DE112005001445T5 - Laservorrichtung - Google Patents

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Hirofumi Hamamatsu Miyajima
Hirofumi Hamamatsu Kan
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Hamamatsu Photonics KK
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Abstract

Laservorrichtung, die umfasst:
eine Halbleiterlasereinrichtung, die eine Lichtausgabefläche zum Emittieren von Laserlicht aufweist,
eine Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung, die eine Kühlmittelkammer zum Aufnehmen eines Kühlmittels und eine mit der Kühlmittelkammer kommunizierende Ausstoßöffnung gegenüber der Lichtausgabefläche der Lasereinrichtung aufweist, und
eine Wärmesenke, die eine Lasermontagefläche zum Montieren der Halbleiterlasereinrichtung und einen ersten Kühlmittelflusspfad aufweist, über den das aus der Ausstoßöffnung ausgestoßene Kühlmittel einfließt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laservorrichtung, die Laserlicht emittiert.
  • Stand der Technik
  • Es sind Laservorrichtungen mit hoher Ausgabe bekannt, die Laserdiodenarrays verwenden. Diese Laservorrichtungen erfordern einen Aufbau zum Kühlen der Laserdiodenarrays. Zum Beispiel gibt die offen gelegte japanische Patentanmeldung Nr. HEI 10-209531 eine Technik an, die eine Wärmesenke an der Bodenfläche einer Laserdiodenarray vorsieht und veranlasst, dass ein Kühlmittel durch die Wärmesenke fließt, um die Laserdioden zu kühlen.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Halbleiterlasereinrichtungen wie etwa Laserdiodenarrays erreichen eine hohe Temperatur, insbesondere an ihrer Lichtausgabefläche. In der offen gelegten japanischen Patentanmeldung Nr. HEI 10-209531 ist das Laserdiodenarray jedoch derart angeordnet, dass seine Bodenfläche in Kontakt mit der Kühlfläche der Wärmesenke ist, sodass das Laserdiodenarray von der Bodenfläche her gekühlt wird. Dies erschwert eine effiziente Kühlung der vorderen Endfläche des Laserdiodenarrays, d.h. der Lichtausgabefläche. Wenn die Lichtausgabefläche nicht ausreichend gekühlt wird, kann eine zeitlich bedingte Verschlechterung der Lichtausgabe in Halbleiterlasereinrichtungen beschleunigt werden, wodurch die langfristige Zuverlässigkeit vermindert werden kann.
  • Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laservorrichtung anzugeben, die die Lichtausgabefläche einer Halbleiterlasereinrichtung effizient kühlen kann.
  • Die Laservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Halbleiterlasereinrichtung, eine Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung und eine Wärmesenke. Die Halbleiterlasereinrichtung weist eine Lichtausgabefläche zum Ausstoßen von Laserlicht auf. Die Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung weist eine Kühlmittelkammer zum Aufnehmen des Kühlmittels und eine mit der Kühlmittelkammer kommunizierende Ausstoßöffnung gegenüber der Lichtausgabefläche der Laservorrichtung auf. Die Wärmesenke weist eine Lasermontagefläche zum Montieren der Halbleiterlasereinrichtung und einen ersten Kühlmittelflusspfad auf, über den das von der Ausstoßöffnung ausgestoßene Kühlmittel einfließt.
  • Durch das Zuführen des Kühlmittels zu der Kühlmittelkammer kann Kühlmittel auf die Lichtausgabefläche der Halbleiterlasereinrichtung ausgestoßen werden. Weil die Lichtausgabefläche direkt durch das ausgestoßene Kühlmittel gekühlt wird, ist die Kühleffizienz hervorragend.
  • Die Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung kann eine Platte sein, die eine Hauptfläche gegenüber der Lichtausgabefläche aufweist und das Laserlicht durchlässt. Die Platte weist einen hohlen Teil als die oben genannte Kühlmittelkammer auf, während die Ausstoßöffnung auf der oben genannten Hauptfläche gegenüber der Lichtausgabefläche vorgesehen ist. Unter Verwendung einer derartigen Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung kann das Kühlmittel auf die Lichtausgabefläche ausgestoßen werden, ohne dass dadurch die Emission des Laserlichts behindert wird.
  • Die Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung kann eine Kollimatorlinse mit einer ersten Linsenfläche gegenüber der Lichtausgabefläche und einer zweiten Linsenfläche sein, die weiter von der Lichtausgabefläche entfernt angeordnet ist als die erste Linsenfläche. Diese Kollimatorlinse weist einen hohlen Teil als die oben genannte Kühlmittelkammer auf, während die Ausstoßöffnung auf der ersten Linsenfläche vorgesehen ist. Unter Verwendung einer derartigen Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung kann das Kühlmittel auf die Lichtausgabefläche ausgestoßen werden, ohne die Emission des Laserlichts zu behindern. Außerdem ist es nicht erforderlich, eine Kollimatorlinse separat zu der Laservorrichtung vorzubereiten und dann mit der Laservorrichtung auszurichten.
  • Wenn die Halbleiterlasereinrichtung eine Vielzahl von Lichtemissionspunkten aufweist, die entlang einer Richtung auf der Lichtausgabefläche angeordnet sind, kann die Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen aufweisen, die entlang der Richtung ausgerichtet sind, entlang welcher die Lichtemissionspunkte angeordnet sind. Bei diesem Aufbau wird die Halbleiterlasereinrichtung effizient um die Lichtemissionspunkte herum gekühlt.
  • Wenn die Halbleiterlasereinrichtung eine Vielzahl von Lichtemissionspunkten aufweist, die entlang einer Richtung auf der Lichtausgabefläche angeordnet sind, kann die Ausstoßöffnung ein Schlitz sein, der sich entlang der Richtung erstreckt, entlang welcher die Lichtemissionspunkte angeordnet sind. Unter Verwendung einer Ausstoßöffnung mit einer derartigen Form kann die Halbleiterlasereinrichtung effizient um die Lichtemissionspunkte herum gekühlt werden.
