-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Quantenkaskadenlaservorrichtung.
-
Hintergrund
-
Licht im mittleren Infrarotbereich (z. B. wo die Wellenlänge in der Größenordnung von 5 μm bis 30 μm liegt) ist ein wichtiger Wellenlängenbereich beispielsweise auf dem Gebiet der spektroskopischen Messung. Die Aufmerksamkeit hat sich dabei auf Quantenkaskadenlaser (QKL) als Hochleistungs-Halbleiterlichtquellen in einem solchen Wellenlängenbereich konzentriert (siehe beispielsweise die Offenlegungsschriften der
japanischen Patentanmeldungen Nr. H08-279647 ,
2008-177366 ,
2008-60396 und
H10-4242 ).
-
Quantenkaskadenlaserelemente sind Laserelemente vom monopolaren Typ, die eine durch Teilbänder in einer Halbleiter-Quantentopfstruktur gebildete Ebenenstruktur nutzen, um Licht entsprechend den elektronischen Übergängen zwischen den Teilbändern zu erzeugen. Das Quantenkaskadenlaserelement erzielt äußerst effiziente, hohe Leistungen durch die Kaskadenschaltung mehrerer Stufen von lichtemittierenden Quantentopfschichten, die jeweils aus einer Quantentopfstruktur bestehen und als aktiver Bereich dienen. Die Kaskadenschaltung der lichtemittierenden Quantentopfschichten wird durch den Einsatz von Elektroneninjektionsschichten erzielt, um Elektronen auf höhere Emissionsebenen zu injizieren, und durch abwechselndes Stapeln der lichtemittierenden Quantentopfschichten und der Injektionsschichten.
-
Zusammenfassung
-
Bei der Verwendung eines Quantenkaskadenlaserelements als Einmodenlaser für den Dauerstrichbetrieb mit verteilter Rückkopplung für beispielsweise die spektroskopische Messung ist es üblich, ein an das Quantenkaskadenlaserelement montiertes Submount mit einem Kühlkörper und einem Temperaturreglerelement zu verbinden und in einem stickstoffgefüllten Gehäuse anzuordnen, um eine Baugruppe zu bilden und die Oszillationswellenlänge zu stabilisieren.
-
Eine solche Baugruppe verwendet eine Struktur, bei der Laserlicht, das von einer Endfläche des Quantenkaskadenlaserelements emittiert wird, aus einem in dem Gehäuse vorgesehenen Austrittsfenster austritt. Wenn dabei Laserlicht, das von der anderen Endfläche des Quantenkaskadenlaserelements zufällig in dem Gehäuse reflektiert wird, so dass Streulicht austritt, kann während des Zeitpunkts der spektroskopischen Messung Rauschen verursacht werden. Zwar kann dieses Rauschen unterbunden werden, wenn das Quantenkaskadenlaserelement pulsierend betrieben wird, doch können die Interferenzen durch das Streulicht im Falle des Dauerstrichbetriebs die Basis der Messergebnisse beeinträchtigen und die Messsensibilität herabsetzen.
-
Deshalb wurde im Stand der Technik mit Strukturen experimentiert, bei welchen die Elemente in dem Gehäuse mit einer schwarzen Beschichtung versehen werden, um das Austreten von Streulicht zu verhindern, oder Strukturen, bei welchen ein Abdeckungselement mit einem nadelfeinen Loch an dem Quantenkaskadenlaserelement befestigt wird. Allerdings ist es in der Praxis im ersten Fall schwierig, die schwarze Beschichtung an allen Elementen in dem Gehäuse anzubringen, während im zweiten Fall die Strahlungswinkel von Laserlicht im mittleren Infrarotbereich nicht bewältigt werden und so das Laserlicht blockiert werden kann, das austreten soll.
-
Um die oben genannten Probleme zu lösen, besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine Quantenkaskadenlaservorrichtung bereitzustellen, die das Austreten von Streulicht verhindern kann und gleichzeitig die Emissionseffizienz des Laserlichts erhält.
-
Zur Lösung der oben genannten Probleme umfasst die Quantenkaskadenlaservorrichtung gemäß einem Aspekt ein hohles Gehäuse mit einem Austrittsfenster, um Laserlicht nach außen zu emittieren; wobei in dem Gehäuse ein Kühlkörper angeordnet ist, ein Submount, der an dem Kühlkörper befestigt ist, ein Quantenkaskadenlaserelement, das an dem Submount montiert ist und ein Abdeckungselement gegenüber dem Submount, das zwischen einer Emissionsendfläche des Quantenkaskadenlaserelements und dem Austrittsfenster anzuordnen ist und eine Lichtabsorptionseigenschaft für das von der einen Emissionsendfläche und der anderen Emissionsendfläche des Quantenkaskadenlaserelements emittierte Laserlicht aufweist; wobei die eine Emissionsendfläche des Quantenkaskadenlaserelements und eine Oberfläche gegenüber dem Abdeckungselement in dem Submount fluchteben miteinander sind; das Abdeckungselement eine Öffnung aufweist, die an einer Position gegenüber der einen Emissionsendfläche angeordnet ist, um Laserlicht dort hindurch in Richtung des Austrittsfensters weiterzuleiten; wobei die Öffnung einen kegelförmigen ersten Öffnungsteil aufweist, dessen Durchmesser von der Seite der einen Emissionsendfläche zu der Seite des Austrittsfensters zunimmt, und einen zweiten Öffnungsteil mit einem festen Durchmesser, der nicht kleiner als der kleinste Durchmesser des ersten Öffnungsteils auf der Seite der einen Emissionsendfläche des ersten Öffnungsteils ist.
