DE10354356A1 - Liquid coolant for laser has soluble additive(s) that coats surfaces of coolant circuit that come into contact with coolant with inorganic or organic protective layer, exerts passivation effect, has low conductivity and optical absorption - Google Patents

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Abstract

The coolant consists of a liquid medium containing at least one additive that is soluble in the medium that coats the surfaces of the coolant circuit that come into contact with the coolant with an inorganic or organic protective layer, whereby the additive exerts a passivation effect on the surface, has low conductivity and low optical absorption. An independent claim is also included for a method of operating a laser arrangement with at least one array of light emitting diodes.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung, deren optische bzw. elektrische Komponenten, welche in unmittelbarem Kontakt mit einem Kühlmedium stehen, insbesondere vor Korrosion geschützt sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Korrosionsschutzes der Komponenten einer Laseranordnung.The The invention relates to a laser arrangement whose optical or electrical Components which are in direct contact with a cooling medium, especially protected against corrosion are. Furthermore, the invention relates to a process for the preparation a corrosion protection of the components of a laser assembly.

Zur Kühlung von Halbleiter-Laserdioden sind Mikrokanal-Kühler beispielsweise aus der DE 199 56 565 A1 bekannt. Zur Wärmeabfuhr werden diese von einem Kühlmedium durchströmt. Häufig werden Baugruppen aus mehreren Mikrokanal-Kühlern sowie Halbleiter-Laserdioden als Pumplichtquellen in Festkörperlasern eingesetzt. In diesen sind neben den Laserdioden auch das aktive Medium und weitere optische Komponenten zu kühlen. Als Kühlmedium wird nahezu ausschließlich möglichst reines, deionisiertes Wasser verwendet. Auf Grund der hohen Stromdichten sind Spannungsabfälle zwischen den verschiedenen Komponenten eines Lasersystems unvermeidbar. Durch diese Spannungen sowie thermische und chemische Prozesse wird das Kühlmedium zumindest in geringem Maße ionisiert. Die freien Ionen bewirken nun eine Korrosion aller Komponenten, welche mit dem Kühlmedium in Kontakt kommen. Besonders kritisch ist dies bei optischen Komponenten wie Spiegeln, da hier bereits eine geringfügige Korrosion zu einer wesentlichen Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften führt. Auch bei Mikrokanal- Kühlern, bei denen die einzelnen Elemente Abmessungen in einer Größenordnung von nur einigen Mikrometern bis Millimetern aufweisen, kann eine auch nur geringfügige Korrosion bereits zu einer wesentlichen Änderung der Materialstärken führen. Versuche haben gezeigt, dass dünne Metallstege zur Führung des Kühlmediums bereits nach 1000 Betriebsstunden durch Korrosion weitgehend zerstört waren.For cooling of semiconductor laser diodes are micro-channel cooler, for example, from DE 199 56 565 A1 known. For heat dissipation they are flowed through by a cooling medium. Frequently assemblies of several micro-channel coolers and semiconductor laser diodes are used as pump light sources in solid-state lasers. In addition to the laser diodes, they also have to cool the active medium and other optical components. As a cooling medium almost exclusively pure, deionized water is used. Due to the high current densities, voltage drops between the various components of a laser system are unavoidable. Due to these stresses as well as thermal and chemical processes, the cooling medium is at least slightly ionized. The free ions now cause corrosion of all components which come into contact with the cooling medium. This is particularly critical for optical components such as mirrors, since even a slight corrosion here leads to a significant impairment of the optical properties. Even with micro-channel coolers, in which the individual elements have dimensions of the order of magnitude of only a few micrometers to millimeters, even a slight corrosion can already lead to a substantial change in the material thicknesses. Experiments have shown that thin metal webs for guiding the cooling medium were already largely destroyed by corrosion after 1000 operating hours.

Zur Verringerung der Korrosion wird in der US 6,387,286 B1 die Verwendung gleicher Metalle vorgeschlagen. Eine vollständige Unterdrückung jeglicher Ionisation des Kühlmediums ist damit aber bereits wegen der zuvor erwähnten Spannungsabfälle im System nicht möglich. Eine weitere Verbesserung bringt hier eine Oberflächenbeschichtung aus korrosionsbeständigen Metallen, wie in der US 5,764,675 offenbart. In der US 4,899,347 ist weiterhin eine Beschichtung des aktiven Mediums durch eine diamantähnliche Kohleschicht offenbart, welche neben einem Korrosionsschutz auch eine Unterdrückung parasitärer Resonanzen bietet.To reduce corrosion in the US 6,387,286 B1 proposed the use of the same metals. A complete suppression of any ionization of the cooling medium is thus not possible because of the aforementioned voltage drops in the system. Another improvement here is a surface coating of corrosion resistant metals, as in the US 5,764,675 disclosed. In the US 4,899,347 Furthermore, a coating of the active medium by a diamond-like carbon layer is disclosed, which also offers a suppression of parasitic resonances in addition to a corrosion protection.

