DE112019003763B4

DE112019003763B4 - Systeme und verfahren gegen das pumpen von thermischen grenzflächenmaterialien in hochleistungslasersystemen

Info

Publication number: DE112019003763B4
Application number: DE112019003763.3T
Authority: DE
Inventors: Bryan Lochman; Matthew SAUTER; Michael Denninger; Bien Chann; Keita Inoue; John Roethle
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-10-15
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2024-03-28
Anticipated expiration: 2039-10-11
Also published as: US11949204B2; DE112019003763T5; WO2020081333A1; US11611189B2; US20200119511A1; US20230198216A1; JP2022508764A; JP7228856B2; CN112840514A

Abstract

Laservorrichtung, umfassend:einen Strahlemitter (105);ein Laserpaket (100) mit (i) einem wärmeleitenden oberen Laserkühler (115), der oberhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter (105) angeordnet ist, und (ii) einem wärmeleitenden unteren Laserkühler (110), der unterhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter (105) angeordnet ist;eine wärmeleitende Kühlplatte (300) zur Ableitung von Wärme vom Laserpaket (100), die unterhalb des Laserpakets (100) angeordnet ist;eine elektrisch isolierende Barriereschicht (310) zur Verhinderung der elektrischen Leitung zwischen dem Laserpaket (100) und der Kühlplatte (300), die zwischen dem Laserpaket (100) und der Kühlplatte (300) angeordnet ist;ein erstes thermisches Grenzflächenmaterial (320-1), das zwischen dem Laserpaket (100) und der Barriereschicht (310) angeordnet ist;ein zweites thermisches Grenzflächenmaterial (320-2), das zwischen der Barriereschicht (310) und der Kühlplatte (300) angeordnet ist; undMittel zum Befestigen des Laserpakets (100) an der Kühlplatte (300), mit der Barriereschicht (310) und den ersten und zweiten thermischen Grenzflächenmaterialien (320-1, 320-2) dazwischen, und zum Ermöglichen einer Bewegung des Laserpakets (100) als Reaktion auf thermische Zyklen, die aus dem Betrieb des Strahlemitters (105) resultieren, wodurch die Bewegung der ersten und zweiten thermischen Grenzflächenmaterialien (320-1, 320-2) weg von der Grenzfläche zwischen dem Laserpaket (100) und der Kühlplatte (300) reduziert wird,wobei die elektrisch isolierende Barriereschicht (310) eine Vielzahl von diskreten Abschnitten mit Lücken dazwischen umfasst,wobei die Abschnitte (510) ungleichmäßig voneinander beabstandet sind, sodass Lücken (520) zwischen den Abschnitten (510) unterschiedlich breit sind und die Größen der Abschnitte (510) über die Fläche der elektrisch isolierenden Barriere variieren.

Description

Technischer Bereich
In verschiedenen Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Lasersysteme, die Grenzflächenmaterialien für das Wärmemanagement enthalten, sowie auf Mittel und Verfahren zur Minimierung oder Reduzierung des Pumpens derselben.
Hintergrund
Hochleistungs-Lasersysteme werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. zum Schweißen, Schneiden, Bohren und zur Materialbearbeitung. Solche Lasersysteme umfassen typischerweise einen Laseremitter, dessen Laserlicht in eine optische Faser (oder einfach eine „Faser“) oder ein anderes Ausbreitungsmedium (z. B. den freien Raum) eingekoppelt wird, und ein optisches System, das das Laserlicht auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. In vielen solchen Fällen wird die Laseremission von mehreren Laserdioden-Emittern oder einer Anordnung von Emittern (z. B. einem Laserbarren oder Diodenbarren) kombiniert, um einen Hochleistungs-Laserstrahl zu bilden, der solche Anwendungen ermöglicht. Während eine Vielzahl von proprietären Techniken entwickelt wurde, um Hochleistungslaserstrahlen mit unterschiedlichen Graden der Strahlqualität zu erzeugen, ist eine gemeinsame Herausforderung bei solchen Lasersystemen die effiziente Kühlung und Wärmeabfuhr. Derzeit ist es nicht ungewöhnlich, dass ein einzelner Diodenbarren bis zu 300 W Leistung liefert und auf einer Fläche von 0,5 cm2 große Wärmemengen abführt. Um große Wärmemengen abzuführen, verwenden Lasersysteme typischerweise Wärmesenken, die aus wärmeleitenden Metallen oder anderen Materialien bestehen, um die Wärme vom Laseremitter selbst weg und schließlich zum Kühlwasser in einem Lasergehäuse zu leiten, auf dem der Laser montiert ist.
Eine der größten Herausforderungen bei der Herstellung von Lasersystemen ist die Schnittstellenstruktur zwischen dem Laserpaket und dem Gehäuse, das möglicherweise flüssigkeitsgekühlt ist. So können Unvollkommenheiten in der thermischen Schnittstelle zwischen dem wärmeabgebenden Laserpaket und dem Gehäuse die Wirksamkeit der Wärmeübertragung beeinträchtigen. So können z. B. Hohlräume oder Oberflächenmerkmale, wie z. B. nicht ausgefüllte Oberflächenrauhigkeiten, die Kontaktfläche zwischen dem Laserpaket und dem Gehäuse verringern. Zwar wurden thermische Verbindungen und weiche Metalle wie Indiumfolien entwickelt, um einige dieser Probleme zu lösen, doch unterliegen viele dieser Verbindungen dem Verschleiß und/oder dem Kriechen unter thermischer Beanspruchung, wodurch sie mit der Zeit an Wirksamkeit verlieren und/oder ganz oder teilweise von der Schnittstelle entfernt werden. Daher besteht ein Bedarf an Lösungen für das Wärmemanagement, die diese Probleme angehen.
US 2016/0218483 A1 beschreibt Lasergeräte mit thermischen Verbindungsschichten zwischen verschiedenen Komponenten und Dichtungsmaterialien, die eine Bewegung des thermischen Verbindungsmaterials aus den thermischen Verbindungsschichten heraus verhindern oder verzögern.
DE 10 2014 000 510 A1 beschreibt einen Halbleiterlaser mit anisotroper Wärmeableitung.
US 2017/0092619 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung zwischen einem Deckel und einem IC-Die eines IC-Gehäuses (Chip).
US 2008/0037602 A1 beschreibt ein auf einer Wärmesenke mit einer Isolierschicht gebildetes Laserdioden-Array, wobei in der Isolierschicht eine Vielzahl von Rillen durch die Keramikschicht und zur oder in die Wärmesenke gebildet wird. Ein Laserdiodenstapel ist mit der Keramikschicht verlötet.
Zusammenfassung
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist eine Laservorrichtung mit einem oder mehreren Strahlemittern wie Laserdioden (z. B. einzelne Laserdioden, Laserdiodenbarren oder Arrays davon) in einem wärmeleitenden Gehäuse verpackt und an einer Kühlplatte befestigt, die eine zusätzliche passive oder aktive Kühlung bieten kann. In verschiedenen Ausführungsformen fungiert die Kühlplatte auch als gemeinsame Plattform für mehrere solcher verpackten Lasergeräte, von denen zwei oder mehr elektrisch miteinander verbunden sein können (z. B. in Reihe oder parallel). Die Laservorrichtung enthält eine oder mehrere Schichten eines thermischen Grenzflächenmaterials zwischen dem Gehäuse und der Kühlplatte, um den thermischen Kontakt und die Wärmeleitung weg vom Strahlemitter (z. B. während des Betriebs) zu verbessern. In verschiedenen Ausführungsformen enthält die Vorrichtung auch eine elektrisch isolierende Barriere zwischen dem Gehäuse und der Kühlplatte, um eine elektrische Leitung durch die Kühlplatte zwischen der Vorrichtung und anderen Vorrichtungen zu verhindern, die auf der Kühlplatte installiert sein können, wie z. B. andere Laservorrichtungen und andere optische, elektronische oder optoelektronische Vorrichtungen wie Steuerungen, Aktoren, Motoren, Sensoren usw.
In verschiedenen Ausführungsformen ist das Material der thermischen Schnittstelle ein konformes (z. B. gallertartiges, halbfestes, flüssiges usw.) Material, das daher anfällig für thermische Pumpeffekte ist (d. h. mechanische Abnutzung und/oder Bewegung der Struktur der thermischen Schnittstelle aufgrund von thermischen Zyklen). Beispielsweise kann der Strahlemitter während des Betriebs des Systems wiederholt ein- und ausgeschaltet werden, was zu thermischen Zyklen führt, die eine zyklische Kraft auf das Material der thermischen Grenzfläche ausüben. Diese zyklische Kraft kann dazu führen, dass das Material der thermischen Grenzfläche aus der Grenzfläche zwischen dem Gehäuse und der Kühlplatte herausgepumpt wird, wodurch die Wärmemanagement-Effizienz des Materials der thermischen Grenzfläche verringert wird und in einigen Fällen zu einem wärmebedingten Ausfall des Systems (z. B. des Strahlemitters) führt. Das Pumpen des Wärmeleitmaterials kann durch eine Fehlanpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) des Gehäuses, des Barrierematerials und/oder der Kühlplatte verschlimmert werden. Die WAK-Fehlanpassung kann dazu führen, dass während der thermischen Zyklen Scherspannungen auf das Material der thermischen Grenzfläche einwirken, die das Pumpen des Materials der thermischen Grenzfläche von der Grenzfläche weg nachteilig verstärken.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann eine elektrisch isolierende Barriere zwischen dem Gehäuse und der Kühlplatte angeordnet sein, um eine elektrische Leitung dazwischen zu verhindern; die elektrisch isolierende Barriere ist jedoch wünschenswerterweise wärmeleitend, um den Wärmefluss vom Gehäuse zur Kühlplatte zu maximieren. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine keramische (z. B. Aluminiumnitrid, Borarsenid und/oder Berylliumoxid), nichtleitende Graphit- oder Diamantschicht oder -material oder eine Kombination von zwei oder mehreren dieser Materialien oder eines oder mehrere dieser Materialien mit einem oder mehreren anderen Materialien (die elektrisch leitend sein können) als elektrisch isolierende Barriere verwendet werden. Zum Beispiel kann die Barriere eine mehrschichtige Struktur sein, und eine oder mehrere der Schichten können eines oder mehrere der oben genannten Materialien enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. In verschiedenen Ausführungsformen können eine oder mehrere der anderen Schichten eine elektrisch leitende Schicht, wie z. B. ein Metall, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, solange eine oder mehrere andere Schichten elektrisch isolierend sind.