-
In dieser Quantenkaskadenlaservorrichtung absorbiert das lichtabsorbierende Abdeckungselement zwischen der einen Emissionsendfläche des Quantenkaskadenlaserelements und dem Austrittsfenster Streulicht des Laserlichts innerhalb des Gehäuses, so dass das Austreten von Streulicht verhindert werden kann. Das Abdeckungselement ist mit einer Öffnung an einer Position gegenüber der einen Emissionsendfläche versehen. Da die Öffnung den kegelförmigen ersten Öffnungsteil aufweist, kann verhindert werden, dass das Abdeckungselement das Laserlicht blockiert, selbst wenn das von der einen Emissionsendfläche emittierte Laserlicht einen großen Strahlungswinkel aufweist, so dass die Emissionseffizienz des Laserlichts aus dem Austrittsfenster erhalten werden kann. Da der zweite Öffnungsteil mit einem festen Durchmesser, der nicht kleiner als der kleinste Durchmesser des ersten Öffnungsteils ist, auf der Seite der einen Emissionsendfläche des ersten Öffnungsteils angeordnet ist, kann die eine Emissionsendfläche näher an der Öffnung angeordnet werden, ohne mit dem Abdeckungselement in Kontakt zu kommen. Selbst wenn der Öffnungsdurchmesser des ersten Öffnungsteils verkleinert wird, wird verhindert, dass das Abdeckungselement das Laserlicht blockiert, wodurch das Austreten von Streulicht nach außen unterdrückt und gleichzeitig die Emissionseffizienz des Laserlichts beibehalten werden kann.
-
Das Abdeckungselement kann mit der Fläche gegenüber dem Abdeckungselement in dem Submount in Kontakt stehen, während sich die eine Emissionsendfläche des Quantenkaskadenlaserelements an einem Öffnungsende des zweiten Öffnungsteils in dem Abdeckungselement befindet. In diesem Fall kann die eine Emissionsendfläche näher an dem Öffnungsteil angeordnet werden. So kann noch zuverlässiger verhindert werden, dass Streulicht nach außen austritt.
-
Die Öffnung kann das Weiteren einen dritten Öffnungsteil zum Positionieren einer Linse auf der Seite des Austrittsfensters des ersten Öffnungsteils aufweisen. So kann die Linse mit einer einfachen Struktur positioniert werden.
-
Das Abdeckungselement kann einen verlängerten Teil aufweisen, der sich auf die Kühlkörperseite der anderen Emissionsendfläche des Quantenkaskadenlaserelements entlang einer Fläche zum Befestigen des Quantenkaskadenlaserelements in dem Submount erstreckt. In diesem Fall kann das von der anderen Emissionsendfläche emittierte Laserlichts durch den verlängerten Teil des Abdeckungselements effizient absorbiert werden. So kann noch zuverlässiger verhindert werden, dass Streulicht nach außen austritt.
-
Der Kühlkörper kann eine gegenüberliegende Fläche aufweisen, die der anderen Emissionsendfläche des Quantenkaskadenlaserelements in einem geneigten Zustand gegenüberliegt. So kann verhindert werden, dass das von der anderen Emissionsendfläche emittierte Laserlicht regulär in Richtung des Quantenkaskadenlaserelements reflektiert wird und dorthin zurückkehrt. Damit kann der Betrieb des Quantenkaskadenlaserelements stabilisiert werden.
-
Das Gehäuse kann aus einem unteren Hauptteil und einem Deckelteil mit dem Austrittsfenster bestehen, wobei der Deckelteil eine schwarze Innenfläche aufweist. In diesem Fall absorbiert die Innenfläche des Deckelteils Streulicht, so dass das Austreten von Streulicht noch zuverlässiger verhindert werden kann.
-
Die gesamte Innenfläche des Gehäuses kann schwarz ausgebildet sein. In diesem Fall absorbiert die gesamte Innenfläche des Gehäuses Streulicht, so dass das Austreten von Streulicht noch zuverlässiger verhindert werden kann.
-
Das Gehäuse kann mit trockenem Stickstoff gefüllt sein So kann das Auftreten von Kondensationsflüssigkeit in dem Gehäuse verhindert werden.
-
Das Quantenkaskadenlaserelement kann einen Dauerstrichlaser mit verteilter Rückkopplung sein. Wenn das Quantenkaskadenlaserelement für die spektroskopische Messung verwendet wird, können die Interferenzen des Streulichts die Basis der Messergebnisse beeinträchtigen und so die Messsensibilität herabsetzen. Mithilfe der oben erwähnten Struktur kann verhindert werden, dass Streulicht austritt, wodurch in vorteilhafter Weise die Interferenzen durch das Streulicht zum Zeitpunkt der spektroskopische Messung unterdrückt werden können.
