DE4421600C2 - Einrichtung zur Strahlformung eines Laserstrahles - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Strahlformung eines Laserstrahles mit einem ringsektorförmigen Querschnitt.

Laserstrahlen mit einem ringsektorförmigen Querschnitt werden insbesondere in einem koaxialen Laser, erzeugt. Bei einem koaxialen Laser handelt es sich um einen Laser bei dem das aktive Medium einen kreisringförmigen Querschnitt hat und ei­ nen Hohlzylinder bildet. Solche Laser sind beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 41 23 024 oder aus der WO 91/15045 A1 bekannt. Werden die Ausbreitungsbedingungen für die sich innerhalb des aktiven Mediums ausbreitenden Strahlen durch die Wechselwirkung des Strahlungsfeldes mit den Begren­ zungen des aktiven Mediums, i. a. Vielfachreflexionen an die­ sen Begrenzungen bestimmt, d. h. liegt keine freie Strahlpro­ pagation vor, so handelt es sich um einen Wellenleiterlaser.

Ein solcher koaxialer Wellenleiterlaser ist beispielsweise in der WO 91/15045 A1 offenbart. Zwischen koaxialen hohlzylindri­ schen Elektroden befindet sich ein mit einem Gas gefüllter Entladungsraum. Gegenüber den offenen Stirnseiten dieser Elektroden sind Resonatorspiegel angeordnet, deren Oberflä­ chen derart geformt sind, daß ein auf die Resonatorspiegel treffender Strahl nicht in sich selbst reflektiert wird, son­ dern bei jeder Reflexion in Umfangsrichtung versetzt wird. Auf diese Weise wandert der Strahl in Umfangsrichtung zum Rand eines der Resonatorspiegel und tritt dort durch ein Aus­ trittsfenster aus dem Resonator aus.

Der aus den Resonatoren bekannter koaxialer Laser austretende Laserstrahl hat einen ring- oder ringsektorförmigen Quer­ schnitt und ist in der Regel tangential oder radial polari­ siert. Sowohl die Form des Querschnitts als auch die tangen­ tiale oder radiale Polarisation des Lichtes innerhalb dieses Querschnitts sind jedoch im Hinblick auf die Propagationsei­ genschaften des Laserstrahles nachteilig. Im Vergleich zu li­ near polarisierten Laserstrahlen mit kreisförmigem oder rechteckförmigem Querschnitt gleicher Fläche haben ringsek­ torförmige Strahlen mit tangentialer oder radialer Polarisa­ tion eine deutlich größere Fernfelddivergenz. Das Vorliegen unterschiedlicher Polarisationsrichtungen innerhalb des Quer­ schnitts des Laserstrahles führt außerdem zu einer uner­ wünschten Verringerung seiner Intensität auf der Strahlachse.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Einrich­ tung zur Strahlformung eines Laserstrahles anzugeben, mit der aus einem Strahl mit ringsektorförmigem Querschnitt ein Laser­ strahl erzeugt werden kann, der einen annähernd rechteckigen Querschnitt mit innerhalb dieses Querschnitts konstanter li­ nearer Polarisation aufweist.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentan­ spruchs 1. Da diese Einrichtung einen ersten Spiegel enthält, dessen Oberfläche als Kegelsektor gestellt ist, und einen zweiten Spiegel enthält, dessen Oberfläche die Gestalt eines parabolischen Zylinders hat, dessen Linienfokus mit der Ke­ gelachse des ersten Spiegels wenigstens annähernd zusammen­ fällt, wird ein auf den ersten Spiegel auftreffender Strahl mit ringsektorförmigem Querschnitt und tangentialer Polarisa­ tion in einen Strahl mit rechteckigem Querschnitt und über den Querschnitt konstanter linearer Polarisation erzeugt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß der Unteransprüche.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausfüh­ rungsbeispiele der Zeichnung verwiesen, in deren

Fig. 1 ein koaxialer Laser mit einer Einrichtung gemäß der Erfindung in einem Schnitt veranschaulicht ist.

Fig. 2 und 3 zeigen die Form des Strahlquerschnitts und die Polarisationsrichtung innerhalb des Strahlquerschnitts für einen Laserstrahl vor bzw. nach Passieren einer Einrich­ tung zur Strahlformung eines Laserstrahles gemäß der Erfindung.

Fig. 4 zeigt die Einrichtung zur Strahlformung eines Laserstrahles in einer axialen Draufsicht.

In Fig. 5 und 6 sind eine in der Praxis verwirklichbare und eine bezüglich der Abbildungsbedingungen ideale Anordnung der Spiegel innerhalb der Einrichtung zur Strahlformung eines Laser­ strahles in einem Schnitt veranschaulicht.

Fig. 7 bis 10 zeigen weitere Ausgestaltungen einer Ein­ richtung zur Strahlformung eines Laserstrahles gemäß der Erfindung.

In Fig. 11 ist eine bevorzugte Ausgestaltung eines koaxialen Lasers gemäß der Erfindung offenbart, bei dem die Einrichtung zur Strahlformung eines Laserstrahles innerhalb eines Resonators des Lasers angeordnet ist.

