NO169147B - Gasslaser, saerlig te-laser - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en gasslaser, særlig TE-laser, som omfatter to hovedelektroder som i et gassfylt utladningskammer strekker seg i den optiske akses retning, eventuelt minst én forioniseringsinnretning, samt en resonator med et fullreflekterende optisk element og med et delvis gjennomslippende utkoblingselement.

Ved bestemte anvendelser, som f.eks. ved avstandsmål inger, blir der til slike lasere ofte stilt flere krav som er relativt nøye definert og skal oppfylles samtidig. Således kreves for bestemte anvendelsesområder en sammentrengt konstruksjon med tillatelig lengde i området omtrent 200 mm. Et annet krav gjelder utgangsenergien resp. utgangseffekten, idet det skal være mulig å komme opp i omtrent 100 mJ resp. omtrent 1 MW. Dessuten må den emitterte laserstråle ha en meget liten divergens på ca. 3,5 mrad, som er systemspesifikt betinget. Kravene med hensyn til kompakthet og divergens fører til erkjennelsen av at der bør anvendes en grunnmoduslaser hvis resonator da imidlertid må være foldet, da det ellers ved en byggelengde på omtrent 200 mm og den lille diameter som da ennå står til rådighet for grunnmodusvolumet, ikke lenger blir mulig å oppfylle kravene med hensyn til utgangsenergi resp. utgangseffekt.

Slike lasere er meget vanskelige å realisere og betinger

i elektrisk, mekanisk og optisk henseende en kostbar oppbygning og en samvirkning av mange enkelte elementer, noe som fører til vanskeligheter med gjensidig avstemning resp. justering av disse.

Til grunn for oppfinnelsen ligger derfor den oppgave

med minst mulig påkostning og med enkel oppbygning å oppfylle de nevnte krav for en laser av den innledningsvis angitte art.

Denne oppgave blir ved en laser av denne art ifølge oppfinnelsen løst ved at de to hovedelektroders form og innbyrdes avstand er slik valgt og avpasset til hverandre at bredden av den for laserstråling utnyttbare utladningskanal som fremkommer mellom hovedelektrodene, er minst dobbelt så stor som den til avstanden mellom elektrodene svarende høyde av denne utladningskanal, og at resonatoren inneholder minst ett optisk element som folder laserstrålen innenfor denne utladningskanal.

Oppfinnelsen er basert på det siktemål å integrere en foldet resonator i den eneste utladningskanal som oppstår mellom de to hovedelektroder, og dermed innen denne utladningskanal å tildanne flere ved siden av hverandre løpende optiske kanaler med foldet optisk akse. Denne løsningstanke blir ifølge oppfinnelsen realisert ved at der ved utformingen av anordningen av de to hovedelektroder oppstår en utladningskanal hvis bredde - dvs. dens for laserstråling utnyttbare utstrekning i retning loddrett på den optiske akse - er minst dobbelt så stor som dens høyde, altså dens for laserstrålingen utnyttbare utstrekning i en retning som står loddrett på

den første. Således fremkommer der altså for tilfellet av at utladningskanalens bredde er lik den dobbelte høyde, to optiske kanaler som forløper ved siden av hverandre over den optiske akse, som er foldet én gang. I den forbindelse blir det optiske element som folder laserstrålen, for å bevirke folding innen utladningskanalen, selvsagt utformet slik at det overspenner denne utladningskanal, det vil i tilfellet av to ved siden av hinannen løpende optiske kanaler si at elementet skal være i stand til å oppta og reflektere den fremkommende utnyttbare laserstråling i begge kanaler i full bredde.

Ved en laser ifølge oppfinnelsen er integrasjonen av

en foldet resonator realisert i en eneste utladningskanal ved anvendelse av bare to hovedelektroder, så der for hoved-utladningen og også for en eventuelt benyttet forionisering bare behøves få elementer. Derved fås i forbindelse med enkleste elektrodekonfigurasjon i elektrisk henseende en enkel oppbygning som lett lar seg beherske når det gjelder elektrodeanordning og -tilordning, og det med minst mulig utstyr av enkelt-elementer. På grunn av resonatorfoldingen i en eneste utladningskanal som forløper mellom bare to hovedelektroder, fås denne fordel i optisk henseende også for det optiske element som folder resonatoren, og som da lar seg utføre mer kompakt og liten og dermed også enklere i

optisk henseende. Laseren ifølge oppfinnelsen har således den vesentlige fordel at alle de nevnte krav blir oppfylt samtidig ved en løsning som gir enklest mulig elektrodekonfigurasjon, minst mulig påkostning og enkel oppbygning.

