DE102016213902A1

DE102016213902A1 - Strahlquelle mit Laserdiode

Info

Publication number: DE102016213902A1
Application number: DE102016213902.9A
Authority: DE
Inventors: Sergey Khrushchev
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2016-07-28
Filing date: 2016-07-28
Publication date: 2018-02-01
Also published as: US20180034236A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlquelle (1) mit einer Laserdiode (2) mit einer Abstrahlfläche zur Emission eines divergenten Strahlenbündels (5) mit Laserstrahlung, einer Trägerstruktur (4), auf welcher die Laserdiode (2) angeordnet ist, und einem Reflexionsprisma (3) aus einem Prismenmaterial mit einem Brechungsindex nP ≥ 1,5, wobei das Strahlenbündel (5) das Reflexionsprisma mit verringertem Öffnungswinkel durchsetzt und dabei an einer Reflexionsfläche (13) des Reflexionsprismas (3) von der Trägerstruktur (4) weg reflektiert wird, und wobei eine Abstrahlfläche der Laserdiode (2) und eine Eintrittsfläche (9) des Reflexionsprismas (3) einen Abstand (10) von höchstens 0,5 mm zueinander haben.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlquelle mit einer Laserdiode mit einer Abstrahlfläche zur Emission eines divergenten Strahlenbündels mit Laserstrahlung.
Stand der Technik
Eine Laserdiode ist ein Halbleiter-Bauteil zur Erzeugung von Laserstrahlung. Das Licht wird durch Rekombinationsprozesse erzeugt, und es kann sich in einem optischen Resonator des Bauteils eine stehende Welle ausbilden. Dieser Bereich wird auch als „aktive Zone“ bezeichnet. An einer Abstrahlfläche der Laserdiode wird schließlich die Laserstrahlung in Form eines divergenten Strahlenbündels abgegeben.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Strahlquelle mit einer Laserdiode anzugeben.
Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe eine Strahlquelle mit einer Laserdiode mit einer Abstrahlfläche zur Emission eines divergenten Strahlenbündels mit Laserstrahlung, einer Trägerstruktur, auf welcher die Laserdiode derart angeordnet ist, dass das Strahlenbündel der Abstrahlfläche unmittelbar nachgelagert eine Richtungskomponente parallel zu einer der Laserdiode zugewandten Oberfläche der Trägerstruktur hat, und einem Reflexionsprisma mit einem transparenten Prismenmaterial mit einem Brechungsindex n_P ≥ 1,5, wobei die Laserdiode und das Reflexionsprisma derart relativ zueinander angeordnet sind, dass das Strahlenbündel der Laserdiode nachgelagert auf eine Eintrittsfläche des Reflexionsprismas fällt und das Prismenmaterial mit verringertem Öffnungswinkel durchsetzt und dabei an einer Reflexionsfläche des Reflexionsprismas von der Trägerstruktur weg reflektiert wird, und wobei die Abstrahlfläche der Laserdiode und die Eintrittsfläche des Reflexionsprismas einen Abstand von höchstens 0,5 mm zueinander haben.
Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
Bei der erfindungsgemäßen Strahlquelle ist zunächst die Laserdiode derart auf der Trägerstruktur angeordnet, dass sich das emittierte Strahlenbündel im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der Trägerstruktur ausbreitet. Das Strahlenbündel wird dann mit dem Reflexionsprisma derart umgelenkt, dass es sich von der Trägerstruktur weg, im vorliegenden Bezugssystem nach oben ausbreitet. Ohne diese Richtungsänderung würde das divergente Strahlenbündel hingegen entweder auf die Trägerstruktur treffen, also von dieser abgeschattet werden, oder es müsste die Laserdiode entsprechend nah am Rand der Trägerstruktur platziert sein, was in Montagehinsicht und auch einen stabilen Aufbau betreffend nachteilig sein kann. Der Strahlquelle nachgelagert kann bspw. eine Linse angeordnet sein, deren Positionierung und Ausgestaltung bei einer Anordnung oberhalb vereinfacht sein kann.
Für die Richtungsänderung des Strahlenbündels ist ein Reflexionsprisma vorgesehen, wobei das Prismenmaterial einen Brechungsindex n_p von in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt mindestens 1,5, 1,6, 1,7 bzw. 1,8 hat (Brechungsindizes werden im Rahmen dieser Offenbarung generell bei λ = 450 nm betrachtet). Mögliche Obergrenzen können bspw. bei 2 bzw. 1,9 liegen. Bevorzugt ist das Reflexionsprisma aus einem optisch dichten Glas vorgesehen, exemplarisch sei der Typ SF11 der Firma Schott oder der Typ S-TIH53 des Herstellers Ohara genannt.
