WO2003098314A2 - Kurzpuls-laservorrichtung mit vorzugsweise passiver modenverkopplung und mehrfachreflexions-teleskop hiefür - Google Patents

Kurzpuls-laservorrichtung mit vorzugsweise passiver modenverkopplung und mehrfachreflexions-teleskop hiefür Download PDF

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WO2003098314A2
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    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/0813—Configuration of resonator

Definitions

  • Short-pulse laser device with preferably passive mode coupling and multiple reflection telescope therefor
  • the invention relates to a short-pulse laser device with preferably passive mode coupling, with a resonator that contains a laser crystal and several mirrors that define a long resonator arm and a short resonator arm, and one of which forms a pump-beam coupling-in mirror and one forms a laser beam decoupler. and with a multiple reflection telescope which increases the resonator length and is assigned to one of the resonator arms and which is constructed with mirrors in order to reflect a laser beam coupled into the space between them several times back and forth between the mirrors before it is decoupled back into the rest of the resonator, with one another The following off-center reflex points on the mirrors are offset from one another.
  • the invention relates to a multiple reflection telescope for a short-pulse laser device, for increasing its resonator length, which multiple reflection telescope is constructed with mirrors in order to couple a laser beam coupled into the space between them before it is decoupled back into the rest of the laser device to reflect back and forth several times between the mirrors, successive off-center reflection points on the mirrors being offset from one another.
  • Short-pulse laser devices have recently been of increasing interest, since in view of the extremely short pulse durations in the femtosecond range, with pulse peak powers of> 1 MW, a wide variety of applications in research and industry are possible. Such short-pulse laser devices with pulse durations in the fe-second range can be used for the time-resolved investigation of the interaction between electromagnetic radiation and matter. On the other hand, in view of the increasing miniaturization in material processing, the finest structures can be manufactured precisely and at high speed. Femtosecond laser devices with high output pulse energy and a high repetition rate can be used ideally for this.
  • One is desirable Laser device that generates laser pulses with a pulse duration in the order of 10 fs and with an energy of, for example, 25 to 30 nJ at a pulse repetition rate in the order of 10 MHz.
  • the relatively slow pulse repetition rate in the order of 10 MHz instead of, for example, 80 MHz
  • a higher pulse peak power or a higher pulse energy can be achieved what is of interest for material processing.
  • Such comparatively low repetition rates which conversely mean a relatively long pulse circulation time in the laser resonator, bring about a corresponding increase in the length of the resonator, for example from 2 m to 16 m, which increases the dimensions of the laser device.
  • Multiple reflections telescope or “telescope” for short (based on the article by A. Poppe et al., "A Sub-10 fs, 2.5-MW Ti.Sapphire Oscillator", Ultrafast Optics 1999, pp. 154-157 , Ascona, Switzerland (1999)), in order to increase the pulse circulation time and thereby reduce the repetition rate by a multiple pass through this resonator part due to a plurality of reflections from opposing mirrors. This makes it possible to increase the energy part of the pulse part coupled out per revolution accordingly.
  • a disadvantage of these known laser devices or telescopes is that relatively large dimensions are still required for the laser resonator, so that the overall dimensions of the laser device lead to a relatively bulky device. Furthermore, the stability of the laser radiation is also a problem with the known laser devices, it having to be taken into account that through the telescope Images of the laser beam cross section are required, which must be adapted as well as possible to the rest of the resonator for stability. In the known arrangements, however, the situation is such that even slight inaccuracies in the positions of the telescope mirrors, and thus already relatively small changes in the resonator length, lead to substantial changes in the steel cross section, which results in instabilities in the resonator as a whole.
  • a further disadvantage is that in the case of the article by Cho et al.
  • Known laser device where the laser beam is coupled into the telescopic part through slots in one of the telescopic mirrors and is coupled out of this telescopic part through corresponding slots in the mirror, the mirror formation is complex and problematic in production.
  • the short-pulse laser device is characterized in that the telescope has only one curved, preferably concave mirror and one plane mirror, the position of which at least substantially corresponds to the center of an imaginary multiple reflection arrangement with two curved mirrors, which means that one curved mirror of the telescope also contains the reflection points of the imaginary other curved mirror.
  • the invention provides a telescope as stated at the beginning and with the features that only a curved, preferably concave mirror and a planar mirror are provided as the telescope mirror, the position of the plane mirror being at least essentially the center of an imaginary multiple reflection Arrangement with two curved Mirroring corresponds, whereby the one curved mirror of the telescope also contains the reflection points of the imaginary other curved mirror.
  • the dimensions of the telescope are practically halved and "folded".
  • This measure is based on the knowledge that the wavefront of the laser beam when reflecting on a curved mirror describes a correspondingly curved surface, the wavefront then changing until it is reflected on the opposite mirror in such a way that it corresponds to the curvature there, in which In the middle, a situation is reached in which the wavefront is flat; at this point, the plane mirror is arranged according to the invention.
  • the plane mirror - usually multilayer mirrors made of dielectric materials are used in laser resonators - can be produced much cheaper than curved substrate mirrors.
  • R is the radius of curvature of the curved mirror
  • ⁇ is the central angle between two successive reflection points lying on a circular line and actually assigned to the one curved mirror.
  • the configuration according to the invention with the "folding" of the telescope creates a favorable possibility for coupling and decoupling the laser beam in the region of the telescope, and accordingly a particularly advantageous embodiment of the short-pulse laser device according to the invention is characterized in that essentially In the middle between the curved and the plane mirror in the path of one of the beam paths between these two mirrors, coupling and decoupling mirrors for the laser beam are provided.
  • the telescope is assigned to the long resonator arm.
  • a laser beam with a relatively large cross-section coupling is available in the telescope part, in which case the cross section of the laser beam changes only slightly with the various reflections in the telescope part before it is coupled out again - with practically the same cross section as in the coupling - and fed to the rest of the resonator part becomes.
  • any small changes in length ie small changes in the distances between the lenses of the telescope, hardly play a role, since this does not significantly change the steel cross section. This enables an optimal adaptation between the telescope and the rest of the resonator.
  • Figure 1 in, a schematic of the structure of a short-pulse laser device with telescope according to the invention.
  • FIG. 2 shows such a short-pulse laser device in its arrangement on a mounting plate, the coupling and uncoupling of the laser beam in the region of the telescope also being illustrated schematically;
  • 4 and 5 are schematic views of these telescopic mirrors with the reflection points thereon;
  • FIG. 6 shows an imaginary intermediate step in the "folding" of such a telescope according to FIG. 3, with provision of a planar telescope mirror;
  • FIG. 7 shows a view of a telescope designed according to the invention with a concavely curved mirror and a plane mirror, the coupling of the laser beam into the telescope and the coupling out of the laser beam from the telescope also being illustrated schematically;
  • FIGS. 4 and 5 are schematic views corresponding to FIGS. 4 and 5 of the concave curved telescope mirror from FIG. 7 with the reflection points thereon;
  • Fig. 9 in a diagram schematically the course of the radius R (in mm) of the laser beam in the transverse direction over the path length x (in m) of the laser beam in the resonator, with a short resonator arm, a long resonator arm and the this associated telescope;
  • a short-pulse laser device 11 is schematically illustrated in FIG. 1, in which, for short-pulse generation, e.g. the known "Kerr-lens mode locking" principle is used.
  • the laser device 1 has, according to FIG. 1, a resonator 12 to which a pump beam 13, e.g. an argon laser beam is supplied.
  • a pump beam 13 e.g. an argon laser beam is supplied.
  • the pump laser itself e.g. Argon laser, is omitted in Fig. 1 for the sake of simplicity and belongs to the prior art.
  • the pump beam 13 excites a laser crystal 14, in the present example a titanium: sapphire (Ti: S) solid-state laser crystal.
  • the dichroic mirror Ml is transparent to the pump beam 13, but highly reflective to the Ti: S laser beam.
  • This laser beam 15, the resonator beam then strikes a laser mirror M2 and is reflected by the latter to form a laser mirror M3.
  • This laser mirror M3 reflects the laser beam back to a laser mirror M4, from where the laser beam 15 is reflected back to the laser mirrors M3, M2 and Ml, passing through the laser crystal 14 a second time.
  • This resonator part with the mirrors M2, M3 and M4 forms a so-called short resonator arm 16, which is Z-shaped in the example shown.
  • the laser beam 15 is then reflected from the mirror M1 to a laser mirror M5 and from this to a laser mirror M6 and to a further laser mirror M7, whereby a second Z-folded resonator arm 17 is formed, which is provided as a long resonator arm 17.
  • the laser beam 15 arrives in a telescope 18, which is only shown schematically in FIG. 1, and from there to an end mirror OC which acts as a decoupler.
  • a part of the laser beam 15 is coupled out via this coupling-out end mirror OC, providing a possibility of compensation, a compensation plate CP and Mirrors (not shown in more detail) in thin-film technology for dispersion compensation and ensure that no undesirable reflections occur in the direction of the laser resonator 12.
  • the laser crystal 14 is a plane-parallel body which is optically non-linear and forms a Kerr element which has a greater effective optical thickness for higher field strengths of the laser beam 15, but has a smaller effective thickness where the field strength or intensity of the laser beam is lower ,
  • This core effect known per se is used for self-focusing of the laser beam 15, i.e. the laser crystal 14 forms a focusing lens for the laser beam 15.
  • the mode coupling can also be done in a conventional manner e.g. with the aid of an aperture not shown in FIGS. 1 and 2 (see e.g. AT 405 992 B); but it would also be conceivable to use one of the end mirrors, e.g. M4 to be designed as a saturable Bragg reflector and thus used for mode locking.
  • the mirrors Ml, M2 ... M7 are made using thin-film technology, ie they are each made up of many layers that perform their function in the reflection of the ultrashort laser pulse, which has a large spectral bandwidth.
  • the different wavelength components of the laser beam 15 penetrate into the layers of the respective mirror to different depths before they are reflected. As a result, the different wavelength components are delayed at the respective mirror for different lengths; the short-wave components are reflected further outside (ie towards the surface), the long-wave components, however, more deeply in the mirror. As a result, the long-wave components are delayed compared to the short-wave components.
  • dispersion compensation is obtained insofar as particularly short pulses (preferably in the range of 10 femtoseconds and below) have a broad frequency spectrum in the time domain; this is due to the fact that the different frequency components of the laser beam 15 "see" a different refractive index in the laser crystal 14, ie the optical thickness of the laser crystal 14 is different in size for the different frequency components, and the different frequency components therefore become different when the laser crystal 14 passes through delayed. This effect is achieved by the dispersion compensation mentioned on the thin-film laser mirrors Ml, M2 ... M7 encountered.
