DE102014113134A1

DE102014113134A1 - Optische Einrichtung

Info

Publication number: DE102014113134A1
Application number: DE102014113134.7A
Authority: DE
Inventors: Jan Kaster; Rainer Bleich
Original assignee: Rofin Baasel Lasertech GmbH and Co KG
Current assignee: Rofin Baasel Lasertech GmbH and Co KG
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2015-07-23

Abstract

Optische Einrichtung (10), umfassend ein optisches Medium (16) und zumindest einen Wärmeleitkörper (11, 12) mit einer Ausnehmung (14, 15), in der das optische Medium (16) angeordnet ist, wobei das optische Medium (16) an den Wärmeleitkörper (11, 12) mittelbar über eine dazwischen zumindest abschnittsweise angeordnete Wärmeleitfolie (18) thermisch angekoppelt und erfindungsgemäß derart ausgestaltet ist, dass die Wärmeleitfolie (18) eine umlaufende Umfangsfläche des optischen Mediums (16) zumindest abschnittsweise überdeckt, welche parallel zu einer Propagationsrichtung eines in der optischen Einrichtung geführten Laserstrahls verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Einrichtung, umfassend ein optisches Medium und zumindest einen Wärmeleitkörper mit einer Ausnehmung, in dem das optische Medium angeordnet ist. Das optische Medium ist an den Wärmeleitkörper mittelbar über eine dazwischen zumindest abschnittsweise angeordnete Wärmefolie thermisch angekoppelt.
Optische Einrichtungen, die zur Halterung eines optischen Mediums dienen, sind generell aus dem Stand der Technik bekannt. Im Allgemeinen weisen derartige optische Einrichtungen massive Wärmeleitkörper auf, welche an das optische Medium mittels dazwischen angeordneten Wärmeleitfolien oder mittels Lötstellen thermisch angekoppelt sind. Der Wärmeleitkörper dient zur Abführung der Wärme an eine darunter oder darüber angeordnete Wärmesenke, welche typischerweise als Kühlplatte ausgebildet ist, die von einem Kühlfluid, beispielsweise Luft oder Wasser durch- oder umströmbar ist.
Inhomogene Ableitung von Wärme aus optischen Medien, insbesondere aus Lasermedien bzw. Laserkristallen führt in der Regel zu einer Wellenfrontstörung und gegebenenfalls zu einem Leistungsverlust aufgrund einer spannungsinduzierten Störung des Polarisationszustands. Zur Erzeugung von insbesondere Laserstrahlung mit nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität ist eine gute und homogene Wärmeabführung aus dem optischen Medium erforderlich. Das thermische Ankoppeln des optischen Mediums an den Wärmeleitkörper mittels eines Lötprozess ist jedoch aus fertigungstechnischer Sicht sehr komplex und aufwändig, wohingegen die Verwendung einer Wärmeleitfolie im Allgemeinen eine Ankopplung bereitstellt, deren thermische Leitfähigkeit im Vergleich zur Lötverbindung vermindert ist. Die Verwendung der Wärmeleitfolie stellt somit einen Kompromiss dar zwischen fertigungstechnischen Anforderungen und der Bereitstellung eines qualitativ hochwertigen Wärmeübergangs zwischen optischen Medium und Wärmeleitkörper.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Einrichtung anzugeben, welche kostengünstig herzustellen ist und eine qualitativ hochwertige thermische Anbindung des optischen Mediums an den Wärmeleitkörper sicherstellt, so dass wärmeinduzierte Aberrationen minimiert sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst von einer optischen Einrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die optische Einrichtung umfasst ein optisches Medium und zumindest einen Wärmeleitkörper mit einer Ausnehmung, in der das optische Medium angeordnet ist. Das optische Medium ist an den Wärmeleitkörper mittelbar über eine dazwischen zumindest abschnittsweise angeordnete Wärmeleitfolie thermisch angekoppelt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wärmeleitfolie eine umlaufende Umfangsfläche des optischen Mediums überdeckt, welche parallel zu einer Propagationsrichtung eines in der optischen Einrichtung geführten Laserstrahls verläuft. Zur thermischen Anbindung des optischen Mediums an den zumindest einen Wärmeleitkörper kann somit die gesamte umlaufende Umfangsfläche dienen, welche zur Verbesserung des Wärmeübergangs abschnittsweise oder vollständig mit der Wärmefolie versehen bzw. überdeckt ist. Zudem dient die zwischen dem zumindest einen Wärmeleitkörper und dem optischen Medium zumindest abschnittsweise angeordnete Wärmeleitfolie dem Ausgleich von fertigungstypischen Toleranzen. Die thermische Anbindung des optischen Mediums an den zumindest einen Wärmeleitkörper über die gesamte Umfangsfläche hat zum Vorteil, dass Asymmetrien in der Wärmeübertragung vermieden werden. Dies führt insbesondere zur Reduzierung von Aberrationen, die durch einen asymmetrischen thermischen Linseneffekt hervorgerufen werden. Darüber hinaus wird die Ausbildung von thermisch induzierten Oberflächendeformationen und Störungen des Polarisationszustandes reduziert, so dass der Entstehung daraus resultierender Aberrationen entgegengewirkt wird. Insbesondere bei der Verwendung der optischen Einrichtung zur Erzeugung oder Verstärkung eines Laserstrahls ist dadurch ermöglicht, eine sehr hohe Strahlgüte zu erreichen mit nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität entlang des Strahlverlaufs und beispielsweise einem Strahlquerschnitt, welcher im Wesentlichen der idealen Gaußverteilung entspricht.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das optische Medium eine zylindrische Gestalt auf. Die umlaufende Umfangsfläche des optischen Mediums ist somit von der zylindrischen Mantelfläche des optischen Mediums gebildet, welche über die zumindest abschnittsweise angeordnete Wärmeleifolie mittelbar an den zumindest einen Wärmeleitkörper thermisch angekoppelt ist.
