DE69005393T2

DE69005393T2 - Gas-Laser-Vorrichtung.

Info

Publication number: DE69005393T2
Application number: DE69005393T
Authority: DE
Inventors: Junichi Nishimae; Masakazu Taki; Kenji Yoshizawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-08-11
Filing date: 1990-08-10
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2010-08-11
Also published as: DE69005393D1; EP0412555A1; EP0412555B1; US5048048A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Fig. 9 ist eine Schnittansicht, die die Anordnung einer konventionellen Gaslaservorrichtung darstellt, die durch die japanische Patentanmeldung (OPI) Nr. 192285/1988 (der Begriff "OPI" bedeutet hierin "ungeprüft veröffentlichte Anmeldung") und durch das Dokument US-A-4 719 639 offenbart wurde. Fig. 10 ist eine Draufsicht, die einen Resonator in der Laservorrichtung darstellt. In diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 11 einen 72 MHz-Hochfrequenzgenerator; 21, eine Leistungsanpassungsschaltung; 22, ein Hochfrequenzkabel; 23, eine isolierte Durchführung; 71 und 72, Elektroden; 73 und 74, die Oberflächen der Elektroden, die auf die Form optischer Reflektoren poliert sind; 75, einen Entladungsspalt; 76 und 77, Abstandshalter, die die Elektroden 71 und 72 voneinander isolieren; und 78, einen U- förmigen Träger. Die Elektroden 71 und 72 sind zusammen mit den Abstandshaltern 76 und 77 auf dem Träger 78 montiert, und letzterer Träger 78 wird durch eine Abdeckung 79 in einer Art verschlossen, daß ein keramischer Isolator zwischen der Abdeckung 79 und der Elektrode 71 angeordnet ist. Der Laserresonator besteht, wie in Fig. 10 gezeigt, aus einem totalreflektierenden Spiegel 52 mit einer konkaven Oberfläche und einem totalreflektierenden Spiegel 53 mit einer konvexen Oberfläche.
In der auf diese Weise aufgebauten konventionellen Gaslaservorrichtung wird die durch den Hochfrequenzgenerator 11 erzeugte Hochfrequenz über die Leistungsanpassungsschaltung 21 und das Kabel 22 an den Entladungsspalt 75 zwischen den Elektroden 71 und 72 angelegt. Der Entladungsspalt ist mit Lasergas gefüllt umd demzufolge wird das Lasergas durch die auf diese Weise angelegte Hochfrequenz über eine Entladung angeregt. Das heißt, das derart angeregte Lasergas befindet sich in dem Laserresonator mit den Reflektionsspiegeln 52 und 53, so daß eine Laserschwingung ausgeführt wird. Bei dieser Betriebart kann ein quadratischer Strahl von ungefähr 2 x 2 mm² erzielt werden, indem der Abstand zwischen den Elektroden 71 und 72 auf 2 mm und die Abstände zwischen den Rändern der Elektroden 71 und 72 und dem Rand des konvexen Spiegels 53 auf 2mm gelegt wird. Dieser quadratische Strahl wird in einem gewissen Abstand von dem Laserresonator in einen runden Gauss'schen Strahl umgewandelt.
In der oben beschriebenen konventionellen Gaslaservorrichtung ist der Laserresonator ein sogenannter instabiler "Positivzweig"-Resonator mit einem konkaven Spiegel und einem konvexen Spiegel. Demzufolge ist der Resonator ziemlich empfindlich bezüglich der Neigungswinkel der Reflektionspiegel; d.h., es ist schwierig den Neigungswinkel der Reflektionsspiegel einzustellen. Außerdem kann sich die Einstellung ändern, da sich z.B. die Spiegel mit ihrer sich ändernden Temperatur verformem. Demzufoge leidet die konventionelle Gaslaservorrichtung unter der Schwierigkeit, daß der Resonator einen schlechte Stabilität besitzt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Dementsprechend ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, die oben beschriebenen Schwierigkeiten, die einer konventionellen Gaslaservorrichtung anhaften, zu vermeiden. Inbesonders ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gaslaservorrichtung zu schaffen, die unempfindlich gegenüber dem Neigungswinkel der Reflektionsspiegel ist, wodurch der Neigungswinkel der letzteren leicht eingestellt werden kann und eine hevorragende Stabilität aufweist.
Ein weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Gaslaservorrichtung mit hohem Wirkungsgrad, unter Verwendung einer Mikrowellenentladung, in der ein eindimensionaler instabiler Resonator eingesetzt wird.
Der erfindungsgemäße Gaslaser ist in den Ansprüchen 1 und 4 definiert. Die Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
In einer erfindungsgemäßen Gaslaservorrichtung liegt ein Entladungsraum in der Form eines Quaders vor, deren Querschnitt senkrecht zur laseroptischen Achse voneinander unterschiedliche vertikale und horizontale Abmessungen aufweist, und Laserresonatorspiegel, die konkave Spiegel sind, sind jeweils an beiden Enden des Entladungsraumes angeordnet, so daß für eine Dimension, die die längere Seite des Entladungsaumsquerschnitts ist, ein instabiler Negativzweig-Resonator gebildet wird, und ein Laserstrahl an einem Ende der längeren Seite des Entladungsraumquerschnittes erhalten wird.
