau des Resonators wird die Zahl der zu justierenden Funktions­ elemente reduziert; die nachteilige Anordnung des Axicons innerhalb des instabilen Resonators wird ver­ mieden.

Des weiteren können rotationssymmetrische und damit kostengünstige Spiegel eingesetzt und abhängig vom jeweiligen spezifischen konstruktiven Aufbau mehrere justierempfindliche Spiegel in einem Bauteil zusammen­ gefaßt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla­ risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er­ findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 Schnittdarstellung eines instabilen Resonators mit außen liegender optischer Achse,

Fig. 2 analoge Schnittdarstellung mit innen liegender optischer Achse,

Fig. 3 Schnittdarstellung eines instabilen Laserreso­ nators mit Einrichtungen zur Zusammenfassung der Laserstrahlung.

Fig. 1 zeigt im Schnitt einen instabilen Resonator für ringförmige aktive Medien. Der Laserresonator verfügt über zwei Ringspiegel mit torusabschnittsförmiger Oberfläche 1, 2 und wird von den Wänden des Ringspaltes zur Anregung des Mediums bzw. der zylinderförmigen inneren sowie äußeren Begrenzung 3, 4 des angeregten Mediums umschlossen.

Der gesamte Aufbau des Resonators ist symmetrisch zur Symmetrieachse 6.

Die Auskopplung eines Laserstrahls 5.1 erfolgt durch einen Ringspalt zwischen der inneren Begrenzung 4 des Anregungsvolumens und dem inneren Rand des an der Aus­ koppelseite liegenden Ringspiegels mit torusabschnittsförmiger Oberfläche 2.

Die optische Achse 8 liegt bei dieser Ausführungsform außerhalb des instabilen Resonators.

In Fig. 2 ist die analoge Ausführungsform eines Laserre­ sonators mit Auskopplung des Laserstrahls 5.1 zwischen der äußeren Begrenzung 3 des aktiven Mediums und dem äußeren Rand des an der Auskoppelseite liegenden Rings­ spiegels mit torusabschnittsförmiger Oberfläche 2 dargestellt. Die optische Achse 8 befindet sich hier innerhalb des in­ stabilen Resonators.

Fig. 3 veranschaulicht den erfindungsgemäßen Laserreso­ nator mit Einrichtungen zur Zusammenfassung der Laser­ strahlung 5.1 zu einem Strahl 5.2. Wesensmerkmal der Erfindung ist es dabei, daß diese Einrichtungen außer­ halb des instabilen Resonators angeordnet sind.

In beiden Ausführungsvarianten nach Fig. 3.1 und 3.2 sind die optischen Elemente zur Formung der aus­ gekoppelten Strahlung 5.1 konstruktiv so ausgeführt, daß sie ganz oder teilweise in einem optischen Bauteil zusammen mit einem der Resonatorspiegel 1, 2 konfi­ guriert sind.

Dabei erfolgt in der Ausführungsform nach Fig. 3.1 die Auskopplung auf dem Innenseite des Ringspiegels 2 mit der Konsequenz, daß Ringspiegel 2 und Axicon in einem einzigen Bauteil mit drei Spiegelflächen 7.1, 7.2 aus­ gebildet sind.

Bei Einsatz eines 180°-W-Axicons 7 ergibt sich ein Strahlengang von der parallel zur Symmetrieachse 6 auf die äußere, kegelförmige Spiegelfläche 7.1 einfallenden Strahlung 5.1, reflektiert in Richtung der Symmetrie­ achse 6 auf eine innere kegelförmige Spiegelfläche 7.2 und von hier reflektiert parallel zur Symmetrieachse mit entgegengesetzter Richtung zur zusammengefaßten Strahlung 5.2.

Eine Ausführungsform zur Auskopplung des Laserstrahls 5.1 auf der Außenseite des Ringspiegels 2 zeigt Fig. 3.2.

Hier ist die Spiegelfläche des Ringsspiegels 2 und der hinsichtlich Justierung kritische innere Kegel des Reflaxicons 9 in einem optischen Bauteil ausgeführt.

Bei dieser Konfiguration der Einrichtung für die Zusam­ menfassung der Laserstrahlung wird der zusammengefaßte Laserstrahl 5.2 in axialer Richtung vom Laserresonator weggeführt.

Claims (6)

1. Laser mit einem instabilen Resonator, der ein aktives Medium mit ringförmigen Querschnitt zwischen zwei Ringspiegeln aufweist, deren Spiegeloberflächen der Oberfläche eines Abschnittes eines Torus entsprechen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• - die Strahlauskopplung erfolgt entlang eines ununter­ brochenen ringförmigen Spaltes, der zwischen einer zylinderförmigen Begrenzungswand für das aktive Medium und der Innen- oder Außenkante eines der beiden Ringspiegel (1, 2) besteht und
• - eine Spiegelanordnung zur Strahlzusammenführung des unmittelbar den Spalt passierenden, ringförmigen Aus­ trittsstrahls zu einem, im Strahlquerschnitt reduzierten Laserstrahl ist außerhalb des Resonators vorgesehen und bildet zusammen mit dem, den Spalt bildenden Ringspiegel ganz oder teilweise eine Einheit.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelanordnung ein 180°-W- Axicon (7) ist, bestehend aus einer äußeren, kegelförmigen Spiegelfläche (7.1) zur Reflexion von parallel zur Symmetrieachse (6) einfallender Strahlung (5.1) in Richtung der Symmetrieachse, sowie einer inneren, kegelförmigen Spiegelfläche (7.2) zur Reflexion der von der äußeren Kegelfläche reflektierten Strahlung parallel zur Symmetrieachse mit entgegengesetzter Richtung (5.2) zur in das Axicon (7) einfallenden Strahlung (5.1).

3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das 180°-W-Axicon (7) Teil eines Ringspiegels ist und justagefrei mit diesem ver­ bunden ist.

4. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskopplung der Strah­ lung (5.1) zwischen der inneren Begrenzungswand des aktiven Mediums und der Innenkante des Ringspiegels (2) erfolgt.

5. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelanordnung ein Re­ flaxicon (9) ist, dessen innerer Kegel als ein optisches Bauteil mit dem Ringspiegel (2) gefertigt ist und justage­ frei mit diesem verbunden ist.

6. Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskopplung der Strah­ lung (5.1) zwischen der äußeren Begrenzungswand des aktiven Mediums und der Außenkante des Ringspiegels (2) erfolgt.