Lasersysteme gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung reduzieren, minimieren oder eliminieren im Wesentlichen das thermische Pumpen von Materialien an der thermischen Schnittstelle und/oder dadurch induzierte Ausfälle auf mindestens eine von zwei verschiedenen Arten. Erstens enthalten Systeme gemäß Ausführungsformen der Erfindung einen oder mehrere Mechanismen, die die thermische (und/oder mechanische) Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Kühlplatte aufrechterhalten und gleichzeitig eine thermisch induzierte Ausdehnung und Kontraktion ermöglichen, um die Pumpkraft, die das Material der thermischen Schnittstelle erfährt, zu reduzieren oder im Wesentlichen zu eliminieren. In verschiedenen Ausführungsformen ist das Gehäuse beispielsweise mechanisch mit der Kühlplatte (mit dem Wärmeleitmaterial dazwischen) über ein Befestigungselement (z. B. eine Schraube) verbunden, das mit einer Feder ausgestattet ist, die eine Bewegung des Gehäuses von der Kühlplatte weg während der thermischen Zyklen ermöglicht. Das Befestigungselement und die Feder sorgen für eine ausreichende Verbindungskraft, um das Material der Wärmeleitpaste im unbeheizten (oder „kalten“) Zustand (z. B. bei der Installation, im Stillstand usw.) zusammenzudrücken, wodurch die Wirksamkeit des Materials der Wärmeleitpaste als Wärmeleiter vom Gehäuse weg maximiert wird, während gleichzeitig die Veränderung der Kraft aufgrund der thermischen Ausdehnung und Kontraktion des Gehäuses (und/oder anderer Systemkomponenten) reduziert oder minimiert wird. Während die hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen eine oder mehrere Schrauben als Befestigungsmittel verwenden, können auch andere Arten von Befestigungsmitteln verwendet werden, z. B. Bolzen, Nieten, Anker, Stangen, Einsätze usw. Hierin bezieht sich „Schraube“ auf jedes längliche Befestigungselement, das mit einem Gewinde oder einem anderen Muster entlang mindestens eines Teils seiner Länge versehen ist (z. B. ein Gewindebolzen), und das distale Ende der Schraube kann flach oder spitz sein; das Gewinde oder ein anderes Muster kann so gestaltet sein, dass es mit komplementären Gewinden in dem Objekt, an dem die Schraube befestigt ist, zusammenpasst und/oder ineinander greift.
Alternativ oder zusätzlich enthalten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung elektrisch isolierende Barriereschichten, die in mehrere diskrete Flächenabschnitte unterteilt sind, so dass das thermische Pumpen des thermischen Grenzflächenmaterials aufgrund von z. B. WAK-Fehlanpassungen zwischen der Barriereschicht und dem Laserpaket (und/oder einer oder mehreren Komponenten davon, einschließlich des Strahlemitters) reduziert oder minimiert wird. Das heißt, die elektrisch isolierende Barriereschicht bedeckt möglicherweise nicht die gesamte Grenzfläche, da zwischen den verschiedenen Abschnitten des Materials leere Lücken vorhanden sind, und die elektrisch isolierende Barriereschicht bedeckt weniger als 100 % der Grenzfläche. In verschiedenen Ausführungsformen bilden die diskreten Flächenabschnitte nur eine einzige Schicht, die eine unvollständige flächige Abdeckung der Grenzfläche bietet, im Gegensatz zu mehrschichtigen segmentierten elektrisch isolierenden Barriereschichten (z. B., die die gesamte Grenzfläche abdecken).
In verschiedenen Ausführungsformen kann die elektrisch isolierende Barriereschicht in kleinere Abschnitte in der Nähe von Stellen des Gehäuses unterteilt werden, die während des Betriebs höhere Temperaturen (d. h. eine stärkere Erwärmung) erfahren, um die Höhe der thermisch induzierten Belastung in diesen Bereichen zu verringern. Zum Beispiel können in verschiedenen Laservorrichtungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung die Bereiche des Gehäuses, die direkt unter dem Strahlemitter (z. B. einer Laserdiode oder einem Diodenbarren) liegen, lokal eine stärkere Erwärmung erfahren als die umgebenden oder anderen Bereiche. Daher erfährt in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung die elektrisch isolierende Barriereschicht und/oder das darauf befindliche Wärmeleitmaterial eine geringere thermisch induzierte Belastung. In verschiedenen Ausführungsformen sind die der geteilten elektrisch isolierenden Barriereschicht zugewandten Oberflächen des Gehäuses und/oder der Kühlplatte nominell eben, d. h. frei von Vorsprüngen oder Vertiefungen (z. B. Gräben), die die Konfiguration der elektrisch isolierenden Barriereschicht beeinflussen können. Während Ausführungsformen der Erfindung geteilte elektrisch isolierende Barriereschichten aufweisen, sind solche Schichten ausreichend (z. B. mit ausreichender Dicke), um einen elektrischen Kontakt zwischen dem Lasergerät (oder einem elektrisch leitenden Teil des Gehäuses) und der darunter liegenden Kühlplatte zu verhindern.
In verschiedenen Ausführungsformen ist das Material der thermischen Schnittstelle ein gallertartiges Material oder eine Paste, z. B. ein Wärmeleitfett oder ein Wärmeleitgel. Das Wärmeleitmaterial kann z. B. ein wärmeleitendes Lot, eine Folie, eine Paste oder ein Gelmaterial wie Indium (z. B. Indiumpaste oder -lot) oder Silberpaste enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das Material der thermischen Schnittstelle kann sogar ein flüssiges Material umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Material der Wärmeleitpaste ein Wärmeleitfett, wie z. B. ein nicht aushärtendes Fett auf Silikonbasis, oder besteht im Wesentlichen aus einem solchen. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Wärmeleitmaterial ein Phasenwechselmaterial, d. h. ein Material, das zumindest teilweise von einem festen Zustand in einen flüssigen oder gelartigen Zustand übergeht, wenn seine Temperatur die Phasenwechseltemperatur (z. B. Schmelztemperatur) erreicht, und umgekehrt, oder besteht im Wesentlichen aus einem solchen Material. Beispiele für Phasenwechselmaterialien sind die von Laird Technologies erhältlichen Materialien der Serien Tmate und Tpcm. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Phasenwechselmaterial einen Träger (z. B. Wachs wie Paraffinwachs) mit darin dispergierten Partikeln, besteht im Wesentlichen daraus oder besteht aus einem Träger. Beispielhafte Partikel umfassen Keramikpartikel, z. B. Bornitridpartikel. Beispielhafte Phasenwechselmaterialien können auch eine oder mehrere dünne Metallschichten (z. B. Folien) als Verstärkung enthalten. Bei Raumtemperatur können die Phasenwechselmaterialien die Form einer Platte oder eines Pads, eines Films oder einer Paste haben. Beispielhafte Phasenwechselmaterialien sind bei Raumtemperatur fest und haben eine Phasenwechseltemperatur unterhalb einer Betriebstemperatur der Laservorrichtung (oder einer Temperatur, die während eines thermischen Zyklus erreicht wird, den die gesamte oder ein Teil der Laservorrichtung durchläuft, oder unterhalb einer Temperatur der gesamten oder eines Teils des Laserpakets, wenn die Vorrichtung bei der Betriebstemperatur arbeitet).
In verschiedenen Ausführungsformen ist das Material der thermischen Grenzfläche frei von Partikeln, Pfosten, Drähten, Maschen oder anderen festen Merkmalen oder Elementen. In verschiedenen Ausführungsformen hat das Material der thermischen Grenzfläche eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 1 Watt pro Meter pro Kelvin (W-m-1-K-1), mindestens 5 W-m-1-K-1, mindestens 10 W-m-1-K-1, mindestens 15 W-m-1-K-1 oder sogar mindestens 20 W-m-1-K-1 in der „z“-Richtung, d. h. in der (typischerweise vertikalen oder transversalen) Richtung, die sich von der Kühlplatte zum Laserpaket oder umgekehrt erstreckt. Die Wärmeleitfähigkeit des Materials der thermischen Schnittstelle kann weniger als etwa 300 W-m-1-K-1, weniger als etwa 250 W-m-1-K-1, weniger als etwa 200 W-m-1-K-1, weniger als etwa 150 W-m-1-K-1, weniger als etwa 100 W-m-1-K-1 oder sogar weniger als etwa 50 W-m-1-K-1 betragen. In verschiedenen Ausführungsformen sind Schichten aus thermischem Grenzflächenmaterial zwischen dem Laserpaket und der elektrisch isolierenden Barriere und/oder zwischen der elektrisch isolierenden Barriere und der Kühlplatte angeordnet.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann die Kühlplatte z. B. Kupfer, Aluminium und/oder ein oder mehrere andere Metalle und/oder wärmeleitende Materialien enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Wärmeleitfähigkeit der Kühlplatte kann höher sein als die des Materials der thermischen Grenzfläche. Die Kühlplatte kann einen oder mehrere Hohlkanäle enthalten, durch die ein flüssiges Kühlmittel, wie z. B. Wasser, fließen kann, um den Wärmefluss aus dem Laserpaket zu beschleunigen. Der verpackte Strahlemitter kann somit über das thermische Grenzflächensystem, das das thermische Grenzflächenmaterial enthält, thermisch mit der Kühlplatte gekoppelt und in einem Hochleistungslasersystem (z. B. einem WBC-Lasersystem und/oder einem Lasersystem, das einen Eingangsstrahl in eine optische Faser koppelt) verwendet werden.
Wie hierin verwendet, haben Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit oder „hoch wärmeleitende Materialien“, wie solche, die für Kühlplatten oder andere Kühlkörper verwendet werden können, eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W-m-1-K-1, mindestens 170 W-m-1-K-1, mindestens 200 W-m-1-K-1, mindestens 250 W-m-1-K-1 oder sogar mindestens 300 W-m-1-K-1. Wie hierin verwendet, haben Materialien mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit oder „elektrisch leitfähige Materialien“ eine elektrische Leitfähigkeit, z. B. bei 20 °C, von mindestens 1 × 10⁵ Siemens pro Meter (S/m), mindestens 1 × 10⁶ S/m oder sogar mindestens 1 × 10⁷ S/m. Wie hier verwendet, haben Materialien mit einem hohen elektrischen Widerstand oder „elektrisch isolierende Materialien“ einen elektrischen Widerstand von mindestens 1 × 10⁸ Ohm. meter (Ω · m), mindestens 1 × 1010 Ω · m oder sogar mindestens 1 × 1012 Ω · m.
Lasergeräte gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in WBC-Systemen eingesetzt werden, um Lasersysteme mit hoher Helligkeit und niedrigem Strahlparameterprodukt (BPP) zu bilden. Das BPP ist das Produkt aus dem Divergenzwinkel (Halbwinkel) des Laserstrahls und dem Radius des Strahls an seiner engsten Stelle (d. h. die Strahltaille, die minimale Spotgröße). Der BPP quantifiziert die Qualität des Laserstrahls und wie gut er auf einen kleinen Spot fokussiert werden kann und wird typischerweise in Einheiten von Millimeter-Millradian (mm-mrad) angegeben. Ein gaußförmiger Strahl hat den geringstmöglichen BPP, der durch die Wellenlänge des Laserlichts geteilt durch pi gegeben ist. Das Verhältnis des BPP eines tatsächlichen Strahls zu dem eines idealen Gauß-Strahls bei derselben Wellenlänge wird mit M2 oder dem „Strahlqualitätsfaktor“ bezeichnet, der ein wellenlängenunabhängiges Maß für die Strahlqualität ist, wobei die „beste“ Qualität dem „niedrigsten“ Strahlqualitätsfaktor von 1 entspricht.