  • the length of a laser resonator 12 without a telescope 18 can be approximately 2 m, for example a repetition rate corresponding to a frequency of 75 to 100 MHz, e.g. 80 MHz is achieved.
  • the length of the laser resonator 12 is increased by the installation of the telescope 18.
  • the repetition rate can then be approximately 10 MHz, for example.
  • a mirror arrangement is provided in the telescope 18 in order to achieve multiple reflection of the laser beam 15, so that the overall length of the telescope 18 can be shortened in accordance with the multiple reflections.
  • the part 20 of the laser resonator 12 framed by dashed lines in FIG. 1 is encapsulated in a housing, and furthermore the pump laser 21 is arranged on the mounting plate 19, from which the pump beam 13 via two mirrors 22, 23 Laser resonator part 20 is supplied.
  • the laser beam 15 emerges from this resonator part 20 in the direction of the laser mirror M6, from which it is reflected as described to the laser mirror M7.
  • the laser beam 15 arrives in the telescope 18, a coupling mirror 24 being arranged in the telescope 18, for example in a housing, in one of the several beam paths between two mutually opposite telescope mirrors 25, 26. is arranged.
  • This coupling mirror 24 reflects the laser beam 15 on the one hand, in FIG. 2 left, flat telescopic mirror 25, which then reflects the laser beam 15 to the opposite, concave curved telescopic mirror 26.
  • the laser beam 15 is then reflected back and forth several times, for example eight times, between these two telescope mirrors 25, 26, a total of 8 reflection points, corresponding to the eight laser beam reflections, on one imaginary at the concave curved telescope mirror 26 in this example There is a circular line around the center of the concave mirror 26, as will be explained in more detail below with reference to FIG. 8 in conjunction with FIG. 7.
  • the laser beam 15 is coupled out of the telescope 18 with the aid of a coupling mirror 27, which is arranged near the coupling mirror 14 in the same beam path as this, and which reflects the laser beam 15 to a further mirror 28, from where the laser beam 15 via a mirror 29 to the decoupler OC.
  • these mirrors 28, 29 are not illustrated in more detail in the schematic illustration in FIG. 1. If no telescope 18 were otherwise provided, the position of the end mirror (decoupler) OC would be the position of the laser mirror M6 in FIG. 1.
  • An important aspect in a short-pulse laser device with an extended laser pulse cycle time is the stability of the laser oscillation, with a corresponding adjustment having to be made with regard to the images of the laser beam cross section caused by the individual mirrors.
  • Another important aspect, which is particularly important for industrial applications, that is to say in the case of material processing, is the compactness of the laser device 11; the dimensions of 900 mm x 450 mm mentioned correspond to conventional laser devices for industry, but here (see FIG. 2) the telescopic part 18 - which can also form its own structural unit - is also installed, so that the desired longer round-trip times can be achieved without increasing the size of the laser beam 15 and thus the higher pulse energies can be achieved. Pulse energies in the order of magnitude of several hundred nJ are sought, instead of less than 10 nJ in the past. This means that peak pulse outputs of more than 2 MW can be achieved.
  • the telescope 18, as mentioned, is assigned to the long resonator arm 17, since this is advantageous for the stability of the oscillation, as will also be explained in more detail below with reference to FIG. 9.
  • the laser beam 15 runs back and forth in a zigzag shape approximately along an imaginary cylindrical surface or truncated cone surface, for example eight times, between the mirrors 25, 26; If the coupling mirror 24 and coupling mirror 27 are arranged approximately in the middle of the length of the telescope 18, there is sufficient space for the mirrors 24, 27, since the distance to the next beam path is relatively large at this point, so that the other beam paths of the laser beam 15 between the mirrors 25, 26 are not impaired.
  • the so-called "weakly focusing" arrangement given here, which will be explained in more detail below, is also important.
  • an extremely short telescopic part 18 is achieved by extending the path length of the laser beam 15 to, for example, 8 times by a very special design, which will now be explained in more detail with reference to FIGS. 3 to 8.
  • FIG. 3 shows a basic structure of a telescope with two concavely curved mirrors 26a, 26b, a laser beam 15 being reflected back and forth several times between the two mirrors 26a, 26b.
  • the type of reflections is such that the laser beam is reflected back and forth in a zigzag shape approximately in a cylindrical outer surface, namely between the reflection points 1 to 5 (and further to 8, the reflection points 6, 7 and 8 in 3 are arranged to cover the reflex points 4, 3 and 2 (see also the associated FIGS. 4 and 5).
  • the zigzag shape or the angular displacement of the individual beam paths also results from the two schematic Table (interior) views of the mirrors 26a, 26b according to FIGS. 4 and 5, where the reflection points of the laser beam 15 on the mirrors 26a, 26b, numbered 1 to 8, are shown.
  • the beam runs from the reflection point 1 on the mirror 26a to the reflection point 2 on the other mirror 26b, which is arranged at an angular offset, from there to the reflection point 3 at the mirror 26a, which is offset at an angle, etc.
  • a central angle ⁇ of 90 ° in the exemplary embodiment shown. With more than the 2 x 4 reflections, the central angle ⁇ is correspondingly smaller.
  • the type of multiple reflection between the mirrors 26a, 26b of the telescope 18 explained above with reference to FIGS. 3 to 5 is also referred to as a "weakly focusing" arrangement.
  • a “strongly focussing" arrangement would exist if, for example, the laser beam from reflection point 1 at mirror 26a to reflection point 6 at mirror 26b, from there to point 3 at mirror 26a, from this in turn to reflection point 8 at mirror 26b, to reflection point 5 am
  • Mirror 26a, to reflection point 2 at mirror 26b, to reflection point 7 at mirror 26a and to reflection point 4 at mirror 26b would be reflected before the beam is reflected back in the direction of reflection point 1.
  • the laser beam 15 in the respective beam path e.g. from the reflection point 1 to the reflection point 2 initially has a wavefront with a curvature corresponding to the curvature of the mirror 26a, which then changes into an opposite curvature corresponding to that on the mirror 26b in the reflection point 2.
  • the middle 25 ' there is then a situation with a flat wavefront.
  • the present invention takes advantage of this by arranging a flat mirror, the telescopic mirror 25, in this center 25 '.
  • the two telescope mirrors 26a, 26b shown in Fig. 3 are then "folded", i.e. brought into a cover position, as can be seen from the schematic illustration in FIG. 6 in an imaginary intermediate step.
  • the mirror 26a is pivoted around the center 25 'into the other telescope mirror 26b until the two mirrors 26a, 26b lie one inside the other and thus the concave curved telescope mirror 26 according to FIG. 2 and 7 result.
  • Opposite is the plane mirror 25 arranged according to the original center plane 25 ', see FIG. Fig. 7.
  • the reflection points 1 to 8 of one or the other telescope mirror 26a, 26b therefore follow one another alternately, in each case offset by an angle ⁇ / 2 from one another and lying opposite to each other one Angle offset according to ⁇ / 4, reflex points 1 'to 8' on the plane mirror 25, cf. Fig. 7.
  • the telescope formation according to FIG. 7 can accordingly also be seen in such a way that the mirror 26 corresponds to the mirror 26b from FIG. 3, wherein it additionally contains the reflection points of the other concave mirror 26a.
  • the counterpart to this "combined" concave telescope mirror 26 is the flat mirror 25, the distance (L / 2) of the telescope mirror 26 thus corresponding to half the distance (L) of the telescope mirror 26a, 26b from FIG. 3 ,
  • FIG. 9 shows the course of the transverse radius R 'of the laser beam 15 as a function of its path x through the laser device 1, it being evident that a relatively small beam cross section is present at the end mirror M4 of the short resonator arm 16, which cross section is then short Resonator arm 16 rises up to laser crystal 14;
  • the laser crystal 14 brings about a focusing of the laser beam, which can be seen from the narrow incision in the curve of FIG. 9.
  • the long resonator arm 17 then follows until the laser beam is fed to the telescope 18, the beam cross section at the entrance of the telescope 18 being relatively large.
  • the present arrangement also makes use of this fact, since good stability in the oscillator can be achieved in this way without any problems, since during the multiple reflections in the telescope 18 s.
  • FIG. 9 is only very schematic and is intended to illustrate the situation in the particularly preferred embodiment of the laser device 11 according to the invention - with a weakly focusing arrangement and assignment of the telescope 18 to the long resonator arm 17.
  • 11 to 14 show computer simulations for very specific implementations, the situation also being illustrated for strongly focusing arrangements or for telescopes 18 associated with the short resonator arm 16.
  • reflex points 1 to 8 the resonator arms 16, 17 and the laser crystal 14 are also entered for easier understanding.
  • L is the double distance between the curved mirror 26 and the plane mirror 25
  • R is the radius of curvature of the curved, concave mirror 26, and the central angle between two successive reflection points lying on a circular line, which are actually assigned to the one curved mirror.
  • Fig. 10 the x-axis is exactly the (double) mirror distance L (logarithmically recorded).
  • a box was drawn around the practically implemented arrangement (see also FIG. 12).
  • the associated curve 30 is created in such a way that the telescope 18 is coupled into the long arm 17 of the oscillator (1200 mm). If the radius R is changed, the distance L changes. If one calculates the relative (ie percentage) change ⁇ D in the beam diameter in the other arm 16, specifically at the end mirror M4, a value results which is shown in FIG. Axis was applied.
  • the maximum of the stability is exactly where, despite a change in the telescope 18, the beam diameter does not change, ie at the zero point. 10 also shows curves 31, 32 and 33 for other configurations and for comparison purposes:
  • Curve 30 This is the case treated with the weakly focusing arrangement and the telescope 18 in association with the long resonator arm 17.
  • the intersection of curve 30 with the zero line at R 4000 mm.
  • R 4000 mm.
  • There is also a stable point (point 35) at which the changes are small, but this would be at very large distances between the two mirrors (L 6 m).
  • R mirror radius
  • the solid line shows the conditions in the ideal oscillator, in which all length values correspond to the theoretical values.
  • the dashed line simulates a (very large) deviation 2 cm between the two telescopic mirrors 25, 26. It has been shown that there are no major deviations in practice, but tests have shown that vibrations and temperature drifts occur. If, however, the laser (in the region of the short resonator arm 16) does not show a drastic shift even with large deviations, it can be assumed that even small vibrations, which lead to small changes in the distance between the telescope mirrors 25, 26, for example, with regard to the stability does not matter.
