(57)【要約】  高平均出力レーザー（ＨＡＰ）の透過光学素子と共に用いる冷却システムである。システムは、圧力差によりヒートシンクアセンブリと熱接触する状態で保持される、少なくとも１つの光学透過素子（ＴＯＣ）を含む。１実施形態において、ヒートシンクアセンブリは、ＴＯＣの少なくとも１つの表面に取り付けられた光学透明熱導体（ＴＨＣ）を含む。ＴＯＣとＴＨＣの隣接する表面の間に形成された真空が、対向する平坦な表面を、相互に熱的接触するように促す。ＴＯＣ内で生じた余熱は、ＴＨＣに伝導される。ＴＯＣ内部の温度勾配は、ビームの所与の位相面がＴＯＣ材料を同じ温度にさらすように、ＴＨＣを介して方向付けられるレーザービームの方向に略平行に維持される。結果として、ＴＯＣはレーザービームの位相面を混乱させない。
2008518438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明光学素子（ＴＯＣ）と、
表面を有する熱伝導性基板とを備え、
前記ＴＯＣおよび前記熱伝導性基板は共に空気に浸されており、
前記ＴＯＣの前記表面は前記熱伝導性基板の前記表面に接触し、それにより接触領域を画定しており、前記接触領域の少なくとも１部分は、圧力差が前記接触領域の前記部分と空気との間に形成されるように減圧下で維持され、
前記圧力差は、ＴＯＣ内で生じる熱が伝導により前記熱伝導基板に伝達されるように、前記熱伝導基板表面の実質的な部分と熱接触する状態にＴＯＣ表面の実質的な部分を維持する、高平均出力レーザーシステムで用いる光学アセンブリ。
【請求項２】
前記ＴＯＣはレーザービームを受け、伝達するよう構成される、請求項１に記載の光学アセンブリ。
【請求項３】
前記ＴＯＣ表面は、前記レーザービームの伝播方向に略垂直である、請求項２に記載の光学アセンブリ。
【請求項４】
前記表面部分を分離するシーリング部材をさらに含む、請求項１に記載の光学アセンブリ。
【請求項５】
さらに、前記シーリング部材が、前記熱伝導基板の前記表面内のＯリング溝内に配置されるＯリングを備える、請求項４に記載の光学アセンブリ。
【請求項６】
前記減圧が真空ポンプによって提供される、請求項１に記載の光学アセンブリ。
【請求項７】
前記熱伝導基板が、サファイヤ、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、単結晶ＹＡＧ、多結晶ＹＡＧ、単結晶ＧＧＧ、多結晶ＧＧＧの一群から選択された光学的に透明な材料で構成される、請求項１に記載の光学アセンブリ。
【請求項８】
前記熱伝導基板から熱を除去するヒートシンクをさらに備える、請求項１に記載の光学アセンブリ。
【請求項９】
前記ＴＯＣの対向する表面から熱を引き込む前記ＴＯＣの対向する表面と接触する一対の熱伝導基板をさらに備える、請求項１に記載の光学アセンブリ。
【請求項１０】
透明光学素子によって分離される複数の熱伝導基板をさらに備え、各前記熱伝導基板は前記透明光学素子のうちの１つと熱接触する表面を有する、請求項１に記載の光学アセンブリ。
【請求項１１】
前記熱伝導基板が自身を通る冷却液によって冷却される、請求項１に記載の光学アセンブリ。
【請求項１２】
前記熱伝導基板は、自身の前記表面の前記部分上に、減じられた圧力で維持されたマイクロチャネルをさらに含む、請求項１１に記載の光学アセンブリ。
【請求項１３】
前記冷却液は前記マイクロチャネルを流れる、請求項１２に記載の光学アセンブリ。
【請求項１４】
表面を有する透明光学素子（ＴＯＣ）と、
前記ＴＯＣの前記表面と対向関係に配置される表面を有する光学的に透明な熱導体（Ｔ
ＨＣ）を有するヒートシンクアセンブリとを備え、
前記ＴＨＣが、前記ＴＯＣが前記ＴＨＣの前記表面と熱接触する状態に維持され、したがって前記ＴＯＣを冷却するように、前記表面と前記ＴＯＣおよび前記ＴＨＣに作用する空気との間に生じる圧力差を維持するシーリング部材を自身の前記表面上に含む、高平均出力（ＨＡＰ）のレーザーシステムで用いる光学アセンブリ。
