DE112021001723T5

DE112021001723T5 - Quantenkaskadenlaservorrichtung

Info

Publication number: DE112021001723T5
Application number: DE112021001723.3T
Authority: DE
Inventors: Takahide OCHIAI; Naota Akikusa; Kousuke Shibata; Nobutaka Suzuki
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2021-03-15
Publication date: 2022-12-29
Also published as: US20230095425A1; WO2021187421A1; JP7530726B2; JP2021150426A; CN115280611A

Abstract

Eine Quantenkaskadenlaservorrichtung umfasst ein QCL-Element; eine Linse, die so angeordnet ist, dass sie einer Stirnfläche des QCL-Elements gegenüberliegt; und eine Linsenhaltevorrichtung, der die Linse hält. Die Linsenhaltevorrichtung hat ein Kleindurchmesserloch, ein Großdurchmesserloch und eine Gegenbohrungsfläche mit einer Ringform, die das Kleindurchmesserloch und das Großdurchmesserloch miteinander verbindet. Mindestens ein Teil einer Seitenfläche der Linse ist an einer Innenfläche des Großdurchmesserlochs durch ein Harzklebemittel in einem Zustand befestigt, in dem ein Randabschnitt einer Einfallsfläche der Linse in Kontakt mit der Gegenbohrungsfläche ist. Eine Mittelachse des Kleindurchmesserlochs ist exzentrisch zu einer Mittelachse des Großdurchmesserlochs. Die Seitenfläche der Linse ist in Bezug auf die Innenfläche des Großdurchmesserlochs entlang einer Richtung von der Mittelachse des Großdurchmesserlochs aus hin zur Mittelachse des Kleindurchmesserlochs angeordnet. Eine Mittelachse der Linse ist an einer Position angeordnet, die näher an der Mittelachse des Kleindurchmesserlochs liegt als an der Mittelachse des Großdurchmesserlochs.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Quantenkaskadenlaservorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Aus dem Stand der Technik ist eine Halbleiter-Laservorrichtung bekannt, die ein Halbleiter-Laserelement in einem Paket aufnimmt (z.B. JP 2003 - 315 633 A ). JP 2003 - 315 633 A offenbart eine Konfiguration, bei der ein Paket ein Halbleiter-Laserelement und eine Linsenhaltevorrichtung aufnimmt, die eine Linse zur Kollimation des von dem Halbleiter-Laserelement emittierten Laserlichts aufnimmt.
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Hier ist der (Ab-)Strahlungswinkel des Laserlichts, das von einem Quantenkaskadenlaserelement, das vom Typ Halbleiter-Laserelement ist, emittiert wird, relativ groß. Um die Größe des Pakets zu reduzieren, muss außerdem die Größe der im Paket untergebrachten Linse reduziert werden. Aus diesem Grund ist bei Verwendung des Quantenkaskadenlaserelements als Halbleiter-Laserelement zur Konzentration / Bündelung des Laserlichts von dem Quantenkaskadenlaserelement, das einen großen Abstrahlwinkel unter Verwendung einer kleinen Linse hat, die Verwendung eines effektiven Bereichs der Linse ohne Abfall / Müll erforderlich.
Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Offenbarung, eine Quantenkaskadenlaservorrichtung bereitzustellen, bei der ein effektiver Bereich einer Linse effizient genutzt werden kann.
Lösung des Problems
Eine Quantenkaskadenlaservorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst: ein Quantenkaskadenlaserelement; eine Linse, die so angeordnet ist, dass sie einer Abstrahlfläche / emittierenden Oberfläche des Quantenkaskadenlaserelements gegenüberliegt, die Laserlicht emittiert; und eine Linsenhaltevorrichtung / einen Linsenhalter, die / der die Linse hält. Die Linsenhaltevorrichtung umfasst einen ersten Lochabschnitt, der sich in einer optischen Achsenrichtung entlang einer optischen Achse des Laserlichts erstreckt, einen zweiten Lochabschnitt, der an einer Position vorgesehen ist, die weiter von dem Quantenkaskadenlaserelement entfernt ist als der erste Lochabschnitt, und der den ersten Lochabschnitt umfasst und größer ist als der erste Lochabschnitt, und zwar bei Betrachtung in der optischen Achsenrichtung, und eine Gegenbohrungsfläche / Senkbohrungsfläche in einer Ringform, die den ersten Lochabschnitt und den zweiten Lochabschnitt verbindet und die sich entlang einer Ebene erstreckt, die die optische Achsenrichtung schneidet. Die Linse umfasst eine Einfallsfläche, auf die das Laserlicht fällt, und eine Seitenfläche, die sich von einem Randabschnitt der Einfallsfläche entlang der optischen Achsenrichtung erstreckt. Zumindest ein Teil der Seitenfläche ist an einer Innenfläche des zweiten Lochabschnitts durch ein Harzklebemittel / einen Harzklebstoff in einem Zustand befestigt, in dem der Randabschnitt der Einfallsfläche mit der Gegenbohrungsfläche in Kontakt ist. Eine Mittelachse des ersten Lochabschnitts ist exzentrisch zu einer Mittelachse des zweiten Lochabschnitts. Die Seitenfläche der Linse ist in Bezug auf die Innenfläche des zweiten Lochabschnitts entlang einer Richtung ausgehend von der Mittelachse des zweiten Lochabschnitts hin zur Mittelachse des ersten Lochabschnitts angeordnet. Eine Mittelachse der Linse ist an einer Position angeordnet, die näher an der Mittelachse des ersten Lochabschnitts als an der Mittelachse des zweiten Lochabschnitts liegt.
In der Quantenkaskadenlaservorrichtung umfasst die Linsenhaltevorrichtung den ersten Lochabschnitt und den zweiten Lochabschnitt, deren Mittelachsen exzentrisch zueinander sind. Darüber hinaus ist die Seitenfläche der Linse in Bezug auf die Innenfläche des zweiten Lochabschnitts entlang der Richtung von der Mittelachse des zweiten Lochabschnitts aus hin zur Mittelachse des ersten Lochabschnitts positioniert.
Dementsprechend kann ein Positionsversatz der Linse (Bewegung der Linse in Bezug auf die Linsenhaltevorrichtung), der durch eine Oberflächenspannung des um die Linse herum angeordneten Harzklebemittels verursacht werden kann, wenn die Linse an einem zentralen Abschnitt des zweiten Lochabschnitts angeordnet ist, in geeigneter Weise unterdrückt werden. Ferner ist die Mittelachse der Linse in einem Zustand, in dem die Linse auf diese Weise positioniert ist, an einer Position nahe der Mittelachse des ersten Lochabschnitts angeordnet. Dementsprechend kann die Fläche eines Bereichs, in dem sich ein effektiver Bereich der Linse (Bereich innerhalb eines effektiven Durchmessers um die Mittelachse der Linse herum) und die Gegenbohrungsfläche gegenseitig stören / überschneiden (überlappen), reduziert werden. Dadurch kann der effektive Bereich der Linse effizient genutzt werden.
Die Mittelachse der Linse kann im Wesentlichen mit der Mittelachse des ersten Lochabschnitts übereinstimmen / zusammenfallen, und ein effektiver Durchmesser der Linse kann im Wesentlichen mit einem Durchmesser des ersten Lochabschnitts übereinstimmen. Gemäß dieser Konfiguration kann der gesamte effektive Bereich (Bereich innerhalb des effektiven Durchmessers) der Linse durch den ersten Lochabschnitt freigelegt / exponiert werden. Dementsprechend wird die Größe des ersten Lochabschnitts auf ein Minimum reduziert, um den Bereich der Gegenbohrungsfläche zu sichern, so dass es möglich ist, den effektiven Bereich der Linse optimal auszunutzen und gleichzeitig den Randabschnitt der Einfallsfläche der Linse angemessen abzustützen.
In der Innenfläche des zweiten Lochabschnitts kann eine Aussparung / Vertiefung gebildet werden, die die Gegenbohrungsfläche entlang der optischen Achsenrichtung erreicht, und das Harzklebemittel kann in die Aussparung eintreten. Gemäß dieser Konfiguration kann das Harzklebemittel durch die Aussparung leicht in einen Spalt zwischen der Seitenfläche der Linse und der Innenfläche des zweiten Lochabschnitts injiziert / eingespritzt werden.
Die Quantenkaskadenlaservorrichtung kann ferner einen Wärmeverteiler umfassen, an dem die Linsenhaltevorrichtung montiert ist. Die Linsenhaltevorrichtung kann eine erste Anbringungsfläche aufweisen, an der eine Vielzahl von ersten Vorsprüngen, die zu einer Seite des Wärmeverteilers vorstehen, ausgebildet sind, und die Vielzahl der ersten Vorsprünge kann mit einer zweiten Anbringungsfläche des Wärmeverteilers durch eine Klebeschicht, die aus einem lichthärtenden Harz ausgebildet ist, verbunden sein. Da die Stellen, an denen die Klebeschicht (photohärtbares Harz) vorgesehen ist, auf die Vielzahl der ersten Vorsprünge verteilt werden können, kann die Klebeschicht auf jedem der ersten Vorsprünge im Vergleich zu einer Klebeschicht, die in einem großen Bereich auf der gesamten Fläche vorgesehen ist, einfach und angemessen ausgehärtet werden.
Eine Vielzahl von zweiten Vorsprüngen, die zu einer Seite der Linsenhaltevorrichtung vorstehen, kann auf der zweiten Anbringungsfläche an Positionen ausgebildet sein, die der Vielzahl der ersten Vorsprünge entsprechen, und die Vielzahl der ersten Vorsprünge kann mit der Vielzahl der zweiten Vorsprünge durch die Klebeschicht verbunden werden. Gemäß dieser Konfiguration ist die Klebeschicht in einem zentralen Bereich eines zwischen der ersten Anbringungsfläche und der zweiten Anbringungsfläche gebildeten Raums angeordnet. Dementsprechend kann die Klebeschicht in geeigneter Weise mit Licht bestrahlt werden, das von der ersten Anbringungsfläche und von der zweiten Anbringungsfläche in dem Raum reflektiert wird. Dadurch kann die Klebeschicht besser aushärten und die Linsenhaltevorrichtung kann stabil am Wärmeverteiler fixiert werden.
Ein erster Wandabschnitt, der die erste Anbringungsfläche der Linsenhaltevorrichtung aufweist, kann mit einem Durchgangsloch oder einem Ausschnitt versehen sein, um Licht zur zweiten Anbringungsfläche des Wärmeverteilers zu leiten. Gemäß dieser Konfiguration kann die zweite Anbringungsfläche des Wärmeverteilers von einer Seite, die einer Seite gegenüberliegt, an der der Wärmeverteiler in Bezug auf die Linsenhaltevorrichtung angeordnet ist, durch das Durchgangsloch oder den Ausschnitt im ersten Wandabschnitt mit Licht bestrahlt werden. Dementsprechend kann eine Lichtbestrahlung zur Aushärtung der Klebeschicht zwischen der ersten Anbringungsfläche und der zweiten Anbringungsfläche einfach durchgeführt werden.
Die Linsenhaltevorrichtung kann einen zweiten Wandabschnitt umfassen, der dem ersten Wandabschnitt durch den zweiten Lochabschnitt zugewandt ist, und der zweite Wandabschnitt kann so ausgebildet sein, dass er zumindest einen Teil des Durchgangslochs oder des im ersten Wandabschnitt vorgesehenen Ausschnitts nicht überlappt, wenn man ihn in einer Richtung betrachtet, in der der erste Wandabschnitt und der zweite Wandabschnitt einander zugewandt sind. Bei dieser Anordnung kann die im zweiten Lochabschnitt angeordnete Linse durch den ersten Wandabschnitt und den zweiten Wandabschnitt in geeigneter Weise nach außen hin geschützt werden. Da der zweite Wandabschnitt so geformt ist, dass er zumindest einen Teil des Durchgangslochs oder des Ausschnitts im ersten Wandabschnitt nicht überlappt, kann die zweite Anbringungsfläche des Wärmeverteilers außerdem mit Licht bestrahlt werden, indem die Linsenhaltevorrichtung mit Licht von der Außenseite der Linsenhaltevorrichtung aus (Seite, die dem ersten Wandabschnitt gegenüberliegt, wobei der zweite Wandabschnitt dazwischenliegt) bestrahlt wird.
Das Quantenkaskadenlaserelement und die Linsenhaltevorrichtung können auf demselben Wärmeverteiler montiert werden. Da bei dieser Konfiguration eine gemeinsame Basis (Wärmeverteiler) vorhanden ist, auf der das Quantenkaskadenlaserelement und die Linsenhaltevorrichtung platziert sind, kann eine Relativbewegung der Linsenhaltevorrichtung in Bezug auf das Quantenkaskadenlaserelement unterdrückt werden, wenn sich der Wärmeverteiler aufgrund von Wärme ausdehnt oder zusammenzieht. Dadurch kann das Auftreten eines Versatzes der optischen Achsen (Versatz der Mittelachse der Linse in Bezug auf die optische Achse des vom Quantenkaskadenlaserelement emittierten Laserlichts), der durch eine Temperaturänderung im Paket verursacht wird, unterdrückt werden.
