DE4446026C1 - Laserresonator - Google Patents

Description

Laserresonator mit mindestens zwei den Resonator begrenzenden Resona­ tor-Spiegeln, in deren Strahlengang ein aktives, Strahlung abgebendes Lasermedium und mindestens ein die Strahlung reflektierendes Fal­ tungs-Element angeordnet sind und mindestens einer der Spiegel mindestens ein Auskoppelfenster für die Strahlung besitzt.

Laserresonatoren der vorstehend beschriebenen Art sind allgemein als gefaltete Resonatoren bekannt; ein solcher Resonator ist beispielsweise in der GB-PS 1 500 428 beschrieben.

Eine wichtige Aufgabe bei der Entwicklung und dem Aufbau von Laserstrahl­ quellen ist die Skalierung der Laserstrahlungsleistung unter Erzielung einer hohen Strahlqualität. Um dies zu erreichen, können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden.

Eine Möglichkeit besteht darin, die Laserleistung durch Skalierung des Laseroszillatorvolumens vorzunehmen. Bei einer Vergrößerung des Laseros­ zillatorvolumens muß allerdings immer berücksichtigt werden, daß die axiale Dimension, d. h. die Resonatorlänge, und die lateralen Dimensionen zueinander derart in Relation stehen, daß die Fresnel-Zahl des Oszilla­ tors nicht wesentlich größer als 1 wird, damit eine hohe Strahlqualität gewährleistet ist. Diese Randbedingungen beschränken die Auslegung eines Hochleistungsoszillators mit hoher Strahlqualität erheblich. Um die er­ forderlichen Resonatorlängen unter Beibehaltung einer kompakten Baugröße des Resonators zu erreichen, wird der Oszillator oft mehrfach gefaltet. Eine solche Faltung ist immer mit technischen Komplikationen verbunden, da zum Beispiel segmentierte Resonator-Spiegel mit individuell gekrümmten Spiegelflächen eingesetzt werden müssen, um eine thermische Linsenwirkung zu kompensieren. Weiterhin ist das Auskoppelfenster eines langen Oszil­ lators aufgrund der relativ kleinen Apertur stark belastet, was wiederum hinsichtlich des ausgekoppelten Strahls zu einer Verminderung der Strahl­ qualität führt.

Eine weitere Möglichkeit, die Laserstrahlungsleistung zu skalieren, be­ steht darin, einen sogenannten Oszillator-Verstärker zu verwenden. Hier­ bei wird zuerst ein Laseroszillator mit relativ geringer Leistung, jedoch hoher Strahlqualität, aufgebaut. Die aus dem Laseroszillator austretende Laserstrahlung wird dann in einen nachgeschalteten Leistungsverstärker eingespeist und zu der angestrebten, hohen Leistung verstärkt. Ein sol­ ches Laseroszillator-Verstärker-Prinzip findet meistens in gepulsten Lasern Anwendung. Mit einem solchen Laseroszillator-Verstärker-Prinzip können einige hundertfache Verstärkungen erzielt werden. Demgegenüber beträgt die Verstärkung in Verbindung mit kontinuierlich betriebenen Lasern nur einige wenige Hundert Prozent unter Berücksichtigung, daß der Wirkungsgrad des gesamten Lasers (Laseroszillator und Verstärker) nicht zu gering wird.

Eine dritte Alternative, eine Laserstrahlquelle zu skalieren, stellt das Laser-Array dar. Hierbei handelt es sich um mehrere Laser-Oszillatoren, die räumlich nebeneinander in einer Feldanordnung bzw. einem Array ange­ ordnet sind und parallel betrieben werden. In einem solchen Laser-Array ist folglich die gesamte Laserstrahlungsleistung die Summe der Leistung der einzelnen Oszillatoren. Ein zentrales Problem, das sich in Verbindung mit diesem Skalierungsprinzip ergibt, ist die kohärente Kopplung der Oszillatoren miteinander. Es muß allerdings berücksichtigt werden, daß sich eine periodische Feldverteilung bei Ausbreitung in Amplitude und Phase in äquidistanten Ebenen reproduziert, so daß Maßnahmen ergriffen werden müssen, um diese Strahlen der einzelnen Laseroszillatoren in einer gemeinsamen Ebene oder in einem gemeinsamen Fokussierungspunkt zusammen­ zuführen, was einen hohen optischen Aufwand erfordert. Weiterhin muß, um eine kohärente Kopplung der Oszillatoren zu erreichen, gewährleistet werden, daß die Eigenfrequenzen der einzelnen Oszillatoren nicht zu stark voneinander abweichen. Weiterhin führen Abbildungsfehler bei zweidimen­ sionalen Laseroszillator-Arrays bei freier Ausbreitung zu Verlusten, die typischerweise Werte von 40%. im Vergleich zu eindimensionalen, aus acht Oszillatoren zusammengesetzten Arrays erreichen. Die hohen Verluste füh­ ren folglich zu einem geringen Wirkungsgrad. Aufgrund der erforderlichen Maßnahmen, um die Strahlen zusammenzuführen, entstehen Justierprobleme, so daß sich umgekehrt bei einer solchen Laseranordnung eine hohe Justie­ rempfindlichkeit zeigt. Weiterhin können in einer solchen Anordnung keine sphärischen Spiegel eingesetzt werden, da sich dadurch unterschiedliche Längen der einzelnen Oszillatoren ergeben, was aber gerade für einen stabilen Laserbetrieb notwendig ist. Weiterhin müßten zur Realisierung solcher Anordnungen Abstände benachbarter, einzelner Laseroszillatoren eingehalten werden, die bei realistischer Oszillatorenlänge so klein sind, daß sie praktisch nicht realisierbar und technisch zu beherrschen sind.