Desweiteren ist in einer erfindungsgemäßen Gaslaservorrichtung eine Nut in einer Leiterwand ausgebildet, die einen Teil der Mikrowellenschaltung in der Art darstellt, daß die Nut zwischen der Leiterwand und einem der Leiterwand gegenüberliegenden dielektrischen Teil angeordnet ist, um einen Entladungsraum zu bilden, dessen Querschnitt senkrecht zur Laserstrahlachse vertikale und horizontale zueinander unterschiedliche Dimensionen aufweist. In der einen Dimension, die die längere Querschnittsseite des Entladungsraums darstellt, ist ein instabiler Resonator aus einem totalreflektierenden Spiegel und aus einem totalreflektierenden Auskoppelspiegel gebildet. Man erhält einen Ausgangslaserstrahl an einem Ende der längeren Seite, die bei der Seite des totalreflektierenden Auskoppelspiegels liegt, und der Abstand zwischen dem Ende des Lasermodenbereichs und dein Ende des totalreflektierenden Auskoppelspiegel ist im wesentlichen gleich der Abmessung der kürzeren Seite des Entladungsraumquerschnitts dimensioniert.
Desweiteren befindet sich der Lasermodenbereich des instabilen Resonators in mindestens 1 mm Abstand von der Wand mit der Nut, die dessen kürzere Seite bildet. Zusätzlich ist ein Steg auf einer Leiterwand ausgebildet, die über das dielektrische Teil der Nut gegenüberliegt, und die Breite des Stegs ist zumindest im Endbereich kleiner als die Breite der Nut, so daß ein Bereich zur Erzeugung des Plasmas in dem Entladungsraum im wesentlichen mit dem Lasermodenbereich zusammenfällt.
In der erfindungsgemäßen Gaslaservorrichtung ist der instabile Negativzweig-Resonator in der einen Dimension, die die längere Seite des Entladungsraumquerschnitts ist, ausgebildet, und demzufolge wird das Licht auf eine Linie anstatt auf einen Punkt konzentriert, obwohl der Brennpunkt innerhalb des Resonators liegt. Damit ist die Intensität des Laserstrahl am Fokuspunkt stark reduziert im Vergleich zu dem Fall, bei dem der instabile Negativzweig-Resonator wie der gewöhnliche Resonator mit Zylinderachsensymmetrie angewandt wird.
Folglich ist die Schwierigkeit, wie z.B. die der optischen Beschädigung, die durch die Lichtkonzentration hervorgerufen wird, beseitigt, und das spezifische Merkmal des instabilen Negativzweig-Resonators, daß er nicht so empfindlich gegenüber dem Neigungswinkel der Spiegel ist, kann maximal ausgenutzt werden.
Desweiteren ist in der Gaslaservorrichtung mit der Mikrowellenentladung, in der einen Dimension, die die längere Seite des Entladunsraumquerschnittes ist, der instabile Resonator mit dem totalreflektierenden Spiegel und den totalreflektierenden Auskoppelspiegeln gebildet, der Ausgangslaserstrahl wird an dem Ende des totalreflektierenden Auskoppelspiegels erhalten, und der Abstand zwischen dem äußersten Teil des Lasermodenbereichs und dem Ende des totalreflektierenden Auskoppelspiegels ist im wesentlichen gleich wie die Abmessung der kürzeren Seite des Entladungsraumquerschnitts dimensioniert. Demzufolge sind die vertikalen und die horizontalen Durchmesser des Ausgangslaserstrahls im wesentlichen gleich groß.
Desweiteren ist der Lasermodenbereich mindestens 1 mm von der Wand mit der Nut entfernt angeordnet, die die kürzere Seite davon ist. Demzufolge trifft der Ausgangslaserstrahl nicht auf die Wand, die die kurze Seite der Nut bildet. Desweiteren verläuft der Laserstrahl nicht durch den Bereich, der innerhalb 1 mm von der Wand liegt, die die kurze Seite bildet, wo kaum eine elektrische Entladung stattfindet und kein laseraktives Medium erzeugt wird, mit dem Ergebnis, daß der Verlust des Laserstrahls minimiert wird.
Zusätzlich ist der Steg so geformt, daß der Plasma erzeugende Bereich, wo das laseraktive Medium vorliegt, im wesentlichen mit dem Lasermodenbereich zusammenfällt. Somit kann die Laserenergie mit hohem Wirkungsgrad aus dem angeregten Medium erhalten werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1(a) ist eine perspektivische Ansicht, die einen Resonator in einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung darstellt;
Fig. 1(b) ist eine Draufsicht, die die Anordnug auf der instabilen Resonatorseite des in Fig. 1(a) dargestellten Resonators zeigt;
Fig. 1(c) ist eine Seitenansicht, die die Anordnung auf der Seite des optischen Wellenlleiters des in Fig. 1(a) gezeigten Resonators zeigt;
