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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Diodenlaser mit einem einer Laserdiode
elektrisch parallel geschalteten Schutzelement.
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Diodenlaser
weisen eine Vielzahl möglicher Anwendungsgebiete
auf, zu denen die direkte Materialbearbeitung, medizinische Anwendungen
und insbesondere das Pumpen von Festkörperlasern gehören. Ein
Diodenlaser enthält
als laseraktives Element einen optoelektronischen Halbleiterchip,
die sogenannte Laserdiode, die insbesondere bei Hochleistungs-Diodenlasern
aus mehreren nebeneinander angeordneten Einzelemittern bestehen
kann. Ein Ausführungsbeispiel
zur Erzielung hoher optischer Ausgangsleistung ist eine monolithische
Anordnung von Einzelemittern in einem sogenannten Laserdioden-Barren.
Ein solcher Laserdioden-Barren ist typischerweise etwa 5-10mm breit
(lateral), 0,10-0,15mm hoch (vertikal) und weist Resonatorlängen zwischen
0,3 und 2,5mm auf (transversal). Bei den sogenannten Kantenemittern
tritt das in den pn-Übergängen der
Laserdiode erzeugte Laserlicht an einer der lateralen Seiten (Austritts- oder Vorderseite,
Emitterfacette) aus. Die gegenüberliegende Seite
(Rückseite)
ist hochreflektierend verspiegelt und bildet den Rückspiegel
des Resonators. Bei einer alternativen Ausführungsform wird das im Laserdioden-Barren
erzeugte Laserlicht innerhalb des Laserdioden-Barrens um 90° umgelenkt,
so dass es aus dem Laserdioden-Barren vertikal austritt. Auch in dieser
Ausführungsform
ist die Rückseite
hochreflektierend verspiegelt und bildet den Resonatorendspiegel.
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Der
Laserdioden-Barren ist zwischen einer Grund- und Deckplatte angeordnet,
die zur elektrischen Kontaktierung dienen. Die Deckplatte für die Kontaktierung
der n-Seite ist üblicherweise
eine dünne
metallische Folie (20-200μm),
die auf den Laserdioden-Barren mittels Lötung, Klemmung oder Klebung
montiert wird. Diese Folie kann auch zur Kompensation von thermomechanischen
Bewegungen strukturiert oder gebogen sein. In einer alternativen Ausführungsform
erfolgt die Kontaktierung der n-Seite
durch eine dem Betriebsstrom angepasste Anzahl von Bonddrähten, die
mit einem Ende auf der n-Seite des Laserdioden-Barrens gebondet sind und mit dem anderen
Ende auf eine n-Kontaktfläche führen.
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Die
Grundplatte dient zusätzlich
zur Kühlung des
Laserdioden-Barrens.
Diese kann sowohl passiv (ohne direkte Fluidkühlung) als auch aktiv, mittels
fluiddurchströmter
Innengeometrie erfolgen. Zusätzlich bietet
die Grundplatte eine mechanische Basis für den fragilen Laserdioden-Barren.
Grundplatte und Deckplatte bzw. Kontaktplatte können beispielsweise durch Kunststofffolien,
Keramikplättchen
oder Beschichtungen elektrisch voneinander isoliert werden.
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Ein
Bauelement bestehend aus Laserdiode bzw. Laserdioden-Barren, elektrischen
Kontakten und Kühlung
wird als Diodenlaser bezeichnet. Die typische optische Ausgangsleistung
eines solchen Diodenlasers reicht, abhängig von Ausführung und
Betriebsart, von ca. 1W bis zu mehreren 100W.
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Diese
Diodenlaser werden üblicherweise beim
Diodenlaserhersteller gefertigt und unter definierten Betriebsbedingungen
getestet. Beim Anwender der Diodenlaser ist jedoch eine eigenverantwortliche
Inbetriebnahme der Diodenlaser nicht zu umge hen. Die Diodenlaser
werden in der Regel nicht mit Netzgeräten und Kontrolleinrichtungen
geliefert. Fehler beim Anschließen
(Verpolung) und Betreiben (zu hoher Betriebsstrom) der Diodenlaser
führen
unvermeidlich zur nachhaltigen Schädigung der Diodenlaser. Insbesondere
können
unbemerkt Vorschäden
erzeugt werden, die sich erst später
als Totalausfall auswirken.