Die Quantenkaskadenlaservorrichtung kann ferner ein Paket umfassen, das das Quantenkaskadenlaserelement, die Linse und die Linsenhaltevorrichtung luftdicht aufnimmt. Das Paket kann eine Bodenwand, eine Seitenwand, die auf der Bodenwand steht und ringförmig ausgebildet ist, um einen Bereich zu umgeben, in dem das Quantenkaskadenlaserelement und die Linsenhaltevorrichtung aufgenommen sind, wenn man sie in einer Richtung senkrecht zur Bodenwand betrachtet, und eine Deckenwand umfassen, die eine Öffnung auf einer der Seitenwand gegenüberliegenden Seite ausgehend von einer Seite der Bodenwand verschließt. An der Seitenwand kann ein lichtemittierendes Fenster vorgesehen sein, durch das das Laserlicht, das die Linse passiert hat, hindurchtritt. Da bei dieser Konfiguration, wie oben beschrieben, der effektive Bereich der im Paket angeordneten Linse effizient genutzt werden kann, kann die Größe der Linse reduziert werden und die Größe des Pakets kann verringert werden.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, die Quantenkaskadenlaservorrichtung bereitzustellen, bei der der effektive Bereich der Linse effizient genutzt werden kann.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht einer Quantenkaskadenlaservorrichtung einer Ausführungsform.
2 ist eine seitliche Querschnittsansicht der in 1 dargestellten Quantenkaskadenlaservorrichtung.
3 ist eine Draufsicht auf die in 1 dargestellte Quantenkaskadenlaservorrichtung.
4 ist ein Graph, der ein typisches Beispiel für eine Beziehung zwischen dem Strahlungswinkel (horizontale Achse) und der Strahlungsintensität (vertikale Achse) des von einem Quantenkaskadenlaser emittierten Laserlichts zeigt.
5 ist eine vergrößerte Teilansicht der in 1 dargestellten Quantenkaskadenlaservorrichtung.
6 ist eine Vorderansicht eines Teils einer Seitenwand mit einem Kleindurchmesserloch und einem Großdurchmesserloch.
(A) von 7 ist eine Ansicht, die eine Einfallsfläche eines Fensterelements zeigt, (B) von 7 ist eine Querschnittsansicht des Fensterelements, und (C) von 7 ist eine Ansicht, die eine Abstrahlfläche des Fensterelements zeigt.
(A) von 8 ist eine Draufsicht auf ein Peltier-Modul und (B) von 8 ist eine Seitenansicht des Peltier-Moduls.
(A) von 9 ist eine Draufsicht auf einen Wärmeverteiler, (B) von 9 ist eine Seitenansicht des Wärmeverteilers und (C) von 9 ist eine Unteransicht des Wärmeverteilers.
(A) von 10 ist eine Draufsicht auf einen Kühlkörper, an dem jedes Element montiert ist, und (B) von 10 ist eine Seitenansicht des Kühlkörpers, an dem jedes Element montiert ist.
11 ist eine perspektivische Ansicht einer Linsenhaltevorrichtung.
12 ist eine Vorderansicht der Linsenhaltevorrichtung.
(A) von 13 ist eine Draufsicht auf die Linsenhaltevorrichtung, (B) von 13 ist eine Untersicht auf die Linsenhaltevorrichtung und (C) von 13 ist eine seitliche Querschnittsansicht der Linsenhaltevorrichtung.
14 ist eine Ansicht, die schematisch einen Querschnitt entlang der Linie XIV-XIV in 12 zeigt.
15 ist eine Ansicht, die schematisch eine Positionsbeziehung zwischen einer Linse und einer Linsenhaltevorrichtung zeigt, wenn die Linsenhaltevorrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel verwendet wird.
16 ist eine Ansicht, die einen Teil eines Aufbauverfahrens der in 1 dargestellten Quantenkaskadenlaservorrichtung zeigt.
(A) von 17 ist eine Vorderansicht einer Linsenhaltevorrichtung eines ersten Modifikationsbeispiels und (B) von 17 ist eine Querschnittsansicht der Linsenhaltevorrichtung entlang der Linie B-B von (A) von 17.
(A) von 18 ist eine Vorderansicht einer Linsenhaltevorrichtung eines zweiten Modifikationsbeispiels und (B) von 18 ist eine Querschnittsansicht der Linsenhaltevorrichtung entlang der Linie B-B von (A) von 18.
(A) von 19 ist eine Vorderansicht einer Linsenhaltevorrichtung eines dritten Modifikationsbeispiels und (B) von 19 ist eine Querschnittsansicht der Linsenhaltevorrichtung entlang der Linie B-B von (A) von 19.
20 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Quantenkaskadenlaservorrichtung eines Modifikationsbeispiels.

Beschreibung der Ausführungsformen
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen sind gleiche oder gleichwertige Abschnitte mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine doppelte Beschreibung wird nicht wiederholt. Im Übrigen können einige Abschnitte in den Zeichnungen zum besseren Verständnis der Konfigurationen gemäß der Ausführungsform übertrieben dargestellt sein und andere als die tatsächlichen Abmessungen aufweisen. Darüber hinaus sind in der folgenden Beschreibung die Begriffe „oben“, „unten“ und dergleichen der Einfachheit halber auf die in den Zeichnungen dargestellten Zustände bezogen.
Wie in den 1 bis 3 gezeigt, umfasst eine Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 (Halbleiter-Laservorrichtung) ein Quantenkaskadenlaserelement (im Folgenden „QCL-Element“) 2 und ein Paket 3, das das QCL-Element 2 luftdicht aufnimmt.
Das QCL-Element 2 ist eine Art Halbleiter-Laserelement. Das QCL-Element 2 hat eine Stirnfläche 2a (Abstrahlfläche), die eine Richtung (in der vorliegenden Ausführungsform eine X-Achsenrichtung) schneidet, und ist so konfiguriert, dass es Laserlicht L mit einer Breitband-Wellenlänge (z.B. 4 µm bis 12 µm) in einem mittleren Infrarotbereich von der Stirnfläche 2a emittiert. In der vorliegenden Ausführungsform ist eine optische Achse des von dem QCL-Element 2 emittierten Laserlichts L entlang der X-Achsenrichtung angeordnet. Das QCL-Element 2 hat z.B. eine Struktur, in der eine Vielzahl von Aktivschichten mit unterschiedlichen Zentralwellenlängen in einem Stapel gestapelt sind, und kann das oben beschriebene breitbandige Licht emittieren. Das QCL-Element 2 kann jedoch auch eine Struktur mit einer einzigen Aktivschicht aufweisen und kann auch in diesem Fall das oben beschriebene breitbandige Licht emittieren. Wie in 4 gezeigt, hat das von dem QCL-Element 2 emittierte Laserlicht L einen sehr großen Abstrahlwinkel (Divergenzwinkel) gemäß dem Prinzip eines Quantenkaskadenlasers im Vergleich zu einer Laserdiode oder dergleichen.
Das Paket 3 ist ein sogenanntes Butterflypaket. Das Paket 3 umfasst eine Bodenwand 31, eine Seitenwand 32 und eine Deckenwand 33. In 3 ist die Deckenwand 33 des Pakets 3 nicht dargestellt.
Die Bodenwand 31 ist ein rechteckiges plattenförmiges Element. Die Bodenwand 31 ist beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff, wie bspw. Kupfer-Wolfram, gefertigt. Die Bodenwand 31 ist ein Basiselement, auf dem verschiedene Elemente, wie bspw. ein später zu beschreibendes Peltier-Modul 4, zu montieren sind. In dieser Beschreibung wird der Einfachheit halber eine Längsrichtung der Bodenwand 31 als X-Achsenrichtung, eine seitliche Richtung der Bodenwand 31 als Y-Achsenrichtung und eine Richtung senkrecht zur Bodenwand 31 (nämlich eine Richtung orthogonal zur X-Achsenrichtung und zur Y-Achsenrichtung) als Z-Achsenrichtung bezeichnet. Wie oben beschrieben, ist die X-Achsenrichtung auch eine Richtung entlang der optischen Achse des von dem QCL-Element 2 emittierten Laserlichts L (optische Achsenrichtung).
Die Seitenwand 32 steht auf der Bodenwand 31. In Z-Achsenrichtung betrachtet, ist die Seitenwand 32 ringförmig ausgebildet, um einen Bereich (Innenraum S) zu umgeben, in dem das QCL-Element 2 und dergleichen untergebracht sind. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Seitenwand 32 ein rechteckiges, röhrenförmiges Element, das den Innenraum S umgibt. Die Seitenwand 32 ist aus einem Metallmaterial, wie bspw. Kovar, hergestellt. Die Seitenwand 32 ist beispielsweise ein Kovar-Rahmen, auf den eine Ni/Au-Beschichtung aufgebracht ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Seitenwand 32 an einem zentralen Abschnitt der Bodenwand 31 in der Längsrichtung (X-Achsenrichtung) vorgesehen. Eine Breite der Seitenwand 32 in der Querrichtung (Y-Achsenrichtung) ist gleich einer Breite der Bodenwand 31 in der Querrichtung und eine Breite der Seitenwand 32 in der Längsrichtung (X-Achsenrichtung) ist kürzer als eine Breite der Bodenwand 31 in der Längsrichtung. Auf beiden Seiten der Bodenwand 31 in Längsrichtung sind nämlich Vorsprungabschnitte 31 a ausgebildet, die von der Seitenwand 32 nach außen ragen. In den jeweiligen Abschnitten der Vorsprungabschnitte 31 a, die den vier Ecken der Bodenwand 31 entsprechen, sind jeweils Schraubenlöcher 31b zur Befestigung des Pakets 3 (Bodenwand 31) an einem anderen Element vorgesehen.
Die Deckenwand 33 ist ein Element, das eine Öffnung auf einer Seite der Seitenwand 32 verschließt, die einer Seite der Bodenwand 31 gegenüberliegt. Die Deckenwand 33 hat die Form einer rechteckigen Platte. Die äußere Form (Breiten in Längsrichtung und in seitlicher Richtung) der Deckenwand 33 in Z-Achsenrichtung gesehen stimmt im Wesentlichen mit der äußeren Form der Seitenwand 32 überein. Die Deckenwand 33 ist beispielsweise aus dem gleichen metallischen Werkstoff (z. B. Kovar oder dergleichen) wie die Seitenwand 32 hergestellt.
Eine Vielzahl (in der vorliegenden Ausführungsform sieben auf jeder der beiden Seiten in der Längsrichtung, also insgesamt 14) von Leitungsstiften 10, die einen Stromfluss zu Elementen, wie bspw. dem im Paket 3 untergebrachten QCL-Element 2, ermöglichen, sind in Abschnitte 321 der Seitenwand 32 eingesetzt, die sich entlang der Längsrichtung (X-Achsenrichtung) erstrecken (nämlich in Abschnitte, die die Querrichtung (Y-Achsenrichtung) schneiden).
Ein lichtemittierendes Fenster 11, durch das das von einer Stirnfläche 2a des QCL-Elements 2 emittierte Laserlicht L hindurchtritt, ist an einem der Abschnitte 322 der Seitenwand 32 vorgesehen, die sich entlang der Längsrichtung (Y-Achsenrichtung) erstrecken (nämlich Abschnitte, die die Längsrichtung (X-Achsenrichtung) schneiden).
Wie in 5 und 6 gezeigt, umfasst das lichtemittierende Fenster 11 ein Kleindurchmesserloch (Loch mit kleinem Durchmesser) 12, ein Großdurchmesserloch (Loch mit großem Durchmesser) 13, eine Gegenbohrungsfläche / Senkungsfläche 14, die durch die Seitenwand 32 (Abschnitt 322) gebildet ist, und ein Fensterelement 15. Auf dem Fensterelement 15 sind übrigens die Antireflexionsfolien 151 und 152 und eine später zu beschreibende Metallfolie / ein Metallfilm 153 vorgesehen (siehe 7). Da diese Elemente im Vergleich zu einem Hauptkörper des Fensterelements 15 sehr dünn sind, sind diese Elemente in den Zeichnungen außer in 7 nicht dargestellt.
