JPS61502927A - 伝導により冷却されるレ−ザ−ロッド - Google Patents

伝導により冷却されるレ−ザ−ロッド

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 伝導により冷fJ]されるレーザーロッド発明の背景 1、発明の分野 本発明はレーザーに関し、特に、改良されたレーザーロッドの冷FA装置を有す るレーザーに関する。
2、先行技術についての説明 固体レーザロッドは、電6t[I射を行なう前には、外部のエネルギ源によって 励起されなければならない。このエネルギ源は可視光あるいは近可視光を放射し 、それはレーザーロッドによってレーザービームに変換される。固体レーザーロ ッドは一般に比較的効率が悪い。従って、吸収されたエネルギの比較的僅かの部 分がレーザービームに変換される。残りのエネルギのほとんどは熱に変換される 。はとんどの同体レーザーロッドの効率は温度と共に低下するので、レーザーが 外部エネルギ源を効率的に利用できないことにより発生する余分な熱がレーザー の非効率な動作を増長する。このようにして、これらの熱と、関連する非効率な 動作の問題を乗越えるために、熱は除去されなければならない。発生した熱を放 熱するために非常に多くの先行技術が利用されてきた。例えば、熱が約3ワツト 以上ならば、ロッドはその上に液体あるいは圧縮ガスのような流体を流すことに よって冷却される。
流体は熱交換機を経由して再利用される。そのようなダイナミック冷却システム は種々の欠点を有する。圧縮ガスの場合では、主な問題は、ランプから光を放出 している間に循環冷却ガスをシールするのに非常にコス1−がかかるということ である。液体システムでは、ランプが露光しているとき、即ちランプが点灯して いるとき、関心事は流動性の究極的な低下である。
これらの問題のために、他の努力は熱伝導によって消極的にロッドを冷却するこ とに関する。この技術はアメリカで例証されている。バークハート(B urk hart )らによる米国特許4,210,389では、ロッドはその片側がヒ ートシンクに半田ずけされ、その片側には反射性の金属層を蒸着することにより 冷却される。この技術では少なくとも2つの主な理由でロッドの光学的性質をか なり歪めることが知られてきた。第1に、ロッドは熱伝導のよい支持にしっかり と保持されており、2つは異なる熱膨張率を有するので、ボンピングと冷却の間 に応力が加わる。このためロッドはその支持から異なる割合いで伸びる。この異 なる膨張のため応力が発生する。第2に、ロッドはその円周上の一部だけでその 長さ方向に沿って支持部によって支持されている。この結果、ロッド内に熱勾配 を生じ、結果的に均一な冷却がなされない。従って、ロッドに光学的収差が生じ る。
タイナイ(Tajnai )らによる米国特許4,181,9001.1 ハま た、伝導性のよい冷却ポンプの空洞が述べられている。それでは、レーザーロッ ドはヒートシンクに固定されている。タイナイらのシステムは、ロッドの円周全 体に渡って熱的に接触していないので、レーザーロッドを満足できるように冷却 できない。その結果は、米国特許4.210,389と同様に、不均一な冷却と なり、熱による応力を生じる。ざらに、固定することにより、機械的な応力を生 じる。
このように、上述のような欠点がなく、レーザーロッドを伝導性よく冷却する改 良された技術が望まれていた。
発明の概要 本発明はレーザーリボンピング空洞中に置かれたレーザーロッドを伝導的に冷却 するための改良された技術を提供することである。特に、熱伝導性を有する支持 部がロッドを全体的に囲み、ロッドと支持部の間にある熱伝導性の柔軟な材料が 、実質的に長さ方向全体に渡って完全に熱的に接触するように2つを接合する。
柔軟な材料と支持部の両方は空洞のランプによって放出された光に透明である。
透明な支持部は、熱交換システムの一部であるヒートシンクに熱的に接合される 。
ランプからのボンピング光は、透明で熱伝導性の支持部と柔軟な材料を介してレ ーザーロッドに伝送され、支持部と柔軟な材料はロッドで発生された熱を運び去 る。
