DE212012000230U1 - Attachment for an optical element of a laser - Google Patents
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Abstract
Flügelanordnung, umfassend: ein optisches Element (162) eines Lasers oder optischen Verstärkers, wobei das optische Element (162) von einem Fluidstrom gekühlt wird; eine Flügelplatte (160), welche eine Öffnung (160a) aufweist, wobei das optische Element (162) in der Öffnung (160a) befestigt ist; und einen Halter (170), welcher dazu eingerichtet ist, zwischen das optische Element (162) und die Flügelplatte (160) zu passen, um eine Druckkraft an dem Rand (162a) des optischen Elements (162) bereitzustellen, um das optische Element (162) in der Öffnung (160a) zu halten.A wing assembly comprising: an optical element (162) of a laser or optical amplifier, wherein the optical element (162) is cooled by a fluid stream; a wing plate (160) having an opening (160a), the optical element (162) being fixed in the opening (160a); and a retainer (170) adapted to fit between the optical element (162) and the wing plate (160) to provide a compressive force on the edge (162a) of the optical element (162) to guide the optical element (16). 162) in the opening (160a).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft das Befestigen eines optischen Elements, wie etwa eines Verstärkungsmediums in einem Laser, optischen Verstärker und anderen Arten optischer Systeme. Die Befestigung kann zum Kühlen des optischen Elements mittels eines Gas- oder flüssigen Stroms eingerichtet sein, wie etwa in einem mit tiefkaltem Gas gekühlten Laserverstärker. Das optische Element kann ein Element sein, dass sich im Betrieb erwärmt, wie etwa ein Medium zur optischen Verstärkung.The present invention relates to attaching an optical element, such as a gain medium in a laser, optical amplifiers, and other types of optical systems. The fixture may be configured to cool the optical element by means of a gas or liquid stream, such as in a cryogenic gas cooled laser amplifier. The optical element may be an element that heats in operation, such as an optical amplification medium.
Stand der TechnikState of the art
Laser mit hoher Ausgabeleistung werden für eine Reihe von Anwendungen, wie etwa Materialverarbeitung, Teilchenbeschleunigung, militärischen Anwendungen und laserinduzierte Fusion zur Energiegewinnung benötigt. Für diese Anwendungen werden Laser dazu benötigt, hochenergetische Pulse mit hoher Wiederholungsgeschwindigkeit bereitzustellen. Eine der Herausforderungen, die mit dem Erhalten von stabiler und zuverlässiger Pulserzeugung verbundenen sind, besteht darin, die in optischen Elementen des Lasers erzeugte Wärme zu handhaben. Aufheizen kann in einer Vielzahl von Komponenten, wie etwa Medien zur optischen Verstärkung, Pockels-Zellen, Faraday-Isolatoren, Frequenzkonversionsstufen, wo ein gewisser Grad an optischer Absorption auftritt, und vielen anderen Komponenten, in denen absorbierte Energie in Wärme umgewandelt wird, auftreten. Herkömmliche Laser, die hochenergetische Pulse erzeugen, verwenden Stäbe mit Wasserkühlung oder Platten ohne aktive Kühlung als Verstärkungsmedium. Die Pulsenergie oder/und die Pulswiederholungsgeschwindigkeit, die von solchen Lasern bereitgestellt wird, ist für laserinduzierte Fusion und andere Anwendungen, wie etwa lasergetriebene Teilchenbeschleuniger, nicht hoch genug.High output lasers are needed for a variety of applications, such as material processing, particle acceleration, military applications, and laser-induced fusion for power generation. For these applications, lasers are needed to provide high energy repetitive rate pulses. One of the challenges associated with obtaining stable and reliable pulse generation is to handle the heat generated in optical elements of the laser. Heating may occur in a variety of components, such as optical amplification media, Pockels cells, Faraday isolators, frequency conversion stages where some degree of optical absorption occurs, and many other components in which absorbed energy is converted to heat. Conventional lasers that generate high energy pulses use water cooled or non-cooling plates as the gain medium. The pulse energy and / or the pulse repetition rate provided by such lasers is not high enough for laser-induced fusion and other applications, such as laser-driven particle accelerators.
