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DE102012021169A1 - Laser amplifier system with solid-state disk - Google Patents

Laser amplifier system with solid-state disk Download PDF

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DE102012021169A1
DE102012021169A1 DE201210021169 DE102012021169A DE102012021169A1 DE 102012021169 A1 DE102012021169 A1 DE 102012021169A1 DE 201210021169 DE201210021169 DE 201210021169 DE 102012021169 A DE102012021169 A DE 102012021169A DE 102012021169 A1 DE102012021169 A1 DE 102012021169A1
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adhesive
solid
heat sink
amplifier system
laser amplifier
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Mikhail Larionov
Jörg Neuhaus
Steffen Sommer
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Dausinger & Giesen GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laserverstärkersystem (1), mit einer ein Lasermedium umfassenden Festkörperscheibe (2) mit zwei Flachseiten (3, 4), wobei auf der ersten Flachseite (3) Funktionsschichten (5), umfassend einen Reflektor für ein Pumpstrahlungsfeld (6), sowie einen Reflektor für ein Laserstrahlungsfeld (7), angeordnet sind und die Funktionsschichten (5) zur Ableitung von Wärme thermisch und mechanisch mit einer Kühlfläche (8) eines Kühlkörpers (9) gekoppelt sind, wobei die Kopplung wenigstens teilweise über eine zwischen Kühlkörper (9) und Funktionsschicht (5) angeordnete Klebstoffschicht (10) realisiert ist. Das Laserverstärkersystem zeichnet sich dadurch aus, dass die Klebstoffschicht (10) durch einen Klebstoff gebildet wird, der beim Übergang vom flüssigen zum festen Zustand eine wesentliche Volumenänderung erfährt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems (1).The invention relates to a laser amplifier system (1) with a solid body disc (2) comprising a laser medium with two flat sides (3, 4), functional layers (5) comprising a reflector for a pump radiation field (6) on the first flat side (3), and a reflector for a laser radiation field (7), and the functional layers (5) for dissipating heat are thermally and mechanically coupled to a cooling surface (8) of a heat sink (9), the coupling being at least partially via a heat sink (9 ) and functional layer (5) arranged adhesive layer (10) is realized. The laser amplifier system is characterized in that the adhesive layer (10) is formed by an adhesive which undergoes a substantial change in volume during the transition from the liquid to the solid state. The invention further relates to a method for producing the laser amplifier system (1) according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserverstärkersystem, umfassend eine Festkörperscheibe mit zwei Flachseiten, wobei auf der ersten Flachseite Funktionsschichten, umfassend einen Reflektor für ein Pumpstrahlungsfeld, sowie einen Reflektor für ein Laserstrahlungsfeld angeordnet sind und die Funktionsschichten zur Ableitung von Wärme thermisch und mechanisch mit einer Kühlfläche eines Kühlkörpers gekoppelt sind, wobei die Kopplung wenigstens teilweise über eine zwischen Kühlkörper und Funktionsschicht angeordnete Klebstoffschicht realisiert ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Laserverstärkersystems.The invention relates to a laser amplifier system comprising a solid-state disk with two flat sides, wherein on the first flat side functional layers comprising a reflector for a pump radiation field, and a reflector for a laser radiation field are arranged and the functional layers for dissipating heat thermally and mechanically with a cooling surface of a heat sink are coupled, wherein the coupling is at least partially realized via an arranged between the heat sink and functional layer adhesive layer. The invention further relates to a method for producing the laser amplifier system.

Solche Laserverstärkersysteme sind beispielsweise bekannt aus den Patentschriften EP 1 178 579 B1 , EP 0 632 551 B1 , EP 0 869 592 B1 und EP 0 869 591 B1 .Such laser amplifier systems are known, for example, from the patents EP 1 178 579 B1 . EP 0 632 551 B1 . EP 0 869 592 B1 and EP 0 869 591 B1 ,

In der EP 0 632 551 B1 , der EP 0 869 592 B1 und der EP 0 869 591 B1 ist ein Laserverstärkersystem beschrieben, bei dem der Kühlkörper aus einem wärmeleitenden Metall besteht und der thermische Kontakt über ein Lot zwischen Kühlkörper und Festkörperscheibe hergestellt wird. Gleichfalls wird dort ein weiteres Laserverstärkersystem beschrieben, bei dem der Kühlkörper aus einem transparenten Material, wie z. B. Diamant, Siliziumkarbid, oder anderen kohlenstoffhaltigen Verbindungen besteht. Es werden dort allerdings keine genauen Angaben über die thermische Kopplung von Festkörperscheibe und Kühlkörper gemacht.In the EP 0 632 551 B1 , of the EP 0 869 592 B1 and the EP 0 869 591 B1 a laser amplifier system is described in which the heat sink is made of a thermally conductive metal and the thermal contact is made via a solder between the heat sink and solid state disk. Likewise, there is described another laser amplifier system in which the heat sink of a transparent material, such as. As diamond, silicon carbide, or other carbon-containing compounds. However, there are no precise details about the thermal coupling of solid-state disk and heat sink.

In der EP 1 178 579 B1 wird ein Laserverstärkersystem beschrieben, bei dem die Festkörperscheibe mithilfe einer Klebstoffschicht mit dem Kühlkörper mechanisch und thermisch gekoppelt ist. Als Klebstoffschicht wird ein Klebstoff verwendet, mit einer Volumenänderung beim Übergang vom flüssigen zum festen Zustand, die kleiner als 5% ist. Dadurch soll eine Dejustage des optischen Systems beim Aushärten des Klebstoffs verhindert werden.In the EP 1 178 579 B1 describes a laser amplifier system in which the solid state disk is mechanically and thermally coupled to the heat sink by means of an adhesive layer. As the adhesive layer, an adhesive is used, with a volume change in the transition from the liquid to the solid state, which is less than 5%. This is intended to prevent misadjustment of the optical system during curing of the adhesive.

Festkörperscheiben haben den Vorteil, dass durch eine flächige gleichmäßige Kühlung ein linearer Temperaturgradient aufgebaut wird und somit die Ausbildung einer thermischen Linse im Festkörpermedium minimiert wird. Eine gute Kühlung der Festkörperscheibe ist daher essentiell.Solid-state disks have the advantage that a linear temperature gradient is built up by flat uniform cooling and thus the formation of a thermal lens in the solid-state medium is minimized. Good cooling of the solid disk is therefore essential.

Bei den anfänglich genannten herkömmlichen Lasersystemen bestimmt die Klebstoffschicht wesentlich den Wärmewiderstand zwischen Festkörperscheibe und Kühlkörper. Die Dicke der Klebstoffschicht lässt sich im noch flüssigen Zustand des Klebstoffs durch ein Aufpressen der Festkörperscheibe auf den Kühlkörper minimieren. Der Zeitaufwand zum Herauspressen des Klebstoffs wächst überproportional mit kleiner werdender Schichtdicke. Günstig für eine gute thermische Kopplung von Kühlkörper und Festkörperscheibe sind Klebstoffschichten mit Dicken im Bereich einiger Mikrometer bis zu einigen hundert Nanometern. Eine so dünne ganzflächige Klebstoffschicht lässt sich bei herkömmlichen Laserverstärkersystemen gar nicht oder nur mit sehr großem Zeitaufwand herstellen.In the case of the initially mentioned conventional laser systems, the adhesive layer substantially determines the thermal resistance between the solid-state disk and the heat sink. The thickness of the adhesive layer can be minimized in the still liquid state of the adhesive by pressing the solid-state disk onto the heat sink. The time required to extrude the adhesive grows disproportionately with decreasing layer thickness. For a good thermal coupling of the heat sink and the solid-state disk, adhesive layers with thicknesses in the range of a few micrometers to a few hundred nanometers are favorable. Such a thin adhesive layer over the entire surface can not be produced in conventional laser amplifier systems or only with great expenditure of time.

Eine Lösung bietet die Verwendung einer zum Kühlkörper hin konvex gekrümmten Festkörperscheibe in Kombination mit einem planen Kühlkörper, wie es in der EP 1 178 579 B1 beschrieben ist. Eine solche gekrümmte Scheibe kann mit wenig Druck auf einen mit Klebstoff benetzten planen Kühlkörper gepresst werden, da die Klebstoffschicht entsprechend der Krümmung der Festkörperscheibe radial nach außen zunimmt kann der Klebstoff leicht in die Randbereiche verdrängt werden. Im Scheitelpunkt der konvex gekrümmten Scheibe kann ein minimaler Abstand zwischen Kühlkörper und Festkörperscheibe realisiert werden. Letztlich ist aber dieser Kontaktbereich sehr klein, so dass insbesondere bei Pumpstrahlungsfeldern mit großem Durchmesser der Wärmewiderstand in den Randbereichen der an den aktiven vom Pumpstrahlungsfeld durchsetzten Bereich der Festkörperscheibe angrenzenden Klebstoffschicht größer ist.One solution is the use of a convexly curved solid body towards the heat sink in combination with a planar heat sink, as it is in the EP 1 178 579 B1 is described. Such a curved disc can be pressed with little pressure on a wetted with adhesive planar heat sink, since the adhesive layer increases according to the curvature of the solid disk radially outward, the adhesive can be easily displaced into the edge regions. At the apex of the convexly curved disk, a minimum distance between the heat sink and the solid disk can be realized. Ultimately, however, this contact region is very small, so that the heat resistance in the edge regions of the adhesive layer adjacent to the active region of the solid-state disk interspersed by the active pump radiation field is greater, especially in the case of pump radiation fields having a large diameter.

