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Die Erfindung betrifft ein Laserverstärkersystem, mit einer ein Lasermedium umfassenden Festkörperscheibe mit zwei Flachseiten, wobei auf der ersten Flachseite Funktionsschichten angeordnet sind, umfassend einen Reflektor für ein Pumpstrahlungsfeld, sowie einen Reflektor für ein Laserstrahlungsfeld, und die Funktionsschichten zur Ableitung von Wärme thermisch und mechanisch mit einer Kühlfläche eines Kühlkörpers über eine zwischen Kühlkörper (9) und Funktionsschicht (5) angeordnete Klebstoffschicht (10) gekoppelt sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Laserverstärkersystems.
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Solche Laserverstärkersysteme sind beispielsweise bekannt aus der Patentschrift
EP 1 178 579 B1 . Dort wird ein Laserverstärkersystem beschrieben, bei dem die Festkörperscheibe mithilfe einer Klebstoffschicht mit dem Kühlkörper mechanisch und thermisch gekoppelt ist und die Klebstoffschicht an die auf die Festkörperscheibe angebrachten Reflektoren für das Laserstrahlungsfeld und Pumpstrahlungsfeld angrenzt.
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Desweiteren ist in den Patentschriften
EP 0 632 551 B1 , der
EP 0 869 592 B1 und der
EP 0 869 591 B1 ein Laserverstärkersystem beschrieben, bei dem der Kühlkörper aus einem wärmeleitenden Metall besteht und der thermische Kontakt über ein Lot zwischen Kühlkörper und Festkörperscheibe hergestellt wird. Gleichfalls wird dort ein weiteres Laserverstärkersystem beschrieben, bei dem der Kühlkörper aus einem transparenten Material, wie z. B. Diamant, Siliziumkarbid, oder anderen kohlenstoffhaltigen Verbindungen besteht. Es werden dort allerdings keine genauen Angaben über die thermische Kopplung von Festkörperscheibe und Kühlkörper gemacht.
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Festkörperscheiben haben den Vorteil, dass durch eine flächige gleichmäßige Kühlung ein linearer Temperaturgradient aufgebaut wird und somit die Ausbildung einer thermischen Linse im Festkörpermedium minimiert wird.
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Die maximal extrahierte Leistung aus einem solchen System lässt sich durch eine Skalierung des Durchmessers der Festkörperscheibe und der Modengrößen von Pump- und Laserstrahlungsfeld bei gleich bleibender Leistungsdichte vergrößern. Allerdings wird mit zunehmendem Durchmesser der Festkörperscheibe der Kontaktierungsprozess der Festkörperscheibe auf den Kühlkörper schwieriger. Insbesondere steigt die Gefahr, dass z. B. Lufteinschlüsse in der Klebstoffschicht zu einer inhomogenen Wärmeabfuhr führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laserverstärkersystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bereitzustellen, bei dem Inhomogenitäten in der Wärmeleitfähigkeit der Klebstoffschicht ausgeglichen werden können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Laserverstärkersystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine thermische Homogenisierungsschicht zwischen der Festkörperscheibe und der Klebstoffschicht angeordnet ist, wobei die Homogenisierungsschicht eine größere Wärmeleitfähigkeit als die der Festkörperscheibe und der Klebstoffschicht aufweist.
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Eine solche thermische Homogenisierungsschicht hat den Vorteil, dass Inhomogenitäten in der Wärmeleitfähigkeit der Klebstoffschicht durch Wärmespreizung in der Homogenisierungsschicht ausgeglichen werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Klebstoffschicht neben dem Klebstoff einen Füllstoff aufweist. So kann die Wärmeleitfähigkeit der Klebstoffschicht verbessert werden, wobei der Nachteil einer etwaigen inhomogenen Wärmeableitung durch den Füllstoff mithilfe der Homogenisierungsschicht verringert wird.
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Zweckmäßigerweise weißt der Kühlkörper Ausnehmungen zur Aufnahme des Klebstoffs auf. Dies ist zur Realisierung einer möglichst dünnen Klebstoffschicht vorteilhaft, da überflüssiger Klebstoff vor dem Aushärten des Klebstoffs über die Ausnehmungen nach außen geleitet wird. Die aufgrund der Ausnehmungen entstehenden Inhomogenitäten in der Wärmeabfuhr können durch die Homogenisierungsschicht verringert werden.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Homogenisierungsschicht eine Dicke besitzt, die ungefähr in der Größenordnung der Breite der Ausnehmungen liegt, und maximal im Verhältnis der Wärmeleitfähigkeiten von Homogenisierungsschicht und Klebstoffschicht kleiner ist. Dabei bezeichnet die Breite der Ausnehmung die Breite der Ausnehmung bezogen auf deren Abmessung innerhalb der Ebene der Kühlfläche.
