DE10354356B4 - Method for producing a corrosion protection of a laser arrangement - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Korrosionsschutzes der Oberflächen von Komponenten einer Laseranordnung, die zur Wärmeabfuhr in unmittelbarem Kontakt mit einem in einem Kühlkreislauf geführten, flüssigen Kühlmedium stehen, durch Hindurchführen eines flüssigen Mediums durch den Kühlkreislauf, wobei das flüssige Medium aus reinem und entionisiertem Wasser, einer nichtwässrigen Flüssigkeit oder Mischungen daraus besteht und wobei in dem flüssigen Medium wenigstens eine Substanz aus den chemischen Stoffklassen Silane, Fluorsilane, Alkylthiole, difunktionelle organische Disulfide, Ethylendiamine, Phthalocyanine, Stickstoffheterocyclen oder 6-Mercapto-1-hexanol oder Dimethylamin als eine einen Korrosionsschutz erteilende Substanz gelöst ist.method for the production of a corrosion protection of the surfaces of Components of a laser arrangement, the heat dissipation in direct contact with one in a cooling circuit guided liquid cooling medium standing by passing through a liquid Medium through the cooling circuit, the liquid medium made of pure and deionized water, a non-aqueous one liquid or mixtures thereof and wherein in the liquid medium at least one substance from the chemical classes silanes, Fluorosilanes, alkylthiols, difunctional organic disulphides, ethylenediamines, Phthalocyanines, nitrogen heterocycles or 6-mercapto-1-hexanol or dimethylamine is dissolved as a corrosion-protective substance.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Korrosionsschutzes der Komponenten einer Laseranordnung, deren optische bzw. elektrische Komponenten, in unmittelbarem Kontakt mit einem Kühlmedium stehen.The The invention relates to a method for producing a corrosion protection the components of a laser array whose optical or electrical Components, in direct contact with a cooling medium stand.

Zur Kühlung von Halbleiter-Laserdioden sind Mikrokanal-Kühler beispielsweise aus der DE 199 56 565 A1 bekannt. Zur Wärmeabfuhr werden diese von einem Kühlmedium durchströmt. Häufig werden Baugruppen aus mehreren Mikrokanal-Kühlern sowie Halbleiter-Laserdioden als Pumplichtquellen in Festkörperlasern eingesetzt. In diesen sind neben den Laserdioden auch das aktive Medium und weitere optische Komponenten zu kühlen. Als Kühlmedium wird nahezu ausschließlich möglichst reines, deionisiertes Wasser verwendet. Auf Grund der hohen Stromdichten sind Spannungsabfälle zwischen den verschiedenen Komponenten eines Lasersystems unvermeidbar. Durch diese Spannungen sowie thermische und chemische Prozesse wird das Kühlmedium zumindest in geringem Maße ionisiert. Die freien Ionen bewirken nun eine Korrosion aller Komponenten, welche mit dem Kühlmedium in Kontakt kommen. Besonders kritisch ist dies bei optischen Komponenten wie Spiegeln, da hier bereits eine geringfügige Korrosion zu einer wesentlichen Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften führt. Auch bei Mikrokanal- Kühlern, bei denen die einzelnen Elemente Abmessungen in einer Größenordnung von nur einigen Mikrometern bis Millimetern aufweisen, kann eine auch nur geringfügige Korrosion bereits zu einer wesentlichen Änderung der Materialstärken führen. Versuche haben gezeigt, dass dünne Metallstege zur Führung des Kühlmediums bereits nach 1000 Betriebsstunden durch Korrosion weitgehend zerstört waren.For cooling of semiconductor laser diodes are micro-channel cooler, for example, from DE 199 56 565 A1 known. For heat dissipation they are flowed through by a cooling medium. Frequently assemblies of several micro-channel coolers and semiconductor laser diodes are used as pump light sources in solid-state lasers. In addition to the laser diodes, they also have to cool the active medium and other optical components. As a cooling medium almost exclusively pure, deionized water is used. Due to the high current densities, voltage drops between the various components of a laser system are unavoidable. Due to these stresses as well as thermal and chemical processes, the cooling medium is at least slightly ionized. The free ions now cause corrosion of all components which come into contact with the cooling medium. This is particularly critical for optical components such as mirrors, since even a slight corrosion here leads to a significant impairment of the optical properties. Even with micro-channel coolers, in which the individual elements have dimensions of the order of magnitude of only a few micrometers to millimeters, even a slight corrosion can already lead to a substantial change in the material thicknesses. Experiments have shown that thin metal webs for guiding the cooling medium were already largely destroyed by corrosion after 1000 operating hours.