WBC ist eine Technik zur Skalierung der Ausgangsleistung und Helligkeit von Laserdioden, Laserdiodenbarren, Stapeln von Diodenbarren oder anderen Lasern, die in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordnet sind. In WBC-Systemen können Strahlemitter verwendet werden, die gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind. WBC-Methoden sind entwickelt worden, um Strahlen entlang einer oder beider Dimensionen eines Arrays von Emittern zu kombinieren. Typische WBC-Systeme umfassen eine Vielzahl von Emittern, wie z. B. einen oder mehrere Diodenbalken, die unter Verwendung eines dispersiven Elements kombiniert werden, um einen Multiwellenlängenstrahl zu bilden. Jeder Emitter im WBC-System schwingt individuell und wird durch wellenlängenspezifische Rückkopplung von einem gemeinsamen teilreflektierenden Ausgangskoppler stabilisiert, der durch das dispersive Element entlang einer Strahlkombinationsdimension gefiltert wird. Beispielhafte WBC-Systeme sind in den US-Patenten Nr. 6.192.062 , eingereicht am 4. Februar 2000, Nr. 6.208.679 , eingereicht am 8. September 1998, Nr. 8.670.180 , eingereicht am 25. August 2011, und Nr. 8.559.107 , eingereicht am 7. März 2011, detailliert beschrieben.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung koppeln einen oder mehrere Eingangslaserstrahlen in eine optische Faser ein. In verschiedenen Ausführungsformen hat die optische Faser mehrere Mantelschichten, die einen einzigen Kern umgeben, mehrere diskrete Kernbereiche (oder „Kerne“) innerhalb einer einzigen Mantelschicht oder mehrere Kerne, die von mehreren Mantelschichten umgeben sind.
Hierin können sich „optische Elemente“ auf Linsen, Spiegel, Prismen, Gitter und dergleichen beziehen, die elektromagnetische Strahlung umleiten, reflektieren, biegen oder auf andere Weise optisch manipulieren. Als Strahler, Emitter oder Laser bezeichnet man jede elektromagnetische strahlenerzeugende Vorrichtung, wie z. B. Halbleiterelemente, die einen elektromagnetischen Strahl erzeugen, wobei diese selbstresonierend sein können oder auch nicht. Dazu gehören auch Faserlaser, Scheibenlaser, Nicht-Festkörperlaser, etc. Im Allgemeinen enthält jeder Emitter eine rückseitige Reflexionsfläche, mindestens ein optisches Verstärkungsmedium und eine vordere Reflexionsfläche. Das optische Verstärkungsmedium erhöht die Verstärkung von elektromagnetischer Strahlung, die nicht auf einen bestimmten Teil des elektromagnetischen Spektrums beschränkt ist, sondern sichtbares, infrarotes und/oder ultraviolettes Licht sein kann. Ein Emitter kann mehrere Strahlenemitter, wie z. B. einen Diodenbalken, der so konfiguriert ist, dass er mehrere Strahlen emittiert, umfassen oder im Wesentlichen aus diesen bestehen. Die Eingangsstrahlen, die in den hier beschriebenen Ausführungsformen empfangen werden, können Einzelwellenlängen- oder Mehrwellenlängenstrahlen sein, die mit verschiedenen in der Technik bekannten Techniken kombiniert werden. Darüber hinaus umfassen Verweise auf „Laser“, „Laseremitter“ oder „Strahlemitter“ hier nicht nur Einzeldiodenlaser, sondern auch Diodenbarren, Laserarrays, Diodenbarrenarrays und einzelne oder Arrays von oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator (VCSELs).
Eine Laserdiode, wie eine in der folgenden allgemeinen Beschreibung beschriebene Laserdiode, kann in Verbindung mit Ausführungsformen der hierin beschriebenen Innovationen verwendet werden. Eine Laserdiode basiert im Allgemeinen auf einer einfachen Diodenstruktur, die die Emission von Photonen (Licht) unterstützt. Zur Verbesserung von Effizienz, Leistung, Strahlqualität, Helligkeit, Abstimmbarkeit und dergleichen wird diese einfache Struktur jedoch im Allgemeinen modifiziert, um eine Vielzahl von vielen praktischen Typen von Laserdioden bereitzustellen. Zu den Laserdiodentypen gehören kleine kantenemittierende Varianten, die von einigen Milliwatt bis zu etwa einem halben Watt Ausgangsleistung in einem Strahl mit hoher Strahlqualität erzeugen. Strukturelle Typen von Diodenlasern umfassen Doppel-Heterostruktur-Laser, die eine Schicht aus Material mit niedriger Bandlücke zwischen zwei Schichten mit hoher Bandlücke enthalten; Quantentopf-Laser, die eine sehr dünne Mittelschicht (Quantentopf-Schicht) enthalten, was zu einer hohen Effizienz und Quantisierung der Laserenergie führt; Multiple-Quantum-Well-Laser, die mehr als eine Quantum-Well-Schicht enthalten, verbessern die Verstärkungseigenschaften; Quanten-Draht- oder Quanten-Meer(-Punkte)-Laser, die die mittlere Schicht durch einen Draht oder Punkte ersetzen, wodurch Quanten-Well-Laser mit höherem Wirkungsgrad entstehen; Quanten-Kaskadenlaser, die eine Laserwirkung bei relativ langen Wellenlängen ermöglichen, die durch Veränderung der Dicke der Quantenschicht abgestimmt werden können; Heterostrukturlaser mit getrenntem Einschluss, die die gebräuchlichste kommerzielle Laserdiode sind und zwei weitere Schichten über und unter der Quantentopfschicht enthalten, um das erzeugte Licht effizient einzuschließen; Laser mit verteilter Rückkopplung, die häufig in anspruchsvollen optischen Kommunikationsanwendungen verwendet werden und ein integriertes Beugungsgitter enthalten, das die Erzeugung eines stabilen Wellenlängensatzes während der Herstellung erleichtert, indem eine einzelne Wellenlänge zurück in den Verstärkungsbereich reflektiert wird; Vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs), die eine andere Struktur als andere Laserdioden haben, da das Licht von der Oberfläche und nicht von der Kante emittiert wird; und vertical-external-cavity surface-emitting-laser (VECSELs) und external-cavity diode lasers, die abstimmbare Laser sind, die hauptsächlich Doppel-Heterostruktur-Dioden verwenden und Gitter oder Mehrfach-Prismen-Gitter-Konfigurationen enthalten. Diodenlaser mit externem Resonator sind oft wellenlängenabstimmbar und weisen eine kleine Emissionslinienbreite auf. Zu den Diodenlaser-Typen gehören auch eine Vielzahl von diodenbasierten Hochleistungslasern, darunter: Breitstreifenlaser, die durch Multimode-Dioden mit länglichen Ausgangsfacetten charakterisiert sind und in der Regel eine schlechte Strahlqualität haben, aber einige Watt Leistung erzeugen; Trapezlaser, die durch astigmatische Moden-Dioden mit konischen Ausgangsfacetten charakterisiert sind und im Vergleich zu Breitstreifenlasern eine bessere Strahlqualität und Helligkeit aufweisen; Ridge-Waveguide-Laser, die durch elliptische Moden-Dioden mit ovalen Ausgangsfacetten charakterisiert sind; und Slab-Coupled Optical Waveguide-Laser (SCOWL), die durch kreisförmige Moden-Dioden mit Ausgangsfacetten charakterisiert sind und Watt-Leistung in einem beugungsbegrenzten Strahl mit nahezu kreisförmigem Profil erzeugen können.
Laserdioden-Arrays, -Balken und/oder -Stapel können in Verbindung mit Ausführungsformen der hier beschriebenen Innovationen verwendet werden. Laserdioden können einzeln oder in Gruppen verpackt sein, im Allgemeinen in eindimensionalen Reihen/Arrays (Diodenbarren) oder zweidimensionalen Arrays (Diodenbarrenstapel). Ein Diodenarray-Stapel ist im Allgemeinen ein vertikaler Stapel von Diodenbarren. Laserdiodenbarren oder -arrays erreichen im Allgemeinen eine wesentlich höhere Leistung und Kosteneffizienz als eine äquivalente einzelne Breitfelddiode. Hochleistungsdiodenbarren enthalten in der Regel ein Array aus breitflächigen Emittern, die mehrere zehn Watt bei relativ schlechter Strahlqualität erzeugen; trotz der höheren Leistung ist die Helligkeit oft geringer als bei einer breitflächigen Laserdiode. Hochleistungsdiodenbarren können gestapelt werden, um extrem hohe Leistungen von Hunderten oder Tausenden von Watt zu erzeugen. Laserdioden-Arrays können so konfiguriert werden, dass sie einen Strahl in den freien Raum oder in eine Faser emittieren. Fasergekoppelte Diodenlaser-Arrays können bequem als Pumpquelle für Faserlaser und Faserverstärker verwendet werden.
Ein Diodenlaserbarren ist eine Art von Halbleiterlaser, der eine eindimensionale Anordnung von breitflächigen Emittern oder alternativ Teilanordnungen mit z. B. 10-20 schmalen Streifenemittern enthält. Ein breitflächiger Diodenbarren enthält typischerweise z.B. 19-49 Emitter, die jeweils Abmessungen in der Größenordnung von z.B. 1 µm × 100 µm haben. Die Strahlqualität entlang der 1 µm-Dimension oder schnellen Achse ist typischerweise beugungsbegrenzt. Die Strahlqualität entlang der 100-µm-Dimension oder der langsamen Achse oder der Array-Dimension ist typischerweise um ein Vielfaches beugungsbegrenzt. Typischerweise hat ein Diodenbarren für kommerzielle Anwendungen eine Laserresonatorlänge in der Größenordnung von 1 bis 4 mm, ist etwa 10 mm breit und erzeugt einige zehn Watt Ausgangsleistung. Die meisten Diodenbarren arbeiten im Wellenlängenbereich von 780 bis 1070 nm, wobei die Wellenlängen von 808 nm (zum Pumpen von Neodym-Lasern) und 940 nm (zum Pumpen von Yb:YAG) am prominentesten sind. Der Wellenlängenbereich von 915-976 nm wird zum Pumpen von Erbium-dotierten oder Ytterbium-dotierten Hochleistungs-Faserlasern und -Verstärkern verwendet.
In einem Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung eine Laservorrichtung auf, die einen Strahlemitter, ein Laserpaket, eine wärmeleitende Kühlplatte zum Ableiten von Wärme von dem Laserpaket, eine elektrisch isolierende Barriereschicht zum Verhindern einer elektrischen Leitung zwischen dem Laserpaket und der Kühlplatte ein erstes thermisches Grenzflächenmaterial, ein zweites thermisches Grenzflächenmaterial und Mittel zum Befestigen des Laserpakets an der Kühlplatte, mit der Barriereschicht und dem ersten und zweiten thermischen Grenzflächenmaterial dazwischen, und zum Ermöglichen einer Bewegung des Laserpakets in Reaktion auf thermische Zyklen, die sich aus dem Betrieb des Strahlemitters ergeben. Das Laserpaket kann einen wärmeleitenden unteren Laserkühler enthalten, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen, der unterhalb des Strahlemitters und in thermischem Kontakt mit diesem angeordnet ist. Das Laserpaket kann (i) einen wärmeleitenden oberen Laserkühler, der oberhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter angeordnet ist, und (ii) einen wärmeleitenden unteren Laserkühler, der unterhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter angeordnet ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Kühlplatte ist unterhalb des Laserpakets angeordnet. Die Barriereschicht ist zwischen dem Laserpaket und der Kühlplatte angeordnet. Das erste thermische Grenzflächenmaterial ist zwischen dem Laserpaket und der Barriereschicht angeordnet. Das zweite Wärmeleitmaterial ist zwischen der Barriereschicht und der Kühlplatte angeordnet. Die Bewegung des ersten und zweiten Wärmeleitmaterials weg von der Schnittstelle zwischen dem Laserpaket und der Kühlplatte kann reduziert werden.