Gemäß Fig. 1 enthält ein koaxialer Laser, beispielsweise ein koaxialer Wellenleiterlaser, koaxial zueinander angeordnete hohlzylindrische Elektroden 2 und 4, die einen hohlzylindri­ schen Entladungsraum 10 festlegen. Gegenüber einer der Stirn­ flächen der hohlzylindrischen Elektroden 2 und 4 ist ein er­ ster Resonatorspiegel 6 und gegenüber der anderen Stirnfläche ein zweiter Resonatorspiegel 8 angeordnet. Der erste Resona­ torspiegel 6 ist auf einem Teil seines Umfangs, beispielswei­ se auf seinem halben Umfang, als teildurchlässiger Spiegel 6a und auf dem übrigen Teil als undurchlässiger Spiegel 6b ge­ staltet. Die Resonatorspiegel 6 und 8 bilden gemeinsam mit dem durch die Elektroden 2 und 4 gebildeten koaxialen Wellen­ leiter einen Resonator. Der durch den teildurchlässigen Spie­ gel 6a hindurchtretende und aus dem Resonator austretende La­ serstrahl 12 hat entsprechend der ringsektorförmigen Gestalt des teildurchlässigen Spiegels 6a einen ebenfalls ringsektor­ förmigen Querschnitt.

Der Resonatorspiegel 8 ist vorzugsweise als Kegelspiegel oder, wie in der Figur dargestellt, als Rotationsparaboloid gestaltet, um eine effektive Kopplung aller Bereiche des Re­ sonators sicherzustellen.

Gegenüber dem teildurchlässigen Spiegel 6a ist in Ausbrei­ tungsrichtung des Laserstrahles 12 ein erster Spiegel 20 an­ geordnet, dessen spiegelnde Oberfläche die Gestalt eines Ke­ gelsektors um eine Kegelachse 30 hat. Die Achse des Laser­ strahles 12 ist zu dieser Kegelachse 30 parallel. Dieser er­ ste Spiegel 20 lenkt den aus dem Resonator austretenden La­ serstrahl 12 um einen nahe bei 90° liegenden Winkel α um. Der Winkel α entspricht dem Öffnungswinkel des Kegelsektors. Ei­ ne geringfügige Winkelabweichung von 90° ist erforderlich, um eine Auskopplung des Laserstrahles 12 zu ermöglichen, und sollte im Rahmen der vorgegebenen geometrischen Bedingungen möglichst klein gewählt werden.

Der vom ersten Spiegel 20 abgelenkte Laserstrahl 14 trifft auf einen zweiten Spiegel 24, dessen Oberfläche die Gestalt eines parabolischen Zylinders hat, dessen Linienfokus mit der Kegelachse 30 des ersten Spiegels zusammenfällt. Der von die­ sem zweiten Spiegel 24 reflektierte Laserstrahl 16 hat dann einen annähernd rechteckigen Querschnitt mit einer über den Querschnitt konstanten linearen Polarisation.

In Fig. 2 sind der Strahlquerschnitt des aus dem Resonator austretenden Laserstrahls 12 sowie die den unterschiedlichen Bereichen innerhalb dieses Strahlquerschnitts zugeordneten Polarisationsrichtungen 13 veranschaulicht. In der Figur ist zu erkennen, daß die Polarisationsrichtung 13 tangential ver­ läuft und somit innerhalb des Strahlquerschnitts variiert.

Der vom zweiten Spiegel 24 reflektierte Laserstrahl 16 hat demgegenüber einen in der Fig. 3 veranschaulichten, annä­ hernd rechtwinkligen Querschnitt mit über dem gesamten Quer­ schnitt konstanter Polarisationsrichtung 17. Diese Eigen­ schaften hat der vom zweiten Spiegel 24 reflektierte Laser­ strahl 16 auch dann, wenn der aus dem Resonator austretende Laserstrahl eine radiale Polarisation hat.

In der Draufsicht gemäß Fig. 4 ist veranschaulicht, daß die Kegelachse 30 mit dem Linienfokus des konvexen zweiten Spie­ gels 24 zusammenfällt. Auf diese Weise werden die durch den ersten Spiegel 20 als Linie auf die Kegelachse 30 fokussier­ ten Strahlen 14 in zueinander parallele Strahlen 16 umgewan­ delt.

Eine exakte Umwandlung eines ringsektorförmigen Strahlquer­ schnitts in einen rechteckigen Strahlquerschnitt erfolgt streng theoretisch nur mit einer Spiegelanordnung gemäß Fig. 5, die einen ersten Spiegel 21 enthält, dessen Kegelöff­ nungswinkel exakt 90° beträgt. Mit diesem Spiegel 21 wird ei­ ne Ablenkung des Laserstrahls 12 um exakt 90° erzeugt, mit der jedoch ein Austreten des Laserstrahls aus dem Laser aus konstruktiven Gründen sehr schwierig wird.

