DE102019110189A1

DE102019110189A1 - Halbleiterlaser und materialbearbeitungsverfahren mit einem halbleiterlaser

Info

Publication number: DE102019110189A1
Application number: DE102019110189.1A
Authority: DE
Inventors: Muhammad Ali; Harald König; Bernhard Stojetz; Alfred Lell
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2020-10-22
Also published as: WO2020212221A1; US20220263293A1

Abstract

In einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser (1) einen Träger (4) sowie einen oder mehrere Laserbarren (2). Der zumindest eine Laserbarren (2) umfasst zumindest drei Einzellaser (22), die parallel zueinander angeordnet sind. Eine Umlenkoptik (3) ist den Einzellasern (22) gemeinsam nachgeordnet. Der mindestens eine Laserbarren (2) und die zugehörige Umlenkoptik (3) sind auf dem Träger (4) montiert und weisen einen Abstand zueinander von höchstens 4 mm auf.

Description

Es wird ein Halbleiterlaser angegeben. Darüber hinaus wird ein Materialbearbeitungsverfahren mit einem Halbleiterlaser angegeben.
Die Druckschriften US 2008/0212191 A1 und US 2012/0039072 A1 betreffen Anordnungen von Halbleiterlasern.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, einen Halbleiterlaser anzugeben, mit dem im infraroten hochreflektive Materialien wie Kupfer effizient bearbeitbar sind.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch einen Halbleiterlaser mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der übrigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterlaser zur Emission einer Laserstrahlung eingerichtet. Bei der Laserstrahlung handelt es sich um kohärente Strahlung. Die Laserstrahlung ist bevorzugt eine gepulste Strahlung. Genauso kann der Halbleiterlaser auch für einen Dauerstrichbetrieb, kurz cw, eingerichtet sein.
Eine Wellenlänge maximaler Intensität der im Betrieb emittierten Laserstrahlung liegt bevorzugt bei mindestens 390 nm oder 400 nm und/oder bei höchstens 475 nm oder 460 nm. Alternativ ist es möglich, dass die Wellenlänge maximaler Intensität in einem anderen Spektralbereich liegt, insbesondere im nahinfraroten Spektralbereich, beispielsweise bei mindestens 900 nm und/oder bei höchstens 1200 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser einen Träger. Bei dem Träger kann es sich um die den Halbleiterlaser mechanisch tragende und stabilisierende Komponente handeln. Bevorzugt weist der Träger eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Beispielsweise umfasst der Träger ein Metall oder weist als wesentliche Komponente ein Metall auf, insbesondere Kupfer oder eine Kupferlegierung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser einen oder mehrere Laserbarren. Der mindestens eine Laserbarren umfasst mindestens zwei oder mindestens drei oder mindestens vier Einzellaser. Alternativ oder zusätzlich liegt die Anzahl an Einzellasern pro Laserbarren bei höchstens 200 oder 100 oder 30 oder 15. Die Einzellaser werden bevorzugt elektrisch parallel betrieben und können elektrisch parallel geschaltet sein. Alternativ sind die Einzellaser in dem Laserbarren elektrisch seriell verschaltet.
Bevorzugt sind die Einzellaser nur zusammengenommen betreibbar. Alternativ können die Einzellaser oder Gruppen von Einzellasern auch elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbar sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Einzellaser innerhalb des jeweiligen Laserbarrens parallel oder näherungsweise parallel zueinander orientiert. Das heißt, die Einzellaser weisen die gleiche oder näherungsweise die gleiche Emissionsrichtung auf. Beispielsweise sind Resonatoren der Einzellaser parallel zueinander ausgerichtet und/oder liegen in einer gemeinsamen Ebene. Näherungsweise, bezogen auf einen Winkel, bedeutet hier und im Folgenden insbesondere einer Toleranz von höchstens 5° oder 1°.
Eine Halbleiterschichtenfolge und/oder ein Wachstumssubstrat der Halbleiterschichtenfolge für den Laserbarren erstrecken sich bevorzugt zusammenhängend und ununterbrochen über den gesamten Laserbarren hinweg, sodass alle Einzellaser aus der gleichen Halbleiterschichtenfolge heraus gefertigt sind. Die Einzellaser umfassen beispielsweise jeweils einen Stegwellenleiter, englisch ridge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser eine oder mehrere Umlenkoptiken. Die zumindest eine Umlenkoptik ist den Einzellasern des Laserbarrens gemeinsam nachgeordnet. Im Falle eines einzigen Laserbarrens ist damit die Umlenkoptik allen Einzellasern gemeinsam nachgeordnet. Sind mehrere Laserbarren vorhanden, kann für jeden Laserbarren oder für Gruppen von Laserbarren eine eigene Umlenkoptik vorliegen, die allen betreffenden Einzellasern gemeinsam nachgeordnet ist. Weiterhin ist es möglich, dass eine einzige Umlenkoptik allen Einzellasern aller Laserbarren gemeinsam nachgeordnet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der mindestens eine Laserbarren und die zumindest eine Umlenkoptik auf dem Träger montiert. Der mindestens eine Laserbarren und/oder die mindestens eine Umlenktopik können unmittelbar an dem Träger angebracht sein oder es sind Zwischenkomponenten wie Zwischenträger, auch als Submount bezeichnet, vorhanden. Das heißt, der Träger dient bevorzugt als gemeinsame, zusammenhänge Montageplattform für alle Laserbarren und für alle Umlenkoptiken.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der Laserbarren und die zugehörige Umlenkoptik nahe beieinander auf dem Träger angebracht. Ein Abstand zwischen den Laserbarren und der zugeordneten Umlenkoptik liegt bevorzugt bei höchstens 6 mm oder 2 mm oder 1 mm oder 0,7 mm. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Abstand bei mindestens 0,1 mm oder 0,3 mm oder 0,5 mm.
Durch die Zusammenfassung von mehreren Einzellasern in einem Laserbarren und durch das Anbringen des zumindest einen Laserbarrens nahe an der zugeordneten Umlenkoptik ist ein Strahlbündel, zusammengesetzt aus einzelnen Laserstrahlen der Einzellaser, erzielbar, das einen relativ kleinen Durchmesser aufweist. Damit ist eine nachgeschaltete Führung und Fokussierung der insgesamt vom Halbleiterlaser emittierten Laserstrahlung vereinfacht.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser einen Träger sowie einen oder mehrere Laserbarren. Der zumindest eine Laserbarren umfasst zumindest drei Einzellaser, die parallel zueinander angeordnet sind. Zumindest eine Umlenkoptik ist den Einzellasern des Laserbarrens gemeinsam nachgeordnet. Der mindestens eine Laserbarren und die zugehörige Umlenkoptik sind auf dem Träger montiert und weisen einen Abstand zueinander von höchstens 4 mm auf.
