DE10226724B4

DE10226724B4 - Laserkristall mit einer Kühlstruktur, Verfahren zum Herstellen eines Laserkristalls mit einer Kühlstruktur sowie Verwendung eines solchen Laserkristalls

Info

Publication number: DE10226724B4
Application number: DE10226724A
Authority: DE
Inventors: Joachim Giesekus
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2022-06-15
Also published as: DE10226724A1

Abstract

Laserkristall mit einer Kühlstruktur für die transversale Kühlung, wobei die Kühlstruktur mindestens zwei Kühlkörper als Wärmesenken aufweist, die, auf gegenüberliegenden Seiten des Kristalls angeordnet, mit dem Kristall über mindestens eine Zwischenschicht stoffschlüssig verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Kristall eine erste Zwischenschicht aufgebracht ist, die aus Titan oder Nickel oder Platin oder deren jeweiliger Legierung besteht, wobei in der Legierung das Titan oder das Nickel oder das Platin mit mindestens 30 Gew.-% enthalten ist; dass auf die erste Zwischenschicht eine zweite Zwischenschicht, die in der Materialzusammensetzung zu der ersten Zwischenschicht unterschiedlich ist, aufgebracht ist, die aus Nickel oder Chrom oder Platin oder deren jeweiliger Legierung besteht, wobei in der Legierung das Nickel oder das Chrom oder das Platin mit mindestens 30 Gew.-% enthalten ist; dass die zweite Zwischenschicht durch eine dritte Zwischenschicht aus Gold oder Silber oder Indium oder Zinn oder einer Indiumlegierung bedeckt ist, wobei die Indiumlegierung mindestens...

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserkristall mit einer Kühlstruktur für die transversale Kühlung, wobei die Kühlstruktur mindestens zwei Kühlkörper als Wärmesenken aufweist, die, auf gegenüberliegenden Seiten des Kristalls angeordnet, mit dem Kristall über mindestens eine Zwischenschicht stoffschlüssig verbunden sind.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Laserkristalls mit einer Kühlstruktur für die transversale Kühlung, wobei die Kühlstruktur mindestens zwei Kühlkörper als Wärmesenken aufweist, die, auf gegenüberliegenden Seiten des Kristalls angeordnet werden, indem sie mit dem Kristall über mindestens eine Zwischenschicht stoffschlüssig verbunden werden.
Derartige Laserkristalle mit Kühlstruktur sind allgemein bekannt; ebenso das entsprechende Verfahren zum Herstellen eines solchen Laserkristalls mit Kühlstruktur.
Weiterhin sind inzwischen diodengepumpte Festkörperlaser in Benutzung, die mit der linienförmigen Strahlung gestapelter Diodenlaser gepumpt werden. Das Pumplicht wird durch Wellenlängen selektiv dielektrische beschichtete Resonatorspiegel transmittiert. Die optische Achse des Resonators liegt dabei colinear zur optischen Achse des Resonators. Das endgepumpte laseraktive Material, auch als Kristall bezeichnet, ist ähnlich der Fokusdi mension des Pumplichtes durch ein großes Aspektverhältnis des Querschnitts gekennzeichnet. In der breiten Richtung des Kristalls, die mit der Slow-Richtung der Diodenlaser zusammenfällt, ist der Wärmestrom im Kristall in erster Näherung zu vernachlässigen. Die Brennweite der thermischen Linse des gepumpten Kristalls bzw. Festkörpers liegt in der Größenordnung von einigen Metern. In der schmalen Richtung des Kristalls, die mit der geringen Fokusabmessung der Pumpstrahlung in der Fast-Richtung korrespondiert, liegt die Brennweite in der Größenordnung von einigen 100 mm. Die Wirkung der thermischen Linse kann somit mit der einer Zylinderlinse verglichen werden. Die Aufhebung der Rotationssymmetrie der thermischen Linse kann für die Auslegung eines Hybridresonators genutzt werden, der in der breiten Richtung als instabiler Resonator und in der schmalen Richtung als stabiler Resonator konfiguriert werden kann. Vorteil dieser Anordnung ist die Skalierbarkeit der Ausgangsleistung durch Vergrößerung des aktiven Volumens ohne die Strahlqualität des Ausgangsstrahls zu beeinträchtigen. Voraussetzung für eine gute Strahlqualität und Effizienz ist neben der geeigneten Verteilung des Pumplichtes, eine homogene Kontaktkühlung des Kristalls auf nur zwei Flächen, die durch die Breite des Kristalls und die Dimension in Richtung der optischen Achse vorgegeben wird. Die thermische Linse ist im Wesentlichen eine Folge der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes und somit des Wärmestroms im Laserkristall.
Um den Wärmestrom in der breiten Richtung gering zu halten, werden nach dem Stand der Technik Verfahren eingesetzt, bei denen der Kristall zwischen zwei Wärmesenken und Zwischenschichten aus Indium gepresst wird. Das Indium wird in Form von Folien auf zwei der sechs Kristallflächen aufgebracht und in einer Halterung unter Spannung gehalten. Indium und dessen Legierungen werden für gepresste Verbindungen gewählt, weil es eine geringe Fließgrenze und gute Anformbarkeit an die Oberfläche und geringe thermische Widerstände aufweist. Für kleine Kristalle, die in partiell endgepumpten Festkörperlasern eingesetzt werden, kann eine solche Verfahrensweise ausreichend sein, da die absolute thermische Dehnung im gepumpten Zustand gering ist und somit keine pumpleistungsabhängige mechanische Wechselbelastung der thermischen Kontaktstelle zu beobachten ist. Bei großen Kristallen, die Breiten von einigen 10 mm aufweisen und die mit einem großen Anteil der Endfläche gepumpt werden, liegt die Dehnung im Bereich einiger μm. Diese Dehnung führt in Verbindung mit der niedrigen Fließgrenze des Kontaktwerkstoffs zu einer plastischen, irreversiblen Verformung. Typischerweise altert der Kontakt auf der Pumpseite an den Stellen mit der größten thermischen Verschiebung.