Erfindungsgemäß umfasst die elektrisch isolierende Barriereschicht eine Vielzahl von diskreten Abschnitten mit Lücken dazwischen. Die Abschnitte sind ungleichmäßig voneinander beabstandet, sodass Lücken zwischen den Abschnitten unterschiedlich breit sind und die Größen der Abschnitte über die Fläche der elektrisch isolierenden Barriere variieren.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale in einer beliebigen Kombination umfassen. Die Befestigungsmittel können ein elastisches Element und ein Befestigungselement umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, wobei das Befestigungselement das Laserpaket an der Kühlplatte befestigt und das elastische Element zusammendrückt. Das elastische Element kann so konfiguriert sein, dass es als Reaktion auf eine thermisch induzierte Ausdehnung des Laserpakets zusätzlich komprimiert wird. Das Befestigungselement kann eine oder mehrere Schrauben umfassen, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen. Das elastische Element kann mindestens eine Feder enthalten, im Wesentlichen aus einer solchen bestehen oder aus einer solchen bestehen. Der Strahlemitter kann einen Diodenbalken umfassen, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen, der so konfiguriert ist, dass er mehrere diskrete Strahlen emittiert. Der obere Laserkühler und/oder der untere Laserkühler können Kupfer enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Kühlplatte kann Aluminium enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Barriereschicht kann Aluminiumnitrid enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das erste thermische Grenzflächenmaterial und/oder das zweite thermische Grenzflächenmaterial kann ein Gel, ein Lot, eine Paste oder eine Flüssigkeit enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das erste thermische Grenzflächenmaterial und/oder das zweite thermische Grenzflächenmaterial kann ein Phasenwechselmaterial enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einem solchen bestehen. Die Laservorrichtung kann ein zweites Laserpaket enthalten, das über der Kühlplatte angeordnet und/oder daran befestigt ist. Eine Stromschiene kann das Laserpaket mit dem zweiten Laserpaket elektrisch verbinden. In dem zweiten Laserpaket kann ein zweiter Strahlemitter angeordnet sein. Die elektrisch isolierende Barriereschicht kann eine oder mehrere Schichten umfassen, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen, die sich lückenlos zwischen dem Laserpaket und der Kühlplatte erstrecken. Das erste thermische Grenzflächenmaterial und das zweite thermische Grenzflächenmaterial können dasselbe Material enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus demselben Material bestehen. Das erste thermische Grenzflächenmaterial und das zweite thermische Grenzflächenmaterial können unterschiedliche Materialien enthalten, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen.
In einem anderen Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung eine Laservorrichtung auf, die einen Strahlemitter, ein Laserpaket, eine wärmeleitende Kühlplatte zum Ableiten von Wärme vom Laserpaket, eine elektrisch isolierende Barriereschicht zum Verhindern einer elektrischen Leitung zwischen dem Laserpaket und der Kühlplatte, ein thermisches Grenzflächenmaterial und Mittel zum Befestigen des Laserpakets an der Kühlplatte mit der Barriereschicht und dem thermischen Grenzflächenmaterial dazwischen umfasst, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht und eine Bewegung des Laserpakets als Reaktion auf thermische Zyklen ermöglicht, die aus dem Betrieb des Strahlemitters resultieren. Das Laserpaket kann einen wärmeleitenden unteren Laserkühler enthalten, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen, der unterhalb des Strahlemitters und in thermischem Kontakt mit diesem angeordnet ist. Das Laserpaket kann (i) einen wärmeleitenden oberen Laserkühler, der oberhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter angeordnet ist, und (ii) einen wärmeleitenden unteren Laserkühler, der unterhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter angeordnet ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Kühlplatte ist unterhalb des Laserpakets angeordnet. Die Barriereschicht ist zwischen dem Laserpaket und der Kühlplatte angeordnet. Das thermische Grenzflächenmaterial ist (i) zwischen dem Laserpaket und der Barriereschicht oder (ii) zwischen der Barriereschicht und der Kühlplatte angeordnet. Die Bewegung des Wärmeleitmaterials weg von der Schnittstelle zwischen dem Laserpaket und der Kühlplatte kann reduziert werden.
Erfindungsgemäß umfasst die elektrisch isolierende Barriereschicht eine Vielzahl von diskreten Abschnitten mit Lücken dazwischen. Die Abschnitte sind ungleichmäßig voneinander beabstandet, sodass Lücken zwischen den Abschnitten unterschiedlich breit sind und die Größen der Abschnitte über die Fläche der elektrisch isolierenden Barriere variieren.
Ausführungsformen der Erfindung können einen oder mehrere der folgenden Punkte in einer beliebigen Kombination enthalten. Das thermische Grenzflächenmaterial kann zwischen dem Laserpaket und der Barriereschicht angeordnet sein. Das thermische Grenzflächenmaterial kann zwischen der Barriereschicht und der Kühlplatte angeordnet sein. Die Befestigungsmittel können ein elastisches Element und ein Befestigungselement umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, wobei das Befestigungselement das Laserpaket an der Kühlplatte befestigt und das elastische Element zusammendrückt. Das elastische Element kann so konfiguriert sein, dass es als Reaktion auf die thermisch induzierte Ausdehnung des Laserpakets zusätzlich komprimiert wird. Das Befestigungselement kann eine oder mehrere Schrauben umfassen, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen. Das elastische Element kann mindestens eine Feder enthalten, im Wesentlichen aus einer solchen bestehen oder aus einer solchen bestehen. Der Strahlemitter kann einen Diodenbalken umfassen, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen, der so konfiguriert ist, dass er mehrere diskrete Strahlen emittiert. Der obere Laserkühler und/oder der untere Laserkühler können Kupfer enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Kühlplatte kann Aluminium enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Barriereschicht kann Aluminiumnitrid enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das Material der thermischen Grenzfläche kann ein Gel, ein Lot, eine Paste oder eine Flüssigkeit enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das Material der thermischen Grenzfläche kann ein Phasenwechselmaterial enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einem solchen bestehen. Die Laservorrichtung kann ein zweites Laserpaket enthalten, das über der Kühlplatte angeordnet und/oder daran befestigt ist. Eine Stromschiene kann das Laserpaket mit dem zweiten Laserpaket elektrisch verbinden. In dem zweiten Laserpaket kann ein zweiter Strahlemitter angeordnet sein. Die elektrisch isolierende Barriereschicht kann eine oder mehrere Schichten umfassen, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen, die sich lückenlos zwischen dem Laserpaket und der Kühlplatte erstrecken.
In einem weiteren Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung eine Laservorrichtung auf, die einen Strahlemitter, ein Laserpaket, eine wärmeleitende Kühlplatte zum Ableiten von Wärme von dem Laserpaket, eine elektrisch isolierende Barriereschicht zum Verhindern einer elektrischen Leitung zwischen dem Laserpaket und der Kühlplatte, ein erstes thermisches Grenzflächenmaterial und ein zweites thermisches Grenzflächenmaterial enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht. Das Laserpaket kann einen wärmeleitenden unteren Laserkühler enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einem solchen bestehen, der unterhalb des Strahlemitters und in thermischem Kontakt mit diesem angeordnet ist. Das Laserpaket kann (i) einen wärmeleitenden oberen Laserkühler, der oberhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter angeordnet ist, und (ii) einen wärmeleitenden unteren Laserkühler, der unterhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter angeordnet ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Kühlplatte ist unterhalb des Laserpakets angeordnet. Die Barriereschicht ist zwischen dem Laserpaket und der Kühlplatte angeordnet. Das erste thermische Grenzflächenmaterial ist zwischen dem Laserpaket und der Barriereschicht angeordnet. Das zweite thermische Grenzflächenmaterial ist zwischen der Barriereschicht und der Kühlplatte angeordnet. Die elektrisch isolierende Barriereschicht umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus einer Vielzahl von diskreten Flächenabschnitten mit Lücken dazwischen. Die Abschnitte sind ungleichmäßig voneinander beabstandet, sodass Lücken zwischen den Abschnitten unterschiedlich breit sind und die Größen der Abschnitte über die Fläche der elektrisch isolierenden Barriere variieren.
Ausführungsformen der Erfindung können einen oder mehrere der folgenden Punkte in einer beliebigen Kombination enthalten. Der Strahlemitter kann eine Diodenleiste umfassen, im Wesentlichen aus dieser bestehen oder aus dieser bestehen, die so konfiguriert ist, dass sie mehrere diskrete Strahlen emittiert. Der obere Laserkühler und/oder der untere Laserkühler können Kupfer enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus Kupfer bestehen. Die Kühlplatte kann Aluminium enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Barriereschicht kann Aluminiumnitrid enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das erste thermische Grenzflächenmaterial und/oder das zweite thermische Grenzflächenmaterial kann ein Gel, ein Lot, eine Paste oder eine Flüssigkeit enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das erste thermische Grenzflächenmaterial und/oder das zweite thermische Grenzflächenmaterial kann ein Phasenwechselmaterial enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einem solchen bestehen. Die Laservorrichtung kann ein zweites Laserpaket enthalten, das über der Kühlplatte angeordnet und/oder daran befestigt ist. Eine Stromschiene kann das Laserpaket mit dem zweiten Laserpaket elektrisch verbinden. In dem zweiten Laserpaket kann ein zweiter Strahlemitter angeordnet sein. Das erste Material der thermischen Grenzfläche und das zweite Material der thermischen Grenzfläche können das gleiche Material enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus dem gleichen Material bestehen. Das erste thermische Grenzflächenmaterial und das zweite thermische Grenzflächenmaterial können unterschiedliche Materialien enthalten, im Wesentlichen aus diesen bestehen oder aus diesen bestehen.
In einem anderen Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung eine Laservorrichtung auf, die einen Strahlemitter, ein Laserpaket, eine wärmeleitende Kühlplatte zur Ableitung von Wärme vom Laserpaket, eine elektrisch isolierende Barriereschicht zur Verhinderung der elektrischen Leitung zwischen dem Laserpaket und der Kühlplatte und ein Material mit einer thermischen Grenzfläche enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht. Das Laserpaket kann einen wärmeleitenden unteren Laserkühler enthalten, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus einem solchen bestehen, der unterhalb des Strahlemitters und in thermischem Kontakt mit diesem angeordnet ist. Das Laserpaket kann (i) einen wärmeleitenden oberen Laserkühler, der oberhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter angeordnet ist, und (ii) einen wärmeleitenden unteren Laserkühler, der unterhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter angeordnet ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Kühlplatte ist unterhalb des Laserpakets angeordnet. Die Barriereschicht ist zwischen dem Laserpaket und der Kühlplatte angeordnet. Das thermische Grenzflächenmaterial ist (i) zwischen dem Laserpaket und der Barriereschicht oder (ii) zwischen der Barriereschicht und der Kühlplatte angeordnet. Die elektrisch isolierende Barriereschicht umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus einer Vielzahl von diskreten Flächenabschnitten mit dazwischen liegenden Lücken. Die Abschnitte sind ungleichmäßig voneinander beabstandet, sodass Lücken zwischen den Abschnitten unterschiedlich breit sind und die Größen der Abschnitte über die Fläche der elektrisch isolierenden Barriere variieren.
