DE2315479B2

DE2315479B2 - Optischer Sender oder Verstärker (Laser)

Info

Publication number: DE2315479B2
Application number: DE19732315479
Authority: DE
Inventors: Kurt 8190 Wolfratshausen Habenschaden; Rudolf 8035 Gauting Kohl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-03-28
Filing date: 1973-03-28
Publication date: 1975-03-20
Also published as: DE2315479C3; DE2315479A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender oder Verstärker (Laser) mit einem stabförmigen stimulierbaren Festkörpermedium und einer stabförmigen Anregungslichtquelle, die innerhalb eines in seiner Erstreckung unterteilten zylindrischen Hohlspiegelgehäuses in gut wärmeleitendem Kontakt mit dem gegebenenfalls in einen Kühlkreislauf einbezogenen Hohlspiegelgehäuse leicht auswechselbar angeonJucc .,,nJ.

Der Wirkungsgrad von durch das Licht einer Anregungslichtquelle zu einer kohärenten Strahlung angeregtem stimulierbarem Festkörpermedium liegt in der Größenordnung von I % und darunter. Für dun einwandfreien Betrieb eines solchen Lasers ist es daher von wesentlicher Bedeutung, daß die anfallende Veriustwärme in ausreichendem Umfang rasch abgeführt wird. Im allgemeinen will dies mit Hilfe eines Kuhlkreislaufs herbeigeführt, in den die Anregungslichtquel-Ie 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 Anregungslichtquellen erheblich. Beim Einsat/ von Lasern für Zwecke der Entfernungsmessung oder für Zielbeleuchtung besteht der Wunsch, von einem speziellen Kühlsystem abzusehen, d. h. von einer Kühlung Gebrauch zu machen, bei der das Kühlmittel, sofern von einer Flüssigkeitskühlung Gebrauch gemacht werden muß. mit dem eigentlichen Bcleuchtungsraum nicht in Berührung kommt. 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 (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 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 (DT-OS 15 89 887) sind die stabförmige Anregungslichtquelle und das stabförmige stimulierbare Medium in rinnenförmige Vertiefungen eines halbcllipiischen 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 Anregungilichtquelle und das stimulierbare

Medium im gleichen Kühlblnck angeordnet sind.. Die wesentlich höhere zulässige Betriebstemperatur der Anregungsliehiquelle im Verhältnis zur zulässigen Betriebstemperatur des stimulierbaren Mediums kann hier nicht ausgenutzt werden. Auch ist hier der gut < wärmeleitende Libergang im Hinblick auf das Langzeitbetriebsverhalten nicht gewährlcistei.

Es ist auch bereits bekannt (DT-OS 19 44 852, US-PS 34 82 185), die Anregungslichtquelle, die ja der eigentliche Wärmeerzeuger ist, gut >värmeleitend über die ge- _m samte Länge mii einem Kühlkörper zu verbinden, der im Bereich außerhalb des Hohlspiegels in einen Wärmetauscher 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 6Ί1 ist auch eine Laseranordnung bekannt, bei der das Hohlspiegelgehäuse in seiner Erstreckung in zwei Hälften unterteilt ist und :o hierbei die eine, das stimulierbare Medium aufweisende Hälfte einerseits und die andere, die stabförmige Anregungslichtquelle aufweisende Hälfte andererseits ;e eine Baueinheit bilden. Die das stabförmige Mimulicrbare Medium aufweisende Hälfte ist dabei zu einem ■--Kühlblock erweitert, in den das stabförmige stimulierbare Medium über seine gesamte Länge teilweise eingelassen ist. Zur Erzielung eines gu; wärmeleitenden Übergangs weist das stabförmige stimulierbare Medium über seine Kontaktfläche hinweg einen metalli- %,. sehen 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, dall ein Austausch des Laserstabs mit erheblichen Schwie- --rigkeitcn 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 Anregungslichtqiielle. die ja der cig. ntliche Wärmeerzeuger ist, anwendbar. .(..

