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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Diodenlasersubelement mit mindestens
einem, auf einer Montagefläche
eines wärmespreizenden
Mehrlagensubstrates aufgebrachten Laserdiodenelement, wobei das
Mehrlagensubstrat stofflich miteinander verbunden, aus einer oberen,
einer unteren und mindestens einer dazwischenliegenden separierenden
Lage besteht
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Laserdiodenelemente
umfassen Einzellaserdioden und Laserdiodenbarren. Einzellaserdioden besitzen
nur einen einzigen Laserdiodenemitter, der sich durch ein optisch
zusammenhängendes
aktives Gebiet definiert. Laserdiodenbarren sind monolithische Halbleiterlaser-Anordnungen von mindestens zwei
optisch im Wesentlichen voneinander unabhängig betriebsfähigen Laserdiodenemittern.
Die laterale Ausdehnung von Laserdiodenbarren ist abhängig von
der Breite, dem Abstand und der Anzahl der Emitter. Typische Breiten
liegen im Bereich von 1 bis 15 mm.
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Für einen
zuverlässigen
Betrieb als Diodenlaser werden die Laserdiodenelemente auf eine
Wärmesenke
montiert, die die Verlustwärme
spreizt und im Fall von Mikrokanalkühlern auch abführt. Die Oberseite
der Wärmesenke
ist dadurch definiert, dass sie die Fläche für die Montage des Laserdiodenelementes
enthält.
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Es
ist bekannt, dass für
die zuverlässige
Lötmontage
von Laserdiodenbarren auf Wärmesenken zwei
wesentliche Bedingungen zu beachten sind: (a) die Verwendung eines Hartlotes
bzw. die Durchführung
einer Diffusionslötung
mit isothermer Erstarrung und (b) die Verwendung einer Wärmesenke,
deren thermischer Ausdehnungskoeffizient dem des Laserdiodenmaterials
bis auf etwa 1 ppm/K entspricht, um eine spannungsarme Lötung des
im Vergleich mit Einzellaserdioden relativ breiten Laserdiodenbarrens zu
erzielen.
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Insbesondere
für Hochleistungslaserdioden auf
GaAs-Basis (d. h. deren Epitaxie auf einem GaAs-Substrat erfolgt)
müssen
spezielle Wärmesenkenausführungen
gefunden werden, weil die hoch wärmeleitfähigen Materialien,
die für
eine Kühlung geeignet
sind, entweder einen zu niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
aufweisen (Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid, Bornitrid und Diamant
liegen wenigstens 2 ppm/K unterhalb des Wertes für GaAs von 6,5 ppm/K) oder
einen zu hohen (Aluminium, Gold, Kupfer, Silber liegen wenigstens
6 ppm/K oberhalb des Wertes für
GaAs). Analoges gilt auch für
Saphir-basierte Laserdiodenbarren mit GaN-Epitaxie und für Zinkselenidbasierte
Laserdiodenbarren.
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Bekannt
ist es auch, Wärmesenken
von hoher thermischer Leitfähigkeit
mit einem dem Laserdiodensubstratmaterial (GaAs, Saphir, GaP, GaSb,
ZnSe) entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten durch
einen Mehrlagenaufbau mit Schichten aus Materialien mit höherem und
niedrigerem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu konzipieren.
Ein Beispiel ist das System Kupfer – Aluminiumnitrid – Kupfer.
Derartige Wärmesenken
können
auch als Mikrokanalkühler
ausgeführt
werden. Im Interesse eines möglichst
geringen thermischen Widerstandes können zur Schichtdickenvariation
Ausnehmungen und Durchbrüche
in die einzelnen Schichten oder Lagen eingebracht werden.
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Die
bekannten technischen Lösungen
beziehen sich im Wesentlichen auf die thermo-mechanische Aufgabenstellung
der Einstellung des passenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten
und auf die thermische Aufgabenstellung einer optimierten Kühlung. Ein
wichtiger Aspekt für
den Betrieb und die Aufbautechnik eines Diodenlasers ist aber auch
die Stromversorgung des Laserdiodenbarrens.
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Die
Wärmesenke
stellt oft auch einen (den ersten) der zwei elektrischen Kontakte
dar, weil die Laserdiode über
einen ihrer Pole (Anode oder Kathode) die Hauptwärme abführen muss. Über den zweiten Pol kann eine
geringere Nebenwärme
abgeführt werden,
die dann wesentlich wird, wenn der zweite elektrische Kontakt eine
thermisch hoch leitfähige Verbindung
zum Beispiel mit der Wärmesenke
eingeht, die schon den ersten elektrischen Kontakt bereitstellt.
