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Hintergrund
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Die
Erfindung richtet sich auf das Gebiet der Hochleistungslaser und
im Besonderen auf eine flächengekühlte optische
Zelle zur Verwendung in Laseraufnehmern.
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Hochleistungslasersysteme
werden verwendet, um wesentliche Änderungen in Gegenständen zu
bewirken. Beispielhafte Anwendungen von Hochleistungslasersystemen
schließen
Materialbearbeitung, Elektronikfertigung, medizinische Behandlung, Kernfusion
und Laserwaffen ein.
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In
Hochleistungslasersystemen werden Spiegel und Linsen, die den Laserstrahl
lenken und übertragen,
extrem hohen Niveaus von optischem Energiedurchsatz und Intensität ausgesetzt.
Der Träger
und die Trägerbeschichtungen
dieser Optik werden aus sorgfältig
ausgewählten
Materialien gebildet, um die Energieabsorption von dem Laserstrahl
zu minimieren. Trotz dieser Maßnahmen
absorbieren die meisten Glasträger
und Entspiegelungsbeschichtungen kleine Energiebruchteile von dem
Laserstrahl, was zu deren Erhitzung führt. Diese Erhitzung ist schädlich für die empfindliche
Optik in dem Laserresonator, da die vorgeschriebenen Werte dieser
Optik sich bei Temperatur aufgrund thermischer Ausdehnung verändern. Die
durch thermische Ausdehnung verursachten resultierenden Abmessungsänderungen
können
letztlich Strahlenverzerrung, ungewünschte Strahlenlenkung erzeugen,
und den Komponenten Schaden zufügen.
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Die
physikalischen Eigenschaften von optischen Materialien machen es
außergewöhnlich schwierig,
Wärme während des
Betriebs von der Optik abzuführen.
Insbesondere haben übertragungsfähige optische
Materialien sehr niedrige Wärmeleitfähigkeiten.
Folglich treten während
des Laserbetriebs große
thermische Gradienten in diesen Materialien auf. Große thermische
Gradienten und hohe Oberflächentemperaturen
in der Optik können örtlich begrenzte
Konvektionsströme
in der umgebenden Luft verursachen, die zu Instabilitäten in dem
Strahl führen.
Daher ist es notwendig, bei manchen Bemessungswerten des optischen
Durchsatzes und der Intensität
Kühlung
der Optik bereitzustellen, so dass sie während des Laserbetriebs ihre
vorgeschriebenen Werte und Bemessungstemperaturen beibehalten.
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Die
Kühlung
der Optik kann entweder aktiv oder passiv erfolgen. Aktive Kühlungssysteme
haben eine Anzahl von erheblichen Nachteilen, die Probleme im Zusammenhang
mit Vibration und Temperatursteuerung beinhalten. Damit das Temperatursteuerungssystem
einwandfrei funktioniert, sind spezielle Materialien, Kühlmittel
und Geräteausstattung
erforderlich. Diese Erfordernisse erhöhen den Umfang und die Kosten
des Temperatursteuerungssystems. Passive Kühlungssysteme für optische
Elemente haben den Vorteil, weniger kompliziert als aktive Systeme
zu sein. Bekannte passive Kühlungssysteme
sind jedoch weniger als völlig
zufriedenstellend.
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Demnach
besteht eine Notwendigkeit für eine
verbesserte Kühlungsanordnung
für optische Elemente
in Hochleistungslasersystemen, die (i) passiv ist und einen vereinfachten
Aufbau aufweist; (ii) die Erhitzung von optischen Elementen aufgrund
der Absorption von Laserlicht während
des Laserbetriebs minimiert; (iii) die örtlich begrenzte Konvektionsströme in der
Nähe der
Oberfläche
des optischen Elements vermindert; und (iv) die Temperaturgradienten in
dem optischen Elementträger
vermindert.