Fig. 2 ist eine erläuternde Darstellung für die Beschreibung der Fehljustierungsempfindlichkeit eines instabilen Positivzweigresonators;
Fig. 3 ist eine erläuternde Darstellung für die Beschreibung der Fehljustierungsempfindlichkeit eines instabilen Negativzweigresonators;
Fig. 4 ist eine Funktionsverlauf, der die Eigenschaften eines CO&sub2;-Laserresonators für einen instabilen Positivzweigresonator und für einen instabilen Negativzweigresonator darstellt;
Fig. 5(a) ist eine Draufsicht, die die Anordnug auf der instabilen Resonatorseite eines Resonators in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
Fig. 5(b) ist eine Seitenansicht, die die Anordnung auf der offenen Resonatorseite des in Fig. 5(a) gezeigten Resonators darstellt;
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Laservorrichtung mit der Mikrowellenentladung darstellt;
Fig. 7 ist eine entlang der Linie B-B genommene Schnittansicht von Fig. 6;
Fig. 8(a), 8(b) und 8(c) sind jeweils eine perspektivische Ansicht, eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines instabilen Resonators für die Beschreibung eines durch den Resonator gebildeten Lasermodenbereichs;
Fig. 9 ist eine Schnittansicht, die die Anordnung einer konventionellen Laservorrichtung darstellt; und
Fig. 10 ist eine Draufsicht, die die Anordnung eines Resonators in der Gaslaservorrichtung von Fig. 9 darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden.
Fig. 1(a) ist eine perspektivische Ansicht, die einen Resonator in einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung darstellt, Fig. 1(b) ist eine Drauf sicht, die die Anordnug auf der instabilen Resonatorseite des in Fig. 1(a) gezeigten Resonators darstellt, und Fig. 1(c) ist eine Seitenansicht, die die Anordnung auf der Seite des optischen Wellenleiters des in Fig. 1(a) gezeigten Resonators zeigt;
In den Fig. 1(a), 1(b) und 1(c) bezeichnet das Bezugszeichen 50 einen totalreflektierenden Spiegel eines konkaven Spiegeltyps; 51, einen totalreflektierenden Auskoppelspiegel eines konkaven Spiegeltyps; und 67, einen Entladungsraum, der dem Entladungsspalt 75 zwischen den Elektroden 71 und 72 in Fig. 9 entspricht. Der Entladungsraum 67 hat die Form eines Quaders, das heißt, die vertikalen und horizontalen Abmessungen A und B seines Querschnitts senkrecht zur Laserstrahlachse unterscheiden sich voneinander. Die Dimension B ist die der optischen Wellenlänge bezogen auf die Laserwellenlänge. In den Figuren ist zur Vereinfachung der Darstellung nur der Umriß des Entladungsraums 67 gezeigt.
Der derart aufgebaute Resonator ist bezogen auf die eine Dimension, die die längere Seite des Entladungsraumquerschnitts ist, ein instabiler Negativzweigresonator; d.h. in Bezug auf die Richtung A in Fig. 1(a) und ein optischer Wellenlängenresonator bezogen auf die eine Dimension, die die kürzere Seite Entladungsraumquerschnitts ist; das heißt, bezogen auf die Richtung B.
Bei dem instabilen Negativzweigresonator ist die Laserstrahlachse aus der Zentralachse des Entladungsraums verschoben, da ein Laserstrahl 8 nur von dem einen Ende 671 der längeren Seite des Entladungsraumquerschnitts erhalten wird. Inbesonders ist mindestens einer der Spiegel 50 und 51 bezogen auf die Zentralachse des Entladungsraums geneigt. Der Spiegel 51 ist mit einer Laserstrahl-Auskoppelvorrichtung 511 versehen, die in dieser Ausführungsform eine in einem Teil des Spiegels ausgebildete lineare Öffnung ist.
In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen PLO die Intensitätsverteilung eines durch den Spiegel 51 erhaltenen Laserstrahls; RT, den Krümmungsradius des Spiegel 50; RP, den Krümmungsradius des Spiegel 51, und a und b, die effektiven Längen der Spiegel 51 und 50.
Jetzt wird die Empfindlichkeit des instabilen Resonators gegenüber einer mechanischen Veränderung beschrieben; das heißt, der Neigungswinkel der Spiegel (nachfolgend, wenn zutreffend, als "Fehljustierung der Spiegel" bezeichnet) wird beschrieben werden.
