DE29924230U1 - Solid-state lasers (disk lasers) with direct contact of the active medium with a coolant - Google Patents
Solid-state lasers (disk lasers) with direct contact of the active medium with a coolantInfo
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Description
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BeschreibungDescription
Festkörperlaser (Scheibenlaser) mit direktem Kontakt des aktiven Meditims zu einer KühlmittelflüssigkeitSolid-state laser (disk laser) with direct contact of the active medium with a coolant liquid
Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörperlaser mit einer Kristallscheibe als aktives Medium, die zur Kühlung mit einer in einer Kühlkammer befindlichen Kühlmittelflüssigkeit in direktem thermischen Kontakt steht.The invention relates to a solid-state laser with a crystal disk as active medium, which is in direct thermal contact with a coolant liquid located in a cooling chamber for cooling.
Ein solcher Festkörperlaser ist beispielsweise aus der US-Patentschrift 5,553,088 A bekannt. Laseraktives Basiselement eines solchen Festkörperlasers, der in der Literatur auch als Scheibenlaser bezeichnet wird, ist eine dünne, nur wenige Zehntelmillimeter bis wenige Millimeter dicke und typisch einen Durchmesser im Größenordnungsbereich von etwa 10 mm aufweisende Kristallscheibe, die auf einem massiven aus Kupfer bestehenden Kühlkörper angeordnet und auf ihrer dem Kühlkörper zugewandten Oberfläche mit einer reflektierenden Schicht versehen ist. Zur Verbindung der Kristallscheibe mit dem Kühlkörper wird eine weiche Zwischenschicht, beispielsweise Indium (In), eingesetzt, die die thermischen Verformungen des Kristalls im Laserbetrieb aufnehmen kann. Die in der Kristallscheibe entstehende Wärme fließt über die duktile Zwischenschicht in den massiven Kühlkörper. Dieser wird von einer Kühlmittelflüssigkeit, in der Regel Wasser, durchströmt, wodurch die Wärme abtransportiert wird.Such a solid-state laser is known, for example, from US patent specification 5,553,088 A. The laser-active basic element of such a solid-state laser, which is also referred to in the literature as a disk laser, is a thin crystal disk that is only a few tenths of a millimeter to a few millimeters thick and typically has a diameter in the order of about 10 mm. The disk is arranged on a solid copper heat sink and has a reflective layer on its surface facing the heat sink. A soft intermediate layer, such as indium (In), is used to connect the crystal disk to the heat sink. This layer can absorb the thermal deformations of the crystal during laser operation. The heat generated in the crystal disk flows through the ductile intermediate layer into the solid heat sink. A coolant liquid, usually water, flows through the heat sink, which carries the heat away.
Der bekannte Aufbau weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. Durch die Verwendung einer duktilen Zwischenschicht zwischen dem Kühlkörper und der Kristallscheibe wird der Wärmeübergangswiderstand auch bei idealem großflächigen Kon-However, the known design has a number of disadvantages. By using a ductile intermediate layer between the heat sink and the crystal disk, the heat transfer resistance is reduced even with ideal large-area contact.
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takt erhöht. Der Wärmeübergangswiderstand hängt außerdem2
The heat transfer resistance also depends
empfindlich von der Qualität des Kontaktes zwischen der
Kristallscheibe und dem Kühlkörper ab, so daß ein hoher fertigungstechnischer Aufwand betrieben werden muß, um eine
ausreichende Reproduzierbarkeit des thermischen Kontaktes zu erzielen. Darüber hinaus läßt sich im Betrieb bei zu starken,
thermisch verursachten Verformungen der Kristallscheibe nicht vermeiden, daß der Kühlkontakt teilweise abreißen
kann, so daß in diesen Zonen eine deutliche Verschlechterung der Wärmeabfuhr auftritt.sensitive to the quality of the contact between the
crystal disk and the heat sink, so that a high manufacturing effort must be made to achieve a
to achieve sufficient reproducibility of the thermal contact. In addition, in the case of excessive,
thermally induced deformations of the crystal disk cannot prevent the cooling contact from partially breaking off
so that a significant deterioration in heat dissipation occurs in these zones.