In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das optische Medium einen polygonalen Querschnitt mit einer Vielzahl von parallel zur Propagationsrichtung des Laserstrahls verlaufenden planen Seitenflächen.
Bevorzugter Weise ist das optische Medium zwischen zwei Wärmeleitkörpern derart angeordnet, dass die Umfangsfläche des optischen Mediums vollständig von den beiden Wärmeleitkörpern überdeckt ist. Die Umfangsfläche des optische Mediums ist von der Vielzahl von zueinander in einem Winkel angeordneten planen Seitenflächen gebildet oder von der zylindrischen Mantelfläche gebildet, wobei jeder Wärmeleitkörper einen Abschnitt der Umfangsfläche des optischen Medium (16) randseitig überdeckt.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform überdeckt jeder Wärmeleitköper eine Mehrzahl von aneinander angrenzenden Seitenflächen des optischen Mediums randseitig zumindest teilweise. Typischerweise besteht das optische Medium aus einem stiftförmigen Festkörper, dessen Längsseiten parallel zur Propagationsrichtung des in der optischen Einrichtung geführten Laserstrahls verlaufen. Solche stiftförmig ausgebildeten optischen Medien haben einen senkrecht zu den Längsseiten verlaufenden Querschnitt in Form eines regelmäßigen oder unregelmäßigen Vielecks beziehungsweise Polygons, insbesondere können optische Medien eine Querschnittsfläche in Gestalt eines Quadrats, eines Rechtecks, eines Hexagons, eines Oktagons oder dergleichen aufweisen. Es ist somit vorgesehen, dass jeder Wärmeleitkörper mit einer Mehrzahl von aneinander angrenzenden Seitenflächen in thermischen Kontakt steht, um eine asymmetrische Wärmeabführung mit den damit verbundenen thermischen Aberrationen zu vermeiden. Vorzugsweise steht jeweils die Hälfte der Umgangsfläche des optischen Mediums im thermischen Kontakt mit jeweils einem der Wärmeleitkörper.
Vorzugsweise überdeckt jeder Wärmeleitkörper randseitig die Mehrzahl von aneinander angrenzenden Seitenflächen des optischen Mediums vollständig. Jeder Wärmeleitkörper weist eine jeweilige Ausnehmung zur Aufnahme eines Abschnitts des optischen Mediums auf, so dass die Umfangsfläche des optischen Mediums vollständig von den beiden Wärmeleitkörpern randseitig überdeckt ist, wenn das optische Medium in die Ausnehmungen eingesetzt ist. Die Form und Dimensionierung der Ausnehmungen entspricht dabei der Gestalt der zu umschließenden Umfangsfläche des optischen Mediums. Beispielsweise ist bei einer zur Aufnahme eines stabförmigen optischen Mediums mit quadratischer Querschnittsfläche ausgebildeten optischen Einrichtung jede Ausnehmung derart ausgebildet, dass diese zwei zueinander senkrecht verlaufende Seitenflächen aufweisen, welche im montierten Zustand in thermischen Kontakt mit den gegenüberliegend angeordneten Seitenflächen des quaderförmigen optischen Mediums stehen. Entsprechend ist bei optischen Medien mit hexagonaler oder oktogonaler Querschnittsfläche vorgesehen, dass jedes der Wärmeleitkörper drei bzw. vier aneinander angrenzende Seitenflächen des optischen Mediums vollständig überdeckt.
