CZ27652U1 - Upevnění optického prvku laseru - Google Patents

Description

Oblast techniky

Předkládané technické řešení se týká upevňování optického prvku, jako je zesilovací médium v laseru, optickém zesilovači, a v jiných typech optických systémů. Upevnění může být uspořádáno pro chlazení optického prvku proudem plynu nebo kapaliny, jako je tomu v laserovém zesilovači chlazeném kryogenním plynem. Optickým prvkem může být prvek, který se za provozu začne ohřívat, jako je optické zesilovací médium.

Dosavadní stav techniky

Lasery s vysokým výstupním výkonem jsou požadovány pro řadu aplikací, jako jsou zpracování materiálů, urychlování částic, vojenské aplikace a laserem vyvolaná fuze pro výrobu energie. Lasery pro tyto aplikace jsou požadovány pro poskytování pulzů s vysokou energií a s vysokou rychlostí opakování. Jedním z problémů spojovaných se získáváním stabilních a spolehlivých pulzů je zvládání tepla vytvářeného v optických prvcích laseru. Ohřívání může nastávat u řady součástek, jako jsou optická zesilovací média. Pockelsovy cely. Faradayovy izolátory, frekvenční konverzní stupně, kde se objevuje určitá optická absorpce a mnoho jiných součástek, ve kterých se absorbovaná energie přeměňuje na teplo. Běžné lasery, vytvářející vysokoenergetické pulzy, používají jako zesilovací médium tyče s vodním chlazením nebo desky bez aktivního chlazení. Energie pulzu a/nebo rychlost opakování pulzu, poskytovaná takovými lasery, není dostatečně vysoká pro vyvolání fůze laserem a pro jiné aplikace, jako jsou laserem poháněné urychlovače částic.

Zvládání tepla u optických zesilovacích médií, uspořádaných jako desky, bylo zkoumáno v rámci kontraktu s US Department of Energy, přičemž výsledky tohoto zkoumání byly publikovány jako publikace „Thermal Management in Inertial Fusion Energy Slab Amplifiers (Řízení tepla v deskových zesilovačích inerciální fuzní energie)“, Sutton a Albrecht, Lawrence Livermore National Laboratory, 1. mezinárodní konference o laserech pro fůzi s inerciálním ohraničováním, Monterey, Kanada, 30. května až 2. června 1995 a jako Sutton, S. B. & Albrecht, G. F. (1995), „Thermal management in inertial fusion energy slab amplifiers (Řízení tepla v deskových zesilovačích s inerciální fuzní energií“, Proceedings of SPIE 2633, 272-281. Tyto publikace popisují použití plynového chlazení desek s velikými otvory, kde se svazek světla šíří chladicím médiem. Důsledky chabého tepelného řízení jsou termálně vyvolávané aberace a termálně vyvolaný dvoj lom, přičemž obojí vede k degradaci kvality vysílaného svazku. Termálně vyvolaná deformace nebo expanze zesilovacího materiálu může způsobovat změnu směru hlavního laloku (beam steering). V extrémním případě mohou vést tepelně vyvolaná napětí k popraskání zesilovacího média. Uspořádání popsané Suttonem a Albrechtem používá uspořádání s čelním pumpováním (endpumped), s deskami zesilovacího média orientovanými kolmo k pumpovacímu laserovému svazku. Pumpovací laserový svazek byl získáván z polovodičových laserových diod. Uspořádání s čelním pumpováním (end-pumped) používalo zesilovací média segmentovaná do řady tenkých destiček s chladicími kanálky mezi nimi. Plyn je čerpán velikou rychlostí skrz kanály, aby se odstraňovalo teplo z destiček. Jak to bylo zmíněno výše, pumpovací laserový svazek (pump laser beam) a emitovaný svazek procházejí skrz chladicí médium.

Pozdější projekt, známý jako rtuťový laser (Mercury Laser), je popsán v publikaci „Activation of the Mercury Laser: A diodepumped solid-state laser driver for inertial fusion (Aktivování rtuťového laseru: Z diody pumpovaný budič laseru s pevnou fází pro inerciální fůzi)“, Bayramian a kol., Advanced Solid-State Lasers 2001 Topical Meeting and Tabletop Exhibit, Seattle, Washington, 29.-31. ledna 2001. Projekt je také popsán v dokumentu A. Bayramian a kol. (2007), „The mercury project: A high average power, gas-cooled laser for inertial fusion energy development (Rtuťový projekt: plynem chlazený laser s vysokým průměrným výkonem)“, Fusion Science and Technology 52(3), 383-387. Cílem projektu bylo zkonstruovat laser schopný vyrábět pulzy 100 J, který má délku pulzu 2 až 10 ns a rychlost opakování 10 Hz. Obrázek 1 je stručné