【請求項１５】
前記ヒートシンクアセンブリが、前記ＴＨＣから熱を引き出す、前記ＴＨＣと熱接触する、ヒートシンク要素をさらに備える、請求項１４に記載の光学アセンブリ。
【請求項１６】
前記ＴＯＣの前記表面の両方から熱を引き出す、前記ＴＯＣの対向する表面に隣接して配置された、一対の前記ＴＨＣをさらに備える、請求項１４に記載の光学アセンブリ。
【請求項１７】
前記ＴＨＣが、一対の平行で光学的に平坦な表面を有する平坦な部材を備える、請求項１４に記載の光学アセンブリ。
【請求項１８】
このようなＴＨＣが、サファイヤ、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、単結晶または多結晶のイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、および単結晶もしくは多結晶のガリウムガドリニウムガーネット（ＧＧＧ）のうちの少なくとも１つを含む、請求項１４に記載の光学アセンブリ。
【請求項１９】
前記ＴＯＣの前記表面が反射性のコーティングを含む、請求項１４に記載の光学アセンブリ。
【請求項２０】
前記ＴＨＣが、熱交換器と、前記ＴＨＣから熱を除去する前記熱交換器を通ることのできる流体冷却液とを備える、請求項１９に記載の光学アセンブリ。
【請求項２１】
前記シーリング部材に対して前記ＴＯＣの前記表面を保持する外部クランプをさらに備える、請求項２０に記載の光学アセンブリ。
【請求項２２】
前記ＴＨＣは自身の前記表面内のＯリング溝を備え、前記シーリング部材は前記Ｏリング溝内に配置されるＯリングを備える、請求項１４に記載の光学アセンブリ。
【請求項２３】
前記ＴＯＣの表面に近接して保持されるよう構成される、平坦な表面部分を有する透明熱導体（ＴＨＣ）素子と、
自身の前記表面部分上にシーリング部材、および前記ＴＨＣの前記表面部分と前記ＴＨＣの周辺面との間で連通するチャネルとを含む前記ＴＨＣ素子と、
前記ＴＨＣの周辺部分と熱接触するヒートシンク要素と、
前記ＴＯＣと前記ＴＨＣの前記面部分の間に圧力差を形成し、空気が前記ＴＯＣと前記ＴＨＣとに作用し、したがって前記ＴＯＣの前記表面を前記シーリング部材に対して押し付けるシステムとを備え、
前記ＴＨＣは対流的に熱を前記ＴＯＣから引き出し、前記ヒートシンク要素は前記ＴＨＣから熱を引き出し、したがって前記ＴＯＣを冷却する、高平均出力（ＨＡＰ）レーザーシステムの透明光学素子（ＴＯＣ）と用いるヒートシンクシステム。
【請求項２４】
前記ＴＨＣは一対の平行で平坦な光学的に平坦表面部分を含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記表面部分は前記シーリング部材を保持する溝を含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２６】
前記ＴＨＣは内部空洞と、前記内部空洞内に配置された熱交換器とを含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２７】
前記内部空洞は、それぞれ前記ＴＨＣ内に形成され、それぞれ前記ＴＨＣの周辺面上に開口する、流体入口と流体出口に連通する、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記ＴＯＣを前記シーリング部材に対して保持する外部クランプをさらに備える、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２９】
前記ＴＨＣは自身の前記表面部分内に形成されたＯリング溝を含み、
前記シーリング部材は前記Ｏリング溝内に配置されたＯリングを備える、
請求項２３に記載のシステム。
【請求項３０】
前記表面部分が複数のチャネルを含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３１】
