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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die dazu
dient, eine stabile und gleichmäßige Temperaturvereilung
entlang eines optischen Elementes aufrecht zu erhalten.
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1 zeigt
die isometrische Ansicht einer konventionellen Vorrichtung gemäß dem Stand
der Technik, um ein optisches Element basierend auf periodisch gepoltem
Lithium Niobate (PPLN). Bei dieser konventionellen Vorrichtung weisst
der PPLN die Form einer dünnen
Platte auf, die an einer thermisch leitfähigen Halterung befestigt ist.
Ein herkömmlicher Heizwiderstand
und einen wärmeabhängiger Widerstand
werden mit einem flexiblen Leiter verlötet. Der flexible Leiter wird
mit der thermisch leitfähigen
Halterung des PPLN verbunden.
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Der
PPLN wird dazu verwendet, infrarotes Licht in sichtbares Licht zu
konvertieren. Dabei muss der PPLN auf einer auf +/–0.2° präzise eingestellten Temperatur
(typischerweise 80–100°C, abhängig von der
Konfiguration) gehalten werden, um eine akzeptable Konvertierungseffizienz
zu erhalten. Die Vorrichtung entsprechend der 1 umfasst
einen Wärmeleiter 2 (wie
zum Beispiel eine Kupferplatte), welche mit dem PPLN 114 verbunden
ist, einen Heizwiderstand 4 um den PPLN auf die erforderliche
Temperatur aufzuheizen, einen wärmeabhängigen Widerstand 3 um
die Temperatur des PPLN zu messen, einen flexiblen Leiter 5 um
dem Heizwiderstand 4 als Antwort auf die mittels des wärmeabhängigen Widerstandes
gemessene Temperatur zu steuern. Lötflächen 6 verbinden die
Vorrichtung mit einem Kontrollelement (nicht gezeigt).
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Zwar
funktioniert die Vorrichtung gemäß 1 in
vernünftigem
Umfang, hat aber einige Nachteile. Erstens bedeckt der Heizwiderstand
nicht den ganzen Bereich des PPLN 114. Dies bedeutet, dass die
Temperatur entlang des PPLN nicht gleichmäßig verteilt ist. Es gibt im
Bereich des Heizelementes eine Stelle erhöhter Temperatur. Zweitens ist
der wärmeabhängige Widerstand
im offenen Aussenbereich (d. h. Temperaturänderungen der Umgebung ausgesetzt),
gegenüber
dem beweglichen Leiter 5 und der Halterung 2 des
PPLN 114 und nahe der Kante des PPLN 114 angeordnet,
und ist daher nicht in der Lage eine Temperatur des PPLN 114 mit
Genauigkeit zu bestimmen.
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Es
besteht ein Bedürfnis
nach einer flexiblen Vorrichtung die es gestattet, eine konstante
und gleichmäßig verteilte
Temperatur quer über
das optische Element aufrecht zu erhalten.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben,
die es gestattet, eine konstante und gleichmäßig verteilte Temperatur quer über ein
plattenförmiges
optische Element aufrecht zu erhalten. Dies wird dadurch erreicht,
dass Wärme
gleichmässig über die
ganze Oberfläche
des optischen Elementes zugeführt
wird, ausserdem die Temperatur nahe dem optischen Element gemessen wird
und die Temperatur innerhalb eines kleinen vorgegebenen Bereichs
konstant gehalten wird.
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Das
optische Element wird an die vordere Oberfläche einer dünnen, thermisch leitenden Halterung
laminiert. Der Ausdruck „laminiert" soll hierbei bedeuten,
dass ein aus zusammengeklebten Schichten bestehendes Material verwendet
wird. Das optische Element kann beispielsweise ein auf periodisch gepoltem
Lithium Niobat (PPLN) basierendes Element sein. Gemäss der vorliegenden
Erfindung kann auf eine Schicht verzichtet werden, wenn der Heizwiderstand
plattenförmig
ausgebildet ist und ein integraler Bestandteil des flexiblen Leiters
ist, welcher an die Rückseite
der Halterung laminiert ist.
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Der
Heizwiderstand erstreckt sich über
die gesamte Fläche
des optischen Elementes, parallel zu diesem und zumindest bis an
seine Kanten heranragend. In einer bevorzugten Ausbildungsform ragt der
Heizwiderstand über
das optische Element hinaus um eine noch gleichmäßigere Temperaturverteilung
sicherzustellen.