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Bei Festkörperscheiben mit sehr großen Durchmessern besteht das Problem, dass spontan in dem Lasermedium emittierte Strahlung über Totalreflektionen an den Flachseiten sehr weite Strecken in dem Lasermedium zurücklegt und dabei verstärkt werden kann. Diese verstärkte spontan emittierte Strahlung vermindert die Inversion in dem Lasermedium und damit die maximal mögliche Verstärkung für das Laserstrahlungsfeld. Ferner bildet der Anteil an spontan emittierter Strahlung eine Strahlungsquelle mit undefinierter Strahlungsrichtung, was zu einem unerwünschten Wärmeeintrag in Teilen des Laserverstärkersystems führen kann.
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Es ist daher insbesondere vorteilhaft, wenn die Homogenisierungsschicht so ausgebildet ist, dass sie Licht absorbiert, welches im Wesentlichen die gleiche Wellenlänge besitzt wie die Wellenlänge des Laserstrahlungsfeldes.
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Vorzugsweise beträgt die Absorption wenigstens 5%.
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Eine solche absorbierende Homogenisierungsschicht hat den Vorteil, dass spontan emittierte Strahlung, die aufgrund Ihres Einfallwinkels durch die auf der ersten Flachseite der Festkörperscheibe aufgebrachten Funktionsschichten hindurch tritt, daran gehindert wird, durch Reflektion an einer weiteren Grenzfläche wieder in die Festkörperscheibe zu gelangen. Ferner wird verhindert, dass diese spontan emittierte Strahlung unkontrolliert Wärme durch z. B. Absorption in den Abdichtungen der Kühlvorrichtung des Laserverstärkersystems einbringt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Homogenisierungsschicht über den gesamten Pumpfleck, noch besser über die gesamte Ausdehnung der Festkörperscheibe erstreckt.
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Die Homogenisierungsschicht kann beispielsweise als Metallisierung auf die Funktionsschichten der Festkörperscheibe aufgetragen sein. Als solche Metallisierung ist z. B. eine Goldschicht denkbar.
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Der Kühlkörper kann dabei aus einem beliebigen Material mit guter Wärmeleitung hergestellt sein. Beispielsweise ist eine Kupferlegierung denkbar.
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Besonders vorteilhaft ist aber ein transparenter Kühlkörper, z. B. aus Diamant, oder Siliziumcarbid. Dies hat den Vorteil, dass bei Verwendung eines mit Licht aushärtenden Klebstoffs, dieses Licht über den Kühlkörper in die Klebstoffschicht geleitet werden kann.
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Zweckmäßigerweise ist dann die Homogenisierungsschicht so ausgebildet, dass sie auch dieses zum Aushärten des Klebstoffs verwendete Licht absorbiert. Zum Aushärten des Klebstoffs ist z. B. ultraviolettes Licht üblich. Dieses Licht kann dann nicht in die Festkörperscheibe gelangen. Da ultraviolettes Licht in der Festkörperscheibe zu Farbzentren führen kann, wird die Entstehung von Farbzentren in der Festkörperscheibe so wirksam unterdrückt.
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Günstig für die Leistungsskalierung des Laserverstärkersystems ist es, wenn die Festkörperscheibe einen Durchmesser aufweist, der größer als 15 mm, vorzugsweise größer als 20 mm ist. Es kann so bei entsprechender Skalierung des Pumpstrahlungsfelddurchmessers die Gesamtleistung des Pumpstrahlungsfeldes vergrößert werden, ohne dabei die Pumpleistungsdichte anheben zu müssen.
