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Optimierte Kühlung für beidseitig gekühlte Hochleistungsscheibenlaser

Kurzfassung

Durch die Weiterentwicklung der Wärmespreizer konnte die Kontaktfläche zwischen Laser-Scheibe und Wärmespreizer optimiert werden. Dadurch kann ein wesentlicher Vorteil des Scheibenlasers, die bessere Kühlbarkeit des laseraktiven Materials, nochmals verbessert werden.

Hintergrund

Durch thermische Ausdehnung hervorgerufene Spannungen sind in Festkörperlasern eine Ursache für Verluste in der Strahlqualität. Eine effiziente Kühlung der Systeme ist daher essenziell.

Problemstellung

Bei herkömmlichen Scheibenlasern werden die Laserscheiben nur von der Rückseite gekühlt. Die Laserscheibe wird dazu direkt auf die Wärmesenke geklebt. Diese Methode führt bereits zu einer sehr effizienten Kühlung der Laserscheibe; eine Optimierung mit dem symmetrischen Kühlkonzept kann den Aufbau aber noch leistungsfähiger und attraktiver machen.

Lösung

Als primäre Wärmespreizer liegen beidseitig sphärisch gekrümmte (plankonvexe) Diamantkörper an der Scheibe an. Über die rein mechanische Klemmung am Rand kann die Kontaktfläche klar definiert und über die Anpresskraft optimiert werden. Zur Zentrierung des Systems ist ein spezieller Kippmechanismus vorgesehen. Ein weiteres Paar Wärmespreizer liegt ringförmig im äußeren Bereich der Ersten an und stellt einen großflächigen Wärmeübergang zum Kühlsystem her.
Über die Anpassung des Krümmungsradius der primären Elemente können diese bei gleicher Effizienz in unterschiedlichen Dicken ausgeführt werden. Das ist insbesondere für gepulste Lasersysteme zur Begrenzung der nichtlinearen Phasenverschiebung von Bedeutung. Idealerweise wird der Laser im Transmissionsmodus betrieben, sodass vergleichsweise dünne Antireflex-Beschichtungen mit geringem Wärmewiderstand zum Einsatz kommen können. Die bei diesem System ins Gewicht fallende Depolarisation konnte bereits in einer weiteren Erfindung effizient und kostengünstig kompensiert werden (siehe 15/058TLB).

Schema der Gesamtkonstruktion (li.) und vergrößerte Darstellung der erfindungsgemäßen Kernelemente (re.) mit Laserscheibe (mittig) und beidseitig angeordneten Wärmespreizer-Elementen; Primäre (konvex) und Sekundäre (ringförmig).
Schema der Gesamtkonstruktion (li.) und vergrößerte Darstellung der erfindungsgemäßen Kernelemente (re.) mit Laserscheibe (mittig) und beidseitig angeordneten Wärmespreizer-Elementen; Primäre (konvex) und Sekundäre (ringförmig).

Vorteile

  • Minimierte Phasenstörungen
  • Verwendung von hochenergetischen Materialien
  • Verwendung von temperaturempfindlichen Materialien
  • Stark reduzierte thermische Spannungen
  • Bessere Leistungsausbeute und Strahlqualität

 

Anwendungsbereiche

Das an der Universität Stuttgart (IFSW) entwickelte Prinzip der Wärmespreizer-Geometrie für Scheibenlaser bietet aufgrund der erheblich geringeren Wärmebelastung die Möglichkeit, leistungsfähige Systeme deutlich kompakter zu gestalten. Das neue und noch effektiver gekühlte System ermöglicht nun auch den Einsatz von laseraktiven Materialien, die zuvor aufgrund ihrer spektroskopischen Eigenschaften nicht für die Scheiben-Konfiguration geeignet waren. Für bisher bereits verwendbare Materialien kann die Pumpleistung im neuen Aufbau nochmals gesteigert werden.

Exposé
Kontakt
Dipl.-Ing. Julia Mündel
TLB GmbH
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe | Germany
Telefon +49 721-79004-0
muendel(at)tlb.de | www.tlb.de
Entwicklungsstand
Validierung / TRL4
Patentsituation
EP 3309913 A1 anhängig
US 2018/0219348 A1 anhängig
Referenznummer
15/057TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.