このようなＴＨＣが、サファイヤ、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、単結晶または多結晶のイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、および単結晶または多結晶のガリウムガドリニウムガーネット（ＧＧＧ）のうちの少なくとも１つを含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３２】
前記ＴＯＣの表面部分の近傍に透明熱導体（ＴＨＣ）の表面部分を配置することと、
前記表面部分と、前記ＴＯＣおよび前記ＴＨＣに作用して前記ＴＯＣの前記表面部分を前記シーリング部材に対して保持する空気との間に圧力差を形成することと、
前記ＴＨＣを用いて前記ＴＯＣから熱を引き出すこととを含む、高平均出力（ＨＡＰ）レーザーシステムの透明光学素子（ＴＯＣ）を冷却する方法。
【請求項３３】
ヒートシンク要素を用いて前記ＴＨＣから熱を引き出すことをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記ＴＨＣ内に形成された熱交換器を用いて前記ＴＨＣからの熱の除去を支援することをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
クランプを用いて前記ＴＯＣの表面部分を前記表面の間に配置されたシーリング部材に対して保持することをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
圧力差を形成することは、シーリング部材によって境界される前記表面部分の間の領域に真空を適用することを含む、請求項３２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の技術分野
本発明は一般的に、レーザーシステムで用いられる光学素子の冷却技術に関し、より具体的には、高平均出力（ＨＡＰ）レーザーシステムの出力を処理する／取り扱うのに必要とされる光学システムで用いる伝導表面冷却光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
概観
高平均出力（ＨＡＰ）レーザーにおいて用いられる透過光学素子は、光学エネルギーの吸収およびその他の処理により、著しい熱負荷を経験する。透過光学素子が正確かつ効率的に動作するためには、この熱は（しばしばリアルタイムで）除去されなければならない。たとえば、非線形のレーザー材料における周波数変換の処理は、吸収によって、非線形材料媒体内で熱を生じる。周波数変換器が有意なレベルで効率的に動作するには、この熱は除去されなければならない。また、固体のレーザー増幅器材料内にエネルギーを格納する処理もまた、レーザー媒体内に熱を生じ、これは、とりわけ増幅器が有意な入力電力で動作すべきである場合に、除去されなければならない。熱負荷にさらされ、冷却を必要とするその他の透過光学素子は、ポッケルセルにおいて用いられる結晶、およびファラデー回転子において用いられるガラスを含む。
【０００３】
従来の熱除去の方法
レーザーシステムにおいて用いられる固体結晶物質から熱を除去する従来の方法は、材料の側面から、レーザーエネルギー伝播の方向を横切る方向に熱を除去する。横切る方向に熱を除去することは、この方向における熱勾配をもたらす。このことはいくつかの問題を引き起こす。通常、温度勾配は熱光学ストレスおよび指数変化を生じ、これは次いで、レーザービームを歪める熱収差を引き起こす。より具体的には、ほとんどの周波数変換材料において、レーザービームの伝播の方向を横切る方向における温度変化は、大変小さな公差範囲内に維持されなければならない。この方向での熱勾配の存在は、レーザーシステム設計において許可される開口サイズおよび電力負荷を厳しく限定する。横冷却は、技術情報局から入手でき、参照することにより本出願に援用される、文献番号ＵＣＲＬ―５３５７１、Ｊ．Ｌ．Ｅｍｍｅｔｔ他「高平均出力固体レーザーのポテンシャル」なる文書（１９８４年９月２５日）に説明される。