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden (P 22 63 024.6, VPA 72/6754). zur Realisierung eines gut wärmeleitenden Kontaktes wenigstens der Anregungsliehiquelle in der Gehäusewandung eine auf der Gehäuseinnenseite von der Anregungslichtquellc abgedeckte ^=. Längsnut vorzusehen, die mit einer feinkörnigen, gut wärmeleitende Eigenschaften aufweisenden, unter einem Kompressionsdruck stehenden Pulvermasse angefüllt ist.

Bei einem weiteren Vorschlag (P 22 63 084.8, VPA 72/6753) besteht der gut wärmeleitende Kontakt zwischen dem Hohlspiegelgehäuse und wenigstens einem der beiden zu kühlenden stabförmigen Bauteile (Anregungslichtquelle) aus einem Blattfedcrpaket, das in eine gegen den Gchäuscinnenraum offene Ausnehmung des Hohlspiegelgehäuses fest eingespannt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen optischen Sender oder Verstärker dei einleitend beschriebenen Art eine weitere Lösung anzugeben, die neben einer Ableitkühlung auch eine Flüssigkeitskühlung, insbesondere für die Anregungslichtquelle, ermöglicht, und zwar in der Weise, daß einerseits an das Kühlmittel keine besonderen Anforderungen gestellt werden müssen und andererseits bei einem Austausch der Anregungsliehiquelle bzw, des stimulierbaren Mediums der Kühlkreislauf nicht unterbrochen zu werden braucht.

Aussehend von einem optischen Sender oder Verstärker (Laser) mit einem siabformigen stimulierbaren Festkörpermedium und einer stabförmigen Anregungslichtquelle, die innerhalb eines in seiner Erstreckung unterteilten zylindrischen llohlspiegelgehäuses in gut wärmeleitendem Kontakt mit dem gegebenenfalls in einen Kühlkreislauf einbezogenen Hohlspiegelgehäuse leicht auswechselbar angeordnet sind, und bei dem das Hohlspiegelgehäuse auf Seiten der Anregungslichtquelle und/oder des stimulierbaren Mediums in der Gehäuse wandung eine gegen die Anregungslichtquelle offene Längsnut aufweist, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Längsnut von einer Folie aus gut wärmeleitendem Material abgedeckt ist, die an der Anregungslichtquelle bzw. dem stimuJierbaren Medium über einen Teil längs deren Mantelfläche anliegt und daß die Längsnut mit einem unter Druck stehenden, die Wärme abführenden oder weiterleitenden Kühlmittel angefüllt ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine elastische Folie sowohl einen gut wärmeleitenden Llbergangskontakt abgibt, als auch eine einwandfreie Abdichtung der Längsnut, die das di Wärme abfuhrende b/.v,. ueilerleitende Medium in sich aufnimmt, gewährleistet.

Bei einer ersten bevorzugten Au'.führungsiorm ist die Längsnut Teil eines Kühlkreislaufs und hierzu an ihren F.'iden jeweils mit einem Anschlußstutzen für die Zu- und Abfuhr des flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels versehen. Da das Kühlmittel selbst sich außerhalb des eigentlichen optischen Anregungsraumes befindet, brauchen hieran auch keine besonderen Anforderungen gestellt zu werden. Üblicherweise wird als Kühlmittel Wasser in Frage kommen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei der von einem Kühlmittelkreislauf abgesehen werden kann, besteht darin, daß sich die Längsnut in ihrer Tiefe über die Wandstärke des Hohlspiegelgchäuses erstreckt, mit einem gut wärmeleitenden und komprimierbaren Stoff gefüllt ist und auf der Gchäuseaußenscite mit einem kolbcnartigen, einen Druck auf diesen Stoff ausübenden Deckel verschlossen ist. Hierbei weist das Hohlspicgelgehäuse wenigstens im unmittelbaren Bereich der Längsnut an seiner Außenseite der Wärmeabstrahlung dienende Kühlrippen auf.