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Nach
dem Stand der Technik (
DE
101 13 943 A1 ) wird eine Metallfolie als elektrischer Bandleiter
an die Nebenwärmeabfuhrseite
des Laserdiodenbarrens montiert. Die thermische und mechanische
Anbindung an die zumeist massivere Wärmesenke (elektrischer Kontakt
der Hauptwärmeabfuhrseite) erfolgt
mit elektrischer Isolierung gegenüber derselben über eine
dünne elektrische
Isolatorschicht etwa von der Dicke des Laserdiodenbarrens, zum Beispiel aus
Polyimid oder Keramik. Damit befinden sich zwei Fügezonen
zwischen der nebenwärmeabfuhrseitigen elektrischen
Zuleitung, oberhalb und unterhalb der elektrischen Isolationsschicht,
was einen nachteiligen Montageaufwand bedeutet.
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Ein
weiterer Nachteil bei bekannten Diodenlasern betrifft die Bereitstellungen
von Anschlussmöglichkeiten
bei elektrischen Kontaktelementen für die elektrische Versorgung
des Laserdiodenbarrens über
Stromkabel. Diese elektrischen Anschlussmöglichkeiten sind in der Regel
in den elektrischen Kontaktelementen als Gewindebohrungen realisiert,
die eine Befestigung der Stromzuführungskabel über Polschuhe
mit Hilfe von Schrauben gestatten. Das hauptwärmeabfuhrseitige elektrische
Kontaktelement ist, wie schon erwähnt, Bestandteil der Wärmesenke.
Das nebenwärmeabfuhrseitige
elektrische Kontaktelement wird nach dem Stand der Technik mit dem
nebenwärmeabfuhrseitig
stoffschlüssig
mit dem Laserdiodenbarren verbundenen Leiter in elektrische Verbindung
gebracht. Dies geschieht entweder direkt stoffschlüssig, indem
das nebenwärmeabfuhrseitige elektrische
Kontaktelement nur an dem Leiter befestigt wird, der seinerseits
seine Zugentlastung über
die stoffschlüssige
Montage an die an der Wärmesenke befestigten
elektrischen Isolationsschicht erhält, oder indirekt kraftschlüssig, indem
das nebenwärmeabfuhrseitige
elektrische Kontaktelement an die Wärmesenke oder an ein drittes
Element angeschraubt wird. In beiden Fällen tritt erneut eine Kontakt-
oder Fügezone
auf, die einen nachteiligen Montageaufwand bedeutet.
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Darüber hinaus
beinhaltet sowohl der elektrische Kontakt der Anschlüsse über Polschuhe
und Schrauben als auch ein kraftschlüssiger Kontakt des Kontaktelementes
mit dem Bandleiter einen elektrischen Kontaktwiderstand, dessen
Wärme im
Betrieb effizient abgeführt
werden sollte.
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Eine
weitere, nicht zufriedenstellend gelöste Aufgabe betrifft die modulare
Integration von Diodenlaserelementen oder Diodenlasern in Anordnungen von
mehreren Diodenlaserelementen oder Diodenlasern. Hier gibt es zahlreiche
Vorschläge
für vertikale Anordnungen
(Stapel) und laterale Anordnungen (Zeilen) von Diodenlaserelementen,
sowohl für
konduktiv gekühlte
Substrate als auch für
konvektiv gekühlte
Mikrokanalwärmesenken.
Während
in diesen vertikalen Diodenlaseranordnungen die Serienschaltung
der Diodenlaserelemente in einfacher Weise dadurch realisiert wird,
dass der nebenwärmeabfuhrseitig
am Laserdiodenbarren befestigte Bandleiter eines ersten Diodenlaserelementes
in direktem oder indirektem elektrischen Kontakt mit der Wärmesenke
als hauptwärmeabfuhrseitigen
elektrischen Kontakt eines zweiten, darüber liegenden Diodenlaserbauelementes
steht, besteht für
laterale Diodenlaseranordnungen das Problem, die vertikale elektrische
Kontaktelementanordnung in eine lateral anzuordnende Serienschaltung
der Diodenlaserelemente zu überführen. Diese
Aufgabenstellung der Serienschaltung lateraler Diodenlaseranordnungen
lässt sich
auf jede ebene Anordnung von Diodenlaserelementen und Diodenlaserstapeln
verallgemeinern.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, die ausdehnungsangepasste
Montage und die elektrische Kontaktierung von Laserdiodenelementen
bautechnisch so miteinander zu verbinden, dass die Laserdiodenelemente
zur Herstellung von vertikalen Diodenlaseranordnungen mit geringem
Fertigungsaufwand gestapelt und/oder lateral in einer Ebene angeordnet
werden können.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Diodenlasersubelement der eingangs genannten
Art dadurch gelöst,
dass die obere und die untere Lage beabstandet zueinander angeordnete
metallische Schichtenbereiche enthalten, von denen zur Bildung von
Schichtenbereichspaaren jeder Schichtenbereich der oberen Lage mit
einem Schichtenbereich der unteren Lage elektrisch leitend verbunden
ist, dass die separierende Lage mindestens eine elektrisch isolierende Schicht
aus nichtmetallischem Material enthält, und dass die Summe der
Dicken metallischer Schichten im Mehrlagensubstrat die Summe der
Dicken nichtmetallischer Schichten zumindest in einem Teilbereich
senkrecht zur Montagefläche übersteigt.
