DE2263084C3 - Kühlanordnung für einen optischen Sender oder Verstärker (Laser) - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanordnung für einen optischen Sender oder Verstärker (Laser) mit einem stabförmigen stimulierbaren Festkörpermedium und mit einer ebenfalls slabförmigen AnregungslichtquellCi die beide innerhalb eines zylindrischen Hohlspiegelgehäuses, das längs seiner Längsachse, insbesondere in zwei Hälften unlerteilbar ist, in gut wärmeleitendem Kontakt mit der Wandung dieses gegebenenfalls in einen Kühlkreislauf einbezogenen Hohlspiegelgehäuses 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 den einwandfreien Betrieb eines solchen Lasern ist es daher von wesentlicher Bedeutung, daß die anfallende Verlustwärme in ausreichendem Umfang rasch abgeführt wird. Im allgemeinen wird dies mit Hilfe eines Kühlkreislaufes herbeigeführt, in den die Anregungslichtquelle 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 Lebensdauer aufweisenden Anregungslichtquelle erheblich. Beim Einsatz von Laser für Zwecke der Entfernungsmessung oder der Zielbeleuchtung besteht der Wunsch, von einem speziellen Kühlsystem abzusehen und, sofern überhaupt von einer Flüssigkeitskühlung abgesehen werden kann, ausschließlich von der Kühlung durch Konvektion Gebrauch zu machen. Der Aufbau der Gesamtanordnung wird in diesem Falle wesentlich vereinfacht und kommt dadurch den Anforderungen an solche Laser im mobilen Einsatz entgegen.

Es ist beispielsweise aus der DT-AS 12 81 Ob5 bekannt, den das stabförmige stimulierbare Medium in gut wärmeleitenden Kontakt mit einem Wärmeaustauscher zu bringen, der die Wärme durch Konvektion an seine Umgebung abstrahlt oder aber einem Kühlluftstrom ausgesetzt ist. Der gut wärmeleitende Kontakt wird in diesem Falle durch ein glänzendes, bei der Betriebstemperatur des Lasers flüssiges Metall herbeigeführt.

Bei einer weiteren bekannten Ausführungsform, vgl. DT-AS 15 89 887, sind die stabförmige Anregungslichtquelle und das stabförmige stimulierbare Medium in rinnenförmige Vertiefungen eines halbelliptischen zy· lindrischen 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 A Ordnung 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 Langzeitbetriebsverhalten nicht gewährleistet.

Es ist auch bereits bekannt, vgl. DT-OS 19 44 852. die Anregungslichtquelle, die ja der eigentliche Wärnieerzeuger ist, gut wärmeleitend über die gesamte Länge mit einem Kühlkörper zu verbinden, der im Bereich außerhalb des Hohlspiegels in einen Wärmeaustauscher ausmündet. Auch hier ist der Kühlkörper 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 Kühlanord-

f'5 nung 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 Anregungs-

,lichtquelle enthaltende Hälfte je eine Baueinheit bilden. Die das stabförmige stimulierbare Medium enthaltende fjälfte ist dabei zu einem Kühlblock, erweitert, in den das stabförmige stimulierbare Mediim über seine gesamte Länge teilweise eingelassen ist. Zur Erzielung eines gut wärmeleitenden Obergangs weist das stabförmige stimulierbare 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 Obergang 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 Anregungslichtquelle, die ja der eigentliche Wärmeerzeuger ,ist, anwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, 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 di*r Wärmequelle und dem Hohlspiegelgehäuse auch über lange Betriebszeiten hinweg gewährleistet, und zwar bei günstigen kleinen konstruktiven Gesamtabmessungen, als auch eine leichte Abtrennung des stimulierbaren Mediums bzw. der Anregungslichtquelle vom Hohlspiegelg'-häuse im Sinne eines einfachen Austausches von Bauteilen zuläßt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der gut wärmeleitende Kontakt zwischen dem Hohlspiegelgehäuse und wenigstens der Anregungslichtquelle aus einem Blattfederpaket besteht, das in eine gegen den Gehäuseinnenraum offene Ausnehmung des Hohlspiegelgehäuses fest eingespannt ist, und daß die freien abgewinkelten, ein geringes Federspiel aufweisenden Enden der Blattfedern in ihrer Gesamtheit eine breitflächige, der Länge und dem Querschnitt des zu kühlenden Bauteils angepaßte Auflage für das Bauteil bilden.

Die Erzeugung des gut wärmeleitenden Übergangs mittels Federenden einer Vielzahl von zu einem Paket zusammengefaßten Blattfedern gewährleistet eine Vielzahl von Auflagepunkten an der Oberfläche des zu kühlenden Bauteils und damit einen geringen Wärmevviderstand zwischen dem zu kühlenden Bauteil und dem Hohlspiegelgehäuse.

