DE60002336T2

DE60002336T2 - Laserkristallvorrichtung

Info

Publication number: DE60002336T2
Application number: DE60002336T
Authority: DE
Inventors: Olav Balle-Petersen; Morten Bruun-Larsen
Original assignee: Asah Medico AS
Current assignee: MEDART A/S, DK
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2020-07-01
Also published as: WO2001003257A1; ATE238619T1; AU5673100A; EP1196969A1; DE60002336D1; EP1196969B1

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Festkörperlaserkristallanordnung, in der ein Festkörperlaserkristall während der Lichtemission gekühlt wird.
Hintergrund der Erfindung
Im US-Patent Nr. 5553088 ist eine Festkörperlaserkristallanordnung mit einem Festkörperscheibenlaser beschrieben, der durch eine Pumplichtquelle gepumpt wird. Der Festkörperlaserkristall ist an einer Kühlfläche eines Kühlelements zum Dissipieren der im Festkörperlaserkristall erzeugten Wärme angeordnet. Das Kühlelement bildet einen Träger oder Halter für den Festkörperlaserkristall. Der abgestrahlte Laserstrahl breitet sich etwa parallel zum Temperaturgradienten im Laser aus. Aufgrund der Wärmedissipation in das Kühlelement wird durch die Anordnung ermöglicht, daß der Laser mit einer hohen Pumpleistung gepumpt werden kann. Außerdem ist, weil der abgestrahlte Laserstrahl sich etwa parallel zum Temperaturgradienten im Festkörper ausbreitet, der Strahl in allen Querschnittflächen dem gleichen Temperaturgradienten ausgesetzt. Daher beeinflußt der Temperaturgradient die Strahlqualität bei einer hohen Pumpleistung nicht.
Um eine effektive Wärmekopplung zwischen dem Festkörperlaserkristall und dem Kühlelement zu erhalten, kann der Festkörperlaserkristall eine Metallschicht, vorzugsweise eine Kupferschicht, aufweisen, die über eine Kontaktschicht aus Weichmetall, vorzugsweise aus Weichlot oder Indium, mit der Kühlfläche des Kühlelements verbunden ist.
Andere Laserkristallanordnungen, die eine Kühlung eines Festkörperlaserkristalls während der Lichtemission ermöglichen, sind beispielsweise in der WO-A-9810494 und in der WO-A-9927621 dargestellt.
Ein wesentlicher Nachteil der herkömmlichen Anordnungen besteht darin, daß der Festkörperlaserkristall z. B. durch Kleben, Löten oder Kaltschweißen am Kühlelement befestigt werden muß. Bei all diesen Befestigungsverfahren müssen Flächen, die sicher und fest miteinander verbunden werden sollen, hochwertige Flächen sein, d. h. reine, ebene und hochglanzpolierte Flächen. Außerdem werden die befestigten Teile durch die Befestigungsverfahren mechanisch belastet, und durch Löten werden die gelöteten Teile auch thermisch belastet.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Festkörperlaserkristallanordnung bereitzustellen, in der die vorstehend erwähnten Nachteile eliminiert sind.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Festkörperlaseranordnung bereitzustellen, die, z. B. für Wartungszwecke, einfach demontierbar und kostengünstig und einfach herstellbar ist.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die vorstehenden Aufgaben durch eine Festkörperlaserkristallanordnung gelöst, die aufweist: einen Festkörperlaserkristall zum Emittieren eines Laserstrahls, ein Kühlelement zum Dissipieren von durch den Laser erzeugter Wärme und mit einer Kühlfläche, wobei der Festkörperlaserkristall benachbart zur Kühlfläche angeordnet ist, und einen Halter zum Halten des Kühlelements und des Festkörperlaserkristalls derart, daß der Festkörperlaserkristall in Wärmeübergangskontakt mit der Kühlfläche steht.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die vorstehenden Aufgaben durch ein Verfahren zum Herstellen einer Festkörperlaserkristallanordnung gelöst, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Positionieren eines Festkörperlaserkristalls zum Emittieren eines Laserstrahls benachbart zu einer Kühlfläche eines Kühlelements zum Dissipieren von durch den Laser erzeugter Wärme und Montieren des Kühlelements und des Festkörperlaserkristalls durch einen Halter derart, daß der Festkörperlaserkristall in Wärmeübergangskontakt mit der Kühlfläche stelzt.