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Zur
Herstellung elektrischer Kontakte zu dem mindestens einen Laserdiodenelement
sind unterschiedliche Paare der elektrisch leitend verbundenen Schichtenbereiche
vorgesehen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Bei
der Erfindung werden metallische Schichten eines zur Ausdehnungsanpassung
geeigneten wärmespreizenden
Mehrlagensubstrats in der oberen und der unteren Lage gleichzeitig
dazu benutzt, elektrische Verbindungen zum Laserdiodenelement herzustellen
und diese elektrischen Verbindungen in eine gemeinsame Ebene zu
führen.
Daraus resultieren besonders positive Eigenschaften, wie eine Oberflächenmontierbarkeit
mit gleichzeitiger elektrischer Kontaktierung von erfindungsgemäßen Diodenlasersubelementen,
die insbesondere für
Diodenlaserstapel (Stacks) aus Diodenlasersubelementen und für laterale
Anordnungen der oberflächenmontierbaren
Diodenlasersubelemente auf Leiterplatten ausgenutzt werden kann.
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Durch
das erfindungsgemäß hergestellte
Dickenverhältnis
zwischen metallischen und nichtmetallischen Schichten ergibt sich
mit Sicherheit an der Oberfläche
wenigstens einer der Schichtenbereiche der oberen exponierten Lage
ein linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient, der deutlich von
dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der nichtmetallischen Schichten
abweicht und damit entweder in der Nähe des mittleren linearen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Laserdiodenbarrens liegt oder größer ist
als dieser. Damit wird bei einer Lötung des Laserdiodenelementes
auf das Mehrlagensubstrat der Eintrag von schädlichen (zu hohen) Zugspannungen
vermieden.
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Die
Erfindung gewährleistet
weiterhin die ausdehnungsangepasste Montage der Laserdiodenelemente
auf Wärmesenken
und besitzt den weiteren Vorteil einer Reduzierung der Anzahl von
Fügezonen bei
der Montage des elektrischen Verbindungselementes zu einem Kontakt
des Laserdiodenelementes, da die Isolatormontage bereits bei der
Herstellung des Mehrlagensubstrates durch die Ausbildung wenigstens
einer separierenden nichtmetallischen Schicht stattgefunden hat.
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Außerdem kann
das elektrische Verbindungselement durch einen formschlüssigen Kontakt mit
dem wärmespreizenden
Mehrlagensubstrat und je nach Wärmeleitfähigkeit
der verwendeten Materialien und Materialstärke zu einer Verbesserung der Wärmeabfuhr über den
substratabgewandten Pol des Laserdiodenelementes sorgen.
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Die
erfindungsgemäßen Diodenlasersubelemente
lassen sich vorteilhaft auf unterschiedlich ausgebildete Trägerelemente
montieren, die wiederum stapelbar sind.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es
zeigen:
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1a, 1a' eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Diodenlasersubelementes
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1b, 1b' eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Diodenlasersubelementes
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2, 2' eine
dritte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Diodenlasersubelementes
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3a eine
Unteransicht einer vierten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Diodenlasersubelementes
mit Kühlkanälen und Öffnungen
für die
Zu- und Abführung
eines Kühlmediums
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3b einen
Schnitt durch das Diodenlasersubelement gemäß 3a
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4a eine
erste Ausführung
eines oberflächenmontierbaren
Diodenlaserstapels, bestehend aus Diodenlasersubelementen
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4b eine
zweite Ausführung
für einen oberflächenmontierbaren
Diodenlaserstapel, bestehend aus Diodenlasersubelementen
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5a eine
Draufsicht auf eine fünfte
Ausführungsform
eines Diodenlasersubelementes, als Typ D bezeichnet, welches zur
Stapelung geeignet ist und Kühlkanäle enthält
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5b einen
Schnitt durch das Diodenlasersubelement gemäß 5a
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5c eine
dritte Ausführung
für einen
oberflächenmontierbaren
Diodenlaserstapel, bestehend aus Diodenlasersubelementen gemäß 5a und 5b in
einer Seitenansicht
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6a eine
Draufsicht auf ein Diodenlaserbauelement mit einem Diodenlasersubelement
auf einem Trägerelement
