DE4239653C2 - Kühlanordnung für ein Festkörperlaserarray - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanordnung für ein Festkörperlaser­ array gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 Ein solches ist aus der US 5 115 445 bekannt.

Die Erzeugung hoher Laserleistung führt aufgrund hoher Pumpleistung zu thermischen Problemen im Laserkristall. Lampengepumpte Festkörperlaser höherer Leistung werden deshalb immer gekühlt. Die Verwendung von Laserdioden anstatt von Lampen weist erhebliche jedoch Vorteile beim Bau von Festkörperlasern auf und ist in der Literatur beschrieben. Die thermische Belastung im Laserkristall kann zwar durch die Verwendung von Laserdioden anstatt Lampen erheblich verringert werden, jedoch führt ein Quantenwirkungsgrad von kleiner 1 (Nd:YAG 76%) immer zum Auftreten von Verlustleistung. Eine effiziente Art Festkörperlaser mit Laserdioden optisch zu pumpen liegt in der longitudinalen Pumpgeometrie, bei der die Pumpstrahlung longitudinal in den Laserkristall eingekoppelt wird. Durch die starke Fokusierung ergibt sich ein hoher Temperaturgradient im Laserkristall (Fig. 4). Die im Kristall erzeugte Wärme führt zu Verspan­ nungen im Gitter des Laserkristalls, was zur Ausbildung einer thermischen Linse oder thermisch induzierten Doppelbrechung führt und somit eine Störung im Laserresonator hervorruft. Bei zu hoher Pumpleistungsdichte können die Gitterverspannungen so stark werden, daß es zur Zerstörung des Kristalls kommt. Theoretische Abschätzungen weisen im Falle des longitudinalen Pumpens auf eine maximale Pumpleistungsdichte von knapp 30 W/mm2 hin. Es wurden einige Verfahren entwickelt, um den thermischen Störungen zu begegnen. Beispielsweise die Kühlung der Laserkristalle mittels wasserdurchströmter Kupferkühler, Peltierelemente, oder Kryostaten.

Diese Verfahren weisen jedoch alle den Nachteil auf, daß die Kühlung relativ weit weg von dem gepumpten Volumen im Kristall erfolgt und somit große Temperaturunterschiede auftreten, welche zu Gitterverzerrungen führen.

Aus der US 5 115 445 ist eine andere Möglichkeit bekannt, Laserstrahlung hoher Leistung bei Verringerung der thermischen Störungen im Laserreso­ nator zu erzeugen, die in der Verwendung zweidimensionaler Anordnung von Laserkristallen liegt. Derartige Festkörperlaser werden mit einem zwei­ dimensionalen Laserdiodenarray entweder direkt oder über Fasern optisch gepumpt (Fig. 3). Bei solchen Lasersystemen bilden sich über den gesamten Laserkristall an den gepumpten Stellen Lasermoden aus. Die einzelnen Laserstrahlen können anschließend mittels Phasenkopplung kohärent über­ lagert werden, wodurch ein Strahl entsteht, der die Leistung aller Teil­ strahlen vereint und ein beugungsbegrenztes Strahlprofil aufweist. Auf diese Art kann die thermische Belastung stark reduziert werden, jedoch muß auch hier bei hoher Pumpleistung der einzelnen Bereiche eine effiziente Kühlung des Laserkristalls möglichst nahe an der Lasermode erfolgen, da nur unwesentliche Störungen der einzelnen Laserresonatoren auftreten dürfen, um eine Phasenkopplung überhaupt zu ermöglichen.

Weiterhin sind Mikrokühler aus geätzten Siliziumstrukturen zur Kühlung von Halbleiterlasersystemen ausführlich in Appl. Phys. Lett. 56 (1990) S. 2065-2067 oder in IEEE J. Quantum Electronics 25 (1989) S. 1988-1992 beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung aufzuzeigen, welche die Kühlung zweidimensionaler Laserkristallarrays in sehr kom­ pakter Bauweise ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 dargestellten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Ausführungsbeispiele angegeben und im folgenden beschrieben sowie in den Skizzen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Den prinzipiellen Aufbau eines mittels Mikrokühler gekühlten Laserkristalls;

Fig. 2 Draufsicht auf einen mittels Mikrokühler gekühlten Laserkristall vom Mikrokühler aus gesehen mit den für den Durchtritt der Laserstrahlung geschaffenen Unterbrechungen des Mikrokühlers;

Fig. 3 eine Darstellung eines zweidimensionalen Laserarrays, welches über eine zweidimensionale Anordnung von Laserdioden optisch gepumpt wird, nach dem Stand der Technik;

Fig. 4 das Temperaturprofil in einem 3_*8 mm langen Monolithen, welcher mit einer 1 W cw Laserdiode optisch gepumpt wird;

Fig. 5 Draufsicht auf eine Kühlerabschlußplatte eines Mikrokühlers nach dem Stand der Technik.