Es ist ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß der Festkörperlaserkristall nicht durch Kleben, Löten, Kaltschweißen, usw. am Kühlelement befestigt ist. Stattdessen ist der Festkörperlaserkristall an der Kühlfläche des Kühlelements entfernbar angeordnet und wird während des Betriebs der Anordnung durch den Halter in. dieser Position gehalten. Dadurch werden die mühsamen und zeitaufwendigen Bearbeitungen der Oberflächen des Festkörperlaserkristalls bzw. des Kühlelements zum Ausbilden hochwertiger Oberflächen, die zuverlässig aneinander befestigt werden können, durch die vorliegende Erfindung unnötig, wodurch die Herstellung der Festkörperlaserkristallanordnung wesentlich vereinfacht wird.
Außerdem ist die Anordnung für Wartungs- und Reparaturarbeiten, z. B. zum Auswechseln eines defekten Festkörperlaserkristalls, demontierbar.
Die Anordnung kann eine wärmeleitende Zusammensetzung aufweisen, die zwischen dem Festkörperlaserkristall und dem Kühlelement angeordnet ist, um den Wärmewiderstand zwischen dem Festkörperlaserkristall und dem Kühlelement zu vermindern.
Vorzugsweise beträgt die Dicke der Schicht aus der wärmeleitenden Zusammensetzung 50 bis 100 μm.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Festkörperlaserkristall eine reflektierende Beschichtung auf der dem Kühlelement zugewandten Oberfläche aufweisen.
Der Halter kann ein oberes Element und ein. Basiselement aufweisen, wobei der Festkörperlaserkristall und das Kühlelement zwischen dem oberen Element und dem Basiselement gehalten werden.
Um den Wärmewiderstand zwischen dem Festkörperlaserkristall und der Umgebung zu vermindern, kann das Basiselement Strömungskanäle für eine Kühlflüssigkeit zum Absorbieren und Ableiten von durch das Kühlelement zum Basiselement transportierter Wärme aufweisen.
Der Wärmewiderstand kann weiter reduziert werden, indem eine Wärmepumpe, z. B. ein wärmeleitendes Element, ein Peltierelement, usw. zwischen dem Kühlelement und dem Basiselement angeordnet wird, um mehr Wärme vom Kühlelement zum Basiselement zu transportieren.
Vorzugsweise besteht das Kühlelement aus einem wärmeleitenden Material, z. B. Kupfer, CVD-Diamant, usw.
Um die Dissipation der im Festkörperlaserkristall erzeugten Wärme weiter zu verbessern, kann die Festkörperlaserkristallanordnung außerdem ein zwischen der Kühlfläche und dem Festkörperlaserkristall angeordnetes, erstes transparentes, wärmeleitendes Element aufweisen. Das wärmeleitende Element besteht vorzugsweise aus einem für den vom Festkörperlaserkristall emittierten Laserstrahl transparenten Material. Das wärmeleitende Element kann beispielsweise aus Saphir hergestellt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das wärmeleitende Element z. B. durch Verbinden des wärmeleitenden Elements durch Anodic Bonding mit dem Festkörperlaserkristall verbunden. Die wärmeleitende Zusammensetzung ist dann zwischen dem Kühlelement und dem ersten transparenten, wärmeleitenden Element angeordnet.
Das Kühlelement kann eine transparente Öffnung aufweisen, wobei die transparente Öffnung dazu geeignet ist, den vom Festkörperlaserkristall emittierten Laserstrahl durchzulassen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die transparente Öffnung ein durch das Kühlelement ausgebildetes Loch. Hierdurch kann die durch den Festkörperlaserkristall erzeugte Wärme durch das erste transparente, wärmeleitende Element zur Kühlfläche dissipiert werden, die das durch das Kühlelement ausgebildete Loch umgibt.
Der Festkörperlaserkristall kann daher dazu geeignet sein, den Laserstrahl durch die transparente Öffnung zu emittieren, so daß der Festkörperlaserkristall an einer beleibigen Stelle im Laserhohlraum montiert werden kann und daher nicht notwendigerweise als aktiver Endspiegel montiert werden muß.
Um die Dissipation der im Festkörperlaserkristall erzeugten Wärme weiter zu verbessern, kann die Festkörperlaserkristallanordnung ferner ein zweites transparentes, wärmeleitendes Element aufweisen, das bezüglich dem ersten wärmeleitenden Element an der entgegengesetzten Seite des Laserkristalls angeordnet ist. Hierdurch kann die im Festkörperlaserkristall erzeugte Wärme bezüglich der Längsrichtung des Festkörperlaserkristalls in beide Richtungen transportiert werden. Das erste und das zweite transparente, wärmeleitende Element können an Bereichen der Elemente, die sich über den Festkörperlaserkristall hinaus erstrecken, verbunden sein oder in Wärmeübergangskontakt stehen.
