JP2555260B2 - 伝導性表面冷却レーザ結晶 - Google Patents

伝導性表面冷却レーザ結晶

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JP2555260B2 JP5099802A JP9980293A JP2555260B2 JP 2555260 B2 JP2555260 B2 JP 2555260B2 JP 5099802 A JP5099802 A JP 5099802A JP 9980293 A JP9980293 A JP 9980293A JP 2555260 B2 JP2555260 B2 JP 2555260B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザシステムで使用
する光学素子、特にレーザシステムで使用するための伝
導性表面冷却光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】非線形レーザ材料の周波数変換処理は吸
収のため非線形材料媒体内の熱を生成する。この熱は周
波数コンバータが高いパワーレベルで効率的に動作する
ならば除去されなければならない。また固体状態のレー
ザ増幅器材料中の蓄積エネルギ処理もまた、特に増幅器
が大きい入力パワーで動作するならばレーザ媒体内で除
去するべき熱を生成する。
【０００３】レーザシステムで使用される固体状態の結
晶材料の熱除去の典型的な方法はレーザエネルギ伝播方
向に対して横断方向に材料の側面から熱を取除いてい
る。横断方向の熱除去はこの方向の熱勾配を生じさせ
る。これは２つの問題を生む。第１の問題は熱光学応力
と屈折率変化がレーザビームを歪ませる熱収差を起こす
ことである。第２の問題は多くの周波数変換材料では例
えばレーザビームの伝播方向に対して横断方向の熱変化
は非常に狭い公差範囲域内に維持されなければならない
ことである。この方向の熱勾配の存在は穴の寸法とレー
ザシステム設計で許容されているパワー負荷とを厳しく
制限する。横断方向冷却は文献（National Technical I
nformation Serviceから得られるJ.L.Emmettによる“Th
e Potentialof High-Average Power Solid State Laser
s”、文献番号UCRL-53571、1984年９月25日）に記載さ
れている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】通常のビーム成形技術
は結晶の冷却用に用いられ、レーザビームは光学的に一
方方向に平坦化される。これは結晶がより長い長さに沿
って冷却され、ビームの中心から冷却される結晶の端部
までの経路長の減少を可能にする。しかし、この方法は
全ての応用で実用的ではなく関連する光学系を比較的複
雑にする。
【０００５】ある結晶材料および特定のβ硼酸バリウム
（ＢＢＯ）では材料の最大熱伝導性の方向が光伝播の方
向とほぼ整列されている。この特性で材料から熱を効率
的に除去するため熱は光学面から取除かれなければなら
ない。表面冷却の１つの方法は対流処理であり、通常流
動ガスを使用することにより達成する。この方法ではガ
スは結晶面を横切る高速度で強制的に移動される。この
方法の最大の欠点は複雑で活性な冷却システムを必要と
し、さらに安価で低い重量および容積と高い信頼性を必
要とする応用では適していない。また光学表面を横切る
ガスの流れが光歪みを回避するように非常に均一でなけ
ればならないため技術が非常に複雑である。
【０００６】したがって、本発明の目的は、レーザのビ
−ム路を横断する方向において温度勾配を生じないよう
にビ−ム路に対して平行な方向で完全に受動的な方法で
レ−ザ結晶の光学表面またはその他の光学素子から熱を
除去する熱除去技術を提供することである。なお、この
明細書で使用される「受動的な」冷却方法とは強制的な
流体による冷却を使用することなく、それ自身の熱伝導
作用によって放熱が行われる冷却方法を意味するもので
ある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、レ−ザシステ
ムにおいて使用される光学装置において、熱伝導ハウジ
ングと、このハウジング内に配置され、第１および第２
の表面を有し、レ−ザエネルギをそれら第１および第２
の表面の平面に対して実質的に横切る方向に伝播させる
光透過性の光学素子と、光透過性のヒ−トシンクを構成
している第１および第２の光透過性窓とを具備し、各光
透過性窓は光透過性の光学素子の第１および第２の表面
にそれぞれ接触して、或いはそれと近接してそれからそ
れぞれギャップを隔てて配置されており、光学素子にお
いて生成された熱はレ−ザエネルギの伝播方向に平行な
方向で直接或いはギャップを通って第１および第２の光
透過性窓に受動的に伝導され、次いでハウジングに受動
的に伝導されることを特徴とする。
【０００８】１つの開示された実施例を参照してさらに