Das Kleindurchmesserloch 12 öffnet sich zur Innenseite (nämlich dem Innenraum S) des Pakets 3 in der optischen Achsenrichtung entlang der optischen Achse des Laserlichts L (nämlich der X-Achsenrichtung). Das Großdurchmesserloch 13 öffnet sich zur Außenseite des Pakets 3. Das Großdurchmesserloch 13 ist so geformt, dass es das Kleindurchmesserloch 12 einschließt und in der X-Achsenrichtung gesehen größer ist als das Kleindurchmesserloch 12. Sowohl das Kleindurchmesserloch 12 als auch das Großdurchmesserloch 13 erstrecken sich in die X-Achsenrichtung. Das Kleindurchmesserloch 12 und das Großdurchmesserloch 13, die durch die Gegenbohrungsfläche 14 miteinander verbunden sind, bilden ein Durchgangsloch, das die Seitenwand 32 in der X-Achsenrichtung durchdringt. In der vorliegenden Ausführungsform ist sowohl das Kleindurchmesserloch 12 als auch das Großdurchmesserloch 13 kreisförmig ausgebildet und ein Durchmesser d2 des Großdurchmesserlochs 13 ist größer als ein Durchmesser d1 des Kleindurchmesserlochs 12 (d2 > d1). Darüber hinaus können eine Mittelachse des Kleindurchmesserlochs 12 und eine Mittelachse des Großdurchmesserlochs 13 mit der optischen Achse des vom QCL-Element 2 emittierten Laserlichts L zusammenfallen. Die Gegenbohrungsfläche 14 ist eine ringförmige Fläche, die das Kleindurchmesserloch 12 und das Großdurchmesserloch 13 verbindet und die sich entlang einer Ebene erstreckt, die die X-Achsenrichtung (Y-Z-Ebene) schneidet. Genauer gesagt verbindet die Gegenbohrungsfläche 14 einen Endabschnitt des Kleindurchmesserlochs 12 auf der Seite des Großdurchmesserlochs 13 mit einem Endabschnitt des Großdurchmesserlochs 13 auf der Seite des Kleindurchmesserlochs 12. Das Großdurchmesserloch 13 und die Gegenbohrungsfläche 14 können durch Ausführen eines Senkungsprozesses von der Außenseite des Pakets 3 ausgebildet werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Gegenbohrungsfläche 14 übrigens in einer kontinuierlichen Ringform ausgebildet, aber die Gegenbohrungsfläche 14 kann auch in einer diskontinuierlichen Ringform ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein Ausschnitt an einem Teil einer Innenwandfläche des Kleindurchmesserlochs 12 ausgebildet sein, um die Gegenbohrungsfläche 14 an dem Abschnitt zu unterteilen, an dem der Ausschnitt ausgebildet ist.
In der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Durchmesser d1 des Kleindurchmesserlochs 12 3,8 mm, der Durchmesser d2 des Großdurchmesserlochs 13 beträgt 5,7 mm, und eine Breite der Gegenbohrungsfläche 14 in radialer Richtung ((d2 - d1) / 2) beträgt 0,95 mm. Darüber hinaus ist eine Länge w1 des Kleindurchmesserlochs 12 entlang der X-Achsenrichtung kürzer als eine Länge w2 des Großdurchmesserlochs 13 entlang der X-Achsenrichtung. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt eine Dicke t (Länge entlang der X-Achsenrichtung) der Seitenwand 32 1 mm, die Länge w1 des Kleindurchmesserlochs 12 ist 0,23 mm und die Länge w2 des Großdurchmesserlochs 13 ist 0,77 mm.
Das Fensterelement 15 besteht aus einem Material (z. B. Germanium oder dergleichen), das das Laserlicht L mit einer Wellenlänge im mittleren Infrarotbereich durchlässt. Das Fensterelement 15 hat die Form einer Scheibe und ist im Inneren des Großdurchmesserlochs 13 angeordnet. Das Fensterelement 15 hat eine Einfallsfläche 15a, eine Abstrahlfläche 15b und eine Seitenfläche 15c. Die Einfallsfläche 15a und die Abstrahlfläche 15b sind Flächen, die die X-Achsenrichtung schneiden, und sind kreisförmig ausgebildet. Die Einfallsfläche 15a ist eine Fläche auf einer Seite des Innenraums S und ist eine Fläche, auf die das Laserlicht L (in der vorliegenden Ausführungsform das durch eine Linse 8 kollimierte Laserlicht L) auftrifft. Die Abstrahlfläche 15b ist eine der Einfallsfläche 15a gegenüberliegende Fläche (d. h. eine Außenfläche des Pakets 3) und eine Fläche, die das Laserlicht L, das durch das Fensterelement 15 hindurchgetreten ist, zur Außenseite des Pakets 3 abstrahlt. Die Seitenfläche 15c ist eine Fläche, die die Einfallsfläche 15a und die Abstrahlfläche 15b verbindet und die sich entlang der X-Achsenrichtung erstreckt. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt ein Durchmesser des Fensterelements 15 (die Einfallsfläche 15a oder die Abstrahlfläche 15b) 5,4 mm und eine Dicke (Länge entlang der X-Achsenrichtung) des Fensterelements 15 beträgt 0,7 mm.
Wie in (A) und (B) von 7 gezeigt, umfasst die Einfallsfläche 15a einen ersten Bereich A1 und einen zweiten Bereich A2. Der erste Bereich A1 ist ein Bereich, der einen zentralen Abschnitt der Einfallsfläche 15a umfasst und in dem die Antireflexionsfolie 151 (erste Antireflexionsfolie) vorgesehen ist. Die Antireflexionsfolie 151 ist ein Filmelement, das die Funktion hat, die Reflexion des Laserlichts L mit einer Wellenlänge im mittleren Infrarotbereich auf der Einfallsfläche 15a zu unterdrücken. Die Antireflexionsfolie 151 besteht beispielsweise aus einem Material mit hohem Brechungsindex, wie bspw. Germanium (Ge) oder Silizium (Si), einem Material mit mittlerem Brechungsindex, wie bspw. Zinksulfid (ZnS) oder Zinkselenid (ZnSe), oder einem Material mit niedrigem Brechungsindex, wie bspw. Yttriumfluorid (YF3), oder ist ein dielektrischer Mehrschichtfilm, in dem eine Vielzahl von Substanzen mit unterschiedlichen Brechungsindizes, die Licht im mittleren Infrarotbereich durchlassen, abwechselnd gestapelt sind. Die Antireflexionsfolie 151 ist kreisförmig ausgebildet. Eine Dicke (Länge entlang der X-Achsenrichtung) der Antireflexionsfolie 151 wird entsprechend der Auslegung einer Transmissionswellenlänge / Übertragungswellenlänge der Antireflexionsfolie 151 (Wellenlänge des Laserlichts L, das übertragen wird) bestimmt. Die Dicke der Antireflexionsfolie 151 beträgt z.B. 1,0 µm bis 3,0 µm. Wenn beispielsweise ein Auslegungswert der Transmissionswellenlänge 5,2 µm beträgt, wird die Dicke der Antireflexionsfolie 151 auf z. B. 1,4 µm festgelegt. Darüber hinaus beträgt in der vorliegenden Ausführungsform ein Durchmesser der Antireflexionsfolie 151 (nämlich ein Durchmesser des ersten Bereichs A1) 4,2 mm.
Der zweite Bereich A2 ist ein in einer Ringform ausgebildeter Bereich, der vom ersten Bereich A1 getrennt ist und den ersten Bereich A1 umgibt. Der zweite Bereich A2 ist durch die Metallfolie 153 metallisiert. Die Metallfolie 153 besteht aus einem für das Lötverbindungsverfahren geeigneten Material (nämlich einem Material mit guter Verträglichkeit mit einem später zu beschreibenden Lötelement 16). Die Metallfolie 153 besteht z.B. aus Cr/Ni/Au (0,2 µm/0,5 µm/0,5 µm). In der vorliegenden Ausführungsform beträgt ein Innendurchmesser der Metallfolie 153 (nämlich ein Innendurchmesser des zweiten Bereichs A2), der auf der Einfallsfläche 15a ausgebildet ist, 4,5 mm. In der vorliegenden Ausführungsform ist nämlich zwischen einer Außenkante des ersten Bereichs A1 und einer Innenkante des zweiten Bereichs A2 ein ringförmiger Bereich mit einer Breite von 0,15 mm ausgebildet, in dem die Einfallsfläche 15a (Germanium-Basismaterial) freigelegt / exponiert ist.
Wie in (B) von 7 gezeigt, umfasst die Seitenfläche 15c einen dritten Bereich A3, der so metallisiert ist, dass er mit dem zweiten Bereich A2 durchgängig ist. Das heißt, die Metallfolie 153 ist vom zweiten Bereich A2 aus bis zur Seitenfläche 15c durchgängig vorgesehen.
Wie in (B) und (C) von 7 gezeigt, umfasst die Abstrahlfläche 15b einen vierten Bereich A4, in dem die Antireflexionsfolie 152 (zweiter Antireflexionsfilm) vorgesehen ist. Die Antireflexionsfolie 152 ist ein Filmelement, das die Funktion hat, die Reflexion des Laserlichts L mit einer Wellenlänge im mittleren Infrarotbereich auf der Abstrahlfläche 15b zu unterdrücken. Die Antireflexionsfolie 152 ist kreisförmig und aus dem gleichen Material wie die Antireflexionsfolie 151 ausgebildet. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt ein Durchmesser der Antireflexionsfolie 152 (nämlich ein Durchmesser des vierten Bereichs A4) 4,6 mm. Der vierte Bereich A4 ist nämlich ein Bereich, der den ersten Bereich A1 einschließt und der in der X-Achsenrichtung gesehen größer ist als der erste Bereich A1.
Das Fensterelement 15 ist direkt mit der Seitenwand 32 (Abschnitt 322) verbunden. Insbesondere ist der zweite Bereich A2 der Einfallsfläche 15a (nämlich ein durch die Metallfolie 153 metallisierter Bereich) mit der Gegenbohrungsfläche 14 durch das ringförmig ausgebildete Lötelement 16 verbunden. Das Lötelement ist ein Verbindungsmaterial mit einem Schmelzpunkt von 450°C oder weniger. Das Lötelement 16 besteht beispielsweise aus einem Lötmaterial auf SnAgCu-Basis mit einem Schmelzpunkt von 220°C. Das Lötelement 16 ist ein blatt- / plattenförmiges Element, das ursprünglich in einer Ringform ausgebildet ist (siehe 16).
In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Dicke des Lötelements 16 vor dem Löten (nämlich im Zustand eines ringförmigen Blattes) 0,1 mm, sein Außendurchmesser ist 5,5 mm und sein Innendurchmesser ist 4,2 mm. In der vorliegenden Ausführungsform ist nämlich der Innendurchmesser (4,2 mm) des Lötelements 16 gleich dem Durchmesser (4,2 mm) des ersten Bereichs A1 und der erste Bereich A1 und das Lötelement 16 überlappen sich nicht gegenseitig. Darüber hinaus sind der erste Bereich A1, in dem die Antireflexionsfolie 151 ausgebildet ist, und der zweite Bereich A2, in dem die Metallfolie 153 ausgebildet ist, voneinander getrennt. Da der erste Bereich A1 und der zweite Bereich A2 vollständig voneinander getrennt sind und der Bereich, in dem das Basismaterial (in der vorliegenden Ausführungsform Germanium-Basismaterial) des Fensterelements 15 freiliegt, zwischen dem ersten Bereich A1 und dem zweiten Bereich A2 liegt, ist es beim Löten unwahrscheinlich, dass das Lötelement 16 auf den ersten Bereich A1 (auf die Antireflexionsfolie 151) fließt. Auf der anderen Seite ist es wahrscheinlich, dass das Lötelement 16 auf die Metallfolie 153, die eine hohe Kompatibilität mit dem Lötelement 16 aufweist, spritzt. Dementsprechend ist es unwahrscheinlich, dass Spannungen, die beim Schmelzen oder Erstarren des Lötelements 16 während des Lötens entstehen, auf die Antireflexionsfolie 151 im ersten Bereich A1 übertragen werden.
Da das Lötelement 16, wie oben beschrieben, auf die Metallfolie 153 spritzt, wickelt sich ein Teil des Lötelements 16 auch um den dritten Bereich A3 (siehe 5). Das heißt, ein Teil des Lötelements 16 tritt in einen Spalt zwischen der Seitenfläche 15c und einer Innenfläche des Großdurchmesserlochs 13 ein. Das heißt, dass zumindest ein Teil der Seitenfläche 15c des Fensterelements 15 mit zumindest einem Teil der Innenfläche des Großdurchmesserlochs 13 durch das Lötelement 16 verbunden ist. Dementsprechend wird die Luftdichtigkeit des Pakets 3 an einem Anbringungsabschnitt des Fensterelements 15 effektiv erhöht.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Abstrahlfläche 15b des Fensterelements 15 im Wesentlichen bündig mit einer Außenfläche 32a der Seitenwand 32 (Außenfläche des Pakets 3), an der das lichtemittierende Fenster 11 vorgesehen ist. Die Länge w2 des Großdurchmesserlochs 13 (d.h. eine Tiefe beim Senkungsprozess / bei der Herstellung der Gegenbohrung) wird nämlich so eingestellt, dass die Abstrahlfläche 15b im Wesentlichen bündig mit der Außenfläche 32a der Seitenwand 32 ist.