実施倒において、柔軟な材料はシリコンゲルのようなゲルである。ゲルは半液体 状態で存在するので、ロッドの冷却によって生じた機械的応力はロッドあるいは 支持部には伝達されない。むしろ、応力はゲルを自由に膨張させ、ロッドと支持 部の開放端から引き出される。ゲルはロッドから支持部に一様に熱を伝導するの で、熱応力はまた、最少とされる。その支持部は熱を外部のヒートシンクに伝導 する。外部ヒートシンクはそれに取付けられたフィンによって、あるいはもつと 都合のよい熱交換標に熱を運ぶために流体を使用して冷却される。
このように本発明は前述の先行システムの欠点を改良して、伝導によりレーザー ロッドを冷却するための技術を提供する。
特に、ロッドの膨張時に、熱伝導性を有する柔軟な材料により、必然的に全ての 機械的応力が除かれる。さらに、ロッドからの熱は均一に柔軟な材料に、そこか らヒートシンクに伝達されるので、レーザーロッドに熱的に誘起される応力は最 少にされる。このようにして、本発明は実質的に応力に起因するロッドの複屈折 を減少させ、レーザーロッドが最少の光学的擾乱で、申越したコリメーション特 性を有するビームを発生することを可能とする。
図面の簡単な説明 発明の特徴と目的と同様に、発明をよりよく理解するために、添附図面を参照し て以下の記述がなされる。ここで、第1図は本発明を説明するレーザーポンプヘ ッドの斜視図である。第2図は第1図のレーザポンプヘッドを2−2で切取った ときの内部断面図である。第3図は第2図で3−3で切取られた断面図である。
第4図から第7図はレーザーロッドを冷却するための他の実施例を示す。
同じ参照番号は各図において同じ構成物を示す。
発明の詳細な説明 最初に第1図から第3図を参照して、レーザーポンプヘッド10は分割可能な部 分13と14とからなるハウジング11を有する。さらに、その部分14は一対 の部分14aと14bとからなる。
液体の冷却媒体が流れるチャンネル1G、19、および20は各々ハウジングの 部分13と部分14aと14bとを介して伸びている。
ハウジング部は各々内部に反射表面24と26を有し、それらによりレーザーポ ンプ空洞、ずなわちチャンバー15が形成される。空洞15はレーザー動作に適 した構造を有している。例えば、表面24は楕円であり、下側の表面26は一般 に正方形である。ボンピングチャンバー15とそのハウジングは、よい熱伝導性 を有する金属、例えばアルミニウムのような、レーザーのための空洞構造を提供 し、ヒートシンクとして動く材料で構成される。レーザーロッド18を有する望 ましいレーザー構造がチャンバー15の下側部分に取付けられている。ロッドは ルビー、あるいはNd : YAG、あるいは染料コンテナーのようなレーザー 結晶材料からなる。
フラッシュランプ12はレーザーロッド18の近接した側面に置かれ、それによ り、ロッドは励起状態にポンピングされる。
チャンバー15のレーザーロッドの取付は部は例えばサファイアのような透明な 熱伝導のよい支持部22を有し、それはロッドの長さ方向に沿って伸びる。
柔軟な熱伝導のよい材料21のクッションがロッド18の外部表面と支持部22 の内部表面との間に置かれていて、ロッド18の長さ方向全体に沿って伸びてい る。これ以降に詳細に述べるように、レーザーロッド18の両端はオーブンであ り、ロッド18と支持部22の間で異なる熱膨張と収縮を起こす間に、材料21 は押出されるが、支持部22から外部方向に移動したり、支持部22に引戻され たりするような弾性記憶を有する。
フラッシュランプ12によって作られる熱は、フラッシュランプ10と表面24 との間にある詰められた粉体27によってすぐ回りの範囲から除かれる。詰めら れた粉体27は硫酸バリウム、アルミナ、ベリリア、あるいはセラミックのよう な適当な材料からなる。
詰められた粉体はいくつかの特徴を有する。それは、フラッシュランプによって 発生された熱を表面24とヒートシンクに運ぶことができるように十分に高い熱 伝導度を有する。それはまた、高い乱反射性能を有し、紫外線を通さない性質を 有する。それはまた、フラッシュランプによって作られた高温にたえつる。フラ ッシュランプ12を冷却するためにそのような粉体の材料を使用することの詳細 は、米国特許4,096,450に詳細に述べられている。
冷却媒体はチャンネル16.19、と20を流れ、ハウジングから熱を除去する ための熱交換機として働く。しかしながら、他に種々の熱交換機が利用されてい る。