Zur Verringerung der Korrosion wird in der US 6,387,286 B1 die Verwendung gleicher Metalle vorgeschlagen. Eine vollständige Unterdrückung jeglicher Ionisation des Kühlmediums ist damit aber bereits wegen der zuvor erwähnten Spannungsabfälle im System nicht möglich. Eine weitere Verbesserung bringt hier eine Oberflächenbeschichtung aus korrosionsbeständigen Metallen, wie in der US 5,764,675 offenbart. In der US 4,899,347 ist weiterhin eine Beschichtung des aktiven Mediums durch eine diamantähnliche Kohleschicht offenbart, welche neben einem Korrosionsschutz auch eine Unterdrückung parasitärer Resonanzen bietet.To reduce corrosion in the US 6,387,286 B1 proposed the use of the same metals. A complete suppression of any ionization of the cooling medium is thus not possible because of the aforementioned voltage drops in the system. Another improvement here is a surface coating of corrosion resistant metals, as in the US 5,764,675 disclosed. In the US 4,899,347 Furthermore, a coating of the active medium by a diamond-like carbon layer is disclosed, which also offers a suppression of parasitic resonances in addition to a corrosion protection.

Entsprechend dem Stand der Technik müssen unterschiedliche Komponenten eines Lasersystems auf unterschiedliche Art und Weise vor Korrosion geschützt werden. Dies erfordert eine Vielzahl von auf die jeweiligen Komponenten abgestimmten unterschiedlichen kostenintensiven Bearbeitungsschritten.Corresponding the state of the art different components of a laser system to different Way to be protected from corrosion. This requires a variety of different matched to the respective components costly processing steps.

Die DD 260 375 A1 beschreibt ein Verfahren zur Kühlung von Lasern, insbesondere Festkörperlasern, mit Hilfe einer Kühlflüssigkeit, der spezielle im Arbeitstemperaturbereich nicht auskristallisierende UV-Filtersubstanzen zugesetzt sind, und die alle wärmeerzeugenden Elemente in einem geschlossenen Kühlkreislauf umströmt, wobei die Kühlflüssigkeit eine Mischung aus Normal-Paraffinkohlenwasserstoff mit einem aliphatischen Zusatz wie ein Alkohol oder ein Ester ist.The DD 260 375 A1 describes a method for cooling lasers, in particular solid-state lasers, with the aid of a cooling fluid to which special non-crystallizing working temperature range UV filter substances are added, and flows around all the heat-generating elements in a closed cooling circuit, wherein the cooling liquid is a mixture of normal paraffinic hydrocarbon with a aliphatic additive such as an alcohol or an ester.

Die DD 265 971 A1 beschreibt ein Verfahren zur UV-Filterung des Pumplichtes bei Festkörperlasern, bei dem eine UV-Filtersubstanz dem als Kühlmittel verwendeten Wasser beigegeben wird, wobei als UV-Filtersubstanz Dinatrium-4,4'-bis-[4-(methoxy)-6-morpholino-1,3,5-triazin-2-yl]-aminostilben-2,2'-disulfonat und/oder Hexanatrium-4'4-bis-[4-(2,5-disulfoanilino)-6-morpholino-1,3,5-triazin-2yl]-amino-stilben-2,2'-disulfonat verwendet werden.The DD 265 971 A1 describes a method for UV filtering of the pump light in solid-state lasers, in which a UV filter substance is added to the water used as coolant, being used as UV filter substance disodium 4,4'-bis- [4- (methoxy) -6-morpholino -1,3,5-triazin-2-yl] -aminostilbene-2,2'-disulfonate and / or hexasodium 4'4-bis- [4- (2,5-disulfoanilino) -6-morpholino-1, 3,5-triazin-2yl] -amino-stilbene-2,2'-disulfonate.