Ved en laser ifølge oppfinnelsen blir hovedelektrodene fordelaktig utformet slik at deres profil i det minste ligner et Rogowsky- eller Chang-profil. Dermed menes et profil hvis form sikrer at der i hele området -mellom de to hovedelektroder ikke oppstår forstyrrende felthøyninger.

En særlig gunstig videre utvikling av laseren ifølge oppfinnelsen går ut på at minst én av hovedelektrodene midt på sin bredde er utformet med en fordypning som strekker seg i retningen for den optiske akse, så utladningskanalen i midten får en fortynnet sone som forløper i den optiske akses retning. Dette tiltak er særlig gunstig når det gjelder de optiske elementer resonatoren inneholder, da de kanter eller randområder som disse optiske elementer eller deres speilflater oppviser eller også danner mellom enkelte optiske elementer, kan anordnes slik at de med hensyn til laser-funksjonen befinner seg i en sterkt fortynnet sone og dermed er beskyttet mot skader eller forstyrrelser. Ved en i den forbindelse hensiktsmessig utforming av hovedelektrodene er fordypningen utført rilleformet med et rilleprofil tilpasset hovedelektrodenes profil. Det betyr at rilleprofilet har en form som i det minste ligner Rogowsky- eller Chang-profilet, og ved overgangen fra rillen til den virksomme hovedflate av en elektrode har en tilpasset form svarende til hoved-elektrodens profil.

Ved en laser ifølge oppfinnelsen oppviser det optiske element som folder laserstrålen, to speilflater som danner en rett vinkel med hverandre og en og en vinkel på 45° med den optiske akse. Forøvrig kan dette foldeelement være utformet på forskjelligste måte. Således er det mulig for folde-elementet å benytte et møneprisme eller et prisme som er utformet med speilflate på den angitte måte på den side som vender mot utladningskanalen. Istedenfor et foldeelement i ett stykke vil der også kunne benyttes to enkeltspeil eller

-prismer.

Et gunstig utførelseseksempel på en laser ifølge oppfinnelsen oppviser en resonator hvor det partielt gjennomslippende utkoblingselement og det fullreflekterende optiske element i fellesskap er anordnet på den ene side av resonatoren og det optiske element som folder laserstrålen, på den overforliggende side av resonatoren. I den forbindelse er det mulig å benytte to separate speil for det partielt gjennomslippende utkoblingselement og det fullreflekterende optiske element eller også å anordne utkoblingselement og fullreflekterende element på en felles bærer og tildanne dem ved hjelp av et substrat med forskjellig virkning.

Et foretrukket utførelseseksempel på en laser ifølge oppfinnelsen vil i det følgende bli belyst nærmere under henvisning til tegningen. Fig. 1 viser skjematisk tverrsnitt av den prinsipielle oppbygning av en laser ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2 viser snitt etter linjen II-II på fig. 1.

Laseren på tegningen er en såkalt TE-laser (transversely excited laser), særlig en CC^-laser, med et gassfylt utladningskammer 1 som dannes av et strekpunktert antydet hullegeme 2, f.eks. med rundt tverrsnitt, og inneholder resonatorrommet. Videre inneholder utladningskammeret 1 et elektrodesystem av to overfor hinannen liggende hovedelektroder 3 og 4, som strekker seg innbyrdes parallelt i retningen for den optiske akse 15, 15', og som med sine mot hinannen vendende ytterkon-turer har i det minste tilnærmet Rogowsky- eller Chang-profil. En av hovedelektrodene ligger her på gods, mens den annen ligger på høyspenning (HV). Imidlertid kan også de to hovedelektroder begge ligge på høyspenning, men med forskjellig potensial. Hovedelektrodene 3 og 4 fremkaller en utladning, slik at der mellom dem dannes en elektrisk utladningskanal 5 som laserstrålingen ledes igjennom. Dessuten inneholder elektrodesystemet også to forioniseringsinnretninger 6, som er antydet med stiplede linjer, og som er anordnet til siden for hovedelektrodene 3, 4 og likeledes strekker seg i retningen for den optiske akse 15, 15'. Det samlede elektrodesystem kan ha i og for seg kjent oppbygning. Således egner seg for den foreliggende oppbygning et elektrodesystem som er nærmere angitt i den eldre tyske patentsøknad P 33 13 811.7 og der benyttes for en TE-laser, og som består av hoved- og hjelpe-elektroder til forionisering.