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Insbesondere ist die Verwendung einer im Wesentlichen planen Festkörperscheibe von Vorteil, da die Festkörperscheibe dann als einfacher Umlenkspiegel im Strahlengang des Laserstrahlungsfeldes integriert werden kann. Es ist dann zweckmäßig, wenn auch die Kühlfläche plan ist, da dadurch ein gleichmäßig guter thermischer Kontakt mit sehr kleinem Abstand zwischen Kühlfläche und Festkörperscheibe über die gesamte Kühlfläche realisiert werden kann. Erfindungsgemäß wird die Kühlfläche auch dann als plan bezeichnet, wenn etwaige Ausnehmungen zur Aufnahme von Klebstoff in der Kühlfläche vorgesehen sind.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wärmeleitfähigkeit des die Homogenisierungsschicht, Klebstoffschicht und Kühlkörper umfassenden Schichtsystems über einen im Verhältnis zur Dicke und Wärmeleitfähigkeit der Homogenisierungsschicht großflächigen Bereich außerhalb des Pumpstrahlungsfeldes kleiner ist, als innerhalb des Pumpstrahlungsfeldes.
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Hierbei und auch in den folgenden in ähnlicher Form vergleichenden Ausführungen beziehen sich die Ortsangaben auf den jeweils vorliegenden radialen Abstand zur Symmetrieachse des vom Pumpstrahlungsfeld durchsetzten Bereichs der Festkörperscheibe, nicht aber auf etwaige bestehende Abstände parallel zu dieser Symmetrieachse. Zur Verdeutlichung soll erwähnt werden, dass zwischen Homogenisierungsschicht und dem vom Pumpstrahlungsfeld durchsetzten Bereich der Festkörperscheibe erfindungsgemäß jeweils die Funktionsschichten liegen und somit die Homogenisierungsschicht – und insbesondere Klebstoffschicht – nicht unmittelbar an das Pumpstrahlungsfeld angrenzt.
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Ein im Verhältnis zur Dicke und Wärmeleitfähigkeit der Homogenisierungsschicht großflächigen Bereich bezeichnet einen Bereich, dessen Ausdehnung in einer Ebene parallel zur ersten Flachseite der Festkörperscheibe wenigstens um eine Größenordnung größer ist, als die Dicke der Homogenisierungsschicht.
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Zweckmäßigerweise bezeichnet ein großflächiger Bereich einen Bereich, dessen Ausdehnung in einer Ebene parallel zur ersten Flachseite der Festkörperscheibe größer ist, als die Dicke der Homogenisierungsschicht, multipliziert mit dem Verhältnis der Wärmeleitfähigkeiten zwischen Homogenisierungsschicht und Klebstoffschicht.
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Die in den verschiedenen Bereichen vorliegende unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit des Schichtsystems aus Kühlkörper, Klebstoffschicht und Homogenisierungsschicht hat den Vorteil, dass aufgrund der außerhalb des Pumpstrahlungsfeldes schlechteren Wärmeleitung eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in radialer Richtung innerhalb der Festkörperscheibe beim Übergang vom gepumpten zum nicht gepumpten Bereich realisiert werden kann und so radialsymmetrische Deformationen der Festkörperscheibe aufgrund unterschiedlicher Temperaturen in der Festkörperscheibe vermindert werden.
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Besonders zweckmäßig ist es daher, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Schichtsystems aus Kühlkörper, Klebstoffschicht und Homogenisierungsschicht radial nach außen abnimmt. Vorzugsweise entspricht das Wärmeleitfähigkeitsprofil dieses Schichtsystems, abgesehen von einem Proportionalitätsfaktor, im Wesentlichen dem Leistungsprofil des Pumpstrahlungsfeldes.
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Eine veränderte Wärmeleitfähigkeit des Schichtsystems aus Kühlkörper, Klebstoffschicht und Homogenisierungsschicht lässt sich beispielsweise durch eine veränderte Dicke der Klebstoffschicht realisieren. Zweckmäßigerweise befinden sich Ausnehmungen im Kühlkörper und/oder der Homogenisierungsschicht die dafür sorgen, dass die Dicke der Klebstoffschicht variiert.
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Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Ausnehmungen zur Aufnahme der Klebstoffschicht radialsymmetrisch als Stufe am Rand des Pumpstrahlungsfeldes angeordnet sind. Die Ausnehmungen sorgen für eine dort dickere Klebstoffschicht, so dass außerhalb des von dem Pumpstrahlungsfeld durchsetzten Bereichs der Festkörperscheibe die Wärmeabfuhr aufgrund der dickeren Klebstoffschicht geringer ist, als im vom Pumpstrahlungsfeld durchsetzten Bereich.