Das zweite transparente, wärmeleitende Element kann z. B. durch Anodic Bonding mit der bezüglich dem ersten wärmeleitenden Element entgegengesetzten Seite des Festkörperlaserkristalls verbunden sein.
Pumplicht kann bezüglich den Oberflächen des Festkörperlaserkristalls unter einem beliebigen Winkel in den Festkörperlaserkristall eintreten. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Festkörperlaserkristall ein Scheibenlaser mit der Form einer dünnen kreisförmigen Platte mit einer oberen und einer unteren Fläche. Wenn der Festkörperlaserkristall in der Anordnung positioniert ist, ist die untere Fläche dem Kühlelement zugewandt, und der Laserausgangsstrahl wird von der oberen Fläche entlang einen sich im wesentlichen senkrecht zur oberen Fläche erstreckenden Ausbreitungsachse emittiert. Vorzugsweise wird Pumplicht bezüglich der oberen Fläche unter einem stumpfen Winkel zur oberen Fläche des Festkörperlaserkristalls hin emittiert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine perspektivische Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen Festkörperlaserkristallanordnung; 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Festkörperlaserkristallanordnung; und
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Festkörperlaserkristallanordnung mit einem transparenten wärmeleitenden Element;
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Die 1 und 2 zeigen eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Festkörperlaserkristallanordnung 10. Die Festkörperlaserkristallanordnung 10 weist auf: einen Festkörperlaserkristall 12 zum Emittieren eines Laserstrahls 14 und ein Kühlelement 16 mit einer Kühlfläche 18 zum Dissipieren von durch den Festkörperlaserkristall 12 erzeugter Wärme. Der Festkörperlaserkristall 12 ist benachbart zur Kühlfläche 18 angeordnet. Die Anordnung 10 weist außerdem einen Halter 20 zum Halten des Kühlelements 16 und des Fest körperlaserkristalls 12 derart auf, daß der Festkörperlaserkristall 12 in Wärmeübergangskontakt mit der Kühlfläche 18 steht.
Eine wärmeleitende Zusammensetzung 22 ist zwischen dem Festkörperlaserkristall 12 und dem Kühlelement 16 angeordnet, um den Wärmewiderstand zwischen dem Festkörperlaserkristall 12 und dem Kühlelement 16 zu vermindern. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Schicht aus der wärmeleitenden Zusammensetzung 50 bis 100 μm.
Der Halter 20 kann ein oberes Element 24 und ein Basiselement 26 aufweisen, wobei der Festkörperlaserkristall 12 und das Kühlelement 16 zwischen dem oberen Element 24 und dem Basiselement 26 gehalten werden, die durch eine Befestigungseinrichtung, z. B. durch Schrauben 24, zusammengehalten werden.
Um den Wärmewiderstand zwischen dem Festkörperlaserkristall 12 und der Umgebung zu vermindern, kann das Basiselement 26 Strömungskanäle 28 für eine Kühlflüssigkeit zum Absorbieren und Ableiten von durch das Kühlelement 16 zum Basiselement transprtierter Wärme aufweisen.
Der Wärmewiderstand kann weiter reduziert werden, indem eine Wärmepumpe 30, z. B. ein wärmeleitendes Element, ein Peltierelement, usw. zwischen dem Kühlelement 16 und dem Basiselement 26 angeordnet wird, um den Wärmetransport vom Kühlelement 16 zum Basiselement 26 zu verbessern.
Pumplicht 32 wird zur oberen Fläche des Festkörperlaserkristalls 12 unter einem bezüglich der oberen Fläche stumpfen Winkel hin emittiert.
3 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Festkörperlaserkristallanordnung. Ein erstes transparentes, wärmeleitendes Element 36 ist benachbart zur Kühlfläche 18 des Kühlelements 16 angeordnet, und der Festkörperlaserkristall ist benachbart zum ersten transparenten, wär meleitenden Elements 36 auf der entgegengesetzten Seite angeordnet. Das erste transparente, wärmeleitende Element besteht aus Saphir, es kann jedoch auch ein beliebiges anderes wärmeleitendes Material verwendet werden, das für den durch den Festkörperlaserkristall 12 emittierten Laserstrahl transparent ist. Das erste transparente, wärmeleitende Element 36 ist durch Anodic Bonding derart mit dem Festkörperlaserkristall 12 verbunden, daß eine optisch reine Verbindungsstelle erhalten wird.