Nachfolgend wird jedes im Paket 3 untergebrachte Element beschrieben. Der durch das Paket 3 gebildete Innenraum S beherbergt neben dem QCL-Element 2 im Wesentlichen das Peltier-Modul 4, einen Wärmeverteiler 5, einen Kühlkörper 6, eine Unterhalterung / einen Unterbau 7, die Linse 8, eine Linsenhaltevorrichtung / einen Linsenhalter 9 und einen Temperatursensor T (siehe 10).
Das Peltier-Modul 4 ist ein Temperatursteuerungselement, das die Temperatur des QCL-Elements 2 reguliert. Konkret hat das Peltier-Modul 4 eine Kühl- und Heizfunktion, um die Temperatur des QCL-Elements 2 auf einer Temperatur zu halten, die der Schwingungs- / Oszillationswellenlänge des QCL-Elements 2 entspricht. Die Temperatursteuerung durch das Peltier-Modul 4 wird auf der Grundlage der Temperatur des QCL-Elements 2 durchgeführt, die von dem Temperatursensor T (siehe 10) gemessen wird, der an dem Kühlkörper 6 zu montieren ist.
Wie in 8 gezeigt, umfasst das Peltier-Modul 4 eine Vielzahl von Peltier-Elementen 41, die thermoelektrische Halbleiterelemente sind, und ein Paar von Keramiksubstraten 42 und 43, die die Vielzahl von Peltier-Elementen 41 von oben und unten zwischen sich einschließen. Das Keramiksubstrat 42 befindet sich auf einer Seite der Deckenwand 33 in Bezug auf die Peltierelemente 41 und das Keramiksubstrat 43 befindet sich auf der Seite der Bodenwand 31 in Bezug auf die Peltierelemente 41. Jedes der Keramiksubstrate 42 und 43 besteht zum Beispiel aus Aluminiumoxid. Eine äußere Oberfläche jedes der Keramiksubstrate 42 und 43 (die einer Seite des Peltier-Elements 41 gegenüberliegende Oberfläche) ist eine metallisierte Oberfläche, auf der eine Metallfolie 44 aus Cu/Ni/Au oder Ähnlichem durch Beschichtung gebildet ist. Eine In (Indium)-Folie 45, bei der es sich um ein Lötelement handelt, ist auf der Außenfläche jedes der Keramiksubstrate 42 und 43 vorgesehen, wobei die Metallfolie 44 dazwischen angeordnet ist. Das Keramiksubstrat 42 ist durch die In-Folie 45 mit dem Wärmeverteiler 5 verlötet. Andererseits ist das Keramiksubstrat 43 durch die In-Folie 45 mit einer oberen Fläche 31 c (Fläche, die der Deckenwand 33 zugewandt ist) der Bodenwand 31 des Pakets 3 verlötet. Zwei Leitungsdrähte 20, über die ein Gleichstrom zum Peltier-Modul 4 fließen kann, sind elektrisch mit einem Keramiksubstrat (in der vorliegenden Ausführungsform das Keramiksubstrat 43) verbunden. Die beiden Leitungsdrähte 20 sind jeweils mit unterschiedlichen Leitungsstiften 10 verbunden.
Der Wärmeverteiler 5 ist ein Element, das auf dem Peltier-Modul 4 angebracht wird und die vom QCL-Element 2 erzeugte Wärme an eine Seite des Peltier-Moduls 4 ableitet. Der Wärmeverteiler 5 besteht beispielsweise aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie bspw. Kupfer. Wie in 9 gezeigt, hat der Wärmeverteiler 5 eine Bodenfläche 51, die mit dem Peltier-Modul 4 durch die In-Folie 45 (siehe 8), die auf dem Keramiksubstrat 42 vorgesehen ist, verlötet wird; eine erste obere Fläche 52, auf der der Kühlkörper 6 und die Unterhalterung 7 zu montieren sind; und eine zweite obere Fläche 53 (zweite Befestigungsfläche), an der die Linsenhaltevorrichtung 9 zu montieren ist.
Hier ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kupfer (etwa 17×10^-6/K) größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminiumoxid (etwa 7×10^-6/K). Wenn das Keramiksubstrat 42 des Peltiermoduls 4 aus Aluminiumoxid und der Wärmeverteiler 5 aus Kupfer besteht und die gesamte Bodenfläche 51 des Wärmeverteilers 5 durch die In-Folie 45 mit dem Keramiksubstrat 42 verbunden ist, könnten aus diesem Grund Risse in den Peltierelementen 41 aufgrund eines großen Temperaturunterschieds o.ä. zwischen den oberen Flächen und den unteren Flächen der Peltierelemente 41 während der Langzeitnutzung, Temperatursteuerung o.ä. der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 auftreten, was ein Problem darstellt.
Daher sind in der vorliegenden Ausführungsform in der Bodenfläche 51 des Wärmeverteilers 5 Nutenabschnitte 51a ausgebildet, die eine mit dem Peltiermodul 4 zu verbindende Fläche in eine Vielzahl von Segmenten unterteilen. In der vorliegenden Ausführungsform erstrecken sich beispielsweise zwei Nutenabschnitte 51a entlang der Querrichtung (Y-Achsenrichtung) an Stellen, an denen die Bodenfläche 51 in der Längsrichtung (X-Achsenrichtung) in drei Segmente unterteilt ist. Die mit dem Peltier-Modul 4 zu verbindende Fläche wird durch die beiden Nutenabschnitte 51a im Wesentlichen gleichmäßig in drei Segmente unterteilt. Da die mit dem Peltier-Modul 4 zu verbindende Fläche in eine Vielzahl (hier drei) von Segmenten unterteilt ist, wird auf diese Weise die durch eine Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Material (Aluminiumoxid) des Keramiksubstrats 42 und dem Material (Kupfer) des Wärmeverteilers 5 verursachte Spannung reduziert und das Auftreten von Rissen in den oben beschriebenen Peltier-Elementen 41 wird unterdrückt.
Darüber hinaus sind vier Ecken (Scheitelpunkte) des Peltier-Moduls 4 besonders schwach in der mechanischen Festigkeit. Daher sind in der vorliegenden Ausführungsform an vier Ecken der Bodenfläche 51 des Wärmeverteilers 5 Ausschnittnuten 51 b ausgebildet. Dementsprechend kann verhindert werden, dass das Keramiksubstrat 42 und die Bodenfläche 51 des Wärmeverteilers 5 an Abschnitten, die den vier Ecken des Peltier-Moduls 4 entsprechen, miteinander verbunden werden und die durch die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten verursachte Spannung an den vier Ecken des Peltier-Moduls 4 kann effektiv reduziert werden.
Die oben beschriebenen Nutenabschnitte 51a und die Ausschnittnuten 51 b fungieren übrigens auch als Entweichungswege für Luftschichten (Hohlräume), die beim Zusammenlöten des Keramiksubstrats 42 und der Bodenfläche 51 durch die In-Folie 45 vermischt werden. Dadurch kann die Qualität der Verbindung und die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Peltier-Modul 4 (Keramiksubstrat 42) und dem Wärmeverteiler 5 verbessert werden.
Da außerdem ein Weichlotmaterial, wie bspw. In (Indium) oder InSn (Indium-Zinn) (in der vorliegenden Ausführungsform In) als Lötelement verwendet wird, das das Peltier-Modul 4 (Keramiksubstrat 42) und den Wärmeverteiler 5 miteinander verbindet, kann die Ausdehnungs- oder Kontraktionsspannung durch Wärme in geeigneter Weise absorbiert werden, und die Zuverlässigkeit der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 kann verbessert werden.
Die erste obere Fläche 52 befindet sich an einer höheren Position als die zweite obere Fläche 53 (Seite der Deckenwand 33). In der vorliegenden Ausführungsform ist die erste obere Fläche 52 beispielsweise mit zwei Schraublöchern 52a zur Verschraubung des Kühlkörpers 6 und mit einem nach oben (Seite der Deckenwand 33) vorstehenden Vorsprungabschnitt 52b versehen. Der Vorsprungabschnitt 52b erstreckt sich entlang der Querrichtung (Y-Achsenrichtung) an einem Endabschnitt der ersten oberen Fläche 52 in der Längsrichtung (X-Achsenrichtung) (Endabschnitt, der einer Seite der zweiten oberen Fläche 53 gegenüberliegt). Der Vorsprungabschnitt 52b ist ein Abschnitt, der in Kontakt mit einem Endabschnitt des Kühlkörpers 6 kommt, um den Kühlkörper 6 zu positionieren.
Die zweite obere Fläche 53 ist mit einer Vielzahl von (in der vorliegenden Ausführungsform vier) Vorsprüngen 53a (zweite Vorsprünge) versehen, die in einer Inselform ausgebildet sind. Die vier Vorsprünge 53a sind Abschnitte, die mit der später zu beschreibenden Linsenhaltevorrichtung 9 verbunden werden.
Der Kühlkörper 6 ist ein Element, das auf der ersten oberen Fläche 52 des Wärmeverteilers 5 angebracht wird. Ähnlich wie der Wärmeverteiler 5 besteht der Kühlkörper 6 beispielsweise aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie bspw. Kupfer. Der Kühlkörper 6 hat eine im Wesentlichen rechteckige, parallelepipedische Form. Eine Breite des Kühlkörpers 6 entlang der X-Achsenrichtung beträgt beispielsweise 5 mm und eine Breite des Kühlkörpers 6 entlang der Y-Achsenrichtung beträgt 6 mm. Wie in 10 dargestellt, sind die Unterhalterung 7, auf der das QCL-Element 2 montiert ist, der Temperatursensor T, der die Temperatur des QCL-Elements 2 misst, und Keramikmuster SP für Verdrahtungsdrähte auf einer oberen Fläche 6a (Fläche auf der Seite der Deckenwand 33) des Kühlkörpers 6 montiert. Eine untere Fläche 6b des Kühlkörpers 6 ist in Kontakt mit der ersten oberen Fläche 52 des Wärmeverteilers 5. Damit das QCL-Element 2 bei einem Defekt des QCL-Elements 2 leicht ausgetauscht werden kann, ist der Kühlkörper 6 mit Schrauben an dem Wärmeverteiler 5 befestigt. Für eine solche Verschraubung sind im Kühlkörper 6 Schraubenlöcher 6c, die den Kühlkörper 6 in Z-Achsenrichtung durchdringen, und Gegenbohrungsnuten 6d, die um die Schraubenlöcher 6c herum ausgebildet sind, ausgebildet. Die Schraubenlöcher 6c sind an Positionen vorgesehen, die den oben beschriebenen Schraubenlöchern 52a (siehe 9) des Wärmeverteilers 5 entsprechen. Der Kühlkörper 6 ist beispielsweise am Wärmeverteiler 5 fixiert, indem Schraubenelemente (nicht dargestellt) in die Schraubenlöcher 6c und in die Schraubenlöcher 52a eingeführt werden, wobei die Schraubenspitzen der Schraubenelemente mit einem Schraubensicherungsmittel (Klebemittel zur Verhinderung des Lösens von Schrauben) beschichtet sind. Jede der Gegenbohrungsnuten 6d ist ein Nutenabschnitt, der zur Aufnahme eines Schraubenkopfes vorgesehen ist. Als Schraubensicherungsmittel eignet sich ein wärmehärtendes Harzklebemittel, der keine Ausgasungen erzeugt (z.B. Epoxidharz oder ähnliches).
Der Temperatursensor T und die Keramikmuster SP sind über Drähte (nicht dargestellt) mit vorbestimmten Leitungsstiften 10 elektrisch verbunden. Außerdem ist das QCL-Element 2 über die Keramikmuster SP und über Drähte (nicht dargestellt) mit einem vorbestimmten Leitungsstift 10 elektrisch verbunden. Dementsprechend werden das QCL-Element 2 und der Temperatursensor T über die Leitungsstifte 10 von einer externen Energieversorgungsvorrichtung mit elektrischer Energie versorgt.
Die Unterhalterung 7 ist ein rechteckiges plattenförmiges Element, auf dem das QCL-Element 2 platziert werden soll. Das QCL-Element 2 wird so auf der Unterhalterung 7 platziert, dass die optische Achse des von der Stirnfläche 2a abgestrahlten Laserlichts L mit einem Zentrum des lichtemittierenden Fensters 11 zusammenfällt (nämlich die Mittelachsen des Kleindurchmesserlochs 12 und des Großdurchmesserlochs 13). Die Unterhalterung 7 besteht aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der nahe an dem vom QCL-Element 2 ist (z. B. Aluminiumnitrid oder dergleichen). Das QCL-Element 2 und die Unterhalterung 7 sind miteinander verbunden, z. B. durch ein Lötmaterial auf AnSn-Basis. Darüber hinaus sind die Unterhalterung 7 und der Kühlkörper 6 miteinander verbunden, z.B. durch ein SnAgCuNiGe-basiertes Lötmaterial.