Die EP 0 903 819 A2 beschreibt einen optisch gepumpten Laser mit einem Lasermedium, das passiv gekühlt wird. Dieses Lasermedium weist eine Kühlstruktur auf mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Die US 4 210 389 zeigt einen Laserkristall, der auf einer Wärmesenke befestigt werden kann. Für die Befestigung sind verschiedene Zwischenschichten angegeben; hierbei kann es sich um eine reflektierende Schicht und eine Diffusionsbarriere, gefolgt durch eine Benetzungsschicht und eine Schicht aus Weichlot handeln.

Ausgehend von der vorstehend geschilderten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Laserkristall mit einer Kühlstruktur der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass er den wechselnden thermischen Belastungen, die insbesondere den Ein- und Ausschaltvorgängen von Pumplasern zugeordnet sind, standhält und somit für industrielle Anwendungen geeignet ist; außerdem soll ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen eines solchen Laserkristalls mit einer Kühlstruktur angegeben werden, ebenso wie bevorzugte Verwendungen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Laserkristall mit einer Kühlstruktur für die transversale Kühlung, wobei die Kühlstruktur mindestens zwei Kühlkörper als Wärmesenken aufweist, die, auf gegenüberliegenden Seiten des Kristalls angeordnet, mit dem Kristall über mindestens eine Zwischenschicht stoffschlüssig verbunden sind, der dadurch gekennzeichnet ist,
dass auf den Kristall eine erste Zwischenschicht aufgebracht ist, die aus Titan oder Nickel oder Platin oder deren jeweiliger Legierung besteht, wobei in der Legierung das Titan oder das Nickel oder das Platin mit mindestens 30 Gew.-% enthalten ist;
dass auf die erste Zwischenschicht eine zweite Zwischenschicht, die in der Materialzusammensetzung zu der ersten Zwischenschicht unterschiedlich ist, aufgebracht ist, die aus Nickel oder Chrom oder Platin oder deren jeweiliger Legierung besteht, wobei in der Legierung das Nickel oder das Chrom oder das Platin mit mindestens 30 Gew.-% enthalten ist; und
dass die zweite Zwischenschicht durch eine dritte Zwischenschicht aus Gold oder Silber oder Indium oder Zinn oder einer Indiumlegierung bedeckt ist, wobei die Indiumlegierung mindestens 30 Gew.-% an Indium enthält und wobei an der dritten Zwischenschicht der Kühlkörper durch ein Weichlot verbunden ist.