Wärmemanagement bei Medien zur optischen Verstärkung, die als Platten angeordnet sind, wurde im Rahmen eines Vertrags der US-Abteilung für Energie untersucht, wobei die Ergebnisse von diesem veröffentlicht wurden als
Ein späteres Projekt, bekannt als der Mercury-Laser (Mercurius-Laser), ist beschrieben in
Schmale Spalte
Wie in
Es bringt gewisse Vorteile mit sich, das Kühlsystem bei niedrigeren Temperaturen und höheren Drücken als diejenigen, die in dem Mercury-Laser-Projekt verwendet wurden, zu betreiben. Der vergrößerte Temperaturbereich und höhere Druck stellen höhere Anforderungen an die Systemgestaltung, damit übermäßige Vibrationen der Platten aus Verstärkungsmedium verhindert und Unterbrechungen der Gasströmung vermieden werden. Das Befestigungsverfahren sollte das Medium zur optischen Verstärkung sogar beim Kühlen von Raumtemperatur auf Tieftemperaturen fest halten und thermisch induzierte Spannung an der Platte aufgrund der thermischen Ausdehnungsunterschiede zwischen der Flügelplatte und dem Medium zur optischen Verstärkung während einer solchen Kühlung minimieren. Ferner wird ein vibrationsfreies Verfahren zum Befestigen optischer Elemente, die kein Verstärkungsmedium sind, in anderen Bereichen als Flügelplatten benötigt, das über große Temperaturbereiche hinweg stabil ist.There are certain advantages to operating the cooling system at lower temperatures and higher pressures than those used in the Mercury laser project. The increased temperature range and higher pressure place more demands on system design to prevent excessive vibration of the gain medium plates and to avoid gas flow interruptions. The attachment method should hold the optical amplification medium at cryogenic temperatures even from room temperature cooling and minimize thermally induced stress on the panel due to the thermal expansion differences between the wing panel and the optical amplification medium during such cooling. Further, a vibration-free method of attaching optical elements that are not gain medium is required in areas other than wing plates, which is stable over wide temperature ranges.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die vorliegende Erfindung stellt eine Flügelanordnung bereit, umfassend ein optisches Element eines Lasers oder optischen Verstärkers, wobei das optische Element von einem Fluidstrom gekühlt wird; eine Flügelplatte, welche eine Öffnung aufweist, wobei das optische Element in der Öffnung befestigt ist; und einen Halter, welcher dazu eingerichtet ist, zwischen das optische Element und die Flügelplatte zu passen, um eine Druckkraft an dem Rand des optischen Elements bereitzustellen, damit das optische Element in der Öffnung hält. Diese Anordnung bewirkt das Randklemmen des optischen Elements, was Verdunkelungen des optischen Elements vermeidet. Das Randklemmen bietet außerdem eine gleichförmige zusammendrückende Klemmkraft um den Rand des optischen Elements, so dass Wellenfrontstörungen, wie sie durch das Flächenklemmen verursacht werden können, minimiert werden. Mit Rand des optischen Elements wird die Fläche gemeint, die keine optische Fläche ist. Diese Fläche befindet sich normalerweise um den Umfang herum und senkrecht zu der optischen Fläche. Beispielsweise ist der Rand bei einem kreisscheibenförmigen optischen Element eine gekrümmte Fläche. Ferner ist der Halter der vorliegenden Erfindung zum Betrieb bei Raumtemperatur bis runter auf Tieftemperaturen eingerichtet, weil die Druckkraft Kontraktions- oder Ausdehnungsunterschiede zwischen der Flügelplatte und dem optischen Element ermöglicht. Insbesondere kann sich das optische Element beim Abkühlen mehr zusammenziehen als die Öffnung in der Flügelplatte und dadurch locker werden – jedoch stellt der Halter die das optische Element in Position haltende Druckkraft weiterhin bereit. In Abhängigkeit von den verwendeten Materialien kann sich das optische Element weniger zusammenziehen als die Öffnung in der Flügelplatte und bruchgefährdet sein, jedoch wird der Halter, der vorzugsweise elastisch ist, die Spannung aufnehmen, während er weiter ausreichend Druckkraft