Nachfolgend werden die Linse 8 und die Linsenhaltevorrichtung 9 mit Bezug auf die 11 bis 15 beschrieben. Wie oben beschrieben, weist das Laserlicht L nach dem Prinzip eines Quantenkaskadenlasers einen relativ großen Abstrahlwinkel auf (vgl. 4). Aus diesem Grund ist es zur effektiven Nutzung des Laserlichts L notwendig, eine Strahlformung (Bündeln, Kollimieren o.ä.) des Laserlichts L mit Hilfe eines optischen Elements, wie bspw. einer Linse, durchzuführen. Da andererseits das Laserlicht L mit einer Oszillationswellenlänge im mittleren Infrarotbereich unsichtbar ist, ist ein teurer Strahlmonitor, Detektor oder ähnliches mit Empfindlichkeit im mittleren Infrarotbereich erforderlich, um eine Ausrichtung (Positionsausrichtung) der Linse für die Strahlformung durchzuführen. Daher ist in der vorliegenden Ausführungsform die Linse 8 zur Durchführung der Strahlformung bereits im Paket 3 eingebaut. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass es nicht notwendig ist, eine Ausrichtung einer Linse (extern anzubringende Linse) auf einer Benutzerseite durchzuführen.
Die Linse 8 ist ein Element, das das vom QCL-Element 2 emittierte Laserlicht L bündelt oder kollimiert. Die Linsenhaltevorrichtung 9 ist ein Element, das die Linse 8 hält. Die Linse 8 ist so angeordnet, dass sie der Stirnfläche 2a zugewandt ist, die die Abstrahlfläche des QCL-Elements 2 ist, das das Laserlicht L emittiert.
Die Linse 8 ist zum Beispiel eine asphärische Linse aus ZnSe. Wie in 11 und 14 dargestellt, hat die Linse 8 eine Einfallsfläche 8a, eine Seitenfläche 8b und eine Abstrahlfläche 8c. Die Einfallsfläche 8a ist eine Fläche, auf die das Laserlicht L auftrifft. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Einfallsfläche 8a eine ebene Fläche. Die Seitenfläche 8b ist eine Fläche, die sich von einem Randabschnitt der Einfallsfläche 8a entlang der optischen Achsenrichtung (nämlich der X-Achsenrichtung) des Laserlichts L erstreckt. Die Abstrahlfläche 8c ist eine Fläche, die das Laserlicht L, das die Linse 8 passiert hat, abstrahlt. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Abstrahlfläche 8c in Form einer gekrümmten asphärischen Oberfläche ausgebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Durchmesser der Linse 8 (Durchmesser der Einfallsfläche 8a) 5 mm, und der effektive Durchmesser der Linse 8 beträgt 4,5 mm. Der effektive Durchmesser der Linse 8 ist der Durchmesser eines einfallenden Strahls, der die optischen Eigenschaften der Linse in einer Ebene (Einfallsfläche 8a) die senkrecht zur optischen Achsenrichtung (X-Achsenrichtung) des Laserlichts L ist, erfüllen kann (wenn die Linse 8 eine Kollimationslinse ist, ein Durchmesser des einfallenden Lichts, das übertragen und kollimiert werden kann, als Spezifikation der Linse). Darüber hinaus wird ein Bereich innerhalb des effektiven Durchmessers der Linse 8 als effektiver Bereich bezeichnet.
Wie in 11 gezeigt, ist die Linsenhaltevorrichtung 9 ein Element mit einer im Wesentlichen rechteckigen, parallelepipedischen Außenform. Die Linsenhaltevorrichtung 9 besteht z.B. aus Aluminium, dessen Oberfläche mit schwarzem Alumit behandelt ist. Ein Durchgangsloch, das die Linsenhaltevorrichtung 9 entlang der X-Achsenrichtung durchdringt, ist in einem zentralen Abschnitt der Linsenhaltevorrichtung 9, in der X-Achsenrichtung gesehen, vorgesehen. Die Linsenhaltevorrichtung 9 hat ein Kleindurchmesserloch 9a (erster Lochabschnitt) und ein Großdurchmesserloch 9b (zweiter Lochabschnitt), die das Durchgangsloch bilden. Sowohl das Kleindurchmesserloch 9a als auch das Großdurchmesserloch 9b erstrecken sich in X-Achsenrichtung. Das Großdurchmesserloch 9b ist an einer Position vorgesehen, die weiter vom QCL-Element 2 entfernt ist als das Kleindurchmesserloch 9a. Das Kleindurchmesserloch 9a befindet sich nämlich auf einer Seite des QCL-Elements 2 in Bezug auf das Großdurchmesserloch 9b. Das Großdurchmesserloch 9b ist so geformt, dass es das Kleindurchmesserloch 9a einschließt und in der X-Achsenrichtung gesehen größer ist als das Kleindurchmesserloch 9a. Das Großdurchmesserloch 9b ist größer geformt als die Außenform der Linse 8, so dass die Linse 8 innerhalb vom Großdurchmesserloch 9b untergebracht werden kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind sowohl das Kleindurchmesserloch 9a als auch das Großdurchmesserloch 9b kreisförmig ausgebildet. Das Kleindurchmesserloch 9a und das Großdurchmesserloch 9b sind durch eine Gegenbohrungsfläche 9c miteinander verbunden, die eine Ringform hat und sich entlang einer Ebene erstreckt, die die X-Achsenrichtung (Y-Z-Ebene) schneidet. Genauer gesagt verbindet die Gegenbohrungsfläche 9c einen Endabschnitt des Kleindurchmesserlochs 9a auf der Seite des Großdurchmesserlochs 9b mit einem Endabschnitt des Großdurchmesserlochs 9b auf der Seite des Kleindurchmesserlochs 9a. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Gegenbohrungsfläche 9c übrigens in einer durchgehenden Ringform ausgebildet, aber die Gegenbohrungsfläche 9c kann auch in einer diskontinuierlichen Ringform ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein Ausschnitt an einem Teil einer Innenwandfläche des Kleindurchmesserlochs 9a ausgebildet werden, um die Gegenbohrungsfläche 9c an dem Abschnitt zu unterteilen, an dem der Ausschnitt ausgebildet ist.
Wie in den 11 und 12 gezeigt, ist in einer Innenfläche des Großdurchmesserlochs 9b entlang der X-Achsenrichtung ein Nutenabschnitt 9d (Ausnehmung) ausgebildet, der sich von einem Endabschnitt auf einer der Seite des QCL-Elements 2 gegenüberliegenden Seite der Linsenhaltevorrichtung 9 erstreckt, um die Gegenbohrungsfläche 9c zu erreichen. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Paar der Nutenabschnitte 9d, die einander entlang einer Diagonalen der Linsenhaltevorrichtung 9 gegenüberliegen und in der X-Achsenrichtung gesehen eine rechteckige Form haben, ausgebildet.
Wie in 12 und 14 gezeigt, fällt eine Mittelachse AX1 des Kleindurchmesserlochs 9a nicht mit einer Mittelachse AX2 des Großdurchmesserlochs 9b zusammen. Die Mittelachse AX1 des Kleindurchmesserlochs 9a ist nämlich exzentrisch zur Mittelachse AX2 des Großdurchmesserlochs 9b. Übrigens sind in 14 die beiden Nutenabschnitte 9d zum besseren Verständnis der Beschreibung nicht dargestellt. 14 ist nämlich eine Ansicht, in der das Großdurchmesserloch 9b nicht mit dem Paar von Nutenabschnitten 9d versehen ist, und zeigt schematisch eine Querschnittsstruktur entlang der Linie XIV-XIV von 12.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Mittelachse AX1 des Kleindurchmesserlochs 9a in Bezug auf die Mittelachse AX2 des Großdurchmesserlochs 9b in einer Richtung D versetzt. Die Richtung D ist eine aus der X-Achsenrichtung betrachtete Richtung von einem Nutabschnitt 9d zum anderen Nutabschnitt 9d. Darüber hinaus ist ein Durchmesser d3 des Kleindurchmesserlochs 9a der gleiche wie der effektive Durchmesser der Linse 8 und beträgt 4,5 mm, und ein Durchmesser d4 des Großdurchmesserlochs 9b beträgt 5,15 mm. Da die Mittelachse AX1 exzentrisch zur Mittelachse AX2 ist, wie in den 12 und 14 gezeigt, ist eine Breite der Gegenbohrungsfläche 9c auf einer Seite der Mittelachse AX1 (hier ein Abschnitt ohne den Nutabschnitt 9d) auf einer Geraden, die durch die Mittelachse AX1 und durch die Mittelachse AX2 verläuft bzw. diese schneidet, eine Mindestbreite wmin der Gegenbohrungsfläche 9c. Darüber hinaus ist eine Breite der Gegenbohrungsfläche 9c auf einer Seite der Mittelachse AX2 (hier ein Abschnitt ohne den Nutenabschnitt 9d) auf der Geraden, die durch die Mittelachse AX1 und durch die Mittelachse AX2 verläuft, eine maximale Breite wmax der Gegenbohrungsfläche 9c. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die minimale Breite wmin 0,25 mm, die maximale Breite wmax 0,4 mm und ein Abstand d zwischen der Mittelachse AX1 und der Mittelachse AX2 0,075 mm.
Ein Randabschnitt der Einfallsfläche 8a der Linse 8 ist in Kontakt mit der Gegenbohrungsfläche 9c. Darüber hinaus ist in der Linse 8 die Seitenfläche 8b der Linse 8 in Bezug auf die Innenfläche des Großdurchmesserlochs 9b entlang der Richtung D von der Mittelachse AX2 des Großdurchmesserlochs 9b zur Mittelachse AX1 des Kleindurchmesserlochs 9a angeordnet. Insbesondere stößt die Seitenfläche 8b der Linse 8 an / gegen die Innenfläche des Großdurchmesserlochs 9b entlang der Richtung D. Dementsprechend ist eine Mittelachse AX3 der Linse 8 an einer Position angeordnet, die näher an der Mittelachse AX1 des Kleindurchmesserlochs 9a liegt als an der Mittelachse AX2 des Großdurchmesserlochs 9b. In der vorliegenden Ausführungsform sind der Durchmesser (5 mm) und der effektive Durchmesser (4,5 mm) der Linse 8, der Durchmesser d3 (4,5 mm) des Kleindurchmesserlochs 9a, der Durchmesser d4 (5,15 mm) des Großdurchmesserlochs 9b und der Abstand d (0,075 mm) zwischen der Mittelachse AX1 und der Mittelachse AX2 wie oben beschrieben eingestellt. Dementsprechend fällt die Mittelachse AX3 der Linse 8 im Wesentlichen mit der Mittelachse AX1 des Großdurchmesserlochs 9a zusammen. In der X-Achsenrichtung betrachtet, überschneidet sich nämlich der gesamte effektive Bereich der Linse 8 mit dem Kleindurchmesserloch 9a. Mit anderen Worten ist der gesamte effektive Bereich der Linse 8 durch das Kleindurchmesserloch 9a zur Seite des QCL-Elements 2 hin offen. Dementsprechend ist es möglich, den effektiven Bereich der Linse 8 optimal auszunutzen.
Als Nächstes wird ein Verfahren zur Fixierung der Linse 8 an der Linsenhaltevorrichtung 9 beschrieben. Wie in 14 gezeigt, wird zumindest ein Teil der Seitenfläche 8b der Linse 8 an der Innenfläche des Großdurchmesserlochs 9b durch ein Harzklebemittel B1 in einem Zustand befestigt, in dem die Linse 8 in Bezug auf die Linsenhaltevorrichtung 9 wie oben beschrieben positioniert ist. Das Harzklebemittel B1 besteht zum Beispiel aus einem wärmehärtenden Harz, wie bspw. Epoxidharz. Das Harzklebemittel B1 wird beispielsweise in die Nutenabschnitte 9d gegossen, so dass das in die Nutenabschnitte 9d eingedrungene Harzklebemittel B1 aufgrund des Kapillarphänomens auch in einen Spalt zwischen der Seitenfläche 8b der Linse 8 und der Innenfläche des Großdurchmesserlochs 9b an den Rändern der Nutenabschnitte 9d fließt. Darüber hinaus fließt das Harzklebemittel B1 aufgrund des Kapillarphänomens auch in einen Spalt zwischen der Einfallsfläche 8a der Linse 8 und der Gegenbohrungsfläche 9c. Das Harzklebemittel B1 wird ausgehärtet und die Linse 8 wird an der Linsenhaltevorrichtung 9 befestigt, indem der Backprozess der Linsenhaltevorrichtung 9 in diesem Zustand durchgeführt wird. Ein Verfahren zum Gießen des Harzklebemittels B1 in den Nutenabschnitt 9d wird beispielsweise durch Einführen eines Nadelelements zum Beschichten des Harzklebemittels B1 in den Nutenabschnitt 9d und durch Injizieren des Harzklebemittels B1 von einer Spitze des Nadelelements in Richtung der Gegenbohrungsfläche 9c im Nutenabschnitt 9d durchgeführt. In diesem Fall können die Nutenabschnitte 9d in einer solchen Größe ausgebildet werden, dass das Nadelelement in sie eingeführt werden kann.