In dem Aufsatz "The Use of a Single Plane Parallel Plate as a Lateral Shearing Interferometer with a Visible Gas Laser Source", APPLIED OPTICS, Vol. 3, No. 4, 1964 Seiten 531 ff., sind allgemein optische Platten als Faltungs- und Reflexionselemente, u. a. zum Erzeugen von Teilstrahlen mit unterschiedlichem Phasengang, beschrieben.

In der DE-A1-42 03 225 ist ein Wellenleiterlaser beschrieben, bei dem die reflektierenden Elemente des Resonators eine Beugungskopplung aufgrund deren Dimensionierung in Azimutalrichtung bewirken.

Ein weiteres aktiv gefaltetes Resonatorsystem eines Festkörperlasers ist in der DE-C2-43 04 178 beschrieben, das zwei Rechteckprismen als laseraktives Material einsetzt.

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik und der diesbezüglich geschilderten Problematik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen gefalteten Resonator anzugeben, der in tech­ nisch einfacher Weise die Skalierung eines gefalteten Resonators mit einem hohen Wirkungsgrad zuläßt, der darüberhinaus die Möglichkeit bie­ tet, mit einfachen Maßnahmen die Leistung und die Strahlqualität der aus dem Resonator ausgekoppelten Strahlung den jeweiligen Erfordernissen anzupassen und der insbesondere auch zum Aufbau kontinuierlich betrie­ bener Laser geeignet ist.

Die vorstehende Aufgabe wird bei einem Laserresonator der ein­ gangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß die Faltungseinheit eine für die Strahlung transparente Faltungseinheit mit zwei zueinander beabstan­ deten parallelen Flächen ist, von denen die eine eine Strahleneintritts­ fläche und die andere eine Strahlenreflexionsfläche bildet, wobei eine Teilfläche der Strahleneintrittsfläche, auf die die Strahlen unter einem Winkel auftreffen, teilreflektierend und die verbleibenden Bereiche ge­ genüber der Teilfläche geringer reflektierend ist und die Strahlenre­ flexionsfläche eine vollreflektierende Fläche ist, wobei die auf die teilreflektierende Fläche auftreffenden Strahlen, die von dem einen Spie­ gel ausgehen, in zwei Teilstrahlen unterteilt werden, wobei der eine Teilstrahl zu dem jeweils anderen Spiegel hin reflektiert wird, während der andere Teilstrahl in die Faltungseinheit eintritt, an der vollreflek­ tierenden Fläche reflektiert wird und aus der Strahleneintrittsfläche zu seiner Strahleneintrittsstelle versetzt austritt und zu dem jeweils an­ deren Spiegel führt.

Durch die speziell aufgebaute, erfindungsgemäße Faltungseinheit, die erfindungsgemäß in dem Laserresonator integriert ist, können die einzelnen Strahlen zwischen den beiden Resonator-Spiegeln zueinander versetzt werden, indem ein Teil der Strahlung in diese Fal­ tungseinheit eintritt und an der Strahlenreflexionsfläche unter einem Winkel so reflektiert wird, daß sie versetzt zu ihrer Strahleneintritts­ stelle aus der Strahleneintrittsfläche austritt und sich dort mit Strah­ lung, die im Bereich der Austrittsstelle der Strahleneintrittsfläche reflektiert wird, überlagert. Je nach Formgebung und dem Winkel, unter dem die Strahlung auf die entsprechenden Strahleneintrittsflächen und Strahlenreflexionsflächen auftrifft, können die Strahlen definiert zusam­ mengeführt und gekoppelt, insbesondere auch kohärent gekoppelt, werden oder aber auch in mehrere Teilstrahlen unterteilt werden, die dann über Auskoppelfenster aus dem Resonator ausgekoppelt werden. Mit einer solchen Faltungseinheit ist es demzufolge möglich, in einfacher Weise innerhalb des Resonators die Strahlung zu beeinflussen, d. h. in einer erforder­ lichen Art und Weise zu falten, zu koppeln und zusammenzuführen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Reflexionsvermögen insbeson­ dere der Strahlenreflexionsfläche der Faltungseinheit bzw. dessen Trans­ missionsprofil ortsabhängig stetig geändert, so daß über die Fläche der Faltungseinheit und damit über den Querschnitt des Laserresonators ein bestimmtes Profil der Strahlung erreicht werden kann. Dieses Strahlungs­ profil kann dann genutzt werden, indem beispielsweise im Strahlungsmaxi­ mum das bzw. die Auskoppelfenster im Bereich des oder der Resonator-Spie­ gel angeordnet wird. Vorzugsweise wird ein Reflexionsprofil der Strahlen­ eintrittsfläche in Form einer Gauß′schen Verteilung gewählt, d. h. in etwa der Mitte der Strahleneintrittsfläche der Faltungselnheit wird der über­ wiegende Anteil der auftreffenden Strahlen durch die Strahleneintritts­ fläche reflektiert, während der geringere Anteil in diesem mittleren Bereich durch die Strahleneintrittsfläche hindurchtritt.