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Es ist dann insbesondere vorteilhaft, wenn auch die Homogenisierungsschicht eine Stufe in Form einer Ausnehmung am Rand des Pumpstrahlungsfeldes aufweist, derart, dass deren Dicke außerhalb der Stufe geringer ist, als im Bereich des Pumpstrahlungsfeldes. Die veränderte Dicke der Homogenisierungsschicht sorgt, wie zuvor beschrieben, für eine entsprechend dickere Klebstoffschicht, so dass die Wärmeleitfähigkeit der Schicht außerhalb des Pumpstrahlungsfeldes geringer ist, als im Zentrum des Pumpstrahlungsfeldes. Darüber hinaus sorgt die dünnere Homogenisierungschicht in den Bereichen außerhalb des Pumpstrahlungsfeldes für eine verminderte Wärmespreizung und damit stärker ausgeprägte Stufe bezogen auf die Wärmeleitfähigkeit des Schichtsystems aus Klebstoffschicht und Homogenisierungsschicht.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Homogenisierungsschicht in Abhängigkeit von der Pumplichtverteilung ein radiales Dickenprofil aufweist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des vorgenannten Laserverstärkersystems. Bei dem Verfahren wird ein Klebstoff auf eine Kühlfläche eines Kühlkörpers aufgetragen und die erste Flachseite der Festkörperscheibe mit ihren Funktionsschichten auf den Kühlkörper gebracht. Anschließend wird die zum Aushärten des Klebstoffs notwendige Aktivierungsenergie durch den Kühlkörper oder die Festkörperscheibe hindurch gleitet. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass vor dem Aufbringen des Klebstoffs und der Festkörperscheibe auf den Kühlkörper eine Homogenisierungsschicht mit einer höheren Leitfähigkeit als die der Klebstoffschicht und der Festkörperscheibe auf die Funktionsschichten auf der ersten Flachseite der Festkörperscheibe aufgebracht wird.
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Zweckmäßigerweise wird die Aktivierungsenergie zum Aushärten des Klebstoffs durch den Kühlkörper in die Klebstoffschicht gleitet. Die Homogenisierungsschicht ist dabei zweckmäßigerweise so ausgebildet, dass sie für Licht mit Wellenlängen, die dem des Verstärkungsspektrums des Lasermediums entsprechen, als auch für ultraviolettes Licht absorbierend wirkt. Das vorherige Aufbringen der Homogenisierungsschicht hat den Vorteil, dass bei Verwendung eines mit ultraviolettem Licht aushärtenden Klebstoffs, das Licht nicht in die Festkörperscheibe geleitet wird und so die Entstehung von Farbzentren verhindert wird.
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Eine vorteilhafte Variante des Verfahrens sieht vor, dass vor dem Aufbringen der Festkörperscheibe auf den Kühlkörper Ausnehmungen zur Aufnahme von Klebstoff in der Kühlfläche des Kühlkörpers erzeugt werden.
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Da der Klebstoff über den durch die Ausnehmungen vergrößerten Querschnitt leichter nach außen wegfließen kann, kann die Klebstoffschicht in ausgewählten Bereichen zwischen den Funktionsschichten der Festkörperscheibe und dem Kühlkörper im Vergleich zu dem für das Zusammenpressen von Festkörperscheibe und Kühlkörper ohne Ausnehmungen notwendigen Zeitaufwand mit einem geringeren Zeitaufwand minimiert werden. Ferner kann durch eine entsprechende Anordnung der Ausnehmungen die Wärmeleitfähigkeit der Klebstoffschicht zwischen Festkörperscheibe und Kühlkörper an das Pumpstrahlungsfeld angepasst werden.
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In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Ausnehmungen in die Kühlfläche des Kühlkörpers strukturiert. Eine solche Strukturierung kann beispielsweise mithilfe eines Lasers erfolgen.
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Günstig ist es, wenn die Festkörperscheibe nach dem Aufkleben abgedünnt und nach dem Abdünnen der Festkörperscheibe eine Funktionsschicht auf die zweite Flachseite der Festkörperscheibe aufgetragen wird.
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So ist es möglich, plane Festkörperscheiben mit sehr geringen Dicken zu realisieren, da die Dicke der Festkörperscheibe beim Aufkleben ausreichend groß gewählt werden kann, so dass bei Aufbringen der Funktionsschichten auf die erste Flachseite der Festkörperscheibe auftretende Spannungen zu keiner Krümmung der Festkörperscheibe führen.
