JP2933578B2 - 面冷却式高出力レーザ光学セル - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高出力レーザの分野に
関し、特に、レーザキャビティで使用される面冷却式光
学セルに関する。
関し、特に、レーザキャビティで使用される面冷却式光
学セルに関する。
【０００２】
【従来の技術】高出力レーザシステムは、物体の大きな
変化を実行するために使用される。高出力レーザの用途
例には、材料の加工、電子装置の製造、医療的な処置、
核融合及びレーザ兵器がある。高出力レーザシステムで
は、レーザビームを偏向させ且つ伝送するミラー及びレ
ンズが極めて高いレベルの光出力の収量及び強度にさら
される。これらの光学機器の基板及び基板コーティング
は、レーザビームからのエネルギーの吸収を最小にする
ように注意深く選択された材料で形成されている。これ
らの処置にもかかわらず、たいていのガラス基板及び反
射防止コーティングは、レーザビームからの出力のごく
わずかな部分を吸収して、その加熱を招く。この加熱
は、レーザ共振器の重要な光学系にとって有害である。
というのは、これらの光学系の規定が、熱膨張により温
度とともに変化するからである。熱膨張により生じた寸
法の変化は、最終的にビームの歪み、望ましくないビー
ム偏向及び構成素子に対する損傷を招く。
変化を実行するために使用される。高出力レーザの用途
例には、材料の加工、電子装置の製造、医療的な処置、
核融合及びレーザ兵器がある。高出力レーザシステムで
は、レーザビームを偏向させ且つ伝送するミラー及びレ
ンズが極めて高いレベルの光出力の収量及び強度にさら
される。これらの光学機器の基板及び基板コーティング
は、レーザビームからのエネルギーの吸収を最小にする
ように注意深く選択された材料で形成されている。これ
らの処置にもかかわらず、たいていのガラス基板及び反
射防止コーティングは、レーザビームからの出力のごく
わずかな部分を吸収して、その加熱を招く。この加熱
は、レーザ共振器の重要な光学系にとって有害である。
というのは、これらの光学系の規定が、熱膨張により温
度とともに変化するからである。熱膨張により生じた寸
法の変化は、最終的にビームの歪み、望ましくないビー
ム偏向及び構成素子に対する損傷を招く。
【０００３】光学材料の物理的特性は、動作時に光学系
から熱を除去することを極めて困難にする。特に、透過
性光学材料は非常に低い熱伝導率を有する。従って、動
作時にこれらの材料に大きな熱勾配が生じる。光学系に
おける大きな熱勾配及び高い表面温度は、周囲の空気に
局部的に対流を引起し、その結果、ビームが不安定にな
る。従って、光学収量及び強度の或る設計値において、
レーザ動作時にその規定及び設計温度を維持するように
光学系を冷却する必要がある。
から熱を除去することを極めて困難にする。特に、透過
性光学材料は非常に低い熱伝導率を有する。従って、動
作時にこれらの材料に大きな熱勾配が生じる。光学系に
おける大きな熱勾配及び高い表面温度は、周囲の空気に
局部的に対流を引起し、その結果、ビームが不安定にな
る。従って、光学収量及び強度の或る設計値において、
レーザ動作時にその規定及び設計温度を維持するように
光学系を冷却する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】光学系の冷却は、能動
的でも受動的のいずれでもよい。能動的な冷却システム
には、振動及び温度制御に関する問題を含む多数の重大
な欠点がある。温度制御システムを適性に働かせるため
には、特定の材料、冷却剤及び器械の使用が要求され
る。これらの要求は、温度制御システムの複雑性及びコ
ストを増大させる。光学要素のための受動的な冷却シス
テムは、能動的な冷却システムに比べて複雑性が小さい
という利点を与える。しかしながら、既知の受動性冷却
システムは、充分に満足できる程ではない。そこで、高
出力レーザシステムにおける光学要素のための冷却組立
体であって、（ｉ）受動性で且つ簡単な構成を有し、
（ｉｉ）レーザ動作時のレーザ光の吸収による光学要素
の加熱を最小にし、（ｉｉｉ）光学要素の表面付近の局
部的な対流を小さくし、及び、（ｉｖ）光学要素の基板
における温度勾配を小さくする、改良された冷却組立体
が要望されている。
的でも受動的のいずれでもよい。能動的な冷却システム
には、振動及び温度制御に関する問題を含む多数の重大
な欠点がある。温度制御システムを適性に働かせるため
には、特定の材料、冷却剤及び器械の使用が要求され
る。これらの要求は、温度制御システムの複雑性及びコ
ストを増大させる。光学要素のための受動的な冷却シス
テムは、能動的な冷却システムに比べて複雑性が小さい
という利点を与える。しかしながら、既知の受動性冷却
システムは、充分に満足できる程ではない。そこで、高
出力レーザシステムにおける光学要素のための冷却組立
体であって、（ｉ）受動性で且つ簡単な構成を有し、
（ｉｉ）レーザ動作時のレーザ光の吸収による光学要素
の加熱を最小にし、（ｉｉｉ）光学要素の表面付近の局
部的な対流を小さくし、及び、（ｉｖ）光学要素の基板
における温度勾配を小さくする、改良された冷却組立体
が要望されている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、高出力レーザ
システムにおける光学要素のための、上記要望を満たす
改良された冷却組立体を提供する。さらに詳しく言え
ば、本発明は、（ｉ）光学要素を受動的に冷却するとと
もに簡単で万能な構成を有し、（ｉｉ）レーザ動作時の