  • Die Lasermontagefläche kann eine Kühlmittelsaugöffnung aufweisen, die mit dem ersten Kühlmittelflusspfad kommuniziert. Das nach dem Ausstoßen aus der Ausstoßöffnung auf die Lichtausgabefläche treffende Kühlmittel fließt durch die Saugöffnung in den ersten Kühlmittelflusspfad.
  • Die Laservorrichtung kann weiterhin eine Kühlmittelaustrittsöffnung umfassen, die mit dem ersten Kühlmittelflusspfad kommuniziert. Das durch den ersten Kühlmittelflusspfad fließende Kühlmittel wird durch die Kühlmittelaustrittsöffnung ausgeführt.
  • Die Laservorrichtung kann weiterhin ein Halteglied und eine Pumpe umfassen. Das Halteglied ist an der Halbleiterlasereinrichtung und der Wärmesenke montiert und weist einen zweiten Kühlmittelflusspfad auf. Die Pumpe ist zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlmittelflusspfad verbunden, empfängt das Kühlmittel aus dem ersten Kühlmittelflusspfad und gibt das Kühlmittel zu dem zweiten Kühlmittelflusspfad aus. Die Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung kann weiterhin eine Einflussöffnung aufweisen, die mit der Kühlmittelkammer kommuniziert. Die Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung ist an dem Halteglied in einem Zustand befestigt, in dem die Einflussöffnung mit dem zweiten Kühlmittelflusspfad kommuniziert. Bei diesem Aufbau kann das Kühlmittel zwischen der Laservorrichtung und der Pumpe zirkulieren.
  • Die Halbleiterlasereinrichtung kann einen Lichtemissionspunkt aufweisen, der auf der Lichtausgabefläche angeordnet ist. Die Ausstoßöffnung kann derart angeordnet sein, dass das Kühlmittel in die Nähe des Lichtemissionspunkts auf die Lichtausgabefläche der Halbleiterlasereinrichtung ausgestoßen wird. Bei diesem Aufbau wird die Halbleiterlasereinrichtung um den Lichtemissionspunkt herum effizient gekühlt.
  • Die vorliegende Erfindung wird durch die folgende ausführliche Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht. Die beigefügten Zeichnungen sind beispielhaft und schränken den Erfindungsumfang nicht ein.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Laservorrichtung, diagonal von vorne gesehen.
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht der Laservorrichtung, diagonal von hinten gesehen.
  • 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Laservorrichtung.
  • 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von 2.
  • 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Laserdiodenarrays.
  • 6 ist eine Draufsicht auf die Rückfläche einer Fensterplatte.
  • 7 ist eine perspektivische Ansicht einer Laservorrichtung, diagonal von vorne gesehen.
  • 8 ist eine perspektivische Ansicht der Laservorrichtung, diagonal von hinten gesehen.
  • 9 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Laservorrichtung.
  • 10 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von 8.
  • 11 ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B von 8.
  • 12 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die Leitungen und FAC-Linsen vergrößert zeigt.
  • 13 ist eine Draufsicht auf die Rückflächen der FAC-Linsen.
  • 14 ist eine Draufsicht auf ein modifiziertes Beispiel der Fensterplatte.
  • 15 ist eine Draufsicht auf ein modifiziertes Beispiel der FAC-Linsen.
  • Erläuterungen der Bezugszeichen
  • 10 ... Bodenplatte; 12a bis 12c ... Laserdiodenarray; 14 ... Kupferplatte; 16 ... Anschlusselektrode; 17a bis 17d ... Isolationsabstandsglieder; 18a bis 18c ... Wärmesenke; 19 ... Saugöffnung; 20 ... obere Platte; 22 ... hintere Platte; 24 ... Fensterplatte; 25, 95 ... Ausstoßöffnung; 26 ... Zuführrohr; 28 ... Ausführrohr; 30 ... Pumpe; 54 ... Einflussöffnung; 56 ... Kühlmittel; 60, 67a bis 67c, 68a bis 68c ... Flusspfad; 69 ... gemeinsamer Flusspfad; 80 ... Leitung; 82 ... FAC-Linse; 84 ... Verbindungsrohr; 88 ... Einflussöffnung; 100, 200 ... Laservorrichtung.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Bei den Erläuterungen der Zeichnungen werden identische Komponente durchgehend durch gleiche Bezugszeichen angegeben, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird.
  • Erste Ausführungsform
  • Mit Bezug auf 1 bis 4 wird im Folgenden eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Laservorrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform, diagonal von vorne gesehen. 2 ist eine perspektivische Ansicht der Laservorrichtung 100, diagonal von hinten gesehen. 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Laservorrichtung 100. 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von 2. Diese Zeichnungen zeigen auch die X-, Y- und Z-Achsen, die jeweils senkrecht zueinander ausgerichtet sind.
  • Die Laservorrichtung 100 umfasst drei Laserdiodenarrays 12a bis 12c, zwei Kupferplatten 14a und 14b, zwei Anschlusselektroden 16a und 16b, vier Isolationsabstandsglieder 17a bis 17d und drei Wärmesenken 18a bis 18c, die auf einer Bodenplatte 10 platziert sind. Die Anschlusselektrode 16b und das Isolationsabstandsglied 17d werden durch eine obere Platte 20 bedeckt. Eine elektrisch isolierende Rückplatte 22 ist an den Rückflächen der Isolationsabstandsglieder 17a bis 17d und den Wärmesenken 18a bis 18c befestigt. Eine Fensterplatte 24 ist an den Vorderflächen der Wärmesenken 18a bis 18c befestigt.
