WO2015117727A1 - Anordnung mit einem verstärkenden lasermaterial und einer kühleinheit - Google Patents

Anordnung mit einem verstärkenden lasermaterial und einer kühleinheit Download PDF

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WO2015117727A1
WO2015117727A1 PCT/EP2015/000114 EP2015000114W WO2015117727A1 WO 2015117727 A1 WO2015117727 A1 WO 2015117727A1 EP 2015000114 W EP2015000114 W EP 2015000114W WO 2015117727 A1 WO2015117727 A1 WO 2015117727A1
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laser material
laser
liquid metal
cavity
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Maximilian HARLANDER
Joachim Trinks
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Pantec Biosolutions Ag
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    • H01S3/0941—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode

Definitions

  • the invention relates to an arrangement with a reinforcing
  • Laser material and a cooling unit having a cavity for receiving at least a portion of the laser material, wherein in a gap between the laser material and the cooling unit is at least during operation of the arrangement of liquid metal for heat transfer of heat from the laser material to the cooling unit.
  • Arrangements with a reinforcing laser material and a cooling unit with a cavity for accommodating at least a part of the laser material occur in particular in lasers such as solid-state lasers and optical amplifiers.
  • laser active laser material
  • crystalline, ceramic or amorphous material For pumping such solid-state lasers, laser diodes are increasingly being used today, with the exception of flash lamps.
  • the pumping can be longitudinal, ie in the direction of the optical axis or longitudinal axis of the
  • Laser material or close to this by one of the optical axis or longitudinal axis interspersed end surfaces of the laser medium, or transversely through a of the end faces differing lateral surface of the laser medium
  • optical amplifier in which an incoming optical signal is amplified without being converted into an electrical signal is basically the same as that of a laser but without a resonator.
  • the energy introduced by the pump radiation into the amplifying laser material leads to the desired population inversion of the laser material
  • CONFIRMATION COPY on the other hand for heating the laser material.
  • the proportion of heat produced may be well over 50%, eg, about 80% of the absorbed radiant energy. Since too high temperatures have negative effects on the operation of the laser, it is important to cool the laser material efficiently.
  • Water cooling of the laser material in which the laser material is in direct contact with water, has several disadvantages, i.a. the required regular maintenance.
  • the thermal contact between the heat sink is often through
  • Adhesive layers have the disadvantage that they can outgas and so on May cause contamination of the laser material. To do as well
  • liquid metal leakage from the gap between the laser material and the cooling unit may be relatively easy, allowing sensitive surfaces to be wetted. For example, wetting in the region of the lateral surface of the laser medium, through which the pump radiation is radiated, or even a short circuit in the region of the laser diodes of the pump device can occur.
  • the object of the invention is to provide an advantageous arrangement of the type mentioned, in which a low rejection rate during manufacture and high reliability can be achieved. According to the invention, this is achieved by an arrangement having the features of claim 1.
  • At least one channel leads away from the cavity receiving the laser material, wherein in this channel, at least in an end section adjoining the cavity, there is a liquid metal, at least during operation of the arrangement.
  • the metal which is liquid at least during operation of the arrangement is, in an advantageous embodiment of the invention, already liquid at 25 ° C., ie at
  • laser material is above 50 ° C, e.g. at about 60 ° to 70 ° Celsius.
  • the operating temperature of the at least in operation liquid metal is
  • liquid metal for the sake of simplicity.
  • This channel in which liquid metal is located at least in an end section adjoining the cavity, thus serves as a compensation channel, which can receive different amounts of the liquid metal in the production of a series of arrangements according to the invention. It can thus take place during the production of the arrangement, a certain overfill with the liquid metal, so that the entire tolerance range of the dimensions of the cooling unit and the
  • Laser material and the order quantity of the liquid metal and its local distribution sufficient liquid metal is present in order to fill the gap provided for filling between the laser material and the cooling unit as completely as possible.
  • a desired geometry of the cooling can thereby be at least largely ensured. It can be achieved that as far as possible the intended contact surfaces of the laser material and only these are wetted with liquid metal. Excess liquid metal is absorbed by at least one channel. The risk of leakage of liquid metal at undesirable sites, for example in the region of a slot opening into the cavity, is irradiated by the pump radiation, or arranged in the region of an opposite side of the slot of the laser material
  • the section of the channel which is unfilled at least over a part of its cross section adjoins the end section of the channel which is filled, preferably completely filled, at least over part of its cross section.
  • the channel communicates with a reservoir of liquid metal and is then preferably completely filled with the liquid metal over its entire length.
  • a preferred embodiment provides that more than one such previously described channel is present.
  • at least three, more preferably at least five, such channels open into the cavity spaced apart in the direction of a longitudinal axis of the laser material. If, during operation of the arrangement, the size of the gap between the laser material and the cooling unit changes due to different thermal expansions of the materials, displaced liquid metal may at least partially, preferably at least partially, be reduced when the gap width is reduced
  • the channel or the channels communicates or communicates with an outer space surrounding the cooling unit or that
  • the at least one channel can open directly into the outer space or two or more channels can open into a common connecting channel, which in turn opens into the outer space.
  • the laser material is side-pumped.
  • the pump radiation therefore enters through a lateral surface which is angled relative to first and second end surfaces of the laser material, which are spaced apart in the direction of the longitudinal axis of the laser material, in particular in a central region of the lateral surface relative to the direction of the longitudinal axis.
  • the pump radiation advantageously falls through a slot opening into the cavity onto a section of the lateral surface of the laser material.
  • the lateral surface is conveniently parallel to the longitudinal axis.
  • the laser material could also be prismatic, for example, with square or rectangular cross-section, be formed.
  • the cavity for receiving at least a portion of the laser material has in an advantageous embodiment of the invention has a cross-sectional shape corresponding to the cross-sectional shape of the laser material. But it is also conceivable and possible that the cross-sectional shapes differ.
  • the laser material could be hexagonal in cross section and the cavity could be circular in cross section.
  • the cooling unit comprises a first heat sink and a second heat sink, which are supported against each other with mutually facing side surfaces.
  • One or both of these side surfaces are provided with a recess, wherein the recess forms the cavity or the recesses together form the cavity which at least partially accommodates the laser material.
  • Heatsink or, preferably, applied over areas of both heat sink advantageously extends, with respect to the direction of the longitudinal axis of the laser material, at least over that section of the cavity through which pumping radiation enters the region
  • the channels are in such a configuration with first and second over the thin film of the liquid metal adjacent to each other cooling bodies
  • heat could be dissipated directly to the environment of the cooling unit, for example by means of cooling air
  • the cooling unit can also
  • active have cooling elements, wherein the first and / or the second heat sink, which has transferred from the laser material transferred to the at least one further cooling element or transfer.
  • the cooling unit could have at least one Peltier cooler to which heat is transferred via the first or second heat sink.
  • the liquid metal is preferably gallium or a
  • Gallium alloy All of the liquid metal wetted surfaces of the cooling unit are then conveniently formed of nickel. This does not react with gallium.
  • the invention is particularly advantageous for relatively high power losses during pumping, which lead to a corresponding heating power of the laser medium.
  • the power loss is more than 5 W.
  • the arrangement according to the invention forms an optically pumped solid-state laser.
  • Laser beam is partially transparent.
  • the resonator of the laser is thus only from
  • Embodiments of a solid state laser could be at least one mirror of the Resonator be spatially separated from the laser material.
  • the resonator could then also have further optical elements, for example, also be formed folded.
  • a Q-switch such as a Pockels cell or other electro-optical Q-switch or an acousto-optic Q-switch or a mechanical Q-switch, such as a rotating mirror, could be provided.
  • inventive arrangement an optically pumped optical amplifier.
  • the at least one channel, in which liquid metal is located at least in an end section adjoining the cavity, does not lie in the optical path of the arrangement. It is therefore neither laser radiation, which emerges from at least one of the end surfaces of the laser material from this nor pump radiation to
  • FIG. 1 shows a plan view of an exemplary embodiment of a device according to the invention
  • Fig. 2 is a section along the line AA of Fig. 1;
  • Fig. 3 is a section along the line BB of Fig. 1;
  • Fig. 4 is a section along the line CC of Fig. 1;
  • Fig. 5 is an enlarged detail X of Fig. 4;
  • Fig. 6 is a section along the line DD of Fig. 1;
  • Fig. 7 is an exploded view of parts of the arrangement (without the liquid metal).
  • an embodiment of an arrangement according to the invention is shown, which is formed here in the form of a solid state laser.
  • the reinforcing laser material 1 is thus formed by a solid, in particular of crystalline, polycrystalline or amorphous material, which is provided with dopants.
  • the base material is YAG (yttrium aluminum garnet), a VANADAT (eg YV04), a fluoride (eg CaF2 or YLF), a tungstate (eg
  • rare earth ions for example, Nd 3 +, Yb3 +, Tm3 +, Ho3 + or Er3 +.
  • An example of an advantageous laser material is Er: YAG.
  • the laser material is cylindrical, in particular
  • the laser material 1 has a central longitudinal axis 2, which passes through first and second, in the direction of the longitudinal axis 2 spaced, end-side end surfaces 3, 4, at least one of which emerges from a laser beam 5.
  • the end surfaces 3, 4 are thus at an angle, for example, as shown at right angles to the longitudinal axis 2.
  • the longitudinal axis forms an at least approximately symmetry axis of the
  • Laser material 1 which extends in particular in the direction of its longest extent.
