DE102015001673A1 - Device for cooling optical elements - Google Patents
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Abstract
Aufgabe war es, eine aufwandgeringe und effiziente Kühlvorrichtung für optische Elemente, insbesondere für das aktive Medium eines Laserverstärkers, mit möglichst mechanisch spannungsarmer Aufnahme der zu kühlenden und/oder kühlenden Elemente zu realisieren und gleichzeitig einen hohen Kühleffekt zu erzeugen, wobei optische Elemente in Transmission und die Vorrichtung auch bei tiefen Temperaturen betrieben werden können. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Kühlung optischer Elemente gemäß Anspruch 1 gelöst. Hierbei sind für eine mechanisch spannungsarme Wärmeübertragung von dem zumindest einen optisch transmissiven Kühlelement (3) zu einer Wärmesenke (9) zwischen dem zumindest einen optisch transmissiven Kühlelement (3) und der Wärmesenke (9) um die optische Achse (5) des zumindest einen optisch transmissiven Kühlelements (3) herum zum Zweck der Wärmeübertragung lage- und/oder formveränderbare, wärmeleitende Ausgleichselemente (7) vorgesehen.The object was to realize a low-cost and efficient cooling device for optical elements, in particular for the active medium of a laser amplifier, with the lowest possible mechanical low-voltage recording of cooling and / or cooling elements and at the same time to produce a high cooling effect, with optical elements in transmission and the device can be operated even at low temperatures. According to the invention the object is achieved by a device for cooling optical elements according to claim 1. Here, for a mechanically low-stress heat transfer from the at least one optically transmissive cooling element (3) to a heat sink (9) between the at least one optically transmissive cooling element (3) and the heat sink (9) about the optical axis (5) of the at least one optically transmissive cooling element (3) for the purpose of heat transfer position and / or shape changeable, heat-conducting compensating elements (7).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung optischer Elemente die in Transmission betrieben werden sollen, ohne den Lichtweg zu beeinflussen (beispielsweise das aktive Medium eines Laserverstärkers, nichtlineare Kristalle oder Faraday Rotatoren), welche auch den Einsatz bei tiefen Temperaturen ermöglicht.The invention relates to a device for cooling optical elements to be operated in transmission, without affecting the light path (for example, the active medium of a laser amplifier, nonlinear crystals or Faraday rotators), which also allows use at low temperatures.
In zahlreichen Laserverstärkern werden heutzutage auf Temperaturen von etwa 100 K gekühlte Lasermaterialien verwendet. Unter diesen Bedingungen werden meist bessere thermomechanische Eigenschaften der Lasermaterialien und zum Teil auch bessere Lasereigenschaften, wie bei aktiven Medien dotiert mit dreiwertig positiven Ytterbiumionen, erreicht (vgl.
Die erreichbare Ausgangsleistung eines Lasers beziehungsweise eines Laserverstärkers ist hierbei im Wesentlichen dadurch limitiert, dass die im aktiven Medium erzeugte Wärme abgeführt werden muss. Die direkte Ableitung der Wärme durch das aktive Medium hindurch ist insbesondere für großvolumige Lasermaterialien, wie sie zur Erzeugung hoher Impulsenergien benötigt werden, nur bedingt möglich. Die für dotierte Materialien im Allgemeinen verschlechterte Wärmeleitung im Vergleich zum reinen Wirtsmaterial erschwert dies zusätzlich (vgl.
Eine direkte Ableitung der Wärme über den Rand des aktiven Mediums ist somit nur bei kleinen Durchmessern sinnvoll, da sich sowohl die entstehenden Temperaturgradienten als auch der gesamte Temperaturhub störend auf die Lasereigenschaften auswirken (vgl.
