Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Resonatorspiegel für einen optischen Resonator einer Laservorrichtung, insbesondere eines Gas- oder eines Bandleiterlasers mit einem gasförmigen optisch aktiven Medium und eine Laservorrichtung mit einem derartig ausgebildeten Resonatorspiegel .

Als Bandleiter- oder Slablaser ausgebildete Laservorrichtungen umfassen typi- scherweise Resonatoren, die von einer Kombination aus einem Wellenleiter- Resonator und einem instabilen optischen Resonator des positiven oder negativen Zweigs gebildet sind. Bei gasgefüllten Bandleiterlasern fungiert meist ein Kohlenstoffdioxid (C0 ₂ ) enthaltendes Gasgemisch als optisch aktives Medium, welches in einem Entladungsraum eingebracht ist, der zwischen zwei platten- förmigen Elektroden gebildet ist. Das Gas bzw. das Gasgemisch wird durch ein zwischen den Elektroden anliegendes, hochfrequentes elektromagnetisches Feld angeregt. Stirnseitig ist der Entladungsraum bzw. der optische Resonator von reflektierenden Elementen begrenzt, die als Resonatorspiegel ausgebildet sind und im Falle von Hochleistungs-C0 ₂ -Lasern typischerweise aus Metall, insbesondere aus Kupfer bestehen. Die Resonatorspiegel sind derart ausgeführt und angeordnet, dass parallel zu den Flachseiten der Elektroden ein instabiler Resonator, meist ein instabiler konfokaler Resonator gebildet ist.

Es ist bekannt, dass Kohlenstoffdioxid (C0 ₂ ) als optisch aktives Medium meh- rere für die Laserverstärkung potentiell geeignete Frequenzbänder bzw. Wellenlängenbereiche bei 9,3 μΐτι, 9,6 μΐτι, 10,3 μΐτι und 10,6 μΐτι aufweist. Im Re- gelfa ll ist bei der Laserverstärkung der Laserü bergang bei 10,6 μΐτι dominierend . Für bestimmte Anwendu ngsfälle hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, Laserstrahlu ng insbesondere des 9,3 μΐτι- oder 9,6 μΐτι-Bandes zu verwenden . Zur Erzeugu ng von Laserstrahlu ng dieser Wellenlängen ist beispielsweise aus WO 2011/154272 AI bekannt, zu mindest eine der den Entladungsraum beg renzenden Elektroden mit einer Siliziu md ioxid (Si0 ₂ ) enthaltenden Passivie- ru ngsschicht zu versehen . Zusätzl ich wird der Abstand zwischen den Elektroden derart eingestel lt, dass d ie Laserstrahl ung des 10,6 μΐτι- und 10,3 μΐτι- Bandes eine höhere Abschwächung erfährt, als d iejenige des 9,3 μΐτι- bzw. 9,6 μΐτι-Bandes. Ein Anschwingen der langwell igeren Moden im Resonator kann so u nterdrückt werden .

Eine andere Mögl ichkeit, eine wellenlängenselektive Verstärkung der Laserstrahlu ng zu bewirken, besteht darin, beschichtete Optiken, insbesondere be- schichtete Resonatorspiegel vorzusehen, bei denen eine erhöhte Absorption in dem zu u nterdrückenden Wellenlängenbereich auftritt. Die so erzeugten Verluste fü hren allerd ings zwangsläufig zu einem stark lokalisierten Wärmeeintrag an den Resonatorspiegeln, der zusätzl ich abgeführt werden muss. Insbesondere bei hohen Leistungsdichten ist daher der Einsatzbereich derartig beschichte- ter Resonatorspiegel d urch deren Zerstörschwelle, ab der beispielsweise Dela- minationen der dielektrischen Schichten oder Einbrände auftreten können, begrenzt.