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Zusammenfassung
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Kühlanordnung für optische
Elemente in Hochleistungslasersystemen bereit, die die vorstehend beschriebenen
Bedürfnisse
befriedigt. Noch spezieller stellt die vorliegende Erfindung eine
optische Zelle bereit, die (i) das optische Element passiv kühlt und einen
einfachen, vielseitigen Aufbau aufweist; (ii) die Erhitzung des
optischen Elements aufgrund der Absorption von Laserlicht während des
Laserbetriebs minimiert; (iii) die Oberflächentemperatur des optischen
Elements minimiert, dadurch die örtlichen
konvektiven Luftströme
reduzierend; (iv) die Temperaturgradienten und resultierenden Abmessungsänderungen
in dem Träger
des optischen Elements minimiert, wobei die damit zusammen-hängenden
schädlichen Effekte
vermindert werden.
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Zusätzlich kann
die optische Zelle standarisierte Stelleinrichtungen für die mechanische
Positionierung des optischen Elements innerhalb der optischen Zelle
aufweisen. Die optische Zelle schützt das optische Element während der
Lagerung und dem Zusammenbau. Darüber hinaus ist das Design der optischen
Zelle modular, was ein einfaches Ersetzen in dem Laseraufnehmer
ermöglicht.
Es ist kein Ausbau des Kühlsystems
notwendig.
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Die
optische Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung
wird in einem Laseraufnehmer verwendet, in dem ein Laserstrahl während des
Betriebs erzeugt wird. Die optische Zelle umfasst ein optisches
Gehäuse
mit einer Wand, die eine erste Laserstrahlblende dort hindurch definiert.
Ein optisches Element ist innerhalb des optischen Gehäuses angeordnet.
Eine erste wärmeleitende
Schicht ist zwischen und in angrenzendem Kontakt mit der Wand des
optischen Gehäuses
und dem optischen Element angeordnet. Eine optische Abdeckung ist
innerhalb des optischen Gehäuses
angeordnet und definiert eine zweite Laserstrahlblende dort hindurch,
die im Wesentlichen zu der ersten Laserstrahlblende ausgerichtet
ist. Eine zweite wärmeleitende
Schicht ist zwischen und in angrenzendem Kontakt mit dem optischen
Element und der optischen Abdeckung angeordnet.
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Das
optische Gehäuse
und die optische Abdeckung sind üblicherweise
aus Metall mit einem hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten
gebildet.
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Die
erste und zweite wärmeleitfähige Schicht enthalten üblicherweise
Indium, das leicht verformbar ist, und eine gute Wärmeleitfähigkeit
aufweist. Die Indium-Schichten
stellen wirkungsvolle Wärmeleitung
zwischen dem optischen Element und dem optischen Gehäuse und
der optischen Abdeckung bereit.
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Ferner
kann die optische Zelle ein die optische Abdeckung mit dem optischen
Gehäuse
verbindendes wärmeleitfähiges Material
enthalten. Dies Material ist üblicherweise
Indium, das als eine Lötverbindung
angewendet wird.
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Die
erste und zweite Laserstrahlblende sind üblicherweise rechteckig geformt,
um sich an die Form des Laserstrahlquerschnitts anzugleichen. Der Laserstrahl
hat eine Höhe
und eine Breite. Die erste und zweite Laserstrahlblende haben jeweils
eine Höhe
gleich dem etwa zweifachen der Höhe
des Laserstrahls und eine Breite gleich dem etwa zweifachen der
Breite des Laserstrahls. Diese Bemessung der Blenden minimiert den
Wärmeübertragungspfad von
dem Fenster des optischen Elements, durch welches der Laserstrahl
hindurchgeht, zu dem optischen Gehäuse und der optischen Abdeckung.
Folglich werden die Temperaturgradienten in dem optischen Element
minimiert. Konvektive Luftströme
in der Nähe
der Flächen
des Fensters werden auch minimiert. Die Bemessung der Blende ermöglicht auch streuendem
Laserlicht durch das Fenster hindurch zu gehen und nicht auf die
Metallbereiche der optischen Zelle aufzutreffen.
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Die
vorliegende Erfindung ist ferner auf eine Halterung einer optischen
Zelle gerichtet. Die Halterung der optischen Zelle umfasst Klemmelemente zur
abnehmbaren Fixierung der optischen Zelle in dem Laseraufnehmer,
und Kühlungselemente
zur Kühlung
der optischen Zelle während
des Betriebs des Lasers, um Hitze von dem optischen Element abzuleiten.