  • 5 ist eine perspektivische Ansicht der Laserdiodenarrays. Die Laserdiodenarrays 12a bis 12c weisen jeweils den gleichen Aufbau auf. Jedes Laserdiodenarray ist eine Halbleiterlasereinrichtung mit einer Lichtausgabefläche (vorderen Endfläche) 50. Auf der Lichtausgabefläche 50 sind eine Vielzahl von Lichtemissionspunkten 52 entlang der Y-Richtung mit Intervallen von einigen 100 μm angeordnet. Jeder Lichtemissionspunkt 52 weist zum Beispiel die Form einer Ellipse mit einer Größe von einigen μm × einigen 10 bis 100 μm auf. Elektroden (nicht gezeigt) sind auf der oberen und unteren Fläche des Laserdiodenarrays vorgesehen. Wenn eine Spannung über diese Elektroden an dem Laserdiodenarray angelegt wird, emittiert jeder der Lichtemissionspunkte 52 ein Laserlicht. Die Laserdiodenarrays 12a bis 12c sind derart angeordnet, dass die Ausrichtungsrichtungen der Lichtemissionspunkte 52 im wesentlichen parallel zueinander sind.
  • Die Laserdiodenarrays 12a bis 12c sind jeweils auf den oberen Flächen (Lasermontageflächen) 36 der Wärmesenken 18a bis 18c angeordnet und dort befestigt. Das Laserdiodenarray 12a wird zwischen der oberen Fläche 36 der Wärmesenke 18a und der Bodenfläche der Wärmesenke 18b gehalten. Entsprechend wird das Laserdiodenarray 12b zwischen der oberen Fläche 36 der Wärmesenke 18b und der unteren Fläche der Wärmesenke 18c gehalten. Das Laserdiodenarray 12c wird zwischen der oberen Fläche 36 der Wärmesenke 18c und der Kupferplatte 14b gehalten. Die Laserdiodenarrays 12a bis 12c sind derart angeordnet, dass ihre Lichtausgabeflächen 50 gegenüber der Fensterplatte 24 liegen. Die Lichtausgabeflächen 50 der Laserdiodenarrays 12a bis 12c sind auf der Rückseite mit einem Abstand zu den vorderen Enden der Wärmesenken 18a bis 18c angeordnet.
  • Die Wärmesenken 18a bis 18c sind elektrisch leitende flache Platten, die jeweils denselben Aufbau aufweisen. Diese Wärmesenken sind in Kontakt mit den Elektroden der Laserdiodenarrays 12a bis 12c, um die Laserdiodenarrays 12a bis 12c elektrisch in Reihe zu verbinden. Als Materialien für die Wärmesenken 18a bis 18c werden Leiter mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit wie z.B. Cu und CuW bevorzugt.
  • Wie in 4 gezeigt, sind Flusspfade 68a bis 68c für ein Kühlmittel 56 zum Kühlen der Laserdiodenarrays in den Wärmesenken 18a bis 18c vorgesehen. Die Flusspfade 68a bis 68c erstrecken sich unter den Laserdiodenarrays 12a bis 12c zu der Rückseite. Die hinteren Endteile der Flusspfade 68a bis 68c erstrecken sich durch die entsprechenden Wärmesenken entlang der vertikalen Richtung (Z-Richtung). In den oberen Flächen 36 der Wärmesenken 18a bis 18c sind Saugöffnungen 19, die mit den Flusspfaden 68a bis 68c kommunizieren, vor den Lichtausgabeflächen 50 der Laserdiodenarrays 12a bis 12c vorgesehen. Um eine Korrosion der Wärmesenken 18a bis 18c zu verhindern, weist das Kühlmittel 56 vorzugsweise einen hohen elektrischen Widerstand auf. Das Kühlmittel 56 kann entweder flüssig oder gasförmig sein. Bevorzugte Beispiele für das Kühlmittel 56 sind Fluorkohlenwasserstoffe (z.B. Fluorinert) und entmineralisiertes Wasser.
  • Jede der Wärmesenken 18a bis 18c mit den Flusspfaden 68a bis 68c kann unter Verwendung von zwei elektrisch leitenden Schichten mit jeweils einer Dicke von 400 μm und einer Vertiefung von ungefähr 200 μm hergestellt werden. Indem diese elektrisch leitenden Schichten gegeneinander gedrückt werden, sodass ihre Vertiefungen übereinander liegen, und durch Techniken wie etwa ein Diffusionsbonding, Hartlöten oder Kleben miteinander verbunden werden, können die Wärmesenken 18a bis 18c vorgesehen werden.
  • Die Anschlusselektroden 16a und 16b werden verwendet, um eine Ansteuerspannung an den Halbleiterlaserarrays 12a bis 12c anzulegen. Die Kupferplatten 14a und 14b sind elektronisch leitende Abstandsglieder, die die Laserdiodenarrays 12a bis 12c mit den Anschlusselektroden 16a und 16b verbinden. Die Bodenfläche des Laserdiodenarrays 12a ist elektrisch über die Wärmesenke 18a und die Kupferplatte 14a mit der Anschlusselektrode 16a verbunden. Die obere Fläche des Laserdiodenarrays 12c ist elektrisch über die Kupferplatte 14b mit der Anschlusselektrode 16b verbunden. Die Laserdiodenarrays 12a bis 12c sind dementsprechend in Reihe zwischen den Anschlusselektroden 16a und 16b verbunden. Wenn also eine Spannung zwischen den Anschlusselektroden 16a und 16b angelegt wird, wird Laserlicht aus den Lichtemissionspunkten 52 der Laserdiodenarrays 12a bis 12c emittiert.