und elektrischer Kontaktierung von oben
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6b einen
Schnitt durch das Diodenlaserbauelement gemäß 6a mit
einem Diodenlasersubelement auf einem Trägerelement und elektrischer
Kontaktierung von oben
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7a eine
Draufsicht auf ein Diodenlaserbauelement Rn,
das auf einem Trägerelement
mit elektrischer Kontaktierung von unten ein Diodenlasersubelement
enthält
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7b einen
Schnitt durch das Diodenlaserbauelement Rn,
gemäß 7a
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8 einen
Stapel aus einer weiteren Ausführung
von Diodenlaserbauelementen
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9a ein
Trägerelement
zur Serienschaltung von lateral angeordneten Diodenlasersubelementen
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9b einen
Schnitt durch das Trägerelement
gemäß 9a
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9c das
Trägerelement
gemäß 9a mit
darauf angeordneten Diodenlasersubelementen
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9d einen
Schnitt durch das Trägerelement
und ein Diodenlasersubelement gemäß 9c
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10a eine weitere Ausführung eines Trägerelementes
für ein
oder mehrere Diodenlaserbauelemente in einer Draufsicht
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10b einen Schnitt durch die Anordnung gemäß 10a
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Das
in 1a und 1a' dargestellte
Diodenlasersubelement B1 umfasst ein als
Laserdiodenbarren ausgebildetes Laserdiodenelement 1, ein elektrisch
leitfähiges
Verbindungselement 2 (metallische Folie), ein Mehrlagensubstrat 3,
das wenigstens dreilagig aufgebaut ist und stofflich miteinander
verbunden, eine obere, für
die Montage des Laserdiodenelementes 1 vorgesehene und
deshalb als exponiert bezeichnete Lage 3a, eine untere,
zur oberen Lage adjungierte Lage 3b und eine dazwischengelegte
separierende Lage 3c aufweist. Das elektrisch leitfähige Verbindungselement 2 ist
bei dieser Ausführung
aus einem Stück
gefertigt, einschließlich
einer dem Höhenausgleich
bei der elektrischen Kontaktierung des Laserdiodenelementes 1 dienenden Stufe.
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Die
obere exponierte und die untere adjungierte Lage 3a, 3b enthalten
beabstandet zueinander angeordnete erste und zweite metallische
Schichtenbereiche 3a', 3a'' , 3b' und 3b'' ,
die auf jeder Lage 3a, 3b elektrisch voneinander
getrennt sind, von denen aber zur Bildung von Schichtenbereichspaaren SBP1
und SBP2 jeder Schichtenbereich 3a', 3a'' der oberen
Lage 3a mit einem Schichtenbereich 3b', 3b'' der unteren Lage 3b elektrisch
leitend verbunden ist. Die separierende Lage 3c kann aus mehreren Schichten
bestehen und besitzt mindestens eine Schicht 3c' aus nichtmetallischem
Material.
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Zur
elektrischen Kontaktherstellung ist für jeden der beiden Kontaktflächen des
Laserdiodenelementes 1 eines der Paare SBP1 und SBP2 der
elektrisch leitend verbundenen Schichtenbereiche 3a', 3a'', 3b' und 3b'' vorgesehen.
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Dabei
ist es für
die Erfindung unerheblich, ob die beiden Kontaktflächen des
Laserdiodenelementes 1 zur Herstellung der elektrischen
Verbindung in direktem oder über
Zwischenelemente in indirektem mechanischen Kontakt mit den erwähnten Schichtenbereichen
stehen, sofern die die erfindungsgemäße Funktion hergestellt ist.
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Im
Falle der 1a und 1a' besitzt
das Mehrlagensubstrat 3 zur Aufnahme des Laserdiodenelementes 1 eine
Montagefläche
für eine
erste Kontaktfläche
des Laserdiodenelementes 1 (hier der p-Kontakt) auf dem
ersten Schichtenbereich 3a' der oberen,
exponierten Lage 3a in Form einer metallhaltigen Fügezone 4a'. Anstatt eines
direkten mechanischen Kontaktes der ersten Kontaktfläche des
Laserdiodenelementes 1 mit dem ersten Schichtenbereich 3a' über die
metallhaltige Fügezone 4a' kann auch durch
das Einfügen
einer elektrisch leitfähigen
Zwischenplatte zwischen dem Laserdiodenelement 1 und dem
Schichtenbereich 3a' ein
erfindungsgemäßes Diodenlasersubelement
ausgeführt
werden, weil die Zwischenplatte als Bestandteil der oberen, exponierten
Lage 3a des Mehrlagensubstrates angesehen werden kann.
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Der
zweite Schichtenbereich 3a'' derselben Lage 3a ist über das
elektrische Verbindungselement 2 und metallhaltige Fügezonen
mit der zweiten elektrischen Kontaktfläche des Laserdiodenelementes 1 (hier
der n- Kontakt) durch
stoffschlüssiges
Fügen verbunden.