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Zeichnungen
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Diese
und weitere Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung, angehängten Ansprüchen und
begleitenden Zeichnungen verständlich,
wobei:
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1 eine
hintere Aufrissansicht einer optischen Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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2 eine
Querschnittsansicht in Richtung der Linie 2-2 aus 1 ist;
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3 eine
Querschnittsansicht in Richtung der Linie 3-3 aus 1 ist;
und
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4 eine
Querschnittsansicht ist, die die in dem Laseraufnehmer befestigte
optische Zelle veranschaulicht.
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Beschreibung
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1–3 veranschaulichen
eine optische Zelle 20 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die optische Zelle 20 enthält ein optisches Gehäuse 22 mit
einer vorderen Fläche 24,
die eine Laserstrahlblende 26 definiert und eine hintere
Fläche 28.
Die dargestellte Blende 26 ist rechteckig ausgebildet und hat
eine Weite WA und eine Höhe HA.
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Eine
erste Schicht 30 aus wärmeleitendem Material
ist an der vorderen Fläche 28 des
optischen Gehäuses 22 vorgesehen.
Die erste Schicht 30 enthält üblicherweise eine Indium-Folie,
die weich und verformbar ist, um für einen guten Wärmekontakt
mit dem optischen Gehäuse 22 zu
sorgen. Die Schicht 30 hat üblicherweise eine Dicke von
weniger als ungefähr
0,0254 cm (0,010 Inch).
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Das
optische Gehäuse 22 enthält üblicherweise
ein Metall wie Aluminium, Kupfer oder dergleichen, mit einer hohen
Wärmeleitfähigkeit.
Das optische Gehäuse 22 kann
gegebenenfalls aus geeigneten nicht-metallischen Materialien mit
einer hohen Wärmeleitfähigkeit
gebildet werden.
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Ein
optisches Element 32 mit einer vorderen Fläche 34,
einen umlaufenden Rand 36 und einer hinteren Fläche 38 ist
innerhalb des optischen Gehäuses 22 angeordnet.
Optische Elemente wie Spiegel, Linsen, Prismen und Polarisatoren
können
in der optischen Zelle 22 verwendet werden. Das optische Element 32 enthält einen
Glasträger,
der üblicherweise
eine ent-spiegelnde Beschichtung zur Verminderung von Reflexionsverlusten
aufweist. Das optische Element 32 ist mit ausreichendem
Druck in das optische Gehäuse 22 zum
Einbetten der vorderen Fläche 34 in
die Schicht 30 eingepasst.
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Das
optische Element 32 kann eine oder mehrere ebene Oberflächen (nicht
gezeigt) aufweisen, die in ihrem Umfang zur mechanischen Positionierung
des optischen Elements 32 innerhalb der optischen Zelle 20 ausgebildet
sind.
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Eine
optische Abdeckung 40 ist innerhalb des optischen Gehäuses 22 hinter
der hinteren Fläche 38 des
optischen Elements 32 angeordnet. Die optische Abdeckung 40 hat
eine Vorderfläche 42 und eine
Hinterfläche 44 und
definiert eine Laserstrahlblende 46, die sich dort hindurch
zwischen der Vorderfläche 42 und
der Hinterfläche 44 ausdehnt.
Die Blende 46 hat üblicherweise
die gleiche Form und Abmessung wie die Blende 26 in dem
optischen Gehäuse 22.
Die Blende 46 ist im Wesentlichen mit der Blende 26 so
ausgerichtet, dass sie ein Fenster 47 des optischen Elements 32 definiert,
durch das der Laserstrahl durchgeht. Die optische Abdeckung 40 ist üblicherweise
aus dem gleichen Material wie das optische Gehäuse 22 gebildet.
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Eine
zweite Schicht 48 ist zwischen der optischen Abdeckung 40 und
der hinteren Fläche 38 des optischen
Elements 32 angeordnet, um für Wärmeübertragung von dem optischen
Element 32 zu der optischen Abdeckung 40 zu sorgen.
Die zweite Schicht 48 enthält üblicherweise das gleiche Material
wie die erste Schicht 30. Die optische Abdeckung 40 ist üblicherweise
in der zweiten Schicht 48 eingebettet.
