WO2009010043A2 - Phasenschiebe-einrichtung und laserresonator zur erzeugung radial oder azimutal polarisierter laserstrahlung - Google Patents

Phasenschiebe-einrichtung und laserresonator zur erzeugung radial oder azimutal polarisierter laserstrahlung Download PDF

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Definitions

  • Phase shift device and laser resonator for generating radially or azimuthally polarized laser radiation
  • the present invention relates to a phase shift device for stabilizing radially or azimuthally polarized laser radiation within a laser resonator, the laser resonator comprising a polarizer device for generating radially or azimuthally polarized laser radiation. It further relates to a laser resonator for generating and stabilizing radially or azimuthally polarized laser radiation with a polarizer device for generating radially or azimuthally polarized laser radiation.
  • a laser resonator with a polarizer device for generating radially or azimuthally polarized laser radiation is described by the article "Optical Elements of a Laser Cavity for the Production of a Beam with Axial Symmetry Polarization” by Goncharskii et al., Optics and Spectroscopy Vol. 89, no 1, 2000, pages 146 to 149.
  • the article describes axially symmetrical gratings as polarizer devices for generating radially and / or azimuthally polarized laser radiation in a laser resonator, wherein a distinction is made between two types of grating: the first, star-shaped grating type
  • the grating lines extend radially outward from a common center point, so that the distance between two adjacent grating lines and thus the grating period increases with increasing distance from the center point, resulting in radially polarized laser radiation in this grating type only with a fraction of incorrectly polarized radiation received n can.
  • the grid lines are annular, so that the grid has a constant grid period over the entire radial area.
  • the generation of radially or azimuthally polarized laser radiation in a laser resonator can also be carried out by means of polarizer devices, such as, for example, in US Pat. No. 6,680,799 B1, DE 10 2004 042 748 A1 or US Pat. No. 6,191,890 B1, which by way of reference be made to the content of this application. It is understood that in each case the reflectance difference between radially and azimuthally polarized laser radiation per revolution in the laser resonator must be greater than the depolarization for radially / azimuthally polarized radiation per revolution in the laser resonator must be selected. Depolarization is understood to mean the proportion of power in the undesired direction of polarization (e.g., azimuthal polarization) relative to the total power.
  • a sub-wavelength grating for generating radially polarized radiation is known, whose grating period is smaller than the wavelength of the incident laser radiation.
  • the sub-wavelength grating is applied in one embodiment to a dielectric multilayer system disposed on a metallic or dielectric substrate.
  • the polarization selectivity of the grating depends on whether the laser beam is incident from the substrate side or the grating side: in the first case, by coupling in the undesired ones Polarization component in a waveguide mode of a cover layer of the multilayer system, in the second case by absorbing the unwanted polarization component in a metallic substrate or, when using a dielectric substrate in that the unwanted polarization component at angles that are in the range of total reflection, in leaky modes in the Substrate is coupled.
  • the bandwidth of the coupling is very narrow, so that sub-wavelength grids are usually finished with tight tolerances.
  • Grating period is greater than the laser wavelength, so next to the zeroth
  • Diffraction order also higher diffraction orders occur.
  • the grating period and the grating shape are chosen such that with respect to the laser wavelength
  • Reflectance of the TM component in the one used diffraction order is greater than the reflectance of the TE component in this diffraction order.
  • Laser radiation is not thrown back into the one used diffraction order, but depending on the polarization, more or less in others
  • No. 6,191,890 B1 describes an arrangement in which a dielectric layer which has a periodic variation of the dielectric properties parallel to the layer and whose period length is smaller than the wavelength of the laser radiation in the second dielectric medium is disposed between a first and a second dielectric medium is.
  • a dielectric layer which has a periodic variation of the dielectric properties parallel to the layer and whose period length is smaller than the wavelength of the laser radiation in the second dielectric medium is disposed between a first and a second dielectric medium is.
  • Linearly polarized laser radiation 2 has an identical orientation of the electric field strength vector, which is referred to below as the polarization direction Ey, over the entire beam cross-section 1, as shown in FIG. 1a.
  • the laser radiation 2 has no component of the electric field strength vector in a polarization direction E x perpendicular thereto.
  • the laser radiation 3a, 3b in a laser resonator is azimuthally or radially polarized, as shown in Fig. 1b and Fig. 1c.
  • the laser radiation 3a, 3b is locally linearly polarized, but has an inhomogeneous distribution over the beam cross-section 1, ie the electric field strength vectors E ⁇ , E r extend at each point in the azimuthal or in the radial direction the center of the beam cross-section is a zero and the electric field strength vector E ⁇ or E r disappears at this point.
  • FIG. 2 shows a square-folded laser resonator 4 of a CO 2 gas laser with eight discharge paths.
  • a partially transmissive Auskoppelapt 5 and a highly reflective end mirror 6 define the laser resonator 4.
  • the laser beam is folded over eight folding mirrors 7a-c, 8a-b, 9a-c in two superimposed planes square, wherein four folding mirrors 7a-c, 8a in the upper Level and four folding mirrors 8b, 9a-c are arranged in the lower level.
  • the laser beam is deflected by the end mirror 6 at the first three folding mirrors 7a, 7b and 7c in the upper plane by 90 °.
  • the laser beam which is deflected from the third folding mirror 7c to the fourth folding mirror 8a in the upper plane, is also deflected by this and then by the first folding mirror 8b in the lower plane by 90 °, but in a direction perpendicular thereto, and passes from the upper level to the lower level.
  • the three further folding mirrors 9a, 9b and 9c deflect the laser beam by 90 ° in the lower plane.
  • the laser beam impinges on the partially transmitting outcoupling mirror 5, at which part of the laser beam is coupled out of the laser resonator 4 and inserted other part is reflected back in itself.
  • the reflected laser beam strikes the eight folding mirrors 7a-c, 8a-b, 9a-c in the opposite direction and traverses all discharge paths between the outcoupling mirror 5 and the end mirror 6.
  • any polarization state of a laser beam (e.g., radial or azimuthal) after reflection from an optical element can be represented by the superposition of a perpendicular and a parallel polarized component.
  • the perpendicularly polarized (s-polarized) component is oriented perpendicular to the plane of incidence formed by the incident and reflected laser beam and the parallel polarized (p-polarized) component parallel to the plane of incidence.
  • Optical materials (coated and uncoated mirrors) have different reflectivities R as a function of the angle of incidence ⁇ for the s and p-polarized components of a laser beam, as shown in FIG. 3a.
  • the reflectance R of the s-polarized component (curve S) is usually greater than the reflectance R of the p-polarized component (curve P).
  • a phase difference ⁇ dependent on the angle of incidence ⁇ forms between the vertically and parallel-polarized components during reflection, as shown in FIG. 3b.
  • the first three folding mirrors 7a-c of the upper level and the last three folding mirrors 9a-c of the lower level have the same deflection plane (first deflection plane), whereas the deflection plane of the two remaining folding mirrors 8a and 8b is oriented perpendicular thereto (second deflection plane).
  • first deflection plane the deflection plane of the two remaining folding mirrors 8a and 8b is oriented perpendicular thereto
  • second deflection plane the vertically polarized component of the first deflection plane becomes the parallel-polarized component of the second, perpendicular deflection plane.
  • parallel polarized component of the first deflection plane the parallel polarized component of the first deflection plane.
  • MMR Maximum Metal Reflector
  • MMR mirrors have a dielectric coating and produce reflectivities> 99.7% at 10.6 ⁇ m.
  • Manufacturing inaccuracies, for example, in the layer thickness or in the refractive indices of the individual layers result in each folding mirror having individual reflectance and phase differences ⁇ Rj, ⁇ j between the s and p polarized components of the laser beam.
  • the optics manufacturer H-Vl specifies for its folding mirrors tolerances for the reflectance difference of 0.2% and for the phase difference ⁇ 2 °.
  • a measurement of the reflectance and phase differences of a plurality of folding mirrors has shown that typical folding mirrors for CO 2 high-power lasers with a reflection at an angle of incidence of 45 ° have a reflectance difference ⁇ Rj of approximately 0.2% and a phase difference ⁇ j of approximately 1 ° between the perpendicular and parallel polarized components of the laser beam per folding mirror.
  • the production of folding mirrors with narrower manufacturing tolerances would mean a considerable additional expense in terms of production costs.
  • phase difference ⁇ between the s- and p-polarized laser beam components can lead to a situation other than the desired radial or azimuthal polarization state better fulfilling the boundary conditions of the laser resonator and settles in the laser resonator, so that the radial or azimuthal polarization is destroyed.
  • the folding mirrors are selected and arranged in the laser resonator so that the sums of the
  • phase differences between the perpendicular and parallel polarized components of the laser beam can be completely solved neither by more accurate manufacturing process nor by the selection and pairing of the folding mirror.
  • aging effects occur which cause the reflectance and phase differences ⁇ Rj, ⁇ , of the individual folding mirrors to change during the lifetime of a folding mirror.
  • the reflectance and phase differences ⁇ Rj, ⁇ are temperature-dependent, so that the values change due to the absorption of laser radiation in the folding mirror.
  • phase shift device of the type mentioned, which is designed such that they per revolution in the laser resonator, a phase difference between about 30 ° and about 330 °, preferably between about 70 ° and about 290 °, more preferably between about 160 ° and about 200 °, in particular of about 180 ° between the radial and the azimuthal polarization direction of the laser radiation generated and has an axial symmetry.
  • the inventors have recognized that radially or azimuthally polarized laser radiation in the laser resonator can be better controlled by providing means for producing a phase difference between the radial and azimuthal polarization directions, especially when additional phase-shifting optical elements, e.g. Folding mirror or beam splitter are arranged in the laser resonator. Since the unwanted phase difference is usually generated at non-axisymmetric optical elements such as the planar folding mirrors, a phase shifting device having the desired axial symmetry is advantageous for compensating for this undesired phase difference.
  • additional phase-shifting optical elements e.g. Folding mirror or beam splitter
  • the phase-shifting device is designed in such a way that the undesired phase difference that occurs over the entire beam cross-section and varies locally in accordance with the symmetry of the folding mirror is outperformed by a magnitude-wise, axially symmetric distributed phase difference.
  • This phase difference can be constant over the entire field of the laser radiation or vary radially or azimuthally over the field in the abovementioned limits. A constant over the entire field phase difference of about 180 ° has proved to be particularly advantageous.
  • the phase shift device is formed as a grid, wherein the grating period and preferably also the grating shape are selected such that the grating generates the desired phase difference between the radial and azimuthal polarization direction.
  • the axially symmetrical grating may additionally serve as a polarizer device and generate a reflectance difference or a transmittance difference between the radial and azimuthal polarization directions, depending on whether the grating is designed as a reflective or as a transmissive optical element.
  • the phase shift device is designed as a transmissive optical element.
  • a transmissive optical element can, for example, within the laser resonator between a Auskoppelapt and a End mirror are arranged and is passed through by the laser radiation during a revolution in the laser resonator twice, so that this compared to a phase shift device, which is designed as a reflective optical element, only half the phase difference must be generated.
  • the transmissive optical element is designed as a form-birefringent element.
  • a transmissive optical element can be produced on the basis of the shape birefringence Delay between "faster” and “slower” polarization direction and its local orientation of the polarization axes by the type of microstructuring (eg shape and orientation of the individual structures) can be suitably controlled to a radial / azimuthal (or radially symmetric) - birefringent retardation plate ( preferably with approximately 90 ° phase difference in single pass).
  • microstructures it is not absolutely necessary for the microstructures to form a grid, but it is also possible to use microstructures in which structures are provided locally which are not related at the macroscopic level.
  • Shape birefringent gratings as phase shifting devices are e.g. in the following publications: "Broadband form birefringent quarter-wave plate for the mid-infrared wavelength region": Gregory P. Nordin and Panfilo C. Deguzman (11 October 1999 / Vol. 5, No. 8 / OPTICS EXPRESS 163), as well as Lin Pang, Maziar Nezhad, Uriel Levy, Chia-Ho Tsai, and Yeshaiahu Fainman (APPLIED OPTICS / Vol. 44, No. 12), "Form-birefringence structure fabrication in GaAs by use of SU-8 as a dry etching mask” / 20 Apr. 2005), which are incorporated herein by reference for the purposes of this application.
  • the phase shift device is designed as a reflective optical element.
  • the reflective optical element is designed as an end mirror or as Auskoppelapt.
  • These optical elements can additionally be designed as a polarizer device and therefore in addition to the desired phase difference and a reflectance difference generate, by which the radially or azimuthally polarized laser radiation is generated in the laser resonator. Both the generation of the radially or azimuthally polarized laser radiation and their stabilization can therefore be carried out on one and the same optical element.
  • one of the folding mirrors present in the laser resonator may have a grating which is designed as a phase shifting device and generates a phase difference between the radial and azimuthal polarization directions.
  • the reflective optical element comprises a multilayer system which is arranged on a substrate.