【０００４】
従来のビーム成形技術は、結晶を冷却するのに用いられ、それによってレーザービームが横切る１方向に光学的に平坦にされる。このことは、結晶が長い方の長さに沿って冷却されることを可能にし、ビーム中心から、それが冷却されるところの結晶の端までの経路を削減する。しかし、この方法は全ての適用において実用的ではなく、関連する光学に比較的高度の複雑さを要求する。
【０００５】
結晶物質のいくつかにおいて、またとりわけベータホウ酸バリウム（ＢＢＯ）において、物質における最も大きな熱伝導の方向はまた、光学伝播の方向に接近して整列されている。この特性を有する物質から効率的に熱を除去するために、熱はしたがって、光学表面から除去されなければならない。表面冷却の方法の１つは、通常、流動気体を用いて達成される対流プロセスである。この方法で、気体は高速で結晶の表面にわたって押し付けられる。この方法の主要な不利点は、これが複雑なアクティブ冷却システムを必要とし、したがって低コスト、低重量、小容積、および高い信頼性を必要とする適用にはあまり適さないことである。また、光学表面にわたる気体流が光学歪みを避けるために大変均質でな
ければならないため、この方法を実施する工業技術は複雑である。
【０００６】
Ｓｔｅｖｅｎ  Ｃ．  Ｍａｔｔｈｅｗｓ他に１９９４年１１月８日に付与され、参照することにより本書に援用される、米国特許第５，３６３，３９１号「導電表面冷却レーザー結晶」は、レーザーシステム内の光学素子から自身の光学透過表面を通じて熱を受動的に除去する技術（図１）を開示し、請求する。熱は、光学素子の光学透過表面に隣接して配置される光学透明熱伝導媒体の手段で除去される。熱は、光学素子から、光学放射の伝播の方向と平行な方向に伝達され、これにより熱勾配に関連する問題を最小化する。非線形周波数変換結晶およびレーザー結晶などの、光学素子を用いる装置は、この熱管理アプローチを利用してより良い性能を得ることができる。熱は、直接接触で、もしくは光学素子と熱伝導媒体との間の気体の充満した狭いすき間を通じて、熱伝導媒体に伝達される。
【０００７】
Ｒｏｂｅｒｔ  Ｗ．  Ｂｙｒｅｎ他に２００１年１２月１１日に付与され、参照することで本書に援用される、米国特許第６，３３０，２５６号「多結晶の非線形光学素子の非分散的表面冷却の方法及び装置」は、米国特許第５，３６３，３９１号に教示される、結晶間の空気路再位相整合を必要とすることなく第２高調波発生にまず用いられる複数の非線形結晶形状を有する表面冷却方法を、どのように用いるかを教示する（図２）。１以上の複屈折の結晶は切断され、各結晶内の基本波長と第２高調波長との間に分散がないように方向付けられる。複屈折の結晶はそこで、２以上の非線形結晶の間に挟まれ表面冷却媒体として用いられる、熱伝導ハウジング内に配置される。複数の結晶アセンブリは、複屈折、もしくは非分散的である必要がない、光学透明窓の間にさらに挟まれ、これらの窓は最も外側の非線形結晶を保護するために、および／もしくは、さらなる表面冷却を提供するために用いられてよい。このことは、基本波長および第２高調波長で吸収によって非線形結晶内に生じた熱が長手軸方向（ビーム伝播の方向）に沿って表面冷却媒体に流れ込むようにし、それにより非線形結晶内の任意の横方向熱勾配および結果として生じる位相散逸の損失を最小化する。結晶は、米国特許第５，３６３，３９１号に教示されるように、気体を充填した大変小さなすき間を有して乾燥堆積され、適切な屈折率の液体もしくはゲルに浸され、適切な光学接着剤で結合され、光学的に接触され、もしくは共に拡散接合されて、複合結晶を形成できる。
【０００８】