An der Eintrittsfläche des Reflexionsprismas tritt das Strahlenbündel aus einem niedriger brechenden Medium in das höher brechende Prismenmaterial ein, wobei der Öffnungswinkel des divergenten Strahlenbündels verringert wird. Das niedriger brechende Medium zwischen der Laserdiode und dem Reflexionsprisma kann im Allgemeinen bspw. auch Luft sein, bevorzugt ist ein Inertgas oder können bspw. auch Vakuumbedingungen vorliegen. Unabhängig davon im Einzelnen ist die Verringerung des Öffnungswinkels im Reflexionsprisma insoweit vorteilhaft, als so der begrenzte Bauraum optimal ausgenutzt werden kann.
Das Reflexionsprisma bewirkt nicht nur eine Umlenkung, sondern in seinem Inneren auch eine Öffnungswinkelverringerung, sodass das Strahlenbündel bei der Richtungsumkehr einen kleineren Raum einnimmt. Zudem hat das Strahlenbündel trotz einer möglichen Aufweitung an der Austrittsfläche des Reflexionsprismas dort einen geringeren Querschnitt als es im Falle einer Reflexion ohne Prisma in derselben Bezugsebene hätte. Zusammengefasst lässt sich mit dem Reflexionsprisma also ein miniaturisierter Aufbau erreichen.
Das Reflexionsprisma ist vergleichsweise nahe an der Laserdiode angeordnet, seine Eintrittsfläche hat zu deren Abstrahlfläche einen Abstand von in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens 0,5 mm, 0,45 mm, 0,4 mm, 0,35 mm, 0,3 mm, 0,25 mm, 0,2 mm, 0,15 mm, 0,1 mm, 0,09 mm, 0,08 mm bzw. 0,07 mm. Mögliche Untergrenzen können bspw. bei mindestens 0,0025 mm, 0,003 mm, 0,0035 mm, 0,004 mm, 0,0045 mm bzw. 0,005 mm liegen. Generell kann ein möglichst kleiner Abstand bevorzugt sein, wobei sich die Untergrenze bspw. aus der Genauigkeit eines Positionierwerkzeugs (pick and place tool) ergeben kann. Bildlich gesprochen wird mit der Anordnung nahe an der Laserdiode das Reflexionsprisma in einem Abschnitt des divergenten Strahlenbündels platziert, in dem dessen Querschnitt noch vergleichsweise klein ist, was die gewünschte Strahlführung ermöglicht; ein bereits zu weit aufgeweitetes Strahlenbündel könnte hingegen z. B. anteilig zurück zur Eintrittsfläche reflektiert werden, vgl. auch das Ausführungsbeispiel zur Illustration.
Der Abstrahlfläche unmittelbar nachgelagert hat das Strahlenbündel eine zur Oberfläche der Trägerstruktur parallele Richtungskomponente, bevorzugt liegt seine Hauptrichtung parallel dazu, also parallel zu einer Ebene, welche die Montagefläche der Trägerstruktur beinhaltet; die „Montagefläche“ ist jener Bereich der der Laserdiode zugewandten Oberfläche der Trägerstruktur, auf welchem die Laserdiode angeordnet ist. Die der Laserdiode zugewandte Oberfläche der Trägerstruktur ist bevorzugt insgesamt plan, besonders bevorzugt ist die Trägerstruktur im Gesamten eine plane Platte (Trägerplatte).
Generell ergibt sich im Rahmen dieser Offenbarung die Hauptrichtung von Strahlung bzw. Licht als Schwerpunktrichtung sämtlicher Richtungsvektoren des jeweilig betrachteten Strahlenbündels im jeweilig betrachteten Abschnitt, wobei bei dieser Mittelwertbildung jeder Richtungsvektor mit der ihm zugehörigen Strahlstärke gewichtet wird.
Nach der Reflexion „von der Trägerstruktur weg“, der Reflexionsfläche unmittelbar nachgelagert hat das Strahlenbündel eine Richtungskomponente senkrecht zur Montagefläche, bevorzugt steht seine Hauptrichtung im Wesentlichen senkrecht darauf. Besagte Hauptrichtung kann mit einer Flächennormalen auf der Montagefläche bspw. einen Winkel von höchstens 30°, 25°, 20°, 15°, 10° bzw. 5° einschließen (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt), im Rahmen üblicher Montageschwankungen kann auch eine Ausbreitung parallel zur Flächennormalen bevorzugt sein (Winkel von 0°). Generell beziehen sich im Rahmen dieser Offenbarung die Angaben „vorgelagert“ bzw. „nachgelagert“ auf den Pfad der Strahlungsausbreitung unter Berücksichtigung deren jeweiliger Ausbreitungsrichtung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die aktive Zone der Laserdiode, in welcher die Laserstrahlung erzeugt wird, einen Abstand von mindestens 0,2 mm zu der Oberfläche der Trägerstruktur, weiter und besonders bevorzugt von mindestens 0,23 mm bzw. 0,26 mm. Es hat dann auch entsprechend die Abstrahlfläche einen solchen Abstand zur Trägerstruktur, womit etwas mehr Raum zur Verfügung steht, um das divergent abgegebene Strahlenbündel von der Trägerstruktur weg zu reflektieren. Andererseits kann dem Abstand zwischen Trägerstruktur und aktiver Zone aber bspw. thermisch bedingt auch eine Obergrenze vorgegeben sein (je größer der Abstand, desto größer der R_th) und können Obergrenzen bspw. bei höchstens 0,4 mm, 0,35 mm bzw. 0,3 mm liegen (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt).