Als allgemeiner Lösungsansatz für Laser mit hoher Ausgangsleistung bietet sich daher entweder die Minimierung des Durchmessers des aktiven Mediums (Faserlaser) oder die Minimierung der Dicke des aktiven Mediums in Verbindung mit rückseitiger Kühlung an (Scheibenlaser). Beide Verfahren führen jedoch zu Problemen, wenn hohe Impulsenergien erzeugt werden sollen. Im Falle des Faserlasers ist die Intensität aufgrund der optischen Zerstörschwelle begrenzt. Beim Scheibenlaser ist aufgrund des ungünstigen Aspektverhältnisses, insbesondere für große Strahldurchmesser der Verstärkungsfaktor beschränkt, um parasitäre Verstärkung spontaner Emission quer zur Strahlrichtung zu vermeiden. Für Festkörperlaser mit hohen Ausgangsenergien kommen somit hauptsächlich Volumenmaterialien in Frage.As a general approach for lasers with high output power, therefore, either the minimization of the diameter of the active medium (fiber laser) or the minimization of the thickness of the active medium in conjunction with back-cooling on (disk laser). Both methods, however, lead to problems when high pulse energies are to be generated. In the case of the fiber laser, the intensity is limited due to the optical damage threshold. In the disk laser, the gain factor is limited due to the unfavorable aspect ratio, in particular for large beam diameters, in order to avoid parasitic amplification of spontaneous emission transversely to the beam direction. For solid state lasers with high output energies, therefore, mainly bulk materials come into question.
Ein wesentliches Problem stellt hierbei die spannungsfreie Kontaktierung des aktiven Mediums mit der Wärmesenke bei gleichzeitiger guter thermischer Kontaktierung dar. Eine direkte mechanische Kontaktierung zwischen Lasermaterial und Wärmesenke scheitert somit an den im Allgemeinen verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten. Dies trifft insbesondere zu, wenn der Einsatz über einen großen Temperaturbereich erfolgen soll.A major problem in this case is the stress-free contacting of the active medium with the heat sink with simultaneous good thermal contact. A direct mechanical contact between the laser material and heat sink thus fails due to the generally different coefficients of expansion. This is especially true if the use is to be made over a wide temperature range.
Eine Möglichkeit die spannungsfreie gute thermische Kontaktierung zu erreichen, ist das Material mittels einer gut wärmeleitenden Flüssigkeit, im Allgemeinen einem flüssigen Metall, zu umgeben und hiermit den Übergang zu einer starren Wärmesenke zu realisieren (vgl.
Eine weitere Möglichkeit die thermische Kontaktierung des Materials zu gewährleisten, ist die Verwendung eines dünnen Gasspaltes zwischen Wärmesenke und Lasermaterial. Dies wird z. B. in
Auf einem ähnlichen Prinzip beruht die in
Hohe Kühlleistungen bei gleichzeitig spannungsarmer Halterung des aktiven Mediums auch über einen weiten Temperaturbereich werden heute durch die Verwendung mehrerer Platten aktiven Materials, die mit hoher Geschwindigkeit von einem Gasstrom umspült werden, erreicht (vgl.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aufwandgeringe und effiziente Kühlvorrichtung für optische Elemente, insbesondere für das aktive Medium eines Laserverstärkers, mit möglichst mechanisch spannungsarmer Aufnahme der zu kühlenden und/oder kühlenden Elemente zu realisieren und gleichzeitig einen hohen Kühleffekt zu erzeugen, wobei optische Elemente in Transmission und die Vorrichtung auch bei tiefen Temperaturen betrieben werden können.The invention has for its object to realize a low-cost and efficient cooling device for optical elements, in particular for the active medium of a laser amplifier, with as mechanically low voltage recording of the cooling and / or cooling elements and at the same time to produce a high cooling effect, wherein optical elements in transmission and the device can be operated even at low temperatures.