Fig. 2 ist eine erläuternde Darstellung für eine Beschreibung der Fehljustierungsempfindlichkeit eines instabilen Positivzweigresonators; Fig. 3 ist eine erläuternde Darstellung für eine Beschreibung der Fehljustierungsempfindlichkeit eines instabilen Negativzweigresonators. In Fig. 2 bezeichnen die Bezugzeichen 1 und 2 Spiegel, die den Spiegeln 52 und 53 in Fig. 10 entsprechen. In Fig. 3 bezeichnen die Bezugzeichen 1 und 2 ebenfalls Spiegel, die den Spiegeln 52 und 53 in Fig. 10 entsprechen. In Fig. 2 und 3 bezeichnet das Bezugszeichen e den Krümmungsmittelpunkt des Spiegels 2; f, den Krümmungsmittelpunkt des an der richtigen Stelle positionierten Spiegels 1; g, den Krümmungsmittelpunkt des verschobenen Spiegels 1; h den Brennpunkt; θ, den Verschiebungswinkel von Spiegel 1; und φ, den Verschiebungswinkel der optischen Achse. Die optische Achse c ist eine Linie, die sich durch Krümmungsmittelpunkt erstreckt, das heißt, sie ist ein Linie, die senkrecht zu beiden Spiegeloberflächen steht. Wenn der Spiegel 1 veschoben wird, das heißt, wenn der Spiegel 1 geneigt wird, dann verändert sich die optische Achse von e-f nach e-g. Desweiteren bezeichnet in den Fig. 2 und 3 das Bezugszeichen d die auf diese Weise verschobene Achse.
Die Empfindlichkeit M für eine Fehljustierung des instabilen Resonators wird durch die folgenden Gleichungen (1) bis (3), wie in der Gesellschaftsveröffentlichung (IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, DEZEMBER 1969, S.579) beschrieben, dargestellt:
M = φ/θ (1)
M&sbplus; = 2m/(m - 1) (positiver Zweig) (2)
M&submin; = 2m/(m + 1) (negativer Zweig (3)
wobei in der Verstärkungsfaktor ist, und in einem konfokalen Resonator für das Spiegelkrümmumgsverhältnis gilt:
m = R&sub1;/R&sub2; (negativer Zweig) (4)
m = R&sub1;/R&sub2; (positiver Zweig) (5)
wobei R&sub1; und R&sub2; die Krümmumgsradien der Spiegel 1 und 2 sind. Gleichung (5) ist negativ, da die konvexe Krümmung und die konkave Krümmung durch die Vorzeichen ± unterschieden werden.
Geometrisch ist in das Verhältnis der effektiven Längen (a und b in den Fig. 1 und 10) der Spiegel, die durch den Rand und die Öffnung begrenzt werden.
m = b/a (6)
Der Ausdruck "effektive Spiegellänge" soll, wie er hierin Verwendet wird, den Teil des Spiegels bedeuten, der durch Licht bestrahlt wird, wobei dieser durch den Rand und die Öffnung beschränkt ist (und im Falle eines achsensymmetrischen Spiegels durch dessen effektiven Durchmesser). Das heißt, der Ausdruck "Verstärkungsfaktor" bedeutet das Verhältnis eines vergrößerten Strahl zu einem noch nicht vergrößerten Strahl in dem Resonator
Im Beispiel eines nach Fig. 1 im Zuge eines Versuchs gefertigten CO&sub2;-Lasers war die Entladungsraumlänge 400mm, die Querschnittsabmessungen waren 2 mm x 20 mm, und der Verstärkungsfaktor war auf ungefähr 1,1 gesetzt, so daß sowohl eine geeignete Ausgangskopplung von 10 %, als auch die symmetrische Eigenschaft eines Ausgangsstrahls erzielt werden. In diesem Falle ist M&sbplus; 22 und M&submin; 1.
Dementsprechend ist die Fehljustierungsempfindlichkeit des negativen Zweigs gleich 1/22 der des positiven Zweigs. Das heißt, beim negativen Zweig ergibt sich aufgrund der Spiegelneigungen eine viel kleinere Verschiebung der optischen Achse als beim positiven Zweig. Daher hat er eine viel kleinere Abweichgung des Lichtfelds, das vom Resonator aus dem durch elektrische Entladung angeregten aktiven Mediums erzeugt wird. Demzufolge weist der Resonator eine ausgezeichnete Stabilität auf.
In der Erfindung ist der Verstärkungsfaktor m nur auf der instabilen Seite (der Querschnittsdimension A) definiert und betrifft nicht die Seite des optischen Wellenleiters (der Querschnittsdimension B).
Im allgemeinen wird der instabile Negativzweigresonator selten eingesetzt, da der Brennpunkt innerhalb des Resonators liegt und demzufolge dann, wenn das Resonatorprinzip auf einen gewöhnlichen zylinderachsensymmetrischen Resonator angewandt wird, das Licht auf einen Punkt konzentriert wird und auf diese Weise den Resonator beschädigt. Andererseits wird in der Erfindung ein instabiler Negativzweigresonator in einem Resonator eingesetzt, der kein gewöhnlicher zylinderachssymmetrischer Resonator ist, und in dem ein optischer Wellenleiterresonator in einer Dimension ausgebildet ist, die die kürzere Seite des Entladungsraumquerschnitts ist. Damit liegt der Brennpunkt innerhalb des Resonators; das Licht wird jedoch auf eine Linie anstatt auf einen Punkt konzentriert, wie es bei L in Fig. 1(b) und 1(c) dargestellt ist. Demzufolge ist die Intensität des Laserstrahls am Brennpunkt im Vergleich zu dem Fall, bei dem der instabile Negativzweigresonator in dem zylinderachsensymmetrischen Resonator eingesetzt wird, stark reduziert, das zur Konzentration des Lichts beitragende Problem ist gelöst, und das spezifische Merkmal des instabilen Negativzweigresonator, daß er nicht so empfindlich gegenüber Spiegelneigungen ist, kann maximal ausgenutzt werden. In den oben beschriebenen Beispiel wird, wie in Fig. 4 dargestellt, der Lasermode in einem instabilen Positivzweigresonator durch den Verzug des Spiegels beeinträchtigt und der Ausgang geht in die Sättigung, wenn die Ausgangsleistung 25 W überschreitet, während in dem instabilen Negativzeigresonator eine Ausgangsleistung von mehr als 80 W erzielt werden kann.