Bezüglich der Ausgestaltung der Laserdiode wird ausdrücklich auch auf die Ausführungen in der Stand der Technik-Würdigung verwiesen. Die aktive Zone kann eine senkrecht zur Trägerstruktur genommene Höhe von rund 1 µm haben; in den Flächenrichtungen, also parallel zur Oberfläche der Trägerstruktur, beträgt die Erstreckung ein Vielfaches davon, bspw. mindestens 20 µm, 30 µm, 40 µm bzw. 50 µm, wobei mögliche Obergrenzen (davon unabhängig) bspw. bei höchstens 300 µm, 250 µm, bzw. 200 µm liegen. Unabhängig davon im Einzelnen kann das Halbleiter-Schichtsystem der Laserdiode bspw. ein InGaAlP- oder bevorzugt InGaN-Schichtsystem sein.
Soweit generell im Rahmen dieser Offenbarung auf einen „Abstand“ zwischen zwei Elementen Bezug genommen wird, bezieht sich dies auf den kleinsten Abstand dazwischen. Im Falle der Abstrahlfläche der Laserdiode und der Eintrittsfläche des Reflexionsprismas kann der Abstand dazwischen bevorzugt in einer zur Oberfläche der Trägerstruktur, insbesondere zur Montagefläche parallelen Richtung genommen werden. Im Falle der aktiven Zone kann der Abstand zur Trägerstruktur bevorzugt entlang einer Flächennormalen auf der Montagefläche genommen werden.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Reflexionsfläche des Reflexionsprismas plan, bleibt bei der Reflexion also die Form des Strahlenbündels unverändert. Die plane Reflexionsfläche kann bspw. hinsichtlich der Montage Vorteile bieten. Im Vergleich zu einer im Allgemeinen auch denkbaren gekrümmten Reflexionsfläche kann nämlich die Toleranz gegenüber einem Versatz zur Idealposition erhöht sein, ist also bspw. der Justageaufwand reduziert bzw. der Aufbau weniger empfindlich gegenüber Fertigungsschwankungen.
In bevorzugter Ausgestaltung schließt die Reflexionsfläche mit der Trägerstruktur einen Winkel von mindestens 40°, weiter und besonders bevorzugt mindestens 42° bzw. 44°, ein. Mögliche Obergrenzen, die im Allgemeinen auch unabhängig von einer Untergrenze von Interesse sein können (was auch umgekehrt gilt), liegen bei bspw. höchstens 50°, weiter und besonders bevorzugt höchstens 48° bzw. 46°. Im Rahmen technisch üblicher Genauigkeiten ist ein Winkel von 45° bevorzugt. Der hier betrachtete Winkel entspricht einem Schnittwinkel zwischen zwei Ebenen, von denen die eine die Montagefläche (der Trägerstruktur) und die andere die Reflexionsfläche beinhaltet.
Generell sind die Eintritts- und/oder die Austrittsfläche des Reflexionsprismas, bevorzugt beide, jeweils für sich plan, weiter bevorzugt stehen sie senkrecht aufeinander. Das Reflexionsprisma ist bevorzugt ein 90°-Umlenkprisma, das Prismenmaterial hat also im Querschnitt betrachtet die Form eines gleichschenkligen, rechtwinkligen Dreiecks (bei senkrecht zur Eintritts-, Reflexions- und Austrittsfläche liegender Schnittebene). Bevorzugt steht das Strahlenbündel mit seiner jeweiligen Hauptrichtung senkrecht auf der Eintritts- und/oder der Austrittsfläche.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Eintrittsfläche, bevorzugt das Reflexionsprisma insgesamt, eine senkrecht zur Trägerstruktur genommene Höhe von höchstens 1 mm, weiter und besonders bevorzugt höchstens 0,9 mm bzw. 0,85 mm. Mit einer entsprechend in der Höhe begrenzten Lichteintrittsfläche lässt sich dem bereits vorstehend beschriebenen Problem vorbeugen, dass das Strahlenbündel nach der Reflexion die Eintrittsfläche streift, vgl. das Ausführungsbeispiel zur Illustration. Mögliche Untergrenzen der Höhe des Reflexionsprismas bzw. der Eintrittsfläche können bspw. bei mindestens 0,6 mm, 0,65 mm, 0,7 mm bzw. 0,75 mm liegen; Randbedingungen sind hierbei bspw. die Herstellbarkeit entsprechend kleiner optischer Strukturen bzw. auch eine noch hinreichend große Erstreckung der Reflexionsfläche.