Ausführungsformen der Erfindung können einen oder mehrere der folgenden Punkte in einer beliebigen Kombination enthalten. Das thermische Grenzflächenmaterial kann zwischen dem Laserpaket und der Barriereschicht angeordnet sein. Das thermische Grenzflächenmaterial kann zwischen der Barriereschicht und der Kühlplatte angeordnet sein. Der Strahlemitter kann eine Diodenleiste enthalten, im Wesentlichen aus einer solchen bestehen oder aus einer solchen bestehen, die so konfiguriert ist, dass sie mehrere diskrete Strahlen emittiert. Der obere Laserkühler und/oder der untere Laserkühler können Kupfer enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus Kupfer bestehen. Die Kühlplatte kann Aluminium enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Barriereschicht kann Aluminiumnitrid enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das Material der thermischen Grenzfläche kann ein Gel, ein Lot, eine Paste oder eine Flüssigkeit enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das Material der thermischen Grenzfläche kann ein Phasenwechselmaterial enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einem solchen bestehen. Die Laservorrichtung kann ein zweites Laserpaket enthalten, das über der Kühlplatte angeordnet und/oder daran befestigt ist. Eine Stromschiene kann das Laserpaket mit dem zweiten Laserpaket elektrisch verbinden. In dem zweiten Laserpaket kann ein zweiter Strahlemitter angeordnet sein.
In einem anderen Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung eine Laservorrichtung auf, die einen Strahlemitter, ein Laserpaket, eine wärmeleitende Kühlplatte zum Ableiten von Wärme vom Laserpaket und eine elektrisch isolierende Barriereschicht zum Verhindern einer elektrischen Leitung zwischen dem Laserpaket und der Kühlplatte enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht. Das Laserpaket kann einen wärmeleitenden unteren Laserkühler enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einem solchen bestehen, der unterhalb des Strahlemitters und in thermischem Kontakt mit diesem angeordnet ist. Das Laserpaket kann (i) einen wärmeleitenden oberen Laserkühler, der oberhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter angeordnet ist, und (ii) einen wärmeleitenden unteren Laserkühler, der unterhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter angeordnet ist, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Kühlplatte ist unterhalb des Laserpakets angeordnet. Die Barriereschicht ist zwischen dem Laserpaket und der Kühlplatte angeordnet. Die elektrisch isolierende Barriereschicht umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus einer Vielzahl von diskreten Flächenabschnitten mit dazwischen liegenden Lücken. Die Abschnitte sind ungleichmäßig voneinander beabstandet, sodass Lücken zwischen den Abschnitten unterschiedlich breit sind und die Größen der Abschnitte über die Fläche der elektrisch isolierenden Barriere variieren.
Ausführungsformen der Erfindung können einen oder mehrere der folgenden Punkte in einer beliebigen Kombination enthalten. Der Strahlemitter kann einen Diodenbarren umfassen, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen, der so konfiguriert ist, dass er mehrere diskrete Strahlen emittiert. Der obere Laserkühler und/oder der untere Laserkühler können Kupfer enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus Kupfer bestehen. Die Kühlplatte kann Aluminium enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Barriereschicht kann Aluminiumnitrid enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Laservorrichtung kann ein zweites Laserpaket enthalten, das über der Kühlplatte angeordnet und/oder daran befestigt ist. Eine Stromschiene kann das Laserpaket mit dem zweiten Laserpaket elektrisch verbinden. In dem zweiten Laserpaket kann ein zweiter Strahlemitter angeordnet sein.
Diese und andere Objekte, zusammen mit Vorteilen und Merkmalen der hier offengelegten vorliegenden Erfindung, werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die begleitenden Zeichnungen und die Ansprüche deutlicher werden. Darüber hinaus ist es zu verstehen, dass die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen hierin beschrieben sind nicht gegenseitig ausschließen und können in verschiedenen Kombinationen und Permutationen existieren. Wie hierin verwendet, bedeuten die Begriffe „ungefähr“, „etwa“ und „im Wesentlichen“ ±10%, und in einigen Ausführungsformen ±5%. Der Begriff „besteht im Wesentlichen aus“ bedeutet, dass andere Materialien, die zur Funktion beitragen, ausgeschlossen sind, sofern hier nicht anders definiert. Nichtsdestotrotz können solche anderen Materialien gemeinsam oder einzeln in Spurenmengen vorhanden sein. Zum Beispiel kann eine Struktur, die „im Wesentlichen aus“ einem oder mehreren Materialien besteht, das eine oder die mehreren Materialien und unbeabsichtigte Verunreinigungen enthalten (z. B. Verunreinigungen, die nicht absichtlich eingebracht wurden und/oder in zu geringen Konzentrationen vorhanden sind, um zur Funktion beizutragen; solche Verunreinigungen können durch chemische Analyse nachweisbar sein). Im Folgenden werden die Begriffe „Strahlung“ und „Licht“ austauschbar verwendet, sofern nicht anders angegeben. Hierin wird „stromabwärts“ oder „optisch stromabwärts“ verwendet, um die relative Position eines zweiten Elements anzugeben, auf das ein Lichtstrahl trifft, nachdem er auf ein erstes Element gestoßen ist, wobei das erste Element „stromaufwärts“ oder „optisch stromaufwärts“ des zweiten Elements liegt. Dabei ist der „optische Abstand“ zwischen zwei Komponenten der Abstand zwischen zwei Komponenten, der tatsächlich von Lichtstrahlen durchlaufen wird; der optische Abstand kann, muss aber nicht dem physikalischen Abstand zwischen zwei Komponenten entsprechen, z. B. aufgrund von Reflexionen an Spiegeln oder anderen Änderungen der Ausbreitungsrichtung, die das Licht auf dem Weg von einer der Komponenten zur anderen erfährt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen auf dieselben Teile in den verschiedenen Ansichten. Auch sind die Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu, wobei der Schwerpunkt im Allgemeinen auf der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung liegt. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Laserpakets gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
ist eine Explosionsdarstellung des Laserpakets aus ;
ist eine Ansicht eines beispielhaften Laserpakets, das auf einer Kühlplatte gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung installiert ist;
ist eine schematische Querschnittsansicht eines beispielhaften Laserpakets, das auf einer Kühlplatte gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung installiert ist;
5 ist eine schematische Draufsicht auf eine geteilte elektrisch isolierende Barriere gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung; und
ist eine schematische Ansicht eines wellenlängenstrahlkombinierenden Lasersystems mit einem verpackten Laser gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung
In den 1 und 2 ist ein beispielhaftes Laserpaket 100 dargestellt, das gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Wie dargestellt, ist im Laserpaket 100 ein Strahlemitter 105 zwischen einem unteren Laserkühler 110 und einem oberen Laserkühler 115 angeordnet. Der Strahlemitter 105 kann z. B. eine Laserdiode, einen Diodenbarren, ein Array von Laserdioden, ein Array von Diodenbarren oder einen oder mehrere oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSELs) umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Laserkühler 110, 115 sind thermisch mit dem Strahlemitter 105 und elektrisch jeweils mit einer der Elektroden (d. h. der Anode und der Kathode) des Strahlemitters 105 verbunden. Beispielsweise kann der untere Laserkühler 110 elektrisch mit der Anode des Strahlemitters 105 und der obere Laserkühler 115 elektrisch mit der Kathode des Strahlemitters 105 verbunden sein, oder andersherum. Die Laserkühler 110, 115 sind typischerweise hoch thermisch und elektrisch leitfähig; daher umfassen die Laserkühler 110, 115 in verschiedenen Ausführungsformen ein oder mehrere Metalle wie Kupfer, Silber oder Gold, bestehen im Wesentlichen daraus oder bestehen aus einem oder mehreren Metallen. Eine elektrisch isolierende Schicht und/oder ein elektrisch isolierendes Material kann zwischen den Laserkühlern 110, 115 (oder Teilen davon) angeordnet sein, so dass die einzige elektrische Verbindung dazwischen durch den Strahlemitter 105 selbst besteht.
Einer oder beide der Laserkühler 110, 115 können Merkmale und/oder Materialien aufweisen. Einer oder beide der Laserkühler 110, 115 und/oder das Laserpaket 100 können aktiv flüssigkeitsgekühlt sein.
In 3 ist eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der das Laserpaket 100 auf einer Kühlplatte 300 installiert ist. Wie dargestellt, kann zwischen dem Laserpaket 100 und der Kühlplatte 300 eine elektrisch isolierende Barriere 310 und zwischen dem Laserpaket 100 und der elektrisch isolierenden Barriere 310 ein Wärmeleitmaterial 320 angeordnet sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine zusätzliche Schicht aus Wärmeleitmaterial zwischen der elektrisch isolierenden Barriere 310 und der Kühlplatte 300 angeordnet sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann eines oder beide der Wärmegrenzflächenmaterialien beispielsweise eine metallische Flüssigkeit oder Paste (z. B. eine Flüssigkeit oder Paste, die Indium enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht) und/oder einen wärmeleitenden, elektrisch isolierenden festen Film oder eine Folie (z. B. einen Film oder eine Folie, die Silikon enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht und ein oder mehrere Füllmaterialien wie Bornitrid enthält) enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen.
Die Kühlplatte 300 kann ein oder mehrere wärmeleitende Materialien wie Kupfer, Aluminium und/oder Silber enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Kühlplatte Aussparungen und/oder Kanäle (in 3 nicht dargestellt) für den Durchfluss einer Kühlflüssigkeit (z. B. Wasser oder ein Glykol) enthalten oder darin definiert sein, um eine aktive Kühlung des Laserpakets 100 zu gewährleisten. Eine Kühlmittelquelle und eine Kühlmittelsenke können mit den Kühlkanälen verbunden sein, und ein Kühlmittelreservoir und z. B. ein Wärmetauscher können mit dem Kühlkanal in Fluidverbindung stehen und diesen mit Kühlmittel versorgen. Solche Kühlsysteme sind herkömmlich und können mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ohne übermäßige Experimente verwendet werden. Kühlkanäle innerhalb der Kühlplatte 300 können einfache Leitungen und/oder Leitungen oder Leitungsnetzwerke sein, die komplexe Merkmale wie Windungen, Verzweigungen usw. aufweisen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die elektrisch isolierende Barriere 310 weggelassen werden, und zwischen dem Laserpaket 100 und der Kühlplatte 300 kann nur eine einzige Schicht aus Wärmeleitmaterial 320 angeordnet sein. Die Kühlplatte kann beispielsweise elektrisch widerstandsfähig sein oder eine elektrisch isolierende Schicht darauf aufweisen, und/oder der untere Laserkühler 110 kann zumindest auf seiner Unterseite eine elektrisch isolierende Schicht aufweisen, um eine elektrische Leitung vom Laserpaket 100 zur Kühlplatte 300 zu verhindern.