レーザ光の吸収による光学要素の加熱を最小にし、（ｉ
ｉｉ）光学要素の表面温度を最小にして空気の局部的な
対流を小さくし、及び、（ｉｖ）光学要素の基板におけ
る温度勾配とその結果として生じる寸法の変化を最小に
して有害な関連効果を小さくする光学セルを提供する。
加えて、光学セルは、光学要素を光学セル内に機械的に
位置決めするための標準化された設置上の特徴を含んで
もよい。光学セルは、保管及び組立中に光学要素を保護
する。さらに、光学セルの設計は、モジュール形であ
り、それにより、レーザキャビティにおいて交換が容易
になる。冷却システムの分解は全く要求されない。
システムにおける光学要素のための、上記要望を満たす
改良された冷却組立体を提供する。さらに詳しく言え
ば、本発明は、（ｉ）光学要素を受動的に冷却するとと
もに簡単で万能な構成を有し、（ｉｉ）レーザ動作時の
レーザ光の吸収による光学要素の加熱を最小にし、（ｉ
ｉｉ）光学要素の表面温度を最小にして空気の局部的な
対流を小さくし、及び、（ｉｖ）光学要素の基板におけ
る温度勾配とその結果として生じる寸法の変化を最小に
して有害な関連効果を小さくする光学セルを提供する。
加えて、光学セルは、光学要素を光学セル内に機械的に
位置決めするための標準化された設置上の特徴を含んで
もよい。光学セルは、保管及び組立中に光学要素を保護
する。さらに、光学セルの設計は、モジュール形であ
り、それにより、レーザキャビティにおいて交換が容易
になる。冷却システムの分解は全く要求されない。
【０００６】本発明による光学セルは、動作時にレーザ
ビームを発生するレーザキャビティで使用される。光学
セルは、第１のレーザビームアパーチャを定める壁を有
する光学ハウジングを含む。光学ハウジング内には光学
要素が配置されている。光学ハウジングの壁と光学要素
の間にそれらに当接して第１の熱伝導性層が配置されて
いる。光学ハウジング内に光学カバーが配置されて第１
のレーザビームアパーチャと実質的に整列する第２のレ
ーザビームアパーチャを定めている。光学要素と光学カ
バーとの間にそれらと当接して第２の熱伝導性層が配置
されでいる。光学ハウジングと光学カバーは、代表的に
は、高い熱伝導率を有する金属から形成されている。第
１と第２の熱伝導性層は、代表的には、容易に変形可能
であって高い熱伝導率を有するインジウムから形成され
ている。インジウム層は、光学要素と光学ハウジングと
光学カバーとの間に効率的な熱伝達を与える。
ビームを発生するレーザキャビティで使用される。光学
セルは、第１のレーザビームアパーチャを定める壁を有
する光学ハウジングを含む。光学ハウジング内には光学
要素が配置されている。光学ハウジングの壁と光学要素
の間にそれらに当接して第１の熱伝導性層が配置されて
いる。光学ハウジング内に光学カバーが配置されて第１
のレーザビームアパーチャと実質的に整列する第２のレ
ーザビームアパーチャを定めている。光学要素と光学カ
バーとの間にそれらと当接して第２の熱伝導性層が配置
されでいる。光学ハウジングと光学カバーは、代表的に
は、高い熱伝導率を有する金属から形成されている。第
１と第２の熱伝導性層は、代表的には、容易に変形可能
であって高い熱伝導率を有するインジウムから形成され
ている。インジウム層は、光学要素と光学ハウジングと
光学カバーとの間に効率的な熱伝達を与える。
【０００７】光学セルは、さらに、光学カバーを光学ハ
ウジングに接合する熱伝導性材料を含んでもよい。この
材料は、代表的には、ハンダ接合として与えられるイン
ジウムである。第１と第２のレーザビームアパーチャ
は、代表的には、レーザビーム横断面の形状に近いほぼ
直方形である。レーザビームは或る高さと幅を有する。
第１と第２のレーザビームアパーチャは、それぞれ代表
的には、レーザビームの高さの約２倍に等しい高さと、
レーザビームの幅の約２倍に等しい幅を有する。このよ
うなアパーチャの寸法は、レーザビームが通過する光学
要素の窓から光学ハウジング及び光学カバーまでの熱伝
達経路を最小にする。結果として、光学要素の温度勾配
は最小にされる。窓の表面に近い空気の対流もまた最小
にされる。アパーチャの寸法は、また、迷走レーザ光が
窓を通過できるようにして、光学セルの金属部分に当た
らないようにする。
ウジングに接合する熱伝導性材料を含んでもよい。この
材料は、代表的には、ハンダ接合として与えられるイン
ジウムである。第１と第２のレーザビームアパーチャ
は、代表的には、レーザビーム横断面の形状に近いほぼ
直方形である。レーザビームは或る高さと幅を有する。
第１と第２のレーザビームアパーチャは、それぞれ代表
的には、レーザビームの高さの約２倍に等しい高さと、
レーザビームの幅の約２倍に等しい幅を有する。このよ
うなアパーチャの寸法は、レーザビームが通過する光学
要素の窓から光学ハウジング及び光学カバーまでの熱伝
達経路を最小にする。結果として、光学要素の温度勾配
は最小にされる。窓の表面に近い空気の対流もまた最小
にされる。アパーチャの寸法は、また、迷走レーザ光が
窓を通過できるようにして、光学セルの金属部分に当た
らないようにする。
【０００８】本発明は、さらに、光学セルマウントに向
けられている。光学セルマウントは、光学セルをレーザ
キャビティに除去可能に締め付け固定し、光学要素から
熱を除去するためにレーザ動作時に光学セルを冷却する
クランプ要素を含む。
けられている。光学セルマウントは、光学セルをレーザ
キャビティに除去可能に締め付け固定し、光学要素から
熱を除去するためにレーザ動作時に光学セルを冷却する
クランプ要素を含む。
【０００９】
【実施例】本発明のこれら及び他の特徴及び利点は、以