本発明の重要な点はその長さ方向全体に渡ってロッド18を包む柔軟で透明な材 料21を使用することにある。レーザーロッドの冷却に特に有効である材料21 の一般的特性は、次のようなことである。(1)ロッド18と熱伝導性の支持部 22との間に柔軟な、すなわち柔らかくクッションのようなカップリングを設け ること。(2)ランプ12からの光をロッド18に伝送すること。(3)ロッド から熱を奪い去ること。
柔軟な材料21は、シリコン、水、あるいは炭素ゲルのどれかの半液体のゲル材 料からなる。ダウコーニング社で製造されているダウコーニング3−6527A と8いう番号の添加剤を混合したシリコンゲルが使用された結果が良かった。本 発明で特に有効なシリコンゲル、および他のゲル材料は、2つの成分が混合され たとき、クッションのような弾力のあるゲル状の塊を形成する。そのようなゲル は変形でき、弾性記憶特性を有し、それにより押出されても回復可能である。調 合されたゲルは、応力をなくすという液体の特性の多くを有している。すなわち 、それは、介在物として使用されるとき、異なる熱膨張と収縮により生じる機械 的応力に対する保護となる。
また、固体弾性材としての形状の安定性と流れないという特性を有する。さらに 、それは、その接触表面上に永久接合を形成する。
特に、ゲルはロッド18と透明な熱伝導性の支持部22との間に形成された僅か な間隙に注入される。その膨張特性により、ロッド18や熱伝導体22より速く 膨張する。しかしながら、ロッド18、支持部22、およびゲル21の異なる膨 張と収縮のために生じる応力は、ゲルに伝えられ、ゲルはロッド18と両端が開 放となっている支持部22との間の間隙を押出されたり、引込められたりする。
このようにして、ロッドには応力が掛からない。ロッド18の回りの材料21の 最少の厚さは0.002インチ(0,05mm)から0.005インチ(0,1 3mm)である。一般にゲルは熱伝導性が悲いが、必要とされるゲルの厚さが比 較的薄いということにより、温度勾配は比較的小さくてすみ、従って、必要な熱 転道をそれほど妨げないので、その潜在的な絶縁特性が避けられている。
サファイアは、比較的安く、高い熱伝導率を有づるので、支持部22の材料とし て適している。伯の材料としてはガラス、ベリリウム酸化物の単結晶、YAG、 およびガーネッ1へがある。明らかに、選択された材料はランプ10から放射さ れた光を透過させる。
ロッド18、柔軟な材料21、および熱伝導体22からなるレーザーロッド冷W アッセンブリ(図示せず)を形成する方法は、伝導体22の穴を混合された添加 剤で満たし、その中にロッド18を挿入することである。18と22の間の距離 はシームによって保たれる。液体がゲル状になった後、シームは除かれ、アッセ ンブリはハウジング部14に置かれる。機械的圧力により、熱伝導性の支持部2 2とロッド18はハウジング14の中に保持される。
支持部22は、ヒートシンクとして働くハウジング14と熱的に接続されている 。例えば、それはアルミニウムでできていて、内部表面の金層によって、ボンピ ングのための光はロッド18に伝送される。アルミニウムのピー1〜シン9部1 2.14aと、14bは、各々冷却媒体チャンネル16.19と、20によって 冷N]される。
製造上の都合から、支持部22は楕円ではない。すなわち、それは、最終的な形 は変更されるが、3つの平らな面と、1つの曲面とを有づる。金層は光学的に反 射するので、ランプ12からの光を効率的に支持部22からロッド18に導くよ うな次のステップが必要である。材料22(例えばサファイア)の表面が磨かれ る代わりに粗く研磨されると、乱反射を生じ、ランプからの光はロッド全体にい きわたり、レーザーロッドの効率を増加させることが分った。また、ゲル材料2 1とロッドの表面どの間の屈折率をだいたい同じにすることにより、ロッド18 の境界面は、ロッドの普通の乱反射面によって、ロッドの内部よりもさらに多く の割合いでランプからの光でロードされ、このようにして、レーザービームは望 まれるよりも広く拡散されるということが分った。一般にレーザーのユーザによ って要求されるような、かなり絞りこまれた出力ビームをつくるためには、ロッ ド18の中心部での光強度を高める必要があるので、その中心部に光の大部分を 集めるために、ロッドの表面はかなり磨かれる。例えば、ロッド表面の最終的な 特性に関係なく、拡散されたビームを提供するように例えば、望遠鏡を介して、 レーザー出力ビームは伝送されるということに注意ずべきである。
