Vorrichtung zur Kühlung optischer Elemente

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung optischer Elemente die in Transmission betrieben werden sollen, ohne den Lichtweg zu beeinflussen (beispielsweise das aktive Medium eines Laserverstärkers, nichtlineare Kristalle oder Faraday Rotatoren), welche auch den Einsatz bei tiefen Temperaturen ermöglicht.

In zahlreichen Laserverstärkern werden heutzutage auf Temperaturen von etwa 100 K gekühlte Lasermaterialien verwendet. Unter diesen Bedingungen werden meist bessere ther- momechanische Eigenschaften der Lasermaterialien und zum Teil auch bessere Lasereigenschaften, wie bei aktiven Medien dotiert mit dreiwertig positiven Ytterbiumionen, erreicht (vgl. D. C. Brown,„The promise of cryogenic solid-state lasers", Ieee J Sei Top Quant 11, 587-599 (2005); T. Y. Fan, D. J. Ripin, R. L. Aggarwal, J. R. Ochoa, B. Chann, M. Tilleman and J. Spitzberg,„Cryogenic Yb ³⁺ -doped solid-state lasers", Ieee J Sei Top Quant 13, 448-459 (2007)).

Die erreichbare Ausgangsleistung eines Lasers beziehungsweise eines Laserverstärkers ist hierbei im Wesentlichen dadurch limitiert, dass die im aktiven Medium erzeugte Wärme abgeführt werden muss. Die direkte Ableitung der Wärme durch das aktive Medium hindurch ist insbesondere für großvolumige Lasermaterialien, wie sie zur Erzeugung hoher Impulsenergien benötigt werden, nur bedingt möglich. Die für dotierte Materialien im Allgemeinen verschlechterte Wärmeleitung im Vergleich zum reinen Wirtsmaterial erschwert dies zusätzlich (vgl. P. A. Popov, P. P. Fedorov, S. V. Kuznetsov, V. A. Konyushkin, V. V. Osiko and T. T. Basiev,„Thermal conductivity of Single crystals of Cal - x Yb x F2 + x solid Solutions", Dokl. Phys. 53 198-200 (2008); R. L. Aggarwal, D. J. Ripin, J. R. Ochoa and T. Y. Fan,„Measurement of thermooptic proerties of Y3AI5O12, LU3AI5O12, YAIO3, LiYF ₄ , LiLuF ₄ , BaY ₂ F ₈ , KGd(W0 ₄ ) ₂ and KY(W0 ₄ ) ₂ laser crystals in the 80-300 K temperature ränge" J Appl. Phys. 98 103514 (2005)).

Eine direkte Ableitung der Wärme über den Rand des aktiven Mediums ist somit nur bei kleinen Durchmessern sinnvoll, da sich sowohl die entstehenden Temperaturgradienten als auch der gesamte Temperaturhub störend auf die Lasereigenschaften auswirken (vgl. J. Koerner, C. Vorholt, H. Liebetrau, M. Kahle, D. Kloepfel, R. Seifert, J. Hein, and M. C. Kaluza, "Measurement of temperature-dependent absorption and emission spectra of Yb:YAG, Yb:LuAG, and Yb:CaF ₂ between 20°C and 200°C and predictions on their influence on laser Performance", J. Opt. Soc. Am. B 29, 2493-2502 (2012).).

Als allgemeiner Lösungsansatz für Laser mit hoher Ausgangsleistung bietet sich daher entweder die Minimierung des Durchmessers des aktiven Mediums (Faserlaser) oder die Minimierung der Dicke des aktiven Mediums in Verbindung mit rückseitiger Kühlung an (Scheibenlaser). Beide Verfahren führen jedoch zu Problemen, wenn hohe Impulsenergien erzeugt werden sollen. Im Falle des Faserlasers ist die Intensität aufgrund der optischen Zerstörschwelle begrenzt. Beim Scheibenlaser ist aufgrund des ungünstigen Aspektverhältnisses, insbesondere für große Strahldurchmesser der Verstärkungsfaktor beschränkt, um parasitäre Verstärkung spontaner Emission quer zur Strahlrichtung zu vermeiden. Für Festkörperlaser mit hohen Ausgangsenergien kommen somit hauptsächlich Volumenmaterialien in Frage.

Ein wesentliches Problem stellt hierbei die spannungsfreie Kontaktierung des aktiven Mediums mit der Wärmesenke bei gleichzeitiger guter thermischer Kontaktierung dar. Eine direkte mechanische Kontaktierung zwischen Lasermaterial und Wärmesenke scheitert somit an den im Allgemeinen verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten. Dies trifft insbesondere zu, wenn der Einsatz über einen großen Temperaturbereich erfolgen soll.