Es ist vorgesehen, auf eine inhomogene Wärmeverteilung im optischen Medium gezielt Einfluss zu nehmen. Dazu können beispielsweise Wärmeleitfolien aus unterschiedlichen Materialien, insbesondere Gold und/oder Indium, zum Einsatz kommen, die sich über unterschiedliche Abschnitte der Umfangsfläche des optischen Mediums erstrecken. Ferner ist vorgesehen, die Wärmeleitfolie nur selektiv in bestimmten Abschnitten anzuordnen, um gezielt auf die Wärmeverteilung im optischen Medium Einfluss zu nehmen. So können beispielsweise dünne Wärmeleitfolienstreifen derart entlang der Umfangsfläche angeordnet werden, dass die Wärme im zentralen Bereich des optischen Mediums maximal extrahierbar ist, wohingegen in den stirnseitigen Endbereichen eine verminderte Wärmeabführung erzeugt wird, um einen Wärmestau zu erzeugen. So kann beispielsweise auf einen longitudinalen Temperaturgradienten, welcher im Wesentlichen parallel zur Propagationsrichtung des Laserstrahls gerichtet ist, Einfluss genommen werden. Oftmals ist es jedoch erforderlich, eine Inhomogenität eines senkrecht dazu verlaufenden radialen Temperaturgradienten gezielt zu modifizieren. Dazu können entsprechend Wärmeleitfolienstreifen eingebracht werden, die parallel zur Propagationsrichtung verlaufen, jedoch in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. Bei geeigneter Dimensionierung ermöglicht ein derartiges Vorgehen eine Reduktion des Temperaturgradienten innerhalb des optischen Medium, um Inhomogenitäten auszugleichen.
Für die gleichmäßige Abführung von Wärme aus dem optischen Medium ist auch der Wärmeübergang zwischen den beiden Wärmeleitkörpern untereinander von Bedeutung. Es ist vorgesehen, die beiden Wärmeleitkörper im Bereich einer Kontaktfläche, also im Bereich, in dem die beiden Wärmeleitkörper aufeinander aufliegen, thermisch aneinander anzukoppeln. Eine thermische Ankopplung der Wärmeleitkörper untereinander kann beispielsweise durch eine kraftschlüssige Verbindung der beiden Wärmeleitkörper erfolgen, die beispielsweise mittels entsprechender Befestigungsmittel, wie insbesondere Schrauben oder Klemmen vermittelbar ist.
Zur weiteren Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit der im Bereich der Kontaktfläche thermisch aneinander angekoppelten Wärmeleitkörper ist gemäß einem möglichen Ausführungsbeispiel der Erfindung dort eine weitere Wärmeleitfolie eingebracht.
Die Wärmeleitfolie und/oder weitere Wärmeleitfolie besteht gemäß möglicher Ausführungsbeispiele zumindest teilweise aus einem duktilen Material, insbesondere Metall, mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Gold, Graphit oder Indium. Die thermische Anbindung des optischen Mediums an den zumindest einen Wärmeleitkörper kann auch mittels einer Wärmeleitpaste, einen Wärmeklebstoff und/oder einem Flüssigmetall erfolgen, so dass auch diese Medien als Wärmeleitfolien im Sinne der vorliegen Spezifikation gelten.
Zumindest einer der Wärmeleitkörper ist vorzugsweise an eine von einem Kühlfluid durchströmbare Kühlplatte thermisch angekoppelt. Die durchströmbare Kühlplatte fungiert somit während des Betriebs der optischen Einrichtung als Wärmesenke, um eine hinreichende Kühlung des optischen Mediums und Abführung der Wärme aus dem Wärmeleitkörper zu ermöglichen.