Die Ausgangsleistung von Laserverstärkersystemen mit Festkörperscheibe lässt sich grundsätzlich durch eine Vergrößerung des Durchmessers des Pumpstrahlungsfeldes bei gleich bleibender Pumpleistungsdichte auf der Festkörperscheibe nach oben skalieren.The output power of solid-state laser amplifier systems can basically be scaled up by increasing the diameter of the pump radiation field while maintaining the pump power density on the solid-state disk.

Die Herstellung einer gleichmäßig dünnen Schicht zwischen der Kühlfläche des Kühlkörpers und den auf der Festkörperscheibe angeordneten Funktionsschichten wird bei zunehmendem Durchmesser der Scheibe schwieriger.The production of a uniformly thin layer between the cooling surface of the heat sink and the functional layers arranged on the solid-state disk becomes more difficult as the diameter of the disk increases.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laserverstärkersystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bereitzustellen, das ganzflächig einen möglichst geringen thermischen Wärmewiderstand zwischen Festkörperscheibe und Kühlkörper aufweist und dabei möglichst zeit- und kostengünstig hergestellt werden kann.The invention has for its object to provide a laser amplifier system according to the preamble of claim 1, which has the lowest possible thermal thermal resistance between the solid disk and heat sink over the entire surface and can be produced as time and cost.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Laserverstärkersystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Klebstoffschicht durch einen Klebstoff gebildet wird, der beim Übergang vom flüssigen zum festen Zustand eine wesentliche Volumenänderung erfährt.The object is achieved by a laser amplifier system according to the preamble of claim 1, which is characterized in that the adhesive layer is formed by an adhesive which undergoes a significant volume change in the transition from liquid to solid state.

Ein solcher Klebstoff hat den Vorteil, dass die Dicke der Klebstoffschicht neben z. B. einer auf die zweite Fläche der Festkörperscheibe zum Kühlkörper gerichtete wirkende Kraft zum Herauspressen von überflüssigem Klebstoff aus dem zwischen Funktionsschichten und Kühlkörper vorliegendem Spalt, auch zusätzlich durch eine selbstständige Variation der Dicke der Klebstoffschicht während des Aushärtens minimiert werden kann. Die Dicke der Klebstoffschicht ist demnach im noch flüssigen Zustand größer als im festen Zustand, was zu einer Zeitersparnis bei der Herstellung der Schicht führt und eine Endjustage im noch flüssigen Zustand des Klebstoffs erleichtert.Such an adhesive has the advantage that the thickness of the adhesive layer in addition to z. B. one on the second surface of the solid disk for Heat sink directed acting force for pressing out excess adhesive from the present between functional layers and heat sink gap, can also be minimized by an independent variation of the thickness of the adhesive layer during curing. The thickness of the adhesive layer is therefore larger in the still liquid state than in the solid state, which leads to a time savings in the production of the layer and facilitates a final adjustment in the still liquid state of the adhesive.

Erfindungsgemäß wird als „wesentliche Volumenänderung” eine Volumenänderung verstanden, die mindestens 5% beträgt.According to the invention, a "substantial change in volume" is understood to mean a volume change which is at least 5%.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Klebstoff ein Klebstoff ist, der beim Übergang vom flüssigen zum festen Zustand eine möglichst gleichmäßige Volumenänderung aufweist. Dabei ist es günstig, wenn ein Klebstoff verwendet wird, der über die gesamte Klebstoffschicht eine möglichst homogene Zusammensetzung aufweist. Bei einer gleichmäßigen Zufuhr von Aktivierungsenergie zur Aktivierung des Übergangs vom flüssigen zum festen Zustand des Klebstoffes, sollte dann der Unterschied der relativen Volumenänderung des Klebstoffes in zwei beliebigen Bereichen des Klebstoffvolumens während des gesamten Übergangs vom flüssigen zum festen Zustand weniger als 10% betragen, wobei beiden Bereichen ein gleicher Anteil an Aktivierungsenergie zugeführt wird.In particular, it is advantageous if the adhesive is an adhesive which has as uniform a volume change as possible from the liquid to the solid state. It is advantageous if an adhesive is used which has a homogeneous composition over the entire adhesive layer. With a uniform supply of activation energy to activate the liquid to solid state transition of the adhesive, then the difference in relative volume change of the adhesive in any two areas of the adhesive volume should be less than 10% throughout the transition from liquid to solid state A similar proportion of activation energy is supplied to areas.

Günstig für die Leistungsskalierung des Laserverstärkersystems ist es, wenn die Festkörperscheibe einen Durchmesser aufweist, der größer als 15 mm, vorzugsweise größer als 20 mm ist.It is favorable for the power scaling of the laser amplifier system if the solid-state disk has a diameter that is greater than 15 mm, preferably greater than 20 mm.

Es kann so bei entsprechender Skalierung des Pumpstrahlungsfelddurchmessers die Gesamtleistung des Pumpstrahlungsfeldes vergrößert werden, ohne dabei die Pumpleistungsdichte anheben zu müssen.It can be increased with appropriate scaling of the pump radiation field diameter, the total power of the pump radiation field without having to raise the pump power density.

Insbesondere ist die Verwendung einer im wesentlichen planen Festkörperscheibe von Vorteil, da dann die thermische Kopplung zu einem planen, flächigen Kühlkörper überall gleich ist. Letzterer ist im Vergleich zu einem Kühlkörper mit beispielsweise gekrümmter Kühlfläche einfacher in der Herstellung.In particular, the use of a substantially planar solid-state disk is advantageous, since then the thermal coupling to a planar, flat heat sink is the same everywhere. The latter is easier to manufacture compared to a heat sink with, for example, a curved cooling surface.

Der Kühlkörper kann dabei aus einem beliebigen Material mit guter Wärmeleitung hergestellt sein. Beispielsweise ist eine Kupferlegierung denkbar. Besonders vorteilhaft ist aber ein transparenter Kühlkörper, z. B. aus Diamant, oder Siliziumcarbid.The heat sink can be made of any material with good heat conduction. For example, a copper alloy is conceivable. But is particularly advantageous a transparent heat sink, for. As diamond, or silicon carbide.

In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung umfasst die Klebstoffschicht neben dem Klebstoff einen Füllstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 1 W/cm/K.In a particularly advantageous variant of the invention, the adhesive layer comprises, in addition to the adhesive, a filler with a thermal conductivity of more than 1 W / cm / K.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Füllstoff Festkörperpartikel mit einem Füllgrad von über 10% umfasst, wobei die Festkörperpartikel mit einem Durchmesser im Nano- oder Mikrometerbereich im wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweisen.It is particularly advantageous if the filler comprises solid particles with a degree of filling of more than 10%, wherein the solid particles having a diameter in the nanometer or micrometer range have substantially the same diameter.

Beim Aushärten des Klebstoffs verringert sich das Volumen des Klebstoffs, so dass die Festkörperscheibe zum Kühlkörper herangezogen wird. Dabei ist es günstig, wenn die Volumenänderung des Klebstoffs so groß ist, dass die Schichtdicke nach dem Aushärten des Klebstoffs gerade dem Durchmesser der Festkörperpartikel entspricht. Die Festkörperpartikel verbessern dabei den thermischen Kontakt zwischen Kühlkörper und Festkörperscheibe, da die Schichtdicke des Klebstoffs zwischen Festkörperpartikel und Kühlkörper bzw. Funktionsschichten minimiert wird und im günstigsten Fall die Festkörperpartikel durch die Volumenänderung des Klebstoffs in direktem Kontakt mit dem Kühlkörper und den auf die Festkörperscheibe aufgebrachten Funktionsschichten, wie z. B. dem Reflektor, kommen.As the adhesive hardens, the volume of the adhesive decreases, causing the solid disk to become the heat sink. It is advantageous if the volume change of the adhesive is so great that the layer thickness after curing of the adhesive just corresponds to the diameter of the solid particles. The solid particles improve the thermal contact between the heat sink and solid disk, since the layer thickness of the adhesive between solid particles and heat sink or functional layers is minimized and in the best case, the solid particles by the volume change of the adhesive in direct contact with the heat sink and applied to the solid state functional layers , such as B. the reflector come.