  • the beam radius R 1 is recorded in the transverse direction over the resonator length x in m for a laser device 11, the resonator data being as follows:
  • Short resonator arm 16 65 cm long resonator arm 17: 120 cm (with the telescope 18 in
  • This diagram corresponds to an embodiment with an optimum in the stability of the resonator 12.
  • the distances between the telescope mirrors 25, 26 are not very large here, so that the round trip time of the laser pulses is not extended as much as desired and the repetition rate is only increased to 14 , 6 MHz would be reduced.
  • the resonator data here were as follows: Short resonator arm 16: 65 cm long resonator arm 17: 120 cm (telescope 18 afterwards)
  • FIG. 13 A case is then illustrated in FIG. 13 in which a strongly focusing arrangement is provided in the telescope 18 following the long resonator arm 17; this results in a not very stable configuration with regard to the variation of the mirrors 25, 26 of the telescope 18. This can be seen directly from the diagram in FIG. 13 on the basis of the deviations of the streak-continuous line from the solid line.
  • Short resonator arm 16 65 cm long resonator arm 17: 120 cm (telescope 18 afterwards)
  • FIG. 14 shows the case in which the telescope 18 is arranged after the short resonator arm 16, and in comparison with FIG. 13, in the case of a strongly focusing arrangement in the telescope (as mentioned above), it is even somewhat stable better relationships can be achieved.
  • This strongly focusing arrangement is better adapted to the short resonator arm 16. This is also shown in FIG. 14 that the beam diameters do not vary so much compared to FIG. 13.
  • the resonator data for FIG. 14 are as follows:
  • Short resonator arm 16 65 cm (telescope 18 afterwards) long resonator arm 17: 120 cm
  • the telescope 15 finally shows how advantageous it is to couple the telescope 18 into the long resonator arm 17, because if the telescope 18 is connected to the short resonator arm 16, a strongly diverging laser beam 15 will enter the telescope 18 coupled.
  • the first reflection point of the weakly focusing telescope 18 does not cause the laser beam to be focused again. Only the second reflex point creates this collimation after a long distance. Therefore, the maximum beam radius R 'at individual reflex points of the telescope mirror is> 2 mm, i.e. the beam diameter is larger than 4 mm.
  • the resonator data belonging to FIG. 15 are as follows:
  • Short resonator arm 16 65 cm (telescope following) long resonator arm 17: 120 cm

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Abstract

Kurzpuls-Laservorrichtung (11) mit vorzugsweise passiver Modenverkopplung, mit einem Resonator (12), der einen Laserkristall (14) sowie mehrere Spiegel (M1-M7, OC) enthält, die einen langen Resonatorarm (17) sowie einen kurzen Resonatorarm (16) definieren, und von denen einer (M1) einen Pumpstrahl-Einkoppelspiegel und einer (OC) einen Laserstrahl-Auskoppelr bildet, und mit einem die Resonatorlänge vergrössernden, einem der Resonatorarme (16, 17) zugeordneten Mehrfachreflexions-Teleskop (18), welches mit Spiegeln (25, 26) aufgebaut ist, um einen in den Raum zwischen ihnen eingekoppelten Laserstrahl (15) vor seinem Auskoppeln zurück in den übrigen Resonator mehrmals zwischen den Spiegeln hin und her zu reflektieren, wobei aufeinander folgende aussermittige Reflexpunkte (1 bis 8; 1' bis 8') an den Spiegeln (25, 26) gegeneinander versetzt sind; das Teleskop (18) weist dabei nur einen gekrümmten Spiegel (26) sowie einen planen Spiegel (25) auf, dessen Position zumindest im Wesentlichen der Mitte (25') einer gedachten Mehrfachreflexions-Anordnung mit zwei gekrümmten Spiegeln (26a, 26b) entspricht, wodurch der eine gekrümmte Spiegel (26) des Teleskops (18) auch die Reflexpunkte des gedachten anderen gekrümmten Spiegels enthält, sowie Mehrfachreflexions-Teleskop (18) dafür.

Description

Kurzpuls-Laservorrichtung mit vorzugsweise passiver Modenver- kopplung und Mehrfachreflexions-Teleskop hiefür
Die Erfindung betrifft eine Kurzpuls-Laservorrichtung mit vorzugsweise passiver Modenverkopplung, mit einem Resonator, der einen Laserkristall sowie mehrere Spiegel enthält, die einen langen Resonatorarm sowie einen kurzen Resonatorarm definieren, und von denen einer einen Pumpstrahl-Einkoppelspiegel und einer einen Laserstrahl-Auskoppler bildet, und mit einem die Resonatorlänge vergrößernden, einem der Resonatorarme zugeordneten Mehrfachreflexions-Teleskop, welches mit Spiegeln aufgebaut ist, um einen in den Raum zwischen ihnen eingekoppelten Laserstrahl vor seinem Auskoppeln zurück in den übrigen Resonator mehrmals zwischen den Spiegeln hin und her zu reflektieren, wobei aufeinander folgende außermittige Reflexpunkte an den Spiegeln gegeneinander versetzt sind.
In entsprechender Weise bezieht sich die Erfindung auf ein Mehrfachreflexions-Teleskop für eine Kurzpuls-Laservorrichtung, zur Vergrößerung von dessen Resonatorlänge, welches Mehrfachreflexions-Teleskop mit Spiegeln aufgebaut ist, um einen in den Raum zwischen ihnen eingekoppelten Laserstrahl vor seinem Auskoppeln zurück in die übrige Laservorrichtung mehrmals zwischen den Spiegeln hin und her zu reflektieren, wobei aufeinander folgende außermittige Reflexpunkte an den Spiegeln gegeneinander versetzt sind.
Kurzpuls-Laservorrichtungen haben in jüngster Zeit immer größeres Interesse gefunden, da im Hinblick auf die extrem kurzen Impulsdauern im Femtosekundehbereich, bei ImpulsSpitzenleistungen von > 1 MW, die verschiedensten Anwendungen in Forschung und Industrie ermöglicht werden. So können derartige Kurzpuls- Laservorrichtungen mit Impulsdauern im Fe tosekundenbereich zur zeitaufgelösten Untersuchung der Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie verwendet werden. Andererseits können im Hinblick auf die zunehmende Miniaturisierung in der Materialbearbeitung feinste Strukturen exakt und mit hoher Geschwindigkeit gefertigt werden. Femtosekunden- Laservorrichtungen mit hoher Ausgangspulsenergie und hoher Wiederholrate können hiefür ideal eingesetzt werden. Wünschenswert ist dabei eine Laservorrichtung, die LaserImpulse mit einer Impulsdauer in der Größenordnung von 10 fs sowie mit einer Energie von beispielsweise 25 bis 30 nJ bei einer Impulswiederholrate in der Größenordnung von 10 MHz erzeugt. Die im Vergleich zu früheren Laservorrichtungen im Femtosekundenbereich relativ langsame Impulswiederholrate (in der Größenordnung von 10 MHz anstatt beispielsweise 80 MHz) bei einem üblichen Titan-Saphir-fs-Laser ist deshalb erwünscht, da dann eine höhere Impulsspitzenleistung bzw. eine höhere Impulsenergie erzielt werden kann, was für die Materialbearbeitung von Interesse ist. Derartige vergleichsweise niedrige Repetitionsraten, die umgekehrt eine relativ lange Impulsumlaufzeit im Laserresonator bedeuten, bringen jedoch rein rechnerisch eine entsprechende Erhöhung der Länge des Resonators, z.B. von 2 m auf 16 m, wodurch sich die Abmessungen der Laservorrichtung vergrößern.
Basierend auf einer frühen Arbeit von D. Herriott et al . , "Off-Axis Paths in Spherical Mirror Interferometers" , Applied Optics, April 1964, Vol. 3, Nr. 4, Seiten 523-526, wurde nun von S.H. Cho et al. im Artikel "Generation of 90-nJ pulses with a 4-MHz repetition-rate Kerr-lens mode-locked Ti:Al203 laser opera- ting with net positive and negative intracavity dispersion", Optics Letters, 15. April 2001, Vol. 26, Nr. 8, Seiten 560-562, bereits eine Verlängerung der Impulsumlaufzeiten durch Vorsehen eines "multiple-pass" -Resonatorteils, hier auch
"Mehrfachreflexions "-Teleskop bzw. kurz "Teleskop" (in Anlehnung an den Artikel von A. Poppe et al . , "A Sub-10 fs, 2.5-MW Ti.Sapphire Oscillator", Ultrafast Optics 1999, S. 154-157, Ascona, Schweiz (1999)) bezeichnet, vorzusehen, um so durch einen Mehrfachdurchlauf in diesen Resonatorteil, aufgrund einer Mehrzahl von Reflexionen an einander gegenüberstehenden Spiegel, die Impulsumlaufzeit zu erhöhen und dadurch die Repetitionsrate herabzusetzen. Dadurch gelingt es, den Energieteil des pro Umlauf ausgekoppelten Impulsteiles entsprechend zu erhöhen.
Nachteilig bei diesen bekannten Laservorrichtungen bzw. Teleskopen ist jedoch, dass noch immer relativ große Abmessungen für den Laserresonator erforderlich sind, so dass die Abmessungen der Laservorrichtung insgesamt zu einem relativ unhandlichen Gerät führen. Weiters ist bei den bekannten Laservorrichtungen auch die Stabilität der Laserstrahlung ein Problem, wobei zu berücksichtigen ist, dass durch das Teleskop Abbildungen des Laserstrahlquerschnitts bedingt werden, die für eine Stabilität möglichst gut angepasst an den übrigen Resonator sein müssen. Bei den bekannten Anordnungen ist die Situation jedoch so, dass bereits geringe Ungenauigkeiten in den Positionen der Spiegel des Teleskops, somit bereits relativ geringe Resonatorlängenänderungen, zu wesentlichen Änderungen im Stahlquerschnitt führen, was Instabilitäten im Resonator insgesamt zur Folge hat. Weiters ist nachteilig, dass bei der aus dem Artikel von Cho et al. bekannten Laservorrichtung, wo der Laserstrahl in den Teleskopteil durch Schlitze in einem der Teleskop-Spiegel eingekoppelt und aus diesem Teleskopteil durch entsprechende Schlitze im Spiegel wieder ausgekoppelt wird, die Spiegelausbildung aufwendig und problematisch in der Fertigung ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einer Kurzpuls-Laservorrichtung wie eingangs angegeben eine Erhöhung der Impulsspitzenleistung durch Erhöhung der Impulsumlaufzeit in der Laservorrichtung bei nichtsdestoweniger vergleichsweise kleinen Abmessungen des Resonators zu ermöglichen; weiters soll eine gute Anpassung des Teleskops an den übrigen Resonator und damit eine hohe Stabilität in der Laserstrahlerzeugung ermöglicht werden, wobei auch eine exakte Feinjustierung der Anpassung der Resonatorteile möglich sein soll . Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, für das Ein- und Auskoppeln des Laserstrahls im Bereich des Teleskops des Resonators einfache angepasste Mittel vorzusehen.