  • the laser material 1 is rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis 2.
  • the longitudinal axis 2 is parallel to the optical axis.
  • the end surfaces 3, 4 are polished and provided directly with reflective coatings.
  • the reflective coating of the first end surfaces 3 is so far partially permeable that a usable
  • Laser beam 5 is coupled out, which is indicated only in Fig. 2.
  • a resonator of the laser is thus formed by the reinforcing laser material 1 together with the reflective coatings of the end surfaces 3, 4.
  • the arrangement according to the invention were in the form of an optical amplifier, a resonator would be omitted.
  • the end surfaces 3, 4 could then be anti-reflection coated or arranged at Brewster's angle.
  • the laser material 1 For pumping the laser material 1 is an optical pumping device 17.
  • the arrangement shown in the figures is side pumped.
  • the pump radiation falls through a portion of a lateral surface 6 of the laser material 1, which is at an angle to the end surfaces 3, 4 and which is preferably parallel to the longitudinal axis 2.
  • the pump radiation here falls over a portion of the longitudinal extension of the laser material 1, the
  • the laser material 1 is at least over a part of its longitudinal extent in
  • the cavity 13 has a central
  • used laser material 1 at least substantially coincide.
  • the optical pump device 17 is formed by a laser diode arrangement shown schematically in the figures. In particular, the
  • Laser diode arrangement a plurality of spaced apart in the direction of the longitudinal axis 2 Laser diodes, eg 10 to 60.
  • the laser diodes spaced in the direction of the longitudinal axis 2 are generally schematically represented by a strip 8
  • a bar having the spaced apart in the direction of the longitudinal axis 2 laser diodes can be provided in a conventional manner, a bar having the spaced apart in the direction of the longitudinal axis 2 laser diodes. In principle, two or more in the direction of the longitudinal axis 2 and / or at right angles thereto
  • the cooling unit 7 comprises a first and a second cooling body 9, 10, which have mutually facing side surfaces 1 1, 12, over which they are
  • the cavity 13 is formed with its side surfaces 1 1, 12 (in particular via the film of liquid metal described below) abutting each other state of the heat sink 9, 10 in the region of the parting plane.
  • a half-shell-shaped recess formed on the side surface 1 1 of the first heat sink 9 and on the side surface 12 of the second heat sink 10 each one, in the embodiment.
  • a cylindrical, in particular circular cylindrical cavity 13 is formed, based on a
  • Cross-section perpendicular to the longitudinal axis 2 has a contour corresponding to the outer contour of the laser material 1 in section perpendicular to the longitudinal axis 2.
  • embodiments could be square. Even different contours of the laser material 1 and the cavity 13 are conceivable and possible.
  • the diameter of the cavity 13 is slightly larger than the diameter of the inserted into the cavity
  • Lasermaterials 1 in this direction preferably by 10 ⁇ to 60 ⁇ , more preferably by 20 ⁇ to 50 ⁇ .
  • a centered arrangement of the laser material 1 in the cavity 13 thus results between the laser material 1 and the Cavity 13 delimiting wall a gap whose width is preferably in the range of 5 ⁇ to 30 ⁇ , more preferably in the range of 10 ⁇ to 25 ⁇ .
  • the width of the gap is in this case the right angle to the wall, ie in
  • Embodiment perpendicular to the longitudinal axis 2 measured distance between the laser material and the wall.
  • the smallest width of the gap is preferably in the above-mentioned range of 5 m to 30 ⁇ , particularly preferably in the range of 10 ⁇ to 25 ⁇ .
  • channels 14 forming depressions could also be arranged on the side surface 1 1 of the first heat sink 9.
  • the channels are thus in the region of the parting plane between the first and the second heat sink 9, 10.
  • the channels lead in the embodiment shown perpendicular to the longitudinal axis 2 extending away from the cavity 13 away, as is preferred.
  • the channels 14 are connected to each other on both sides of the cavity 13 by a connecting channel 15.
  • the connecting channels 15 lead in the embodiment on both sides of the region of the longitudinal axis 2, in which the channels 14, arcuately in the direction of the cavity 13 and open into it, wherein they are in the region of
  • Cavity 13, in which the second end face 4 of the laser material 1 is located, are continued until the outer space surrounding the arrangement, ie in the
  • Heatsink 10 is provided with a slot 15 which opens into the cavity 13.
  • the slot 16 starts from a receiving space 18, which accommodates at least part of the pumping device 17 and is formed by a depression in the side surface of the second cooling body 10 which is opposite the side surface 12.
  • the receiving space 18 is closed by a third heat sink 19 in the embodiment.
  • a slot-shaped recess 20 is introduced into the first heat sink 9. In this occurs the laser material 1 passing through pump radiation.
  • the surfaces of the slot-shaped recess 20 are reflective (directed or diffuse) formed, possibly by appropriate coatings. It is formed by a reflector from the pump radiation, which has the laser device 1 coming from the pumping device 17 and has leaked out of this again reflected back into the laser material 1 in order to increase the efficiency of the pumping.
  • the reflectance of this reflector is more than 90%.
  • cooling ribs on the first and third cooling bodies 9, 19 are shown schematically in the figures. Instead or in addition, other cooling elements could be used. Thus, for example, in the places where in the laser material 1 to the cooling unit 7, cooling ribs on the first and third cooling bodies 9, 19 are shown schematically in the figures. Instead or in addition, other cooling elements could be used. Thus, for example, in the places where in the laser material 1 to the cooling unit 7, cooling ribs on the first and third cooling bodies 9, 19 are shown schematically in the figures. Instead or in addition, other cooling elements could be used. Thus, for example, in the places where in the
  • the cooling fins are shown, Peltier elements are arranged.
  • the third heat sink 19 could also be formed entirely by a Peltier element.
  • water cooling could be provided, which are attached to the heat sink 9 and to the heat sink 10 or 19.
  • the heat sink 9 and / or 10 and / or 19 could also be equipped directly with water cooling.
  • the third heat sink 19 could also be omitted.
  • a liquid metal 21st For heat transfer between the laser material 1 and the first and second heat sink 9, 10 is a liquid metal 21st
  • the volume of the gap is preferably at least more than 90% of the liquid metal 21 filled.
  • the liquid metal 21 also causes a centering of the laser material 1 in
  • Cavity 13 (so that the central longitudinal axis 2 of the laser material 1 and the central longitudinal axis of the cavity 13 at least substantially coincide).
  • the extension of adjoining the cavity 13 end portions of the channels 14 is also liquid metal 21, wherein conveniently
  • End portions 22 are present. Preferably, at least more than 90% of the opening cross-section of the channels 14 is filled by the liquid metal 21 via the end portions 22.
  • portions 23 of the channels 14 which are at least partially free of the liquid metal 21, wherein preferably at least 50% of its opening cross-section is not filled by the liquid metal 21. In particular, there is no liquid metal 21 in the sections 23 at all.
  • liquid metal 21 having channels 14 which extend in the direction of the longitudinal axis 22 spaced from the cavity 13, preferably at regular intervals. The area over which such filled in their end portions with liquid metal 21
  • End portions 22 are present, preferably extends at least over the region of the extension of the longitudinal axis 2, via which on the laser material 1 pumping radiation impinges with an intensity which is at least 10% of the maximum
  • the gap between the laser material 1 and the first and second heat sink 9, 10 is filled with the liquid metal 21.
  • the gap between the laser material 1 and the cooling unit 7 may be free of liquid metal 21 and / or channels may be from the cavity 13
  • Longitudinal extent of the respective channel 14 measured depth t of the respective channel 14 is preferably less than one fifth of the diameter of the cavity 13 in this direction.
  • the width B of the slot 16 measured at right angles to the median plane of the slot 16 is preferably more than 30% of that measured in this direction
  • Diameter of the cavity 13 The same is preferably true for the width of the slot-shaped recess 20th
  • the depth t of the channels 14 in the region of the end sections 22 and preferably also in the region of adjoining sections is, for example, in the range from 50 ⁇ to 300 ⁇ , preferably in the range from 100 ⁇ to 200 ⁇ .
  • the width b of the channels 14 in the region of the end sections 22 and preferably also in the region of adjoining sections is, for example, in the range of 150 ⁇ m ⁇ to 1 mm.
  • the lengths of the end sections 22 of the channels are preferably greater than the widths b of the channels 14 in the region of the end sections 22.
  • Gallium or, more preferably, a gallium alloy can be used as the liquid metal.
  • Gallium alloys are known which advantageously remain liquid below 0 ° C. A particularly advantageous usable
  • Gallium alloy is formed by a eutectic alloy of gallium, indium, and optionally tin. Specifically, gallium may be contained at 65 to 95% by volume, indium at 5 to 22% by volume, and tin at 0 to 1% by volume. A particularly low melting point in this case, the alloy of 68 to 69% by volume of gallium, 21 to 22% by volume of indium and 9, 5 to 10, 5% by volume tin. Such an alloy is commercially available under the name Galinstan (from Geratherm).
  • the liquid metal 21 is at a temperature of at least
  • the first and second heat sinks 9, 10 are advantageously at least substantially made of metal, preferably, at least in areas adjacent to the
  • heat sink 9, 10 preferably formed by a nickel coating. Unlike most metals, it is insoluble in gallium. In other areas, an additional external gold coating may be present.
  • the side surface 12 of the second heat sink 10 is wetted in a region of liquid metal 21 within which the slot 16 lies.