Als Kühlfluid im Sinne der vorliegenden Spezifizierung gelten sowohl gasförmige als auch flüssige Medien. Insbesondere ist gemäß alternativer Ausführungsbeispiele die Verwendung von Luft oder Wasser als Kühlfluid vorgesehen.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest einer der Wärmeleitkörper zumindest einen Kühlkanal zur Führung des Kühlfluids aufweist. Der Kühlkanal ist innerhalb des zumindest einen Wärmeleitkörpers derart geführt, dass das optische Medium zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung, also parallel zur Umfangsfläche umströmbar ist. Der so ausgebildete Wärmeleitkörper kann somit aktiv während des Betriebs dadurch gekühlt werden, dass dieser selbst mit Kühlfluid durchströmt wird. Dabei ist der Kühlkanal so angeordnet, dass dieser zumindest abschnittsweise im Bereich nahe der Umfangsfläche verläuft, welche mittels der dort angeordneten Wärmeleitfolie gut an das optische Medium thermisch angekoppelt ist. Die während des Betriebs der optischen Einrichtung dort zu erwartende starke Wärmeentwicklung kann somit vergleichsweise unmittelbar an das Kühlfluid abgeführt werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder der Wärmeleitkörper zumindest einen Kühlkanal zur Führung des Kühlfluids aufweist, wobei die Kühlkanäle im montierten Zustand innerhalb der optischen Einrichtung eine zusammenhängende Kühlkanalstruktur bilden. Die so gebildete Kühlkanalstruktur ist derart angeordnet, dass das optische Medium zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung vom Kühlfluid durchströmbar ist. Eine derartige Ausbildung hat zum Vorteil, dass die beiden Wärmeleitkörper, die über die Seitenflächen an das optische Medium thermisch angebunden sind, im Betrieb aktiv kühlbar sind, indem sie mit dem Kühlfluid durchströmt werden.
Es hat sich gezeigt, dass durch die verbesserte Wärmeabführung aus dem optischen Medium auch eine geringere Störung des Polarisationszustandes bewirkt wird. Dies ist insbesondere bei der Laserverstärkung von Bedeutung, wenn das optische Medium ein zur Laserverstärkung dotierter aktiver Laserkristall ist. Dadurch, dass die thermischen Einflüsse vermindert sind, können höhere Ausgangsleistungen des erzeugten Laserstrahls bei gleichbleibender Pumpleistung erreicht werden. Die verbesserte Kühlung kann somit eine leichte Steigerung der Dotierung des aktiven Laserkristalls ermöglichen, um die Ausgangsleistung des Laserstrahls bei gleichbleibend hoher Strahlqualität noch weiter zu steigern.
Es ist vorgesehen, als optische Medien Laserkristalle, insbesondere Neodym- oder Ytterbium- dotierte Yttrium-Aluminium-Granat-Laserkristalle (Yb:YAG, Nd:Yag) einzusetzen. Die Konzentration der Dotierung liegt hierbei im Bereich 0,1 bis 10 %_at, besonders bevorzugt im Bereich 1 bis 5 %_at.
Die orthogonal zu den Seitenflächen des optischen Mediums verlaufende Querschnittsfläche weist gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen die Form eines gleichwinkligen und/oder gleichseitigen Polygons auf. Insbesondere kann die Querschnittsfläche des optischen Mediums drei, vier, fünf oder mehr der Seiten aufweisen, welche den Seitenflächen des optischen Mediums entsprechen. Die Form und Gestalt der in den Wärmeleitkörpern eingebrachten Ausnehmungen sind entsprechend äußeren Abmessungen des optischen Mediums gewählt. Das optische Medium kann somit entsprechend alternativer Ausführungsbeispiele eine unterschiedliche Anzahl von Seitenflächen umfassen. In jedem Fall ist das optische Medium derart enganliegend in den Ausnehmungen der Wärmeleitkörper angeordnet, dass die fertigungsbedingten Toleranzen durch die dazwischen angeordnete Wärmeleitfolie ausgeglichen werden können, um eine qualitativ hochwertige thermisch leitfähige Anbindung und gleichzeitig eine geometrische Ausrichtung innerhalb vorgegebener Positions- und Ausrichtungstoleranzen sicherzustellen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das optische Medium im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet. Entsprechend weist die orthogonal zu den Seitenflächen des optischen Mediums verlaufende Querschnittsfläche eine rechteckige oder eine quadratische Form auf.
Die beiden Wärmeleitkörper der optischen Einrichtung weisen eine Kontaktfläche auf, in deren Bereich sie aufeinander aufliegen bzw. zueinander im thermischen Kontakt stehen. Bei optischen Medien, die eine quadratische oder rechteckige Querschnittsfläche aufweisen, verläuft vorzugsweise die Kontaktfläche zumindest abschnittsweise parallel zu einer Flächendiagonalen der Querschnittsfläche des optischen Mediums. Dies hat zum Vorteil, dass die zur Aufnahme des optischen Mediums notwendige Ausnehmung sehr einfach in den jeweiligen Wärmeleitkörper eingebracht werden kann, da diese im Wesentlichen als Nut mit zwei senkrecht zueinander verlaufenden Seitenflächen ausgebildet ist. Zum anderen ist die Montage vereinfacht, da das optische Medium mit der Wärmeleitfolie besonders einfach in die derartig ausgestaltete Ausnehmung eingesetzt werden kann.