Vorzugsweise sind die Festkörperpartikel nicht rund, sondern mit einer ebenen Oberfläche versehen, beispielsweise in Form eines Polyeders, so dass ein möglichst guter Kontakt aufgrund eines flächigen Kontakts mit den Oberflächen der Festkörperpartikel hergestellt werden kann.Preferably, the solid particles are not round, but provided with a flat surface, for example in the form of a polyhedron, so that the best possible contact due to a surface contact with the surfaces of the solid particles can be produced.

Vorteilhafterweise sind die Durchmesser der Festkörperpartikel im wesentlichen gleich. Günstig sind maximale Abweichungen von einigen 10 nm, maximal 150 nm. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verteilung der Durchmesser der Festkörperpartikel ein Maximum bei der gewünschten Schichtdicke aufweisen, wobei die Anzahl an Festkörperpartikeln mit größerem Durchmesser bei der zuvor genannten maximalen Abweichung gegen Null geht, im Bereich kleinerer Durchmesser sich die Verteilung der Durchmesser aber beliebig verhalten kann.Advantageously, the diameters of the solid particles are substantially the same. Favorable are maximum deviations of a few 10 nm, a maximum of 150 nm. It is particularly advantageous if the distribution of the diameters of the solid particles have a maximum at the desired layer thickness, wherein the number of solid particles with a larger diameter approaches zero with the aforementioned maximum deviation , in the range of smaller diameter, the distribution of the diameter but can behave arbitrarily.

Die Festkörperscheibe wird teilweise von einem Pumpstrahlungsfeld, als auch Laserstrahlungsfeld durchsetzt. Dieser Bereich wird im Folgenden auch als „aktiver Bereich” der Festkörperscheibe bezeichnet.The solid-state disk is partially penetrated by a pump radiation field, as well as a laser radiation field. This area is also referred to below as the "active area" of the solid state disk.

Zweckmäßigerweise ist der wesentliche Anteil des Klebstoffs über einen Querschnitt verteilt, der weniger als 50% der Kühlfläche zwischen dem Kühlkörper und dem aktivem Bereich der Festkörperscheibe bedeckt. Beispielsweise ist dies dann der Fall, wenn der Klebstoff Festkörperpartikel enthält, deren Füllgrad in diesem Bereich wenigstens 50% und deren Durchmesser ungefähr der Schichtdicke der Klebstoffschicht entspricht.Conveniently, the substantial portion of the adhesive is distributed over a cross section covering less than 50% of the cooling area between the heat sink and the active area of the solid state disk. For example, this is the case when the adhesive contains solid particles whose degree of filling in this area corresponds to at least 50% and whose diameter corresponds approximately to the layer thickness of the adhesive layer.

Vorteilhaft ist auch der Einsatz eines Gitters als Füllstoff. Dabei ist das Gitter zwischen dem Kühlkörper und der Festkörperscheibe flächig angeordnet und wird vom Klebstoff durchsetzt. Die Festkörperscheibe kann bei noch nicht ausgehärtetem Klebstoff leicht justiert werden, wobei hingegen beim Übergang vom flüssigen zum festen Zustand des Klebstoffs, die Festkörperscheibe mit ihren Funktionsschichten auf das Gitter gepresst wird, um den thermischen Kontakt zwischen Funktionsschichten und Kühlkörper zu verbessern. Also advantageous is the use of a grid as a filler. In this case, the grid between the heat sink and the solid disk is arranged flat and is penetrated by the adhesive. The solid disk can be easily adjusted with not yet cured adhesive, however, whereas the transition from liquid to solid state of the adhesive, the solid state disk is pressed with their functional layers on the grid to improve the thermal contact between functional layers and heat sink.

Günstig ist auch ein Kühlkörper mit einer Kühlfläche mit Ausnehmungen zur Aufnahme des Klebstoffs. Diese Ausnehmungen oder Kanäle können beispielsweise mithilfe eines Lasers hergestellt worden sein. Vor dem Aushärten des Klebstoffs sorgen die Ausnehmungen beim Aufpressen der Festkörperscheibe für einen guten Abtransport des dann noch flüssigen Klebstoffs nach außen. Es können so ganzflächige Abstände zwischen der Festkörperscheibe und dem Kühlkörper realisiert werden, die bei vollständig planen Flächen ohne Ausnehmungen gar nicht, oder nur unter erheblich größerem Zeitaufwand erzeugt werden können.Also favorable is a heat sink with a cooling surface with recesses for receiving the adhesive. These recesses or channels may, for example, have been produced by means of a laser. Before curing of the adhesive, the recesses provide for the removal of the solid disk for a good removal of the then still liquid adhesive to the outside. It can be so full-surface distances between the solid disk and the heat sink can be realized, which can not be generated at completely flat surfaces without recesses, or only with much greater expenditure of time.

Zweckmäßigerweise weisen die Ausnehmungen einen dreieckförmigen Querschnitt oder einen Querschnitt mit abgerundeten Kanten auf. Beim Übergang vom flüssigen zum festen Zustand des Klebstoffs wird der Klebstoff aus Bereichen außerhalb der Ausnehmungen in die Ausnehmungen hineingezogen.Conveniently, the recesses have a triangular cross section or a cross section with rounded edges. In the transition from the liquid to the solid state of the adhesive, the adhesive from areas outside of the recesses is drawn into the recesses.

Die Ausnehmungen können parallel zueinander oder von der Mitte ausgehend radial angeordnet sein. Auch andere Anordnungen sind denkbar.The recesses may be arranged radially parallel to one another or starting from the center. Other arrangements are conceivable.

Zweckmäßigerweise sind im Zentrum des aktiven Bereichs der Festkörperscheibe keine Ausnehmung im Kühlkörper vorgesehen. Beispielsweise kann dann der Klebstoff ausschließlich in den Ausnehmungen angeordnet sein, so dass in den Bereichen der Festkörperscheibe, in denen keine Ausnehmungen vorgesehen sind, ein direkter Kontakt zwischen Kühlkörper und den Funktionsschichten der Festkörperscheibe vorliegt. Sind die Oberflächen des Kühlkörpers und der Funktionsschichten ausreichend gut präpariert, kann in diesen Bereichen ein unmittelbarer Kontakt der beiden Flächen durch „Bonden” hergestellt werden. Die in den Ausnehmungen angeordnete Klebstoffschicht sorgt durch die Volumenänderung des Klebstoffs für einen zur Herstellung dieses Kontakts günstigen Anpressdruck.Appropriately, no recess in the heat sink are provided in the center of the active region of the solid-state disk. For example, then the adhesive may be arranged exclusively in the recesses, so that there is a direct contact between the heat sink and the functional layers of the solid state disk in the areas of the solid disk in which no recesses are provided. If the surfaces of the heat sink and the functional layers are sufficiently well prepared, a direct contact between the two surfaces can be produced by "bonding" in these areas. The adhesive layer arranged in the recesses ensures by the change in volume of the adhesive for a favorable contact pressure for the production of this contact.

Der Klebstoff kann dabei beispielsweise erst nach dem „Bonden” in die Ausnehmungen geführt werden.The adhesive can be performed, for example, only after the "bonding" in the recesses.

Vorteilhaft ist es bei einer Ausbildung des Laserverstärkersystems mit einem Füllstoff in der Klebstoffschicht oder Ausnehmungen im Kühlkörper, wenn die absolute Längenänderung der Klebstoffschicht beim Übergang vom flüssigen zum festen Zustand in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Kühlkörpers wenigstens so gross wie die Oberflächenrauhigkeit der Oberfläche des Füllstoffs bzw. des Kühlkörpers ist.It is advantageous in a design of the laser amplifier system with a filler in the adhesive layer or recesses in the heat sink, if the absolute change in length of the adhesive layer in the transition from liquid to solid state in a direction perpendicular to the surface of the heat sink at least as large as the surface roughness of the surface of the filler or the heat sink is.

Dies hat den Vorteil, dass die Oberflächen vor dem Aushärten der Klebstoffschicht so weit voneinander beabstandet sind, dass diese frei zueinander bewegt werden können. Nach dem Aushärten des Klebstoffs greifen die Oberflächen ineinander, so dass eine freie Bewegung nicht mehr möglich ist.This has the advantage that the surfaces before the curing of the adhesive layer are so far apart that they can be moved freely to each other. After curing of the adhesive, the surfaces interlock, so that a free movement is no longer possible.

