JPH09508756A - 光学的に安定なレーザ共振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、末端鏡（１）と、出力結合窓（２）と、レーザ活性媒質（３）と、共振器の内部に配置された１対の発散（４）及び収斂（５）作用する光学球面鏡とを有する光学的に安定なレーザ共振器に関する。本発明の課題は、該共振器を、コンパクトな構造形で非点収差が殆ど完全に補正されるように構成することである。この課題は、共振器の基本モード軸線Ａ１を基準とした発散鏡（４）での入射角度Ｗ１が１０°よりも大きくかつ４５°よりも小さく、かつ、共振器の基本モードビーム軸線Ａ２を基準とした発散鏡（４）における入射角度Ｗ２が、所定の鏡距離ＳＡ並びに鏡（４）の所定の鏡焦点距離ｆ１及びｆ２が式により決定されていることにより解決される。

Description

【発明の詳細な説明】 光学的に安定なレーザ共振器 本発明は、ドイツ国特許第３６０４２３１号明細書から公知であるような、請 求項１の上位概念記載の光学的に安定なレーザ共振器に関する。 特殊なビーム特性を有する高出力レーザ用のレーザ共振器は、例えば表面技術 で使用するために必要である。レーザビームでインキ層を除去する際には、“In dustrial Laser Rewiev”,１９９１年８月、４〜９頁に記載されているように、 加工すべき面に当たるレーザビームが局所的に可能な限り均一であるのが好まし い。 原理的には、もちろん適当な積分器により、不均一なレーザビームをも均一化 することも可能である。もっともこの場合には、若干の欠点を甘受しなければな らない：例えばこのような積分器は殊に高価でありかつ取り扱いにくいだけでな く、均一性がしばしば積分光学系からの一定の小さい距離範囲のためだけに保証 される（小さい焦点深度）。従って、共振器の補助で形成されたレーザビームが 十分に均一であるだけでなく、また該レーザビームの均一性がビーム搬送におい ても保持されるように、共振器が構想されていれば有利である。しかしまた同時 に、レーザビームは簡単にビーム搬送及びビーム形成を可能にするビーム特性を 有するべきである。従ってこのためには、例えば、該共振器を用いて形成された レーザビームを共焦点のパラメータにより記載することができる場合、可能な限 り非点収差もしくは非対称又はそれらの両者を有しない場合が有利である。如何 にすれば高出力レーザ用の安定な共振器を構成することができるかは、原理的に はドイツ国特許第３６０４２３１号明細書に記載されている。該明細書には、こ のような共振器のためには、エネルギー密度もしくは出力密度を部分透過性の出 力結合光学系で縮小し、ひいてはこの値が損傷のために臨界的限界値未満にある のが有利であると記載されている。このための手段として、共振器内で内部拡大 として作用しかつ出力結合光学系の範囲内のビーム面積を拡大し、そうして面積 当たりのビーム負荷を軽減する、共振器内の光学的に発散及び収斂部材が推奨さ れている。可能であれば、これらの部材は反射面からなっているべきである。そ れというのも、これらは高いビーム負荷に耐えることができかつ更に十分に冷却 されるからである。ドイツ国特許第３６０４２３１号明細書には、欠点として、 発散及び収斂部材のために簡単に製造される、廉価な球面鏡を使用する場合常に 、拡大光学系は一般に非点でありかつそれにより同様に非点収差及び／又は非対 称をレーザビーム内に発生し、これらを著者の意見によれば例えば円柱鏡のよう な付加的な光学的部材により補償しなければならないことが記載されている。 非点収差に基づく問題を詳細に説明するために、再度球面鏡を使用する際の内 部拡大装置を有する共振器の計算を考慮すべきである： 拡大装置を有する共振器の第１段階は、内部に１つのレンズを有する共振器で ある。このような共振器の構成は、文献から公知である。例えば、／１／には、 このような内部のフォーカシング部材を有する共振器のビームパラメータは如何 にして計算できるかが記載されている。該文献においては、章（１４ａ），（１ ４ｂ）は、章（７）及び（８）と一緒にして、このような共振器のために特徴的 な基本モードを計算することを可能にする。 特に、両者の末端鏡に当たるレーザビームの共焦点パラメータを計算すること を可能にする。 １枚のレンズの代わりに２枚のレンズからなる拡大系を使用する（テレスコー プ）場合には、１枚のレンズの焦点距離（もしくは屈折力）の代わりに両者の部 材により形成される系の共通の焦点距離を使用すれば、／１／に記載の方程式を 使用することができる。更に、レンズまでの距離は公知のように主面までの距離 に置き換えることができる。