- 1 CZ 27652 U1 schéma systému pro chlazení destiček zesilovacího média, založených na podrobnostech poskytnutých v různých publikacích k projektu Mercury Laser. Chladicí systém 5 zahrnuje tepelný výměník 10, kanály na vedení trasy proudu 30 plynu, ventilátorovou jednotku 20, a laserový zesilovač 50, který zahrnuje lamelové desky 60 s deskami optického zesilovacího média, které jsou v nich upevněny. Pumpovací svazek a výstupní svazek 40 jsou kolmé na desky. Tepelný výměník 10 chladí plyn poté, co prošel zesilovacími médii. Ventilátorová jednotka 20 žene plyn kolem systému směrem k laserovému zesilovači. Obrázek 2a znázorňuje lamelové desky 60 upevněné v zesilovači. Lamelové desky 60 jsou nastehovány tak, že desky zesilovacího materiálu leží vedle sebe a vedle okének 82 v potrubním rozvodu zesilovače. Na obrázku 2b je znázorněna jediná lamelová deska. Kolem okraje každé desky 62 je okrajové obložení 84 na umístění a podepření desek v lopatkách. Každá deska zesilovacího média 62 je upevněna v lamelové desce 60 používající polyuretanový polymer 85 pro zapouzdření desky v lamelové desce. Optickým zesilovacím médiem byl Yb:S-FAP, který byl upevněn do hliníkových lamelových desek.

Malé mezery 86 mezi lamelovými deskami a mezi lamelovými deskami a trubkovým rozvodem poskytují kanálky, skrz které proudí chladicí plyn. Plyn je hnán skrz trubkový rozvod zesilovače.

Médium pro optické zesílení je opticky pumpováno svazkem 30 uspořádaným tak, že je kolmý na rovinu desek, jak je to znázorněno na obrázku 2a. Vytvářený výstupní svazek je také kolmý na desky. Měřený výstup čela vlny (wavefřont) ze zesilovače zahrnuje distorzi čela vlny z důvodu ohřívám plynu tak, jak prochází skrz zesilovač. Plynem používaným v chladicím systému bylo hélium při tlaku plynu 4 bary v přímých kanálech mezi lamelovými deskami. Rychlost plynu v kanálech je 0,1 Mach a hmotnostní průtok je ~1 g/sec. Rtuťový laser (Mercury Laser) provozoval plyn zhruba při pokojové teplotě.

Provozování chladicího systému při nižších teplotách a vyšších tlacích, než jsou ty, které byly použity v projektu rtuťového laseru (Mercury Laser), přináší určité výhody. Zvýšený teplotní rozsah a vyšší tlak přináší větší zátěž na konstrukci systému, aby se zabránilo nadměrným vibracím desky zesilovacího média a aby se zabránilo přerušení toku plynu. Způsob upevnění by měl umožňovat pevné držení optického zesilovacího média i při ochlazení z pokojové teploty na kryogenní teploty a při minimalizování termálně vyvolaného napětí na desce z důvodu rozdílnosti tepelné roztažnosti mezi lamelovou deskou a optickým zesilovacím médiem během takového ochlazování. Dále se vyžaduje způsob upevňování nezpůsobující vibrace jiných optických prvků, než je zesilovací médium v jiných oblastech, než jsou lamelové desky, který je stabilní ve velkých rozsazích teplot.

Podstata technického řešení

Předkládané technické řešení poskytuje lamelovou sestavu pro nesení optického prvku nebo optického zesilovače, kde optický prvek je chlazen tekutým médiem, tato lamelová sestava zahrnuje optický prvek (optický zesilovač), přičemž lamelová deska má otvor ve kterém je tento optický prvek upevněný, přičemž mezi optický prvek a lamelovou desku je vložen tvarově přizpůsobený přidržovací prostředek vytvořený pro držení optického prvku v otvoru vytvořením tlakové síly působící na okraji optického prvku, takže se optický prvek zadrží v otvoru. Toto uspořádání vede k sevření okraje optického prvku, což zabraňuje zatemnění optického prvku. Sevření okraje také poskytuje rovnoměrnou tlakovou upínací sílu kolem okraje optického prvku, takže se minimalizují deformace čela vlny, které by mohly být způsobeny upnutím čelní strany. Okrajem optického prvku se myslí povrch, který není optickým povrchem. Tento povrch je obvykle kolem obvodu a kolmo k optickému povrchu. Například pro kruhový optický prvek diskového tvaruje okraj zakřiveným povrchem. Přidržovací prostředek předkládaného technického řešení je dále uspořádán pro provoz z pokojové teploty dolů ke kryogenním teplotám, protože tlaková síla umožňuje rozdíly ve stlačení nebo v expanzi mezi lamelovou deskou a optickým prvkem. Zejména po ochlazení se může optický prvek smrštit více než otvor v lamelové desce a může mít tendenci uvolnit se, ale přidržovací prostředek pokračuje v aplikování stlačujících sil držících optický prvek na svém místě. V závislosti na použitých materiálech se může optický prvek stla

-2CZ 27652 U1 čovat méně než otvor v lamelové desce and může popraskat, ale přidržovací prostředek, který je přednostně pružný, se bude přizpůsobovat nadpětí a současně udržovat dostatečnou tlakovou sílu, aby se optický prvek držel na svém místě. Přidržovací prostředek podle předkládaného technického řešení je také uzpůsoben tak, že se dá optický prvek odstranit odstraněním přidržovacího prostředku.

Přidržovací prostředek může pasovat mezi vnější okraj optického prvku a vnitřní okraj otvoru, přičemž je přidržovací prostředek uzpůsoben tak, se poskytla tlaková síla na okraji optického prvku. Odpovídající tlaková síla může být také vyvíjena proti lamelové desce na okraji otvoru.

