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Laserstab mit Kühlvorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein neues Verfahren und eine neuartige
Vorrichtung zur Wärmeableitung von einem Festkörper-Laserstab in einem Lasersystem
hoher durchschnittlicher Leistung.
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Bei bekannten Ausführungen von Lasersystemen wird der Lasers stab
in Abhängigkeit von der Betriebsleistung des Lasers durch einen an dem Stab vorbeigeführten
Luft- oder Wasser strom gekühlt, In Systemen hober Durcbsohnittsleistung wird sulr
Zwecke iner wirksamen Wäneableitung Wasser an dom Stab vorbeigepumpt. Bei einer
derartigen Waserkiihlung steht der Laserstab unmittelbar mit dem Wasser in Berührung
und es ergeben sich daher Abdichtungsprobleme innerhalb des Laserkop-See. Außerdem
erfordert die WasserkUhlung eine Wasserpumpe, eine Energiezufuhr zum Antrieb der
Pumpe, einen Wasserspeicher, eine Reinigungsvorrichtung flir das Wasser, einen Wasserkühler
und einen Lüfterflügel, mit dem Luft durch den kühler geblasen wird. Wenn das Gewicht
einen kritischen Baktor
darstellt, ist daher Waaserkuhlung nicht
angebracht.
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Die sich durch die Wasserabdichtung an dem Laserstab selbst ergebenden
Probleme ließen sich vermeiden, wenn der Laserstab unmittelbar mit einem Wärmeableiter
verlötet werden könnte. Der Wärmeableiter könnte dann seinerseits mit Eis rippen
versehen sein, durch welche ein Luftstrom geblasen wird, so daß kein Wasser benötigt
wird.
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Es ist Jedoch ganz allgemein unmöglich, einen Laserstab in einen Wärmeableiter
einzulöten, da sich das Lötmittel nicht mit dem Werkstoff des Laserstabes verbindet.
Zur Erzielung einer einwandfreien Wärmeableitung von dem Stab auf den Wärmeableiter
wird ein gopplungsmedium- hoher Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise ein Lötmittel
benötigt. Wenn zur Befestigung des Laserstabes innerhalb des Wärmeableitere irgendein
haftender Stoff verwendet wird, der im allgemeinen eine niedrigerere Wärmeleitfähigkeit
als Metall oder Lötmittel aufweist, ergibt sich ein niedrigerer Wirkungsgrad iür
die Wärmeableitung.
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In Anbetracht der vorstehend erwähnten Schwierigkeiten ist die Aufgabe
der Erfindung darin zu sehen, eine gfihlvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung
einer Ktihivorriohtung fUr einen Laserstab su schaffen, bei welchen es nicht erforderlich
ißt, daß sich der Laserstab in einer innigen Berührung mit Wasser befindet und trotsdem
auch bei einem Lasersystem hoher Durchschnitteleistung eine einwandfreie Wärmeableitung
erfolgt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, einen Teil des Laserstabes
mit einem metallischen Belag oder Überzug -zu versehen, der seinerseits leicht mit
einem Wärmeableiter verlötet werden kann.
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Das Verfahren zur Herstellung einer ICühlvorrichtung an einem Laserstab
ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Oberfläche
des Laserstabes mit einem metallischen Belag versehen und dann dieser Belag unmittelbar
mit einem Wärmeableiter verlötet wird. Zu diesem Zweck wird ein Teil der Oberfläche
des Laserstabes mit einer ein Metall enthaltenden Flüssigkeit bestrichen oder mit
dieser bedeckt. Das Metall kann in der Fltissigkeit gelöst sein oder sich in dieser
in Suspension befinden. Nachdem ein Teil des Laserstabes mit der Metallösung oder
-suspension bedeckt worden ist, wird der Stab erwärmt, wodurch die Fltissigkeit
oder das Lösungsmittel entfernt wird und ein metallischer Belag zurückbleibt. Der
metallische Belag kann dann unmittelbar mit dem Wärmeableiter verlötet werden, so
daß die Wärme einwandfrei abgeleitet werden kann, ohne daß der Laserstab unmittelbar
mit Wasser in Berührung kommt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen
näher erläutert, in denen Fig. 1 einen schaubildliche Darstellung eines Laserkopfes,
auf welchen das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung angewendet werden, im
zerlegten Zustand, und Fig, 2 einen stirnseitigen Aufriß der in Fige 1 dargestellten
Teile
im zusammengebauten Zustand zeigt.