Effekte, die durch eine Struktur erzielt werden, bei der die Mittelachse AX1 des Kleindurchmesserlochs 9a in Bezug auf die Mittelachse AX2 des Großdurchmesserlochs 9b in der Richtung D exzentrisch ist und die Linse 8 entlang der Richtung D positioniert ist (im Folgenden als „exzentrische Struktur“ bezeichnet), werden unter Bezugnahme auf 15 im Detail beschrieben. 15 ist eine Ansicht, die schematisch eine Positionsbeziehung zwischen der Linse 8 und einer Linsenhaltevorrichtung 900 zeigt, wenn die Linsenhaltevorrichtung 900 gemäß einem Vergleichsbeispiel verwendet wird. Bei der Linsenhaltevorrichtung 900 ist die Mittelachse AX1 des Kleindurchmesserlochs 9a nicht exzentrisch gegenüber der Mittelachse AX2 des Großdurchmesserlochs 9b. Die Mittelachse AX1 und die Mittelachse AX2 fallen nämlich zusammen. Um den effektiven Durchmesser der Linse 8 optimal auszunutzen, ist es in diesem Fall, wie in einem linken Teil von 15 gezeigt, notwendig, die Mittelachse AX3 der Linse 8 mit einer Mittelachse (nämlich den Mittelachsen AX1 und AX2) der Linsenhaltevorrichtung 900 zusammenfallen zu lassen. Solange eine solche Beziehung zwischen der Linse 8 und der Linsenhaltevorrichtung 900 aufrechterhalten wird, treten keine Probleme auf. Wenn jedoch die Linse 8 in einer solchen Weise in der Mitte der Linsenhaltevorrichtung 900 installiert ist und die Seitenfläche 8b der Linse 8 und die Innenfläche des Großdurchmesserlochs 9b durch das Harzklebemittel B1 miteinander verbunden sind, wie in einem rechten Teil von 15 gezeigt, wenn der Backprozess durchgeführt wird, könnte die Mittelachse AX3 der Linse 8 aufgrund der Oberflächenspannung des Harzklebemittels B1 von der Mittelachse (Mittelachsen AX1 und AX2) der Linsenhaltevorrichtung 9 versetzt werden, was ein Problem darstellt. Da die Menge des Harzklebemittels B1, mit der der Spalt zwischen der Seitenfläche 8b der Linse 8 und dem Großdurchmesserloch 9b gefüllt wird, nicht immer gleichmäßig ist, kann es zu einem Phänomen kommen, bei dem sich die Linse 8 in eine Richtung bewegt, in der die Oberflächenspannung des Harzklebemittels B1 stark wirkt. Wenn eine solche Bewegung (Positionsversatz) der Linse 8 auftritt, überlappt ein Teil des effektiven Bereichs der Linse 8 die Gegenbohrungsfläche 9c, und es ist nicht möglich, den effektiven Bereich optimal auszunutzen. Wenn nämlich, wie im rechten Teil von 15 gezeigt, die Mittelachse AX3 der Linse 8 und die optische Achse des vom QCL-Element 2 emittierten Laserlichts L so angeordnet sind, dass sie miteinander übereinstimmen, können die Lichtströme des Laserlichts L nicht in einem Abschnitt des effektiven Bereichs der Linse 8, der die Gegenbohrungsfläche 9c überlappt, eingefangen werden.
Andererseits kann gemäß der in den 12 und 14 dargestellten exzentrischen Struktur die Seitenfläche 8b der Linse 8 mit der Innenfläche des Großdurchmesserlochs 9b entlang der Richtung D im Voraus in engen Kontakt gebracht werden, wobei die Innenfläche als Installationsende der Linse 8 dient. Je geringer dann der Abstand zwischen der Seitenfläche 8b der Linse 8 und der Innenfläche des Großdurchmesserlochs 9b an Abschnitten (nämlich an eng aneinanderliegenden Abschnitten und deren Umgebung) ist, desto stärker wirkt die Oberflächenspannung des Harzklebemittels B1. Aus diesem Grund wird die Linse 8 auch bei der Durchführung des Backprozesses nicht entgegen der Richtung D in Bezug auf die Linsenhaltevorrichtung 9 zurückgezogen. Vor und nach dem Backvorgang wird nämlich ein Zustand aufrechterhalten, in dem die Seitenfläche 8b der Linse 8 an die Innenfläche des Großdurchmesserlochs 9b entlang der Richtung D anstößt (siehe 12 und 14). Daher ist es gemäß der exzentrischen Struktur möglich, den effektiven Bereich der Linse 8 optimal zu nutzen, indem die Abmessungen so eingestellt werden, dass der effektive Bereich der Linse 8 und das Kleindurchmesserloch 9a in einem Zustand, in dem die Linse 8 wie oben beschrieben positioniert ist, zusammenfallen.
Übrigens müssen ein Abschnitt der Seitenfläche 8b der Linse 8 und die Innenfläche des Großdurchmesserlochs 9b nicht notwendigerweise in direktem Kontakt zueinanderstehen, da der Abschnitt gegen die Innenfläche des Großdurchmesserlochs 9b anstößt. Wie in 14 gezeigt, kann nämlich das Harzklebemittel B1, das aufgrund des Kapillarphänomens geringfügig in einen Spalt zwischen dem Abschnitt der Seitenfläche 8b der Linse 8 und der Innenfläche des Großdurchmesserlochs 9b eingetreten ist, dazwischen eingefügt werden, wobei der Abschnitt an die Innenfläche des Großdurchmesserlochs 9b stößt.
Wie in den 11, 12 und (B) von 13 gezeigt, enthält ein Wandabschnitt 90 (nämlich ein rohrförmiger Abschnitt, der sich entlang der X-Achsenrichtung erstreckt), der das Großdurchmesserloch 9b der Linsenhaltevorrichtung 9 bildet, einen Bodenwandabschnitt 92 (erster Wandabschnitt), der der zweiten oberen Fläche 53 des Wärmeverteilers 5 zugewandt ist. Der Bodenwandabschnitt 92 hat eine untere Fläche 92a (erste Befestigungsfläche), die der zweiten oberen Fläche 53 zugewandt ist. An der untere Fläche 92a ist eine Vielzahl von (in der vorliegenden Ausführungsform vier) Vorsprüngen 92b (erste Vorsprünge) ausgebildet, die zu einer Seite des Wärmeverteilers 5 vorstehen. Die vier Vorsprünge 92b sind an Positionen vorgesehen, die den vier Vorsprüngen 53a (siehe (A) in 9) entsprechen, die an der zweiten oberen Fläche 53 des Wärmeverteilers 5 vorgesehen sind. Die Vorsprünge 92b sind mit den jeweiligen Vorsprüngen 53a durch eine Klebeschicht B2 (siehe 2) verbunden, die aus einem UV-härtbaren Harz (photohärtbares Harz) besteht.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die vier Vorsprünge 92b an vier Ecken des Bodenwandabschnitts 92 in ausgewogener Weise angeordnet. Die vier Vorsprünge 92b sind nämlich so angeordnet, dass ein Zentrum der vier Vorsprünge 92b im Wesentlichen mit einem Zentrum des Bodenwandabschnitts 92 übereinstimmt, wenn man in Z-Achsenrichtung schaut. Dementsprechend kann die Linsenhaltevorrichtung 9 stabil an der zweiten oberen Fläche 53 des Wärmeverteilers 5 befestigt werden und es kann eine Struktur realisiert werden, die gegen Stöße, Vibrationen und dergleichen resistent ist.
Wie in 11 und (A) von 13 gezeigt, umfasst der Wandabschnitt 90 einen Deckenwandabschnitt 91 (zweiter Wandabschnitt), der der Deckenwand 33 des Pakets 3 gegenüberliegt. Der Deckenwandabschnitt 91 ist dem Bodenwandabschnitt 92 durch das Großdurchmesserloch 9b zugewandt. An einem Endabschnitt auf einer dem Großdurchmesserloch 9a gegenüberliegenden Seite des Deckenwandabschnitts 91 ist eine Aussparung 91a ausgebildet. Außerdem ist ein Ausschnitt 92c an einem Endabschnitt auf einer dem Bodenwandabschnitt 92 gegenüberliegenden Seite ausgehend von der Seite des Kleindurchmesserlochs 9a ausgebildet. In Z-Achsenrichtung betrachtet, umfassen der Ausschnitt 91a und der Ausschnitt 92c Abschnitte, die sich gegenseitig überlappen. Der Deckenwandabschnitt 91 ist nämlich so ausgebildet, dass er zumindest einen Teil des Ausschnitts 92c des Bodenwandabschnitts 92 in einer Richtung, in der der Bodenwandabschnitt 92 und der Deckenwandabschnitt 91 einander zugewandt sind (Z-Achsenrichtung), nicht überlappt. Ein Teil der zweiten oberen Fläche 53 des Wärmeverteilers 5 ist von oberhalb des Deckenwandabschnitts 91 durch einen Abschnitt, an dem sich der Ausschnitt 91a und der Ausschnitt 92c überlappen, visuell erkennbar. Die zweite obere Fläche 53 des Wärmeverteilers 5 kann nämlich von oberhalb des Deckenwandabschnitts 91 durch den Abschnitt hindurch mit Licht bestrahlt werden. Gemäß einer solchen Konfiguration kann UV-Licht in geeigneter Weise in einen Raum zwischen der unteren Fläche 92a der Linsenhaltevorrichtung 9 und der zweiten oberen Fläche 53 des Wärmeverteilers 5 geleitet werden, indem die Linsenhaltevorrichtung 9 so auf der zweiten oberen Fläche 53 des Wärmeverteilers 5 platziert wird, dass die Positionen der vier Vorsprünge 53a und die Positionen der vier Vorsprünge 92b aufeinander abgestimmt sind, und indem dann die zweite obere Fläche 53 von oberhalb der Linsenhaltevorrichtung 9 mit dem UV-Licht bestrahlt wird. Dementsprechend kann die Klebeschicht B2, die zwischen jedem der Vorsprünge 92b und dem entsprechenden Vorsprung 53a vorgesehen ist, in geeigneter Weise ausgehärtet werden.
Da außerdem die mit der Klebeschicht B2 zu beschichtenden Stellen durch jeden der Vorsprünge 92b und jeden der inselförmig ausgebildeten Vorsprünge 53a definiert sind, können die mit der Klebeschicht B2 zu beschichtenden Stellen und die Beschichtungsmenge der Klebeschicht B2 unter einer Vielzahl von Produkten (Quantenkaskadenlaservorrichtungen 1) ausgeglichen werden. Außerdem ist die Eindringtiefe des UV-Lichts in ein UV-härtbares Harz begrenzt. Wird daher die gesamte untere Fläche 92a mit dem UV-härtbaren Harz beschichtet, ohne dass die Vorsprünge 92b und die Vorsprünge 53a vorhanden sind, kann das Problem auftreten, dass das UV-Licht das Innere des UV-härtbaren Harzes (Mittelseite) nicht erreicht und das UV-härtbare Harz nicht vollständig ausgehärtet werden kann. Ein solches Problem kann vermieden werden, indem die mit der Klebeschicht B2 zu beschichtenden Stellen wie oben beschrieben inselförmig definiert werden. Da die Vorsprünge 92b und die Vorsprünge 53a in einer Inselform vorgesehen sind, kann außerdem zwischen der unteren Fläche 92a und der zweiten oberen Fläche 53 an Stellen, an denen sich die Vorsprünge 92b und die Vorsprünge 53a nicht überlappen, ein ausreichender Raum für den Durchtritt des UV-Lichts gebildet werden. Dementsprechend kann das UV-Licht, das in den Raum eingedrungen ist, von Tälern / Tiefenabschnitten (Abschnitte, an denen die Vorsprünge 92b und die Vorsprünge 53a nicht ausgebildet sind) sowohl der unteren Oberfläche 92a als auch der zweiten oberen Oberfläche 53 reflektiert werden, und die Klebeschicht B2 auf jedem der Vorsprünge 53a kann mit dem UV-Licht bestrahlt werden.
Als Nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 (Aufbauverfahren) beschrieben. Wie in 16 dargestellt, wird zunächst das Paket 3 vorbereitet, bevor die Deckenwand 33 mit der Seitenwand 32 verbunden wird. Anschließend wird das Fensterelement 15 (Fensterelement 15, auf dem die Antireflexionsfolien 151 und 152 und die Metallfolie 153 im Voraus angebracht werden (siehe 7)) mit der Seitenwand 32 verbunden. Das Lötelement 16, bei dem es sich um ein ringförmiges Blattelement handelt, das in einer Scheibenform ausgebildet ist, wird zwischen der Gegenbohrungsfläche 14 und dem Fensterelement 15 eingefügt. Dann wird von der Außenseite des Pakets 3 eine Last auf das Fensterelement 15 ausgeübt, um das Fensterelement 15 gegen die Gegenbohrungsfläche 14 zu drücken. In diesem Zustand werden das Fensterelement 15 und die Gegenbohrungsfläche 14 durch das Lötelement 16 miteinander verbunden, z. B. mit Hilfe einer Vakuumlötvorrichtung (Vakuumlötöfen). Zu diesem Zeitpunkt kann eine Vorrichtung zum Ausrichten eines Zentrums des Fensterelements 15 mit den Mittelachsen der Gegenbohrungsöffnungen (das Kleindurchmesserloch 12 und das Großdurchmesserloch 13) verwendet werden.