In bevorzugter Ausgestaltung hat das Strahlenbündel der Eintrittsfläche unmittelbar vorgelagert, in einer zur Trägerstruktur senkrechten Schnittebene betrachtet einen Öffnungswinkel von höchstens 40°, in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens 38°, 36°, 34° bzw. 32°. Mögliche Untergrenzen können bspw. bei in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt mindestens 20°, 22°, 24°, 26° bzw. 28° liegen, wobei Ober- und Untergrenze im Allgemeinen auch unabhängig voneinander von Interesse sein können. Generell wird hierbei im Rahmen dieser Offenbarung eine Ausdehnung des Strahlenbündels zugrunde gelegt, die sich nach einem Leistungsabfall auf 1/e² bestimmt (eine Alternative wäre bspw. ein Abfall auf 1/2, also die Halbwertsbreite).
Generell emittiert die Laserdiode das Strahlenbündel bevorzugt mit auf zwei zueinander und zur Hauptrichtung senkrechten Achsen unterschiedlichem Öffnungswinkel, wobei die Achse mit größerem Öffnungswinkel als „schnelle Achse“ und jene mit kleinerem Öffnungswinkel als „langsame Achse“ bezeichnet wird. Die schnelle Achse steht bevorzugt senkrecht auf der Montagefläche, die langsame Achse liegt dann parallel dazu. Die eben angegebenen Öffnungswinkelangaben beziehen sich dann also auf die schnelle Achse, auf der langsamen Achse kann der Öffnungswinkel in etwa halb so groß sein (die eingangs diskutierten Bauraumbeschränkungen sind auf der schnellen Achse relevant). Im Allgemeinen liegt ein im Sinne des Hauptanspruchs „divergentes“ Strahlenbündel indes bereits vor, wenn allein auf einer zur Montagefläche senkrechten Achse der Öffnungswinkel > 0° ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform nimmt in einer zur Oberfläche der Trägerstruktur senkrechten Schnittebene betrachtet der Öffnungswinkel des Strahlenbündels beim Eintritt in das Reflexionsprisma um mindestens 30 %, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 35 %, 40 % bzw. 45 % ab (letztlich auch vom Brechungsindex n_P abhängig). Mögliche Obergrenzen der Abnahme können davon unabhängig bspw. bei höchstens 60 %, 55 % bzw. 50 % liegen. Besagte Schnittebene steht senkrecht auf der Montagefläche und durchsetzt das Strahlenbündel parallel zu dessen Hauptrichtung mittig (was auch für die Ausführungen im vorstehenden Absatz gilt).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Reflexionsprisma ein einstückig mit dem Prismenmaterial ausgebildetes keilförmiges Trägerelement auf, wobei das Trägerelement mit seiner dem Prismenmaterial abgewandten Seitenfläche der Trägerpatte zugewandt auf dieser angeordnet ist. Das Trägerelement füllt den keilförmigen Raum zwischen Trägerstruktur und seinerseits keilförmigem Prismenmaterial auf, und für seinen Keilwinkel sollen die vorstehend für den Winkel zwischen Reflexionsfläche und Trägerstruktur genannten Winkelwerte offenbart sein. Bevorzugt ist das Trägerelement spiegelsymmetrisch zu dem Prismenmaterial, wobei die Symmetrieebene mit der Reflexionsfläche zusammenfällt.
Infolge der „einstückigen“ Ausgestaltung sind die beiden Teile nicht zerstörungsfrei voneinander trennbar, also nicht ohne Zerstörung von zumindest einem der beiden bzw. einer Verbindungsschicht dazwischen. Bevorzugt kann eine Fügeverbindungsschicht das Prismenmaterial am Trägerelement halten, besonders bevorzugt eine Klebstoffschicht. Das Trägerelement kann bspw. aus Metall oder vorzugseise aus Silizium vorgesehen sein, was die Integration in bestehende Montageprozesse vereinfachen kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Laserdiode und das Reflexionsprisma auf derselben durchgehenden, also zwischen Laserdiode und Reflexionsprisma nicht unterbrochenen Trägerstruktur angeordnet. Generell meint „angeordnet“ im Rahmen dieser Offenbarung bevorzugt montiert, betrifft es also das Ansetzen und Befestigen eines zuvor für sich hergestellten Teils.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform bildet ein dichroitisches Schichtsystem die Reflexionsschicht des Reflexionsprismas, was hinsichtlich der Effizienz Vorteile bieten kann. Im Allgemeinen kann hingegen bspw. auch eine Silberschicht die Reflexionsfläche bilden, insbesondere aus hochreinem Silber. Bevorzugt kann auch ein Doppelschichtsystem, nämlich eine Kombination aus dichroitischer Schichtfolge und Metallschicht (insbesondere Silberschicht) vorgesehen sein, wobei die Metallschicht dem dichroitischen Schichtsystem vorgelagert angeordnet ist. Etwa im Falle eines Reflexionsprismas mit Trägerelement (siehe vorne) kann auf diesem bspw. eine dichroitische Beschichtung vorgesehen sein, welche für eine Reflexion der (blauen) Laserstrahlung angepasst ist und so die Reflexionsfläche bildet; auf das transparente Prismenmaterial kann dann zu dieser Reflexionsfläche hin bspw. eine Anti-Reflex-Beschichtung (AR) aufgebracht sein, ebenfalls für die (blaue) Laserstrahlung angepasst und bspw. dichroitisch.