Die vorgenannten Nachteile könnten nun dadurch vermieden
werden, wenn zwischen dem Kühlmittel und der Kristallscheibe ein direkter thermischer Kontakt bestehen würde, wie er beispielsweise bei der aus der DE 197 34 484 Al bekannten Kühlanordnung für eine Laserdiode bekannt ist. Bei dieser bekannten
Kühlanordnung ist eine Laserdiode auf einem Kühlkörper angeordnet, der mit einem Kühlkanal für ein flüssiges
Kühlmittel versehen ist. Die Laserdiode ist über einer Öff-The aforementioned disadvantages could now be avoided
be achieved if there were a direct thermal contact between the coolant and the crystal disk, as is known, for example, in the cooling arrangement for a laser diode known from DE 197 34 484 Al. In this known
Cooling arrangement, a laser diode is arranged on a heat sink, which is provided with a cooling channel for a liquid
coolant. The laser diode is mounted above an opening
nung des Kühlkanals angebracht, so dass sie in direktemthe cooling channel so that they are in direct
thermischen Kontakt mit dem Kühlmittel steht. Auf diese Weise ist auch bei eventuellen thermischen Verformungen ein guter thermischer Kontakt sichergestellt.thermal contact with the coolant. This ensures good thermal contact even in the event of any thermal deformation.
Darüber hinaus ist aus IEEE Journal of Quantum Electronics,
Vol. 34, No.6, 1998, S. 1046-1053 bekannt, die Laserstäbe
eines Festkörperlasers durch unmittelbaren Kontakt mit Kühlwasser zu kühlen.In addition, IEEE Journal of Quantum Electronics,
Vol. 34, No.6, 1998, pp. 1046-1053, the laser rods
of a solid-state laser by direct contact with cooling water.
Eine derartige direkte Kühlung ist jedoch mit der zerbrechlichen
dünnen Kristallscheibe eines Scheibenlasers nicht ohne weiteres möglich.However, such direct cooling is associated with the fragile
thin crystal disk of a disk laser is not easily possible.
LAc. I .!.. *·.· *·.· *..· ·!· 27.03.2002LAc. I .!.. *·.· *·.· *..· ·!· March 27, 2002
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Festkörperlaser anzugeben mit einer Kristallscheibe als aktives Medium, bei dem die Kühlung gegenüber bekannten Scheibenlasern verbessert ist.
5The invention is based on the object of specifying a solid-state laser with a crystal disk as the active medium, in which the cooling is improved compared to known disk lasers.
5
Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Da die Kristallscheibe gemäß der Erfindung ein Wandelement einer die Kühlmittelflüssigkeit aufnehmenden Kühlkammer bildet und somit eine ihrer Flachseiten unmittelbar in thermischem Kontakt mit der Kühlmittelflüssigkeit steht, ist ein minimaler Wärmeübergangswiderstand gewährleistet, der auch durch die Verformung der Kristallscheibe nicht beeinflußt wird, da die Kühlmittelflüssigkeit die Kristallscheibe unabhängig von deren Form berührt, so daß ein Kühlabriß nicht stattfinden kann. Außerdem ist eine hohe Reproduzierbarkeit des niedrigen Wärmeübergangswiderstandes fertigungstechnisch einfach realisierbar.The above object is achieved according to the invention with the features of claim 1. Since the crystal disk according to the invention forms a wall element of a cooling chamber that accommodates the coolant liquid and thus one of its flat sides is in direct thermal contact with the coolant liquid, a minimal heat transfer resistance is ensured, which is not influenced by the deformation of the crystal disk, since the coolant liquid touches the crystal disk regardless of its shape, so that cooling tearing cannot occur. In addition, a high reproducibility of the low heat transfer resistance can be easily achieved in terms of production technology.
Die Kühlung durch unmittelbaren thermischen Kontakt mit der Kühlmittelflüssigkeit ist möglich, da auf der der Kühlkammer abgewandten Seite der Kristallscheibe ein optisch transparenter Stützkörper angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird eine Verformung der Kristallscheibe vermieden, die durch eine Druckdifferenz verursacht wird, die zwischen der Kühlkammer und dem Außenraum aufgrund des Drucks der Kühlmittelflüssigkeit entsteht. Ebenso werden Schwingungen der Kristallscheibe unterdrückt und insbesondere bei direkt auf die Kristallscheibe zuströmenden Kühlmittel deren Zerbrechen bei zu hohem Flüssigkeitsdruck vermieden. Die Verwendung eines Stützkörpers ist insbesondere bei sehr geringer Dicke der Krsitallscheiben, beispielsweise kleiner als 300 &mgr;&iacgr;&tgr;&igr;, von Vorteil, wie sie in Hochleistungslasern eingesetzt werden.Cooling by direct thermal contact with the coolant liquid is possible because an optically transparent support body is arranged on the side of the crystal disk facing away from the cooling chamber. This measure prevents deformation of the crystal disk caused by a pressure difference that arises between the cooling chamber and the outside space due to the pressure of the coolant liquid. Vibrations of the crystal disk are also suppressed and, in particular, when coolant flows directly onto the crystal disk, it prevents it from breaking if the liquid pressure is too high. The use of a support body is particularly advantageous when the crystal disks are very thin, for example less than 300 μm, as is the case with high-performance lasers.