Die DD 301 029 A7 beschreibt ein Verfahren zur Kühlung und zur Absorption von UV-Strahlung bei Festkörperlasern mittels einer Kühl- und Absorptionsflüssigkeit, bestehend aus einer organischen Kühlflüssigkeit und einem UV-absorbierenden Stoff, wobei als Kühl- und Absorptionsflüssigkeit ein Gemisch aus Alkanen und/oder Alkoholen und/oder organischen Estern und 2-Hydroxy-4-alkoxy-benzophenonen vorgesehen ist.The DD 301 029 A7 describes a method for cooling and absorption of UV radiation in solid-state lasers by means of a cooling and absorption liquid consisting of an organic cooling liquid and a UV-absorbing substance, wherein as the cooling and absorption liquid, a mixture of alkanes and / or alcohols and / or organic esters and 2-hydroxy-4-alkoxy-benzophenones is provided.

Die RU 2 031 499 C1 beschreibt die Verwendung von Dimethyl-di-(isoamiloxi)silan in einem Laser als Wärmeübertragungsmittel geringer Toxizität und korrodierender Wirkung zur Verbesserung der Zuverlässigkeit im Betrieb. Im Vergleich mit einer 6%igen Lösung von Natriumnitrat in Wasser oder einer Mischung aus Ethylenglykol und Wasser als übliche Kühlmittel ergibt die Verwendung der genannten Substanz eine geringere Korrosion.The RU 2 031 499 C1 describes the use of dimethyl-di (isoamiloxi) silane in a laser as a low toxicity heat transfer medium and corrosive effect for improving reliability in operation. In comparison with a 6% solution of sodium nitrate in water or a mixture of ethylene glycol and water as conventional coolants, the use of said substance results in less corrosion.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Laseranordnung einen einheitlichen, wenig aufwändigen Korrosionsschutz derjenigen Komponenten vorzusehen, die mit einem Kühlmedium in Kontakt stehen.Of the Invention is based on the object for a laser arrangement uniform, low-cost corrosion protection to provide those components with a cooling medium stay in contact.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The inventive solution this Task is specified in claim 1. Further developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die optischen oder elektrischen Komponenten und die Kühlkanäle, die in unmittelbaren Kontakt mit einem Kühlmedium stehen, einer Behandlung zum Schutz vor Korrosion unterzogen, bei dem die Oberflächen mit einem flüssigen Medium in Kontakt gebracht werden, in welchem wenigstens eine Substanz aus den folgenden chemischen Stoffklassen gelöst ist: Silane, Fluorsilane, Alkylthiole, difunktionelle organische Disulfide, Ethylendiamine, Phthalocyanine, Stickstoffheterocyclen. Als Substanz wird 6-Mercapto-1-hexanol oder Dimethylamin bevorzugt. Hierzu wird das flüssige Medium mit der enthaltenen Substanz durch den Kühlkreislauf geführt. Die behandelten Oberflächen werden passiviert und weisen eine nur geringe elektrische Oberflächenleitfähigkeit und optische Absorption auf.In the method according to the invention, the optical or electrical components and the cooling channels, which are in direct contact with a cooling medium, subjected to a treatment for protection against corrosion, in which the surfaces are brought into contact with a liquid medium in which at least one sub Silane, fluorosilanes, alkylthiols, difunctional organic disulphides, ethylenediamines, phthalocyanines, nitrogen heterocycles. As the substance, 6-mercapto-1-hexanol or dimethylamine is preferable. For this purpose, the liquid medium with the substance contained is passed through the cooling circuit. The treated surfaces are passivated and have low electrical surface conductivity and optical absorption.

Das flüssige Medium selbst besteht vorzugsweise aus reinem und entionisiertem Wasser, kann aber auch aus einer nichtwässrigen Flüssigkeit oder Mischungen daraus bestehen. Zum Beispiel kann dem Wasser Ethanol zugesetzt sein.The liquid Medium itself is preferably pure and deionized Water, but also from a non-aqueous liquid or mixtures thereof consist. For example, ethanol may be added to the water.

Besonders vorteilhaft und zweckmäßig ist es, während des Betriebs der Laseranordnung das flüssige Medium mit der darin enthaltenen, den Korrosionsschutz erteilenden Substanz, gleichzeitig als Kühlmedium zu verwenden. Hierdurch wird ein dauerhafter Schutz vor Korrosion gewährleistet.Especially advantageous and expedient it is while the operation of the laser assembly, the liquid medium with the therein contained, the corrosion-protective substance, simultaneously as a cooling medium to use. This will provide lasting protection against corrosion guaranteed.