-
Wie oben stehend erläutert, kann ein Aspekt der vorliegenden Erfindung verhindern, dass Streulicht austritt, während gleichzeitig die Emissionseffizienz des Laserlichts erhalten bleibt.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Quantenkaskadenlaservorrichtung;
-
2 ist ein Graph eines Beispiels der Strahlungswinkel des von einem Quantenkaskadenlaserelement emittierten Laserlichts;
-
3 ist ein Diagramm der Durchlasscharakteristika von Kunstharzmaterialien in einem mittleren Infrarotbereich;
-
4 ist eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Hauptteils der Quantenkaskadenlaservorrichtung aus 1;
-
5 ist ein Diagramm der Ergebnisse eines Experiments zum Streulichtaustritt; und
-
6 ist eine Schnittdarstellung eines modifizierten Beispiels der Quantenkaskadenlaservorrichtung.
-
Ausführliche Beschreibung
-
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Quantenkaskadenlaservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
-
1 ist eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels der Quantenkaskadenlaservorrichtung. Wie in dieser Zeichnung dargestellt, umfasst die Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 ein Gehäuse 2, ein Temperaturreglerelement 3, einen Kühlkörper 4, ein Submount 5, ein Quantenkaskadenlaserelement 6 und ein Abdeckungselement 7. Die Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 dient beispielsweise als Lichtquelle für die spektroskopische Messung und verwendet eine Struktur, bei der Laserlicht L (siehe 4), das von dem Quantenkaskadenlaserelement 6 emittiert wird, aus einem Austrittsfenster 8 des Gehäuses 2 austritt.
-
Das Gehäuse 2 weist eine im Wesentlichen rechtwinklige parallelflache Form aus beispielsweise einen Metall auf. Das Gehäuse 2 besteht aus einem unteren Hauptteil 9 und einen Deckelteil 10. Der Hauptteil 9 weist einen dicken, ebenen Bodenteil 11 und einen Seitenteil 12 auf, der sich von dem Bodenteil 11 erhebt.
-
Die untere Endseite des Seitenteils 12 wird beispielsweise durch Schweißen fest mit einer Oberflächenseite des Bodenteils 11 verbunden. Durchgangsklemmen, Leiter und dergleichen, die zum Steuern des Temperaturreglerelements 3 und des Quantenkaskadenlaserelements 6 verwendet werden, sind nach Bedarf beispielsweise an dem Seitenteil 12 angeordnet. Der Bodenteil 11 ist etwas größer als der Deckelteil 10 und weist einen Vorsprungsteil auf, der von vier Flächen des Seitenteils 12 in der Draufsicht auf das Gehäuse 2 nach außen vorsteht. Dies gewährleistet die Montagestabilität der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1.
-
Der Deckelteil 10 hat eine flache Form, die dünner als der Bodenteil 11 ist. Ein Randteil des Deckelteils 10 wird beispielsweise durch Schweißen fest mit der vorderen Endseite des Seitenteils 12 verbunden. Das Gehäuse 2 hat einen Innenraum S, der durch den Hauptteil 9 und den Deckelteil 10 luftdicht verschlossen ist. Der Innenraum S ist beispielsweise mit trockenem Stickstoff gefüllt, der verhindert, dass sich Kondensationsflüssigkeit in dem Gehäuse 2 bildet. In der Nähe der Mitte des Deckelteils 10 ist das runde Austrittsfenster 8 ausgebildet, damit das von dem Quantenkaskadenlaserelement 6 emittierte Laserlicht L aus dem Gehäuse 2 austreten kann. Zu Beispielen für Materialien, die für das Austrittsfenster 8 verwendet werden können, zählen Ge und ZnSe.
-
Die Innenflächen des Gehäuses 2, d. h. der Teil, der dem Innenraum S in der einen Fläche des Bodenteils 11 zugewandt ist, die Innenfläche des Seitenteils 12 und die Innenfläche des Deckelteils 10 sind jeweils schwarz ausgebildet. Die schwarze Verarbeitung kann beispielsweise durch Aufbringen einer schwarzen Kunstharzbeschichtung, die Kohlenstoff enthält, erfolgen. Durch eine solche schwarze Verarbeitung erhalten die Innenseiten des Gehäuses 2 eine Lichtabsorptionseigenschaft für das Laserlichts L, das von dem Quantenkaskadenlaserelement 6 emittiert wird.
-
Das oben genannte Temperaturreglerelement 3, der Kühlkörper 4, das Submount 5, das Quantenkaskadenlaserelement 6 und das Abdeckungselement 7 sind in dem Innenraum S des Gehäuses 2 enthalten.
-
Das Temperaturreglerelement 3 ist ein Teil, der die Temperatursteuerung des Quantenkaskadenlaserelements 6 entsprechend einem Steuersignal von außen durchführt, um die Oszillationswellenlänge des Quantenkaskadenlaserelements 6 zu stabilisieren. Als das Temperaturreglerelement 3 wird beispielsweise ein Peltier-Element verwendet. Eine Fläche 3a des Temperaturreglerelements 3 wird beispielsweise durch Löten an dem Bodenteil 11 des Gehäuses 2 befestigt.
-
Der Kühlkörper 4, der auch als Paket-Kühlkörper bekannt ist, ist ein Teil, durch den die in dem Quantenkaskadenlaserelement 6 erzeugte Hitze in Richtung des Temperaturreglerelements 3 abgeleitet wird. Der Kühlkörper 4 besteht aus einem Material, das eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie beispielsweise Cu. Eine Fläche 4a des Kühlkörpers 4 wird beispielsweise durch Löten an der anderen Fläche 3b des Temperaturreglerelements 3 befestigt. Der Kühlkörper 4 weist einen Montageteil 13 auf, an dem das Submount 5 montiert ist, einen Positionierungsteil 14 zum Positionieren des Submounts 5 an dem Montageteil 13, und eine Verlängerung 15, die sich von dem Montageteil 13 erstreckt.