In zunehmendem Maße dringen Halbleiterlaser-Lichtquellen in Applikationsbereiche vor, die bislang durch andere Lichtquellen oder andere Lasersysteme abgedeckt wurden.
Insbesondere die Effizienzsteigerung bei Halbleiterlasern, die auf dem Materialsystem InGaN basieren und die im sichtbaren Spektralbereich emittieren, bietet neue Anwendungspotentiale, beispielsweise bei Projektionsanwendungen, bei Beleuchtungsanwendungen und/oder in der Materialbearbeitung.
Ein wichtiger Aspekt für das hohe Potential sichtbarer Laserdioden in der Materialbearbeitung liegt in der signifikant höheren Absorption von Materialien wie Kupfer oder Gold im blauen Spektralbereich, gegenüber der standardmäßig zur Materialbearbeitung verwendeten nahinfraroten Strahlung. Dies hat insbesondere zur Folge, dass beispielsweise das für die Elektromobilität bedeutsame Material Kupfer mit blauen Hochleistungsstrahlungsquellen spritzerfrei zu schweißen und/oder zu schneiden ist. Dies lässt sich mit herkömmlichen infrarotbasierten Lichtquellen nicht oder nur mit hohem Aufwand realisieren. Daher können hier beschriebene Halbleiterlaser einen Schlüsselprozess für leckstromfreie und/oder leckstromarme Elektroantriebe ermöglichen.
Mit dem hier beschriebenen Halbleiterlaser ist es möglich, insbesondere im blauen Spektralbereich emittierende Lichtquellen mit hohen optischen Ausgangsleistungen im Bereich von einigen 10 W, bevorzugt 100 W bis mehreren kW bereitzustellen.
Zwar sind derzeit kommerziell verfügbare Hochleistungslaser im nahinfraroten Spektralbereich verfügbar, die sogenannte Wall Plug-Effizienzen von ungefähr 70 % erreichen können. Die Wall Plug-Effizienz gibt den Quotienten aus zugeführter elektrischer Leistung und emittierter optischer Leistung an.
Jedoch führt die geringe Materialabsorption hochreflektierender Metalle wie Kupfer oder Gold dazu, dass die erforderliche Laserleistung im nahinfraroten Spektralbereich sehr hoch ist und die bearbeitbare Materialdicke und etwa die Schweißgeschwindigkeit oder die Schneidgeschwindigkeit somit begrenzt sind. Außerdem sind eine Uniformität und eine Spritzerfreiheit bei der Verwendung nahinfraroter Strahlung zur Bearbeitung von Kupfer und/oder Gold stark eingeschränkt.
Demgegenüber basieren derzeit kommerziell verfügbare Lasersysteme insbesondere im blauen Spektralbereich auf der Montage von Einzelemittern in einem gemeinsamen Gehäuse. Dadurch wird einerseits die optische Leistung und insbesondere die Leistungsdichte drastisch begrenzt, andererseits ist eine auf Einzelemitter-Montage basierte Hochleistungs-Lichtquelle aufwändig in der Herstellung und fehleranfällig.
Bei dem hier beschriebenen Halbleiterlaser werden sehr hohe optische Ausgangsleistungen ermöglicht, in dem insbesondere InGaN-basierte Laserbarren mit Hilfe optischer Elemente aneinandergekoppelt werden. Die einzelnen Laserbarren können beispielsweise über Umlenkprismen in eine Faser gekoppelt werden. Bevorzugt werden dabei mehrere Laserbarren treppenförmig übereinander angeordnet und über dasselbe Umlenkprisma abgebildet.
Optional kann vor jedem Laserbarren oder vor einigen Laserbarren eine Kollimationslinse angebracht werden, insbesondere eine sogenannte Fast Axis-Kollimationslinse, kurz FAC. Als Fast Axis wird diejenige Richtung bezeichnet, in der eine rasche Strahlaufweitung und hohe Divergenz vorliegt. Die sogenannte Fast Axis ist insbesondere parallel zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge des zugehörigen Laserbarrens orientiert.
Optional kann vor einer Einkoppelfaser, in die die Laserstrahlung des Halbleiterlasers eingekoppelt wird, eine Optik wie eine Linse angebracht sein. Weiterhin können optional optische Formen wie Parabolspiegel in das Umlenkprisma integriert sein. Außerdem ist es möglich, dass eine Lichtleitfaser in ihrem Faserkern und/oder in ihrem Mantel Konverterpartikel mit einem Leuchtstoff enthält, wodurch die Faser selbst leuchten kann. Weiterhin ist es optional möglich, dass Konverterpartikel entlang der Faser in einem Konzentrationsgradienten oder mit gleichbleibender Konzentration eingebaut sind, speziell um eine nachlassende Laseranregungsenergie auszugleichen.
Außerdem ist es möglich, dass der hier beschriebene Halbleiterlaser im nahinfraroten Spektralbereich emittiert und insbesondere gepulst betrieben wird. Damit lassen sich beispielsweise Lidar-Applikationen und Abstandsmessungen adressieren.
Somit lässt sich mit dem hier beschriebenen Halbleiterlaser ein Leuchtfleck mit einer sehr hohen Leuchtdichte realisieren, einhergehend mit neuen Möglichkeiten in der Materialbearbeitung bei im Infraroten hochreflektierenden Metallen wie Kupfer oder Kupferverbindungen. Dadurch kann eine Geschwindigkeit der Materialbearbeitung, insbesondere bei einem Schneiden und/oder Schweißen, signifikant erhöht werden. Außerdem ist eine spritzerfreie Materialbearbeitung möglich, was eine Grundlage für stromfreie oder leckstromarme Elektroantriebe darstellt.
Zudem sind derartige Lichtquellen, optional in Kombination mit einer Faserankopplung und/oder mit Wellenlängenkonvertern, für großflächige Projektionsanwendungen von Bedeutung, beispielsweise für Beamer, für die Rückseitenbeleuchtung von Displays oder für Lichtquellen wie eine Stadionbeleuchtung oder in Straßenlaternen.
Da der hier beschriebene Halbleiterlaser auf Laserbarren basiert, anstatt auf Einzelemittern, resultiert ein erheblich verringerter Montageaufwand. Bei der Verwendung einer FAC-Linse verringert sich zudem der Justageaufwand gegenüber der erforderlichen Einzelmontage von Linsen bei Lichtquellen, die auf einzelnen Laserdioden basieren.