Um zu verhindern, daß Strahlen seitlich aus der Faltungseinheit austreten bzw. die Strahlen auf den Bereich der Faltungseinheit begrenzt wird, wird die Strahleneintrittsfläche in einem mittleren Bereich teilreflektierend ausgebildet, während sie in den den mittleren Bereich begrenzenden, von den Strahlen erfaßten Randzonen nicht reflektierend ist. In dieser Anord­ nung treten demnach alle Strahlen, die auf den Randbereich der Faltungs­ einheit auftreffen, durch dessen Strahleneintrittsfläche hindurch und werden an der Strahlenreflexionsfläche reflektiert, und zwar durch eine entsprechende Anordnung der Strahlenreflexionsfläche, derart, daß die reflektierten Strahlen in den mittleren Bereich der Faltungseinheit re­ flektiert werden; dort tritt dann eine verstärkte Strahlenintensität auf und die Strahlungsverluste in den Randbereichen können, wenn sie über­ haupt auftreten, gering gehalten werden.

Um einerseits eine größere Variationsbreite zu erzielen, um den Laserre­ sonator zu skalieren, und um andererseits die Resonatorlänge weiterhin zu verkürzen, können zwei Faltungseinheiten in den Resonator integriert werden, die jeweils mit einer Strahleneintrittsfläche und einer in Rich­ tung der Eintrittsstrahlen gesehen dahinterliegenden Strahlenreflexions­ fläche ausgestattet sind.

Die erfindungsgemäße Maßnahme, d. h. die erfindungsgemäße Faltungseinheit in den Laserresonator einzusetzen, kann in Verbindung mit den unter­ schiedlichen Lasertypen umgesetzt werden, d. h. zum Beispiel in Verbindung mit Gaslasern, Festkörperlasern oder auch Diodenlasern. Ein kompakter Aufbau des Laserresonators wird unter Verwendung eines Festkörpers als Lasermedium erreicht. In Verbindung mit einem Festkörper ist es möglich, die Faltung über eine Mehrzahl von die Strahlung reflektierenden Stirn­ flächen vorzusehen und einen Resonator aufzubauen. Im Bereich einer sol­ chen Stirnfläche wird dann die erfindungsgemäße Faltungseinheit angeord­ net und die Stirnflache so ausgestaltet, daß die Strahlung auf die Strah­ leneintrittsfläche der Faltungselnheit fällt. Hierbei kann die Faltungs­ einheit mit ihrer Strahleneintrittsfläche direkt auf die dieser zugeord­ neten Stirnfläche des Festkörpers aufgesetzt werden, beispielsweise mit­ tels eines geeigneten, optisch angepaßten Klebemittels; es besteht aber auch die Möglichkeit, zwischen der Stirnfläche des Festkörpers und der Strahleneintrittsfläche der Faltungseinheit einen Abstand vorzusehen, über den, ebenso wie zusätzlich über den Einfallswinkel, die Teilre­ flexion an der Strahleneintrittsfläche einstellbar ist.

Vorzugsweise wird ein Festkörper mit einer ungeraden Anzahl von Stirn­ flächen eingesetzt, die jeweils eine gleiche Länge besitzen. Hierdurch wird ein gleichmäßiger Strahlenverlauf innerhalb des Festkörpers er­ reicht. Einer Stirnfläche eines Festkörpers mit vorzugsweise drei Stirn­ flächen wird die strahlungstransparente Faltungseinheit zugeordnet. Eine größere Anzahl an Stirnflächen sollte immer dann gewählt werden, um hö­ here Ausgangsleistungen zu erzielen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform stellt einen Festkörper mit einer geraden Anzahl von Stirnflächen, vorzugsweise vier solcher Stirnflächen, dar, wobei dann jeweils zwei der Stirnflächen parallel zueinander verlau­ fen und mindestens einer Stirnfläche eine erfindungsgemäße Faltungsein­ heit zugeordnet ist. Das Auskoppelfenster wird dann bevorzugt an einer Stirnfläche vorgesehen, die der Stirnfläche, der die Faltungseinheit zugeordnet ist, benachbart liegt.

Die Faltungseinheit kann als einfaches, optisches Bauelement angesehen werden, da sie aus einer Glasplatte, vorzugsweise aus Quarzglas, herge­ stellt werden kann, wobei die Strahleneintrittsfläche und die Strahlen­ reflexionsfläche entsprechend den gewünschten Strahlungsdurchlaß-Strah­ ungsreflexionsprofilen reflektierend oder transmittierend ausgestaltet werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die Faltungseinheit durch zwei zueinander beabstandete, parallele Glasplatten, wiederum bevorzugt aus Quarzglas, herzustellen, wobei dann die eine Glasplatte die Strahlenein­ trittsfläche und die zweite Glasplatte die Strahlenreflexionsfläche auf­ weist. Der Abstand der beiden Platten kann den Anforderungen entsprechend eingestellt werden. Die beiden Glasplatten bzw. die Strahleneintritts­ fläche und die gegenüberliegende Strahlenreflexionsfläche können eine Krümmung aufweisen, wodurch es möglich wird, Teil-Oszillatoren mit unter­ schiedlichen Abständen zu falten bzw. zu koppeln, um einen definierten Strahlenverlauf zwischen der Strahleneintrittsfläche und der Strahlen­ austrittsfläche zu erreichen, besitzen beide Flächen einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt, so daß sie konzentrisch zueinander verlaufend ange­ ordnet sind.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines gefalteten Laserresonators mit einer erfindungsgemäßen Faltungseinheit, um anhand des Strahlenver­ laufs das Prinzip der Erfindung zu erläutern,