  • the multiple-layer system can be designed as a reflection-enhancing coating and for this purpose has a number of individual layers whose refractive indices and thicknesses are matched to one another in such a way that the proportion of radiation reflected by the optical element is as great as possible due to interference effects.
  • Structures may be provided on or in the multilayer system or on the substrate, which produce the desired phase difference.
  • the phase shift device is formed as a grid, in which the grating period, the structure of the multilayer system, the material of the substrate and preferably also the grid shape are selected such that the radial or azimuthal polarization direction of the laser radiation in at least one leaky mode coupled to the multilayer system and the substrate and the phase difference between the radial and the azimuthal polarization direction (E r , E ⁇ ) of the laser radiation is generated.
  • the structure of the multilayer system is determined by the number of individual layers, the sequence of the individual layers and by their refractive indices and geometric layer thicknesses.
  • the grating may in principle be designed like the gratings described in US Pat. No.
  • 6,680,799 B1 which are designed to produce a reflectance difference between the radially and azimuthally polarized laser beam components, wherein in addition the abovementioned parameters still have to be coordinated with one another in such a way that the desired Sets phase difference between the radial and azimuthal polarization direction.
  • the phase-shifting device is designed as a periodic or quasi-periodic, concentric or spiral grating in which the grating period and preferably also the grating shape are selected such that with respect to the laser wavelength, the TM reflectance of the grating into the one diffraction order used is greater or smaller than the TE reflectance of the grating in this diffraction order and the phase difference between the radial and the azimuthal polarization direction of the laser radiation is generated.
  • the grating can basically be designed like the gratings described in the aforementioned DE 10 2004 042 748 A1, whereby in this case too, the abovementioned parameters must be coordinated with one another such that a phase difference between the radially and azimuthally polarized ones occurs.
  • Sets laser beam components which outbid the unwanted, caused for example by the folding mirrors in the laser resonator phase difference.
  • the reflective optical element is formed as a grating at an interface between a first dielectric medium having a first refractive index and a second dielectric medium having a second, smaller refractive index, the grating period being smaller than the wavelength of the laser radiation in the second dielectric Medium is, and wherein the grating period and preferably also the grid shape are selected such that an average refractive index of the grating is between the first refractive index and the second refractive index.
  • the laser radiation propagates in the first medium and is reflected at the interface to the second medium.
  • the second medium is, for example, air or laser gas with a second refractive index.
  • the refractive indices of the dielectric media, the grating period and preferably also the grating shape are selected such that the radial or azimuthal polarization direction of the laser radiation is diffracted into higher diffraction orders and the phase difference between the radial and azimuthal polarization directions of the laser radiation is generated.
  • Generating a particularly large reflectance difference can also be used to generate the desired phase difference of the aforementioned GIRO effect.
  • the phase shifting device is designed as a polarizer device for generating radially or azimuthally polarized laser radiation.
  • the phase shift device in addition to the phase difference, also generates a sufficient degree of reflectance or transmittance difference between the radial and azimuthal polarization directions to form a radial or azimuthal polarization state of the laser radiation in the laser cavity.
  • a reflectance difference between the radial and the azimuthal polarization direction is generated, wherein the reflectance difference is preferably at least 5%, more preferably at least 15% and in particular at least 50%.
  • the invention also relates to a laser resonator with a polarizer device for generating radially or azimuthally polarized laser radiation, in which a phase shift device for generating a phase difference between the radial and the azimuthal polarization direction of the laser radiation is provided within the laser resonator, which is formed as described above so that the desired radial or azimuthal polarization state of the laser radiation in the laser resonator can be stabilized.
  • the laser resonator has at least one, preferably at least three, folding mirrors which fold the beam path of the laser radiation between an end mirror and an output mirror.
  • the folding mirrors allow a compact construction and thus a high mechanical stability of the laser resonator.
  • the laser resonator comprises a coupling-out mirror, which is designed as a phase-shifting device, and an end mirror, which is designed as a polarizer device.
  • the reflectance difference and the phase difference are generated at the two opposite ends of the laser resonator.
  • the laser resonator has an end mirror, which is designed as a phase shift device, and a Auskoppelapt, which is designed as a polarizer device.
  • end mirror which is designed as a phase shift device
  • Auskoppelspiegel which is designed as a polarizer device.
  • the functions of the end mirror and the Auskoppelspiegel are interchanged with respect to the case described above.
  • the laser resonator has a coupling-out mirror, which is designed as a phase-shifting device and as a polarizer device.
  • the combined generation and stabilization of the radially or azimuthally polarized laser radiation on a single optical element can save costs compared to the case where two or more optical elements are provided for this purpose.
  • the laser resonator has an end mirror, which is designed as a phase shifting device and as a polarizer device.
  • the end mirror of the laser resonator can be used for the combined generation and stabilization of the radially or azimuthally polarized laser radiation. Both in the end mirror and in the outcoupling mirror, it is advantageous in this case for the laser radiation to strike almost perpendicular to its surface.
  • the phase shifting device is embodied as a transmissive, in particular as a shape birefringent optical element, which is connected between the output mirror and the end mirror. is orders.
  • a birefringent element may optionally also be used, which is composed of a multiplicity of individual elements (facets) which each have different birefringent properties and, in their entirety, generate desired phase difference.
  • the phase shift device is arranged on the output mirror or the end mirror and is in direct contact with the output mirror or end mirror.
  • a phase-shifting device can serve, for example, a transmissive shape birefringent plate.
  • the phase shifting device can be fixed on the output mirror or the end mirror, e.g. by glued to the edge or stored in a common bracket.
  • the polarizer device is designed as Auskoppelapt or as an end mirror and is used to generate laser radiation with a radial or azimuthal polarization state by the difference in reflectance between these two polarization directions is chosen sufficiently large.
  • the polarizer device is designed as a transmissive, in particular as a form-birefringent optical element.
  • laser radiation with the unwanted state of polarization is not or only slightly transmitted and thus produces a difference in transmission between the radial and azimuthal direction of polarization.
  • the polarizer device is formed by the at least one folding mirror.
  • the radially or azimuthally polarized laser radiation is generated by the reflectance difference of the or the folding mirror between the perpendicular and parallel to the plane of incidence polarized components of the laser radiation, as shown in Fig. 3a.
  • the phase shift means for generating a phase difference between the radial and the azimuthal Polarization direction of the laser radiation is designed in the laser resonator between 30 ° and 330 °, preferably between 60 ° and 300 °, more preferably between 65 ° and 90 °, most preferably between 70 ° and 80 °, in particular at 75 °.
  • FIGS. 1 a-c show the beam cross section of a laser resonator with linear (FIG. 1 a), azimuthal (FIG. 1 b) and radial (FIG. 1 c) polarized laser radiation;
  • Fig. 2 shows a folded laser resonator with a Auskoppelapt, a
  • FIGS. 3a, b the reflectivities R (FIG. 3a) and phase differences ⁇ (FIG. 3b) of the perpendicular and parallel polarized components of a laser beam as a function of the angle of incidence ⁇ of the laser beam for a dielectrically coated folding mirror;
  • FIGS. 4a-c a grid for generating radially polarized laser radiation in one
  • FIG. 4a An oblique view and a detail view according to III (FIG. 4a), a leaky mode grating applied to a dielectric substrate and multilayer system (FIG. 4b) and a GIRO effect grating applied to a dielectric substrate (FIG. 4c);
  • FIGS. 5a, b show embodiments of a laser resonator according to the invention with a coupling-out mirror as a phase shifting device and an end mirror as a polarizer device (FIG. 5a) and with the FIG Output mirror as a phase shift and polarizer device (Figure 5b);
  • FIGS. 6a-d show embodiments of a laser resonator according to the invention with a shape-birefringent plate as a phase-shifting device, which is mounted between end mirror and output mirror (FIGS. 6a, b), on the end mirror (FIG. 6c) or on the output mirror (FIG is;
  • FIGS. 7a, b Calculated reflectivities and reflectance differences (Figure 7a) and calculated phase differences (Figure 7b) of a leaky-mode grating
  • FIGS. 8a, b calculated reflectance and reflectance differences (FIG. 8a) and calculated phase differences (FIG. 7b) of a grid with GIRO
  • the Fign. 4a-c show known polarizer devices for generating radially or azimuthally polarized laser radiation, which can be arranged in a laser resonator.
  • Fig. 4a shows a grating mirror 10 with a grid 11, which has a ring structure with concentric grating grooves 12 and grid bars 13 and is produced on a surface 14 of a metallic substrate 15 by turning.
  • the laser radiation with GE tangentially to the grating grooves 12 extending polarization as TE polarized and designated perpendicular to the grating grooves 12 extending polarization as TM polarized.
  • the essential parameters by which the polarization is influenced are the grating period ⁇ , the depth d of the grating grooves 12 and the width b of the grating webs 13.
  • the filling factor f is the ratio of the width b of the grating webs 13 to the grating period ⁇ .
  • the TE component corresponds to the azimuthal polarization direction and the TM component corresponds to the radial polarization direction.
  • the grating 11 can be designed as described in DE 10 2004 042 748 A1, ie have a grating period ⁇ which is greater than the wavelength of the laser radiation in the laser resonator, or designed according to US Pat. No. 6,680,799 B1 or US Pat. No. 6,191,890 B1 be, ie have a grating period ⁇ , which is smaller than the laser wavelength.
  • FIG. 4 b shows a grating mirror 20 with a sub-wavelength grating 21 formed on a cover layer 24 of a multi-layer system 22, which is arranged on a dielectric substrate 23.
  • the sub-wavelength grating 21 may also be disposed within one or more layers of the multilayer system 22 or between the multilayer system 22 and the substrate 23 (not shown).
  • the grating period and the grating shape of the grating 21 are selected such that a polarization direction of the laser beam is coupled into at least one leaky mode of the multilayer system 22 and the substrate 23. This can be done as described in US 6,680,799 B1, wherein the spectral position of the at least one leaky mode is selected such that it is close enough to the laser wavelength ⁇ 0 .
  • the position of the reflectance difference ⁇ R between the axial and radial polarization directions can be influenced to be in the desired range.
  • the design can also be designed so that several leaky modes are in the immediate vicinity of the laser wavelength ⁇ 0 . This is done by calculating the field distribution of the leaky modes for a given approach, ie, for a given choice of the parameters of the multilayer system 22, and identifying the layer (s) most in interaction with the leaky fashion stands (stand). The exact spectral position of this leaky mode can now be influenced by varying this layer (s). Numerical calculation methods (eg RCWA) can iteratively influence the desired spectral position of all leaky modes. It may be found that the chosen approach must be modified to vary the number of layers of the multi-layer system 22. With the spectral Placement of the leaky modes and matching grid design, which resonantly couple these leaky modes, can therefore be influenced on the spectral distribution of the reflectance difference ⁇ R of radial and azimuthal polarization direction.
  • the grating mirror 20 according to FIG. 4b can be designed as a highly reflective end mirror for a laser resonator, wherein the reflectance is set by the structure of the multilayer system 22. The indicated by an arrow, incident on the grating 21 laser radiation is reflected differently from this depending on the polarization direction.
  • the grating mirror 20 can also be designed such that the laser beam is incident from the side of the substrate 23 and the grating is arranged on the rear side of the end mirror (compare the arrangement in FIG. 4c).
  • FIG. 4c shows a further grating mirror 30 with a sub-wavelength grating 31 in which the grating period ⁇ is smaller than the laser wavelength ⁇ 0 (10.6 ⁇ m for CO 2 laser radiation).
  • the lattice parameters (grating period ⁇ , lattice shape) are chosen such that the grating 31 exhibits the so-called GIRO effect, which results in a high polarization selectivity. Details of the GIRO effect are described in the aforementioned US Pat. No. 6,191,890 B1.
  • first dielectric medium 32 eg gallium arsenide
  • second dielectric medium 33 eg air
  • the grating 31 formed at an interface between the two dielectric media 32, 33, which has a mean refractive index ⁇ IAV, which lies between the two refractive indices n 1 ( n 2)
  • the grating mirror 30 can be formed as a highly reflective end mirror. wherein the grating 31 is arranged on the rear side of the end mirror The incident laser beam indicated by an arrow traverses the first dielectric medium 32 and is reflected by the grating 31.
  • the Fign. 5a and 5b show two laser resonators 40, 40 'each having a highly reflective end mirror 41, 41' and a partially transmitting Auskoppelapt 42, 42 ', wherein in the beam path 43 between the end and Auskoppelapt two folding mirrors 44, 45 are arranged, which are at an angle of incidence of each 45 ° are operated.
  • the phase shift device is formed as a reflective optical element in the laser resonators 40, 40 'of Fig. 5a and 5b.
  • FIG. 5a shows a laser resonator 40, in which the output mirror 42 is designed as a phase shifting device and the end mirror 41 as a polarizer device.
  • the output mirror 42 is provided with a grating 46 which produces a phase difference ⁇ between the radial and azimuthal polarization direction of the laser radiation, and the end mirror 41 has a grating 47 which generates a reflectance difference ⁇ R between the radial and azimuthal polarization directions.