Von den metallhaltigen Fügezonen
ist die in 1a sichtbare Fügezone mit 4a'' bezeichnet.
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Zur
elektrisch leitenden Verbindung zwischen den ersten und zweiten
metallischen Schichtenbereichen 3a', 3a'' , 3b' und 3b'' der oberen und der unteren Lage 3a und 3b können unterschiedliche Ausführungen
dienen, wobei nicht unbedingt ein zusätzliches Verbindungselement
notwendig ist, sondern die Schichtenbereiche auch selbst dafür geeignet
sind.
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Bei
der Ausführung
gemäß 1a ist
eine Durchkontaktierung durch die separierende Lage 3c gewählt worden,
indem durch Öffnungen 3e' und 3e'' elektrische Verbindungen 3d' und 3d'' hergestellt sind.
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Ohne
hier eine vollständige
Aufzählung
zu geben, seien noch folgende Möglichkeiten
funktionstechnisch gleichwirkender elektrischer Verbindungsmittel
genannt.
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Es
können über die
separierende Lage überstehende
Schichtenbereiche durch eine eingelegte Schicht kontaktiert oder
die Schichtenbereiche können
mit einem über
die separierende Lage überstehenden
Teil umgebogen, miteinander verklemmt und anschließend verlötet oder
verschweißt
werden.
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In
diesem Zusammenhang sei noch eine Ausführung genannt, bei der die
Schichtenbereichspaare u-förmig
gestaltet und um den Rand der separierenden Lage gelegt sind.
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Schließlich besteht
die Möglichkeit,
durch Metallisierungen der seitlichen Außenflächen der elektrisch isolierenden
Schicht in der separierenden Lage eine elektrische Verbindung zwischen
den Schichtenbereichen eines Schichtenbereichspaares herzustellen.
Das ist genauso gut möglich
durch eine Metallisierung an einer seitlichen Innenfläche einer
in die isolierende Schicht eingebrachten Öffnung.
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Ohne
die Möglichkeiten
der elektrischen Verbindungsgestaltung einzuschränken, ist die Existenz einer
elektrischen Verbindung zwischen zwei Schichtenbereichen eines Schichtenbereichspaares
in den Figuren seitlicher Ansicht (2 bis 10) durch einen freien Leiterzug 3d' bzw. 3d'' um die separierende Lage herum
gekennzeichnet.
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Die
zweite und die dritte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Diodenlasersubelementes unterscheiden
sich von der Ausführungsform
gemäß 1a und 1a' durch die Gestaltung des elektrischen Verbindungselementes 2.
Während
bei der Lösung
nach 1b und 1b' hierfür Bonddrähte zur
Anwendung kommen, sieht die dritte Ausführungsform nach 2 und 2' ein
elektrisches Verbindungselement vor, das aus einem ersten und einem
zweiten platten- oder folienförmigen
Teil 2a und 2a' gefügt ist,
wobei das Teil 2a' dem
Höhenausgleich
dient. Das zweiteilige Verbindungselement ist fertigungstechnisch
einfacher, da mit vorteilhafter Planartechnik gearbeitet werden
kann. Im Unterschied dazu muss das einteilige Verbindungselement 2 aufgrund
der vorgegebenen Höhe
des Laserdiodenelementes 1 hochgenau als Stufe ausgebildet werden.
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Darüber hinaus
weist die Ausführungsform gemäß 2 und 2' eine
mehrschichtige separierende Lage 3c mit zwei elektrisch
isolierenden nichtmetallischen Schichten 3c' und 3c'' auf,
zwischen denen wiederum eine metallische Lage 3f mit zwei
metallischen Schichten 3f' und 3f'' eingebracht ist.
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Eine
derartige Ausführung
bietet, wie in 3a und 3b dargestellt,
die für
eine verbesserte Kühlung
vorteilhafte Möglichkeit
der Einbringung von Kühlkanälen in eine
oder mehrere metallische Schichten 3f', 3f'',
..., die über
seitliche Öffnungen
in der metallischen Lage 3f oder über Durchbrüche 6a' und 6a'' in
einer der nichtmetallischen Schichten (im Falle von 3a und 3b die
untere) mit einem Kühlmedium
versorgt werden können. Mit
der Einbringung von Kanälen 6c,
die im Bereich des Mehrlagensubstrates liegen und über Kanäle des Typs 6b' aus dem Zu-
bzw. Ablauf 6a' bzw. 6a'' mit einem Kühlmedium versorgt werden können und elektrisch
gegenüber
der Stromzuführung
für das
Laserdiodenelement 1 isoliert sind, lässt sich verhindern, dass im
Betrieb dieses Diodenlasersubelementes und insbesondere bei einer
elektrischen Serienschaltung derselben eine elektrische Spannung
an kühlmittelführenden
Bestandteilen anliegt, die anderenfalls auf Dauer zu schädlichen
elektrochemischen Effekten am Bauelement führen könnte.