Přidržovací prostředek může zahrnovat pružný prvek nebo pružinový prvek. Tlaková síla může být poskytována v podstatě rovnoměrně kolem okraje optického prvku.

Okraj otvoru v lamelové desce může mít drážku pro umístění přidržovacího prostředku. Okraj optického prvku může mít drážku na umístění přidržovacího prostředku. Drážky poskytují výhodu seřízení optického prvku v lamelové desce, jako je centrálně napříč tloušťkou lamelové desky.

Přidržovací prostředek může sahat v podstatě zcela kolem vnějšího okraje optického prvku. Přidržovací prostředek je vytvarován tak, aby odpovídal obvodu optického prvku, ale může být rozměrově menší.

Přidržovací prostředek může mít, výhodně průřez ve tvaru písmene C. Přidržovací prostředek může mít výhodně tvar odpovídající tvaru obvodu optického prvku, přidržovací prostředek má menší průměr než optický prvek pro vytvoření tlakové síly. Přidržovací prostředek může být podél své délky příčně rozštěpen nebo rozříznut.

Přidržovacím prostředkem může být výhodně tažná pružina. Tažná pružina může být zvláště výhodně vytvarována do smyčky, takže je vytvořena jako nekonečná pružina. Tažná pružina může mít tvar odpovídající tvaru okraje optického prvku, přidržovací prostředek má menší průměr než optický prvek pro vytvoření tlakové síly.

Přidržovacím prostředkem může být výhodně náramek, který má skupinu odpružených kontakt tvořících prstů. Náramek může výhodně zahrnovat zadní desku. V sestavě může být náramek zvláště výhodně uspořádán tak, že pružné prsty jsou ve styku s optickým prvkem.

Lamelová sestava může dále zahrnovat jeden nebo dva přidržovací kroužky, které jsou odstranitelně spojeny s lamelovou deskou, aby držely přidržovací prostředek v otvoru lamelové desky. Jeden nebo dva přidržovací kroužky mohou mít vnitřní průměr přidržovacího prostředku, ale který je menší než vnější průměr přidržovacího prostředku.

Optický prvek a lamelová deska mohou mít v podstatě stejnou tloušťku. To zabraňuje narušování toku chladivá přes lamelovou desku a optický prvek, čímž se snižují nestability, které mohou způsobovat vibrace.

Optickým prvkem může být optické zesilovací médium, jako je Yb:YAG, Nd:YAG nebo jiné médium laseru s pevnou fází, vhodné pro optickou excitaci.

Předkládané technické řešení také poskytuje lamelovou desku pro upevňování optického prvku laseru nebo optického zesilovače chlazeným proudem tekutého média, přičemž lamelová deska má otvor pro přijímání optického prvku, přičemž lamelová deska má drážku v okraji otvoru pro umístění přidržovacího prostředku pro držení optického prvku v otvoru.

Předkládané technické řešení dále poskytuje laser nebo optický zesilovač zahrnující lamelovou sestavu nebo lamelovou desku popsanou výše. Optický prvek laseru nebo optický zesilovač mohou být optickým zesilovacím médiem. Svazek pro pumpování (pump beam) může dopadat na optické zesilovací médium. Svazek pro pumpování a/nebo výstupní svazek (output beam) mohou být příčné k rovině lamelové sestavy. Svazek pro pumpování a/nebo výstupní svazek se mohou šířit proudem chladicí tekutiny.

Laser nebo optický zesilovač může být laserovým zesilovačem chlazeným kryogenním plynem.

-3CZ 27652 U1

Kromě výše uvedených upevnění optického prvku v lamelové desce pro vytvoření lamelové sestavy se dají použít 1 jiná provedení předkládaného technického řešení s odpovídající technikou upevnění optického prvku v jiných upevněních, než je lamelová deska. V tomto ohledu předkládané technické řešení poskytuje optickou sestavu zahrnující optický prvek, přičemž upevnění má otvor, přičemž optický prvek je upevněn v tomto otvoru a přidržovací prostředek uzpůsobený tak, aby pasoval kolem okraje optického prvku mezi optický prvek a upevnění, aby se poskytla tlaková síla na okraji optického prvku tak, aby držela optický prvek v otvoru.

Přidržovací prostředek může zahrnovat pružný prvek nebo pružinový prvek.

Přidržovacím prostředkem může být cokoliv z následujících: prstenec mající průřez ve tvaru písmene C, tažná pružina a náramek mající skupinu odpružených kontakt tvořících prstů.

Na upevňování optického prvku se obecněji dají také použít jiné techniky a uspořádání, zmíněná výše, které se týkají upevňování optického prvku v lamelové desce.

Objasnění výkresů

Nyní budou popsána provedení předkládaného vynálezu spolu s podobami z předchozího stavu techniky s odkazem na přiložené výkresy, na kterých obrázek 1 je schéma uspořádání chladicího systému podle předchozího stavu techniky pro chladicí optické prvky pro laserový zesilovač, obrázek 2a je znázornění příčného průřezu zesilovačem chlazeným plynem podle předchozího stavu techniky, obrázek 2b je znázornění lamelové desky s aktivním médiem v něm uzavřeným podle předchozího stavu techniky, obrázek 3 znázorňuje půdorys a řez optickým prvkem upevněným v lamelové desce s přidržovacím prostředkem podle předkládaného vynálezu, obrázek 4 je podrobný pohled v řezu na tři provedení přidržovacího prostředku držícího optický prvek v lamelové desce, obrázek 5a je prostorový pohled na lamelovou sestavu s optickým prvkem upevněným v lamelové desce podle předkládaného technického řešení a obrázek 5b je rozložený pohled na lamelovou sestavu podle obrázku 5a, zobrazující jednotlivé součástky.