Entsprechend dem Stand der Technik müssen unterschiedliche Komponenten eines Lasersystems auf unterschiedliche Art und Weise vor Korrosion geschützt werden. Dies erfordert eine Vielzahl von auf die jeweiligen Komponenten abgestimmten unterschiedlichen kostenintensiven Bearbeitungsschritten.Corresponding the state of the art different components of a laser system to different Way to be protected from corrosion. This requires a variety of different matched to the respective components costly processing steps.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laseranordnung, welche einen einheitlichen, wenig aufwendigen Korrosionsschutz derjenigen Komponenten aufweist, die mit einem Kühlmedium in Kontakt stehen, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Korrosionsschutzes einer Laseranordnung vorzusehen.Of the Invention is based on the object, a laser arrangement, which a uniform, inexpensive corrosion protection of those components having that with a cooling medium in contact, as well as a method for producing a corrosion protection to provide a laser arrangement.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen 1 bzw. 8 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The inventive solution this Task is in the claims 1 or 8 indicated. Further developments of the invention are the subject the dependent Claims.

Bei der erfindungsgemäßen Laseranordnung sind die optischen oder elektrischen Komponenten und die Kühlkanäle, die in unmittelbaren Kontakt mit einem Kühlmedium stehen, einer Behandlung zum Schutz vor Korrosion unterzogen worden, bei der die Oberflächen mit einem flüssigen Medium in Kontakt gebracht werden, in welchem wenigstens eine Substanz aus den folgenden chemischen Stoffklassen gelöst ist: Silane, Fluorsilane, Alkylthiole, difunktionelle organische Disulfide, Ethylendiamine, Phthalocyanine, Stickstoffheterocyclen. Als Substanz wird 6-Mercapto-1-hexanol oder Dimethylamin bevorzugt. Hierzu wird das flüssige Medium mit der enthaltenen Substanz durch den Kühlkreislauf geführt. Die behandelten Oberflächen werden passiviert und weisen eine nur geringe elektrische Oberflächenleitfähigkeit und optische Absorption auf.at the laser arrangement according to the invention are the optical or electrical components and the cooling channels that in direct contact with a cooling medium, a treatment to protect against corrosion, in which the surfaces with a liquid Medium are brought into contact, in which at least one substance from the following chemical classes: silanes, fluorosilanes, Alkylthiols, difunctional organic disulphides, ethylenediamines, phthalocyanines, Nitrogen heterocycles. As substance is 6-mercapto-1-hexanol or Dimethylamine is preferred. For this purpose, the liquid medium with the contained Substance through the cooling circuit guided. The treated surfaces are passivated and have a low electrical surface conductivity and optical absorption.

Das flüssige Medium selbst besteht vorzugsweise aus reinem und entionisiertem Wasser, kann aber auch aus einer nichtwässrigen Flüssigkeit oder Mischungen daraus bestehen. Zum Beispiel kann dem Wasser Ethanol zugesetzt sein.The liquid Medium itself is preferably pure and deionized Water, but also from a non-aqueous liquid or mixtures thereof consist. For example, ethanol may be added to the water.

Besonders vorteilhaft und zweckmäßig ist es, während es Betriebs der Laseranordnung das flüssige Medium mit der darin enthaltenen, den Korrosionsschutz erteilenden Substanz, gleichzeitig als Kühlmedium zu verwenden. Hierdurch wird ein dauerhafter Schutz vor Korrosion gewährleistet.Especially advantageous and expedient it is while It operates the laser assembly, the liquid medium with the therein contained, the corrosion-protective substance, simultaneously as a cooling medium to use. This will provide lasting protection against corrosion guaranteed.