Die erfindungsgemäße Kurzpuls-Laservorrichtung der eingangs angeführten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass das Teleskop nur einen gekrümmten, vorzugsweise konkaven Spiegel sowie einen planen Spiegel aufweist, dessen Position zumindest im Wesentlichen der Mitte einer gedachten Mehrfachreflexions-Anordnung mit zwei gekrümmten Spiegeln entspricht, wodurch der eine gekrümmte Spiegel des Teleskops auch die Reflexpunkte des gedachten anderen gekrümmten Spiegels enthält.
In entsprechender Weise sieht die Erfindung ein Teleskop wie eingangs angegeben und mit den Merkmalen vor, dass als Teleskop- Spiegel nur ein gekrümmter, vorzugsweise konkaver Spiegel sowie ein planer Spiegel vorgesehen sind, wobei die Position des planen Spiegels zumindest im Wesentlichen der Mitte einer gedachten Mehrfachreflexions-Anordnung mit zwei gekrümmten Spiegeln entspricht, wodurch der eine gekrümmte Spiegel des Teleskops auch die Reflexpunkte des gedachten anderen gekrümmten Spiegels enthält.
Aufgrund der vorstehenden Ausbildung wird das Teleskop praktisch in seinen Abmessungen halbiert und "gefaltet". Diese Maßnahme basiert dabei auf der Erkenntnis, dass die Wellenfront des Laserstrahls bei der Reflexion an einem gekrümmten Spiegel eine entsprechend gekrümmte Fläche beschreibt, wobei sich die Wellenfront dann bis zur Reflexion am gegenüberliegenden Spiegel derart ändert, dass sie der dortigen Krümmung entspricht, wobei in der Mitte dazwischen eine Situation erreicht wird, in der die Wellenfront eben ist; an dieser Stelle wird gemäß der Erfindung der plane Spiegel angeordnet. Abgesehen von der dadurch erzielten Abmessungsreduktion ist auch ein wesentlicher Vorteil darin zu sehen, dass der plane Spiegel - üblicherweise werden bei Laserresonatoren Mehrschichtspiegel aus dielektrischen Materialien verwendet - wesentlich preiswerter hergestellt werden können als gekrümmte Substrat-Spiegel. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich bei dieser Anordnung auch, dass für das Einkoppeln des Laserstrahls bzw. für sein Auskoppeln ausreichend Platz ist, wenn diese Ein- und Auskopplung ungefähr in der Mitte zwischen dem gekrümmten Spiegel und dem planen Spiegel erfolgt, da dort die im Zuge der Mehrfachreflexionen gegebenen benachbarten Strahlgänge relativ weit voneinander beabstandet sind, so dass, wie nachstehend noch ausgeführt werden wird, entsprechende Einbzw. Auskoppelspiegel für das "Aufbrechen" des einen Strahls bzw. Strahlgangs problemlos angebracht werden können. Dadurch können andererseits die für die Mehrfachreflexionen verantwortlichen Spiegel ohne Schlitze, Durchbohrungen oder dergl . hergestellt werden.
Im Hinblick auf die Stabilität der Laserstrahlung sowie auf die möglichst einfache Ausbildung der Spiegel des Teleskops wie auch eine möglichst geringe Belastung der Spiegel im Betrieb hat es sich weiters als vorteilhaft erwiesen, wenn auf dem einen gekrümmten Spiegel abwechselnd Reflexpunkte dieses Spiegels sowie Reflexpunkte des gedachten anderen gekrümmten Spiegels in einander entsprechenden Bogenabständen auf einer gedachten Kreislinie angeordnet sind. Bei dieser Anordnung erfolgt somit keine "Verschränkung" der Strahlengänge der Laserstrahlung zwischen den Spiegeln des Teleskops, vielmehr verlaufen die Strah- lengänge, denen der Laserstrahl bei den Mehrfachreflexionen folgt, "zick-zack-förmig" entsprechend einer ungefähren Zylinderfläche oder Kegelstumpffläche zwischen den Spiegeln.
Im Hinblick auf die speziell angestrebte Erhöhung der Impulsumlaufzeit für die Ausbildung der Kurzpuls-Laservorrichtung für eine Anwendung in der Fertigungstechnik ist es weiters günstig, wenn insgesamt acht Reflexpunkte auf dem einen gekrümmten Spiegel vorgesehen sind.
Für die Stabilität der Laserstrahlung bzw. bei der Anpassung von Teleskop und Resonator ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen den Spiegeln und der Krümmungsradius des gekrümmten, konkaven Spiegels der Beziehung L/R = 1 ± "~|(l+cosα) 12" entsprechen, wobei
L der doppelte Abstand zwischen dem gekrümmten und dem planen
Spiegel ist, R der Krümmungsradius des gekrümmten Spiegels ist, und α der Zentriwinkel zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden, dem einen gekrümmten Spiegel tatsächlich zugeordneten, auf einer Kreislinie liegenden Reflexpunkten ist.
Für eine einfache, stabile Ausbildung ist hier weiters vorgesehen, dass der gekrümmte Spiegel des Teleskops ein konkaver Spiegel ist, für den L/R = 1 - ~~t(l+cosα) /2)1 gilt.
Wie bereits erwähnt wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung mit der "Faltung" des Teleskops eine günstige Möglichkeit zur Ein- und Auskopplung des Laserstrahls im Bereich des Teleskops geschaffen, und demgemäß zeichnet sich eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kurzpuls-Laservorrichtung dadurch aus, dass im Wesentlichen in der Mitte zwischen dem gekrümmten und dem planen Spiegel im Weg eines der Strahlgänge zwischen diesen beiden Spiegeln Ein- und Auskoppelspiegel für den Laserstrahl vorgesehen sind.
Schließlich ist es aus Stabilitätsgründen, zur besseren Anpassung des Teleskops an den übrigen Resonator, von besonderem Vorteil, wenn das Teleskop dem langen Resonatorarm zugeordnet ist. Untersuchungen haben nämlich gezeigt, dass am langen Resonatorarm ein Laserstrahl mit relativ großem Querschnitt zum Ein- koppeln in den Teleskopteil zur Verfügung steht, wobei sich dann bei der vorliegenden Teleskop-Ausbildung der Querschnitt des Laserstrahls bei den verschiedenen Reflexionen im Teleskopteil nur geringfügig ändert, bevor er wieder - mit praktisch dem gleichen Querschnitt wie beim Einkoppeln - ausgekoppelt und dem übrigen Resonatorteil zugeführt wird. Dadurch spielen etwaige kleine Längenänderungen, d.h. kleine Änderungen in den Abständen zwischen den Linsen des Teleskops, kaum eine Rolle, da sich dadurch der Stahlquerschnitt nicht wesentlich ändert. Dadurch wird eine optimale Anpassung zwischen dem Teleskop und dem übrigen Resonator ermöglicht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung veranschaulichten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in, einem Schema den Aufbau einer Kurzpuls-Laservorrichtung mit Teleskop gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine solche Kurzpuls-Laservorrichtung in ihrer Anordnung auf einer Montageplatte, wobei schematisch auch das Ein- und Auskoppeln des Laserstrahls im Bereich des Teleskops veranschaulicht ist;
Fig. 3 schematisch eine Ansicht eines herkömmlichen Teleskops mit zwei konkav gekrümmten Teleskop-Spiegeln; die
Fig. 4 und 5 schematische Ansichten dieser Teleskop-Spiegel mit den Reflexpunkten darauf;
Fig. 6 einen gedachten Zwischenschritt bei einer "Faltung" eines solchen Teleskops gemäß Fig. 3, unter Vorsehen eines planen Teleskop-Spiegels;
Fig. 7 eine Ansicht eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Teleskops mit einem konkav gekrümmten Spiegel und einem planen Spiegel, wobei schematisch auch das Einkoppeln des Laserstrahls in das Teleskop sowie das Auskoppeln des Laserstrahls aus dem Teleskop veranschaulicht ist;
Fig. 8 in einer schematischen Ansicht entsprechend Fig. 4 und 5 den konkav gekrümmten Teleskop-Spiegel von Fig. 7 mit den Reflexpunkten darauf;
Fig. 9 in einem Diagramm schematisch den Verlauf des Radius R (in mm) des Laserstrahls in Querrichtung über der abgewickelten Weglänge x (in m) des Laserstrahls im Resonator, mit einem kurzen Resonatorarm, einem langen Resonatorarm und dem diesen zugeordneten Teleskop;
Fig. 10 in einem Diagramm anhand von vier Beispielen die Änderungen des Strahldurchmessers über dem Abstand der Teleskop- Spiegel, zur Veranschaulichung der Anpassung des Laserstrahls in Hinblick auf die Stabilität; und die
Fig. 11, 12, 13, 14 und 15 in Diagrammen ähnlich Fig. 9 den Verlauf des transversalen Strahlradius R1 über der abgewickelten Weglänge x bei fünf konkreten Anordnungen.
In Fig.l ist schematisch eine Kurzpuls-Laservorrichtung 11 veranschaulicht, in der für die Kurzpulserzeugung z.B. das an sich bekannte "Kerr-lens mode locking" -Prinzip verwendet wird.
Die Laservorrichtung 1 weist gemäß Fig.l einen Resonator 12 auf, dem ein Pumpstrahl 13, z.B. ein Argonlaserstrahl, zugeführt wird. Der Pumplaser selbst, z.B. Argonlaser, ist der Einfachheit halber in Fig. 1 weggelassen und gehört dem Stand der Technik an.
Nach Durchlaufen einer Linse Ll und eines dichroitischen Spiegels Ml regt der Pumpstrahl 13 einen Laserkristall 14 an, im vorliegenden Beispiel einen Titan: Saphir (Ti:S) -Festkörperlaserkristall. Der dichroitische Spiegel Ml ist für den Pumpstrahl 13 durchlässig, jedoch hochreflektierend für den Ti :S-Laserstrahl. Dieser Laserstrahl 15, der Resonatorstrahl, trifft dann auf einen Laserspiegel M2 auf und wird von diesem zu einem Laserspiegel M3 reflektiert. Dieser Laserspiegel M3 reflektiert den Laserstrahl wieder zu einem Laserspiegel M4, von wo der Laserstrahl 15 zu den Laserspiegeln M3 , M2 und Ml zurück reflektiert wird, wobei er den Laserkristall 14 ein zweites Mal durchläuft. Dieser Resonatorteil mit den Spiegeln M2, M3 und M4 bildet einen sog. kurzen Resonatorarm 16, der im gezeigten Beispiel Z-förmig ist.