上記のシステムおよび方法は、透過光学素子からヒートシンクへの、機械的接触、光学的接触、接着結合、もしくは気体を充填した狭いすき間による、伝導の手段での熱伝達に依存する。しかし、熱負荷にさらされた透過光学素子が著しく歪む傾向があることがよく知られている。外部力が提供されない限り、機械的および光学的に接触した結合の効果的な接触領域は、したがって、著しく減少し、このことは一般的に温度および歪みの増大につながる。接着結合は一般的に、熱伝導率が低い有機接着剤を用い、したがって効果的な熱伝達を妨害する。さらに接着結合は、その横方向の熱膨張がここでヒートシンクへの取り付けのために制約されるため、透過光学素子のストレスの増大を引き起こす。最後に、気体を充填した狭いすき間を介しての熱伝導はむしろ、高い熱伝導率の気体が用いられる場合であっても限定される。上記の限定のため、ＨＡＰレーザーにおける透過光学素子を冷却する、改良された方法の必要性がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の概要
本発明は、高平均出力（ＨＡＰ）レーザーシステムのレーザービームを受ける光学透過素子（ＴＯＣ）の表面冷却に理想的に適したヒートシンクアセンブリを対象とする。ヒートシンクアセンブリは、レーザービームの伝播方向の法線方向にＴＯＣに沿った温度勾配を導入することなく、ＴＯＣの冷却を可能にする。本発明のヒートシンクアセンブリはさらに、ＴＯＣをヒートシンクアセンブリに物理的に結合することを必要とせずに、これを
成し遂げる。
【００１０】
ヒートシンクアセンブリは、２つの表面の間にシールが形成されるように、ＴＯＣの表面に近接近して保持された１つの表面を有する透明熱導体（ＴＨＣ）を含む。シールは、２つの表面の間に配置された独立したシーリング部材によって形成されてよい。好適な実施形態の１つにおいて、ヒートシンクアセンブリは、自身の表面部分に形成されたＯリング溝を有するＴＨＣを含み、一方でＴＨＣは、光学的に平坦な表面として形成される表面の少なくとも一方の、そして好ましくは両方を有する、平行で平坦な表面を有するディスクを備える。
【００１１】
ＴＨＣはまた、Ｏリング溝に位置するＯリングと、Ｏリング溝と同じ表面に、Ｏリング溝の径方向内側に形成された真空排水溝とを含んでよい。真空排水溝は、ＴＨＣの外表面上で開口し、真空が排水溝に加えられることを可能とするチャネルを含む。真空は、ＴＯＣをＴＨＣに対して促し、それによって、ＯリングとＴＯＣおよびＴＨＣの対向する表面とによって画定される封止された空洞を形成するようにＯリングを圧迫する。有利には、ＴＯＣおよびＴＨＣの表面が相互に接触するよう維持するために、結合もしくは接着は必要とされない。空洞と周囲環境との間の圧力差が、この「保持」機能を果たす。ヒートシンクアセンブリはまた、ＴＨＣの周囲部分と熱的接触するヒートシンク部材を含む。
【００１２】
動作において、レーザービームによりＴＯＣ内で生じた熱は、上述の接触を介して伝導によりＴＨＣへ、そしてヒートシンク部材へと伝達される。ＴＯＣおよびＴＨＣの対向する表面のいかなる物理的結合も必要とされないため、動作中にヒートシンクが、その横方向熱膨張を妨害することにより、ＴＯＣ内でストレスを引き起こす傾向がない。対向する表面の間に機械的に形成される熱的結合を避けることは、動作中に、ＴＯＣからＴＨＣへの熱エネルギーの伝達を悪化させることからＴＯＣの表面の過度の歪みが起こる可能性を除去する。
【００１３】
好適な代替実施形態の１つにおいて、ＴＯＣは一対のＴＨＣの間に挟まれる。各ＴＨＣは、上記のようにその他の方法で組み立てられる。ＴＯＣの対向する表面の両方の表面冷却が達成できる。
【００１４】
他の好適な代替実施形態において、複数のＴＯＣが相互に隣接して配置されるが、複数のＴＨＣによって分離される。したがって、各ＴＯＣは一対のＴＨＣの間に挟まれる。各ＴＨＣは上述のように組み立てられ、関連するヒートシンク要素を含む。表面冷却が、全てのＴＯＣの両方の対向する表面で達成される。
【００１５】