  • Die Anschlusselektrode 16a ist auf der oberen Fläche der Bodenplatte 10 angeordnet und dort befestigt. Die Bodenplatte 10 ist ein elektrischer Isolator mit einer im wesentlichen parallelen Plattenform, wobei eine rechteckige Vertiefung 11 in der oberen Fläche 10a in der Nähe des vorderen Endes ausgebildet ist. Auf der oberen Fläche 10a sind die Anschlusselektrode 16a und die Kupferplatte 14a hinter der Vertiefung 11 gestapelt, während das Isolationsabstandsglied 17a dahinter platziert ist. Die obere Fläche des Isolationsabstandsglieds 17a ist auf derselben Höhe wie die obere Fläche der Kupferplatte 14a, wobei die Wärmesenke 18a an diesen oberen Flächen befestigt ist. Auf der oberen Fläche 36 der Wärmesenke 18a ist das Isolationsabstandsglied 17b hinter dem Laserdiodenarray 12a platziert. Die obere Fläche des Isolationsabstandsglieds 17b ist auf derselben Höhe wie die obere Fläche des Laserdiodenarrays 12a, wobei die Wärmesenke 18b an diesen oberen Flächen befestigt ist. Auf der oberen Fläche 36 der Wärmesenke 18b ist das Isolationsabstandsglied 17c hinter dem Laserdiodenarray 12b platziert. Die obere Fläche des Isolationsabstandsglieds 17c ist auf derselben Höhe wie die obere Fläche des Laserdiodenarrays 12b, wobei die Wärmesenke 18c an diesen oberen Flächen befestigt ist. Auf der oberen Fläche 36 der Wärmesenke 18c ist das Isolationsabstandsglied 17d hinter dem Laserdiodenarray 12c platziert. Die obere Fläche des Isolationsabstandsglieds 17d ist auf derselben Höhe wie die obere Fläche der Anschlusselektrode 16b, wobei die obere Platte 20 auf diesen oberen Flächen befestigt ist. Die Isolationsabstandsglieder 17a bis 17d sind flache Platten aus elastischen Isolationsmaterialien wie etwa Gummi und sind von den Laserdiodenarrays 12a bis 12c, den Kupferplatten 14a, 14b und den Anschlusselektroden 16a, 16b beabstandet.
  • Die obere Platte 20 ist ein elektrischer Isolator mit einer im wesentlichen parallelen Plattenform, wobei eine rechteckige Vertiefung 21 in der unteren Fläche in der Nähe des vorderen Endes ausgebildet ist. Ein oberer und ein unterer Endteil der Fensterplatte 24 sind jeweils in die Vertiefung 21 der oberen Platte 20 und in die Vertiefung 11 der unteren Platte 10 eingesteckt. Die Fensterplatte 24 ist eine transparente parallele Platte mit zwei Hauptflächen, nämlich einer vorderen Fläche 24a und einer hinteren Fläche 24b. Das durch die Laserdiodenarrays 12a bis 12c erzeugte Laserlicht wird durch die Fensterplatte 24 emittiert. Die Fensterplatte 24 ist hohl, wobei der hohle Teil 53 als Kühlmittelkammer zum Aufnehmen des Kühlmittels 56 für das Kühlen der Laserdiodenarrays 12a bis 12c verwendet wird.
  • 6 ist eine Draufsicht auf die Rückfläche 24b der Fensterplatte 24. 6 zeigt außerdem die Lichtausgabeflächen 50 der Laserdiodenarrays 12a bis 12c durch doppelt gepunktete Strichlinien. Der untere Endteil der Rückfläche 24b ist mit einer schlitzartigen Einflussöffnung 54 versehen, die mit dem hohlen Teil 53 kommuniziert. Die Einflussöffnung 54 ist eine Öffnung zum Einführen des Kühlmittels 56 in den hohlen Teil 53. Die Rückfläche 24b ist auch mit einer Vielzahl von Ausstoßöffnungen 25 versehen, die mit dem hohlen Teil 53 kommunizieren. Die Ausstoßöffnungen 25 sind Öffnungen zum Ausstoßen des Kühlmittels 56 aus dem hohlen Teil 53 und weisen eine derartig kleine Öffnungsfläche auf, dass sie das Kühlmittel 56 in einem Strahl ausstoßen können. Die Ausstoßöffnungen 25 sind entlang der Y-Richtung in drei Reihen angeordnet, sodass sie den entsprechenden Lichtausgabeflächen 50 der Laserdiodenarrays 12a bis 12c gegenüber liegen. In dieser Ausführungsform entsprechenden die Ausstoßöffnungen 25 den Lichtemissionspunkten 52 jeweils eins zu eins und sind derart angeordnet, dass sie das Kühlmittel 56 in die Nähe der entsprechenden Lichtemissionspunkte 52 ausstoßen.
  • Die Fensterplatte 24 ist aus einem Material ausgebildet, das das aus den Laserdiodenarrays 12a bis 12c emittierte Laserlicht durchlässt. Deshalb kann das Kühlmittel auf die Lichtausgabeflächen 50 ausgestoßen werden, ohne die Emission des Laserlichts zu behindern. Wenn das Kühlmittel 56 aus den Ausstoßöffnungen 25 ausgestoßen wird, wird der hohle Teil 53 der Fensterplatte 24 mit dem Kühlmittel 56 gefüllt, das entsprechend einen Druck auf die Fensterplatte 24 ausübt, sodass auch eine ausreichende mechanische Stärke für das Material der Fensterplatte 24 erforderlich ist. Ein Beispiel für ein Material, das diese Bedingungen erfüllt, ist Siliciumoxid.
  • Wie in 4 gezeigt, ist der Flusspfad 60 für das Kühlmittel 56 in der Bodenplatte 10 vorgesehen. Die Rückfläche der Bodenplatte 10 ist mit nach hinten vorstehenden Zuführrohren 26 versehen. Jedes Zuführrohr 26 ist eine Kühlmittel-Einflussöffnung, die zum Einführen des Kühlmittels 56 in die Laservorrichtung 100 verwendet wird. Ein Ende des Zuführrohrs 26 kommuniziert mit dem Flusspfad 60, während das andere Ende über ein nicht gezeigtes Rohr mit einer Ausgangsöffnung 32 einer Pumpe 30 verbunden ist. Die Pumpe 30 führt das Kühlmittel 56, das auf einen Fluiddruck von zum Beispiel ungefähr 0,19 bis 0,4 MPa komprimiert wird, von der Ausgangsöffnung 32 durch das Rohr und die Zuführrohre 26 zu dem Flusspfad 60 aus.