Fig. 2 eine Darstellung einer Ausführungsform, die der Ausführungsform der Fig. 1 entspricht, wobei allerdings die Strahlung an einer unter­ schiedlichen Stelle des Resonator-Spiegels ausgekoppelt wird und wobei dem Faltungs-Element ein Reflexionsprofil zugeordnet ist,

Fig. 3 und 4 Anordnungen mit unterschiedlichen Auskoppelfenstern, wobei dem Auskoppel-Spiegel sowie der Faltungseinheit wiederum ein Re­ flexionsprofil zugeordnet ist,

Fig. 5A und 5B einen zweidimensional gefalteten Resonator mit zwei Faltungseinheiten, wobei die eine Faltungseinheit in der Fig. 5A darge­ stellt ist und die andere Faltungseinheit in der Fig. 5B dargestellt ist,

Fig. 6 den Auskoppelspiegel der Fig. 5B mit einer geänderten Anordnung der Auskoppelfenster,

Fig. 7 den einen Resonator-Spiegel der Ausführungsformen der Fig. 1 bis 5 mit einer segmentierten Spiegelfläche,

Fig. 8 einen Ring-Festkörperlaser-Resonator mit einer der einen Stirn­ seite zugeordneten Faltungseinheit,

Fig. 9 die Anordnung des Festkörperresonators der Fig. 8 mit stehender Welle,

Fig. 10 den Festkörperlaser der Fig. 7 mit zwei Faltungseinheiten, und

Fig. 11 einen Festkörperlaser mit drei Stirnflächen, wobei einer Stirn­ fläche eine Faltungseinheit zugeordnet ist.

Um das Prinzip der vorliegenden Erfindung zu erläutern, ist in Fig. 1 ein prinzipieller Aufbau eines Laserresonators mit zwei Resonator-Spie­ geln 1, 2 und einer Faltungseinheit 3, die den Resonator in einer Ebene faltet, sowie ein laseraktives Medium 4 mit fünf Strahlen A, B, C, D, E schematisch dargestellt. Das wesentliche Element dieses Laserresonators ist die Faltungseinheit 3. Diese Faltungseinheit 3 besitzt eine Strahlen­ eintrittsfläche 5, die zu dem Resonatorraum hin gerichtet ist. Diese ist teilreflektierend in ihrem mittleren Bereich 6, durch die unterbrochene Linie angedeutet, während die gegenüberliegende Strahlenreflexionsflä­ che 7 vollreflektierend vergütet ist. In den Randbereichen 8, die den mittleren Bereich bzw. teilreflektierenden Bereich 6 begrenzen ist die Strahleneintrittsfläche 5 geringer reflektierend bzw. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführung für die auftreffende Strahlung transmittierend. Der Resonator-Spiegel 2 ist in dem Bereich eines Auskoppelfensters 9 tellreflektierend vergütet, während die übrigen Reflexionsflächen hochreflektierend vergütet sind. Der Resonator-Spiegel 1 ist ebenfalls hochreflektierend auf seiner Innenfläche vergütet.

Die fünf in dem Lasermedium 4 repräsentativ herausgegriffenen, gleich­ mäßig zueinander beabstandeten Strahlen A, B, C, D, E stellen schematisch den Strahlenverlauf über den Querschnitt des Lasermediums und damit im Resonator zwischen den beiden Resonator-Spiegeln 1, 2 und der Faltungs­ einheit 3 dar, um das Prinzip der Erfindung zu veranschaulichen. Der von dem Lasermedium 4 ausgehende Strahl A trifft auf den mittleren, teilre­ flektierenden Bereich 6 der Strahleneintrittsfläche 5, im dargestellten Beispiel unter einem Winkel von 45°, und wird an der tellreflektierenden Fläche 6 in zwei Strahlen aufgeteilt. Der eine Strahl wird als Teil­ strahl a in Richtung des Resonator-Spiegels 2 reflektiert, trifft dort auf die hochreflektierende Fläche und wird als Strahl a′ zu der Strahlen­ eintrittsfläche 5 der Faltungseinheit 3 zurückgeführt. Dort wird der Strahl a′ wiederum in zwei Teilstrahlen zerlegt, wobei der eine Teil­ strahl als Strahl A′ zurück zu dem Lasermedium 4 führt, während der an­ dere Teilstrahl in die Faltungseinheit 3 propagiert. Dieser letztere Tellstrahl wird an der Strahlenreflexionsfläche 7 reflektiert, läuft innerhalb der Faltungseinheit 3 und tritt, zu der Eintrittsfläche ver­ setzt, aus der Strahleneintrittsfläche 5 heraus, im dargestellten Bei­ spiel unter anderem auch entlang des zweiten Strahls, der mit B bzw. B′ gekennzeichnet ist.

Um wiederum zu dem Ausgangsstrahl A zurückzukehren, wird der andere Teil­ strahl des Strahls A an der Strahleneintrittsfläche 5 in die Faltungsein­ heit 3 an dem Auftreffpunkt propagiert, an der Strahlenreflexionsfläche 7 unter dem Einfallswinkel reflektiert, läuft innerhalb der Faltungsein­ heit 3 und tritt unter anderem parallel zu dem ersten Teilstrahl a als Tellstrahl e aus und fällt auf den Resonator-Spiegel 2, im dargestellten Beispiel unmittelbar auf den teilreflektierenden Bereich, der gleichzei­ tig das Auskoppelfenster 9 bildet. An dem Auskoppelfenster 9 wird ein Teilstrahl e′ zurückreflektiert, fällt auf den Randbereich 8 der Fal­ tungseinheit, der praktisch nicht reflektierend ist, propagiert durch die Faltungseinheit 3 und tritt an der Strahleneintrittsfläche aus und fällt unter anderem mit dem reflektierten Teilstrahl A′ zusammen zurück in das Lasermedium 4. Der Tellstrahl e′, der zurück in die Faltungseinheit 3 reflektiert und darin läuft, wird darin in die Strahlen A′, B′, C′, D′, E′ unterteilt. Diese Unterteilung trägt ebenfalls zur Kopplung der ver­ schiedenen Strahlen A bis E bei.

