DE2263024C - Kühlanordnung für einen optischen Sender oder Verstärker (Laser) - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanordnung lür einen optischen Sender oder Verstärker (Laser) mit einem stabförmigen stimulierbaren Festkörpermedium lind mit einer ebenfalls stabförmigen Anregungslicht-C]UeIIe, die beide innerhalb eines zylindrischen, längs leiner Längsachse in zwei Hälften teilbaren Hohlspiegelgehäuses in gut wärmeleitendem Kontakt mit seiner Wandung angeordnet sind.

Der Wirkungsgrad von durch das Licht einer Anregungslichtquelle zu einer kohärenten Strahlung angeregten stimulierbaren Festkörpermedien liegt in der Größenordnung von 1% und darunter. Für dan einwandfreien Betrieb eines solchen Lasers ist es daher von wesentlicher Bedeutung, daß die anfallence Verlustwärme in ausreichendem Umfang rasch abgeführt wird. Im allgemeinen wird dies mit Hilfe eine; Kühlkreislaufes herbeigeführt, in den die Anregungslichtduelle und das stimulierbare Medium einbezogen sind. Solche Kühlkreisläufe sind relativ aufwendig, weil im allgemeinen an das Kühlmittel besondere Anforderungen gestellt werden müssen. Außerdem erschweren sie den Austausch der eine relativ kurze Lebensdaier aufweisenden Anlegungslichtquelle erheblieh. Beim Einsaiz von Lasern für Zwecke der Entfernungsmessung oder Ziclbeleuchtung besieht der Wunsch, von einem speziellen Kühlsystem abzusehen und. sofern von einer Flüssigkeitskühlung abgesehen werden kann, ausschließlich von der Kühlung durch Konvektion Gebrauch /u machen. Der Aufbau der Gesamtan« rdnung wird in diesem Falle wesentlich vereinfacht und kommt dadurch den Anforderungen an solche Laser im mobilen Einsatz entgegen.

Es ist beispielsweise durch die DT-AS 12 81 065 bekannt, den Laserstab in gut wärmeleitenden Kontakt mit einem Wärmeaustauscher zu bringen, der die Wärme durch Konvektion an seine Umgebung abstrahlt oder aber einem Kühlluftstrom ausgesetzt 1st. Der gut wärmeleitende Kontakt wird in diesem Falle durch ein glänzendes, bei der Betriebstemperatur des Lasers flüssiges Metall herbeigeführt

Bei einer weiteren bekannten Ausführungsform (DT-OS 15 89 887) sind die stabförmige Anregungslichtquelle und das stabförmige stimulierbare Medium in i-innenförmige Vertiefungen eines halbelliptischen zylindrischen Hohlspiegels eingelegt, der zugleich die Funktion eines Kühlkörpers ausübt. Diese Rinnen sind dem äußeren Umfang der Anregungslichtquelle und des stabförmigen stimulierbaren Mediums angepaßt. Der gut wärmeleitende Kontakt wird dadurch erreicht, daß die Lichtquelle und das stimulierbare Medium über Befestigungslaschen in die Rinnen hineingedrückt werden.

Während der Nachteil der erstgenannten Anordnung in den ungünstigen konstruktiven Abmessungen zu sehen ist, hat die zweite bekannte Anordnung den Mangel, daß die Anregungslichtquelle und das stimulierbare Medium im gleichen Kühlblock angeordnet sind. Die wesentlich höhere zulässige Betriebstemperatur der Anregungslichtquelle im Verhältnis zur zulässigen Betriebstemperatur des stimulierbaren Mediums kann hier nicht ausgenutzt werden. Auch ist hier der gut wärmeleitende Übergang im Hinblick auf das L.angzeitbetriebsverhalten nicht gewährleistet.

Es ist auch bereits bekannt (DT-OS 19 44 852), die Anregungslichtquelle, die ja der eigentliche Wärmeerzeuger ist, gut wärmeleitend über die gesamte Länge mit einem Wärmeleiter zu verbinden, der in eine Längsnut de:> Hohlspiegelgehäuses eingelassen ist und außerhalb des Hohlspiegels in einen Wärmeaustauscher ausmündet. Auch hier ist der einen Kühlkörper darstellende Wärmeleiter praktisch nur über Laschen an die Anregungslichtquelle angedrückt. Ein einwandfreier, gut wärmeleitender Übergang ist deshalb im Langzeitbetrieb nicht mit Sicherheit gewährleistet.

