DE19939774C2 - Festkörperlaser (Scheibenlaser) mit direktem Kontakt des aktiven Mediums zu einer Kühlmittelflüssigkeit - Google Patents

Festkörperlaser (Scheibenlaser) mit direktem Kontakt des aktiven Mediums zu einer Kühlmittelflüssigkeit

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörperlaser mit einer Kristallscheibe als aktives Medium, die zur Kühlung mit einer in einer Kühlkammer befindlichen Kühlmittelflüssigkeit in direktem thermischen Kontakt steht.
Ein solcher Festkörperlaser ist beispielsweise aus der US-Patentschrift 5,553,088 A bekannt. Laseraktives Basiselement eines solchen Festkörperlasers, der in der Literatur auch als Scheibenlaser bezeichnet wird, ist eine dünne, nur wenige Zehntelmillimeter bis wenige Millimeter dicke und typisch einen Durch­ messer im Größenordnungsbereich von etwa 10 mm aufweisende Kristallscheibe, die auf einem massiven aus Kupfer bestehenden Kühlkörper angeordnet und auf ihrer dem Kühlkörper zugewandten Oberfläche mit einer reflektierenden Schicht versehen ist. Zur Verbindung der Kristallscheibe mit den Kühlkörper wird eine wei­ che Zwischenschicht, beispielsweise Indium (In), eingesetzt, die die thermischen Verformungen des Kristalls im Laserbetrieb aufnehmen kann. Die in der Kristall­ scheibe entstehende Wärme fließt über die duktile Zwischenschicht in den massi­ ven Kühlkörper. Dieser wird von einer Kühlmittelflüssigkeit, in der Regel Wasser, durchströmt, wodurch die Wärme abtransportiert wird.
Der bekannte Aufbau weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. Durch die Ver­ wendung einer duktilen Zwischenschicht zwischen dem Kühlkörper und der Kris­ tallscheibe wird der Wärmeübergangswiderstand auch bei idealem großflächigen Kontakt erhöht. Der Wärmeübergangswiderstand hängt außerdem empfindlich von der Qualität des Kontaktes zwischen der Kristallscheibe und dem Kühlkörper ab, so daß ein hoher fertigungstechnischer Aufwand betrieben werden muß, um eine ausreichende Reproduzierbarkeit des thermischen Kontaktes zu erzielen. Darüber hinaus läßt sich im Betrieb bei zu starken, thermisch verursachten Ver­ formungen der Kristallscheibe nicht vermeiden, daß der Kühlkontakt teilweise abreißen kann, so daß in diesen Zonen eine deutliche Verschlechterung der Wär­ meabfuhr auftritt.
Die vorgenannten Nachteile könnten nun dadurch vermieden werden, wenn zwi­ schen dem Kühlmittel und der Kristallscheibe ein direkter thermischer Kontakt be­ stehen würde, wie er beispielsweise bei der aus der DE 197 34 484 A1 bekannten Kühlanordnung für eine Laserdiode bekannt ist. Bei dieser bekannten Kühlanord­ nung ist eine Laserdiode auf einem Kühlkörper angeordnet, der mit einem Kühl­ kanal für ein flüssiges Kühlmittel versehen ist. Die Laserdiode ist über einer Öff­ nung des Kühlkanals angebracht, so daß sie in direktem thermischem Kontakt mit dem Kühlmittel steht. Auf diese Weise ist auch bei eventuellen thermischen Ver­ formungen ein guter thermischer Kontakt sichergestellt.
Darüber hinaus ist es aus IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 34, No. 6, 1998, S. 1046-1053 bekannt, die Laserstäbe eines Festkörperlasers durch unmit­ telbaren Kontakt mit Kühlwasser zu kühlen.
Eine derartige direkte Kühlung ist jedoch mit der zerbrechlichen dünnen Kristall­ scheibe eines Scheibenlasers nicht ohne weiteres möglich.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Festkörperlaser anzugeben mit einer Kristallscheibe als aktives Medium, bei dem die Kühlung gegenüber be­ kannten Scheibenlasern verbessert ist.
Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Da die Kristallscheibe gemäß der Erfindung ein Wandele­ ment einer die Kühlmittelflüssigkeit aufnehmenden Kühlkammer bildet und somit eine ihrer Flachseiten unmittelbar in thermischem Kontakt mit der Kühlmittelflüs­ sigkeit steht, ist ein minimaler Wärmeübergangswiderstand gewährleistet, der auch durch die Verformung der Kristallscheibe nicht beeinflußt wird, da die Kühl­ mittelflüssigkeit die Kristallscheibe unabhängig von deren Form berührt, so daß ein Kühlabriß nicht stattfinden kann. Außerdem ist eine hohe Reproduzierbarkeit des niedrigen Wärmeübergangswiderstandes fertigungstechnisch einfach reali­ sierbar.
Die Kühlung durch unmittelbaren thermischen Kontakt mit der Kühlmittelflüssigkeit ist möglich, da auf der der Kühlkammer abgewandten Seite der Kristallscheibe ein optisch transparenter Stützkörper angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird eine Verformung der Kristallscheibe vermieden, die durch eine Druckdifferenz verursacht wird, die zwischen der Kühlkammer und dem Außenraum aufgrund des Drucks der Kühlmittelflüssigkeit entsteht. Ebenso werden Schwingungen der Kris­ tallscheibe unterdrückt und insbesondere bei direkt auf die Kristallscheibe zuströ­ menden Kühlmittel deren Zerbrechen bei zu hohem Flüssigkeitsdruck vermieden. Die Verwendung eines Stützkörpers ist insbesondere bei sehr geringer Dicke der Kristallscheiben, beispielsweise kleiner als 300 µm, von Vorteil, wie sie in Hoch­ leistungslasern eingesetzt werden.
Da außerdem die Kristallscheibe an ihrer der Kühlkammer zugewandten, in unmit­ telbarem thermischen Kontakt mit der Kühlmittelflüssigkeit stehenden Flachseite mit einer gegen mechanische und chemische Angriffe durch die Kühlmittelflüssig­ keit widerstandsfähigen Schutzschicht versehen ist, ist eine hohe Betriebsdauer der Kristallscheibe gewährleistet.
Vorzugsweise besteht die die Oberfläche der Kristallscheibe bildende Schutz­ schicht aus Metall, insbesondere Gold (Au). Da eine beispielsweise aufgedampfte Goldschicht als abschließende Schicht auf der Reflexionsschicht der Kristallschei­ be sehr gut haftet, ist sowohl eine hohe mechanische als auch eine hohe chemi­ sche Stabilität gegen die Kühlmittelflüssigkeit gewährleistet.
Insbesondere besteht die Schutzschicht aus einem dielektrischen Werkstoff, ins­ besondere Siliziumdioxid (SiO2). Durch die Maßnahme wird die mechanische Sta­ bilität weiter erhöht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Stützkörper scheibenförmig und mit einer seiner Flachseiten kraftschlüssig mit der Kristallscheibe verbunden. Durch die flächige Verbindung wird eine besonders gleichmäßige Abstützung der Kri­ stallscheibe erzielt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kristallscheibe an den Stützkörper gepreßt. Eine solche mechanische Preßverbindung läßt sich fertigungstechnisch besonders einfach realisieren und ermöglicht auch eine De­ montage von Kristallscheibe und Stützkörper.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Stützkörper unlösbar mit der Kristallscheibe verbunden. Durch diese Maßnahme kann ein be­ sonders guter Kontakt zwischen Stützkörper und Kristallscheibe sichergestellt werden.
