JPH11150315A - 受動伝導冷却型レーザ結晶媒体 - Google Patents
受動伝導冷却型レーザ結晶媒体Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ソリッドステートＹＡＧレーザ結晶媒体１２
に取付けられた熱伝導組立体１４を含む光ポンプ型レー
ザ装置１０を提供する。 【解決手段】 熱伝導組立体１４は、発生した熱を冷却
表面２４及び２６を通して拡散させる熱拡散要素３２か
らなる。この要素は、システムから熱を除去する熱放出
構造３７を含む。レーザシステムの効率は、レーザ結晶
媒体を矢印４０で示す経路に沿ってポンピングし、熱伝
導組立体が除去する熱を矢印４２に沿って導くようなジ
オメトリによって改善される。これらの経路は互いに直
交しており、レーザ結晶１２内の温度変化を最小にして
システムのＯＰＤを低い値にする効果的なジオメトリを
提供する。熱伝導組立体１４は、ディフューザ３２から
の熱の除去を容易にするために、液体型熱交換器４３ま
たは熱パイプ３３を含むことができる。
に取付けられた熱伝導組立体１４を含む光ポンプ型レー
ザ装置１０を提供する。 【解決手段】 熱伝導組立体１４は、発生した熱を冷却
表面２４及び２６を通して拡散させる熱拡散要素３２か
らなる。この要素は、システムから熱を除去する熱放出
構造３７を含む。レーザシステムの効率は、レーザ結晶
媒体を矢印４０で示す経路に沿ってポンピングし、熱伝
導組立体が除去する熱を矢印４２に沿って導くようなジ
オメトリによって改善される。これらの経路は互いに直
交しており、レーザ結晶１２内の温度変化を最小にして
システムのＯＰＤを低い値にする効果的なジオメトリを
提供する。熱伝導組立体１４は、ディフューザ３２から
の熱の除去を容易にするために、液体型熱交換器４３ま
たは熱パイプ３３を含むことができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的には、光ポ
ンピング及びソリッドステート結晶レーザ媒体を冷却す
る技術に関し、詳しく述べれば、レーザ媒体内に等方性
温度状態を発生させるために、レーザ媒体と熱伝導関係
にある熱伝導要素により熱を除去することによって、レ
ーザ媒体を受動的に冷却することに関する。
ンピング及びソリッドステート結晶レーザ媒体を冷却す
る技術に関し、詳しく述べれば、レーザ媒体内に等方性
温度状態を発生させるために、レーザ媒体と熱伝導関係
にある熱伝導要素により熱を除去することによって、レ
ーザ媒体を受動的に冷却することに関する。
【０００２】
【従来の技術】光ポンプ型の強い、高パワーソリッドス
テートレーザシステムは、レーザスラブ内にかなりな量
の熱を発生する。応用環境と矛盾しない適切な技術によ
って温度を制御しない限り、システムは極めて非効率に
なるか、または動作不能にさえ陥る。例えば、これらの
レーザシステムを宇宙空間で使用する場合には、合理的
に使用できる冷却技術は制限される。これらのシステム
を地球上で使用する場合には、流体を冷却媒体として使
用することが知られている。冷却材としての流体は、特
に水を使用する場合には循環ポンピングシステムを必要
とし、また空気を使用する場合にはブロアーを使用する
必要がある。何れの場合も、流体冷却材を使用すること
によってレーザ媒体表面が汚染される恐れがあり、生成
されるレーザビームの品質にそれが干渉する可能性があ
る。更に、流体は若干の環境においては凍結し、ハード
ウェアを傷つける恐れがある。
テートレーザシステムは、レーザスラブ内にかなりな量
の熱を発生する。応用環境と矛盾しない適切な技術によ
って温度を制御しない限り、システムは極めて非効率に
なるか、または動作不能にさえ陥る。例えば、これらの
レーザシステムを宇宙空間で使用する場合には、合理的
に使用できる冷却技術は制限される。これらのシステム
を地球上で使用する場合には、流体を冷却媒体として使
用することが知られている。冷却材としての流体は、特
に水を使用する場合には循環ポンピングシステムを必要
とし、また空気を使用する場合にはブロアーを使用する
必要がある。何れの場合も、流体冷却材を使用すること
によってレーザ媒体表面が汚染される恐れがあり、生成
されるレーザビームの品質にそれが干渉する可能性があ
る。更に、流体は若干の環境においては凍結し、ハード
ウェアを傷つける恐れがある。
【０００３】当分野においては公知のように、これらの
システムのビーム品質は、媒体の絶対温度に対するレー
ザ媒体全体の温度の均一性の関数である。媒体の冷却
は、発生するレーザビームがレーザ媒体を通って伝播す
る際に、波形がビーム全体を横切って均一位相となるよ
うに、等方性状態を作り出すことが目的である。レーザ
媒体内で遭遇する温度変化がその経路内の屈折率を変化
させ、ひずみを生じさせる。出力ビームにまたがるこの