下の説明、特許請求の範囲及び添付図面からさらに良く
理解されるであろう。図１ないし図３は、本発明による
光学セル２０を示している。光学セル２０は、光学ハウ
ジング２２を含み、光学ハウジング２２は、レーザビー
ムアパーチャ２６を定める前面２４と、後面２８を有す
る。図示されたアパーチャ２６は、直方形であって、幅
ＷA と長さＨA を有する。熱伝導性材料の第１の層３０
が、光学ハウジング２２の後面２８上に設けられてい
る。第１の層３０は、代表的には、インジウム箔から構
成され、このインジウム箔は、柔らかくて変形可能であ
って光学ハウジング２２に対して良好な熱接触を与え
る。層３０は、代表的には、約０．０１０インチよりも
薄い厚さを有する。
下の説明、特許請求の範囲及び添付図面からさらに良く
理解されるであろう。図１ないし図３は、本発明による
光学セル２０を示している。光学セル２０は、光学ハウ
ジング２２を含み、光学ハウジング２２は、レーザビー
ムアパーチャ２６を定める前面２４と、後面２８を有す
る。図示されたアパーチャ２６は、直方形であって、幅
ＷA と長さＨA を有する。熱伝導性材料の第１の層３０
が、光学ハウジング２２の後面２８上に設けられてい
る。第１の層３０は、代表的には、インジウム箔から構
成され、このインジウム箔は、柔らかくて変形可能であ
って光学ハウジング２２に対して良好な熱接触を与え
る。層３０は、代表的には、約０．０１０インチよりも
薄い厚さを有する。
【００１０】光学ハウジング２０は、代表的には、アル
ミニウム、銅等の金属から構成され、高い熱伝導率を有
する。光学ハウジング２２は、選択的に、高い熱伝導率
を有する適当な非金属材料で構成されてもよい。前面３
４、円周側面３６及び後面３８を有する光学要素３２
が、光学ハウジング２２内に配置されている。ミラー、
レンズ、プリズム及び偏光子のような光学要素が光学セ
ル２２に使用されてもよい。光学要素３２は、ガラス基
板から構成され、このガラス基板は、代表的には反射損
失を小さくするため反射防止コーティングを有してい
る。光学要素３２は、層３０の前面３４に埋めるのに十
分な圧力で光学ハウジング２２に嵌め込まれている。光
学要素３２は、光学要素３２を光学セル２０内に機械的
に位置決めするために、その周囲に形成された１つ以上
の平坦な面（図示せず）を有してもよい。
ミニウム、銅等の金属から構成され、高い熱伝導率を有
する。光学ハウジング２２は、選択的に、高い熱伝導率
を有する適当な非金属材料で構成されてもよい。前面３
４、円周側面３６及び後面３８を有する光学要素３２
が、光学ハウジング２２内に配置されている。ミラー、
レンズ、プリズム及び偏光子のような光学要素が光学セ
ル２２に使用されてもよい。光学要素３２は、ガラス基
板から構成され、このガラス基板は、代表的には反射損
失を小さくするため反射防止コーティングを有してい
る。光学要素３２は、層３０の前面３４に埋めるのに十
分な圧力で光学ハウジング２２に嵌め込まれている。光
学要素３２は、光学要素３２を光学セル２０内に機械的
に位置決めするために、その周囲に形成された１つ以上
の平坦な面（図示せず）を有してもよい。
【００１１】光学カバー４０は、光学ハウジング２２内
の光学要素３２の後面３８の裏側に配置されている。光
学カバー４０は、前面４２と後面４４を有し、前面４２
と後面４４との間にそれを通して延びるレーザビームア
パーチャ４６を定めている。アパーチャ４６は、代表的
には、光学ハウジング２２のアパーチャ２６と同じ形状
と寸法を有する。アパーチャ４６は、レーザビームが通
る光学要素３２の窓４７を定めるように実質的にアパー
チャ２６と整列している。光学カバー４０は、代表的に
は、光学ハウジング２２と同じ材料から形成されてい
る。第２の層４８が、光学カバー４０と光学要素３２の
後面３８との間に配置されて光学要素３２から光学カバ
ー４０まで熱伝達を行っている。第２の層４８は、代表
的には、第１の層３０と同じ材料で構成されている。光
学カバー４０は、代表的には、第２の層４８に埋め込ま
れている。
の光学要素３２の後面３８の裏側に配置されている。光
学カバー４０は、前面４２と後面４４を有し、前面４２
と後面４４との間にそれを通して延びるレーザビームア
パーチャ４６を定めている。アパーチャ４６は、代表的
には、光学ハウジング２２のアパーチャ２６と同じ形状
と寸法を有する。アパーチャ４６は、レーザビームが通
る光学要素３２の窓４７を定めるように実質的にアパー
チャ２６と整列している。光学カバー４０は、代表的に
は、光学ハウジング２２と同じ材料から形成されてい
る。第２の層４８が、光学カバー４０と光学要素３２の
後面３８との間に配置されて光学要素３２から光学カバ
ー４０まで熱伝達を行っている。第２の層４８は、代表
的には、第１の層３０と同じ材料で構成されている。光
学カバー４０は、代表的には、第２の層４８に埋め込ま
れている。
【００１２】層３０、４８は、光学ハウジング２２の後
面２８と光学カバー４０の前面４２を覆っている。層３
０、４８は、光学要素３２の窓の部分４７には設けられ
ていない。光学カバー４０は、光学ハウジング２２に固
着されている。例えば、円周状に延びるハンダ接合５０
が、光学ハウジング２２と光学カバー４０との間に形成
されてもよい。ハンダ材料は、代表的には、低い溶融点
（１５７°Ｃ）を有するインジウムである。インジウム
を使用することによって、ハンダ付けを低い温度で行う
ことが可能になり、光学要素３２の加熱効果を最小にす
る。光学セル２０の構成は、光学要素３２と、光学ハウ
ジング２２と、光学カバー４０との間の、光学要素３２
