DE3617362A1 - Verbundmaterialien fuer die lasertechnik und optik - Google Patents

Description

Die Anmeldung betrifft Verbundmaterialien für die Lasertechnik und Optik, bei denen durch spezielle Anordnung des laseraktiven Materials und eines Materials mit großem Wärmeleitvermögen die Kühlmöglichkeit des Lasermaterials verbessert wird.

Das Wärmeleitvermögen von Gläsern ist im Vergleich zu dem von kristallinen Materialien oder Metallen weitaus geringer. So liegt das Wärmeleitvermögen der meisten oxidischen Gläser bei Raumtemperatur in der Größenordnung von 1 Watt/m × °C, wohin­ gegen das von kristallinen Isolatoren um mehr als eine Größen­ ordnung und das von Metallen sogar um mehr als zwei Größen­ ordnungen besser sein kann. Das geringe Wärmeleitvermögen der Gläser wirkt sich beim Einsatz von Lasergläsern als aktive Festkörpermaterialien im Vergleich zu Laserkristallen nachtei­ lig aus.

Bei Festkörperlasern werden Ionen, Atome, Moleküle oder Partikel in den aktiven Materialien durch Absorption elektromagnetischer Strahlung in einen angeregten Zustand gebracht ("gepumpt"), von dem aus Laseremission möglich ist. Beim "Pumpen" wird in den aktiven Medien aufgrund unterschiedlicher Mechanismen Wärme erzeugt. Diese Wärme muß nach außen an ein Kühlmedium abgegeben werden. Hierbei treten Temperaturunterschiede von innen nach außen auf, die umso größer sind, je stärker gepumpt wird und je geringer das Wärmeleitvermögen des betreffenden Materials ist. Da Gläser ein geringes Wärmeleitvermögen besitzen, können infolge des Pumpens so große Temperaturunterschiede zwischen den Bereichen im Inneren und an der Oberfläche der aktiven Medien vorkommen, daß diese Materialien bei großen Pumpleistungen zer­ stört werden.

Gläser sind daher unter dem Gesichtspunkt der Wärmeleitfähigkeit gegenüber Laserkristallen benachteiligt. Sie besitzen aber ande­ rerseits gegenüber kristallinen Materialien bedeutende Vorteile: Sie sind wirtschaftlicher und technisch leichter als kristallines Material in großen Stücken herzustellen. Ferner lassen sie sich homogener als Kristalle herstellen. Die Konzentrationen an akti­ ven Ionen können leicht variiert werden und höher als bei Kri­ stallen eingestellt werden. Die Absorptionsbanden der aktiven Ionen sind bei Gläsern breiter als bei Kristallen, so daß die Pumpenergie besser ausgenützt wird. Da die chemische Zusammen­ setzung der Gläser variiert werden kann, lassen sich ihre physika­ lischen (insbesondere optischen und mechanischen) Eingeschaften im Hinblick auf eine vorteilhafte Konstruktion des ganzen Laser­ systems einstellen.

Diese positiven Eigenschaften von Lasergläsern können infolge des schlechten Wärmeleitvermögens bisher nur beschränkt ausgenutzt werden.

Ziel der Erfindung sind Verbundsysteme zwischen Gläsern und Materialien mit großem Wärmeleitvermögen zur besseren Kühlung des aktiven Lasermaterials, wodurch die Lasermaterialien mit größerer Leistung gepumpt und die mittlere optische Leistung der Lasersysteme beträchtlich erhöht werden kann, ohne daß das aklive Material zerstört wird oder die Qualität des Laserstrahls verschlechtert wird.

Da Kunststoffe, Gele und Flüssigkeiten ähnlich schlechte Wärme­ leitungseigenschaften besitzen wie Gläser, lassen sich die im folgenden beschriebenen Merkmale auch auf Verbundsysteme mit diesen Stoffen oder ähnlichen Materialien direkt übertragen. Bei geeigneten Anordnungen kann die Wärmeableitung aus dem Ver­ bundsystem nicht nur durch kristalline transparente Materialien, sondern auch durch undurchsichtige Stoffe wie Metall, erhöht werden. Hierauf wird weiter unten näher eingegangen.