相差は、光路差（“ＯＰＤ”）として知られている。ビ
ームがある量の発散を受けると、そのビーム品質はＯＰ
Ｄのレベルに逆比例する。この関係は数学的に、
システムのビーム品質は、媒体の絶対温度に対するレー
ザ媒体全体の温度の均一性の関数である。媒体の冷却
は、発生するレーザビームがレーザ媒体を通って伝播す
る際に、波形がビーム全体を横切って均一位相となるよ
うに、等方性状態を作り出すことが目的である。レーザ
媒体内で遭遇する温度変化がその経路内の屈折率を変化
させ、ひずみを生じさせる。出力ビームにまたがるこの
相差は、光路差（“ＯＰＤ”）として知られている。ビ
ームがある量の発散を受けると、そのビーム品質はＯＰ
Ｄのレベルに逆比例する。この関係は数学的に、
【０００４】
【数１】
【０００５】で表すことができる。波形の振幅の二乗平
均平方根値として求められるＯＰＤが僅かに増加して
も、ビーム品質は大きく劣化する。明らかに、レーザシ
ステムの設計及び構造は、レーザ媒体内に等方性の温度
プロファイルを得ることを主たる目的の１つにしてい
る。ＯＰＤに影響する別の要因は、光ポンピングの方向
と、レージング媒体の若干の面部分に適用される温度制
御要素との幾何学的関係である。一般的に、レージング
媒体は対向している研磨面と、粗くして入射放射を拡散
させる対向している面部分とを有している。レーザをポ
ンピングし、冷却するジオメトリについて言えば、レー
ザを１つの表面からのみポンピングし、別の対向する表
面からそれを冷却すると、ビーム品質は極めて貧弱にな
り、受入れられるものではなくなることが知られてい
る。ジオメトリを対称的にし、媒体の両面から光ポンピ
ングを行い、そして冷却経路も光ポンピング経路を横切
るように両面に設ければ、ビームの品質は改善される。
これは、両面対称ポンピング及び両面冷却として知られ
ている。このようなポンピング及び冷却のジオメトリを
このようにすればＯＰＤが大幅に改善され、その結果ビ
ーム品質が改善される。
均平方根値として求められるＯＰＤが僅かに増加して
も、ビーム品質は大きく劣化する。明らかに、レーザシ
ステムの設計及び構造は、レーザ媒体内に等方性の温度
プロファイルを得ることを主たる目的の１つにしてい
る。ＯＰＤに影響する別の要因は、光ポンピングの方向
と、レージング媒体の若干の面部分に適用される温度制
御要素との幾何学的関係である。一般的に、レージング
媒体は対向している研磨面と、粗くして入射放射を拡散
させる対向している面部分とを有している。レーザをポ
ンピングし、冷却するジオメトリについて言えば、レー
ザを１つの表面からのみポンピングし、別の対向する表
面からそれを冷却すると、ビーム品質は極めて貧弱にな
り、受入れられるものではなくなることが知られてい
る。ジオメトリを対称的にし、媒体の両面から光ポンピ
ングを行い、そして冷却経路も光ポンピング経路を横切
るように両面に設ければ、ビームの品質は改善される。
これは、両面対称ポンピング及び両面冷却として知られ
ている。このようなポンピング及び冷却のジオメトリを
このようにすればＯＰＤが大幅に改善され、その結果ビ
ーム品質が改善される。
【０００６】レーザ媒体の冷却方法は、ビーム品質を決
定する上で重要な役割を果たす。従来から知られている
技術は、熱を除去するために面部分に水または他の適当
な流体を流す熱交換器を使用している。熱交換器は、面
部分に液体を循環させるためのポンピング装置を必要と
する。液体の汚染の機会が存在していて、レーザ面部分
に汚染物が沈積し、面の内側の入射ビームの内部反射に
干渉するようになる。熱交換器技術のこれらの公知の欠
陥は、対流冷却の特徴である。以下に本発明に関連付け
て説明する対流冷却技術とは、ポンピング装置を使用
し、面部分に直接液体及びガスを接触循環させて熱を除
去する技術と定義する。本発明は、レーザ媒体上を通過
する冷却材を用いずに、冷却面部分に密着させた熱伝導
材料層を使用してレーザ媒体から熱を伝導転送する。
定する上で重要な役割を果たす。従来から知られている
技術は、熱を除去するために面部分に水または他の適当
な流体を流す熱交換器を使用している。熱交換器は、面
部分に液体を循環させるためのポンピング装置を必要と
する。液体の汚染の機会が存在していて、レーザ面部分
に汚染物が沈積し、面の内側の入射ビームの内部反射に
干渉するようになる。熱交換器技術のこれらの公知の欠
陥は、対流冷却の特徴である。以下に本発明に関連付け
て説明する対流冷却技術とは、ポンピング装置を使用
し、面部分に直接液体及びガスを接触循環させて熱を除
去する技術と定義する。本発明は、レーザ媒体上を通過
する冷却材を用いずに、冷却面部分に密着させた熱伝導
材料層を使用してレーザ媒体から熱を伝導転送する。
【０００７】前述したように、伝導冷却技術の重要な利
点は、冷却に流体交換器を使用した時にもたらされるレ