のそれぞれ前面３４と後面３８において良好な熱接触を
与え、また、光学カバー４０と光学ハウジング２２との
間にも良好な熱接触を与える。
面２８と光学カバー４０の前面４２を覆っている。層３
０、４８は、光学要素３２の窓の部分４７には設けられ
ていない。光学カバー４０は、光学ハウジング２２に固
着されている。例えば、円周状に延びるハンダ接合５０
が、光学ハウジング２２と光学カバー４０との間に形成
されてもよい。ハンダ材料は、代表的には、低い溶融点
（１５７°Ｃ）を有するインジウムである。インジウム
を使用することによって、ハンダ付けを低い温度で行う
ことが可能になり、光学要素３２の加熱効果を最小にす
る。光学セル２０の構成は、光学要素３２と、光学ハウ
ジング２２と、光学カバー４０との間の、光学要素３２
のそれぞれ前面３４と後面３８において良好な熱接触を
与え、また、光学カバー４０と光学ハウジング２２との
間にも良好な熱接触を与える。
【００１３】光学セル２０を光学セルマウント６１に対
して調節するピン５４のような要素を受け取るように、
１つ以上の縦孔５２が、光学ハウジング２２を通して設
けられてもよい。光学セルマウント６１は、図４に示さ
れており、後述される。光学カバー４０を光学ハウジン
グ２２に取りつける間にアパーチャ２６、４６の整列を
調節して設定するためのピン５８のような要素を受け取
るように、横孔５６が、光学ハウジング２２と光学カバ
ー４０を通して形成されてもよい。光学要素３２は、図
示するように、平坦な前面３４と後面３８を有してもよ
く又は、光学要素３２は、湾曲したミラー及びレンズの
場合のように、１つ以上の湾曲した面（図示せず）を有
してもよい。そのような湾曲した光学要素については、
光学ハウジング２２の後面２８と光学カバー４０の前面
４２が、光学要素の隣接面と一致した輪郭を有するよう
に加工され、光学要素３２と、光学ハウジング２２と光
学カバー４０との間の均一な熱伝達を確保する。
して調節するピン５４のような要素を受け取るように、
１つ以上の縦孔５２が、光学ハウジング２２を通して設
けられてもよい。光学セルマウント６１は、図４に示さ
れており、後述される。光学カバー４０を光学ハウジン
グ２２に取りつける間にアパーチャ２６、４６の整列を
調節して設定するためのピン５８のような要素を受け取
るように、横孔５６が、光学ハウジング２２と光学カバ
ー４０を通して形成されてもよい。光学要素３２は、図
示するように、平坦な前面３４と後面３８を有してもよ
く又は、光学要素３２は、湾曲したミラー及びレンズの
場合のように、１つ以上の湾曲した面（図示せず）を有
してもよい。そのような湾曲した光学要素については、
光学ハウジング２２の後面２８と光学カバー４０の前面
４２が、光学要素の隣接面と一致した輪郭を有するよう
に加工され、光学要素３２と、光学ハウジング２２と光
学カバー４０との間の均一な熱伝達を確保する。
【００１４】光学ハウジング２２のアパーチャ２６は、
光学要素３２から光学ハウジング２２及び光学カバー４
０までの熱伝達距離を最小にするような寸法と形状にさ
れている。図１に示されるように、光学要素３２の窓４
７を通るレーザビーム６０の横断面は、ほぼ直方形であ
って、高さＨL と幅ＷL を有する。レーザビーム６０
は、代表的には、規定のレーザビーム６０とアパーチャ
２６、４６の周辺との間にある他の迷走光波（図示せ
ず）も含む。レーザ動作時に、これらの迷走光波が金属
の光学カバー４０と金属の光学ハウジング２２に当たら
ないようにすることが重要である。迷走光波が当たる
と、光学セル２０とレーザが損害を被るからである。こ
れらの迷走光波が金属に当たるのを防止するために、ア
パーチャ２６、４６の高さＨA と幅ＷA （アパーチャ４
６の高さと幅のみが図示されている）は、それぞれ、レ
ーザビーム６０の高さＨL の約２倍と、幅ＷL の約２倍
に等しいのが好ましい。例えば、高さＨL が２インチで
幅ＷL が１インチの直方形横断面を有するレーザビーム
６０については、直方形アパーチャ２６、４６は、高さ
Ｈ A が４インチで幅ＷA が２インチである。従って、直
方形については、アパーチャ２６、４６の横断面積は、
レーザビームの横断面積の約４倍に等しい。このアパー
チャの相対的な寸法は、また、光学要素３２から光学ハ
ウジング２２及び光学カバー４０までの熱伝達経路を最
小にする。
光学要素３２から光学ハウジング２２及び光学カバー４
０までの熱伝達距離を最小にするような寸法と形状にさ
れている。図１に示されるように、光学要素３２の窓４
７を通るレーザビーム６０の横断面は、ほぼ直方形であ
って、高さＨL と幅ＷL を有する。レーザビーム６０
は、代表的には、規定のレーザビーム６０とアパーチャ
２６、４６の周辺との間にある他の迷走光波（図示せ
ず）も含む。レーザ動作時に、これらの迷走光波が金属
の光学カバー４０と金属の光学ハウジング２２に当たら
ないようにすることが重要である。迷走光波が当たる
と、光学セル２０とレーザが損害を被るからである。こ
れらの迷走光波が金属に当たるのを防止するために、ア
パーチャ２６、４６の高さＨA と幅ＷA （アパーチャ４
６の高さと幅のみが図示されている）は、それぞれ、レ
ーザビーム６０の高さＨL の約２倍と、幅ＷL の約２倍
に等しいのが好ましい。例えば、高さＨL が２インチで
幅ＷL が１インチの直方形横断面を有するレーザビーム
６０については、直方形アパーチャ２６、４６は、高さ
Ｈ A が４インチで幅ＷA が２インチである。従って、直
方形については、アパーチャ２６、４６の横断面積は、