Eine Möglichkeit die spannungsfreie gute thermische Kontaktierung zu erreichen, ist das Material mittels einer gut wärmeleitenden Flüssigkeit, im Allgemeinen einem flüssigen Metall, zu umgeben und hiermit den Übergang zu einer starren Wärmesenke zu realisieren (vgl. US 2006/024548 AI, US 7,551,656 B2). Dieser Ansatz hat jedoch zwei für die vorgesehen Anwendung signifikante Nachteile. Für Temperaturen kleiner ca. 220 K finden sich keine flüssigen Metalle oder Legierungen mehr, wobei die Verwendung anderer Flüssigkeiten eine starke Reduktion der Wärmeleitfähigkeit bedeutet. Darüber hinaus ist das verwendete Fluid nicht transparent, so dass eine Kühlung des aktiven Mediums über den gesamten Strahlquer schnitt (wie bei großen Strahlquer schnitten bzw. schlecht wärmeleitenden Lasermaterialien notwendig) die Verwendung in Transmission verbietet. Eine weitere Möglichkeit die thermische Kontaktierung des Materials zu gewährleisten, ist die Verwendung eines dünnen Gasspaltes zwischen Wärmesenke und Lasermaterial. Dies wird z.B. in US 2014/0036946 AI realisiert. Das Lasermedium befindet sich hier in geringem Abstand von der Wärmesenke, ohne allerdings direkten mechanischen Kontakt zu dieser zu haben. Der Wärmeübergang erfolgt über den gasgefüllten Zwischenraum über den gesamten Querschnitt des Lasermediums. Nachteilig ist, dass hier nur eine geringe thermische Kontaktierung erreicht wird und ein Betrieb in Transmission aufgrund der nicht transparenten Wärmesenke unmöglich ist.

Auf einem ähnlichen Prinzip beruht die in US 5,363,391 vorgestellte Lösung, wobei anstelle der optisch dichten Wärmesenke hochwärmeleitfähige optisch transparente Materialien verwendet werden. Dies erlaubt die Kühlung von Vorder- und Rückseite des Materials, und auch die Verwendung eines Stapels, der abwechselnd aus Wärmeleiter und Lasermaterial besteht. Die transparenten Wärmeleiter sind hier dann direkt seitlich mit der eigentlichen Wärmesenke mechanisch verbunden. Das wesentliche Problem dieses Ansatzes ist, dass eine spannungsfreie Halterung der transparenten Wärmeleiter ebenso wichtig ist, wie beim eigentlichen Lasermedium. Die direkte Kontaktierung mit der Wärmesenke führt somit beim Einsatz über einen großen Temperaturbereich ebenso zu Verspannung, was den Einsatz bei tiefen Temperaturen verbietet.

Hohe Kühlleistungen bei gleichzeitig spannungs armer Halterung des aktiven Mediums auch über einen weiten Temperaturbereich werden heute durch die Verwendung mehrerer Platten aktiven Materials, die mit hoher Geschwindigkeit von einem Gas ström umspült werden, erreicht (vgl. S. Banerjee, K. Ertel, P. D. Mason, P. J. Phillips, M. Siebold, M. Loeser, C. Hernandez-Gomez, and J. L. Collier, "High-efficiency 10 J diode pumped cryogenic gas cooled Yb:YAG multislab amplifier," Opt. Lett. 37, 2175-2177 (2012)). Allerdings sind diese Systeme technisch mit hohem Aufwand verbunden und somit nur bei sehr großen Lasersystemen einsetzbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aufwandgeringe und effiziente Kühlvorrichtung für optische Elemente, insbesondere für das aktive Medium eines Laserverstärkers, mit möglichst mechanisch spannungsarmer Aufnahme der zu kühlenden und/oder kühlenden Elemente zu realisieren und gleichzeitig einen hohen Kühleffekt zu erzeugen, wobei optische Elemente in Transmission und die Vorrichtung auch bei tiefen Temperaturen betrieben werden können. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Kühlung optischer Elemente gemäß Anspruch 1 gelöst. Hierbei sind für eine mechanisch spannungsarme Wärmeübertragung von dem zumindest einen optisch transmissiven Kühlelement zu einer Wärmesenke zwischen dem zumindest einen optisch transmissiven Kühlelement und der Wärmesenke um die optische Achse des zumindest einen optisch transmissiven Kühlelements herum zum Zweck der Wärmeübertragung läge- und/oder formveränderbare, wärmeleitende Ausgleichselemente vorgesehen. Diese Ausgleichselemente können gemäß Anspruch 2 durch metallische Lamellen verkörpert sein. Sie sind mit einem Ende an zumindest einem optisch transmissiven Kühlelement und mit dem anderen Ende ggf. über eine Trägerplatte mit der Wärmesenke verbunden. Dabei können die Ausgleichselemente separat vorliegen und einerseits an das zumindest eine optisch transmissive Kühlelement und andererseits ggf. über eine Trägerplatte an die Wärmesenke angelötet sein. Alternativ könnten die Ausgleichselemente auch aus einem Teilbereich der Trägerplatte durch schlitzförmige Ausbildung realisiert und die Trägerplatte an die Wärmesenke, sowie die Enden der Ausgleichselemente mit dem zumindest einen optisch transmissiven Kühlelement verbunden sein.