  • the wetted area advantageously extends over at least 10% of the extent of the longitudinal axis 2 with respect to the direction of the longitudinal axis
  • the side surface 12 is wetted in the region of its depression forming a section of the cavity 13 and regions adjoining it on both sides, the dimensions of which correspond at least to the extent of the depression.
  • the liquid metal 21 is conveniently applied by applying a rubbing motion.
  • a region of the side surface 1 1 of the first heat sink 9 which corresponds to this region in the connected state of the two heat sinks 9, 10 is likewise wetted with liquid metal 21.
  • the laser material 1 is inserted into the recess in one of the two heat sinks 9, 10 and the other heat sink 9, 10 placed.
  • existing excess liquid metal in the region of the cavity 13 is pressed into the channels 14. Since the flow resistance through the gap between the laser material 1 and the wall of the cavity 13 is substantially greater than that through the channels 14, no or hardly liquid metal 21 is in the region of the slot 16 and in the region of slit-shaped recess 20 pressed.
  • the lateral surface of the laser material 1 lying in the region of the slot 16 and the slot-shaped recess 20 thus remains at least substantially free of liquid metal 21.
  • the risk of leakage of liquid metal to the laser diodes of the pumping device 17 is also substantially reduced.
  • Heatsink 9, 10 abut each other via this film of liquid metal 21.
  • the gap width is, apart from areas in which depressions are formed, preferably less than 20 pm.
  • the end surfaces 3, 4 are shown in the figures just. They could also, depending on the desired reflection of the laser radiation, have a curved, for example concave or convex surface.
  • At least one of the reflective coatings of the end surfaces 3 and / or 4 may be omitted and at least one
  • the end faces 3, 4 are perpendicular to the longitudinal axis 2.
  • the end faces 3, 4 could also be at an angle to the longitudinal axis 2, in particular at Brewster angle.
  • the laser radiation runs in a straight line through the laser material 1, that is to say in the direction of the longitudinal axis 2.
  • the invention could also be used, for example, in a zigzag-shaped course of the laser beam through the laser material, ie in particular a "zig-zag slab”. Laser".
  • the laser material 1 may also 'be pumped long itudinal. It can the
  • Pump radiation through one or both of the end surfaces 3, 4 are introduced.
  • a pumping device having at least one laser diode is preferred, the invention is basically also applicable to a laser or optical amplifier which is pumped in another way, in particular by a flashlamp.
  • the laser beam 5 may be pulsed by means of the pumping device 17.
  • the pulse lengths can be in the range from 10 seconds to 250 seconds CW operation or pulsed operation in other ways (with shorter or longer pulse durations) is also conceivable
  • the power range of the laser may be in the range of 1 to 5 watts average power, for example
  • Power range lie. Higher or lower average powers of the laser or optical amplifier can also be provided.
  • the figures are partially simplified and schematic. Such are, for example
  • the first and / or second heat sink 9, 10 could also be designed in several parts.

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Abstract

Bei einer Anordnung mit einem verstärkenden Lasermaterial (1) und einer Kühleinheit (7), die einen Hohlraum (13) zur Aufnahme zumindest eines Teils des Lasermaterials (1) besitzt, befindet sich in einem Spalt zwischen dem Lasermaterial (1) und der Kühleinheit (7) ein zumindest im Betrieb der Anordnung flüssiges Metall (21) zur Wärmeübertragung von Wärme vom Lasermaterial (1) auf die Kühleinheit (7). Vom das Lasermaterial (1) aufnehmenden Hohlraum (13) führt mindestens ein Kanal (14) weg, in dem sich zumindest in einem an den Hohlraum (13) anschließenden Endabschnitt (22) ein zumindest im Betrieb der Anordnung flüssiges Metall (21) befindet.

Description

Anordnung mit einem verstärkenden Lasermaterial und einer Kühleinheit
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung mit einem verstärkenden
Lasermaterial und einer Kühleinheit, die einen Hohlraum zur Aufnahme zumindest eines Teils des Lasermaterials besitzt, wobei sich in einem Spalt zwischen dem Lasermaterial und der Kühleinheit ein zumindest im Betrieb der Anordnung flüssiges Metall zur Wärmeübertragung von Wärme vom Lasermaterial auf die Kühleinheit befindet.
Anordnungen mit einem verstärkenden Lasermaterial und einer Kühleinheit mit einem Hohlraum zur Aufnahme zumindest eines Teils des Lasermaterials kommen insbesondere in Lasern wie Festkörperlasern und optischen Verstärkern vor. Bei
Festkörperlasern sind unterschiedliche Ausbildungen bekannt, die als verstärkendes (=laseraktives) Lasermaterial ein kristallines, keramisches oder amorphes Material aufweisen. Zum Pumpen solcher Festkörperlaser werden heutzutage abgesehen von Blitzlampen in zunehmendem Maße Laserdioden eingesetzt. Das Pumpen kann longitudinal, also in Richtung der optischen Achse oder Längsachse des
Lasermaterials oder nahe zu dieser durch eine der von der optischen Achse oder Längsachse durchsetzten Endflächen des Lasermediums, oder transversal durch eine von den Endflächen sich unterscheidende Mantelfläche des Lasermediums
(=seitengepumpter Laser) erfolgen.
Die Ausbildung eines optischen Verstärkers, bei welchem ein eingehendes optisches Signal verstärkt weitergegeben wird, ohne dass dieses in ein elektrisches Signal umgewandelt worden ist, ist grundsätzlich gleich wie die eines Lasers, aber ohne Resonator.
Die von der Pumpstrahlung in das verstärkende Lasermaterial eingebrachte Energie führt einerseits zur gewünschten Besetzungsinversion des Lasermaterials,
BESTÄTIGUNGSKOPIE andererseits zur Erwärmung des Lasermaterials. Beispielsweise kann im Fall von Er: YAG der Anteil der produzierten Wärme weit über 50%, z.B. ca. 80% der absorbierten Strahlungsenergie betragen. Da zu hohe Temperaturen negative Auswirkungen auf den Betrieb des Lasers haben, ist es wichtig, das Lasermaterial effizient zu kühlen.
Eine Wasserkühlung des Lasermaterials, bei welcher das Lasermaterial in direktem Kontakt mit Wasser steht, hat verschiedene Nachteile, u.a. die erforderliche regelmäßige Wartung.
Es sind unterschiedliche Arten der Kühlung des Lasermaterials bekannt, bei denen dieses im thermischen Kontakt mit einem metallischen Kühlkörper steht. Es ist vorteilhaft, wenn solche metallischen Kühlkörper das Lasermaterial möglichst weitgehend radialsymmetrisch umgeben und kühlen, wodurch eine sich ausbildende thermische Linse schwächer ist und/oder weniger Linsenfehler aufweist, sodass diese weniger negative Auswirkungen auf den Laserstrahl hat bzw. leichter kompensierbar ist.
Bei herkömmlichen Arten der Kühlung, bei denen das Lasermaterial im Kühlkörper durch Ausübung von mechanischem Druck eingeklemmt wird, können u.a. Verluste durch Doppelbrechung oder Risse im Lasermaterial auftreten.
Der thermische Kontakt zwischen dem Kühlkörper wird häufig durch
zwischengeschaltete Materialien verbessert. Zu diesem Zweck sind beispielsweise Folien aus Indium oder Graphit oder Wärmeleitpaste bekannt. Dies geht
beispielsweise aus S.Chenais and al,„Direct and absolute temperature mapping and heat transfer measurements in diode-end-pumped Yb:YAG.", Appl Phys. B 79 (2004), Seite 221 hervor. Beim Einsatz von Indium- oder Graphitfolien ist dennoch ein relativ hoher mechanischer Druck erforderlich, der zu Verlusten durch Doppelbrechung oder zu Rissen im Lasermaterial führen kann. Wärmeleitpaste oder auch
Klebstoffschichten haben den Nachteil, dass diese ausgasen können und so zu Verschmutzungen des Lasermaterials führen können. Auch machen
Alterungsprozesse regelmäßige Wartungen erforderlich.
Aus der US 2013/0336347 A1 ist es weiters bekannt, ein stabförmiges Lasermatertal direkt in einen Metallkörper einzuschmelzen, der zur Kühlung des Lasermaterials dient. Allerdings haben der Metallkörper und das Lasermaterial unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, was bei Temperaturänderungen zu
mechanischem Stress und der damit verbundenen verschlechterten Performance oder Rissen im Lasermaterial oder im zwischengeschalteten Material führen kann. Auch ist ein Austausch eines so eingeschmolzenen Lasermaterials nicht mehr ohne Weiters möglich.