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine zumindest transluzente, bevorzugt transparente Abdeckung vorgesehen, die jedenfalls mittelbar auf der Trägerstruktur montiert ist. Die Abdeckung verschließt eine Kavität mit der Laserdiode und dem Reflexionsprisma darin luftdicht, und das Strahlenbündel tritt dem Reflexionsprisma nachgelagert durch die Abdeckung aus. Die Luftdichtigkeit ist in einem technisch bzw. ökonomisch sinnvollen Rahmen gegeben; die Kavität kann bspw. vakuumiert oder mit einem Inertgas gefüllt sein, was bspw. einer Ablagerung von Verunreinigungen bzw. Feuchtigkeit auf der Abstrahlfläche der Laserdiode vorbeugen helfen kann. Im Allgemeinen könnte die Abdeckung bspw. auch aus Glas vorgesehen sein, bevorzugt ist eine Abdeckung aus Saphir, bspw. auch aus thermischen Gründen.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die zumindest transluzente / bevorzugt transparente Abdeckung über einen Metallrahmen auf der Trägerstruktur montiert, der Rahmen trägt also die Abdeckung und ist seinerseits direkt auf der Trägerstruktur montiert, bspw. über eine Fügeverbindungsschicht damit verbunden. Als Material des Rahmens kann bspw. Kupfer bevorzugt sein. Der Rahmen umschließt die Laserdiode und das Reflexionsprisma bezogen auf einen Umlauf um eine Flächennormale, begrenzt die Kavität also zur Seite hin. Die Abdeckung begrenzt die Kavität nach oben hin.
Generell bezieht sich im Rahmen dieser Offenbarung „seitlich“ auf zur Oberfläche der Trägerstruktur parallele Richtungen, wohingegen „oberhalb“/“unterhalb“ dazu senkrechte Richtungen betrifft. Dabei wird die Seitenfläche der Trägerstruktur mit der Laserdiode als Oberseite betrachtet, was im Allgemeinen aber keine Implikation hinsichtlich der Einbaulage der Strahlquelle in der Anwendung haben soll.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Eintrittsfläche des Reflexionsprismas und/oder die Austrittsfläche des Reflexionsprismas und/oder die Eintrittsfläche der Abdeckung und/oder die Austrittsfläche der Abdeckung antireflexbeschichtet. Mit einer Antireflexbeschichtung ist an der jeweiligen Fläche der Transmissionsgrad für die Laserstrahlung höher als im Falle einer unbeschichteten Fläche. Bevorzugt kann eine Antireflexbeschichtung über ein dichroitisches Schichtsystem realisiert sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Strahlquelle ein Konversionselement auf, mit welchem die Laserstrahlung zumindest anteilig in eine Konversionsstrahlung konvertiert wird. Bevorzugt ist eine Down-Konversion, ist die Konversionsstrahlung also längerwellig als die Laserstrahlung, bevorzugt ist Konversionslicht im sichtbaren Spektralbereich. Die Konversion kann im Allgemeinen auch eine Vollkonversion sein, bei der die gesamte auf das Konversionselement treffende Laserstrahlung konvertiert wird, bevorzugt ist jedoch eine Teilkonversion, liegt dem Leuchtstoffelement nachgelagert also eine Mischung aus Konversionsstrahlung und anteilig nicht konvertierter Laserstrahlung vor. So kann bspw. mit blauem Licht als Laserstrahlung, was generell bevorzugt ist, in Mischung mit gelbem Konversionslicht Weißlicht erzeugt werden. Das Konversionselement, das auch als Leuchtstoffelement bezeichnet wird, kann bspw. Yttrium-Aluminium-Granat als Leuchtstoff aufweisen (YAG:Ce).
Bevorzugt ist das Konversionselement außerhalb der Kavität auf der Abdeckung angeordnet, wenngleich im Allgemeinen hingegen bspw. auch eine Anordnung auf der Austrittsfläche des Reflexionsprismas denkbar ist. Das Leuchtstoffelement kann bspw. auf die Außenfläche der Abdeckung abgeschieden, also mit dem Aufbringen erst entstanden sein; es kann aber bspw. auch an der Abdeckung montiert sein, bspw. über eine Fügeverbindungsschicht, insbesondere eine Klebstoffschicht, oder über eine niedrig-Temperaturschmelzende Glaslotschicht (Glass Bonding).
Unabhängig davon im Einzelnen kann zur Erhöhung der Effizienz zwischen der Abdeckung und dem Leuchtstoffelement ein dichroitischer Spiegel angeordnet sein, der für die Laserstrahlung transmissiv, für die Konversionsstrahlung jedoch reflektiv ist.