Wie in gezeigt, können der untere Laserkühler 110 und der obere Laserkühler 115 über ein oder mehrere Befestigungselemente 330, z. B. Schrauben, miteinander verbunden werden. In verschiedenen Ausführungsformen erstrecken sich die Befestigungselemente in Löcher, die in der Kühlplatte 300 definiert sind, und können mit einem Gewinde versehen sein, um in komplementäre Gewinde einzugreifen, die in den Löchern in der Kühlplatte 300 definiert sind. Wie ebenfalls in 3 gezeigt, können in Ausführungsformen, in denen mehrere Laserpakete 100 an einer gemeinsamen Kühlplatte 300 befestigt sind, die Laserpakete 100 über eine oder mehrere Stromschienen 340 elektrisch miteinander verbunden sein. Beispielsweise können, wie dargestellt, die Laserkühler 110, 115 elektrisch leitende Pfosten enthalten oder an ihnen befestigt sein, an die die Stromschienen 340 angeschlossen sind. Die Stromschienen 340 können ein elektrisch leitfähiges Material, z. B. ein Metall wie Kupfer, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einem solchen bestehen. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Stromschienen 340 so konfiguriert (z. B. in Größe und Form), dass sie Strom aus dem Laserpaket 100 mit minimalem Widerstandsverlust leiten. Wie in 3 gezeigt, können benachbarte Laserpakete 100 elektrisch in Reihe geschaltet werden, d. h. der obere Laserkühler von einem (und damit eine Elektrode des entsprechenden Strahlemitters) kann mit dem unteren Laserkühler des nächsten (und damit der gegenüberliegenden Elektrode des nächsten Strahlemitters) verbunden werden. Stromschienen 340 können auch verwendet werden, um die Laserpakete 100 mit anderen elektronischen Geräten und/oder Stromquellen (z. B. Stromquellen) zu verbinden.
Wie in gezeigt, ist in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Strahlemitter 105 (der zwischen dem unteren Laserkühler 110 und dem oberen Laserkühler 115 angeordnet und in nicht deutlich sichtbar ist) mit einer Fast-Axis-Kollimator (FAC)/optischen Twister-Mikrolinsenbaugruppe verbunden (z. B., (z. B. angebracht oder anderweitig optisch gekoppelt) eine Fast-Axis-Kollimator (FAC)/optische Twister-Mikrolinsenbaugruppe, die die schnelle Achse der emittierten Strahlen kollimiert, während die schnellen und langsamen Achsen der Strahlen um 90° gedreht werden, so dass die langsame Achse jedes emittierten Strahls senkrecht zur WBC-Dimension stromabwärts der Mikrolinsenbaugruppe liegt. Wie dargestellt, kann die Mikrolinsenbaugruppe einen FAC 350 und einen optischen Verdreher (oder optischen Rotator) 360 umfassen, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen, der mechanisch von einem Halter 370 getragen werden kann. Die Mikrolinsenbaugruppe kann in WBC-Ausführungen auch die Hauptstrahlen der Emitter vom Strahlemitter 105 (und/oder anderen Strahlemittern in der Laservorrichtung) auf ein nachgeschaltetes dispersives Element konvergieren, um sie zu einem einzigen Mehrwellenlängenstrahl zu kombinieren. Geeignete Mikrolinsenbaugruppen sind in den US-Patenten Nr. 8,553,327 , eingereicht am 7. März 2011, und Nr. 9,746,679 , eingereicht am 8. Juni 2015, beschrieben.
4 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines Laserpakets 100, das an der Kühlplatte 300 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung befestigt ist. Wie dargestellt, weisen Ausführungsformen der Erfindung ein erstes thermisches Grenzflächenmaterial 320-1 zwischen dem Laserpaket 100 und der elektrisch isolierenden Barriere 310 sowie ein zweites thermisches Grenzflächenmaterial 320-2 zwischen der elektrisch isolierenden Barriere 310 und der Kühlplatte 300 auf. In verschiedenen Ausführungsformen umfassen die Wärmegrenzflächenmaterialien 320-1, 320-2 dasselbe Material, bestehen im Wesentlichen aus demselben Material oder bestehen aus demselben Material, während in anderen Ausführungsformen die Wärmegrenzflächenmaterialien 320-1, 320-2 unterschiedliche Materialien umfassen, im Wesentlichen aus demselben Material bestehen oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die elektrisch isolierende Barriere 310 in diskrete Abschnitte unterteilt sein, wie unten näher erläutert. So kann in Ausführungsformen der Erfindung die elektrisch isolierende Barriere 310 nicht den gesamten Bereich der Schnittstelle zwischen dem Laserpaket 100 und der Kühlplatte 300 einnehmen.
Wie in 4 gezeigt, kann eine Feder 400 zwischen einem oberen Abschnitt (z. B. einem Kopf) des Befestigungselements 330 und dem Laserpaket 100 angeordnet sein, wodurch sich das Laserpaket 100 freier bewegen (z. B. ausdehnen und/oder zusammenziehen) kann, z. B. während thermischer Zyklen, die mit dem Betrieb des Strahlemitters 105 verbunden sind. Beispielsweise kann sich das Laserpaket 100 seitlich oder in Längsrichtung (d.h. entlang der Grenzfläche) und/oder in Querrichtung (d.h. weg von der Grenzfläche, z.B. senkrecht dazu) bewegen, ausdehnen und/oder zusammenziehen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Feder 400 ein Metall (z. B. Edelstahl), eine Metalllegierung oder ein hochtemperaturbeständiges Polymer, Fluorpolymer, Elastomer oder Kunststoffmaterial enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. In verschiedenen Ausführungsformen können die Federn 400 elektrisch leitend oder elektrisch isolierend sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine elektrisch isolierende Barriereschicht oder ein Sperrmaterial zwischen der Feder 400 und dem Laserpaket 100 angeordnet sein, um eine elektrische Leitung dazwischen zu verhindern. Beispielsweise kann eine Unterlegscheibe, die ein elektrisch isolierendes Material (z. B. ein thermoplastisches oder polymeres Material wie Polyetherimid) enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht, auf oder um das Befestigungselement 330 und/oder zwischen der Feder 400 und dem Laserpaket 100 angeordnet sein.
Wie hier verwendet, umfasst der Begriff „Feder“ jede elastische Einheit, jedes elastische Element oder Objekt, das mechanische Energie reversibel speichert. Beispielhafte Federn 400 umfassen Schraubenfedern, Wellenfedern, Tellerfedern, Blattfedern, Belleville-Federn (d. h. konische Tellerfedern) und/oder Bälge. Die Feder 400 kann in Übereinstimmung mit dem Hooke'schen Gesetz arbeiten, wenn sie wie hierin betrachtet gestaucht und/oder gedehnt wird, und kann daher durch eine Federkonstante k gekennzeichnet sein. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Feder 400 so konfiguriert, dass sie daher eine Nennkraft Fn=k×xn ausübt, wenn sie bei einer Kompression xn aus der Ruhelänge komprimiert wird (wobei xn innerhalb des Verformungsbereichs liegt, in dem das Hooke'sche Gesetz gilt). Die Feder 400 komprimiert dadurch das Wärmeleitmaterial 320 (z. B. das Wärmeleitmaterial 320-1 und/oder 320-2, falls eines oder beide vorhanden sind) und hält die thermische Verbindung zwischen dem Laserpaket 100 und der Kühlplatte 300 aufrecht.
Darüber hinaus ist die Feder 400 in verschiedenen Ausführungsformen so konfiguriert (z. B. werden die Federkonstante k und/oder die Nennkompression xn gewählt), dass während eines typischen thermischen Zyklus (d. h. Temperaturänderung) ΔT des Laserpakets 100 (z. B. während des Betriebs) die von der Feder 400 ausgeübte Kraft nicht mehr als ungefähr 100 % mehr als (d. h. das Doppelte) der Kraft Fn beträgt. Das heißt, in verschiedenen Ausführungsformen führt der thermische Zyklus nicht zu einer zusätzlichen Kompression der Feder 400, die ausreicht, um die von der Feder 400 ausgeübte Kraft (d.h., wenn sie nicht erwärmt ist, z.B. bei Raumtemperatur) um mehr als ungefähr 100% zu erhöhen. In einigen Ausführungsformen beträgt die von der Feder 400 ausgeübte Kraft nicht mehr als etwa 50% oder nicht mehr als etwa 10% mehr als Fn. Die aus der thermischen Ausdehnung des Laserpakets 100 resultierende Kompression der Feder 400 kann Δx=CTE×ΔT×xn sein, wobei CTE den WAK des Laserpakets 100 darstellt. In einem anschaulichen Beispiel beträgt die Nennkompression xn einer Feder 400, die einer Vielzahl von Tellerfedern entspricht, etwa 200 µm, und die Federkonstante k beträgt etwa 3,28 × 10⁶ N/m. Für einen Strahlemitter mit einer Höhe h von 10 mm und einem Lasergehäuse aus Kupfer (mit einem WAK von ca. 16 ppm) und für ein ΔT von 100 °C entspricht die zusätzliche thermische Kompression Δx=CTE×ΔT×h=ca. 16 µm. Somit beträgt die zusätzliche Kraft, die von der Feder 400 während des thermischen Zyklus ausgeübt wird, ΔF=k×Δx= ca. 52,5 N. Basierend auf der Nennkompression der Feder 400 ist die Nennkraft Fn gleich k×Δxn= ca. 656 N. Daher beträgt die Kraft, die von der Feder 400 während des thermischen Zyklus ausgeübt wird, in diesem anschaulichen Beispiel ΔF/ Fn oder ca. 8%.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann daher die Verwendung der Federn 400 in Verbindung mit den Befestigungselementen 330 das thermische Pumpen und den damit einhergehenden Verlust von Wärmeleitmaterial 320 von der Schnittstelle zwischen dem Laserpaket 100 und der Kühlplatte 300 reduzieren oder im Wesentlichen eliminieren. Das heißt, die Bewegung oder der Verlust des Materials 320 der thermischen Grenzfläche von der Grenzfläche wird reduziert (d. h. im Vergleich zu Fällen, in denen Befestigungselemente ohne Federn 400 verwendet werden und/oder die thermisch induzierte Bewegung des Laserpakets 100 eingeschränkt oder verhindert wird) oder im Wesentlichen eliminiert. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Feder 400 getrennt von dem Befestigungselement 330 und um dieses herum angeordnet, während in anderen Ausführungsformen die Feder 400 an dem Befestigungselement 330 angebracht oder sogar Teil davon ist. Der gesamte oder ein Teil des Abschnitts des Befestigungselements 330, der sich in die Kühlplatte 300 hinein erstreckt, kann mit einem Gewinde versehen sein, und das in der Kühlplatte 300 definierte Loch kann ein komplementäres Gewinde zur Verankerung des Befestigungselements 330 aufweisen. Die Befestigungselemente 330 können z. B. ein Metall wie Edelstahl umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Eine elektrisch isolierende Beschichtung oder Schicht kann auf der Außenfläche des Befestigungselements 330 angeordnet sein, um eine elektrische Verbindung oder einen Kurzschluss zwischen verschiedenen Komponenten des Lasersystems durch das Befestigungselement 330 zu verhindern.