Eine Anordnung der eingangs genannten Art geht aus der WO 2010/145802 A1 hervor. Speziell ist ein Festkörperlaser beschrieben, wobei unter anderem
beschrieben ist, im Spalt zwischen dem Lasermaterial und der Kühleinheit ein zumindest im Betrieb der Anordnung flüssiges Metall, insbesondere auf der Basis von Gallium, vorzusehen. Ein solches weist eine hohe thermische Leitfähigkeit auf und ist langzeitstabil, was sich vorteilhaft auf die erforderliche Wartung des Lasers auswirkt. Auch die bei einer Wärmeleitpaste vorkommenden Ausgasungen können vermieden werden. Allerdings kann es relativ leicht zum Austritt von flüssigem Metall aus dem Spalt zwischen dem Lasermaterial und der Kühleinheit kommen, wobei sensible Flächen benetzt werden können. Beispielsweise kann es zu einer Benetzung im Bereich der Mantelfläche des Lasermediums, durch welche die Pumpstrahlung eingestrahlt wird, oder sogar zu einem Kurzschluss im Bereich der Laserdioden der Pumpeinrichtung kommen. Im Hinblick auf die unvermeidlichen Toleranzen in der Spaltbreite und die schwierige genaue Dosierung des flüssigen Metalls sind relativ hohe Ausschussraten bei der Herstellung eines solchen Festkörperlasers die Folge. Zu einem Austritt von flüssigem Metall können beim Betrieb des Lasers auch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien auf Grund der auftretenden Temperaturänderungen führen. Aufgabe der Erfindung ist es, eine vorteilhafte Anordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei der eine geringe Ausschussrate bei der Herstellung und eine hohe Betriebssicherheit erreicht werden kann. Erfindungsgemäß gelingt dies durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 .
Bei der Anordnung gemäß der Erfindung führt mindestens ein Kanal vom das Lasermaterial aufnehmenden Hohlraum weg, wobei sich in diesem Kanal zumindest in einem an den Hohlraum anschließenden Endabschnitt ein zumindest im Betrieb der Anordnung flüssiges Metall befindet.
Das zumindest im Betrieb der Anordnung flüssige Metall ist in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bereits bei 25° Celsius flüssig, also bei
Raumtemperatur. Dies erleichtert u.a. die Einbringung. Falls dieses Metall aber bei Raumtemperatur fest ist, geht es zumindest im Betrieb (also nach der
Aufwärmphase) in den flüssigen Zustand über. Die Betriebstemperatur des
Lasermaterials liegt beispielsweise über 50° Celsius, z.B. bei etwa 60° bis 70° Celsius. Die Betriebstemperatur des zumindest im Betrieb flüssigen Metalls liegt
beispielsweise über 30° Celsius, vorzugsweise über 40° Celsius. Im Folgenden wird das zumindest im Betrieb der Anordnung flüssige Metall der Einfachheit halber als„flüssiges Metall" bezeichnet.
Dieser Kanal, in dem sich zumindest in einem an den Hohlraum anschließenden Endabschnitt flüssiges Metall befindet, dient somit als Ausgleichskanal, welcher bei der Herstellung einer Serie von erfindungsgemäßen Anordnungen unterschiedliche Mengen des flüssigen Metalls aufnehmen kann. Es kann somit bei der Herstellung der Anordnung eine gewisse Überfüllung mit dem flüssigen Metall erfolgen, sodass im gesamten Toleranzbereich der Dimensionen der Kühleinheit und des
Lasermaterials sowie der Auftragsmenge des flüssigen Metalls und dessen örtlicher Verteilung ausreichend flüssiges Metall vorhanden ist, um den zur Befüllung vorgesehenen Spalt zwischen dem Lasermaterial und der Kühleinheit möglichst vollständig zu befüllen. Eine gewünschte Geometrie der Kühlung kann dadurch zumindest weitgehend sichergestellt werden. Es kann erreicht werden, dass weitestgehend die vorgesehenen Kontaktflächen des Lasermaterials und nur diese mit flüssigem Metall benetzt sind. Überschüssiges flüssiges Metall wird hierbei vom mindestens einen Kanal aufgenommen. Die Gefahr eines Austritts von flüssigem Metall an unerwünschten Stellen, z.B. im Bereich eines in den Hohlraum mündenden Schlitzes, durch den Pumpstrahlung eingestrahlt wird, oder im Bereich einer auf der dem Schlitz gegenüberliegenden Seite des Lasermaterials angeordneten
schlitzförmigen Ausnehmung, wo ein Reflektor zur Zurückstrahlung von durch das Lasermaterial durchtretender Pumpstrahlung vorhanden ist, kann dadurch verringert werden. Zu diesem Zweck ist vorteilhafterweise die Ausdehnung des mit dem flüssigen Metall zumindest über einen Teil seines Querschnitts befüllten,
vorzugsweise vollständig gefüllten, Endabschnitts des Kanals in alle Richtungen rechtwinkelig zur Längserstreckung des Kanals mehr als doppelt so groß,
vorzugsweise mehr als drei mal so groß, wie die kleinste Breite des mit dem flüssigen Metall befüllten Spaltes zwischen dem Lasermaterial und der Kühleinheit. Der Strömungswiderstand des flüssigen Metalls durch den Kanal ist dadurch wesentlich geringer als der Strömungswiderstand des Metalls durch den Spalt zwischen dem Lasermaterial und der Kühleinheit. In einer möglichen Ausführu gsform schließt an den zumindest über einen Teil seines Querschnitts befüllten, vorzugsweise vollständig gefüllten, Endabschnitts des Kanals ein zumindest über einen Teil seines Querschnitts unbefüllter Abschnitt des Kanals an. In einer anderen möglichen Ausführungsform kommuniziert der Kanal mit einem Reservoir für flüssiges Metall und ist dann vorzugsweise über seine gesamte Länge vollständig mit dem flüssigen Metall gefüllt.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass mehr als ein solcher zuvor beschriebener Kanal vorhanden ist. Günstigerweise münden zumindest drei, besonders bevorzugt mindestens fünf solche Kanäle in Richtung einer Längsachse des Lasermaterials beabstandet in den Hohlraum. Wenn sich im Betrieb der Anordnung durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen der Materialien die Größe des Spaltes zwischen dem Lasermaterial und der Kühleinheit ändert, so kann bei einer Verringerung der Spaltbreite verdrängtes flüssiges Metall zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest
weitgehend vom Kanal oder von den Kanälen aufgenommen werden und bei einer Vergrößerung der Spaltbreite entsprechend aus dem Kanal oder aus den Kanälen in den Spalt zurückgelangen.
Damit sich bei der Verdrängung von flüssigem Metall in den Kanal oder in die Kanäle (bei der Herstellung oder im Betrieb) kein Gegendruck aufbaut, ist vorzugsweise vorgesehen dass der Kanal oder die Kanäle mit einem die Kühleinheit umgebenden Außenraum kommuniziert oder kommunizieren oder dass das
Reservoir für das flüssige Metall mit dem Außenraum kommuniziert. Beispielsweise kann der mindestens eine Kanal direkt in den Außenraum münden oder zwei oder mehrere Kanäle können in einen gemeinsamen Verbindungskanal münden, der seinerseits in den Außenraum mündet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Lasermaterial seitengepumpt. Die Pumpstrahlung tritt also durch eine Mantelfläche ein, die winkelig zu ersten und zweiten, in Richtung der Längsachse des Lasermaterials beabstandeten Endflächen des Lasermaterials steht, insbesondere in einem bezogen auf die Richtung der Längsachse zentralen Bereich der Mantelfläche. Die Pumpstrahlung fällt vorteilhafterweise durch einen in den Hohlraum mündenden Schlitz auf einen Abschnitt der Mantelfläche des Lasermaterials ein. Die
Mantelfläche liegt günstigerweise parallel zur Längsachse.
Günstigerweise kann das Lasermaterial in Form eines Kreiszylinders ausgebildet sein, dessen Längsachse (=Zylinderachse) parallel zur optischen Achse liegt. Aber auch andere zylinder- oder stabförmige Ausbildungen sind denkbar und möglich, wobei die optische Achse wiederum günstigerweise parallel zur Längsachse liegt. Beispielsweise könnte das Lasermaterial auch prismatisch, z.B. mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt, ausgebildet sein. Der Hohlraum zur Aufnahme zumindest eines Teils des Lasermaterials besitzt in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung eine zur Querschnittsform des Lasermaterials korrespondierende Querschnittsform. Es ist aber auch denkbar und möglich, dass sich die Querschnittsformen unterscheiden. So könnte beispielsweise das Lasermaterial im Querschnitt sechseckig und der Hohlraum im Querschnitt kreisrund ausgebildet sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kühleinheit einen ersten Kühlkörper und einen zweiten Kühlkörper, die sich mit zueinander gerichteten Seitenflächen gegeneinander abstützen. Eine oder beide dieser Seitenflächen sind mit einer Vertiefung versehen, wobei die Vertiefung den Hohlraum bildet oder die Vertiefungen zusammen den Hohlraum bilden, der das Lasermaterial zumindest zum Teil aufnimmt. Bei der Montage der Anordnung wird das Lasermaterial somit in die Vertiefung oder eine der Vertiefungen eingelegt und in der Folge werden die beiden Kühlkörper zusammengesetzt. Günstigerweise wird vor dem Einlegen des Lasermaterials flüssiges Metall über einen Bereich der Seitenfläche eines der
Kühlkörper oder, vorzugsweise, über Bereiche beider Kühlkörper aufgebracht. Die Erstreckung dieses Bereichs oder dieser Bereiche reicht hierbei vorteilhafterweise bezogen auf die Richtung der Längsachse des Lasermaterials zumindest über denjenigen Abschnitt des Hohlraums, über welchen Pumpstrahlung in das
Lasermaterial eingebracht wird, sowie über daran anschließende Abschnitte. Im zusammengesetzten Zustand der beiden Kühlkörper wird somit in diesem Bereich ein dünner Film des flüssigen Metalls verbleiben, über welchen sich die beiden Seitenflächen gegeneinander abstützen.