ausübt, die das optische Element in Position hält. Der Halter der vorliegenden Erfindung ist zudem derart eingerichtet, dass das optische Element durch das Entfernen des Halters entfernt werden kann.The present invention provides a vane assembly comprising an optical element of a laser or optical amplifier, wherein the optical element is cooled by a fluid stream; a wing plate having an opening, the optical element being fixed in the opening; and a holder configured to fit between the optical element and the wing plate to provide a compressive force on the edge of the optical element to hold the optical element in the opening. This arrangement causes edge-locking of the optical element, which avoids darkening of the optical element. The edge clamp also provides a uniform compressive clamping force around the edge of the optical element so that wavefront perturbations, such as those caused by surface clamping, are minimized. By edge of the optical element is meant the surface which is not an optical surface. This surface is normally around the circumference and perpendicular to the optical surface. For example, in the case of a circular disk-shaped optical element, the edge is a curved surface. Further, the holder of the present invention is adapted to operate at room temperature down to cryogenic temperatures because the compressive force allows for contraction or expansion differences between the wing plate and the optical element. In particular, upon cooling, the optical element may contract more than the opening in the wing panel and thereby become loose - however, the holder will continue to provide the compressive force holding the optical element in position. Depending on the materials used, the optical element may contract less than the aperture in the wing plate and be prone to breakage, however, the retainer, which is preferably elastic, will absorb the stress while still exerting sufficient compressive force to position the optical element holds. The holder of the present invention is also arranged such that the optical element can be removed by removing the holder.
Der Halter kann zwischen einen Außenrand des optischen Elements und einen Innenrand der Öffnung passen, wobei der Halter dazu eingerichtet ist, die Druckkraft auf den Rand des optischen Elements bereitzustellen. Eine entsprechende Druckkraft kann auch gegen die Flügelplatte auf den Rand der Öffnung ausgeübt werden.The holder may fit between an outer edge of the optical element and an inner edge of the opening, wherein the holder is adapted to provide the pressing force on the edge of the optical element. A corresponding pressure force can also be exerted against the wing plate on the edge of the opening.
Der Halter kann ein elastisches Element oder ein Federelement umfassen. Die Druckkraft kann im Wesentlichen gleichförmig um den Rand des optischen Elements herum bereitgestellt sein.The holder may comprise an elastic element or a spring element. The compressive force may be provided substantially uniformly around the edge of the optical element.
Der Rand der Öffnung in der Flügelplatte kann eine Nut zum Platzieren des Halters aufweisen. Der Rand des optischen Elements kann eine Nut zum Platzieren des Halters aufweisen. Die Nuten bieten den Vorteil des Ausrichtens des optischen Elements in der Flügelplatte, wie etwa zentral über die Dicke der Flügelplatte. The edge of the opening in the wing plate may have a groove for placing the holder. The edge of the optical element may have a groove for placing the holder. The grooves offer the advantage of aligning the optical element in the wing panel, such as centrally across the thickness of the wing panel.
Der Halter kann sich im Wesentlichen vollständig um den Außenrand des optischen Elements herum erstrecken. Der Halter ist derart geformt, dass er mit dem Umfang des optischen Elements übereinstimmt, aber kann kleinere Abmessungen aufweisen.The holder may extend substantially completely around the outer edge of the optical element. The holder is shaped to match the circumference of the optical element, but may be smaller in size.