Wie bereits erwähnt, kann das Leuchtstoffelement aber auch auf der Austrittsfläche des Reflexionsprismas abgeschieden oder angebracht sein, entweder direkt daran grenzend oder auch mit einer Schicht dazwischen. Im letztgenannten Fall kann die Austrittsfläche des Reflexionsprismas mit einer das (gelbe) Konversionslicht reflektierenden und das (blaue) Anregungslicht transmittierenden dichroitischen Beschichtung versehen sein. Alternativ kann die für das (gelbe) Konversionslicht reflektierende dichroitische Beschichtung auch auf der Eintrittsseite des Konversionselements abgeschieden sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Strahlquelle eine Sammellinse auf, die an der Abdeckung angeordnet ist. Im Allgemeinen könnte die Sammellinse auch in die Abdeckung eingeformt sein, bevorzugt ist sie jedoch daran montiert, nämlich an der der Laserdiode und dem Reflexionsprisma abgewandten Seitenfläche davon. Bevorzugt ist die Sammellinse als Kollimationslinse ausgebildet, wird sie also von dem Strahlenbündel durchsetzt, das der Kollimationslinse vorgelagert noch divergent und ihr nachgelagert dann im Wesentlichen kollimiert ist. Die Sammellinse kann bspw. aus Silikon oder Glas vorgesehen sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt
1 eine erste erfindungsgemäße Strahlquelle mit Laserdiode und Reflexionsprisma in einer schematischen Schnittdarstellung;
2 eine zweite erfindungsgemäße Strahlquelle mit Laserdiode und Reflexionsprisma in einer schematischen Schnittdarstellung.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine erfindungsgemäße Strahlquelle 1 mit einer Laserdiode 2 und einem Reflexionsprisma 3, die auf einer Trägerstruktur 4 montiert sind. Die Trägerstruktur 4 ist vorliegend eine Kupferplatte, die Laserdiode 2 und das Reflexionsprisma 3 sind aufgelötet. Die Laserstrahlung wird in einer aktiven Zone 2a der Laserdiode 2 erzeugt, die zwischen den übrigen Halbleiterschichten 2b eingebettet ist. Die aktive Zone 2a hat eine Höhe von ca. 1 µm, und die Laserstrahlung wird in Form eines divergenten Strahlenbündels 5 emittiert.
Erfindungsgemäß wird das Strahlenbündel 5 mit dem Reflexionsprisma 3 umgelenkt und die Laserstrahlung so an der Oberseite des Aufbaus ausgekoppelt. Für eine seitliche Auskopplung müsste hingegen aufgrund der Divergenz des Strahlenbündels 5 die Trägerstruktur 4 vergleichsweise nahe an der Laserdiode 2 enden und dort zugleich ein Auskoppelfenster tragen. Der Erfinder hat festgestellt, dass die Umsetzung mechanisch aufwendig und auch wenig robust ist, insbesondere wenn die Kavität 6 mit der Laserdiode 2 darin luftdicht verschlossen werden soll.
Erfindungsgemäß wird deshalb das Strahlenbündel 5 mit dem Reflexionsprisma 3 nach oben umgelenkt. Dem Reflexionsprisma 3 nachgelagert durchsetzt es eine Abdeckung 7 aus Saphir, auf deren Außenseite vorliegend eine Sammellinse 8 als Kollimationslinse montiert ist. Es wäre aber bspw. auch eine Abdeckung 7 aus Glas denkbar, an der die Sammellinse 8 montiert bzw. sogar direkt angepresst sein könnte. Oberseitig der Abdeckung 5 ist die Zugänglichkeit aufgrund eines größeren Abstands zur Trägerstruktur 4 und damit bspw. auch zu einer Leiterplatte (nicht dargestellt), auf welcher die Trägerstruktur 4 ihrerseits angeordnet ist, verbessert. Ferner muss eine seitliche Begrenzung der Kavität 6 auch nicht transparent/transluzent ausgeführt sein, sondern kann ein Metallrahmen 9 auf der Trägerstruktur 4 montiert werden. Der Metallrahmen 9 trägt die Abdeckung 7, bspw. über einen Presssitz, und ist seinerseits mit der Trägerstruktur 4 verlötet, was eine gute Luftdichtigkeit der Kavität 6 sicherstellen und damit einer Verschmutzung bzw. Beeinträchtigung der Laserdiode 2 vorbeugen hilft.
Das Reflexionsprisma 3 weist einen Glaskörper aus einem Prismenmaterial mit einem Brechungsindex von ca. 1,82 auf (vgl. die Beschreibungseinleitung bezüglich weiterer Details). Entsprechend wird das Strahlenbündel 5 beim Eintritt vergleichsweise stark gebrochen, also der Öffnungswinkel verringert, und zwar bei dem vorliegenden Brechungsindex nahezu halbiert. Aufgrund dieser Öffnungswinkelverringerung nimmt das Strahlenbündel im Inneren des Reflexionsprismas 3 einen vergleichsweise kleinen Raum ein, was den gezeigten miniaturisierten Aufbau ermöglicht.