以上述べられた概念によ′す、一様にレーザ−ロッドを冷flJするための手段 と方法が提供され、熱的、結果的には機械的な応力は最少にされ、ロッドは光学 的擾乱が最少であるような出力ビームを生じる。切断面42はアルミニウムのヒ ートシンク14の所にあり、バネが14aと14bに取りつけられることにより 支持部22とヒートシンク14の間の別様的接触は良くなっている。これにより 、熱的接触も良くなっている。さらに、Nd:YAG3レーザーロンドの場合に は、サマリウムガラスのフィルター44(第3図を見よ)が、ロッド18に蓄え られたエネルギを使い尽くすことを防ぎ、レーザーロッド18の両端から放射さ れるレーザー光の量を最大にするために、空洞15の中に挿入される。
第4図に他の構成が示される。ここにおいて、第1図から第3図までの1つの熱 伝導性の支持部がロッド18を楽に組込むために、そしてゲル21より弾性の少 ない材料が使用されることができるように、4つの支持部22′ に分割されて いる。
ここで、ダウコーニング 93−500のシリコンゴムのようなスポンジ状の光 学材料21′ が柔軟な熱的材料として利用され、その月利はロッド18の回り だけでなく、分v1された支持部22′ の間の間隙54にもまた入れられる。
レーザーロッド18は熱伝導性の支持部22′ と同じに膨張し、一方、柔軟な 材料21′ は10倍の速さで膨張すが、必要な程度にまでレーザーロッドの両 端で膨張ツ”ることかできないので、ゴム21′ の膨張を吸収するために支持 部22′ に間隙54が必要とされる。
この実施例はレーザー動作の間にレーザーロッド18の熱的J5よび1械的応力 を最少するけれでも、支持部22 の分割により第4図のレーザー構造は製造す るために、より複雑で高価になる。
望まれるならば、第3図と第4図の実施例において、熱的伝導性支持部22ある いは22′ とヒートシンク14の近くの内部表面との間に、その下部と同じく らい速く支持部22あるいは22′ の上部を冷却させるための間隙を設けるこ とができる。
第5図に示される実施例を参照して、ハウジング111は、熱交換層116によ って囲まれる部分113と114を含む。第1図から第3図のように、ハウジン グ部114は分割部114aと114bとを有し、両部113と114は楕円形 状の内部表面126と128を有する。支持部122の材料はフラッシュランプ 112からの光に透明であり、熱的に伝導性であり、その支持部122はその支 持部の密着するための外部表面を有する。レーザーロッド118は柔軟な材料1 22によって支持部121の中に支持される。この実施例では、材料121は市 販されているシリコンゴムからなり、それはロッド118および支持部122と 熱的に接触する状態にある。材料121の付加的な層がランプ112とロッド1 18の間に介在される。支持部122は柔軟な材料130によってハウジング部 113と114の表面に熱的に接続されている。その柔軟な材料130は硫酸バ リウム、酸化マグネシウムなどのような反射性の粉体と混合されたエポキシから なり、熱伝導性と光反射性を有する。3つの方法で、すなわち、柔軟な材料13 0を用いることにより、支持部122の中に分割部122aを用意することによ り、および、ハウジング部114の中に分割部114aと114bを使用するこ とにより、レーザーロッド118に応力が掛からないようにするために、第5図 に示される実施例では、レーザーロッドのアッセンブリの別々の膨張を吸収する 。膨張の割合いは3つ全ての特徴を利用することによって最大とされるけれども 、分割部122aあるいは114aと114bを使用すると十分に良い結果が得 られる。
ロッド118がNd3 YAGであるとき、]す−ンリウムガラスでできたフィ ルタ136は、フラッシュランプ112とロッド118の間に置かれ、Sm20 qtG)体はレーザー側面に沿ってレーザーによって発生される1、06μmの 波長を押えるために材料130に加えられる。このJ:うにして、材料130は 2つの機能を提供する。すなわら、その柔軟さは前述のようにレーザーロッドの 応力を最少にするための別の技術°を提供し、その反(ト)特性はランプ112 のボンピング効率を向上させる。支持部122が第3図と第4図に示される実施 例と同様に実質的に等しい厚さでレーザーロッド118を完全に包めば、一様で 円形の等4線がロッド内に形成され、ロッドが高性能レンズのようになるという ことを示す。
