DE2812283C3

DE2812283C3 - Laseranordnung mit gekühlter Blitzlampe

Info

Publication number: DE2812283C3
Application number: DE2812283A
Authority: DE
Inventors: Robert L. Mar Vista Calif. Cassiero; Harold J. Pacific Palisades Calif. Tuchyner
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1977-04-22
Filing date: 1978-03-21
Publication date: 1988-07-07
Also published as: DE2812283A1; IT7848993A0; SE424681B; FR2388424A1; JPS53132293A; DE2812283B2; IL54241A; SE7804390L; JPS5543266B2; GB1578304A; FR2388424B1; US4096450A; IT1102170B

Description

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung mit einem Gehäuse, das eine Anregungskammer enthält, in der ein laseraktives Medium und eine Blitzlampe zu dessen Anregung angeordnet sind, und bei der zum Abfuhren der von der Blitzlampe entwickelten Wärme ein zwischen der Blitzlampe und einem benachbarten Abschnitt der Anregungskammerwand bestehender Zwischenraum mit einem dicht gepackten Pulver ausgefüllt ist, das für die Strahlung der Blitzlampe reflektierend ist und auch eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, so daß es die von der Blitzlampe erzeugte Wärme durch Wärmeleitung auf das Gehäuse überträgt, das selbst eine Wärmesenke bildet und/oder mit einer Wärmesenke versehen ist.

Solche Laseranordnungen sind aus den DE-AS 22 63 024 und 23 15 479 bekannt. Bei den bekannten Anordnungen findet zur Übertragung der Wärme von der Blitzlampe zum Gehäuse ein metallisches Pulver oder eine metallische Paste Verwendung. Die Pulvermasse befindet sich in einem die Gehäusewand durchdringenden Längsschlitz, der nach innen durch die Blitzlampe und nach außen durch einen gefederten, kolbenförmigen Deckel verschlossen ist.

Die Anordnung eines die Gehäusewand durchdringenden Längsschlitzes mit einem darin geführten, gefederten, kolbenförmigen Deckel kompliziert nicht nur den Aufbau des Gehäuses, sondern vermindert auch in erheblichem Maße dessen Stabilität. Die Verminderung der mechanischen Stabilität des Gehäuses wirkt sich zugleich nachteilig auf die Stabilität der vom Laser erzeugten Strahler." «us

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Laseranordnung derart weiterzubilden, daß unter Aufrcchtcrhaltung einer guten Kühlung der Blitzlampe auch ein einfacher Aufbau des Lasergehäuses erzielt wird und eine hohe Stabilität des Lasers gewährleistet ist.

Diese Aulgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Pulver verwendet wird, das aus einem keramischen Material in Form von Aluminiumoxid oder Berylliumoxid besteht und in den Zwischenraum zwischen der Blitzlampe und der einen zur Blitzlampe parallelen Kanal bildenden Oberfläche des die Blitzlampe aufnehmenden Gehäuseteiles eingefüllt ist.

Obwohl anzunehmen war, daß Metalle die besten Eigenschaften bezüglich Lichtbeständigkeit, Reflexionsvermögen und Wärmeleitfähigkeit aufweisen und daher kein anderes Material für das den Zwischenraum zwischen Blitzlampe und Pumpkammerwand ausfüllende Pulver geeignet ist, und obwohl keramische Materialien gerade häufig als wärmeisolierende Materialien verwendet werden, hat sich gezeigt, daß die Anwendung eines Pulvers aus Aluminiumoxid oder Berylliumoxid anstelle aus Metall für die Kühlung der Blitzlampe von erheblichem Vorteil ist. Wesentlich hierfür ist, daß das keramische Material nicht die Duktilität von Metallen aufweist und daher den dicht gepackten Zustand beibehält, in den es beim Einfüllen in den Zwischenraum zwischen der Oberfläche des Gehäuseteiles und der Blitzlampe gebracht worden ist, ohne daß es hierfür durch gefederte, kolbenförmige Deckel belastet werden müßte. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß keramische Materialien einen sehr viel höheren Schmelzpunkt aufweisen als Aluminium und die meisten anderen Metalle und daher bis zu sehr hohen Betriebstemperaturen der Blitzlampe eine gute Kühlung gewährleisten. Weiterhin haben die genannten keramischen Materialien ein wesentlich besseres Reflexionsvermögen für die von der Blitzlampe ausgehende Strahlung als Metalle, so daß die durch die Strahlungsabsorption entstehende und zu übertragende Wärmemenge bedeutend vermindert ist. Endlich sind die Wärmeleitungseigenschaften der genannten keramischen Materialien noch so gut, daß sich in Verbindung mit der Möglichkeit der Anwendung eines erhöhten Temperaturgradienten und den besseren Refiexionseigenschaften insgesamt eine verbesserte Kühlung der Blitzlampe ergibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die perspektivische Ansicht einer Laseranordnung,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in der vertikalen Längsmittelebene durch die Laseranordnung nach Fig. 1 und

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 durch die Anordnung nach Fig. 2.

