NO169099B

NO169099B - Ledende avkjoelt laserstav

Info

Publication number: NO169099B
Application number: NO86861073A
Authority: NO
Inventors: Osher Kahan
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Priority date: 1984-08-02
Filing date: 1986-03-19
Publication date: 1992-01-27
Also published as: EP0191821B1; TR22499A; EP0191821A1; KR900000024B1; NO169099C; IL75866A0; JPH0542145B2; US4637028A; WO1986001344A1; NO861073L; JPS61502927A; ES8704043A1; DE3570023D1; ES545792A0; IL75866A; KR860700319A

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en laseranordning, og nærmere bestemt en laser som har en forbedret laserstav-avkjølingsanordning, der laseranordningen omfatter et laserpumpehulrom, en kilde for optisk pumpingsenergi, en laserstav, en termisk ledende understøttelse for denne, og et avkjølingssystem for å fjerne varme fra understøttelsen. Videre omfatter oppfinnelsen en fremgangsmåte for å avkjøle en laserstav i et pumpehulrom hos en laseranordning.

En faststoff laserstav, før den vil utsende elektromagnetisk strålning, må eksiteres av en utvendig energikilde. Denne energikilde utsender synlig eller nesten synlig strålning selv som omdannes av laserstaven til en laserstråle. Faststofflaserstaver er generelt relativt ineffektive og omdanner derfor kun en relativt liten del av den energi som absorberes av dem til laserstrålning, med meget av den gjenværende energi omdannet til varme. P.g.a. at virkningsgraden for de fleste faststofflaserstaver minsker med en økning i temperatur, vil den ytterligere varme som genereres ved laserens ineffektive anvendelse av den eksterne energi-kilden forverre laserens ineffektive operasjon. For således å motvirke disse oppvarmnings og relaterte ineffektive driftsproblemer, må varme fjernes. Et antall teknikker er blitt anvendt i den kjente teknikk til å forbruke den genererte varmen. Hvis eksempelvis oppvarmningen er mer enn ca. 3 watt (ca. 35 watts elektrisk effekt til lampen), kan staven avkjøles ved å la et fluidum, slik som en væske eller trykkgass, strømme over staven. Fluidumet resirkuleres gjennom en varmeveksler. Et slikt dynamisk kjølingssystem har forskjellige ulemper. I tilfellet av trykkgass, er hovedproblemet den høye kostnaden med avtetning av den sirkulerende kjølegassen mens man fortsatt tillater transmisjon av lyset fra lampen. For væskesystemer er bekym-ringen den ultimative nedbrytning av fluidumet ved utsettelse for lampen eller pumpelyset.

P.g.a. disse problemer har andre anstrengelser vært relatert til avkjøling av staven passivt ved termisk ledning. Denne teknikk er eksemplifisert i US-patent nr. 4.210.389 (Burkhart et al), i hvilket staven avkjøles ved å avsette et reflekterende metallisk lag på en side av staven som er loddet til en varmeavleder. Denne teknikk er blitt funnet i stor grad å forvrenge den optiske kvaliteten for staven av minst to hovedgrunner. Først, fordi staven holdes stivt i en termisk ledende understøttelse og de to har ulike varmeutvidelses-koeffisienter, utvikles påkjenninger under pumping og av-kjøling; staven vokser i en takt som er forskjellig fra dens understøttelse. Denne ulike ekspansjon induserer påkjen-ningsdobbeltbrytning. For det andre understøttes staven på understøttelsen langs sin lengde kun på en del av sin periferi, hvilket skaper en termisk gradient innenfor staven og en følgelig ujevn avkjølning. Resultatet er en innføring av optiske aberrasjoner i staven.

US-patent nr. 4.181.900 (Tajnai et al) beskriver også et ledende avkjølt pumpehulrom, i hvilket laserstaven er oppspent til en varmeavleder. Tajnai et al systemet tilveiebringer ikke en tilfredstillende teknikk for avkjøling av laserstaven ettersom der ikke er noen termisk kontakt rundt hele stavens periferi. Resultatet, likesom i US patent nr. 4.210.389, er ujevn stavavkjølning med induserte termiske påkjenninger. I tillegg vil stroppene selv mekanisk bevirke påkjenning på staven.

