DE102012021169A1 - Laser amplifier system with solid-state disk - Google Patents
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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
In der
In der
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
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
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
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:
In
Die Festkörperscheibe (
In der Darstellung ist die Klebstoffschicht (
In den nachfolgenden Figuren sind Ausführungsbeispiele dargestellt bei denen das Volumen des Klebstoffs in der Klebstoffschicht (
In
Beim Aushärten erfährt der Klebstoff (
Die Volumenänderungen des Klebstoffs (
In
Die entsprechende Situation mit ausgehärtetem Klebstoff (
Anstatt eines Gitters (
Die Ausnehmungen (
Die Ausnehmungen (
Der Klebstoff (
Eine leicht andere Vorgehensweise ist gemäß
Zusätzlich zu den Ausnehmungen (
Anstatt einer schrägen Beleuchtung mit ultraviolettem Licht (
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
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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