レーザビームの横断面積の約４倍に等しい。このアパー
チャの相対的な寸法は、また、光学要素３２から光学ハ
ウジング２２及び光学カバー４０までの熱伝達経路を最
小にする。
【００１５】光学セル２０の構成は、光学要素３２が、
入射した高い出力のレーザビーム６０のできるだけ近く
で光学ハウジング２２及び光学カバー４０と親密に熱接
触することにより受動的に冷却されることを可能にす
る。結果として、光学要素３２の乏しい熱伝導率が、光
学ハウジング２２及び光学カバー４０の高い熱伝導率に
よって効率的に短絡され、結果として、レーザビームの
部分的な吸収による光学要素３２の温度上昇が最小にさ
れる。光学ハウジング２２及び光学カバー４０は光学要
素３２に熱容量を与え、その熱伝導率を効率良く増大さ
せる。結果として、レーザ動作時の与えられた熱吸収量
に対して、光学要素３２の温度が、光学セル２０がなか
った場合に比べ著しく小さな量しか増大しない。図４に
示されるように、光学セル２０は、レーザの共振キャビ
ティ５８内に取りつけられている。完全反射ミラーを備
えた光学セル（図示せず）が、代表的には、光学セル２
０と整列してキャビティの反対端に取りつけられてい
る。その反対端の光学セルは、完全反射ミラーの過剰加
熱を防止してレーザビームの整列を促進して共振キャビ
ティ５８の光損失を最小にする。光学セルマウント６１
は、光学セル２０を、レーザビーム通路６４を定める共
振プレート６２に取りつけている。光学セルマウント６
１は、第１の取付けリング６６と、該第１の取付けリン
グと噛み合っている第２の取付けリング６８とを含む。
第１の取付けリング６６と第２の取付けリング６８と
は、ともに光学セルを締め付け固定し、光学ハウジング
２２と第２の取付けリング６８との間に均一な熱伝導性
の円周状界面７０を与える。界面７０は、光学ハウジン
グ２２と光学カバー４０の温度がレーザ動作時にほぼ等
しく維持できるようにする。結果として、光学要素３２
の熱応力が最小にされ、光学要素３２の規定がレーザ動
作時に実質的影響を受けずに維持される。
入射した高い出力のレーザビーム６０のできるだけ近く
で光学ハウジング２２及び光学カバー４０と親密に熱接
触することにより受動的に冷却されることを可能にす
る。結果として、光学要素３２の乏しい熱伝導率が、光
学ハウジング２２及び光学カバー４０の高い熱伝導率に
よって効率的に短絡され、結果として、レーザビームの
部分的な吸収による光学要素３２の温度上昇が最小にさ
れる。光学ハウジング２２及び光学カバー４０は光学要
素３２に熱容量を与え、その熱伝導率を効率良く増大さ
せる。結果として、レーザ動作時の与えられた熱吸収量
に対して、光学要素３２の温度が、光学セル２０がなか
った場合に比べ著しく小さな量しか増大しない。図４に
示されるように、光学セル２０は、レーザの共振キャビ
ティ５８内に取りつけられている。完全反射ミラーを備
えた光学セル（図示せず）が、代表的には、光学セル２
０と整列してキャビティの反対端に取りつけられてい
る。その反対端の光学セルは、完全反射ミラーの過剰加
熱を防止してレーザビームの整列を促進して共振キャビ
ティ５８の光損失を最小にする。光学セルマウント６１
は、光学セル２０を、レーザビーム通路６４を定める共
振プレート６２に取りつけている。光学セルマウント６
１は、第１の取付けリング６６と、該第１の取付けリン
グと噛み合っている第２の取付けリング６８とを含む。
第１の取付けリング６６と第２の取付けリング６８と
は、ともに光学セルを締め付け固定し、光学ハウジング
２２と第２の取付けリング６８との間に均一な熱伝導性
の円周状界面７０を与える。界面７０は、光学ハウジン
グ２２と光学カバー４０の温度がレーザ動作時にほぼ等
しく維持できるようにする。結果として、光学要素３２
の熱応力が最小にされ、光学要素３２の規定がレーザ動
作時に実質的影響を受けずに維持される。
【００１６】光学セルマウント６１は、さらに、光学セ
ルマウントアダプタ７２を含んでもよく、このアダプタ
７２は、共振プレート６２と第３の取付けリング７４に
取付けられて、光学セルマウント６１が各種共振キャビ
ティ内に逆嵌合されることを可能にする。光学セル２０
は、光学セル２０と光学セルマウント６１との界面に対
する熱勾配を著しく小さくする。熱は、様々な標準の技
術により１つ以上の選択された場所において光学要素３
２から除去されてもよい。例えば、長手軸方向に隔置さ
れた冷却導管５６、７６が光学セルマウント６１に設け
られてもよい。このような光学セルマウント６１の冷却
導管の位置及び数は、選択的に変えもよい。光学セルマ
ウント６１の選択された位置において光学セル２０から
熱を除去する能力は、光学セル２０と光学セルマウント
６１の間の精密な界面７０において熱を除去する必要を
排除する。これは、光学セルマウント６１の構成を簡単
にしてそのコストを下げる。
ルマウントアダプタ７２を含んでもよく、このアダプタ
７２は、共振プレート６２と第３の取付けリング７４に
取付けられて、光学セルマウント６１が各種共振キャビ
ティ内に逆嵌合されることを可能にする。光学セル２０
は、光学セル２０と光学セルマウント６１との界面に対
する熱勾配を著しく小さくする。熱は、様々な標準の技
術により１つ以上の選択された場所において光学要素３
２から除去されてもよい。例えば、長手軸方向に隔置さ
れた冷却導管５６、７６が光学セルマウント６１に設け
られてもよい。このような光学セルマウント６１の冷却
導管の位置及び数は、選択的に変えもよい。光学セルマ
ウント６１の選択された位置において光学セル２０から
熱を除去する能力は、光学セル２０と光学セルマウント