他の好適な代替実施形態において、ＴＯＣは、ヒートシンクアセンブリのＴＨＣと接触する表面に反射コーティングを含む。ＴＨＣは、ＴＯＣに対向するＴＨＣの表面上で開口するように形成された複数の排水チャネルを含むことができる。ＴＨＣはまた、上述のように、Ｏリング溝およびＯリングを組み込むことができる。排水チャネルは、外部手段が用いられてＴＯＣをＴＨＣと密接な熱的接触状態に保持する圧力を形成することができるように、ＴＨＣの外表面上で開口する部分と連通する。圧力は、環境大気と冷却液との間の圧力差により印加される。
【００１６】
特徴、機能および利点が、本発明の多様な実施形態において独立して、もしくはさらに他の実施形態と組み合わせて、達成できる。
【００１７】
本発明は、詳細な説明および添付の図面から、より完全に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
好ましい実施例の詳細な説明
好適な実施形態の以下の説明は、実際は、単に例となるものに過ぎず、本発明、その適用、もしくは使用を限定するよう意図されるものでは全くない。
【００１９】
本発明は、高平均出力の固体レーザー（ＨＡＰＳＳＬ）の光学素子を冷却し、したがって光学素子の出力処理能力を増加させる方法を開示する。多様な好適な実施形態が、その他の方法では製造するのにコストがかかりすぎるであろう、多くの計画的かつ戦略的なレーザーシステムを可能にする。
【００２０】
図３ａおよび図３ｂを参照すると、本発明の第１の好適な実施形態による透明光学素子（ＴＯＣ）２２およびヒートシンクアセンブリ４８を備える、冷却光学アセンブリ１０が示される。冷却光学アセンブリ１０は、入射するレーザービーム２６を受け、自身を通してこれを伝達して、レーザービーム２６’を形成する。ヒートシンクアセンブリ４８は、光学的に透明な熱導体（ＴＨＣ）２４およびヒートシンク２８をさらに備える。ＴＯＣ２２は、２つの大きくかつ略平行な表面を有する、適切な光学的に透明な材料から作られた平坦な部材である。ＴＯＣ２２の周の形状は円形、楕円形、長円形、または多角形であることが好ましい。ＴＯＣの大きな表面５２および５２’は、レーザービームを受けて、伝達するように構成され、この目的のために適切な光学コーティングを具備してよい。さらに、表面５２’は、光学的に平坦に機械加工され、ＴＨＣ表面４２と結合される。
【００２１】
ＴＨＣ２４は、２つの大きくかつ略平行な表面を有する、平坦な部材である。これは、良好な熱伝導率を有する光学材料から作られ、レーザービーム２６および２６’の可視光でほぼ透明である。ＴＨＣ２４に適した材料は、サファイヤ、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、単結晶もしくは多結晶のイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、単結晶もしくは多結晶のガリウムガドリニウムガーネット（ＧＧＧ）を含む。ＴＨＣ２４の周囲の形状は、円形、楕円形、長円形もしくは多角形であることが好ましい。ＴＨＣ２４の周囲の少なくともいくつかの部分は、ヒートシンク２８に取り付けられ、これと熱的に連絡する。ヒートシンク２８は、ＴＨＣ２４に、機械的サポートと熱除去の両方をもたらす。後者の目的のため、ヒートシンク２８は、伝導もしくは対流のいずれかにより冷却される。たとえば、伝導で冷却されたヒートシンク２８は、ペルティエ効果にしたがって作動する固体冷却器に熱的に取り付けられることができる。対流で冷却されたヒートシンク２８は、たとえば、液冷式もしくはガス冷却式の熱交換器を含んでよい。
【００２２】
大きなＴＨＣ表面４２および４２’は、レーザービームを受け、伝達し、またこの目的のために適切な光学コーティングを具備してよい。ＴＨＣ表面４２はＯリング溝４６、排水溝またはチャネル３４を含む。排水溝３４は、排水穴３６を用いて真空ポンプに接続される。さらに、ＴＨＣ表面４２は光学的に平坦に機械加工される。冷却光学アセンブリ１０は、ヒートシンクアセンブリ４８内のＯリング溝４６が適切な真空シールＯリング３２を具備し、ＴＨＣ表面４２がＴＯＣ表面５２’と結合し、真空吸引が空気３８の存在下で排水穴３６に加えられる時に、形成される。空気３８の圧力と、真空吸引によって生じた排水溝３４内の減じられた圧力との間の圧力差は、ＴＯＣ表面５２’とＴＨＣ表面４２とを接触させる。時間が経つと、表面５２’と４２との間で捕らえられた気体の分子が排水溝３４へ移動し、除去される。結果として、ＴＯＣ２２とＴＨＣ２４の間に良好な熱的な連絡が確立される。