Det som således er ønsket er en forbedret teknikk for ledende måte å avkjøle laserstaver, hvilken unngår i ovenfor angitte ulemper.

Den innledningsvis nevnte laseranordning kjennetegnes ifølge oppfinnelsen ved ytterligere å omfatte en pute som termisk kopler nevnte understøttelse til nevnte laserstav og omfatter et materiale som er istand til å absorbere differensialbevegelser mellom nevnte stav og nevnte understøttelse som reaksjon på termiske endringer deri, for å minske eventuelle mekaniske og termiske påkjenninger som ellers utøves på nevnte laserstav, idet understøttelsen og puten er gjennomsiktige for strålning som utsendes av nevnte kilde.

Fremgangsmåten, ifølge oppfinnelsen kjennetegnes ved at laserstaven omsluttes i en termisk ledende understøttelse, og at nevnte laserstav termisk er koplet til og avfjæret i nevnte understøttelse med et termisk ledende, bøyelig materiale som er gjennomsiktig for optisk pumpingsenergi. Ytterligere kjennetegnende utførelsesformer av oppfinnelsen samt ytterligere trekk og formål ved denne vil fremgå av de etterfølgende patentkrav, den etterfølgende beskrivelse samt de vedlagte tegninger.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en forbedret teknikk for ledende å avkjøle en laserstav plassert i et laserpumpehulrom. Nærmere bestemt omgir en termisk ledende understøttelse fullstendig staven og et varmeledende fleksibelt materiale mellom staven og understøttelsen sammenføyer de to i fullstendig termisk kontakt langs i alt vesentlig deres fulle lengder. Både det fleksible materialet og understøttelsen er gjennomsiktige for lyset som utsendes av hulromslampen. Den gjennomsiktige understøttelsen er termisk koplet til en varmeavleder som kan være del av et varmeutvekslingssystem. Pumpelys fra lampen sendes til laserstaven gjennom den lysgjennomsiktige, termiske ledende understøttelsen og det fleksible materialet, og understøtt-elsen og det fleksible materialet fører bort den varmen som genereres i staven.

I den foretrukne utførelsesformen er det fleksible materialet et gel, slik som et silikongel. P.g.a. at gelet eksisterer i en halv-væsketilstand, blir eventuelle mekaniske spenninger som bevirkes av stavens avkjølning ikke overført til staven eller dens understøttelse. I stedet bevirker spenningene at gelet ekspanderer fritt og ekstruderer fra de åpne endene hos staven og understøttelsen. Termiske spenninger blir også redusert p.g.a. at gelet jevnt leder varme bort fra staven til understøttelsen som, i sin tur, leder varmen til den eksterne varmelederen. Den eksterne varmeavlederen kan avkjøles av finner festet til den eller ved å anvende et fluidum til å føre varmen til en mer hensiktsmessig varmeveksler .

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer således en teknikk for ledende å avkjøle laserstaven uten å påføre ulempene ved de tidligere nevnte kjente systemer. Nærmere bestemt eliminerer det termisk ledende, fleksible materialet hovedsaklig alle mekaniske spenninger ved ekspandering av staven. Dessuten, ettersom varme fra staven jevnt overføres til det fleksible materialet og så til en varmeavleder, blir også termisk induserte spenninger på laserstaven minsket. Således reduserer den foreliggende oppfinnelsen i vesentlig grad spenningsbevirket stav dobbeltbrytning og ellers muliggjør at laserstaven kan generere en stråle med minimal optisk forvrengning og utmerkede kollimeringskarakteristika.