説明すると、本発明は熱伝導ハウジングと、ハウジング
内に位置する第１、第２の表面を有する光透過性の光学
素子を具備するレーザシステムで使用するための光学装
置を提供する。レーザシステムにより発生されたレーザ
エネルギは第１、第２の表面をほぼ横切る方向に伝播す
る。第１、第２の光透過性の窓は光透過性のヒートシン
クを構成している。各窓は光学的な透過性光学素子の第
１、第２の表面にそれぞれ接触し、又は近接して配置さ
れている表面を有する。結果的な構造は光学素子中で生
成された熱がレーザエネルギ伝播に平行な方向で第１、
第２の光透過性の窓およびハウジングに伝導される。光
学素子に形成される熱勾配はレーザエネルギ伝播方向と
平行に形成され、従って通常の光学設計と関連して熱勾
配の関する問題を最少にする。
【０００９】本発明は、従って非線形周波数変換結晶ま
たは光透過性の表面を通るレーザ結晶からの受動的な熱
の除去のための技術を提供する。熱は結晶の光学表面に
近接して位置する光透過性のヒートシンクによって除去
される。熱はエネルギの伝播方向に平行な方向で結晶か
ら移動され、従って熱勾配に関連する問題を最少化す
る。本発明の種々の特徴および利点は添付図面を参照し
て後述の詳細な説明を参照してより簡単に理解されるで
あろう。
【００１０】
【実施例】図面を参照すると、図１は本発明の原理によ
る伝導性表面冷却を備えた光システム10の一部分を示し
ている。図１は実際の大きさで示されていない。詳しく
説明すると、図１はアルミニウム又は他の金属ハウジン
グ11に取付けられているレーザ結晶12を具備するレーザ
システム10の一部分を示している。レーザ結晶12はレー
ザシステム10で使用される光学素子でもよく、例えばレ
ーザ結晶又は非線形周波数変換結晶を含んでいることが
理解されよう。ハウジング11は金属以外の熱伝導材料か
ら作られてもよい。
【００１１】本発明はレ−ザ結晶12又は例えばＫＴｉＯ
ＰＯ4 （ＫＴＰ）結晶のような非線形高調波生成結晶を
冷却するための技術を提供し、結晶12は光学的な開口を
構成する光表面12ａを通って近接して配置された熱伝導
媒体13に熱伝導を使用して冷却される。典型的な熱伝導
媒体13は例えばサフィアにより構成されている光透過性
の窓を含む。熱が直接接触によって熱伝導媒体13に移動
されるようにレ−ザ結晶12をそれぞれ熱伝導媒体13の隣
接表面13ａと接触して配置することも可能であるが、こ
こに示されている本発明の実施例では、熱は光表面12ａ
とそれに近接する熱伝導媒体13との間に形成されている
狭いガスで充満されたギャップ15を通って移動される。
このガスで充満されたギャップは典型的に0.00025 イン
チ程度の厚さである。ギャップ15で使用されるガスはレ
−ザ動作波長に応じて空気、水素又は他の適切なガスで
充満される。ギャップ15は結晶12と熱伝導媒体13との間
にＯリング、誘電体スペ−サ、シム14等を配置すること
によって形成されている。誘電体スペ−サは熱伝導媒体
13の表面に薄いフィルムを付着させることにより形成さ
れる。結晶12の上部および下部端面はハウジング11の近
接する部分との間にギャップ17が形成されるように保持
され、したがって、図１で示されているように結晶12は
ハウジング11と直接接触していない。
【００１２】狭いガス充満ギャップ15を使用する利点
は、表面12ａ，13ａが接触せず、従って構造処理期間中
の光表面12ａ，13ａおよび通常の方法の光表面12ａ，13
ａ機能上の反射防止被覆に対する損傷の危険性がない。
ギャップ15はレーザ結晶12と熱伝導媒体13との間に薄い
シム14又はスペーサを置くことにより形成される。ギャ
ップ15は熱伝導媒体13又は結晶12が熱伝導媒体13と接触
する周辺全域を囲む選択された位置に誘電体フィルム
（0.00025 インチの厚さ）を真空付着させることにより
形成される。付加的にギャップ15は誘電体フィルムを熱
伝導媒体13の１つに真空蒸着し、ハウジングを結晶12
（0.00025 インチ）の厚さより僅かに大きく適切に機械
加工することにより形成される。結晶12は片側のフィル
ムに対して位置され、ハウジング11は結晶12より僅かに
大きいので第２の熱伝導体媒体13がハウジング11と接触
して位置されるとき第２のギャップ15が形成される。従
って、最後に説明した装置では第２のシム14は必要では
ない。
【００１３】本発明の熱除去の原理を利用する光学装置
が実施化された。組立てられ試験される装置は２つの第
２の高調波発生（ＳＨＧ）モジュール30を有し、それぞ
れ非線形媒体としてＫＴｉＯＰＯ4 （ＫＴＰ）結晶を使
用している。これらのモジュール30の一方の２つの異な
った断面図が図２、３に示されている。図２は本発明の
原理による冷却技術を使用しレーザシステムの一部分を
形成するレーザ結晶モジュール30の部分的断面図を示し
ており、図３は図２のレーザ結晶モジュール30の第２の
部分的断面図を示している。
【００１４】ＫＴＰ結晶22はアルミニウムハウジング11
中に配置され、２つの小さい空気ギャップ15は結晶22と