Abgesehen davon, daß der so gestaltete gut wärmeleitende Übergang ein leichtes Austauschen der Anregungslichtquelle bzw. des stabförmigen stimulierbaren Mediums ermöglicht, haben die Blattfedern den Vorteil, daß der durch sie bewirkte gut wärmeleitende Übergang praktisch von thermischen Einflüssen und Alterungserscheinungen unabhängig ist, weil sich das durch die Enden der Blattfedern gegebene Auflagebett für das zu kühlende Bauteil den äußeren Abmessungen des zu kühlenden Bauteils stets anpaßt.

Besonders günstig gestalten sich in diesem Zusam (>o menhang die Verhältnisse, wenn von der Maßnahme nach Anspruch 2 Gebrauch gemacht wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 3 bis 6 angegeben.

An I land von in der Zeichnung dargestellten Ausfüh- f>5 rungsbeispiclcn soll die Erfindung im folgenden näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet

F i β. I ein erstes Ausführungsbeispiel im Schnitt,

F i g. 2 einen weiteren Schnitt des Ausführungsbeispiels nach Fi g. 1,

F i g. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel im Schnitt,

F i g. 4 ein weiterer Schnitt des Ausführungsbeispiels nach F i g. 3,

F i g. 5 ein Ausschnitt des weiteren Schnitts nach JFig.4.

Der in F i g. 1 dargestellte Laser im Querschnitt weist ein zylindrisches Hohlspiegelgehäuse auf, dessen beide Teilschalen 1 und 2 in voneinander abgehobenem Zustand dargestellt sind. Der gut wärmeleitende Übergang zwischen der Teilschale 2 und der Anregungslichtquelle 3 ist mit Hilfe eines Blattfederpakets 4 herbeigeführt. Das Blattfederpaket 4 is* dabei in eine Ausnehmung 5 der Teilschale 2 eingelassen, die auf der einen Seite gegen den Innenraum der Teilschaie offen ist und.an der Außenseite der Teilschale 2 mit dem Deckel 6 verschlossen ist. Das Blattfederpaket 4 besteht aus zwei Teilpaketen 4a und 46. Jedes Teilpaket besteht aus übereinander angeordneten, durch Abstandsbleche 7a Tb voneinander getrennten Blattfedern 8a, 8Z>. die an ihren freien Enden 9a. 9£> abgewinkelt sind und damit in den Innenraum der Teilschaie 2 hineinragen. Die Blattfedern erstrecken sich mit ihren freien Enden parallel zur Achse der Anregungslichtquelle und sind über ihre Länge, wie der Schnitt AIB in F i g. 2 zeigt, quer zur Achse der Anregungslichtquelle vielfach geschlitzt. Auf diese Weise wird eine große Vielzahl von Kontaktstellen zwischen dem Glaskörper der Anregungslichlquelle 3 und dem in die Ausnehmung 5 der Teüschale 2 fest eingespannten Blattfedernpaket 4 geschaffen. Wie F i g. 1 erkennen läßt, bilden dabei die abgewinkelten, federnden Enden 9a. 96 der Blattfedern 8a und Bb ein dem Querschnitt der Anregungslichtquelle 3 angepaßtes breitflächiges Auflage bett.

Der gut wärmeleitende Übergang /wischen der Teilschale 1 und dem stabförmigen stimulierbaren Medium 10 ist in an sich bekannter Weise ausgeführt. Hierbei ist das stimulierbare Medium in einer seinem Querchnitt angepaßten Nut 11 angeordnet, die ihrerseits mit einem plastisch verformbaren Metall 11a ausgekleidet ist. Selbstverständlich kann hier der wärmeleitende Übergang genauso ausgeführt sein wie der wärmeleitende Übergang /wischen der Teilschale 2 und der Anregungslichtquelle 3. Dem Erfindungsgegenstand komm« im Hinblick auf die Anregungslichtquelle 3 deshalb eine besondere Bedeutung zu, weil die Anregungslichtquellc einerseits die eigentliche Wärmequelle darstellt und andererseits das Bauteil darstellt, das in kürzeren Zeiträumen ausgetauscht werden muß. Im übrigen läßt sich durch geeignete Mittel dafür sorgen, daß das stimulierbare Medium erheblich geringere Betriebstemperaturwerte annimmt als die Anregungslichlquelle. Beispielsweise können die beiden Teilschalen 1 und 2 im miteinander vereinigten Zustand gegenseitig thermisch isoliert sein und zusätzlich noch eine Trennung der den einzelnen Halbschalen zugeordneten Hohlräume durch ein Lichtfilter herbeigeführt sein, das die lediglich der Aufheizung des stimulierbaren Mediums dienenden Spektralanlcilc der Anregungslichtquelle vom stimulierbaren Medium fernhält.

Das in Fig.3 im Schnitt dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht der Teilschale 2 nach Fig. 1. Die Teilschaie 2' weist hier eine Ausnehmung 5' auf, die sich über die Länge der Anregungslichtquelle 3 erstreckt und gegen den Innenraum der Teilschaie 2' offen ist. Wie insbesondere dem weilerten Schnitt CID

F i g. I und 2 Gebrauch gemacht.

