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. D. C. Brown, „The promise of cryogenic solid-state lasers”, Ieee J Sel Top Quant 11, 587–599 (2005) ; 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) ).Many laser amplifiers today use cooled laser materials at temperatures of about 100K. Under these conditions, better thermomechanical properties of the laser materials and, in some cases, better laser properties, such as those of active media doped with trivalent ytterbium ions, are usually achieved (cf. DC Brown, "The Promise of Cryogenic Solid-state Lasers", Ieee J Sel Top Quant 11, 587-599 (2005) ; TY Fan, DJ Ripin, RL Aggarwal, JR Ochoa, B. Chann, M. Tilleman and J. Spitzberg, "Cryogenic Yb3 + Doped Solid-state Lasers", Ieee J Sel Top Quant 13, 448-459 (2007) ).

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. P. A. Popov, P. P. Fedorov, S. V. Kuznetsov, V. A. Konyushkin, V. V. Osiko and T. T. Basiev, „Thermal conductivity of single crystals of Cal – x Yb x F2 + x solid solutions”, Dokl. Phys. 53 198–200 (2008) ; 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) ).The achievable output power of a laser or a laser amplifier is in this case essentially limited by the fact that the heat generated in the active medium must be dissipated. The direct dissipation of the heat through the active medium is only possible to a limited extent in particular for large-volume laser materials, such as are required for generating high pulse energies. The heat conduction generally degraded for doped materials in comparison to the pure host material makes this more difficult (cf. PA Popov, PP Fedorov, SV Kuznetsov, VA Konyushkin, VV Osiko and TT Basiev, "Thermal conductivity of single crystals of Cal - x Yb x F2 + x solid solutions", Dokl. Phys. 53 198-200 (2008) ; RL Aggarwal, DJ Ripin, JR Ochoa and TY Fan, "Measurement of thermooptic properties of Y3Al5O12, Lu3Al5O12, YAlO3, LiYF4, LiLuF4, BaY2F8, KGd (WO4) 2 and KY (WO4) 2 laser crystals in the 80-300K temperature range "J Appl. Phys. 98 103514 (2005) ).

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. 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) .).A direct dissipation of the heat over the edge of the active medium is therefore useful only for small diameters, since both the resulting temperature gradients and the entire temperature swing have a disruptive effect on the laser properties (cf. J. Koerner, C. Vorholt, H. Liebetrau, M. Kahle, D. Kloepfel, R. Seifert, J. Hein, and MC Kaluza, "Measurement of temperature-dependent absorption and emission spectra of Yb: YAG, Yb: LuAG , and Yb: CaF2 between 20 ° C and 200 ° C and their predictions on their influence on laser performance ", J. Opt. Soc. At the. B 29, 2493-2502 (2012) .).

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. US 2006/024548 A1 , US 7,551,656 B2 ). Dieser Ansatz hat jedoch zwei für die vorgesehen Anwendung signifikante Nachteile. Für Temperaturen kleiner ca. 220 K finden sich keine flüssigen Metalle oder Legierungen mehr, wobei die Verwendung anderer Flüssigkeiten eine starke Reduktion der Wärmeleitfähigkeit bedeutet. Darüber hinaus ist das verwendete Fluid nicht transparent, so dass eine Kühlung des aktiven Mediums über den gesamten Strahlquerschnitt (wie bei großen Strahlquerschnitten bzw. schlecht wärmeleitenden Lasermaterialien notwendig) die Verwendung in Transmission verbietet.One way to achieve the stress-free good thermal bonding is to surround the material by means of a good heat-conducting liquid, generally a liquid metal, and hereby to realize the transition to a rigid heat sink (see. US 2006/024548 A1 . US 7,551,656 B2 ). However, this approach has two significant disadvantages for the intended application. For temperatures less than about 220 K, no liquid metals or alloys are found, with the use of other liquids means a strong reduction in thermal conductivity. In addition, the fluid used is not transparent, so that a cooling of the active medium over the entire beam cross section (as necessary for large beam cross sections or poorly heat-conducting laser materials) prohibits the use in transmission.