  • Weiterhin sind Flusspfade 67a bis 67c in den Isolationsabstandsgliedern 17a bis 17c vorgesehen. Die hinteren Endteile der Flusspfade 68a bis 68c in den Wärmesenken sind mit diesen Flusspfaden 67a bis 67c verbunden. Die Wärmesenken 18a bis 18c und die Isolationsabstandsglieder 17a bis 17d sind mit O-Ringen 75 gedichtet. Wie in 4 gezeigt, bilden die hinteren Endteile der Flusspfade 68a bis 68c und die Flusspfade 67a bis 67c einen gemeinsamen Flusspfad 69, der sich in der Z-Richtung erstreckt.
  • Ausführrohre 28 erstrecken sich von der Rückfläche des Isolationsabstandsglieds 17a nach hinten. Jedes Ausführrohr 28 ist eine Kühlmittelausführöffnung, die zum Ausführen des Kühlmittels 56 aus der Laservorrichtung 100 verwendet wird. Die Rückplatte 22 und die Ausführrohr 28 werden durch O-Ringe 76 gedichtet. Die Ausführrohre 28 steht durch die Öffnungen 23 in der Rückplatte 22 nach hinten vor und sind über ein nicht gezeigtes Rohr mit einer Saugöffnung 34 der Pumpe 30 verbunden. Die Pumpe 30 empfängt das Kühlmittel 56 über die Ausführrohre 28, das Rohr und die Saugöffnung 34 von dem Flusspfad 67a in dem Isolationsabstandsglied 17a.
  • Auf diese Weise ist die Pumpe 30 zwischen den Flusspfaden 68a bis 68c in den Wärmesenken 18a bis 18c und dem Flusspfad 60 in der Bodenplatte 10 verbunden, empfängt das Kühlmittel 56 au den Flusspfaden 68a bis 68c und führt das Kühlmittel 56 zu dem Flusspfad 60 aus. Die Zuführrohre 26 sind auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Flusspfades 60 angeordnet, während die während die Ausführrohre 28 auf der stromabwärts gelegenen Seite der Flusspfade 68a bis 68c angeordnet sind. Der hohle Teil 53 der Fensterplatte 24 dient als Flusspfad, der zwischen dem Flusspfad 60 und den Flusspfaden 68a bis 68c angeordnet ist.
  • Der Flusspfad 60 in der Bodenplatte 10 kommuniziert mit dem hohlen Teil 53 der Fensterplatte 24 durch die Einflussöffnung 54, die in der Rückfläche 24b der Fensterplatte 24 vorgesehen ist. Das von der Pumpe 30 zu dem Flusspfad 60 ausgeführte Kühlmittel 56 wird also über die Einflussöffnung 54 in den hohlen Teil 53 eingeführt. Die Fensterplatte 24 und die Bodenplatte 10 werden durch eine O-Ring 74 gedichtet. Wenn der hohle Teil 53 ausreichend mit dem Kühlmittel 56 gefüllt ist, wird dieses aus den Ausstoßöffnungen 25 ausgestoßen und trifft auf die Lichtausgabeflächen 50 der Laserdiodenarrays 12a bis 12c. Die Lichtausgabeflächen 50 werden also durch das ausgestoßene Kühlmittel 56 gekühlt.
  • Danach fließt das Kühlmittel 56 durch die Saugöffnungen 19 der Wärmesenken 18a bis 18c in die Flusspfade 68a bis 68c. Das Kühlmittel 56 wird durch die Pumpe 30 eingezogen, um durch die Flusspfade 68a bis 68c zu dem gemeinsamen Flusspfad 69 zu fließen. Daraus resultiert, dass Wärme von der Bodenfläche der Laserdiodenarrays 12a bis 12c absorbiert wird, wodurch diese Laserdiodenarrays zusätzlich gekühlt werden. Das Kühlmittel 56 fließt von den Flusspfaden 68a bis 68c durch den gemeinsamen Flusspfad 69 in den Flusspfad 67a in dem Isolationsabstandsglied 17a. Die Pumpe 56 empfängt das Kühlmittel 56 über die Ausführrohre 28 und die Einführöffnung 34 und führt das empfangene Kühlmittel 56 wieder über die Ausführöffnung 32 zu den Zuführrohren 26. Auf diese Weise zirkuliert das Kühlmittel 56 zwischen der Laservorrichtung 100 und der Pumpe 30.
  • Die Laservorrichtung 100 veranlasst also, dass das Kühlmittel 56 auf die Lichtausgabeflächen 50 der Laserdiodenarrays 12a bis 12c ausgestoßen wird, um die Lichtausgabeflächen 50 effizient zu kühlen. Weil insbesondere eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen 25 entlang der Ausrichtungsrichtung der Lichtemissionspunkte 52 ausgerichtet sind, um das Kühlmittel 56 in die Nähe der entsprechenden Lichtemissionspunkte 52 auszustoßen, kann die Umgebung der Lichtemissionspunkte 52, die zu einer Erzeugung von Wärme neigen, effizient gekühlt werden kann. Es kann also eine hohe Lichtausgabe erzielt werden, wobei eine zeitlich bedingte Verschlechterung der Lichtausgabe unterdrückt werden kann, um die langfristige Zuverlässigkeit der Laservorrichtung 100 zu verbessern.
  • Zweite Ausführungsform
  • Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 7 bis 11 erläutert. 7 ist eine perspektivische Ansicht einer Laservorrichtung 200 gemäß dieser Ausführungsform, diagonal von vorne gesehen. 8 ist eine perspektivische Ansicht der Laservorrichtung 200, diagonal von hinten gesehen. 9 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Laservorrichtung 200. 10 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von 8. Und 11 ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B von 8. Diese Zeichnungen zeigen X-, Y- und Z-Achsen, die jeweils senkrecht zueinander sind.