Je nach Bauart der erfindungsgemäßen Laseranordnung wird das Kühlmedium einem oder mehreren Kühlelementen zugeführt, auf denen z.B. die Halbleiterdioden angeordnet sind, wobei die Verwendung von Mikrokanal-Kühlern möglich ist, oder es werden elektrische und/oder optische Komponenten der Laseranordnung direkt vom Kühlmedium umspült. Das eingesetzte Kühlmedium sollte von geringer Leitfähigkeit sein und eine geringe optische Absorption aufweisen, so dass optische Pfade eines Pumplichts und/oder Laserlichts durch das Kühlmedium geführt werden können. Bei den wie vorstehend geschützten Oberflächen kann reines, entionisiertes Wasser als Kühlmedium eingesetzt werden. Jedoch kann auch als Kühlmedium das flüssige Medium mit der den Korrosionsschutz erteilenden Substanz derart gewählt werden, dass es den genannten Anforderungen entspricht.Depending on the design of the laser arrangement according to the invention, the cooling medium is supplied to one or more cooling elements, on which, for example the semiconductor diodes are arranged, wherein the use of microchannel coolers is possible, or there are electrical and / or optical components of the laser assembly washed directly from the cooling medium. The cooling medium used should be of low conductivity and have a low optical absorption, so that optical paths of a pumping light and / or laser light can be guided through the cooling medium. In the surfaces protected as above, pure deionized water can be used as the cooling medium. However, as a cooling medium, the liquid medium with the substance that provides the corrosion protection can also be chosen such that it meets the requirements mentioned.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laseranordnung umfasst wenigstens ein Array aus Halbleiter-Laserdioden, vorzugsweise als Pumplichtquelle, die direkt oder indirekt vom Kühlmedium gekühlt wird. Diese können auf einem oder mehreren Kühlelementen angeordnet sein. Die Kühlelemente bestehen aus einem gut wärmeleitfähigen Material, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium. Zur Wärmeabfuhr werden diese Kühlelemente in einem Kühl kreislauf von einem Kühlmedium durchströmt. Das Kühlmedium weist zumindest einen minimalen Anteil einer ionisierbaren Flüssigkeit, beispielsweise Wasser auf. Vorzugsweise besteht das Kühlmedium aus möglichst reinem und deionisiertem Wasser. Erfindungsgemäß sind die mit dem Kühlmedium in Kontakt kommenden Oberflächen des Kühlkreislaufs mit einer anorganischen oder organischen Schutzschicht überzogen. Diese Schutzschicht weist die folgenden Merkmale auf:

  • – passivierende Wirkung auf die Oberfläche,
  • – geringe Leitfähigkeit und
  • – geringe optische Absorption.
An embodiment of the laser arrangement according to the invention comprises at least one array of semiconductor laser diodes, preferably as a pump light source, which is cooled directly or indirectly by the cooling medium. These can be arranged on one or more cooling elements. The cooling elements are made of a good thermally conductive material, preferably copper or aluminum. For heat dissipation, these cooling elements are flowed through in a cooling circuit of a cooling medium. The cooling medium has at least a minimum proportion of an ionizable liquid, for example water. Preferably, the cooling medium of as pure and deionized water. According to the invention, the cooling medium coming into contact with the surfaces of the cooling circuit are coated with an inorganic or organic protective layer. This protective layer has the following features:
  • - passivating effect on the surface,
  • - low conductivity and
  • - low optical absorption.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht einen Festkörperlaser vor, dessen Pumplichtquelle wenigstens ein Array aus Halbleiter-Laserdioden oder eine Bogenlampe aufweist. Diese Pumplichtquelle und noch weitere elektrische und optische Komponenten des Festkörperlasers werden nun durch das Kühlmedium gekühlt. So kann beispielsweise auch das aktive Medium durch das Kühlmedium gekühlt werden. Ebenso können wahlweise verschiedene Spiegel und/oder Linsen in den Kühlkreislauf mit einbezogen sein.A Another embodiment of the invention provides a solid-state laser before, whose pumping light source at least one array of semiconductor laser diodes or an arc lamp. This pump light source and more electrical and optical components of the solid-state laser are now by the cooling medium cooled. Thus, for example, the active medium through the cooling medium chilled become. Likewise optionally different mirrors and / or lenses in the cooling circuit be involved.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung führt mindestens ein Teil eines optischen Pfades durch das Kühlmedium. So kann beispielsweise der optischen Pfad des Pumplichts oder auch der optischen Pfad des emittierten Laserlichts durch das Kühlmedium geführt sein.In another embodiment of the invention performs at least a part of a optical path through the cooling medium. For example, the optical path of the pump light or the optical path of the emitted laser light through the cooling medium guided be.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Schutzschicht durch Kontakt mit einer Lösung einer Substanz hergestellt worden, die aus einer der folgenden Stoffklassen ausgewählt ist: Silane, Fluorsilane, Thioalkohole, difunktionelle organische Disulfide, Ethylendiamine, Phthalocyanine, Stickstoffheterocyclen.In a further advantageous embodiment of the invention is the Protective layer made by contact with a solution of a substance selected from one of the following substance classes: silanes, Fluorosilanes, thioalcohols, difunctional organic disulfides, Ethylenediamines, phthalocyanines, nitrogen heterocycles.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Substanz 6-Mercapto-1-hexanol.In a further advantageous embodiment of the invention is the Substance 6-mercapto-1-hexanol.

In einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Substanz Dimethylamin.In a still further advantageous embodiment of the invention the substance dimethylamine.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Korrosionsschutzes der Komponenten einer Laseranordnung, die wahlweise ein Array aus Halbleiter-Laserdioden oder eine Bogenlampe umfasst, die an einem Kühlkreislauf angeordnet sind, welcher von einem flüssigen Kühlmedium zur Wärmeabfuhr durchströmt wird, durch Vorsehen einer Schutzschicht durch Spülen des Kühlkreislaufs mit einer Lösung wenigstens einer der oben angegebenen Substanzen.One inventive method for producing a corrosion protection of the components of a laser arrangement, optionally comprising an array of semiconductor laser diodes or an arc lamp, the at a cooling circuit are arranged, which of a liquid cooling medium for heat dissipation flows through by providing a protective layer by rinsing the Cooling circuit with a solution at least one of the above-mentioned substances.

Claims (8)

Laseranordnung deren Wärme von einem in einem Kühlkreislauf geführten Kühlmedium abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Kühlmedium in Kontakt kommenden Oberflächen des Kühlkreislaufs mit einer anorganischen oder organischen Schutzschicht versehen sind, die – eine passivierende Wirkung auf die Oberfläche ausübt, – eine geringe Leitfähigkeit aufweist und – eine geringe optische Absorption aufweist.Laser arrangement whose heat is dissipated by a guided in a cooling circuit cooling medium, characterized in that the coming into contact with the cooling medium surfaces of the cooling circuit are provided with an inorganic or organic protective layer which - has a passivating effect on the surface, - a low conductivity has and - has a low optical absorption. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Array aus Halbleiter-Laserdioden vorgesehen ist, deren Wärme von einem in einem Kühlkreislauf geführten Kühlmedium abgeführt wird.Laser arrangement according to claim 1, characterized that at least one array of semiconductor laser diodes provided is whose heat is from one in a cooling circuit out cooling medium dissipated becomes. Laseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Array aus Halbleiter-Laserdioden oder eine Bogenlampe als Pumplichtquelle in einem Festkörperlaser ausgebildet ist und weitere, insbesondere elektrische und/oder optische Komponenten des Festkörperlasers durch das Kühlmedium gekühlt werden.Laser arrangement according to Claim 1 or 2, characterized in that at least one array of semiconductor laser diodes or an arc lamp as Pump light source in a solid-state laser is formed and further, in particular electrical and / or optical Components of the solid-state laser through the cooling medium chilled become. Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des optischen Pfades des Pumplichts und/oder des emittierten Laserlichts durch das Kühlmedium führt.Laser arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that at least part of the optical path of the pump light and / or the emitted laser light passes through the cooling medium. Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht mit wenigstens einer Substanz aus einer der folgenden chemischen Stoffklassen hergestellt worden ist: Silane, Fluorsilane, Alkylthiole, difunktionelle organische Disulfide, Ethylendiamine, Phthalocyanine, Stickstoffheterozyklen.Laser arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the Protective layer has been prepared with at least one substance from one of the following chemical classes: silanes, fluorosilanes, alkylthiols, difunctional organic disulfides, ethylene diamines, phthalocyanines, nitrogen heterocycles. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht mit 6-Mercapto-1-Hexanol hergestellt worden ist.Laser arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the protective layer with 6-mercapto-1-hexanol has been produced. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht mit Dimethylamin hergestellt worden ist.Laser arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the protective layer with dimethylamine has been produced. Verfahren zur Herstellung eines Korrosionsschutzes der Komponenten einer Laseranordnung, die wahlweise ein Array aus Halbleiter-Laserdioden oder eine Bogenlampe umfasst, die an einem Kühlkreislauf angeordnet sind, welcher von einem flüssigen Kühlmedium zur Wärmeabfuhr durchströmt wird, durch Vorsehen einer Schutzschicht durch Spülen des Kühlkreislaufs mit einer Lösung einer Substanz zur Ausbildung einer Schutzschicht wie in einem der vorhergehenden Ansprüche angegeben.Method for producing a corrosion protection the components of a laser array, which optionally consists of an array Semiconductor laser diodes or an arc lamp, which is connected to a Cooling circuit are arranged, which of a liquid cooling medium for heat dissipation flows through by providing a protective layer by rinsing the Cooling circuit with a solution a substance for forming a protective layer as in any one of the preceding claims specified.
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