Verfahrensgemäß wird die Aufgabe, ausgehend von den eingangs angegebenen Verfahrensschritten, dadurch gelöst,
dass auf den Kristall eine erste Zwischenschicht aufgebracht wird, die aus Titan oder Nickel oder Platin oder deren jeweiliger Legierung besteht, wobei in der Legierung das Titan oder das Nickel oder das Platin mit mindestens 30 Gew.-% enthalten ist;
dass auf die erste Zwischenschicht eine zweite Zwischenschicht, die in der Materialzusammensetzung zu der ersten Zwischenschicht unterschiedlich ist, aufgebracht wird, die aus Nickel oder Chrom oder Platin oder deren jeweiliger Legierung besteht, wobei in der Legierung das Nickel oder das Chrom oder das Platin mit mindestens 30 Gew.-% enthalten ist; und
dass die zweite Zwischenschicht durch eine dritte Zwischenschicht aus Gold oder Silber oder Indium oder Zinn oder einer Indiumlegierung bedeckt wird, wobei die Indiumlegierung mindestens 30 Gew.-% an Indium enthält und wobei an der dritten Zwischenschicht der Kühlkörper durch ein Weichlot verbunden wird.

Mit diesem Aufbau der Zwischenschichten wird eine feste Verbindung erreicht, die insbesondere auch Zug- und Scherkräfte aufnehmen kann, um den Kristall auf seiner Kontaktfläche mit einem Kühlkörper zu verbinden. Solche Kühlkörper sind üblicherweise aus Kupfer hergestellt und werden von einem Kühlmedium über entsprechend ausgebildete Kühlkanäle durchflossen. Möglich sind aber auch Peltierelemente, die die Wärme konduktiv abführen. Auch ist mit dem angegebenen Aufbau der Zwischenschichten eine weitgehende Spannungsfreiheit im ungepumpten Zustand während des Einbaus gegeben, so dass auch empfindliche Kristalle, wie Nd:YVO₄ neben Nd:YAG eingesetzt werden können. Zur weiteren Reduzierung der Spannungen, die durch den Lötvorgang erzeugt werden, können für den Kühlkörper auch Materialien gleicher Wärmedehnung wie der Kristall, etwa ein Gemisch aus Wolfram und Kupfer, eingesetzt werden.

Erfindungsgemäß wird somit der Kristall (der Laserkristall) auf seiner Kontaktfläche zu dem Kühlkörper hin mit einer Schichtfolge verschiedener Metalle metallisiert, um dann auf die äußere, dritte Zwischenschicht den Kühlkörper aufzubringen, wozu ein entsprechender Lötprozess angewandt werden kann.

Vorzugsweise wird die erste Zwischenschicht aus Titan gebildet; gerade der Einsatz von Titan hat den Vorteil, dass eine hohe Haftfestigkeit des nachfolgenden Schichtaufbaus erreicht wird.

Für die zweite Zwischenschicht sollte vorzugsweise Nickel eingesetzt werden, da Nickel gut durch Lote benetzt wird und nicht in Indium diffundiert.

Für die dritte Zwischenschicht ist Gold zu bevorzugen, da Gold nicht oxidiert und die darunter befindliche Zwischenschicht schützt.

Die Dicke der ersten Zwischenschicht sollte mindestens 0,1 μm betragen, damit auch optisch rauhe Flächen eine geschlossene Zwischenschicht als Haftvermittler aufweisen.

Die Dicke der zweiten Zwischenschicht sollte mindestens 2 μm haben, damit ausreichende mechanische Eigenschaften erreicht werden und die Zwischenschicht eine ausreichende Standfestigkeit für den Lötprozess erreicht.

Die Dicke der dritten Zwischenschicht sollte maximal 0,5 μm betragen, damit das beim Löten in die Lösung gehende Gold die mechanischen Eigenschaften des Indium nicht beeinträchtigt.

Um die Oxidation des Lotes zu vermeiden, sollte die Anlötung des Kühlkörpers im Vakuum oder unter Schutzgas vorgenommen werden.

Damit kein erneutes Aufschmelzen der zuvor gelöteten Verbindung auftritt, werden vorzugsweise die beiden Kühlkörper gleichzeitig angelötet. Auch lassen sich so Lotspalte gleicher Dicke besser realisieren.