ーザ媒体の面部分の汚染問題を排除することにある。以
下に説明する改良された伝導冷却技術の使用によって、
循環する流体を使用することなく、従って循環ポンプ装
置を使用する必要性を排除して、レーザ媒体の冷却が可
能になる。伝導冷却は、液体型の熱交換システムの使用
を可能にする機会をも提供し、しかもレーザ媒体の面を
汚染する危険性を排除する。本発明は、代替型の熱交換
器の使用をも提供し、これらの熱交換器は、汚染の可能
性を生ずることなく熱を効果的に消散させるために、レ
ーザ媒体の面から完全に分離して伝導組立体に取付けら
れる。
点は、冷却に流体交換器を使用した時にもたらされるレ
ーザ媒体の面部分の汚染問題を排除することにある。以
下に説明する改良された伝導冷却技術の使用によって、
循環する流体を使用することなく、従って循環ポンプ装
置を使用する必要性を排除して、レーザ媒体の冷却が可
能になる。伝導冷却は、液体型の熱交換システムの使用
を可能にする機会をも提供し、しかもレーザ媒体の面を
汚染する危険性を排除する。本発明は、代替型の熱交換
器の使用をも提供し、これらの熱交換器は、汚染の可能
性を生ずることなく熱を効果的に消散させるために、レ
ーザ媒体の面から完全に分離して伝導組立体に取付けら
れる。
【０００８】
【発明の概要】本発明は光ポンプ型のレーザを提供する
ものであり、この光ポンプ型レーザはソリッドステート
レーザ媒体を備え、媒体は内部反射によってジグザグ経
路で媒体内を均一に伝播するレーザビーム波を生成す
る。このレーザ媒体は、それらを通してレーザ媒体が励
起される第１の面部分と、それらを通してレーザ媒体を
伝導冷却する第２の冷却面部分とを有している。伝導冷
却面部分は、少なくとも、伝導性接着フィルムを用いて
冷却面部分に接着される銅のような熱伝導層を含んでい
る。高度に反射性のレーザ媒体表面の特性への有害効果
を防ぐために、熱伝導組立体はレーザ結晶表面と伝導接
着材との間に保護薄膜を含んでいる。熱伝導組立体は、
熱拡散要素に関連する熱を消散させる手段を付加的に含
むことができる。
ものであり、この光ポンプ型レーザはソリッドステート
レーザ媒体を備え、媒体は内部反射によってジグザグ経
路で媒体内を均一に伝播するレーザビーム波を生成す
る。このレーザ媒体は、それらを通してレーザ媒体が励
起される第１の面部分と、それらを通してレーザ媒体を
伝導冷却する第２の冷却面部分とを有している。伝導冷
却面部分は、少なくとも、伝導性接着フィルムを用いて
冷却面部分に接着される銅のような熱伝導層を含んでい
る。高度に反射性のレーザ媒体表面の特性への有害効果
を防ぐために、熱伝導組立体はレーザ結晶表面と伝導接
着材との間に保護薄膜を含んでいる。熱伝導組立体は、
熱拡散要素に関連する熱を消散させる手段を付加的に含
むことができる。
【０００９】ポンピング面部分は、入射ポンピング放射
に対して拡散表面を与えるように粗くされている。レー
ザ媒体のポンピング及び冷却のための面部分のジオメト
リは、経路が互いに直交し合うようになっている。レー
ザ媒体は、対向する拡散表面の面部分を通して光学的に
ポンプされ、熱伝導組立体はポンピング面部分に直角な
各対向冷却面部分に取付けられる。本発明のこれらの、
及び他の特色、面、及び長所は以下の説明、前記特許請
求の範囲、及び添付図面から一層明白になるであろう。
に対して拡散表面を与えるように粗くされている。レー
ザ媒体のポンピング及び冷却のための面部分のジオメト
リは、経路が互いに直交し合うようになっている。レー
ザ媒体は、対向する拡散表面の面部分を通して光学的に
ポンプされ、熱伝導組立体はポンピング面部分に直角な
各対向冷却面部分に取付けられる。本発明のこれらの、
及び他の特色、面、及び長所は以下の説明、前記特許請
求の範囲、及び添付図面から一層明白になるであろう。
【００１０】
【実施例】図１に、レーザシステム１０の実施例を斜視
図で示す。レーザシステムの中央にレーザ媒体１２があ
り、熱伝導組立体は１４で、またポンピングダイオード
アレイは１６で示されている。例示に過ぎないポンピン
グダイオードアレイは、レーザ媒体１２の面部分２０及
び２２から離間して示されている。実際には、アレイは
ポンピング面部分２０及び２２に密着されている。熱伝
導組立体１４は、熱拡散要素３２及び熱放出構造３３を
備えている。各組立体１４は、レーザ媒体１２の上側及
び下側冷却面部分２４及び２６に取付けられている。レ
ーザ媒体に密着させた熱交換器を通して流体をポンプす
る従来の能動冷却システムとは異なって、本伝導組立体
１４は、レーザ媒体の面を流体接触させないように維持
する受動技術であることを特徴としている。本発明の受
動システムは、レーザ媒体を通して一様な、即ち均一な
温度を確立するように設計されているので、レーザ媒体
内に進入したエネルギビームはレーザ媒体を通して異な