  • the end mirror 41 can also be designed as a phase shifting device and the coupling-out mirror 42 as a polarizer device (not shown).
  • Fig. 5b shows a laser resonator 40 ', in which the Auskoppelapt 42' is designed as a phase-shifting device and as a polarizer device.
  • the output mirror 42 ' is provided for this purpose with a grid 48 which produces a phase difference ⁇ and a reflectance difference ⁇ R between the radial and azimuthal polarization direction of the laser radiation, so that a radial polarization state is established in the laser resonator 40', as shown in FIG. 1c.
  • the intensity distribution of the radially polarized radiation generated in the laser resonator 40 ' is distributed annularly around the center of the beam cross section.
  • the grating 48 can be constructed as described in US Pat. No. 6,680,799 B1, DE 10 2004 042 748 A1, US Pat. No. 6,191, 890 B1 or the article by Goncharski et al. be executed described.
  • suitable parameters for the generation of the reflectance difference .DELTA.R reference is made to these documents, wherein the parameters of the grid 48 must be additionally selected such that adjusts the desired phase difference between radial and azimuthal polarization.
  • the Fign. 6a, b show two further laser resonators 50, 50 'with a highly reflective end mirror 51 and a partially transmitting Auskoppelapt 52, in which in the beam path 53 between the end and the Auskoppelapt 51, 52nd two folding mirrors 54, 55 are arranged, which deflect a laser beam at an angle of incidence of 45 ° in each case.
  • the phase shift device is formed in both cases as a transmissive, shape-birefringent optical element 56, 56 'which is arranged between the end and the output coupling mirror 51, 52.
  • a birefringent element may optionally also be used, which is composed of a multiplicity of individual elements (facets) which each have different birefringent properties and, in their entirety, generate desired phase difference.
  • FIG. 6a shows a laser resonator 50, in which, in addition to the shape-birefringent element 56 (also referred to below as a birefringent plate), a further transmissive optical element 57 is provided as a polarizer device, which has a transmittance difference ⁇ T between the radial and azimuthal polarization directions the laser radiation generated.
  • a transmissive polarizer device 57 for generating radially or azimuthally polarized laser radiation
  • the outcoupling mirror 51 or the end mirror 52 can be embodied as polarizer device which generates a reflectance difference ⁇ R between radial and azimuthal polarization direction of the laser radiation (not shown).
  • the shape-birefringent plate 56 could also be disposed between the end mirror 51 and the first folding mirror 54 or between the coupling-out mirror 52 and the second folding mirror 55 (not shown).
  • FIG. 6b shows a laser resonator 50 ', in which the transmissive, birefringent plate 56' is designed as a phase shifting device and as a polarizer device.
  • the shape-birefringent plate 56 ' when traversed twice, produces the desired phase difference ⁇ and the desired transmittance.
  • Missionsgraddifferenz .DELTA.T between the radial and azimuthal polarization direction of the laser radiation in the laser resonator 50 '.
  • the Fign. 6c, d show laser resonators 60, 60 'with an end mirror 61 and a coupling-out mirror 62.
  • two folding mirrors 64, 65 are arranged, which deflect the laser beam by 90 ° in each case.
  • the function of the phase shifting device is as shown in Figs. 6a, b are filled by a shape-birefringent plate 66.
  • the output mirror 62 is formed, which generates a reflectance difference .DELTA.R between the radial and azimuthal polarization direction of the laser radiation.
  • the output mirror 62 a grid according to the Fign.
  • the shape-birefringent plate 66 is fixed on the end mirror 61 in the laser resonator 60 of FIG. 6c and on the output mirror 62 in the laser resonator 60 'of FIG. 6d.
  • the in Fign. 5a, b and 6a-d illustrated types of laser resonators 40, 40 '; 50, 50 '; 60, 60 ' have in common that they produce both a reflectance difference and a transmittance difference for producing a stable, axially symmetrical polarization state of the laser radiation and also locally influence the phase difference between the polarization directions of the laser radiation. It is understood that the skilled person can modify the arrangements shown above according to his needs, ie, for example, the number of folding mirrors or the wavelength of the laser radiation can vary.
  • polarizer or phase shift devices can also be arranged in a laser resonator, wherein these elements can also be embodied differently than described here and arranged at other locations in the laser resonator.
  • the folding mirrors 44, 45; 54, 55; 64, 65 optionally serve as polarizer means for generating radially or axially polarized laser radiation, so that it is possible to dispense with an additional, axially symmetrical polarizer device in the laser resonator.
  • the folding mirrors 44, 45; 54, 55; 64, 65 are also provided with grating structures which have the desired reflectance and phase differences and which are optimized for the typically occurring angles of incidence of 45 °. The Fign.
  • Figures 7a and 7b show the calculated reflectances R and reflectance differences ⁇ R ( Figure 7a) and the calculated phase differences ⁇ ( Figure 7b) for a grating formed as a phase shift and polarizer device and as an end mirror in a laser resonator.
  • the grating 21 is formed on the top layer 24 of germanium of the multilayer system 22 according to the structure shown in Fig. 4b, which is in turn deposited on the gallium arsenide dielectric substrate 23.
  • the grating 21 has a ring structure with concentric grating grooves and grid webs (see Fig. 4a) and is designed for operation with laser radiation at a laser wavelength A 0 of 10.6 microns.
  • the grating 21 further has a grating period ⁇ , which is less than the laser wavelength A 0 and 6.27 microns.
  • the depth d of the grating grooves is 3.42 ⁇ m and the width of the grating webs corresponds to half the grating period ⁇ of the grating 21, so that the filling factor f of the grating corresponds to 50%.
  • the parameters of the grating 21 have been optimized so that the unwanted azimuthal polarization component is coupled into leaky modes.
  • the grating equipped with these parameters makes it possible to generate a reflectance difference ⁇ R and a phase difference ⁇ , which enable the stable generation of radially polarized radiation in a laser resonator, as explained in more detail below.
  • FIG. 7 a shows the dependence of the reflectivities R of the TM and TE polarized laser radiation on the wavelength ⁇ of the incident laser radiation. It can be clearly seen that for certain values of the wavelength ⁇ , the TE component has minima of the reflectance R, which are referred to as leaky modes, the position of which depends on the nature of the multilayer system 22 and the substrate 23.
  • the wavelengths ⁇ i and A 2 belonging to the two leaky modes TE L i and TE L2 are arranged at such a small distance from the operating wavelength ⁇ 0 of the grating 21 that they are located within the spectral amplification bandwidth of an associated laser resonator.
  • Figures 8a and 8b show the calculated reflectances R and reflectance differences ⁇ R ( Figure 8a) and the calculated phase differences ⁇ ( Figure 8b) for a grating 31 formed as a phase shift and polarizer device and as an end mirror in a laser cavity.
  • the grating 31 is formed on a dielectric substrate 32 of gallium arsenide (GaAs) according to the structure shown in Fig. 4c, and has a ring structure with concentric grating grooves and grating lands (see Fig. 4a) and is included for operation with laser radiation a laser wavelength ⁇ o of 10.6 microns designed.
  • the grating period ⁇ is 6.27 ⁇ m
  • the depth d of the grating grooves is 3.42 ⁇ m
  • the calculated reflectance R of the grating 31 for TM and TE polarized laser radiation is shown in FIG. 8a as a function of the wavelength ⁇ , wherein the reflectance difference ⁇ R between the TM and TE components at the operating wavelength ⁇ 0 is 10.6 ⁇ m is maximum.
  • the reflectance R for the TM component is 99.2% and for the TE component 0.1%, ie, the reflectance difference ⁇ R is 99.1%.
  • the parameters of the grating 31 are chosen such that it exhibits the so-called GIRO effect, which results in an extraordinarily strong polarization selectivity.
  • the reflectance difference ⁇ R between the TM component and the TE component should be at least 5%, preferably at least 15%, particularly preferably at least 50%.
  • phase difference ⁇ can be achieved that the formed in the laser resonator, radially polarized Laser radiation even in the presence of phase-shifting optical elements, such as, for example, several folding mirrors (see Fig. 2) can be obtained.
  • the above-described radially symmetric gratings are designed such that the grating period ⁇ is constant over the entire field of the laser radiation. It is understood that for the generation and / or stabilization of the laser radiation, the grating period ⁇ or the grating shape can optionally also be variably selected in the radial direction, so that in particular the phase difference is dependent on the radial coordinate. In the case of the modulation of the grating period ⁇ , however, care must be taken that this is not chosen to be smaller in lattices of the type described in DE 10 2004 042 748 A1 than the laser wavelength ⁇ 0 or in gratings of the type described in US Pat. No. 6,680,799 B1 or US Pat. No. 6,191 , 890 B1 type does not exceed the laser wavelength ⁇ 0 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Phasenschiebe-Einrichtung (42') zur Stabilisierung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung innerhalb eines Laserresonators (40'), wobei der Laserresonator (40') eine Polarisator-Einrichtung (42') zur Erzeugung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung (3a, 3b) umfasst. Die Phasenschiebe-Einrichtung (42') ist derart ausgebildet, dass sie pro Umlauf im Laserresonator (40') eine Phasendifferenz (Δφ) zwischen ca. 30° und ca. 330°, bevorzugt zwischen ca. 70° und ca. 290°, besonders bevorzugt zwischen ca. 160° und ca. 200°, insbesondere von ca. 180° zwischen der radialen und der azimutalen Polarisationsrichtung der Laserstrahlung erzeugt und eine axiale Symmetrie aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Laserresonator (40') mit einer solchen Phasenschiebe-Einrichtung (42').

Description

Phasenschiebe-Einrichtung und Laserresonator zur Erzeugung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Phasenschiebe-Einrichtung zur Stabilisierung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung innerhalb eines Laserresonators, wobei der Laserresonator eine Polarisator-Einrichtung zur Erzeugung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung umfasst. Sie betrifft weiterhin einen Laserresonator zur Erzeugung und Stabilisierung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung mit einer Polarisator-Einrichtung zur Erzeugung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung. Eine Laserresonator mit einer Polarisator-Einrichtung zur Erzeugung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung ist durch den Artikel „Optical Elements of a Laser Cavity for the Production of a Beam with Axially Symmetrie Polarization" von Goncharskii et al., Optics and Spectroscopy Vol. 89, Nr.1 , 2000, Seiten 146-149, bekannt geworden. In dem Artikel werden axial symmetrische Gitter als Polarisator- Einrichtungen zur Erzeugung radial und/oder azimutal polarisierter Laserstrahlung in einem Laserresonator beschrieben, wobei zwischen zwei Gittertypen unterschieden wird: Beim ersten, sternförmigen Gittertyp verlaufen die Gitterlinien ausgehend von einem gemeinsamen Mittelpunkt radial nach außen, so dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Gitterlinien und damit die Gitterperiode mit zunehmendem Abstand vom Mittelpunkt anwächst. Dies führt dazu, dass radial polarisierte Laserstrahlung bei diesem Gittertyp nur mit einem Anteil an falsch polarisierter Strahlung erhalten werden kann. Beim zweiten, konzentrischen Gittertyp verlaufen die Gitterlinien ringförmig, so dass das Gitter über den gesamten radialen Bereich eine konstante Gitterperiode aufweist.
Die Erzeugung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung in einem Laserresonator kann daneben auch durch Polarisator-Einrichtungen wie bspw. in der US 6,680,799 B1 , der DE 10 2004 042 748 A1 oder der US 6,191 ,890 B1 beschrieben ausgeführt sein, welche bezüglich dieses Aspekts durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht werden. Es versteht sich, dass hierbei jeweils die Reflexionsgraddifferenz zwischen radial und azimutal polarisierter Laserstrahlung pro Umlauf im Laserresonator größer als die Depolarisation für radial/azimutal polarisierte Strahlung pro Umlauf im Laserresonator gewählt werden muss. Unter Depolarisation versteht man hierbei den Leistungsanteil in der unerwünschten Polarisationsrichtung (z.B. azimutaler Polarisation) im Verhältnis zur gesamten Leistung.
Aus der US 6,680,799 B1 ist ein Sub-Wellenlängen-Gitter zur Erzeugung radial polarisierter Strahlung bekannt, dessen Gitterperiode kleiner als die Wellenlänge der einfallenden Laserstrahlung ist. Das Sub-Wellenlängen-Gitter ist in einer Ausführungsform auf ein dielektrisches Mehrfachschichtsystem aufgebracht, das auf einem metallischen oder dielektrischen Substrat angeordnet ist. Die Polarisationsselektivität des Gitters ist abhängig davon, ob der Laserstrahl von der Substratseite oder der Gitterseite her einfällt: Im ersten Fall durch Einkopplung der unerwünschten Polarisationskomponente in einen Wellenleitermode einer Deckschicht des Mehrfachschichtsystems, im zweiten Fall durch Absorption der unerwünschten Polarisationskomponente in ein metallisches Substrat oder, bei Verwendung eines dielektrischen Substrats dadurch, dass die unerwünschte Polarisationskomponente unter Winkeln, die im Bereich der Totalreflexion liegen, in Leaky-Modes in das Substrat eingekoppelt wird. Prinzipiell ist die Bandbreite der Einkopplung sehr schmal, so dass Sub-Wellenlängen-Gitter in der Regel mit engen Toleranzen zu fertigen sind.