Als bevorzugte Verwendung des Laserkristalls sind diejenigen als Festkörper für einen Nd:YAG-Laser einen Nd:YVO₄-Laser anzugeben, da gerade diese Kristalle als empfindliche Kristalle zu bezeichnen sind, bei denen darauf geachtet werden muß, dass große Wärmestromdichten bei geringem thermischem Widerstand abgeführt werden müssen, um thermische Eigenspannungen und thermische Dehnungen gering zu halten. Dies gilt ins besondere, wenn Diodenlaser mit hoher Leistung und Strahldichte als Pumpquellen eingesetzt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sowohl des Laserkristalls als auch des angegebenen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel mit möglichen Variationsmöglichkeiten angegeben, unter Bezugnahme auf die einzige Figur, mit 1 bezeichnet, die einen Querschnitt durch einen Laserkristall mit auf gegenüberliegenden Kontaktflächen angeordneten Kühlkörpern darstellt.
Der Kristall, mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet, ist im Ausgangszustand an den beiden gegenüberliegenden optischen Grenzflächen poliert und mit Antireflexschichten ausgestaltet. Die Kontaktflächen 2 sind vorteilhafterweise optisch rauh wegen der Größe der dadurch zur Verfügung stehenden Benetzungsfläche, und um parasitäre Moden zu unterdrücken.
Auf die Kontaktflächen 2 wird dann eine erste Zwischenschicht 3 aus Titan der Stärke 0,1 μm als Haftvermittler aufgebracht. Diese Zwischenschicht kann auch eine Gold, Nickel oder Platinschicht sein. Auf die erste Zwischenschicht 3 wird eine lotbenetzbare zweite Zwischenschicht 4 aus Nickel, Chrom oder Platin aufgebracht. Um Oxidation zu vermeiden und die Benetzbarkeit durch ein Indiumlot 6 zu verbessern, wird eine dritte Zwischenschicht 5 aus Gold, Zinn oder Silber aufgebracht. Die Zwischenschichten 3, 4, 5 können auch aus Legierungen bestehen, die jeweils einen größeren Anteil von mindestens 30 Gew.-% der zuvor genannten Metalle beinhalten.
Ein Kühlkörper 7, der vorzugsweise aus Kupfer gefertigt ist, sollte eine möglichst geringe Rauhigkeit und gute Ebenheit an der Kontaktfläche aufweisen; er kann, abhängig vom verwendeten Lot, auch unbeschichtet eingesetzt werden. Denkbar ist aber auch eine Metallisierung mit einer Nickel-, Platin- oder Titanschicht, die durch eine Oxidschutzschicht aus Gold oder Silber abgedeckt wird.
Als Lot wird foliertes Indium in der typischen Stärke 50-200 μm wegen der geringen Fließgrenze eingesetzt. Indiumlegierungen oder Zinn-Blei-Lote wurden auch erfolgreich eingesetzt. Möglich sind aber gegebenenfalls auch Weichlote mit geringer Fließgrenze bei Raumtemperatur. Abhängig von der Größe und Ebenheit der präparierten Kontaktflächen ist es auch möglich, zuvor genannte Lotwerkstoffe in geringeren Stärken auf Kristall und/oder Kühlkörper aufzutragen. Wird Indium auf den Kristall oder die Kühlstruktur aufgedampft, sollte die Schichtdicke 50 μm bis 100 μm betragen.
Die Lötung erfolgt unter Vakuum, kann aber auch unter Schutzgas erfolgen. Wesentlich ist, dass die Lötung des oberen und unteren Kühlkörpers in einem Temperaturzyklus erfolgt. Konkret erfolgt die Lötung bei 170° über 2 Minuten, wobei sich eine langsame Abkühlphase unterhalb der Liquidustemperatur anschließt. Der Kristall 1 wird in geeigneter Weise in einer zentrierten Position gehalten und die Kühlkörper 7 synchron auf den Kristall zu bewegt. Dabei kann sowohl ein Weg vorgegeben werden als auch eine Kraft, die während des Fügevorgangs normal zur Kontaktfläche wirkt.
Die gelötete Verbindung kann aufgrund der hohen Rissdehnung des Lotes die thermische Dehnung des Kristalls in eine reversible plastische Verformung umsetzen und ermöglicht somit ein langzeitstabiles Verhalten des Laseraufbaus. Für große Kristalle, bei denen die größte Kantenlänge größer 30 mm beträgt, oder bei weniger duktilen Loten, können Werkstoffe für die Kühlstruktur gewählt werden, die in etwa gleiches Dehnungsverhalten zeigen wie der Laserkristall.