Durch die hohe Absorption insbesondere von blauer Laserstrahlung von Kupfer oder Kupferlegierungen lässt sich eine weitgehende Unabhängigkeit der Bearbeitung von Oberflächenrauigkeiten oder Oberflächentexturen erzielen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der zumindest eine Laserbarren eine Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf dem Materialsystem AlInGaN. Sind mehrere Laserbarren vorhanden, so können alle Laserbarren auf dem gleichen Materialsystem basieren und zur Emission von Laserstrahlung der gleichen Wellenlänge maximaler Intensität eingerichtet sein. Alternativ können Laserbarren mit unterschiedlichen Halbleiterschichtenfolgen, auch basierend auf unterschiedlichen Materialsystemen, vorhanden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Füllfaktor des Laserbarrens bei mindestens 5 % oder 8 % und/oder bei höchstens 50 % oder 35 % oder 20 % oder 15 % oder 12 %, insbesondere zwischen einschließlich 5 % und 50 % oder zwischen einschließlich 5 % und 20 % oder zwischen einschließlich 8 % und 12 %. Der Füllfaktor ist ein Quotient aus einer laseraktiven Fläche und aus einer Gesamtfläche der Halbleiterschichtenfolge. Das heißt, ein aktiver Flächenanteil an der Halbleiterschichtenfolge ist dann vergleichsweise gering.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich die Laserbarren an zwei bevorzugt einander gegenüberliegenden Seiten der Umlenkoptik. Die Laserbarren können sich auch an mehr als zwei Seiten der Umlenkoptik befinden. Insbesondere befinden sich Laserbarren an genau zwei oder an genau vier Seiten der Umlenkoptik, im Falle einer dreiseitigen Pyramide als Umlenkoptik insbesondere an genau drei Seiten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Laserbarren symmetrisch zur zugehörigen Umlenkoptik angeordnet. Insbesondere bildet im Querschnitt gesehen eine Mittelachse der Umlenkoptik eine Symmetrieachse zwischen den Laserbarren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Träger eine oder mehrere Stufen. Durch die Stufen können eine oder mehrere Treppen gebildet sein, die beispielsweise symmetrisch zur zugeordneten Umlenkoptik angeordnet sind. Die Laserbarren befinden sich in zwei oder in mehr Ebenen, bevorzugt parallel oder näherungsweise parallel zu einer Bodenfläche des Trägers. Eine solche Treppe mit mehreren Ebenen mit Laserbarren kann sich an nur einer oder auch an zwei insbesondere einander gegenüberliegenden Seiten der zugeordneten Umlenkoptik befinden.
Verschmälert sich die Umlenkoptik in Richtung weg von der Basisfläche, so kann sich ein Zwischenraum zwischen den Laserbarren der Ebenen in Richtung weg von der Basisfläche erhöhen, falls die Laserbarren in zumindest einer Treppe angeordnet sind. Das heißt, mit zunehmendem Abstand von der Basisfläche kann ein Abstand zwischen der Umlenkoptik und dem zugehörigen Laserbarren zunehmen.
Alternativ ist es möglich, dass ein Abstand zwischen den Laserbarren der Ebenen entlang der Abstrahlrichtung kleiner wird. Das heißt, in dem Maße, in dem die Umlenkoptik schmäler wird, kann sich ein Abstand zwischen den Laserbarren einer Ebene verringern. Damit kann ein Abstand zwischen den Laserbarren der verschiedenen Ebenen und der Umlenkoptik näherungsweise konstant gehalten werden.
Die Ausführungen in den beiden vorhergehenden Absätzen gelten gleichermaßen, falls sich Laserbarren an verschiedenen Seiten der Umlenkoptik befinden, als auch für den Fall, dass eine Treppe nur an einer Seite der Umlenkoptik angebracht ist. Im letztgenannten Fall dient als Bezugsgröße für den Abstand dann insbesondere eine optische Achse der Umlenkoptik.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser mehrere Umlenkoptiken, die zusammen mit zugeordneten Laserbarren entlang einer oder entlang mehrerer insbesondere gerader Linien auf der Basisfläche des Trägers angeordnet sind. Zumindest eine dieser Linien umfasst einmal oder auch mehrfach die folgende Sequenz: Laserbarren - Umlenkoptik - Laserbarren - Laserbarren - Umlenkoptik - Laserbarren. Das heißt, es können Dreierpakete aus Laserbarren - Umlenkoptik - Laserbarren vorhanden sein, die aufeinanderfolgend entlang der betreffenden Linie angeordnet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Umlenkoptik oder sind den Umlenkoptiken eine oder mehrere Linsen wie Zylinderlinsen optisch nachgeordnet, insbesondere optisch unmittelbar nachgeordnet. Dies gilt vor allem, wenn die Laserbarren in einer zweidimensionalen, beispielsweise matrixförmigen Anordnung an dem Träger vorliegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die zumindest eine Umlenkoptik im Querschnitt gesehen eine dreieckige Grundform auf. Alternativ ist die Umlenkoptik im Querschnitt gesehen als Trapez, insbesondere als symmetrisches Trapez, geformt. Der Querschnitt ist bevorzugt parallel zu einer Hauptemissionsrichtung des Halbleiterlasers ausgerichtet. Insgesamt kann die Umlenkoptik somit ein Prisma, eine Pyramide oder einen Pyramidenstumpf darstellen. Eine Breite der Umlenkoptik kann in Richtung weg von dem Träger abnehmen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser eine oder mehrere Fast Axis-Kollimationslinsen. Die zumindest eine Kollimationslinse ist dazu eingerichtet, eine Divergenz entlang einer Richtung, die eine maximale Divergenz aufweist, zu reduzieren, insbesondere zu eliminieren. Das heißt, entlang der Fast Axis-Richtung kann die Laserstrahlung nach Durchlaufen der Kollimationslinse keine oder lediglich eine vernachlässigbare Divergenz aufweisen. Die mindestens eine Kollimationslinse ist dem zugeordneten Laserbarren bevorzugt optisch unmittelbar nachgeordnet. Das heißt, zwischen dem Laserbarren und der zugeordneten Kollimationslinse befindet sich dann kein weiteres optisches Element.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Kollimationslinse optisch und/oder geometrisch zwischen dem zugehörigen Laserbarren und der zugeordneten Umlenkoptik angebracht. Das heißt, die Laserstrahlung durchläuft vor Auftreffen auf die Umlenkoptik die Kollimationslinse.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die zumindest eine Kollimationslinse unmittelbar an dem zugehörigen Laserbarren angebracht. Das heißt, die Kollimationslinse kann den betreffenden Laserbarren berühren. Alternativ befindet sich zwischen der Kollimationslinse und den Laserbarren lediglich ein Verbindungsmittel wie ein Kleber. Im letztgenannten Fall liegt ein Abstand zwischen der Kollimationslinse und den Laserbarren bevorzugt bei höchstens 5 µm oder 2 µm.