Der Stützkörper besteht vorzugsweise aus undotiertem YAG oder aus Saphir, die vorzugsweise durch ein Diffusionsbondverfahren mit der Kristallscheibe verbun­ den sind, und auf diese Weise eine besonders stabile Verbindung zwischen Kri­ stallscheibe und Stützkörper ermöglichen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen. Es zei­ gen:
Fig. 1 einen Festkörperlaser mit einer direkt gekühlten Kristallscheibe in einer schematischen Prinzipdarstellung,
Fig. 2 eine technisch praktikable Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Festkörperlasers in einem schematischen Querschnitt.
Gemäß Fig. 1 ist eine als laseraktives Medium verwendete Kristallscheibe 2 in die Wand 3 einer Kühlkammer 4 eingesetzt und bildet ein die Kühlkammer 4 begren­ zendes Wandelement. In die im Ausführungsbeispiel hohlzylindrische Kühlkam­ mer 4 ist hierzu am Innenumfang eine Nut 6 angeordnet, in die die Kristallschei­ be 2 eingesetzt ist.
In der Kühlkammer 4 befindet sich Kühlmittelflüssigkeit 8, das im Beispiel von ei­ nem internen Kühlkanal 10 geführt ist und die Kristallscheibe 2 unmittelbar an­ strömt, von dieser umgelenkt und in einem Ringkanal 12 abgeführt wird.
Die Kristallscheibe 2 ist an ihrer der Kühlkammer 4 zugewandten Flachseite 13 mit einer hochreflektierenden, in der Regel mehrschichtigen Spiegelschicht 14 versehen, auf der eine Schutzschicht 16, beispielsweise Gold (Au) oder Silizium­ dioxid (SiO2), aufgebracht ist, wobei die optischen Eigenschaften der Schutz­ schicht 16 die reflektierenden Eigenschaften der Spiegelschicht 14 zusätzlich ver­ bessern können. Mit anderen Worten: Die Schutzschicht 16 kann auch die die Oberfläche bildende letzte Schicht der mehrschichtigen Spiegelschicht 14 sein.
Die Schutzschicht 16 ist einerseits mechanisch hinreichend stabil, um nicht durch die anströmende Kühlmittelflüssigkeit 8, in der Regel Wasser, abgelöst werden zu können. Andererseits schützt die Schutzschicht 16 die darunterliegende Spiegel­ schicht vor einem chemischen Angriff durch die Kühlmittelflüssigkeit 8.
Um eine ausreichende Dichtigkeit der Kühlkammer 4 nach außen zu erreichen, können zusätzlich Dichtmittel 17, beispielsweise ein elastischer Dichtring, vorge­ sehen sein, die zusätzlich zu einen Preßsitz der Kristallscheibe in den Nuten 6 führen. Hierzu ist im Beispiel ein Ringflansch 18 vorgesehen, der gegen die Stirn­ fläche der Wand 3 verspannt wird, wobei Stirnfläche und Wand jeweils Ausneh­ mungen aufweisen, die im zusammengefügten Zustand die Nut 6 bilden.
An ihrer der Kühlkammer 4 abgewandten Flachseite 19 ist die Kristallscheibe 2 mit einer antireflektierenden Schicht 19 versehen. Im Ausführungsbeispiel wird die Kristallscheibe 2 longitudinal gepumpt, d. h. das Pumplicht wird auf der Flachseite der Kristallscheibe 2 eingekoppelt, aus der der Laserstrahl L austritt.