Anschließend wird der Wärmeverteiler 5 auf die Ober- und Unterseite des Peltier-Moduls 4 aufgesetzt, an denen die In-Folien 45, die Lötelemente sind, befestigt sind und diese Elemente werden mit Hilfe einer Vorrichtung in einer vorgegebenen Position auf der Bodenwand 31 angeordnet. Dann wird eine Last von oben aus auf den Wärmeverteiler 5 aufgebracht, um diese Elemente gegen die Bodenwand 31 zu drücken. In diesem Zustand werden die Bodenwand 31, das Peltier-Modul 4 und der Wärmeverteiler 5 durch die zwischen diesen Elementen angeordneten In-Folien 45 miteinander verbunden, z. B. mit einer Vakuumlötvorrichtung. Anschließend werden die Leitungsdrähte 20 des Peltier-Moduls 4 mit den Leitungsstiften 10 verlötet, wie in 2 dargestellt.
Anschließend wird der Kühlkörper 6, an dem Elemente wie das QCL-Element 2, die Unterhalterung 7, der Temperatursensor T und die Keramikmuster SP im Voraus montiert werden, an der ersten oberen Fläche 52 des Wärmeverteilers 5 befestigt. Insbesondere wird der Kühlkörper 6 mit dem Wärmeverteiler 5 verschraubt, indem Schraubenelemente (nicht dargestellt) in die Schraubenlöcher 6c des Kühlkörpers 6 (siehe 10) und in die Schraubenlöcher 52a des Wärmeverteilers 5 eingeführt werden. Darüber hinaus sind der Temperatursensor T und die Keramikmuster SP durch Drähte (nicht dargestellt) elektrisch mit den vorbestimmten Leitungsstiften 10 verbunden.
Anschließend wird die Linsenhaltevorrichtung 9, an der die Linse 8 wie oben beschrieben montiert ist, an der zweiten oberen Fläche 53 des Wärmeverteilers 5 befestigt. Konkret wird jeder der auf der zweiten oberen Fläche 53 des Wärmeverteilers 5 ausgebildeten Vorsprünge 53a vorab mit einem UV-härtbaren Harz (Klebeschicht B2) beschichtet. Anschließend wird die Linsenhaltevorrichtung 9 z. B. mittels Convum (Vakuumerzeuger) o. ä. vakuumbeaufschlagt und in das Paket 3 eingebracht. Dann wird das QCL-Element 2 angesteuert, um das Laserlicht L zu emittieren, und eine aktive Ausrichtung wird durchgeführt, um die optische Achse des Laserlichts L und die Mittelachse der Linse 8 aufeinander auszurichten, während das Laserlicht L mit einem Strahlmonitor beobachtet wird.
Anschließend wird die Linsenhaltevorrichtung 9 an dem Wärmeverteiler 5 in einem Zustand befestigt, in dem die Positionen der optischen Achse des Laserlichts L und der Mittelachse der Linse 8 aufeinander ausgerichtet sind. Insbesondere wird in einem Zustand, in dem die optische Achse des Laserlichts L und die Mittelachse der Linse 8 aufeinander ausgerichtet sind, die zweite obere Fläche 53 des Wärmeverteilers 5 von oberhalb der Linsenhaltevorrichtung 9 durch den Ausschnitt 91a und den Ausschnitt 92c der Linsenhaltevorrichtung 9 mit UV-Licht bestrahlt. Dementsprechend sind jeder der Vorsprünge 92b der Linsenhaltevorrichtung 9 und der entsprechende Vorsprung 53a des Wärmeverteilers 5 durch die Klebeschicht B2 miteinander verbunden.
Dabei ist die Position jedes der Vorsprünge 92b so ausgelegt, dass er den entsprechenden Vorsprung 53a des Wärmeverteilers 5 in einem Zustand überlappt, in dem die optische Achse des Laserlichts L und die Mittelachse der Linse 8 aufeinander ausgerichtet sind. Darüber hinaus ist die Höhenabmessung (Länge in Z-Achsenrichtung) jedes der Vorsprünge 53a und jedes der Vorsprünge 92b so ausgelegt, dass zwischen jedem der Vorsprünge 53a des Wärmeverteilers 5 und dem entsprechenden Vorsprung 92b der Linsenhaltevorrichtung 9 in einem Zustand, in dem die optische Achse des Laserlichts L und die Mittelachse der Linse 8 aufeinander ausgerichtet sind, ein Spalt gebildet wird, der etwa um einige hundert Mikrometer kleiner ist als die Dicke des UV-härtbaren Harzes (Klebeschicht B2), mit dem jeder der Vorsprünge 53a im Voraus beschichtet ist. Wenn die Linsenhaltevorrichtung 9 in Bezug auf den Wärmeverteiler 5 bewegt wird, um die optische Achse des Laserlichts L und die Mittelachse der Linse 8 aufeinander auszurichten, wird dementsprechend eine Anpassung vorgenommen, so dass jeder der Vorsprünge 92b der Linsenhaltevorrichtung 9 und die Klebeschicht B2 auf dem entsprechenden Vorsprung 53a des Wärmeverteilers 5 miteinander in Kontakt kommen. Mit anderen Worten sind die Höhenabmessungen jedes der Vorsprünge 53a und jedes der Vorsprünge 92b und die Dicke der Klebeschicht B2 so ausgelegt, dass die optische Achse des Laserlichts L und die Mittelachse der Linse 8 in einem Zustand, in dem die Linsenhaltevorrichtung 9 gegen das auf dem Wärmeverteiler 5 aufgetragene UV-härtbare Harz (Klebeschicht B2) gedrückt wird, aufeinander ausgerichtet sind.
Anschließend wird ein oberer Endabschnitt der Seitenwand 32 des Pakets 3 (Endabschnitt, der der Seite der Bodenwand 31 gegenüberliegt) mit der Deckenwand 33 verbunden. Wie oben beschrieben, erhält man die in 1 dargestellte Quantenkaskadenlaservorrichtung 1.
In der oben beschriebenen Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 ist das lichtemittierende Fenster 11 mit der Seitenwand 32 des Pakets 3 durch das Lötelement 16 (in der vorliegenden Ausführungsform ein SnAgCu-basiertes Lötmaterial mit einem Schmelzpunkt von 220°C) mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als dem eines Lötmaterials (Schmelzpunkt 450°C oder höher) verbunden. Dementsprechend können, verglichen mit der Verwendung des Lötmaterials, das Fensterelement 15 und die Gegenbohrungsfläche 14 in engen Kontakt miteinander gebracht werden, während eine durch Hitze verursachte Beschädigung des Fensterelements 15 und dergleichen (insbesondere die Antireflexionsfolien 151 und 152) unterdrückt wird. Darüber hinaus sind der erste Bereich A1, in dem die Antireflexionsfolien 151 vorgesehen ist, und der zweite Bereich A2, mit dem das Lötelement 16 verbunden ist, auf der Einfallsfläche 15a des Fensterelements 15 voneinander getrennt (siehe 7). Dementsprechend wird verhindert, dass Spannungen, die im zweiten Bereich A2 erzeugt werden, wenn das Lötelement 16 geschmolzen oder verfestigt wird, auf die Antireflexionsfolie 151 im ersten Bereich A1 übertragen werden. Infolgedessen wird eine durch die Spannung verursachte Beschädigung (Riss, Ablösung oder ähnliches) der Antireflexionsfolie 151 unterdrückt. Wie oben beschrieben, kann gemäß der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 eine Beschädigung der an dem lichtemittierenden Fenster 11 vorgesehenen Antireflexionsfolie 151 unterdrückt und eine hohe Luftdichtigkeit des Pakets 3 sichergestellt werden.
Darüber hinaus umfasst die Seitenfläche 15c des Fensterelements 15 den dritten Bereich A3, der so metallisiert ist, dass er mit dem zweiten Bereich A2 durchgängig ist, und zumindest ein Teil der Seitenfläche 15c ist über das Lötelement 16 mit zumindest einem Teil der Innenfläche des Großdurchmesserlochs 13 verbunden (siehe 5)., Da gemäß dieser Konfiguration ein Bereich, der vom zweiten Bereich A2 zur Seitenfläche 15c des Fensterelements 15 (dritter Bereich A3) durchgängig ist, metallisiert ist, wenn das Lötverbindungsverfahren durchgeführt wird, spritzt ein Teil des Lötelements 16 in geeigneter Weise zu einer Seite des dritten Bereichs A3. Infolgedessen kann das Lötelement 16 zwischen der Seitenfläche 15c des Fensterelements 15 und der Innenfläche des Großdurchmesserlochs 13 angeordnet werden und die Luftdichtigkeit des Pakets 3 kann in geeigneter Weise verbessert werden.
Darüber hinaus liegt die Wellenlänge des vom QCL-Element 2 emittierten Laserlichts L in einem Bereich von 4 µm bis 12 µm. Einerseits beträgt die hitzebeständige Temperatur der Antireflexionsfolien 151 und 152 etwa 260°C. Andererseits kann in der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1, da das Lötelement 16 mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt als Verbindungsmaterial verwendet wird, das Fensterelement 15, an dem die Antireflexionsfolien 151 und 152 vorgesehen sind, durch Lötverbindungsverfahren an der Seitenwand 32 befestigt werden, während eine durch Hitze verursachte Beschädigung der Antireflexionsfolien 151 und 152 unterdrückt wird.
Darüber hinaus weist in der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 die Linsenhaltevorrichtung 9 das Kleindurchmesserloch 9a und das Großdurchmesserloch 9b auf, deren Mittelachsen AX1 und AX2 exzentrisch zueinander sind. Außerdem ist die Seitenfläche 8b der Linse 8 in Bezug auf die Innenfläche des Großdurchmesserlochs 9b entlang der Richtung D von der Mittelachse AX2 des Großdurchmesserlochs 9b zur Mittelachse AX1 des Kleindurchmesserlochs 9a angeordnet. Dementsprechend kann der Positionsversatz der Linse 8 (Bewegung der Linse 8 in Bezug auf die Linsenhaltevorrichtung 9), der durch die Oberflächenspannung des um die Linse 8 herum angeordneten Harzklebemittels B1 verursacht werden kann, wenn die Linse 8 in einem zentralen Abschnitt des Großdurchmesserlochs 9b angeordnet ist (siehe beispielsweise den linken Teil von 15), in geeigneter Weise unterdrückt werden. Ferner ist in einem Zustand, in dem die Linse 8 auf diese Weise positioniert ist, die Mittelachse AX3 der Linse 8 an einer Position nahe der Mittelachse AX1 des Großdurchmesserlochs 9a angeordnet (in der vorliegenden Ausführungsform fallen die Mittelachse AX3 und die Mittelachse AX1 zusammen). Dementsprechend kann die Fläche eines Bereichs, in dem sich der effektive Bereich der Linse 8 (Bereich innerhalb des effektiven Durchmessers um die Mittelachse AX3 der Linse herum) und die Gegenbohrungsfläche 9c gegenseitig überlagern, reduziert werden. Dadurch kann der effektive Bereich der Linse 8 effizient genutzt werden. Da der effektive Bereich der Linse 8 effizient genutzt werden kann, kann außerdem die Größe der Linse 8 und die Größe des Pakets 3 reduziert werden.
Darüber hinaus fällt bei der vorliegenden Ausführungsform die Mittelachse AX3 der Linse 8 im Wesentlichen mit der Mittelachse AX1 des Kleindurchmesserlochs 9a zusammen, und der effektive Durchmesser der Linse 8 fällt im Wesentlichen mit dem Durchmesser d3 des Kleindurchmesserlochs 9a zusammen. Gemäß dieser Konfiguration kann der gesamte effektive Bereich (Bereich innerhalb des effektiven Durchmessers) der Linse 8 durch das Kleindurchmesserloch 9a freigelegt werden. Dementsprechend wird die Größe des Kleindurchmesserlochs 9a auf ein Minimum reduziert, um den Bereich der Gegenbohrungsfläche 9c zu sichern, so dass es möglich ist, den effektiven Bereich der Linse 8 optimal zu nutzen und gleichzeitig den Randbereich der Einfallsfläche 8a der Linse 8 angemessen abzustützen.
Darüber hinaus sind die Nutenabschnitte 9d, die die Gegenbohrungsfläche 9c entlang der X-Achsenrichtung erreichen, in der Innenfläche des Großdurchmesserlochs 9b ausgebildet und das Harzklebemittel B1 tritt in die Nutenabschnitte 9d ein. Gemäß dieser Konfiguration kann das Harzklebemittel B1 leicht in den Spalt zwischen der Seitenfläche 8b der Linse 8 und der Innenfläche des Großdurchmesserlochs 9b durch die Nutenabschnitte 9d injiziert werden.