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Die
thermisch leitfähige
Halterung umfasst eine Ausnehmung auf der Rückseite der Halterung, in welche
der wärmeabhängige Widerstand
platziert und damit nahe am optischen Element angeordnet wird. Damit
kann die Temperatur des optischen Elementes genau und präzise gemessen
werden. Das Heizelement ist vorzugsweise als Teil eine flexiblen Leiters
ausgebildet. Das Bauteil zu Messung der Temperatur ist am flexiblen
Leiter angebracht und mit ihm verdrahtet.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt
gemäß dem Stand
der Technik eine isometrische Ansicht eines konventionellen Bauteils
zum Heizen eines optischen Elementes
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2 zeigt
ein Blockdiagramm das beispielhaft eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung in der Anwendung zeigt.
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3 zeigt
isometrisch die Explosionsansicht einer Heizvorrichtung entsprechend
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
die isometrische Rückansicht
eines Teils einer optischen Halterung der Heizvorrichtung in 3.
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Die
folgenden Bezugszeichen und die dazugehörenden Elemente werden in den
Figuren und in der Beschreibung verwendet.
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- 100
- Modul
- 102
- Kupferblock
- 104
- Infrarotlaser
- 106
- Infrarotstrahlung
- 108
- Umlenkspiegel
- 107
- dichroitischer
Spiegel
- 112
- sichtbares
Licht
- 113
- Infrarotstrahlung
- 114
- PPLN
- 116
- sichtbares
Licht
- 117
- unkonvertierte
Infrarotstrahlung
- 118
- Strahl
- 120
- VBG
- 122
- sichtbares
Licht
- 124
- Fenster
- 126
- sichtbares
Licht
- 130
- Heizvorrichtung
- 132
- PPLN-Halterung
- 133
- flexibles
Heizelement
- 134
- flexibler
Leiter
- 135
- Rest
des flexiblen Leiters
- 136
- Epoxy-Löcher
- 137
- Lötfläche
- 138
- Aussparung
- 140
- wärmeabhängiger Widerstand
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2 zeigt
ein Blockdiagramm das beispielhaft eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung in der Anwendung zeigt. Hier ist es ein Modul, welches
das infrarotlicht eines Lasers zu sichtbarem Licht konvertiert.
Im Beispiel der 2 erzeugt ein Infrarotlaser 104 auf
einem thermisch leitfähigen
Kupferblock 102 Infrarotstrahlung 106. Diese transmittiert durch
den für
Infrarotlicht durchlässigen
dichroitischen Spiegel 107. Der PPLN 114 konvertiert
einen Teil des IR-Lichtes zu sichtbarem Licht 116. Nicht konvertiertes
Infrarotlicht 117 wird als Strahl 118 von den
VBG (Volume Bragg Grating) 120 zurückreflektiert und propagiert
zurück
durch den PPLN 114, wobei mehr Strahlung zu sichtbarem
Licht konvertiert wird. Der Rest gelangt als Infrarotstrahl 113 zurück zum Infrarotlaser 104,
nachdem er als Strahl 109 nochmals den dichroitischen Spiegel 107 passiert hat.
Sichtbares Licht wird vom dichroitischen Spiegel 107 und
von einem Umlenkspiegel 108 reflektiert und bildet einen
sichtbaren Strahl 126. Es wird angemerkt dass die Strahlen
zur Verdeutlichung räumlich
getrennt dargestellt sind. In Wirklichkeit werden sie überlappen.
Das sichtbare Licht 126, das das Modul 100 durch
ein Fenster 124 verlässt,
bildet einen Teil des ausgehenden sichtbaren Strahls 110.
Zusätzlich wird
sichtbares Licht 116 durch das VBG 120 transmittiert
und bildet einen anderen sichtbaren Strahl 122, der durch
das Fenster 124 transmittiert und zum ausgehenden sichtbaren
Strahl 110 beiträgt.
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3 zeigt
isometrisch die Explosionsansicht einer Heizvorrichtung 130 entsprechend
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Es umfasst ein flexibles Heizelement 133, das
als Schicht geformt ist und Teil eines zur Heizung des PPLN vorgesehenen
flexiblen Leiters 134 ist. Es umfasst ausserdem eine thermisch
leitfähige PPLN-Halterung 132 und
einen wärmeabhängigen Widerstand 140.
Die Drähte
zu und von dem Heizelement und dem wärmeabhängigen Widerstand sind auch
in das flexible Material eingelassen (und daher nicht der Umgebung
ausgesetzt). Der Teil des flexible Leiters 134, der das
flexible Heizelement 133 umfasst, wird an die Rückseite
der PPLN-Halterung 132 laminiert oder geklebt. Der Rest 135 des
flexiblen Leiters 134 ist der Teil, der die Drähte des
Leiters umfasst und wird in die gewünschte Position gebogen, so
dass die Lötflächen 137 für den elektrischen
Kontakt zur Stromversorgung oder Steuerung (nicht gezeigt) geführt werden.