Gemäß Fig. 2 ist auf der der Kühlkammer 4 abgewandten Flachseite der Kristall­ scheibe 2 ein optisch transparenter Stützkörper 20 angeordnet, der an seiner von der Kühlkammer 4 abgewandten Oberfläche mit einer antireflektierenden, hoch­ transparenten Schicht 22 versehen ist. Der Stützkörper 20 ist ebenso wie die Kris­ tallscheibe 2 scheibenförmig, so daß zwischen Kristallscheibe 2 und Stützkör­ per 20 eine flächige Verbindung entsteht. Diese kann durch eine Preßverbindung zwischen Kristallscheibe 2 und Stützkörper 20, beispielsweise durch Einspannen in die Nut 6 mit Hilfe des Ringflansches 18 herbeigeführt werden. Vorzugsweise ist jedoch eine unlösbare Bondverbindung vorgesehen, wobei insbesondere eine Verbindung durch ein Diffusionsbondverfahren vorteilhaft ist. Beim Diffusions­ bondverfahren werden die zu verbindenden Teile sehr gut poliert, aneinander­ gepreßt und dann auf eine Temperatur knapp unterhalb des Schmelzpunktes ge­ bracht. Dann setzt ein Ionenaustausch durch die Grenzfläche ein (Diffusion), so daß eine feste Verbindung mit hoher optischer Qualität entsteht. Dieses Verfahren wird beispielsweise von der Firma ONYX OPTICS, 6551 Sierra Leone, Dublin, Cali­ fornia 94568, durchgeführt.
Für die Herbeiführung einer ausreichenden mechanischen Stabilität reicht eine Dicke des Stützkörpers 20 im Millimeterbereich aus. Als Werkstoff ist insbesonde­ re Saphir und undotiertes YAG geeignet. Diese haben neben hervorragenden optischen Eigenschaften auch noch den Vorteil, daß sich ihre Ausdehnungskoeffi­ zienten nur geringfügig vom Ausdehnungskoeffizienten der Kristallscheibe 2 un­ terscheiden.
Wird die Kristallscheibe 2 nur mechanisch an den Stützkörper 20 angepreßt, so kann zusätzlich zwischen Kristallscheibe 2 und Stützkörper 20 eine reflexionsmin­ dernde Grenzschicht eingebracht werden. Diese entfällt, wenn Kristallscheibe 2 und Stützkörper 20 durch ein Diffusionsbondverfahren unmittelbar miteinander verbunden werden.
Bezugszeichenliste
2
Kristallscheibe
3
Wand
4
Kühlkammer
6
Nut
8
Kühlmittelflüssigkeit
10
Kühlkanal
12
Ringkanal
13
Flachseite
14
Spiegelschicht
16
Schutzschicht
17
Dichtmittel
18
Ringflansch
19
antireflektierende Schicht
20
Stützkörper
22
antireflektierende Schicht

Claims (9)

1. Festkörperlaser mit einer Kristallscheibe (2) als aktives Medium und einer eine Kühlmittelflüssigkeit (8) aufnehmenden Kühlkammer (4), wobei die Kristall­ scheibe (2) ein Wandelement der Kühlkammer (4) bildet und an ihrer der Kühlkammer (4) zugewandten, in unmittelbarem thermischen Kontakt mit der Kühlmittelflüssigkeit stehenden Flachseite (13) mit einer gegen mechanische und chemische Angriffe durch die Kühlmittelflüssigkeit (8) widerstandsfähigen Schutzschicht (16) versehen ist, wobei auf der der Kühlkammer (4) abge­ wandten Seite der Kristallscheibe (2) ein optisch transparenter Stützkör­ per (20) angeordnet ist.
2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, bei dem der Stützkörper (20) scheibenför­ mig ist und mit einer seiner Flachseiten kraftschlüssig mit der Kristallschei­ be (2) verbunden ist.
3. Festkörperlaser nach Anspruch 2, bei dem die Kristallscheibe (2) an den Stützkörper (20) gepreßt ist.
4. Festkörperlaser nach Anspruch 2, bei dem der Stützkörper (20) unlösbar mit der Kristallscheibe (2) verbunden ist.
5. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Stützkör­ per (20) aus undotiertem YAG besteht.
6. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Stützkör­ per (20) aus Saphir besteht.
7. Festkörperlaser nach Anspruch 5 oder 6, bei dem der Stützkörper (20) mit der Kristallscheibe (2) durch ein Diffusionsbondverfahren verbunden ist.
8. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Schutz­ schicht (16) aus Gold (Au) besteht.
9. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Schutz­ schicht (16) aus Siliziumdioxid (SiO2) besteht.
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