【００２３】
冷却光学アセンブリ１０がレーザービーム２６により作動され、ＴＯＣ２２内で余熱が生じる時、この熱はＴＨＣ２４に導かれる。この処理の間、ＴＯＣ２２内の温度勾配はレーザービーム２６の方向にほとんど平行である。このことは、レーザービームの所与の位相面が、同じ温度のＴＯＣ２２の材料をあらわにすることを意味する。結果としてＴＯＣ２２は、レーザービーム２６の位相面を混乱させない。ＴＯＣ２２をＴＨＣ２４上に固定
する圧力差は、もし冷却光学アセンブリ１０が圧力室内で操作され、空気３８が環境大気圧と等しいか、もしくはそれを上回る場合、さらに増大されることができる。とりわけ、空気３８の圧力が環境大気圧を実質的に上回る場合、排水穴３６は真空ポンプよりむしろ、環境大気に接続されることができる。
【００２４】
ここで図４を参照すると、本発明の第２の好適な実施形態による、透明光学素子（ＴＯＣ）２２ならびにヒートシンクアセンブリ４８ａおよび４８ｂを備える、冷却光学アセンブリ１１が示される。透明光学素子（ＴＯＣ）２２は、第１の好適な実施形態１０で実施されたものと同じである。ヒートシンクアセンブリ４８ａはヒートシンクアセンブリ４８と同じであり、ヒートシンクアセンブリ４８ｂはヒートシンクアセンブリ４８ａの鏡像である。表面５２’のみが冷却された第１の実施形態１０と異なり、この好適な実施形態においては、ＴＯＣ表面５２および５２’の両方がヒートシンクアセンブリ４８ａおよび４８ｂによってそれぞれ冷却される。第１の実施形態におけるように、ＴＯＣ２２とヒートシンクアセンブリ４８ａおよび４８ｂとの間の熱的な連絡は、空気３８と排水溝３４内の減じられた圧力との間の圧力差によって生じる静水圧によって保証される。
【００２５】
ここで図５を参照すると、第３の実施形態による、複数の透明光学素子（ＴＯＣ）２２および複数のヒートシンクアセンブリ４８および１４８を備える、冷却光学アセンブリ１２が示される。ヒートシンクアセンブリ１４８は、ＴＨＣ１２４がＯリング３２を持つ２つのＯリング溝４６および、対向する表面に形成されてＴ字形状のチャネル（端部からみて）に形成された２つの排水溝３４を有することを除いては、ヒートシンクアセンブリ４８と同様である。さらに、排水穴１３６は対向する排水溝３４の両方に接続される。このようにして、ＴＨＣ１２４が自身の表面１４２および１４２’の各々でＴＯＣを受けることができる。
【００２６】
ここで図６を参照すると、第４の好適な実施形態による、熱交換器アセンブリ２７２に取り付けられたＴＯＣ２２２を備える、冷却光学アセンブリ１３が示される。ＴＯＣ２２２は、熱交換器アセンブリ２７２に対向する表面２５２’が、冷却光学アセンブリ１３の動作波長での高い反射性のために反射コーティング２７２ａを有することを除いては、ＴＯＣ２２と同様である。熱交換器アセンブリ２７２は、相互接続されたマイクロチャネル２７４を含む表面２８０と、機械加工され、もしくはその他の方法で剛体２８８の１以上の内表面に形成された熱交換器２７６とを有する剛体２８８を備える。マイクロチャネル２７４およびＯリング溝３４６を除いては、表面２８０は光学的に略平坦に機械加工される。剛体２８８は、より容易に熱交換器２７６が形成されることを可能にするように、２つの部分で提供されてよく、そしてたとえば拡散、結合、ロウ付け、もしくはその他の任意の適切な結合手段によって相互に固定される。剛体２８８は、高いヤング係数を有することが好ましい熱伝導性の物質から作られ、充分に厚くされ、高度の機械的剛性を有する。剛体２８８の好ましい材料は、シリコン、銅、銅合金、タングスタン、およびタングステンカーバイドを含む。