Zweckmäßig weist die Folie auf de.· der Anregungslichtquelle bzw. dem stimulierbaren Medium zugewandten Seite eine das Licht der Anregungslichtquelle reflektierende Oberfläche auf.

Besonders günstig gestalten sich die Verhältnisse, wenn das Hohlspiegelgehäuse in seiner Erstreckung in Höhe der Anregungslichtquelle bzw. des stimulierbaren Mediums unterteilt ist und die Folie in der Untertei-'unysebene in das Hohlspiegelgehäuse, sicgebenenfalls unter Zwischenlage einer Dichtung, eingespannt ist. Dabei ist dann uie die Anregungsliehiquelle bzw. das stimulierbare Medium aufnehmende kreisabschnittsförmige Ausbuchtung der Folie im Hinblick auf ihre Elastizität im Randbereich der Ausbuchtung durch wellenförmig überhöhte Randleisten gebildet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform bcsichi die Folie auseinenidünnen Kupfer-Beryllium-Blech, das auf das die Längsnut enthaltende Gehäuseteil mittels eines .Silikongummis aufvulkanisiert ist und auf Seiten der Anregungslichtqujlle bzw. des stimulierbaren Mediums einen hochreflektierender. Belag trägt.

Der durch die Folie gegebene Wärmeübergang zwischen dem Wärme abgebenden Bauteil und dem die Wärme abführenden bzw. ableitenden Medium kann

noch dadurch verbessert werden, daß die Folie im Bereich der Längsnut mit in diese hineinragenden Längs rippen ausgestattet ist.

An Hand von in der Zeichnung dargestellten Aiisführungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten

F i g. I und 2 ein erstes Aiisfiihrungsbcispiel nach der Frfindung im Quer- und Längsschnitt,

F i g. 3 und 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung im Teilquer- und Teillängsschnitt.

F i g. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Frfindung im Teilquerschnitt,

F i g. 6 ein weiteres Ausftihrungsbcispiel nach der Erfindung im Teilquerschnitt.

Bei der im Quer- und Längsschnitt in den F i g. I und 2 dargestellten Laseranordnung besteht das zylindrische Hohlspiegelgehäuse aus dem Oberteil I und dem Unterteil 2, von denen in dem Oberteil 1 das stabförmige stimulierbare Medium 3 und im Unterteil 2 die stabförmige Anregungslichtquelle 4 angeordnet ist. Das Hohlspiegelgehäusc ist in seiner Erstreckung so unterteilt, daß in der Teilungsebene die Achse der Anregungslichtquelle 4 zu liegen kommt und somit das Oberteil 1 den wesentlichen Teil des Innenraums 5 begrenzt und an seiner Innenwandung den Spiegelbelag 6 trägt. Das Unterteil 4 ist zu einem Kühlblock mit einer gegen die Anregungslichtquelle hin offenen Längsnut versehen, die an ihren Enden durch die Anschlußstutzen 8 und 9 für die Zufuhr und Abfuhr eines Kühlmittels versehen ist. Die Längsnut 7 ist an ihrer Oberseite durch die in ihrem Querschnitt gewellt ausgeführte Folie 0 abgedeckt, die praktisch über die Hälfte des Umfangs der Anregungslichtquelle 4 an diese angepaßt ist und sich unter dem statischen Druck der Kühlflüssigkeit in der Längsnut 7 an die Anregungslichtquelle eng anschmiegt. Die im Randbereich der die Anregungslichtquelle 4 aufnehmenden Mulde mit wellenförmig überhöhten Randleisten ausgeführte Folie 0 erstreckt sich zu beiden Seiten der Längsnut 7 über die gesamte Oberfläche des Unterteils 4 und ist im zusammengebauten Zustand von Oberteil 1 und Unterteil 2 fest in das Hohlspiegelgehäuse eingespannt. Die Folie 0. die zweckmäßig aus einem dünnen Kupfer-Beryllium-Blech besteht, ist auf seifen der Anregungslichtquelle mit einer das Licht der Anregungslichtquelle praktisch verlustlos reflektierenden Schicht überzogen, so daß der eigentliche Hohlspiegel auf sei'en des Unterteils 2 von dieser reflektierenden Schicht der Folie 0 gebildet wird.