In dem instabilen Negativzweigresonator ist der Spiegelkrümmungsradius kleiner und damit die Krümmung größer. Damit ist der Krümmungsfehler bezogen auf denselben mechanischen Fertigungsfehler kleiner. Mit demselben mechanischen Fertigungsfehler (bzgl. Genauigkeit) wächst der Fehler (bzgl. Genauigkeit) des Krüminungsradius' mit dem Quadrat des gewünschten Krümmungsradius' an. Demzufolge ist der instabile Negativzweigresonator in der Herstellungsgenauigkeit vorteilhafter. Beispielsweise werden in dem Falle des oben beschriebenen CO&sub2;-Lasers Spiegel mit 30 mm Durchmesser und mit einem Fertigungsfehler von ±5 µm verwendet. In dem Falle des instabilen Negativzweigresonators ist die Krümmung ungefähr 400 mm und der Fehler ist ±0,5 mm. Andererseits ist in dem Falle eines instabilen Positivzweigresonators der Krümmungsradius ungefähr 9000 mm und Fehler ±200 min, und die Abweichung vom konfokalen Zustand ist groß und der Verstärkungsfaktor weicht vom Zielwert ab. Folglich kann die Steuerung des Ausgangsstrahls nicht gemäß Auslegung ausgeführt werden.
Fig. 5(a) und 5(b), die jeweils Fig. 1(b) und 1(c) entsprechen, zeigen einen Resonator in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Eine (nicht dargestellte) perspektivische Ansicht des Resonators, ist diesselbe, wie die in Fig. 1(a) dargestellte. In der zweiten Ausführungsform ist, wie in Fig. 5(a) dargestellt, in der einen Dimension der längeren Querschnittsseite ein instabiler Negativzweigresonator in ähnlicher Weise wie in Fig. 1(b) angeordnet, während anstelle des optischen Wellenleiterresonators, ein gewöhnlicher offener Resonator, wie in Fig. 5(b) dargestellt, in der anderen Dimension angeordnet ist. In dem Resonator wird der Ausgangslaserstrahl 8 an einem Ende der längeren Seite des Entladungsraumquerschnitts zwischen einem totalreflektierenden Spiegel 52 und einem totalreflektierenden Auskoppelspiegel 53 erhalten.
In der zweiten Ausführungsform sind in der einen Dimension, die die längere Seite des Entladungsraumquerschnitts ist, wie in Fig. 5(a) dargestellt, die Krümmungsradien RT1 und RP1 der zwei konkaven Spiegel auf einen geeigneten Wert eingestellt, so daß ein instabiler Negativzweigresonator ähnlich dem oben beschriebenen geschaffen ist. In der anderen Dimension sind, wie in Fig. 5(b) dargestellt, die Krümmungsradien RT2 und RP2 der konkaven Spiegel auf geeignete Werte eingestellt, so daß die Elektrodenoberfläche nicht durch den Laserstrahl bestrahlt wird, und der Strahldurchmesser kleiner als die kürzere Dimension B&sub2; des Entladungsraumquerschnitts ist. Das heißt, daß die Resonatorspiegel sogenannte "Toroidspiegel" sind, dadurch daß sich die Krümmungen in der Richtung der längeren Seite des Entladungsraumquerschnitts von denen in der Richtung der kürzeren Seite unterscheiden.
In der zweiten Ausführungsform ist ebenfalls ähnlich wie in dem Fall von Fig. 1 der instabile Negativzweigresonator als ein Resonator angewendet, der nicht der gewöhnliche zylinderachssymmetrische Resonator ist. Demzufolge liegt der Fokuspunkt innerhalb des Resonators, das Licht ist jedoch auf ein Linie anstatt auf einen Punkt konzentriert. Damit hat der Resonator die gleichen Wirkungen, wie der in Fig. 1 dargestellte.
Als nächstes wird ein dritte Ausführungsform beschrieben, in der ein eindimensionaler instabil er Resonator in einer Gaslaservorrichtung mit Mikrowellenentladung eingesetzt wird. Fig. 6 und 7 stellen ein Beispiel der Gaslaservorrichtung, die die Mikrowellenentladung einsetzt. Laservorrichtungen mit Mikrowellenentladung sind in dem Dokument EP-A-0 280 044 offenbart. In den Figuren kennzeichnet das Bezugszeichen 1 ein Magnetron zur Erzeugung einer Mikrowelle; 2, einen Wellenleiter zur Weiterleitung der durch das Magnetron 1 erzeugten Mikrowelle; 3, einen Hornwellenleiter zur Vergrößerung der Breite des Wellenleiters 2; 4, ein Mikrowelleneinkopplungsfenster; 5 einen Laserresonatorspiegel; und 6, einen Laserkopf.
