DE3532416A1

DE3532416A1 - METHOD AND DEVICE FOR INCREASING THE PERFORMANCE DENSITY IN A FOCUSED HIGH-ENERGY LASER BEAM

Info

Publication number: DE3532416A1
Application number: DE19853532416
Authority: DE
Inventors: Berndt Warm
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Verwaltungs Stiftung
Priority date: 1985-09-11
Filing date: 1985-09-11
Publication date: 1987-03-12
Also published as: FR2587125B1; GB8621233D0; DE3532416C2; FR2587125A1; GB2180368B; GB2180368A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und seiner Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 4.The invention relates to a method according to the preamble of Claim 1 and its device according to the preamble of claim 4.

In der Technologie der Hochenergie-Gaslaser wird ein sogenannter instabiler Resonator eingesetzt, um ein möglichst großes angeregtes Gasvolumen ausnutzen zu können. Die dadurch im Laserstrahl-Nahfeld vorhandene ringförmige Querschnittsstruktur der Intensitätsverteilung um ein strahlenfreies Zentrum herum - mit einer durch die Geometrie der Resonator-Auskoppelspiegel bestimmten Ringgeometrie - führt im Fernfeld zu einer über dem Radius des Strahlenquerschnittes pulsierenden Intensität. Das Intensitätsmaximum, das kleiner ist, als beim Fokussieren eines genussförmigen Strahlenquerschnitts, liegt im Strahlenzentrum und oszilliert, nach steilem Abfall auf den Wert Null, einige Male mit zunehmend kleiner werdender Amplitude.In the technology of high-energy gas lasers, a so-called instable resonator used to get as large as possible To be able to use gas volume. The result is in the laser beam near field existing annular cross-sectional structure of the intensity distribution around a radiation-free center - with one through the geometry the resonator decoupling mirror certain ring geometry - leads in the far field to a pulsating one over the radius of the beam cross-section Intensity. The intensity maximum, which is smaller than with Focusing a delightful beam cross section lies in the Radiation center and oscillates after a steep drop to zero, some Paint with increasing amplitude.

Wegen der über dem Radius quadratisch anwachsenden Ringfläche ist aber trotz kleinerer Amplituden in den ersten das Zentrum umgebenden Ringflächen insgesamt jeweils etwa die gleiche Leistung vorhanden, wie im hochenergetischen zentralen Strahlenquerschnitt. Man kann nun zeigen, daß in der Fernfeld-Wellenfront immer dort ein Phasensprung um etwa ein Viertel der Wellenlänge auftritt, wo die radiale Intensitätsverteilung über den Strahlenquerschnitt durch den Wert Null verläuft. Beim Fokussieren leisten jedoch in erster Linie nur diejenigen Strahlungsintensitäten einen Betrag im Brennpunkt, die eine stetige, gaussförmige Verteilung der Phasenänderung in der Wellenfront aufweisen. Because of the ring area growing square over the radius but despite smaller amplitudes in the first surrounding the center Ring areas have approximately the same power overall, like in the high-energy central radiation cross-section. One can now show that in the far field wavefront always there Phase shift occurs at about a quarter of the wavelength where the radial Intensity distribution over the beam cross section through the value Zero runs. When focusing, however, primarily perform only those radiation intensities an amount in focus that a steady, Gaussian distribution of the phase change in the Show wavefront.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Fokus-Intensität eines Hochenergie-Laserstrahles mit instabilem Mode bei möglichst geringem apparativen Aufwand spürbar zu steigern.The invention is based on the knowledge of these circumstances based on the focus intensity of a high-energy laser beam unstable fashion noticeable with the least possible expenditure on equipment to increase.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß das Verfahren gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 1 bzw. eine Einrichtung gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 4 Einsatz finden.According to the invention, this object is essentially achieved by that the method according to the characterizing part of claim 1 or one Find device according to the characterizing part of claim 4.