For en bedre forståelse av oppfinnelsen samt ytterligere trekk og formål ved denne, henvises det til den etterfølgende beskrivelse som skal leses i forbindelse med de vedlagte tegninger, hvor: Fig. 1 er et perspektivriss av et laserpumpehode som inkorporerer læren ifølge den foreliggende oppfinnelse, Fig. 2 er et snittriss tatt langs linjene 2-2 i fig. 1 og

viser innsiden av laserpumpehodet,

Fig. 3 er et tverrsnittriss tatt langs linjene 3-3 i fig.2,

og

Fig. 4-7 illustrerer alternative utførelsesformer for

avkjølning av laserstaven.

De samme henvisningstallene identifiserer identiske komponenter i hver av figurene.

Idet der først henvises til fig. 1 til 3, omfatter laserpumpehode 10 et hus 11 som omfatter separerbare deler 13 og 14, med del 14 innbefattende et par seksjoner 14a og 14b. Strømningskanaler, henholdsvis 16, 19 og 20 for flytende kjølemiddel strekker seg gjennom husdelen 13 og seksjonene 14a og 14b.

Husdelene har innvendige reflekterende overflater, henholdsvis 24 og 26, som danner et laserpumpingshulrom eller kammer 15. Hulrommet 15 kan ha en hvilken som helst konfigurasjon som er egnet for laseroperasjon. Eksempelvis har overflaten 24 en elliptisk form og den nedre overflaten 26 en generelt firkantet form. Pumpekammeret 15 og dets hus er konstruert av et hvilket som helst materiale som både kan tilveiebringe en hulromsstruktur for en laser og virke som en varmeavleder, slik som av et metall med god termisk ledeevne, f.eks. aluminium. Montert innenfor den nedre delen av kammeret 15 er en ønsket lasereffektstruktur som omfatter en laserstav 18. Staven kan omfatte laserkrystallmaterialer slik som rubin, eller Nd:YAG eller en fargebeholder.

En blinklampe 12 er anbragt i sideveis nærhet til laserstaven 18 slik at staven kan pumpes til en lasereffekttilstand. Monteringen for laserstaven 18 innenfor kammeret 15 omfatter en lysgjennomsiktig, varmeledende understøttelse 22, f.eks. av safir, som strekker seg langs stavens lengde.

En pute av fleksibelt, varmeledende materiale 21 er plassert mellom ytteroverflaten av staven 18 og den innvendige overflaten av understøttelsen 22 og strekker seg langs hele stavens 18 lengde. Som det vil bli omtalt i nærmere detalj i det etterfølgende, er laserstaven 18 åpen ved sine ender og materialet 21 kan ekstruderes, men har et elastisk minne til å tillate det å bevege seg utad fra og å bli trukket tilbake inn i understøttelsen 22 ved endene av staven 18 under perioder med differensial termisk utvidelse og sammentrekning mellom staven 18 og understøttelsen 22.

Den varme som skapes av blinklampen 12 fjernes fra dens umiddelbare omgivende areal av et pakket pulver 27 plassert mellom blinklampen 10 og overflaten 27. Pakket pulver 27 kan omfatte et hvilket som helst egnet materiale, slik som BaS04, alumina, berylliumoksyd eller et keramisk materiale.

Det pakkede pulver har flere kjennetegn. Det har tilstrekkelig høy termisk ledeevne til å tillate at varme som utvikles av blinklampen ledes fra den til overflaten 24 og til en varmeavleder. Det kan også ha egenskapene med høy diffus refleksjonsevne og evnen til å motstå ultrafiolett lys. Det må også motså de høye temperaturer som skapes av blinklampen. De spesielle detaljer ved anvendelse av et slikt pulverisert materiale for å avkjøle blinklampen 12 er omhandlet i US-patent nr. 4.096.450 hvis detaljer er innbefattet her.

Strømningskanaler 16, 19 og 20 for kjølemiddel virker som varmevekslere til å fjerne varme fra huset. Imidlertid kan andre typer av varmevekslere anvendes.