る屈折率（温度差によって生ずる）に遭遇することなく
レーザ媒体を通って伝播し、ビームは平坦な波面として
移動する。冷却は、レージング媒体の絶対温度レベルを
達成するのではなく、レージング媒体の温度変化を回避
して等方性状態を維持することが目的であることは理解
されよう。
図で示す。レーザシステムの中央にレーザ媒体１２があ
り、熱伝導組立体は１４で、またポンピングダイオード
アレイは１６で示されている。例示に過ぎないポンピン
グダイオードアレイは、レーザ媒体１２の面部分２０及
び２２から離間して示されている。実際には、アレイは
ポンピング面部分２０及び２２に密着されている。熱伝
導組立体１４は、熱拡散要素３２及び熱放出構造３３を
備えている。各組立体１４は、レーザ媒体１２の上側及
び下側冷却面部分２４及び２６に取付けられている。レ
ーザ媒体に密着させた熱交換器を通して流体をポンプす
る従来の能動冷却システムとは異なって、本伝導組立体
１４は、レーザ媒体の面を流体接触させないように維持
する受動技術であることを特徴としている。本発明の受
動システムは、レーザ媒体を通して一様な、即ち均一な
温度を確立するように設計されているので、レーザ媒体
内に進入したエネルギビームはレーザ媒体を通して異な
る屈折率（温度差によって生ずる）に遭遇することなく
レーザ媒体を通って伝播し、ビームは平坦な波面として
移動する。冷却は、レージング媒体の絶対温度レベルを
達成するのではなく、レージング媒体の温度変化を回避
して等方性状態を維持することが目的であることは理解
されよう。
【００１１】図１Ａはレーザシステム１０の拡大断面図
であって、熱伝導組立体１４の構造を示している。レー
ザ媒体１２には、冷却面部分２４及び２６に接着された
消波被膜( evanescent wave coating ) ３０が設けられ
ている。消波被膜３０は、1.5 またはそれ以下の低屈折
率を有する２ミクロン厚の透明被膜であるので、媒体内
にポンプされた放射エネルギはレーザ媒体内部で全反射
する。被膜３０は、ノースカロライナ州の Litton Airt
ron Synoptics of Charlotteから入手可能な二酸化シリ
コン（ＳｉＯ2 ）のフィルムからなる。消波被膜３０
は、1064ｎｍの放射に対して透明な誘電材料であること
ができる。例えば、同じ厚みのフッ化マグネシウム（Ｍ
ｇＦ2 ）も被膜３０として有利に使用することができ
る。熱拡散要素３２は、室温で硬化可能な接着フィルム
３４によってレーザ媒体に取付けられる。被膜は誘電材
料であり、接着材料３４からの有害な効果から媒体表面
を保護する。接着材料３４はシリコンをベースとする接
着剤であり、窒化ホウ素を含む熱伝導性である。熱硬化
シリコンフィルム３４の厚みは２−６ミクロンの範囲内
にあり、カリフォルニア州カーピンテリアの Nusil Tec
hnology から商品名ＣＶ−２９４６として入手可能であ
る。接着材料３４は 3.8Ｗ／ｃｍ°Ｋの熱伝導率を有し
ている。材料３４は接着剤としてだけではなく、熱伝導
層としても働く。別の適当な接着材料は、ニューヨーク
州ウォーターフォードの GE Silicones から市販されて
いるシリコンゴムＲＴＶ６１５Ａである。
であって、熱伝導組立体１４の構造を示している。レー
ザ媒体１２には、冷却面部分２４及び２６に接着された
消波被膜( evanescent wave coating ) ３０が設けられ
ている。消波被膜３０は、1.5 またはそれ以下の低屈折
率を有する２ミクロン厚の透明被膜であるので、媒体内
にポンプされた放射エネルギはレーザ媒体内部で全反射
する。被膜３０は、ノースカロライナ州の Litton Airt
ron Synoptics of Charlotteから入手可能な二酸化シリ
コン（ＳｉＯ2 ）のフィルムからなる。消波被膜３０
は、1064ｎｍの放射に対して透明な誘電材料であること
ができる。例えば、同じ厚みのフッ化マグネシウム（Ｍ
ｇＦ2 ）も被膜３０として有利に使用することができ
る。熱拡散要素３２は、室温で硬化可能な接着フィルム
３４によってレーザ媒体に取付けられる。被膜は誘電材
料であり、接着材料３４からの有害な効果から媒体表面
を保護する。接着材料３４はシリコンをベースとする接
着剤であり、窒化ホウ素を含む熱伝導性である。熱硬化
シリコンフィルム３４の厚みは２−６ミクロンの範囲内
にあり、カリフォルニア州カーピンテリアの Nusil Tec
hnology から商品名ＣＶ−２９４６として入手可能であ
る。接着材料３４は 3.8Ｗ／ｃｍ°Ｋの熱伝導率を有し
ている。材料３４は接着剤としてだけではなく、熱伝導
層としても働く。別の適当な接着材料は、ニューヨーク
州ウォーターフォードの GE Silicones から市販されて
いるシリコンゴムＲＴＶ６１５Ａである。
【００１２】熱拡散要素３２は金属、好ましくは銅で作