Aus diesem Grund weicht im praktischen Ausführungsbeispiel der Kegelöffnungswinkel des ersten Spiegels 20 etwas von 90° ab. Im Querschnitt gemäß Fig. 6 ist zu erkennen, daß die Ab­ lenkung des Laserstrahls 12 am ersten Spiegel 20 um einen Winkel α erfolgt, der um einen kleinen Winkel δ von 90° ab­ weicht. Im Beispiel der Figur ist δ negativ, d. h. der Winkel α ist kleiner als 90°. Der Winkel α kann jedoch auch größer als 90° sein. Diese Abweichung von 90° ist notwendig, um zu ermöglichen, daß der am zweiten Spiegel 24 reflektierte La­ serstrahl 16 aus dem Resonator austreten kann. Dies hat zwar zur Folge, daß der Strahlquerschnitt des am zweiten Spiegel 24 reflektierten Laserstrahls 16 nur noch annähernd die Form eines Rechtecks aufweist. Die damit verbundenen Nachteile können aber für kleine Winkel δ bis etwa 20° in Kauf genommen werden.

Anstelle eines von 90° abweichenden Kegelöffnungswinkels kann der Spiegel 24 auch verkippt sein, so daß Linienfokus und Ke­ gelachse nicht mehr exakt zusammenfallen und auf diese Weise ein Austreten des Laserstrahles 16 möglich wird.

Fig. 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform einer zur Strahlformung gemäß der Erfindung geeigneten Einrichtung. In dieser Ausführungsform ist ein konkav gekrümmter zweiter Spiegel 26 vorgesehen. Auch in diesem Ausführungsbeispiel fällt die Kegelachse 30 mit dem Linienfokus des zweiten Spie­ gels 26 zusammen, der in diesem Fall außerhalb des zweiten Spiegels 26 liegt.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 9 und 10 ist ein erster Spiegel 22 vorgesehen, dessen spiegelnde Fläche durch einen Ausschnitt gebildet wird, der kleiner als 180° ist. Die Größe des Ausschnitts ist in allen Ausführungsformen derart an die Größe des aus dem Resonator austretenden Laserstrahls 12 an­ zupassen, daß der gesamte Laserstrahl 12 abgebildet wird. In Fig. 10 ist außerdem zu erkennen, daß der Kegelöffnungswin­ kel und somit auch der Winkel α kleiner als 90° ist.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 ist die aus einem er­ sten Spiegel (Kegelspiegel) 22 und einem zweiten Spiegel (parabolischer Zylinderspiegel) 24 gebildete Einrichtung zur Strahlformung innerhalb eines durch die Spiegel 8, 7a und 7b begrenzten Resonators angeordnet. Bei dem Spiegel 8 handelt es sich in Analogie zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 vorzugsweise um einen Parabolspiegel oder um einen Kegelspie­ gel. Der Spiegel 7b, bei einem koaxialen Wellenleiterlaser vorzugsweise ein Toroid, deckt nur einen Teil der ihm zuge­ wandten Stirnfläche des Entladungsraumes 10 ab, so daß ein Laserstrahl mit ringsektorförmigen Querschnitt auf den ersten Spiegel 22 der Einrichtung zur Strahlformung eines Strahles gelangt und von dort zum zweiten Spiegel 24 umgelenkt wird. Der vom zweiten Spiegel 24 reflektierte Strahl 16 mit rechteckigem Querschnitt trifft auf einen teildurchlässigen Spiegel 7a, beispielsweise ein Planspiegel, insbesondere ein Zylinder­ spiegel, der einen Teil des Strahls 16 hindurchläßt und einen Teil erneut in die Einrichtung zur Formung eines Laserstrah­ les zurückreflektiert. Dort wird der zurückreflektierte Strahl in einen Laserstrahl mit ringsektorförmigem Quer­ schnitt umgewandelt und tritt erneut in den Wellenleiter ein. Im Ausbreitungsweg des Laserstrahls 16 ist in einer bevorzug­ ten Ausführungsform zusätzlich ein ebener Umlenkspiegel 29 angeordnet, mit dem der Strahl 16 parallel zur Längsachse des Lasers ausgerichtet wird.

Claims (6)

1. Einrichtung zur Strahlformung eines Laserstrahls (12) mit ringsektorförmigem Quer­ schnitt, umfassend einen ersten Spiegel (20; 21; 22; 23) mit einer Oberfläche, die als Kegelsektor gestaltet ist, und einen zweiten Spiegel (24; 26; 28) mit einer Oberfläche, die als parabolischer Zylinder gestaltet ist, dessen Linienfokus mit der Kegelachse (30) des ersten Spiegels (20; 21; 22; 23) wenigstens annähernd zusammenfällt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein konvex gekrümmter zweiter Spie­ gel (24) vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein konkav gekrümmter zweiter Spie­ gel (26) vorgesehen ist.

4. Einrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20, 24; 20, 26; 22, 28) in Verbindung mit einem koaxialen Laser, insbesondere koaxialen Wellenleiterlaser, mit einem Resonator (6, 8; 7a, 7b, 8) betrieben ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20, 24; 20, 26; 22, 26) zur Strahlformung eines Laserstrahls außerhalb des Resonators (6, 8) angeordnet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20, 24; 20, 26; 22, 26) zur Strahlformung eines Laserstrahls innerhalb des Resonators (7a, 7b und 8) angeordnet ist.