Et viktig aspekt ved den foreliggende oppfinnelse ligger i bruken av det fleksible, gjennomsiktige materialet 21 som omhyller staven 18 langs hele dens lengde. De generelle karakteristika ved materialet 21 som gjør det spesielt nyttig for laserstavavkjølingsanvendelser er (1) at det tilveiebringer en fleksibel eller mykt avfjæret kopling mellom staven 18 og den varmeledende understøttelsen 22, (2) at det sender lys fra lampen 12 til staven 18, og (3) at det leder varme bort fra staven.

Fortrinnsvis omfatter det fleksible materialet 21 et halv-flytende geltypemateriale, enten en silikon, vann eller karbongel. En silikongel, som oppstår ved blanding av additiver fremstillet av Dow Corning Corporation, identi-fisert som Dow Corning 3-6527A og B, er blitt anvendt på vellykket måte. De spesielle karakteristika for silikongel og andre gelmaterialer, som gjør det spesielt nyttig i den foreliggende oppfinnelse er at, når de to komponentene dannes, produktet herdes til å danne en avfjærende, ettergivende gel-lignende masse. Et slikt gel er deformerbart, men har elastisk minnekarakteristika, som tillater det å virke som et gjenvinnbart ekstrudat. Det herdede gel beholder meget av spenningsavlastningskarakteristikkene hos en væske, dvs. det tilveiebringer beskyttelse mot mekanisk påkjenning bevirket av differensiell termisk utvidelse og sammentrekning når anvendt som en grensesjiktkomponent, men beholder likevel de dimensjonsmessige stabilitets og ikke-strømningskarakteristika hos en massiv elastomer. I tillegg danner det en permanentklebende binding med dets kontakt-dannende overflater.

Nærmere bestemt er gelet plassert innenfor et lite gap dannet mellom staven 18 og en gjennomsiktig varmeledende under-støttelse 22. Dets utvidelseskarakteristikk bevirker det til å ekspandere hurtigere enn staven 18 eller varmelederen 22. Imidlertid blir eventuelle spenninger som ellers kan oppstå p.g.a. differensiell utvidelse eller sammentrekning av staven 18, understøttelsen 22 og gelet 21, overført til gelet som ekstruderes ut eller trekkes inn i gapet mellom staven 18 og dens understøttelse ved deres åpne ender. Således blir staven ikke utsatt for påkjenning. Kun en minimal tykkelse av materiale 21 rundt staven 18 behøves, typisk i området fra ca. 0,05 mm til ca. 0,13 mm. Selv om gelet generelt er en dårlig varmeleder, blir dets potensielt isolerende karakteristika unngått p.g.a. den relativt ringe tykkelsen av gel som kreves, hvilket medfører kun relativt små termiske gradienter og hindrer derfor ikke i betydelig grad den nødvendige varmeoverføring.

Safir foretrekkes som materialet for understøttelsen 22 ettersom det er relativt rimelig og har en høy varmeover-føringskoeffisient. Alternative materialer omfatter glass, enkeltkrystallsberylliumoksyd, YAG og granat. Det er innlysende at det valgte materialet bør være gjennomsiktig for det lyset som utsendes av lampen 10.

Fremgangsmåten for dannelse av laserstavavkjølingsenheten (ikke vist) som omfatter staven 18, det fleksible materialet 21 og varmelederen 22, er å fylle hullet i lederen 22 med det blandete additive komponenter og så innføre staven 18. Avstanden mellom 18 og 22 opprettholdes med mellomlegg. Etter at væsken blir et gel, fjernes mellomleggene og sammenstillingen plasseres i husdelen 14. Mekanisk trykk holder så den termiske ledende understøttelsen 22 og staven 18 på plass innenfor huset 14.

Understøttelsen 22 er termisk forbundet med huset 14 som virker som en varmeavleder. Det er eksempelvis laget av aluminium, og gullpleteringen på inneroverflåtene kopler pumpelyset inn i staven 18. Varmeavlederdelene 12, 14a og 14b av aluminium blir respektive avkjølt av kjølemiddel-kanalene 16, 19 og 20.