-
Der Montageteil 13 weist eine Montagefläche 13a auf, die im Wesentlichen parallel zu einer Fläche 4a des Kühlkörpers 4 ausgebildet ist. Der Positionierungsteil 14 erhebt sich im Wesentlichen parallel zu dem Seitenteil 12 des Gehäuses 2 von der unteren Endseite der Montagefläche 13a und weist eine Anlagefläche 14a auf, an der eine Endfläche 5a des Submounts 5 anliegt. Die Verlängerung 15 weist eine gegenüberliegende Fläche 15a auf, die einer Emissionsendfläche 6b (die später erläutert wird) des Quantenkaskadenlaserelements 6 an einer Position gegenüberliegt, die eine Stufe tiefer als die vordere Endseite der Montagefläche 13h ist. Die gegenüberliegende Fläche 15a ist in einem stumpfen Winkel gegenüber der Emissionsendfläche 6b (der optischen Achse des Laserlichts L von der Emissionsendfläche 6b) geneigt, so dass sie mit zunehmendem Abstand zu der Emissionsendfläche 6b weiter von der optischen Achse der Emissionsendfläche 6b entfernt ist. Vorzugsweise ist die gegenüberliegende Fläche 15a ebenso wie die Innenflächen des Gehäuses 2 schwarz ausgebildet.
-
Das Submount 5, das auch als Laser-Kühlkörper bekannt ist, ist ein Teil, an dem das Quantenkaskadenlaserelement 6 befestigt wird und der die in dem Quantenkaskadenlaserelement 6 erzeugte Hitze in Richtung des Kühlkörpers 4 ableitet. Das Submount 5 weist eine im Wesentlichen rechtwinklige parallelfläche Form aus einem Material auf, das eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit besitzt, wie beispielsweise Cu. Das Submount 5 ist an der Montagefläche 13a montiert, so dass eine Endfläche 5a an der Anlagefläche 14a anliegt und wird beispielsweise durch Schrauben fest an dem Kühlkörper 4 fixiert.
-
Der andere Endteil des Submounts 5 ist eine Befestigungsfläche 5b, an welcher das Quantenkaskadenlaserelement 6 befestigt ist. Die Befestigungsfläche 5b ist mit einer stufenseitigen Fläche 13b zwischen der Montagefläche 13a und der gegenüberliegenden Fläche 15a an einer Position fluchteben, die dem Austrittsfenster 8 entspricht. Die Fläche gegenüber der Montagefläche 13a in dem Submount 5 ist eine gegenüberliegende Fläche 5c, die dem Abdeckungselement 7 gegenüberliegt. Die gegenüberliegende Fläche 5c ist mit einer vorderen Endfläche 14b des Positionierungsteils 14 fluchteben. Die Elektrodenpads, die zum Steuern das Quantenkaskadenlaserelements 6 verwendet werden, die mit den Elektrodenpads verbunden sind und dergleichen, was nicht dargestellt ist, ist ebenfalls an der Befestigungsfläche 5b befestigt.
-
Das Quantenkaskadenlaserelement 6 ist ein Laserelement vom monopolaren Typ, das eine durch Teilbänder in einer Halbleiter-Quantentopfstruktur gebildete Ebenenstruktur nutzt, um Licht entsprechend den elektronischen Übergängen zwischen den Teilbändern zu erzeugen. Das Quantenkaskadenlaserelement 6 arbeitet im Dauerstrichbetrieb und weist eine Struktur mit verteilter Rückkopplung auf, die ein Beugungsgitter enthält, um ein longitudinales Einmodenspektrum als Lichtquelle für die spektroskopische Messung zu erzeugen.
-
Das Quantenkaskadenlaserelement 6 ist an der Befestigungsfläche 5b des Submounts 5 befestigt, so dass die eine Emissionsendfläche 6a und die andere Emissionsendfläche 6b dem Austrittsfenster 8 bzw. der gegenüberliegenden Fläche 15a des Kühlkörpers 4 gegenüberliegt. Die Emissionsendfläche 6a ist mit der vorderen Endfläche 14b des Positionierungsteils 14 in dem Kühlkörper 4 und der gegenüberliegenden Fläche 5c des Submounts 5 fluchteben. „Fluchteben” bedeutet hier, dass das von der Emissionsendfläche 6a emittierte Laserlicht L nicht auf der Befestigungsfläche 5b das Submounts 5 auftrifft.