Die Wel lenlängenselektivität des optischen Resonators kann zudem prinzipiel l du rch das Einfügen von weiteren optischen Elementen wie transmissiven optischen Gittern oder Fabry-Perot-Etalons herbeigefü hrt werden. Ein derartiges Vorgehen erfordert jedoch im Allgemeinen tiefgreifende konzeptionelle Änderu ngen des Resonatoraufbaus, insbesondere wenn Band leiterlaser zu m Einsatz kommen. Zudem muss sichergestellt werden, dass die abseits der optischen Achse propag ierende Laserstrahl ung nicht zu einer Beschädigung von peripheren Bauteilen oder einer Gefahr für den Anwender der Laservorrichtung führen kann. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel zur wellenlängenselektiven Modifizierung der Resonatorverluste anzugeben, welche insbesondere für den Einsatz in Laservorrichtungen mit hohen Leistungsdichten geeignet sind. Die Aufgabe wird gelöst durch einen Resonatorspiegel für einen optischen Resonator mit den weiteren Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Resonatorspiegel für einen optischen Resonator einer Laservorrichtung, insbesondere eines Gas- oder eines gasgefüllten Bandleiterlasers, umfasst eine reflektierende Oberfläche mit einem strukturierten Bereich, welcher sich über ein um die optische Achse zentriertes Gebiet der reflektierenden Oberfläche erstreckt. Der strukturierte Bereich weist entweder zumindest einen reflektierenden Oberflächenabschnitt, der gegenüber der außerhalb des strukturierten Bereichs verlaufenden reflektierenden Oberfläche parallel zur optischen Achse versetzt angeordnet ist, oder zumindest zwei Oberflächenabschnitte auf, die zueinander parallel zur optischen Achse versetzt angeordnet sind. In beiden Fällen beträgt der Versatz des zumindest einen Oberflächenabschnitts bezüglich der außerhalb des strukturierten Bereichs verlaufenden reflektierenden Oberfläche bzw. der Versatz der zumindest zwei Oberflächenabschnitte zueinander die Hälfte einer vorgegebenen Wellenlänge oder ein ganzzahliges Vielfaches der Hälfte der vorgegebenen Wellenlänge. Mit anderen Worten ist der zumindest eine Oberflächenabschnitt bezüglich der übrigen, außerhalb des strukturierten Bereichs verlaufenden reflektierenden Oberfläche erhaben oder vertieft angeordnet. Entsprechendes gilt auch für den Fall, wenn der strukturierte Bereich selbst bereits zumindest zwei reflektierende Oberflächenabschnitte aufweist. Auch hier können die Oberflächenabschnitte zueinander stufenartig vertieft oder erhaben angeordnet sein. Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip beruht auf Mehrstrahlinterferenz der bei der Laserverstärkung im optischen Resonator umlaufenden Laserstrahlen. Hierzu ist in der reflektierenden Oberfläche des den optischen Resonator begrenzenden Resonatorspiegels zumindest eine Stufe eingebracht, deren Hö- he der Hälfte der zu selektierenden Wellenlänge entspricht. Die an den zueinander versetzt angeordneten Oberflächenabschnitten reflektierten Teilstrahlen überlagern sich somit genau dann konstruktiv, wenn sie die gewünschte Wellenlänge besitzen. Für andere Wellenlängen besteht keine vollständig kon- struktive Interferenz bzw. ändert sich die Propagationsrichtung der reflektierten Kugelwellen geringfügig, so dass diese sich abseits der optischen Achse ausbreiten und letztlich den Resonator verlassen bzw. von einem den optischen Resonator begrenzenden Element absorbiert werden. In diesem Sinne ist der Resonatorspiegel mit einer Struktur versehen, welcher wellenlängenabhän- gige Verluste von„geometrischer Natur" einführt. Die Strahlung des unerwünschten Wellenlängenbereichs muss somit nicht vom Resonatorspiegel absorbiert werden, vielmehr wird diese Strahlungskomponente unter einem Winkel zur optischen Achse reflektiert, so dass der optische Resonator für diese Wellenlängen zusätzliche Umlaufverluste erhält.

Es versteht sich, dass es zur Erzeugung der konstruktiven Interferenz im selektierten Wellenlängenbereich unerheblich ist, ob der Versatz zwischen den reflektierenden Oberflächen bzw. Oberflächenabschnitten der Hälfte der zu selektierenden Wellenlänge oder ganzzahligen Vielfachen hiervon entspricht. Wesentlich ist, dass der Versatz entlang bzw. parallel zur optischen Achse erfolgt.

Da bei der Laserverstärkung typischerweise zahlreiche Umläufe im optischen Resonator stattfinden, ist idealerweise lediglich eine einzige Stufe notwendig, um hinreichend große Verluste in dem zu unterdrückenden Wellenlängenbereich bzw. in den zu unterdrückenden Wellenlängenbereichen einzuführen, so dass die um die Verluste bereinigte Nettoverstärkung für die selektierte Wellenlänge größer ist als in den übrigen Wellenlängenbereichen. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass der reflektierende Oberflächenabschnitt bezüglich der außerhalb des strukturierten Bereichs verlaufenden reflektierenden Oberfläche versetzt ist. Eine andere Möglichkeit ist, zumindest zwei reflektierende Oberflächenabschnitte des strukturierten Bereichs zueinander versetzt anzuordnen. Die reflektierende Oberfläche bzw. Oberflächenabschnitte verlaufen zumindest näherungsweise parallel zueinander, d. h. sie können gegebenenfalls geringfügig voneinander abweichende Krümmungen aufweisen. Im stationären Betrieb mit gesättigter Verstärkung läuft die Laservorrichtung in jedem Fall auf der gewünschten, also auf der selektierten Wellenlänge, solange die Nettoverstärkung in diesem Bereich am größten ist.