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Da außerdem die Kristallscheibe an ihrer der Kühlkammer zugewandten, in unmittelbarem thermischen Kontakt mit der Kühlmittelflüssigkeit stehenden Flachseite mit einer gegen mechanische und chemische Angriffe durch die Kühlmittelflüssigkeit widerstandsfähigen Schutzschicht versehen ist, ist eine hohe Betriebsdauer der Kristallscheibe gewährleistet.In addition, since the crystal disk is provided with a protective layer on its flat side facing the cooling chamber and in direct thermal contact with the coolant liquid that is resistant to mechanical and chemical attacks by the coolant liquid, a long service life of the crystal disk is guaranteed.
Vorzugsweise besteht die die Oberfläche der Kristallscheibe bildende Schutzschicht aus Metall, insbesondere Gold (Au). Da eine beispielsweise aufgedampfte Goldschicht als abschließende Schicht auf der Reflexionsschicht der Kristallscheibe sehr gut haftet, ist sowohl eine hohe mechanische als auch eine hohe chemische Stabilität gegen die Kühlmittelflüssigkeit gewährleistet.Preferably, the protective layer forming the surface of the crystal disk consists of metal, in particular gold (Au). Since a gold layer, for example deposited on a vapor deposit, adheres very well as a final layer to the reflective layer of the crystal disk, both high mechanical and high chemical stability against the coolant liquid is ensured.
Insbesondere besteht die Schutzschicht aus einem dielektrischen Werkstoff, insbesondere Siliziumdioxid (SiO2) . Durch die Maßnahme wird die mechanische Stabilität weiter erhöht.In particular, the protective layer consists of a dielectric material, in particular silicon dioxide (SiO 2 ). This measure further increases the mechanical stability.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:For further explanation of the invention, reference is made to the drawings. They show:
Fig. 1 einen Festkörperlaser in einer direkt gekühlten Kristallscheibe in einer schematisehen Prinzipdarstellung,Fig. 1 a solid-state laser in a directly cooled crystal disk in a schematic principle representation,
Fig. 2 eine technisch praktikable Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Festkörperlasers in einem schematischen Querschnitt.Fig. 2 shows a technically practical embodiment of a solid-state laser according to the invention in a schematic cross section.
Gemäß Fig. 1 ist eine als laseraktives Medium verwendete Kristallscheibe 2 in die Wand 3 einer Kühlkammer 4 eingesetzt und bildet ein die Kühlkammer 4 begrenzendes Wandelement. In die im Ausführungsbeispiel hohlzylind-According to Fig. 1, a crystal disk 2 used as a laser-active medium is inserted into the wall 3 of a cooling chamber 4 and forms a wall element delimiting the cooling chamber 4. In the embodiment, hollow cylindrical
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5 rische Kühlkammer 4 ist hierzu am Innenumfang eine Nut 6 angeordnet, in die die Kristallscheibe 2 eingesetzt ist.5 For this purpose, a groove 6 is arranged on the inner circumference of the thermal cooling chamber 4, into which the crystal disk 2 is inserted.
In der Kühlkammer 4 befindet sich Kühlmittelflüssigkeit 8, das im Beispiel von einem internen Kühlkanal 10 geführt ist und die Kristallscheibe 2 unmittelbar anströmt, von dieser umgelenkt und in einem Ringkanal 12 abgeführt wird.The cooling chamber 4 contains coolant liquid 8, which in the example is guided by an internal cooling channel 10 and flows directly onto the crystal disk 2, is deflected by it and is discharged in an annular channel 12.