  • Die Laservorrichtung 200 unterscheidet sich von der Laservorrichtung 100 der ersten Ausführungsform dadurch, dass sie zwei Leitungen 80 und drei FAC (Fast Axis Collimator)-Linsen 82 anstelle der Fensterplatte 24 umfasst. Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform.
  • 12 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die die Leitungen 80 und FAC-Linsen 82 vergrößert zeigt. Jede der Leitungen 80 ist transparent und hohl und erstreckt sich als rechteckiges Parallelepiped in der Z-Richtung. Ein oberer und ein unterer Teil jeder Leitung 80 sind jeweils in die Vertiefung 21 der oberen Platte 20 und die Vertiefung 11 der Bodenplatte 10 eingesetzt. Die Leitung 80 weist eine Seitenfläche 80a auf, die gegen Endflächen 82a der FAC-Linsen 82 stößt und mit einer gleichen Anzahl von Öffnungen 81 wie die FAC-Linsen 82 ausgebildet ist. Diese Öffnungen 81 kommunizieren mit dem Inneren 89 (siehe 10) der Leitung 80. Das Innere 89 der Leitung 80 wird als Kühlmittelkammer zum Aufnehmen des Kühlmittels 56 verwendet. Eine Einflussöffnung 88, die mit dem Inneren 89 der Leitung 80 kommuniziert, ist an einem unteren Endteil der Rückfläche 80b der Leitung 80 vorgesehen.
  • Jede der FAC-Linsen 82 ist eine Kollimatorlinse, die aus den Laserdiodenarrays 12a bis 12c emittiertes Laserlicht in der schnellen Achsenrichtung der Laserdiodenarrays 12a bis 12c kollimiert. Mit anderen Worten kollimiert die FAC-Linse 82 das Laserlicht innerhalb einer Ebene, die senkrecht zu der langsamen Achsenrichtung der Laserdiodenarrays 12a bis 12c ist. In dieser Ausführungsform entsprechen die langsame und die schnelle Achsenrichtung jeweils der Z- und der Y-Richtung. Die FAC-Linse 82 ist eine zylindrische Linse, die sich in der Y-Richtung erstreckt, und weist eine erste Linsenfläche 85 gegenüber den Lichtausgabeflächen 50 der Laserdiodenarrays 12a bis 12c und eine zweite Linsenfläche 86 auf, die weiter von den Lichtausgabeflächen 50 entfernt angeordnet ist als die erste Linsenfläche 85. Die erste Linsenfläche 85 ist eine flache Fläche senkrecht zu der X-Achse. Die zweite Linsenfläche 86 ist eine zylindrische Fläche mit einer Erzeugenden parallel zu der Ausrichtungsrichtung der Lichtemissionspunkte 52 der Laserdiodenarrays 12a bis 12c und damit zu der Y-Richtung. Obwohl die FAC-Linsen 82 transparent sind, sind die hinter den FRC-Linsen 82 befindlichen Objekte in 7 der Einfachheit halber nicht gezeigt.
  • Die FAC-Linsen 82 werden zwischen den zwei Leitungen 80 gehalten. Zwei Endflächen 82a jeder FAC-Linse 82 stoßen jeweils gegen die Seitenflächen 80a der zwei Leitungen 80. Verbindungsrohre 84 stehen von den entsprechenden Endflächen 82a vor. Die FAC-Linse 82 ist hohl, wobei die Verbindungsrohre 84 mit dem hohlen Teil 87 kommunizieren. Die Verbindungsrohre 84 werden in die entsprechenden Öffnungen 81 der Leitungen 80 eingesetzt, sodass das Innere 89 der Leitungen 80 und der hohle Teil 87 der FAC-Linse 82 miteinander kommunizieren. Der hohle Teil 87 wird als Kühlmittelkammer zum Aufnehmen des Kühlmittels 56 verwendet. Die Leitungen 80 und die FAC-Linsen 82 werden durch ein nicht gezeigtes Dichtungsglied (z.B. einen O-Ring) gedichtet.
  • 13 ist eine Draufsicht auf die erste Linsenfläche 85 der FAC-Linsen 82. 13 gibt auch die Lichtausgabeflächen 50 der Laserdiodenarrays 12a bis 12c durch Doppelpunkt-Strichlinien wieder. Die erste Linsenfläche 85 jeder FAC-Linse 82 ist mit einer Vielzahl von Ausstoßöffnungen 25 versehen, die mit dem hohlen Teil 87 der FAC-Linse 82 kommunizieren. Die Ausstoßöffnungen 25 sind Öffnungen zum Ausstoßen des Kühlmittels 56 aus dem hohlen Teil 53 der FAC-Linse 82 und weisen eine derartig kleine Öffnungsfläche auf, dass sie das Kühlmittel 56 in einem Strahl ausstoßen können. Die Ausstoßöffnungen 25 sind entlang der Y-Richtung in drei Reihen gegenüber den entsprechenden Lichtausgabeflächen 50 der Laserdiodenarrays 12a bis 12c angeordnet. In dieser Ausführungsform entsprechen die Ausstoßöffnungen 25 den Lichtemissionspunkten 52 eins zu eins und sind derart angeordnet, dass sie das Kühlmittel 56 in die Nähe der entsprechenden Lichtemissionspunkte 52 ausstoßen. Wie die Fensterplatte 24 ist auch die FAC-Linse 82 aus einem Material (z.B. Siliciumoxid) ausgebildet, das das von den Laserdiodenarrays 12a bis 12c emittierte Laserlicht durchlässt und gleichzeitig eine ausreichende mechanische Stärke aufweist.