結晶22の両側に位置するサフィアプレート23との間の境
界に位置される。サフィアプレート23は例えば捩子によ
りハウジング11に取付けられている２つの保持装置38に
よりハウジング11に取付けられている。２つのＯリング
39は保持装置38とサフィア窓23との間に配置されてい
る。抵抗性ヒータ41と熱拡散器42は例えばばね43、カバ
ープレート44、捩子手段によりＫＴＰ結晶23を予め定め
られた温度に加熱するために使用されるハウジングに取
付けられる。温度センサ46はＫＴＰ結晶23の温度を制御
するためフィードバック制御ループで使用される。
【００１５】結晶22から内部に生成された熱は小さい空
気ギャップ15を通ってサフィアプレート23に伝導され、
サフィアプレート23は熱をアルミニウムハウジング11に
伝導し、熱パイプ又は他の手段（図示せず）手段により
外部冷却プレート（図示せず）に伝導する。
【００１６】この冷却方法の効果は有限の素子の熱解析
を使用して理論上立証された。横断する熱伝導の典型的
方法が使用される場合には結晶22を横切って発生した熱
勾配ΔＴはΔＴ＝αＰ／４πＫ＝８℃により算定され、
ここでα＝0.06／ｃｍは吸収係数であり、Ｐ＝50Ｗは供
給されたレーザビームのパワーであり、Ｋ＝0.03Ｗ／ｃ
ｍ／℃はＫＴＰ結晶22の熱伝導度である。このことは効
果的な周波数変換を維持するのに好ましい熱勾配で約２
°の制限を遥かに超過する。しかし本発明の原理による
表面冷却の方法を使用して有限の素子の熱モデルはこの
必要性が満たされたことを示している。
【００１７】２つのＳＨＧモジュール30を含むこの装置
が試験された。性能の低下は20Ｈｚ動作の下では見られ
ず、一方この熱処理方法を使用しない従来の試験はモジ
ュール30内に熱勾配の着手により10％の低下が生じる。
【００１８】以上高パワーレーザシステムで使用する新
規で改良された伝導表面冷却光学素子を説明した。前述
の実施例は本発明の原理の応用を表す多くの特別の実施
例の単なる例示にすぎない。明白に、多数の他の装置は
本発明の技術的範囲内を逸脱することなく当業者により
容易に発明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理による伝導性表面冷却を備えた光
システムの部分図。
【図２】本発明の原理による伝導表面冷却を備えたレー
ザシステムの一部分を形成するレーザ結晶モジュールの
部分的切断図。
【図３】図２のレーザ結晶モジュールの第２の部分的切
断図。
フロントページの続き (72)発明者 ジェームス・エス・ソース アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90503、トーランス、アパートメント・ デー、エメラルド・ストリート 3719 (72)発明者 マリオ・ピー・パロンボ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90266、マンハッタン・ビーチ、サーテ ィーサード・ストリート 656 (56)参考文献 米国特許4563763（ＵＳ，Ａ) 米国特許4048515（ＵＳ，Ａ) ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｑ ＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＯＲＯＮＩＣ Ｓ，ＶＯＬ．ＱＥ21，ＮＯ．５ ＭＡＹ 1985 Ｐ．412−414，Ｍ．ＲＥＥＤ ＥＴ ＡＬ．”ＳＴＡＴＩＣ ＧＡＳ ＣＯＮＤＵＳＣＴＩＯＮ ＣＯＯＬＥＤ ＳＬＡＢ ＧＥＯＭＥＴＲＹ ＮＤ： ＧＡＬＳＳ ＬＡＳＥＲ"

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レ−ザシステムにおいて使用される光学
    装置において、 熱伝導ハウジングと、 ハウジング内に配置され、第１および第２の表面を有
    し、レ−ザエネルギをそれら第１および第２の表面の平
    面を実質的に横切る方向に伝播させる光透過性の光学素
    子と、 光透過性のヒ−トシンクを構成している第１および第２
    の光透過性窓とを具備し、前記 各光透過性窓は前記光透過性の光学素子の第１およ
    び第２の表面にそれぞれ近接してそれからそれぞれギャ
    ップを隔てて配置されており、 光学素子において生成された熱はレ−ザエネルギの伝播
    方向に平行な方向で前記第１および第２のギャップを通
    って第１および第２の光透過性窓に受動的に伝導され、
    次いでハウジングに受動的に伝導されることを特徴とす
    る光学装置。
  2. 【請求項２】 前記光学素子と前記第１および第２の光
    透過性窓との間の第１および第２のギャップがガスで充
    満されている請求項１記載の光学装置。
  3. 【請求項３】 一方のガスで充満されたギャップが光学
    素子の周辺に隣接する光透過性の窓のうちの１つに付着