Eine einfache Anordnung, mit der die Wärmeableitung verbessert wird, ist in Fig. 1 für einen Laserstab mit kreis- oder recht­ eckförmigem Querschnitt dargestellt. Die vollständig schwarz eingefärbten Teile in Fig. 1 stellen transparente Kristall­ scheiben dar. (Alle vollständig schwarz ausgefüllten Teile in Fig. 1 und allen anderen Figuren sollen Materialien mit großem Wärmeleitvermögen repräsentieren.) Sie sind mit Scheiben eines Laserglases, die dazwischen liegen, in engem thermischen Kontakt. Dies erreicht man z.B. durch Verschmelzen, Verlöten, Aufsprengen, Verkleben oder durch eine Immersionsflüssigkeit. Die Dicke der Scheiben sollte dabei klein gegenüber ihrem Durchmesser oder ihrer größten Kantenlänge sein. Werden beim Pumpen die Laser­ glasscheiben erwärmt, so wird die Wärme bevorzugt über recht kurze Wege zunächst zu den Kristallscheiben mit großem Wärmeleit­ vermögen und von dort an das Kühlmedium abgeleitet. Wegen der verbesserten Wärmeleitung kann man höhere Pumpleistungen ein­ stellen, ohne daß der Laserstab zerstört wird oder daß die Qua­ lität des Laserstrahls verschlechtert wird.

In einem praktischen Beispiel verwendet man das Laserglas LG 760. Es hat bei Raumtemperatur ein Wärmeleitvermögen von K = 0,67 W/m°C: Als kristallines Material werden Quarzscheiben verwendet, die parallel zur c-Achse geschnitten sind. Für Quarz ist das Wärme­ leitvermögen bei Raumtemperatur in Richtung parallel zur c-Achse K = 12 W/m × °C und senkrecht dazu K = 6,8 W/m × °C. Beträgt der Durchmesser des zylindrischen Laserstabes D = 10 mm und die Dicke der Glas- bzw. Quarzscheiben d = 1 mm, so kann man die Verbesserung der Wärmeableitung aus dem Inneren des Stabes um etwa eine halbe Größenordnung gegenüber einem Stab, der ganz aus dem Laserglas LG 760 hergestellt wurde, abschätzen.

Anhand dieses Beispiels erkennt man, daß es günstiger ist, ab­ wechselnd sehr dünne Scheiben von Glas und Kristallen mit großem Wärmeleitvermögen zu verwenden. Dabei ist aber zu beachten, daß die linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten beider Materia­ lien nicht zu stark voneinander abweichen, da sonst bei verschmol­ zenen oder verklebten Scheiben im Falle der unvermeidlichen Erwärmung beim Laserbetrieb große mechanische Spannungen an den Kontaktflächen entstehen, die zum Bruch führen können. Bei einer elastischen Verbindung oder bei Kontakt über z.B. Immersions­ flüssigkeiten würde diese Anpassung der Ausdehnungskoeffizien­ ten entfallen. Im vorliegenden Beispiel sind die linearen ther­ mischen Ausdehnungskoeffizienten des Quarzes senkrecht zur c- Achse und des Glases mit 13,37 × 10^-6/°C und 12,5 × 10^-6/°C mitein­ ander verträglich, so daß beide Materialien fest miteinander verbunden werden können.

Weiterhin ist von Bedeutung, daß die Brechzahlunterschiede zwi­ schen Kristall und Glas bei einem Verbundsystem nach Fig. 1 nicht zu groß sind. Bei der Laserwellenlänge λ = 1053,5 nm haben die Brechzahlen von Quarz senkrecht zur c-Achse und von dem Glas LG 760 die Werte 1,534 bzw. 1,508. Folglich sind die Reflexionsverluste an einer Kontaktfläche R = 8 × 10^-5. Das be­ deutet, daß bei 100 Kontaktflächen insgesamt nur etwa 0,8% an Reflexionsverlusten auftreten. Obwohl diese Verluste bereits sehr niedrig sind, kann man sie noch beträchtlich vermindern, indem die Brechzahl des Laserglases noch genauer an die von Quarz bei der Betriebstemperatur des Lasers angepaßt wird. Sol­ che Änderungen lassen sich z.B. durch geringe Änderungen der Zusammensetzung des Glases leicht durchführen. Vorteil bei gut angepaßten Brechzahlen wäre, daß die Glas- und Kristallscheiben dann durchaus eine größere Keiligkeit besitzen können.

Die Kristall- und Glasscheiben müssen in diesem Fall auch nicht senkrecht zur Stabachse orientiert sein, vielmehr können sie einen beliebigen Winkel zur Stabachse haben, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Besonders geeignet wäre eine Orientierung unter dem Brewsterwinkel, da dann Laseroszillation mit nur einer definierten Polarisationsrichtung bevorzugt anschwingen kann. Anordnungen nach Fig. 3 haben außerdem den Vorteil, daß man große Laserstäbe mit großen Durchmessern und großen Dotierungs­ konzentrationen noch homogener anregen kann als Anordnungen nach Fig. 1.