Bevorzugt ist pro Laserbarren genau eine Kollimationslinse vorhanden. Die Kollimationslinse kann ähnlich einer Halbzylinderlinse gestaltet sein. Es ist möglich, dass die Kollimationslinse einen Bereich unmittelbar an einer Laserfacette, aus dem die Laserstrahlung emittiert wird, freilässt. Damit kann die Kollimationslinse gleichzeitig eine Verkapselung für den betreffenden Bereich der Facette bilden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform folgt die Umlenkoptik dem zumindest einen zugeordneten Halbleiterlaser unmittelbar optisch nach. Das heißt, zwischen der Umlenkoptik und dem betreffenden Laserbarren befindet sich keine weitere optisch wirksame Komponente, insbesondere keine Kollimationslinse wie eine Fast Axis-Kollimationslinse.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Umlenkoptik oder ist eine der Umlenkoptiken oder sind alle Umlenkoptiken für eine Strahlkollimation eingerichtet, insbesondere in Fast Axis-Richtung. Das heißt, die Umlenkoptik kann für die betreffende Laserstrahlung strahlbündelnd wirken. Damit können von der Umlenkoptik parallele oder näherungsweise parallele Strahlbündel ausgehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Träger als Gehäuse gestaltet oder ist in einem Gehäuse integriert. Beispielsweise kann der Träger eine Bodenplatte eines Gehäuses darstellen oder einen Hohlraum definieren, in dem die Laserbarren angebracht sind. Weiterhin ist es möglich, dass der Träger eine Gehäusekomponente darstellt, beispielsweise eine Montageplattform in einem Gehäuse wie einem TO-Gehäuse.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser einen oder mehrere Lichtleiter. Beispielsweise ist der mindestens eine Lichtleiter an dem Träger und/oder an dem Gehäuse angebracht. Die im Betrieb erzeugte Laserstrahlung wird teilweise oder überwiegend oder vollständig in dem zugeordneten Lichtleiter eingekoppelt. Insbesondere handelt es sich bei dem Lichtleiter um eine Kombination aus einem hochbrechenden Kernmaterial und aus einem niedrigbrechenden Mantelmaterial, sodass der Lichtleiter einen totalreflektierenden Kernbereich aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser einen oder mehrere Leuchtstoffe. Bei dem mindestens einen Leuchtstoff handelt es sich bevorzugt um einen anorganischen Leuchtstoff, beispielsweise um einen Granatleuchtstoff wie YAG:Ce. Der Leuchtstoff liegt bevorzugt in Form von Leuchtstoffpartikeln vor, beispielsweise mit einem mittleren Durchmesser von mindestens 0,1 µm oder 0,5 µm und/oder von höchstens 50 µm oder 20 µm oder 10 µm. Der Leuchtstoff ist für eine Wellenlängenkonversion eines Teils oder der gesamten im Betrieb erzeugten Laserstrahlung eingerichtet. Insbesondere erfolgt die Wellenlängenkonversion hin in einen langwelligeren Spektralbereich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich der Leuchtstoff an und/oder in dem Lichtleiter. Bevorzugt ist der Leuchtstoff thermisch an einen Kühlkörper angebunden, sodass der Leuchtstoff effizient entwärmbar ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zumindest eine Laserbarren bonddrahtfrei kontaktiert. Beispielsweise ist der Laserbarren an dem Träger und/oder an einem Submount mittels Oberflächenmontagetechnologie, kurz SMT, befestigt. Durch eine bonddrahtfreie Montage des Laserbarrens lassen sich hohe Ströme bei kurzen Impulsdauern realisieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Träger eine oder mehrere elektrische Zuleitungen. Die mindestens eine elektrische Zuleitung ist bevorzugt durch den Träger hindurch geführt. Die elektrische Zuleitung kann gleichzeitig eine thermische Anbindung des Laserbarrens an eine Kühleinheit gewährleisten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Träger und/oder das Gehäuse einen oder mehrere Kühlkanäle. Der mindestens eine Kühlkanal ist bevorzugt dazu eingerichtet, von einer Kühlflüssigkeit durchströmt zu werden. Beispielsweise liegt eine Wärmetransportleistung, die mittels der Kühlkanäle und der Kühlflüssigkeit erreicht wird, bei mindestens 0,1 kW oder 0,5 kW oder 1 kW. Das heißt, es lassen sich mittels solcher Kühlkanäle hohe thermische Verlustleistungen abführen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterlaser eine mittlere optische Ausgangsleistung von mindestens 0,2 kW oder 0,4 kW oder 0,8 kW auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die mittlere optische Ausgangsleistung bei höchstens 20 kW oder 10 kW oder 5 kW. Damit emittiert der Halbleiterlaser hohe optische Ausgangsleistungen, die für ein Schweißen und/oder Schneiden etwa von Kupfer benötigt werden. Alternativ oder zusätzlich ist die vom Halbleiterlaser emittierte Laserstrahlung kollimierbar, beispielsweise auf einem Leuchtfleck mit einem mittleren Durchmesser von höchstens 1 mm oder 0,1 mm oder 0,02 mm.
Darüber hinaus wird ein Materialbearbeitungsverfahren angegeben. Bei dem Materialbearbeitungsverfahren wird ein Halbleiterlaser verwendet, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben. Merkmale des Halbleiterlasers sind daher auch für das Materialbearbeitungsverfahren offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform wird mittels des Halbleiterlasers Kupfer oder eine Kupferlegierung geschnitten und/oder geschweißt. Dies erfolgt bevorzugt mittels blauer Laserstrahlung, beispielsweise mit einer mittleren optischen Leistung von mindestens 0,2 kW oder 0,4 kW oder 0,8 kW. Dabei werden zur Materialbearbeitung die Strahlbündel, die von den Einzellasern des Laserbarrens oder der Laserbarren emittiert werden, bevorzugt noch innerhalb des Halbleiterlasers mittels der Umlenkoptik miteinander kombiniert und beispielsweise mittels eines Lichtleiters zu dem zu bearbeitenden Material geführt und/oder mit Hilfe einer Optik auf das zu bearbeitende Material fokussiert.