Mikrokühler erlauben an sich die Abführung hoher Verlustleistungen von bis zu 2.5 kW/cm2 bei sehr kompakter Bauweise und sind heute Stand der Technik (Fig. 7). Die Mikrokühler werden typischerweise aus Silizium her­ gestellt, in das mittels anisotropem Ätzen viele kleine Kanäle strukturiert werden. Die Kanalstege und Kanalbreiten sind dabei typischerweise etwa 25 µm groß bei einer Tiefe von etwa 200 µm-300 µm. Die Kühler werden typischerweise mit Pyrex-, Borsilikatglas oder Silizium verschlossen.

An den Stellen im Laserkristall, an denen sich durch optisches Pumpen eine Lasermode ausbildet, wird der den ganzen Laserkristall bedeckende Mikrokühler unterbrochen, um einen freien Strahlaustritt ohne optische Verluste zu gewährleisten (Fig. 2).

Diese Maßnahme kann entfallen, falls die Laserwellenlänge keine Absorp­ tion im Material des Mikrokühlers erfährt. In diesem Fall muß jedoch dafür Sorge getragen werden, daß die einzelnen Laserstrahlen nur durch das Kühlermaterial und nicht durch das Kühlmedium hindurchtreten, das wegen der Strömung eine unregelmäßige Streuung und eventuell auch eine Absorp­ tion der Laserstrahlen mit sich bringen wurde. Bei Verwendung von Silizium als Kühlermaterial, welches ab einer Wellenlänge von 1.1 µm transparent wird, kann somit auf die Entfernung des Kühlers an den laseraktiven Stellen verzichtet werden, falls die Laserwellenlänge größer als 1.1 µm ist.

Die Unterbrechungen im flächigen Kühler lassen sich in einem "batch-Pro­ zeß" anisotrop ätzen, oder auch mit demselben Verfahren schaffen, wenn der Laserkristall bereits auf den Kühler aufgebracht ist. Der Durchmesser der "Löcher" im Kühler beträgt hierbei mindestens etwa das doppelte des Durchmessers der Lasermode, um beugungsfreien Strahldurchtritt durch den Kühler zu gewährleisten und liegt typischerweise in der Größenordnung von etwa 500 bis 1000 µm. Hieraus resultiert eine Kühlung sehr nahe an der Lasermode, bzw. an den heißen Stellen des Laserkristalls, was die auftretenden Temperaturgradienten minimiert und damit die thermische Belastung des Laserkristalls stark reduziert.

Die Einheit Mikrokühler-Laserkristall kann auch folgendermaßen realisiert werden. Hierbei wird auf einen fertigen Mikrokühler, der beispielsweise aus strukturiertem Silizium und einer Deckplatte aus Pyrexglas besteht der Laserkristall aufgedampft bzw. abgeschieden. Typische Dicken der Laserkristalle liegen bei einigen 100 µm, so daß Abscheideverfahren, wie z. B. MOCVD etc. wegen der langen Abscheiderate und hohen inhärenten Spannungen ausscheiden. Jedoch lassen sich mit der Flüssigphasen-Epitaxie Schichtdicken von einigen 100 µm mit tolerierbaren Spannungen herstellen. Auf diese Weise kann mit den Hilfsmitteln der Mikrosystemtechnologie ein zweidimensionaler aktiv gekühlter Laserkristall hergestellt werden.

Claims (3)

1. Kühlanordnung für ein von Diodenlaser gepumptes Festkörperlaserarray, das an den Stellen der Einstrahlung der Pumpenergie in den Laserkristall oder in das Laserglas mehrere Lasermoden ausbildet, wobei ein Mikrokühler direkt und flächig an einer Stirnseite des Laserkristalls oder -glases anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkristall oder das Laserglas direkt auf die aus Silizium bestehende Mikrokühlerstruktur oder die aus Pyrexglas bestehende Deckplatte einer Mikrokühlereinheit aufgewachsen oder abgeschieden ist.

2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrokühlerstruktur Löcher für den Durchtritt der Laserstrahlung aufweist, welche etwa den doppelten Durchmesser der Lasermode haben und durch anisotropes Ätzen hergestellt sind.

3. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrokühlerstruktur lediglich in den Bereichen, in denen keine Laseraktivität des Laserkristalls stattfindet, von Kühlmittel durchflossen wird.