  • Wie in 10 gezeigt, kommuniziert der Flusspfad 60 in der Bodenplatte 10 mit dem Inneren 89 jeder Leitung 80 über deren Einflussöffnung 88. Die Leitung 80 und die Bodenplatte 10 sind durch einen O-Ring 74 gedichtet. Wenn die Pumpe 30 das Kühlmittel 56 zu dem Flusspfad 60 zuführt, wird das Kühlmittel 56 in das Innere 89 der Leitung 80 eingeführt. Wenn das Innere 89 der Leitung 80 ausreichend mit dem Kühlmittel 56 gefüllt ist, fließt das Kühlmittel 56 durch das Verbindungsrohr 84 in den hohlen Teil 87 der FAC-Linse 82. Wenn der hohle Teil 87 ausreichend mit dem Kühlmittel 56 gefüllt ist, wird das Kühlmittel 56 aus den Ausstoßöffnungen 25 ausgestoßen und trifft auf die Lichtausgabeflächen 50 der Laserdiodenarrays 12a bis 12c. Die Lichtausgabeflächen 50 werden also durch das ausgestoßene Kühlmittel 56 gekühlt.
  • Danach fließt das Kühlmittel 56 über die Saugöffnungen 19 in den Wärmesenken 18a bis 18c in die Flusspfade 68a bis 68c. Das Kühlmittel 56 wird durch die Pumpe 30 eingesaugt, um durch die Flusspfade 68a bis 68c zu dem gemeinsamen Flusspfad 69 zu fließen. Daraus resultiert, dass Wärme von den Bodenflächen der Laserdiodenarrays 12a bis 12c absorbiert wird, wodurch die Laserdiodenarrays zusätzlich gekühlt werden. Die Pumpe 30 empfängt das Kühlmittel 56 über die Ausführrohre 28 und die Einlassöffnung 34 und führt das empfangene Kühlmittel 56 über die Ausführöffnung 32 wieder zu den Zuführohren 26. Das Kühlmittel 56 zirkuliert also zwischen der Laservorrichtung 200 und der Pumpe 30. Das Innere 89 der Leitung 80 und der hohle Teil 87 der FAC-Linse 82 dienen also als Flusspfad zwischen dem Flusspfad 60 und den Flusspfaden 68a bis 68c.
  • Wie in der ersten Ausführungsform veranlasst die Laservorrichtung 200, dass das ausgestoßene Kühlmittel 56 auf die Lichtausgabeflächen 50 der Laserdiodenarrays 12a bis 12c trifft und auf diese Weise effizient die Lichtausgabeflächen 50 kühlen kann. Es kann also eine hohe Lichtausgabe erhalten werden und gleichzeitig eine zeitlich bedingte Verschlechterung der Lichtausgabe unterdrückt werden, wodurch die langfristige Zuverlässigkeit der Laservorrichtung 200 verbessert werden kann. Weiterhin sind in dieser Ausführungsform die FAC-Linsen 82 innerhalb der Laservorrichtung 200 befestigt. Deshalb ist die Verwendung der Laservorrichtung 200 praktisch, weil keine FAC-Linse separat zu der Laservorrichtung vorbereitet und mit der Laservorrichtung ausgerichtet werden muss.
  • Vorstehend wurden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben, wobei die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Weise modifiziert werden, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.
  • Bei den oben genannten Ausführungsformen führt die Pumpe 30 das Kühlmittel 56 zu dem Flusspfad 60 in der Bodenplatte 10 zu, wobei die Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung (die Fensterplatte 24 oder die FAC-Linse 82) über den Flusspfad 60 mit dem Kühlmittel 56 gefüllt wird. Das Kühlmittel kann jedoch auch von der Pumpe 30 zu der Kühlmittel-Ausstoßeinichtung geführt werden, ohne über die Bodenplatte 10 zu gehen. Zum Beispiel kann die Ausführöffnung 32 der Pumpe 30 über ein Rohr oder ähnliches mit der Einflussöffnung der Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung verbunden sein.
  • In der zweiten Ausführungsform wird das Kühlmittel 56 unter Verwendung der Leitung 80, die hart ist, zu dem hohlen Teil 87 der FAC-Linse 82 zugeführt. Es kann jedoch auch ein weiches Rohr anstelle der Leitung 80 verwendet werden, um das Kühlmittel 56 zu dem hohlen Teil 87 zuzuführen.
  • Die zweidimensionale Form der Ausstoßöffnungen 25 ist nicht auf Kreise beschränkt, sondern kann eine beliebige Form (z.B. Rechtecke) aufweisen, um das Kühlmittel 56 auszustoßen. Weiterhin kann wie in 14 und 15 gezeigt eine schlitzartige Ausstoßöffnung 95 anstelle einer in einer Reihe angeordneten Vielzahl von Ausstoßöffnungen 25 verwendet werden. 14 und 15 sind jeweils Draufsichten auf die Fensterplatte 24 und einen Satz von FAC-Linsen 82. Die Ausstoßöffnung 95 ist eine rechteckige Öffnung, die sich in der Ausrichtungsrichtung der Lichtemissionspunkte 52 der Laserdiodenarrays, d.h. in der Y-Richtung erstreckt. Die Ausstoßöffnung 95 kommuniziert mit dem hohlen Teil der Fensterplatte 24 oder der FAC-Linse 82 und weist eine derart schmale Breite auf, dass sie das Kühlmittel 56 in einem Strahl ausstoßen kann. Unter Verwendung der derart ausgebildeten Ausstoßöffnung 95 kann die Umgebung der Lichtemissionspunkte 52 effizient gekühlt werden.