Dadurch ist es möglich, dass mechanische Spannungen, die durch die thermische Ausdehnung des zumindest einen optisch transmissiven Kühlelements auftreten können, durch die läge- und/oder formveränderbaren Ausgleichselemente kompensiert werden. Beispielsweise können sich diese verformen und bei einer bestimmten Anordnung die mit der Wärmeausdehnung einhergehende Längenänderung der Ausgleichselemente in eine Rotation des zumindest einen optisch transmissiven Kühlelements überführen.

Da diese Form der spannungsarmen Aufnahme des zumindest einen optisch transmissiven Kühlelements nicht durch die Kompressibilität einer Flüssigkeit (bspw. Quecksilber) realisiert wird, ist sie auch bei sehr niedrigen Temperaturen anwendbar. Zudem bestehen die gewohnten Vorteile bei der Vermeidung von Quecksilber, welches ein giftiges Schwermetall ist, das über einen großen Temperaturbereich stark toxische Dämpfe abgibt und zusätzlich aufwendig zu entsorgen ist.

Die Befestigung der läge- und/oder formveränderbaren, wärmeleitenden Ausgleichs- elemente an dem zumindest einen optisch transmissiven Kühlelement und der mit der Wärmesenke in Verbindung stehenden Trägerplatte kann dabei auf unterschiedliche Arten erfolgen, die den Einsatz auch bei tiefen Temperaturen gewährleisten. Beispielsweise sind stoffschlüssige Verbindungen wie Kleben, Schweißen oder Löten möglich.

Die Vorrichtung ist zur Kühlung einer Reihe von optischen Elementen geeignet, die in Transmission betrieben werden sollen, ohne den Lichtweg zu beeinträchtigen, beispiels- weise aktive Medien in einem Laserverstärker, nichtlineare Kristalle oder Faraday- Rotatoren.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Kühlkopfes für aktive Medien eines Lasers (Hochleistungslasers) als Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1: Querschnitt durch den Kühlkopf, bestehend aus einem sandwichartigen Aufbau aus Kühlplatten und in separaten Platten gehaltenen Lasermaterialien Fig. 2: Draufsicht auf eine Kühlplatte mit Elementen zur Kühlung

Fig. 3: Draufsicht auf eine Halterplatte für Lasermaterial

Fig. 4: Draufsicht auf eine Kühlplatte mit alternativen Abmessungen

Als Ausführungsbeispiel (Querschnitt siehe Fig. 1) der Erfindung soll hier ein aus mehreren einzelnen Lasermedien 1 bestehender Laserkopf beschrieben werden. Die einzelnen Scheiben des aktiven Mediums werden abwechselnd mit einem transparenten, gut wärmeleitenden Material (bspw. Saphir) 3 sandwichartig gestapelt und durch einen dünnen gasgefüllten Spalt 2 getrennt. Hierbei wird die durch den Laserprozess im aktiven Medium generierte Abwärme über den Gasspalt vollflächig auf das transparente wärmeleitende Material 3 übertragen. Der Abstand von 1 und 3 ist über einen Abstandshalter 4 festgelegt (im Allgemeinen einige Mikrometer). Der Abstandshalter 4 ist im Allgemeinen nicht als wärmeleitender Übergang ausgelegt und kann somit als dünner Kreisring auch aus schlecht wärmeleitenden Materialien (z.B. Kapton) gefertigt werden. Dieser kann dabei an einer oder mehreren Stellen unterbrochen sein, damit ein Druckausgleich innerhalb des Kühlkopfes möglich ist. Als kontaktierendes Gas kommen hierbei alle Gase oder Gasgemische in Frage, die im angestrebten Temperaturbereich von etwa 100 K noch im gasförmigen Aggregatzustand vorliegen, beispielsweise He, Ar, Ne, Xe, Kr, N ₂ , H ₂ , 0 ₂ u. a. Im Beispiel soll hierfür Helium verwendet werden, da hiermit ein besonders guter Wärmeübergang erreicht werden kann. Der Druck im Zwischenraum soll im Ausführungsbeispiel kleiner gleich 1 Bar sein. Ausdehnungsunterschiede zwischen Saphirplatte 3 und Lasermaterial 1 führen nicht zu Verspannungen, da kein fixer mechanischer Kontakt vorliegt.