I den hensikt å lette fremstillingen er understøttelsen 22 ikke-elliptisk i form, dvs. at den har tre flate overflater og en enkelt buet overflate, selv om den totale form kunne varieres. Ettersom gull-laget reflekterer speilende, er det nødvendig at ytterligere skritt kan tas slik at lyset fra lampen 12 effektivt rettes mot staven 18 gjennom under-støttelsen 22. Det er blitt bestemt at, dersom overflaten av materialet 22 (eksempelvis safir) er slipt i stedet for polert, en diffus overflate skapes som vil bevirke mer av lampelyset til sist å treffe staven 18 og øke virkningsgraden av laserstavens yteevne.

Det er blitt bestemt at, p.g.a. den relative tilpasning av brytningsindeks mellom gelmaterialet 21 og overflaten av staven 18, den normalt diffuse overflate av staven 18 vil bevirke omkretsen av staven til å bli lastet med lampelyset i en større utstrekning enn det indre av staven, hvorved bevirkes at utgangslaserstrålen er divergerende i en utstrekning som er større enn hva som ønskes. Ettersom en sterkt kollimert lysutgangsstråle, som generelt kreves av laserbrukere, krever mer intenst lys ved midten av staven 18, er overflaten av staven fortrinnsvis polert for å rette en større del av lyset mot dens senter. Det bør bemerkes at laserutgangsstrålen kan manipuleres ved transmisjon gjennom eksempelvis et teleskop til å forsyne en bruker med en ønsket stråledivergens uten å måtte bry seg om ferdig-behandlingskarakteristika for stavoverflaten.

Det konsept som er beskrevet ovenfor tilveiebringer et middel og fremgangsmåte for jevnt å avkjøle en laserstav med minimal termisk og medfølgende mekanisk påkjenning, slik at staven kan frembringe en utgangsstråle med minimal optisk forvrengning.

Et kutt 42 kan lages i aluminiumsvarmeavlederen 14 for å tillate god mekanisk kontakt mellom understøttelsen 22 og varmeavlederen 14 ved f jærbelastning 14a og 14b. Dette tilveiebringer god termisk kontakt. Dessuten, i tilfellet av en Nd:YAG<+3> laserstav, innføres et samariumglassfilter 44 (se fig. 3) i hulrom 15 for å hindre uttømming av den lagrede energi i staven 18 og å maksimalisere mengden av laserlys som sendes fra endene av laserstaven 18.

Fig. 4 illustrerer en alternativ utformning hvor den termisk ledende understøttelsen i ett-stykke ifølge fig. 1-3 er segmentert i en fire-stykkers understøttelse 22' for å muliggjøre sammenstilling av staven 18 med denne og å tillate et noe mindre ettergivende materiale enn gel 21 å bli anvendt. Her blir et svampaktig optisk materiale 21', slik som Dow Corning 93-500 silikongummi, anvendt som det fleksible termiske materialet, som plasseres ikke bare om staven 18, men også i gapene eller adskillelsene 54 mellom segmentene i understøttelsen 22'. Ettersom laserstaven 17 ekspanderer omtrentlig det samme som den termisk ledende understøttelsen 22' mens det fleksible materialet 21' ekspanderer ca. 10 ganger så hurtig, men ikke er i stand til å ekspandere ved endene av laserstaven i den grad som er nødvendig, kreves adskillelser 54 i understøttelsen 22' for å ivareta ekspansjon av gummi 21'.

Selv om denne utførelsesform også minsker de termiske og mekaniske spenninger på laserstav 18 under laseroperasjon, gjør segmenteringen av understøttelsen 22' laserstrukturen i fig. 4 mer komplisert og kostbar å fremstille.

Evis ønskelig, kan et gap innbefattes i utførelsesformen i fig. 3 og 4 mellom det nedre partiet av den termisk ledende understøttelsen 22 eller 22' og den hosliggende indre overflaten av varmeavlederen 14 for å sette den øvre delen av understøttelsen 22 eller 22' i stand til å avkjøle så hurtig som den nedre delen.

