DE4132063C2 - - Google Patents
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Description
Beim Betrieb von Festkörper- und Halbleiterlasern ist es nötig, eine
Kühlmöglichkeit vorzusehen. Für die Wirksamkeit der Kühlung ist jedoch
nicht nur das verwendete Kühlsystem allein, sondern auch seine Anbin
dung bzw. Einbindung/Einbau in das Gesamtsystem zu beachten. Frühere
Vorschläge der Anmelderin hierzu sind in den deutschen Offenlegungs
schriften DE 38 35 701 und DE 39 25 201 enthalten. Aus der JP 3-3 376 (A)
ist eine Kühlvorrichtung für einen Festkörperlaser in Form eines Fest
körpermaterials bekannt, über das die Wärme abgeführt wird. Das Festkör
permaterial ist optisch jedoch nicht durchlässig und kann somit nicht
über die Spiegelflächen kontaktiert werden, sondern liegt jeweils an
Seitenflächen des Laserkristalls an. Weiterhin ist ein bekannter Mikro
kristallaser in Fig. 1 dargestellt, wobei optisch mit einer Laserdiode 1
über eine Transferoptik 2 gepumptes Festkörperlasermaterial 3 verwendet
wird. Typischerweise werden bekannte Kristalle in Scheibenform mit einem
Durchmesser von 2 bis 3 mm und einer Dicke von <1 mm verwendet, siehe
z. B. die Druckschrift Owyoung and Esherick, Optics Letters, Vol. 12 (1987), Seiten
999 ff. oder auch Huber, Current Topics in Material Science, Vol. 4, North
Holland Publishing Comp., 1980. Aufgrund des kurzen Resonators emittie
ren solche Laser im Einmodenbetrieb. In speziellen Abwandlungen können
auch andere Wellenlängen sowie abstimmbare Laser verwendet werden.
Mikrokristallaser werden nach dem Stand der Technik durch Halterung der
Kristalle in metallischen Vorrichtungen 4, welche gleichzeitig der Hal
terung der scheiben- oder quaderförmigen Kristalle dienen und welche na
türlich jene Stellen weiträumig aussparen müssen, an denen die Lasermode
im Kristall verläuft, gekühlt; eine andere Methode ist die direkte Kon
taktierung eines Laserkristall-Quaders auf einer metallischen Basis, wo
bei ebenfalls der Bereich der Lasermode ausgespart werden muß und zudem
noch ungleichförmig, bedingt durch die unsymmetrische Wärmeableitung,
erfolgt. Weiterhin ergibt sich ein Temperatur-Gradient zwischen Kühlhal
terung und Laserkristall an der Stelle der Lasermode, welcher in erster
Linie den Krümmungsradius eines sehr dünnen (<1 mm) Kristalles mit pla
nen Oberflächen und somit auch den Laserresonator und dessen Stabilität
bestimmt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Kühlvorrichtung für Festkör
perlaser, insbesondere Mikrokristallaser zu schaffen, die sowohl eine
gleichförmige Wärmeabfuhr als auch einen geringen Temperaturgradient und
eine hohe Effizienz aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 1. Aus- und Weiterbildungen der
Erfindungen sind in weiteren Ansprüchen sowie der Beschreibung und
Zeichnung von Ausführungsbeispielen enthalten. In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2a die Temperaturverteilung über den Durchmesser der Kristallober
fläche für den Fall, daß der Pumplicht-Fokusdurchmesser a klei
ner als der Lasermodendurchmesser b ist,
Fig. 2b die Temperaturverteilung wie oben in umgekehrtem Falle,
Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4a, 4b, 5, und 6 weitere Ausführungen der Erfindung,
Fig. 7 einen bekannten Mikrokristallaser.
Für eine geeignete Kühlung der dünnen Kristallscheiben oder -quader darf
der Gradient in Fig. 2a zwischen der Fläche b des Kristalles, an der die
Lasermode entsteht, und den kühlenden Randregionen nicht zu groß werden.
Bei schlechtem Modenüberlapp, wenn also die Pumpfläche (Pumplichtfokus)
a größer als die Modenfläche b ist, ergibt sich zudem eine starke Wel
ligkeit (Fig. 2b).
Eine Lösung dieser Problematik ist erfindungsgemäß dadurch zu erzielen,
daß der Kristall auch im Bereich der Resonatormode selbst gekühlt wird,
was durch ein optisch transparentes Medium erfolgt, welches andererseits
eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Oberflächenqualität aufweist,
um vorteilhafterweise einen guten thermischen Kontakt zum Kristallmate
rial und zu einer Wärmesenke zu garantieren.