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Es
sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass auch in die elektrisch
isolierende Schicht 3c' des
Diodenlasersubelementes nach 1a, 1a', 1b oder 1b' Kühlkanäle mit entsprechenden Öffnungen
für den
Zu- und Ablauf eingebracht werden können. Das gleiche gilt auch
für mehrere
Schichten des Typs 3c' (3c'' usw.) für den Fall, dass eine separierende
Lage nur aus elektrisch isolierenden Schichten 3c', 3c'' usw. besteht.
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Mit
der Erfindung lassen sich Diodenlaserstapel mit geringem Fertigungsaufwand
gemäß 4a aufbauen,
indem durch die Stapelung erste Schichtenbereichspaare SBP1, welche
die Montagefläche
für den
ersten elektrischen Kontakt zu dem Laserdiodenelement 1 enthalten, über den
zweiten elektrischen Kontakt des Laserdiodenelementes 1 elektrisch,
hier auf direkte Weise, verbunden werden. Für den Aufbau wird, bis auf
eine Ausnahme, eine Unterbaugruppe A1 des
Diodenlasersubelementes B1 verwendet, bei
dem das elektrische Verbindungselement 2c fehlt.
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Die
Ausnahme betrifft das den Stapel begrenzende, in der Darstellung
der 4a das oberste Element, bei dem der bei der Stapelung
freibleibende zweite elektrische Kontakt des Laserdiodenelementes 1 durch
das elektrische Verbindungselement 2c mit dem zweiten Schichtenbereichspaar SBP2
verbunden ist. Durch die Stapelung sind auch die zweiten Schichtenbereichspaare
SBP2 elektrisch verbunden.
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Es
sei angemerkt, dass ein ähnlicher
erfindungsgemäßer Stapel
von Diodenlasersubelementen mit solchen gemäß 2 bzw. 2' ausgeführt werden
kann, wenn das elektrische Verbindungselement 2a' zwischen zwei
Diodenlasersubelementen weggelassen wird.
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Eine
zweite Ausführung
eines oberflächenmontierbaren
Diodenlaserstapels gemäß 4b ist aus
Teilelementen Cn zusammengesetzt, bei denen auf
der separierenden Lage 3c ein Distanzstück 5 befestigt ist,
auf dem ein mit dem zweiten elektrischen Kontakt des Laserdiodenelementes 1 verbundenes elektrisches
Verbindungselement 2a aufliegt. Die Stapelung erfolgt wie
bei der ersten Ausführung
gemäß 4a,
nur mit dem Unterschied, dass die elektrische Verbindung von dem
zweiten elektrischen Kontakt des Laserdiodenelementes 1 zu
einem benachbarten ersten Schichtenbereichspaar SBP1 indirekt über das
elektrische Verbindungselement 2a hergestellt ist. Das
Verbindungselement 2a ist dabei mit einer Stufe 2d versehen,
die verhindert, dass bei der Stapelung der Diodenlasersubelemente
ein oberes Element einen direkten Druck auf das Laserdiodenelement 1 eines
unteren Elementes ausübt.
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Es
sei erwähnt,
dass auch die Diodenlasersubelemente mit Kühlkanälen nach 3a und 3b in ähnlicher
Weise zu einem Diodenlaserstapel angeordnet werden können, wenn
nur das Element 2a'' , das in 3b die
elektrische Verbindung zum Schichtenbereich 3a'' herstellt, als elektrischer Isolator
ausgeführt
wird und eine durchgängige Öffnung in
Flucht der in 3a und 3b vorhandenen
Zu- und Abläufe
durch das Diodenlasersubelement dergestalt hergestellt wird, dass
im Stapel die Ausbildung einer Steig- und einer Fallleitung durch alle
Diodenlasersubelemente ermöglicht
wird. Durch entsprechende Abschlusselemente am obersten Diodenlasersubelement
des Stapels werden die Steig- und die Fallleitung verschlossen und
der elektrische Kontakt zwischen dem Laserdiodenelement und der Schichtenbereich 3a'' hergestellt.
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Eine
bevorzugte Weiterentwicklung eines Diodenlaserstapels aus Diodenlasersubelementen
mit Kühlkanälen veranschaulichen
die 5a bis 5c. Im
Unterschied zu Diodenlasersubelementen des Typs C, bei denen bei
einer Stapelung gemäß 4b eine
Scherspannung positiver (Zug) oder negativer (Druck) Art über das
elektrische Verbindungselement 2a ausgeübt werden kann, findet im Diodenlasersubelement
nach 5a und 5b durch
zusätzliche,
als metallische Schichtelemente ausgeführte elektrische Verbindungselemente 2a'' und 2a''' eine Zugentlastung
für das
elektrische Verbindungselement 2a' statt, wobei das Schichtelement 2a''' u-förmig ausgeführt, am
Mehrlagensubstrat stoffschlüssig
befestigt ist.