Resonatorrommet begrenses av to overfor hinannen liggende endevegger 7 og 8 som forløper innbyrdes parallelt og i plan loddrett på den optiske akse 15, 15' og fremfor alt tjener til montering av resonatorelementene. Den optiske resonator består av et fullreflekterende optisk element 9 og et partielt gjennomslippende utkoblingselement 10 som begge er utført som speil og her i fellesskap er integrert i endeveggen 7

på den ene side av resonatoren. Imidlertid er også forskjellige andre speilanordninger mulige. Således kan speilene 9 og 10 f.eks. være anordnet i separate plan som ligger bak hverandre i retning for den optiske akse 15, 15' og dannet på

et felles substrat med forskjellig karakter eller på forskjellige endevegger av resonatoren. Videre inneholder resonatoren også to ytterligere fullreflekterende speil 11 og 12,

som sitter ved den motsatte ende av resonatoren og eventuelt er integrert i den annen endevegg 8, og som danner en rett vinkel med hverandre og en og en vinkel på 45° med den optiske akse 15, 15'. Disse speil danner her et optisk element 13

som setter seg sammen av to deler og tjener til å folde laserstrålen innen utladningskanalen. Det optiske foldeelement kan imidlertid også være utført som en enkelt del, men er i så fall alltid anordnet slik i forhold til utkoblingsspeilet 10 og utformet slik at det overspenner utladningskanalen,

dvs. opptar den utnyttbare laserstråling i dens fulle bredde. Samtidig er resonatoren bestående av speilene 9, 10 og 11, 12 og elektrodesystemet 3, 4 og 6 stadig slik innbyrdes til-ordnet at resonatorelementene befinner seg mellom de to hovedelektroder 3, 4 og mellom forioniseringsinnretningéne 6,

men utenfor det mellom hovedelektrodene 3, 4 dannede utladningskanal 5 ved endene av denne, og at den av det fullreflekterende speil 9 reflekterte laserstråle stråler ut i det frie rom mellom hovedelektrodene 3, 4 i retning mot det overforliggende speil 11 hos det optiske foldeelement 13, som ombøyer stråle-forløpet 90° i det overforliggende speil 12, som i sin tur