Anregungsiichtquellen, wie sic im Handel üblich sind, weisen oftmals einen gegenseitigen Versatz der Elektroden hinsichtlich der Achse der Anrcgüngslichiquelle auf. Muß mit einem größeren, gegenseitigen Elektrodenversalz gerechnet werden, darm erweist sich ''die Ausrührungsform nach den F i g, 3 bis 5 als besonders geeignet, da bei Anordnung der Blattfedern quer zur Achse der AnrcgürigslichtqucNe ein größerer Ä^chsvcrsatz ausgeglichen werden kann als bei Anordnung der Blattfedern in zur Achse der Anrcgungslichlquelle paralleler Ausrichtung.

Die Teilschalcn 1 und 2 bzw. 2' des Hohlspiegelgehäuscs können in bekannter Weise mit einem Wärmeaustauscher in Verbindung stehen oder mit Kühlrippen versehen sein. Eine weitere Möglichkeil, die in der Figur ebenfalls nicht angedeutet ist, könnte darin bestehen, daß in die Teilschalcn 1 und 2 Kühlkanäle eingelassen sind, die Teil eines von einem flüssigen Kühlmedium, beispielsweise Wasser, Gebrauch machenden Kühlkreislaufes sind.

nach Fig.4 zu entnehmen ist, sind die Blattfedern 12 des Blaltfedeinpak'etcs 4' hier mit ihrer Blatlbieitc senkrecht zui Achse^s'^!dcr Anrcgungslichtquclle' angeordnet und ebenfalls wiederum über Abstandsblech^ 13 zu einem Paket zusammengefügt, und zwar mittels cinei in Achsrichtung der Anregungslichtquclle¹ verlaufenden Spannschraube 14. Die freien abgewinkelten Enden "der Blattfedern 12'sind jeweils durch einen Schlitz 15 in zwei Hälften 12a und 12£> unterteilt. Weiterhin weisen die in dieser Weise unterteilten Enden ein dem Querschnitt der Anregungslichtquelle 3 angepaßtes Profil auf.

Um eine möglichst gute Kontaktgabe der federnden Enden der Blattfedern zu erreichen, sind diese, wie der Ausschnitt £"der F i g. 4 in F i g. 5 zeigt, mit einem plastisch verformbaren Metall 16, beispielsweise Zinn, Blei oder Kadmium, überzogen, wodurch für den gewünschten möglichst niedrigen Wärmewiderstand im Bereich der Auflagestellen optimale Werte erzielt werden. Von einem solchen Metallüberzug der freien Enden der Blattfedern ist auch beim Ausführungsbeispiel nach den

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Palentansprüche:

1. Kühlanordnung für einen optischen Sender „oder Verstärker (Laser) mit einem stabförmigen stimulierbaren Festkörpermedium und mit einer eben falls stabförmigen Anregungslichtquelle, die beide innerhalb eines zylindrischen Hohlspiegelgehäuses, das längs seiner Längsachse, insbesondere in zwei Hälften unterteilbar ist, in gut wärmeleitendem Kontakt mit der Wandung dieses gegebenenfalls in einen Kühlkreislauf einbezogenen Hohlsptegelgeliäuses angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der gut wärmeleitende Kontakt zwischen dem Hohlspiegelgehäuse und wenigstens der Anregungslichtquelle (3) aus einem Blattfederpaket (4, 4') besteht, das in eine gegen den Gehäuseinnenraum offene Ausnehmung (5) des Hohlspiegelgehäuses (2) fest eingespannt ist, und daß die freien abgewinkelten, ein geringes Federspiel aufweisenden Enden (9a, 9b) der Blattfedern in ihrer Gesamtheit eine breitflächige, der Länge und dem Querschnitt des zu kühlenden Bauteils (3) angepaßte Auflage für das Bauteil (3) bilden.

2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden (9a, 9b) des Blattfederpakets (4, 4') mit einem leicht verformbaren Metall, beispielsweise Zinn. Blei oder Cadmium, überzogen sind.

3. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden (9a, 9b) des Blattfederpakets (4) mit ihrer Blattbreite parallel zur Stabachse des zu kühlenden Bauteils (3) ausgerichtet und senkrecht zur Stabachse mehrfach geschlitzt (4a) sind

4. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden (9a, 9b) des Blattfederpakets (4') mit ihrer Blattbreite senkrecht zur Stabachse des zu kühlenden Bauteils (3) ausgerichtet sind und eine dem Querschnitt des Bauteils angepaßte Profilgebung aufweisen.

5. Kühlanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden des Blaltfederpakets (4') parallel zur Stabachse des zu kühlenden Bauteils (3) ein-, zwei- oder mehrfach geschlitzt sind.

6. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Blattfedern (8a, 8b) durch zwischengelegte Abstandsbleche (7a, Tb) zum Blattfederpaket (4) zusammengefaßt sind.