Fig. 7 ist eine entlang der Linie B-B in Fig. 6 genommene vergrößerte Schnittansicht, die den Laserkopf 6 im Detail zeigt. Der Laserkopf 6 hat, wie in Fig. 7 gezeigt, die Struktur eines Mikrowellenhohlleiters des Stegwellenleitertyps, der eine Art Mikrowellenschaltung ist. In Fig. 7 kennzeichnet das Bezugszeichen 61 eine Hohlleiterwand in Fortsetzung zum Mikrowelleneinkopplungsfenster 41; 62 und 63, im zentralen Teil des Querschnitts der Hohlleiterwand 61 ausgebildete Stege; 64, eine in dem Steg 62 ausgebildete Nut; und 65, eine Leiterwand, die einen Teil der Mikrowellenschaltung bildet, wobei die Leiterwand 65 die Wand der Nut 64 ist. Die Breite des Spitzenbereichs 631 des Stegs 63 ist schmäler als die der Nut 64. Desweiteren bezeichnet in Fig. 7 das Bezugszeichen 66 ein dielektrisches Teil aus Alumium oder dergleichen, welches der Leiterwand 65 gegenüberliegt; 67, einen zwischen der Leiterwand 65 und dem die Nut 64 abdeckenden dielektrischen Teil 65 gebildeten Entladungsraum, wobei der Entladungsraum zum Beispiel mit einem CO&sub2;-Gas gefüllt ist; und 68, in den Stegen 62 und 63 ausgebildete Kühlwasserkanäle.
In der derart aufgebauten Gaslaservorrichtung wird die durch das Magnetron 11 erzeugte Mikrowelle nach dem Passieren des Wellenleiters 12 am Hornwellenleiter 13 aufgeweitet und in der Impedanz an das in der Endwand 41 ausgebildete Mikrowelleneinkopplungsfilter angepasst, um so effektiv in den Laserkopf 6 eingekoppelt zu werden. Der Laserkopf 6 liegt in der Form eines Steghohlleiters vor, wie in Fig. 7 dargestellt, und somit wird die Mikrowelle auf den Raum zwischen den Stegen 62 und 631 konzentriert. Das in den Entladungsraum 67 eingefüllte Lasergas wird durch das starke elektrische Feld der dermaßen konzentrierten Mikrowelle einer Kompression unterworfen, wobei Plasma erzeugt wird, um das Lasermedium anzuregen. Unter diesem Umstand kann Kühlwasser in den Kühlwasserkanälen 68 fließen, um das Entladungsplasma zu kühlen, während die Entladungsbedingungen, wie zum Beispiel der Druck des Lasergases, geeignet ausgewählt sind, damit die Laserschwingungsbedingungen erfüllt sind. Damit wird ein Laserstrahl mit einem Laserresonator erhalten, der aus dem Spiegel 5 in Fig. 6 und einem anderen (nicht gezeigten) Spiegel gebildet wird.
In diesem Fall, bei dem die Mikrowellenschaltung, wie in dem Fall des Steghohlleiters, einen Mikrowellenmodus mit einem zur Begrenzung zwischen dem dielektrischen Teil 66 und dem Plasma senkrechten Feld ausbildet, da das dielektrische Teil 66 der Leiterwand 65 gegenüberliegt, wird das senkrechte elektrische Feld an die Leiterwand 65 angelegt; das heißt, das das Plasma durchdringende elektrische Feld wird ausgebildet. Sogar dann, wenn in diesem Fall ein leitendes Plasma erzeugt wird, da das dielektrische Teil 66, das ein Mikrowelleneinkopplungfenster ist, der Leiterwand 65 gegenüberliegt, die ein viel höhere Leitfähigkeit als das Plasma aufweist, fließt der Endstrom der einfallenden Mikrowelle in die Leiterwand 65, und das elektrische Feld nahe an der Leiterwand 65 wird zwangsweise senkrecht zur Oberfläche der Leiterwand 65 ausgerichtet, wodurch das das Plasma durchdringende Feld aufrechterhalten wird. Damit durchwandert die Mikrowelle das Plasma und der das Plasma durchdrindende Strom fließt. Aufgrund der Kontinuität des Stroms entsteht ein räumlich gleichmäßig verteiltes Plasma, und die Laseroszillation findet statt.
Ein für die oben beschriebenen Laservorrichtungen verwendeter Laserresonator ähnelt dem in Fig. 1 dargestellten. Fig. 8 ist eine Ansicht zur Beschreibung eines Laserinodenbereichs, der durch einen instabilen Resonator gebildet wird.
In Fig. 8(b) wird ein durch den totalreflektierenden Auskoppelspiegel 51 am Ende E reflektierter Lichtstrahl dann durch den totalreflektierenden Spiegel 50 an Punkt F reflektiert und dann entlang einer Linie f weggeleitet. Der auf diese Weise weggeleitete Lichtstrahl wird durch den Spiegel 51 am Punkt G und dann durch den Spiegel 50 an Punkt H reflektiert und dann entlang einer Linie h weggeleitet, um den Resonator zu verlassen. Die Linien f und h sind die äußersten Linien des Modenbereichs des aus dem totalreflektierenden Spiegel 50 und dem totalreflektierenden Auskoppelspiegel 51 bestehenden instabilen Resonators; das heißt das Licht in dem instabilen Resonator existiert nur innerhalb der Linien f und h. Das Licht zwischen dem Ende 511 des totalreflektierenden Auskoppelspiegels 51 und der Linie h wird als ein Ausgangsstrahl 8 ausgekoppelt.
Der Abstand zwischen der äußersten Linie h des Modenbereichs und dem Ende 511 des totalreflektierenden Auskoppelspiegels 51, das heißt, die Breite (b - a) des Laserstrahls 8 wird meistens gleichgroß wie die kürzere Abmessung B des Entladungsraumquerschnitt gemacht, wobei der Laserstrahl symmetrisch ist, das heißt, der Laserstrahl 3 ist ein runder Strahl, der im wesentlichen mit fortschreitenden Divergenzwinkel symmetrisch ist. Damit besitzt der Laserstrahl eine ausgezeichnete Fokussierbarkeit.