-
In der Struktur mit verteilter Rückkopplung wird nur eine Wellenlänge entsprechend der Periode des Beugungsgitters selektiv rückgekoppelt, um eine Einmodenoszillation zu erzielen. Bei einer solchen Struktur wird eine Antireflexbeschichtung auf die eine Emissionsendfläche 6a (oder sowohl auf die eine Emissionsendfläche 6a als auch die andere Emissionsendfläche 6b) des Quantenkaskadenlaserelements 6 aufgebracht, um keine weiteren Fabry-Perot-Moden zu erzeugen. Auf die andere Emissionsendfläche 6b kann eine Hochreflexbeschichtung aufgebracht werden, um Streulicht des Laserlichts L in dem Gehäuse 2 zu unterdrücken
-
Wenn das Reflexionsvermögen der Emissionsendfläche 6b durch die Hochreflexbeschichtung erhöht wird, tritt jedoch leichter ein Wettbewerb mit anderen Moden auf, so dass unter Umständen keine stabile Einmodenozillation erreicht werden kann. Daher wird die Emissionsendfläche 6b des Quantenkaskadenlaserelements 6 als gespaltene Endfläche ohne die Hochreflexbeschichtung belassen.
-
Das Quantenkaskadenlaserelement 6 weist außerdem eine Brechungsindex-Führungsstruktur auf, bei der eine lichtemittierende Schicht zwischen Mantelschichten angeordnet ist, während Licht, das sich entlang dem Wellenleiter ausgebreitet hat, von den Endflächen des Elements (d. h. den Emissionsendfläche 6a, 6b) in einen freien Raum gestrahlt wird. Da diese Brechungsindex-Führungsstruktur als ein Schlitz betrachtet werden kann, bei dem der Dickenteil der aktiven Schicht eine Öffnung ist, hat das in den freien Raum gestrahlt Laserlicht L aufgrund eines Brechungseffekts des Lichts einen festen Strahlungswinkel, wie in dem Fall, wenn Licht aus einem winzig kleinen Schlitz austritt.
-
Der Brechungseffekt des Lichts wird noch deutlicher, wenn die Wellenlänge länger ist. Für den Einsatz in der spektroskopischen Messung besteht die Beschränkung auf die transversale Einmode auch deswegen, um den Brechungseffekt des Lichts zu verbessern. Der Ausstrahlungswinkel beträgt beispielsweise etwa 30° (±15° wenn die lotrechte Richtung zu der Endfläche als 0° genommen wird) in einem nahen Infrarotbereich, der als Kommunikationswellenlängenband dient, beträgt jedoch 100° oder mehr in einem mittleren Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von 3 μm oder länger. 2 ist ein Diagramm eines Fernfeldmusters in einer Wachstumsrichtung eines Quantenkaskadenlaserelements vom Dauerstrichtyp mit verteilter Rückkopplung und einer Wellenlänge von 7,2 μm. Das Diagramm zeigt Daten, die durch Anpassen von tatsächlich gemessenen Werten mit einer Gaußfunktion erhalten werden, woraus hervorgeht, dass der Ausstrahlungswinkel über 140° reicht.
-
Um das Laserlicht L aus der Emissionsendfläche 6a des Quantenkaskadenlaserelements 6 zu erhalten, ist es daher notwendig, die Innenseite des Gehäuses 2 so zu konstruieren, dass das Laserlicht mit einem breiten Ausstrahlungswinkel nicht blockiert wird. Das Quantenkaskadenlaserelement 6 strahlt dagegen das Laserlicht L von der Emissionsendfläche 6b mit einem Ausstrahlungswinkel ähnlich dem der Emissionsendfläche 6a aus. Daher kann das von der Emissionsendfläche 6b emittierte Laserlicht L zufällig in dem Gehäuse 2 reflektiert werden, so dass Streulicht aus dem Austrittsfenster 8 austreten und zum Zeitpunkt der spektroskopischen Messung Rauschen verursachen kann. Daher wird eine Struktur benötigt, die das Austreten von Streulicht verhindern und gleichzeitig die Emissionseffizienz des Laserlichts L aus dem Austrittsfenster 8 erhalten kann.
-
Das Abdeckungselement 7 ist ein Teil, der Streulicht in dem Gehäuse 2 unterdrückt. Wie in 1 dargestellt, befindet sich das Abdeckungselement 7 gegenüber dem Submount 5, so dass es zwischen einer Emissionsendfläche 6a des Quantenkaskadenlaserelements 6 und dem Austrittsfenster 8 angeordnet ist. Das Abdeckungselement 7 weist einen planaren Hauptteil 16 auf, der mit einer Öffnung 18 versehen ist, durch die das Laserlicht L in Richtung des Austrittsfensters 8 gelangen kann, sowie einen planaren Verlängerungsteil 17, der von einem Endteil des Hauptteils 16 in im Wesentlichen rechten Winkeln bezüglich des Hauptteils 16 abzweigt.
-
Der Hauptteil 16 ist so angeordnet, dass er jeweils mit einer vorderen Endfläche 14b des Positionierungsteils 14 in dem Kühlkörper 4 und der gegenüberliegenden Fläche 5c des Submounts 5 an einer Position in Kontakt kommt, an der die Öffnung 18 der einen Emissionsendfläche 6a gegenüberliegt. Der Kühlkörper 4 weist eine Befestigungsfläche auf, die mit der gegenüberliegenden Fläche 5c des Submounts 5 in der Tiefenrichtung aus 1 fluchteben ist, während der Hauptteil 16 durch Schrauben oder Kleben fest an der Befestigungsfläche des Kühlkörpers 4 befestigt wird. Eine Endfläche 16a des Hauptteils 16 ist mit der äußeren Fläche des Positionierungsteils 14 in dem Kühlkörper 4 fluchteben, wogegen die andere Endfläche 16b des Hauptteils 16 aus der Befestigungsfläche 5b des Submounts 5 hervorsteht, so dass sie sich auf einer Seite der Verlängerung 15 des Kühlkörpers 4 jenseits der Position des Austrittsfensters 8 befindet.