Erfindungsgemäß sind die Saphirplatten um die optische Achse 5 umlaufend mit einem dünnen (einige hundert Mikrometer), ringförmigen Kupferblech 6 kontaktiert. Dieses besitzt radial angeordnete, nach innen gerichtete, gleichsinnig gebogene Stege 7 deren Enden thermisch leitend an den äußeren Rand der Saphirplatten im Verbindungsbereich 8 angelötet sind (siehe Fig. 2). Der äußere Bereich der Kupferbleche 6 ist nun direkt mit einer Wärmesenke verbunden, die z. B. durch ein temperaturstabilisiertes dickes Kupferblech 9 realisiert werden kann.

Kommt es nun zu Ausdehnungsunterschieden zwischen dem Kupferring 6 und der Saphirplatte 3, werden diese durch eine Drehbewegung der Saphirplatte verbunden mit einer Verwindung der Kupferstege 7 ausgeglichen. Es entsteht somit keine mechanische Spannung innerhalb der optisch wirksamen Saphirplatte 3. Der Verbund aus Saphirplatte, dünnem Kupferblech und Wärmesenke bildet eine Einheit, die im Folgenden als Kühlplatte bezeichnet werden soll.

Das Lasermaterial selbst sei federnd gelagert, um zum einen dessen Zentrierung zu gewährleisten und zum anderen eine ungehinderte Ausdehnung zu ermöglichen. Dies wird z. B. mittels einer Anordnung gemäß Fig. 3 in einer separaten Halterplatte erreicht. Das aktive Medium wird innerhalb des umliegenden Halters 10 mit zwei fixen Auflagepunkten 11 und einem Federblech 12 zentriert. Ein derartig gehaltertes Lasermedium wird im Folgenden als Verstärkerplatte bezeichnet.

Eine luftdichte Versiegelung des Laserkopfes wird durch Verwendung tieftemperaturtau glicher Dichtringe 13, beispielsweise aus Teflon, zwischen Verstärkerund Kühlplatten erreicht. Zusätzlich wird eine Abschlussplatte 14 auf jeder Seite des Kopfes verbaut. Diese besitzt außerdem mindestens eine Durchführung, die es ermöglicht das Gas in die Zwischenräume des Kopfes einzulassen (aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht explizit dargestellt). Die einzelnen Platten des Laserkopfes können abschließend beispielsweise durch in den Kühl- bzw. Verstärkerplatten vorgesehene Bohrungen 16 miteinander verschraubt werden. Im vorgestellten Laserkopf wird eine hohe Kühlleistung erreicht, wobei sämtliche optisch relevanten Teile ohne steife mechanische Verbindungen aufgehängt sind. Hierdurch werden mechanische Verspannungen, wie Sie bei der Verwendung über einen großen Temperaturbereich ansonsten zu erwarten sind, vermieden.

Als weiteres Ausführungsbeispiel ist es denkbar, dass für einige Laseranordnungen mit bestimmten gut wärmeleitenden Lasermedien (bspw. Titan-Saphir) vom sandwichartigen Aufbau (vgl. Fig. 1) abgewichen wird. In diesem Fall sind das zu kühlende optische Element und das optisch transmissive Kühlelement identisch (vgl. Unteranspruch 5). Dann kann man das aktive Lasermedium direkt mit den zur optischen Achse 15 zeigenden Enden der Lamellen 7 im Verbindungsbereich 8 verlöten.

Für hohe zu kühlende Gesamtleistungen empfiehlt es sich, an Stelle der radialsymmetrischen Apertur eine Apertur (bzw. Strahlprofil) mit hohem Aspektverhältnis (vgl. Fig. 4) zu verwenden. Beispielsweise ist statt der Verwendung eines radialsymmetrischen Strahlprofils 15 ein rechteckiges Strahlprofil denkbar 15a. Dies gewährleistet eine gute Abführung der eingetragenen Wärme in der schmalen Achse und erlaubt eine Skalierung der Gesamtleistung in der langen Achse. In Fig. 4 ist ein beispielhafter Aufbau für eine derartige Kühlplatte dargestellt. In diesem Beispiel sind die Lamellen 7a derart angeordnet, dass eine Ausdehnung des optisch transmissiven Kühlelements 3a in eine seitliche Translation umgesetzt wird.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

Lasermedium

gasgefüllter Spalt

optisch transmissives Kühlelement

Abstandshalter

optische Achse

dünnes Kupferblech

Stege

Verbindungsbereich

Wärmesenke

Halter z.B. aus Aluminium

Auflagepunkt

Federblech

Dichtring

Endplatte

Stahlquerschnitt

Bohrungen

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