JP5230200B2 - レーザーシステムの光学素子の表面冷却の装置および方法 - Google Patents
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Description
本発明は一般的に、レーザーシステムで用いられる光学素子の冷却技術に関し、より具体的には、高平均出力(HAP)レーザーシステムの出力を処理する/取り扱うのに必要とされる光学システムで用いる伝導表面冷却光学素子に関する。
概観
高平均出力(HAP)レーザーにおいて用いられる透過光学素子は、光学エネルギーの吸収およびその他の処理により、著しい熱負荷を経験する。透過光学素子が正確かつ効率的に動作するためには、この熱は(しばしばリアルタイムで)除去されなければならない。たとえば、非線形のレーザー材料における周波数変換の処理は、吸収によって、非線形材料媒体内で熱を生じる。周波数変換器が有意なレベルで効率的に動作するには、この熱は除去されなければならない。また、固体のレーザー増幅器材料内にエネルギーを格納する処理もまた、レーザー媒体内に熱を生じ、これは、とりわけ増幅器が有意な入力電力で動作すべきである場合に、除去されなければならない。熱負荷にさらされ、冷却を必要とするその他の透過光学素子は、ポッケルセルにおいて用いられる結晶、およびファラデー回転子において用いられるガラスを含む。
レーザーシステムにおいて用いられる固体結晶物質から熱を除去する従来の方法は、材料の側面から、レーザーエネルギー伝播の方向を横切る方向に熱を除去する。横切る方向に熱を除去することは、この方向における熱勾配をもたらす。このことはいくつかの問題を引き起こす。通常、温度勾配は熱光学ストレスおよび指数変化を生じ、これは次いで、レーザービームを歪める熱収差を引き起こす。より具体的には、ほとんどの周波数変換材料において、レーザービームの伝播の方向を横切る方向における温度変化は、大変小さな公差範囲内に維持されなければならない。この方向での熱勾配の存在は、レーザーシステム設計において許可される開口サイズおよび電力負荷を厳しく限定する。横冷却は、技術情報局から入手でき、参照することにより本出願に援用される、文献番号UCRL―53571、J.L.Emmett他「高平均出力固体レーザーのポテンシャル」なる文書(1984年9月25日)に説明される。
ければならないため、この方法を実施する工業技術は複雑である。
本発明は、高平均出力(HAP)レーザーシステムのレーザービームを受ける光学透過素子(TOC)の表面冷却に理想的に適したヒートシンクアセンブリを対象とする。ヒートシンクアセンブリは、レーザービームの伝播方向の法線方向にTOCに沿った温度勾配を導入することなく、TOCの冷却を可能にする。本発明のヒートシンクアセンブリはさらに、TOCをヒートシンクアセンブリに物理的に結合することを必要とせずに、これを
成し遂げる。
好適な実施形態の以下の説明は、実際は、単に例となるものに過ぎず、本発明、その適用、もしくは使用を限定するよう意図されるものでは全くない。
する圧力差は、もし冷却光学アセンブリ10が圧力室内で操作され、空気38が環境大気圧と等しいか、もしくはそれを上回る場合、さらに増大されることができる。とりわけ、空気38の圧力が環境大気圧を実質的に上回る場合、排水穴36は真空ポンプよりむしろ、環境大気に接続されることができる。
Claims (25)
- 透明光学素子(TOC)と、
表面を有する熱伝導性基板とを備え、
前記TOCおよび前記熱伝導性基板は共に空気に浸されており、
前記TOCの表面は前記熱伝導性基板の前記表面に接触し、それにより接触領域を画定しており、
前記接触領域の少なくとも1部分は、圧力差が前記接触領域の前記部分と空気との間に形成されるように減圧下で維持され、
前記圧力差は、TOC内で生じる熱が伝導により前記熱伝導基板に伝達されるように、前記熱伝導基板表面の実質的な部分と熱接触する状態にTOC表面の実質的な部分を維持し、
前記TOC及び前記熱伝導性基板はレーザービームを受け、伝達するよう構成され 前記TOCの前記表面及び接触する前記熱伝導性基板の表面は、前記レーザービームの伝播方向に略垂直であり、
前記熱伝導基板が、サファイヤ、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、単結晶イットリウムアルミニウムガーネット(YAG)、多結晶YAG、単結晶ガリウムガドリニウムガーネット(GGG)、多結晶GGGの一群から選択された光学的に透明な材料で構成される、
高平均出力レーザーシステムで用いる光学アセンブリ。 - 前記表面部分を分離するシーリング部材をさらに含む、請求項1に記載の光学アセンブリ。
- さらに、前記シーリング部材が、前記熱伝導基板の前記表面内のOリング溝内に配置されるOリングを備える、請求項2に記載の光学アセンブリ。
- 前記熱伝導基板から熱を除去するヒートシンクをさらに備える、請求項1に記載の光学アセンブリ。
- 前記熱伝導性基板が一対の熱伝導性基板であり、それぞれの表面が前記TOCの対向する表面から熱を引き込む前記TOCの対向する表面と接触する、請求項1に記載の光学アセンブリ。