Eine Volumenänderung von 5% entspricht bei einer Schichtdicke des Klebstoffs von einem Mikrometer einer Längenänderung von ungefähr 20 nm. Diese Längenänderung entspricht ungefähr der Oberflächenrauhigkeit einer äußerst fein polierten Oberfläche.A volume change of 5% corresponds to a change in length of approximately 20 nm for a layer thickness of the adhesive of one micron. This change in length corresponds approximately to the surface roughness of an extremely finely polished surface.

Zweckmäßigerweise weist der noch flüssige Klebstoff einen hohen Widerstand zur Leitung der Aktivierungsenergie auf, so dass beim Einleiten der Aktivierungsenergie ein Gradient in der Verteilung der Aktivierungsenergie innerhalb der Klebstoffschicht erzeugt wird. Bei einem Klebstoff, der durch ultraviolettes Licht aktiviert wird, kann dies beispielsweise durch eine erhöhte Absorption im ultravioletten Wellenlängenbereich realisiert werden.Conveniently, the still liquid adhesive has a high resistance for conducting the activation energy, so that when initiating the activation energy a gradient in the distribution of the activation energy is generated within the adhesive layer. In the case of an adhesive which is activated by ultraviolet light, this can be realized for example by an increased absorption in the ultraviolet wavelength range.

Dadurch wird gewährleistet, dass der Klebstoff zuerst im Grund der Ausnehmungen aushärtet, so dass der dann im Bereich der Funktionsschichten noch flüssige Klebstoff in die Ausnehmungen hineingezogen wird.This ensures that the adhesive first cures in the bottom of the recesses, so that the then still liquid adhesive is drawn into the recesses in the area of the functional layers.

In einer vorteilhaften Variante des Laserverstärkersystems weist der Füllstoff einen hohen Widerstand hinsichtlich des Energietransports der Aktivierungsenergie auf, so dass bei einem Einleiten der Aktivierungsenergie der Bereich zwischen Füllstoff und Funktionsschichten hinsichtlich der Aktivierungsenergie abgeschattet wird. In diesem Fall härtet der Klebstoff in diesen Bereichen weniger schnell aus, so dass der Klebstoff durch die Volumenänderung des Klebstoffs in anderen Bereichen aus den Bereichen zwischen Funktionsschicht und Füllstoff „abgesaugt wird”. Zweckmäßigerweise ist in einem solchen Fall der Klebstoff nicht durch thermische Energie, sondern beispielsweise durch ultraviolettes Licht aktivierbar. Günstig ist dabei, wenn der Füllstoff ultraviolettes Licht absorbiert.In an advantageous variant of the laser amplifier system, the filler has a high resistance with regard to the energy transport of the activation energy, so that when the activation energy is initiated, the area between filler and functional layers is shaded with regard to the activation energy. In this case, the adhesive in these areas hardens less quickly, so that the adhesive is "sucked" by the change in volume of the adhesive in other areas from the areas between functional layer and filler. Appropriately, in such a case, the adhesive is not activated by thermal energy, but for example by ultraviolet light. It is beneficial if the filler absorbs ultraviolet light.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Energietransport hinsichtlich der Aktivierungsenergie bei ausgehärtetem Klebstoff besser ist, als bei nicht ausgehärtetem Klebstoff. Beispielsweise ist dies bei einem Klebstoff der Fall, dessen Absorption im ultraviolettem Wellenlängenbereich im flüssigen Zustand größer ist, als im festen Zustand.It is particularly advantageous if the energy transport with respect to the activation energy is better with cured adhesive than with not cured adhesive. This is the case, for example, with an adhesive whose absorption in the ultraviolet wavelength range is greater in the liquid state than in the solid state.

Im Fall eines Laserverstärkersystems mit Ausnehmungen in der Kühlfläche des Kühlkörper sind dabei nur die Böden der Ausnehmungen für die Aktivierungsenergie durchlässig, nicht jedoch die Wandungen und/oder Stege zwischen den Ausnehmungen.In the case of a laser amplifier system with recesses in the cooling surface of the heat sink only the bottoms of the recesses are permeable to the activation energy, but not the walls and / or webs between the recesses.

Werden die Ausnehmungen durch eine Strukturierung der Kühlfläche hergestellt, kann dies beispielsweise dadurch realisiert sein, dass die Kühlfläche vor der Strukturierung mit einer für die Aktivierungsenergie undurchlässigen Schicht beschichtet wird. Denkbar ist z. B. eine für ultraviolettes Licht undurchlässige Absorptionsschicht. Dies ist insbesondere bei der Strukturierung des Kühlkörpers mit Laserlicht günstig, da dann eine auch für das entsprechende bei der Strukturierung verwendete Laserlicht absorptive Schicht gewählt werden kann um die für die Strukturierung notwendige Laserleistung durch eine erhöhte Absorption auf der beschichteten Kühlfläche zu reduzieren.If the recesses are produced by structuring the cooling surface, this can be achieved, for example, by coating the cooling surface with an activation-energy-impermeable layer before structuring. It is conceivable z. B. an ultraviolet light-impermeable absorption layer. This is favorable in particular in the structuring of the heat sink with laser light, since then a laser light absorptive layer which is also used for the corresponding structuring can be selected in order to reduce the laser power required for the structuring by an increased absorption on the coated cooling surface.

Es ist ferner vorteilhaft, wenn die Ausnehmungen mit größer werdendem Abstand zum aktiven Bereich der Festkörperscheibe einen größeren Querschnitt aufweisen und/oder deren Anzahl zunimmt.It is also advantageous if the recesses have a larger cross-section with increasing distance to the active region of the solid-state disk and / or whose number increases.

In einer Weiterentwicklung des Laserverstärkersystems ist eine zusätzliche thermische Homogenisierungsschicht zwischen Festkörperscheibe und Klebstoffschicht angeordnet, wobei die Homogenisierungsschicht eine höhere thermische Leitfähigkeit aufweist als die übrigen Funktionsschichten die auf der Festkörperscheibe aufgebracht sind, als auch der Festkörperscheibe selbst.In a further development of the laser amplifier system, an additional thermal homogenization layer is arranged between the solid-state disk and the adhesive layer, wherein the homogenization layer has a higher thermal conductivity than the other functional layers which are applied to the solid-state disk, as well as the solid-state disk itself.

Die Verwendung einer thermischen Homogenisierungsschicht ist insbesondere in Kombination mit einem Füllstoff im Klebstoff oder bei Ausnehmungen in der Kühlfläche des Kühlkörpers sinnvoll. In einer solchen Ausgestaltung des Laserverstärkersystems weist der Klebstoff eine geringere thermische Leitfähigkeit auf, als der Füllstoff. Es kommt so ein über die Fläche betrachteter inhomogener Wärmewiderstand zwischen Kühlkörper und Festkörperscheibe zustande. Die thermische Homogenisierungsschicht dient in diesem Fall zur gleichmäßigen Verteilung der in der Festkörperscheibe erzeugten Wärme. Etwaige, aufgrund des inhomogenen Wärmewiderstands entstehende Temperaturerhöhungen, insbesondere in Bereichen an denen die Klebstoffschicht die größte Ausdehnung besitzt, werden so minimiert.The use of a thermal homogenization layer is particularly useful in combination with a filler in the adhesive or in recesses in the cooling surface of the heat sink. In such an embodiment of the laser amplifier system, the adhesive has a lower thermal conductivity than the filler. This results in an inhomogeneous heat resistance between the heat sink and the solid-state disk considered over the surface. In this case, the thermal homogenization layer serves to uniformly distribute the heat generated in the solid-state disk. Any resulting from the inhomogeneous thermal resistance temperature increases, especially in areas where the adhesive layer has the largest extent are minimized.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des vorgenannten Laserverstärkersystems. Bei dem Verfahren wird ein Klebstoff mit einer wesentlichen Volumenänderung beim Übergang vom festen zum flüssigen Zustand auf eine Kühlfläche eines Kühlkörpers aufgetragen und die Festkörperscheibe mit ihren Funktionsschichten auf den Kühlkörper gepresst, wobei zum Aushärten des Klebstoffs die Aktivierungsenergie durch den Kühlkörper hindurch zum Klebstoff geleitet wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass vor dem Aufpressen der Festkörperscheibe auf den Kühlkörper Ausnehmungen zur Aufnahme von Klebstoff in der Kühlfläche des Kühlkörpers erzeugt werden.The invention further relates to a method for producing the aforementioned laser amplifier system. In the method, an adhesive with a substantial volume change in the transition from solid to liquid state is applied to a cooling surface of a heat sink and pressed the solid disk with their functional layers on the heat sink, wherein the curing energy of the adhesive, the activation energy is passed through the heat sink to the adhesive. The method is characterized in that recesses for receiving adhesive in the cooling surface of the heat sink are generated before pressing the solid-state disk onto the heat sink.