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Zur Überwindung
des Höhenunterschiedes bei
einer Stapelung der Diodenlasersubelemente und zur elektrischen
Kontaktierung eines darüberliegenden
Diodenlasersubelementes vom gleichen Typ dienen entsprechend 5c metallische
Schichtelemente 2a'''' (1), 2a'''' (2), 2b (1) und 2b (2).
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Metallische
Schichtelemente 7a' und 7b an der
Ober- und Unterseite des Mehrlagensubstrates sind gegenüber den
metallischen Schichtelementen, welche im Betrieb den elektrischen
Strom führen, elektrisch
isoliert und dienen in Verbindung mit dem Schichtelement 7a'' zur Überwindung des Höhenunterschiedes
bei der Stapelung und zur Ausbildung einer Steigleitung bei der
hydraulischen Verbindung der Öffnungen 6a' und 6a'' zweier übereinanderliegender Diodenlasersubelemente.
Diese Steigleitung muss bei einer Stapelung auf dem obersten Diodenlasersubelement
durch ein zusätzliches
Abschlusselement verschlossen werden.
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Die
elektrische Verbindung zwischen den Schichtelementen 2a' ' ' ' (1) und 2b (1) bzw. 2a' ' ' ' (2) und 2b (2) im obersten Diodenlasersubelement des Stapels
wird in diesem Ausführungsbeispiel
durch zwei Elemente 2c (1) und 2c (2) (verdeckt) hergestellt.
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Des
Weiteren ist das eine Schichtenbereichspaar, welches nicht das Laserdiodenelement 1 trägt, mit
seinen elektrischen Verbindungen doppelt ausgeführt, wobei in 5c nur
ein Teil der Schichtenbereiche 3a'' (1) und 3b'' (1) sichtbar ist. Der andere Teil der Schichtenbereiche,
welcher sich symmetrisch auf der gegenüberliegenden Seite des Diodenlasersubelementes
befindet, ist in dieser Seitenansicht verdeckt.
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Die
Diodenlasersubelemente B1 lassen sich gemäß 6 vorteilhaft auf ein Trägerelement
montieren, das mindestens zwei stofflich miteinander verbundene
Lagen aufweist, von denen eine erste, obere Lage elektrisch voneinander
getrennte, beabstandete metallische Schichten 13a' und 13a'' trägt und eine an die obere Lage
angrenzende zweite, separierende Lage 13c mindestens eine
Schicht 13c' aus
einem nichtmetallischen Material besitzt. Das Diodenlasersubelement
B1 steht mit seinen Schichtenbereichspaaren
SBP1 und SBP2 durch Kraftschluss oder durch Formschluss über mindestens
eine Schicht aus einem nichtmetallischen Material in elektrischem
Kontakt mit den metallischen Schichten 13a' und 13a''.
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Bei
der Ausführung
gemäß 7 unterscheidet sich das Trägerelement
von der Ausführung gemäß 6 im Wesentlichen durch eine dritte, untere
Lage, die der separierenden Lage, welche noch eine metallische Lage 13f besitzt,
entgegengesetzt zur oberen Lage benachbart ist. Die dritte Lage
enthält
elektrisch voneinander getrennte, beabstandete erste und zweite
metallische Schichten 13b' und 13b''. Die ersten metallischen Schichten 13a' und 13b' sowie die zweiten
metallischen Schichten 13a'' und 13b'' sind zur Bildung von Schichtenpaaren
SP1 und SP2 über
Verbindungselemente 13d' und 13d'' elektrisch leitend miteinander
verbunden.
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Vorteilhaft
an dieser erfindungsgemäßen Lösung ist
die Ausnutzung der angesprochenen Oberflächenmontage des Mehrlagensubstrates
auf das Trägerelement,
wobei die elektrische Kontaktierung des Diodenlasersubelementes über die
Unterseite des Substrates erfolgt. Auf dem Trägerelement lassen sich gegebenenfalls
weitere Diodenlasersubelemente montieren, deren elektrische Kontaktierung auch
als Serienschaltung mit den als Leiterbahnen ausgeführten metallischen
Schichten erfolgen kann.