Vom Spiegel Ml wird der Laserstrahl 15 dann zu einem Laserspiegel M5 und von diesem zu einem LaserSpiegel M6 sowie zu einem weiteren Laserspiegel M7 reflektiert, wodurch ein zweiter Z-gefalteter Resonatorarm 17 gebildet ist, der als langer Resonatorarm 17 vorgesehen ist. Vom Laserspiegel M7 gelangt der Laserstrahl 15 in ein in Fig. 1 nur schematisch gezeichnetes Teleskop 18 und von diesem zu einem als Auskoppler fungierenden Endspiegel OC. über diesen Auskoppel-Endspiegel OC wird ein Teil des Laserstrahls 15 unter Vorsehen einer Kompensationsmöglichkeit ausgekoppelt, wobei ein Kompensationsplättchen CP sowie nicht näher gezeigte Spiegel in Dünnschichttechnik für eine Dispersionskompensation sowie dafür sorgen, dass keine unerwünschten Reflexionen in Richtung Laserresonator 12 auftreten.
Der Laserkristall 14 ist ein planparalleler Körper, welcher optisch nicht-linear ist und ein Kerrelement bildet, welches für höhere Feldstärken des Laserstrahls 15 eine größere wirksame optische Dicke besitzt, hingegen eine geringere wirksame Dicke aufweist, wo die Feldstärke bzw. Intensität des Laserstrahls geringer ist. Dieser an sich bekannte Kerreffekt wird zur Selbstfokussierung des Laserstrahls 15 ausgenutzt, d.h. der Laserkristall 14 bildet für den Laserstrahl 15 eine Fokussierungs- linse. Die Modenverkopplung kann weiters in an sich herkömmlicher Weise z.B. mit Hilfe einer in Fig. 1 und 2 nicht näher gezeichneten Blende (vgl. z.B. AT 405 992 B) realisiert werden; es wäre aber auch denkbar, einen der Endspiegel, z.B. M4, als sättigbaren Bragg-Reflektor auszubilden und so zur Modenverkopplung einzusetzen.
Die Spiegel Ml, M2 ... M7 sind in Dünnschichttechnik ausgeführt, d.h. sie sind je aus vielen Schichten aufgebaut, die bei der Reflexion des eine große spektrale Bandbreite aufweisenden ultrakurzen Laserpulses ihre Funktion ausüben. Die verschiedenen Wellenlängenkomponenten des Laserstrahls 15 dringen unterschiedlich tief in die Schichten des jeweiligen Spiegels ein, bevor sie reflektiert werden. Dadurch werden die verschiedenen Wellenlängenkomponenten verschieden lang am jeweiligen Spiegel verzögert; die kurzwelligen Komponenten werden weiter außen (d.h. zur Oberfläche hin) reflektiert, die langwelligen Anteile hingegen tiefer im Spiegel. Dadurch werden die langwelligen Komponenten gegenüber den kurzwelligen Komponenten zeitlich verzögert. Auf diese Weise wird eine Dispersionskompensation insofern erhalten, als im Zeitbereich besonders kurze Pulse (vorzugsweise im Bereich von 10 Femtosekunden und darunter) ein breites Frequenzspektrum besitzen; dies kommt daher, dass die verschiedenen Frequenzkomponenten des Laserstrahls 15 im Laserkristall 14 einen unterschiedlichen Brechungsindex "sehen", d.h. die optische Dicke des Laserkristalls 14 ist für die verschiedenen Frequenzkomponenten verschieden groß, und die verschiedenen Frequenzkomponenten werden daher beim Durchlaufen des Laserkris- talls 14 verschieden verzögert. Diesem Effekt wird durch die genannte Dispersionskompensation an den Dünnschicht-Laserspiegeln Ml, M2 ... M7 begegnet.
Soweit vorstehend beschrieben handelt es sich um einen an sich herkömmlichen Aufbau eines Kurzpulslasers mit Modenverkopplung, und eine detailliertere Beschreibung desselben kann sich daher erübrigen.
Im Betrieb wird bei jedem Umlauf des Laserstrahls 15 im kurzen Resonatorarm 16 sowie im langen Resonatorarm 17 wie bereits erwähnt ein Teil des Laserpulses mit Hilfe des Auskopplers OC ausgekoppelt. In der Praxis kann die Länge eines Laserresonators 12 ohne Teleskop 18 ca. 2 m betragen, wobei beispielsweise eine Repetitionsrate entsprechend einer Frequenz von 75 bis 100 MHz, z.B. 80 MHz, erzielt wird. Um nun durch Erhöhung der Umlaufzeit und damit durch Reduzierung der Repetitionsrate eine höhere Pulsspitzenleistung, also Pulsenergie, in Hinblick auf den Einsatz der Laservorrichtung 11 beispielsweise für Materialbearbeitungen zu erzielen, wird die Länge des Laserresonators 12 durch den Einbau des Teleskops 18 vergrößert. Bei einer Ver- achtfachung der gesamten Resonatorlänge, also beispielsweise bei einer Resonatorlänge von ca. 15 m oder 16 m, kann dann die Repetitionsrate beispielsweise bei ca. 10 MHz liegen. Um diese großen Weglängen für die Laserpulse zu erzielen, ist im Teleskop 18 eine Spiegelanordnung vorgesehen, um eine Mehrfachreflexion des Laserstrahls 15 zu erzielen, so dass die Baulänge des Teleskops 18 entsprechend den Mehrfachreflexionen verkürzt werden kann.
In Fig. 2 ist die Anordnung einer solchen Laservorrichtung 11 gemäß Fig. 1 auf einer Montageplatte 19 schematisch veranschaulicht, die eine Größe a mal b von beispielsweise a = 900 mm mal b = 450 mm aufweist. Auf dieser Montageplatte 19 ist der in Fig. 1 mit strichlierten Linien umrahmte Teil 20 des Laserresonators 12 in einem Gehäuse gekapselt angebracht, und weiters ist auf der Montageplatte 19 auch der Pumplaser 21 angeordnet, von dem der Pumpstrahl 13 über zwei Spiegel 22, 23 dem Laserresonatorteil 20 zugeführt wird. Aus diesem Resonatorteil 20 tritt der Laserstrahl 15 in Richtung des Laserspiegels M6 aus, von dem er wie beschrieben zum Laserspiegel M7 reflektiert wird. Von dort gelangt der Laserstrahl 15 in das Teleskop 18, wobei im Teleskop 18, z.B. in einem Gehäuse, ein Einkoppelspiegel 24 in einen der mehreren Strahlengänge zwischen zwei einander gegenüberstehenden Teleskop-Spiegeln 25, 26 ange- ordnet ist. Dieser Einkoppelspiegel 24 reflektiert den Laserstrahl 15 zum einen, in Fig. 2 linken, planen Teleskop- Spiegel 25, der den Laserstrahl 15 sodann zum gegenüberliegenden, konkav gekrümmten Teleskop-Spiegel 26 reflektiert. Zwischen diesen beiden Teleskop-Spiegeln 25, 26 wird der Laserstrahl 15 dann mehrmals, z.B. acht mal, hin und her reflektiert, wobei am konkav gekrümmten Teleskop-Spiegel 26 in diesem Beispiel insgesamt 8 Reflexpunkte, entsprechend den acht Laserstrahl-Reflexionen, auf einer gedachten Kreislinie um das Zentrum des konkaven Spiegels 26 herum vorliegen, wie dies nachfolgend noch näher anhand der Fig. 8 in Verbindung mit Fig. 7 erläutert werden wird.
Aus dem Teleskop 18 wird schließlich der Laserstrahl 15 mit Hilfe eines Auskoppelspiegeis 27 ausgekoppelt, der nahe dem Einkoppelspiegel 14 im selben Strahlengang wie dieser angeordnet ist, und der den Laserstrahl 15 zu einem weiteren Spiegel 28 reflektiert, von wo der Laserstrahl 15 über einen Spiegel 29 zum Auskoppler OC gelangt. Diese Spiegel 28, 29 sind der Einfachheit halber in der schematischen Darstellung von Fig. 1 nicht näher veranschaulicht. Wäre im Übrigen kein Teleskop 18 vorgesehen, wäre die Position des Endspiegels (Auskopplers) OC die Position des Laserspiegels M6 in Fig. 1.
Ein wichtiger Aspekt bei einer Kurzpuls-Laservorrichtung mit verlängerter Laserpuls-Umlaufzeit ist die Stabilität der Laserschwingung, wobei eine entsprechende Anpassung im Hinblick auf die durch die einzelnen Spiegel bewirkten Abbildungen des Laserstrahlquerschnitts vorzunehmen ist. Ein weiterer bedeutsamer Aspekt, der gerade für industrielle Anwendungen, also im Fall von Materialbearbeitungen, besonders wichtig ist, ist die Kompaktheit der Laservorrichtung 11; die erwähnten Abmessungen von 900 mm x 450 mm entsprechen herkömmlichen Lasergeräten für die Industrie, wobei jedoch hier (s. Fig. 2) zusätzlich der Teleskopteil 18 - der auch eine eigene Baueinheit bilden kann - eingebaut ist, so dass ohne AbmessungsVergrößerung die gewünschten längeren Umlaufzeiten des Laserstrahls 15 und damit die höheren Pulsenergien erzielt werden. Angestrebt werden dabei Pulsenergien in der Größenordnung von mehreren hundert nJ anstatt früher weniger als 10 nJ. Damit können Spitzenpulsleis- tungen von größer als 2 MW erzielt werden.
Anders als bei früheren Laservorrichtungen mit Teleskop ist bei der vorliegenden Laservorrichtung 11 das Teleskop 18 wie erwähnt dem langen Resonatorarm 17 zugeordnet, da dies für die Stabilität der Oszillation von Vorteil ist, wie nachfolgend auch noch näher anhand der Fig. 9 erläutert werden wird. Im Teleskop 18 läuft der Laserstrahl 15 zick-zack-förmig ungefähr längs einer gedachten zylindrischen Fläche oder Kegelstumpffläche mehrmals, z.B. acht mal, zwischen den Spiegeln 25, 26 hin und her; bei Anordnung des Einkoppelspiegels 24 und Auskoppelspiegels 27 ungefähr in der Mitte der Länge des Teleskops 18 ist genügend Platz für die Spiegel 24, 27 gegeben, da der Abstand zum nächsten Strahlengang an dieser Stelle relativ groß ist, so dass die anderen Strahlengänge des Laserstrahls 15 zwischen den Spiegeln 25, 26 nicht beeinträchtigt werden. Von Bedeutung ist dabei auch die hier gegebene sog. "schwach fokussierende" Anordnung, die nachfolgend noch näher erläutert werden wird.
Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Ausführung, dass ein extrem kurzer Teleskopteil 18 trotz Verlängerung der Weglänge des Laserstrahls 15 auf beispielsweise das 8fache durch eine ganz spezielle Ausbildung erzielt wird, die nun anhand der Fig. 3 bis 8 näher erläutert werden sollen.
In Fig. 3 ist ein an sich herkömmlicher grundsätzlicher Aufbau eines Teleskops mit zwei konkav gekrümmten Spiegeln 26a, 26b dargestellt, wobei ein Laserstrahl 15 mehrmals zwischen den beiden Spiegeln 26a, 26b hin und her reflektiert wird. Die Art der Reflexionen ist dabei derart, dass der Laserstrahl ungefähr in einer zylindrischen Mantelfläche zick-zack-förmig hin und her reflektiert wird, und zwar zwischen den Reflexpunkten 1 bis 5 (und weiter bis 8, wobei die Reflexpunkte 6, 7 und 8 in Fig. 3 in Deckung zu den Reflexpunkten 4, 3 und 2 angeordnet sind, vgl. auch die zugehörigen Fig. 4 und 5) . Selbstverständlich stimmt es nicht genau, wenn von einem zick-zack-för igen Verlauf "entsprechend einer zylindrischen Mantelfläche" gesprochen wird, da die einzelnen Strahlengänge zwischen den Spiegeln 26a, 26b geradlinig sind und schräg verlaufen, so dass sie keine Erzeugenden der Zylinderfläche bilden können, jedoch kann der Verlauf des mehrfach reflektierten Laserstrahls 15 relativ gut als einer solchen zylindrischen Fläche entsprechend angenähert werden.
Der zick-zack-förmige Verlauf bzw. der Winkelversatz der einzelnen Strahlengänge ergibt sich auch aus den beiden schema- tischen (Innen-)Ansichten der Spiegel 26a, 26b gemäß Fig. 4 und 5, wo die Reflexpunkte des Laserstrahls 15 an den Spiegeln 26a, 26b, numeriert mit 1 bis 8 gezeigt sind. Dabei verläuft der Strahl vom Reflexpunkt 1 am Spiegel 26a zum demgegenüber winkelmäßig versetzt angeordneten Reflexpunkt 2 auf dem anderen Spiegel 26b, von dort zum wiederum winkelmäßig versetzten Reflexpunkt 3 am Spiegel 26a usw. Bei jedem Spiegel 26a, 26b ergibt sich als Winkelversatz für die zugehörigen Reflexpunkte, z.B. 2 und 4, ein Zentriwinkel α von im gezeigten Ausführungsbeispiel 90°. Bei mehr als den 2 x 4 Reflexionen ist der Zentriwinkel α entsprechend kleiner.
Die vorstehend anhand von Fig. 3 bis 5 erläuterte Art der Mehrfachreflexion zwischen den Spiegeln 26a, 26b des Teleskops 18 wird auch als "schwach fokussierende" Anordnung bezeichnet. Demgegenüber würde eine "stark fokussierende" Anordnung vorliegen, wenn beispielsweise vom Reflexpunkt 1 am Spiegel 26a der Laserstrahl zum Reflexpunkt 6 am Spiegel 26b, von dort zum Punkt 3 am Spiegel 26a, von diesem wiederum zum Reflexpunkt 8 am Spiegel 26b, zum Reflexpunkt 5 am Spiegel 26a, zum Reflexpunkt 2 am Spiegel 26b, zum Reflexpunkt 7 am Spiegel 26a und zum Reflexpunkt 4 am Spiegel 26b reflektiert würde, bevor der Strahl in Richtung zum Reflexpunkt 1 zurück reflektiert wird. Bei diesem Strahlenverlauf würde eine Bündelung oder "Fokussierung" im Bereich der in Fig. 3 mit einer strichlierten Linie schematisch eingezeichneten Mitte 25' zwischen den beiden Spiegeln 26a, 26b erhalten werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass für die vorliegende Ausbildung des Teleskops 18, wie bereits in Fig. 2 angedeutet und nachfolgend näher anhand der Fig. 7 und 8 zu beschreiben, die sich aus den Fig. 3 bis 5 ergebende schwach fokussierende Anordnung besser geeignet ist, vor allem da die Strahlengänge dann im fraglichen Bereich zwischen der Mitte 25' und dem Teleskop-Spiegel 26 entsprechend weit auseinander liegen. Wie nachstehend dargelegt wird in der Mitte 25' der plane Spiegel 25 (s. auch Fig. 6) angeordnet, und da zwischen dieser Mitte 25' und dem konkaven Spiegel 26a bzw. 26b bei einer schwach fokussierenden Anordnung die Strahlengänge immer noch weit genug auseinander liegen, ist es problemlos möglich, den Einkoppelspiegel 24 und den Auskoppelspiegel 27 unter Aufbrechen bloß eines Strahlenganges unterzubringen.
In Fig. 5 sind in Klammern neben den Nummern 2, 4, 6 und 8 für die Reflexpunkte für die schwach fokussierende Anordnung auch die fortlaufenden Nummern der - entsprechend versetzten - Reflexpunkte für den Fall der stark fokussierenden Anordnung zur besseren Veranschaulichung angegeben.
Aus Fig. 3 ist weiters erklärbar, dass der Laserstrahl 15 im jeweiligen Strahlengang, z.B. vom Reflexpunkt 1 zum Reflexpunkt 2, zunächst eine Wellenfront mit einer Krümmung entsprechend der Krümmung des Spiegels 26a aufweist, die sich dann in eine entgegengesetzte Krümmung entsprechend jener am Spiegel 26b im Reflexpunkt 2 ändert. In der Mitte 25' dazwischen ergibt sich dann eine Situation mit ebener Wellenfront. Dies macht sich die vorliegende Erfindung zu Nutze, indem in dieser Mitte 25' ein ebener Spiegel, der Teleskop-Spiegel 25, angeordnet wird. Sodann werden die beiden in Fig. 3 gezeigten Teleskop-Spiegel 26a, 26b "gefaltet", d.h. in eine Deckungslage gebracht, wie sich dies aus der schematischen Darstellung in Fig. 6 in einem gedachten Zwischenschritt ergibt. Dabei wird zwecks besserem Verständnis veranschaulicht, dass der Spiegel 26a um die Mitte 25' herum in den anderen Teleskop-Spiegel 26b hinein geschwenkt wird, bis die beiden Spiegel 26a, 26b ineinander liegen und so den konkav gekrümmten Teleskop-Spiegel 26 gemäß Fig. 2 und 7 ergeben. Gegenüber liegt dann der entsprechend der ursprünglichen Mittenebene 25' angeordnete plane Spiegel 25, s. Fig. 7.
Aus dieser "Faltung" • des herkömmlichen Teleskops ergibt sich auch die Halbierung der Längenabmessung beim erfindungsgemäßen Teleskop 18 sowie weiters, dass nunmehr alle Reflexpunkte 1 bis 8 gemäß Fig. 3 bis 5 an dem einen verbleibenden konkav gekrümmten Spiegel 26 vorliegen, vgl. außer Fig. 7 auch Fig. 8, in der diese Reflexpunkte 1 bis 8 in einer schematischen Ansicht des Spiegels 26 ersichtlich sind. Zusätzlich ist in Fig. 8 auch der für den Winkelversatz maßgebliche Zentriwinkel eingezeichnet. Zur besseren Unterscheidung sind die ursprünglich am einen Spiegel 26a vorliegenden Reflexpunkte mit kleinen Kreisen dargestellt (Reflexpunkte 1, 3, 5 und 7), wogegen die ursprünglich am anderen Spiegel 26b vorliegenden Reflexpunkte 2, 4, 6, 8 mit Kreuzen veranschaulicht sind. Bei der so erhaltenen endgültigen, erfindungsgemäßen Anordnung folgen daher die Reflexpunkte 1 bis 8 des einen bzw. anderen Teleskop-Spiegels 26a, 26b abwechselnd aufeinander, und zwar jeweils um einen Winkel α/2 gegeneinander versetzt, und ihnen gegenüber liegen, zu ihnen jeweils um einen Winkel entsprechend α/4 versetzt, Reflexpunkte 1' bis 8' am planen Spiegel 25, vgl. Fig. 7.
Man kann die Teleskopausbildung gemäß Fig. 7 auch dementsprechend so sehen, dass der Spiegel 26 dem Spiegel 26b von Fig. 3 entspricht, wobei er zusätzlich die Reflexpunkte des anderen konkaven Spiegels 26a enthält. Als Gegenstück zu diesem "kombinierten" konkaven Teleskop-Spiegel 26 dient dann der plane Spiegel 25, dessen Abstand (L/2) vom Teleskop-Spiegel 26 somit dem halben Abstand (L) der Teleskop-Spiegel 26a, 26b von Fig. 3 entspricht.
In Fig. 9 ist der Verlauf des transversalen Radius R' des Laserstrahls 15 abhängig von seinem Weg x durch die Laservorrichtung 1 dargestellt, wobei ersichtlich ist, dass am Endspiegel M4 des kurzen Resonatorarms 16 ein relativ kleiner Strahlquerschnitt gegeben ist, der dann in diesem kurzen Resonatorarm 16 bis zum Laserkristall 14 hin ansteigt; der Laserkristall 14 bewirkt wie bereits dargelegt eine Fokussierung des Laserstrahls, was durch den schmalen Einschnitt in der Kurve von Fig. 9 ersichtlich ist. Danach folgt der lange Resonatorarm 17 bis zur Zuführung des Laserstrahls zum Teleskop 18, wobei der Strahlquerschnitt am Eingang des Teleskops 18 relativ groß ist. Diesen Umstand macht sich die vorliegende Anordnung ebenfalls zu Nutze, da auf diese Weise problemlos eine gute -Stabilität im Oszillator erzielbar ist, da während der mehrfachen Reflexionen im Teleskop 18 - s. auch die mit den Reflexpunkten 1 bis 8 im Teleskop 18 entsprechenden Nummern versehenen Reflexionen in Fig. 9 - jeweils nur geringe Änderungen im Strahlquerschnitt vorliegen, anders als dies im Fall der Zuordnung des Teleskops zum kurzen Resonatorarm 16 wäre. Dadurch kann problemlos eine stabile Oszillation in der Laservorrichtung 11 erreicht werden, wobei auch geringe Längenänderungen kaum zu einer Instabilität führen.