６１の間の精密な界面７０において熱を除去する必要を
排除する。これは、光学セルマウント６１の構成を簡単
にしてそのコストを下げる。
【００１７】エッジバー及び熱電気冷却器（図示せず）
のような他のタイプの冷却要素が、代替として光学セル
２０を冷却するために使用されてもよい。光学要素３２
の吸収量は、代表的には、入射レーザビームの出力の約
０．０５％よりも小さい。光学要素３２の有害な加熱効
果を防止するために、付随する吸収熱は、光学セル２０
から除去されなければならない。光学セル２０は、光学
要素３２の加熱を小さくして、レーザの冷却条件を小さ
くする。概算によれば、光学セル２０を囲む冷却剤導管
５６のような冷却要素を有する６ｋｗの高い出力の冷却
の動作時には、光学要素３２の窓が、約９５°Ｃの温度
に達する。光学要素３２を取りつけた光学セル２０を設
けなければ、窓４７において到達する概算温度は約１３
５°Ｃである。
のような他のタイプの冷却要素が、代替として光学セル
２０を冷却するために使用されてもよい。光学要素３２
の吸収量は、代表的には、入射レーザビームの出力の約
０．０５％よりも小さい。光学要素３２の有害な加熱効
果を防止するために、付随する吸収熱は、光学セル２０
から除去されなければならない。光学セル２０は、光学
要素３２の加熱を小さくして、レーザの冷却条件を小さ
くする。概算によれば、光学セル２０を囲む冷却剤導管
５６のような冷却要素を有する６ｋｗの高い出力の冷却
の動作時には、光学要素３２の窓が、約９５°Ｃの温度
に達する。光学要素３２を取りつけた光学セル２０を設
けなければ、窓４７において到達する概算温度は約１３
５°Ｃである。
【００１８】光学セル２０は、また、窓４７の表面温度
を著しく最小にし、それにより、レーザビームの品質を
下げる共振キャビティ５８の空気の対流を最小にする。
光学要素３２が到達する温度を最小にすることにより、
光学セル２０は光学要素の基板の熱勾配を最小にし、そ
れにより、レーザビームの品質を低下させる熱の及び光
学的な歪み効果を小さくする。光学セル２０の構成は、
他の利点を与える。特に、光学セル２０は、光学要素３
２の正確で簡単な機械的な配置を与える。光学セル２０
は、モジュール形の標準の構成を有し、光学要素３２が
損傷した場合にその容易な交換を可能にする。光学セル
２０は、従来の光学要素と同様に取り扱うことができ、
光学セル２０を交換するために冷却システムを分解する
ことは全く不要である。加えて、光学セル２０は、コス
ト的な損害を防止するために、取扱中および搭載中に光
学要素３２の機械的な保護を与える。
を著しく最小にし、それにより、レーザビームの品質を
下げる共振キャビティ５８の空気の対流を最小にする。
光学要素３２が到達する温度を最小にすることにより、
光学セル２０は光学要素の基板の熱勾配を最小にし、そ
れにより、レーザビームの品質を低下させる熱の及び光
学的な歪み効果を小さくする。光学セル２０の構成は、
他の利点を与える。特に、光学セル２０は、光学要素３
２の正確で簡単な機械的な配置を与える。光学セル２０
は、モジュール形の標準の構成を有し、光学要素３２が
損傷した場合にその容易な交換を可能にする。光学セル
２０は、従来の光学要素と同様に取り扱うことができ、
光学セル２０を交換するために冷却システムを分解する
ことは全く不要である。加えて、光学セル２０は、コス
ト的な損害を防止するために、取扱中および搭載中に光
学要素３２の機械的な保護を与える。
【００１９】光学セル２０は、代替として、低出力レー
ザに使用されてもよい。以上、本発明を、或る好ましい
実施例についてかなり詳細に説明したけれども、他の実
施例も可能である。従って、特許請求の範囲は、これら
の好ましい実施例の説明に限定されるべきではない。
ザに使用されてもよい。以上、本発明を、或る好ましい
実施例についてかなり詳細に説明したけれども、他の実
施例も可能である。従って、特許請求の範囲は、これら
の好ましい実施例の説明に限定されるべきではない。
【図１】本発明による光学セルの後部立面図である。
【図２】図１の２−２線の方向から見た横断面図であ
る。
る。
【図３】図１の３−３線の方向から見た横断面図であ
る。
る。
【図４】レーザキャビティに取り付けられた光学セルを
示す横断面図である。
示す横断面図である。
２０ 光学セル ２２ 光学ハウジング ２４ 前面 ２６ レーザビームアパーチャ ２８ 後面 ３０ 第１の層 ３２ 光学要素 ３４ 前面 ３６ 円周側面 ３８ 後面 ４０ 光学カバー ４２ 前面 ４４ 後面 ４６ レーザビームアパーチャ ４７ 窓 ４８ 第２の層 ５６ 導管 ５８ レーザ共振キャビティ ６０ レーザビーム ６１ 光学セルマウント ６２ 共振プレート ６４ レーザビーム通路 ６６ 第１の取付けリング ６８ 第２の取付けリング ７０ 界面 ７２ 光学セル取付けアダプタ ７４ 第３の取付けリング ７６ 導管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−60791（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−73575（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−165387（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−158960（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−297857（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−7179（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−140556（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/04 - 3/042 H01S 3/08