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 US 2014/0036946 A1 realisiert. Das Lasermedium befindet sich hier in geringem Abstand von der Wärmesenke, ohne allerdings direkten mechanischen Kontakt zu dieser zu haben. Der Wärmeübergang erfolgt über den gasgefüllten Zwischenraum über den gesamten Querschnitt des Lasermediums. Nachteilig ist, dass hier nur eine geringe thermische Kontaktierung erreicht wird und ein Betrieb in Transmission aufgrund der nicht transparenten Wärmesenke unmöglich ist.Another way of ensuring the thermal contacting of the material is the use of a thin gas gap between the heat sink and the laser material. This is z. In US 2014/0036946 A1 realized. The laser medium is located here at a small distance from the heat sink, but without having direct mechanical contact to this. The heat transfer takes place via the gas-filled intermediate space over the entire cross section of the laser medium. The disadvantage is that only a small thermal contact is achieved and operation in transmission due to the non-transparent heat sink is impossible.

Auf einem ähnlichen Prinzip beruht die in US 5,363,391 vorgestellte Lösung, wobei anstelle der optisch dichten Wärmesenke hochwärmeleitfähige optisch transparente Materialien verwendet werden. Dies erlaubt die Kühlung von Vorder- und Rückseite des Materials, und auch die Verwendung eines Stapels, der abwechselnd aus Wärmeleiter und Lasermaterial besteht. Die transparenten Wärmeleiter sind hier dann direkt seitlich mit der eigentlichen Wärmesenke mechanisch verbunden. Das wesentliche Problem dieses Ansatzes ist, dass eine spannungsfreie Halterung der transparenten Wärmeleiter ebenso wichtig ist, wie beim eigentlichen Lasermedium. Die direkte Kontaktierung mit der Wärmesenke führt somit beim Einsatz über einen großen Temperaturbereich ebenso zu Verspannung, was den Einsatz bei tiefen Temperaturen verbietet. On a similar principle, the in US 5,363,391 presented solution, wherein instead of the optically dense heat sink highly heat-conductive optically transparent materials are used. This allows the cooling of the front and back of the material, as well as the use of a stack, which consists of alternating heat conductor and laser material. The transparent heat conductors are then mechanically connected directly to the side of the actual heat sink. The main problem of this approach is that a stress-free mounting of transparent heat conductors is just as important as the actual laser medium. The direct contact with the heat sink thus leads to stress when used over a wide temperature range, which prohibits the use at low temperatures.

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. 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) ). Allerdings sind diese Systeme technisch mit hohem Aufwand verbunden und somit nur bei sehr großen Lasersystemen einsetzbar.High cooling capacities and simultaneously low-voltage retention of the active medium over a wide temperature range are achieved today by the use of several plates of active material, which are lapped at high speed by a gas stream (cf. Banerjee, K. Eitel, PD Mason, PJ Phillips, M. Siebold, M. Loeser, C. Hernandez-Gomez, and JL Collier, "High-efficiency 10 J diode pumped cryogenic gas cooled Yb: YAG multislab amplifier," Opt. Lett. 37, 2175-2177 (2012) ). However, these systems are technically associated with high costs and thus can only be used in very large laser systems.

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 claim 1. Here, for a mechanically low-tension heat transfer from the at least one optically transmissive cooling element to a heat sink between the at least one optically transmissive cooling element and the heat sink about the optical axis of the at least one optically transmissive cooling element for the purpose of heat transfer position and / or shape changeable, thermally conductive Compensation elements provided. These compensating elements may be embodied according to claim 2 by metallic fins. They are connected at one end to at least one optically transmissive cooling element and at the other end possibly via a carrier plate to the heat sink. In this case, the compensation elements can be present separately and soldered on the one hand to the at least one optically transmissive cooling element and on the other hand optionally via a support plate to the heat sink. Alternatively, the compensation elements could also be realized from a portion of the support plate by slot-shaped training and the support plate to the heat sink, and the ends of the compensating elements to be connected to the at least one optically transmissive cooling element.