Příklady uskutečnění technického řešení

Obrázek 3 znázorňuje provedení předkládaného technického řešení, ve kterém je optický prvek 162 držen v lamelové desce 160 přidržovacím prostředkem 170. Lamelová deska 160 může být vytvarována tak, že má příčný průřez podobný jako u řešení podle stavu techniky, jak je znázorněno na obrázcích 2a a 2b. Koncová část lamelové desky 160 se mírně rozbíhá od sebe, aby se rekombinoval tok plynu z místa mezi lamelovými deskami. Dají se použít i jiné průřezy. Vyobrazení na obrázku 3 znázorňuje obdélníkový průřez, ale dají se použít průřezy, jako jsou ty, které jsou popsány výše ve vztahu k předchozímu stavu techniky.

Optický prvek 162 podle obrázku 3 má tvar kruhového disku a je umístěn v kruhovém otvoru v lamelové desce 160. Dají se použít i optické prvky 162 jiného tvaru, jako jsou čtvercové, obdélníkové nebo eliptické. Optický prvek 162 ie držen v otvoru přidržovacím prostředkem 170. Jak je to znázorněno u průřezu X-X na obrázku 3, má lamelová deska 160 stejnou tloušťku jako optický prvek 162.

Obrázky 4a až 4c znázorňují podrobněji, jak je přidržovací prostředek 170 umístěn mezi lamelovou deskou 160 a optickým prvkem 162. Na obrázku 4 jsou znázorněny tři alternativy přidržova

-4CZ 27652 U1 čího prostředku 170. V každém případě okraj otvoru 160a zahrnuje drážku 160b pro umístění přidržovacího prostředku 170. Drážka 160b může být vytvarována tak, že odpovídá použitému přidržovacím prostředku. Je znázorněno, že optický prvek 162 také zahrnuje drážku 162b v okraji 162a disku optického prvku. Drážka v optickém prvku 162 je mělčí než drážka v lamelové desce 160. U jiných provedení není opatřena drážka v optickém prvku a/nebo drážka v okraji lamelové desky, avšak upřednostňuje se zahrnutí drážek, aby se vystředil optický prvek 162 do středu lamelové desky 162.

Uspořádání přidržovacího prostředku 170 mezi okrajem 160a otvoru lamelové desky 160 a okrajem 162a optického prvku 162 poskytuje okrajové sevření optického prvku 162. To se upřednostňuje u sevření, protože otvor optického prvku 162 není zastíněn. Lamelová deska 160 a optický prvek 162 mají v podstatě stejnou tloušťku, takže chladicí tekutina hladce protéká po povrchu smontovaného optického prvku 162 a po lamelové desce 160. Rozdíl v tloušťce by vytvořil schodovitou překážku pro chladicí tekutinu. To by mohlo vést k nestabilitám u tekutiny a vibrací. Při činnosti se ukázalo, že optický prvek 162 by měl být seřízen v lamelové desce 160 tak, aby tolerance seřízení mezi povrchem optického prvku a lamelovou deskou byla menší než 100 pm, aby se zajistilo, aby bylo narušení toku chladivá minimální. Tato tolerance seřízení mezi povrchem optického prvku 162 a lamelovou deskou 160 také nastavila maximální dovolený rozdíl u tloušťky mezi nimi tak, aby po smontování bylo seřízení povrchů takové, že splní kritérium, že je menší než 100 μτη.

Technika upevnění okraje poskytuje při pokojové teplotě malou rovnoměrnou stlačující sílu kolem okraje optického prvku 162. Přidržovací prostředek 170 ie dostatečně flexibilní na to, aby se přizpůsobil rozdílu ve smršťování mezi optickým prvkem 162 a lamelovou deskou 160. Optický prvek 162 je například při pokojové teplotě namontován do lamelové desky 160 s přidržovacím prostředkem 170 a potom se ochladí na kryogenní teploty stlačeným plynným heliem jako chladivém, například na zhruba 150 K. Pokles teploty je kolem 150 K. Pro rozdíl v koeficientu roztahování teplem 2 x ΙΟ'⁶ K'¹ a průměr disku 55 mm by byl výsledný rozdíl ve smršťování 10 20 pm, když se předpokládá, že jsou v tomto teplotním rozsahu koeficienty tepelné roztažnosti konstantní. V praxi se budou koeficienty měnit s teplotou. Předpokládá-li se, že výše uvedený rozdíl v roztažnosti je ve správném velikostním řádu, tak by to mohlo stačit k tomu, aby optický prvek 162 popraskal.

Přizpůsobivost přidržovacího prostředku 170 zvládne tento rozdíl a dále v závislosti na použitých materiálech by mohl rozdíl v koeficientech tepelné roztažnosti způsobit, že se optický prvek uvolní. V tomto případě zůstává tlaková síla přidržovacího prostředku tuhá, což vede k pevnému podepření optického prvku.