-
Der verlängerte Teil 17 erstreckt sich von der anderen Endseite des Hauptteils 16 zu der gegenüberliegenden Fläche 15a des Kühlkörpers 4 im Wesentlichen parallel zu der Befestigungsfläche 5b des Submounts 5, ist dabei jedoch von dem Quantenkaskadenlaserelement 6 getrennt. Eine vordere Endfläche 17a des verlängerten Teil 17 befindet sich auf der Seite der gegenüberliegenden Fläche 15a des Kühlkörpers 4 hinter der Position der anderen Emissionsendfläche 6b des Quantenkaskadenlaserelements 6. Der verlängerte Teil 17 kann dicker als der Hauptteil 16 sein.
-
Als Material für das Abdeckungselement 7 wird vorzugsweise eines mit einer Lichtabsorptionseigenschaft für Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich verwendet. 3 ist ein Diagramm der Durchlasscharakteristika von Kunstharzmaterialien in einem mittleren Infrarotbereich. Die in dem Diagramm dargestellten Beispiele, deren Abszisse und Ordinate jeweils die Wellenzahl (Kehrwert der Wellenlänge) und den Transmissionsgrad anzeigen, zeichnen die Durchlasscharakteristika von Acryl (Graph A), Polyoxymethylen (POM) (Graph B) und Polyetheretherketon (PEEK) (Graph C) auf.
-
Die Ergebnisse in dem Diagramm legen nahe, dass das POM- oder PEEK-Kunstharz vorzugsweise im mittleren Infrarotbereich (wo die Wellenlängen beispielsweise von 3 μm bis 11 μm reichen) als Material zum Bilden des Abdeckungselements 7 ausgewählt wird, wobei der Transmissionsgrad im gesamten Wellenlängenbereich ausreichend ist. Besonders das PEEK-Kunstharz wird im Hinblick auf Hitzebeständigkeit, chemische Beständigkeit, mechanische Festigkeit, elektrische Isolation, einfache Verarbeitbarkeit und dergleichen bevorzugt. Vorzugsweise ist die vordere Fläche des Abdeckungselements 7 ebenso wie die Innenflächen des Gehäuses 2 schwarz ausgebildet.
-
Als Material zum Bilden des Abdeckungselements 7 können nicht nur Kunstharze sondern auch Keramikwerkstoffe verwendet werden. In diesem Fall kann das Abdeckungselement 7b aus Al2O3 oder AlN gebildet werden, wobei anschließend eine Antireflexbeschichtung auf die vordere Fläche aufgebracht werden kann.
-
Wie in 4 dargestellt, hat die Öffnung 18 in dem Hauptteil 16 im Einzelnen einen ersten Öffnungsteil 21, einen zweiten Öffnungsteil 22 und einen dritten Öffnungsteil 23. Der erste Öffnungsteil 21 befindet sich in der Dickenrichtung das Hauptteils in der Mitte und weist eine Kegelform auf, deren Durchmesser von einer Emissionsendfläche 6a in Richtung der Seite des Austrittsfensters 8 (siehe 1) größer wird.
-
Der Kegelwinkel des ersten Öffnungsteils 21 wird entsprechend dem Ausstrahlungswinkel des Laserlichts L bestimmt, das von der Emissionsendfläche 6a emittiert wird. Wenn der Ausstrahlungswinkel des Laserlichts L beispielsweise 140° beträgt, wird der Kegelwinkel des ersten Öffnungsteils 21 auf 140° (±70° wenn die lotrechte Richtung zu der Emissionsendfläche 6a als 0° genommen wird) oder mehr festgelegt. Wenn die Dicke des Hauptteils 16 des Abdeckungselements 7 0,8 mm beträgt, wird der kleinste Durchmesser des ersten Öffnungsteils (der Durchmesser auf der Seite der Emissionsendfläche 6a) beispielsweise auf etwa 1,5 mm ±0.5 mm festgelegt. Die Länge des ersten Öffnungsteils 21 in der Dickenrichtung des Hauptteils 16 (der Richtung lotrecht zu der Emissionsendfläche 6a) wird beispielsweise auf etwa 0,3 mm festgelegt.
-
Der zweite Öffnungsteil 22 befindet sich auf der Seite der Emissionsendfläche 6a und ist mit einem festen Durchmesser ausgebildet, der nicht kleiner als der kleinste Durchmesser des ersten Öffnungsteils 21 ist. Der Durchmesser der zweiten Öffnung 22 beträgt beispielsweise etwa 2,6 mm. Die Länge des zweiten Öffnungsteils 22 in der Dickenrichtung des Hauptteils 16 wird beispielsweise auf etwa 0,2 mm festgelegt.