Die Kanäle werden bei einer solchen Ausbildung mit ersten und zweiten über den dünnen Film des flüssigen Metalls aneinander anliegenden Kühlkörpern
günstigerweise von Vertiefungen in einer oder in beiden der einander zugewandten Seitenflächen der Kühlkörper gebildet. Bei einer solchen Ausbildung der Kühleinheit mit ersten und zweiten über den dünnen Film des flüssigen Metalls aneinander anliegenden Kühlkörpern könnte die Kommunikation des mindestens einen Kanals oder des Reservoirs mit dem
Außenraum auch über einen Spalt zwischen den beiden Kühlkörpern erfolgen, der in einem Bereich liegt, in dem kein Film von flüssigem Metall zwischen den beiden Kühlkörpern ausgebildet ist.
Vom ersten und/oder zweiten Kühlkörper könnte Wärme direkt an die Umgebung der Kühleinheit abgeleitet werden, beispielsweise mittels von Kühlluft
beaufschlagten Kühllamellen. Die Kühleinheit kann aber auch weitere,
beispielsweise aktive, Kühlelemente aufweisen, wobei der erste und/oder der zweite Kühlkörper Wärme, welche vom Lasermaterial übergegangen ist, auf das mindestens eine weitere Kühlelement überträgt oder übertragen. Beispielsweise könnte die Kühleinheit mindestens einen Peltier-Kühler aufweisen, auf den über den ersten oder zweiten Kühlkörper Wärme übertragen wird.
Beim flüssigen Metall handelt es sich vorzugsweise um Gallium oder eine
Galliumlegierung. Es werden dann alle vom flüssigen Metall benetzten Oberflächen der Kühleinheit günstigerweise von Nickel gebildet. Dieses reagiert praktisch nicht mit Gallium.
Die Erfindung ist vor allem bei relativ hohen Verlustleistungen beim Pumpen, welche zu einer entsprechenden Heizleistung des Lasermediums führen, vorteilhaft einsetzbar. Insbesondere beträgt die Verlustleistung mehr als 5 W.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bildet die erfindungsgemäße Anordnung einen optisch gepumpten Festkörperlaser. Beispielsweise
sind hierbei die beiden Endflächen des verstärkenden Lasermaterials verspiegelt, wobei eine der Verspiegelungen zur Auskopplung des Laserstrahls für den
Laserstrahl teildurchlässig ist. Der Resonator des Lasers wird somit nur vom
Lasermaterial und den Verspiegelungen der Endflächen gebildet. In anderen
Ausführungsformen eines Festkörperlasers könnte mindestens ein Spiegel des Resonators räumlich getrennt vom Lasermaterial ausgebildet sein. Der Resonator könnte dann auch weitere optische Elemente aufweisen, beispielsweise auch gefaltet ausgebildet sein. Als weiteres optisches Element könnte beispielsweise ein Güteschalter (Q-Switch), wie eine Pockels-Zelle oder ein anderer elektrooptischer Güteschalter oder auch ein akustooptischer Güteschalter oder ein mechanischer Güteschalter, wie ein rotierender Spiegel, vorgesehen sein.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bildet die
erfindungsgemäße Anordnung einen optisch gepumpten optischen Verstärker.
Der mindestens eine Kanal, in dem sich zumindest in einem an den Hohlraum anschließenden Endabschnitt flüssiges Metall befindet, liegt nicht im optischen Pfad der Anordnung. Es ist also weder Laserstrahlung, welche aus mindestens einer der Endflächen des Lasermaterials aus diesem austritt, noch Pumpstrahlung zum
Pumpen des Lasermaterials durch diesen Kanal oder diese Kanäle geführt.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert. In dieser zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Anordnung, wobei die Kühlrippen des ersten Kühlkörpers der Einfachheit halber nicht dargestellt sind und unsichtbare Linien z.T. strichliert eingezeichnet sind, insbesondere der Kanäle in der Kühleinheit, des Lasermaterials und des Schlitzes in der Kühleinheit, durch den die Pumpstrahlung einfällt;
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie AA von Fig. 1 ;
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie BB von Fig. 1 ;
Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie CC von Fig. 1 ;
Fig. 5 ein vergrößertes Detail X von Fig. 4;
Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie DD von Fig. 1 ;
Fig. 7 eine Explosionsdarstellung von Teilen der Anordnung (ohne das flüssige Metall). In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung dargestellt, die hier in Form eines Festkörperlasers ausgebildet ist. Das verstärkende Lasermaterial 1 wird somit von einem Festkörper gebildet, insbesondere aus kristallinem, polykristallinem oder amorphem Material, welches mit Dotierungen versehen ist. Beispielsweise ist das Basismaterial YAG (Ytrium-Aluminium-Granat), ein VANADAT (z.B. YV04), ein Fluorid (z.B. CaF2 oder YLF), ein Wolframat (z.B.
KYW), YSGG, LuO, Calgo oder ein silikatisches Glas. Die Dotierung wird
beispielsweise von Seltenen Erdionen gebildet, z.B. Nd3+, Yb3+, Tm3+, Ho3+ oder Er3+. Ein Beispiel für ein vorteilhaftes Lasermaterial ist Er:YAG.
Im Ausführungsbeispiel ist das Lasermaterial zylindrisch, insbesondere
kreiszylindrisch ausgebildet. Wie bereits erwähnt, sind auch andere, beispielsweise prismatische Ausbildungen denkbar und möglich. Das Lasermaterial 1 besitzt eine zentrale Längsachse 2, welche erste und zweite, in Richtung der Längsachse 2 beabstandete, stirnseitige Endflächen 3, 4 durchsetzt, aus zumindest einer von der ein Laserstrahl 5 austritt. Die Endflächen 3, 4 stehen also winkelig, beispielsweise wie dargestellt rechtwinkelig, zur Längsachse 2. Die Längsachse bildet eine zumindest annähernde Symmetrieachse des
Lasermaterials 1 , die sich insbesondere in Richtung seiner längsten Ausdehnung erstreckt. Im Ausführungsbeispiel ist das Lasermaterial 1 rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse 2. Die Längsachse 2 liegt parallel zur optischen Achse.
Im in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Endflächen 3, 4 poliert und direkt mit spiegelnden Beschichtungen versehen. Die spiegelnde Beschichtung der ersten Endflächen 3 ist hierbei soweit teildurchlässig, dass ein nutzbarer
Laserstrahl 5 ausgekoppelt wird, der lediglich in Fig. 2 angedeutet ist. Die
spiegelnde Beschichtung der zweiten Endfläche 4 ist hochreflektierend. Ein Resonator des Lasers wird somit durch das verstärkende Lasermaterial 1 zusammen mit den spiegelnden Beschichtungen der Endflächen 3, 4 gebildet.
Wenn die Anordnung gemäß der Erfindung in Form eines optischen Verstärkers ausgebildet wäre, so würde ein Resonator entfallen. Die Endflächen 3, 4 könnten dann antireflexionsbeschichtet oder im Brewster- Winkel angeordnet sein.
Zum Pumpen des Lasermaterials 1 dient eine optische Pumpeinrichtung 17. Die in den Figuren dargestellte Anordnung ist seitengepumpt. Bei einem solchen seitengepumpten Lasermaterial fällt die Pumpstrahlung durch einen Abschnitt einer Mantelfläche 6 des Lasermaterials 1 ein, die winkelig zu den Endflächen 3, 4 steht und die vorzugsweise parallel zur Längsachse 2 liegt. Die Pumpstrahlung fällt hierbei über einen Abschnitt der Längserstreckung des Lasermaterials 1 ein, der
vorzugsweise in einem zentralen Bereich des Lasermaterials 1 bezogen auf dessen Längserstreckung in Richtung der Längsachse 2 liegt und sich über mehr als ein Viertel der Längserstreckung des Lasermaterials 1 (bezogen auf die Richtung der Längsachse 2) erstreckt. Es wird hierbei nur der Abschnitt der Längserstreckung der Mantelfläche 6 berücksichtigt, über welchen die Intensität der einfallenden
Pumpstrahlung mehr als 5% der maximalen Intensität der einfallenden
Pumpstrahlung beträgt.
Das Lasermaterial 1 ist zumindest über einen Teil seiner Längserstreckung in
Richtung der Längsachse 2 in einem Hohlraum 13 einer weiter unten genauer erläuterten Kühleinheit 7 aufgenommen. Der Hohlraum 13 weist eine zentrale
Längsachse auf, die mit der zentralen Längsachse 2 des in den Hohlraum
eingesetzten Lasermaterials 1 zumindest im Wesentlichen zusammenfällt.
Vorzugsweise ist das Lasermaterial 1 über mehr als 90% seiner Längserstreckung (=Erstreckung in Richtung der Längsachse 2) im Hohlraum 13 angeordnet. Die optische Pumpeinrichtung 17 wird von einer in den Figuren schematisch dargestellten Laserdiodenanordnung gebildet. Insbesondere umfasst die
Laserdiodenanordnung mehrere in Richtung der Längsachse 2 beabstandete Laserdioden, z.B. 10 bis 60. In den Figuren sind die in Richtung der Längsachse 2 beabstandeten Laserdioden insgesamt schematisch durch einen Streifen 8
angedeutet. Es kann in herkömmlicher Weise ein Barren vorgesehen sein, der die in Richtung der Längsachse 2 beabstandeten Laserdioden aufweist. Grundsätzlich können auch zwei oder mehr in Richtung der Längsachse 2 und/oder rechtwinkelig hierzu
nebeneinander angeordnete Barren vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines Laserdioden-Stacks.