- 透明光学素子によって分離される複数の熱伝導基板をさらに備え、各前記熱伝導基板は前記透明光学素子のうちの1つと熱接触する表面を有する、請求項1に記載の光学アセンブリ。
- 前記熱伝導基板が自身を通る冷却液によって冷却される、請求項1に記載の光学アセンブリ。
- 前記熱伝導基板は、自身の前記表面の前記部分上に、減じられた圧力で維持されたマイクロチャネルをさらに含む、請求項7に記載の光学アセンブリ。
- 前記冷却液は前記マイクロチャネルを流れる、請求項8に記載の光学アセンブリ。
- 表面を有する透明光学素子(TOC)と、
前記TOCの前記表面と対向関係に配置される表面を有する光学的に透明な熱導体(THC)を有するヒートシンクアセンブリとを備え、
前記THCが、前記TOCが前記THCの前記表面と熱接触する状態に維持され、したがって前記TOCを冷却するように、前記表面と前記TOCおよび前記THCに作用する空気との間に生じる圧力差を維持するシーリング部材を自身の前記表面上に含み、
前記TOC及び前記THCはレーザービームを受け、伝達するよう構成され 前記TOCの前記表面及び前記THCの前記表面は、前記レーザービームの伝播方向に略垂直であり、
前記THCが、サファイヤ、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、単結晶または多結晶のイットリウムアルミニウムガーネット(YAG)、および単結晶もしくは多結晶のガリウムガドリニウムガーネット(GGG)のうちの少なくとも1つを含む光学的に透明な材料で構成され、高平均出力(HAP)のレーザーシステムで用いる光学アセンブリ。 - 前記ヒートシンクアセンブリが、前記THCから熱を引き出す、前記THCと熱接触する、ヒートシンク要素をさらに備える、請求項10に記載の光学アセンブリ。
- 前記THCが、前記TOCの前記表面の両方から熱を引き出す、前記TOCの対向する表面に隣接して配置された、一対の前記THCである、請求項10に記載の光学アセンブリ。
- 前記THCが、一対の平行で光学的に平坦な表面を有する平坦な部材を備える、請求項10に記載の光学アセンブリ。
- 前記TOCの前記表面が反射性のコーティングを含む、請求項10に記載の光学アセンブリ。
- 前記THCが、熱交換器と、前記THCから熱を除去する前記熱交換器を通ることのできる流体冷却液とを備える、請求項14に記載の光学アセンブリ。
- 前記シーリング部材に対して前記TOCの前記表面を保持する外部クランプをさらに備える、請求項15に記載の光学アセンブリ。
- 前記THCは自身の前記表面内のOリング溝を備え、前記シーリング部材は前記Oリング溝内に配置されるOリングを備える、請求項10に記載の光学アセンブリ。
- 高平均出力(HAP)レーザーシステムの透明光学素子(TOC)と用いるヒートシンクシステムであって、
前記TOCの表面に近接して保持されるよう構成される、平坦な表面部分を有する透明熱導体(THC)素子であって自身の前記表面部分上にシーリング部材、および前記THCの前記表面部分と前記THCの周辺面との間で連通するチャネルとを含むTHC素子と、
前記THCの周辺部分と熱接触するヒートシンク要素と、
前記TOCと前記THCの前記表面部分の間に圧力差を形成し、空気が前記TOCと前記THCとに作用し、したがって前記TOCの前記表面を前記シーリング部材に対して押し付けるシステムとを備え、
前記THCは前記空気の対流により熱を前記TOCから引き出し、前記ヒートシンク要素は前記THCから熱を引き出し、したがって前記TOCを冷却し、
前記TOC及び前記THCはレーザービームを受け、伝達するよう構成され 前記TOCの前記表面及び前記THCの前記表面部分は、前記レーザービームの伝播方向に略垂直であり、
前記THCが、サファイヤ、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、単結晶または多結晶のイットリウムアルミニウムガーネット(YAG)、および単結晶または多結晶のガリウムガドリニウムガーネット(GGG)のうちの少なくとも1つを含む光学的に透明な材料で構成される、ヒートシンクシステム。 - 前記THCは一対の平行で平坦な光学的に平坦表面部分を含む、請求項18に記載のシステム。
- 前記表面部分は前記シーリング部材を保持する溝を含む、請求項18に記載のシステム。
- 前記THCは内部空洞と、前記内部空洞内に配置された熱交換器とを含む、請求項18に記載のシステム。
- 前記内部空洞は、それぞれ前記THC内に形成され、それぞれ前記THCの周辺面上に開口する、流体入口と流体出口に連通する、請求項21に記載のシステム。
- 前記TOCを前記シーリング部材に対して保持する外部クランプをさらに備える、請求項18に記載のシステム。
- 前記THCは自身の前記表面部分内に形成されたOリング溝を含み、前記シーリング部材は前記Oリング溝内に配置されたOリングを備える、請求項18に記載のシステム。
- 前記表面部分が複数のチャネルを含む、請求項18に記載のシステム。
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