Aus der DE 10 2004 042 748 A1 ist ein periodisches oder quasiperiodisches, konzentrisches oder spiralförmiges Beugungsgitter bekannt geworden, bei dem die
Gitterperiode größer als die Laserwellenlänge ist, so dass neben der nullten
Beugungsordnung auch höhere Beugungsordnungen auftreten. Die Gitterperiode und die Gitterform sind derart gewählt, dass bezüglich der Laserwellenlänge der
Reflexionsgrad der TM-Komponente in die eine genutzte Beugungsordnung größer als der Reflexionsgrad der TE-Komponente in diese Beugungsordnung ist. Durch geeignete Wahl der Gitterperiode und Gitterform wird ein Teil der einfallenden
Laserstrahlung nicht in die eine genutzte Beugungsordnung zurückgeworfen, sondern wird abhängig von der Polarisation, mehr oder weniger auch in andere
Beugungsordnungen gelenkt. Dadurch wird ein nennenswerter Teil der TE- Polarisation aus der optischen Achse ausgebeugt, während die TM-Polarisation nur in der einen genutzten Beugungsordnung zurückreflektiert wird. Dies hat zur Folge, dass die TE-Polarisation höhere Verluste im Laserresonator erfährt.
Die US 6,191 ,890 B1 beschreibt eine Anordnung, bei der zwischen einem ersten und einem zweiten dielektrischen Medium eine dielektrische Schicht angebracht ist, welche eine periodische Variation der dielektrischen Eigenschaften parallel zur Schicht aufweist und deren Periodenlänge kleiner als die Wellenlänge der Laserstrahlung im zweiten dielektrischen Medium ist. Mittels dieser gitterförmigen, periodischen Struktur kann vom ersten Medium einfallende Laserstrahlung mit einem ersten Polarisationszustand mit einem hohen Reflexionsgrad in die nullte Beugungsordnung, d.h. spekular, reflektiert werden (sog. GIRO „Giant Reflectivity to order 0"- Effekt), wohingegen Laserstrahlung mit einem zweiten Polarisationszustand nur in sehr geringem Maße reflektiert wird. In Laserresonatoren erzeugte Laserstrahlung ist für gewöhnlich unpolarisiert oder linear polarisiert. Linear polarisierte Laserstrahlung 2 weist eine identische Ausrichtung des elektrischen Feldstärkevektors, welche im Folgenden als Polarisationsrichtung Ey bezeichnet wird, über den gesamten Strahlquerschnitt 1 auf, wie in Fig. 1a gezeigt ist. Die Laserstrahlung 2 hat keine Komponente des elektrischen Feldstärkevektors in einer dazu senkrechten Polarisationsrichtung Ex. Bei bestimmten Anwendungen kann es von Vorteil sein, wenn die Laserstrahlung 3a, 3b in einem Laserresonator azimutal oder radial polarisiert ist, wie in Fig. 1b und Fig. 1c gezeigt ist. Bei den beiden letztgenannten Polarisationstypen ist die Laserstrahlung 3a, 3b lokal linear polarisiert, weist aber über den Strahlquerschnitt 1 hinweg eine inhomogene Verteilung auf, d.h. die elektrischen Feldstärkevektoren Eφ, Er verlaufen an jedem Punkt in azimutaler bzw. in radialer Richtung, wobei in der Mitte des Strahlquerschnitts eine Nullstelle vorliegt und der elektrische Feldstärkevektor Eφ bzw. Er an dieser Stelle verschwindet.
Bei modernen CO2-Hochleistungslasem zur Lasermaterialbearbeitung, die bspw. zum Laserschneiden oder Laserschweißen eingesetzt werden, sind mehrere Faltungsspiegel üblich, die den Strahlengang zwischen einem Endspiegel und einem Auskoppelspiegel falten. Fig. 2 zeigt einen quadratisch gefalteten Laserresonator 4 eines Cθ2-Gaslasers mit acht Entladungsstrecken. Ein teildurchlässiger Auskoppelspiegel 5 und ein hochreflektierender Endspiegel 6 begrenzen den Laserresonator 4. Der Laserstrahl wird über acht Faltungsspiegel 7a-c, 8a-b, 9a-c in zwei übereinander liegenden Ebenen quadratisch gefaltet, wobei vier Faltungsspiegel 7a-c, 8a in der oberen Ebene und vier Faltungsspiegel 8b, 9a-c in der unteren Ebene angeordnet sind. Der Laserstrahl wird vom Endspiegel 6 kommend an den ersten drei Faltungsspiegeln 7a, 7b und 7c in der oberen Ebene um jeweils 90° umgelenkt. Der Laserstrahl, der vom dritten Faltungsspiegel 7c auf den vierten Faltungsspiegel 8a in der oberen Ebene umgelenkt wird, wird von diesem und anschließend vom ersten Faltungsspiegel 8b in der unteren Ebene ebenfalls um 90° umgelenkt, allerdings in einer dazu senkrechten Richtung, und gelangt von der oberen Ebene in die untere Ebene. Die drei weiteren Faltungsspiegel 9a, 9b und 9c lenken den Laserstrahl um jeweils 90° in der unteren Ebene um. Vom vierten Faltungsspiegel 9c der unteren Ebene kommend trifft der Laserstrahl auf den teildurchlässigen Auskoppelspiegel 5, an dem ein Teil des Laserstrahls aus dem Laserresonator 4 ausgekoppelt und ein anderer Teil in sich zurück reflektiert wird. Der reflektierte Laserstrahl trifft in umgekehrter Richtung auf die acht Faltungsspiegel 7a-c, 8a-b, 9a-c und durchquert sämtliche Entladungsstrecken zwischen dem Auskoppelspiegel 5 und dem Endspiegel 6.
Bekannt ist, dass jeder beliebige Polarisationszustand eines Laserstrahls (z.B. radial oder azimutal) nach Reflexion an einem optischen Element durch Überlagerung einer senkrecht und einer parallel polarisierten Komponente dargestellt werden kann. Die senkrecht polarisierte (s-polarisierte) Komponente ist senkrecht zur Einfallsebene, die durch den einfallenden und reflektierten Laserstrahl gebildet ist, ausgerichtet und die parallel polarisierte (p-polarisierte) Komponente parallel zur Einfallsebene. Optische Materialien (beschichtete und unbeschichtete Spiegel) weisen für die s- und p-polarisierten Komponenten eines Laserstrahls unterschiedliche Reflexionsgrade R in Abhängigkeit vom Einfallswinkel α auf, wie in Fig. 3a dargestellt ist. Bei größeren Einfallswinkeln ist für gewöhnlich der Reflexionsgrad R der s-polarisierten Komponente (Kurve S) größer als der Reflexionsgrad R der p-polarisierten Komponente (Kurve P). Zusätzlich zur Reflexionsgraddifferenz bildet sich bei der Reflexion auch eine vom Einfallswinkel α abhängige Phasendifferenz Δφ zwischen den senkrecht und parallel polarisierten Komponenten aus, wie in Fig. 3b dargestellt ist.
Betrachtet man den Laserresonator gemäß Fig. 2 erkannt man, dass die ersten drei Faltungsspiegel 7a-c der oberen Ebene und die letzten drei Faltungsspiegel 9a-c der unteren Ebene die gleiche Umlenkebene aufweisen (erste Umlenkebene), wohingegen die Umlenkebene der beiden übrigen Faltungsspiegel 8a und 8b senkrecht dazu ausgerichtet ist (zweite Umlenkebene). Dies führt dazu, dass die senkrecht polarisierte Komponente der ersten Umlenkebene zur parallel polarisierten Komponente der zweiten, dazu senkrechten Umlenkebene wird. Gleiches gilt für die parallel polarisierte Komponente der ersten Umlenkebene. Insgesamt erfährt ein Laserstrahl durch Umlenkung an den acht Faltungsspiegeln 7a-c, 8a-b, 9a-c eine Reflexionsgraddifferenz von δR=δR7a+δR7b+δR7c-δR8a-δR8b+δR9a+δR9b+δR9C (als lineare Näherung für große Reflexionsgrade R1 und kleine Reflexionsgraddifferenzen 5R1 der Faltungsspiegel) und eine Phasendifferenz von δφ=δφ7a+δφ7b+δφ7c-δφ8a- δφ8b+δφ9a+δφ9b+δφ9C zwischen den senkrecht und parallel zur Einfallsebene polari- sierten Komponenten, die sich aus den Reflexionsgraddifferenzen δRj und Phasendifferenzen δψi der Faltungsspiegel 7a-c, 8a-b, 9a-c ergeben.
Als Faltungsspiegel für CO2-Hochleistungslaser werden in der Regel Silizium- oder Kupfer-Spiegel mit einer hoch reflektierenden metallbasierenden Beschichtung, sogenannte MMR-Spiegel (MMR=Maximum Metal Reflector), oder Spiegel mit einer hart-versiegelten Silber- oder Goldbeschichtung verwendet. MMR-Spiegel weisen eine dielektrische Beschichtung auf und erzeugen Reflexionsgrade > 99,7 % bei 10,6 μm. Herstellungsbedingte Ungenauigkeiten bspw. in der Schichtdicke oder in den Brechungsindices der einzelnen Schichten führen dazu, dass jeder Faltungsspiegel individuelle Reflexionsgrad- und Phasendifferenzen δRj, δψj zwischen den s- und p- polarisierten Komponenten des Laserstrahls aufweist. Der Optikhersteller H-Vl gibt für seine Faltungsspiegel Toleranzen für die Reflexionsgraddifferenz von 0,2 % und für die Phasendifferenz < 2° an. Eine Messung der Reflexionsgrad- und Phasen- differenzen einer Mehrzahl von Faltungsspiegel hat ergeben, dass typische Faltungsspiegel für CO2-Hochleistungslaser bei einer Reflexion unter einem Einfallswinkel von 45° eine Reflexionsgraddifferenz δRj von ungefähr 0,2 % und eine Phasendifferenz δψj von ungefähr 1° zwischen den senkrecht und parallel polarisierten Komponenten des Laserstrahls pro Faltungsspiegel aufweisen. Die Herstellung von Faltungsspiegeln mit engeren Fertigungstoleranzen würde einen erheblichen Mehraufwand bei den Herstellungskosten bedeuten.
Untersuchungen an gefalteten Laserresonatoren, wie dem Laserresonator in Fig. 2, haben gezeigt, dass ein im Laserresonator erzeugter, radial oder azimutal polarisierter Laserstrahl instabil werden kann und die Polarisation von radial oder azimutal in lineare, elliptische oder eine Undefinierte Polarisation wechseln kann. Die Erfinder haben erkannt, dass die Ursache für diese instabile radiale oder azimutale Polarisation in der Phasendifferenz δφ zwischen den senkrecht und parallel zur Einfallsebene polarisierten Komponenten des Laserstrahls liegt, die nach Reflexion an konventionellen Faltungsspiegeln oder Strahlteilern im Laserresonator auftritt. Die Phasendifferenz δφ zwischen den s- und p-polarisierten Laserstrahlkomponenten kann dazu führen, dass ein anderer als der gewünschte radiale oder azimutale Polarisationszustand die Randbedingungen des Laserresonators besser erfüllt und sich im Laserresonator einstellt, so dass die radiale oder azimutale Polarisation zerstört wird.
Wenn die Reflexionsgrad- und Phasendifferenzen der Faltungsspiegel bekannt sind, kann bei der Auswahl der Faltungsspiegel für einen Laserresonator darauf geachtet werden, dass sich die Reflexionsgrad- und Phasendifferenzen δRj, δψj der einzelnen
Faltungsspiegel möglichst ausgleichen und nicht verstärken, d.h. die Faltungsspiegel werden so ausgewählt und im Laserresonator angeordnet, dass die Summen der
Reflexionsgrad- und Phasendifferenzen δR, δφ möglichst klein sind. Allerdings entsteht ein zusätzlicher Aufwand durch die Messung der Reflexionsgrad- und
Phasendifferenzen sowie die Selektion und Paarung der Faltungsspiegel.
Das Problem der auftretenden Phasendifferenzen zwischen den senkrecht und parallel polarisierten Komponenten des Laserstrahls kann weder durch genauere Herstellungsverfahren noch durch die Selektion und Paarung der Faltungsspiegel vollständig gelöst werden. Bei den Faltungsspiegeln treten wie bei allen optischen Elementen Alterungseffekte auf, die dazu führen, dass sich die Reflexionsgrad- und Phasendifferenzen δRj, δφ, der einzelnen Faltungsspiegel während der Lebenszeit eines Faltungsspiegels verändern. Außerdem sind die Reflexionsgrad- und Phasendifferenzen δRj, δφ, temperaturabhängig, so dass sich die Werte durch die Absorption von Laserstrahlung im Faltungsspiegel verändern.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Phasenschiebe-Einrichtung und einen Laserresonator der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die im Laserresonator erzeugte radial oder azimutal polarisierte Laserstrahlung stabilisiert und besser in ihrer Orientierung kontrolliert werden kann.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Phasenschiebe-Einrichtung der eingangs genannten Art, welche derart ausgebildet ist, dass sie pro Umlauf im Laserresonator eine Phasendifferenz zwischen ca. 30° und ca. 330°, bevorzugt zwischen ca. 70° und ca. 290°, besonders bevorzugt zwischen ca. 160° und ca. 200°, insbesondere von ca. 180° zwischen der radialen und der azimutalen Polarisationsrichtung der Laserstrahlung erzeugt und eine axiale Symmetrie aufweist.