Aby se poskytla malá, rovnoměrná tlaková síla, je přidržovací prostředek 170 přednostně pružný tak, jak je to zajišťováno odpruženým prvkem. Obrázky 4a až 4c znázorňují tři provedení přidržovacího prostředku. Obrázek 3 sice znázorňuje kruhový diskový optický prvek 162. ale dají se použít 1 jiné tvary, jako je čtvercový nebo obdélníkový. Z těchto tří provedení jsou některá vhodnější pro určité tvary optického prvku 162, jak to bude popsáno níže.

První provedení přidržovacího prostředku 170 je kroužek ve tvaru písmene C, jak je to znázorněno na obrázku 4a. Ten se skládá z kroužku hodícího se tvarem k optickému prvku 162. Vnitřní obvod kroužku je trochu menší než obvod kroužku když se vzala v úvahu nějaká drážka. Tato mírně menší velikost poskytuje stlačující sílu na optický prvek. Průřez kroužkuje ve tvaru písmene C. Kroužek je přednostně z nerezavějící oceli, ale dají se použít jiné materiály. Kroužek také může být radiálně proříznut v obvodovém místě, aby se umožnilo uvolnění napětí při chlazení. Tím, že v prstenci existuje řez, tak to také prstenci umožňuje, aby se roztáhl přes optický prvek 162 a aby byl umístěn v drážce 162b. Jelikož je kroužek ve tvaru písmene C ve styku s optickým prvkem 162 v drážce kontinuálně kolem obvodu (kromě místa řezu), tak kroužek ve tvaru písmene C poskytuje stlačující sílu rovnoměrně kolem okraje optického prvku 162. Tento typ prstence se nejlépe hodí pro tvarem kruhové optické prvky, ale také se dají použít vhodně

-5CZ 27652 U1 vytvarované prstence pro optické prvky jiných tvarů, které nemají ostré rohy, jako je obdélník se zaoblenými rohy.

Druhé provedení přidržovacího prostředku 170 je pružinový přidržovací prostředek, jak je znázorněn na obrázku 4b. Ten se sestává z tažné pružiny, jejíž délka je mírně menší než obvod optického prvku 162. Tažná pružina je vytvořena jako prstenec. Pružnost pružiny jí umožňuje, aby se roztáhla přes optický prvek 162 tak, aby se umístila v drážce 162b. Vnitřní obvod prstence je mírně menší než obvod optického prvku v drážce. Mírně menší rozměr poskytuje stlačující sílu na optický prvek 162. Tlaková síla působí radiálně v každém styčném bodě pružiny s optickým prvkem. Tudíž více bodů kolem okraje optického prvku rovnoměrně rozvádějí stlačující sílu kolem okraje optického prvku 162. Pružina je vhodná pro mnoho tvarů optického prvku a bude se deformovat tak, aby odpovídala tvaru optického prvku 162. Pružina se může také přizpůsobovat nerovnostem tvaru optického prvku. Pružina není dobře vhodná pro optické prvky, které mají ostré rohy.

Obrázek 4c znázorňuje třetí provedení přidržovacího prostředku, který má tvar náramku majícího prstenec zadní desky s řadou pružinových prstů podél vnitřního okraje. Náramkem může být kontinuální prstenec nebo výhodněji je vytvořen z nějaké délky tyče s prsty (fmger stock). Prstovou tyčí s prsty může být Be:Cu tyčka s prsty (Be:Cu finger stock). Pružinové prsty jsou patrné na obrázku 5b. Řada pružinových prstů vytváří mnohonásobné kontaktní body na okraji optického prvku, jako je tomu v drážce optického prvku. Prsty jsou zakřiveny tak, aby se umístily v drážce 162b optického prvku 162 a střed optického prvku v otvoru lamelové desky 160. Alternativně mohou být prsty ve tvaru hřebenu. Hřeben se umístí v drážce a vystřeďuje optický prvek. Také se dají použít jiné tvary prstů. Pružinové prsty 15 poskytují stlačující sílu na optický prvek. Mnohonásobné kontaktní body rozdělují stlačující sílu rovnoměrně kolem obvodu optického disku. Vícenásobné kontaktové body se mohou přizpůsobit nepravidelnostem. Náramek může být vytvořen z nějaké délky tyče s prsty (finger stock), případně s konci spojenými dohromady tak, aby se vytvořil prstenec. Tyč s prsty může být vytvarována do takových tvarů, aby pasovaly k tvaru optického prvku. Tyč s prsty se dá použít pro upevnění disků různých tvarů, jako je kruhového, čtvercového, obdélníkového atd.

Průřez kroužku ve tvaru C a pružinových přidržovacích prostředků je takový, aby pasoval k drážkám se zakřivenými nebo kruhovými bočními stěnami. Jak je to znázorněno na obrázcích 4a a 4b, kroužek ve tvaru C a pružinové přidržovacího prostředku se umístí v drážce v okraji lamelové desky a okraji optického prvku. Drážka v okraji lamelové desky je hlubší než drážka v okraji optického prvku. Drážka v okraji lamelové desky je polokruhová nebo hlubší, jako je kanál nebo žlab s polokruhovým dnem. Drážka v optickém prvku 162 ie mnohem mělčí zahloubení.