Nach dieser Lösung wird im Fernfeld-Strahlenquerschnitt der jeweils bei einer Intensitäts-Nullstelle liegende Phasensprung dadurch rückgängig gemacht, daß die einzelnen ringförmigen Strahlen- Querschnittsbereiche eine um etwa ein Viertel ihrer Wellenlänge abgestaffelte Verzögerung erfahren; wodurch sich in der so kompensierten korrigierten Strahlentfernung eine stetige, gauss-ähnliche Phasenverteilung ergibt. Beim Fokussieren tragen nun auch diejenigen Teil-Leistungen zum Intensitätsintegral bei, die radial jenseits des ersten Phasensprunges lagen und zwar absolut eine relativ kleine Intensität aufwiesen, bei der Integration jedoch jetzt aufgrund der ringförmigen Geometrie dieser einzelnen Strahlen-Querschnittsbereiche einen erheblichen Intensitätsbeitrag im Fokus leisten.According to this solution, the respective in the far field beam cross section this reverses the phase jump lying at an intensity zero made that the individual annular rays Cross-sectional areas graded by about a quarter of their wavelength Experience delay; which corrected itself in the so compensated Beam distance results in a steady, Gaussian-like phase distribution. When focusing, those partial services now also contribute Intensity integral at that radially beyond the first phase jump were absolutely absolutely low in intensity, when integrating, however, now due to the ring-shaped geometry of these individual beam cross-sectional areas a considerable one Make a contribution to the focus.

Vorzugsweise erfolgt die bereichsweise Verzögerung zur Kompensation des Phasensprunges rein reflektiv, also z. B. mit kühlbaren Metall- Laserspiegeln. Diese weisen eine bereichsweise abgestufte Reflektor- Oberfläche auf, so daß die einzelnen Querschnittsbereiche des einfallenden Strahles mit unterschiedlichen Laufwegen und somit phasenverschoben reflektiert werden. Die präzise Herstellung der abgestuften Spiegelfläche ist relativ unkritisch, da die einzelnen Plateau-Höhen in der Größenordnung einiger Mikron und somit um wenigstens eine Zehnerpotenz höher liegen, als die heute beispielsweise im Ätzverfahren erreichbare Fabrikationsgenauigkeit von Laserspiegelflächen. The delay in regions for compensation is preferably carried out of the phase jump purely reflective, that is, for. B. with coolable metal Laser mirroring. These have a reflector Surface on, so that the individual cross-sectional areas of the incident beam with different paths and thus out of phase be reflected. The precise manufacture of the graduated Mirror surface is relatively uncritical because of the individual plateau heights in the order of a few microns and thus by at least one The power of ten is higher than today, for example in the etching process achievable manufacturing accuracy of laser mirror surfaces.

Es handelt sich bei der Erfindung also nicht um die bekannte zeitvariable Verformung der Wellenfront eines Strahles mittels der verformbaren Spiegelflächenbereiche eines sogenannten MDA-Spiegels, um aktuelle atmosphärische Störeinflüsse auf die Ausbreitung eines schon fokussierten Strahles, abgeleitet aus momentan reflektierter Strahlungsenergie, zu kompensieren.The invention is therefore not the known time variable Deformation of the wavefront of a beam by means of the deformable Mirror surface areas of a so-called MDA mirror, um current atmospheric disturbances on the spread of a beam already focused, derived from the currently reflected beam Radiation energy to compensate.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammenfassung, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert skizzierten bevorzugten Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens.Additional alternatives and further training as well as further features and advantages of the invention result from the further claims and, also taking into account the explanations in the summary, from the description below one in the drawing below Limitation to the essentials, highly abstracted outlined preferred Embodiment for a device according to the invention for practicing the method according to the invention.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 in qualitativer Darstellung eine typische Intensitätsverteilung bei einem Laserstrahl im instabilen Mode, mit Phasensprüngen bei Intensitäts-Nullstellen, aufgetragen über dem Querschnitts-Radius eines Strahles im phärisch korrigierten Fernfeld, und Fig. 1 in a qualitative representation of a typical intensity distribution for a laser beam in unstable mode, with phase jumps at intensity zeros, plotted over the cross-sectional radius of a beam in the spherically corrected far field, and

Fig. 2 im Querschnitt einen Spiegel mit abgestufter Reflexionsfläche zur Kompensation der in einer Wellenfront gemäß Fig. 1 vorliegenden Phasensprünge. Fig. 2 shows a mirror with graded reflection surface for compensating a wavefront of FIG. 1 in cross-section present phase jumps.