Die Erfinder haben erkannt, dass radial oder azimutal polarisierte Laserstrahlung im Laserresonator durch das Vorsehen einer Einrichtung zur Erzeugung einer Phasendifferenz zwischen der radialen und azimutalen Polarisationsrichtung besser kontrolliert werden kann, insbesondere wenn zusätzliche phasenschiebende optische Elemente wie z.B. Faltungsspiegel oder Strahlteiler im Laserresonator angeordnet sind. Weil die unerwünschte Phasendifferenz in der Regel an nicht-axialsymmetrischen optischen Elementen wie den planaren Faltungsspiegeln erzeugt wird, ist zur Kompensation dieser unerwünschten Phasendifferenz eine Phasenschiebe-Einrich- tung von Vorteil, welche die gewünschte axiale Symmetrie aufweist. Die Phasenschiebe-Einrichtung wird hierbei so ausgelegt, dass die über den gesamten Strahl- querschnitt auftretende, lokal entsprechend der Symmetrie der Faltungsspiegel variierende, unerwünschte Phasendifferenz durch eine betragsmäßig große, axialsymmetrisch verteilte Phasendifferenz überboten wird. Diese Phasendifferenz kann über das gesamte Feld der Laserstrahlung konstant sein oder in den oben angegebenen Grenzen radial oder azimutal über das Feld variieren. Eine über das gesamte Feld konstante Phasendifferenz von ca. 180° hat sich hierbei als besonders vorteilhaft erwiesen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Phasenschiebe-Einrichtung als Gitter ausgebildet, wobei die Gitterperiode und bevorzugt auch die Gitterform derart gewählt sind, dass das Gitter die gewünschte Phasendifferenz zwischen radialer und azimutaler Polarisationsrichtung erzeugt. Das axial symmetrische Gitter kann hierbei zusätzlich auch als Polarisator-Einrichtung dienen und zwischen der radialen und azimutalen Polarisationsrichtung eine Reflexionsgraddifferenz oder eine Transmissionsgraddifferenz erzeugen, je nachdem, ob das Gitter als reflektierendes oder als transmissives optisches Element ausgebildet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Phasenschiebe-Einrichtung als transmissives optisches Element ausgebildet. Ein solches optisches Element kann innerhalb des Laserresonators bspw. zwischen einem Auskoppelspiegel und einem Endspiegel angeordnet werden und wird von der Laserstrahlung bei einem Umlauf im Laserresonator zweimal durchlaufen, so dass dieses gegenüber einer Phasen- schiebe-Einrichtung, welche als reflektierendes optisches Element ausgebildet ist, nur die halbe Phasendifferenz erzeugen muss.
Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist das transmissive optische Element als form-doppelbrechendes Element ausgebildet. Durch geeignete Mikro- strukturierung von transparenten, optisch isotropen Materialien (z.B. GaAs für Infrarotanwendungen) mit einer Periodizität, die in mindestens einer Dimension deutlich unter der benutzten Laserwellenlänge liegt, kann auf der Basis der Form- Doppelbrechung ein transmissives optisches Element hergestellt werden, dessen optische Verzögerung zwischen „schneller" und „langsamer" Polarisationsrichtung und dessen lokale Orientierung der Polarisationsachsen durch die Art der Mikrostrukturierung (z.B. Form und Orientierung der Einzelstrukturen) in geeigneter Weise gesteuert werden kann, um eine radial/azimutal (bzw. radialsymmetrisch)- doppelbrechende Verzögerungsplatte (vorzugsweise mit ca. 90° Phasendifferenz im Einfachdurchgang) zu erzeugen. Hierbei ist nicht zwingend erforderlich, dass die Mikrostrukturen ein Gitter ausbilden, vielmehr können auch Mikrostrukturen verwendet werden, bei denen lokal Strukturen vorgesehen sind, welche auf makroskopischer Ebene nicht zusammenhängen. Form-doppelbrechende Gitter als Phasenschiebe-Einrichtung sind z.B. in folgenden Veröffentlichungen beschrieben: "Broadband form birefringent quarter-wave plate for the mid-infrared wavelength region": Gregory P. Nordin and Panfilo C. Deguzman (11 October 1999 / Vol. 5, No. 8 / OPTICS EXPRESS 163), sowie „Form-birefringence structure fabrication in GaAs by use of SU-8 as a dry-etching mask": Lin Pang, Maziar Nezhad, Uriel Levy, Chia- Ho Tsai, and Yeshaiahu Fainman (APPLIED OPTICS / Vol. 44, No. 12 / 20 April 2005), welche bezüglich dieses Aspekts durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Phasenschiebe-Einrichtung als reflektierendes optisches Element ausgebildet. Bevorzugt ist das reflektierende optische Element als Endspiegel oder als Auskoppelspiegel ausgebildet. Diese optischen Elemente können zusätzlich auch als Polarisator-Einrichtung ausgebildet sein und daher neben der gewünschten Phasendifferenz auch eine Reflexionsgraddifferenz erzeugen, durch den die radial oder azimutal polarisierte Laserstrahlung in dem Laserresonator erzeugt wird. Sowohl die Erzeugung der radial oder azimutal polarisierten Laserstrahlung als auch deren Stabilisierung können daher an ein- und demselben optischen Element vorgenommen werden. Alternativ kann ggf. auch einer der im Laserresonator vorhandenen Faltungsspiegel ein Gitter aufweisen, dass als Phasenschiebe-Einrichtung ausgebildet ist und eine Phasendifferenz zwischen der radialen und azimutalen Polarisationsrichtung erzeugt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das reflektierende optische Element ein Mehrfachschichtsystem, das auf einem Substrat angeordnet ist. Das Mehrfachschichtsystem kann hierbei als reflexionsverstärkende Beschichtung ausgebildet sein und weist hierzu eine Anzahl von Einzelschichten auf, deren Brechungsindizes und Dicken derart aufeinander abgestimmt sind, dass durch Interferenzeffekte der Anteil der von dem optischen Element reflektierten Strahlung möglichst groß wird. Auf oder in dem Mehrfachschichtsystem oder an dem Substrat können hierbei Strukturen vorgesehen sein, welche die gewünschte Phasendifferenz erzeugen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die Phasenschiebe-Einrichtung als Gitter ausgebildet, bei dem die Gitterperiode, der Aufbau des Mehrfachschichtsystems, das Material des Substrats und bevorzugt auch die Gitterform derart gewählt sind, dass die radiale oder azimutale Polarisationsrichtung der Laserstrahlung in mindestens einen Leaky-Mode des Mehrfachschichtsystems und des Substrats eingekoppelt und die Phasendifferenz zwischen der radialen und der azimutalen Polarisationsrichtung (Er, Eφ) der Laserstrahlung erzeugt wird. Der Aufbau des Mehrfachschichtsystems ist durch die Anzahl der Einzelschichten, die Abfolge der Einzelschichten sowie durch deren Brechungsindizes und geometrischen Schichtdicken bestimmt. Das Gitter kann hierbei grundsätzlich wie die in der US 6,680,799 B1 beschriebenen Gitter ausgelegt sein, welche zur Erzeugung einer Reflektionsgraddifferenz zwischen den radial und azimutal polarisierten Laserstrahlkomponenten ausgelegt sind, wobei zusätzlich die oben genannten Parameter noch so aufeinander abgestimmt werden müssen, dass sich auch die gewünschte Phasendifferenz zwischen radialer und azimutaler Polarisationsrichtung einstellt. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Phasenschiebe-Einrichtung als periodisches oder quasiperiodisches, konzentrisches oder spiralförmiges Gitter ausgebildet, bei dem die Gitterperiode und bevorzugt auch die Gitterform derart gewählt sind, dass bezüglich der Laserwellenlänge der TM-Reflexionsgrad des Gitters in die eine genutzte Beugungsordnung größer oder kleiner als der TE- Reflexionsgrad des Gitters in diese Beugungsordnung ist und die Phasendifferenz zwischen der radialen und der azimutalen Polarisationsrichtung der Laserstrahlung erzeugt wird. Das Gitter kann in diesem Fall grundsätzlich wie die in der eingangs genannten DE 10 2004 042 748 A1 beschriebenen Gitter ausgelegt sein, wobei auch in diesem Fall zusätzlich die oben genannten Parameter derart aufeinander abgestimmt werden müssen, dass sich eine Phasendifferenz zwischen den radial und azimutal polarisierten Laserstrahlkomponenten einstellt, welche die unerwünschte, z.B. durch die Faltungsspiegel im Laserresonator hervorgerufene Phasendifferenz überbietet.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das reflektierende optische Element als Gitter an einer Grenzfläche zwischen einem ersten dielektrischen Medium mit einem ersten Brechungsindex und einem zweiten dielektrischen Medium mit einem zweiten, kleineren Brechungsindex gebildet, wobei die Gitterperiode kleiner als die Wellenlänge der Laserstrahlung in dem zweiten dielektrischen Medium ist, und wobei die Gitterperiode und bevorzugt auch die Gitterform derart gewählt sind, dass ein mittlerer Brechungsindex des Gitters zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Brechungsindex liegt. Die Laserstrahlung propagiert im ersten Medium und wird an der Grenzfläche zum zweiten Medium reflektiert. Hierbei ist das zweite Medium beispielsweise Luft oder Lasergas mit einem zweiten Brechungsindex. Dieser Gittertyp ist in der eingangs erwähnten US 6,191 ,890 B1 beschrieben und ermöglicht eine besonders hohe Reflexion der auf die Grenzfläche auftreffenden Laserstrahlung.
Bevorzugt sind bei dem oben beschriebenen Gitter die Brechungsindizes der dielektrischen Medien, die Gitterperiode und bevorzugt auch die Gitterform derart gewählt, dass die radiale oder azimutale Polarisationsrichtung der Laserstrahlung in höhere Beugungsordnungen gebeugt und die Phasendifferenz zwischen der radialen und der azimutalen Polarisationsrichtung der Laserstrahlung erzeugt wird. Neben der Erzeugung einer besonders großen Reflexionsgraddifferenz kann zur Erzeugung der gewünschten Phasendifferenz ebenfalls der eingangs genannte GIRO-Effekt genutzt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Phasenschiebe-Einrichtung als Polarisator-Einrichtung zur Erzeugung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung ausgebildet. In diesem Fall erzeugt die Phasenschiebe-Einrichtung zusätzlich zu der Phasendifferenz auch eine ausreichende Reflexionsgrad- oder Transmissionsgraddifferenz zwischen der radialen und azimutalen Polarisations- richtung zur Ausbildung eins radialen oder azimutalen Polarisationszustands der Laserstrahlung in dem Laserresonator.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird neben der Phasendifferenz auch eine Reflexionsgraddifferenz zwischen der radialen und der azimutalen Polarisations- richtung erzeugt, wobei die Reflexionsgraddifferenz bevorzugt mindestens 5%, besonders bevorzugt mindestens 15% und insbesondere mindestens 50% beträgt. Durch einen hinreichend großen Unterschied im Reflexionsgrad zwischen radial und azimutal polarisierter Laserstrahlung lässt sich der gewünschte radiale bzw. azimutale Polarisationszustand in dem Laserresonator einstellen.
Die Erfindung betrifft auch einen Laserresonator mit einer Polarisator-Einrichtung zur Erzeugung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung, bei dem eine Phasenschiebe-Einrichtung zur Erzeugung einer Phasendifferenz zwischen der radialen und der azimutalen Polarisationsrichtung der Laserstrahlung innerhalb des Laserresonators vorgesehen ist, die wie oben beschrieben ausgebildet ist, so dass der gewünschte radiale bzw. azimutale Polarisationszustand der Laserstrahlung in dem Laserresonator stabilisiert werden kann.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Laserresonator mindestens einen, bevorzugt mindestens drei Faltungsspiegel auf, die den Strahlengang der Laserstrahlung zwischen einem Endspiegel und einem Auskoppelspiegel falten. Die Faltungsspiegel ermöglichen einen kompakten Aufbau und dadurch eine hohe mechanische Stabilität des Laserresonators. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Laserresonator einen Auskoppelspiegel, welcher als Phasenschiebe-Einrichtung ausgebildet ist, und einen Endspiegel, welcher als Polarisator-Einrichtung ausgebildet ist. In diesem Fall werden die Reflexionsgraddifferenz und die Phasendifferenz an den beiden gegen- überliegenden Enden des Laserresonators erzeugt. Durch eine Aufteilung dieser beiden Funktionen auf zwei verschiedene optische Elemente können die Reflexionsgraddifferenz und die Phasendifferenz getrennt voneinander eingestellt werden, so dass die jeweils hierfür zur Verfügung stehenden Parameter über einen größeren Wertebereich variiert und somit jede Funktion für sich besser optimiert werden kann.