第6図は本発明の他の実施例を示す。ここにおいて、支持部222はハウジング 214によって囲まれたロッド218を包む。
シリコンゴムのような柔軟で透明な材料221の層がロッド218と支持部22 2どの間にクッション状の接合として使用される。銅ウールのWI230が支持 部222とハウジング214の間に介在される。支持部222は4つの分割部か らなり、引用番号230によって指定された銅ウールは支持部222とハウジン グ214の間に置かれるので、第6図に示される実施例はハウジングを分割する 必要がない。銅ウール230は支持部222からハウジング214に熱を伝導し 、一方、異なる熱膨張を許す。
保護用のアルミニウム塗料を重ね塗りすることにより形成される銀の3I124 0は支持部222の外部表面に適用され、ボンピング源からOラド218にエネ ルギを反射することによりボンピング効率を向上させる。ハウジング214は第 3図あるいは第5図に示されるタイプの外部熱交換機によって冷却される。
レーザーロッド218による望まれない側面からの放射を押えるために3mガラ スフィルタ236が、必要により示されるように提供される。
非常に少ない聞の支持部の材料ですむレーザーロッド冷却の実施例が第7図に示 される。この実施例では、支持部322はロッド318のボンピング源に面して いる側にだけ置かれている。支持部322の分割された部分にロッド318の半 分がおかれ、他の半分が柔軟な材料330によってハウジング314に直接熱的 に接合されるならば、シリコンゲル(シリコンタイプのゴムンのwi32tが、 利用されることができる。ここで、等4線は円形となり、レーザーロッド318 は他の実施例のように光学的に機能しないが、使用される支持部材料322が少 なくてすみ、サファイアとベリリウム酸化物の場合には、茗しくコストが低下す るので、多ぐの実際の例では十分に有効である。ロッド318の全体の半分の部 分に柔軟な材料321の層があるだけなので、レーザーロッド218とハウジン グ214の間に2つの間隙が存在する第6図に示される実施例より熱の除去がよ い。このようにして、レーザーロッド318は他の実施例の場合より幾分冷却さ れ、従って、高いボンピングレベルで使用される。
反射法が使用されるとの決定はレーザーロッドで望まれるゲインの断面積に依存 する。第6図で述べられた反射法は、その反射能力に加えて、銅ウールを使用し てレーザーロッドの応力をさらに減少させることができると共に熱を除去するこ とができる。また、このようにして、望ましい反射材料である。
このように本発明は、従来の装置を著しく改善するレーザーロッドの冷却のため の技術を提供する。柔軟で熱伝導性のクッションを、ロッドとしつかり取付けら れた支持部の間に提供することにより、従来の装置において、熱的および殿様的 応力のために光学的ビーム特性が比較的低下することを避けることができるよう になる。さらに、レーザーロッドと支持部の膨張特性が柔軟なりッションの熱特 性と一致する必要がなくなった。さらに、柔軟なりッションはロッドの長さ方向 全体に渡って、そのロッドを包むように配置され、ロッドを不均一に冷却するこ とにより生じる光学的収差を避けることができる。
本発明の原理による装置は、レーザー材料としてNd:YAGを、柔軟なりッシ ョンとしてダウコーニングの3−6527のAとBの添加剤を、および中間支持 部としてサファイアを使用して、研究室で調べられた結果は成功であった。伝導 性の冷却されたフラッシュランプとロッドアッセンブリを使用するレーザーは、 約100 rR間連続的に250W (30Hz テ8.2J )で成功裡に動 作した。伝導性の冷却されたフラシュランプとロッドアッセンブリは、有害な影 響なしで、12,4J/シヨツトで、および13パルス/秒で100万回に渡っ て調べられ、出力レーザービームの光学的擾乱は最少であった。
本発明は実施例を参照して説明されたが、本発明の範囲の真意から離れることな く変更および素子が置き換えられるということは、5業の熟練者によって理解さ れるであろう。さらに、本発明の必須技術から離れることなく、発明の技術の特 別の場合、あるいは材料を用いた多くの変形例が成されることができる。
国際調査報告 ANNEX To T)IE INτ三RNAT工0NAL Si:ARCHR EPORT 0NUS−A−42103890n107/80 None