igjen ombøyer stråleforløpet 90 , så den foldede laserstråle går tilbake i retningen for grenen 15' av den optiske akse og treffer det partielt gjennomslippende utkoblingsspeil 10 samt - idet den delvis trer igjennom dette - går ut i retningen for pilen 14. Ved laseren ifølge oppfinnelsen er der altså integrert en foldet resonator i den utladningskanal som oppstår mellom de to hovedelektroder 3 og 4. Derved blir der innen denne utladningskanal da-nnet to ved siden av hinannen løpende optiske kanaler 5a og 5b, samtidig som den optiske akse for kanalen 5a ved hjelp av elementet 13 blir foldet inn i kanalen 5b slik at den optiske akse får to innbyrdes parallelle grener 15 og 15'. Form og innbyrdes avstand av de to hovedelektroder 3 og 4 er slik valgt og gjensidig avstemt at bredden B av den utladningskanal 5 som kan utnyttes for laserstrålingen, er minst dobbelt så stor som høyden H av denne utladningskanal. Dette er også inntegnet på fig. 1, hvor den elektriske utladningskanal 5 er avmerket ved skra-vering, mens den optisk utnyttede del av utladningen er antydet punktert ved sirkler 16a og 16b. Der oppstår altså i det foreliggende tilfelle to optiske kanaler hvis bredde og høyde er like, dvs. at der også her dannes to optiske kanaler med stort sett kvadratisk tverrsnitt. For imidlertid å beskytte kantene eller randområdene av resonatorens optiske elementer mot skade er der mellom de to optiske kanaler 5a og 5b til-dannet en sone som er fortynnet når det gjelder laserstrålingen, og som på fig. 1 er tilkjennegitt ved et smalt, ikke skravert område 5c. Derved blir der i utladningskanalen 5 i det foreliggende tilfelle altså dannet to optiske kanaler 5a og 5b med en mellomliggende, fortynnet sone 5c som her oppstår ved at de to hovedelektroder 3, 4 midt på sin bredde på de mot hinannen vendende sider har hver sin rilleformede fordypning 17, hvis profil er tilpasset hovedelektrodenes. Fordypningene 17, som likeledes er antydet punktert på fig. 1, har altså ved overgangen til den virksomme elektrode-hovedflate en form som er tilpasset Rogowsky- eller Chang-profilet. Som det fremgår av fig. 2, blir således de nær hinannen liggende speilkanter eller -randområder av-resonatorens optiske elementer, eksempelvis de i kort innbyrdes avstand liggende speilkanter 11a og 12a av speilene 11 og 12 eller, i tilfellet av en utforming av det optiske foldeelement som møneprisme i ett stykke, mønekanten av dette prisme knapt nok pådratt med laserstråling og derfor langt på vei beskyttet mot å ødelegges.

Ved en laser i samsvar med oppfinnelsen er det også

mulig å folde laserstrålen flere enn én gang. I så fall ville der på stedet for utkoblingselemeritet 10 på fig. 2 sitte et annet foldeelement plassert overfor første foldeelement 13, og utkoblingsspeilet 10 ville da bli å anordne overfor annet foldeelement, altså på siden for første foldeelement 13. Ved en slik anordning ville den optiske akse da bli foldet to ganger og følgelig ha i alt tre innbyrdes parallelle grener.

Claims (6)

1. Gasslaser, særlig TE-laser, omfattende

to hovedelektroder som i et gassfylt utladningskammer strekker seg i retningen for den optiske akse, eventuelt minst én forioniseringsinnretning, og en resonator med et fullreflekterende optisk element og et delvis gjennomslippende utkoblingselement,karakterisert vedat form og innbyrdes avstand av de to hovedelektroder (3, 4) er slik valgt og innbyrdes avpasset at bredden (B) av den for laserstråling utnyttbare utladningskanal (5) som oppstår mellom hovedelektrodene, ér minst dobbelt så stor som den til avstanden mellom elektrodene svarende høyde (H) av denne utladningskanal, og at resonatoren inneholder minst ett optisk element (13) som folder laserstrålen innen denne utladningskanal.

2. Gasslaser som angitt i krav 1, karakterisert ved at det optiske element (13) som folder laserstrålen, oppviser to speilflater (11, 12) som danner en rett vinkel med hverandre og en og en vinkel på 45° med den optiske akse (15, 15').

3. Gasslaser som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at hovedelektrodene (3, 4) har i det minste tilnærmet Rogowsky- eller Chang-profil.

4. Gasslaser som angitt i krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at minst én av hovedelektrodene (3, 4) på midten av sin bredde er utformet med en fordypning (17) som strekker seg i retningen for den optiske akse (15, 15'), så utladningskanalen (5) på midten har en fortynnet sone (5c) som forløper i retningen for den optiske akse.

5. Gasslaser som angitt i krav 4, karakterisert ved at fordypningen (17) er utført rilleformet, og rilleprofilet er tilpasset hovedelektrodenes (3, 4) profil.

6. Gasslaser som angitt i et av kravene 1-5, karakterisert ved at det delvis gjennomslippende utkoblingselement (10) og det fullreflekterende optiske element (9) hos resonatoren i fellesskap er anordnet på en side av resonatoren, og det optiske (13) som folder laserstrålen, på den motsatte side av resonatoren.