Das optische Medium ist ein photonischer oder nicht linearer optischer Kristall, z. B. Borate (z. B. LBO, CLBO, BBO, BIBO, CBO, YCOB, YAB, SBBO, KAB) Lithium Niobate und -Tantalate (auch z.B. in periodisch gepolter Anordnung, PPLN/PPSLN oder PPLT/PPSLT), Kalium Niobate (z.B. (KNBO₃), Kaliumtitanylphosphate (z.B. KTP KTA, RTP, RTA), Kaliumdihydrogenphosphate (z.B. KDP/DKDP), Phosphide (z.B. ZnGeP₂), Sulfide (z.B. AgGaS₂) oder Selenide (z.B. AgGaSe₂, GaSe, CdSe), Arsenide (z.B. GaAs), ein elektro-optischer Kristall (z. B. DKDP, RTP), ein magneto-optischer Kristall (z. B. TGG), ein akusto-optischer Kristall (z.B. SiO₂), ein dotierter Laserkristall, insbesondere mit Ionen seltener Erden (z. B. Ionen von Yb, Nd, Y, Tb, Gd, Ho, Er, Tm, Lu, Eu, Pr, Ce, La, Sc) dotierte Lasermedien wie Granate (z.B. YAG). Doppelwolframate (z.B. KGW oder KYW), Sesquioxide (z.B. Lu₂O₃), Vanadate (z.B. YVO₄), Borate (z.B. Sr₃Y(BO₃)₃ oder GdCa₄O(BO₃)₃), Apatite (z.B. Sr₅(PO₄)₃F), Oxyorthosilikate (z.B. Y₂SiO₅), Fluoride (z.B. CaF₂), „CALGO“ (CaGdAlO₄) oder verschieden Gläser (Silikat- oder Phosphat-Gläser).
Bei der optischen Einrichtung ist die Wärmeleitfolie gemäß bevorzugter Ausführungsbeispiele derart abschnittsweise entlang der Umfangsfläche des optischen Mediums angeordnet, dass eine inhomogene Abführung von Wärme aus dem optischen Medium bewirkbar ist. Dazu können insbesondere voneinander beabstandete Wärmeleitfolienstreifen umfänglich um das optische Medium angeordnet sein, wobei der Abstand zwischen den einzelnen Wärmeleitfolienstreifen entlang der Propagationsrichtung des innerhalb des optischen Mediums geführten Laserstrahls oder in Umfangsrichtung variiert. Beispielsweise kann die Dichte der Wärmeleitfolienstreifen im zentralen Bereich des optischen Mediums erhöht sein, um dort eine verstärkte thermische Ankopplung an den zumindest einen Wärmeleitkörper zu bewirken, damit der thermische Gradient im optischen Medium minimiert wird. In anderen Ausführungsbeispielen sind die Wärmeleitfolienstreifen in Umfangsrichtung voneinander beabstandet, um einen radialen Temperaturgradienten gezielt zu modifizieren.
Zur gezielten Einflussnahme auf den im optischen Medium vorliegenden thermischen Gradienten ist vorgesehen, dass sich die Wärmeleitfolie lediglich über einen Teilbereich der Umfangsfläche des optischen Mediums erstreckt und/oder mehrere Wärmeleitfolien aus unterschiedlichen Materialien zwischen dem optischen Medium und dem zumindest einen Wärmleitkörper angeordnet sind, wobei sich die Wärmeleitfolien zur Erzeugung der inhomogenen Wärmeabführung jeweils über unterschiedliche Teilbereiche der Umfangsfläche des optischen Mediums erstrecken.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Explosionsdarstellung einer optischen Einrichtung gemäß einem möglichen Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische Schnittdarstellung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
3 eine Schnittdarstellung einer optischen Einrichtung gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer Kühlfluid führenden Kühlkanalstruktur,
4 eine schematische Schnittdarstellung einer optischen Einrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, bei dem im Bereich zwischen den Wärmeleitkörpern eine weitere Wärmeleitfolie angeordnet ist,
5 eine schematische Schnittdarstellung einer optischen Einrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, bei dem das optische Medium eine sechseckige Querschnittsfläche aufweist,
6 eine schematische Schnittdarstellung einer optischen Einrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, bei dem das optische Medium eine achteckige Querschnittsfläche aufweist,
7 eine Explosionsdarstellung einer optischen Einrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel.
Einander entsprechende Teile sind in allen Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt eine optische Einrichtung 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Explosionsdarstellung. Die optische Einrichtung 10 umfasst zwei aneinander anliegende Wärmeleitkörper 11, 12 die in einem Kontaktbereich 13 zueinander im thermischen Kontakt stehen. Jedes der beiden Wärmeleitkörper 11, 12 weist jeweils eine Ausnehmung 14, 15 auf, die zur Aufnahme eines stabförmigen optischen Mediums 16 ausgebildet sind und somit jeweils zwei senkrecht zueinander verlaufende Seitenflächen aufweisen.