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Kühlung optischer Elemente gemäß Anspruch 1 gelöst. Hierbei sind für eine mechanisch spannungsarme Wärmeübertragung von dem zumindest einen optisch transmissiven Kühlelement zu einer Wärmesenke zwischen dem zumindest einen optisch transmissiven Kühlelement und der Wärmesenke um die optische Achse des zumindest einen optisch transmissiven Kühlelements herum zum Zweck der Wärmeübertragung lage- und/oder formveränderbare, wärmeleitende Ausgleichselemente vorgesehen. Diese Ausgleichselemente können gemäß Anspruch 2 durch metallische Lamellen verkörpert sein. Sie sind mit einem Ende an zumindest einem optisch transmissiven Kühlelement und mit dem anderen Ende ggf. über eine Trägerplatte mit der Wärmesenke verbunden. Dabei können die Ausgleichselemente separat vorliegen und einerseits an das zumindest eine optisch transmissive Kühlelement und andererseits ggf. über eine Trägerplatte an die Wärmesenke angelötet sein. Alternativ könnten die Ausgleichselemente auch aus einem Teilbereich der Trägerplatte durch schlitzförmige Ausbildung realisiert und die Trägerplatte an die Wärmesenke, sowie die Enden der Ausgleichselemente mit dem zumindest einen optisch transmissiven Kühlelement verbunden sein.According to the invention the object is achieved by a device for cooling optical elements according to
Dadurch ist es möglich, dass mechanische Spannungen, die durch die thermische Ausdehnung des zumindest einen optisch transmissiven Kühlelements auftreten können, durch die lage- und/oder formveränderbaren Ausgleichselemente kompensiert werden. Beispielsweise können sich diese verformen und bei einer bestimmten Anordnung die mit der Wärmeausdehnung einhergehende Längenänderung der Ausgleichselemente in eine Rotation des zumindest einen optisch transmissiven Kühlelements überführen.As a result, it is possible for mechanical stresses, which can occur due to the thermal expansion of the at least one optically transmissive cooling element, to be compensated for by the positionally and / or shape-adjustable compensating elements. For example, these may deform and, in the case of a specific arrangement, convert the change in length of the compensating elements that accompanies the thermal expansion into a rotation of the at least one optically transmissive cooling element.
Da diese Form der spannungsarmen Aufnahme des zumindest einen optisch transmissiven Kühlelements nicht durch die Kompressibilität einer Flüssigkeit (bspw. Quecksilber) realisiert wird, ist sie auch bei sehr niedrigen Temperaturen anwendbar. Zudem bestehen die gewohnten Vorteile bei der Vermeidung von Quecksilber, welches ein giftiges Schwermetall ist, das über einen großen Temperaturbereich stark toxische Dämpfe abgibt und zusätzlich aufwendig zu entsorgen ist.Since this form of low-voltage absorption of the at least one optically transmissive cooling element is not realized by the compressibility of a liquid (eg mercury), it can also be used at very low temperatures. In addition, there are the usual advantages in the prevention of mercury, which is a toxic heavy metal, which emits highly toxic vapors over a wide temperature range and is also expensive to dispose of.
Die Befestigung der lage- und/oder formveränderbaren, wärmeleitenden Ausgleichselemente an dem zumindest einen optisch transmissiven Kühlelement und der mit der Wärmesenke in Verbindung stehenden Trägerplatte kann dabei auf unterschiedliche Arten erfolgen, die den Einsatz auch bei tiefen Temperaturen gewährleisten. Beispielsweise sind stoffschlüssige Verbindungen wie Kleben, Schweißen oder Löten möglich. Die Vorrichtung ist zur Kühlung einer Reihe von optischen Elementen geeignet, die in Transmission betrieben werden sollen, ohne den Lichtweg zu beeinträchtigen, beispielsweise aktive Medien in einem Laserverstärker, nichtlineare Kristalle oder Faraday-Rotatoren.The attachment of the positionally and / or shape-changeable, heat-conducting compensating elements to the at least one optically transmissive cooling element and the carrier plate connected to the heat sink can be effected in different ways, which ensure use even at low temperatures. For example, cohesive connections such as gluing, welding or soldering are possible. The device is suitable for cooling a number of optical elements which are to be operated in transmission without impairing the light path, for example active media in a laser amplifier, nonlinear crystals or Faraday rotators.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Kühlkopfes für aktive Medien eines Lasers (Hochleistungslasers) als Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained below with reference to an illustrated in the drawing cooling head for active media of a laser (high-power laser) as an example.