Die reflektierende Oberfläche besteht vorzugsweise aus einem breitbandig reflektierenden Metall, insbesondere aus Gold, Silber, Chrom, Nickel, Aluminium, Kupfer oder Molybdän oder aus einer Legierung, die ein breitbandig reflektie- rendes Metall enthält. Neben einer hohen Reflektivität ist eine gute Wärmeleitfähigkeit und mechanische Stabilität maßgeblich. Die Wellenlängenselektion erfolgt lediglich durch den Einsatz von reflektierenden Bauteilen. Transmissive Bauteile sind nicht notwendig, um das Verstärkungsverhalten des optischen Resonators zu modifizieren. Dies begünstigt den Einsatz des Resonatorspiegels insbesondere für Anwendungen im Hochleistungsbereich, bei denen ausschließlich hochreflektierende Resonatorspiegel den optischen Resonator begrenzen. Der optische Resonator ist in diesem Fall typischerweise als instabiler Resonator konfiguriert. Insbesondere sind Resonatorspiegel, die aus einem breitbandig reflektierenden Metall oder Metalllegierung bestehen, für den Einsatz in Gas- oder Bandleiterlasern geeignet. In einem konkreten Ausführungsbeispiel enthält der Gas- oder Bandleiterlaser Kohlenstoffdioxid als optisch aktives Medium und zumindest einer der den optischen Resonator stirnseitig begrenzenden Resonatorspiegel ist vollständig aus Kupfer gebildet. Kupfer weist gute Reflexionseigenschaften in dem relevanten mittleren Infrarotbereich auf und besitzt darüber hinaus eine gute Wärmeleitfähigkeit, so dass die an dem Resonatorspiegel entstehenden thermischen Verluste gut abgeführt werden können. In anderen Ausführungsbeispielen ist die reflektierende Oberfläche des Resonatorspiegels von einer reflektierenden metallischen Beschichtung, beispielsweise aus Gold, Silber, Chrom oder Nickel gebildet, die auf einem Sub- strat aufgebracht ist, welches beispielsweise aus Silizium oder einem Carbid, insbesondere aus Siliziumcarbid oder Wolframcarbid, besteht. Die Ausdehnung des strukturierten Bereichs ist in bevorzugten Ausführungsbeispielen auf ein um die optische Achse radial begrenztes Gebiet beschränkt. Mit anderen Worten wird der die konstruktive Interferenz bewirkende strukturierte Bereich ausschließlich in der Nähe der optischen Achse eingebracht. Eine derartige Ausbildung eignet sich besonders für einen instabilen Resonator. Da die Wellenlänge der zu verstärkenden Strahlung im zentralen Bereich nahe der optischen Achse maßgeblich definiert wird, ist es ausreichend, die Oberflä- chenstrukturierung auf diesen Bereich zu begrenzen. Dies hat darüber hinaus zum Vorteil, dass sich durch eine derartige Konfiguration zusätzliche Verluste in anderen Bereichen des Resonators bzw. Resonatorspiegels minimieren lassen. Die Ausdehnung des strukturierten Bereichs ist in bevorzugten Ausführungsbeispielen auf einen Bereich um die optische Achse beschränkt, dessen Durchmesser lediglich einige wenige Millimeter beträgt oder sogar im Submil- limeterbereich liegt. Im Vergleich zur Größe der reflektierenden Oberfläche des Resonatorspiegels wird lediglich ein sehr kleiner Bereich für den strukturierten Bereich beansprucht, der insbesondere weniger als 30 %, bevorzugt weniger als 15 %, besonders bevorzugt 5 % oder weniger der gesamten Spiegeloberfläche des Resonatorspiegels einnimmt. Die reflektierenden Oberflächenabschnitte und/oder die außerhalb des strukturierten Bereichs verlaufende reflektierende Oberfläche können eben, d. h. plan verlaufen. In bevorzugten Ausführungsbeispielen weist die reflektierende Oberfläche zumindest außerhalb des strukturierten Bereichs eine konkave oder konvexe Krümmung auf. Bevorzugt weist in diesem Zusammenhang zumindest einer, vorzugsweise alle, der im strukturierten Bereich angeordneten Oberflächenabschnitte eine Krümmung auf, die der Krümmung der reflektierten Oberfläche außerhalb des strukturierten Bereichs entspricht, d . h. der Verlauf der reflektierenden Oberfläche und der reflektierenden Oberflächenabschnitte des strukturierten Bereichs folgen der gleichen mathematischen Konstruktionsvor- schrift. Mit anderen Worten entspricht der Verlauf der reflektierenden Oberfläche bzw. der Oberflächenabschnitte dem Verlauf einer Spiegeloberfläche eines unstrukturierten Spiegels gleicher Brennweite, die zueinander in Richtung der optischen Achse versetzt angeordnet sind. Bei einem sphärisch gekrümmten Spiegel folgt der Verlauf der reflektierenden Oberfläche und der reflektierenden Oberflächenabschnitte somit sphärisch gekrümmten Abschnitten, die zueinander entlang der optischen Achse versetzt sind. In anderen Ausführungsbeispielen weist die reflektierende Oberfläche bzw. die reflektierenden Oberflä- chenabschnitte eine parabolische Krümmung auf. Diese Ausführungen haben zum Vorteil, dass die Phasenfläche der reflektierten Strahlung genau bei der zu selektierenden Wellenlänge gegenüber einem herkömmlichen Spiegel, der keine zueinander versetzen Oberflächenabschnitte aufweist, unverändert bleibt. Für alle anderen Wellenlängen bewirkt der Resonatorspiegel eine Stö- rung der Phasenfläche, so dass die zugehörigen Wellen innerhalb des Resonators in einer für die Laserverstärkung ungeeigneten Art und Weise propagieren.

Die reflektierende Oberfläche außerhalb des strukturierten Bereichs ist bei- spielsweise sphärisch oder entsprechend einem elliptischen Paraboloid oder einem Rotationsparaboloid geformt. Die reflektierenden Oberflächen im strukturierten Bereich sind vorzugsweise Abschnitte, die zu der umgebenden reflektierenden Oberfläche parallel versetzt angeordnet sind und den gleichen Krümmungsverlauf aufweisen. Mit anderen Worten erstrecken sich die reflek- tierende Oberfläche und die reflektierenden Oberflächenabschnitte des strukturierten Bereichs über Abschnitte von sphärisch oder parabolisch gekrümmten Konstruktionsflächen, die zueinander parallel zur optischen Achse um die Hälfte der zu selektierenden Wellenlänge oder um ganzzahlige Vielfache der Hälfte der zu selektierenden Wellenlänge versetzt sind.

Der zumindest eine Oberflächenabschnitt oder die zumindest zwei Oberflächenabschnitte weisen beispielsweise eine stufenförmige, rippenförmige, rechteckige, quadratische, kreisring- und/oder kreisscheibenförmige Gestalt auf. Stufenförmige Ausführungen können beispielsweise mehrere zueinander parallel verlaufende Rippen aufweisen. Die Stufenhöhe einer derartigen Treppenstruktur bezüglich der optischen Achse beträgt die Hälfte der zu selektierenden Wellenlänge bzw. ganzzahlige Vielfache hiervon. In bevorzugten Ausführungsbeispielen sind mehrere, insbesondere drei oder mehr kreisring- und/oder kreisscheibenförmige Oberflächenabschnitte vorgesehen, die zueinander konzentrisch angeordnet sind. Die Oberflächenabschnitte sind beispielsweise jeweils alternierend zueinander versetzt, so dass alle reflektierende Oberflächenabschnitte parallel zu nur zwei bezüglich der optischen Achse versetzten Reflexionsflächen verlaufen. Der Gangunterschied zwischen den an den versetzt angeordneten Oberflächenabschnitten reflektierten Teilstrahlen beträgt dementsprechend das Doppelte des Versatzes. Besonders bevorzugt sind die zueinander konzentrisch angeordneten, kreisring- und/oder kreisscheibenförmig ausgebildeten Oberflächenabschnitte zueinander jeweils in einer Richtung parallel zur optischen Achse um die Hälfte der vorgegebenen Wellenlänge oder um ganzzahlige Vielfache der Hälfte der vorgegebenen Wellenlänge versetzt angeordnet. Derartige Ausführungen weisen somit mehrere, insbesondere mehr als zwei, zueinander versetzte Reflexionsebenen auf. Der strukturierte Bereich hat in diesem Fall eine Form ähnlich einer Stufenpyramide mit runder Basisfläche.