Claims (17)
- 【請求項１】 動作時にレーザビームを発生するレーザ
キャビティで使用するための光学セルであって； ａ）第１のレーザビームアパーチャを定める壁を有す
る、熱伝導性材料で構成された光学ハウジングを含み、 ｂ）光学ハウジング内に配置された光学要素を含み、 ｃ）光学ハウジングの壁に設けられ光学ハウジングの壁
と光学要素に当接している、熱伝導性材料で構成された
第１の層を含み、 ｄ）第２のレーザビームアパーチャを定める、熱伝導性
材料で構成された面を有する光学カバーを含み、 ｅ）光学カバーの面に設けられ光学要素と光学カバーに
当接している、熱伝導性材料で構成された第２の層を含
み、 ｆ）第１と第２のレーザビームアパーチャは、実質的に
相互に整列していて、レーザビームを通す光学要素の窓
を定め、 ｇ）レーザビームは、実質的に長方形の横断面を有し且
つ或る高さと或る幅を有し、第１と第２のレーザビーム
アパーチャは、それぞれ実質的に長方形の形状に作ら
れ、且つ、それぞれレーザビームの高さのほぼ２倍に等
しい高さとレーザビームの幅のほぼ２倍に等しい幅を有
する、 ことを特徴とする光学セル。 - 【請求項２】 第１と第２の層は、インジウムから構成
される請求項１に記載の光学セル。 - 【請求項３】 光学カバーと光学ハウジングは、界面を
形成し、光学カバーと光学ハウジングは、界面において
インジウムにより相互に固着されている請求項１に記載
の光学セル。 - 【請求項４】 第１と第２のレーザアパーチャは、
（ｉ）光学要素と光学ハウジングと光学カバーとの間の
熱伝達距離を最小にするとともに、（ｉｉ）レーザビー
ムが光学ハウジング及び光学カバーに当たることなく光
学要素の窓を通過できるような寸法及び形状に作られて
いる請求項１に記載の光学セル。 - 【請求項５】 光学ハウジングと光学カバーは、銅又は
アルミニウムで構成される請求項１に記載の光学セル。 - 【請求項６】 光学要素は、ミラー、レンズ、プリズム
及び偏光子から成るグループから選択される請求項１に
記載の光学セル。 - 【請求項７】 動作時にレーザビームを発生するレーザ
キャビティで使用するための光学セルであって； ａ）第１のレーザビームアパーチャを定める壁を有する
金属製光学ハウジングを含み、 ｂ）光学ハウジング内に配置された光学要素を含み、 ｃ）光学ハウジングの壁に設けられ光学ハウジングの壁
と光学要素に当接し、実質的に光学ハウジングの壁を覆
う第１のインジウム層を含み、 ｄ）第２のレーザビームアパーチャを定める、面を有す
る金属製光学カバーを含み、 ｅ）光学ハウジングと光学カバーは、熱伝導性金属によ
り結合されており、 ｆ）光学カバーの面に設けられ光学要素と光学カバーに
当接し、実質的に光学カバーを覆う第２のインジウム層
を含み、 ｇ）第１と第２のレーザビームアパーチャは、実質的に
相互に整列していて、レーザビームを通す光学要素の窓
を定めており、 ｈ）光学セルは、（ｉ）光学要素における熱勾配を最小
にするとともに、（ｉｉ）レーザの動作時に窓の表面温
度を最小にし、 ｉ）レーザビームは、実質的に長方形の横断面を有し且
つ或る高さと或る幅を有し、第１と第２のレーザビーム
アパーチャは、それぞれ実質的に長方形の形状に作ら
れ、且つ、それぞれレーザビームの高さのほぼ２倍に等
しい高さとレーザビームの幅のほぼ２倍に等しい幅を有
する、 ことを特徴とする光学セル。 - 【請求項８】 光学カバーと光学ハウジングは、それら
の間に界面を形成し、光学カバーと光学ハウジングは、
界面においてインジウムにより相互に接合されている請
求項７に記載の光学セル。 - 【請求項９】 第１と第２のレーザアパーチャは、
（ｉ）光学要素と光学ハウジングと光学カバーとの間の
熱伝達距離を最小にするとともに、（ｉｉ）レーザビー
ムが光学ハウジング及び光学カバーに当たることなく光
学要素の窓を通過できるような寸法及び形状に作られて
いる請求項７に記載の光学セル。 - 【請求項１０】 動作時にレーザビームを発生するレー
ザキャビティで使用するための光学セル組立体であっ
て； ａ）ｉ）第１のレーザビームアパーチャを定める壁を有
する、熱伝導性材料で構成された光学ハウジングを含
み、 ｉｉ）光学ハウジング内に配置された光学要素を含み、 ｉｉｉ）光学ハウジングの壁に設けられ光学ハウジング
の壁と光学要素に当接している、熱伝導性材料で構成さ
れた第１の層を含み、 ｉｖ）第２のレーザビームアパーチャを定める、熱伝導
性材料で構成された面を有する光学カバーを含み、 ｖ）光学カバーの面に設けられ光学要素と光学カバーに
当接している、熱伝導性材料で構成された第２の層を含
み、 ｖｉ）第１と第２のレーザビームアパーチャは、実質的
に相互に整列していて、レーザビームを通す光学要素の
窓を定め、 ｖｉｉ）レーザビームは、実質的に長方形の横断面を有
し且つ或る高さと或る幅を有し、第１と第２のレーザビ
ームアパーチャは、それぞれ実質的に長方形の形状に作
られ、且つ、それぞれレーザビームの高さのほぼ２倍に
等しい高さとレーザビームの幅のほぼ２倍に等しい幅を
有する、 光学セルと； ｂ）ｉ）レーザキャビティにおいて光学セルを除去可能