Nachfolgend werden ein hier beschriebener Halbleiterlaser und ein hier beschriebenes Materialbearbeitungsverfahren unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:

1 bis 3 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterlasern,
4 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Halbleiterlasers,
5 bis 7 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterlasern,
8 bis 10 schematische Draufsichten auf Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Halbleiterlasern,
11 bis 17 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterlasern,
18 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Materialbearbeitungsverfahrens,
19 eine schematische Darstellung der wellenlängenabhängigen Absorption von Kupfer und Gold, und
20 eine schematische Draufsicht auf einen Laserbarren für hier beschriebene Halbleiterlaser.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlasers 1 illustriert. Der Halbleiterlaser 1 umfasst einen Träger 4, beispielsweise eine Metallplatte, insbesondere aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung. Der Träger 4 bildet eine Basisfläche 40.
An der Basisfläche 40 sind ein Laserbarren 2 sowie eine Umlenkoptik 3 angebracht. Die Umlenkoptik 3 ist beispielsweise prismenförmig gestaltet und weist eine Reflexionsfläche 30 auf, die dem Laserbarren 2 zugewandt ist. Die Reflexionsfläche 30 ist mit einer reflektierenden Beschichtung, wie einem Bragg-Spiegel, versehen und/oder wirkt totalreflektierend für eine im Betrieb emittierte Laserstrahlung L. Die Umlenkoptik 3 ist beispielsweise ein Prisma und im Querschnitt wie ein Dreieck geformt.
Die Laserstrahlung L wird vom Laserbarren 2 hin zur Umlenkoptik 3 emittiert, wobei eine optische Achse des Laserbarrens 2 näherungsweise parallel zur Basisfläche 40 orientiert ist. Die Laserstrahlung L wird von der Umlenkoptik 3 in eine Hauptabstrahlrichtung M umgeleitet. Die Hauptabstrahlrichtung M ist näherungsweise senkrecht zur Basisfläche 40 orientiert.
Der Laserbarren 2 umfasst mehrere Einzellaser, in 1 nicht illustriert. Die Einzellaser sind bevorzugt in Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 1 nebeneinander angeordnet. Beispielsweise umfasst der Laserbarren 2 mindestens vier und/oder höchstens 100 Einzellaser. Beispielsweise basiert der Laserbarren 2 auf dem Materialsystem AlInGaN, sodass der Laserbarren 2 zur Emission von blauer Laserstrahlung L eingerichtet sein kann.
Optional befindet sich der Laserbarren 2 auf einem Zwischenträger 8, auch als Submount bezeichnet. Es ist möglich, dass der Laserbarren 2 den Zwischenträger 8 in Richtung hin zur Umlenkoptik 3 überragt oder bündig mit dem Zwischenträger 8 abschließt.
Der Zwischenträger 8 ist zum Beispiel lediglich als Wärmesenke oder als wärmeabführende Komponente hin zum Träger 4 gestaltet. Alternativ ist es möglich, dass der Zwischenträger 8 weitergehend elektrisch funktionalisiert ist und beispielsweise Leiterbahnen oder weitere Ansteuerkomponenten für den Halbleiterlaser 1 wie Kondensatoren und/oder Transistoren aufweist.
Durch den Zwischenträger 8 ist insbesondere erreichbar, dass der Laserbarren 2 einen ausreichenden Abstand zur Basisfläche 40 aufweist. Insbesondere entlang einer Fast Axis-Richtung, in 1 parallel zur Hauptabstrahlrichtung M, wird die Laserstrahlung L aus dem Laserbarren 2 mit einer relativ großen Divergenz emittiert. Ein Divergenzwinkel, innerhalb dessen 90 % oder 95 % der Laserstrahlung L emittiert werden, liegt zum Beispiel bei mindestens 45° oder 70° und/oder bei höchstens 100° oder 80°. Damit ist eine Dicke des Zwischenträgers 8 ungefähr so groß wie ein Abstand zwischen dem Laserbarren 2 und der Umlenkoptik 3. Dieser Abstand beträgt zum Beispiel ungefähr 0,5 mm oder ungefähr 1 mm.
Eine elektrische Anbindung des Laserbarrens 2 erfolgt beispielsweise über Bonddrähte 46 und über elektrische Zuleitungen 45, in den Figuren jeweils nur stark vereinfacht gezeichnet. Beispielsweise kontaktiert zumindest ein Bonddraht 46 den Zwischenträger 8 und zumindest ein weiterer Bonddraht 46 eine dem Träger 4 abgewandte Seite des Laserbarrens. Bevorzugt sind jeweils mehrere Bonddrähte 46 vorhanden. Hiervon abweichende elektrische Kontaktschemata sind ebenso möglich.
Im Ausführungsbeispiel der 2 ist illustriert, dass beiderseits der Umlenkoptik 3 die Laserbarren 2 angebracht sind, wiederum optional jeweils auf einem Zwischenträger 8. Die Umlenkoptik 3 umfasst somit zwei Reflexionsflächen 30. Die Laserbarren 2 sind bevorzugt symmetrisch zu einer Mittellinie der Umlenkoptik 3 angeordnet. Die Umlenkoptik 3 ist im Querschnitt gesehen als gleichschenkliges Dreieck geformt.
Im Übrigen gelten die Ausführungen zur 1 entsprechend für 2, wie dies auch für alle anderen Ausführungsbeispiele möglich ist.
Im Ausführungsbeispiel der 3 ist illustriert, dass mehrere Laserbarren 2 und mehrere Umlenkoptiken 3 entlang einer bevorzugt geraden Linie aufeinanderfolgend angeordnet sind. Das heißt, es kann eine lineare, eindimensionale Anordnung vorliegen.
Optional ist jeder der Umlenkoptiken 3 oder allen Umlenkoptiken 3 zusammengenommen eine optische Komponente nachgeordnet. Beispielsweise folgt jeder Umlenkoptik 3 eine Zylinderlinse 51 nach. Die Zylinderlinsen 51 können für eine Fast Axis-Kollimation herangezogen werden. Solche Linsen 51 können auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein. Derartige Zylinderlinsen 51 können mit weiteren optischen Komponenten, nicht gezeichnet, kombiniert werden.