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)レーザーポンピングのエネルギ源と、レーザーロッドと、熱伝導性の支持 部と、および支持部から熱を除去するための冷却システムを有するレーザーポン ピング空洞において、前記支持部を前記レーザーロッドに熱的に接続するクッシ ョンを有し、前記レーザーロッドに及ぼされた機械的、および熱的応力を最少に するために、熱的変化に応答して前記ロッドと前記支持部の間の別々の動きを吸 収できる材料からなることを特徴とする改良されたレーザーポンピング空洞。
  2. (2)前記レーザーロッドの両端で前記クッションが自由に動くことを可能とす るための手段を含むことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のポンピング空洞 。
  3. (3)前記クッションはゲルからなることを特徴とする請求の範囲第2項に記載 のポンピング空洞。
  4. (4)前記クッションはシリコンゲルからなることを特徴とする請求の範囲第2 項に記載のポンピング空洞。
  5. (5)前記支持部は前記ロッドを完全に囲み、前記エネルギに透明である材料か らなることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のポンピング空洞。
  6. (6)前記支持部材料は形を加工されたサファイアからなることを特徴とする請 求の範囲第5項に記載のポンピング空洞。
  7. (7)前記支持部はヒートシンク手段に熱的に接続されていることを特徴とする 請求の範囲第1項に記載のポンピング空洞。
  8. (8)前記クッションは前記レーザーロッドから均一に熱を除くように構成され ることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のポンピング空洞。
  9. (9)前記レーザーロッドは滑らかに磨かれた表面を有することを特徴とする請 求の範囲第1項に記載のポンピング空洞。
  10. (10)前記支持部は前記ロッドと前記冷却システムに近い表面を有し、前記表 面は前記ロッドに前記エネルギを効率よく散乱し、導くために粗く研磨されてい ることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のポンピング空洞。
  11. (11)前記支持部はヒートシンクに接続され、前記ヒートシンクは前記レーザ ーロッドと、前記支持部と、および前記ヒートシンクとの間の異なる熱膨張を許 すために、前記クッションの材料によって結合された複数の分割部からなること を特徴とする請求の範囲第1項に記載のポンピング空洞。
  12. (12)前記支持部は前記レーザーロッドと、および前記熱伝導性の支持部との 間の異なる熱膨張を許すために、前記クッションの材料によって結合された複数 の分割部からなることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のポンピング空洞。
  13. (13)前記クッションはシリコンゴムからなることを特徴とする請求の範囲第 12項に記載のポンピング空洞。
  14. (14)前記支持部は前記源によって発生されたエネルギに透明であることを特 徴とする請求の範囲第1項に記載のポンピング空洞。
  15. (15)熱伝導性支持部にレーザーロッドを包むことと、前記支持部の中の前記 ロッドを熱的に接続し、およびクッションを利かすこととからなるボンブ空洞内 のレーザーロッドを冷却する方法。
  16. (16)前記支持部はレーザーポンピングエネルギに透明であるように形成され ることと、前記支持部の中に前記ロッドを完全に包むことから、さらに構成され る請求の範囲第15項に記載の方法。
  17. (17)前記熱的接続とクッションを利かすステップは、前記ロッドと前記支持 部の間にゲルをいれることからさらに構成される請求の範囲第15項に記載の方 法。
  18. (18)前記熱的接続とクッションを利かすステップは、前記ロッドと前記支持 部の間にシリコンゲルをいれることからさらに構成される請求の範囲第15項に 記載の方法。
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