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Besonders
kostenintensiv sind solche Vorschäden bei sehr komplexen Diodenlaseranordnungen.
Zur Erhöhung
der Ausgangsleistung werden nämlich
mehrere Diodenlaser geometrisch nebeneinander (horizontale Linienanordnung)
und/oder übereinander
(vertikaler Stapel) angeordnet. In einem solchen Stapel werden üblicherweise
etwa 2 bis zu einigen 100 Diodenlaser elektrisch in Reihe angeordnet. Beim
Betrieb des Stapels, während
des Tests und der Inbetriebnahme oder im Servicefall, kann es zum Ausfall
einer oder mehrerer der im Stapel verbauten Diodenlaser, beispielsweise
durch eine teilweise oder vollständige
Zerstörung
bei Überstrom
(Betriebsstrom > zulässiger Maximalstrom)
oder elektrischer Verpolung des Diodenlasers, kommen. Dies kann
aufgrund der Reihenschaltung zum Betriebsausfall der gesamten Diodenlaseranordnung
führen, der
mit einem erheblichen wirtschaftlichen Schaden verbunden sein kann.
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Zum
Vermeiden eines solchen Totalausfalles ist es beispielsweise aus
der WO 03/0754423 A1 bekannt, jedem Diodenlaser eines Stapels eine
Bypassanordnung elektrisch parallel zu schalten, die diesen im Falle
eines hochohmigen Defektes niederohmig überbrückt. Mit der bekannten Diodenlaseranordnung
wird lediglich die Auswirkung eines auftretenden Schadens begrenzt,
nicht jedoch der Schaden selbst verhindert.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, einen Diodenlaser anzugeben,
bei dem der Auftritt eines Schadens durch einen nicht bestimmungsgemäßen Betrieb,
d. h. insbesondere bei einem Betrieb mit einem Strom, der größer als
der zulässige Betriebsstrom
ist, weitgehend vermieden ist.
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Die
genannte Aufgabe wird gemäss
der Erfindung gelöst
mit einem Diodenlaser mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Ein Diodenlaser gemäß der Erfindung
enthält
zumindest eine Laserdiode, der ein photoempfindliches Schutzelement
elektrisch parallel geschaltet ist, das gemeinsam mit der Laserdiode
auf einer Grundplatte angeordnet ist, und dessen ohmscher Widerstand
in Abhängigkeit
von der Intensität
einer an der Rückseite
der Laserdiode austretenden und auf einen photoempfindlichen Bereich
des Schutzelementes auftreffenden Laserstrahlung derart gesteuert
ist, dass die Ausgangsleistung der Laserdiode einen vorgegebenen
oberen Grenzwert nicht überschreitet.
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Die
Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass trotz hochreflektierender
Beschichtung der Rückseite
der Laserdiode eine Resttransmission von Laserstrahlung in der Größenordnung
von bis zu 1% auftritt. Die Intensität der dadurch verursachten Emission
von Laserstrahlung auf der Rückseite
ist proportional zur Intensität
der Hauptemission, d. h. der nutzbaren optischen Ausgangsleistung
des Diodenlasers und damit auch ein indirektes Maß für den Betriebsstrom
durch die Laserdiode.
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Die
Erfindung geht nun von der Überlegung aus,
dass diese an sich unerwünschte
rückseitige Leckstrahlung
unmittelbar als Steuersignal für
ein elektrisch parallel geschaltetes strombegrenzendes Schutzelement
genutzt werden kann.
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Der
Begriff "ohmscher
Widerstand" des Schutzelementes
ist dabei als das Verhältnis
aus anliegender Spannung U und dem durch das Schutzelement fließender Strom
I zu verstehen und bedeutet keineswegs, dass sich das Schutzelement
wie ein "rein ohmscher
Widerstand" verhält, dessen
Widerstandswert konstant ist. Vielmehr handelt es sich bei einem
geeigneten Schutzelement um ein elektronisches Bauteil mit einer
nichtlinearen Strom-Spannungs-Kennlinie.