Der nächste, in Fig. 1 dargestellte Strahl B fällt entsprechend dem Strahl A auf die Faltungseinheit 3, wird ebenfalls von der teilreflek­ tierenden Strahleneintrittsfläche 5 in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Der Teilstrahl b führt zu dem Resonator-Spiegel 2 und wird von dort als Strahl b′ zurückreflektiert. Der andere Teilstrahl 2 läuft durch die Faltungseinheit 3, wird an der Strahlenreflexionsfläche 7 reflektiert und vereinigt sich unter anderem mit dem Teilstrahl a bzw. A′. Der andere Teil des durchgelassenen Strahls wird unter anderem durch Mehrfachre­ flexion zu der Austrittsstelle des Strahls e geleitet und aus dem Auskop­ pelfenster 9 ausgekoppelt.

Ein ähnliches Strahlführungsschema gilt auch für die Strahlen C, D und E. Die Leistung aus allen Strahlen wird durch mehrfache Reflexionen inner­ halb der Faltungselnheit 3 zu dem Auskoppelfenster 9 geführt und dort aus dem Resonator ausgekoppelt. Auf diese Weise können die Strahlen miteinan­ der kohärent gekoppelt werden, ohne daß hierzu komplizierte optische Bauteile erforderlich wären.

Fig. 2 zeigt eine geänderte Ausführung des Resonators, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Gegenüber Fig. 1 weist der Laserresonator der Fig. 2 einen Resonator-Spiegel 2 auf, der sein Auskoppelfenster 9 und damit die teilreflektierende Fläche in etwa der Mitte der Spiegelfläche besitzt, die ansonsten hochreflektierend ausgebildet ist. Darüberhinaus ist in dieser Ausführungsform die Strahleneintrittsfläche 5 der Faltungsein­ heit 3 mit einem Reflexionsprofil 10 in x-Richtung ausgestattet, wie dies graphisch in der Fig. 2 angedeutet ist. Dieses Reflexionsprofil 10 zeigt einen Gauß′schen Verlauf, so daß die mittleren Strahlen, die von dem Lasermedium 4 ausgehend auf die Strahleneintrittsfläche 5 der Faltungs­ einheit 3 auftreffen, mit einem höheren Anteil in die Faltungseinheit 3 in dem mittleren Bereich propagiert werden als in dem Randbereich der Strahleneintrittsfläche 5. Hierdurch wird erreicht, daß eventuelle Re­ flexionsverluste minimiert werden.

Anhand der Fig. 2 ist ersichtlich, daß durch unterschiedliche Transmis­ sions- und Reflexionsprofile sowohl der Strahleneintrittsfläche 5, der Strahlenreflexionsfläche 7, der Faltungseinheit 3 als auch der Re­ flexionsflächen der beiden Resonator-Spiegel 1, 2 ein zusätzlicher Frei­ heitsgrad zur Beeinflussung des Strahlquerschnittprofils innerhalb des Resonators gegeben ist. Über ein solches Profil kann in einfacher Weise die Kopplungsstärke der einzelnen Teilstrahlen beeinflußt werden. Neben einem Gauß′schen Profil besteht auch die Möglichkeit, durch geeignete Beschichtung der Reflexionsflächen ein stufenförmiges Strahlprofil zu erzeugen, das insbesondere dann bevorzugt ist, wenn mehrere Teilstrahlen, in ihrer Intensität abgestuft, aus einem Resonator-Spiegel ausgekoppelt werden sollen, wie dies beispielsweise in Fig. 3 in Form von drei reprä­ sentativen Teilstrahlen angedeutet ist. Hierzu ist der Resonator-Spie­ gel 2 mit drei entsprechenden Auskoppelfenstern 9 ausgestattet.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform, in der die innere Fläche des Resonator-Spiegels 2 gleichmäßig transmittierend beschichtet ist. In diesem Fall wird ein gleichmäßiges, aus den einzelnen Teilstrahlen inner­ halb des Resonators zusammengesetztes Strahlungsfeld, ausgekoppelt, wie dies durch die fünf repräsentativen Teilstrahlen 2 angedeutet ist. Aller­ dings kann auch in diesem Beispiel sowohl die Reflexionsfläche des Reso­ nator-Spiegels 2 als auch die Reflexionsfläche der Strahleneintritts­ fläche 5 so vergütet werden, daß wiederum ein Strahlenprofil gebildet wird; auch hierbei wird vorzugsweise ein Strahlprofil 10 in Gauß-Form, wie es in Fig. 4 angedeutet ist, gewählt, um die Strahl Intensität auf den mittleren Bereich zu konzentrieren.