Jede(?) Fläche 137 eines
Armes verbindet den wärmeabhängigen Widerstand 140 und
eine andere verbindet das Heizelement 133.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird der flexible Leiter 134 auf
Kapton®-Plastic
geformt. Das Heizelement 133 wird aus mit Widerstands behaftetem
Draht (nicht gezeigt) geformt, der sicht erhitzt, wenn er von Strom durchflossen
wird. Vorzugsweise werden die Heizdrähte so geführt, dass sie nicht über den
Bereich des wärmeabhängigen Widerstandes 140 verlaufen. Als
Alternative könnte
die Verdrahtung zwischen Kapton®-Schichten
eingelegt sein um Kurzschlüsse zu
vermeiden. Der wärmeabhängige Widerstand
ist durch eine Lötverbindung
mit den Drähten
des flexiblen Leiters 134 verbunden.
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Mit
der bevorzugten Ausführungsform
wird es möglich
sowohl die Temperatur am PPLN 114 präzise zu messen, als auch die
Temperatur gleichmäßig und über den
ganzen Bereich des PPLN 114 konstant zu halten. Dies wird
dadurch erreicht, dass Wärme über die
gesamte Oberfläche
des optischen Elementes abgegeben wird und die Temperatur direkt am
optischen Element gemessen wird.
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In
der Praxis wird die den PPLN verlassende sichtbare Strahlung in
Abhängigkeit
der Temperatur gemessen und die Temperatur dann so gesetzt, dass die
Effizienz maximiert ist. Der PPLN wird dann auf dieser (Referenz-)Temperatur
gehalten. Die Referenztemperatur kann, abhängig von der gewählten Konfiguration
im Bereich zwischen 80°C
und 100°C liegen.
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Das
Heizelement 133 bedeckt die gesamte Fläche des optischen Elementes 114,
hier im Beispiel also des optischen Elementes basierend auf periodisch
gepoltem Lithium Niobat. Vorzugsweise ragt das Heizelement 133 über die
Begrenzungen des PPLN hinaus. Hierdurch wird eine noch größere Temperatureinheitlichkeit
erreicht. In der bevorzugten Ausführungsform hat das flexible
Heizelement dieselbe Größe und dieselbe
Form wie die Rückseite der
Halterung 132. Dadurch wird die gesamte Halterung erwärmt. Die
thermisch leitfähige
Halterung 132 umfasst in nächster Nähe zu dem PPLN 114 eine Aussparung 138 (gezeigt
in 4). Dort ist der wärmeabhängige Widerstand 140 untergebracht.
Dies bedeutet, dass der wärmeabhängige Widerstand
von der Umgebungstemperatur isoliert ist und in nächster Nähe zum optischen
Element positioniert ist. Auf diese Weise kann präzise und
genau die Temperatur des optischen Elementes gemessen werden.
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4 zeigt
die isometrische Rückansicht
der Halterung 132. Gezeigt ist die Aussparung 138 in welche
der wärmeabhängige Widerstand
eingebracht wird. Dies wird folgendermaßen zusammengebaut: Der Teil
des flexiblen Leiters 134, der das flexible Heizelement 133 bildet,
wird nahe an der Halterung 132 angeordnet, so dass die
Aussparung 138 in der sich der wärmeabhängige Widerstand 140 befindet
ein Gehäuse
bildet. Der flexible Leiter 134 wird an die Rückseite
der Halterung 132 geklebt, wobei der wärmeabhängige Widerstand 140 in
der Aussparung 138 eingeschlossen wird. Beispielsweise
könnte
der flexible Leiter 134 an der Rückseite eine druckempfindliche
Klebschicht aufweisen derart, dass er an der Halterung 132 klebt
wenn die Schutzschicht entfernt wird und die, die Klebschicht aufweisende
Seite des flexiblen Leiters 134, an die Rückseite
der Halterung 132 gepresst wird.
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Dann
wird Epoxy-Klebstoff, oder ähnliches, in
die Aussparung 138 gepresst. Dies kann durch die dafür vorgesehenen
Epoxy Löcher 136 mittels
einer Spritze oder ähnlichem
geschehen. Der Klebstoff wird in den um den wärmeabhängigen Widerstand herum vorhandenen
Lustspalt gefüllt.
Klebstoff wird so lange durch das eine Epoxy-Loch eingefüllt, bis
er aus dem zweiten Epoxy Loch heraus quillt. Vorzugsweise wird der
PPLN gleich anschliessend in die Halterung geklebt, so dass aus
den Löchern
heraus quillender Klebstoff dazu beiträgt, die Aussparung zu füllen.