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Die
Schichten 30, 48 decken im Wesentlichen die hintere
Fläche 28 des
optischen Gehäuses 22 und
die Vorderfläche 42 der
optischen Abdeckung 40 ab. Die Schichten 30, 48 sind
nicht bei dem Fensterabschnitt 47 des optischen Elements 32 vorgesehen.
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Die
optische Abdeckung 40 ist unbeweglich an das optische Gehäuse 22 befestigt.
Zum Beispiel kann eine sich um den Umfang erstreckende Lötverbindung 50 zwischen
dem optischen Gehäuse 22 und
der optischen Abdeckung 40 gebildet werden. Das Lötmaterial
ist üblicherweise
Indium, das einen niedrigen Schmelzpunkt (157°C) hat. Die Verwendung von Indium
ermöglicht,
dass das Löten
bei einer niedrigen Temperatur durchgeführt wird, wobei die Hitzewirkungen
in dem optischen Element 32 vermindert werden. Der Aufbau
der optischen Zelle 20 sorgt für guten Wärmekontakt zwischen dem optischen Element 32 und
dem optischen Gehäuse 22,
und der optischen Abdeckung 40 an der vorderen Fläche 34 bzw.
der hinteren Fläche 38 des
optischen Elements 32 und sorgt auch für guten Wärmekontakt zwischen der optischen
Abdeckung 40 und dem optischen Gehäuse 22.
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Eine
oder mehrere längslaufende
Bohrungen 52 können
durch das optische Gehäuse 22 gebildet
werden, um Elemente wie Stifte 54 aufzunehmen, um die optische
Zelle 20 relativ zu der optischen Zellenbefestigung 61,
die in 4 gezeigt und unten beschrieben wird, einzustellen.
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Eine
querverlaufende Bohrung 56 kann auch durch das optische
Gehäuse 22 und
die optische Abdeckung 40 gebildet werden, um eine Element
wie einen Stift 58 aufzunehmen, um die Ausrichtung der Blenden 26, 46 während der
Fixierung der optischen Abdeckung 40 an das optische Gehäuse 22 einzustellen
und festzusetzen.
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Das
optische Element 32 kann wie gezeigt eine flache vordere
Fläche 34 und
hintere Fläche 38 aufweisen,
oder das optische Element 32 kann eine oder mehrere gewölbte Flächen (nicht
gezeigt), solche wie bei gewölbten
Spiegeln oder Linsen aufweisen. Für solche gewölbte optische
Elemente werden die Hinterfläche 28 des
optischen Gehäuses 22 und die
Vorderfläche 42 der
optischen Abdeckung 40 bearbeitet, um eine passende Abgrenzung
an die angrenzende Fläche
des optischen Elements aufzuweisen, um gleichmäßige Wärmeübertragung von dem optischen
Element 32 zu dem optischen Gehäuse 22 und der optischen
Abdeckung 40 sicher zu stellen.
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Die
Blende 26 in dem optischen Gehäuse 22 ist abgemessen
und geformt, um den Abstand der Wärmeübertragung von dem optischen
Element 32 zu dem optischen Gehäuse 22 und der optischen
Abdeckung 40 zu minimieren. Wie in 1 gezeigt,
ist der Querschnitt des Laserstrahls 60, der durch das Fenster 47 des
optischen Elements 32 durchgeht, im Wesentlichen rechteckig
und hat eine Höhe
HL und eine Breite WL.
Der Laserstrahl 60 enthält üblicherweise
auch weitere Streulichtwellen (nicht gezeigt), die zwischen dem
veranschaulichten Laserstrahl 60 und dem Umfang der Blenden 26, 46 auftreten.