Der Halter kann einen c-förmigen Querschnitt aufweisen. Der Halter kann eine Form aufweisen, die derjenigen des Umfangs des optischen Elements entspricht, wobei der Halter einen kleineren Durchmesser als das optische Element aufweist, um dadurch die Druckkraft bereitzustellen. Der Halter kann quer zu seiner Länge gespalten oder eingeschnitten sein.The holder may have a c-shaped cross section. The holder may have a shape corresponding to that of the periphery of the optical element, wherein the holder has a smaller diameter than the optical element, thereby providing the pressing force. The holder may be split or cut across its length.
Der Halter kann eine Zugfeder sein. Die Zugfeder kann als eine Schlaufe ausgebildet sein, so dass sie endlos ist. Die Zugfeder kann eine Form aufweisen, die derjenigen des Rands des optischen Elements entspricht, wobei der Halter einen kleineren Durchmesser als das optische Element aufweist, um dadurch die Druckkraft bereitzustellen.The holder may be a tension spring. The tension spring may be formed as a loop, so that it is endless. The tension spring may have a shape corresponding to that of the edge of the optical element, wherein the holder has a smaller diameter than the optical element, thereby providing the pressing force.
Der Halter kann ein Reif sein, der eine Mehrzahl von gefederten Kontaktfingern aufweist. Der Reif kann eine Rückplatte umfassen. In der Anordnung kann der Reif derart angeordnet sein, dass die Federfinger in Kontakt mit dem optischen Element stehen.The holder may be a hoop having a plurality of spring-loaded contact fingers. The hoop may comprise a back plate. In the arrangement, the hoop may be arranged such that the spring fingers are in contact with the optical element.
Die Flügelanordnung kann ferner einen oder zwei Halteringe umfassen, die lösbar mit der Flügelplatte gekoppelt sind, um den Halter in der Öffnung der Flügelplatte zu halten. Der eine oder beide Halteringe können einen internen Durchmesser aufweisen, der wenigstens so groß wie der Innendurchmesser des Halters, aber kleiner als der Außendurchmesser des Halters ist.The wing assembly may further include one or two retaining rings releasably coupled to the wing plate to retain the retainer in the opening of the wing plate. The one or both retaining rings may have an internal diameter at least as large as the inner diameter of the holder but smaller than the outer diameter of the holder.
Das optische Element und die Flügelplatte können im Wesentlichen die gleiche Dicke aufweisen. Dies verhindert, dass der Kühlmittelstrom über die Flügelplatte und das optische Element gestört wird, was Vibrationen verursachen kann.The optical element and the wing plate may have substantially the same thickness. This prevents the coolant flow from being disturbed via the wing plate and the optical element, which can cause vibrations.
Das optische Element kann Medium zur optischen Verstärkung sein, wie etwa Yb:YAG, Nd:YAG oder ein anderes Festkörperlasermedium, das für optisches Pumpen geeignet ist.The optical element may be optical amplification medium such as Yb: YAG, Nd: YAG or other solid state laser medium suitable for optical pumping.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem eine Flügelplatte zum Befestigen eines optischen Elements eines Lasers oder optischen Verstärkers zum Kühlen mittels eines Fluidstroms bereit, wobei die Flügelplatte eine Öffnung zum Aufnehmen des optischen Elements aufweist, wobei die Flügelplatte eine Nut in dem Rand der Öffnung zum Aufnehmen eines Halters zum Halten des optischen Elements in der Öffnung aufweist.The present invention also provides a wing plate for mounting an optical element of a laser or optical amplifier for cooling by means of a fluid flow, the wing plate having an opening for receiving the optical element, the wing plate having a groove in the edge of the opening for receiving a holder for holding the optical element in the opening.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner einen Laser oder optischen Verstärker bereit, der die oben beschriebene Flügelanordnung oder Flügelplatte umfasst. Das optische Element des Lasers oder optischen Verstärkers kann ein Medium zur optischen Verstärkung sein. Ein Pumpstrahl kann auf das Medium zur optischen Verstärkung auftreffen. Der Pumpstrahl oder/und Ausgabestrahl kann quer zu der Ebene der Flügelanordnung verlaufen. Der Pumpstrahl oder/und Ausgabestrahl kann durch einen kühlenden Fluidstrom laufen.The present invention further provides a laser or optical amplifier comprising the wing assembly or wing plate described above. The optical element of the laser or optical amplifier may be an optical amplification medium. A pump beam may strike the optical amplification medium. The pump beam and / or output beam may be transverse to the plane of the wing assembly. The pump jet and / or output jet can pass through a cooling fluid stream.