Beim Ausführungsbeispie"! nach den F i g. 3 und 4 ir»t die Folie 0' im Randbereich ihrer die Anregungslichtquelle 4 aufnehmenden muldenförmigen Vertiefung nicht mit wellenförmig überhöhten Randleisten ausgeführt. Dafür ist die sich zu beiden Seiten über die Oberfläche des Unterteils 2 erstreckende Folie mit einem Silikongummi 10 unterlegt, durch den sie auf das Unterteil 2 aufvulkanisiert ist. Der Silikongummi 10 gewährleistet nicht nur eine einwandfreie Abdichtung der da Kühlmittel führenden Längsnut 7, sondern gcwährlei stet auch im Hinblick auf die Abmessungstoleranze der Anregungslichtquelle die zu fordernde Elastizitä der Folie.

Die im Teilquerschnitt gezeigte weitere Ausfüh rungsform nach F i g. 5 unterscheidet sich von der Aus führtingsform nach den F i g. 3 und 4 im wesentlicher dadurch, daß hier die ebenfalls über den Silikonglimm

κ 10 auf das Unterteil 2 aufvulkanisierte Folie 0" im Be reich ihrer muldenförmigen Ausgestaltung mit in die Längsnut 7 hineinragenden Längsrippen 11 ausgestaltet ist und dadurch die gewünschte Wärmeableitung noch günstiger gestaltet ist als bei den Ausführungsformen nach den F i g. I und 2 einerseits und den F i g. 3 und 4 andererseits.

Die Ausführungsform im Teilquerschnitt nach F i g. 6 zeigt schließlich noch eine Ableitkühlung, bei der die Längsnut T mit einem komprimierbaren, gut wärmelei-

■·' (enden Stoff, beispielsweise einem feinkörnigen Metallpulver oder einer Metallpaste, angefüllt ist. Die Längsnut T erstreckt sich hierbei über die gesamte Höhe des Unterteils 2', das auf beiden Seiten der Längsnut in der Wärmeabstrahlung dienende Kühlrippen 2" übergeht.

"■· Die Folie 0 ist hier entsprechend der nach F i g. I ausgestaltet. Der gut wärmeleitende komprimierbare Stoff in der Längsnui T steht unter dem Druck des sich über die Schraubenfeder 12 gegen den äußeren Deckel 13 abstützenden Kolbens 14. Der über den Kolben 14 auf

<^! den gut wärmeleitenden Stoff in der Längsnut T ausgeübte Druck schafft einen allseitigen guten Anpreßdruck der Folie 0 an die Wandung der Anregungslichtquelle 4 und zugleich einen guten Wärmeübergang zwischen diesem Stoff und der Wandung des Unterteils 2'.

Wie sämtliche in den F i g. I bis 6 dargestellten Ausführungsformen zu erkennen geben, läßt sich die Anregungslichtquelle 4 auswechseln, ohne daß es hierzu eines Eingriffs in das Kühlsystem bedarf. In den Figuren ist die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung lediglich

>" in ihrer Anwendung für die den eigentlichen Wärmeerzeuger darstellende Anregungslichtquelle 4 dargestellt. Selbstverständlich kann sie in gleicher Weise für das der Anregungslichtquelle gegenüber dem Hohlspiegelgehäuse angeordnete stabförmige stimulierbare Medi-