られており、一般的にはベリリウム・銅合金、またはア
ルミニウムのような熱伝導金属であることができる。要
素３２は、冷却表面２４及び２６から伝わる熱を拡散さ
せるのに役立つ。要素３２の拡散機能に関して説明すれ
ば、面２４及び２６に接して並置される２ｍｍ幅の入力
領域３６から、拡散要素が熱放出構造３３と係合する１
ｃｍの出力領域３８まで広がっているくさび形の形態で
ある。レーザ媒体の長さが３ｃｍであれば、ディフュー
ザは熱伝導組立体１４上の熱負荷を減少させるために、
接触の単位面積当たりの熱流束を大幅に減少させるのに
役立つ。動作例として、２ｍｍ幅で３ｃｍ長のレーザ媒
体は 28 Ｗの熱、及び 14 Ｗ／冷却面部分を発生し得
る。レーザ媒体界面３６における熱流束は 23 Ｗ／ｃｍ
2 であり、界面領域３８における出力は 4.6Ｗ／ｃｍ2
である。熱負荷を拡散させる目的は、約 10 Ｗ／ｃｍ2
の除去能力を有するヒートパイプ、または熱を放出する
位相変化材料または他の熱消散構造の使用を可能にする
ことである。例えば、収集した熱を放出させるために液
体型熱交換器またはフィン型放熱器を使用することがで
きる。
られており、一般的にはベリリウム・銅合金、またはア
ルミニウムのような熱伝導金属であることができる。要
素３２は、冷却表面２４及び２６から伝わる熱を拡散さ
せるのに役立つ。要素３２の拡散機能に関して説明すれ
ば、面２４及び２６に接して並置される２ｍｍ幅の入力
領域３６から、拡散要素が熱放出構造３３と係合する１
ｃｍの出力領域３８まで広がっているくさび形の形態で
ある。レーザ媒体の長さが３ｃｍであれば、ディフュー
ザは熱伝導組立体１４上の熱負荷を減少させるために、
接触の単位面積当たりの熱流束を大幅に減少させるのに
役立つ。動作例として、２ｍｍ幅で３ｃｍ長のレーザ媒
体は 28 Ｗの熱、及び 14 Ｗ／冷却面部分を発生し得
る。レーザ媒体界面３６における熱流束は 23 Ｗ／ｃｍ
2 であり、界面領域３８における出力は 4.6Ｗ／ｃｍ2
である。熱負荷を拡散させる目的は、約 10 Ｗ／ｃｍ2
の除去能力を有するヒートパイプ、または熱を放出する
位相変化材料または他の熱消散構造の使用を可能にする
ことである。例えば、収集した熱を放出させるために液
体型熱交換器またはフィン型放熱器を使用することがで
きる。
【００１３】図２に、式１で表される高ビーム品質をも
たらすような、受動熱伝導組立体１４のレーザ媒体面部
分と光ポンピングアレイ１６との好ましいジオメトリ関
係を示す。矢印４０はレーザ媒体への光ポンピング入力
の方向を示し、矢印４２は熱伝導組立体の面部分位置を
示している。ダイオード１６を使用する光ポンピングに
よって供給される励起エネルギの経路、及び熱伝導組立
体１４による冷却の経路は互いに直角である。冷却面部
分２４及び２６は消波被膜３０（図１Ａ）で被膜されて
いる。面部分２０及び２２は、表面を粗くし、それによ
ってレーザ媒体に入る放射を拡散させるために表面研削
を行う。粗くした表面または拡散面部分２０及び２２を
通して放射エネルギを拡散させると、放射が広がること
によってより効果的になるという長所が得られることが
分かっている。
たらすような、受動熱伝導組立体１４のレーザ媒体面部
分と光ポンピングアレイ１６との好ましいジオメトリ関
係を示す。矢印４０はレーザ媒体への光ポンピング入力
の方向を示し、矢印４２は熱伝導組立体の面部分位置を
示している。ダイオード１６を使用する光ポンピングに
よって供給される励起エネルギの経路、及び熱伝導組立
体１４による冷却の経路は互いに直角である。冷却面部
分２４及び２６は消波被膜３０（図１Ａ）で被膜されて
いる。面部分２０及び２２は、表面を粗くし、それによ
ってレーザ媒体に入る放射を拡散させるために表面研削
を行う。粗くした表面または拡散面部分２０及び２２を
通して放射エネルギを拡散させると、放射が広がること
によってより効果的になるという長所が得られることが
分かっている。
【００１４】図３に、冷却用流体を使用する受動伝導冷
却レーザの構造を示す。ディフューザ要素１４には、熱
交換器デバイス４３が取付けられている。熱交換器４３
は、ディフューザの表面４５と熱伝導的に接触している
一連の流体チャンネル４４を備えている。レーザ媒体１
２から熱を拾い上げたディフューザは、ディフューザの
表面４５と伝導接触しているチャンネル４４を通って流
れる循環流体４６によって冷却される。適切なポンプ手
段４７が、交換器４３を通して流体４６を循環させる。
チャンネル４４は遮蔽されておらず、周囲環境に曝され
ているので、熱を周囲空間に消散させる。以上の説明か
ら、熱交換器４３がディフューザ１４だけに取付けられ
ているので、レーザ媒体を汚染する恐れがないことが理
解されよう。
却レーザの構造を示す。ディフューザ要素１４には、熱
交換器デバイス４３が取付けられている。熱交換器４３