-
Der dritte Öffnungsteil 23 befindet sich auf der Seite des Austrittsfensters 8 und ist mit einem festen Durchmesser ausgebildet, der größer als der größte Durchmesser des zweiten Öffnungsteils 22 ist (der Durchmesser auf der Seite des Austrittsfensters 8). Der dritte Öffnungsteil 23 dient zum Positionieren einer Linse, wobei in diesem Ausführungsbeispiel eine plankonvexe Linse 24 darin eingesetzt wird. Das Laserlicht L von der Emissionsendfläche 6a verläuft mit einem vorgegebenen Ausstrahlungswinkel durch die Öffnung 18, wird dann von der plankonvexen Linse 24 zu parallelem Licht ausgerichtet und tritt durch das Austrittsfenster 8 aus dem Gehäuse 2 aus. Die Fläche der plankonvexen Linse 24 auf der Seite des Abdeckungselements 7 ist vorzugsweise mit einer Antireflexbeschichtung versehen. Die Länge des dritten Öffnungsteils 23 in der Dickenrichtung des Hauptteils 16 wird beispielsweise auf etwa 0,3 mm festgelegt.
-
Wie oben stehend erläutert, ist das lichtabsorbierende Abdeckungselement 7 zwischen einer Emissionsendfläche 6a des Quantenkaskadenlaserelements 6 und dem Austrittsfenster 8 in der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 angeordnet. Wie in 4 dargestellt, absorbiert das Abdeckungselement 7 Streulicht, das von der Reflexion des Laserlichts L an der gegenüberliegenden Fläche 15a des Kühlkörpers 4 verursacht wird, nachdem es von der anderen Emissionsendfläche 6b emittiert wurde, und Streulicht, das von der Reflexion des Laserlichts L an den Innenflächen des Gehäuses 2 verursacht wird, wodurch das Austreten von Streulicht verhindert werden kann. Durch das Unterdrücken des Austretens von Streulicht wird auf vorteilhafte Weise das Problem eliminiert, dass die Interferenzen des Streulichts die Basis der Messergebnisse beeinträchtigen und so die Messsensibilität herabsetzen, wenn das Quantenkaskadenlaserelement 6 vom Typ des Dauerstrichlasers mit verteilter Rückkopplung für die spektroskopische Messung verwendet wird.
-
Das Abdeckungselement 7 ist mit einer Öffnung 18 an einer Position gegenüber einer Emissionsendfläche 6a versehen. Da die Öffnung 18 mit dem kegelförmigen ersten Öffnungsteil 21 versehen ist, kann verhindert werden, dass das Abdeckungselement 7 das Laserlicht L blockiert, selbst wenn das von dem Austrittsfenster 8 emittierte Laserlicht L einen großen Strahlungswinkel aufweist, so dass die Emissionseffizienz des Laserlichts L aus dem Austrittsfenster 8 erhalten werden kann.
-
Dagegen ist der zweite Öffnungsteil 22, der mit einem festen Durchmesser ausgebildet ist, der nicht kleiner als der kleinste Durchmesser des ersten Öffnungsteils 21 ist, auf der Seite der Emissionsendfläche 6a des ersten Öffnungsteils 21 angeordnet. So kann die Emissionsendfläche 6a nahe der Öffnung 18 angeordnet werden, ohne mit dem Abdeckungselement 7 in Kontakt zu kommen. Selbst wenn der Öffnungsdurchmesser des ersten Öffnungsteils 21 verkleinert wird, wird verhindert, dass das Abdeckungselement 7 das Laserlicht L blockiert, wodurch das Austreten von Streulicht nach außen unterdrückt und gleichzeitig die Emissionseffizienz des Laserlichts L beibehalten werden kann. Durch den zweiten Öffnungsteil 22, dessen Durchmesser nicht kleiner als der kleinste Durchmesser des ersten Öffnungsteils 21 ist, kann außerdem verhindert werden, dass die Emissionsendfläche 6a bei der Montage des Abdeckungselements 7 an dem Submount 5 mit dem Abdeckungselement 7 in Kontakt kommt.
-
In der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 steht der Hauptteil 16 des Abdeckungselements 7 mit der gegenüberliegenden Fläche 5c des Submounts 5 in Kontakt, während eine Endfläche 6a des Quantenkaskadenlaserelements 6 an dem Öffnungsende des zweiten Öffnungsteils 22 in dem Abdeckungselement 7 angeordnet ist. So kann die eine Emissionsendfläche 6a näher an der Öffnung 18 angeordnet werden.
-
5 ist ein Diagramm der Ergebnisse eines Experiments zum Streulichtaustritt. In diesem Experiment wurde eine Hochreflexbeschichtung auf eine Emissionsendfläche 6a des Quantenkaskadenlaserelements 6 aufgebracht, so dass das Laserlicht L nur von der anderen Emissionsendfläche 6b emittiert wurde, und die von dem Austrittsfenster 8 emittierte Intensität des Laserlichts L wurde als Streulichtaustritt gemessen, während der Öffnungsdurchmesser (der kleinste Durchmesser) des ersten Öffnungsteils 21 geändert wurde. Aus den Ergebnissen in dem Diagramm geht hervor, dass der Streulichtaustritt, der 26 mW betrug, als das Abdeckungselement 7 nicht angebracht war, allmählich abnahm, als der Öffnungsdurchmesser des ersten Öffnungsteils 21 durch Anbringen des Abdeckungselements 7 verengt wurde.