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Da
außerdem
Laserdiode und Schutzelement auf einer gemeinsamen Grundplatte angeordnet
sind, kann die im Schutzelement bei der Übernahme eines Teils oder des
gesamten Betriebsstroms entstehende Verlustwärme ebenso effizient über die
Grundplatte abgeführt
werden wie die in der Laserdiode im Normalbetrieb entstehende und
in der Regel über
die Grundplatte abgeführte
Verlustwärme.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform überbrückt das Schutzelement die Laserdiode
bei Überschreiten
eines unterhalb des oberen Grenzwertes liegenden unteren Grenzwertes
derart, dass bei zunehmenden Gesamtstrom durch die aus Laserdiode
und Schutzelement gebildete Parallelschaltung der durch die Laserdiode
fließende
Betriebsstrom in einem geringeren Maße zunimmt als der Treiberstrom.
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Um
sicherzustellen, dass ein Totalausfall, der im ungünstigen
Fall zu einem Kurzschluss der Laserdiode führen kann, ausgeschlossen ist, überbrückt in einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
das Schutzelement die Laserdiode bei Überschreiten des oberen Grenzwertes
derart, dass ein durch die Laserdiode fließender Betriebsstrom kleiner
ist als ein zu ihrem Betrieb erforderlicher Schwellstrom. Mit anderen
Worten: Die Laserdiode wird praktisch kurzgeschlossen und außer Betrieb
genommen.
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Zwischen
dem photoempfindlichen Bereich und der Laserdiode ist vorzugsweise
ein Abschwächer
zur Intensitätsbegrenzung
angeordnet, um die Intensität
der auf das Schutzelement auftreffenden Laserstrahlung auf ein erforderliches
Maß zu
begrenzen, wobei es aufgrund von Fertigungsschwankungen und zur
gezielten Einstellung des oder der Grenzwerte außerdem von Vorteil ist, wenn
das Transmissionsvermögen
des Abschwächers
nachträglich,
d.h. nach Zusammenbau der einzelnen Komponenten des Diodenlasers
einstellbar ist. Bei einem solchen Abschwächer kann es sich um einen Absorber,
eine geometrische Blende oder ein optisches Ablenkelement handeln.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist zur Erleichterung der Einstellbarkeit des Transmissionsvermögens des
Abschwächers
vorgesehen, eine sich über
den Abschwächer
und das Schutzelement erstreckende Deckplatte im Bereich des Abschwächers mit
einer Ausnehmung zu versehen. Damit lässt sich durch Laserbearbeitung,
beispielsweise Schwärzung
oder geometrische Strukturierung, nachträglich dessen Transmissions-
oder Absorptionsvermögen
auf die jeweiligen Eigenschaften der Laserdiode einstellen.
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Eine
besonders kompakte Ausführungsform wird
erzielt, wenn Schutzelement und Abschwächer in einem einzigen monolithischen
Bauteil integriert sind.
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Wenn
im Schutzelement zusätzlich
eine Schaltanordnung zum Schutz der Laserdiode gegen Verpolung integriert
ist, ist eine Schädigung
der Laserdiode durch fehlerhafte Inbetriebnahme nahezu ausgeschlossen.
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In
einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist im Schutzelement
außerdem
eine Bypassanordnung integriert, die die Laserdiode im Falle eines
hochohmigen Defektes niederohmig überbrückt. In diesem Falle kann eine
aus mehreren in Serie geschalteten Diodenlasern aufgebaute Diodenlaser-Anordnung
auch im Falle des Defekts eines Diodenlasers weiterbetrieben werden.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele
der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
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1 einen
Diodenlaser gemäss
der Erfindung in einem elektrischen Ersatzschaltbild,
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2 ein
Diagramm, in dem für
einen Diodenlaser gemäß 1 die
optische Ausgangsleistung, der durch die Laserdiode fließende Betriebsstrom
und der durch das Schutzelement fließende Strom gegen den Treiberstrom
aufgetragen ist,
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3 eine
alternative Ausführungsform
eines Diodenlasers gemäß der Erfindung
ebenfalls in einem Prinzipschaltbild,
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4 ein
Diagramm, in dem für
einen Diodenlaser gemäß 3 die
optische Ausgangsleistung, der durch die Laserdiode fließende Betriebsstrom
und der durch das Schutzelement fließende Strom gegen den Treiberstrom
aufgetragen ist,
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5 ein
Diagramm, in dem für
eine weitere Ausführungsform
der der durch die Laserdiode fließende Betriebsstrom und der
durch das Schutzelement fließende
Strom gegen den Treiberstrom aufgetragen ist,
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6 – 8 jeweils
Ausführungsformen
einen Diodenlasers gemäß der Erfindung
in einer schematischen perspektivischen Ansicht.