Da der Klebstoff über den durch die Ausnehmungen vergrößerten Querschnitt leichter nach außen wegfließen kann, kann die Klebstoffschicht in ausgewählten Bereichen zwischen den Funktionsschichten der Festkörperscheibe und dem Kühlkörper im Vergleich zu dem für das Zusammenpressen von Festkörperscheibe und Kühlkörper ohne Ausnehmungen notwendigen Zeitaufwand mit einem geringeren Zeitaufwand minimiert werden.Since the adhesive over the enlarged cross-section through the recesses can flow away easily to the outside, the adhesive layer can be minimized in selected areas between the functional layers of the solid disk and the heat sink in comparison to the time required for the compression of solid disk and heat sink without recesses time required with less time become.

In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Ausnehmungen in die Kühlfläche des Kühlkörpers strukturiert. Eine solche Strukturierung kann beispielsweise mithilfe eines Lasers erfolgen.In an advantageous variant of the method according to the invention, the recesses are structured in the cooling surface of the heat sink. Such structuring can be done for example by means of a laser.

Günstig ist es, wenn die Einstrahlung der Aktivierungsenergie mit einem solchen Winkel zu den Ausnehmungen erfolgt, bei dem die Ausnehmungen eine geradlinige Ausbreitung der Aktivierungsenergie zu den Stegen zwischen den Ausnehmungen abschatten. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Klebstoffschicht zuerst in den Ausnehmungen aushärtet.It is favorable if the irradiation of the activation energy takes place at such an angle to the recesses, in which the recesses shadow a rectilinear propagation of the activation energy to the webs between the recesses. This can ensure that the adhesive layer first cures in the recesses.

Zweckmäßigerweise wird dabei ein Klebstoff verwendet, der bei Bestrahlung mit Licht ultravioletter Wellenlänge aushärtet.Conveniently, an adhesive is used which hardens upon irradiation with ultraviolet light.

Vorteilhafterweise wird bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zusätzlich eine für die Aktivierungsenergie absorptive Schicht auf die Kühlkörperfläche und/oder das Gitter aufgetragen. Im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen Fall, in dem die Einstrahlung unter einem Winkel erfolgt, kann bei Auftragen einer absorptiven Schicht die Einstrahlung der Aktivierungsenergie auch in einem senkrechten Winkel erfolgen.Advantageously, in a further variant of the method according to the invention, a layer absorptive of the activation energy is additionally applied to the heat sink surface and / or the grid. In contrast to the case described above, in which the irradiation takes place at an angle, when an absorptive layer is applied, the irradiation of the activation energy can also take place at a vertical angle.

Zweckmäßigerweise wird die absorptive Schicht vor der Strukturierung auf die Kühlfläche des Kühlkörpers aufgetragen. Wird die Kühlfläche anschließend mit einem Laser strukturiert, so kann die absorptive Schicht auch für eine erhöhte Absorption und daher höhere Bearbeitungseffizienz während der Strukturierung sorgen.Conveniently, the absorptive layer is applied to the cooling surface of the heat sink prior to structuring. If the cooling surface is subsequently patterned with a laser, the absorptive layer can also be used for increased absorption and therefore provide higher processing efficiency during patterning.

Eine andere Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung des Laserverstärkersystems sieht vor, dass die Festkörperscheibe mit ihren Funktionsschichten auf den Kühlkörper gepresst wird, so dass der Kühlkörper und die Funktionsschichten der Festkörperscheibe einen Materialschluss eingehen, wobei erst anschließend der Klebstoff von außen in die Ausnehmungen eingeleitet wird.Another embodiment of the method for producing the laser amplifier system provides that the solid-state disk with its functional layers is pressed onto the heat sink, so that the heat sink and the functional layers of the solid-state disk enter into a material closure, the adhesive only being introduced from the outside into the recesses.

Dies hat den Vorteil, dass der Kontakt zwischen den Funktionsschichten der Festkörperscheibe und dem Kühlkörper ohne Verunreinigungen durch den Klebstoff erfolgen kann. Der Klebstoff wird anschließend durch z. B. Kapillarkräfte in die Ausnehmungen geleitet und ausgehärtet. Beim Aushärten sorgt die Volumenänderung des Klebstoffs dafür, dass die Kraft mit der die Funktionsschichten auf den Kühlkörper gepresst werden noch weiter vergrößert wird. Der Materialschluss und damit der thermische Kontakt zwischen Kühlkörper und Funktionsschichten kann so noch weiter verbessert werden.This has the advantage that the contact between the functional layers of the solid-state disk and the heat sink can take place without contamination by the adhesive. The adhesive is then z. B. conducted capillary forces in the recesses and cured. During curing, the change in the volume of the adhesive ensures that the force with which the functional layers are pressed onto the heat sink is further increased. The material connection and thus the thermal contact between the heat sink and functional layers can be further improved.

Die Erfindung betrifft ferner ein weiteres Verfahren zur Herstellung des vorgenannten Laserverstärkersystems. Dabei wird ebenso wie im vorherigen Verfahren ein Klebstoff mit einer wesentlichen Volumenänderung beim Übergang vom festen zum flüssigen Zustand auf eine Kühlfläche eines Kühlkörpers aufgetragen und die Festkörperscheibe mit ihren Funktionsschichten auf die Klebstoffschicht und den Kühlkörper gepresst, wobei zum Aushärten des Klebstoffs die Aktivierungsenergie durch den Kühlkörper hindurch zum Klebstoff geleitet wird. Das Verfahren zeichnet sich nun dadurch aus, dass als Festkörperscheibe eine Festkörperscheibe gewählt wird, deren Dicke größer ist, als die Dicke der Schicht die später im Betrieb des Laserverstärkersystems als aktive Schicht zum Einsatz kommt.The invention further relates to a further method for producing the aforementioned laser amplifier system. In this case, just as in the previous method, an adhesive is applied with a substantial change in volume in the transition from solid to liquid state on a cooling surface of a heat sink and pressed the solid disk with their functional layers on the adhesive layer and the heat sink, wherein for curing of the adhesive, the activation energy through the heat sink passed through to the adhesive. The method is characterized by the fact that a solid-state disk is selected as a solid disk whose thickness is greater than the thickness of the layer which is later used as an active layer during operation of the laser amplifier system.

Die aktive Schicht zeichnet sich erfindungsgemäß z. B. dadurch aus, dass die Festkörperscheibe in diesem Bereich mit Ionen zur Erzeugung einer Besetzungsinversion bei Einstrahlung eines entsprechendes Pumpstrahlungsfeldes dotiert ist.The active layer is according to the invention z. Example, characterized in that the solid state disk is doped in this area with ions to produce a population inversion upon irradiation of a corresponding pump radiation field.

Dabei kann in einem zusätzlichen Schritt die Dicke einer gänzlich dotierten Festkörperscheibe nach dem Aufkleben und Aushärten des Klebstoffs verringert werden und anschließend eine Antireflexschicht für das Pump- und Laserstrahlungsfeld auf die Festkörperscheibe aufgebracht werden.In this case, in an additional step, the thickness of a fully doped solid disk after sticking and curing of the adhesive can be reduced and then an antireflection layer for the pump and laser radiation field are applied to the solid state disk.

Die Dicke der Festkörperscheibe kann beispielsweise durch Läppen und/oder Polieren verringert werden.The thickness of the solid-state disk can be reduced, for example, by lapping and / or polishing.

Bei einer solchen Variante des Verfahrens kann die Dicke der Festkörperscheibe vor dem Aufpressen auf den Kühlkörper so gewählt werden, dass diese eine mechanische Stabilität aufweist, die genügt um die Festkörperscheibe ohne Formveränderung mit den Funktionsschichten zu beschichten und auch beim Kleben auf den Kühlkörper zu keiner wesentlichen Formveränderung führt. Beim Läppen und/oder Polieren wird die Dicke der Scheibe so eingestellt, dass diese für den Betrieb im Laserverstärkersystem je nach Dotierung optimiert ist.In such a variant of the method, the thickness of the solid-state disk before being pressed onto the heat sink can be selected such that it has a mechanical stability sufficient to coat the solid-state disk without changing the shape with the functional layers and even when glued to the heat sink Form change leads. When lapping and / or polishing, the thickness of the disk is adjusted so that it is optimized for operation in the laser amplifier system depending on the doping.