Das Diagramm von Fig. 9 ist nur ganz schematisch und soll die Verhältnisse bei der erfindungsgemäßen, besonders bevorzugten Ausbildung der Laservorrichtung 11 - mit schwach fo- kussierender Anordnung und Zuordnung des Teleskops 18 zum langen Resonatorarm 17 - veranschaulichen. Die Fig. 11 bis 14 zeigen demgegenüber Rechnersimulationen zu ganz konkreten Ausführungen, wobei auch die Situation für stark fokussierende Anordnungen bzw. für solche mit dem kurzen Resonatorarm 16 zugeordneten Teleskopen 18 veranschaulicht sind. In diesen Diagrammen sind auch zum leichteren Verständnis jeweils die Reflexpunkte 1 bis 8, die Resonatorarme 16, 17 sowie der Laserkristall 14 eingetragen.
Zuvor soll jedoch noch anhand der Fig. 10 eine Erläuterung zur Stabilität des Gesamtsystems erfolgen. Hiefür ist die Beziehung L/R = 1 ± ~"| (1+cos ) /21 von Bedeutung, wobei
L der doppelte Abstand zwischen dem gekrümmten Spiegel 26 und dem planen Spiegel 25 ist, R der Krümmungsradius des gekrümmten, konkaven Spiegels 26 ist, und der Zentriwinkel zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden, dem einen gekrümmten Spiegel tatsächlich zugeordneten, auf einer Kreislinie liegenden Reflexpunkten ist.
Ausgehend davon, dass wie vorstehend anhand der Fig. 7 und 8 erläutert, insgesamt acht Reflexpunkte 1 bis 8 vorhanden sind (also vier Reflexpunkte für eden - gedachten - gekrümmten Spiegel 26a, 26b), beträgt der Zentriwinkel α=90°, wie dies auch aus den Fig. 4, 5 und 8 hervorgeht. Weiters entspricht das Vorzeichen "-" in der vorstehenden Beziehung für die vorstehend erläuterte schwach fokussierende Anordnung (wogegen das Vorzeichen "+" für die stark fokussierende Anordnung gilt) . Dementsprechend ergibt sich für das Beispiel mit insgesamt acht Reflexpunkten 1 bis 8 und für die schwach fokussierende Anordnung aus der vorstehenden Beziehung:
L/R = 1 - [%
Daraus folgt, dass das Verhältnis L/R = 0,293 ist. Für einen Spiegelradius von R = 5000 mm (Radiuswerte für konkav gekrümmte Spiegel werden üblicherweise mit einem "-"-Vorzeichen angegeben, vgl. auch Fig. 10, werden aber hier der Einfachheit halber ohne Vorzeichen angeführt) ergibt sich somit ein Abstand zwischen den Spiegeln 26a, 26b von L = 1465 mm. Dieser Abstand L wäre für einen diskreten Aufbau zu groß (vgl . die Montageplatten-Abmessung a = 900 mm im Fall der Ausführungsform von Fig. 2), aber mit der anhand der Fig. 6 und 7 beschriebenen "Faltung" des Teleskops 18 führt dieser Abstand zu einer gut passenden Anord- nung, bei der der gekrümmte Spiegel 26 und der plane Spiegel 25 genau L/2 = 732,5 mm auseinander liegen.
Im Fall einer stark fokussierenden Anordnung, wie sie im Prinzip in dem eingangs erwähnten Dokument von Cho et al . gezeigt ist, wird wie erwähnt zwischen den beiden konkav gekrümmten Spiegeln eine Bündelung der Strahlengänge bewirkt, und bei dieser stark fokussierenden Anordnung ist in der oben stehenden Beziehung das Vorzeichen "+" zu verwenden, wobei sich dann für das Verhältnis L/R der Wert L/R = 1,707 ergibt. Dies bedeutet bei einem Abstand der Spiegel von L = 1465 mm für einen Radius R des jeweiligen Teleskop-Spiegels von R = L/1,707 = 858 mm. Mit einem solchen konkav gekrümmten Spiegel 26 und einem planen Spiegel 25 im Abstand L/2 = 732,5 mm würden die Reflexpunkte gemäß der in Fig. 5 in Klammern angegebenen Nummerierung erhalten werden.
In Fig. 10 ist die x-Achse genau der (doppelte) Spiegel-Ab- stand L (logarithmisch aufgezeichnet) . Um die praktisch realisierte Anordnung (vgl. auch Fig. 12) wurde ein Kästchen gezeichnet. Die zugehörige Kurve 30 entsteht so, dass das Teleskop 18 in den langen Arm 17 des Oszillators (1200 mm) eingekoppelt wird. Verändert man den Radius R, ändert sich der Abstand L. Berechnet man die relative (d.h. prozentuelle) Änderung ΔD des Strahldurchmessers im anderen Arm 16, und zwar am Endspiegel M4, so ergibt sich ein Wert, der in Fig. 10 auf der y-Achse aufgetragen wurde. Das Maximum der Stabilität ist genau dort, wo sich trotz einer Änderung des Teleskops 18 der Strahldurchmesser nicht ändert, also im Nullpunkt. In Fig. 10 sind noch Kurven 31, 32 und 33 für andere Ausbildungen und zu Vergleichszwecken dargestellt:
Kurve 30: Dies ist der behandelte Fall mit der schwach fokussierenden Anordnung und dem Teleskop 18 in Zuordnung zum langen Resonatorarm 17. Der Schnittpunkt der Kurve 30 mit der Nulllinie bei R = 4000 mm. Für die angesprochene praktische Ausführung (Fig. 12) war genau dieser Spiegel kurzfristig nicht erhältlich; deshalb wurde eine Anordnung mit einem Spiegel 26 mit R = 5000 mm realisiert, vgl. auch die nachfolgende Erläuterung zu Fig. 12. Kurve 31: Ein Teleskop 18 im langen Resonatorarm 17 und kleinere Krümmungsradi (wie z.B. R = 858 mm) würden diese Kurve 31 erzeugen. Die Verhältnisse bei R = 858 mm (Punkt 34) würden im Vergleich zur Kurve 30 eine viel schlechtere Stabilität erzeugen. Es existiert zwar auch ein stabiler Punkt (Punkt 35) , bei dem die Änderungen klein sind, dieser würde jedoch bei sehr großen Abständen der beiden Spiegel liegen (L = 6 m) .
Kurve 32: Wird das schwach fokussierende Teleskop 18 (z.B. mit Spiegelradius R = 5000 mm) dem kurzen Arm 16 des ursprünglichen Oszillators 12 zugeordnet, entsteht diese Kurve 32. Hier ist wiederum das Maximum der Stabilität bei sehr kleinen Werten des Abstandes L (< 20 cm) . Dadurch würde sich - entgegen den Intentionen - keine große Verlängerung des Laserstrahl-Weges insgesamt ergeben.
Kurve 33 : Bei einer Kombination des kurzen Resonatorarms 16 als Teleskoparm und stark fokussierender Anordnung ist das Maximum der Stabilität zwar auch sehr gut (bei L = 0,8 m) gelegen, jedoch ist dort eine starke Neigung der Kurve 33 gegeben.
Es können in der Praxis durchaus Abweichungen in der Produktion (von bis zu 10%) bei den Spiegelradien auftreten. Auch ist das verwendete Modell nicht so genau und es können Abweichungen im gemessenen und berechneten Strahlprofil auftreten. Deshalb ist es umso wichtiger, breite Maxima zu finden (wie bei der Kurve 30) und nicht kritische (wie bei der Kurve 33) .
In den Fig. 11 bis 15 sind sodann Kurven betreffend den transversalen Strahlradius R' in mm über der auf eine Linie (x- Achse) ausgebreiteten Resonatorlänge x in m zu konkreten Ausbildungen gezeigt, wobei diese Ausbildungen auf Rechnersimulationen beruhen, wobei jedoch die Ausführung gemäß Fig. 12 tatsächlich in der Praxis für Testzwecke realisiert wurde.
In allen Diagrammen der Fig. 11 bis 15 zeigt die durchgehende Linie die Verhältnisse beim idealen Oszillator, bei dem alle Längenwerte den theoretischen Werten entsprechen. Die strichlierte Linie simuliert eine (an sich sehr große) Abwei- chung von 2 cm zwischen den beiden Teleskop-Spiegeln 25, 26. Dabei zeigt sich, dass in der Praxis keine großen Abweichungen, jedoch haben Versuche gezeigt, dass Vibrationen und Temperaturdriften auftreten. Wenn aber der Laser (im Bereich des kurzen Resonatorarms 16) sogar bei großen Abweichungen keine drastische Verschiebung zeigt, kann angenommen werden, dass auch kleine Vibrationen, die zu kleinen Änderungen im Abstand beispielsweise zwischen den Teleskop-Spiegeln 25, 26 führen, hinsichtlich der Stabilität keine Rolle spielen.
In Fig. 11 ist der Strahlradius R1 in Querrichtung über der Resonatorlänge x in m für eine Laservorrichtung 11 aufgezeichnet, wobei die Resonatordaten wie folgt sind:
Kurzer Resonatorarm 16: 65 cm langer Resonatorarm 17: 120 cm (mit dem Teleskop 18 im
Anschluss daran)
Abstand zwischen den Teleskop-Spiegeln 25, 26: L/2 = 52 cm
Radius des konkaven Teleskop-Spiegels 26: R = 3550 mm
Gesamtlänge des Oszillators 12: 10,22 m
Dieses Diagramm entspricht einer Ausbildung mit einem Optimum in der Stabilität des Resonators 12. Allerdings sind hier die Abstände zwischen den Teleskop-Spiegeln 25, 26 nicht sehr groß, so dass die Umlaufzeit der Laserimpulse nicht so stark wie gewünscht verlängert und die Repetitionsrate nur auf 14,6 MHz reduziert würde.
Wie bereits vorstehend erwähnt stand für praktische Untersuchungen ein konkaver Spiegel mit einem Radius R = 5000 mm zur Verfügung. Mit diesem Spiegel als Teleskop-Spiegel 26 wurde eine Laservorrichtung wie beschrieben aufgebaut, wobei in Kauf genommen wurde, dass die optimale Stabilität (vgl. die Nulllinie in Fig. 10) nicht mehr gegeben ist, sondern eine geringfügige Abweichung hievon, vgl. den Punkt im Kästchen auf der Kurve 30 in Fig. 10. Die sich dabei ergebenden Abweichungen sind jedoch tolerierbar, da die Kurve 30 in diesem Bereich, wie aus Fig. 10 ersichtlich ist, sehr flach, mit einer Steigung von praktisch = 0, verläuft. In Fig. 12 ist das zugehörige Diagramm Strahlradius/Resonatorlänge dargestellt .