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Gemäß 1 ist
einer Laserdiode 2 ein photoempfindliches Schutzelement 4 elektrisch
parallel geschaltet, dessen ohmscher Widerstand von der optischen
Ausgangsleistung der Laserdiode 2 abhängt. Die aus Laserdiode 2 und
Schutzelement 4 bestehende Anordnung wird über ein
in der Fig. nicht dargestelltes stromgeregeltes Netzgerät mit einem Treiberstrom
IT versorgt, der sich je nach ohmschen Widerstand
des Schutzelements 4 in einen durch die Laserdiode 2 fließenden Betriebsstrom
ILD und einen durch das Schutzelement 4 fließenden Strom
ISE aufteilt. Im Ausführungsbeispiel enthält das Schutzelement 4 einen
Transistor 6, im Beispiel ein MOSFET, dessen Gate an den
Ausgang eines Operationsverstärkers 8 angeschlossen
ist. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 8 ist über eine Parallelschaltung
aus einem photoelektrischen Bauelement, im Beispiel schematisch
mit dem Schaltsymbol eines Photoelementes dargestellt, und einem Widerstand 12 an
die Kathode (n-Kontakt) der Laserdiode 2 angeschlossen.
Dieses photoelektrische Bauelement bildet einen photoempfindlichen
Bereich 10 des Schutzelementes 4, d. h. den Teil
des Schutzelementes 4, der durch Ausnutzung des photoelektrischen
Effektes die angestrebte Veränderung
des ohmschen Widerstandes des Schutzelementes 4 bewirkt.
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Durch
beidseitig am Schaltsymbol für
die Laserdiode 2 eingezeichnete Pfeile ist veranschaulicht, dass
die Laserdiode 2 nicht nur an ihrer Emitterfacette oder
Vorderseite 14 Laserlicht emittiert, sondern dass auch
auf ihrer der Vorderseite 14 gegenüberliegenden Rückseite 16 Laserstrahlung
austritt. Diese rückseitige
Laserstrahlung trifft auf die Photoelement, die den photoempfindlichen
Bereich 10 des in diesem Ausführungsbeispiel aus mehreren
Bauelementen aufgebauten Schutzelementes 4 bildet. Dadurch
wird die über
dem Photoelement liegende Photospannung und damit die am nicht invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 8 anliegende
Spannung geändert. Überschreitet
diese eine am invertierenden Eingang anliegende Referenzspannung
Uref, so liegt am Ausgang des Operationsverstärkers 8 ein
Steuersignal S für
den Transistor 6 an, das proportional zur Differenzspannung
ist und seinen ohmschen Widerstand in Durchlassrichtung steuert.
Der Gesamtwiderstand des Schutzelements 4 wird dabei im
dargestellten Ausführungsbeispiel
praktisch ausschließlich durch
den Transistor 6 gebildet.
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Das
Schutzelement 4 enthält
in der vorteilhaften Ausgestaltung gemäß der Figur außerdem noch
eine Schaltanordnung 18 zum Schutz der Laserdiode 2 gegen
Verpolung, die in der Figur nur stark vereinfacht als antiparallel
zu Laserdiode 2 geschaltete Schutzdiode eingezeichnet ist.
Der Treiberstrom IT wird im Falle einer
dem Normalbetrieb der Laserdiode 2 umgekehrten Polung der
Diodenlaseranschlüsse
beim Anschluss an einen Stromtreiber, von der Schaltanordnung 18 und
damit vom Schutzelement 4 übernommen, so dass sich für die Laserdiode 2 ein
schädlicher
Betriebsstrom bzw. eine schädliche
Spannung in umgekehrter Richtung bzw. Polarität zum Normalbetrieb nicht aufbauen
kann.
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Der
Laserdiode 2 ist außerdem
eine Bypassanordnung 19 parallel geschaltet, wie sie beispielsweise
aus der WO 03/75423 A1 bekannt ist. Mit dieser im Normalbetrieb
niederohmigen Bypassanordnung 19, die in der Figur durch
eine parallel zur Laserdiode 2 geschaltete Diode grob schematisch
veranschaulicht ist wird die Laserdiode 2 im Falle eines Hochohmdefektes
niederohmig überbrückt.
