DE10354357A1

DE10354357A1 - Kühlmedium für Laser

Info

Publication number: DE10354357A1
Application number: DE2003154357
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. Amler; Josef Dr. Thumbs
Original assignee: Photon Energy AWL GmbH
Current assignee: Photon Energy AWL GmbH
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2003-11-20
Publication date: 2005-06-30

Abstract

Ein Kühlmedium für eine Laseranordnung, deren Wärme von dem in einem Kühlkreislauf geführten Kühlmedium abgeführt wird, besteht aus einem flüssigen Medium, das mindestens einen darin löslichen Zusatzstoff enthält, welcher die mit dem Kühlmedium in Kontakt kommenden Oberflächen des Kühlkreislaufs mit einer anorganischen oder organischen Schutzschicht überzieht. Das Kühlmedium wird in einem Verfahren zum Betreiben der Laseranordnung eingesetzt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Kühlmedium für eine Laseranordnung, deren optische bzw. elektrischen Komponenten über Kühlelemente, die von dem Kühlmedium durchströmt werden, oder durch unmittelbaren Kontakt mit dem Kühlmedium gekühlt werden, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Laseranordnung.

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.

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.

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.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlmedium für eine Laseranordnung, welches korrosionshemmend auf diejenigen Komponenten wirkt, die mit dem Kühlmedium in Kontakt stehen, sowie ein Verfahren zum Betreiben der Laseranordnung vorzusehen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen 1 bzw. 7 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Ein erfindungsgemäßes Kühlmedium dient zur Kühlung wenigstens eines Arrays aus Halbleiter-Laserdioden oder einer Bogenlampe, vorzugsweise als Pumplichtquellen, die direkt oder indirekt vom Kühlmedium gekühlt werden. Diese Lichtquellen können auf einem oder mehreren Kühlelementen aus einem gut wärmeleitfähigen Material, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium, angeordnet sein. Zur Wärmeabfuhr werden diese Kühlelemente in einem Kühlkreislauf von dem Kühlmedium durchströmt. Erfindungsgemäß besteht das Kühlmedium aus einem flüssigen Medium, das mindestens einen darin gelösten Zusatzstoff enthält, welcher die mit dem Kühlmedium in Kontakt kommenden Oberflächen des Kühlkreislaufs mit einer anorganischen oder organischen Schutzschicht überzieht. Dieser Zusatzstoff weist die folgenden Merkmale auf:

– passivierende Wirkung auf die Oberfläche
– geringe Leitfähigkeit
– geringe optische Absorption.

Das flüssige Medium selbst besteht vorzugsweise aus möglichst reinem und entionisiertem Wasser, kann aber auch aus einer nichtwässrigen Flüssigkeit oder Mischungen daraus bestehen. Zum Beispiel kann dem Wasser Ethanol zugesetzt sein.
Das erfindungsgemäße Kühlmedium ist auch in einem Festkörperlaser einsetzbar, dessen Pumplichtquelle wenigstens ein Array aus Halbleiter-Laserdioden aufweist oder eine Bogenlampe ist. Diese Pumplichtquelle sowie weitere elektrische bzw. 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.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Kühlmedium derart gewählt, dass es zumindest in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich eine sehr geringe optische Dämpfung aufweist, so dass mindestens ein Teil eines optischen Pfades durch das Kühlmedium geführt werden kann. So kann beispielsweise der optischen Pfad des Pumplichts oder auch der optischen Pfad des emittierten Laserlichts durch das Kühlmedium geführt sein. Weiterhin darf das Kühlmedium bzw. der Zusatzstoff unter der starken Lichteinwirkung keine unerwünschte Reaktion wie ein Ausflocken zeigen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Zusatzstoff aus einer der folgenden Stoffklassen ausgewählt: Silane, Fluorsilane, Alkylthiole, difunktionelle organische Disulfide, Ethylendiamine, Phthalocyanine, Stickstoffheterocyclen.
Besonders vorteilhaft als Zusatzstoff ist 6-Mercapto-1-Hexanol oder auch Dimethylamin.

Claims

Kühlmedium für eine Laseranordnung, deren Wärme von dem in einem Kühlkreislauf geführten Kühlmedium abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium aus einem flüssigen Medium besteht, das mindestens einen darin löslichen Zusatzstoff enthält, welcher die mit dem Kühlmedium in Kontakt kommenden Oberflächen des Kühlkreislaufs mit einer anorganischen oder organischen Schutzschicht überzieht, wobei der Zusatzstoff – eine passivierende Wirkung auf die Oberflächen ausübt, – eine geringe Leitfähigkeit aufweist und – eine geringe optische Absorption aufweist.
Kühlmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium auch in einem Festkörperlaser einsetzbar ist, wobei wenigstens ein Array aus Halbleiter-Laserdioden oder eine Bogenlampe als Pumplichtquelle ausgebildet ist und weitere, insbesondere elektrische und/oder optische Komponenten des Festkörperlasers durch das Kühlmedium gekühlt werden.
Kühlmedium nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium zumindest in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich eine sehr geringe Dämpfung aufweist, so dass mindestens ein Teil des optischen Pfades des Pumplichts und/oder des emittierten Laserlichts durch das Kühlmedium geführt werden kann.
Kühlmedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff wenigstens eine Substanz aus einer der folgenden chemischen Stoffklassen ist: Silane, Fluorsilane, Alkylthiole, difunktionelle organische Disulfide, Ethylendiamine, Phthalocyanine, Stickstoffheterocyclen.
Kühlmedium nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff 6-Mercapto-1-Hexanol ist.
Kühlmedium nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff Dimethylamin ist.
Verfahren zum Betreiben einer Laseranordnung mit wenigstens einem Array aus Halbleiter-Laserdioden, bei dem die Wärme des Arrays mit einem in einem Kühlkreislauf geführten Kühlmedium abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmedium einer der Ansprüche 1 bis 6 eingesetzt wird.