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Zweckmäßigerweise wird der Kühlkörper beim Aufbringen der Funktionsschicht auf die zweite Flachseite der Festkörperscheibe gekühlt.
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Dies hat den Vorteil, dass die Temperatur der Klebstoffschicht nicht durch den Beschichtungsprozess beim Aufbringen der Funktionsschichten erhöht wird.
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Besonders vorteilhaft ist es dann, wenn die Temperatur des Kühlkörpers und der Klebstoffschicht während des Auftragens der Funktionsschichten unterhalb der Glasübergangstemperatur des Klebstoffs liegt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer auf einen Kühlkörper aufgebrachten Festkörperscheibe des Laserverstärkersystems gemäß der Erfindung,
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2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems, wobei die auf einen Kühlkörper aufgebrachte Festkörperscheibe dargestellt ist und Ausnehmungen in der Kühlfläche vorgesehen sind.
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Laserverstärkungssystems (1) wiedergegeben, bei dem die Festkörperscheibe (2) in einem aktiven Bereich (13) von einem senkrecht einfallenden Laserstrahlungsfeld (7) und einem seitlich einfallenden Pumpstrahlungsfeld (6) durchsetzt ist. Dabei werden beide Strahlungsfelder (6, 7) von durch Funktionsschichten (5) gebildeten Reflektoren reflektiert, wobei die Reflektoren auf einer ersten Flachseite (3) der Festkörperscheibe (2) angeordnet sind.
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Die Festkörperscheibe (2) ist neben den Funktionsschichten (5) mit einer zusätzlichen thermischen Homogenisierungsschicht (11) ausgestattet, die wiederum über eine Klebstoffschicht (10) mit der Kühlfläche (8) eines Kühlkörpers (9) verbunden ist. Die Homogenisierungsschicht (11) ist aus einem für das Verstärkungsspektrum des Lasermediums (2) absorptivem Material hergestellt, das Licht mit ungefähr der gleichen Wellenlänge wie der des Laserstrahlungsfeldes (6, 7) wenigstens teilweise absorbiert. So kann im Laserbetrieb spontan emittierte Strahlung, die aufgrund Ihrer Ausbreitungsrichtung durch die Funktionsschichten (5) auf der ersten Flachseite (3) der Festkörperscheibe (2) hindurch tritt, absorbiert werden.
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Die Homogenisierungsschicht (11) kann beispielsweise in Form einer Metallisierung (11) aus einem Metall oder einem anderen Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit bestehen.
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Die Klebstoffschicht (10) sorgt ihrerseits für thermischen und mechanischen Kontakt zwischen der Metallisierung (11) und dem Kühlkörper (9).
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In 2 sind Ausnehmungen (12) in der Kühlfläche (8) des Kühlkörpers (9) zur Aufnahme von Klebstoff (10) vorgesehen. Die Ausnehmungen (12) sind in Form von parallel zueinander verlaufenden Kanälen (12) ausgebildet, so dass der Klebstoff (10) beim Aufbringen der Festkörperscheibe (2) über die Kanäle (12) nach außen wegfließen kann.
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Der inhomogene Wärmefluss durch die Klebstoffschicht (10), der durch die unterschiedliche Dicke der Klebstoffschicht (10) aufgrund der Ausnehmungen (12) entsteht, wird durch die thermische Homogenisierungsschicht (11) durch Wärmespreizung abgeschwächt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laserverstärkersystem
- 2
- Festkörperscheibe
- 3
- erste Flachseite der Festkörperscheibe
- 4
- zweite Flachseite der Festkörperscheibe
- 5
- Funktionsschichten, umfassend Reflektoren für Laser- und Pumpstrahlungsfeld
- 6
- Pumpstrahlungsfeld
- 7
- Laserstrahlungsfeld
- 8
- Kühlfläche des Kühlkörpers
- 9
- Kühlkörper
- 10
- Klebstoff
- 11
- Homogenisierungsschicht
- 12
- Ausnehmungen in der Kühlfläche
- 13
- aktiver Bereich der Festkörperscheibe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1178579 B1 [0002]
- EP 0632551 B1 [0003]
- EP 0869592 B1 [0003]
- EP 0869591 B1 [0003]