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Das
im Ausführungsbeispiel
anhand diskreter Bauelemente dargestellte Schutzelement 4 ist
in der praktischen Ausführung
ein einziges monolithisches Bauteil, in dem alle Funktionen des
Schutzelementes 4 integriert sind.
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Im
Diagramm gemäß 2 ist
zu erkennen, dass der durch die Laserdiode fließende Betriebsstrom ILD bis zu einem unteren Grenzwert ILDmax1 des Betriebsstromes ILD bzw.
einem unteren Grenzwert ITmax1 des Treiberstromes
IT mit zunehmenden Treiberstrom IT anwächst
und praktisch gleich dem Treiberstrom IT ist.
Ab einem bestimmten Schwellwert ITS des
Treiberstroms IT beginnt die Laserdiode
Laserstrahlung zu emittieren und die optische Ausgangsleistung Popt beginnt proportional zum Betriebsstrom ILD durch die Laserdiode anzusteigen. Proportional zur
optischen Ausgangsleistung Popt gibt die
Laserdiode auch optische Lichtleistung an ihrer Rückseite ab,
die von dem Photoelement empfangen wird. Ab einem unteren Grenzwert
Poptmax1 der Ausgangsleistung Popt und
damit ab einem unteren Grenzwert ILDmax1 des
Betriebsstromes ILD bzw. einem unteren Grenzwert
ITmax1 des Treiberstromes IT wird
nun bei korrekter Dimensionierung der Referenzspannung Uref (1) das vorher
hochohmige Schutzelement niederohmig und ein Teil ISE des
Treiberstroms IT fließt über das Schutzelement. Diese
unteren Grenzwerte Poptmax1, ILDmax1 ITmax1 bilden somit einen Kipppunkt für den Betriebsstrom
ILD, der die Funktion einer Strombegrenzung
für die
Laserdiode erfüllt.
Ab dem Erreichen dieses Kipppunktes bleibt der Betriebsstrom ILD durch die Laserdiode praktisch konstant
und der über
diesen Kipppunkt hinausgehende Treiberstrom IT wird
von dem Schutzelement übernommen.
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Da
die Beziehung zwischen Betriebsstrom ILD und
Ausgangsleistung Popt von der Betriebsdauer der
Laserdiode abhängt
und die Ausgangsleistung Popt bei gleichem
Betriebsstrom ILD mit wachsender Betriebs-
oder Lebensdauer abnimmt, kann der untere Grenzwert Poptmax1 der
Ausgangsleistung mit einem entsprechenden Sicherheitsabstand zur
im Auslieferungszustand möglichen
maximalen Ausgangsleistung gewählt
werden, um über
die gesamte Lebensdauer einen unzulässig hohen Betriebsstrom ILD zu vermeiden.
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Die
Begriffe „niederohmig" und „hochohmig" sind dabei folgendermaßen zu verstehen:
Der Widerstand des Schutzelementes ist im Normalbetrieb so groß, dass
die an ihm anfallende Verlustleistung wesentlich kleiner ist als
die Leistungsaufnahme der Laserdiode. Vorzugsweise ist die Verlustleistung
deutlich kleiner als 1/10 der Leistungsaufnahme. Im Strom-Begrenzungsfall sinkt
der ohmsche Widerstand des Schutzelementes auf einen Wert, der die Größenordnung
des Widerstandes der Laserdiode im Normalbetrieb erreicht, so dass
sich der Treiberstrom IT auf die Laserdiode
und auf das Schutzelement in der vorstehend beschriebenen Weise
aufteilt.
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Durch
geeignete Dimensionierung der photoelektrischen und elektrischen
Eigenschaften des Schutzelementes kann erreicht werden, dass der durch
die Laserdiode fließende
Betriebsstrom ILD mit zunehmenden Treiberstrom
IT praktisch konstant bleibt und allenfalls
in einem geringen Maß anwächst, um
die zum Steuern des Schutzelementes erforderliche Steuerleistung
bereitzustellen, d. h. die mit zunehmenden Treiberstrom IT erforderliche Abnahme des ohmschen Widerstandes
des steuerbaren Schutzelementes und die dazu bei dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
erforderliche betragsmäßige Änderung
der am Gate anliegenden Steuerspannung herbeizuführen. Mit anderen Worten: Der
durch die Laserdiode fließende
Betriebsstrom ILD nimmt höchstens
in einem Maß zu,
das geringer ist als das Maß,
mit dem der Treiberstrom IT zunimmt.