Die konzentrisch angeordneten, kreisring- und/oder kreisscheibenförmig ausgebildeten Oberflächenabschnitte sind vorzugsweise um die optische Achse zentriert.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der strukturierte Bereich eine konkave oder konvexe Krümmung auf, die der Krümmung aller im strukturierten Bereich angeordneten Oberflächenabschnitte entspricht. Die ra- diale Ausdehnung der aneinander angrenzenden Oberflächenabschnitte ist in Abhängigkeit der Krümmung derart dimensioniert, dass jeder Oberflächenabschnitt eine Kontur beschreibt, die vollständig in einem zwischen zwei zueinander planparallelen Ebenen liegenden Zwischenbereich liegt, wobei die planparallelen Ebenen senkrecht zur optischen Achse verlaufen und zueinander einen Abstand aufweisen, der die Hälfte der vorgegebenen Wellenlänge oder ein ganzzahliges Vielfaches der Hälfte der vorgegebenen Wellenlänge beträgt. Die radiale Ausdehnung der Oberflächenabschnitte nimmt bei gekrümmten Resonatorspiegeln randseitig ab. Der strukturierte Bereich weist gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel mehrere Oberflächenabschnitte auf, die parallel zueinander verlaufen und eine in eine Richtung monoton ansteigende Treppenstruktur bilden.

In einem Ausführungsbeispiel weist die reflektierende Oberfläche außerhalb des strukturierten Bereichs eine konkave oder konvexe Krümmung auf. Der strukturierte Bereich erstreckt sich ausschließlich über den um die optische Achse zentrierten Bereich des Resonatorspiegels. Der zumindest eine Oberflä- chenabschnitt, der gegenüber der außerhalb des strukturierten Bereichs verlaufenden reflektierenden Oberfläche versetzt angeordnet ist, weist einen Krümmungsverlauf auf, der von dem Krümmungsverlauf der übrigen reflektierenden Oberfläche abweicht. Insbesondere kann der zumindest eine im strukturierten Bereich angeordnete Oberflächenabschnitt im Gegensatz zur übrigen reflektierenden Oberfläche plan verlaufen.

Gemäß einer anderen Variante dieses Ausführungsbeispiels hat der strukturierte Bereich zumindest zwei zueinander versetzte Oberflächenabschnitte, die gekrümmt oder plan verlaufen. Derartige Ausführungen sind insbesondere für optische Resonatoren vorgesehen, die einen stabilen zentralen Teilbereich im Bereich der optischen Achse aufweisen, der bei Betrieb die Funktion ähnlich eines Seed-Lasers übernimmt. Zur Ausbildung eines derartigen Resonators ist beispielsweise dem planen, um die optische Achse zentrierten Bereich des Resonatorspiegels ein ebener Abschnitt eines weiteren Resonatorspiegels planpa- rallel gegenüberliegend angeordnet.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der strukturierte Bereich von einem einzigen, sich mittig über die gesamte laterale Ausdehnung des Resonatorspiegels erstreckenden, stufenförmig versetzt angeordneten Oberflächenabschnitt gebildet. Mit anderen Worten weist der Resonatorspiegel einen einzigen gegenüber der übrigen reflektierenden Oberfläche rippenförmig erhabenen Bereich oder einen gegenüber der übrigen reflektierenden Oberfläche rillenförmig vertieften Bereich auf, der sich über die gesamte Breite des Resonatorspiegels erstreckt.

Die Erfindung betrifft ferner eine Laservorrichtung mit einem als optisch akti- ves Medium dienenden Gas oder Gasgemisch, welches in einen Resonator eingebracht ist, der stirnseitig von reflektierenden Elementen begrenzt ist. Zumindest eines der reflektierenden Elemente ist als Resonatorspiegel mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen ausgebildet. Der vorteilhafte Einsatz derartiger Resonatorspiegel in solchen Laservorrichtungen ergibt sich unmit- telbar aus der bisherigen Beschreibung und aus der Tatsache, dass Gase oder Gasgemische, insbesondere Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenstoffdioxid (C0 ₂ ) oder CO bzw. C0 ₂ enthaltende Gasgemische im Allgemeinen mehrere zur Verstärkung geeignete Frequenzbänder aufweisen. Die Wellenlängenabhänge Selektion erfolgt gemäß der Erfindung derart, dass eine vollständig konstruktive Interferenz lediglich für die vorgegebene Wellenlänge erfolgt. Für alle übrigen Wellenlängen erfolgt eine zumindest teilweise destruktive Interferenz bzw. eine die Ausbreitungsrichtung verändernde Interferenz, so dass eine wellenlängenabhängige Resonatorgüte durch zusätzliche Umlaufverluste in den zu unterdrückenden Wellenlängenbereichen eingeführt wird.

Besonders bevorzugt ist die Laservorrichtung ein Bandleiterlaser. Das als optisch aktives Medium dienende Gas oder Gasgemisch ist in einen optischen Resonator eingebracht, der von zwei einander mit ihren Flachseiten gegenüberliegend angeordneten, plattenförmigen Elektroden seitlich begrenzt ist. Der optische Resonator ist weiter vorzugsweise an seinen Stirnseiten von reflektierenden Elementen derart begrenzt, dass ein instabiler Resonator gebildet ist.