-I- um zur Anwendung gelangen, sofern sich dies als zweckdienlich erweist. Sollen sowohl die Anregungslichtquelle als auch das stimulierbare Medium in gleicher Weise von der Kühlanordnung nach der Erfindung Gebrauch machen, dann dürfte es sinnvoll sein, entgegen der in Fig. 1 im Querschnitt gezeigten Ausführungsform das Hohlspiegelgehäuse in ein Unter-, ein Mittel- und ein Oberteil zu unterteilen, wobei dann das Oberteil entsprechend dem Unterteil als Kühlblock ausgebildet ist und die Teilungsebene zwischen dem

■■' Mittelteil und dem Oberteil zweckmäßig so festgelegt wird, daß in sie die Stabachse des stimulierbaren Mediums zu liegen kommt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker (Laser) mit einem stabförmigen stimulierbaren Festkörpermedium und einer stabförmigen Anregungslichiquelle, die innerhalb eines in seiner Erstreckung unterteilten zylindrischen Hohlspiegelgehäuses in gut wärmeleitendem Kontakt mit dem gegebenenfalls in einen Kühlkreislauf einbezogenen Hohlspiegelgehäuse leicht auswechselbar angeordnet sind und bei dem das Hohlspiegelgehäuse auf seilen der Anregungslichtquelle und/oder des stimulierbaren Mediums in der Gehäusewandung eine gegen die Anregungslichtquelle offene Längsnut aufweist, d a durch gekennzeichnet, daß die Längsnut (7, T) vun einer Folie (0,0', 0") aus gut wärmeleitendem Material abgedeckt ist, die an der Anregungslichtquelle (4) bzw. dem stimulierbaren Medium über einen Teil längs deren Mantelfläche anliegt, und daß die Längsnut mit einem unter Druck sehenden, die Wärme abführenden oder weiterleitenden Kühlmittel angefüllt ist.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsnut (7) Teil eines Kühlkreislaufs ist und hierzu an ihren Enden jeweils mit einem Anschlußstutzen ist 9) für die Zu- und Abfuhr des flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels versehen ist.

3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß sich die Längsnut (7') in ihre; T>efe über die Wandstärke des Hohlspiegelgehäuses erstreckt, mit einem gut wärmeleitenden und komprimierbaren Stoff gefüllt isi und auf der Gehäuseaußenseite mit e' lern kolbenartigen, einen Druck auf diesen Stoff ausübenden Deckel (12, 13, 14) verschlossen ist, und daß das Hohlspiegelgehäuse wenigstens im unmittelbaren Bereich der Längsnut an seiner Außenseite der Wärmeabstrahlung dienende Kühlrippen (2") aufweist.

4. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (0, 0', 0") auf der der Anrcgungslichtquelle (4) bzw. dem stimulierbaren Medium zugewandten Seite eine das Licht der Anregungslichtquelle reflektierende Oberfläche aufweist.

5. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlspiegelgehäuse in seiner Eritreckung in Höhe der Anregungslichtquelle bzw. des stimulierbaren Mediums unterteilt ist und die Folie (0, 0', 0") in der Unterteilungsebene in das Hohlspiegelgehäuse, gegebenenfalls unter Zwilchenlage einer Dichtung (10), eingespannt ist und daß die dk Anregungslichtquelle (4) bzw. das stimulierbare Medium aufnehmende kreisabschnittsförrnigc Ausbuchtung der Folie im Hinblick auf ihre Elastizität im Randbereich der Ausbuchtung wellenförmig überhöhte Randleisten bildet.

6. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (0, 0', 0") aus einem dünnen Kupfer-Beryllium-Blech besteht, das auf das die Längsnut enthaltende Gehäuseteil (2, 2') mittels eines Silikongummis (10) aufvulkanisiert ist und auf seiten der Anregungslichtquelle (4) bzw. des stimulierbaren Mediums einen hochreflektierenden Belag trägt.

7. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (0") im Bereich der Längsnut (7) mit in diese hineinragenden Längsrippen (11) ausgestattet ist.