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In
der alternativen Ausführungsform
gemäß 3 enthält das Schutzelement 4 einen
sogenannten Photothyristor 60, der ab einer vorgegebenen Lichtintensität, d. h.
ab einem vorgegeben oberen Grenzwert der von der Laserdiode 2 abgegebenen optischen
Ausgangsleistung, gezündet
wird. Da der ohmsche Widerstand des Thyristors im Durchlassbereich
seiner Kennlinie deutlich kleiner ist als im Sperrbereich, wird
der den durch die Laserdiode fließenden Betriebsstrom ILD praktisch abgeschaltet, zumindest jedoch
auf einen Wert reduziert, der deutlich kleiner ist als ein zum Lasern
der Laserdiode 2 erforderlicher Betriebsstrom ILD. Anstelle eines Photothyristors 60 kann
für dieses
Schaltverhalten auch ein normaler Thyristor eingesetzt werden, dessen
Gate an eine Photodiode angeschlossen ist, die in Analogie zu 1 die
auf der Rückseite
der Laserdiode 2 abgegebene Laserstrahlung empfängt. Auch
in dieser Ausführungsform
enthält
das Schutzelement 4 die Schaltanordnung 18 zum
Schutz der Laserdiode 2 gegen Verpolung sowie die Bypassanordnung 19 zum Überbrücken der
Laserdiode 2 im Falle eines Hochohmdefektes.
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Das
Verhalten des Diodenlasers gemäß 3 ist
im Diagramm gemäß 4 dargestellt.
In diesem Diagramm ist zu erkennen, dass der Thyristor schaltet,
wenn der Treiberstrom IT und damit der Betriebsstrom
ILD bzw. die optische Ausgangsleistung Popt jeweils einen vorgegebenen oberen Grenzwert ITmax2, ILDmax2 bzw.
Poptmax2 überschreiten. Im Beispiel liegen
diese oberen Grenzwerte dicht beisammen, da die Laserdiode nicht
wesentlich über
ihre unteren Grenzwerte ITmax1, ILDmax1 bzw. Poptmax1 betrieben
werden soll. Grundsätzlich
ist aber eine Kombination der in 1 und 3 jeweils
dargestellten Ausführungsformen
möglich,
bei der in einem Betriebsbereich zwischen den unteren Grenzwerten
ITmax1, ILDmax1 bzw.
Poptmax1 und den oberen Grenzwerten ITmax2, ILDmax2 bzw.
Poptmax2 ein Schutzelement gemäß 1 einen überschüssigen Teil
des Treiberstromes übernimmt
und erst ab Überschreiten
der oberen Grenzwerte ITmax2, ILDmax2 bzw.
Poptmax2 ein Abschalten der Laserdiode gemäß 3 eingeleitet
wird.
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Ein
alternatives Verhalten eines geeigneten Schutzelementes ist in 5 dargestellt.
Dort kommt ein Schutzelement zum Einsatz, das bereits von Anfang
an, d. h. ohne Schwellwert, einen Teil ISE des Treiberstroms
IT übernimmt,
wobei dieser Anteil ISE jedoch in Abhängigkeit
vom Treiberstrom IT exponentiell ansteigt
und auf diese Weise die optische Ausgangsleistung Popt der
Laserdiode und damit den durch diese fließenden Betriebsstrom ILD auf einen unteren Grenzwert Poptmax1 bzw.
ILDmax1 begrenzt. Auch mit einem in dieser
Weise konfektionierten Schutzelement kann die in 3 dargestellte
Abschaltung kombiniert werden.
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Im
Ausführungsbeispiel
gemäß
6 ist
die Laserdiode
2 ein Laserdioden-Barren, der gemeinsam
mit dem Schutzelement
4 auf einer Grundplatte
20 angeordnet
ist, die sowohl als p-Kontakt als auch als Kühlelement sowohl für die Laserdiode
2 als
auch für
das Schutzelement
4 dient. Besonders vorteilhaft ist die
Verwendung einer Grundplatte
20, die zur Kühlung von
einem Fluid durchströmt
ist. Eine solche Grundplatte
20 ist beispielsweise aus
der
DE 198 20 355
A1 bekannt. Auf dieser Grundplatte
20 ist gegenüber der
Rückseite
16 der
Laserdiode
2, d.h. zwischen der Laserdiode
2 und
dem Schutzelement
4 ein Abschwächer
22 angeordnet,
der nur einen Teil der aus der Rückseite
16 der
Laserdiode
2 austretenden Laserstrahlung
24 transmittiert.