は、ディフューザの表面４５と熱伝導的に接触している
一連の流体チャンネル４４を備えている。レーザ媒体１
２から熱を拾い上げたディフューザは、ディフューザの
表面４５と伝導接触しているチャンネル４４を通って流
れる循環流体４６によって冷却される。適切なポンプ手
段４７が、交換器４３を通して流体４６を循環させる。
チャンネル４４は遮蔽されておらず、周囲環境に曝され
ているので、熱を周囲空間に消散させる。以上の説明か
ら、熱交換器４３がディフューザ１４だけに取付けられ
ているので、レーザ媒体を汚染する恐れがないことが理
解されよう。
【００１５】図４は、レーザ結晶媒体内のビーム４９の
ジグザグ経路を示している。図４に示すように、レーザ
媒体の前端及び後端の外部には反射性表面５０及び５２
が設けられ、これらの表面によりレージングビームは結
晶媒体１２を長手方向に前後に通過させられる。光ポン
ピングが進行すると媒体はレーズし始め、放射はある角
度で内部表面２０及び２２（図２）において内部反射す
る。この角度的な反射はレージング結晶の屈折率に起因
するものであり、ジグザグ伝播をもたらす。波面が各端
における反射性表面の間を往復してある利得が達成され
ると、適切なパワーレベルで媒体を出て行く。図２に示
すようなレーザ媒体処理のジオメトリによってレージン
グを開始させるための均一な放射が達成され、受動熱伝
導冷却は伝播波形の振幅の二乗平均平方根として求めら
れるＯＰＤを低い値に維持する。ほぼ平面の波面は、前
記ビーム品質式１の指数を３またはそれ以下の値にし、
ビーム品質値は１になる。
ジグザグ経路を示している。図４に示すように、レーザ
媒体の前端及び後端の外部には反射性表面５０及び５２
が設けられ、これらの表面によりレージングビームは結
晶媒体１２を長手方向に前後に通過させられる。光ポン
ピングが進行すると媒体はレーズし始め、放射はある角
度で内部表面２０及び２２（図２）において内部反射す
る。この角度的な反射はレージング結晶の屈折率に起因
するものであり、ジグザグ伝播をもたらす。波面が各端
における反射性表面の間を往復してある利得が達成され
ると、適切なパワーレベルで媒体を出て行く。図２に示
すようなレーザ媒体処理のジオメトリによってレージン
グを開始させるための均一な放射が達成され、受動熱伝
導冷却は伝播波形の振幅の二乗平均平方根として求めら
れるＯＰＤを低い値に維持する。ほぼ平面の波面は、前
記ビーム品質式１の指数を３またはそれ以下の値にし、
ビーム品質値は１になる。
【００１６】以上に本発明を好ましい実施例に関して説
明したが他の実施例も可能である。特許請求の範囲に記
載した本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、多
くの変更、代替、及び等価が可能であり、本発明はこれ
らの全てを包含することを意図している。
明したが他の実施例も可能である。特許請求の範囲に記
載した本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、多
くの変更、代替、及び等価が可能であり、本発明はこれ
らの全てを包含することを意図している。
【図１】熱伝導組立体に取付けられたレーザ媒体の斜視
図である。
図である。
【図１Ａ】図１の斜視図の円で囲った部分の拡大図であ
って、熱拡散要素がレーザ媒体に取付けられている熱伝
導組立体を示す図である。
って、熱拡散要素がレーザ媒体に取付けられている熱伝
導組立体を示す図である。
【図２】図１の斜視図の端面図であって、ポンピング機
能及び冷却機能のジオメトリを示す図である。
能及び冷却機能のジオメトリを示す図である。
【図３】流体熱交換器を使用して熱伝導組立体から熱を
消散させる手段を含む熱伝導組立体に取付けられている
レーザ媒体の側面図である。
消散させる手段を含む熱伝導組立体に取付けられている
レーザ媒体の側面図である。
【図４】レーザ結晶媒体を伝播する波のジグザグ経路を
示す概要図である。
示す概要図である。
１０ レーザシステム １２ レーザ媒体 １４ 熱伝導組立体 １６ ポンピングダイオードアレイ ２０、２２ ポンピング面部分 ２４、２６ 冷却面部分 ３０ 保護薄膜 ３２ 熱拡散要素 ３３ 熱放出構造 ３４ 接着フィルム ３４ 入力領域 ４０ 光ポンピング入力方向 ４２ 面部分位置 ４３ 熱交換器デバイス ４４ 流体チャンネル ４５ ディフューザの表面 ４６ 流体 ４７ ポンプ ４９ ビーム ５０、５２ 反射性表面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ランダル ジェイ セント ピエール アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90405 サンタ モニカ サード ストリ ート 3019−204 (72)発明者 ジョージ エム ハーポール アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90505 トーランス リヴィエラ ウェイ 5602 (72)発明者 ジェームズ エム ザーメル アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90254 ハーモサ ビーチ セカンド ス トリート 959