Bei einer alternativen Ausführungsform weist der Laserresonator einen Endspiegel auf, welcher als Phasenschiebe-Einrichtung ausgebildet ist, sowie einen Auskoppelspiegel, welcher als Polarisator-Einrichtung ausgebildet ist. In diesem Fall sind die Funktionen des Endspiegels und des Auskoppelspiegels gegenüber dem oben beschriebenen Fall vertauscht.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform weist der Laserresonator einen Auskoppelspiegel auf, welcher als Phasenschiebe-Einrichtung und als Polarisator- Einrichtung ausgebildet ist. Durch die kombinierte Erzeugung und Stabilisierung der radial oder azimutal polarisierten Laserstrahlung an einem einzigen optischen Element können gegenüber dem Fall, dass hierfür zwei oder mehr optische Elemente vorgesehen werden, Kosten eingespart werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform weist der Laserresonator einen Endspiegel auf, welcher als Phasenschiebe-Einrichtung und als Polarisator-Einrichtung ausgebildet ist. Neben dem Auskoppelspiegel kann auch der Endspiegel des Laserresonators zur kombinierten Erzeugung und Stabilisierung der radial oder azimutal polarisierten Laserstrahlung verwendet werden. Sowohl beim Endspiegel als auch beim Auskoppelspiegel ist es hierbei vorteilhaft, dass die Laserstrahlung nahezu senkrecht auf deren Oberfläche auftrifft.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Phasenschiebe-Einrichtung als transmissives, insbesondere als form-doppelbrechendes optisches Element ausgebildet, welches zwischen dem Auskoppelspiegel und dem Endspiegel ange- ordnet ist. Neben der bereits oben beschriebenen Möglichkeit, die Phasendifferenz durch Form-Doppelbrechung zu erzeugen, kann ggf. auch ein doppelbrechendes Element zum Einsatz kommen, welches aus einer Vielzahl von Einzelelementen (Facetten) zusammengesetzt ist, die jeweils unterschiedliche doppelbrechende Eigenschaften besitzen und in ihrer Gesamtheit die gewünschte Phasendifferenz erzeugen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die Phasenschiebe-Einrichtung auf dem Auskoppelspiegel oder dem Endspiegel angeordnet und steht in direktem Kontakt zum Auskoppelspiegel oder Endspiegel. Als Phasenschiebe-Einrichtung kann hierbei beispielsweise eine transmissive form-doppelbrechende Platte dienen. Hierbei kann die Phasenschiebe-Einrichtung auf dem Auskoppelspiegel oder dem Endspiegel fixiert werden, z.B. indem sie am Rand aufgeklebt oder in einer gemeinsamen Halterung gelagert wird.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die Polarisator-Einrichtung als Auskoppelspiegel oder als Endspiegel ausgebildet und dient zur Erzeugung von Laserstrahlung mit einem radialen oder azimutalen Polarisationszustand, indem der Unterschied im Reflexionsgrad zwischen diesen beiden Polarisationsrichtungen hinreichend groß gewählt wird.
Bei einer alternativen Weiterbildung ist die Polarisator-Einrichtung als transmissives, insbesondere als form-doppelbrechendes optisches Element ausgebildet. In diesem Fall wird Laserstrahlung mit dem unerwünschten Polarisationszustand nicht oder nur in geringem Maße transmittiert und so eine Transmissionsgraddifferenz zwischen radialer und azimutaler Polarisationsrichtung erzeugt.
Bei einer weiteren alternativen Weiterbildung ist die Polarisator-Einrichtung durch den mindestens einen Faltungsspiegel gebildet. In diesem Fall wird die radial oder azimutal polarisierte Laserstrahlung durch die Reflexionsgraddifferenz des oder der Faltungsspiegel zwischen den senkrecht und parallel zur Einfallsebene polarisierten Komponenten der Laserstrahlung erzeugt, wie in Fig. 3a gezeigt ist. Hierbei hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn die Phasenschiebe-Einrichtung zur Erzeugung einer Phasendifferenz zwischen der radialen und der azimutalen Polarisationsrichtung der Laserstrahlung in dem Laserresonator zwischen 30° und 330°, bevorzugt zwischen 60° und 300°, besonders bevorzugt zwischen 65° und 90°, außerordentlich bevorzugt zwischen 70° und 80°, insbesondere bei 75° ausgelegt ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fign. 1 a-c den Strahlquerschnitt eines Laserresonators mit linear (Fig. 1a), azimutal (Fig. 1 b) und radial (Fig. 1c) polarisierter Laserstrahlung;
Fig. 2 einen gefalteten Laserresonator mit einem Auskoppelspiegel, einem
Endspiegel und acht Faltungsspiegeln;
Fign. 3a,b die Reflexionsgrade R (Fig. 3a) und Phasendifferenzen Δφ (Fig. 3b) der senkrecht und parallel polarisierten Komponenten eines Laserstrahls in Abhängigkeit vom Einfallswinkel α des Laserstrahls für einen dielektrisch beschichteten Faltungsspiegel;
Fign. 4a-c ein Gitter zur Erzeugung radial polarisierter Laserstrahlung in einer
Schrägansicht und einer Detailansicht gemäß III (Fig. 4a), ein auf einem dielektrischen Substrat und Mehrfachschichtsystem aufgebrachtes Gitter mit Leaky-Moden (Fig. 4b) und ein auf einem dielektrischen Substrat aufgebrachtes Gitter mit GIRO-Effekt (Fig. 4c);
Fign. 5a,b Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Laserresonators mit einem Auskoppelspiegel als Phasenschiebe-Einrichtung und einem Endspiegel als Polarisator-Einrichtung (Fig. 5a) und mit dem Auskoppelspiegel als Phasenschiebe- und Polarisator-Einrichtung (Fig. 5b);
Fign. 6a-d Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Laserresonators mit einer form-doppelbrechenden Platte als Phasenschiebe-Einrichtung, welche zwischen Endspiegel und Auskoppelspiegel (Fign. 6a,b), auf dem Endspiegel (Fig. 6c) bzw. auf dem Auskoppelspiegel (Fig. 6d) angebracht ist;
Fign. 7a,b Berechnete Reflexionsgrade und Reflexionsgraddifferenzen (Fig. 7a) sowie berechnete Phasendifferenzen (Fig. 7b) eines Gitters mit Leaky- Moden; und
Fign. 8a,b Berechnete Reflexionsgrade und Reflexionsgraddifferenzen (Fig. 8a) sowie berechnete Phasendifferenzen (Fig. 7b) eines Gitters mit GIRO-
Effekt.
Die Fign. 4a-c zeigen bekannte Polarisator-Einrichtungen zur Erzeugung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung, die in einem Laserresonator angeordnet werden können.
Fig. 4a zeigt einen Gitterspiegel 10 mit einem Gitter 11 , das eine Ringstruktur mit konzentrischen Gitterrillen 12 und Gitterstegen 13 aufweist und an einer Oberfläche 14 eines metallischen Substrats 15 durch Drehbearbeitung erzeugt ist. Beim Gitter 11 wird die Laserstrahlung mit tangential zu den Gitterrillen 12 verlaufender Polarisation als TE-polarisiert und die mit rechtwinklig zu den Gitterrillen 12 verlaufender Polarisation als TM-polarisiert bezeichnet. Die wesentlichen Parameter, über die die Polarisation beeinflusst wird, sind die Gitterperiode Λ, die Tiefe d der Gitterrillen 12 und die Breite b der Gitterstege 13. Als Füllfaktor f wird das Verhältnis der Breite b der Gitterstege 13 zur Gitterperiode Λ bezeichnet. Für Gitter 11 mit konzentrischen Gitterrillen 12 entsprechen die TE-Komponente der azimutalen Polarisationsrichtung und die TM-Komponente der radialen Polarisationsrichtung. Die Ermittlung der erforderlichen Parameter (Gitterperiode, Gitterform und Wahl des Substratmaterials) erfolgt über kommerziell verfügbare Berechnungsmethoden z.B. auf Basis der RCWA(=rigorous coupled wave analysis)-Methode. Insbesondere kann das Gitter 11 wie in der DE 10 2004 042 748 A1 beschrieben ausgebildet sein, d.h. eine Gitterperiode Λ aufweisen, welche größer als die Wellenlänge der Laserstrahlung in dem Laserresonator ist, oder gemäß der US 6,680,799 B1 oder der US 6,191 ,890 B1 ausgebildet sein, d.h. eine Gitterperiode Λ aufweisen, welche kleiner als die Laserwellenlänge ist.
Fig. 4b zeigt einen Gitterspiegel 20 mit einem Sub-Wellenlängen-Gitter 21 , das an einer Deckschicht 24 eines Mehrfachschichtsystems 22 gebildet ist, welches auf einem dielektrischen Substrat 23 angeordnet ist. Das Sub-Wellenlängen-Gitter 21 kann auch innerhalb einer oder mehrerer Schichten des Mehrfachschichtsystems 22 oder zwischen dem Mehrfachschichtsystem 22 und dem Substrat 23 angeordnet sein (nicht gezeigt). Die Gitterperiode und die Gitterform des Gitters 21 sind derart gewählt, dass eine Polarisationsrichtung des Laserstrahls in mindestens einen Leaky-Mode des Mehrfachschichtsystems 22 und des Substrats 23 eingekoppelt wird. Dies kann wie in der US 6,680,799 B1 beschrieben erfolgen, wobei die spektrale Lage des zumindest einen Leaky-Modes derart gewählt wird, dass diese nahe genug an der Laserwellenlänge λ0 liegt. Durch geeignete Wahl der Gitterperiode und Gitterform in Kombination mit dem Aufbau des Mehrfachschichtsystems 22 (Material, Schichtdicke, Brechungsindizes), kann die Lage der Reflexionsgraddifferenz ΔR zwischen axialer und radialer Polarisationsrichtung so beeinflusst werden, dass diese im gewünschten Bereich liegt.
Das Design kann auch so ausgelegt werden, dass sich mehrere Leaky-Moden in unmittelbarer Nähe der Laserwellenlänge λ0 befinden. Dies geschieht dadurch, dass für einen gewählten Ansatz, d.h. für eine vorgegebene Wahl der Parameter des Mehrfachschichtsystems 22, die Feldverteilung der Leaky-Moden berechnet wird und diejenige(n) Schicht(en) identifiziert werden kann (können), die in größter Wechselwirkung mit dem Leaky-Mode steht (stehen). Die genaue spektrale Lage dieses Leaky-Modes kann nun durch Variation dieser Schicht(en) beeinflusst werden. Durch numerische Rechenmethoden (z.B. RCWA) kann man so iterativ die gewünschte spektrale Lage aller Leaky-Moden beeinflussen. Hierbei kann sich ggf. herausstellen, dass der gewählte Ansatz dahingehend modifiziert werden muss, dass die Anzahl der Schichten des Mehrfachschichtsystems 22 variiert wird. Mit der spektralen Platzierung der Leaky-Moden und passender Gitter-Auslegung, die diese Leaky- Moden resonant ankoppeln, kann daher auf die spektrale Verteilung der Reflexionsgraddifferenz ΔR von radialer und azimutaler Polarisationsrichtung Einfluss genommen werden.
Der Gitterspiegel 20 gemäß Fig. 4b kann als hoch reflektierender Endspiegel für einen Laserresonator ausgebildet sein, wobei der Reflexionsgrad durch den Aufbau des Mehrfachschichtsystems 22 eingestellt wird. Die durch einen Pfeil angedeutete, auf das Gitter 21 auftreffende Laserstrahlung wird von diesem in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung unterschiedlich stark reflektiert. Grundsätzlich kann der Gitterspiegel 20 auch so ausgebildet sein, dass der Laserstrahl von der Seite des Substrats 23 einfällt und das Gitter auf der Rückseite des Endspiegels angeordnet ist (vgl. die Anordnung in Fig. 4c).