Je nach Bauart der Laseranordnung wird das Kühlmedium einem oder mehreren Kühlelementen zugeführt, auf denen z. B. die Halbleiterdioden angeordnet sind, wobei die Verwendung von Mikrokanal-Kühlern möglich ist, oder es werden elektrische und/oder optische Komponenten der Laseranordnung direkt vom Kühlmedium umspült. Das eingesetzte Kühlmedium sollte von geringer Leitfähigkeit sein und eine geringe optische Absorption aufweisen, so dass optische Pfade eines Pumplichts und/oder Laserlichts durch das Kühlmedium geführt werden können. Bei den wie vorstehend geschützten Oberflächen kann reines, entionisiertes Wasser als Kühlmedium eingesetzt werden. Jedoch kann auch als Kühlmedium das flüssige Medium mit der den Korrosionsschutz erteilenden Substanz derart gewählt werden, dass es den genannten Anforderungen entspricht.ever According to the design of the laser arrangement, the cooling medium is one or more Cooling elements supplied on which z. B. the semiconductor diodes are arranged, wherein the use of microchannel coolers possible is or are electrical and / or optical components of the Laser arrangement directly from the cooling medium lapped. The used cooling medium should be of low conductivity and have a low optical absorption, so that optical Paths of a pumping light and / or laser light through the cooling medium be guided can. In the above-protected surfaces can pure, deionized water can be used as a cooling medium. However, it can also act as a cooling medium the liquid Medium with the anticorrosive substance such chosen be that it meets the requirements mentioned.

Eine Ausgestaltung der Laseranordnung umfasst wenigstens ein Array aus Halbleiter-Laserdioden, vorzugsweise als Pumplichtquelle, die direkt oder indirekt vom Kühlmedium gekühlt wird. Diese können auf einem oder mehreren Kühlelementen angeordnet sein. Die Kühlelemente bestehen aus einem gut wärmeleitfähigen Material, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium. Zur Wärmeabfuhr werden diese Kühlelemente in einem Kühl kreislauf von einem Kühlmedium durchströmt. Das Kühlmedium weist zumindest einen minimalen Anteil einer ionisierbaren Flüssigkeit, beispielsweise Wasser auf. Vorzugsweise besteht das Kühlmedium aus möglichst reinem und deionisiertem Wasser. Erfindungsgemäß werden durch das Verfahren die mit dem Kühlmedium in Kontakt kommenden Oberflächen des Kühlkreislaufs mit einer anorganischen oder organischen Schutzschicht überzogen. Diese Schutzschicht weist die folgenden Merkmale auf:

  • – passivierende Wirkung auf die Oberfläche,
  • – geringe Leitfähigkeit und
  • – geringe optische Absorption.
An embodiment of the laser arrangement comprises at least one array of semiconductor laser diodes, preferably as a pump light source, which is cooled directly or indirectly by the cooling medium. These can be arranged on one or more cooling elements. The cooling elements are made of a good thermally conductive material, preferably copper or aluminum. For heat dissipation, these cooling elements are flowed through in a cooling circuit of a cooling medium. The cooling medium has at least a minimum proportion of an ionizable liquid, for example water. Preferably, the cooling medium of as pure and deionized water. According to the invention, the surfaces of the cooling circuit which come into contact with the cooling medium are coated with an inorganic or organic protective layer by the method. This protective layer has the following features:
  • - passivating effect on the surface,
  • - low conductivity and
  • - low optical absorption.

Bei einem Festkörperlaser, dessen Pumplichtquelle wenigstens ein Array aus Halbleiter-Laserdioden oder eine Bogenlampe aufweist, werden die Pumplichtquelle und noch weitere elektrische und optische Komponenten des Festkörperlasers nun durch das Kühlmedium gekühlt. So kann beispielsweise auch das aktive Medium durch das Kühlmedium gekühlt werden. Ebenso können wahlweise verschiedene Spiegel und/oder Linsen in den Kühlkreislauf mit einbezogen sein.at a solid-state laser, its pump light source at least one array of semiconductor laser diodes or an arc lamp, the pump light source and still further electrical and optical components of the solid-state laser now through the cooling medium cooled. Thus, for example, the active medium through the cooling medium chilled become. Likewise optionally different mirrors and / or lenses in the cooling circuit be involved.