In den vorstehend beschriebenen Figuren ist jeweils das aktive Laserme­ dium 4 zwischen dem Resonator-Endspiegel 1 und der Faltungseinheit 3 angeordnet; falls es erforderlich ist, kann das Lasermedium auch zwischen der Faltungseinheit 3 und dem Resonator-Spiegel 2 zugeordnet werden, vorzugsweise zusätzlich zwischen dem Lasermedium 4, wie dies in Fig. 4 in Form des zusätzlichen, aktiven Lasermediums 11 angedeutet ist.

Während in den Fig. 1 bis 4 schematische Anordnungen dargestellt sind, bei denen der Resonator nur in einer Ebene gefaltet ist, ist es unter Einsatz von Faltungseinheiten, wie sie vorstehend beschrieben sind, mög­ lich, einen Resonator zweidimensional zu falten. Ein Beispiel hierfür ist in den Fig. 5A und 5B dargestellt, wiederum anhand von fünf repräsen­ tativen Einzelstrahlen. Der Resonator wird, wie dies in Fig. 5A darge­ stellt ist, durch die Faltungseinheit 13 in die Zeichenebene gefaltet. Die Strahlverteilung der repräsentativen Strahlen ist auf einer Abbil­ dungsebene 12 in Fig. 5A veranschaulicht. Dieses Strahlenprofil trifft dann auf eine zweite Faltungseinheit 23 auf, die in Fig. 5B gezeigt ist, und wird durch diese Faltungseinheit 23 senkrecht zur Papierebene gefal­ tet. Der Strahl tritt dann aus dem Resonator-Endspiegel 2 durch ein Aus­ koppelfenster 9 in etwa in der Mitte aus. Durch die beiden Faltungsein­ heiten 13, 23 werden die repräsentativen Einzelstrahlen in beiden Koor­ dinatenrichtungen der Abbildungsebene 12 gekoppelt.

Entsprechend den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 4 können die beiden Faltungseinheiten 13, 23 sowie die beiden Resonator-Spiegel 1, 2 Re­ flexions- bzw. Transmissionsprofile aufweisen, um der Kopplung der Oszil­ latoren (aktives Medium) eine Vorzugsrichtung entsprechend den Anforde­ rungen an den Ausgangsstrahl zu vermitteln.

Analog der Ausführungsform der eindimensionalen Darstellung des Resona­ tors der Fig. 3 ist in Fig. 6 die in den Fig. 5A und 5B dargestellte zweidimensionale Faltung mit mehreren Auskoppelfenstern 9 versehen, so daß insgesamt 9 Austrittsstrahlen 14, wie dies in Fig. 7 unterhalb des Resonator-Spiegels 2 angedeutet ist, ausgekoppelt werden.

Die Fig. 7 zeigt einen Resonator-Endspiegel, bei dem es sich zum Bei­ spiel um den Resonator-Spiegel 1 handeln kann, dessen Spiegelfläche in einzelne Spiegelsegmente 15 unterteilt segmentiert ist. Die Krümmung der einzelnen Spiegelsegmentflächen ist derart gewählt, daß jeder Teilresona­ tor ein stabiler Resonator ist. Ein solcher Spiegel bringt den Vorteil mit sich, daß Laser auch im Fall ohne eine positive Linsenwirkung des Mediums sowie im Fall einer negativen Linsenwirkung des Mediums stabil betrieben werden können.

Während in den Fig. 1 bis 7 prinzipielle Aufbauten gefalteter Resona­ toren dargestellt sind, die in Verbindung mit Gaslasern, Festkörperlasern oder aber auch in Verbindung mit Halbleiterlasern als aktives Medium 4 verwirklicht werden können, sind in den Fig. 8 bis 11 verschiedene, gefaltete Resonatoren dargestellt, die die Umsetzung des erfindungsge­ mäßen Prinzips zum Aufbau von Halbleiterlasern und Festkörperlasern dar­ stellt.

Fig. 8 zeigt einen quadratischen, rechtwinkligen Festkörper 16, dessen Stirnflächen 17 totalreflektierend oder hochreflektierend beschichtet sind. Der Resonator wird durch die Stirnflächen 17, die den Resonator begrenzen, und eine Faltungseinheit 33 gefaltet. An einer Stirnfläche 17, die der Stirnfläche, die mit der Faltungseinheit 33 verbunden ist, be­ nachbart liegt, ist ein das Auskoppelfenster 9 bildendes Prisma 18 ange­ ordnet.

Die Faltungseinheit 33 der Fig. 8 ist hinsichtlich des Strahlenverlaufs mit der Ausführungsform der Fig. 1 vergleichbar, so daß die Erläute­ rungen zu der Fig. 1 der Strahlaufteilung der auf die Strahleneintritts­ fläche 5 auftreffenden Strahlen sowie die Strahlausbreitung und die Strahlreflexion innerhalb der Faltungseinheit 3 und an deren Strahlenre­ flexionsfläche 7 analog auf die Fig. 8 übertragen werden können. Während in der Ausführungsform in der Fig. 1 die Teilstrahlen, die jeweils auf den Resonator-Spiegel 2 fallen, unmittelbar auf die Faltungseinheit 33 zurückreflektiert wurden, verlaufen die an der Strahleneintrittsfläche 5 der Faltungseinheit 3 reflektierten Strahlen auf die benachbarte Stirn­ fläche 17 usw., so daß sie erst nach einem Umlauf um alle Stirnflächen 17 wieder auf die Strahleneintrittsfläche 5 der Faltungseinheit 33 fallen. Die Fig. 8 verdeutlicht, daß in einer solchen Anordnung wiederum die einzelnen Strahlen kohärent miteinander gekoppelt werden, wozu nur eine einfach aufzubauende Faltungseinheit 33, wie sie dargestellt ist, notwen­ dig ist. Die Transmission an einer Stirnfläche 17 oder der Strahlenein­ trittsfläche 5 der Faltungseinheit 43 kann zum Beispiel durch den Abstand zwischen dem Festkörper 16 und der Faltungselnheit 3 variiert werden. Der Festkörper 16 wird zum Beispiel von Diodenlasern 19 gepumpt, die parallel zu den gefalteten Strahlengängen angeordnet werden, wie dies in Fig. 8 angedeutet ist. Das Pumpen einer solchen Anordnung mit Diodenlasern bie­ tet den Vorteil, daß eine optimale Überlappung des gepumpten Volumens und des Modenvolumens und damit eine hohe Effizienz und eine hohe Strahl­ qualität bei kompaktem Aufbau erreicht wird.