-
Der Streulichtaustritt betrug etwa 16 mW und etwa 9,8 mW, als der Öffnungsdurchmesser des ersten Öffnungsteils 21 eine Größe von 6 mm bzw. 4 mm aufwies. Der Streulichtaustritt betrug etwa 4,6 mW und etwa 1,73 mW, als der Öffnungsdurchmesser des ersten Öffnungsteils 21 eine Größe von 2,6 mm bzw. 1,6 mm aufwies. Der Streulichtaustritt betrug etwa 1,55 mW, als der Öffnungsdurchmesser des ersten Öffnungsteils 21 eine Größe von 0,8 mm aufwies. Das von der einen Emissionsendfläche 6a emittierte Laserlicht L scheint von der Öffnung 18 blockiert zu werden, wenn der Öffnungsdurchmesser des ersten Öffnungsteils 21 kleiner als 1 mm ist. Daher muss der Öffnungsdurchmesser des ersten Öffnungsteils 21 in einem Bereich von mindestens 1 mm, jedoch nicht mehr als 2 mm liegen, und kann dann in vorteilhafter Weise das Austreten von Streulicht nach außen verhindern sowie die Emissionseffizienz des Laserlichts L erhalten.
-
Bei der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 weist die Öffnung 18 des Weiteren einen dritten Öffnungsteil 23 zum Anordnen der plankonvexen Linse 24 auf der Seite des Austrittsfensters 8 des ersten Öffnungsteils 21 auf. So kann die plankonvexe Linse 24 mit einer einfachen Struktur positioniert werden. Die durch den dritten Öffnungsteil 23 positionierte Linse muss nicht zwingend eine plankonvexe Linse 24 sein, sondern kann entsprechend den Spezifikationen der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 geändert werden.
-
In der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 weist das Abdeckungselement 7 den verlängerten Teil 17 auf, der sich auf die Seite des Kühlkörpers 4 der anderen Emissionsendfläche 6b des Quantenkaskadenlaserelements 6 entlang der Befestigungsfläche 5b des Submounts 5 erstreckt. Der verlängerte Teil 17 des Abdeckungselements 7 kann das von der anderen Emissionsendfläche 6b emittierte Laserlicht L effizient absorbieren. So kann noch zuverlässiger verhindert werden, dass Streulicht nach außen austritt.
-
Bei der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 weist der Kühlkörper die gegenüberliegende Fläche 15a auf, die der anderen Emissionsendfläche 6b des Quantenkaskadenlaserelements 6 in einem geneigten Zustand gegenüberliegt. Da die gegenüberliegende Fläche 15a geneigt ist, kann verhindert werden, dass das von der anderen Emissionsendfläche 6b emittierte Laserlicht L regulär in Richtung des Quantenkaskadenlaserelements 6 reflektiert wird und dorthin zurückkehrt (siehe 4). So kann der Betrieb des Quantenkaskadenlaserelements 6 stabilisiert werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist die gegenüberliegende Fläche 15a schwarz ausgebildet und kann so noch zuverlässiger den Einfluss von reflektiertem Licht unterdrücken.
-
Bei der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 sind sämtliche Innenflächen des Gehäuses 2 schwarz ausgebildet. Damit wird Streulicht von sämtlichen Innenflächen des Gehäuses 2 absorbiert und kann noch zuverlässiger am Austreten gehindert werden. Anstelle sämtlicher Innenflächen des Gehäuses 2 kann auch nur die Innenseite des Deckelteils 10 schwarz verarbeitet werden. Wenn die Innenseite des Deckelteils 10, die mit dem Austrittsfenster versehen ist, schwarz ausgebildet ist, kann sie effizient Streulicht absorbieren.
-
6 ist eine Schnittdarstellung der Quantenkaskadenlaservorrichtung gemäß einem modifizierten Beispiel. Wie in dieser Zeichnung dargestellt, weicht die Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 gemäß dem modifizierten Ausführungsbeispiel dahingehend von dem ersten Ausführungsbeispiel ab, dass das Abdeckungselement 7 nicht mit dem verlängerten Teil 17 versehen ist. Genauer gesagt steht in der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 der Hauptteil 16 in dem Abdeckungselement 7 über die Befestigungsfläche 5b des Submounts 5 hinaus vor, so dass sich die andere Endfläche 16b zur Position der vorderen Endfläche 15b der Verlängerung 15 des Kühlkörpers 4 über die Position des Austrittsfensters 8 hinaus erstreckt. Bei einer solchen Struktur kann das von der anderen Emissionsendfläche 6b des Quantenkaskadenlaserelements 6 emittierte Laserlicht durch das Abdeckungselement 7 effizient absorbiert und der Austritt von Streulicht verhindert werden. Außerdem kann so die Form des Abdeckungselements 7 vereinfacht werden.
-
Liste der Bezugszeichen
-
- 1: Quantenkaskadenlaservorrichtung; 2: Gehäuse; 4: Kühlkörper; 5: Submount; 5b: Befestigungsfläche; 5c: gegenüberliegende Fläche; 6: Quantenkaskadenlaserelement; 6a: eine Emissionsendfläche; 6b: die andere Emissionsendfläche; 7: Abdeckungselement; 8: Austrittsfenster; 9: Hauptteil; 10: Deckelteil; 15a: gegenüberliegende Fläche; 17: verlängerter Teil; 18: Öffnung; 21: erster Öffnungsteil; 22: zweiter Öffnungsteil; 23: dritter Öffnungsteil; L: Laserlicht.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- JP 08-279647 [0002]
- JP 2008-177366 [0002]
- JP 2008-60396 [0002]
- JP 10-4242 [0002]