Die Kristallscheibe 2 ist an ihrer der Kühlkammer 4 zugewandten Flachseite 13 mit einer hochreflektierenden, in der Regel mehrschichtigen Spiegelschicht 14 versehen, auf der eine Schutzschicht 16, beispielsweise Gold (Au) oder Siliziumdioxid (SiO2) , aufgebracht ist, wobei die optischen Eigenschaften der Schutzschicht 16 die reflektierenden Eigenschaften der Spiegelschicht 14 zusätzlich verbessern können. Mit anderen Worten: Die Schutzschicht 16 kann auch die die Oberfläche bildende letzte Schicht der mehrschichtigen Spiegelschicht 14 sein.The crystal disk 2 is provided on its flat side 13 facing the cooling chamber 4 with a highly reflective, usually multilayered mirror layer 14, on which a protective layer 16, for example gold (Au) or silicon dioxide (SiO 2 ), is applied, wherein the optical properties of the protective layer 16 can additionally improve the reflective properties of the mirror layer 14. In other words: the protective layer 16 can also be the last layer of the multilayered mirror layer 14 forming the surface.
Die Schutzschicht 16 ist einerseits mechanisch hinreichend stabil, um nicht durch die anströmende Kühlmittelflüssigkeit 8, in der Regel Wasser, abgelöst werden zu können. Andererseits schützt die Schutzschicht 16 die darunterliegende Spiegelschicht vor einem chemischen Angriff durch die Kühlmittelflüssigkeit 8.On the one hand, the protective layer 16 is mechanically sufficiently stable so that it cannot be removed by the flowing coolant liquid 8, usually water. On the other hand, the protective layer 16 protects the underlying mirror layer from chemical attack by the coolant liquid 8.
Um eine ausreichende Dichtigkeit der Kühlkammer 4 nach außen zu erreichen, können zusätzlich Dichtmittel 17, beispielsweise ein elastischer Dichtring, vorgesehen sein, die zusätzlich zu einen Preßsitz der Kristallscheibe in den Nuten 6 führen.In order to achieve sufficient sealing of the cooling chamber 4 to the outside, additional sealing means 17, for example an elastic sealing ring, can be provided, which additionally lead to a press fit of the crystal disk in the grooves 6.
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Hierzu ist im Beispiel ein Ringflansch 18 vorgesehen, der gegen die Stirnfläche der Wand 3 verspannt wird, wobei Stirnfläche und Wand jeweils Ausnehmungen aufweisen, die im zusammengefügten Zustand die Nut 6 bilden.
5For this purpose, in the example, an annular flange 18 is provided which is clamped against the end face of the wall 3, whereby the end face and the wall each have recesses which, when joined together, form the groove 6.
5
An ihrer der Kühlkammer 4 abgewandten Flachseite 19 ist die Kristallscheibe 2 mit einer antireflektierenden Schicht 19 versehen. Im Ausführungsbeispiel wird die Kristallscheibe 2 longitudinal gepumpt, d. h. das Pumplicht wird auf der Flachseite der Kristallscheibe 2 eingekoppelt, aus der der Laserstrahl L austritt.The crystal disk 2 is provided with an anti-reflective layer 19 on its flat side facing away from the cooling chamber 4. In the exemplary embodiment, the crystal disk 2 is pumped longitudinally, i.e. the pump light is coupled into the flat side of the crystal disk 2 from which the laser beam L emerges.