Während in Fig. 8 ein quadratischer Festkörper 16 dargestellt ist, kann, um einen solchen Ring-Resonator aufzubauen, eine Anordnung gewählt wer­ den, in der der Festkörper rautenförmig aufgebaut ist, d. h. jeweils zwei gegenüberliegende Stirnflächen 17 verlaufen parallel zueinander.

In Fig. 9 ist wiederum der Festkörper 16 der Fig. 9 dargestellt, aller­ dings ist die Faltungseinheit 33 dahingehend geändert, daß die Strahlen­ eintrittsfläche 5 an dem linken, unteren Ende, das mit dem Bezugszei­ chen 20 bezeichnet ist, abgeschrägt ist, so daß sich in diesem gefalteten Ring-Resonator stehende Wellen, durch die Doppelpfeile 21 an den einzel­ nen Strahlen angedeutet, ausbilden.

Der aktive Festkörper 16, wie er in den Fig. 8 und 9 sowie in den Fig. 10 und 11, die nachfolgend noch erläutert werden, dargestellt ist, kann bei Gaslasern ein entsprechendes Entladungsvolumen sein, das durch die Stirnflächen 17 bzw. die dann durch diese Stirnflächen 17 ge­ bildeten Resonator-Spiegel begrenzt wird. Weiterhin können in diesen Ausführungsformen die Stirnflächen 17 sowie die Reflexionsflächen und Transmissionsflächen der Faltungseinheit 33 mit unterschiedlichen Trans­ missions- oder Reflexionsprofilen ausgestattet werden, um die Strahl­ qualität den jeweiligen Anforderungen anzupassen.

Ein Ring-Resonator, wie er in den Fig. 8 und 9 dargestellt ist, bietet die Möglichkeit, in einfacher Weise zwei Faltungseinheiten 33 vorzusehen, die dann vorzugsweise an gegenüberliegenden Stirnflächen 17 des Festkör­ pers 16 angeordnet werden, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist. Eine solche Ausführung ist dann zu bevorzugen, wenn ein verstärkter Kopplungseffekt erwünscht ist.

Fig. 11 zeigt einen Festkörper 24 mit drei Stirnflächen 17 gleicher Länge, wobei einer dieser Stirnflächen 17 eine Faltungseinheit 43 zuge­ ordnet ist. Auf diese Ausführungsform sind die vorstehenden Ausführungen zu den Fig. 8 und 9 sowie der Fig. 1, anhand deren der Strahlungsver­ lauf in der Faltungseinheit 3 erläutert wurde, analog übertragbar.

Wie die vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele zeigen, wird mit der erfindungsgemäßen Faltungseinheit ein einfacher Weg zur Skalierung der Laserstrahlungsleistung unter gleichzeitiger Erfüllung einer hohen Strahlqualität aufgezeigt. Die Vorteile und das sich ergebende Anwen­ dungspotential können wie folgt zusammengefaßt werden:

• - Der Aufbau des gefalteten Resonators ist sehr einfach, d. h. die Fal­ tung und die Kopplung der Strahlen innerhalb des Resonators kann durch ein einfaches Bauelement (Faltungseinheit), das darüberhinaus leicht zu justieren ist, erreicht werden.
• - Die Strahlungsleistung kann einfach durch Parallelschalten von akti­ ven Strecken erhöht werden, oder durch Vergrößerung des Querschnitts des aktiven Mediums, ohne daß dadurch die Strahlqualität beeinflußt wird oder zur Erzielung der Faltung und der Kopplung aufwendigere Bauelemente eingesetzt werden müssen.
• - Die Kopplung zwischen verschiedenen aktiven Strecken können insbeson­ dere durch die Transmission sowie das Transmissionsprofil der Strah­ leneintrittsfläche der Faltungseinheit variiert und optimiert werden. So kann zum Beispiel der Laser je nach Bedarf in Form von parallel geschalteten Oszillatoren mit einem oder mehreren ausgekoppelten Ausgangsstrahlen oder als eine gekoppelte Laserfeldanordnung eben­ falls mit einem oder mehreren Ausgangsstrahlen betrieben werden.
• - Da bei dem erfindungsgemäßen Aufbau die Strahlungsleistung nicht durch hintereinandergeschaltete Strecken vervielfacht wird, was zu einer gleichzeitigen Vervielfachung der thermischen Wirkung führen würde, handelt es sich bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen um miteinander gekoppelte Einzelresonatoren, bei denen die thermische Wirkung derjenigen eines einzelnen Teilresonators entspricht. Somit treten die thermischen Wirkungen in einem erheblich reduzierten Maße auf, als dies bisher bei gekoppelten Resonatoren der Fall war.