Příčný průřez náramku s kontaktními prsty, znázorněného na obrázku 4c, zahrnuje plochou zadní desku se zakřivenými prsty. Tudíž drážka v okraji lamelové desky má tvar obdélníkového zahloubení. Drážka v optickém prvku 162 ie stejné mělké zakřivené zahloubení použité pro kroužek ve tvaru C a pružinu přidržovacího prostředku. Jsou dostupné také jiné tvary náramku nebo tyče s prsty, a tudíž podle toho mohou být vytvarovány drážky. Například zakřivená tyč s prsty zadní desky může být použita se zakřiveným průřezem drážky dle obrázku 4.

U tří výše popsaných provedení přidržovacího prostředku 170 je přidržovací prostředek držen v drážce v lamelové desce odděleným přídržným kroužkem 180. Obrázek 5a znázorňuje lamelovou sestavu s optickým diskem 162 upevněným v lamelové desce 160 a přidržovací prostředek 170 držený na místě přídržným kroužkem 180. Obrázek 5b je rozložený pohled znázorňující každý z dílů lamelové sestavy. Znázorněné provedení zahrnuje náramkové provedení přidržovacího prostředku s optickým prvkem 162 vytvarovaným jako kruhový disk. Přídržný kroužek je také znázorněn v pohledech v příčném řezu na obrázku 4. Přídržný kroužek 180 pasuje do zahloubení 161 v lamelové desce, takže nevyčnívá z povrchu lamelové desky a nenarušuje tok chladivá. Přídržný kroužek 180 je upevněn k lamelové desce 160 za použití šroubů nebo jiných upevňovacích prostředků. Vnější průměr přidržovacího kroužku 180 je větší než vnější průměr přidržovacího prostředku 170, aby se umožnilo upevnění k lamelové desce.

-6CZ 27652 U1

Vnitřní průměr přídržného kroužku 180 sahá nejméně zčásti přes přidržovací prostředek 170. Například tak, jak je to znázorněno na obrázku 4c, přídržný kroužek 180 sahá nejméně zčásti přes přidržovací prostředek, takže je většina přidržovacího prostředku podepřena a držena ve své poloze přídržným kroužkem. V závislosti na geometrii a typu použitého přidržovacího prostředku může přídržný kroužek sahat více nebo méně daleko přes přidržovací prostředek. Ačkoli se výše popsané provedení týká kruhového, jako disk vytvarovaného optického prvku a prstencového přídržného kroužku, dají se také použít jiné tvary optického prvku a přídržného kroužku.

Jak to bylo zmíněno výše, tlaková síla na optický prvek 162 je ovlivněna vnitřním průměrem přidržovacího prostředku 180. Tlaková síla na optický prvek je také ovlivněna průměrem otvoru nebo drážky 160b. ve které je přidržovací prostředek 180 usazen. Vyrobením lamelové desky s různými hloubkami drážky nebo otvory se dá přizpůsobit tlaková síla na optický prvek podle rozměrů jednotlivých optických prvků. Průměr otvoru, zahrnující hloubku drážky v lamelové desce, je přednostně mírně menší než průměr optického prvku s přidržovacím prostředkem upevněným kolem něho. Toto uspořádání vede k drážce 160b v otvoru lamelové desky 160 tlačící proti přidržovacímu prostředku a lehce ho stlačující. Kombinace této tlakové síly a síly popsané výše, vyplývající z menšího průměru přidržovacího prostředku ve srovnání s optickým prvkem pevně drží optický prvek v lamelové desce.

Uspořádání přídržného kroužku 180 a přidržovacího prostředku netvoří trvalé upevnění, protože přídržný kroužek 180 se dá odstranit odstraněním upevňovacích prvků 182.

V některých provedeních nemusí být přídržný kroužek 180 nutný, protože přidržovací prostředek 170 ie upevněn s lícováním s přesahem v drážkách v optickém prvku 162 a lamelové desce 160.

V takovém případě lamelová deska nemá zahloubení pro upevňování přídržného kroužku 180.

Přidržovací prostředek 170 je přednostně kovový, například z nerezavějící oceli, nebo v případě náramku to může být Be:Cu. Tři provedení přidržovacího prostředku 170, znázorněná na obrázcích 4a až 4c, poskytují buď více kontaktních bodů, jak tomu je u variant s pružinou a náramkem, nebo kontinuální kontakt v linii v případě C kroužku. Vícenásobné kontaktní body nebo linie poskytují trasu pro vedení tepla mezi optickým prvkem 162 a lamelovou deskou 160. Teplo v optickém prvku 162 může být odváděno do lamelové desky 160. Jak lamelová deska 160, tak i optický prvek 162, jsou chlazeny tokem tekutého chladivá. Trasa vedení přidržovacím prostředkem 170 tudíž poskytuje zvýšenou účinnou plochu pro konvenční chlazení optického prvku 162. což napomáhá snižovat tepelné gradienty v optickém prvku 162. Například, jestliže je optickým prvkem 162 zesilovací médium, které je opticky excitováno („pumpováno“), tepelný gradient, vytvářený absorpcí excitačního záření, se bude snižovat.