２枚のレンズからなる系のための焦点距離及び主面 の位置に関する表現は、例えば／２／に式（２３），（２４）及び（２５）で示 されている。 それに基づき両者のレンズの間隔を変えると、レンズ系の生じる焦点距離及び 主面の位置も変化する。それにより、共振器の基本モード、ひいてはビームの共 焦点パラメータを末端鏡及び出力結合鏡の前方で変化させることができる。 レンズの代わりに球面鏡を使用する場合には、この鏡にゼロと異なる入射角度 で入射する際には、非点収差が生じる。その際、これらの鏡は接線方向とサジタ ル方向のために２つの異なった焦点距離を有し、これらは例えば球面鏡のために ／３／の５８５頁に記載されている。これに関して次のとおり記載されている： 接線方向の焦点距離： サジタル方向の焦点距離： 但し、ｗは入射角度及びｆは垂直に入射した際の焦点距離である。 従って、大きな入射角度を選択すると、球面鏡の非点収差は特に大きくなる。 しかし他面、大きな入射角度は、テレスコープを短くし、ひいてはスペースを 倹約しかつコンパクトに構成することを可能にする。 非点部材によるレーザビームの転換は、全ての部材に関して横方向及びサジタ ル方向が同じであるか又は互いに垂直である（直交している）場合には、その際 両者の立体方向が減結合されるために、容易であると記載されている。その際に は、非点の拡大光学系を有する安定な共振器の場合には、横方向及びサジタル方 向のための基本モードの前記の計算を別々に行うことができる。その際、両者の 方向のための異なった合成焦点距離のために、接線方向及びサジタル方向におけ る基本モードの共焦点パラメータは一般に極めて異なっており、このことは非点 及び／又は非対称のビームを生じる。共振器が一方の方向のためにのみ安定であ るが、他方の方向のためには安定な解決手段が存在しないということが起こり得 る。 本発明の課題は、冒頭に記載した形式の共振器を、コンパクトな構造で非点収 差が殆ど完全に補正されるように構成することである。この課題は、請求項１の 特徴部に記載の特徴により解決される。 請求項２以降には、該共振器の有利な実施態様が記載されている。 共振器内に両者の球面鏡を以下に記載の形式で配置する場合には、上記記載か ら両者の鏡４，５により形成されたテレスコープの焦点距離ｆ１，ｆ２のために 接線方向及びサジタル方向で以下の関係が成り立つ： 但し、ｆｔは接線方向の焦点距離及びｆｓはサジタル方向の焦点距離である。 従って、異なった入射角度Ｗ１及びＷ２により、接線方向及びサジタル方向の ために、これらの両方向のために共振器の基本モードの異なった共焦点パラメー タを生じる、テレスコープの種々の焦点距離を調整することができる。 所定のＷ１，ｆ１，ｆ２，及びＳＡにおいて入射角度Ｗ２を、請求項１に記載 されているように選択すれば、サジタル方向と接線方向のために同一の焦点距離 が生じ、この場合もっともなお両者の方向のための主面はその位置が互いにずれ ている。このように選択したＷ２の場合には、出力結合窓１（ＡＳ）での基本モ ードのための接線方向とサジタル方向のための共焦点パラメータは殆ど同じであ る。従って、非点収差の有害な影響は、たとえ大きな入射角度を選択する場合で も、補償される。 Ｗ２が計算された値からずれることができる許容差は、小さい角度Ｗ１で１〜 ２°であってよい。しかし、該許容差範囲はＷ１の値の増大及び間隔ＳＡの減少 に伴い小さくなる。 フラット・トップ（flat top）の形を有する立体的に均一なビームプロフィー ルを有するレーザビームは、共振器の内部で多数のモード（有利には１０以上） を増幅すれば、立体的に均一なビームプロフィールを発生させることができる。 モードの数Ｎは、／３／６９６頁によれば、ほぼ： ［式中、ｗｏは共振器の基本モードの直径及びｄはレーザ媒質の直径である］に より与えられる。本発明による共振器においては、両者の球面鏡４，５の距離を 変えることにより生ぜしめることができる。この場合、レーザ媒質の直径は、ほ ぼＤＴもしくはそれに対して直交する、活性容量の膨張ににより与えられる。そ の際、付加的になお請求項１の特徴の条件を満足すれば、それにより、殆ど非点 収差を有しない、フラット・トップのプロフィールを有するレーザビームを発生 させることができる。 次に、本発明を図面を参照して実施例につき詳細に説明する。 この場合、図１は共振器及び図２は該共振器の種々の共焦点パラメータのグラ フを示す。図３は図１による共振器の変形を示す。 図１は、共振器がＴＥＡ−ＣＯ₂レーザのために構成された図式化した実施例 を示す。この場合、共振器は末端鏡１及び半透過性の出力結合鏡２で制限されて いる。レーザ媒質３は末端鏡１と発散鏡４との間にある。