Die Kühleinheit 7 umfasst einen ersten und einen zweiten Kühlkörper 9, 10, welche einander zugewandte Seitenflächen 1 1 , 12 aufweisen, über welche sie sich
gegeneinander abstützen. Der Hohlraum 13 wird im mit ihren Seitenflächen 1 1 , 12 (insbesondere über den weiter unten beschriebenen Film aus flüssigem Metall) aneinander anliegenden Zustand der Kühlkörper 9, 10 im Bereich der Trennebene ausgebildet. Hierzu ist an der Seitenfläche 1 1 des ersten Kühlkörpers 9 und an der Seitenfläche 12 des zweiten Kühlkörpers 10 jeweils eine, im Ausführungsbeispiel halbschalenförmige, Vertiefung ausgebildet. Im mit ihren Seitenflächen 1 1 , 12 aneinander angelegten Zustand der Kühlkörper 9, 10 wird ein zylindrischer, insbesondere kreiszylindrischer, Hohlraum 13 ausgebildet, der bezogen auf einen
Querschnitt rechtwinkelig zur Längsachse 2 eine Kontur besitzt, die der Außenkontur des Lasermaterials 1 im Schnitt rechtwinkelig zur Längsachse 2 entspricht. Im
Ausführungsbeispiel sind diese Konturen somit kreisförmig. In anderen
Ausführungsformen könnten diese beispielsweise auch quadratisch sein. Auch sich unterscheidende Konturen des Lasermaterials 1 und des Hohlraums 13 sind denkbar und möglich.
In jede Richtung rechtwinkelig zur Längsachse 2 ist der Durchmesser des Hohlraums 13 etwas größer als der Durchmesser des in den Hohlraum eingesetzten
Lasermaterials 1 in diese Richtung, vorzugsweise um 10 μηη bis 60 μιτι, besonders bevorzugt um 20 μιτη bis 50 μιη. Bei einer zentrierten Anordnung des Lasermaterials 1 im Hohlraum 13 ergibt sich somit zwischen dem Lasermaterial 1 und der den Hohlraum 13 begrenzenden Wand ein Spalt, dessen Breite vorzugsweise im Bereich von 5 μιη bis 30 μιτι, besonders bevorzugt im Bereich von 10 μιτι bis 25 μηη liegt. Die Breite des Spaltes ist hierbei der rechtwinkelig zur Wand, also im
Ausführungsbeispiel rechtwinkelig zur Längsachse 2 gemessene Abstand zwischen dem Lasermaterial und der Wand.
Falls sich die Breite des Spalts über den Umfang des Lasermaterials 1 ändert, liegt die kleinste Breite des Spalts vorzugsweise im zuvor angegebenen Bereich von 5 m bis 30 μιτι, besonders bevorzugt im Bereich von 10μηη bis 25μΓη.
In die an der Seitenfläche 1 1 des ersten Kühlkörpers 9 anliegende Seitenfläche 12 des zweiten Kühlkörpers 10 sind im Weiteren rinnenförmige Vertiefungen
eingebracht, welche vom Hohlraum 13 wegführende Kanäle 14 bilden. Solche vom Hohlraum 13 wegführende Kanäle 14 sind auf beiden bezüglich der Längsachse 2 gegenüberliegenden Seiten der Vertiefung in der zweiten Seitenfläche 12
angeordnet, welche den im zweiten Kühlkörper 10 liegenden Abschnitt des
Hohlraums 13 bildet.
Stattdessen oder zusätzlich könnten solche Kanäle 14 bildende Vertiefungen auch an der Seitenfläche 1 1 des ersten Kühlkörpers 9 angeordnet sein.
Die Kanäle liegen somit im Bereich der Trennebene zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkörper 9, 10. Die Kanäle führen in der gezeigten Ausführungsform rechtwinkelig zur Längsachse 2 verlaufend vom Hohlraum 13 weg, wie dies bevorzugt ist. Andere winkelige (also nicht parallele) Ausrichtungen zur Längsachse 2, vorzugsweise im Bereich zwischen 45° bis 90°, sind aber denkbar und möglich. Durch die Kanäle 14 tritt im Betrieb der Anordnung weder die vom Lasermaterial 1 emittierte und aus mindestens einer der Endflächen 3,4 des Lasermaterials 1 austretende Strahlung noch die zum Pumpen des Lasermaterials 1 auf das Lasermaterial 1 geführte Pumpstrahlung durch.
An ihren vom Hohlraum 13 abgelegenen Enden sind die Kanäle 14 auf beiden Seiten des Hohlraums 13 jeweils durch einen Verbindungskanal 15 miteinander verbunden. Die Verbindungskanäle 15 führen im Ausführungsbeispiel beidseitig des Bereiches der Längsachse 2, in welchem die Kanäle 14 liegen, bogenförmig in Richtung zum Hohlraum 13 und münden in diesen, wobei sie im Bereich des
Hohlraums 13, in welchem die zweite Endfläche 4 des Lasermaterials 1 liegt, bis zum die Anordnung umgebenden Außenraum weitergeführt sind, also in den
Außenraum münden. Somit kommunizieren die vom Hohlraum 13 abgelegenen Enden der Kanäle 14 mit dem die Anordnung umgebenden Außenraum.
In einem bezogen auf die Erstreckung des Lasermaterials in Richtung der
Längsachse 2 mittleren Bereich des verstärkenden Lasermaterials ist der zweite
Kühlkörper 10 mit einem Schlitz 15 versehen, der in den Hohlraum 13 mündet. Der Schlitz 16 weist eine parallel zur Längsachse 2 liegende Längserstreckung auf, d.h. eine Ebene, die von den beiden, den Schlitz 15 begrenzenden Wänden die gleichen Normalabstände hat (=die Mittelebene des Schlitzes) liegt parallel zur Längsachse 2, wobei die Längsachse 2 vorzugsweise in der Mittelebene des Schlitzes liegt.
Durch den Schlitz 16 fällt von der Pumpeinrichtung 17 emittierte Pumpstrahlung auf einen Abschnitt der Mantelfläche 6 des Lasermaterials 1 . Der Schlitz 16 geht hierzu von einem Aufnahmeraum 18 aus, der zumindest einen Teil der Pumpeinrichtung 17 aufnimmt und von einer Vertiefung in der der Seitenfläche 12 gegenüberliegenden Seitenfläche des zweiten Kühlkörpers 10 gebildet wird. Der Aufnahmeraum 18 ist im Ausführungsbeispiel von einem dritten Kühlkörper 19 verschlossen.
Auf der dem Schlitz 16 gegenüberliegenden Seite des Lasermaterials 1 ist in den ersten Kühlkörper 9 eine schlitzförmige Ausnehmung 20 eingebracht. In diese tritt das Lasermaterial 1 durchsetzende Pumpstrahlung ein. Die Oberflächen der schlitzförmigen Ausnehmung 20 sind (gerichtet oder diffus) reflektierend ausgebildet, eventuell durch entsprechende Beschichtungen. Es wird dadurch ein Reflektor ausgebildet, von dem Pumpstrahlung, welche von der Pumpeinrichtung 17 kommend das Lasermaterial 1 durchsetzt hat und aus diesem ausgetreten ist, wieder in das Lasermaterial 1 zurückreflektiert, um die Effizienz des Pumpens zu erhöhen. Vorzugsweise beträgt der Reflektionsgrad dieses Reflektors mehr als 90%.
Um die vom Lasermaterial 1 auf die Kühleinheit 7 übertragene Wärme abzuführen, sind in den Figuren schematisch Kühlrippen am ersten und dritten Kühlkörper 9, 19 eingezeichnet. Stattdessen oder zusätzlich könnten auch andere Kühlelemente eingesetzt werden. So könnten beispielsweise an den Stellen, an denen in den
Figuren die Kühlrippen dargestellt sind, Peltier-Elemente angeordnet werden. Der dritte Kühlkörper 19 könnte auch insgesamt von einem Peltier-Element gebildet werden. Stattdessen oder zusätzlich könnten beispielsweise auch Wasserkühlungen vorgesehen sein, die an den Kühlkörper 9 und an den Kühlkörper 10 oder 19 angesetzt werden. Die Kühlkörper 9 und/oder 10 und/oder 19 könnten auch direkt mit Wasserkühlungen ausgestattet sein. Der dritte Kühlkörper 19 könnte auch entfallen.
Zur Wärmeübertragung zwischen dem Lasermaterial 1 und dem ersten und zweiten Kühlkörper 9, 10 dient ein flüssiges Metall 21 . Der Bereich, über den zwischen dem Lasermaterial 1 und der Wand des Hohlraums 13 ein Spalt ausgebildet wird (mit einer Spaltbreite von vorzugsweise weniger als 30 μητι), ist günstigerweise mit dem flüssigen Metall 21 zumindest im Wesentlichen vollständig gefüllt. Uber die
Erstreckung des Spaltes, also im Ausführungsbeispiel abgesehen von den
Bereichen, in denen der Schlitz 16 und die schlitzförmige Ausnehmung 20 vom Hohlraum 13 ausgehen, ist das Volumen des Spaltes vorzugsweise zumindest zu mehr als 90% vom flüssigen Metall 21 ausgefüllt.