Im Fernfeld des Strahles 11 eines Lasers mit konfokalem instabilem Resonator liegt, nach sphärischer Begradigung der Wellenfront 14, vom Strahlen-Zentrum 12 nach außen (also über dem Querschnitts-Radius r) kein stetiger Abfall der Strahlenintensität I vor; sondern eine punktsymmetrisch zum Zentrum 12 gegebene ringförmige Intensitätsverteilung derart, daß die Intensität I zunächst von einem relativ hohen Wert ähnlich einer gausschen Verteilungskurve steil abfällt, und danach jenseits des ersten Intensitäts-Nullwertes über dem Radius r noch mehrfach mit zunehmend kleiner werdender Amplitude schwankt, wie in Fig. 1 in durchgezogener Linie skizziert. In the far field of the beam 11 of a laser with a confocal unstable resonator, after spherical straightening of the wavefront 14 , there is no constant drop in the radiation intensity I from the radiation center 12 to the outside (ie over the cross-section radius r ); Rather, an annular intensity distribution given point symmetrically to the center 12 such that the intensity I initially drops steeply from a relatively high value similar to a Gaussian distribution curve, and then varies beyond the first intensity zero value over the radius r several times with an increasingly smaller amplitude, such as sketched in Fig. 1 in a solid line.

In der Umgebung des Zentrums 12 ist die Phasenlage des elektrischen Feldes zunächst angenähert konstant, um dann längs des Radius r steil abzufallen; am Strahlen-Querschnittsorte, wo die Intensität I jeweils den Wert Null erreicht, findet ein Phasensprung um etwa ein Viertel der Wellenlänge des Lichtes statt, wie im qualitativen Diagramm gemäß Fig. 1 gestrichelt angedeutet als diskontinuierlicher Verlauf der Phase P über dem Radius r des Strahlen-Querschnittes.In the vicinity of the center 12 , the phase position of the electric field is initially approximately constant, in order to then drop steeply along the radius r ; At the cross-sectional location where the intensity I reaches zero, there is a phase jump by about a quarter of the wavelength of the light, as indicated by the dashed line in the qualitative diagram according to FIG. 1 as a discontinuous course of the phase P over the radius r of the beam -Cross section.

Anzustreben ist über dem gesamten Strahlenquerschnitt ein stetiger, wie schon im zentralen Ringbereich 13.12 der gausschen Verteilungsfunktion folgender Verlauf der Phase P(r), damit auch die Strahlungsleistungen in den Ringbereichen 13.2, 13.1 zur Intensität beim Fokussieren des Strahles 11 optimal beitragen.The aim is to have a continuous course of phase P (r) over the entire beam cross section, as follows in the central ring area 13.12 of the Gaussian distribution function, so that the radiation powers in the ring areas 13.2 , 13.1 also contribute optimally to the intensity when focusing the beam 11 .

Zur Phasenkorrektur erfahren die einzelnen Fernfeld-Ringbereiche 13.2, 13.1 mit gegenüber dem zentralen Ringbereich 13.12 voreilenden Phasen eine entsprechende Verzögerung, so daß sich im korrigierten Strahl 11.6 eine über dem Strahlenquerschnitt ebene Wellenfront 14.6 mit stetiger Phasenverteilung einstellt. Zusätzlich zum Intensitätsintegral des zentralen Ringbereiches 13.12 tragen deshalb dann in einem fokussierten Strahl die Integrale der Ringbereiche 13.2, 13.1 zur Fokusintensität bei; die dadurch um Größenordnungen höher liegt, als bei der Fokussierung eines nur sphärisch korrigierten Strahles 11 ohne Korrektur der darin vorliegenden Phasensprünge.For phase correction, the individual far-field ring areas 13.2 , 13.1 experience a corresponding delay with phases leading in relation to the central ring area 13.12 , so that in the corrected beam 11.6, a wavefront 14.6 which is flat over the beam cross section is established with a constant phase distribution. In addition to the intensity integral of the central ring area 13.12 , the integrals of the ring areas 13.2 , 13.1 then contribute to the focus intensity in a focused beam; which is thereby orders of magnitude higher than when focusing an only spherically corrected beam 11 without correcting the phase jumps present therein.