Idet det nå henvises til utførelsesformen i fig. 5, omfatter et hus 111 deler 113 og 114 som er omgitt av en varmeveksler 116. Likesom fig. 1-3, omfatter husdelen 114 seksjoner eller segmenter 114a og 114b, og begge partier 113 og 114 har elliptisk-formete indre overflater 126 og 128. En under-støttelse 122 av et materiale som er gjennomsiktig for lys fra en blinklampe 112 og termisk ledende, har en ytre overflate for tett pasning på understøttelsen deri. Laserstaven 118 understøttes innenfor understøttelsen 122 av et fleksibelt materiale 121. I denne utførelsesform omfatter materialet 121 en kommersielt tilgjengelig silikongummi som er i termisk kontakt med staven 118 og understøttelsen 122. Et ytterligere materiallag 121 kan innføres mellom lampen 112 og staven 118. Understøttelsen 122 er termisk koplet på sine overflater 126 til husdelene 113 og 114 ved hjelp av et fleksibelt materiale 130, som omfatter en epoksy blandet med et reflekterende pulver, slik som BaS04, MgO, etc. og har egenskapene for en varmeleder, og en lysreflektor. Utfør-elsesformen vist i fig. 5 ivaretar differensialutvidelse av laserstavsammenstillingen til å hindre påkjenning på laserstaven 113 på tre måter, dvs. ved inkorporering av fleksibelt materiale 130, ved tilveiebringelse av segmenter 122a i understøttelsen 122 og ved bruk av segmenter 114a og b i husdelen 114. Selv om graden av utvidelse som tilveie-bringes maksimaliseres ved å anvende samtlige tre trekk, er bruken av segmentene 122a eller 114a og b alene tilstrekkelig til å gi gode resultater.

Når staven 118 er av Nd<+3> YAG, blir et filter 136, fortrinnsvis av samariumglass, plassert mellom blinklampen 112 og staven 118 med S1112O3 pulver tilført materialet 130 for å undertrykke 1,06 mikrometerbølgelengden generert av laseren langs lasersidene. Materialet 130 tilveiebringer således to funksjoner, nemlig dets fleksibilitet som tilveiebringer en ytterligere teknikk for å minske spenningen i laserstaven, som tidligere beskrevet, og dets refleksjonsevnekarak-teristika øker pumpingsvirkningsgraden for lampen 112. Hvis understøttelsen 122 fullstendig omslutter laserstaven 118 med en i alt vesentlig lik tykkelse, slik som i utførelses-formene vist i fig. 3 og 4, blir jevne og sirkulære isotermer dannet innenfor staven, som indikerer at staven oppfører seg som en høykvalitetslinse.

Fig. 6 illustrerer en annen utførelsesform av oppfinnelsen, hvor en understøttelse 222 omslutter en stav 218 som i sin tur er omgitt av et hus 214. Et lag av fleksibelt gjennomsiktig materiale 221, slik som silikongummi, anvendes som den fjærende kopling mellom staven 218 og understøttelsen 222.

Et lag 230 av kopperull innføres mellom understøttelsen 222 og huset 214. Utførelsesf ormen som er vist i fig. 6 krever ikke noen segmenter i huset 214 ettersom understøttelsen 222 omfatter fire segmenter og ettersom kopperull betegnet ved henvisning 230 er plassert mellom understøttelsen 224 og huset 214. Kopperull 230 leder varme fra understøttelsen 222 til huset 214 samtidig som differensial varmeutvidelse tillates. Et sølvlag 240, formet med et beskyttende aluminiumsoverbelegg av maling, påføres den ytre overflaten av understøttelsen 222 for å øke pumpevirkningsgraden ved å reflektere energi fra pumpekilden til staven 218. Huset 214 kan avkjøles ved hjelp av en ekstern varmeveksler av den type som er vist i fig. 3 eller 5. Et Sm glassfilter 236, til å undertrykke uønsket sidestrålning fra laserstaven 218, er tilveiebragt som vist, hvis nødvendig.