    されたギャップの厚さを有する誘電体フィルムにより形
    成され、他方のガスで充満されたギャップは光学素子の
    厚さより僅かに大きくハウジングを機械加工することに
    より形成されている請求項２記載の光学装置。
  4. 【請求項４】 各ギャップは光学素子と第１および第２
    の光透過性窓との間にスペ−サを配置することにより形
    成される請求項１記載の光学装置。
  5. 【請求項５】 前記スペ−サが誘電体シムで構成されて
    いる請求項４記載の光学装置。
  6. 【請求項６】 前記スペ−サが真空蒸着された誘電体フ
    ィルムで構成されている請求項４記載の光学装置。
  7. 【請求項７】 光学素子がレ−ザ結晶を含む請求項１記
    載の光学装置。
  8. 【請求項８】 光学素子が非線形周波数変換結晶を含む
    請求項１記載の光学装置。
  9. 【請求項９】 非線形周波数変換結晶がＫＴｉＯＰＯ4
    （ＫＴＰ）結晶からなる請求項８記載の光学装置。
  10. 【請求項１０】 第１および第２の光透過性の窓がそれ
    ぞれサフィア窓で構成されている請求項１記載の光学装
    置。
  11. 【請求項１１】 光学素子を予め定められた温度まで加
    熱するためにハウジングに結合されている抵抗ヒ−タお
    よび熱拡散器を備えている請求項１記載の光学装置。
  12. 【請求項１２】 光学素子の温度を制御するためにフィ
    −ドバック制御ル−プで使用される光学素子に近接して
    配置されている温度センサを備えている請求項１１記載
    の光学装置。
  13. 【請求項１３】 熱伝導ハウジングと、 ハウジング内に配置され、第１および第２の表面を有
    し、レ−ザエネルギをそれら第１および第２の表面の平
    面を実質的に横切る方向に伝播させる光透過性の光学素
    子と、 光透過性のヒ−トシンクを構成している第１および第２
    の光透過性窓とを具備し、 前記各光透過性窓は光透過性の光学素子の第１、第２の
    表面にそれぞれ近接してそれからそれぞれ第１および第
    ２のギャップを隔てて配置されており、 光学素子において生成された熱はレ−ザエネルギの伝播
    方向に平行な方向で第１および第２のギャップを通って
    第１および第２の光透過性窓に受動的に伝導され、次い
    でハウジングに受動的に伝導されることを特徴とするレ
    ーザシステム。
  14. 【請求項１４】 レ−ザシステムにおいて使用される光
    学装置において、 熱伝導ハウジングと、 ハウジング内に配置され、第１および第２の表面を有
    し、レ−ザエネルギをそれら第１および第２の表面の平
    面を実質的に横切る方向に伝播させる光透過性の光学素
    子と、 光透過性のヒ−トシンクを構成している第１および第２
    の光透過性窓とを具備し、 前記 各光透過性窓は前記光透過性の光学素子の第１、第
    ２の表面とそれぞれ接触して配置されており、 光学素子において生成された熱はレ−ザエネルギの伝播
    方向に平行な方向で第１および第２の光透過性窓に受動
    的に伝導され、次いでハウジングに受動的に伝導される
    ことを特徴とする光学装置。
  15. 【請求項１５】 光学素子を予め定められた温度まで加
    熱するためにハウジングに結合された抵抗ヒ−タおよび
    熱拡散器を備えている請求項１４記載の光学装置。
  16. 【請求項１６】 光学素子の温度を制御するためにフィ
    −ドバック制御ル−プで使用されている光学素子に近接
    して位置する温度センサを備えている請求項１５記載の
    光学装置。
  17. 【請求項１７】 第１および第２の光透過性の窓がそれ
    ぞれサフィア窓で構成されている請求項１４記載の光学
    装置。
  18. 【請求項１８】 光学素子が非線形周波数変換結晶を含
    む請求項１４記載の光学装置。
JP5099802A 1992-04-24 1993-04-26 伝導性表面冷却レーザ結晶 Expired - Lifetime JP2555260B2 (ja)

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US874270 1992-04-24
US07/874,270 US5363391A (en) 1992-04-24 1992-04-24 Conductive face-cooled laser crystal

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JPH0629595A JPH0629595A (ja) 1994-02-04
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KR (1) KR0130191B1 (ja)
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