An den Endbereichen des Entladungsraums 67, die nahe bei den Wänden 672 und 673 eines nutbildenden Entladungsraumes 67 liegen, ist das elektrische Feld der Mikrowellen schwach, und demzufolge tritt kaum eine Entladung auf. Damit besteht an diesen Endbereichen kaum ein laseraktives Medium, und der Laserstrahl kann absorbiert werden. Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, wird der Lasermodenbereich in einem Abstand von mindestens 1 mm zu den Wänden 672 und 673 angeordnet, so daß er nicht die Endbereiche des Entladungsraums 67 mit einschließt. Das heißt, der Laserstrahlverlust, der hervorgerufen werden könnte, wenn letzterer absorbiert wird oder die Wände 672 und 673 streift, wird minimiert.
Wenn die Breite des Stegendbereichs 631 so gewählt ist, daß der Lasermodenbereich und der Entladungsbereich zusammenfallen, dann kann der Laseroszillationswirkungsgrad auf einem exzellenten Wert gehalten werden.
Wenn die Breite der Nut auf 24 mm und die Breite des Stegendbereichs 631 auf 20 mm gesetzt war, dann konnte die Breite des Entladungsbereich auf 20 mm gemacht werden. In diesem Zusammenhang wurden die Krümmungen und Abmessungen des totalreflektierenden Spiegels 50 und des totalreflektierenden Auskoppelspiegels 51 so ausgelegt, daß der Lasermodenbereich 20 mm in der Breite aufweist. Wenn mit dem Spiegelabstand von 430 mm der Verstärkungsfaktor, das heißt, das Verhältnis der Fokuslänge (oder des Krümmungsradius') des totalreflektierenden Spiegels 50 zur Fokuslänge (oder zum Krümmungradius) des totalreflektierenden Auskoppelspiegels 51 auf 1,1 : 1 gesetzt war, und die effektive Länge a des totalreflektierenden Auskoppelspiegels 51 auf 18 mm gesetzt war, dann konnte die Breite des Lasermodenbereichs 20 mm sein. Mit diesem Resonator konnte ein Laseroszillationswirkungsgrad von mindestens 15% erzielt werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform mit Mikrowelle, wird der instabile Negativzweigresonator eingesetzt. Es kann jedoch diesselbe Wirkung durch Verwendung eines instabilen Positivzweigresonators erzielt werden, bei dem ein totalreflektierender Spiegel ein Konkavspiegel und ein totalreflektierender Auskoppelspiegel ein Konvexspiegel ist.
Wie es oben beschrieben wurde, wird der instabile Negativzweigresonator in der Erfindung nur in der einen Dimension, die die längere Seite des Entladungsraumquerschnitts ist, eingesetzt. Damit wird, obwohl der Brennpunkt innerhalb des Resonators liegt, das Licht auf eine Linie anstatt auf einen Punkt konzentriert. Damit ist die Schwierigkeit wie z.B. die der optischen Beschädigung, die durch die Lichtkonzentration auf einen Punkt verursacht wird, beseitigt, und das spezifische Merkmal des instabilen Negativzweigresonators, daß er nicht so empfindlich auf den Neigungswinkel der Spiegel reagiert, kann maximal ausgenutzt werden, das heißt, der Resonator ist in seiner Stabilität stark verbessert.
Desweiteren ist die Nut in der leitenden Wand ausgebildet, die einen Teil der Mikrowellenschaltung darstellt und die dem dielektrischen Teil gegenüberliegt, und es ist der Entladungsraum definiert, dessen Querschnitt senkrecht zu Laserstrahlachse vertikale und horizontale Abmessungen aufweist, die sich voneinander unterscheiden. In der einen Dimension, die die längere Seite des Entladungsraumquerschnitt ist, ist der instabile Resonator mit dem total reflektierenden Spiegel und dem totalreflektierenden Auskoppelspiegel ausgebildet. Der Laserstrahl wird an dem Ende der längeren Seite erhalten, die auf der Seite des Auskoppelspiegel liegt, und der Abstand zwischen den äußersten Teilen des Lasermodenbereichs und dem Ende des totalreflektierenden Auskoppelspiegels ist im wesentlichen gleich groß wie Abmessung der kürzeren Seite des Entladungsraumquerschnitts gemacht. Damit kann die erfindungsgemäße Gaslaservorrichtung einen Laserstrahl mit hervorragender Fokussierbarkeit erzeugen. Da desweiteren der Lasermodenbereich in einem Abstand von mindestens 1 mm von der Wand, die die kürzere Seite der Nut bildet, angeordnet ist, weist die Gaslaservorrichtung weniger Verlust in einem Laserstrahl und einen hervorragenden Wirkungsgrad auf. Zusätzlich ist der Steg auf der Leiterwand ausgebildet, die über das dielektrische Teil der Nut gegenüberliegt und die Breite zumindest des Stegendbereichs ist kleiner als die Breite der Nut ausgebildet, so daß der Bereich zur Erzeugung des Plasmas im Entladungsraum im wesentlichen mit dem Lasermodenbereich zusammenfällt. Die sich ergebene Gaslaservorrichtung wird mit einem bemerkenswert hohem Wirkungsgrad arbeiten.