Claims (17)

1. Laserresonator mit mindestens zwei den Resonator begrenzenden Resona­ tor-Spiegeln, in deren Strahlengang ein aktives, Strahlung abgebendes Lasermedium und mindestens ein die Strahlung reflektierendes Fal­ tungs-Element angeordnet sind und mindestens einer der Spiegel min­ destens ein Auskoppelfenster für die Strahlung besitzt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Faltungs-Element eine für die Strahlung trans­ parente Faltungseinheit (3; 13; 23; 33; 43) mit zwei zueinander beabstan­ deten, parallelen Flachen (5, 7) ist, von denen die eine eine Strah­ leneintrittsfläche (5) und die andere eine Strahlenreflexions­ fläche (7) bildet, wobei eine Teilfläche (6) der Strahleneintritts­ fläche (5), auf die die Strahlen unter einem Winkel auftreffen, teil­ reflektierend und die verbleibenden Bereiche (8) gegenüber der Teil­ fläche (6) geringer reflektierend ist und die Strahlenreflexions­ fläche (7) eine vollreflektierende Fläche ist, wobei die auf die teilreflektierende Fläche (6) auftreffenden Strahlen, die von dem einen Spiegel (1, 2; 17) ausgehen, in zwei Teilstrahlen unterteilt werden, wobei der eine Teilstrahl zu dem jeweils anderen Spie­ gel (2, 1; 17) hin reflektiert wird, während der andere Teilstrahl in die Faltungseinheit (3; 13; 23; 33; 43) eintritt, an der vollreflektie­ renden Fläche (7) reflektiert wird und aus der Strahleneintritts­ fläche (5) zu seiner Strahleneintrittsstelle versetzt austritt und zu dem jeweils anderen Spiegel (2, 1; 17) führt.

2. Laserresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Reflexionsvermögen bzw. Transmissionsprofil (10) der Strahlenein­ trittsfläche (5) stetig ortsabhängig ändert.

3. Laserresonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahleneintrittsfläche (5) ein Transmissionsprofil (10) in Form einer Gauß′schen Verteilung aufweist mit einem Maximum im Bereich des Zentrums der Strahleneintrittsfläche (5).

4. Laserresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahleneintrittsfläche (5) in einem mittleren Bereich (6) teilre­ flektierend und in den den mittleren Bereich (6) begrenzenden, von den Strahlen erfaßten Randzonen (8) nicht reflektierend ist.

5. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen den Resonator-Spiegeln (1, 2; 17) zwei Faltungsein­ heiten (3; 13; 23; 33; 43) angeordnet sind.

6. Laserresonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das La­ sermedium (4) zwischen den Faltungseinheiten (3; 13; 23; 33; 43) angeord­ net ist.

7. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Lasermedium (4) ein Festkörper oder Halbleiter (16; 24) ist.

8. Laserresonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fest­ körper oder Halbleiter (24) eine ungerade Anzahl Stirnflächen (17), vorzugsweise drei Stirnflächen (17), aufweist, die eine gleiche Länge besitzen, wobei mindestens einer der Stirnflächen (17) eine Fal­ tungselnheit (43) derart zugeordnet ist, daß Strahlen aus dieser Stirnfläche (17) austreten und auf die Strahleneintrittsfläche (5) der Faltungseinheit (43) auftreffen, wobei die anderen Stirn­ flächen (17) die Resonator-Spiegel bilden.

9. Laserresonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fest­ körper eine gerade Anzahl Stirnflächen, vorzugsweise vier Stirnflä­ chen, aufweist, wobei jeweils zwei der Stirnflächen parallel zueinan­ der verlaufen, wobei mindestens einer der Stirnflächen (17) eine Faltungseinheit (33) derart zugeordnet ist, daß Strahlen aus dieser Stirnfläche (17) austreten und auf die Strahleneintrittsfläche (5) der Faltungselnheit (33) auftreffen, wobei die anderen Stirnflä­ chen (17) die Resonator-Spiegel bilden.

10. Laserresonator nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahleneintrittsfläche (5) der Faltungseinheit (33; 43) an der Stirnfläche (17) anliegt.

11. Laserresonator nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Faltungseinheiten (33) vorgesehen sind, die gegen­ überliegenden Stirnflächen (17) zugeordnet sind.

12. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Faltungseinheit (3; 13; 23; 33; 43) aus einer Glasplat­ te, vorzugsweise aus Quarzglas gebildet ist.

13. Laserresonator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Faltungseinheit (3; 13; 23; 33; 43) ein massiver Körper ist, dessen eine Fläche die Strahleneintrittsfläche (5) und die dieser gegenüberlie­ genden Fläche die Strahlenreflexionsfläche (7) bilden.

14. Laserresonator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Faltungseinheit (3; 13; 23; 33; 43) durch zwei zueinander beabstandete, parallele Glasplatten gebildet ist, wobei die eine Glasplatte die Strahleneintrittsfläche und die zweite Glasplatte die Strahlenre­ flexionsfläche aufweist.

15. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens einer der Resonator-Spiegel (1, 2; 17) ein sich ortsabhängig änderndes Reflexionsprofil aufweist.

16. Laserresonator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflexionsprofil die Form einer Gauß′schen Verteilung aufweist mit einem Maximum im Bereich des Zentrums des Spiegels.

17. Laserresonator nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Auskoppelfenster (9) etwa im Bereich der Mitte des Spiegels (1, 2; 17) liegt.