Vertiefungen 40 sind dazu geeignet, mindestens einen Teil der (in 2 dargestellten) Schrauben 34 aufzunehmen. Ein zweites transparentes, wärmeleitendes Element (nicht dargestellt) kann benachbart zum Festkörperlaserkristall 12 auf der dem ersten transparenten, wärmeleitenden Element entgegengesetzten Seite des Festkörperlaserkristalls angeordnet sein, so daß durch den Festkörperlaserkristall erzeugte Wärme in den transparenten, wärmeleitenden Elementen dissipiert und in beide Längsrichtungen des Stablasers vom Festkörperlaserkristall weg transportiert werden kann. Der Festkörperlaserkristall ist daher sandwichartig zwischen den transparenten, wärmeleitenden Elementen angeordnet. Das zweite transparente, wärmeleitende Element kann mit dem Festkörperlaserkristall verbunden sein.
Das Kühlelement 16 weist ein Loch 38 auf, so daß ein vom Festkörperlaserkristall 12 emittierter Laserstrahl (nicht dargestellt) durch das erste transparente, wärmeleitende Element und durch das Loch 38 des Kühlelements 16 transmittiert wird. Hierbei kann der Laserkristall an einer beliebigen Position im Laserhohlraum (nicht dargestellt) angeordnet sein, so daß Licht an beiden Enden des Stablasers emittiert werden kann.
Wenn das Kühlelement ein Loch aufweist, wird die effektive Kühlfläche eines benachbart zur Kühlfläche 18 angeord neten Festkörperlaserkristalls 12 um die Querschnittsfläche des Lochs vermindert. Um die verminderte Kühlfläche zu kompensieren, wird das transparente, wärmeleitende Element so angeordnet, daß mindestens ein Teil des transparenten, wärmeleitenden Elements benachbart zur Kühlfläche 18 angeordnet ist. Dadurch wird die Wärme im transparenten, wärmeleitenden Element dissipiert und zum Kühlelement 18 abgeleitet. Der Wärmetransport im transparenten, wärmeleitenden Element erfolgt dann horizontal, wobei dies jedoch nur eine geringe Auswirkung auf die vertikale Wärmedissipation im Festkörperlaserkristall hat, so daß im Festkörperlaserkristall kein "thermischer Linsen" -effekt auftritt.
Das erste transparente, wärmeleitende Element 36 weist in 3 eine Kreisscheibenform auf, das erste und das zweite transparente, wärmeleitende Element können jedoch eine beliebige Form haben, gemäß der das Element zum Kühlen des Laserkristalls mit dem Festkörperlaserkristall geeignet thermisch verbindbar ist.

Claims

Festkörperlaserkristall- (12) Anordnung, die aufweist: einen Festkörperlaserkristall (12) zur Emission eines Laserstrahls, ein Kühlglied (16) zur Ableitung von Wärme, die durch den Laser erzeugt wird, das eine Kühlfläche (18) aufweist, wobei der Festkörperlaserkristall in einer solchen Weise benachbart zur Kühlfläche angeordnet ist, daß die Richtung der Emission des Lasers (14) im wesentlichen normal zur Kühlfläche ist, und in einer solchen Weise, daß im Festkörperlaserkristall erzeugte Wärme längs der Längsrichtung des Faserkristalls transportiert wird, und einen Halter (20), der das Kühlglied und den Festkörperlaserkristall so hält, daß sich der Festkörperlaserkristall in einem wärmeableitenden Kontakt mit der Kühlfläche befindet.
Festkörperlaserkristall-Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Halter ferner ein oberes Glied (24) und ein Basisglied (26) aufweist, wobei der Festkörperlaserkristall und das Kühlglied zwischen dem oberen Glied und dem Basisglied gehalten werden.
Festkörperlaserkristall-Anordnung nach Anspruch 2, wobei das Basisglied Fließkanäle (28) für eine Kühlflüssigkeit enthält.
Festkörperlaserkristall-Anordnung nach den Ansprüchen 2 oder 3, die ferner eine Wärmepumpe (30) aufweist, die für einen erhöhten Transport von Wärme vom Kühlglied zum Basisteil zwischen dem Kühlglied und dem Basisteil angeordnet ist.
Festkörperlaserkristall-Anordnung nach Anspruch 4, wobei die Wärmepumpe ein wärmeleitendes Element ist.
Festkörperlaserkristall-Anordnung nach Anspruch 5, wobei die Wärmepumpe ein Peltierelement ist.
Festkörperlaserkristall-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine wärmeleitende Zusammensetzung aufweist, die zwischen dem Festkörperlaserkristall und dem Kühlglied angeordnet ist.
Festkörperlaserkristall-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlglied aus Kupfer besteht.