Beim Ausführungsbeispiel der 4 liegt eine zweidimensionale Anordnung der Laserbarren 2 vor, und nicht nur eine eindimensionale Anordnung, wie in 3 gezeichnet. Entlang einer Längsrichtung der Umlenkoptiken 3 sind somit jeweils mehrere der Laserbarren 2 angeordnet. Beispielsweise sind pro Umlenkoptik 3 2 x 2 der Laserbarren 2 vorhanden. Anstelle von zusammenhängenden Umlenkoptiken 3 kann pro Paar an Laserbarren 2 auch jeweils eine eigene Umlenkoptik 3 vorliegen. Zylinderlinsen, in 4 nicht gezeichnet, können in 4 genauso vorhanden sein wie in 3.
Im Ausführungsbeispiel der 5 ist illustriert, dass die elektrischen Zuleitungen 45 durch den Träger 4 hindurchgeführt sind und elektrische Durchkontaktierungen 44 darstellen. Der Zwischenträger 8 ist auf einer dieser Durchkontaktierungen 44 angebracht und dient zur Bestromung des Laserbarrens 2. Beispielsweise ist der Zwischenträger 8 ein massiver Metallblock.
Eine weitere Durchkontaktierung 44 ist über zumindest einen Bonddraht 46 mit dem Laserbarren 2 verbunden. Je nach elektrischer Verschaltung können mehr als zwei Durchkontaktierungen 44 in dem Träger 4 angebracht sein. Die Durchkontaktierungen 44 sind bevorzugt aus einem elektrisch leitenden und thermisch leitfähigen Material wie Kupfer. Elektrische Isolierungen zwischen einem Material der Durchkontaktierungen 44 und einem verbleibenden Material des beispielsweise metallischen Trägers 4 sind nicht gezeichnet.
Optional befindet sich bevorzugt direkt an dem Laserbarren 2 eine Fast Axis-Kollimationslinse 50. Die Kollimationslinse 50 erstreckt sich bevorzugt mit gleichbleibender Gestalt entlang des gesamten Laserbarrens 2, also in Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 5.
Die Kollimationslinse 50 kann alternativ oder zusätzlich auch in Kontakt mit der Umlenkoptik 3 stehen oder direkt an der Umlenkoptik 3 angebracht sein. Weiterhin kann die Kollimationslinse 50 sowohl vom Laserbarren 2 als auch von der Umlenkoptik 3 beabstandet angeordnet sein.
Im Ausführungsbeispiel der 6 ist eine Anordnung der Laserbarren 2 gegeben, wie in Verbindung mit 2 illustriert. Eine elektrische Kontaktierung erfolgt analog zur 5. Eine derartige elektrische Kontaktierung kann auch in den übrigen Ausführungsbeispielen verwendet werden. Die Umlenkoptik 3 ist im Querschnitt gesehen als symmetrisches Trapez gestaltet.
Im Ausführungsbeispiel der 7 ist gezeigt, dass die Laserbarren 2 auf elektrischen Kontaktflächen 7 angebracht sind. Dabei erfolgt die Kontaktierung bevorzugt bonddrahtfrei. Bei den Laserbarren 2 handelt es sich somit um SMT-Bauteile. Optional können zusätzlich Zwischenträger vorhanden sein, nicht gezeichnet. Auch in allen Ausführungsbeispielen können die Laserbarren 2 als SMT-Bauteile gestaltet sein.
Weiterhin ist in 7 illustriert, dass der Träger 4 eine Kühlvorrichtung aufweisen kann. Die Kühlvorrichtung ist beispielsweise durch Kühlkanäle 42 gebildet, die im Betrieb von einer Kühlflüssigkeit 43 durchströmt werden. Damit lässt sich eine thermische Abwärme auch im Kilowatt-Bereich effizient vom Halbleiterlaser 1 abführen.
In 8 ist schematisch illustriert, dass der Halbleiterlaser 1 als TO-220-Gehäuse gestaltet sein kann, innerhalb von dem der Laserbarren 2 und die Umlenkoptik 3 angebracht sind. Die elektrischen Zuleitungen 45 sind beispielsweise als Pins gestaltet, die in oder durch eine externe Leiterplatte, nicht gezeichnet, hindurch gesteckt werden können. Eine elektrische Anbindung des Laserbarrens 2 sowie des optionalen Zwischenträgers 8 erfolgt beispielsweise über die Bonddrähte 46.
In 8 folgt die Umlenkoptik 3 dem Laserbarren 2 optisch unmittelbar nach. Demgegenüber ist in 9 die Kollimationslinse 50 vorhanden. Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel der 9 dem Ausführungsbeispiel der 8. Alternativ zu direkt an dem Laserbarren 2 angebrachten Fast Axis-Kollimationslinsen können Kollimationslinsen 50 auch beabstandet vom zugeordneten Halbleiterlaserbarren 2 angebracht sein, wie in 9 illustriert. Dies ist genauso in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich.
Gemäß 10 ist die Umlenkoptik 3 als Pyramide gestaltet. Damit können vier verschiedene Laserbarren 2 an den vier Seiten der Umlenkoptik 3 angebracht sein.
Um einen hohen Anteil der emittierten Laserstrahlung L an der Umlenkoptik 3 zu reflektieren, ist eine Länge der Laserbarren 2 bevorzugt kleiner als eine Basislänge der Umlenkoptik 3. Mit einer solchen Umlenkoptik 3 kann eine relativ große Fläche ausgeleuchtet werden. Damit kann ein solcher Halbleiterlaser 1 beispielsweise zur Ausleuchtung eines Leuchtstoffs, nicht gezeichnet, dienen. Optional können Fast Axis-Kollimationslinsen vorhanden sein.
Im Ausführungsbeispiel der 11 ist zu sehen, dass die Zwischenträger 8 treppenförmig in mehreren Stufen 41 an der Basisfläche 40 angebracht sind. In Richtung weg von der Basisfläche 40 und damit entlang der Hauptabstrahlrichtung M laufen die Treppen weg von der Umlenkoptik 3, die sich in Richtung weg von der Basisfläche 40 verschmälert.
Das Ausführungsbeispiel der 12 entspricht dem der 11, wobei jedoch zusätzlich die Kollimationslinsen 50 vorhanden sind.
Bei den Anordnungen der 11 und 12 vergrößert sich ein Abstand zwischen den Laserbarren 2 und der Umlenkoptik 3 entlang der Hauptabstrahlrichtung M. Dies ist in 13 dadurch kompensiert, dass die Stufen den gleichen Verlauf oder einen ähnlichen Verlauf zu den Reflexionsflächen 30 der Umlenkoptik 3 aufweisen. Damit lässt sich stufenübergreifend ein näherungsweise gleichbleibender Abstand der Laserbarren 2 zu den Reflexionsflächen 30 erzielen.