Wie in 1 ersichtlich, verläuft die Kontaktfläche 13 zwischen den beiden Wärmeleitkörpern 11, 12 schräg bezüglich einer Hochachse der optischen Einrichtung. Bei der hier beispielhaft gezeigten Ausführungsform handelt es sich um eine optische Einrichtung 10 mit einem quaderförmigen optischen Medium 16, das eine senkrecht zu den Seitenflächen verlaufende Querschnittsfläche in Form eines Quadrats aufweist. Bei der in 1 gezeigten Anordnung verläuft die Kontaktfläche 13 im Winkel von etwa 45° bezüglich einer Hochachse der optischen Einrichtung 10 und somit entlang einer Flächendiagonalen der Querschnittsfläche des optischen Mediums 16.
Die beiden Wärmeleitkörper 11, 12 sind mittels Befestigungsmitteln 17, welche hier exemplarisch als Schrauben ausgeführt sind, miteinander kraftschlüssig verpresst, so dass sowohl eine thermisch gut leitende Verbindung zwischen den beiden Wärmeleitkörpern 11, 12 als auch eine feste Halterung des optischen Mediums 16 in den Ausnehmungen 14, 15 mit dazwischen angeordneter Wärmeleitfolie 18 sichergestellt ist. Am optischen Medium 16 stirnseitig angeordnet sind Blenden 19, um das optische Medium vor direkter Bestrahlung abzuschirmen.
In die Wärmeleitkörper 11, 12 sind Kühlkanäle 20, 21 eingebracht, die im montierten Zustand eine zusammenhängende Kühlkanalstruktur bilden, welche im Detail in der schematischen Schnittdarstellung von 4 dargestellt ist.
2 zeigt die optische Einrichtung 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Schnittdarstellung, welche im Gegensatz zu dem in 1 gezeigten Beispiel keine Kühlkanalstruktur aufweist. Im Übrigen entspricht das zweite Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1, so dass auf die diesbezügliche Ausführung verwiesen wird. Die zwischen den beiden Wärmeleitkörpern 11, 12 angeordnete Kontaktfläche 13 verläuft parallel zur Flächendiagonalen der quadratischen Querschnittsfläche des optischen Mediums 16. Jede der vier Seitenflächen des quaderförmigen optischen Mediums 16 ist mit der Wärmeleitfolie 18 versehen, so dass eine gleichmäßige thermische Anbindung an die das optische Medium 16 umgebenden Wärmeleitkörpern 11, 12 sichergestellt ist. Die Wärmeanbindung erfolgt somit über eine umlaufende Umfangsfläche des optischen Mediums, welche alle Seitenflächen des optischen Mediums beinhaltet und parallel zur Propagationsrichtung eines in der optischen Einrichtung 10 geführten Laserstrahls verläuft.
3 bis 6 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, wobei wesentliche Merkmale denen der in 3 und 4 gezeigten ersten Ausführungsform entsprechen. Insofern wird auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen.
3 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung die Ausführung der optischen Einrichtung 10 gemäß 1, bei der die beiden gegenüberliegend angeordneten Wärmeleitkörper 11, 12 die Kühlkanalstruktur aufweisen. Zur Ausbildung der zusammenhängenden Kühlkanalstruktur weist sowohl der Wärmeleitkörper 11 den Kühlkanal 20 als auch der Wärmeleitkörper 12 den weiteren Kühlkanal 21 auf. Während des Betriebs wird das innerhalb der optischen Einrichtung 10 angeordnete optische Medium 16 zur Kühlung von Kühlfluid umspült, das in die Kühlkanalstruktur eingebracht ist.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, zumindest eines der beiden Wärmeleitkörper 11, 12 thermisch an eine nicht näher dargestellte Kühlplatte anzubinden. Die Kühlplatte weist beispielsweise Kühllamellen oder dergleichen auf und ist von einem gasförmigen Kühlfluid, beispielsweise Luft, umströmbar. Alternativ dazu kann die Kühlplatte Kühlkanäle oder ähnliches aufweisen, welche zur Führung eines flüssigen Kühlfluids ausgebildet sind.