Fig. 4c zeigt einen weiteren Gitterspiegel 30 mit einem Sub-Wellenlängen-Gitter 31, bei dem die Gitterperiode Λ kleiner als die Laserwellenlänge λ0 (10,6 μm für CO2- Laserstrahlung) ausgelegt ist. Die Gitterparameter (Gitterperiode Λ, Gitterform) sind derart gewählt, dass das Gitter 31 den sogenannten GIRO-Effekt zeigt, der eine hohe Polarisationsselektivität zur Folge hat. Einzelheiten zum GIRO-Effekt sind in der eingangs erwähnten US 6,191 ,890 B1 beschrieben. Der Gitterspiegel gemäß Fig. 4c weist ein erstes dielektrisches Medium 32 (z.B. Galliumarsenid) als Substrat mit einem ersten Brechungsindex von rπ = 3,27 bei 10,6 μm, ein zweites dielektrisches Medium 33 (z.B. Luft) mit einem zweiten Brechungsindex ri2 nahe 1 ,0 und das an einer Grenzfläche zwischen den beiden dielektrischen Medien 32, 33 gebildete Gitter 31 auf, welches einen mittleren Brechungsindex ΓIAV aufweist, der zwischen den beiden Brechngsindizes n1 ( n2 liegt. Der Gitterspiegel 30 kann als hochreflektierender Endspiegel ausgebildet sein, wobei das Gitter 31 auf der Rückseite des Endspiegels angeordnet ist. Der durch einen Pfeil angedeutete einfallende Laserstrahl durchquert das erste dielektrische Medium 32 und wird vom Gitter 31 reflektiert.
Die Fign. 5a und 5b zeigen zwei Laserresonatoren 40, 40' mit jeweils einem hochreflektierenden Endspiegel 41, 41' und einem teildurchlässigen Auskoppelspiegel 42, 42', wobei im Strahlengang 43 zwischen End- und Auskoppelspiegel jeweils zwei Faltungsspiegel 44, 45 angeordnet sind, die unter einem Einfallswinkel von jeweils 45° betrieben werden. Die Phasenschiebe-Einrichtung ist bei den Laserresonatoren 40, 40' von Fig. 5a und 5b als reflektierendes optisches Element ausgebildet.
Fig. 5a zeigt einen Laserresonator 40, bei dem der Auskoppelspiegel 42 als Phasenschiebe-Einrichtung und der Endspiegel 41 als Polarisator-Einrichtung ausgebildet sind. Der Auskoppelspiegel 42 ist mit einem Gitter 46 versehen, das eine Phasendifferenz Δφ zwischen radialer und azimutaler Polarisationsrichtung der Laserstrahlung erzeugt und der Endspiegel 41 weist ein Gitter 47 auf, das eine Reflexionsgraddifferenz ΔR zwischen der radialen und azimutalen Polarisations- richtung erzeugt. Es versteht sich, dass auch der Endspiegel 41 als Phasenschiebe- Einrichtung und der Auskoppelspiegel 42 als Polarisator-Einrichtung ausgebildet sein können (nicht gezeigt).
Fig. 5b zeigt einen Laserresonator 40', bei dem der Auskoppelspiegel 42' als Phasenschiebe-Einrichtung und als Polarisator-Einrichtung ausgebildet ist. Der Auskoppelspiegel 42' ist hierzu mit einem Gitter 48 versehen, das eine Phasendifferenz Δφ und eine Reflexionsgraddifferenz ΔR zwischen radialer und azimutaler Polarisationsrichtung der Laserstrahlung erzeugt, so dass sich im Laserresonator 40' ein radialer Polarisationszustand einstellt, wie er in Fig. 1c dargestellt ist. Die Intensitätsverteilung der im Laserresonator 40' erzeugten, radial polarisierten Strahlung ist ringförmig um das Zentrum des Strahlquerschnitts verteilt. Anstatt zur Einstellung des gewünschten Polarisationszustands das Gitter 48 auf dem teildurchlässigen Auskoppelspiegel 42' anzuordnen, könnte es auch auf dem Endspiegel 41 ' angeordnet sein (nicht gezeigt). Das Gitter 48 kann wie in der US 6,680,799 B1 , der DE 10 2004 042 748 A1 , der US 6,191 ,890 B1 oder dem Artikel von Goncharski et al. beschrieben ausgeführt sein. Für Einzelheiten zur Auswahl geeigneter Parameter für die Erzeugung der Reflexionsgraddifferenz ΔR sei auf diese Dokumente verwiesen, wobei die Parameter des Gitters 48 zusätzlich derart gewählt werden müssen, dass sich zwischen radialer und azimutaler Polarisation auch die gewünschte Phasendifferenz einstellt.
Die Fign. 6a, b zeigen zwei weitere Laserresonatoren 50, 50' mit einem hochreflektierenden Endspiegel 51 und einem teildurchlässigen Auskoppelspiegel 52, bei denen im Strahlengang 53 zwischen dem End- und dem Auskoppelspiegel 51 , 52 zwei Faltungsspiegel 54, 55 angeordnet sind, die einen Laserstrahl unter einem Einfallswinkel von jeweils 45° umlenken. Die Phasenschiebe-Einrichtung ist in beiden Fällen als transmissives, form-doppelbrechendes optisches Element 56, 56' ausgebildet, das zwischen dem End- und dem Auskoppelspiegel 51 , 52 angeordnet ist. Es versteht sich, dass zur Herstellung der gewünschten Phasendifferenz Δφ mittels eines transmissiven optischen Elements in einem Laserresonator 50, 50' dieses nur die Hälfte der gewünschten Phasendifferenz Δφ erzeugen darf, da ein solches transmissives optisches Element bei einem Umlauf der Laserstrahlung im Laserresonator 50, 50' zweimal durchlaufen wird. Neben der bereits oben beschriebenen Möglichkeit, die Phasendifferenz durch Form-Doppelbrechung zu erzeugen, kann ggf. auch ein doppelbrechendes Element zum Einsatz kommen, welches aus einer Vielzahl von Einzelelementen (Facetten) zusammengesetzt ist, die jeweils unterschiedliche doppelbrechende Eigenschaften besitzen und in ihrer Gesamtheit die gewünschte Phasendifferenz erzeugen.
Fig. 6a zeigt einen Laserresonator 50, bei dem neben dem form-doppelbrechenden Element 56 (im Folgenden auch als form-doppelbrechende Platte bezeichnet) ein weiteres transmissives optisches Element 57 als Polarisator-Einrichtung vorgesehen ist, welches eine Transmissionsgraddifferenz ΔT zwischen radialer und azimutaler Polarisationsrichtung der Laserstrahlung erzeugt. Anstatt eine transmissive Polarisator-Einrichtung 57 zur Erzeugung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung zu verwenden, können auch der Auskoppelspiegel 51 oder der Endspiegel 52 als Polarisator-Einrichtung, welche eine Reflexionsgraddifferenz ΔR zwischen radialer und azimutaler Polarisationsrichtung der Laserstrahlung erzeugt, ausgebildet sein (nicht gezeigt). Es versteht sich, dass die form-doppelbrechende Platte 56 auch zwischen dem Endspiegel 51 und dem ersten Faltungsspiegel 54 oder zwischen dem Auskoppelspiegel 52 und dem zweiten Faltungsspiegel 55 angeordnet sein könnte (nicht gezeigt).
Fig. 6b zeigt einen Laserresonator 50', bei dem die transmissive, form- doppelbrechende Platte 56' als Phasenschiebe- und als Polarisator-Einrichtung ausgebildet ist. Die form-doppelbrechende Platte 56' erzeugt bei zweimaligem Durchqueren die gewünschte Phasendifferenz Δφ und die gewünschte Trans- missionsgraddifferenz ΔT zwischen radialer und azimutaler Polarisationsrichtung der Laserstrahlung in dem Laserresonator 50'.
Die Fign. 6c,d zeigen Laserresonatoren 60, 60' mit einem Endspiegel 61 und einem Auskoppelspiegel 62. Im Strahlengang 63 zwischen dem End- und Auskoppelspiegel 61 , 62 sind zwei Faltungsspiegel 64, 65 angeordnet, die den Laserstrahl um jeweils 90° umlenken. Die Funktion der Phasenschiebe-Einrichtung wird wie in Fign. 6a,b von einer form-doppelbrechenden Platte 66 erfüllt. Als Polarisator-Einrichtung ist der Auskoppelspiegel 62 ausgebildet, welcher eine Reflexionsgraddifferenz ΔR zwischen der radialen und azimutalen Polarisationsrichtung der Laserstrahlung erzeugt. Hierzu kann der Auskoppelspiegel 62 ein Gitter gemäß den Fign. 4a-c oder ein anderes Gitter mit den gewünschten Eigenschaften aufweisen. Die form-doppelbrechende Platte 66 ist in dem Laserresonator 60 von Fig. 6c auf dem Endspiegel 61 und in dem Laserresonator 60' von Fig. 6d auf dem Auskoppelspiegel 62 fixiert.
Den in Fign. 5a,b und 6a-d dargestellten Typen von Laserresonatoren 40, 40'; 50, 50'; 60, 60' ist gemeinsam, dass sie zur Herstellung eines stabilen, axial symmetrischen Polarisationszustands der Laserstrahlung sowohl eine Reflexionsgraddifferenz bzw. eine Transmissionsgraddifferenz erzeugen als auch die Phasen- differenz zwischen den Polarisationsrichtungen der Laserstrahlung lokal geeignet beeinflussen. Es versteht sich, dass der Fachmann die oben gezeigten Anordnungen entsprechend seiner Bedürfnisse modifizieren, d.h. z.B. die Zahl der Faltungsspiegel oder die Wellenlänge der Laserstrahlung variieren kann. Insbesondere kann auch eine größere als die gezeigte Anzahl von Polarisator- bzw. Phasenschiebe-Einrich- tungen in einem Laserresonator angeordnet sein, wobei diese Elemente auch anders als hier beschrieben ausgeführt und an anderen Stellen im Laserresonator angeordnet sein können. Auch können die Faltungsspiegel 44, 45; 54, 55; 64, 65 ggf. als Polarisator-Einrichtung zur Erzeugung radial oder axial polarisierter Laserstrahlung dienen, so dass auf eine zusätzliche, axial symmetrische Polarisator-Einrichtung in dem Laserresonator verzichtet werden kann. Ferner können die Faltungsspiegel 44, 45; 54, 55; 64, 65 auch mit Gitterstrukturen versehen werden, welche die gewünschte Reflexionsgrad- und Phasendifferenzen aufweisen und welche für die typischerweise auftretenden Einfallswinkel von 45° optimiert sind. Die Fign. 7a und 7b zeigen die berechneten Reflexionsgrade R und Reflexionsgraddifferenzen ΔR (Fig. 7a) sowie die berechneten Phasendifferenzen Δφ (Fig. 7b) für ein Gitter, das als Phasenschiebe- und Polarisator-Einrichtung und gleichzeitig als Endspiegel in einem Laserresonator ausgebildet ist. Das Gitter 21 ist entsprechend dem in Fig. 4b gezeigten Aufbau auf der Deckschicht 24 aus Germanium des Mehrfachschichtsystems 22 gebildet, welches wiederum auf dem dielektrischen Substrat 23 aus Galliumarsenid aufgebracht ist. Das Gitter 21 weist eine Ringstruktur mit konzentrischen Gitterrillen und Gitterstegen auf (vgl. Fig. 4a) und ist für den Betrieb mit Laserstrahlung bei einer Laserwellenlänge A0 von 10,6 μm ausgelegt. Das Gitter 21 weist ferner eine Gitterperiode Λ auf, welche geringer als die Laserwellenlänge A0 ist und 6,27 μm beträgt. Die Tiefe d der Gitterrillen liegt bei 3,42 μm und die Breite der Gitterstege entspricht der halben Gitterperiode Λ des Gitters 21 , so dass der Füllfaktor f des Gitters 50 % entspricht. Die Parameter des Gitters 21 wurden dahingehend optimiert, dass die unerwünschte azimutale Polarisations- komponente in Leaky-Moden eingekoppelt wird. Das mit diesen Parametern ausgestattete Gitter ermöglicht die Erzeugung einer Reflexionsgraddifferenz ΔR und einer Phasendifferenz Δφ, welche die stabile Erzeugung von radial polarisierter Strahlung in einem Laserresonator ermöglichen, wie im Folgenden näher ausgeführt ist.
Fig. 7a zeigt die Abhängigkeit der Reflexionsgrade R der TM- und TE-polarisierten Laserstrahlung von der Wellenlänge λ der einfallenden Laserstrahlung. Deutlich zu erkennen ist, dass für bestimmte Werte der Wellenlänge λ die TE-Komponente Minima des Reflexionsgrades R aufweist, welche als Leaky-Moden bezeichnet werden, deren Lage von der Beschaffenheit des Mehrfachschichtsystems 22 und des Substrats 23 abhängig ist. Die zu den beiden Leaky-Moden TELi und TEL2 gehörigen Wellenlängen λi und A2 sind in einem so geringen Abstand zur Betriebswellenlänge A0 des Gitters 21 angeordnet, dass sie sich innerhalb der spektralen Verstärkungsbandbreite eines zugehörigen Laserresonators befinden. Dies wird erreicht, indem der relative spektrale Abstand der beiden Leaky-Moden TEu und TEL2 von der Laserwellenlänge A0 (10,6 μm) gegeben durch AA1 =| A1 - A0 1/ Ao bzw. Δλ2 =| A2 - A0 1/ A0, bei weniger als 5 %, insbesondere bei weniger als 3 %, liegt. Für die Laserwellenlänge λ0 von 10,6 μm liegt der Reflexionsgrad R der TM- Komponente bei 99,6 % und der Reflexionsgrad R der TE-Polarisation bei 41 %, so dass sich eine Reflexionsgraddifferenz ΔR von 58,6 % zwischen den TM- und TE- Komponenten ergibt. Die in Fig. 7b gezeigte Phasendifferenz Δφ liegt bei der Laserwellenlänge A0 von 10,6 μm bei 180° (2π=360°).