  • In der ersten Ausführungsform sind die Saugteile 19 der Wärmesenken 18a bis 18c zwischen den vorderen Enden der Wärmesenken 18a bis 18c und den Positionen, an denen die Laserdiodenarrays 12a bis 12c montiert sind, ausgebildet. Um die Fensterplatte 24 und die Laserdiodenarrays 12a bis 12c eng nebeneinander platzieren zu können, können die Saugöffnungen 19 aber auch neben den Seitenflächen der Laserdiodenarrays 12a bis 12c, d.h. auf beiden Seiten der Laserdiodenarrays in den oberen Flächen 36 der Wärmesenken 18a bis 18c vorgesehen sein.
  • Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, dass die Erfindung auf verschiedene Weise variiert werden kann. Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass durch derartige Variationen der durch die beigefügten Ansprüche definierte Erfindungsumfang nicht verlassen wird.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Indem ein Kühlmittel auf eine Lichtausgabefläche einer Halbleiterlasereinrichtung ausgestoßen wird, kann die Laservorrichtung der vorliegenden Erfindung die Lichtausgabefläche effizient kühlen. Daraus resultiert, dass eine zeitlich bedingte Verschlechterung der Lichtausgabe in den Halbleiterlasereinrichtungen unterdrückt und die langfristige Zuverlässigkeit verbessert werden kann.
  • Zusammenfassung
  • Eine Laservorrichtung (100) umfasst eine Halbleiterlasereinrichtung (12a bis 12c), eine Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung (24) und eine Wärmesenke (18a bis 18c). Die Halbleiterlasereinrichtung weist eine Lichtausgabefläche (50) zum Emittieren eines Laserlichts auf. Die Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung umfasst eine Kühlmittelkammer (53) zum Aufnehmen eines Kühlmittels, eine Einflussöffnung (54), die mit der Kühlkammer kommuniziert, und eine Ausstoßöffnung (25) gegenüber der Lichtausgabefläche der Lasereinrichtung. Die Wärmesenke umfasst eine Lasermontagefläche (36) zum Montieren der Halbleiterlasereinrichtung und einen Flusspfad (68a bis 68c), über den das aus der Ausstoßöffnung ausgestoßene Kühlmittel (56) einfließt. Wenn das Kühlmittel zu der Kühlkammer zugeführt wird, stößt die Ausstoßöffnung das Kühlmittel auf die Lichtausgabefläche der Halbleiterlasereinrichtung. Weil die Lichtausgabefläche direkt durch das ausgestoßene Kühlmittel gekühlt wird, ist die Kühleffizienz hervorragend.

Claims (9)

  1. Laservorrichtung, die umfasst: eine Halbleiterlasereinrichtung, die eine Lichtausgabefläche zum Emittieren von Laserlicht aufweist, eine Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung, die eine Kühlmittelkammer zum Aufnehmen eines Kühlmittels und eine mit der Kühlmittelkammer kommunizierende Ausstoßöffnung gegenüber der Lichtausgabefläche der Lasereinrichtung aufweist, und eine Wärmesenke, die eine Lasermontagefläche zum Montieren der Halbleiterlasereinrichtung und einen ersten Kühlmittelflusspfad aufweist, über den das aus der Ausstoßöffnung ausgestoßene Kühlmittel einfließt.
  2. Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung eine Platte mit einer Hauptfläche gegenüber der Lichtausgabefläche ist, wobei die Platte das Laserlicht durchlässt, wobei die Platte einen hohlen Teil als Kühlmittelkammer aufweist, und wobei die Ausstoßöffnung in der Hauptfläche vorgesehen ist.
  3. Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung eine Kollimatorlinse mit einer ersten Linsenfläche gegenüber der Lichtausgabefläche und einer zweiten Linsenfläche ist, die weiter entfernt von der Lichtausgabefläche als die erste Linsenfläche angeordnet ist, wobei die Kollimatorlinse einen hohlen Teil als Kühlmittelkammer aufweist, und wobei die Ausstoßöffnung in der ersten Linsenfläche vorgesehen ist.
  4. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Halbleiterlasereinrichtung eine Vielzahl von Lichtemissionspunkten aufweist, die entlang einer Richtung der Lichtausgabefläche angeordnet sind, und wobei die Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen aufweist, die entlang der Richtung ausgerichtet sind, entlang welcher die Lichtemissionspunkte angeordnet sind.
  5. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Halbleiterlasereinrichtung eine Vielzahl von Lichtemissionspunkten aufweist, die entlang einer Richtung auf der Lichtausgabefläche angeordnet sind, und wobei die Ausstoßöffnung ein Schlitz ist, der sich entlang der Richtung erstreckt, entlang welcher die Lichtemissionspunkte angeordnet sind.
  6. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Lasermontagefläche eine Kühlmittel-Saugöffnung aufweist, die mit dem ersten Kühlmittelflusspfad kommuniziert.
  7. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die weiterhin eine Kühlmittel-Ausführöffnung umfasst, die mit dem ersten Kühlmittelflusspfad kommuniziert.
  8. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die weiterhin umfasst: ein Halteglied, das an der Halbleiterlasereinrichtung und der Wärmesenke montiert ist und einen zweiten Kühlmittelflusspfad aufweist, und eine Pumpe, die zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlmittelflusspfad verbunden ist, um das Kühlmittel aus dem ersten Kühlmittelflusspfad zu empfangen und das Kühlmittel zu dem zweiten Kühlmittelflusspfad auszugeben, wobei die Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung weiterhin eine Einflussöffnung aufweist, die mit der Kühlmittelkammer kommuniziert, und wobei die Kühlmittel-Ausstoßeinrichtung an dem Halteglied in einem Zustand befestigt ist, in dem die Einflussöffnung mit dem zweiten Kühlmittelflusspfad kommuniziert.
  9. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Halbleiterlasereinrichtung einen Lichtemissionspunkt aufweist, der auf der Lichtausgabefläche angeordnet ist, und wobei die Ausstoßöffnung derart angeordnet ist, dass das Kühlmittel in die Nähe des Lichtemissionspunkts in der Lichtausgabefläche der Halbleiterlasereinrichtung ausgestoßen wird.
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