Während
des Laserbetriebs ist es wichtig, diese Streulichtwellen davon abzuhalten,
auf die optische Abdeckung 40 und das optische Gehäuse 22 aus
Metall aufzutreffen, da dieses Auftreffen Schaden an der optischen Zelle 20 und
dem Laser verursachen kann. Um das Auftreffen dieser Streulichtwellen
auf Metall zu verhindern, sind die Höhe HA und
Breite WA der Blenden 26, 46 (nur
die Höhe
und Breite der Blende 46 werden gezeigt) vorzugsweise jeweils
etwa dem zweifachen der Höhe
HL und etwa dem zweifachen der Breite WL des Laserstrahls 60 gleich. Zum
Beispiel für
einen Laserstrahl 60 mit einem rechteckigen Querschnitt
mit einer Höhe
HL von 5,08 cm (2 Inch) und einer Breite
WL von 2,54 cm (1 Inch) weisen die rechteckigen
Blenden 26, 46 eine entsprechende Höhe HA von ungefähr 10,16 cm (4 Inch) und eine Breite
WA von etwa 5,8 cm (2 Inch) auf. Entsprechend sind
die Querschnittsflächen
der Blenden 26, 46 für rechteckige Formen etwa dem
vierfachen der Querschnittsfläche
des Laserstrahls gleich. Diese relative Abmessung der Blenden 26, 46 minimiert
auch den Pfad für
Wärmeübertagung
von dem optischen Element 32 zu dem optischen Gehäuse 22 und
der optischen Abdeckung 40.
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Der
Aufbau der optischen Zelle 20 ermöglicht dem optischen Element 32 durch
engen Wärmekontakt
mit dem optischen Gehäuse 22 und
der optischen Abdeckung 40, so nah wie möglich an
dem einfallenden Hochleistungslaserstrahl 60 passiv gekühlt zu werden.
Folglich wird die schwache Wärmeleitfähigkeit
des optischen Elements 32 tatsächlich durch die hohe Wärmeleitfähigkeit
des optischen Gehäuses 22 und
der optischen Abdeckung 40 kurz geschlossen, und als Ergebnis
wird der Temperaturanstieg des optischen Elements 32 aufgrund
einer teilweisen Absorption des Laserstrahls 60 minimiert. Das
optische Gehäuse 22 und
die optische Abdeckung 40 verleihen dem optischen Element 32 thermische
Masse und erhöhen
tatsächlich
seine Wärmeleitfähigkeit.
Als ein Ergebnis erhöht
sich die Temperatur des optischen Elements 32 für eine gegebene
Menge während
des Laserbetriebs absorbierter Hitze um einen signifikant geringeren
Betrag als sonst ohne die optische Zelle 20.
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Die
optische Zelle 20 ist in 4, innerhalb eines
Teils eines Resonatoraufnehmers 58 eines Laser montiert,
gezeigt. Eine optische Zelle mit einem vollständig reflektierenden Spiegel
(nicht gezeigt) wird üblicherweise
an dem gegenüberliegenden Ende
des Aufnehmers in Ausrichtung mit der optischen Zelle 20 montiert.
Die optische Zelle an dem gegenüberliegenden
Ende beugt übermäßiges Erhitzen
des vollreflektierenden Spiegels vor, um die Laserstrahlausrichtung
zu verbessern und Lichtverluste in dem Resonatoraufnehmer 58 zu
minimieren. Es wird eine optische Zellenbefestigung 61 gezeigt,
die die optische Zelle 20 an die Resonatorplatte 62 befestigt,
die einen Laserstrahldurchgang 64 definiert. Die optische
Zellenbefestigung 61 umfasst einen ersten Fassungsring 66 und
einen zweiten Fassungsring 68, der sich mit dem ersten
Fassungsring 66 verbindet. Der erste Fassungsring 66 und
der zweite Fassungsring 68 klemmen zusammen die optische Zelle 20 ein,
um eine gleichmäßige, wärmeleitfähige umlaufende
Schnittstelle 70 zwischen dem optischen Gehäuse 22 und
dem zweiten Fassungsring 68 bereit zu stellen. Die Schnittstelle 70 ermöglicht es,
dass die Temperatur des optischen Gehäuses 22 und der optischen
Abdeckung 40 während
des Laserbetriebs ungefähr
gleich bleiben. Folglich werden thermische Spannungen in dem optischen
Element 32 minimiert und die vorgeschriebenen Werte des
optischen Elements 32 bleibt während des Laserbetriebs im
Wesentlichen unbeeinflusst.
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Die
optische Zellenbefestigung 61 kann ferner einen optischen
Zellenbefestigungsadapter 72 umfassen, der an die Resonatorplatte 62 und
an einen dritten Fassungsring 74 befestigt ist, um der
optischen Zellenbefestigung 61 zu ermöglichen, in unterschiedlichen
Resonatoraufnehmern nachgerüstet zu
werden.