Die Elektroden sind vorzugsweise zur Abführung von Wärme an ein Kühlfluid zirkulierendes Kühlsystem thermisch angekoppelt. Derartige diffusionsgekühlte Laservorrichtungen haben zum Vorteil, dass das optische Medium nicht umgewälzt werden muss. Hieraus ergibt sich unter anderem ein verminderter Wartungsbedarf. Darüber hinaus ist das Kühlsystem dafür ausgelegt, dass das als optisch aktives Medium dienende Gas oder Gasgemisch während des Betriebs der Laservorrichtung zuverlässig gekühlt werden kann. Der von den geometrisch herbeigeführten Verlusten im zu unterdrückenden Wellenlängenbereich hervorgerufene zusätzliche Wärmeeintrag ist im Vergleich hierzu vernachlässigbar, so dass dieser zuverlässig abgeführt werden kann. Eine zusätzliche An- passung der Kühlleistung des Kühlsystems ist hierbei nicht erforderlich.

Die Resonatorspiegel können ungekühlt oder gekühlt sein. Insbesondere für Hochleistungsanwendungen sind gekühlte Resonatorspiegel, die einen oder mehrere Kühlkanäle zum Führen eines Kühlfluids aufweisen, bevorzugt.

Die Laservorrichtung ist gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen ein Hochleistungslaser mit Ausgangsleistungen von zumindest 500 W, besonders bevorzugt von mehr als 1000 W. Das optisch aktive Medium umfasst in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel Kohlenstoffdioxid (C0 ₂ ) und/oder Kohlenstoffmonoxid (CO). Bei Kohlenstoffdioxid enthaltenden Laservorrichtungen ist der zumindest eine reflektierende Oberflächenabschnitt bevorzugt gegenüber der außerhalb des strukturierten Bereichs verlaufenden reflektierenden Oberfläche zur Unterstützung der Laser- Verstärkung im 9,3 μΐτι-Band parallel zur optischen Achse in etwa um 4,65 μΐτι oder um ganzzahlige Vielfache von etwa 4,65 μΐτι versetzt angeordnet. In einer anderen bevorzugten Alternative sind die zumindest zwei Oberflächenabschnitte zur Unterstützung der Laserverstärkung im 9,3 μΐτι-Band parallel zur optischen Achse in etwa um 4,65 μΐτι oder um ganzzahlige Vielfache von etwa 4,65 μΐτι versetzt angeordnet. Bestimmte organische Materialien, insbesondere Kunststoffmaterialien, weisen eine erhöhte Absorption im Bereich von 9,3 μΐτι auf, so dass es sich als vorteilhaft erwiesen hat, zur Bearbeitung derartiger Materialien Laserstrahlung dieser Wellenlänge einzusetzen. In anderen Anwendungsbeispielen erfolgt eine selektive Verstärkung im

9,6 μΐτι- oder im 10,3 μΐτι-Band . Hierzu ist entsprechend der zumindest eine reflektierende Oberflächenabschnitt gegenüber der außerhalb des strukturier- ten Bereichs verlaufenden reflektierenden Oberfläche um etwa 4,8 μΐτι bzw. 5, 15 μΐτι oder um ganzzahlige Vielfache von etwa 4,8 μΐτι bzw. 5, 15 μΐτι versetzt angeordnet. Alternativ dazu können auch zumindest zwei Oberflächenabschnitte des strukturierten Bereichs entsprechend in etwa um 4,8 μΐτι bzw. 5, 15 μΐτι oder um ganzzahlige Vielfache hiervon versetzt angeordnet sein

Vorzugsweise sind beide reflektierende Elemente, die den optischen Resonator stirnseitig begrenzen, als Resonatorspiegel mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen ausgebildet. Die strukturierten Bereiche der beiden den optischen Resonator begrenzenden Resonatorspiegel sind einander gegenüberliegend angeordnet und weisen identische oder zueinander komplementäre Strukturen auf.

Im Folgenden werden mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen :

Fig . 1 : einen optischen Resonator einer als Bandleiterlaser ausgebilde- ten Laservorrichtung;

Fig . 2 : einen strukturierten Bereich eines Resonatorspiegels gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Draufsicht;

Fig . 3 : den strukturierten Bereich des ersten Ausführungsbeispiels in einer schematischen Schnittdarstellung;

Fig . 4: den Verlauf von gekrümmten Oberflächenabschnitten einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels in einer schematischen Detaildarstellung;

Fig. 5 : einen strukturierten Bereich eines Resonatorspiegels gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Draufsicht;

Fig. 6: den strukturierten Bereich des zweiten Ausführungsbeispiels in einer schematischen Schnittdarstellung; einen strukturierten Bereich eines Resonatorspiegels gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Draufsicht;

den strukturierten Bereich des dritten Ausführungsbeispiels in einer schematischen Schnittdarstellung;

einen strukturierten Bereich eines Resonatorspiegels gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer

Draufsicht;

den strukturierten Bereich des vierten Ausführungsbeispiels in einer schematischen Schnittdarstellung;

einen strukturierten Bereich eines Resonatorspiegels gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer

Draufsicht;

den strukturierten Bereich des fünften Ausführungsbeispiels in einer schematischen Schnittdarstellung;

einen strukturierten Bereich eines Resonatorspiegels gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Darstellung;

den strukturierten Bereich des sechsten Ausführungsbeispiels in einer schematischen Schnittdarstellung;

einen Resonatorspiegel mit einem strukturierten Bereich gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Darstellung. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 illustriert schematisch den Aufbau eines optischen Resonators 1 einer als Bandleiterlaser ausgebildeten Laservorrichtung 2. Der optische Resonator 1 ist an seinen Flachseiten von zwei gegenüberliegenden Elektroden 3 begrenzt. Zwischen den Elektroden 3 liegt bei Betrieb der Laservorrichtung 2 beispielsweise ein hochfrequentes Wechselfeld an, welches ein in einem zwischen den Elektroden 3 liegenden Entladungsraum eingebrachtes Gas oder Gasgemisch anregt. In einem anderen Ausführungsbeispiel erfolgt eine Gleichstromanregung des Gases oder des Gasgemisches, welches somit bei der Laserverstärkung als optisch aktives Medium dient. Der optische Resonator 1 ist ein konfokaler instabiler Resonator, der entsprechend stirnseitig von zwei konkav gekrümmten Resonatorspiegeln 4 begrenzt ist. Die Resonatorspiegel 4 sind derart gekrümmt und angeordnet, dass die verstärkte Laserstrahlung den optischen Resonator 1 nach mehreren Umläufen seitlich über ein gestrichelt dargestelltes Auskoppelfenster 7 verlässt. Die Krümmung der Resonatorspiegel 4 entspricht einem Rotationsparaboloid. Die Brennweiten derartiger Resonatorspiegel 4 liegen typischerweise im Bereich der halben Resonatorlänge, die bei Resonatoren des negativen Zweigs der Summe der Brennweiten der Resonatorspiegel 4 entspricht. Die Brennweiten liegen dabei im Allgemeinen im Bereich von 10 cm bis etwa 1 m. Die Darstellung ist nicht maßstabstreu, insbesondere ist die Krümmung zur besseren Darstellung in Figur 1 stark überzeichnet dargestellt.

In dem exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiel dient Kohlenstoffdioxid als optisch aktives Medium bei der Laserverstärkung. Kohlenstoffdioxid weist meh- rere für die Laserverstärkung geeignete Frequenzbänder im Bereich von

9,3 μΐτι, 9,6 μΐτι, 10,3 μΐτι und 10,6 μΐτι auf. In dem gezeigten Anwendungsfall soll Laserstrahlung der Wellenlänge bei 9,3 μΐτι erzeugt werden. Der optische Resonator 1 weist zur Unterdrückung der Moden in den anderen Wellenlängenbereichen eine wellenlängenabhängige Resonatorgüte auf. Hierzu ist einer der beiden den optischen Resonator 1 stirnseitig begrenzenden Resonatorspiegel 4 mit einem strukturierten Bereich 5 versehen, der sich lediglich über einen kleinen Teil der reflektierenden Oberfläche 6 nahe der optischen Achse A erstreckt. Die Resonatorspiegel 4 bestehen aus Kupfer, welches im mittleren Infrarotbereich hochreflektierend ist und zudem über eine gute thermische Leitfähigkeit verfügt. Die Laservorrichtung 2 ist diffusionsgekühlt, d. h. die Elektroden 3 sind in nicht näher dargestellter Art und Weise an ein Kühlfluid zirkulierendes Kühlsystem thermisch angekoppelt.

In bevorzugten Ausführungsbeispielen sind beide Resonatorspiegel 4 mit struk- turierten Bereichen 5 versehen, die einander gegenüberliegend angeordnet sind . Die strukturierten Bereiche 5 sind weiter vorzugsweise identisch ausgebildet oder haben zueinander komplementäre Strukturen. In letzterem Fall sind den erhöhten Oberflächenabschnitten des einen Resonatorspiegels 4 entsprechend vertiefte Oberflächenabschnitte des anderen Resonatorspiegels 4 ge- genüberliegend angeordnet.

Figuren 2 und 3 zeigen einen Ausschnitt eines Resonatorspiegels 4 mit einem strukturierten Bereich 5 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht und in einer Schnittdarstellung. Der Verlauf des dargestellten Schnitts ist in Figur 2 mit III bezeichnet.

Der Resonatorspiegel 4 des ersten Ausführungsbeispiels weist einen strukturierten Bereich 5 mit mehreren reflektierenden Oberflächenabschnitten 8 auf, die zueinander und gegenüber der reflektierenden Oberfläche 6, die außerhalb des strukturierten Bereichs 5 verläuft, versetzt angeordnet sind. Der Versatz der Oberflächenabschnitte 8 zueinander erfolgt in einer Richtung parallel zur optischen Achse A. Die Oberflächenabschnitte 8 haben eine kreisring- bzw. kreisscheibenförmige Gestalt und sind um die optische Achse A zentriert. Die Oberflächenabschnitte 8 und die Oberfläche 6 weisen eine in den Figuren 2 und 3 nicht näher dargestellte parabolische Krümmung auf und sind zueinander jeweils um einen Abstand D versetzt, der der Hälfte der zu selektierenden Wellenlänge entspricht.