【００２７】
冷却光学アセンブリ１３はまた、ＴＯＣ２２２を表面２８０の方向へ穏やかに押圧し、それによりＯリング２３２を締め付けるクランプ２９２を含む。マイクロチャネル２７４内の圧力が空気３８の圧力より減少する場合、ＴＯＣ２２２は、自身の反射型のコーティングされた表面２５２’を表面２８０に接触させて、それによりＴＯＣ２２２と剛体２８８との間に良好な熱的連絡を確立する静水圧を経験する。そして、レーザービーム２６によりＴＯＣ２２２において生じる余熱は、表面２５２’の高反射性の光学コーティング２７２ａを介して剛体２８８の表面２８０に導かれる。好ましくは、熱変換器２７６はマイクロチャネル２７４の近接近に配置され、それによって剛体２８８内の熱勾配を減少させる。熱変換器２７６は、ヘッダ２８４を介して剛体に入りヘッダ２８６を介して排出される冷却液２８２によって冷却される。
【００２８】
ここで図７を参照すると、第５の実施形態による、熱交換器アセンブリ３７２に取り付けられたＴＯＣ３２２を備える、冷却光学アセンブリ１４が示される。ＴＯＣ３２２は、本発明の第４の実施形態で実施されたＴＯＣ２２２と同様であり、図７における共通の構成要素は、図６で用いられたものに１００を加えた参照番号で示される。しかし、光学アセンブリ１４で、マイクロチャネル３７４が形成されて熱交換器を提供し、冷却液３８２はここで、マイクロチャネル３７４を直接介して流れる。ＴＯＣ３２２の表面３８０への積極的な取り付けを確実にするため、マイクロチャネル２７４における冷却液の圧力は、空気３８の圧力よりも実質的に低く維持される。ＴＯＣ２２は、周波数倍増、増幅、もしくは偏光の回転に適した光学活性媒体によって作ることができる。試験で、シリコンで作られ１８ワット／ｃｍ３である熱負荷の剛体３８８を持つ光学アセンブリ１４は、ＴＯＣ３２２を、１．０３μｍの波長を有する光学入力波形の１／１０の平坦さに維持した。
【００２９】
多様な好適な実施形態が説明されたが、当業者は、本発明の概念から逸脱することなくなされるであろう修正もしくは変形を認識するであろう。実施例は本発明を説明するものであり、これを限定しようと意図されない。したがって、説明および請求項は、関連する従来技術に鑑みて必要である限定のみで、自由に解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、レーザーシステムの光学素子から受動的に熱を除去する、従来開発された技術の線図である。
【図２】図２は、複数の非線形結晶形状を有する、図１の冷却方法を用いる、従来開発されたシステムの線図である。
【図３ａ】図３ａは、本発明のヒートシンクアセンブリの第１の好適な実施形態の垂直断面側面図を示す。
【図３ｂ】図３ｂは、本発明のヒートシンクアセンブリの第１の好適な実施形態の端面図を示す。
【図４】図４は、光学素子の両方の対向する表面上の表面冷却を達成する、図３のヒートシンクアセンブリの第２の好適な実施形態の垂直断面図を示す。
【図５】図５は、全ての光学素子がヒートシンクアセンブリによって冷却される、自身の対向する表面の両方を有する、ヒートシンクアセンブリの第３の好適な代替実施形態の断面側面図を示す。
【図６】図６は、熱導体（ＴＨＣ）が、外部保持素子によってＴＨＣと近接近して保持される光学素子を冷却する、自身を流れる冷却液を有する熱交換器を組み込む、第４の好適な代替実施形態の垂直断面図である。
【図７】図７は、ＴＨＣの表面に近接近して保持される光学素子から熱を除去する冷却液が直接、熱導体（ＴＨＣ）に形成されたマイクロチャネルを通じて流れる、第５の好適な代替実施形態の垂直断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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