Durch die DT-OS 19 27 611 ist auch eine Kühlanordnung bekannt, bei der das Hohlspiegelgehäuse in seiner Erstreckung in zwei Hälften unterteilt ist und hierbei sowohl die eine das stimulierbare Medium enthaltende Hälfte als auch die andere, die stabförmige Anregungslichtquelle enthaltende Hälfte je eine Baueinheit bilden. Die das stabförmige stimulierbare Medium enthaltende Hälfte ist dabei zu einem Kühlblock erweitert, in den (Jas stabförmige stimulierbare Medium über seine gesamte Länge teilweise eingelassen ist. Zur Erzielung eines gut wärmeleitenden Übergangs weist das stabförmige stimulierbar Medium über seine Kontaktfläche hinweg einen metallischen Belag auf, mit dessen Hilfe es mit dem die eine Hälfte des Hohlspiegelsystems darstellenden Kühlblock verlötet ist. Der gut wärmeleitende Übergang wird in diesem Falle durch den Nachteil erkauft, daß ein Austausch des Laserstabes mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden ist und darüber hinaus die Gefahr besteht, daß das stimulierbare Medium beim Einlöten einer zu hohen Temperatur ausgesetzt wird. Außerdem ist dieses Verfahren nicht auf die Anrejamgslichtqucllc. die ja der eigentliche Wärmeerzeugcr st, anwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunle, für einen optischen Sender oder Verstärker der einleitend beschriebenen Art eine weitere Lösung für eine Ableitkühlung, insbesondere hinsichtlich der Anregungslichtquelle, anzugeben, die sowohl einen sehr guten wärmeleitenden Übergang zwischen der 'Värmequelle und dem Hohlspiegelgehäuse auch über lange Betriebszeiten hinweg gewährleistet, und zwar bei günstigen kleinen konstruktiven Gesamtabmessungen als auch darüber hinaus eine leichte Abtrennung des stimulierbaren Mediums bzw. der Anregungslichtquelle vom Hohlspiegelgehäuse im Sinne eines einfachen Austausches von Bauteilen zuläßt.

Ausgehend von einer Kühlanordnung für einen optischen Sender oder Verstärker (Laser) mit einem stabförmigen stimulierbaren Festkörpermedium und mit einer ebenfalls stabförmigen Anregungslichtquelle, die beide innerhalb eines zylindrischen, längs seiner Längsachse in zwei Hälften teilbaren HohlspiegJgehäuses in gut wärmeleitendem Kontakt mit seiner Wandung angeordnet sind, wobei ein besonderer Wärmeleiter, der in einer Längsnut in die Innenwand des Hohlspiegelgehäuses eingelassen ist, die Wärmeabfuhr zumindest der Anregungslichtquelle übernimmt und das Hohlspiegelgehäuse gegebenenfalls zusätzlich in einen besonderen Kühlkreislauf einbezogen ist, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der in die Längsnut eingelassene Wärmeleiter eine feinkörnige, gut wärmeleitende Pulvermasse ist und daß diese Pulvermasse von einem unter Federkraft stehenden, die Längsnut auf der Gehäuseaußenseite verschließenden kolbenförmigen Deckel komprimiert ist.

Die Erzeugung des gut wärmeleitenden Übergangs mittels einer komprimierten, unter Druck stehenden feinkörnigen, gut wärmeleitenden Pulvermasse hat den Vorteil, daß die Eigenschaften dieses Übergangs sich den unterschiedlichen Betriebsbedingungen, wie sie beispielsweise bei Pulslasern für unterschiedliche Pulsfolgefrequenzen gegeben sind, automatisch anpaßt. Auch verhindert ein solcher Kontakt eine Verschlechterung der Eigenschaften des Wärmeübergangs im Zuge von Alterungserscheinungen. Darüber hinaus gibt der Pulvermassekontakt die Möglichkeit, die Anregungslichtquelle bzw. den Laserstab im Bedarfsfalle rasch aus der Verbindung mit der ihm zugeordneten Hohlspiegelgehäi.sehälfte herauszulösen. Durch den Grad der Feinkörnigkeit der Pulvermasse kann die tatsächlich vorhandene Kontaktfläche zwischen der Wärmequelle und dem die Wärme ableitenden Hohlspiegelgehäuse optimiert werden.

Um möglichst geringe Strahlverluste zu heben, ist es vorteilhaft, solche Pulvermassen zu verwenden, die ein gutes Reflexionsvermögen aufweisen.

Bei der Herstellung des wärmeleitenden Übergangs ist es zweckmäßig, die Pulvermasse in die Längsnut in Form einer Paste einzufüllen. Das Einfüllen in Pastenform läßt sich besser durchführen und gewährleistet darüber hinaus eine optimale Verteilung. Das Lösungsmittel, beispielsweise Alkohol, verdunstet bei Erwärmung rasch.

Zweckmäßig besteht die Pulvermasse aus einem glänzenden Metall, beispielsweise Aluminium. Die elektrisch leitende Metallpulvermas;e hat den Vorteil, daß sie zugleich als Hilfselektrode zum Zünden der Anregungslichtquelle ausgenutzt werden kann.

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden naher erläutert werden.