Zusätzlich zu oder anstelle der Verwendung von Federn 400 in Verbindung mit Befestigungselementen 300 können Lasersysteme gemäß Ausführungsformen der Erfindung eine elektrisch isolierende Barriere 310 enthalten, die in mehrere diskrete flächenmäßige (oder „flächenhafte“) Bereiche unterteilt ist, um thermische Pumpeffekte (z. B. aufgrund von WAK-Fehlanpassungen zwischen der elektrisch isolierenden Barriere und dem Strahlemitter und/oder dem Laserpaket) zu reduzieren. 5 ist eine schematische Draufsicht auf eine geteilte elektrisch isolierende Barriere 500, die der elektrisch isolierenden Barriere 310 in 4 entsprechen kann. Wie dargestellt, istdie elektrisch isolierende Barriere 500 erfindungsgemäß in zwei oder mehr diskrete Abschnitte 510 unterteilt, die durch Lücken 520 dazwischen getrennt sind. In verschiedenen Ausführungsformen kann sich während der thermischen Zyklen des Lasersystems jeder der Abschnitte 510 unabhängig von den anderen ausdehnen, z. B. als Reaktion auf das durch die WAK-Fehlanpassung induzierte Pumpen. Somit kann die gesamte Ausdehnung oder Bewegung der elektrisch isolierenden Barriere 500 um einen Faktor verringert werden, der der Anzahl der Abschnitte 510 pro Längeneinheit entspricht (z. B. dL/L in der in 5 dargestellten beispielhaften Ausführungsform). Das thermisch induzierte Pumpen des Wärmeleitmaterials 320-1 und/oder des Wärmeleitmaterials 320-2 kann daher um ungefähr denselben Faktor abnehmen. Erfindungsgemäß sind die Abschnitte 510 ungleichmäßig voneinander beabstandet, d. h. die Lücken 520 sind unterschiedlich breit. Außerdem variieren erfindungsgemäß die Größen der Abschnitte 510 über die Fläche der elektrisch isolierenden Barriere 500. Zum Beispiel können Bereiche der elektrisch isolierenden Barriere 500, die unterhalb von Bereichen des Laserpakets 100 angeordnet sind, die höheren Maximaltemperaturen und/oder größeren thermischen Zyklen ausgesetzt sind, in kleinere Abschnitte 510 unterteilt sein, verglichen mit anderen Teilen der elektrisch isolierenden Barriere 500. In verschiedenen Ausführungsformen können die Lücken 520 zwischen den Abschnitten unterhalb von Bereichen des Laserpakets 100, die höheren Maximaltemperaturen und/oder größeren thermischen Zyklen ausgesetzt sind (z. B. direkt unterhalb des Strahlemitters), anders sein (z. B. kleiner oder größer) als in anderen Teilen der elektrisch isolierenden Barriere.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die elektrisch isolierende Barriere 500 zwischen dem Laserpaket 100 und der Kühlplatte 300 (z. B. bei Vorhandensein eines oder beider Materialien der thermischen Grenzfläche 320-1, 320-2) als eine Vielzahl von einzelnen Abschnitten 510 aufgebracht werden. In anderen Ausführungsformen wird die elektrisch isolierende Barriere 500 als eine einzige einheitliche Schicht an der Schnittstelle aufgebracht, und Teile des Materials werden entfernt, um die Lücken 520 zwischen den diskreten Abschnitten 510 zu bilden. Beispielsweise können ein oder mehrere Teile des Materials durch Ätzen entfernt werden (z. B. nach Maskierung der verbleibenden Bereiche). In verschiedenen Ausführungsformen können einer oder mehrere der Abschnitte 510 regelmäßig geformt sein (z. B. Quadrate, andere Polygone oder Kreise), oder einer oder mehrere der Abschnitte 510 können unregelmäßig geformt sein. In ähnlicher Weise können die Lücken 520 nicht gleichmäßig breit über ihre gesamte Länge sein und können in einem regelmäßigen oder unregelmäßigen Muster in der Breite variieren. Wie in 5 gezeigt, können in der Draufsicht ein oder mehrere oder sogar alle Abschnitte 510 regelmäßige Polygone (oder Kreise) sein, bei denen alle Seiten des Abschnitts 510 ungefähr die gleiche Länge haben. (Das heißt, in verschiedenen Ausführungsformen haben die Abschnitte 510 Formen, die sich von unregelmäßigen Formen unterscheiden, die sich aus dem Pressen eines flüssigen oder gelartigen Materials oder dem Einbringen eines solchen Materials in einen kleinen Raum ergeben würden.) In verschiedenen Ausführungsformen kann, von der Seite oder im Querschnitt betrachtet, jeder Abschnitt 510 im Wesentlichen die gleiche Dicke über seine seitliche Abmessung haben (und zwei oder mehr oder sogar alle Abschnitte 510 können im Wesentlichen die gleiche Dicke haben), und/oder die Seitenwände des Abschnitts 510 können im Wesentlichen senkrecht zu den oberen und unteren Oberflächen des Abschnitts 510 sein, die parallel zueinander sein können. In verschiedenen Ausführungsformen können sich ein oder mehrere (oder sogar alle) der Abschnitte 510 über eine gesamte seitliche Abmessung (z. B. Länge oder Breite) des Kühlers 110 erstrecken (z. B. in der Art von „Streifen“ oder „Bändern“), während ein oder mehrere andere Abschnitte kleiner sein können. In verschiedenen Ausführungsformen können sich Teile eines oder mehrerer der Abschnitte 510 von der Unterseite des Kühlers 110 aus erstrecken, z. B. wie in den 3 und 4 gezeigt.
In verschiedenen Ausführungsformen wird die geteilte elektrisch isolierende Barriereschicht 500 mit einem thermischen Grenzflächenmaterial 320-1 und/oder einem thermischen Grenzflächenmaterial 320-2 verwendet, das ebenfalls elektrisch isolierend ist, um eine unbeabsichtigte elektrische Leitung zwischen dem Laserpaket 100 und der Kühlplatte 300 innerhalb eines oder mehrerer der Spalte 520 zu verhindern. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein nachgiebiges oder flexibles Material (z. B. ein nachgiebiges Epoxid) in einem oder mehreren der Spalte 520 angeordnet sein, um eine unbeabsichtigte elektrische Leitung zwischen dem Laserpaket 100 und der Kühlplatte 300 zu verhindern.
In verschiedenen Ausführungsformen können das Wärmeleitmaterial 320 (z. B. Wärmeleitmaterial 320-1 und/oder Wärmeleitmaterial 320-2) und/oder Teile von Komponenten, die damit in Kontakt sind, mit einem Dichtungsmaterial versiegelt werden, um das Kriechen oder die Bewegung des Wärmeleitmaterials weiter zu minimieren oder zu verhindern.
Gepackte Laser gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in WBC-Lasersystemen verwendet werden. In 6 ist ein beispielhaftes WBC-Lasersystem 600 dargestellt, das einen verpackten Laser 605 verwendet. Der verpackte Laser 605 kann z. B. das hierin beschriebene Laserpaket 100 umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, das auf einer hierin beschriebenen Kühlplatte 300 angeordnet sein kann. Im Beispiel von 6 weist der Laser 605 einen Diodenbarren mit vier Strahlenemittenten auf, die Strahlen 610 emittieren (siehe vergrößerte Eingangsansicht 615), aber Ausführungsformen der Erfindung können Diodenbarren verwenden, die eine beliebige Anzahl von Einzelstrahlen oder zweidimensionale Arrays oder Stapel von Dioden oder Diodenbarren emittieren. In der Ansicht 615 wird jeder Strahl 610 durch eine Linie angezeigt, wobei die Länge oder längere Dimension der Linie die langsam divergierende Dimension des Strahls darstellt und die Höhe oder kürzere Dimension die schnell divergierende Dimension darstellt. Eine Kollimationsoptik 620 kann verwendet werden, um jeden Strahl 610 entlang der schnellen Dimension zu kollimieren. Transformationsoptik(en) 625, die eine oder mehrere zylindrische oder sphärische Linsen und/oder Spiegel umfassen, im Wesentlichen aus diesen bestehen oder aus diesen bestehen können, werden verwendet, um jeden Strahl 610 entlang einer WBC-Richtung 630 zu kombinieren. Die Transformationsoptik 625 überlagert dann den kombinierten Strahl auf ein dispersives Element 635 (das z. B. ein Beugungsgitter, wie ein reflektierendes oder durchlässiges Beugungsgitter, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen kann), und der kombinierte Strahl wird dann als einzelnes Ausgangsprofil auf einen Ausgangskoppler 640 übertragen. Der Ausgangskoppler 640 überträgt dann die kombinierten Strahlen 645 wie in der Ausgangsfrontansicht 650 gezeigt. Der Auskoppler 640 ist typischerweise teilreflektierend und fungiert als gemeinsame Frontfacette für alle Laserelemente in diesem externen Hohlraumsystem 600. Ein externer Hohlraum ist ein Lasersystem, bei dem der Sekundärspiegel in einem Abstand von der Emissionsöffnung oder -facette der einzelnen Laseremitter versetzt ist. In einigen Ausführungsformen werden zusätzliche Optiken zwischen der Emissionsapertur oder -facette und dem Ausgangskoppler oder der teilreflektierenden Oberfläche angeordnet.
Die hier verwendeten Begriffe und Ausdrücke dienen der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es ist nicht beabsichtigt, durch die Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Teile davon auszuschließen, aber es wird anerkannt, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Umfangs der beanspruchten Erfindung möglich sind.