Es kann mindestens ein Teil eines optischen Pfades durch das Kühlmedium führen. So kann beispielsweise der optischen Pfad des Pumplichts oder auch der optische Pfad des emittierten Laserlichts durch das Kühlmedium geführt sein.It may be at least part of an optical path through the cooling medium to lead. For example, the optical path of the pump light or the optical path of the emitted laser light through the cooling medium guided be.

Die Schutzschicht wird, durch Kontakt mit einer Lösung einer Substanz hergestellt, die aus einer der folgenden Stoffklassen ausgewählt ist: Silane, Fluorsilane, Thioalkohole, difunktionelle organische Disulfide, Ethylendiamine, Phthalocyanine, Stickstoffheterocyclen.The Protective layer is prepared by contact with a solution of a substance, which is selected from one of the following substance classes: silanes, fluorosilanes, Thioalcohols, difunctional organic disulfides, ethylene diamines, Phthalocyanines, nitrogen heterocycles.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Substanz 6-Nercapto-1-hexanol.In a further advantageous embodiment of the invention is the Substance 6-Nercapto-1-hexanol.

In einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Substanz Dimethylamin.In a still further advantageous embodiment of the invention the substance dimethylamine.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Korrosionsschutzes der Komponenten einer Laseranordnung, die wahlweise ein Array aus Halbleiter-Laserdioden oder eine Bogenlampe umfasst, die an einem Kühlkreislauf angeordnet sind, welcher von einem flüssigen Kühlmedium zur Wärmeabfuhr durchströmt wird, umfasst somit das Vorsehen einer Schutzschicht durch Spülen des Kühlkreislaufs mit einer Lösung wenigstens einer der oben angegebenen Substanzen.The inventive method for producing a corrosion protection of the components of a laser arrangement, optionally comprising an array of semiconductor laser diodes or an arc lamp, the at a cooling circuit are arranged, which of a liquid cooling medium for heat dissipation flows through Thus, the provision of a protective layer by flushing the Cooling circuit with a solution at least one of the above-mentioned substances.

Claims (3)

Verfahren zur Herstellung eines Korrosionsschutzes der Oberflächen von Komponenten einer Laseranordnung, die zur Wärmeabfuhr in unmittelbarem Kontakt mit einem in einem Kühlkreislauf geführten, flüssigen Kühlmedium stehen, durch Hindurchführen eines flüssigen Mediums durch den Kühlkreislauf, wobei das flüssige Medium aus reinem und entionisiertem Wasser, einer nichtwässrigen Flüssigkeit oder Mischungen daraus besteht und wobei in dem flüssigen Medium wenigstens eine Substanz aus den chemischen Stoffklassen Silane, Fluorsilane, Alkylthiole, difunktionelle organische Disulfide, Ethylendiamine, Phthalocyanine, Stickstoffheterocyclen oder 6-Mercapto-1-hexanol oder Dimethylamin als eine einen Korrosionsschutz erteilende Substanz gelöst ist.A method for producing a corrosion protection of the surfaces of components of a laser assembly which are in direct contact with a guided in a cooling circuit, liquid cooling medium, by passing a liquid medium through the cooling circuit, wherein the liquid medium of pure and deionized water, a non-aqueous Liquid or mixtures thereof and wherein in the liquid medium, at least one substance from the chemical classes of silanes, fluorosilanes, alkylthiols, difunctional organic disulfides, ethylenediamines, phthalocyanines, nitrogen heterocycles or 6-mercapto-1-hexanol or dimethylamine is dissolved as an anticorrosive substance. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das flüssige Medium mit der den Korrosionsschutz erteilenden Substanz während des Betriebs der Laseranordnung gleichzeitig als Kühlmedium verwendet wird.The method of claim 1, wherein the liquid medium with the anticorrosive substance during the Operation of the laser assembly is used simultaneously as a cooling medium. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das eingesetzte Kühlmedium aus dem flüssigen Medium mit der den Korrosionsschutz erteilenden Substanz entsprechend den Anforderungen einer geringen Leitfähigkeit und einer geringen optischen Absorption von durch das Kühlmedium hindurchgeführtem Pump- und/oder Laserlicht gewählt wird.The method of claim 2, wherein the used cooling medium from the liquid Medium with the substance giving the corrosion protection accordingly the requirements of a low conductivity and a low optical absorption of passed through the cooling medium pump and / or Laser light selected becomes.
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