Würde sich das Strahlenbündel 5 hingegen unvermindert divergent ausbreiten, wäre also ein einfacher Spiegel zur Reflexion vorgesehen, hätte es am Ausgang der Strahlquelle schon generell einen größeren Querschnitt, was bspw. auch eine entsprechend größere Sammellinse erfordern und dementsprechend den Aufbau verteuern würde und auch in Gewichtshinsicht Nachteile hätte. Zudem könnte ein sich unvermindert breitwinklig ausbreitendes Strahlenbündel 5 dann nach der Reflexion leicht die Laserdiode 2 streifen. Durch die Öffnungswinkelverringerung kann das Strahlenbündel 5 hingegen gut von der Trägerstruktur 4 weg und so in einem Bereich geführt werden, in dem der Bauraum weniger begrenzt ist.
Der Abstand 10 zwischen dem Reflexionsprisma 3, konkret dessen Eintrittsfläche 15, und der Laserdiode 2, nämlich deren Abstrahlfläche (der Übersichtlichkeit halber nicht im Einzelnen referenziert), ist möglichst klein gewählt, liegt nämlich vorliegend bei rund 70 µm. Ferner ist auch der Abstand 11 zwischen der Trägerstruktur 4 und der aktiven Zone 2a so gewählt, dass einerseits eine gute Strahlführung möglich ist (Begrenzung nach unten), andererseits aber auch eine gute thermische Anbindung gegeben ist (Begrenzung nach oben). Der Abstand 11 beträgt vorliegend rund 0,27 mm. Die Eintrittsfläche 9 bzw. das Reflexionsprisma 3 insgesamt hat eine Höhe 12 von rund 0,8 mm.
Die Reflexionsfläche 13 des Reflexionsprismas 3 schließt mit der Trägerstruktur 4 einen Winkel 14 von 45° ein. Die Eintrittsfläche 15 und auch eine Austrittsfläche 18 des Reflexionsprismas 3 sind jeweils für sich plan, zueinander liegen sie senkrecht. Das Reflexionsprisma 3 ist ein 90°-Umlenkprisma. Das Umlenkprisma 3 weist ein einstückig mit dem Prismenmaterial ausgebildetes Trägerelement 16 aus Silizium auf. Das Trägerelement 16 ist mit seiner dem Prismenmaterial abgewandten Seitenfläche 17 auf der Trägerstruktur 4 montiert. Da das Trägerelement 16 aus Silizium vorgesehen ist, lässt sich seine Montage gut in die übrige Back End-Fertigung integrieren.
Die Ausführungsform gemäß 2 ist hinsichtlich der Ausgestaltung und Anordnung von Laserdiode 2, Reflexionsprisma 3 und auch der Gehäusekomponenten (Trägerstruktur 4, Metallrahmen 9 und Abdeckung 7) identisch zu jener gemäß 1 aufgebaut. Anstelle der Sammellinse 8 ist jedoch ein Konversionselement 21 auf der Abdeckung 7 angeordnet, welches YAG:Ce als Leuchtstoff aufweist. Das Strahlenbündel 5 mit der Laserstrahlung trifft auf eine Einstrahlfläche 22 des Konversionselements 21, das auf diese Anregung hin an einer Abstrahlfläche 23 eine Konversionsstrahlung 24 emittiert, nämlich vorliegend gelbes Konversionslicht. Bei der Laserstrahlung handelt es sich um blaues Licht, das in dem Konversionselement 21 nicht vollständig konvertiert wird (Teilkonversion), dem Leuchtstoffelement 21 nachgelagert ergibt das anteilig nicht konvertierte Laserlicht in Mischung mit der Konversionsstrahlung 24 dann Weißlicht.
Die Emission der Konversionsstrahlung 24 erfolgt im Wesentlichen omnidirektional, es würde also auch durch die Abdeckung 7 hindurch, also in 2 nach unten, Konversionsstrahlung abgegeben werden. Zur Erhöhung der Effizienz ist deshalb zwischen der Abdeckung 7 und dem Konversionselement 21 ein dichroitischer Spiegel angeordnet, der für die Laserstrahlung transmissiv, für die Konversionsstrahlung jedoch reflektiv ist.