Mit anderen Worten: Ein Teil der Laserstrahlung
24 wird
absorbiert, ausgeblendet oder abgelenkt, bevor es auf das ebenfalls
auf der Grundplatte
20 angeordnete und mit seinem lichtempfindlichen
Bereich
10 der Laserdiode
4 zugewandte Schutzelement
4 auftrifft.
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Laserdiode 2,
Abschwächer 22 und
Schutzelement 4 sind von einer als n-Kontakt dienenden Deckplatte 26 überdeckt,
die sich zusätzlich über einen
elektrischen Isolator 28 auf der Grundplatte 20 abstützt.
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Die
Deckplatte 26 ist im Bereich des Abschwächers 22 mit einer
Ausnehmung 30 versehen, durch die eine Nachbearbeitung
des Abschwächers 22 möglich ist,
um dessen Transmissionseigenschaften auf die jeweilige Laserdiode 2 und
die fertigungstechnisch bedingte Streuung der auf ihrer Rückseite 16 austretenden
Laserstrahlung 24 einstellen zu können. Die Ausnehmung 30 kann,
wie im Beispiel der Figur dargestellt, ein Fenster sein. Alternativ
hierzu können
in der Deckplatte 26 auch Ausnehmungen vorgesehen sein,
die sich beidseitig zu den Seitenkanten erstrecken, so dass im Bereich
des Abschwächers 22 nur
ein mittiger Steg verbleibt.
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Mit
Hilfe des Abschwächers 22 kann
entweder ein Kipppunkt eingestellt (bei den Ausführungsformen eines Schutzelementes
gemäß 1 bis 4 oder
der Kennlinienverlauf des Schutzelementes (bei der Ausführungsform
nach 5) beeinflusst und an die Eigenschaften der jeweiligen
Laserdioden-Charakteristik oder die Betriebsbedingungen angepasst
werden. Der Abschwächer 22 kann
aus einem Kunststoff bestehen, der entweder aufgrund einer Einfärbung oder
aufgrund seiner Materialeigenschaft auch ohne Einfärbung für die Laserstrahlung nur
teiltransparent ist. Als Abschwächer 22 können auch
keramische oder glasartige Werkstoffe eingesetzt werden, die je
nach Material unterschiedliche Transmissionseigenschaften für die Laserstrahlung aufweisen.
Der Transmissionsgrad kann auch über die
geometrischen Dimensionen des Abschwächers 22 eingestellt
werden. Dicke und Länge
in Strahlrichtung beeinflussen die Transmissi on. Eine stufenweise
Anpassung des erforderlichen Transmissionsgrades kann auch dadurch
erfolgen, dass der Abschwächer 22 schichtweise
in Form dünner
Folien oder Streifen aufgebaut wird.
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Durch
die Ausnehmung 30 in der Deckplatte 26 können die
Transmissionseigenschaften des Abschwächers 22 durch nachträgliche Bearbeitung, z.B.
mittels Laserstrahlung, verändert
und damit der Kipppunkt angepasst werden. So können z.B. im Abschwächer 22 Näpfe oder
Gräben
mittels Laserstrahlung oder anderer abtragender Verfahren erzeugt werden,
die die geometrischen Eigenschaften verändern. Ebenso kann bei einem
aus einem für
die Lasermarkierung geeigneten Kunststoff bestehender Abschwächer 22 durch
Laserbearbeitung eine Veränderung
der Transmissionseigenschaften, beispielsweise durch partielle Karbonisierung,
erzeugt werden.
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Als
Abschwächer 22 kann
auch ein LCD-Bauelement verwendet werden, dessen Transmissions-
und Reflexionseigenschaften elektrisch steuerbar sind.
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Eine
weitere fertigungstechnisch besonders einfach zu realisierende Ausführungsform
eines Abschwächers 22 besteht
darin, in der Deckplatte 26 oder in der Grundplatte 20 v-
oder u-förmige Sicken einzubringen,
die in den Zwischenraum zwischen der Deckplatte 26 und
der Grundplatte 20 hineinragen und eine Blendenwirkung
haben und einen Teil der rückseitigen
Laserstrahlung 24 abblenden.