Die Fign. 8a und 8b zeigen die berechneten Reflexionsgrade R und Reflexionsgraddifferenzen ΔR (Fig. 8a) sowie die berechneten Phasendifferenzen Δφ (Fig. 8b) für ein Gitter 31 , das als Phasenschiebe- und Polarisator-Einrichtung und gleichzeitig als Endspiegel in einem Laserresonator ausgebildet ist. Das Gitter 31 ist entsprechend dem in Fig. 4c gezeigten Aufbau auf einem dielektrischen Substrat 32 aus Gallium- arsenid (GaAs) gebildet und weist eine Ringstruktur mit konzentrischen Gitterrillen und Gitterstegen (vgl. Fig. 4a) auf und ist für den Betrieb mit Laserstrahlung bei einer Laserwellenlänge λo von 10,6 μm ausgelegt. Die Gitterperiode Λ beträgt 6,27 μm, die Tiefe d der Gitterrillen liegt bei 3,42 μm und die Breite b der Gitterstege entspricht der halben Gitterperiode Λ (b=3,135 μm).
Der berechnete Reflexionsgrad R des Gitters 31 für TM- und TE-polarisierte Laserstrahlung ist in Fig. 8a in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ dargestellt, wobei die Reflexionsgraddifferenz ΔR zwischen der TM- und TE-Komponente bei der Betriebswellenlänge λ0 von 10,6 μm maximal ist. Hier beträgt der Reflexionsgrad R für die TM-Komponente 99,2 % und für die TE-Komponente 0,1 %, d.h. die Reflexionsgraddifferenz ΔR liegt bei 99,1 %. Dies ist möglich, weil die Parameter des Gitters 31 derart gewählt sind, dass dieses den sogenannten GIRO-Effekt zeigt, welcher eine außerordentlich starke Polarisationsselektivität zur Folge hat. Zur Erzeugung eines radialen bzw. azimutalen Polarisationszustands sollte die Reflexionsgraddifferenz ΔR zwischen der TM- und TE-Komponente mindestens 5 %, bevorzugt mindestens 15 %, besonders bevorzugt mindestens 50 % betragen.
Fig. 8b zeigt die berechnete Phasendifferenz Δφ zwischen TE- und TM-polarisierter Laserstrahlung. Diese liegt bei der Laserwellenlänge A0 von 10,6 μm bei -2,3 rad, d.h. bei 2,3 x 57,3° = 131 ,8° (absolut). Durch eine solche Phasendifferenz Δφ kann erreicht werden, dass die im Laserresonator ausgebildete, radial polarisierte Laserstrahlung auch bei Vorhandensein von phasenschiebenden optischen Elementen, wie bspw. mehreren Faltungsspiegeln (siehe Fig. 2) erhalten werden kann.
Die oben beschriebenen radial symmetrischen Gitter sind derart ausgelegt, dass die Gitterperiode Λ über das gesamte Feld der Laserstrahlung konstant ist. Es versteht sich, dass zur Erzeugung und/oder zur Stabilisierung der Laserstrahlung die Gitterperiode Λ bzw. die Gitterform ggf. auch in radialer Richtung variabel gewählt werden können, so dass insbesondere die Phasendifferenz von der radialen Koordinate abhängig wird. Bei der Modulation der Gitterperiode Λ ist jedoch darauf zu achten, dass diese bei Gittern vom in der DE 10 2004 042 748 A1 beschriebenen Typ nicht kleiner gewählt wird als die Laserwellenlänge λ0 bzw. bei Gittern vom in der US 6,680,799 B1 oder der US 6,191 ,890 B1 beschriebenen Typ die Laserwellenlänge λ0 nicht überschreitet.

Claims

Patentansprüche
1. Phasenschiebe-Einrichtung (42; 42'; 56; 56'; 66) zur Stabilisierung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung (3a, 3b) innerhalb eines Laserresonators (40; 40'; 50; 50'; 60; 60'), wobei der Laserresonator (40; 40'; 50; 50'; 60; 60') eine Polarisator-Einrichtung (41 ; 42'; 57; 56'; 62) zur Erzeugung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung (3, 4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die
Phasenschiebe-Einrichtung (42; 42'; 56; 56'; 66) derart ausgebildet ist, dass sie pro Umlauf im Laserresonator (40; 40'; 50; 50'; 60; 60') eine Phasendifferenz (Δφ) zwischen ca. 30° und ca. 330°, bevorzugt zwischen ca. 70° und ca. 290°, besonders bevorzugt zwischen ca. 160° und ca. 200°, insbesondere von ca. 180° zwischen der radialen und der azimutalen Polarisationsrichtung (En Eφ) der
Laserstrahlung (3a, 3b) erzeugt, und dass die Phasenschiebe-Einrichtung (42; 42'; 56; 56'; 66) eine axiale Symmetrie aufweist.
2. Phasenschiebe-Einrichtung nach Anspruch 1 , welche als Gitter (10, 21 , 31) ausgebildet ist, wobei die Gitterperiode (Λ) und bevorzugt auch die Gitterform (b, d) derart gewählt sind, dass das Gitter (10, 21 , 31) die Phasendifferenz (Δφ) erzeugt.
3. Phasenschiebe-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, welche als transmissives optisches Element (56; 56'; 66) ausgebildet ist.
4. Phasenschiebe-Einrichtung nach Anspruch 3, bei der das transmissive optische Element (56, 56'; 66) als form-doppelbrechendes Element ausgebildet ist.
5. Phasenschiebe-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, welche als reflektierendes optisches Element (41 ; 42'; 62) ausgebildet ist.
6. Phasenschiebe-Einrichtung nach Anspruch 5, bei der das reflektierende optische Element als Endspiegel (41 ) oder als Auskoppelspiegel (42'; 62) ausgebildet ist.
7. Phasenschiebe-Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der das reflektierende Element (41 ; 42'; 62) ein Mehrfachschichtsystem (22) umfasst, das auf einem Substrat (23) angeordnet ist.
8. Phasenschiebe-Einrichtung nach Anspruch 7, welche als Gitter (21 ) ausgebildet ist, bei dem die Gitterperiode (Λ), der Aufbau des Mehrfachschichtsystems (22), das Material des Substrats (23) und bevorzugt auch die Gitterform (b, d) derart gewählt sind, dass die radiale oder azimutale Polarisationsrichtung (En Eφ) der Laserstrahlung (3a, 3b) in mindestens einen Leaky-Mode des Mehrfachschichtsystems (22) und des Substrats (23) eingekoppelt und die Phasendifferenz (Δφ) zwischen der radialen und der azimutalen Polarisationsrichtung (En Eφ) der Laserstrahlung erzeugt wird.
9. Phasenschiebe-Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, welche als periodisches oder quasiperiodisches, konzentrisches oder spiralförmiges Gitter (1 1 ) ausgebildet ist, bei dem die Gitterperiode (Λ) und bevorzugt auch die Gitterform (b, d) derart gewählt sind, dass bezüglich der Laserwellenlänge der TM-Reflexionsgrad des Gitters (1 1 ) in die eine genutzte Beugungsordnung größer oder kleiner als der TE-Reflexionsgrad des Gitters (1 1 ) in diese
Beugungsordnung ist und die Phasendifferenz (Δφ) zwischen der radialen und der azimutalen Polarisationsrichtung (En Eφ) der Laserstrahlung erzeugt wird.
10. Phasenschiebe-Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der das reflektierende optische Element (41 ; 42'; 62) als Gitter (31 ) an einer Grenzfläche zwischen einem ersten dielektrischen Medium (32) mit einem ersten Brechungsindex (ni) und einem zweiten dielektrischen Medium (33) mit einem zweiten, kleineren
Brechungsindex (n2) gebildet ist, wobei die Gitterperiode (Λ) kleiner als die
Wellenlänge der Laserstrahlung (3a, 3b) in dem zweiten dielektrischen Medium (33) ist, und wobei die Gitterperiode (Λ) und bevorzugt auch die Gitterform (b, d) derart gewählt sind, dass ein mittlerer Brechungsindex (nav) des Gitters (31 ) zwischen dem ersten Brechungsindex (n-i) und dem zweiten Brechungsindex (n2) liegt. H . Phasenschiebe-Einrichtung nach Anspruch 10, bei dem die Brechungsindizes (ni , n2) der dielektrischen Medien, die Gitterperiode (Λ) und bevorzugt auch die Gitterform (b, d) derart gewählt sind, dass die radiale oder azimutale Polarisationsrichtung (Er, Eφ) der Laserstrahlung (3a, 3b) in höhere Beugungsordnungen gebeugt und die Phasendifferenz (Δφ) zwischen der radialen und der azimutalen
Polarisationsrichtung (En Eφ) der Laserstrahlung (3a, 3b) erzeugt wird.
12. Phasenschiebe-Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 1 1 , welche als Polarisator-Einrichtung (42'; 56') zur Erzeugung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung (3a, 3b) ausgebildet ist.
13. Phasenschiebe-Einrichtung nach Anspruch 12, welche derart ausgebildet ist, dass neben der Phasendifferenz (Δφ) auch eine Reflexionsgraddifferenz (ΔR) zwischen der radialen und der azimutalen Polarisationsrichtung (Er, Eφ) erzeugt wird, wobei die Reflexionsgraddifferenz bevorzugt mindestens 5%, besonders bevorzugt mindestens 15% und insbesondere mindestens 50% beträgt.
14. Laserresonator (40; 40'; 50; 50'; 60; 60') zur Erzeugung und Stabilisierung radial oder azimutal polarisierter Laserstrahlung (3a, 3b) mit einer Polarisator- Einrichtung (41 ; 42'; 57; 56'; 62) zur Erzeugung radial oder azimutal polarisierter
Laserstrahlung (3a, 3b), gekennzeichnet durch eine Phasenschiebe-Einrichtung (41 ; 42'; 57; 56'; 62) zur Erzeugung einer Phasendifferenz (Δφ) zwischen der radialen und der azimutalen Polarisationsrichtung (Er, Eφ) der Laserstrahlung (3a, 3b) innerhalb des Laserresonators (40; 40'; 50; 50'; 60; 60'), die gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
15. Laserresonator nach Anspruch 14 mit mindestens einem, bevorzugt mit mindestens drei Faltungsspiegeln (44, 45; 54, 55; 64, 65), die den Strahlengang (43; 53; 63) der Laserstrahlung (3a, 3b) zwischen einem Endspiegel (41 ; 41 '; 51 ; 61 ) und einem Auskoppelspiegel (42; 42'; 52; 62) falten.
16. Laserresonator nach Anspruch 14 oder 15 mit einem Auskoppelspiegel (42), welcher als Phasenschiebe-Einrichtung ausgebildet ist, und einem Endspiegel (41 ), welcher als Polarisator-Einrichtung ausgebildet ist.
17. Laserresonator nach Anspruch 14 oder 15 mit einem Endspiegel, welcher als Phasenschiebe-Einrichtung ausgebildet ist, und einem Auskoppelspiegel, welcher als Polarisator-Einrichtung ausgebildet ist.
18. Laserresonator nach Anspruch 14 oder 15 mit einem Auskoppelspiegel (42'), welcher als Phasenschiebe-Einrichtung und als Polarisator-Einrichtung ausgebildet ist.
19. Laserresonator nach Anspruch 14 oder 15 mit einem Endspiegel, welcher als Phasenschiebe-Einrichtung und als Polarisator-Einrichtung ausgebildet ist.
20. Laserresonator nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Phasenschiebe-Einrichtung (56; 56'; 66) als transmissives, insbesondere als form-doppelbrechendes optisches Element ausgebildet ist, welches zwischen dem Auskoppelspiegel (52;
62) und dem Endspiegel (51 ; 61 ) angeordnet ist.
21 . Laserresonator nach Anspruch 20, bei dem die Phasenschiebe-Einrichtung (66) auf dem Auskoppelspiegel (62) oder dem Endspiegel (61 ) angeordnet ist und in direktem Kontakt zum Auskoppelspiegel (62) oder Endspiegel (61) steht.
22. Laserresonator nach Anspruch 20 oder 21 , bei dem die Polarisator-Einrichtung als Auskoppelspiegel (42'; 62) oder als Endspiegel (41 ) ausgebildet ist.
23. Laserresonator nach Anspruch 20 oder 21 , bei dem die Polarisator-Einrichtung als transmissives, insbesondere als form-doppelbrechendes optisches Element (56'; 57) ausgebildet ist.
24. Laserresonator nach Anspruch 14, 15, 20 oder 21 , bei dem die Polarisator- Einrichtung durch den mindestens einen Faltungsspiegel (44, 45; 54, 55; 64, 65) gebildet ist.
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