Andererseits ist auch denkbar, dass eine Festkörperscheibe verwendet wird, die nur in einem bestimmten Bereich mit der entsprechend gewünschten Schichtdicke mit den Laseraktiven Ionen dotiert ist.On the other hand, it is also conceivable that a solid-state disk is used which is doped with the laser-active ions only in a certain range with the corresponding desired layer thickness.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.An advantageous embodiment of the laser amplifier system according to the invention will be explained with reference to the embodiments illustrated in the drawings.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung des Laserverstärkersystems gemäß der Erfindung, 1 a schematic representation of the laser amplifier system according to the invention,

2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems ohne Strahlungsfelder, bei dem die Klebstoffschicht einen Füllstoff aus Festkörperpartikel beinhaltet und der Klebstoff noch nicht ausgehärtet ist, 2 a schematic representation of the laser amplifier system according to the invention without radiation fields, in which the adhesive layer includes a filler of solid particles and the adhesive is not cured yet,

3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems gemäß 2, bei dem der Klebstoff ausgehärtet ist, 3 a schematic representation of the laser amplifier system according to the invention according to 2 in which the adhesive has cured,

4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems, bei dem ein Gitter flächig zwischen Funktionsschichten der Festkörperscheibe und dem Kühlkörper angeordnet ist, wobei der Klebstoff noch nicht ausgehärtet ist, 4 a schematic representation of the laser amplifier system according to the invention, in which a grid is arranged flat between functional layers of the solid state disk and the heat sink, wherein the adhesive is not cured yet,

5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems gemäß 4, wobei hier der Klebstoff ausgehärtet ist, 5 a schematic representation of the laser amplifier system according to the invention according to 4 , in which case the adhesive has hardened,

6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems mit Ausnehmungen im Kühlkörper, wobei der Klebstoff nicht ausgehärtet ist, 6 a schematic representation of a laser amplifier system according to the invention with recesses in the heat sink, wherein the adhesive is not cured,

7 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Laserverstärkersystem nach 6, wobei hier der Klebstoff ebenfalls im noch nicht ausgehärteten Zustand dargestellt ist, und anders als in 6 nur in die Ausnehmungen eingebracht wurde, 7 a schematic representation of the laser amplifier according to the invention according to 6 Here, the adhesive is also shown in the uncured state, and unlike in 6 was introduced only in the recesses,

8 eine schematische Darstellung des Laserverstärkersystems nach 6 oder 7, wobei hier der Klebstoff ausgehärtet ist, 8th a schematic representation of the laser amplifier system according to 6 or 7 , in which case the adhesive has hardened,

9 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems mit Ausnehmungen im Kühlkörper und einer zusätzlichen thermischen Homogenisierungsschicht, wobei der Kleber in der Darstellung noch nicht ausgehärtet ist, 9 1 is a schematic representation of a laser amplifier system according to the invention with recesses in the heat sink and an additional thermal homogenization layer, wherein the adhesive in the illustration has not yet cured,

10 eine schematische Darstellung des Laserverstärkersystem aus 9, wobei nun der Klebstoff ausgehärtet dargestellt ist, 10 a schematic representation of the laser amplifier system 9 , where now the adhesive is shown cured,

11 eine schematische Darstellung des Laserverstärkersystems mit einer zusätzlichen Absorptionsschicht auf den Stegen zwischen den in den Kühlkörper eingebrachten Ausnehmungen für ultraviolettes Licht, 11 a schematic representation of the laser amplifier system with an additional absorption layer on the webs between the introduced into the heat sink recesses for ultraviolet light,

12 eine schematische Darstellung des Laserverstärkersystems als Querschnittsansicht mit senkrechtem Blick auf die Kühlfläche und 12 a schematic representation of the laser amplifier system as a cross-sectional view with a vertical view of the cooling surface and

13 eine schematische Darstellung des Laserverstärkersystems als Querschnittsansicht mit senkrechtem Blick auf die Kühlfläche, wobei hier die Ausnehmungen radial nach außen dargestellt sind. 13 a schematic representation of the laser amplifier system as a cross-sectional view with a vertical view of the cooling surface, in which case the recesses are shown radially outward.

In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Laserverstärkungssystems (1) wiedergegeben, bei dem die Festkörperscheibe (2) in einem aktiven Bereich (16) von einem senkrecht einfallenden Laserstrahlungsfeld (7) und einem seitlich einfallenden Pumpstrahlungsfeld (6) durchsetzt ist. Dabei werden beide Strahlungsfelder (6, 7) von durch Funktionsschichten (5) gebildeten Reflektoren reflektiert, wobei die Reflektoren auf einer ersten Flachseite (3) der Festkörperscheibe (2) angeordnet sind.In 1 is a schematic representation of an embodiment of the laser gain system ( 1 ), in which the solid-state disk ( 2 ) in an active area ( 16 ) from a vertically incident laser radiation field ( 7 ) and a laterally incident pump radiation field ( 6 ) is interspersed. Both radiation fields ( 6 . 7 ) by functional layers ( 5 ) reflected reflectors, wherein the reflectors on a first flat side ( 3 ) of the solid state disk ( 2 ) are arranged.

Die Festkörperscheibe (2) ist mit ihren Funktionsschichten (5) über eine Klebstoffschicht (10) mit der Kühlfläche (8) eines Kühlkörpers (9) verbunden. Die Klebstoffschicht (10) sorgt dabei für thermischen und mechanischen Kontakt zwischen den Funktionsschichten (5) der Festkörperscheibe (2) und dem Kühlkörper (9).The solid-state disk ( 2 ) with its functional layers ( 5 ) via an adhesive layer ( 10 ) with the cooling surface ( 8th ) of a heat sink ( 9 ) connected. The adhesive layer ( 10 ) ensures thermal and mechanical contact between the functional layers ( 5 ) of the solid state disk ( 2 ) and the heat sink ( 9 ).

In der Darstellung ist die Klebstoffschicht (10) im noch nicht ausgehärteten Zustand dargestellt. Beim Aushärten des Klebstoffs erfährt die Klebstoffschicht (10) eine Volumenänderung, so dass sich diese Schicht entsprechend zusammenzieht.In the illustration, the adhesive layer ( 10 ) in the not yet cured state. When the adhesive is cured, the adhesive layer undergoes ( 10 ) a volume change, so that this layer contracts accordingly.

In den nachfolgenden Figuren sind Ausführungsbeispiele dargestellt bei denen das Volumen des Klebstoffs in der Klebstoffschicht (10) entweder durch einen Füllstoff (11, 15), oder durch Ausnehmungen (12) in der Kühlfläche (8) des Kühlkörpers (9) reduziert wird.In the following figures, exemplary embodiments are shown in which the volume of the adhesive in the adhesive layer (FIG. 10 ) either by a filler ( 11 . 15 ), or by recesses ( 12 ) in the cooling surface ( 8th ) of the heat sink ( 9 ) is reduced.

In 2 sind Festkörperpartikel (15) in der Klebstoffschicht (10) verteilt. Diese Festkörperpartikel (15) weisen im wesentlichen den gleichen Durchmesser auf. Während in 2 der Klebstoff noch nicht ausgehärtet dargestellt ist, ist dieser in 3 im ausgehärteten Zustand dargestellt.In 2 are solid particles ( 15 ) in the adhesive layer ( 10 ). These solid particles ( 15 ) have substantially the same diameter. While in 2 the adhesive is not yet cured, this is in 3 shown in the cured state.

Beim Aushärten erfährt der Klebstoff (10) eine Volumenänderung, so dass das Volumen der Klebstoffschicht (10) verringert wird. Dabei wird die Festkörperscheibe (2) auf den Kühlkörper (9) gezogen. Die Festkörperpartikel (15) begrenzen dabei die Schichtdicke zwischen den Funktionsschichten (5), die auf die Festkörperscheibe (2) aufgebracht sind und der Kühlfläche (8) des Kühlkörpers (9). Im günstigsten Fall wird ein gleichmäßiger thermischer Kontakt über die Festkörperpartikel (15) aufgebaut.During curing, the adhesive undergoes ( 10 ) a volume change, so that the volume of the adhesive layer ( 10 ) is reduced. The solid-state disk ( 2 ) on the heat sink ( 9 ) drawn. The solid particles ( 15 ) limit the layer thickness between the functional layers ( 5 ), which on the solid disk ( 2 ) are applied and the cooling surface ( 8th ) of the heat sink ( 9 ). In the best case, a uniform thermal contact over the solid particles ( 15 ) built up.

Die Volumenänderungen des Klebstoffs (10) wie sie in den Figuren dargestellt sind, sind rein schematisch zu verstehen. Die tatsächlichen Volumenänderungen sind erfindungsgemäß weitaus geringer, aber erzeugen prinzipiell die gleichen hier beschriebenen Effekte.The volume changes of the adhesive ( 10 ), as shown in the figures, are to be understood purely schematically. The actual volume changes are much smaller according to the invention, but in principle produce the same effects described here.