Claims (24)
- 【請求項１】 レーザビーム波形を生成するソリッドス
テートレーザ媒体を備えている光ポンプ型レーザにおい
て、上記レーザビーム波形は内部反射によってジグザグ
経路を通って上記媒体を均一に伝播し、上記レーザ媒体
は、それらを通して上記レーザ媒体が励起される第１の
面部分と、それらを通して上記レーザ媒体が受動的に冷
却される第２の冷却面部分とを有し、 上記第１の面部分には、上記レーザ媒体を励起するため
の放射が導かれて上記レーザビームを生成させ、 上記第２の面部分には、熱を周囲環境内へ放出するため
の伝導組立体からなる手段が取付けられ、 それによって、上記波形が上記レーザ媒体内で遭遇する
温度変化を最低にするようにしたことを特徴とする光ポ
ンプ型レーザ。 - 【請求項２】 上記熱伝導組立体は、少なくとも熱伝導
拡散要素を含んでいる請求項１に記載の光ポンプ型レー
ザ。 - 【請求項３】 上記熱伝導拡散要素は、銅で形成されて
いる請求項２に記載の光ポンプ型レーザ。 - 【請求項４】 上記伝導組立体と上記第２の面部分との
間には、熱伝導接着フィルムが挿入されている請求項１
に記載の光ポンプ型レーザ。 - 【請求項５】 上記第２の面部分は、研磨された表面で
ある請求項１に記載の光ポンプ型レーザ。 - 【請求項６】 上記第１の面部分の表面は、粗くされて
拡散表面をなしている請求項１に記載の光ポンプ型レー
ザ。 - 【請求項７】 上記銅製の熱拡散要素は台形形態であっ
て、上記第２の面部分の付近では単位面積当たり高レベ
ルの熱密度を呈し、上記熱消散手段の付近では単位面積
当たり低レベルの熱密度を呈するようになっている請求
項１に記載の光ポンプ型レーザ。 - 【請求項８】 上記熱伝導組立体は、銅製熱拡散要素
と、上記銅製熱拡散要素に伝導接触している熱放出手段
とを備えている請求項１に記載の光ポンプ型レーザ。 - 【請求項９】 上記熱伝導組立体は、熱伝導接着層を用
いて上記第２の面部分に接着されている銅製熱拡散要素
と、上記銅製熱拡散要素に取付けられ上記熱を周囲空間
内へ放出する熱放出手段とを備えている請求項１に記載
の光ポンプ型レーザ。 - 【請求項１０】 上記熱伝導接着層は、シリコンをベー
スとする熱硬化可能な樹脂である請求項９に記載の光ポ
ンプ型レーザ。 - 【請求項１１】 上記第２の面部分は、薄膜で被膜され
ている請求項１に記載の光ポンプ型レーザ。 - 【請求項１２】 上記薄膜は、二酸化シリコンである請
求項１１に記載の光ポンプ型レーザ。 - 【請求項１３】 上記ソリッドステートレーザ媒体は、
ネオジムＹＡＧ結晶からなる請求項１に記載の光ポンプ
型レーザ。 - 【請求項１４】 上記単位面積当たり高レベルの熱密度
と、上記単位面積当たり低レベルの熱密度との比は、
４：１乃至８：１の範囲内にある請求項７に記載の光ポ
ンプ型レーザ。 - 【請求項１５】 上、下、及び側面部分と、先端及び後
端面部分とを有する細長いソリッドステート結晶スラブ
を備えている光ポンプ型レーザ生成システムにおいて、
上記光ポンプ型レーザ生成システムは上記先端から上記
後端へジグザグ経路を通って上記スラブを均一に伝播す
るレーザビーム波形を生成するようになっており、上記
レーザビーム波形は上記スラブを通る上記レーザ波形が
遭遇する温度変化の結果として伝播速度が異なるように
影響を受け、上記レーザ生成システムは、 上記結晶スラブの上面及び下面に取付けられ、上記スラ
ブ内に発生した熱を収集して拡散させる受動熱伝導組立
体と、 上記スラブを光ポンピングするために、入射ポンピング
放射を拡散させるように粗くされた上記各側面部分に向
けられたレーザ放出ダイオードのアレイと、 上記前端面部分及び後端面部分の付近に設けられ、上記
レーザビームを上記スラブを通して前後に反射させてビ
ームパワーのレベルを増加させる反射性表面と、を備
え、 それによって、上記受動熱伝導組立体は上記スラブ内に
発生した熱を放出し、上記スラブを通しての上記温度変
化を最小にする、ことを特徴とする光ポンプ型レーザ生
成システム。 - 【請求項１６】 上記結晶スラブは、ネオジムＹＡＧ結
晶である請求項１５に記載の光ポンプ型レーザ生成シス
テム。 - 【請求項１７】 上記熱伝導組立体は台形形態であっ
て、上記上及び下の各表面付近では単位面積当たり高レ
ベルの熱密度を有し、上記熱放出手段付近では単位面積
当たり低レベルの熱密度を有している請求項１５に記載