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Die
optische Zelle 20 verringert bedeutend die Temperaturgradienten
zu der Schnittstelle 70 der optischen Zelle 20 und
der optischen Zellenbefestigung 61. Hitze kann von dem
optischen Element 32 durch verschiedene Standarttechniken
an einer oder mehreren ausgewählten
Stellen abgeleitet werden. Zum Beispiel können längs beabstandete Kühlleitungen 56, 76 in
der optischen Zellenbefestigung 61 bereitgestellt werden.
Die Anordnung und Anzahl solcher Kühlleitungen in der optischen
Zellenbefestigung 61 kann gezielt variiert werden. Die
Fähigkeit, an
bestimmten Stellen der optischen Zellenbefestigung 61 Hitze
von der optischen Zelle 20 abzuleiten, beseitigt die Notwendigkeit
Hitze an der Präzisionsschnittstelle 70 zwischen
der optischen Zelle 20 und der optischen Zellenbefestigung 61 abzuleiten.
Dies vereinfacht die Konstruktion der optischen Zellenbefestigung 61 und
reduziert ihre Kosten.
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Andere
Ausführungen
des Kühlelements,
z. B. Kantenstäbe
und thermoelektrische Kühler
(nicht gezeigt) können
alternativ verwendet werden, um die optische Zelle 20 zu
kühlen.
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Das
optische Element 32 absorbiert üblicherweise weniger als ungefähr 0,05%
der Energie des einfallenden Laserstrahls. Die zugehörige absorbierte
Hitze muss von der optischen Zelle 20 abgeleitet werden,
um schädliche
Hitzeeinwirkungen in dem optischen Element 32 zu verhindern.
Die optische Zelle 20 vermindert die Erhitzung des optischen
Elements 32, wobei sie dadurch die Kühlungserfordernisse des Lasers
vermindert. Auf der Grundlage von berechneten Schätzwerten
während
des Betriebs eines 6 kW Hochleistungslaser mit Kühlelementen wie die Kühlleitungen 56,
die die optische Zelle 20 umgeben, erreicht das Fenster 47 des
optischen Elements 32 eine Temperatur von ungefähr 95°C. Ohne die
optische Zelle mit dem optischen Element 32 vorzusehen,
ist die geschätzte
an dem Fenster 47 erreichte Temperatur ungefähr 135°C.
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Die
optische Zelle 20 minimiert auch signifikant die Oberflächentemperatur
des Fensters 47, wobei sie dadurch die resultierenden konvektiven Luftströmungen in
dem Resonatoraufnehmer 58 minimiert, die die Laserstrahlqualität vermindern.
Durch Minimierung der von dem optischen Element 32 erreichten
Temperatur minimiert die optische Zelle 20 thermische Gradienten
in den Trägermaterialien
des optischen Elements 32, wobei dadurch die thermischen
und optischen Verzerrungseffekte, die die Laserstrahlqualität verschlechtern
können,
vermindert werden.
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Die
Konstruktion der optischen Zelle 20 stellt weitere Vorteile
bereit. Insbesondere stellt die optische Zelle 20 eine
genaue, vereinfachte mechanische Positionierung des optischen Elements 32 bereit.
Die optische Zelle 20 kann einen modularen, standardisierten
Aufbau haben und dadurch ihre einfache Auswechslung ermöglichen,
sollte das optische Element 32 beschädigt werden. Die optische Zelle 20 kann
in der gleichen Art und Weise wie ein herkömmliches optisches Element
behandelt werden und keine Demontage des Kühlsystems ist erforderlich,
um die optische Zelle 20 zu ersetzen. Zusätzlich stellt
die optische Zelle 20 einen mechanischen Schutz des optischen
Elements 32 während
der Handhabung und Installation bereit, um kostspielige Beschädigungen
zu vermeiden.
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Die
optische Zelle 20 kann alternativ in Niedrigleistungslasern
verwendet werden.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in erheblichem Detail mit Bezug zu bestimmten
bevorzugten Ausführungen
davon beschrieben worden ist, sind weitere Ausführungen möglich. Deswegen sollte der Schutzbereich
der angefügten
Ansprüche
nicht auf die Beschreibung der hier enthaltenen bevorzugten Ausführungen
beschränkt
werden.