Festkörperlaserkristall-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Festkörperlaserkristall-Anordnung ferner ein erstes transparentes wärmeleitendes Glied (36) aufweist, wobei das erste transparente wärmeleitende Glied zwischen der Kühlfläche und dem Festkörperlaserkristall angeordnet ist.
Festkörperlaserkristall-Anordnung nach Anspruch 9, wobei das erste transparente wärmeleitende Glied an den Festkörperlaserkristall gebunden ist.
Festkörperlaserkristall-Anordnung nach den Ansprüchen 9 oder 10, wobei das Kühlglied eine transparente Öffnung (38) aufweist, wobei die transparente Öffnung angepaßt ist, den Laserstrahl durchzulassen, der vom Festkörperlaserkristall emittiert wird.
Festkörperlaserkristall-Anordnung nach Anspruch 11, wobei der Festkörperlaserkristall angepaßt ist, den Laserstrahl durch die transparente Öffnung zu emittieren.
Festkörperlaserkristall-Anordnung nach einem der Ansprüche 9 – 12, die ferner ein zweites transparentes wärmeleitendes Glied aufweist, das in Beziehung zum ersten wärmeleitenden Glied an einer gegenüberliegenden Stelle des Festkörperlaserkristalls angeordnet ist.
Festkörperlaserkristall-Anordnung nach Anspruch 13, wobei das zweite transparente wärmeleitende Glied an den Festkörperlaserkristall gebunden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Festkörperlaserkristall-Anordnung, mit den Schritten: Anordnen eines Festkörperlaserkristalls (12) zur Emission eines Laserstrahls benachbart zu. einer Kühlfläche (18) eines Kühlgliedes (16) zur Ableitung von Wärme, die durch den Laser erzeugt wird, in einer solchen Weise, daß der Laserstrahl in eine Richtung emittiert werden wird, die im wesentlichen normal zur Kühlfläche ist, und in einer solchen Weise, daß im Festkörperlaserkristall erzeugte Wärme längs der Längsrichtung des Laserkristalls transportiert wird, und Halten des Kühlglieds und des Festkörperlaserkristalls mit einem Halter (20), so daß sich der Festkörperlaserkristall in einem wärmeableitenden Kontakt mit der Kühlfläche befindet.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner die Schritte aufweist: Bereitstellen eines Halters mit einem oberen Glied (24) und einem Basisglied (26), und Anordnen des Festkörperlaserkristalls (12) und des Kühlgliedes (16) zwischen dem oberen Glied (24) und dem Basisglied (26).
Verfahren nach Anspruch 16, das ferner den. Schritt aufweist: Versehen des Basisgliedes mit Fließkanälen (28) für eine Kühlflüssigkeit.
Verfahren nach den Ansprüchen 16 oder 17, das ferner den Schritt aufweist: Anordnen einer Wärmepumpe (30) zwischen dem Kühlglied und dem Basisteil für einen erhöhten Transport von Wärme von Kühlglied zum Basisteil.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Wärmepumpe ein wärmeleitendes Element ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Wärmepumpe ein Peltierelement ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15–20, das ferner den Schritt aufweist: Anordnen einer wärmeleitenden Zusammensetzung zwischen dem Festkörperlaserkristall und dem Kühlglied.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15–21, das ferner den Schritt aufweist: Bereitstellen eines Kühlgliedes, das aus Kupfer besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15–22, das ferner den Schritt aufweist: Anordnen eines ersten transparenten wärmeleitenden Gliedes (36) zwischen der Kühlfläche und dem Festkörperlaserkristall.
Verfahren nach Anspruch 23, das ferner den Schritt aufweist: festes Verbinden des ersten transparenten wärmeleitenden Gliedes mit dem Festkörperlaserkristall.
Verfahren nach den Ansprüchen 23 oder 24, das ferner den Schritt aufweist: Bereitstellen einer transparenten Öffnung (38) im Kühlglied, wobei die transparente Öffnung angepaßt ist, den vom Festkörperlaserkristall emittierten Laserstrahl durchzulassen.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei der Festkörperlaserkristall angepaßt ist, den Laserstrahl durch die transparente Öffnung (38) zu emittieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23–26, das ferner den Schritt aufweist: Anordnen eines zweiten transparenten wärmeleitenden Gliedes in Beziehung zum ersten wärmeleitenden Glied an einer gegenüberliegenden Stelle des Festkörperlaserkristalls.
Verfahren nach Anspruch 27, das ferner den Schritt aufweist: festes Verbinden des zweiten transparenten wärmeleitenden Gliedes mit dem Festkörperlaserkristall.