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Zur
Stapelung von Diodenlaserbauelementen gemäß 8 wird ein
weiterer modifizierter Aufbau Sn verwendet,
bei dem auf der oberen Lage des Trägerelementes, welche das Bauelement
B1 aufnimmt, eine weitere, von der ersten
und der zweiten metallischen Schicht 13a' und 13a'' elektrisch
getrennte, beabstandete dritte metallische Schicht 12a''' für ein elektrisch
leitfähiges
Verbindungselement 12a'''' vorgesehen
ist. Auf der zweiten metallischen Schicht 13a'' ist ein weiteres elektrisch leitfähiges Verbindungselement 12b vorgesehen.
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Die
erste metallische Schicht 13a', auf der das Schichtenbereichspaar
SBP1 mit dem Laserdiodenelement 1 befestigt ist, und die
zweite metallische Schicht 13a'' sind
zur Bildung von Schichtenpaaren SP1 und SP2 mit elektrisch voneinander
getrennten ersten und zweiten metallischen Schichten 13b' und 13b'' einer dritten, unteren Lage durch
Verbindungselemente 13d' und 13d'' elektrisch leitend verbunden.
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Nach
Ausführung
der Stapelung bestehen zwischen benachbarten Trägeraufbauten Sn elektrische
Verbindungen zwischen der ersten metallischen Schicht 13b' in der unteren
Lage mit dem Verbindungselement 12a'''' auf der oberen Lage und zwischen
dem Verbindungselement 12b auf der oberen Lage und der
zweiten metallischen Schicht 13b'' in der
unteren Lage.
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Die
beiden freibleibenden elektrisch leitfähigen Verbindungselemente 12a'''' und 12b des
den Stapel begrenzenden Trägeraufbaus
S1 sind durch eine Brücke 12c elektrisch
miteinander verbunden, so dass der Strom durch den gesamten Stapel
weitergeleitet werden kann.
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Es
sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass eine weitere vorteilhafte
Ausführungsform
von Diodenlaserstapeln ähnlich
zu der in 8 darin besteht, Trägerelemente
als Diodenlaserbauelemente zu verwenden, die analog zu den Diodenlasersubelementen
in 5a bis 5c Kühlkanäle aufweisen und
diese in analoger Weise zu stapeln.
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Bei
dem in 9a – 9d dargestellten Trägerelement
befindet sich zwischen nichtmetallischen Schichten 13c', 13c'' eine metallische Lage 13f,
die von einer Struktur zur Kühlmittelführung durchzogen
ist. Über
Schlauchtüllen 16a' und 16a'' wird Kühlmittel zu- bzw. abgeführt. Mit 16b' ist ein Zulaufkanal
und mit 16b'' ein Ablaufkanal
für das
Kühlmittel
bezeichnet. Eine Kühlmittelverteilungsstruktur 16c besteht
aus periodischen Ausnehmungen im Material der metallischen Lage 13f.
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Zur
Serienschaltung von Diodenlasersubelementen Bn brauchen
die beiden Schichtenbereichspaare eines jeden Diodenlasersubelementes
nur noch in elektrischen Kontakt mit den elektrisch getrennten metallischen
Schichten 13an gebracht werden,
wobei die metallische Schicht 13a0 zur
elektrischen Kontaktierung eines ersten und die metallische Schicht 13an eines letzten der in Reihe zu schaltenden
n Diodenlaserbubelemente Bn dient.
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Bei
dem in 10a und 10b dargestellten
Trägerelement
befindet sich zwischen zwei nichtmetallischen Schichten 23c' und 23c'' einer separierenden Lage 23c eine
metallische Lage 23f, die von einer Kühlmittelverteilungsstruktur 16c durchzogen ist. Über Schlauchtüllen 26a' und 26a'' wird Kühlmittel zu- bzw. abgeführt.
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Elektrisch
voneinander getrennte metallische Schichten 23an dienen
zur Serienschaltung von Diodenlaserbauelementen Rn,
wobei die metallische Schicht 23a0 zur
elektrischen Kontaktierung eines ersten und die metallische Schicht 23an (hier: 23a2 ) eines
letzten der in Serie zu schaltenden, lateral anzuordnenden n Diodenlaserbauelemente
Rn vorgesehen sind.
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Die
beiden mit ihrer Strahlrichtung rechtwinklig zueinander ausgerichteten
Diodenlaserbauelemente R1 und R2 besitzen
einen Aufbau, wie er bereits anhand von 7 beschrieben
ist, wobei beide Diodenlaserbauelemente R1 und
R2 strahlformende Kollimationslinsen oder
Kollimationslinsenanordnungen 18a1 und 18a2 aufweisen.
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Die
separierende Lage 23c dient außerdem der Aufnahme einer Lamba/2-Platte 28b zur
Drehung der Polarisationebene emittierter Laserstrahlung des Diodenlaserbauelementes
R1 um 90° sowie
eines Polarisationsstrahlteilers 28c zur Überlagerung
der unterschiedlich polarisierten Laserstrahlenbündel der beiden Diodenlaserbauelemente
R1 und R2.