Claims

1. Gaslaservorrichtung mit:

einem Entladungsraum (67), in dem ein Lasergas durch elektrische Entladung angeregt wird, wobei der Entladungsraum die Form eines Quaders hat, dessen Querschnitt senkrecht zu einer laseroptischen Achse ein längere Seite (A) und eine kürzere Seite (B) aufweist; und

Laserresonatorspiegeln (50, 51; 52, 53) jeweils an beiden Enden des Entladungsraums, wobei die Laserresonanzspiegel einen instabilen Negativzweigresonator in einer Dimension bilden, die die längere Seite des Entladungsraumquerschnitts ist, und dadurch das Licht auf eine Linie konzentrieren;

wobei ein Ausgangslaserstrahl (8) an einem Ende der längeren Seite des Entladungsraumquerschnitts erhalten wird.

2. Gaslaservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzspiegel und der Quader einen optischen Wellenleiterresonator in einer zweiten Dimension bilden, die die kürzere Seite des Entladungsraumquerschnitts ist.

3. Gaslaservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzspiegel einen offenen Resonator in einer zweiten Dimension der kürzeren Seite des Entladungsraumquerschnitts bilden.

4. Gaslaservorrichtung mit:

einer Mikrowellenschaltung zur Erzeugung von Plasma mittels einer Mikrowelle, um eine Laseranregung auszuführen;

einer Leiterwand (65), die einen Teil der Mikrowellen schaltung bildet;

einem dielektrischen Teil (66), das der Leiterwand gegenüberliegt;

einem durch eine Nut (64) gebildeten Entladungsraum (67), wobei die Nut in der Leiterwand ausgebildet und zwischen der Leiterwand und dem dielektrischen Teil angeordnet ist, der Entladungsraum die Form eine Quaders hat, dessen Querschnitt senkrecht zu einer laseroptischen Achse eine längere Seite (A) und kürzere Seite (B) aufweist, und der Entladungsaum mit einem Lasergas gefüllt ist, aus dem das Plasma durch die Mikrowellenschaltung erzeugt wird, die einen Mikrowellenmodus bildet, der eine elektrische Feldkomponente senkrecht zu einer Begrenzung zwischen dem dielektrischen Teil und dem Plasma aufweist; und

einem totalreflektierenden Spiegel (50, 52) und einem totalreflektierenden Auskoppelspiegel (51, 53), die einen Laserresonator bilden;

wobei

ein instabiler Negativzweigresonator aus dem totalreflektierenden Spiegel und dem totalreflektierenden Auskoppelspiegel in einer ersten Dimenion gebildet wird, die die längere Seite des Entladungsraumquerschnitts ist, und dadurch das Licht auf eine Linie konzentriert wird;

ein Ausgangslaserstrahl (8) an einem Ende der längeren Seite auf der Seite des totalreflektierenden Auskoppelspiegels erhalten wird; und

ein Abstand zwischen einem äußersten Teil eines Lasermodenbereichs und einem Ende des totalreflektierenden Auskoppelspiegels im wesentlichen gleich einer Abmessung der kürzeren Seite des Entladungsraumquerschnitts ist, wodurch die vertikalen und die horizontalen Durchmesser des Ausgangslaserstrahls demzufolge im wesentlichen gleich zueinander sind.

5. Gaslaservorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lasermodenbereich des instabilen Negativzweigresonators in einem Abstand von mindestens 1 mm von einer Wand der Nut, die die kürzere Seite davon bildet angeordnet ist.

6. Gaslaservorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steg (63) in einem Teilbereich der Leiterwand, die über das dielektrische Teil (66) der Nut (64) gegenüberliegt liegt, ausgebildet ist, und eine Breite mindestens eines Endbereichs (631) des Stegs kleiner als eine Breite der Nut gemacht ist, so daß ein Bereich zur Erzeugung des Plasmas im wesentlichen mit dem Lasermodenbereich zusammenfällt, der mit dem totalreflektierenden Spiegel und dem totalreflektierenden Auskoppelspiegel gebildet ist.