Die Resonatordaten waren hier wie folgt: Kurzer Resonatorarm 16: 65 cm langer Resonatorarm 17: 120 cm (Teleskop 18 im Anschluss daran)
Abstand der Teleskop-Spiegel 25, 26: L/2 = 73,2 cm
Radius des Teleskop-Spiegels 26: R = 5000 mm
Gesamtlänge des Resonators 12: 13,6 m
In Fig. 13 ist sodann ein Fall veranschaulicht, bei dem eine stark fokussierende Anordnung im Teleskop 18 im Anschluss an den langen Resonatorarm 17 vorgesehen wird; dabei ergibt sich eine nicht sehr stabile Konfiguration im Hinblick auf die Variation der Spiegel 25, 26 des Teleskops 18. Dies ist aus dem Diagramm von Fig. 13 unmittelbar aufgrund der Abweichungen der stridauerten Linie von der durchgezogenen Linie erkennbar.
Resonatordaten:
Kurzer Resonatorarm 16: 65 cm langer Resonatorarm 17: 120 cm (Teleskop 18 im Anschluss daran)
Abstand der Teleskop-Spiegel 25, 26: L/2 = 73,2 cm
Radius des Teleskop-Spiegels 26: R = 849 mm
Gesamtlänge des Resonators 12 : 13,6 m
Das Diagramm gemäß Fig. 13 würde somit angenähert dem Punkt 34 auf der Kurve 31 in Fig. 10 entsprechen.
In Fig. 14 ist sodann der Fall dargestellt, in dem das Teleskop 18 im Anschluss an den kurzen Resonatorarm 16 angeordnet wird, wobei ersichtlich im Vergleich zur Fig. 13 im Falle einer stark fokussierenden Anordnung im Teleskop (wie vorstehend erwähnt) hinsichtlich Stabilität sogar etwas bessere Verhältnisse erzielt werden können. Diese stark fokussierende Anordnung ist an den kurzen Resonatorarm 16 besser angepasst. Das zeigen auch in Fig. 14 die nicht so stark variierenden Strahldurchmesser im Vergleich zu Fig. 13.
Die Resonatordaten zu Fig. 14 sind wie folgt:
Kurzer Resonatorarm 16: 65 cm (Teleskop 18 im Anschluss daran) langer Resonatorarm 17: 120 cm
Abstand der Teleskop-Spiegel 25, 26: L/2 = 73,2 cm Radius des Teleskop-Spiegels 26: R = 849 mm Gesamtlänge des Resonators 12: 13,6 m
Aus dem Diagramm von Fig. 15 ergibt sich schließlich, wie vorteilhaft die Einkoppelung des Teleskops 18 in den langen Resonatorarm 17 ist, denn wenn sich das Teleskop 18 im Anschluss an den kurzen Resonatorarm 16 befindet, wird ein stark divergierender Laserstrahl 15 in das Teleskop 18 eingekoppelt. Der erste Reflexpunkt des schwach fokussierenden Teleskops 18 bewirkt im Gegensatz zur Darstellung in Fig. 11 nicht, den Laserstrahl wieder zu bündeln. Erst der zweite Reflexpunkt schafft diese Kollimierung nach einer langen Strecke. Deshalb ist der maximale Strahlradius R' an einzelnen Reflexpunkten des Teleskop-Spiegels > 2 mm, d.h. der Strahldurchmesser ist größer als 4 mm. In der Praxis uss aber ein um den Faktor 3 größerer Platz am Teleskop-Spiegel für den jeweiligen Strahl vorhanden sein, um keine Leistung zu verlieren. Dies bedeutet hier jedoch, dass pro Reflexpunkt eine Fläche mit einem Durchmesser von mehr als 1 cm am Spiegel vorgesehen sein muss, wodurch alle Fehler in der Gleichmäßigkeit des Spiegels verstärkt in die Laserstrahl-Abbildungen eingehen, was zu Strahldeformierungen führt.
Die zu Fig. 15 gehörigen Resonatordaten sind wie folgt:
Kurzer Resonatorarm 16: 65 cm (Teleskop im Anschluss daran) langer Resonatorarm 17: 120 cm
Abstand der Teleskop-Spiegel 25, 26: L/2 = 73,2 cm Radius des konkaven Teleskop-Spiegels 26: R = 5000 mm Gesamtlänge des Resonators 12 : 13,6 m

Claims

Patentansprüche:
1. Kurzpuls-Laservorrichtung (11) mit Modenverkopplung, mit einem Resonator (12), der einen Laserkristall (14) sowie mehrere Spiegel (M1-M7, OC) enthält, die einen langen Resonatorarm (17) sowie einen kurzen Resonatorarm (16) definieren, und von denen einer (Ml) einen Pumpstrahl-Einkoppelspiegel und einer (OC) einen Laserstrahl-Auskoppler bildet, und mit einem die Resonatorlänge vergrößernden, einem der Resonatorarme (16, 17) zugeordneten Mehrfachreflexions-Teleskop (18) , welches mit Spiegeln (25, 26) aufgebaut ist, um einen in den Raum zwischen ihnen eingekoppelten Laserstrahl (15) vor seinem Auskoppeln zurück in den übrigen Resonator mehrmals zwischen den Spiegeln hin und her zu reflektieren, wobei aufeinander folgende außermittige Reflexpunkte (1 bis 8; 1' bis 8') an den Spiegeln (25, 26) gegeneinander versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Teleskop (18) nur einen gekrümmten Spiegel (26) sowie einen planen Spiegel (25) aufweist, dessen Position zumindest im Wesentlichen der Mitte (25') einer gedachten Mehrfachreflexions-Anordnung mit zwei gekrümmten Spiegeln (26a, 26b) entspricht, wodurch der eine gekrümmte Spiegel (26) des Teleskops (18) auch die Reflexpunkte des gedachten anderen gekrümmten Spiegels enthält .
2. Kurzpuls-Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gekrümmte Spiegel (26) ein konkaver Spiegel ist.
3. Kurzpuls-Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem einen gekrümmten Spiegel (26) abwechselnd Reflexpunkte dieses Spiegels sowie Reflexpunkte des gedachten anderen gekrümmten Spiegels in einander entsprechenden Bogenabständen auf einer gedachten Kreislinie angeordnet sind.
4. Kurzpuls-Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt acht Reflexpunkte (1 bis 8) auf dem einen gekrümmten Spiegel (26) vorgesehen sind.
5. Kurzpuls-Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Spiegeln (25, 26) und der Krümmungsradius des gekrümmten, konkaven Spiegels (26) der Beziehung L/R = 1 +"j (1+cosα) /2 entsprechen, wobei
L der doppelte Abstand zwischen dem gekrümmten Spiegel (26) und dem planen Spiegel ist, R der Krümmungsradius des gekrümmten Spiegels (26) ist, und α der Zentriwinkel zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden, dem einen gekrümmten Spiegel tatsächlich zugeordneten, auf einer Kreislinie liegenden Reflexpunkten ist.
6. Kurzpuls-Laservorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gekrümmte Spiegel (26) des Teleskops (18) ein konkaver Spiegel ist, für den L/R •**■= 1 - ~] (l+cosα/2)' gilt.
7. Kurzpuls-Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen in der Mitte zwischen dem gekrümmten Spiegel (26) und dem planen Spiegel (25) im Weg eines der Strahlgänge zwischen diesen beiden Spiegeln Ein- und Auskoppelspiegel (24, 27) für den Laserstrahl (15) vorgesehen sind.
8. Kurzpuls-Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Teleskop (18) dem langen Resonatorarm (17) zugeordnet ist.
9. Kurzpuls-Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Modenverkopplung eine passive Modenverkopplung vorgesehen ist.
10. Mehrfachreflexions-Teleskop (18) für eine Kurzpuls-Laservorrichtung (11) , zur Vergrößerung von dessen Resonatorlänge, welches Mehrfachreflexions-Teleskop (18) mit Spiegeln (25, 26) aufgebaut ist, um einen in den Raum zwischen ihnen eingekoppelten Laserstrahl (15) vor seinem Auskoppeln zurück in die übrige Laservorrichtung mehrmals zwischen den Spiegeln hin und her zu reflektieren, wobei aufeinander folgende außermittige Reflexpunkte (1 bis 8; 1' bis 8*) an den Spiegeln (25, 26) gegeneinander versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass als Teleskop-Spiegel nur ein gekrümmter Spiegel (26) sowie ein planer Spiegel (25) vorgesehen sind, wobei die Position des planen Spiegels (25) zumindest im Wesentlichen der Mitte (25') einer gedachten Mehrfachreflexions-Anordnung mit zwei gekrümmten Spiegeln (26a, 26b) entspricht, wodurch der eine gekrümmte Spiegel (26) des Teleskops (18) auch die Reflexpunkte des gedachten anderen gekrümmten Spiegels enthält.
11. Mehrfachreflexions-Teleskop nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der gekrümmte Spiegel (26) ein konkaver Spiegel ist.
12. Teleskop nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem einen gekrümmten Spiegel (26) abwechselnd Reflexpunkte dieses Spiegels sowie Reflexpunkte des gedachten anderen gekrümmten Spiegels in einander entsprechenden Bogenabständen auf einer gedachten Kreislinie angeordnet sind.
13. Teleskop nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt acht Reflexpunkte (1 bis 8) auf dem einen gekrümmten Spiegel (26) vorgesehen sind.
14. Teleskop nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Spiegeln (25, 26) und der Krümmungsradius des gekrümmten, konkaven Spiegels (26) der Beziehung L/R = 1 + ~~^(l+cosα) /2 entsprechen, wobei
L der doppelte Abstand zwischen dem gekrümmten Spiegel (26) und dem planen Spiegel ist, R der Krümmungsradius des gekrümmten Spiegels (26) ist, und α der Zentriwinkel zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden, dem einen gekrümmten Spiegel tatsächlich zugeordneten, auf einer Kreislinie liegenden Reflexpunkten ist.
15. Teleskop nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der gekrümmte Spiegel (26) des Teleskops (18) ein konkaver Spiegel ist, für den L/R •= 1 - (l+cosα/2) 'gilt.
16. Teleskop nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen in der Mitte zwischen dem gekrümmten Spiegel (26) und dem planen Spiegel (25) im Weg eines der Strahlgänge zwischen diesen beiden Spiegeln Ein- und Auskoppelspiegel (24, 27) für den Laserstrahl (15) vorgesehen sind.
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