Das flüssige Metall 21 bewirkt auch eine Zentrierung des Lasermaterials 1 im
Hohlraum 13 (sodass die zentrale Längsachse 2 des Lasermaterials 1 und die zentrale Längsachse des Hohlraums 13 zumindest im Wesentlichen zusammenfallen). Über die Erstreckung von an den Hohlraum 13 anschließenden Endabschnitten der Kanäle 14 befindet sich ebenfalls flüssiges Metall 21 , wobei günstigerweise
zumindest im Wesentlichen vollständig mit dem flüssigen Metall 21 befüllte
Endabschnitte 22 vorhanden sind. Vorzugsweise ist über die Endabschnitte 22 zumindest mehr als 90% des Öffnungsquerschnitts der Kanäle 14 vom flüssigen Metall 21 ausgefüllt.
An die mit dem flüssigen Metall 21 befüllten Endabschnitte 22 schließen auf der vom Hohlraum 13 abgewandten Seite Abschnitte 23 der Kanäle 14 an, die zumindest teilweise frei vom flüssigen Metall 21 sind, wobei vorzugsweise mindestens 50% ihres Öffnungsquerschnitts nicht vom flüssigen Metall 21 ausgefüllt ist. Insbesondere befindet sich in den Abschnitten 23 überhaupt kein flüssiges Metall 21 .
Es sind eine Mehrzahl solcher, in ihren Endabschnitten 22 flüssiges Metall 21 aufweisende Kanäle 14 vorhanden, die in Richtung der Längsachse 22 beabstandet vom Hohlraum 13 ausgehen, vorzugsweise in regelmäßigen Abständen. Der Bereich, über welchen solche in ihren Endabschnitten mit flüssigem Metall 21 befüllte
Endabschnitte 22 vorhanden sind, erstreckt sich vorzugsweise zumindest über den Bereich der Erstreckung der Längsachse 2, über welchen auf das Lasermaterial 1 Pumpstrahlung mit einer Intensität auftrifft, die mindestens 10% der maximalen
Intensität beträgt. Zumindest über diesen Bereich ist auch der Spalt zwischen dem Lasermaterial 1 und dem ersten und zweiten Kühlkörper 9, 10 mit dem flüssigen Metall 21 befüllt. Bezogen auf die Richtung der Längsachse 2 beidseitig dieses Bereiches kann der Spalt zwischen dem Lasermaterial 1 und der Kühleinheit 7 frei von flüssigem Metall 21 sein und/oder es können Kanäle vom Hohlraum 13
ausgehen, die keine Endabschnitte aufweisen, in denen sich flüssiges Metall 21 befindet. Im Ausführungsbeispiel sind dies die an den Hohlraum 13 anschließenden Abschnitte der Verbindungskanäle 15. Die rechtwinkelig zur Längsachse 2 des Lasermaterials 1 und rechtwinkelig zur
Längserstreckung des jeweiligen Kanals 14 gemessene Tiefe t des jeweiligen Kanals 14 beträgt vorzugsweise weniger als ein Fünftel des Durchmessers des Hohlraums 13 in diese Richtung.
Die rechtwinkelig zur Mittelebene des Schlitzes 16 gemessene Breite B des Schlitzes 16 beträgt vorzugsweise mehr als 30% des in diese Richtung gemessenen
Durchmessers des Hohlraums 13. Das gleiche gilt vorzugsweise für die Breite der schlitzförmigen Ausnehmung 20.
Die Tiefe t der Kanäle 14 im Bereich der Endabschnitte 22 und vorzugsweise auch im Bereich von daran anschließenden Abschnitten liegt beispielsweise im Bereich von 50 μιη bis 300 μιτη, vorzugsweise im Bereich von 100 μητι bis 200 μιτι. Die Breite b der Kanäle 14 im Bereich der Endabschnitte 22 und vorzugsweise auch im Bereich von daran anschließenden Abschnitten liegt beispielsweise im Bereich von 150 μηη bis 1 mm.
Die Längen der Endabschnitte 22 der Kanäle sind vorzugsweise größer als die Breiten b der Kanäle 14 im Bereich der Endabschnitte 22.
Als flüssiges Metall kann Gallium oder, besonders bevorzugt, eine Galliumlegierung eingesetzt werden. Es sind Galliumlegierungen bekannt, welche vorteilhafterweise bis unter 0° C flüssig bleiben. Eine besonders vorteilhaft einsetzbare
Galliumlegierung wird von einer eutektischen Legierung aus Gallium, Indium und gegebenenfalls Zinn gebildet. Insbesondere kann Gallium mit 65 bis 95 Vol%, Indium mit 5 bis 22 Vol% und Zinn mit 0 bis 1 1 Vol% enthalten sein. Einen besonders niedrigen Schmelzpunkt weist dabei die Legierung aus 68 bis 69 Vol% Gallium, 21 bis 22 Vol% Indium und 9, 5 bis 10, 5 Vol% Zinn auf. Eine solche Legierung ist unter der Bezeichnung Galinstan kommerziell erhältlich (von Geratherm).
Insbesondere ist das flüssige Metall 21 jedenfalls bei einer Temperatur von
zumindest 70° Celsius, vorzugsweise zumindest 50° Celsius, besonders bevorzugt zumindest 40° Celsius und ganz besonders bevorzugt zumindest 20° Celsius flüssig. Die ersten und zweiten Kühlkörper 9, 10 bestehen günstigerweise zumindest im Wesentlichen aus Metall, vorzugsweise, zumindest in Bereichen, die an die
Seitenflächen 1 1 , 12 angrenzen, abgesehen von einer außen angebrachten
Beschichtung, zumindest im Wesentlichen (= zu mehr als 90%) aus Kupfer. In den Bereichen, in denen das, insbesondere von einer Galliumlegierung, gebildete flüssige Metall 21 mit den Kühlkörpern 9, 10 in Berührung kommt, werden die
Oberflächen der Kühlkörper 9, 10 vorzugsweise von einer Nickelbeschichtung gebildet. Im Gegensatz zu den meisten anderen Metallen ist dieses gegenüber Gallium unlöslich. In anderen Bereichen kann eine zusätzliche, außen liegende Goldbeschichtung vorhanden sein.
Bei der Herstellung der Anordnung wird die Seitenfläche 12 des zweiten Kühlkörpers 10 in einem Bereich mit flüssigem Metall 21 benetzt, innerhalb von dem der Schlitz 16 liegt. Der benetzte Bereich erstreckt sich hierbei bezogen auf die Richtung der Längsachse 2 günstigerweise über mindestens 10% über die Erstreckung des
Schlitzes 16 in Richtung der Längsachse 2 hinaus. Bezogen auf die Richtung rechtwinkelig zur Längsachse 2 wird die Seitenfläche 12 im Bereich ihrer, einen Abschnitt des Hohlraums 13 bildenden Vertiefung sowie über daran beidseitig anschließende Bereiche benetzt, deren Ausdehnungen mindestens der Ausdehnung der Vertiefung entsprechen. Um eine entsprechende Oberflächenbenetzung zu bewirken, wird das flüssige Metall 21 günstigerweise unter Ausübung einer reibenden Bewegung aufgebracht.
Ein zu diesem Bereich im verbundenen Zustand der beiden Kühlkörper 9, 10 korrespondierender Bereich der Seitenfläche 1 1 des ersten Kühlkörpers 9 wird ebenfalls mit flüssigem Metall 21 benetzt. In der Folge wird das Lasermaterial 1 in die Vertiefung in einem der beiden Kühlkörper 9, 10 eingelegt und der andere Kühlkörper 9, 10 aufgesetzt. Hierbei wird auch im Bereich des Hohlraums 13 vorhandenes überschüssiges flüssiges Metall in die Kanäle 14 gedrückt. Da der Strömungswiderstand durch den Spalt zwischen dem Lasermaterial 1 und der Wand des Hohlraums 13 wesentlich größer als derjenige durch die Kanäle 14 ist, wird kein oder kaum flüssiges Metall 21 in den Bereich des Schlitzes 16 und in den Bereich der schlitzförmigen Ausnehmung 20 gedrückt. Die im Bereich des Schlitzes 16 und der schlitzförmigen Ausnehmung 20 liegende Mantelfläche des Lasermaterials 1 bleibt somit zumindest im Wesentlichen frei von flüssigem Metall 21. Auch wird die Gefahr eines Austritts von flüssigem Metall auf die Laserdioden der Pumpeinrichtung 17 wesentlich verringert.
Im Bereich, in welchem die Seitenfläche 1 1 des ersten Kühlkörpers 9 und/oder die Seitenfläche 12 des zweiten Kühlkörpers 10 vor dem Zusammensetzen der beiden Kühlkörper 9, 10 mit dem flüssigen Metall 21 benetzt worden ist/sind, verbleibt auch im zusammengesetzten Zustand der beiden Kühlkörper 9, 10 ein dünner Film aus flüssigem Metall 21 , dessen Dicke vorzugsweise weniger als 20 pm, besonders bevorzugt weniger als 10 pm beträgt. Die Seitenflächen 1 , 12 der beiden
Kühlkörper 9, 10 liegen über diesen Film aus flüssigem Metall 21 aneinander an. In übrigen Bereichen der Seitenflächenl 1 , 12 kann zwischen den Seitenflächenl 1 , 12 auch ein Spalt verbleiben. Die Spaltbreite beträgt, abgesehen von Bereichen, in denen Vertiefungen ausgebildet sind, vorzugsweise weniger als 20 pm.