Die in der Zeichnung dargestellte Laseranordnung 1 umfaßt ein Gehäuse 2, das eine Blitzlampe 10 und einen Laserstab 18 enthält. Das Gehäuse 2 besteht aus mehreren Teilen 12, 14 und 20. Weiterhin umfaßt die Laseranordnung Rohre 22 und 23, die zum Zu- und Abführen eines Kühlmittels 19 dienen (siehe Fig. 2 und 3).

In dem Gehäuse 2 befindet sich eine Anregungskammer 15, die von Flächenabschnitten 21 und 24 begrenzt ist. Die Anregungskammer 15 kann jede für den Laserbetrieb geeignete Gestalt aufweisen und beispielsweise von im Querschnitt kreisförmigen oder elliptischen, nhfire.n und unteren Flächenabschnitten 21 bzw. 24 begrenzt sein. Die die Pumpkammer 15 begrenzenden Teile 12,14 und 20 des Gehäuses 2 können aus jedem Material bestehen, das die Kammerstruktur einer Laseranordnung zu bilden vermag. Besonders geeignet ist ein Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise Aluminium. In dem unteren Abschnitt der Anregungskammer 15 ist ein Laserstab 18 angeordnet, der aus einem laseraktiven Material wie Rubin, Nd:YAG oder einem sonstigen Festkörper-Lasermaterial bestehen

kiun. Fs kann sich aber auch um ein sonstiges laseraktives Medium handeln, wie beispielsweise um einen Farbstoff in einem Behälter oder Träger. Der in der Pumpkammer 15 angeordnete Laserstab 18 ist an seinen Enden in Ansätzen 8a und Sb gehalten, die sich an entgegengesetzten Enden des Gehäuseteiles 20 befinden. Die Blitzlampe 10 ist seitlich zum Laserstab 18 benachbart angeordnet, so daß sie den Laserstab 18 in einer Zustand der Bcictzungsumkehr anregen kann.

Um die von der Blitzlampe 10 erzeugte Wärme von dem Laserstab 18 abzuführen, ist eine Anordnung zum Umwälzen eines unter hohem Druck stehenden Gases oder einer Flüssigkeit 19 am Laserstab 18 entlang vorgesehen. Das Kühlmittel 19 wird durch das Rohr 22 einem Bereich zugeführt, der den Laserstab 18 in Form eines ringförmigen Raumes umgibt, der von der Außenfläche des Laserstabes 18 und der Innenfläche eines transparenten Rohres 17 begrenzt wird, das beispielsweise aus Pyrex bestehen kann. Das Kühlmedium wird aus diesem Raum über das Rohr 23 wieder abgeführt. Es ist zu beachten, daß dieses Kühlsystem von dem Kühlsystem für die Blitzlampe durch das transparente Rohr 17 getrennt ist.

Die von der Blitzlampe 10 erzeugte Wärme wird von dem die Blitzlampe 10 umgebenden Bereich durch Anwendung eines gepackten Pulvers 11 abgeführt, das sich in dem Zwischenraum 26 befindet, der von der langgestreckten Oberfläche der Blitzlampe 10 und der einen langgestreckten Kanal bildenden Oberfläche 21 des Gehäuseteiles 12 begrenzt wird. Das gepackte Pulver 11 besteht aus Aluminiumoxid oder Berylliumoxid.

Die Oberfläche 21, die zum Halter für die Blitzlampe 10 gehört, kann eine spanabhebend bearbeitete Oberfläche sein und daher Unregelmäßigkeiten aufweisen. Trotzdem findet von der Blitzlampe durch die Pulverpackung zu dieser Oberfläche eine optimale Wärmeübertragung statt, weil die Oberflächen-Unregelmäßigkeiten von dem gepackten Pulver 11 ausgefüllt werden. Ebenso erlaubt die Anordnung, die von einer Pulverpackung Gebrauch macht, die Verwendung einer Blitzlampe 10, die eine unregelmäßige oder unvollkommene Oberfläche aufweist, weil auch hier durch das gepackte Pulver ein guter Wärmekontakt zur Blitzlampe 10 hergestellt wird.