Der Laser oder optische Verstärker kann ein mit tiefkaltem Gas gekühlter Laserverstärker sein.The laser or optical amplifier may be a deep-cooled gas-cooled laser amplifier.
Obwohl die obigen Ausführungsformen das optische Element in einer Flügelplatte befestigen, um eine Flügelanordnung zu bilden, verwenden andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entsprechende Verfahren, um das optische Element in Befestigungen, die keine Flügelplatte sind, zu befestigen. In dieser Hinsicht stellt die vorliegende Erfindung eine optische Anordnung bereit, umfassend: ein optisches Element; eine Befestigung, die eine Öffnung aufweist, wobei das optische Element in der Öffnung befestigt ist; und einen Halter, der dazu eingerichtet ist, um den Rand des optischen Elements herum zwischen das optische Element und die Befestigung zu passen, um eine Druckkraft auf den Rand des optischen Elements bereitzustellen, damit das optische Element in der Öffnung hält.Although the above embodiments mount the optical element in a wing panel to form a wing assembly, other embodiments of the present invention use corresponding methods to secure the optical element into non-wing panel fasteners. In this regard, the present invention provides an optical assembly comprising: an optical element; a fastener having an opening, the optical element being fixed in the opening; and a holder configured to fit around the edge of the optical element between the optical element and the fixture to provide a compressive force on the edge of the optical element to hold the optical element in the aperture.
Der Halter kann ein elastisches Element oder ein Federelement umfassen.The holder may comprise an elastic element or a spring element.
Der Halter kann eines der folgenden sein: ein Ring, der einen c-förmigen Querschnitt aufweist; eine Zugfeder; und ein Reif, der eine Mehrzahl von gefederten Kontaktfingern aufweist.The holder may be one of the following: a ring having a C-shaped cross section; a tension spring; and a hoop having a plurality of spring-loaded contact fingers.
Andere oben erwähnte Verfahren und Anordnungen, die sich auf das Befestigen des optischen Elements in der Flügelplatte beziehen, können auch allgemeiner auf das Befestigen des optischen Elements angewendet werden.Other methods and arrangements mentioned above relating to the attachment of the optical element in the wing panel may also be more generally applied to the attachment of the optical element.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, zusammen mit Aspekten des Stands der Technik, werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:Embodiments of the present invention, along with aspects of the prior art, will now be described with reference to the accompanying drawings, in which:
Ausführliche BeschreibungDetailed description
Das optische Element
Die
Jedoch ist die Aufnahme der Nuten bevorzugt, um das optische Element
Die Anordnung des Halters
Das Randbefestigungsverfahren stellt eine kleine, gleichmäßige Druckkraft um den Rand des optischen Elements
Um die kleine, gleichmäßige Druckkraft bereitzustellen, ist der Halter
Die erste Ausführungsform des Halters
Die zweite Ausführungsform des Halters
Der Querschnitt der C-Ring- und Feder-Halter ist derart, dass er auf Nuten mit gekrümmten oder kreisförmigen Seitenwänden passt. Wie in den
Der in
Bei den drei oben beschriebenen Ausführungsformen des Halters
Wie oben erläutert, wird die Druckkraft auf das optische Element
Der Haltering
In manchen Ausführungsformen ist der Haltering
Der Halter
In einer alternativen Ausführungsform kann der Halter, wie etwa der Feder-Halter, aus einem Material mit elektrischem Widerstand hergestellt sein. Dies ermöglicht es, den Halter als eine Widerstandsheizeinrichtung zu verwenden, was dazu eingesetzt werden kann, externes Erwärmen des optischen Elements auszugleichen. Beispielsweise wird ein zentraler Bereich des optischen Elements