Bezugszeichenliste

1: Strahlquelle
2: Laserdiode
2a: aktive Zone davon
2b: übriges Schichtsystem
3: Reflexionsprisma
4: Trägerstruktur
5: Strahlenbündel
6: Kavität
7: Abdeckung
8: Sammellinse
9: Metallrahmen
10: Abstand (zwischen Abstrahl- und Eintrittsfläche)
11: Abstand (zwischen aktiver Zone und Trägerstruktur)
13: Reflexionsfläche
14: Winkel
15: Eintrittsfläche (des Reflexionsprismas)
16: Trägerelement
17: Seitenfläche
18: Austrittsfläche (des Reflexionsprismas)
21: Konversionselement
22: Einstrahlfläche
23: Abstrahlfläche
24: Konversionsstrahlung

Claims

Strahlquelle (1) mit einer Laserdiode (2) mit einer Abstrahlfläche zur Emission eines divergenten Strahlenbündels (5) mit Laserstrahlung, einer Trägerstruktur (4), auf welcher die Laserdiode (2) derart angeordnet ist, dass das Strahlenbündel (5) der Abstrahlfläche unmittelbar nachgelagert eine Richtungskomponente parallel zu einer der Laserdiode zugewandten Oberfläche der Trägerstruktur (4) hat, und einem Reflexionsprisma (3) mit einem transparenten Prismenmaterial mit einem Brechungsindex n_P ≥ 1,5, wobei die Laserdiode und das Reflexionsprisma derart relativ zueinander angeordnet sind, dass das Strahlenbündel (5) der Laserdiode (2) nachgelagert auf eine Eintrittsfläche (15) des Reflexionsprismas (3) fällt und das Prismenmaterial mit verringertem Öffnungswinkel durchsetzt und dabei an einer Reflexionsfläche (13) des Reflexionsprismas (3) von der Trägerstruktur (4) weg reflektiert wird, und wobei die Abstrahlfläche der Laserdiode (2) und die Eintrittsfläche (15) des Reflexionsprismas (3) einen Abstand (10) von höchstens 0,5 mm zueinander haben.
Strahlquelle (1) nach Anspruch 1, bei welcher die Laserstrahlung in einer aktiven Zone (2a) der Laserdiode (2) erzeugt wird, die von der der Laserdiode (2) zugewandten Oberfläche der Trägerstruktur (4) einen Abstand (11) von mindestens 0,2 mm hat.
Strahlquelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Reflexionsfläche (13) des Reflexionsprismas (3) plan ist.
Strahlquelle (1) nach Anspruch 3, bei welcher die Reflexionsfläche (13) mit der Trägerstruktur (4) einen Winkel (14) von mindestens 40° und höchstens 50° einschließt.
Strahlquelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Eintrittsfläche (9) eine senkrecht zur Trägerstruktur (4) genommene Höhe von höchstens 1 mm hat.
Strahlquelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Strahlenbündel (5) der Eintrittsfläche (15) des Reflexionsprismas (3) unmittelbar vorgelagert senkrecht zur Trägerstruktur (4) genommen einen Öffnungswinkel von höchstens 40° hat.
Strahlquelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher ein senkrecht zur Trägerstruktur (4) genommener Öffnungswinkel des Strahlenbündels (5) der Eintrittsfläche (15) des Reflexionsprismas (3) unmittelbar nachgelagert um mindestens 30 % kleiner ist als der Eintrittsfläche (15) unmittelbar vorgelagert.
Strahlquelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Reflexionsprisma (3) ein einstückig mit dem Prismenmaterial ausgebildetes, keilförmiges Trägerelement (16) aufweist, welches Trägerelement (16) mit einer dem Prismenmaterial abgewandten Seitenfläche (17) der Trägerstruktur (4) zugewandt auf dieser angeordnet ist.
Strahlquelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Laserdiode (2) und das Reflexionsprisma (3) auf derselben durchgehenden Trägerstruktur (4) angeordnet sind.
Strahlquelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher ein dichroitisches Schichtsystem die Reflexionsfläche (13) des Reflexionsprismas (3) bildet.
Strahlquelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher eine zumindest transluzente Abdeckung (7) jedenfalls mittelbar auf der Trägerstruktur (4) montiert ist, wobei die Abdeckung (7) eine Kavität (6) mit der Laserdiode (2) und dem Reflexionsprisma (3) darin luftdicht verschließt und das Strahlenbündel (5) dem Reflexionsprisma (3) nachgelagert die Abdeckung (7) durchsetzt.
Strahlquelle (1) nach Anspruch 11 mit einem Metallrahmen (9), der die Abdeckung (7) trägt und derart auf der Trägerstruktur (4) montiert ist, dass er die Laserdiode (2) und das Reflexionsprisma (3) umschließt und so die Kavität (6) zur Seite hin begrenzt.
Strahlquelle (1) nach Anspruch 11 oder 12, bei welcher zumindest eine von der Eintrittsfläche (15) des Reflexionsprismas (3), einer Austrittsfläche (18) des Reflexionsprismas (3), einer Eintrittsfläche der Abdeckung (7) und einer Austrittsfläche der Abdeckung (7) antireflexbeschichtet ist.
Strahlquelle (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13 mit einer Sammellinse (8), die auf der Abdeckung (7) außerhalb der Kavität (6) angeordnet ist.
Strahlquelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Konversionselement (21) zur zumindest teilweisen Konversion der Laserstrahlung in eine Konversionsstrahlung (24).