V alternativním provedení přidržovacího prostředku, jako je pružinový přidržovací prostředek, může být přidržovací prostředek vyroben z elektricky odporového materiálu. To umožňuje, aby byl přidržovací prostředek použit jako odporový ohřívač, který může být použit k vyvažování externího ohřívání optického prvku. Například bude během excitace „pumpováním“ aktivního (gain) média bude centrální oblast optického prvku 162 absorbovat excitační záření a může být teplejší než okraje. Použitím ohřívání okrajů tímto způsobem se mohou snížit tepelné gradienty napříč optického prvku 162. Naopak, snížené tepelné gradienty napříč optického prvku budou poskytovat větší jednotnost v čelu vlny optického svazku procházejícího zařízením. Naproti tomu ohřev ohmickým odporem v přidržovacím prostředku se může také použit k tomu, aby se poskytlo řízení svazku termálně vyvolanými změnami v čelu vlny procházejícím optickým prvkem 162.

Výše uvedená provedení byla probírána ve vztahu k optickému prvku 162, kterým může být disk optického zesilovacího média, jako je YAG, Yb:S-FAP, Yb:YAG, Nd:YAG, nebo jiný materiál laseru s pevnou fází, který se propůjčí k optické excitaci, avšak uspořádání popsaná výše mohou být aplikována na jiné optické prvky, které generují teplo, například jiné součástky, ve kterých se absorbovaná energie převádí na teplo. Navíc mohou být uspořádání aplikována na jiné sou

-7CZ 27652 U1 částky, které jsou upevněny v proudu plynu a u nichž se požaduje, aby byly pevně přidržovány ve své poloze.

Navíc k optickým aktivním médiím patří k příkladům na součástky, které mohou být drženy s použitím výše uvedených uspořádání Pockelsovy cely, Faradayovy izolátory, stupně přeměny frekvence, kde se objevuje určitá optická absorpce a mnoho jiných součástek, ve kterých se absorbovaná energie převádí na teplo.

Ačkoli pro lamelovou desku 160 může být použit hliník, upřednostňovanou alternativou je titan, protože se tepelně lépe hodí k výše zmíněnému aktivnímu médiu pro výše zmíněná aktivní média. Upřednostňované provedení například používá Yb disk dopovaného keramického zesilovače YAG, který je upevněný v titanové lamelové desce.

Byly provedeny testy napětí, používající upevňování typu okraj - okraj při 150 K, s kruhovitým titanovým diskem upevněným v hliníkové lamelové desce 160. Tyto testy ukazují, že náramek přidržovacího prostředku je všestrannější možnost ze tří zde popsaných provedení. Dále interferometrické posouzení krystalického disku YAG, upevněného pomocí náramkového přidržovacího prostředku, vykázalo minimální optickou deformaci s použitím optické distorze při použití této techniky sevření ve srovnání s nesevřeným diskem.

V další alternativě provedení může být optický prvek držen v upevnění, které není lamelová deska, jako je deska nebo odlitek. V takovém případě je optický prvek držen v otvoru v upevnění používajícím nějakou z technik popsaných výše. Technika upevnění se může aplikovat na každý optický prvek, který je podrobován extrémním změnám teploty a vyžaduje odpovídající a trvanlivou upevňovací techniku, aby se umožnilo diferenciální roztahování nebo smršťování upevnění a optického prvku. Optickým prvkem může být například optické okénko, které je podrobováno významným teplotním výchylkám, například od pokojové teploty až po kryogenní teploty. Přidržovací prostředek neposkytuje hermetické utěsnění, ale dají se použít známé techniky, jako jsou o-kroužky, aby se navíc poskytlo těsnění mezi jednou stranou optického prvku a druhou. V jiných provedeních může být optickým prvkem optické zesilovací médium, které se ohřívá, ale chladí se bez nuceného ochlazování.

Odborník v oboru snadno rozpozná, že se dají provést různé úpravy a změny vůči výše popsaným lamelovým sestavám, aniž by tím došlo k odchýlení se od rozsahu připojených nároků, například se dají použít jiné tvary, rozměry a materiály. Optickým prvkem může být optické zesilovací médium nebo jiný, teplo generující optický prvek.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (31)

1. Lamelová sestava pro nesení optického prvku nebo optického zesilovače, kde optický prvek je chlazen tekutým médiem, která zahrnuje:

optický prvek, lamelovou desku, která má otvor, přičemž optický prvek je upevněn v otvoru, vyznačující se tím, že mezi optický prvek (162) a lamelovou deskou (160) je vložen tvarově přizpůsobený přidržovací prostředek (170) vytvořený pro držení optického prvku (162) v otvoru vytvořením tlakové síly působící na okraj optického prvku (162).

2. Lamelová sestava podle nároku 1, vyznačující se tím, že přidržovací prostředek je tvarově upraven pro usazení mezi vnější okraj optického prvku a vnitřní okraj otvoru, přičemž je vytvořen pro aplikaci tlakové síly na okraji optického prvku.

-8CZ 27652 U1

3. Lamelová sestava podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že přidržovací prostředek zahrnuje pružný prvek nebo pružinový prvek.