Die Phasenkorrektur erfolgt vorzugsweise rein reflektiv. Denn dann kann ein gekühlter Spiegel Einsatz finden, wodurch Verluste, und abträgliche Einflüsse auf die Strahlengeometrie aufgrund thermischer Aufheizung des optischen Korrekturmittels, vermieden werden können. Der Geometrie der Ringbereiche 13 zwischen den Intensitäts-Nullstellen, also den Orten des jeweils auftretenden Phasensprunges, entspricht für eine derartige reflektive Korrektur die Aufteilung der Spiegelfläche 16 eines Spiegels 15 in axial gegeneinander versetzte Ebenen; mit Stufen 17, die längs des Ortes einer Intensitäts- Nullstelle im Strahlenquerschnitt verlaufen, beim axialsymmetrischen Strahl 11 kreisförmigen Querschnittes also Kreise um das Spiegel- Zentrum 15.12 beschreiben. Die Stufen 17 reflektieren zwar nicht; thermische Verluste treten hier aber dennoch nicht auf, da sie ja an Orten ausgebildet sind, an denen die Strahlen-Intensität wenigstens angenähert Null beträgt.The phase correction is preferably carried out purely reflectively. Because then a cooled mirror can be used, as a result of which losses and detrimental influences on the beam geometry due to thermal heating of the optical correction means can be avoided. For such a reflective correction, the geometry of the ring regions 13 between the intensity zero points, that is to say the locations of the phase jump that occurs, corresponds to the division of the mirror surface 16 of a mirror 15 into axially offset planes; with stages 17 , which run along the location of an intensity zero in the beam cross section, in the case of the axially symmetrical beam 11 circular cross section so describe circles around the center of the mirror 15.12 . The steps 17 do not reflect; However, thermal losses do not occur here, since they are formed in places where the radiation intensity is at least approximately zero.

Der Einfallwinkel 18 des zu korrigierenden Strahles 11 ist möglichst zu wählen, um die Seitenflächen der Stufen 17 nicht aufzuheizen und um möglichst die einzelnen Bereiche 13 der abgestuften Spiegelfläche 16 untereinander parallel ausbilden zu können. Bezüglich der Richtung des einfallenden Strahles 11 liegt die zentrale Spiegelfläche 16.12 vor den abgestuften Ringflächen 16.2, 16.1. Dadurch erfährt der äußerste Ringbereich 13.1 des Strahles 11 am Korrekturspiegel 15 die größte Phasenverschiebung in Bezug auf das Strahlen- Zentrum 11.12. - wie es zu fordern ist, um eine möglichst sprungstellenfreie, also stetige Phasenverteilung über dem Radius r des Strahlenquerschnittes beim korrigierten Abgangs-Strahl 11.6 zu erzielen.The angle of incidence 18 of the beam 11 to be corrected should be chosen as possible so as not to heat up the side surfaces of the steps 17 and to be able to form the individual areas 13 of the stepped mirror surface 16 in parallel with one another if possible. With regard to the direction of the incident beam 11 , the central mirror surface 16.12 lies in front of the stepped ring surfaces 16.2 , 16.1 . As a result, the outermost ring area 13.1 of the beam 11 at the correction mirror 15 experiences the greatest phase shift with respect to the beam center 11.12. - How it is to be demanded in order to achieve a phase distribution over the radius r of the beam cross section with the corrected outgoing beam 11.6 that is as free of jump points as possible.

Claims

1. A method for increasing the power density in the focus of a laser beam coupled out of a confocal unstable resonator with a spherically straightened wavefront, characterized in that individual annular cross-sectional areas of the beam experience a delay with respect to the neighboring area located towards the beam center in order to phase shifts in the intensity distribution to compensate for the radius of the beam cross section.

2. The method according to claim 1, characterized, that the delay due to reflection in the direction of beam propagation shifted mirror surface areas takes place.

3. The method according to claim 2, characterized, that the reflection takes place on a stepped mirror surface, their stages with the course of phase jumps in the cross-sectional area of the uncorrected beam match.

4. Device for increasing the power density in the focus of a laser beam ( 11 ) coupled out from a confocal unstable resonator with a spherically corrected wavefront ( 14 ), for carrying out one of the methods according to one of the preceding claims, characterized in that in the path of propagation of the beam ( 11 ) a mirror ( 15 ) is arranged, the mirror surface ( 16 ) of which has individual areas ( 16.1, 16.2 ) which rise in steps to the central area ( 16.12 ).

5. Device according to claim 4, characterized in that the steps ( 17 ) between the mirror surface areas ( 16.1 / 16.2 / 16.12 ) run where the incident beam ( 11 ) in the mirror surface ( 16 ) has approximately zero intensity .