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Daher
ist der wärmeabhängige Widerstand 140 an
der richtigen Stelle platziert, um die Temperatur des PPLN 114 präzise zu
messen. Er befindet sich nahezu an den PPLN 114 angrenzend
und im Zentrum des PPLN. Lediglich eine dünne Schicht der Halterung 132 trennt
den wärmeabhängigen Widerstand 140 von
dem PPLN 114. Er ist in der Halterung 132 eingebettet
und die Halterung 132 wird über die ganze Oberfläche durch
den Heizleiter erhitzt. Der wärmeabhängige Widerstand
ist von der Aussentemperatur und deren Schwankungen isoliert, da
er in der Halterung eingebettet ist und umgeben ist von Klebstoff.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der flexible Leiter aus Kapton®-Plastik
in dem ein flexibles Heizelement eingebettet ist. Drähte verlaufen
vom Heizelement 133 und vom wärmeabhängigen Widerstand 140 zu
den Lötflächen 137,
die an einer Leiterplatte (printed circuit board, PCB) angelötet sind über die
die vom wärmeabhängigen Widerstand 140 gemessene
Temperatur registriert wird und als Antwort dem entsprechend das
Heizelement angesteuert wird. Die Halterung 132 ist aus
Aluminium oder ähnlichen
Material, das thermisch leitfähig
ist. Da Aluminium eine geringe Wärmekapazität besitzt
und daher schnell aufheizt und es ausserdem kostengünstig ist,
eignet es sich gut für
diese Zwecke. Die thermisch leitfähige Halterung 132 kann
beispielsweise 20 mm lang und 5 mm breit sein, bei einer Dicke von
3 mm, wenn der PPLN 114 8.5 mm × 5 mm × 0.5 mm groß ist (Hier
transmittiert das Licht senkrecht durch die Höhe von 5 mm). Ein PPLN (und
seine entsprechende Halterung) für rotes
Licht kann beispielsweise 7 mm breit sein.
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Es
versteht sich, dass der Fachmann viele unterschiedliche Variationen
der angesprochenen Ausführungsformen
erkennen wird, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu sehen
sind. Beispielhaft sollen hier einige angesprochen werden. Die Erfindung
kann für
andere optische Elemente eingesetzt werden, bei denen es darauf
ankommt, die Temperatur konstant zu halten. Anstatt einen wärmeabhängigen Widerstand
zu verwenden wäre
die Verwendung anderer Mittel zum Messen der Temperatur denkbar,
beispielsweise ein thermokoppelndes Element. Die Halterung 132 könnte vergrössert gewählt werden
um zu ermöglichen,
dass das Heizelement sowohl horizontal als auch vertikal über das
optische Element herausragt. Ausserdem könnte das flexible Heizelement 133 aus
diskreten Heizdrähten
gebildet sein, anstatt aus in Kapton® eingebetteten
Drähten.
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Mit
der vorliegenden Beschreibung wurde eine Vorrichtung mit optischem
Element mit mindestens einer Fläche
offenbart wobei das optische Element an einer thermisch leitfähigen Halterung
angeordnet ist und die Halterung im Wesentlichen über die gesamte
besagte Fläche
des optischen Elementes thermisch leitfähig mit dem optischen Element
verbunden ist und die Halterung zumindest in der Nähe des Zentrums
der Fläche
eine Aussparung aufweisst, in der Mittel zu Messung der Temperatur
vorgesehen sind und an der vom optischen Element wegweisenden Seite
der Halterung flächige
Mittel zum Heizen vorgesehen sind.
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Die
Vorrichtung kann eine Steuerung umfassen, welche die gemessene Temperatur
als Regelgrösse
zur Regelung der Heizleistung der Mittel zum Heizen verwendet.
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Bei
der Vorrichtung können
die Mittel zur Messung der Temperatur in einem Raum vorgesehen sein,
der durch die Aussparung und die die Aussparung bedeckenden flächigen Mittel
zum Heizen gebildet wird. Dabei ist bevorzugt, dass der Raum in
Richtung optisches Element zwei Löcher aufweisst, und der nicht
von den Mittel zu Messung der Temperatur verwendete Platz in der
Aussparung mit einem Klebstoff, vorzugsweise mit Epoxy-Klebstoff
aufgefüllt
ist.
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Damit
kann ein Modul zur Erzeugung von sichtbarem Licht mit einem Infrarotlaser
hergestellt werden, das ein PPLN-Element umfasst, das mit seiner
Halterung als Vorrichtung gemäß einem
der vorangehenden Ansprüche
ausgestaltet ist.