En laserstavavkjølingsutførelsesform som krever betydelig mindre mengder av understøttelsesmateriale er vist i fig. 7. I denne utførelsesform er en understøttelse 322 plassert kun på den siden av en stav 318 som vender mot pumpekilden. Et lag 321 av silikongel (gummi av silikontype) kan også anvendes hvis segmenter tilveiebragt i understøttelsen 320 plasseres på en halvpart av staven 318 og den andre halvpart er direkte termisk koplet til huset 314 ved hjelp av fleksibelt materiale 330. Isotermene her vil ikke være sirkulære og laserstaven 318 vil ikke fungere optisk samt i de øvrige utførelsesformer, men vil være tilstrekkelig nyttig for mange anvendelser ettersom mindre understøttelses-materiale 322 anvendes, hvilket i tilfellet av safir og berylliumoksyd medfører en betydelig kostnadsreduksjon.

P.g.a. at der er kun et lag av fleksibelt materiale 321 på en halvpart av staven 318, vil total varmefjerning bli bedre enn for utførelsesformen vist i fig. 6 hvor der er to gap mellom laserstaven 218 og huset 214. Laserstaven 218 vil således forbli noe kjøligere enn i de andre utførelsesf ormene og er derfor nyttig ved høye pumpingsnivåer.

Bestemmelsen av hvilken refleksjonsmetode som skal anvendes, avhenger av forsterkningstverrsnittet som ønskes i laserstaven. Den speilende refleksjonsmetoden beskrevet i fig. 6, i tillegg til dens refleksjonsevne, tillater varmefjerning med evnen til ytterligere å redusere laserstavspenning under anvendelse av kopperull og er således det foretrukne refleksjonsmaterialet.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer således en teknikk for avkjøling av laserstaven som i betydelig grad danner forbedring relativt de tidligere kjente anordninger. Ved å tilveiebringe en fleksibel, termisk ledende pute mellom staven og den stivt monterte understøttelsen, blir de relativt dårlige optiske strålekarakteristika som bevirkes av de termiske og mekaniske spenninger ved de tidligere kjente anordninger unngått. Dessuten trenger utvidelseskarakteri-stikkene for laserstaven og understøttelsen ikke å bli tilpasset de termiske karakteristika for den fleksible puten. Dessuten er den fleksible puten anbragt til å omgi staven langs den fullstendige lengde, hvorved unngås optiske aberrasjoner som kan frembringes ved ujevn stavavkjølning.

En løsning ifølge prinsippene ved den foreliggende oppfinnelse er blitt testet på vellykket måte i laboratoriet under anvendelse av Nd:YAG som lasermaterialet, Dow Corning 3-6527A og B additiver som den fleksible puten og safir som den mellomliggende understøttelsen. Lasere som anvender ledende avkjølt blinklampe og stavsammenstilling er blitt vellykket drevet med 250 watt innmatning (8,2 Joule ved 30 Hz) kontinuerlig under ca. 100 timer. Ledende avkjølt blinklampe og stavsammenstillinger er blitt testet for over 1 milliom skudd ved 12,4 Joule pr. skudd og ved 13 pulser pr. sek. uten noen skadelige virkninger, idet den utmatede laserstråle har minimal dobbeltbrytning eller optisk forvrengning.

Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet med henvisning til dens foretrukne utførelsesformer, vil det forstås av fagfolk at forskjellige endringer kan foretas og ekvivalenter kan erstatte elementer derav uten å avvike fra den samme ide med hensyn til omfanget av oppfinnelsen. I tillegg kan mange modifikasjoner foretas for å tilpasse en spesiell situasjon eller materiale til oppfinnelsens lære uten å avvike fra dens vesentlige lære.