Claims

Laservorrichtung, umfassend: einen Strahlemitter (105); ein Laserpaket (100) mit (i) einem wärmeleitenden oberen Laserkühler (115), der oberhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter (105) angeordnet ist, und (ii) einem wärmeleitenden unteren Laserkühler (110), der unterhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter (105) angeordnet ist; eine wärmeleitende Kühlplatte (300) zur Ableitung von Wärme vom Laserpaket (100), die unterhalb des Laserpakets (100) angeordnet ist; eine elektrisch isolierende Barriereschicht (310) zur Verhinderung der elektrischen Leitung zwischen dem Laserpaket (100) und der Kühlplatte (300), die zwischen dem Laserpaket (100) und der Kühlplatte (300) angeordnet ist; ein erstes thermisches Grenzflächenmaterial (320-1), das zwischen dem Laserpaket (100) und der Barriereschicht (310) angeordnet ist; ein zweites thermisches Grenzflächenmaterial (320-2), das zwischen der Barriereschicht (310) und der Kühlplatte (300) angeordnet ist; und Mittel zum Befestigen des Laserpakets (100) an der Kühlplatte (300), mit der Barriereschicht (310) und den ersten und zweiten thermischen Grenzflächenmaterialien (320-1, 320-2) dazwischen, und zum Ermöglichen einer Bewegung des Laserpakets (100) als Reaktion auf thermische Zyklen, die aus dem Betrieb des Strahlemitters (105) resultieren, wodurch die Bewegung der ersten und zweiten thermischen Grenzflächenmaterialien (320-1, 320-2) weg von der Grenzfläche zwischen dem Laserpaket (100) und der Kühlplatte (300) reduziert wird, wobei die elektrisch isolierende Barriereschicht (310) eine Vielzahl von diskreten Abschnitten mit Lücken dazwischen umfasst, wobei die Abschnitte (510) ungleichmäßig voneinander beabstandet sind, sodass Lücken (520) zwischen den Abschnitten (510) unterschiedlich breit sind und die Größen der Abschnitte (510) über die Fläche der elektrisch isolierenden Barriere variieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Befestigungsmittel ein elastisches Element und ein Befestigungselement (330) umfasst, wobei das Befestigungselement (330) das Laserpaket (100) an der Kühlplatte (300) befestigt und das elastische Element zusammendrückt, wobei das elastische Element so konfiguriert ist, dass es als Reaktion auf eine thermisch induzierte Ausdehnung des Laserpakets (100) zusätzlich zusammengedrückt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Befestigungselement (330) eine Schraube umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das elastische Element mindestens eine Feder (400)umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Strahlemitter (105) einen Diodenbarren umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie mehrere diskrete Strahlen emittiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens einer von dem oberen Laserkühler (115) oder dem unteren Laserkühler (110) Kupfer umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kühlplatte (300) Aluminium umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Barriereschicht (310) Aluminiumnitrid umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens eines von dem ersten Wärmeleitmaterial oder dem zweiten Wärmeleitmaterial ein Gel, ein Lot, eine Paste oder eine Flüssigkeit umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens eines von dem ersten thermischen Grenzflächenmaterial (320-1) oder dem zweiten thermischen Grenzflächenmaterials (320-2) ein Phasenwechselmaterial umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein zweites Laserpaket, das über der Kühlplatte (300) angeordnet ist; und eine Stromschiene (340), die das Laserpaket (100) mit dem zweiten Laserpaket elektrisch verbindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die elektrisch isolierende Barriereschicht (310) eine oder mehrere Schichten umfasst, die sich spaltfrei zwischen dem Laserpaket (100) und der Kühlplatte (300) erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste thermische Grenzflächenmaterial (320-1) und das zweite thermische Grenzflächematerial (320-2) aus demselben Material bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste thermische Grenzflächenmaterial (320-1) und das zweite thermische Grenzflächenmaterial (320-2) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Laservorrichtung, umfassend: einen Strahlemitter (105); ein Laserpaket (100) mit (i) einem wärmeleitenden oberen Laserkühler (115), der oberhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter (105) angeordnet ist, und (ii) einem wärmeleitenden unteren Laserkühler (110), der unterhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter (105) angeordnet ist; eine wärmeleitende Kühlplatte (300) zur Ableitung von Wärme vom Laserpaket (100) angeordnet, die unterhalb des Laserpakets (100) angeordnet ist; eine elektrisch isolierende Barriereschicht (310) zur Verhinderung der elektrischen Leitung zwischen dem Laserpaket (100) und der Kühlplatte (300), die zwischen dem Laserpaket (100) und der Kühlplatte (300) angeordnet ist; ein thermisches Grenzflächenmaterial (320), das (i) zwischen dem Laserpaket (100) und der Barriereschicht (310) oder (ii) zwischen der Barriereschicht (310) und der Kühlplatte (300) angeordnet ist; und Mittel zum Befestigen des Laserpakets (100) an der Kühlplatte (300), mit der Barriereschicht (310) und dem thermischen Grenzflächenmaterial (320) dazwischen, und zum Ermöglichen einer Bewegung des Laserpakets (100) als Reaktion auf thermische Zyklen, die aus dem Betrieb des Strahlemitters (105) resultieren, wodurch die Bewegung des thermischen Grenzflächenmaterials (320) weg von der Grenzfläche zwischen dem Laserpaket (100) und der Kühlplatte (300) reduziert wird, wobei die elektrisch isolierende Barriereschicht (310) eine Vielzahl von diskreten Abschnitten mit Lücken dazwischen umfasst, wobei die Abschnitte (510) ungleichmäßig voneinander beabstandet sind, sodass Lücken (520) zwischen den Abschnitten (510) unterschiedlich breit sind und die Größen der Abschnitte (510) über die Fläche der elektrisch isolierenden Barriere variieren.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das thermische Grenzflächenmaterial zwischen dem Laserpaket (100) und der Barriereschicht (310) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das thermische Grenzflächenmaterial zwischen der Barriereschicht (310) und der Kühlplatte (300) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Befestigungsmittel ein elastisches Element und ein Befestigungselement (330) umfasst, wobei das Befestigungselement (330) das Laserpaket (100) an der Kühlplatte (300) befestigt und das elastische Element zusammendrückt, wobei das elastische Element so konfiguriert ist, dass es in Reaktion auf eine thermisch induzierte Ausdehnung des Laserpakets (100) zusätzlich zusammengedrückt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Befestigungselement (330) eine Schraube umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das elastische Element mindestens eine Feder (400) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Strahlemitter (105) einen Diodenbarren umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie mehrere diskrete Strahlen emittiert.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei mindestens einer der oberen Laserkühler (115) oder der untere Laserkühler (110) Kupfer umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Kühlplatte (300) Aluminium umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Barriereschicht (310) Aluminiumnitrid umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das thermische Grenzflächenmaterial (320) ein Gel, ein Lot, eine Paste oder eine Flüssigkeit umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das thermische Grenzflächenmaterial (320) ein Phasenwechselmaterial umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, die ferner umfasst: ein zweites Laserpaket, das über der Kühlplatte (300) angeordnet ist; und eine Stromschiene, die das Laserpaket (100) mit dem zweiten Laserpaket elektrisch verbindet.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die elektrisch isolierende Barriereschicht (310) eine oder mehrere Schichten umfasst, die sich spaltfrei zwischen dem Laserpaket (100) und der Kühlplatte (300) erstrecken.
Laservorrichtung, umfassend: einen Strahlemitter (105); ein Laserpaket (100) mit (i) einem wärmeleitenden oberen Laserkühler (115), der oberhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter (105) angeordnet ist, und (ii) einem wärmeleitenden unteren Laserkühler (110), der unterhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter (105) angeordnet ist; eine wärmeleitende Kühlplatte (300) zur Ableitung von Wärme vom Laserpaket (100), die unterhalb des Laserpakets (100) angeordnet ist; eine elektrisch isolierende Barriereschicht (310) zur Verhinderung der elektrischen Leitung zwischen dem Laserpaket (100) und der Kühlplatte (300), die zwischen dem Laserpaket (100) und der Kühlplatte (300) angeordnet ist; ein erstes thermisches Grenzflächenmaterial (320-1), das zwischen dem Laserpaket (100) und der Barriereschicht (310) angeordnet ist; und ein zweites thermisches Grenzflächenmaterial (320-2), das zwischen der Barriereschicht (310) und der Kühlplatte (300) angeordnet ist, wobei die elektrisch isolierende Barriereschicht (310) eine Vielzahl von diskreten Flächenabschnitten mit Lücken dazwischen umfasst, wobei die Abschnitte (510) ungleichmäßig voneinander beabstandet sind, sodass Lücken (520) zwischen den Abschnitten (510) unterschiedlich breit sind und die Größen der Abschnitte (510) über die Fläche der elektrisch isolierenden Barriere variieren..
Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei der Strahlemitter (105) einen Diodenbarren umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie mehrere diskrete Strahlen emittiert.
Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei mindestens einer von dem oberen Laserkühler (115) oder dem unteren Laserkühler (110) Kupfer umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei die Kühlplatte (300) Aluminium umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei die Barriereschicht (310) Aluminiumnitrid umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei mindestens eines von dem ersten thermischen Grenzflächenmaterial (320-1) oder dem zweiten thermischen Grenzflächenmaterial (320-2) ein Gel, ein Lot, eine Paste oder eine Flüssigkeit umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei mindestens eines von dem ersten thermischen Grenzflächenmaterial (320-1) oder dem zweiten thermischen Grenzflächenmaterial (320-2) ein Phasenwechselmaterial umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 29, die ferner umfasst: ein zweites Laserpaket, das über der Kühlplatte (300) angeordnet ist; und eine Stromschiene, die das Laserpaket (100) mit dem zweiten Laserpaket elektrisch verbindet.
Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei das erste thermische Grenzflächenmaterial (320-1) und das zweite thermische Grenzflächenmaterial (320-2) aus demselben Material bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei das erste thermische Grenzflächenmaterial (320-1) und das zweite thermische Grenzflächenmaterial (320-2) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Laservorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Strahlemitter (105); ein Laserpaket (100) mit (i) einem wärmeleitenden oberen Laserkühler (115), der oberhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter (105) angeordnet ist, und (ii) einem wärmeleitenden unteren Laserkühler (110), der unterhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter (105) angeordnet ist; unterhalb des Laserpakets (100) eine wärmeleitende Kühlplatte (300) zur Ableitung von Wärme vom Laserpaket (100); eine zwischen dem Laserpaket (100) und der Kühlplatte (300) angeordnete, elektrisch isolierende Barriereschicht (310) zur Verhinderung der elektrischen Leitung zwischen dem Laserpaket (100) und der Kühlplatte (300); und ein thermisches Grenzflächenmaterial (320), das (i) zwischen dem Laserpaket (100) und der Barriereschicht (310) oder (ii) zwischen der Barriereschicht (310) und der Kühlplatte (300) angeordnet ist, wobei die elektrisch isolierende Barriereschicht (310) eine Vielzahl von diskreten Flächenabschnitten mit Lücken dazwischen umfasst, wobei die Abschnitte (510) ungleichmäßig voneinander beabstandet sind, sodass Lücken (520) zwischen den Abschnitten (510) unterschiedlich breit sind und die Größen der Abschnitte (510) über die Fläche der elektrisch isolierenden Barriere variieren.
Vorrichtung nach Anspruch 39, wobei das thermische Grenzflächenmaterial (320) zwischen dem Laserpaket (100) und der Barriereschicht (310) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 39, wobei das thermische Grenzflächenmaterial (320) zwischen der Barriereschicht (310) und der Kühlplatte (300) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 39, wobei der Strahlemitter (105) einen Diodenbarren umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie mehrere diskrete Strahlen emittiert.
Vorrichtung nach Anspruch 39, wobei mindestens einer von dem oberen Laserkühler (115) oder dem unteren Laserkühler (110) Kupfer umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 39, wobei die Kühlplatte (300) Aluminium umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 39, wobei die Barriereschicht (310) Aluminiumnitrid umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 39, wobei das Material der thermischen Schnittstelle ein Gel, ein Lot, eine Paste oder eine Flüssigkeit umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 39, wobei das thermische Grenzflächenmaterial (320) ein Phasenwechselmaterial umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 39, die ferner Folgendes umfasst: ein zweites Laserpaket, das über der Kühlplatte (300) angeordnet ist; und eine Stromschiene, die das Laserpaket (100) mit dem zweiten Laserpaket elektrisch verbindet.
Laservorrichtung, umfassend: einen Strahlemitter (105); ein Laserpaket (100) mit (i) einem wärmeleitenden oberen Laserkühler (115), der oberhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter (105) angeordnet ist, und (ii) einem wärmeleitenden unteren Laserkühler (110), der unterhalb und in thermischem Kontakt mit dem Strahlemitter (105) angeordnet ist; eine unterhalb des Laserpakets (100) angeordnete, wärmeleitende Kühlplatte (300) zur Ableitung von Wärme vom Laserpaket (100); und zwischen dem Laserpaket (100) und der Kühlplatte (300) angeordnet eine elektrisch isolierende Barriereschicht (310) zur Verhinderung der elektrischen Leitung zwischen dem Laserpaket (100) und der Kühlplatte (300), wobei die elektrisch isolierende Barriereschicht (310) eine Vielzahl von diskreten Flächenabschnitten mit Lücken dazwischen umfasst, wobei die Abschnitte (510) ungleichmäßig voneinander beabstandet sind, sodass Lücken (520) zwischen den Abschnitten (510) unterschiedlich breit sind und die Größen der Abschnitte (510) über die Fläche der elektrisch isolierenden Barriere variieren.