Im Grenzfall sind die Kristalle mit gutem Wärmeleitvermögen parallel zur Achse des Laserstabes angeordnet, wie in den Fig. 3 bis 6 dargestellt ist. In diesen Fällen müssen die Teile mit hohem Wärmeleitvermögen nicht in der Brechzahl angepaßt sein. Ja, sie brauchen nicht einmal transparent zu sein, so daß man sogar die im Vergleich zu transparenten Kristallen noch viel besser wärmeleitenden Metalle oder Metallegierungen verwenden kann. Statt der Metallteile kann man auch Peltierelemente zur Kühlung verwenden, bei denen wegen des elektrischen Stromflusses neben der Wärmeableitung zusätzlich aufgrund des Peltiereffek­ tes gekühlt wird.

Anstelle von laseraktiven Gläsern können auch laseraktive Kunst­ stoffe, Gele oder sogar Flüssigkeiten Verwendung finden, in die kristalline Schichten oder Metallteile eingebettet sind. Auch bei solchen laseraktiven Materialien wird nach dem gleichen Prinzip wie bei den Gläsern die Wärmeableitung verbessert. Fol­ gende weitere Verbesserungen der Verbundsysteme sind möglich: Anstelle von undotierten Kristallen kann man laseraktive Kristal­ le, wie z.B. Nd- oder Cr-dotierte YAG-, YAP-, GSGG-. GSAG- oder Rubin-Kristalle nehmen. Wenn Glas und Kristall bei der gleichen Wellenlänge emittieren, so wird die Laseremission verstärkt; falls nicht, so kann man Laseremission bei unterschiedlichen Wellenlängen gleichzeitig erreichen.

Mit Hilfe von Schichtpaketen unterschiedlicher oder unterschied­ lich dotierter Materialien kann man zusätzlich erreichen, daß das Spektrum von Pumplichtquellen besser ausgenützt wird. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn eine der Materialkomponenten durch das Pumplicht zur Fluoreszenz bei solchen Wellenlängen angeregt wird, bei denen die laseraktiven Ionen oder Atome des Verbund­ systems absorbieren. So könnte man über Cr-dotierte GSGG- oder GSAG-Kristalle in einer Anordnung nach Fig. 3 bis 6 Nd-dotiertes Laserglas zusätzlich über die Fluoreszenz des Cr in diesen Kri­ stallen anregen und gleichzeitig die Wärmeableitung aus dem Glas verbessern. Umgekehrt kann man auch das Spektrum der Pumplichtquelle für die Anregung von Laserkristallen besser ausnützen, indem man fluoreszenzfähige Gläser, Kunststoffe, Gele oder Flüssigkeiten zwischen kristalline Laserscheiben oder in einer longitudinalen Anordnung nach Fig. 3 bis 6 bei kri­ stallinen Laserstäben verwendet.

Claims (9)

1. Verbundmaterial für die Lasertechnik, dadurch gekennzeich­ net, daß es aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichem Wärmeleitvermögen besteht, von denen min­ destens eines mit geringem Wärmeleitvermögen fluoreszenzfähig oder laseraktiv ist und mindestens ein Material ein größeres Wärmeleitvermögen besitzt, und daß alle Materialkomponenten so miteinander in thermischem Kontakt sind, daß die Wärme, die im Inneren des Verbundmaterials erzeugt wird, bevorzugt durch die Teile mit der größeren Wärmeleitfähigkeit nach außen an die Oberfläche abgeleitet wird.

2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Materialkomponente aus Glas oder Kunststoff oder Gel oder Flüssigkeit mit fluoreszenzfähigen Ionen, Atomen, Molekülen, Partikeln oder Kristalliten besteht.

3. Verbundmaterial nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens eine Materialkomponente aus kri­ stallinem Material besteht.

4. Verbundmaterial nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Materialkomponente ein Metall oder eine Metallegierung ist oder aus Peltierelementen besteht.

5. Verbundmaterial nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Materialkomponenten gleiche oder unterschiedliche fluoreszenzfähige oder laseraktive Ionen, Atome, Moleküle, Partikel oder Kristallite enthalten.

6. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialkomponenten gleich oder annähernd gleich groß sind.

7. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechzahlen der Materialkomponenten, sofern es sich nicht um Metalle handelt, gleich oder annähernd gleich groß sind.

8. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialkomponenten verschmolzen, ver­ lötet, angesprengt, verklebt oder durch eine Flüssigkeit mit­ einander verbunden sind.

9. Verwendung eines Verbundmaterials gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 als aktives Lasermaterial in Form eines Laserstabes oder einer Laserplatte.