Der Krümmungsverlauf der reflektierenden Oberfläche 6 und der Oberflächen- abschnitte 8 entsprechen einander, d. h. die reflektierende Oberfläche 6 und die Oberflächenabschnitte 8 folgen identischen, aber parallel versetzten Konstruktionsflächen K, deren Verlauf schematisch in Figur 4 illustriert ist. Die Krümmung des Resonatorspiegels 4 bzw. der Konstruktionsflächen K ist stark überzeichnet dargestellt. Figur 4 zeigt insofern eine geringfügig abgewandelte Variante des ersten Ausführungsbeispiels, dass die reflektierenden Oberflächenabschnitte 8 zueinander bzw. gegenüber der reflektierenden Oberfläche 6 vertieft angeordnet sind. Der Abstand D der reflektierenden Oberflächenab- schnitte 8 zueinander beträgt die Hälfte der vorgegebenen Wellenlänge, für die die Resonanzbedingung erfüllt werden soll, oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon, so dass lediglich Laserstrahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge eine vollständig konstruktive Interferenz erfährt. In dem in Figuren 2 und 3 lediglich exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiel soll eine Selektion der Verstärkung im Bereich von 9,3 μΐτι erfolgen, d. h. der Abstand D beträgt in diesem Fall in etwa 4,65 μΐτι. Die Formtreue der Resonatorspiegel sollte zumindest ein Zwanzigstel der zu selektierenden Wellenlänge betragen. Bevorzugt liegt die Fertigungstoleranz in diesem konkreten Anwendungsfall bei weniger als ± 500 nm, besonders bevorzugt bei etwa ± 250 nm. Die Abstände zwischen der reflektierenden Oberfläche 6 und den zueinander versetzt angeordneten reflektierenden Oberflächenabschnitten 8 entsprechen ganzzahligen Vielfachen von D und damit im Wesentlichen ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der zu selektierenden Wellenlänge.

In dem ersten Ausführungsbeispiel weist die stufenförmige Gestalt des strukturierten Bereichs 5 lediglich drei gegenüber der reflektierenden Oberfläche 6 erhabene Oberflächenabschnitte 8 auf. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Anzahl der Oberflächenabschnitte 8 hiervon abweichen. Bevorzugt sind 2 bis 20 zueinander stufenförmig versetzt angeordnete, reflektierende Oberflächenabschnitte 8. Der strukturierte Bereich 5 erstreckt sich lediglich über einen relativ kleinen, um die optische Achse A zentrierten Bereich des Resonatorspiegels 4. Die radiale Ausdehnung I der Oberflächenabschnitte 8 ist vergleichsweise klein, so dass der strukturierte Bereich 5 im dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel maximal 30% der reflektierenden Gesamtoberfläche des Resonatorspiegels 5 ausmacht. Entsprechend wird zumindest 70% der reflektierenden Gesamtoberfläche des Resonatorspiegels 5 von der außerhalb des strukturierten Bereichs 5 verlaufenden reflektierenden Oberfläche 6 gebildet. Figuren 5 und 6 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel des strukturierten Bereichs 5 mit reflektierenden Oberflächenabschnitten 18 in einer Draufsicht bzw. in einer Schnittdarstellung. Der Verlauf des in Figur 6 dargestellten Schnitts ist in Figur 5 mit VI bezeichnet. Die Oberflächenabschnitte 18 sind konzentrisch um die optische Achse A angeordnet. Der strukturierte Bereich 5 des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht im Wesentlichen dem des ersten Ausführungsbeispiels. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel sind die reflektierenden Oberflächenabschnitte 18 alternierend versetzt angeordnet, so dass alle Reflexionsflächen in nur zwei zueinander um den Abstand D versetzten parallelen Konstruktionsflächen liegen. Der Krümmungsverlauf der reflektierenden Oberfläche 6 und der Oberflächenabschnitte 18 entsprechen einander, d. h. die reflek- tierende Oberfläche 6 und die Oberflächenabschnitte 18 folgen zwei identischen, aber parallel versetzten Konstruktionsflächen. Der Abstand D beträgt die Hälfte der vorgegebenen Wellenlänge, für die die Resonanzbedingung erfüllt werden soll, oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon, so dass lediglich Laserstrahlung mit der vorgegebenen Wellenlänge eine vollständig konstrukti- ve Interferenz erfährt.

In dem zweiten Ausführungsbeispiel der Figuren 5 und 6 sind lediglich beispielhaft zwei rillenartig vertiefte Oberflächenabschnitte 18 vorgesehen. Ein weiterer kreisringförmiger Oberflächenabschnitt 18 verläuft innerhalb zur der von der reflektierenden Oberfläche 6 definierten, gekrümmten Ebene. Die Anzahl und Konfiguration der Oberflächenabschnitte 18 kann hiervon abweichen, bevorzugt sind Ausführungsbeispiele mit 2 bis 20 rillenartig vertieften oder rippenhaft erhabenen Oberflächenabschnitten 18. Figuren 7 und 8 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel des strukturierten Bereichs 5 mit reflektierenden Oberflächenabschnitten 28 in einer Draufsicht bzw. in einer Schnittdarstellung. Der Verlauf des dargestellten Schnitts ist in Figur 7 mit VIII bezeichnet. Der strukturierte Bereich 5 des dritten Ausführungsbeispiels umfasst eine Vielzahl von rippenförmigen Oberflächenabschnitten 28, die zueinander parallel verlaufen und von der reflektierenden Oberfläche 6 hervorstehen. Die Stufen- höhe entspricht, wie in den übrigen Ausführungsbeispielen, dem Abstand D, der die Hälfte der zu selektierenden Wellenlänge oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon beträgt. Der Abstand der rippenförmigen Oberflächenabschnitte 28 zueinander in der senkrecht zur optischen Achse A verlaufenden Ebene ist für den zu erzielenden Interferenzeffekt von untergeordneter Bedeutung und kann beispielsweise bei Resonatorspiegeln 4, die für Hochleistungs-C02- Laser vorgesehen sind, im Bereich von 50 μΐτι bis 100 μΐτι liegen.

Figuren 9 und 10 zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel des strukturierten Bereichs 5 mit reflektierenden Oberflächenabschnitten 38 in einer Draufsicht bzw. in einer Schnittdarstellung. Der Verlauf des dargestellten Schnitts ist in Figur 9 mit X bezeichnet.