Claims

1. Laseranordning som omfatter et laserpumpehulrom (15), en kilde for optisk å pumpe energi (12; 112), en laserstav (18;

118; 218; 318), en termisk ledende understøttelse (22; 22', 122; 222; 322) for denne, og et avkjølingssystem (16; 19; 20;

116) for å fjerne varme fra understøttelsen, karakterisert ved dessuten å omfatte en pute (21;

21', 121; 221; 321) for termisk å kople nevnte støtte til nevnte laserstav og som omfatter et materiale som er istand til å absorbere differensialbevegelser mellom nevnte laserstav og nevnte understøttelse som reaksjon på termiske endringer deri, for å minimalisere eventuelle mekaniske og termiske påkjenninger som ellers utøves på nevnte laserstav, idet støtten (22; 22'; 122; 222; 322) og puten (21; 21'; 121;

221; 321) er gjennomsiktige overfor strålning som utsendes av nevnte kilde (12; 112).

2. Laseranordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den dessuten innbefatter middel for å sette nevnte pute (21; 21'; 121; 221; 321) istand til å utvide seg fritt og ekstrudere fra de åpne ender av nevnte laserstav (18; 118; 218; 318).

3. Laseranordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at nevnte pute (21; 21'; 121; 221; 321;) omfatter et gel.

4. Laseranordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at nevnte pute (21; 21'; 121; 221; 321) omfatter et silikongel.

5. Laseranordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte understøttelse (22; 22'; 122;

222; 322) fullstendig omgir nevnte laserstav (18; 118; 218;

318).

6. Laseranordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at nevnte støttemateriale (22; 22'; 122;

222; 322) omfatter formet safir.

7. Laseranordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte støtte (22; 22'; 122; 222; 322) er termisk koplet til varmeavledermiddel.

8. Laseranordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte pute (21; 21'; 121; 221; 321) er utformet til å lede varme jevnt bort fra nevnte laserstav (18; 118; 218; 318).

9. Laseranordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte laserstav (18; 118; 218; 318) har en polert overflate.

10. Laseranordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte støtte (22; 22'; 122; 222; 322) har overflate hosliggende nevnte laserstav (18; 118; 218;

318) og nevnte kjølingssystem, og at nevnte overflater er slipt til å spre og rette energien effektivt til nevnte laserstav.

11. Laseranordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte understøttelse (122) er koplet til en varmeavleder (113; 114) og nevnte varmeavleder omfatter et flertall av segmenter (113, 114a, 114b) som er sammenføyet av materiale i nevnte pute for å tillate eventuell differensiell termisk utvidelse blant nevnte laserstav (118), nevnte understøttelse og nevnte varmeavleder .

12. Laseranordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte understøttelse (22; 22'; 122;

222; 322) omfatter et flertall av segmenter (22; 122; 122a) som er sammenføyet ved hjelp av materiale i nevnte pute for å tillate eventuell differensial termisk utvidelse mellom nevnte laserstav (18; 118; 218; 318) og nevnte termiske ledende støtte.

13. Laseranordning som angitt i krav 12, karakterisert ved at nevnte pute (21; 21'; 121; 221; 321) omfatter silikongummi.

14. Fremgangsmåte for avkjøling av en laserstav (18; 118; 218;

318) i et pumpehulrom (15) i en laseranordning, karakterisert ved at laserstaven er omsluttet i en termisk ledende understøttelse (22; 22'; 122; 222; 322), og at nevnte laserstav er termisk koplet til og avfjæret i nevnte understøttelse med et termisk ledende, bøyelig materiale (22; 22'; 122; 222; 322) som er gjennomsiktig overfor optisk pumpingsenergi.

15. Fremgangsmåte som angitt i krav 14, karakterisert ved at den dessuten omfatter trinnene å danne understøttelsen (22; 22'; 122; 222; 322) for fullstendig å omslutte staven (18; 118; 218; 318) i understøttelsen.

16. Fremgangsmåte som angitt i krav 14, karakterisert ved at nevnte termiske koplings- og avfjaerings-trinn dessuten omfatter trinnet å anbringe et gel mellom staven (18; 118; 218; 318) og understøttelsen (22; 22'; 122;

222; 322).

17. Fremgangsmåte som angitt i krav 14, karakterisert ved at nevnte termiske koplings- og avfjærings-trinn dessuten omfatter trinnet å anbringe et silikongel mellom staven (18; 118; 218; 318) og støtten (22; 22'; 122, 222; 322).