Das gepackte Pulver 11 hat die Eigenschaften eines mittleren bis guten Wärmeleiters und gewährleistet, daß die von der Blitzlampe 10 erzeugte Wärme zur langgestreckten, eine Rinne begrenzenden Wand 21 des Gehäuseteiles 12 abgeführt wird. Da das gepackte Pulver 11 die einfallende Strahlung auch in hohem Maße diffus reflektiert, den Einwirkungen des ultravioletten Lichtes widersteht und auch gegenüber den von der Blitzlampe erzeugten hohen Temperaturen beständig ist, werden optimale Betriebseigenschaften erzielt.

Mit dem Gehäuseteil 12 ist eine Einrichtung 13 verbunden, bei der es sich um einen Wärmetauscher oder eine sonstige, geeignete Wärmesenke handelt. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung bildet die Einrichtung 13 einen Kanal, in dem Lamellen 13« angeordnet sind, welche Wärme durch Konvektion auf ein umgebendes Kühlmittel übertragen, beispielsweise auf Luft, die mittels eines Ventilators zwischen die Lamellen hindurchgeblasen wird.

Bei der Herstellung des Blitzlampen-Kühlsystems des dargestellten Ausführungsbeispieles wird das Gehäuseteil 12 fest auf einem Tisch angeordnet und dann die Blitzlampe 10 fest in dem Kanal montiert, der von der Oberfläche 21 des Gehäuseteiles 12 begrenzt wird, und zwar in solcher Weise, daß zwischen der Blitzlampe 10 und der Oberfläche 21 der Zwischenraum 26 entsteht. Anschließend wird das Pulver 11 unter Verwendung eines Kunststoffspatels in den Zwischenraum 26 zwischen der Blitzlampe 10 und der Oberfläche 21 eingebracht. Dann wird eine Paste 16 aus einem Material hergestellt, das hohen Temperaturen standhält, ohne Schäden zu zeigen, wenn es ultraviolettem Licht ausgesetzt wird, das von einer Blitzlampe emittiert wird. Die Paste 16 wird dann dünn auf wenigstens einen Teil der Ränder des gepackten Pulvers 11 aufgetragen. Nachdem die Paste getrocknet ist, hält sie das Pulver 11 in seiner Lage.

Die oben erläuterte Ausfuhrungsform der Erfindung wurde im Laboratorium mit Erfolg in mehreren experimentellen Aufbauten geprüft, in denen Nd:YAG als laseraktives Material verwendet wurde. Es wurden der Wirkungsgrad, das Wärmeableitvermögen und die Lebensdauer gemessen. Der Wirkungsgrad beträgt etwa 1,5%. Dieser Wert entspricht dem üblichen Wirkungsgrad von Nd:YAG-Lasern, die von üblichen Wärmetauschmethoden Gebrauch machen. Laser mit durch Wärmeleitfähigkeit gekühlten Blitzlampen wurden erfolgreich mit einer Eingangsleistung von 250 W (8,3 J bei 30 Hz) zwei Stunden lang kontinuierlich betrieben. Ferner wurden sie für die Dauer von einer Minute mit sehr viel größeren Eingangsleistungen, nämlich 600 W (6 J bei 100 Hz) betrieben. Bezüglich der Lebensdauer von durch Wärmeleitung gekühlten Blitzlampen wurde eine Verminderung des Laser-Wirkungsgrades um weniger als 10% nach 10 Millionen Blitzen festgestellt. Durch Wärmeleitung gekühlte Blitzlampen wurden Vibrationsprüfungen und Wärmezyklen ausgesetzt, ohne daß schädliche Folgen festgestellt werden konnten.

Das gepackte Pulver 11 ist so gewählt, daß seine Wärmeleitfähigkeit ausreichend hoch ist, um die von der Blitzlampe erzeugte Wärme abzuführen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Lajeranordnung mit einem Gehäuse, das eine Anregungskammer enthält, in der ein laseraktives Medium und eine Blitzlampe zu dessen Anregung angeordnet sind, und bei der zum Abfuhren der von der Blitzlampe entwickelten Wärme ein zwischen der Blitzlampe und einem benachbarten Abschnitt der Anregungskammerwand bestehender Zwischenraum mit einem dicht gepackten Pulver angefüllt ist, das für die Strahlung der Blitzlampe reflektierend ist und auch eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, so daß es die von der Blitzlampe erzeugte Wärme durch Wärmeleitung auf das Gehäuse überträgt, das selbst eine Wärmesenke bildet und/oder mit einer Wärmesenke versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver aus einem keramischen Material in Form von Aluminiumoxid oder Berylliumoxid besteht und in den Zwischenraum (26) zwischen der Blitzlampe (10) und der einen zur Blitzlampe parallelen Kanal bildenden Oberfläche (21) des die Blitzlampe (10) aufnehmenden Gehäuseteiles (12) eingefüllt ist.

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