に締め付け固定するクランプ手段を含み、 ｉｉ）レーザの動作時に光学セルを冷却する冷却手段を
含む、 光学セルマウントと； を備えた光学セル組立体。 - 【請求項１１】 第１と第２の層は、インジウムから構
成される請求項１０に記載の光学セル組立体。 - 【請求項１２】 光学カバーと光学ハウジングは、界面
を形成し、光学カバーと光学ハウジングは、界面におい
てインジウムにより相互に接合されている請求項１０に
記載の光学セル組立体。 - 【請求項１３】 第１と第２のレーザアパーチャは、
（ｉ）光学要素と光学ハウジングと光学カバーとの間の
熱伝達距離を最小にするとともに、（ｉｉ）レーザビー
ムが光学ハウジング及び光学カバーに当たることなく光
学要素の窓を通過できるような寸法及び形状に作られて
いる請求項１０に記載の光学セル組立体。 - 【請求項１４】 光学ハウジングと光学カバーは、銅又
はアルミニウムで構成される請求項１０に記載の光学セ
ル組立体。 - 【請求項１５】 クランプ手段は、レーザの動作時に光
学ハウジングと光学セルの温度がほぼ等しくなるよう
に、光学セルの外面と熱伝導性界面を形成している請求
項１０に記載の光学セル組立体。 - 【請求項１６】 冷却手段は、クランプ手段に配置され
た少なくとも１つの冷却導管で構成される請求項１０に
記載の光学セル組立体。 - 【請求項１７】 ａ）動作時にレーザビームを発生する
共振キャビティを備え； ｂ）キャビティに配置された少なくとも１つの光学セル
であって、 ｉ）第１のレーザビームアパーチャを定める壁を有す
る、熱伝導性材料で構成された光学ハウジングを含み、 ｉｉ）光学ハウジング内に配置された光学要素を含み、 ｉｉｉ）光学ハウジングの壁に設けられ光学ハウジング
の壁と光学要素に当接している、熱伝導性材料で構成さ
れた第１の層を含み、 ｉｖ）第２のレーザビームアパーチャを定める、熱伝導
性材料で構成された面を有する光学カバーを含み、 ｖ）光学カバーの面に設けられ光学要素と光学カバーに
当接している、熱伝導性材料で構成された第２の層を含
み、 ｖｉ）第１と第２のレーザビームアパーチャは、実質的
に整列していて、レーザビームを通す光学要素の窓を定
めている、 光学セルを備え； ｃ）ｉ）レーザキャビティにおいて光学セルを除去可能
に固定するクランプ手段と、 ｉｉ）レーザの動作時に光学セルを冷却する冷却手段
と、 を含む光学セルマウントを備えた； 高出力レーザ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/780246 | 1997-01-08 | ||
| US08/780,246 US5881088A (en) | 1997-01-08 | 1997-01-08 | Face-cooled high-power laser optic cell |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10223945A JPH10223945A (ja) | 1998-08-21 |
| JP2933578B2 true JP2933578B2 (ja) | 1999-08-16 |
Family
ID=25119042
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10001516A Expired - Fee Related JP2933578B2 (ja) | 1997-01-08 | 1998-01-07 | 面冷却式高出力レーザ光学セル |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5881088A (ja) |
| EP (1) | EP0853357B1 (ja) |
| JP (1) | JP2933578B2 (ja) |
| KR (1) | KR19980070376A (ja) |
| CA (1) | CA2225975C (ja) |
| DE (1) | DE69823563T2 (ja) |
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| US7274430B2 (en) | 1998-02-20 | 2007-09-25 | Carl Zeiss Smt Ag | Optical arrangement and projection exposure system for microlithography with passive thermal compensation |
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| DE10151587A1 (de) * | 2001-10-23 | 2003-05-22 | Trumpf Lasertechnik Gmbh | Vorrichtung zur Strahlführung eines Laserstrahls |
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| US9208290B2 (en) * | 2012-04-27 | 2015-12-08 | Gregg S. Homer | External storage of medical device treatment parameters |
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1998
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