Die Beschreibung der obigen Ausführungsformen bezieht sich auf ein optisches Element
Zusätzlich zu den Medien zur optischen Verstärkung umfassen Beispiele von Komponenten, die unter Verwendung der obigen Anordnungen gehalten werden können, Pockel-Zellen, Faraday-Isolatoren, Frequenzkonversionsstufen, wo eine gewisse optische Absorption auftritt, und viele andere Komponenten, in denen absorbierte Energie in Wärme umgewandelt wird.In addition to the optical amplification media, examples of components that can be held using the above arrangements include Pockel cells, Faraday isolators, frequency conversion stages where some optical absorption occurs, and many other components in which absorbed energy is converted to heat is converted.
Obwohl Aluminium für die Flügelplatte
Es wurden Dehnungstests unter Verwendung einer Rand-Rand-Befestigungsvorrichtung bei 150 K mit einer in einer Aluminium-Flügelplatte
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das optische Element in einer Befestigung gehalten sein, die keine Flügelplatte ist, wie etwa eine Platte oder ein Gußteil. In einem solchen Fall wird das optische Element in einer Öffnung in der Befestigung unter Verwendung eines der oben beschriebenen Verfahren gehalten. Die Befestigungstechnik kann auf ein beliebiges optisches Element angewendet werden, das extremen Temperaturänderungen ausgesetzt ist und eine angepasste und dauerhafte Befestigungstechnik benötigt, um differenzielle Ausdehnungen oder Kontraktionen der Befestigung und des optischen Elements zu erlauben. Das optische Element kann beispielsweise ein optisches Fenster sein, das erheblichen Temperaturausschlägen ausgesetzt ist, wie etwa von Raumtemperatur bis Tieftemperaturen. Der Halter stellt keine hermetische Dichtung bereit, jedoch können bekannte Methoden, wie etwa O-Ringe, zusätzlich verwendet werden, um eine Dichtung zwischen einer Seite des optischen Elements und der anderen bereitzustellen. In anderen Ausführungsformen kann das optische Element ein Medium zur optischen Verstärkung sein, das sich aufheizt, aber ohne Fremdkühlung abkühlt.In a further alternative embodiment, the optical element may be held in a fixture which is not a wing plate, such as a plate or casting. In such a case, the optical element is retained in an opening in the fixture using one of the methods described above. The fastening technique can be applied to any optical element that is subject to extreme temperature changes and requires an adapted and durable mounting technique to allow for differential expansion or contractions of the fixture and the optical element. For example, the optical element may be an optical window exposed to significant temperature excursions, such as from room temperature to cryogenic temperatures. The retainer does not provide a hermetic seal, however, known methods such as O-rings may additionally be used to provide a seal between one side of the optical element and the other. In other embodiments, the optical element may be an optical amplification medium that heats up but cools without external cooling.
Der Fachmann wird sofort einsehen, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen an der oben beschriebenen Flügelanordnung vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen. Beispielsweise können verschiedene Formen, Abmessungen und Materialien verwendet werden. Das optische Element kann ein Medium zur optischen Verstärkung oder ein anderes wärmeerzeugendes optisches Element sein.One skilled in the art will readily appreciate that various modifications and changes may be made to the wing assembly described above without departing from the scope of the appended claims. For example, various shapes, dimensions and materials may be used. The optical element may be an optical amplification medium or another heat-generating optical element.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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