Das vierte Ausführungsbeispiel kann in gewissem Sinne als Variation des ersten Ausführungsbeispiels gesehen werden und weist eine Vielzahl von um die optische Achse A konzentrisch angeordneten Oberflächenabschnitten 38 auf, die kreisring- bzw. kreisscheibenförmige Gestalt haben. Die konkave Krümmung des Resonatorspiegels 4 ist aus Gründen der Illustration stark überzeichnet dargestellt. Die parabolische Krümmung der reflektierenden Oberfläche 6 und die Krümmung der reflektierenden Oberflächenabschnitte 38 des strukturierten Bereichs 5 entsprechen einander. Im vierten Ausführungsbeispiel erstrecken sich demnach die reflektierende Oberfläche 6 und die reflektierenden Oberflächenabschnitte 38 abschnittsweise entlang Rotationsparaboloiden, die zueinander um den Abstand D bezüglich der optischen Achse A versetzt angeordnet sind. Zusätzlich variiert die laterale Ausdehnung der Oberflächenabschnitte 38 derart, dass jeder Oberflächenabschnitt 38 vollständig zwischen zwei zueinander planparallel verlaufenden Ebenen El, E2 liegt, die sich jeweils senkrecht zur optischen Achse A erstrecken. Mit anderen Worten ist die Breite der konzentrisch angeordneten Oberflächenabschnitte 38 derart gewählt, dass die gesamte Oberflächenstruktur des strukturierten Bereichs 5 zwischen den Ebenen El, E2 liegt, deren Abstand D voneinander die Hälfte der vorgegebenen Wellenlän- ge oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon beträgt. Bei gekrümmten Flächen folgt hieraus, dass die radiale Ausdehnung bzw. Breite der Oberflächenabschnitte 38 mit zunehmendem radialen Abstand von der optischen Achse A abnimmt. Figuren 11 und 12 zeigen ein fünftes Ausführungsbeispiel des strukturierten Bereichs 5 mit reflektierenden Oberflächenabschnitten 48 in einer Draufsicht bzw. in einer Schnittdarstellung. Der Verlauf des dargestellten Schnitts ist in Figur 11 mit XII bezeichnet. Im strukturierten Bereich 5 des fünften Ausführungsbeispiels ist lediglich ein einziger kreisscheibenförmiger Oberflächenabschnitt 48 vorgesehen, der sich über ein um die optische Achse A radial begrenztes Gebiet erstreckt. Im Gegensatz zu der umgebenden reflektierenden Oberfläche 6, die eine konkave, insbesondere eine sphärische oder parabolische Krümmung aufweist, verläuft der Oberflächenabschnitt 48 mit abweichender Krümmung, insbesondere plan. Der Resonatorspiegel 4 des fünften Ausführungsbeispiels dient vorzugsweise zur Ausbildung von Resonatorkonfigurationen, bei denen im Bereich der optischen Achse A ein stabiler Teilbereich gebildet ist. Figuren 13 und 14 zeigen ein sechstes Ausführungsbeispiel des strukturierten Bereichs 5 mit reflektierenden Oberflächenabschnitten 58 in einer perspektivischen Darstellung bzw. in einer Schnittdarstellung.

Das sechste Ausführungsbeispiel umfasst einen strukturierten Bereich 5, der als Treppenspiegel ausgeführt ist, d. h. es sind mehrere reflektierende Oberflächenabschnitte 58 vorgesehen, die parallel zueinander verlaufen und eine Treppenstruktur bilden, die in lateraler Richtung, also in einer im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse A verlaufenden Richtung, monoton ansteigt. Die Stufenhöhe bezüglich der optischen Achse entspricht dem Abstand D. Ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Figuren 2 und 3 ist somit eine Stufenstruktur vorgegeben, die eine Vielzahl von zueinander und parallel zur optischen Achse A versetzten Oberflächenabschnitte 58 aufweist.

Figur 15 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Darstellung. Der strukturierte Bereich 5 des siebten Ausführungsbeispiels weist lediglich einen einzigen, gegenüber der reflektierenden Oberfläche 6 stufenförmig erhöhten Oberflächenabschnitt 68 auf. Der Oberflächenab- schnitt 68 erstreckt sich über die gesamte Breite des Resonatorspiegels 4. Im Gegensatz zu den übrigen Ausführungsbeispielen ist somit der strukturierte Bereich 5 nicht auf ein radial um die optische Achse A begrenztes Gebiet beschränkt, vielmehr weist der strukturierte Bereich 5 des siebten Ausführungsbeispiels eine laterale Gesamtausdehnung L auf, die der Breite des Resonator- spiegeis 4 entspricht. Der stufenförmig erhöhte Oberflächenabschnitt 68 erstreckt sich mittig über die Breite des Resonatorspiegels 4 und verläuft parallel zu den Flachseiten des Resonatorraums.

Die Darstellung der Ausführungsbeispiele in den Figuren ist nicht maßstabsge- treu. Insbesondere sind aus Gründen der Darstellbarkeit etwaig vorhandene Krümmungen der reflektierenden Oberfläche 6 bzw. der reflektierenden Oberflächenabschnitte 8, 18, 28, 38, 48, 58, 68 nicht oder stark überzeichnet dargestellt. Die Erfindung wurde vorstehend mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die konkrete Ausgestaltung der gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, vielmehr kann der zuständige Fachmann anhand der Beschreibung Variationen ableiten ohne von dem wesentlichen Grundgedanken der Erfindung abzuwei- chen. Bezugszeichen liste

1 optischer Resonator 48 Oberflächenabschnitt

2 Laservorrichtung 58 Oberflächenabschnitt

3 Elektrode 68 Oberflächenabschnitt

4 Resonatorspiegel A optische Achse

5 strukturierter Bereich D Abstand

6 reflektierende Oberfläche 1 radiale Ausdehnung

7 Auskoppelfenster L Gesamtausdehnung

8 Oberflächenabschnitt El Ebene

18 Oberflächenabschnitt E2 Ebene

28 Oberflächenabschnitt K Konstruktionsfläche

38 Oberflächenabschnitt