Die Endflächen 3, 4 sind in den Figuren eben dargestellt. Sie könnten auch, je nach gewünschter Reflektion der Laserstrahlung, eine gekrümmte, beispielsweise konkave oder konvexe Oberfläche aufweisen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann auch zumindest eine der spiegelnden BeSchichtungen der Endflächen 3 und/oder 4 entfallen und mindestens ein
separater Spiegel vorgesehen sein, um einen Resonator auszubilden. Es könnten dann im Resonator auch weitere optische Elemente angeordnet sein.
Im Ausführungsbeispiel stehen die Endflächen 3, 4 rechtwinkelig zur Längsachse 2. Beispielsweise in Ausführungsbeispielen, in denen zumindest ein separater Spiegel zur Ausbildung eines Resonators eingesetzt wird, könnten die Endflächen 3, 4 auch winkelig zur Längsachse 2 stehen, insbesondere im Brewster- Winkel. Im Ausführungsbeispiel verläuft die Laserstrahlung geradlinig durch das Lasermaterial 1 , also in Richtung der Längsachse 2. Prinzipiell könnte die Erfindung beispielsweise auch bei einem Zick-Zack-förmigen Verlauf des Laserstrahls durch das Lasermaterial eingesetzt werden, also insbesondere einem„Zig-Zag-Slab-Laser".
Obwohl ein Seitenpumpen des Lasermaterials 1 wie beschrieben bevorzugt ist, könnte das Lasermaterial 1 auch long'itudinal gepumpt sein. Dabei kann die
Pumpstrahlung durch eine oder beide der Endflächen 3, 4 eingebracht werden. Obwohl eine mindestens eine Laserdiode aufweisende Pumpeinrichtung bevorzugt ist, ist die Erfindung grundsätzlich auch bei einem in anderer Weise gepumpten Laser oder optischen Vertärker einsetzbar, insbesondere durch eine Blitzlampe.
Im Ausführungsbeispiel kann der Laserstrahl 5 mittels der Pumpeinrichtung 17 gepulst ausgebildet sein. Es kann sich also um einen„Gain-Switched" Laser handeln. Beispielsweise können die Pulslängen im Bereich von 10 sec bis 250 εεο liegen. Auch ein CW-Betrieb oder ein in anderer Weise gepulster Betrieb (mit kürzeren oder längeren Pulsdauern) ist denkbar und möglich. Der Leistungsbereich des Lasers kann beispielsweise im Bereich von 1 bis 5 Watt Durchschnittsleistung liegen. Ein optischer Verstärker könnte im gleichen
Leistungsbereich liegen. Auch höhere oder geringere Durchschnittsleistungen des Lasers oder optischen Verstärkers können vorgesehen sein. Die Figuren sind teilweise vereinfacht und schematisiert. So sind beispielsweise
Verbindungsschrauben zwischen den Kühlkörpern 9, 10, 19 nicht dargestellt, ebenso wie elektronische Komponenten, beispielsweise zum Betreiben der
Pumpeinrichtung. Der erste und/oder zweite Kühlkörper 9, 10 könnte auch mehrteilig ausgebildet sein. L e g e n d e
zu den Hinweisziffern:
1 verstärkendes Lasermaterial
2 Längsachse
3 erste Endfläche
4 zweite Endfläche
5 Laserstrahl
6 Mantelfläche
7 Kühleinheit
8 Streifen
9 erster Kühlkörper
10 zweiter Kühlkörper
1 1 Seitenfläche
12 Seitenfläche
13 Hohlraum
14 Kanal
15 Verbindungskanal
16 Schlitz
17 Pumpeinrichtung
18 Aufnahmeraum
19 dritter Kühlkörper
20 schlitzförmige Ausnehmung
21 flüssiges Metall
22 Endabschnitt
23 Abschnitt

Claims

Patentansprüche
Anordnung mit einem verstärkenden Lasermaterial (1 ) und einer Kühleinheit (7), die einen Hohlraum (13) zur Aufnahme zumindest eines Teils des Lasermaterials (1 ) besitzt, wobei sich in einem Spalt zwischen dem Lasermaterial (1) und der Kühleinheit (7) ein zumindest im Betrieb der Anordnung flüssiges Metall (21 ) zur Wärmeübertragung von Wärme vom Lasermaterial (1 ) auf die Kühleinheit (7) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kanal(14) vom das Lasermaterial (1) aufnehmenden Hohlraum (13) wegführt, in dem sich
zumindest in einem an den Hohlraum (13) anschließenden Endabschnitt (22) ein zumindest im Betrieb der Anordnung flüssiges Metall (21) befindet.
Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (22) des Kanals (14) zumindest im Wesentlichen vollständig mit zumindest im Betrieb flüssigem Metall (21 ) gefüllt ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Endabschnitt (22) ein Abschnitt (23) des Kanals (14) anschließt, der zumindest teilweise frei von zumindest im Betrieb flüssigem Metall (21 ) ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung des Endabschnitts (22) des Kanals (14) in alle Richtungen rechtwinkelig zu seiner Längserstreckung mehr als doppelt so groß wie die kleinste Breite des Spaltes zwischen dem Lasermaterial (1) und der Kühleinheit (7) ist, in welchem sich das zumindest im Betrieb flüssige Metall (21) befindet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (14) an seinem vom Lasermaterial (1 ) abgelegenen Ende mit einem die Kühleinheit (7) umgebenden Außenraum kommuniziert. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die rechtwinkelig zu einer Längsachse (2) des Lasermaterials und rechtwinkelig zur Längserstreckung des Kanals (14) gemessene Tiefe (t) des Kanals (14) weniger als ein Fünftel des Durchmessers des Hohlraums (13) in diese Richtung beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in Richtung einer Längsachse (2) des Lasermaterials beabstandet und winkelig zur Längsachse (2) in den Hohlraum (13) mündende Kanäle (14) vorhanden sind, in denen sich zumindest in Endabschnitten (22) zumindest im Betrieb flüssiges Metall (21) befindet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine von einer Pumpeinrichtung (17) emittierte Pumpstrahlung durch einen in den Hohlraum (13) mündenden Schlitz auf einen ersten Abschnitt der
Mantelfläche (6) des Lasermaterials (1 ) auftrifft.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den Teil der durch den Schlitz (16) auf die Mantelfläche (6) des Lasermaterials (1)
auftreffenden Pumpstrahlung, welcher auf der gegenüberliegenden Seite des Lasermaterials (1) aus diesem wieder austritt, ein Reflektor zum zumindest teilweisen Zurückreflektieren der Laserstrahlung auf einen dem ersten
Abschnitt der Mantelfläche (6) gegenüberliegenden zweiten Abschnitt der Mantelfläche (6) vorhanden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinheit (7) einen ersten Kühlkörper (9) und einen zweiten Kühlkörper (10) umfasst, die sich an zueinander gerichteten Seitenflächen (1 1 , 12) gegeneinander abstützen, wobei der Hohlraum (13) von einer Vertiefung in einer dieser beiden Seitenflächen (1 1 , 12) oder von Vertiefungen in beiden dieser Seitenflächen (1 1 , 12) gebildet wird.
1 1 . Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (14) von Vertiefungen in zumindest einer dieser Seitenflächen (1 1 , 12) gebildet werden.
12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Schlitz (16) durch den Pumpstrahlung auf den ersten Abschnitt der
Mantelfläche (6) des Lasermaterials (1 ) einfällt, von einem Aufnahmeraum (18) im ersten Kühlkörper (9) ausgeht, wobei zumindest ein die Pumpstrahlung emittierender Teil der Pumpeinrichtung (17) im Aufnahmeraum (18) angeordnet ist.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest im Betrieb flüssige Metall bereits bei einer Temperatur von 25°C flüssig ist.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass alle vom zumindest im Betrieb flüssigen Metall (21 ) benetzten Oberflächen der Kühleinheit (7) von Nickel gebildet werden.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen Laser oder einen optischen Verstärker oder einen Teil eines Lasers oder eines optischen Verstärkers bildet.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11349274B2 (en) * 2018-10-16 2022-05-31 Lumentum Operations Llc Amplifier assembly

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3399359A (en) * 1965-03-01 1968-08-27 Hughes Aircraft Co Solid-state laser
US5774488A (en) * 1994-06-30 1998-06-30 Lightwave Electronics Corporation Solid-state laser with trapped pump light
US20020110166A1 (en) * 2001-02-14 2002-08-15 Filgas David M. Method and system for cooling a laser gain medium
US20070238219A1 (en) * 2006-03-29 2007-10-11 Glen Bennett Low stress optics mount using thermally conductive liquid metal or gel

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3399359A (en) * 1965-03-01 1968-08-27 Hughes Aircraft Co Solid-state laser
US5774488A (en) * 1994-06-30 1998-06-30 Lightwave Electronics Corporation Solid-state laser with trapped pump light
US20020110166A1 (en) * 2001-02-14 2002-08-15 Filgas David M. Method and system for cooling a laser gain medium
US20070238219A1 (en) * 2006-03-29 2007-10-11 Glen Bennett Low stress optics mount using thermally conductive liquid metal or gel

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11349274B2 (en) * 2018-10-16 2022-05-31 Lumentum Operations Llc Amplifier assembly
US20220278496A1 (en) * 2018-10-16 2022-09-01 Lumentum Operations Llc Amplifier assembly
US11894651B2 (en) 2018-10-16 2024-02-06 Lumentum Operations Llc Amplifier assembly

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