In 4 wird anstatt der Festkörperpartikel (15) ein Füllgitter (11) zwischen die Festkörperscheibe (2) und den Kühlkörper (9) gebracht. Der Klebstoff (10) füllt dabei die einzelnen Parzellen des Gitters (11). Die Festkörperscheibe (2) wird mit ihren Funktionsschichten (5) auf das Gitter (11) gepresst. Dabei wird entweder der Klebstoff (10) peripher aus dem Spalt zwischen Funktionsschichten (5) und Kühlfläche (8) bzw. Gitter (11) getrieben und teilweise in den Parzellen des Gitters (11) unter Druck zusammengepresst. Durch die Volumenänderung des Klebstoffs (10) vom flüssigen zum festen Zustand, wird der Druck in den Parzellen ausgeglichen und ggf. die Festkörperscheibe (2) durch die Druckänderung sogar auf das Gitter (11) gepresst.In 4 is used instead of the solid particles ( 15 ) a filling grid ( 11 ) between the solid-state disk ( 2 ) and the heat sink ( 9 ) brought. The adhesive ( 10 ) fills the individual plots of the grid ( 11 ). The solid-state disk ( 2 ) with its functional layers ( 5 ) on the grid ( 11 ) pressed. Either the adhesive ( 10 ) peripherally from the gap between functional layers ( 5 ) and cooling surface ( 8th ) or grid ( 11 ) and partly in the parcels of the grid ( 11 ) pressed together under pressure. Due to the change in volume of the adhesive ( 10 ) from the liquid to the solid state, the pressure in the parcels is compensated and, if necessary, the solid-state disk ( 2 ) by the pressure change even on the grid ( 11 ) pressed.

Die entsprechende Situation mit ausgehärtetem Klebstoff (10) ist in 5 dargestellt.The corresponding situation with cured adhesive ( 10 ) is in 5 shown.

Anstatt eines Gitters (11) können auch Ausnehmungen (12) in der Kühlfläche (8) des Kühlkörpers (9) zur Aufnahme von Klebstoff (10) vorgesehen sein. Die entsprechende Situation ist in 6 dargestellt, wobei dort der Klebstoff (10) im noch nicht ausgehärteten Zustand gezeigt ist. Eine Querschnittsansicht mit senkrechtem Blick auf die Kühlfläche (8) ist in 11 dargestellt.Instead of a grid ( 11 ) can also recesses ( 12 ) in the cooling surface ( 8th ) of the heat sink ( 9 ) for receiving adhesive ( 10 ) be provided. The corresponding situation is in 6 represented where the adhesive ( 10 ) is shown in the not yet cured state. A cross-sectional view with a vertical view of the cooling surface ( 8th ) is in 11 shown.

Die Ausnehmungen (12) können auch in einer anderen Art und Weise auf der Kühlfläche (8) angeordnet sein. Beispielsweise ist eine radiale Ausrichtung, wie es in 12 dargestellt ist, denkbar.The recesses ( 12 ) can also be applied in a different way to the cooling surface ( 8th ) can be arranged. For example, a radial orientation, as in 12 is shown, conceivable.

Die Ausnehmungen (12) sind in 6 in Form von parallel zueinander verlaufenden Kanälen ausgebildet. Härtet der Klebstoff (10) aus, so wird die Festkörperscheibe (2) mit ihren Funktionsschichten (5) auf den Kühlkörper (9) gepresst. Der Klebstoff (10) wird dabei in die Ausnehmungen (12) gezogen, so wie es in 8 dargestellt ist. The recesses ( 12 ) are in 6 formed in the form of mutually parallel channels. Cures the adhesive ( 10 ), the solid state disk ( 2 ) with their functional layers ( 5 ) on the heat sink ( 9 ) pressed. The adhesive ( 10 ) is thereby inserted into the recesses ( 12 ), as it is in 8th is shown.

Der Klebstoff (10) kann beispielsweise mit Licht (16), vorzugweise bei ultravioletten Wellenlängen, ausgehärtet werden. In 6 ist dazu eine vorteilhafte Beleuchtungsrichtung dargestellt. Während die UV-Bestrahlung (16) beliebig von dem Kühlkörper (9) auf die Klebstoffschicht (10) gerichtet werden kann, ist eine wie in 6 dargestellte seitliche Einstrahlung besonders vorteilhaft. Die Richtung der Einstrahlung ist dabei so gewählt, dass die Ausnehmungen (12) mit der dort vorhandenen Klebstoffschicht (10) die Stege zwischen den Ausnehmungen (12) abschatten. So kann gewährleistet werden, dass der Klebstoff zuerst in den Ausnehmungen (12) aushärtet. Die dort realisierte Volumenänderung sorgt dann dafür, dass der übrige an die Funktionsschicht (5) angrenzende Klebstoff (10) in die Ausnehmungen (12) hineingezogen wird, wie es dann in 8 dargestellt ist.The adhesive ( 10 ) can be used, for example, with light ( 16 ), preferably at ultraviolet wavelengths. In 6 For this purpose, an advantageous illumination direction is shown. While the UV irradiation ( 16 ) arbitrarily from the heat sink ( 9 ) on the adhesive layer ( 10 ) can be addressed, is like in 6 illustrated lateral irradiation particularly advantageous. The direction of the irradiation is chosen so that the recesses ( 12 ) with the adhesive layer ( 10 ) the webs between the recesses ( 12 ) shade. So it can be ensured that the adhesive first in the recesses ( 12 ) hardens. The volume change realized there then ensures that the rest of the functional layer ( 5 ) Adjacent adhesive ( 10 ) into the recesses ( 12 ) is drawn in, as it is then in 8th is shown.

Eine leicht andere Vorgehensweise ist gemäß 7 erkennbar. In 7 ist der Klebstoff (10) genauso wie in 6 im noch nicht ausgehärteten Zustand dargestellt. Hier wurde der Klebstoff (10) jedoch ausschließlich in die Ausnehmungen (12) eingebracht. Eine solche Vorgehensweise bei der Herstellung des Laserverstärkersystems (1) ist insbesondere dann sinnvoll, wenn im Vakuum gearbeitet wird. Es kann so sogar ohne der Gefahr von Klebstoffresten ein direkter Kontakt zwischen Kühlkörper (9) und Funktionsschichten (5) hergestellt werden.A slightly different approach is according to 7 recognizable. In 7 is the glue ( 10 ) like in 6 shown in the not yet cured state. Here was the glue ( 10 ) but only in the recesses ( 12 ) brought in. Such an approach in the manufacture of the laser amplifier system ( 1 ) is particularly useful when working in a vacuum. It can thus even without the risk of adhesive residue direct contact between heat sink ( 9 ) and functional layers ( 5 ) getting produced.

Zusätzlich zu den Ausnehmungen (12) kann ferner eine thermische Homogenisierungsschicht (13) auf den Funktionsschichten (5) angeordnet sein. Eine solche Homogenisierungsschicht (13) ist in 9 dargestellt. Diese Homogenisierungsschicht kann beispielsweise aus einem Metall oder einem anderen Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit bestehen. Diese Schicht dient zum einen dazu die Wärmeenergie insbesondere in den Bereichen der Ausnehmungen (12) so zu verteilen, dass sie, um etwaigen Temperaturerhöhung entgegen zu wirken, von den Stegen zwischen den Ausnehmungen (12) abgeleitet wird. Sobald der Klebstoff (10) ausgehärtet ist, wird, wie in 10 dargestellt, die Homogenisierungsschicht (13) auf die Stege zwischen den Ausnehmungen (12) des Kühlkörpers (9) gepresst.In addition to the recesses ( 12 ), a thermal homogenization layer ( 13 ) on the functional layers ( 5 ) can be arranged. Such a homogenization layer ( 13 ) is in 9 shown. This homogenization layer can consist, for example, of a metal or another material with high thermal conductivity. On the one hand, this layer serves the heat energy, in particular in the regions of the recesses ( 12 ) so that, in order to counteract any increase in temperature, they are separated from the webs between the recesses ( 12 ) is derived. Once the glue ( 10 ) is cured, as in 10 shown, the homogenization layer ( 13 ) on the webs between the recesses ( 12 ) of the heat sink ( 9 ) pressed.