Es zeigen:Show it:
Als Ausführungsbeispiel (Querschnitt siehe
Erfindungsgemäß sind die Saphirplatten um die optische Achse
Kommt es nun zu Ausdehnungsunterschieden zwischen dem Kupferring
Das Lasermaterial selbst sei federnd gelagert, um zum einen dessen Zentrierung zu gewährleisten und zum anderen eine ungehinderte Ausdehnung zu ermöglichen. Dies wird z. B. mittels einer Anordnung gemäß
Eine luftdichte Versiegelung des Laserkopfes wird durch Verwendung tieftemperaturtauglicher Dichtringe
Im vorgestellten Laserkopf wird eine hohe Kühlleistung erreicht, wobei sämtliche optisch relevanten Teile ohne steife mechanische Verbindungen aufgehängt sind. Hierdurch werden mechanische Verspannungen, wie Sie bei der Verwendung über einen großen Temperaturbereich ansonsten zu erwarten sind, vermieden.In the presented laser head, a high cooling capacity is achieved, with all optically relevant parts are suspended without stiff mechanical connections. As a result, mechanical tension, as you are expected when using over a wide temperature range otherwise avoided.
Als weiteres Ausführungsbeispiel ist es denkbar, dass für einige Laseranordnungen mit bestimmten gut wärmeleitenden Lasermedien (bspw. Titan-Saphir) vom sandwichartigen Aufbau (vgl.
Für hohe zu kühlende Gesamtleistungen empfiehlt es sich, an Stelle der radialsymmetrischen Apertur eine Apertur (bzw. Strahlprofil) mit hohem Aspektverhältnis (vgl.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Lasermediumlaser medium
- 22
- gasgefüllter Spaltgas-filled gap
- 3, 3a3, 3a
- optisch transmissives Kühlelementoptically transmissive cooling element
- 44
- Abstandshalterspacer
- 55
- optische Achseoptical axis
- 6, 6a6, 6a
- dünnes Kupferblechthin copper sheet
- 7, 7a7, 7a
- StegeStege
- 8, 8a8, 8a
- Verbindungsbereichconnecting area
- 9, 9a9, 9a
- Wärmesenkeheat sink
- 1010
- Halter z. B. aus AluminiumHolder z. B. aluminum
- 1111
- Auflagepunktsupport point
- 1212
- ederblecheder sheet
- 1313
- Dichtringseal
- 1414
- Endplatteendplate
- 15, 15a15, 15a
- StahlquerschnittSteel cross-section
- 1616
- Bohrungendrilling
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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J. Koerner, C. Vorholt, H. Liebetrau, M. Kahle, D. Kloepfel, R. Seifert, J. Hein, and M. C. Kaluza, "Measurement of temperature-dependent absorption and emission spectra of Yb:YAG, Yb:LuAG, and Yb:CaF2 between 20°C and 200°C and predictions on their influence on laser performance", J. Opt. Soc. Am. B 29, 2493–2502 (2012) |
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R. L. Aggarwal, D. J. Ripin, J. R. Ochoa and T. Y. Fan, „Measurement of thermooptic proerties of Y3Al5O12, Lu3Al5O12, YAlO3, LiYF4, LiLuF4, BaY2F8, KGd(WO4)2 and KY(WO4)2 laser crystals in the 80–300 K temperature range" J Appl. Phys. 98 103514 (2005) |
S. Banerjee, K. Eitel, P. D. Mason, P. J. Phillips, M. Siebold, M. Loeser, C. Hernandez-Gomez, and J. L. Collier, "High-efficiency 10 J diode pumped cryogenic gas cooled Yb:YAG multislab amplifier," Opt. Lett. 37, 2175–2177 (2012) |
T. Y. Fan, D. J. Ripin, R. L. Aggarwal, J. R. Ochoa, B. Chann, M. Tilleman and J. Spitzberg, „Cryogenic Yb3+-doped solid-state lasers", Ieee J Sel Top Quant 13, 448–459 (2007) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102020130221A1 (en) | 2020-11-16 | 2022-05-19 | Deutsches Elektronen-Synchrotron Desy | Method and device for cooling an optical element |
EP4001984A1 (en) | 2020-11-16 | 2022-05-25 | Universität Hamburg | Method and device for cooling an optical element |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2016127978A1 (en) | 2016-08-18 |
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