鏡４と出力鏡２との間 には、収斂鏡５配置されている。鏡対１，４；４，５及び５，２の間には、基本 モードビーム軸線Ａ１，Ａ２及びＡ３が記入されている。距離ＳＡはビーム軸線 Ａ２の長さに相当する。Ｗ１は鏡４の面法線とビーム軸線Ａ１との間の角度であ り、かつＷ２は鏡５の面法線とビーム軸線Ａ２との間の角度である。ＤＴはレー ザ媒質の直径を示す。接線方向及びサジタル方向におけるビーム狭窄部はｗｔ， ｗｓ又は簡単にｗｏで示されている。 共振器のデータは以下のとおりである： 末端鏡１（ＥＳ）：平面 出力結合鏡２（ＡＳ）：平面 曲率鏡４：−０.３ｍ 曲率鏡５：０.４５ｍ 距離ＥＳ−鏡４：２ｍ 距離ＡＳ−鏡：０.４ｍ ＡＳ：０.１５１と０.１６ｍの間 Ｗ１：１６° Ｗ２：約１３° 図２は、両者の鏡４，５の距離ＳＡに依存する共振器の基本モードの種々の共 焦点パラメータを示す。そして、詳細には以下の符号が付されている。 ＺＲ−ｔ，ＥＳ（点で示した下方の線）：末端鏡（ＥＳ）と凸面鏡４との間の 接線方向における共焦点パラメータ ＺＲ−ｓ，ＥＳ（実線で示した下方の線）：末端鏡（ＥＳ）と凹面鏡４との間 のサジタル方向における共焦点パラメータ ＺＲ−ｔ，ＡＳ（点で示した上方の線）：出力結合鏡（ＡＳ）と凹面鏡５との 間の接線方向における共焦点パラメータ ＺＲ−ｓ，ＡＳ（実線で示した上方の線）：出力結合鏡（ＡＳ）と凹面鏡５と の間のサジタル方向における共焦点パラメータ 図２から、ＳＡの記載の範囲内ではＺＲ−ｔ，ＡＳ及びＺＲ−ｓ，ＡＳもまた ＺＲ−ｔ，ＥＳ及びＺＲ−ｓ，ＥＳも殆ど一致しており、従って非点収差が殆ど 完全に補正されていることが認識されるべきである。 共振器内で如何に多くのもモードが振動するかのために決定的なことは、方程 式： を介してレーザ内の基本モードの直径を決定する共焦点パラメータＺＲ−ｔ，Ｅ Ｓ及びＺＲ−ｓ，ＥＳである。上記式中、ｗはビーム狭窄部の直径、ＺＲは共焦 点パラメータ及び１はレーザの波長である。 １０μｍの波長（ＣＯ₂レーザ）及び方形の横断面を有するレーザ媒質（この 場合、ＤＴは０.０３ｍである）で、図１に基づく実施例で約１７モードが振動 する。それにより、この共振器を用いてフラット・トップのプロフィールを有す るレーザビームを達成することができる。 図３は、レーザ媒質３と鏡５の間に付加的な偏向平面鏡６が挿入された共振器 を示す。それによりテレスコープを好ましく位置決めし、かつレーザビームの出 射方向ををレーザ媒質の位置に無関係に選択することができる。 参照番号リスト： １ 末端鏡（ＥＳ） ２ 出力鏡（ＡＳ） ３ レーザ媒質（ＬＭ） ４ 発散鏡 ５ 収斂鏡 ６ 偏向鏡

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．共振器の一方の端部に配置され、光を全反射する末端鏡（１）と、共振器 の他方の端部に配置され、部分反射する鏡（２）として構成された出力結合窓と 、レーザ活性媒質（３）と、共振器の内部に配置された１対の光学球面鏡（４， ５）とを有し、前記出力結合窓（２）でのビーム拡大するために、一方の鏡（４ ）が発散性でありかつ他方の鏡（５）が収斂性であり、しかも共振器の基本モー ドビーム軸線の両者の衝突点を基準として鏡（４，５）の面法線が１つの面内に ある形式の光学的に安定なレーザ共振器において、共振器の基本モード軸線Ａ１ を基準とした鏡（４）での入射角度が１０°よりも大きくかつ４５°よりも小さ く、その際基本モード軸線Ａ１が全反射末端鏡（１）と発散鏡（４）の間にあり 、かつ、共振器の基本モードビーム軸線Ａ２を基準として鏡（５）における入射 角度Ｗ２が、所定の鏡距離ＳＡ並びに鏡（４）の所定の鏡焦点距離ｆ１及び鏡（ ５）の所定の焦点距離ｆ２で以下の式： により決定され、その際基本モードビーム軸線Ａ２は発散鏡（４）と収斂鏡（５ ）の間に位置することを特徴とする、光学学的に安定なレーザ共振器。 ２．レーザ活性媒質ＬＭ（３）が末端鏡（１）と球面鏡（４）の間の空間に存 在し、かつ、球面鏡（４）から球面鏡（５）までの距離は、レーザ活性媒質（ビ ーム狭窄部）内の接線方向及びサジタル方向における基本モードの直径ｗｔ及び ｗｓが、相当する立体方向における活性媒質ＬＭ（３）の寸法よりも著しく小さ いように調整されている、請求項１又は２記載の光学的に安定な共振器。 ３．寸法ＤＴがビーム半径ｗｓ，ｗｔよりも少なくとも４倍大きい、請求項２ 記載の光学的に安定な共振器。 ４．寸法ＤＴがビーム半径ｗｓ，ｗｔよりも少なくとも６.３倍大きい、請求 項２記載の光学的に安定な共振器。 ５．活性媒質（３）と鏡（４）の間に偏向平面鏡（６が配置されている、請求 項１から４までのいずれか１項記載の光学的に安定な共振器。