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:

1: Querschnitt durch den Kühlkopf, bestehend aus einem sandwichartigen Aufbau aus Kühlplatten und in separaten Platten gehaltenen Lasermaterialien 1 : Cross-section through the cooling head, consisting of a sandwich-type construction of cooling plates and laser materials held in separate plates

2: Draufsicht auf eine Kühlplatte mit Elementen zur Kühlung 2 : Top view of a cooling plate with elements for cooling

3: Draufsicht auf eine Halterplatte für Lasermaterial 3 : Top view of a holder plate for laser material

4: Draufsicht auf eine Kühlplatte mit alternativen Abmessungen 4 : Top view of a cooling plate with alternative dimensions

Als Ausführungsbeispiel (Querschnitt siehe 1) der Erfindung soll hier ein aus mehreren einzelnen Lasermedien 1 bestehender Laserkopf beschrieben werden. Die einzelnen Scheiben des aktiven Mediums werden abwechselnd mit einem transparenten, gut wärmeleitenden Material (bspw. Saphir) 3 sandwichartig gestapelt und durch einen dünnen gasgefüllten Spalt 2 getrennt. Hierbei wird die durch den Laserprozess im aktiven Medium generierte Abwärme über den Gasspalt vollflächig auf das transparente wärmeleitende Material 3 übertragen. Der Abstand von 1 und 3 ist über einen Abstandshalter 4 festgelegt (im Allgemeinen einige Mikrometer). Der Abstandshalter 4 ist im Allgemeinen nicht als wärmeleitender Übergang ausgelegt und kann somit als dünner Kreisring auch aus schlecht wärmeleitenden Materialien (z. B. Kapton) gefertigt werden. Dieser kann dabei an einer oder mehreren Stellen unterbrochen sein, damit ein Druckausgleich innerhalb des Kühlkopfes möglich ist. Als kontaktierendes Gas kommen hierbei alle Gase oder Gasgemische in Frage, die im angestrebten Temperaturbereich von etwa 100 K noch im gasförmigen Aggregatzustand vorliegen, beispielsweise He, Ar, Ne, Xe, Kr, N2, H2, O2 u. a. Im Beispiel soll hierfür Helium verwendet werden, da hiermit ein besonders guter Wärmeübergang erreicht werden kann. Der Druck im Zwischenraum soll im Ausführungsbeispiel kleiner gleich 1 Bar sein. Ausdehnungsunterschiede zwischen Saphirplatte 3 und Lasermaterial 1 führen nicht zu Verspannungen, da kein fixer mechanischer Kontakt vorliegt.As an exemplary embodiment (cross section see 1 ) of the invention is intended here from a plurality of individual laser media 1 existing laser head are described. The individual disks of the active medium are alternately coated with a transparent, highly thermally conductive material (eg sapphire) 3 sandwiched and through a thin gas-filled gap 2 separated. In this case, the waste heat generated by the laser process in the active medium over the gas gap over the entire surface of the transparent heat-conducting material 3 transfer. The distance of 1 and 3 is via a spacer 4 fixed (generally a few microns). The spacer 4 is generally not designed as a heat-conducting transition and can thus be made as a thin circular ring also from poorly heat-conductive materials (eg Kapton). This can be interrupted at one or more points, so that a pressure compensation within the cooling head is possible. As contacting gas here are all gases or gas mixtures in question, which are present in the desired temperature range of about 100 K in the gaseous state, such as He, Ar, Ne, Xe, Kr, N 2 , H 2 , O 2, etc. In the example intended for this purpose Helium can be used, since hereby a particularly good heat transfer can be achieved. The pressure in the intermediate space should be less than or equal to 1 bar in the embodiment. Expansion differences between sapphire plate 3 and laser material 1 Do not lead to tension, as there is no fixed mechanical contact.