4 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine Weiterbildung der Erfindung dahingehend, dass der Wärmeübergang zwischen den beiden Wärmeleitkörpern 11, 12 verbessert ist. Dazu erstreckt sich die Wärmeleitfolie 18 auch im Bereich der Kontaktfläche 13, so dass eine weitgehend gleichmäßige Abführung von Wärme aus dem optischen Medium 16 auch dann sichergestellt werden kann, wenn lediglich eines der beiden Wärmeleitkörper 11, 12 an eine weitere und nicht näher dargestellte Wärmesenke thermisch angekoppelt ist. Eine derartige Wärmesenke kann beispielsweise von der vorstehend genannten Kühlplatte gebildet sein.
5 und 6 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen das optische Medium eine Querschnittsfläche in Form von gleichwinkligen Polygonen aufweist. 5 zeigt ein optisches Medium 16, das eine sechseckige Querschnittsfläche aufweist. Entsprechend hat die Querschnittsfläche die Form eines gleichwinkligen Polygons, wobei die einzelnen Seitenflächen jedoch unterschiedlich groß ausgebildet sind. Jedes der beiden Wärmeleitkörper 11, 12 überdeckt randseitig eine Mehrzahl von aneinander angrenzenden Seitenflächen, wobei jedoch zwei gegenüberliegend angeordnete Seitenflächen 22, 23 jeweils von einem der Wärmeleitkörper 11, 12 nur teilweise überdeckt wird.
6 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine optische Einrichtung 10, welche zur Halterung eines optischen Mediums 16 mit einer Querschnittsfläche in Form eines regelmäßigen Oktagons ausgebildet ist. Die von der Gesamtheit der Seitenflächen gebildete Umfangsfläche des optischen Mediums 16 ist vollständig von der Wärmeleitfolie 18 überdeckt. Jedes der beiden Wärmeleitkörper 11, 12 überdeckt randseitig vier aneinander angrenzende Seitenflächen des optischen Mediums 16, wobei jede Seitenfläche vollständig von jeweils einem Wärmeleitkörper 11, 12 überdeckt wird.
7 zeigt eine Explosionsdarstellung einer optischen Einrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel. Im Wesentlichen entspricht dieses Ausführungsbeispiel der in 1 gezeigten Ausführung, so dass auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird.
Die in 7 gezeigte Ausführungsform weist ein zusätzliches Wärmeleitelement 24 auf, welches aus einem thermisch gut leitfähigen Material, insbesondere einem Metall, gebildet ist und die beiden Wärmeleitkörper 11, 12 untereinander thermisch aneinander ankoppelt, um die Abführung von Wärme aus dem optischen Medium 16 weiter zu verbessern. Zusätzlich wird die thermische Anbindung des Wärmeleitkörpers 12 an die nicht näher dargestellte Kühlplatte verbessert, welche insbesondere unterhalb des Wärmeleitkörpers 11 angeordnet sein kann. Das Wärmeleitelement 24 erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte stirnseitige Fläche der Wärmeleitkörper 11, 12 und ist mit diesen mittels einer in 7 nicht näher dargestellten Wärmeleitfolie thermisch leitfähig verbunden. Die Wärmeleitfolie besteht aus den vorstehend beschriebenen Materialien, insbesondere aus Indium. Zur Befestigung des Wärmeleitelements 24 an den Wärmeleitkörper 11, 12 dienen herkömmliche Befestigungsmittel 17, wie insbesondere Schrauben. Das Wärmeelement 24 verbessert insbesondere die Wärmeabführung nach außen, wenn lediglich eines der beiden Wärmeleitkörper 11, 12 an eine Wärmesenke, die beispielsweise als eine mittels einem Kühlfluid durchströmbar Kühlplatte ausgebildet ist, thermisch angekoppelt ist. Insofern ähnelt die Funktionalität des Wärmeleitelements 24 der in 4 gezeigten Anordnung. Es versteht sich jedoch, dass diese beiden Ausführungen sich nicht gegenseitig ausschließen und in besonders vorteilhafter Weise miteinander kombiniert werden können. Ebenso ist vorgesehen, die die Kühlkanalstruktur aufweisenden Wärmeleitkörper 11, 12 mittels dem zusätzlichen Wärmeleitelement 24 thermisch aneinander anzubinden, um eine gleichmäßige Wärmeabführung sicherzustellen.
Bezugszeichenliste

10: optische Einrichtung
11: Wärmeleitkörper
12: Wärmeleitkörper
13: Kontaktfläche
14: Ausnehmung
15: Ausnehmung
16: optisches Medium
17: Befestigungsmittel
18: Wärmeleitfolie
19: Blende
20: Kühlkanal
21: Kühlkanal
22: Seitenfläche
23: Seitenfläche
24: Wärmeleitelement

Claims

Optische Einrichtung (10), umfassend ein optisches Medium (16) und zumindest einen Wärmeleitkörper (11, 12) mit einer Ausnehmung (14, 15), in der das optische Medium (16) angeordnet ist, wobei das optische Medium (16) an den Wärmeleitkörper (11, 12) mittelbar über eine dazwischen zumindest abschnittsweise angeordnete Wärmeleitfolie (18) thermisch angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfolie (18) eine umlaufende Umfangsfläche des optischen Mediums (16) zumindest abschnittsweise überdeckt, welche parallel zu einer Propagationsrichtung eines in der optischen Einrichtung geführten Laserstrahls verläuft.