Die einzige Figur zeigt im Querschnitt einen Laser mit einem aus zwei Teilschalen 1 und 2 bestehenden Hohlspiegelgehäuse, die in voneinander abgehobenem Zustand dargestellt sind. In Längsrichtung des zylindrischen Hohlspiegelgehäuses sind auf einander gegenüberliegenden Seiten das stabförmige stimulierbare Medium 3 und die Anregungslichtquelle 4 in gut wärmeleitendem Kontakt mit der ihnen jeweils zugehörigen Teilschale 1 oder 2 angeordnet. Am Ort des stabförmigen stimulierbaren Mediums 3 bzw. der Anregungslichtquelle 4 weisen die Teilschale 1 und die Teilschale 2 eine durch die Gehäusewandung hindurchgeführte Längsnut 5 bzw. 6 auf, die von außen mit einem ko'benförmigen Decke! 7 bzw. 8 verschlossen ist, und zwar ist der kolbenförmige Deckel 7 bzw. 8 im Bereich seines flanschartigen Ansatzes auf beiden Seiten über in Druckschrauben 9 bzw. 10 gehaltenen Schraubenfedern 11 bzw. 12 in Richtung der Tiefe der l.ängsnut 5 bzw. 6 vcspannt. Die Längsnut 5 bzw. 6 ist mit einem glänzenden Metallpulver 13 angefüllt. Auf diese Weise wird das stimulierbare Medium 3, das mit einem Teil seiner Umfangsfläche die Längsnut 5 auf der Innenseite der Teilschale 1 abdeckt, durch das komprimierte glänzende Metallpulver 13 in einen gut wärmeleitenden Kontakt mit der Teilschale 1 gebracht. Entsprechendes gilt hinsichtlich des wärmeleitenden Kontaktes zwischen der Teilschale 2 und des die Längsnut 6 auf der Innenseite abdeckenden Teiles der Mantelfläche der Anregungslichtquelle 4. Die glänzende Gestaltung des Metallpulver ergänzt die durch die Längsnuten 5 und 6 unterbrochene geschlossene Spiegelfläche des Hohlspiegelgehäuses und gewährleistet auf diese Weise möglichst geringe Reflexionsverluste.

Die Unterteilung des Hohlspiegelgehäuses gibt die Möglichkeit, jeder Hohlspiegelhälfte zusammen mit dem ihr zugeordneten Bauteil als Baueinheit zu gestalten. Außerdem läßt sich auf diese Weise auch eine Trennung der Wärmeabführung zwischen der Anregungslichtquelle 4 und dem stimulierbaren Medium in vorteilhafter Weise dadurch erreichen, daß die Teilschalen 1 und 2 wärmeisolierend zusammengefügt werden. Beispielsweise kann das in der Weise geschehen. daß die beiden Teilschalen durch ein thermisch isoliertes Lichtfilter getrennt sind, das die lediglich der Aufheizung des slimulierbaren Mediums dienenden Anteile des Spektrums der Anregungslichtquelle absorbiert.

Die Teilschalen 1 und 2 des Hohlspiegelgehäuses können in bekannter Weise mit einem Wärmeaustauscher in Verbindung stehen oder mit Kühlrippen versehen sein. Eine weitere Möglichkeit, die in der Figur ebenfalls nicht ausgedeutet ist, könnte darin bestehen. daß in die Teilschalen 1 und 2 Kühlkanüle eingelassen sind, die Teil eines von einem flüssigen Kühlmedium, beispielsweise Wasser, Gebrauch machenden Kühlkreislaufcs sind

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kühlanordnung für einen optischen Sender oder Verstärker (Laser) mit einem stabförmigen stimulierbaren Festkörpermedium und mit einer ebenfalls stabförmigen Anregungslichtquelle, die beide innerhalb eines zylindrischen, längs seiner Längsachse in zwei Hälften teilbaren Hohlspiegelgehäuses in gut wärmeleitendem Kontakt mit seiner Wandung angeordnet sind, wobei ein besonderer Wärmeleiter, der in einer Längsnut in die Innenwand des Hohlspiegelgehäuses eingelassen ist, die Wärmeabfuhr zumindest der Anregungslichtquelle übernimmt und das Hohlspiegelgehäuse gegebenenfalls zusätzlich in einen besonderen Kühlkreislauf einbezogen ist, dadurch gekenn 2: eichn e t, daß der in die Längsnut (6) eingelassene Wärmeleiter eine feinkörnige, gut wärmeleitende Pulvermasse (13) ist und daß diese Pulvermasse von einem unter Federkraft stehenden, die Längsnut auf der Gehäuseaußenseite verschließenden kolbenförmigen Deckel (8) komprimiert ist.

2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermasse (13,14) ein gutes Reflexionsvermögen für die Strahlung der Anregungslichtquelle (4) aufweist.

3. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermasse (13, 14) in die Längsnut (5, 6) in Form einer Paste eingefüllt ist.

4. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermasse (13, 14) aus einem glänzenden Metall. beispielsweise Aluminium, besteht.