Claims

Laserkristall mit einer Kühlstruktur für die transversale Kühlung, wobei die Kühlstruktur mindestens zwei Kühlkörper als Wärmesenken aufweist, die, auf gegenüberliegenden Seiten des Kristalls angeordnet, mit dem Kristall über mindestens eine Zwischenschicht stoffschlüssig verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Kristall eine erste Zwischenschicht aufgebracht ist, die aus Titan oder Nickel oder Platin oder deren jeweiliger Legierung besteht, wobei in der Legierung das Titan oder das Nickel oder das Platin mit mindestens 30 Gew.-% enthalten ist; dass auf die erste Zwischenschicht eine zweite Zwischenschicht, die in der Materialzusammensetzung zu der ersten Zwischenschicht unterschiedlich ist, aufgebracht ist, die aus Nickel oder Chrom oder Platin oder deren jeweiliger Legierung besteht, wobei in der Legierung das Nickel oder das Chrom oder das Platin mit mindestens 30 Gew.-% enthalten ist; dass die zweite Zwischenschicht durch eine dritte Zwischenschicht aus Gold oder Silber oder Indium oder Zinn oder einer Indiumlegierung bedeckt ist, wobei die Indiumlegierung mindestens 30 Gew.-% an Indium enthält, wobei an der dritten Zwischenschicht der Kühlkörper durch ein Weichlot verbunden ist.
Laserkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zwischenschicht aus Titan gebildet ist.
Laserkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zwischenschicht aus Nickel gebildet ist.
Laserkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Zwischenschicht aus Gold gebildet ist.
Laserkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zwischenschicht eine Dicke von mindestens 0,1 μm aufweist.
Laserkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zwischenschicht eine Dicke von mindestens 2 μm aufweist.
Laserkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Zwischenschicht eine Dicke von maximal 0,5 μm aufweist.
Laserkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Zwischenschicht aus Zinn gebildet ist.
Laserkristall mit einer Kühlstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur aus Kupfer gebildet ist
Laserkristall mit einer Kühlstruktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Lot und Kühlstruktur eine Nickelschicht angeordnet ist.
Laserkristall mit einer Kühlstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur über der Nickelschicht eine Goldschicht aufweist.
Laserkristall mit einer Kühlstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur aus Wolfram und Kupfer gebildet ist.
Laserkristall mit einer Kühlstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur aus einem Wolfram-Kupfer-Sintermetall gebildet ist.
Laserkristall mit einer Kühlstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist wie der Laserkristall.
Verfahren zum Herstellen eines Laserkristalls mit einer Kühlstruktur für die transversale Kühlung, wobei die Kühlstruktur mindestens zwei Kühlkörper als Wärmesenken aufweist, die, auf gegenüberliegenden Seiten des Kristalls angeordnet wer den, indem sie mit dem Kristall über mindestens eine Zwischenschicht stoffschlüssig verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Kristall eine erste Zwischenschicht aufgebracht wird, die aus Titan oder Nickel oder Platin oder deren jeweiliger Legierung besteht, wobei in der Legierung das Titan oder das Nickel oder das Platin mit mindestens 30 Gew.-% enthalten ist; dass auf die erste Zwischenschicht eine zweite Zwischenschicht, die in der Materialzusammensetzung zu der ersten Zwischenschicht unterschiedlich ist, aufgebracht wird, die aus Nickel oder Chrom oder Platin oder deren jeweiliger Legierung besteht, wobei in der Legierung das Nickel oder das Chrom oder das Platin mit mindestens 30 Gew.-% enthalten ist; dass die zweite Zwischenschicht durch eine dritte Zwischenschicht aus Gold oder Silber oder Indium oder Zinn oder einer Indiumlegierung bedeckt wird, wobei die Indiumlegierung mindestens 30 Gew.-% an Indium enthält, wobei an der dritten Zwischenschicht der Kühlkörper durch ein Weichlot verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zwischenschicht aus Titan gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zwischenschicht aus Nickel gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Zwischenschicht aus Zinn gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zwischenschicht in einer Dicke von mindestens 0,1 μm aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zwischenschicht in einer Dicke von mindestens 2 μm aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Zwischenschicht in einer Dicke von maximal 0,5 μm aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlötung des Kühlkörpers im Vakuum vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlötung des Kühlkörpers unter Schutzgas vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass beide Kühlkörper gleichzeitig angelötet werden
Verwendung des Laserkristalls nach einem der Ansprüche 1 bis 14 für einen Nd:YAG-Laser.
Verwendung des Laserkristalls nach einem der Ansprüche 1 bis 14 für einen Nd:YVO₄-Laser.