Optional weist der Träger 4 ein Fenster 48 auf, an dem die Umlenkoptik 3 angebracht sein kann und/oder durch das hindurch die Laserstrahlung L den Halbleiterlaser 1 verlassen kann. Eine entsprechende Stufenanordnung kann auch in den übrigen Ausführungsbeispielen mit Treppen in gleicher Weise vorliegen.
Im Ausführungsbeispiel der 14 ist illustriert, dass der Träger 4 mit den Stufen 41 und den optionalen Kollimationslinsen 50 ein Gehäuse bildet, in dem sich auch die Umlenkoptik 3 befindet. Optional ist das Fenster 48 als Optik 52 gestaltet, beispielsweise als Sammellinse. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen sind damit die Umlenkoptik 3 sowie der Laserbarren 2 bevorzugt hermetisch gehaust.
Optional befindet sich an dem Fenster 48 ein Lichtleiter 6, in dem die Teilstrahlung der Laserstrahlung L der einzelnen Laserbarren 2 miteinander kombiniert und vermischt werden können und zu einem gewünschten Ort transportiert werden können, ohne dass signifikante Freistrahlstrecken erforderlich sind.
Insbesondere bei Anordnungen der Laserbarren 2, wie in den 3 und 4 gezeigt, können auch mehrere Lichtleiter vorhanden sein.
In 15 ist veranschaulicht, dass die Umlenkoptik 3, bevorzugt alternativ zu den in 15 dennoch veranschaulichten Kollimationslinsen 50, optisch wirksame Facetten aufweist. Beispielsweise sind einzelne Bereiche für die einzelnen Laserbarren 2 als Hohlspiegel zur Kollimation und gezielten Lenkung der Laserstrahlung L in bestimmte Raumwinkelbereiche gestaltet. Im Querschnitt gesehen ist die Umlenkoptik 3 immer noch näherungsweise dreieckig geformt.
Krümmungen der einzelnen Facettenbereiche können an den Abstand des zugeordneten Laserbarrens 2 angepasst sein, sodass speziell eine Fast Axis-Aufweitung für die Laserbarren 2 verschiedener Ebenen gleichmäßig kompensierbar ist. Entsprechendes gilt für alle anderen Ausführungsbeispiele. Über solche Facetten der Umlenkoptik 3 lässt sich eine effiziente Einkopplung in den Lichtleiter 6 realisieren.
Im Ausführungsbeispiel der 16 ist illustriert, dass an einem Ende des Lichtleiters 6 ein Leuchtstoff 7 angebracht sein kann. Um den Leuchtstoff 7 herum ist für eine effiziente Kühlung bevorzugt ein Kühlkörper 9 angebracht, insbesondere aus einem thermisch gut leitfähigen Material wie Siliziumcarbid, Saphir, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid, DLC (Diamond like carbon). Bevorzugt ist an dem Leuchtstoff 7 an einer der Umlenkoptik 3 optisch zugewandten Seite eine optisch wirksame Beschichtung vorhanden. Eine solche Beschichtung ist für die konvertierte Strahlung bevorzugt hochreflektierend und/oder weist eine hohe Transmissionsfähigkeit für die Laserstrahlung L auf. Hierdurch sind eine effiziente Abstrahlung in eine bestimmte Richtung und eine effiziente Konversion der Laserstrahlung L möglich.
Im Ausführungsbeispiel der 17 ist illustriert, dass der Leuchtstoff 7 an einer Innenwand des Lichtleiters 6 angebracht ist. Bevorzugt befindet sich außen um die Schicht mit dem Leuchtstoff 7 herum ein Kühlkörper, nicht gezeichnet. Alternativ kann der Leuchtstoff 7 auch in dem Lichtleiter 6 eingebettet sein, beispielsweise mit einem Konzentrationsgradienten, um einer abnehmender Laserintensität entlang des Lichtleiters 6 entgegenzuwirken. Damit ist es möglich, einen Lichtleiter 6 zu realisieren, der entlang seiner Mantelfläche gleichmäßig Licht emittiert.
Mittels des Leuchtstoffs L kann beispielsweise aus blauer Laserstrahlung L inkohärentes weißes Licht oder farbiges Licht erzeugt werden.
In 18 ist schematisch ein Materialbearbeitungsverfahren gezeigt. Der Halbleiterlaser 1 emittiert die Laserstrahlung L, bevorzugt blaues Licht. Ein Werkstück 10 wird entlang einer Schnittlinie C zerteilt. Aufgrund der hohen Laserleistung des Halbleiterlasers 1 sind hohe Schnittgeschwindigkeiten erzielbar. Alternativ zu einem Schneiden kann ein Schweißen durchgeführt werden.
Alternativ zu einer Materialbearbeitung können hier beschriebene Halbleiterlaser 1, insbesondere bei einer Emission im nahinfraroten Spektralbereich, auch für Anwendungen wie Abstandsbestimmung und/oder Lidar verwendet werden.
In 19 ist ein Verlauf einer Absorption A in Prozent gegenüber einer Wellenlänge W in nm illustriert. Es ist zu erkennen, dass die Absorption im blauen Spektralbereich um 450 nm für Kupfer und Gold erheblich größer ist als im nahinfraroten Spektralbereich bei einer typischen Bearbeitungswellenlänge von 1064 nm. Somit lassen sich Materialien wie Kupfer oder Gold mit blauem Licht erheblich effizienter und insbesondere spritzerfrei bearbeiten als mit infraroter Strahlung.
In 20 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Laserbarrens 2 gezeigt, der mehrere der Einzellaser 22 aufweist. Beispielhaft sind lediglich vier der Einzellaser 22 gezeigt, bevorzugt umfasst der Laserbarren 2 erheblich mehr als vier Einzellaser 22, zum Beispiel mindestens zehn Einzellaser 22.
Die Einzellaser 22 sind beispielsweise als Stegwellenleiter, auch als ridges bezeichnet, aus einer Halbleiterschichtenfolge 20 heraus strukturiert. Ein Füllfaktor einer lasererzeugenden Fläche, bezogen auf eine Gesamtfläche der Halbleiterschichtenfolge 20, ist in Draufsicht gesehen relativ gering und liegt bei ungefähr 10 %. Die Halbleiterschichtenfolge 20 basiert auf InGaN. Eine Emission der Laserstrahlung L erfolgt parallel zu den jeweiligen Stegwellenleitern in Richtung senkrecht zu einer Facette und senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge 20.
Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge jeweils unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind bevorzugt voneinander beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen bevorzugt ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Ebenfalls, soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die relativen Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt.
Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterlaser
2: Laserbarren
20: Halbleiterschichtenfolge
22: Einzellaser
3: Umlenkoptik
30: Reflexionsfläche
4: Träger
40: Basisfläche
41: Stufe
42: Kühlkanal
43: Kühlflüssigkeit
44: elektrische Durchkontaktierung
45: elektrische Zuleitung
46: Bonddraht
47: elektrische Kontaktfläche
48: Fenster
50: Fast Axis-Kollimationslinse
51: Zylinderlinse
52: Optik
6: Lichtleiter
7: Leuchtstoff
8: Zwischenträger
9: Kühlkörper
10: Werkstück
A: Absorption in %
C: Schnittlinie
L: Laserstrahlung
M: Hauptabstrahlrichtung
W: Wellenlänge in nm

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

US 2008/0212191 A1 [0002]
US 2012/0039072 A1 [0002]

Claims

Halbleiterlaser (1) mit - einem Träger (4), - mindestens einem Laserbarren (2), der zumindest drei Einzellaser (22) umfasst, die parallel zueinander angeordnet sind, und - einer Umlenkoptik (3), die den Einzellasern (22) des Laserbarrens (2) gemeinsam nachgeordnet ist, wobei der mindestens eine Laserbarren (2) und die Umlenkoptik (3) auf dem Träger (4) montiert sind und einen Abstand zueinander von höchstens 4 mm aufweisen.
Halbleiterlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der mindestens eine Laserbarren (2) eine Halbleiterschichtenfolge (20) umfasst, wobei ein Füllfaktor zwischen einschließlich 5 % und 20 % liegt und der Füllfaktor ein Quotient aus einer laseraktiven Fläche und einer Gesamtfläche der Halbleiterschichtenfolge (20) ist, wobei die Laserbarren (2) jeweils zur Erzeugung von blauer Laserstrahlung (L) mit einer Wellenlänge maximaler Intensität zwischen einschließlich 390 nm und 475 nm eingerichtet sind und auf dem Materialsystem AlInGaN basieren.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mehrere der Laserbarren (2), wobei die Umlenkoptik (3) allen Einzellasern (22) aller Laserbarren (2) gemeinsam nachgeordnet ist.
Halbleiterlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem sich die Laserbarren (2) zumindest an zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Umlenkoptik (3) befinden, wobei die Laserbarren (2) symmetrisch zur Umlenkoptik (3) angeordnet sind.
Halbleiterlaser (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Träger (4) zumindest eine Stufe (41) umfasst, wobei die Laserbarren (2) in mehreren Ebenen parallel zu einer Basisfläche (40) des Trägers (4) an der zumindest einen Stufe (41) angeordnet sind, sodass die Laserbarren (2) verschiedener Ebenen unterschiedliche Abstände zur Umlenkoptik (3) aufweisen.
Halbleiterlaser (1) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Laserbarren (2) in mehreren Ebenen an dem Träger (4) und an zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Umlenkoptik (3) befinden, wobei sich ein Abstand zwischen Laserbarren (2) innerhalb einer bestimmten Ebene, die sich beiderseits der zugeordneten Umlenkoptik (3) befinden, von Ebene zu Ebene entlang einer Hauptabstrahlrichtung (M) der Umlenkoptik (3) verringert.
Halbleiterlaser (1) nach Anspruch 4, umfassend mehrere Umlenkoptiken (3), wobei die Umlenkoptiken (3) und die Laserbarren (2) entlang zumindest einer geraden Linie auf einer Basisfläche (40) des Trägers (4) angeordnet sind, sodass die zumindest eine gerade Linie einmal oder mehrfach die folgende Sequenz umfasst: Laserbarren (2) - Umlenkoptik (3) - Laserbarren (2) - Laserbarren (2) - Umlenkoptik (3) - Laserbarren (2).
Halbleiterlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Umlenkoptiken (3) und die Laserbarren (2) entlang mehrerer gerader Linien auf der Basisfläche (40) angeordnet sind, wobei den Umlenkoptiken (3) mehrere Zylinderlinsen (51) nachgeordnet sind.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mindestens eine Umlenkoptik (3) im Querschnitt gesehen eine dreieckige Grundform aufweist oder als symmetrisches Trapez geformt ist, sodass die Umlenkoptik (3) insgesamt ein Prisma, eine Pyramide oder ein Pyramidenstumpf ist.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens eine Fast Axis-Kollimationslinse (50), die dem zumindest einen Laserbarren (2) optisch unmittelbar nachgeordnet ist, sodass sich die Kollimationslinse (50) zwischen dem zugehörigen Laserbarren (2) und der zugeordneten Umlenkoptik (3) befindet.
Halbleiterlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die mindestens eine Kollimationslinse (50) unmittelbar an dem zugehörigen Laserbarren (2) angebracht ist.
Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die wenigstens eine Umlenkoptik (3) dem zumindest einen zugeordneten Laserbarren (2) optisch unmittelbar nachfolgt, wobei die wenigstens eine Umlenkoptik (3) für eine Strahlkollimation eingerichtet ist.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Träger (4) als Gehäuse gestaltet ist oder in einem Gehäuse integriert ist, wobei an dem Gehäuse zumindest ein Lichtleiter (6) angebracht ist, in den die im Betrieb erzeugte Laserstrahlung (L) eingekoppelt wird.
Halbleiterlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend zumindest einen Leuchtstoff (7), wobei der Leuchtstoff (7) für eine Wellenlängenkonversion wenigstens eines Teils der im Betrieb erzeugten Laserstrahlung (L) eingerichtet ist, und wobei sich der Leuchtstoff (7) an und/oder in dem Lichtleiter (6) befindet.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der zumindest eine Laserbarren (2) bonddrahtfrei elektrisch kontaktiert ist, wobei zumindest eine elektrische Zuleitung (45) durch den Träger (4) hindurch geführt ist.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Träger (4) mehrere Kühlkanäle (42) umfasst, die dazu eingerichtet sind, von einer Kühlflüssigkeit (43) durchströmt zu werden.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der für eine optische Ausgangsleistung von mindestens 0,4 kW eingerichtet ist.
Materialbearbeitungsverfahren mit einem Halbleiterlaser (1) nach zumindest Anspruch 2, wobei Kupfer oder eine Kupferlegierung mittels der im Betrieb erzeugten blauen Laserstrahlung (L) geschnitten und/oder geschweißt wird.