Optische Einrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Medium (16) zwischen zwei Wärmeleitkörpern (11, 12) derart angeordnet ist, dass die Umfangsfläche des optischen Mediums (16) vollständig von den beiden Wärmeleitkörpern (11, 12) überdeckt ist, und die Umfangsfläche des optischen Mediums (16) von einer zylindrischen Mantelfläche oder von einer Vielzahl von zueinander in einem Winkel angeordneten planen Seitenflächen gebildet ist, wobei jeder Wärmeleitkörper (11, 12) einen Abschnitt der Umfangsfläche des optischen Medium (16) randseitig überdeckt.
Optische Einrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wärmeleitkörper (11, 12) eine Mehrzahl der aneinander angrenzenden planen Seitenflächen randseitig zumindest teilweise überdeckt.
Optische Einrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wärmeleitkörper (11, 12) die Mehrzahl von aneinander angrenzenden Seitenflächen randseitig vollständig überdeckt.
Optische Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wärmeleitkörper (11, 12) im Bereich einer Kontaktfläche (13) thermisch aneinander angekoppelt sind.
Optische Einrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Kontaktfläche (13) eine weitere Wärmeleitfolie (18) eingebracht ist.
Optische Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeleitelement 24 sich zumindest abschnittsweise über eine stirnseitige Fläche der Wärmeleitkörper 11, 12 erstreckt und die Wärmeleitkörper 11, 12 aneinander thermisch ankoppelt.
Optische Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Wärmeleitkörper (11, 12) an eine mittels einem Kühlfluid durchströmbare Kühlplatte thermisch angekoppelt ist.
Optische Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Wärmeleitkörper (11, 12) zumindest einen Kühlkanal (20, 21) zur Führung eines Kühlfluids aufweist, wobei der Kühlkanal (20, 21) derart geführt ist, dass die Umfangsfläche des optischen Mediums (16) zumindest abschnittsweise von Kühlfluid umströmbar ist.
Optische Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Wärmeleitkörper (11, 12) zumindest einen Kühlkanal (20, 21) zur Führung des Kühlfluids aufweist, wobei die Kühlkanäle (20, 21) innerhalb der optischen Einrichtung (10) eine zusammenhängende Kühlkanalstruktur bilden, die derart ausgebildet ist, dass das optische Medium (16) zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung von Kühlfluid umströmbar ist.
Optische Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Medium (16) eine orthogonal zu den Seitenflächen verlaufende Querschnittfläche in Form eines gleichwinkligen und/oder gleichseitigen Polygons aufweist.
Optische Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Medium (16) eine orthogonal zu den Seitenflächen verlaufende Querschnittfläche in Form eines Rechtecks oder eines Quadrats aufweist.
Optische Einrichtung (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wärmeleitkörper (11, 12) jeweils zwei zueinander orthogonal angeordnete Seitenflächen (22, 23) des optischen Mediums (16) überdeckt und die zwischen den beiden Wärmleitkörpern (11, 12) verlaufende thermische Kontaktfläche (13) zumindest abschnittsweise parallel zu einer Flächendiagonalen der Querschnittsfläche verläuft.
Optische Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Medium (16) ein photonischer oder nichtlinearer optischer Kristall, ein elektro-optischer Kristall, ein magneto-optischer Kristall, ein akusto-optischer Kristall oder ein dotierter Laserkristall ist.
Optische Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfolie (18) derart abschnittsweise entlang der Umfangsfläche des optischen Mediums (16) angeordnet ist, dass eine inhomogene Abführung von Wärme aus dem optischen Medium bewirkbar ist.
Optische Einrichtung (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfolie (18) sich lediglich über einen Teilbereich der Umfangsfläche des optischen Mediums (16) erstreckt und/oder mehrere Wärmeleitfolien (18) aus unterschiedlichen Materialien zwischen dem optischen Medium (16) und dem zumindest einen Wärmleitkörper (11, 12) angeordnet sind, wobei sich die Wärmeleitfolien (18) zur Erzeugung der inhomogenen Wärmeabführung jeweils über unterschiedliche Teilbereiche der Umfangsfläche des optischen Mediums (16) erstrecken.