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Das
Schutzelement 4 ist, wie symbolisch in der Figur dargestellt,
ein monolithisch integriertes Bauteil, insbesondere ein Silizium-Bauteil,
d. h. alle in der 1 diskret darge stellten Bauelemente
des Schutzelementes 4 sind in einem einzigen Bauteil integriert.
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Alternativ
zu der in der Figur dargestellten Ausführungsform, bei der als n-Kontakt
eine Deckplatte 20 vorgesehen ist, die Laserdiode 2 und
Schutzelement 4 komplett überdeckt, kann auch eine bereits
eingangs erwähnte
Ausführungsform
Verwendung finden, bei der die n-Kontaktierung mit Bonddrähten erfolgt,
die dann so geführt
sein können, dass
die Zugänglichkeit
des Abschwächers 22 für dessen
nachträgliche
Trimmbarkeit weiterhin sichergestellt ist.
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Im
Ausführungsbeispiel
gemäß 7 ist
anstelle eines separaten Abschwächers
ein trimmbares photoelektrisches Bauelement 40 vorgesehen,
das im Beispiel unmittelbar in das Schutzelement 4 integriert
ist. Bei diesem photoelektrischen Bauelement 40 handelt
es sich um eine oder mehrere photoempfindliche Dioden, die einen
Teil des auf sie treffenden Laserlichtes absorbieren und unmittelbar
in einen zur Steuerung des ohmschen Widerstandes erforderlichen
Photostrom umwandeln. In dieser Ausführung sind die Funktion des
photoempfindlichen Bereiches 10 des Schutzelementes 4 und
die Funktion des Absorbers 22 somit im photoelektrischen
Bauelement 40 integriert.
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Die
elektrischen Eigenschaften dieses Bauelementes 40 werden
mittels Laserbearbeitung eingestellt. So kann beispielsweise über eine
Strukturierung von Metallisierungsflächen im bereits montierten
Zustand des Schutzelementes 4 eine Anpassung des Kipppunktes
erfolgen. Eine solche Anpassung kann auch durch ein nachträgliches
Entfernen der Metallisierung vorgenommen werden, um auf diese Weise
die Länge
der photoelektrisch wirksamen Zone, einzustellen. Auch dies kann
durch ein Laserabtragsverfahren erfolgen.
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Gemäß 8 ist
anstelle eines Abschwächers
auf der Rückseite
der Laserdiode 2 eine Spiegelschicht 50 vorgesehen,
die mit sehr engen Toleranzen auf einen an eine Laserdioden-Charge
angepassten Transmissionswert eingestellt ist, so dass von vornherein
die auf der Rückseite
der Laserdiode 2 emittierte Laserstrahlung in ihrer Intensität auf den zur
Steuerung des Schutzelementes 4 erforderlichen Wert eingestellt
ist.
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In
den Figuren ist jeweils ein einziger Diodenlaser dargestellt. Für den Aufbau
eines Hochleistungs-Diodenlasers werden eine Vielzahl solcher jeweils
mit einem photoempfindlichen Schutzelement versehener Diodenlaser
elektrisch in Reihe geschaltet und räumlich über- oder nebeneinander angeordnet.
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- 2
- Laserdiode
- 4
- Schutzelement
- 6
- Transistor
- 8
- Operationsverstärker
- 10
- photoempfindlicher
Bereich
- 12
- Widerstand
- 14
- Vorderseite
- 16
- Rückseite
- 18
- Schaltanordnung
- 19
- Bypassanordnung
- 20
- Grundplatte
- 22
- Abschwächer
- 24
- Laserstrahlung
- 26
- Deckplatte
- 28
- Isolator
- 30
- Ausnehmung
- 40
- photoelektrisches
Bauelement
- 50
- Spiegelschicht
- 60
- Photothyristor
- Uref
- Referenzspannung
- S
- Steuersignal
- IT
- Treiberstrom
- ITS
- Schwellwert
- ILD
- Betriebsstrom
- ISE
- Strom
(Schutzelement)
- Popt
- optische
Ausgangsleistung
- Poptmax1
- unterer
Grenzwert
- Poptmax2
- Oberer
Grenzwert