Gemäß Fig. 2 ist auf der der Kühlkammer 4 abgewandten Flachseite der Kristallscheibe 2 ein optisch transparenter Stützkörper 20 angeordnet, der an seiner von der Kühlkammer 4 abgewandten Oberfläche mit einer antireflektierenden, hochtransparenten Schicht 22 versehen ist. Der Stützkörper 20 ist ebenso wie die Kristallscheibe 2 scheibenförmig, so daß zwischen Kristallscheibe 2 und Stützkörper 2 0 eine flächige Verbindung entsteht. Diese kann durch eine Preßverbindung zwischen Kristallscheibe 2 und Stützkörper 20, beispielsweise durch Einspannen in die Nut 6 mit Hilfe des Ringflansches 18 herbeigeführt werden. Vorzugsweise ist jedoch eine unlösbare Bondverbindung vorgesehen, wobei insbesondere eine Verbindung durch ein Diffusionsbondverfahren vorteilhaft ist. Beim Diffusionsbondverfahren werden die zu verbindenden Teile sehr gut poliert, aneinandergepreßt und dann auf eine Temperatur knapp unterhalb des Schmelzpunktes gebracht. Dann setzt ein Ionenaustausch durch die Grenzfläche ein (Diffusion), so daß eine feste Verbindung mit hoher optischer Qualität entsteht. Dieses Verfahren wird beispielsweise von der Firma ONYX OPTICS, 6551 Sierra Lane, Dublin, California 94568, durchgeführt.According to Fig. 2, an optically transparent support body 20 is arranged on the flat side of the crystal disk 2 facing away from the cooling chamber 4, which is provided with an anti-reflective, highly transparent layer 22 on its surface facing away from the cooling chamber 4. The support body 20 is disk-shaped, just like the crystal disk 2, so that a flat connection is created between the crystal disk 2 and the support body 20. This can be brought about by a press connection between the crystal disk 2 and the support body 20, for example by clamping it in the groove 6 with the aid of the ring flange 18. Preferably, however, a permanent bond connection is provided, with a connection by a diffusion bonding process being particularly advantageous. In the diffusion bonding process, the parts to be connected are very well polished, pressed together and then brought to a temperature just below the melting point. An ion exchange then begins through the interface (diffusion), so that a solid connection with high optical quality is created. This procedure is carried out, for example, by ONYX OPTICS, 6551 Sierra Lane, Dublin, California 94568.
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Für die Herbeiführung einer ausreichenden mechanischen Stabilität reicht eine Dicke des Stützkörpers 20 im Millimeterbereich aus. Als Werkstoff ist insbesondere Saphir und undotiertes YAG geeignet. Diese haben neben hervorragenden optischen Eigenschaften auch noch den Vorteil, daß sich ihre Ausdehnungskoeffizienten nur geringfügig vom Ausdehnungskoeffizienten der Kristallscheibe 2 unterscheiden.To achieve sufficient mechanical stability, a thickness of the support body 20 in the millimeter range is sufficient. Sapphire and undoped YAG are particularly suitable materials. In addition to excellent optical properties, these also have the advantage that their expansion coefficients differ only slightly from the expansion coefficient of the crystal disk 2.
Wird die Kristallscheibe 2 nur mechanisch an den Stützkörper 20 angepreßt, so kann zusätzlich zwischen Kristallscheibe 2 und Stützkörper 20 eine reflexionsmindernde Grenzschicht eingebracht werden. Diese entfällt, wenn Kristallscheibe 2 und Stützkörper 20 durch ein Diffusionsbondverfahren unmittelbar miteinander verbunden werden.If the crystal disk 2 is only mechanically pressed onto the support body 20, a reflection-reducing boundary layer can also be introduced between the crystal disk 2 and the support body 20. This is not necessary if the crystal disk 2 and the support body 20 are directly connected to one another by a diffusion bonding process.
N:\RS\990816\G990816DE\Gi8CMsBE-Anireldung*ste*ct.d«e. \ .!.. *..**..* *..* .1, 27.03.2002N:\RS\990816\G990816DE\Gi8CMsBE-Anireldung*ste*ct.d«e. \ .!.. *..**..* *..* .1, 03/27/2002
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1010
BezugszeichenlisteList of reference symbols
2 Kristallscheibe 3 Wand2 Crystal disc 3 Wall
4 Kühlkammer 6 Nut4 Cooling chamber 6 Groove
8 Kühlmittelflüssigkeit 10 Kühlkanal 12 Ringkanal8 Coolant liquid 10 Cooling channel 12 Ring channel
13 Flachseite13 Flat side
14 Spiegelschicht14 Mirror layer
16 Schutzschicht16 Protective layer
17 Dichtmittel 18 Ringflansch17 Sealant 18 Ring flange
19 antireflektierende Schicht19 anti-reflective layer
20 Stützkörper20 support bodies
22 antireflektierende Schicht22 anti-reflective layer
Claims (9)
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Applications Claiming Priority (2)
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| DE19939774A DE19939774C2 (en) | 1999-08-21 | 1999-08-21 | Solid-state lasers (disk lasers) with direct contact of the active medium with a coolant liquid |
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|---|---|
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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Country Status (1)
| Country | Link |
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-
1999
- 1999-08-21 DE DE29924230U patent/DE29924230U1/en not_active Expired - Lifetime
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