Anstatt einer schrägen Beleuchtung mit ultraviolettem Licht (16), wie es in 6 dargestellt ist, kann eine zusätzliche Absorptionsschicht auf dem Kühlkörper dafür sorgen, dass auch bei einer senkrechten Bestrahlung mit ultraviolettem Licht (16) zuerst der Klebstoff in den Ausnehmungen (12) ausgehärtet wird. Eine solche Absorptionsschicht ist in 11 dargestellt.Instead of an oblique illumination with ultraviolet light ( 16 ), as it is in 6 an additional absorption layer on the heat sink can ensure that even with a vertical irradiation with ultraviolet light ( 16 ) first the adhesive in the recesses ( 12 ) is cured. Such an absorption layer is in 11 shown.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
LaserverstärkersystemLaser amplifier system
22
FestkörperscheibeSolid state disk
33
erste Flachseite der Festkörperscheibefirst flat side of the solid-state disk
44
zweite Flachseite der Festkörperscheibesecond flat side of the solid-state disk
55
Funktionsschichten, umfassend Reflektoren für Laser- und PumpstrahlungsfeldFunctional layers comprising reflectors for laser and pump radiation field
66
PumpstrahlungsfeldPump radiation field
77
LaserstrahlungsfeldLaser radiation field
88th
Kühlfläche des KühlkörpersCooling surface of the heat sink
99
Kühlkörperheatsink
1010
Klebstoffadhesive
1111
Gitter aus Material mit hoher thermischen LeitfähigkeitLattice of material with high thermal conductivity
1212
Ausnehmungen in der KühlflächeRecesses in the cooling surface
1313
thermische Homogenisierungsschichtthermal homogenization layer
1414
Absorptionsschichtabsorbing layer
1515
Festkörperpartikel als FüllstoffSolid particles as filler
1616
aktiver Bereich der Festkörperscheibeactive area of the solid-state disk

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (10)

Laserverstärkersystem (1), mit einer ein Lasermedium umfassenden Festkörperscheibe (2) mit zwei Flachseiten (3, 4), wobei auf der ersten Flachseite (3) Funktionsschichten (5), umfassend einen Reflektor für ein Pumpstrahlungsfeld (6), sowie einen Reflektor für ein Laserstrahlungsfeld (7), angeordnet sind und die Funktionsschichten (5) zur Ableitung von Wärme thermisch und mechanisch mit einer Kühlfläche (8) eines Kühlkörpers (9) gekoppelt sind, wobei die Kopplung wenigstens teilweise über eine zwischen Kühlkörper (9) und Funktionsschicht (5) angeordnete Klebstoffschicht (10) realisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebstoffschicht (10) durch einen Klebstoff gebildet wird, der beim Übergang vom flüssigen zum festen Zustand eine wesentliche Volumenänderung erfährt.Laser amplifier system ( 1 ), with a solid-state disk comprising a laser medium ( 2 ) with two flat sides ( 3 . 4 ), wherein on the first flat side ( 3 ) Functional layers ( 5 ) comprising a reflector for a pump radiation field ( 6 ), and a reflector for a laser radiation field ( 7 ), and the functional layers ( 5 ) for dissipating heat thermally and mechanically with a cooling surface ( 8th ) of a heat sink ( 9 ), wherein the coupling at least partially via an between heat sink ( 9 ) and functional layer ( 5 ) arranged adhesive layer ( 10 ), characterized in that the adhesive layer ( 10 ) is formed by an adhesive, which undergoes a significant change in volume in the transition from the liquid to the solid state. Laserverstärkersystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperscheibe (2) plan ist und einen Durchmesser aufweist, der wenigstens 20 mm beträgt, vorzugsweise größer ist.Laser amplifier system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the solid-state disk ( 2 ) is flat and has a diameter which is at least 20 mm, preferably larger. Laserverstärkersystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff Festkörperpartikel (15) mit einem Füllgrad von über 10% umfasst, wobei die Festkörperpartikel (15) eine Wärmeleitfähigkeit von über 1 W/cm/K und einen im wesentlichen gleichen Durchmesser im Nano- oder Mikrometerbereich aufweisen.Laser amplifier system ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the filler contains solid particles ( 15 ) with a degree of filling of more than 10%, whereby the solid particles ( 15 ) have a thermal conductivity greater than 1 W / cm / K and a substantially equal diameter in the nanometer or micrometer range. Laserverstärkersystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kühlkörperfläche (8) Ausnehmungen (12) zur Aufnahme des Klebstoffs vorgesehen sind.Laser amplifier system ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that in the heat sink surface ( 8th ) Recesses ( 12 ) are provided for receiving the adhesive. Laserverstärkersystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (12) mit größer werdendem Abstand zum aktiven Bereich (16) der Festkörperscheibe einen größeren Querschnitt aufweisen und/oder deren Zahl zunimmt.Laser amplifier system ( 1 ) according to claim 4, characterized in that the recesses ( 12 ) with increasing distance to the active area ( 16 ) of the solid state disk have a larger cross section and / or their number increases. Laserverstärkersystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche thermische Homogenisierungsschicht (13) zwischen den Funktionsschichten (5) der Festkörperscheibe und der Klebstoffschicht angeordnet ist, wobei die Homogenisierungsschicht (13) eine im Vergleich zur Festkörperscheibe (2) und den Funktionsschichten (5) höhere thermische Leitfähigkeit aufweist.Laser amplifier system ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that an additional thermal homogenization layer ( 13 ) between the functional layers ( 5 ) of the solid-state disk and the adhesive layer, wherein the homogenization layer ( 13 ) one compared to the solid state disk ( 2 ) and the functional layers ( 5 ) has higher thermal conductivity. Laserverstärkersystem (1), nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kühlfläche (8) des Kühlkörpers (9) eine Absorptionsschicht (14) für die zum Aushärten des Klebstoffs (10) notwendige Aktivierungsenergie angeordnet ist.Laser amplifier system ( 1 ), according to one of claims 4 to 6, characterized in that on the cooling surface ( 8th ) of the heat sink ( 9 ) an absorption layer ( 14 ) for the curing of the adhesive ( 10 ) is arranged necessary activation energy. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Laserverstärkersystems gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem ein Klebstoff mit einer wesentlichen Volumenänderung beim Übergang vom festen zum flüssigen Zustand auf eine Kühlfläche eines Kühlkörpers aufgetragen wird und die Festkörperscheibe mit ihren Funktionsschichten auf den Kühlkörper gepresst wird, wobei zum Aushärten des Klebstoffs die Aktivierungsenergie durch den Kühlkörper hindurch zum Klebstoff geleitet wird und sich das Verfahren dadurch auszeichnet, dass vor dem Aufpressen der Festkörperscheibe auf den Kühlkörper Ausnehmungen zur Aufnahme von Klebstoff in der Kühlfläche des Kühlkörpers erzeugt werden.The invention further relates to a method for producing the laser amplifier system according to one of claims 4 to 7, wherein an adhesive is applied with a substantial change in volume in the transition from solid to liquid state on a cooling surface of a heat sink and pressed the solid disk with their functional layers on the heat sink is, wherein for curing of the adhesive, the activation energy is passed through the heat sink to the adhesive and the method is characterized in that recesses are formed for receiving adhesive in the cooling surface of the heat sink before pressing the solid disk on the heat sink. Verfahren zur Herstellung des Laserverstärkersystems nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperscheibe mit ihren Funktionsschichten auf den Kühlkörper gepresst wird, so dass der Kühlkörper und die Funktionsschichten der Festkörperscheibe einen Materialschluss eingehen, und erst anschließend der Klebstoff von außen in die Ausnehmungen eingeleitet wird.A method for producing the laser amplifier system according to claim 8, characterized in that the solid-state disk is pressed with its functional layers on the heat sink, so that the heat sink and the functional layers of the solid disk infer a material, and only then the adhesive is introduced from the outside into the recesses. Die Erfindung betrifft ferner ein weiteres Verfahren zur Herstellung des Laserverstärkersystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem ein Klebstoff mit einer wesentlichen Volumenänderung beim Übergang vom festen zum flüssigen Zustand auf eine Kühlfläche eines Kühlkörpers aufgetragen wird und anschließend die Festkörperscheibe mit ihren Funktionsschichten auf die Klebstoffschicht und den Kühlkörper gepresst wird, wobei zum Aushärten des Klebstoffs die Aktivierungsenergie durch den Kühlkörper hindurch zum Klebstoff geleitet wird und sich das Verfahren dadurch auszeichnet, dass das Verfahren zusätzlich Schritte zur Verringerung der Dicke der Festkörperscheibe und zum Aufbringen einer Antireflexschicht für das Pump- und Laserstrahlungsfeld auf die Festkörperscheibe umfasst.The invention further relates to a further method for producing the laser amplifier system according to one of claims 1 to 7, wherein an adhesive with a substantial change in volume in the transition from solid to liquid state is applied to a cooling surface of a heat sink and then the solid state disk with their functional layers on the Adhesive layer and the heat sink is pressed, wherein for curing of the adhesive, the activation energy is passed through the heat sink to the adhesive and the method is characterized in that the method additionally steps to reduce the thickness of the solid disk and to apply an antireflection layer for the pump and Laser radiation field on the solid state disk comprises.
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