の光ポンプ型レーザ生成システム。 - 【請求項１８】 上記熱放出手段は、ヒートパイプであ
る請求項１５に記載の光ポンプ型レーザ生成システム。 - 【請求項１９】 上記熱放出手段は、熱放射フィンから
なる請求項１５に記載の光ポンプ型レーザ生成システ
ム。 - 【請求項２０】 上記熱放出手段は、流体型熱交換器で
ある請求項１５に記載の光ポンプ型レーザ生成システ
ム。 - 【請求項２１】 上記拡散要素は、熱伝導接着剤を用い
て上記上及び下の各表面に取付けられている請求項１５
に記載の光ポンプ型レーザ生成システム。 - 【請求項２２】 上記熱伝導接着剤は、窒化ホウ素を調
合したシリコンをベースとする配合物である請求項２１
に記載の光ポンプ型レーザ生成システム。 - 【請求項２３】 上記上及び下表面は、上記表面に向け
られる入射レーザダイオード放射の合計内部反射の程度
を高めるために、二酸化シリコンの薄膜で処理されてい
る請求項１５に記載の光ポンプ型レーザ生成システム。 - 【請求項２４】 レーザビーム波形を生成するようにな
っているソリッドステートレーザ媒体を備えている光ポ
ンプ型レーザにおいて、上記レーザビーム波形は内部反
射によってジグザグ経路を通って上記媒体を均一に伝播
し、上記レーザ媒体は、それらを通して上記レーザ媒体
が励起される第１の面部分と、それらを通して上記レー
ザ媒体が受動的に冷却される第２の冷却面部分とを有
し、 上記第１の面部分には上記レーザ媒体を励起するための
放射が導かれて上記レーザビームを生成させ、 上記第２の面部分には熱伝導組立体が取付けられ、上記
熱伝導組立体は上記レーザ媒体内に発生した熱を受動的
に除去するために上記熱を周囲空間内へ消散させる手段
を含む台形拡散要素を含み、 上記拡散組立体は、上記第２の面部分付近では単位面積
当たり高レベルの熱密度を呈し、上記熱消散手段付近で
は単位面積当たり低レベルの熱密度を呈するようになっ
ており、 上記拡散組立体は、伝導性接着フィルムを用いて上記第
２の面部分に取付けられており、 上記熱拡散要素から熱を消散させる手段はヒートパイプ
からなり、それによって上記波形が上記レーザ媒体内で
遭遇する温度変化を最低にするようにしたことを特徴と
する光ポンプ型レーザ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/935265 | 1997-09-22 | ||
| US08/935,265 US5949805A (en) | 1997-09-22 | 1997-09-22 | Passive conductively cooled laser crystal medium |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11150315A true JPH11150315A (ja) | 1999-06-02 |
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Family
ID=25466814
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10267772A Expired - Fee Related JP3038189B2 (ja) | 1997-09-22 | 1998-09-22 | 受動伝導冷却型レーザ結晶媒体 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5949805A (ja) |
| EP (1) | EP0903819B1 (ja) |
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| KR (1) | KR19990029906A (ja) |
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| DE (1) | DE69820558T2 (ja) |
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| RU2200361C2 (ru) * | 2000-07-13 | 2003-03-10 | Государственное унитарное предприятие научно-исследовательский институт лазерной физики | Модуль твердотельного пластинчатого лазера с диодной накачкой |
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1998
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