Erfindungsgemäß sind die Saphirplatten um die optische Achse 5 umlaufend mit einem dünnen (einige hundert Mikrometer), ringförmigen Kupferblech 6 kontaktiert. Dieses besitzt radial angeordnete, nach innen gerichtete, gleichsinnig gebogene Stege 7 deren Enden thermisch leitend an den äußeren Rand der Saphirplatten im Verbindungsbereich 8 angelötet sind (siehe 2). Der äußere Bereich der Kupferbleche 6 ist nun direkt mit einer Wärmesenke verbunden, die z. B. durch ein temperaturstabilisiertes dickes Kupferblech 9 realisiert werden kann.According to the invention, the sapphire plates are about the optical axis 5 encircling with a thin (a few hundred microns) annular copper sheet 6 contacted. This has radially arranged, inwardly directed, in the same direction curved webs 7 their ends thermally conductive to the outer edge of the sapphire plates in the connection area 8th are soldered (see 2 ). The outer area of the copper sheets 6 is now directly connected to a heat sink, the z. B. by a temperature-stabilized thick copper sheet 9 can be realized.

Kommt es nun zu Ausdehnungsunterschieden zwischen dem Kupferring 6 und der Saphirplatte 3, werden diese durch eine Drehbewegung der Saphirplatte verbunden mit einer Verwindung der Kupferstege 7 ausgeglichen. Es entsteht somit keine mechanische Spannung innerhalb der optisch wirksamen Saphirplatte 3. Der Verbund aus Saphirplatte, dünnem Kupferblech und Wärmesenke bildet eine Einheit, die im Folgenden als Kühlplatte bezeichnet werden soll.Does it now come to expansion differences between the copper ring 6 and the sapphire plate 3 , These are connected by a rotational movement of the sapphire plate with a twisting of the copper bars 7 balanced. There is thus no mechanical stress within the optically effective sapphire plate 3 , The composite of sapphire plate, thin copper sheet and heat sink forms a unit, which will be referred to below as a cooling plate.

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 3 in einer separaten Halterplatte erreicht. Das aktive Medium wird innerhalb des umliegenden Halters 10 mit zwei fixen Auflagepunkten 11 und einem Federblech 12 zentriert. Ein derartig gehaltertes Lasermedium wird im Folgenden als Verstärkerplatte bezeichnet.The laser material itself is resiliently mounted, in order to ensure its centering and on the other to allow unhindered expansion. This is z. B. by means of an arrangement according to 3 achieved in a separate holder plate. The active medium becomes inside the surrounding holder 10 with two fixed support points 11 and a spring plate 12 centered. Such a supported laser medium is referred to below as an amplifier plate.

Eine luftdichte Versiegelung des Laserkopfes wird durch Verwendung tieftemperaturtauglicher Dichtringe 13, beispielsweise aus Teflon, zwischen Verstärker- und Kühlplatten erreicht. Zusätzlich wird eine Abschlussplatte 14 auf jeder Seite des Kopfes verbaut. Diese besitzt außerdem mindestens eine Durchführung, die es ermöglicht das Gas in die Zwischenräume des Kopfes einzulassen (aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht explizit dargestellt). Die einzelnen Platten des Laserkopfes können abschließend beispielsweise durch in den Kühl- bzw. Verstärkerplatten vorgesehene Bohrungen 16 miteinander verschraubt werden.An airtight sealing of the laser head is achieved by using low temperature suitable sealing rings 13 , For example, made of Teflon, achieved between amplifier and cooling plates. In addition, an end plate 14 installed on each side of the head. This also has at least one implementation, which allows the gas into the interstices of the head (not shown for reasons of clarity). The individual plates of the laser head can finally, for example, by provided in the cooling or amplifier plates holes 16 be bolted together.

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. 1) abgewichen wird. In diesem Fall sind das zu kühlende optische Element und das optisch transmissive Kühlelement identisch (vgl. Unteranspruch 5). Dann kann man das aktive Lasermedium direkt mit den zur optischen Achse 15 zeigenden Enden der Lamellen 7 im Verbindungsbereich 8 verlöten.As a further embodiment, it is conceivable that for some laser arrangements with certain good heat-conducting laser media (for example, titanium sapphire) of the sandwich-like structure (see. 1 ) is deviated. In this case, the optical element to be cooled and the optically transmissive cooling element are identical (see dependent claim 5 ). Then you can use the active laser medium directly with the optical axis 15 pointing ends of the slats 7 in the connection area 8th solder.