4. Lamelová sestava podle nároku 2, vyznačující se tím, že přidržovací prvek je vytvořen pro aplikaci tlakové síly v podstatě rovnoměrně kolem okraje optického prvku nebo ve skupině kontaktních bodů, uspořádaných v podstatě rovnoměrně kolem okraje optického prvku.

5. Lamelová sestava podle alespoň jednoho z předchozích nároků, vyznačující se tím, že okraj otvoru v lamelové desce je opatřen drážkou pro umístění přidržovací prostředku.

6. Lamelová sestava podle alespoň jednoho z předchozích nároků, vyznačující se tím, že okraj optického prvku je opatřen drážkou pro umístění přidržovacího prostředku.

7. Lamelová sestava podle alespoň jednoho z předchozích nároků, vyznačující se tím, že přidržovací prostředek je protažen v podstatě zcela kolem vnějšího okraje optického prvku.

8. Lamelová sestava podle alespoň jednoho z předchozích nároků, vyznačující se tím, že přidržovací prostředek má průřez ve tvaru písmene C.

9. Lamelová sestava podle nároku 8, vyznačující se tím, že tvar přidržovacího prostředku odpovídá tvaru obvodu optického prvku, přičemž přidržovací prostředek má menší průměr než optický prvek pro aplikaci tlakové síly.

10. Lamelová sestava podle nároku 7 nebo 8, vyznačující se tím, že přidržovací prostředek (170,180) je radiálně rozštěpen.

11. Lamelová sestava podle některého z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že přidržovacím prostředkem je tažná pružina.

12. Lamelová sestava podle nároku 11, vyznačující se tím, že tažná pružina je vytvořena jako nekonečná tažná pružina.

13. Lamelová sestava podle nároku 11 nebo 12, vyznačující se tím, že tažná pružina má tvar odpovídající tvaru obvodu optického prvku, přičemž přidržovací prostředek má menší průměr než optický prvek pro poskytování tlakové síly.

14. Lamelová sestava podle některého z nároků laž7, vyznačující se tím, že přidržovacím prostředkem je náramek opatřený skupinou odpružených kontaktních prstů.

15. Lamelová sestava podle některého z nároků lažl4, vyznačující se tím, že zahrnuje jeden nebo dva přidržovací kroužky, odstranitelně připojené k lamelové desce, pro zadržení přidržovacího prostředku v otvoru lamelové desky.

16. Lamelová sestava podle nároku 15, vyznačující se tím, že jeden nebo dva přidržovací kroužky mají vnitřní průměr, který se alespoň rovná vnitřnímu průměru přidržovacího prostředku, aleje menší, než je vnější průměr přidržovacího prostředku.

17. Lamelová sestava podle některého z nároků lažló, vyznačující se tím, že optický prvek a lamelová deska mají v podstatě stejnou tloušťku.

18. Lamelová sestava podle některého z nároků 1 až 17, vyznačující se tím, že přidržovací prostředek je kovový.

19. Lamelová sestava podle některého z nároků lažl8, vyznačující se tím, že přidržovací prostředek vykazuje elektrický ohmický odpor pro tepelné ohřívání optického prvku.

-9CZ 27652 U1

20. Lamelová sestava podle některého z nároků lažl9, vyznačující se tím, že optickým prvkem je teplotvomý prvek.

21. Lamelová sestava podle některého z nároků laž20, vyznačující se tím, že optickým prvkem je optické zesilovací médium.

22. Lamelová sestava podle nároku 21, vyznačující se tím, že optické zesilovací médium zahrnuje Yb:YAG, Nd:YAG nebo jiné pro optické excitování vhodné médium laseru s pevnou fází.

23. Lamelová sestava podle některého z nároků laž22, vyznačující se tím, že otvor a optický prvek jsou kruhové.

24. Lamelová sestava podle některého z nároků laž22, vyznačující se tím, že otvor a optický prvek jsou čtvercové nebo obdélníkové.

25. Lamelová deska pro použití v lamelové sestavě podle kteréhokoliv z nároků 1 až 24, vyznačující se tím, že je opatřena otvorem pro umístění optického prvku, kde tento otvor je na svém okraji opatřen drážkou pro umístění přidržovacího prostředku pro zadržení optického prvku v otvoru.

26. Laser zahrnující lamelovou sestavu podle některého z nároků 1 až 24 nebo lamelovou desku podle nároku 25, vyznačující se tím, že optickým prvkem je optické aktivní médium.

27. Optický zesilovač zahrnující lamelovou sestavu podle některého z nároků 1 až 24 nebo lamelovou desku podle nároku 25, vyznačující se tím, že optickým prvkem je optické aktivní médium.

28. Laser podle nároku 26 nebo optický zesilovač podle nároku 27, vyznačující se tím, že je vytvořen pro dopadání excitovaného svazku na optické aktivní médium.

29. Laser nebo optický zesilovač podle nároku 26, vyznačující se tím, že excitovaný svazek a/nebo výstupní svazek je příčný k rovině lamelové sestavy.

30. Laser nebo optický zesilovač podle některého z nároků 28 nebo 29, vyznačující se tím, že je vytvořen pro průchod excitovaného svazku a/nebo výstupního svazku proudem chladicí tekutiny.

31. Laser nebo optický zesilovač podle některého z nároků 28 až 30, vyznačující se tím, že laserem je laserový zesilovač chlazený kryogenním plynem.