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In Fig. 1 ist beispielsweise ein Iaserstab 10, der ein Rubinkristall
sein kann, dargestellt und mit einem Wärmeableiter 11 in der Form eines Kupferblockes
oder eines Blockes aus einem anderen Metall hoher Wärmeleitfähigkeit verbunden.
Eine Abdeckung 12, die eine geeignete Lichtquelle 13 und ein geeignetes Filter 14
aufweist, ist in einer solchen Weise ausgebildet, daß sie mit dem Wärmeableiter
11 verbunden werden kann. Diese Verbindung kann vermittels geeigneter Bolsenlöcher
15 und entsprechender Bolzen erfolgen, wie beispielsweise bei 16 dargestellt ist.
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Zur Befestigung des Laserstabes 10 entaprechend der Erfindung an dem
Wärmeableiter 11 ist wenigstens ein Teil der Oberfläche des Laserstabes, wie beispielsweise
der im eingebauten Zustand von der Lichtquelle 13 abgewandte halbzylindrische Oberflächenabschnitt
mit einem metallischen Belag 17 bedeckt.
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Dieser Belag wird dadurch erhalten, daß die Oberfläche mit einem metallischen
Anßtrich bestrichen oder die Oberfläche mit einer Metallösung oder einer Metallsuspension
bedeckt wird. Nachdem die Oberfläche auf diese Weise überzogen worden ist, wird
die Oberfläche erwärmt, um die Flttssigkeit oder das Lösungsmittel su verdampfen
oder zum Verschwinden zu bringen, so daß ein metallischer Belag zurtickbleibt. Dieser
VgyO fahrensschritt des Überziehens und Erwärmens kann mehrere Male wiederholt werden,
um einen Belag 17 gewUnschter Dicke zu erhalten, welche beispielsweise von 5 bis
zu 10 u betragen kann.
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Dann wird der metallische Belag 17 unmittelbar mit dem Wärmeableiter
11 verlötet, indem das in den Fig. 1 und 2 mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnete
Lötmittel den Zwischenraum zwischen dem metallischen Belag und einer in geeigneter
Weise ausgebildeten Ausnehmung innerhalb des Wärmeableiters ausfüllt. Die Dicke
des Lötmittels kann in der Größenordnung von 50/u liegen.
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Infolge der Ausbildung des metallischen Belages auf dem Laserstab
10 und infolge des neuartigen Verfahrens zur Aufbringung dieses Belages auf den
Laserstab läßt sich ein Lötmittel zur Befestigung des Isaserstabes innerhalb des
Wärmeableiters verwenden.
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Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, kann der Wärmeableiter 11
auch mit geeigneten Durchlässen oder Öffnungen 19 und 20 versehen sein, durch welche
Xuhlwasser durch den Kupferblock umgewälzt und der Block gekühlt werden kann.
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Andererseits können an dem Block auch (nicht dargestellte) Ktihirippen
auggebildet sein und ein Luftstrom kann durch die EUhlrippen geleitet werden, um
durch Konvektion und Strahlung Wärme von dem Wärmeableiter selbst abzuleiten.
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In Jedem Balie ergeben sich offensichtlich in der unmittelbaren Nachbarschaft
des Laserstabes selbet keine Abdichtungeprobleme, da zwischen dem Laserstab und
dem KUhIwasser keine unmittelbare Berührung besteht.
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Wenn der Laser in Betrieb ist, wird die Wärme unmittelbar durch den
metällischen Belag 17 und das Lötmittel 18 an den
Wärmeableiter
il abgegeben. Diese unmittelbare Wärmeableitung von dem Laserstab bewirkt auch bei
hoher Durchschnittsleistung des Lasers eine ausreichende Kühlung des Laserstabes.
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In praktischen Ausftibrungsbeispielen der Erfindung sind zur Erzielung
des metallischen Belages auf einem Oberflächenabschnitt des Laserstabes gold- ,
sowie silberhaltige Anstriche mit Erfolg verwendet worden. Es lassen sich jedoch
auch andere Metallanatriche verwenden.
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Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, sind durch die vorliegende
Erfindung eine neuartige Küblvorrichtung und ein überraschendee Verfahren sur Herstellung
derselben geschaffen worden, welche eine unmittelbare Wärmeableitung von dem Laserstab
selbst ermöglichen, ohne daß der Stab in eine unmittelbare Berührung mit Wasser
oder Kühlluft gebracht werden muß.
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- PtentanaprUohe: -