Für hohe zu kühlende Gesamtleistungen empfiehlt es sich, an Stelle der radialsymmetrischen Apertur eine Apertur (bzw. Strahlprofil) mit hohem Aspektverhältnis (vgl. 4) zu verwenden. Beispielsweise ist statt der Verwendung eines radialsymmetrischen Strahlprofils 15 ein rechteckiges Strahlprofil denkbar 15a. Dies gewährleistet eine gute Abführung der eingetragenen Wärme in der schmalen Achse und erlaubt eine Skalierung der Gesamtleistung in der langen Achse. In 4 ist ein beispielhafter Aufbau für eine derartige Kühlplatte dargestellt. In diesem Beispiel sind die Lamellen 7a derart angeordnet, dass eine Ausdehnung des optisch transmissiven Kühlelements 3a in eine seitliche Translation umgesetzt wird.For high overall performance to be cooled, it is recommended that instead of the radially symmetrical aperture, an aperture (or beam profile) with a high aspect ratio (cf. 4 ) to use. For example, instead of using a radially symmetric beam profile 15 a rectangular beam profile conceivable 15a , This ensures a good dissipation of the registered heat in the narrow axis and allows a scaling of the total power in the long axis. In 4 an exemplary structure for such a cooling plate is shown. In this example, the slats are 7a so arranged that an extension of the optically transmissive cooling element 3a is translated into a lateral translation.

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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Claims (8)

Vorrichtung zur Kühlung optischer Elemente, insbesondere aktiver Lasermedien, mittels zumindest eines optisch transmissiven Kühlelements (3), bei welcher 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 sind.Device for cooling optical elements, in particular active laser media, by means of at least one optically transmissive cooling element ( 3 ), in which for a mechanically low-tension 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 ) are provided. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lage- und/oder formveränderbaren wärmeleitenden Ausgleichselemente (7) durch metallische Lamellen verkörpert sind.Apparatus according to claim 1, characterized in that the position and / or shape-changeable heat-conducting compensating elements ( 7 ) are embodied by metallic lamellae. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Lamellen (7) jeweils zur Wärmeübertragung mit einem Ende ggf. über eine Trägerplatte (6), insbesondere aus Kupfer, mit der Wärmesenke in Verbindung stehen und mit ihrem anderen Ende an dem zumindest einen optisch transmissiven Kühlelement (3) befestigt sind.Device according to claim 2, characterized in that the metallic lamellae ( 7 ) in each case for heat transfer with one end possibly via a carrier plate ( 6 ), in particular of copper, with the heat sink in connection and with its other end to the at least one optically transmissive cooling element ( 3 ) are attached. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (7) in mindestens einem zum zumindest einen optisch transmissiven Kühlelement (3) weisenden Bereich wenigstens einer Trägerplatte (6) ausgebildet sind.Device according to claim 2, characterized in that the lamellae ( 7 ) in at least one of the at least one optically transmissive cooling element ( 3 ) facing area of at least one support plate ( 6 ) are formed. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zu kühlende optische Element das zumindest eine optisch transmissive Kühlelement (3) ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the optical element to be cooled, the at least one optically transmissive cooling element ( 3 ). Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine optisch transmissive Kühlelement (3) über einen mit optisch transparenten gasgefüllten Spalt (2) mit wenigstens einem zu kühlenden optischen Element (1) gekoppelt ist.Device according to claim 1, characterized in that the at least one optically transmissive cooling element ( 3 ) via an optically transparent gas-filled gap ( 2 ) with at least one optical element to be cooled ( 1 ) is coupled. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen sandwichartigen Aufbau mehrerer optisch transmissiver Kühlelemente (3) und den zu kühlenden optischen Elementen (1).Device according to Claim 6, characterized by a sandwich-type construction of a plurality of optically transmissive cooling elements ( 3 ) and the optical elements to be cooled ( 1 ). Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine optisch transmissive Kühlelement (3) aus Saphir, Yttrium-Aluminium-Granat oder Diamant besteht.Device according to claim 6 or 7, characterized in that the at least one optically transmissive cooling element ( 3 ) consists of sapphire, yttrium aluminum garnet or diamond.
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