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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Laservorrichtung, die Laserlicht
emittiert.
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Stand der
Technik
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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.
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Beschreibung
der Erfindung
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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.
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laservorrichtung
anzugeben, die die Lichtausgabefläche einer Halbleiterlasereinrichtung
effizient kühlen
kann.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Laservorrichtung, diagonal von
vorne gesehen.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht der Laservorrichtung, diagonal von
hinten gesehen.
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3 ist
eine perspektivische Explosionsansicht der Laservorrichtung.
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4 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von 2.
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5 ist
eine perspektivische Ansicht eines Laserdiodenarrays.
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6 ist
eine Draufsicht auf die Rückfläche einer
Fensterplatte.
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7 ist
eine perspektivische Ansicht einer Laservorrichtung, diagonal von
vorne gesehen.
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8 ist
eine perspektivische Ansicht der Laservorrichtung, diagonal von
hinten gesehen.
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9 ist
eine perspektivische Explosionsansicht der Laservorrichtung.
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10 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von 8.
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11 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie B-B von 8.
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12 ist
eine perspektivische Explosionsansicht, die Leitungen und FAC-Linsen
vergrößert zeigt.
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13 ist
eine Draufsicht auf die Rückflächen der
FAC-Linsen.
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14 ist
eine Draufsicht auf ein modifiziertes Beispiel der Fensterplatte.
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15 ist
eine Draufsicht auf ein modifiziertes Beispiel der FAC-Linsen.
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Erläuterungen der Bezugszeichen
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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.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung
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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.
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Erste Ausführungsform
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zweite Ausführungsform
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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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.
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Zusammenfassung
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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.