Eine solche Kühlvorrichtung ist jetzt dadurch realisiert worden, daß ein
monolithischer Mikrokristallaser 3 mit einer sehr plan geschliffe
nen Saphir- oder (Kunst-)Diamantplatte 5 kontaktiert wurde, welche ih
rerseits mit einer Wärmesenke 4 in Verbindung steht (Fig. 1). Ein
Saphir- oder (Kunst-)Diamant kann zum einen äußerst gut optisch poliert
werden, so daß eine hohe Oberflächenplanität und -güte erzielt werden
kann, zum anderen weist es eine sehr gute thermische Leitfähigkeit (0,35
W/cm C gegenüber 0,13 W/cm C bei Nd : YAG) und eine sehr hohe optische
Transparenz auf. Während die Pumplicht- bzw. Laserstrahlung das Saphir
material oder auch das (Kunst-)Diamantmaterial gut transmittieren kann,
wird die auch am Ort der Lasermode entstehende Wärme abgeleitet (Fig.
4a).
Da bei nichtidealem Überlapp von Pumplicht und Lasermode auch ein nicht
emittierender Teil des Laserkristalles optisch gepumpt werden kann, wel
cher höhere thermische Belastung aufweist als der emittierende Bereich,
kann auch dieser Gradient ausgeglichen werden (Fig. 4b).
Die Saphir- bzw. (Kunst-)Diamantplatte selbst wird mit einer Wärmesenke
kontaktiert, welche die Wärme möglichst symmetrisch zur Resonatormode
oder zum Pumpmodenprofil ableitet. Dies kann ideal kreissymmetrisch sein
(Fig. 5) oder aber auch in seiner Form dem Pumplichtprofil angepaßt wer
den (ein z. B. elliptisches Pumpprofil wird über einen mit der
Saphir- oder (Kunst-)Diamantplatte kontaktierten elliptischen Metallring
mit umgekehrter Ellipsenachsenabmessung so gekühlt, daß ein kreisförmi
ges Isothermenprofil auf dem Laserkristall entstehen kann), siehe Fig. 6
(2 bezeichnet hier die Isothermen, 1 die Pumplichtmode).
Der Laserkristall kann je nach Aufbau einseitig oder beidseitig mit sol
chen Saphir- oder Diamantplättchen kontaktiert werden (Fig. 3). Die Aus
dehnung des Lasermaterials im Falle einer Ausdehnung trotz Kühlung ist
mit ca. 4 nm/K verschwindend gering.
Die mechanische Stabilität eines monolithischen Mikrokristallasers wird
durch diese Anordnung ebenfalls erhöht, weisen diese doch typische Ab
messungen von etwa 3 mm Durchmesser und 0,7 mm Dicke auf.
Claims (4)
1. Vorrichtung zur Kühlung eines Festkörperlasers, insbesondere Mi
krokristallasers mittels eines Festkörpermaterials, dadurch gekenn
zeichnet, daß das optisch anregbare Lasermedium mit einem optisch
durchlässigen Festkörpermaterial hoher Wärmeleitfähigkeit auf einer oder
beiden Spiegeloberflächen des Lasers kontaktiert ist, so daß die Kühlung
des Lasermediums mittels dieses Festkörpermaterials erfolgt.
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Festkörpermaterial Saphir verwendet wird.
3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Festkörpermaterial (Kunst-)Diamant verwendet wird.
4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Festkörpermaterial seinerseits in Kontakt mit einer Wärmesenke
steht, welche so geformt ist, daß sich im Bereich der Lasermode im La
sermedium ein kreisförmiges bzw. dem Modenprofil entsprechendes Isother
menprofil ausbildet.
Priority Applications (1)
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DE19914132063 DE4132063A1 (de) | 1991-09-26 | 1991-09-26 | Vorrichtung zur kuehlung von festkoerperlasern, insb. mikrokristallasern |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19914132063 DE4132063A1 (de) | 1991-09-26 | 1991-09-26 | Vorrichtung zur kuehlung von festkoerperlasern, insb. mikrokristallasern |
Publications (2)
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DE4132063A1 DE4132063A1 (de) | 1993-04-08 |
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ID=6441556
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19914132063 Granted DE4132063A1 (de) | 1991-09-26 | 1991-09-26 | Vorrichtung zur kuehlung von festkoerperlasern, insb. mikrokristallasern |
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- 1991-09-26 DE DE19914132063 patent/DE4132063A1/de active Granted
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Owner name: DAIMLER-BENZ AEROSPACE AKTIENGESELLSCHAFT, 80804 M |
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Owner name: DAIMLERCHRYSLER AEROSPACE AKTIENGESELLSCHAFT, 8099 |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DAIMLERCHRYSLER AEROSPACE AG, 85521 OTTOBRUNN, DE |
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