Darüber hinaus weist die Linsenhaltevorrichtung 9 eine untere Fläche 92a auf, an der eine Vielzahl von (in der vorliegenden Ausführungsform vier) Vorsprüngen 92b ausgebildet ist, die zur Seite des Wärmeverteilers 5 hin vorstehen, und die Vielzahl der Vorsprünge 92b ist mit der zweiten oberen Fläche 53 des Wärmeverteilers 5 durch die Klebeschicht B2, die aus einem UV-härtbaren Harz besteht, verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Vielzahl der Vorsprünge 53a, die zu einer Seite der Linsenhaltevorrichtung 9 hin vorstehen, an der zweiten oberen Fläche 53 an den Stellen ausgebildet, die der Vielzahl der Vorsprünge 92b entsprechen, und die Vielzahl der Vorsprünge 92b sind mit der Vielzahl der Vorsprünge 53a durch die Klebeschicht B2 verbunden. Da die Stellen, an denen die Klebeschicht B2 vorgesehen ist, auf die Vielzahl der Vorsprünge 92b verteilt werden können, kann die Klebeschicht B2 auf jedem der Vorsprünge 92b leicht und angemessen ausgehärtet werden, verglichen mit dem Fall, dass die Klebeschicht B2 in einem breiten Bereich auf der gesamten Oberfläche vorgesehen ist. Ferner ist in der vorliegenden Ausführungsform die Klebeschicht B2 in einem zentralen Abschnitt des zwischen der unteren Fläche 92a und der zweiten oberen Fläche 53 (zwischen den Vorsprüngen 92b und den Vorsprüngen 53a) gebildeten Raums angeordnet. Dementsprechend kann die Klebeschicht B2 in geeigneter Weise mit UV-Licht bestrahlt werden, das von der unteren Fläche 92a und der zweiten oberen Fläche 53 in dem Raum reflektiert wird. Dadurch kann die Klebeschicht B2 besser aushärten und die Linsenhaltevorrichtung 9 kann stabil an dem Wärmeverteiler 5 befestigt werden.
Darüber hinaus ist der Bodenwandabschnitt 92 der Linsenhaltevorrichtung 9 mit dem Ausschnitt 92c versehen, um Licht auf die zweite obere Fläche 53 des Wärmeverteilers 5 zu leiten. Gemäß dieser Konfiguration kann die zweite obere Fläche 53 des Wärmeverteilers 5 mit UV-Licht von einer Seite bestrahlt werden, die einer Seite gegenüberliegt, auf der der Wärmeverteiler 5 in Bezug auf die Linsenhaltevorrichtung 9 angeordnet ist (nämlich von oberhalb der Linsenhaltevorrichtung 9), und zwar durch den im Bodenwandabschnitt 92 vorgesehenen Ausschnitt 92c. Dementsprechend kann eine Lichtbestrahlung zur Aushärtung der Klebeschicht B2 zwischen der unteren Fläche 92a und der zweiten oberen Fläche 53 einfach durchgeführt werden.
Darüber hinaus umfasst die Linsenhaltevorrichtung 9 den Deckenwandabschnitt 91, der dem Bodenwandabschnitt 92 durch das Großdurchmesserloch 9b zugewandt ist. Dann ist der Deckenwandabschnitt 91 so geformt, dass er zumindest einen Teil des im Bodenwandabschnitt 92 vorgesehenen Ausschnitts 92c nicht überlappt, bei Betrachtung in der Richtung, in der der Bodenwandabschnitt 92 und der Deckenwandabschnitt 91 einander zugewandt sind (Z-Achsenrichtung). Gemäß dieser Konfiguration kann die im Großdurchmesserloch 9b angeordnete Linse 8 durch den Bodenwandabschnitt 92 und den Deckenwandabschnitt 91 in geeigneter Weise nach außen hin geschützt werden. Da der Deckenwandabschnitt 91 außerdem so ausgebildet ist, dass er zumindest einen Teil des im Bodenwandabschnitt 92 vorgesehenen Ausschnitts 92c nicht überlappt, kann die zweite obere Fläche 53 des Wärmeverteilers 5 mit Licht bestrahlt werden, indem die Linsenhaltevorrichtung 9 mit dem Licht von der Außenseite der Linsenhaltevorrichtung 9 (Seite, die dem Bodenwandabschnitt 92 mit dem dazwischenliegenden Deckenwandabschnitt 91 gegenüberliegt) bestrahlt wird.
Darüber hinaus kann anstelle des Ausschnitts 92c ein Durchgangsloch, das den Bodenwandabschnitt 92 in Z-Achsenrichtung durchdringt, im Bodenwandabschnitt 92 ausgebildet sein. Ebenso kann anstelle des Ausschnitts 91a ein Durchgangsloch, das den Deckenwandabschnitt 91 in Z-Achsenrichtung durchdringt und einen Abschnitt umfasst, der den Ausschnitt 92c oder das im Bodenwandabschnitt 92 vorgesehene Durchgangsloch überlappt, im Deckenwandabschnitt 91 ausgebildet sein. Auch bei einer solchen Ausgestaltung kann durch Durchführen einer Lichtbestrahlung von oberhalb der Linsenhaltevorrichtung 9 Licht auf die zweite obere Fläche 53 des Wärmeverteilers 5 geleitet werden.
Darüber hinaus sind das QCL-Element 2 und die Linsenhaltevorrichtung 9 auf demselben Wärmeverteiler 5 montiert. Das QCL-Element 2 ist übrigens auf dem Wärmeverteiler 5 montiert, bei dem die Unterhalterung 7 und der Kühlkörper 6 dazwischen angeordnet sind. Gemäß dieser Konfiguration kann, da eine Basis (Wärmeverteiler 5), auf der das QCL-Element 2 und die Linsenhaltevorrichtung 9 platziert sind, gemeinsam genutzt wird, wenn sich der Wärmeverteiler 5 aufgrund von Wärme ausdehnt oder zusammenzieht, eine relative Bewegung der Linsenhaltevorrichtung 9 in Bezug auf das QCL-Element 2 unterdrückt werden. Dadurch kann das Auftreten eines optischen Achsversatzes (Versatz der Mittelachse AX3 der Linse 8 gegenüber der optischen Achse des Laserlichts L), der durch eine Temperaturänderung im Paket 3 verursacht wird, unterdrückt werden.
Darüber hinaus nimmt das Paket 3 das QCL-Element 2, die Linse 8 und die oben beschriebene Linsenhaltevorrichtung 9 luftdicht auf. Gemäß dieser Konfiguration kann der effektive Bereich der Linse 8, die in dem Paket 3 angeordnet ist, effizient genutzt werden, die Größe der Linse 8 kann reduziert werden und die Größe des Pakets 3 kann reduziert werden.
[Ausführungsbeispiele]
Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist oben beschrieben worden; die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise sind das Material und die Form jeder Konfiguration nicht auf das oben beschriebene Material und die oben beschriebene Form beschränkt und es können verschiedene Materialien und Formen verwendet werden. Darüber hinaus können einige der in der Ausführungsform enthaltenen Konfigurationen in geeigneter Weise geändert oder weggelassen werden.
Die Form der Linsenhaltevorrichtung ist nicht auf die oben beschriebene Form der Linsenhaltevorrichtung 9 beschränkt. Zum Beispiel können anstelle der oben beschriebenen Linsenhaltevorrichtung 9 die in den 17 bis 19 dargestellten Linsenhaltevorrichtungen 9A bis 9C verwendet werden.
Wie in 17 gezeigt, unterscheidet sich die Linsenhaltevorrichtung 9A eines ersten Modifikationsbeispiels von der Linsenhaltevorrichtung 9 dadurch, dass ein Großdurchmesserloch 9Ab mit einer viereckigen Form anstelle des Großdurchmesserlochs 9b mit einer kreisförmigen Form ausgebildet ist und die Nutenabschnitte 9d nicht ausgebildet sind (das Großdurchmesserloch 9Ab ist in einer solchen Größe ausgebildet, dass es Abschnitte umfasst, die den Nutenabschnitten 9d entsprechen). Auf diese Weise kann das Großdurchmesserloch 9Ab in einer solchen Größe ausgebildet sein, dass es die Linse 8 aufnimmt, und muss nicht unbedingt kreisförmig ausgebildet sein. Gemäß dem Großdurchmesserloch 9Ab kann an vier Ecken des Großdurchmesserlochs 9Ab ein ausreichender Raum für das Einfüllen des Harzklebemittels B1 gesichert werden, ohne dass die Nutenabschnitte 9d vorgesehen sind. Aus einem anderen Blickwinkel betrachtet, fungiert in der Linsenhaltevorrichtung 9A jeder der Abschnitte, die den vier Ecken des Großdurchmesserlochs 9Ab entsprechen, als Aussparung, die dem Nutenabschnitt 9d der Linsenhaltevorrichtung 9 entspricht. Übrigens kann das Kleindurchmesserloch 9a ähnlich wie das Großdurchmesserloch 9Ab auch in einer anderen Form als einer kreisförmigen Form ausgebildet sein (z.B. die gleiche viereckige Form wie die des Großdurchmesserlochs 9Ab, bei einer kleineren Größe als das Großdurchmesserloch 9Ab oder dergleichen).
Wie in 18 gezeigt, unterscheidet sich die Linsenhaltevorrichtung 9B eines zweiten Modifikationsbeispiels von der Linsenhaltevorrichtung 9 dadurch, dass die Linsenhaltevorrichtung 9B anstelle des Deckenwandabschnitts 91 einen Deckenwandabschnitt 91 B aufweist, dessen obere Fläche kreisförmig (gekrümmte Oberflächenform) ausgebildet ist. Außerdem ist in der Linsenhaltevorrichtung 9B, da der Deckenwandabschnitt 91 B verwendet wird, kein Platz für die Ausbildung des Nutenabschnitts 9d vorhanden, der auf einer Seite des Deckenwandabschnitts 91 in der Linsenhaltevorrichtung 9 vorgesehen ist. Aus diesem Grund ist in der Linsenhaltevorrichtung 9B ein Paar der Nutabschnitte 9d auf beiden jeweiligen Seiten in der Y-Achsenrichtung auf einer Seite des Bodenwandabschnitts 92 ausgebildet. Auf diese Weise sind die Positionen, an denen die Nutenabschnitte 9d in der Linsenhaltevorrichtung ausgebildet sind, nicht besonders begrenzt. Darüber hinaus ist die Anzahl der Nutenabschnitte 9d nicht besonders begrenzt. Darüber hinaus ist in der Linsenhaltevorrichtung 9B eine Länge eines Abschnitts eines Wandabschnitts entlang der X-Achsenrichtung mit Ausnahme des Bodenwandabschnitts 92 kürzer als der Wandabschnitt 90 der Linsenhaltevorrichtung 9, wobei der Wandabschnitt das Großdurchmesserloch 9b bildet. Insbesondere ist die Länge des Abschnitts entlang der X-Achsenrichtung etwas kürzer als eine Länge der Linse 8 entlang der X-Achsenrichtung. Da gemäß einer solchen Konfiguration ein Abschnitt, der UV-Licht von oberhalb der Linsenhaltevorrichtung 9B blockiert, reduziert werden kann, kann das UV-Licht zum Aushärten der Klebeschicht B2 geeigneter auf die Seite des Wärmeverteilers 5 geleitet werden.
Wie in 19 gezeigt, unterscheidet sich die Linsenhaltevorrichtung 9C eines dritten Modifikationsbeispiels von der Linsenhaltevorrichtung 9 dadurch, dass die Linsenhaltevorrichtung 9C anstelle des Deckenwandabschnitts 91 einen Deckenwandabschnitt 91 C mit einer kürzeren Länge entlang der X-Achsenrichtung als die des Deckenwandabschnitts 91 aufweist. Die Länge des Deckenwandabschnitts 91C entlang der X-Achsenrichtung ist etwa halb so lang wie die Länge der Linse 8 entlang der X-Achsenrichtung. Darüber hinaus ist in der Linsenhaltevorrichtung 9C eine Länge eines Abschnitts eines Wandabschnitts entlang der X-Achsenrichtung mit Ausnahme des Bodenwandabschnitts 92 die gleiche wie die des Deckenwandabschnitts 91C, wobei der Wandabschnitt das Großdurchmesserloch 9b bildet. Die Linsenhaltevorrichtung 9C ist nämlich in der Y-Achsenrichtung gesehen im Wesentlichen L-förmig ausgebildet. Da in der Linsenhaltevorrichtung 9C ein Abschnitt, der das UV-Licht von oberhalb der Linsenhaltevorrichtung 9C blockiert, kleiner ist als in der Linsenhaltevorrichtung 9B, kann das UV-Licht zum Aushärten der Klebeschicht B2 besser auf die Seite des Wärmeverteilers 5 geleitet werden. Außerdem muss der Wandabschnitt der Linsenhaltevorrichtung, der das Großdurchmesserloch 9b bildet, wie bei der Linsenhaltevorrichtung 9C nicht die gesamte Seitenfläche 8b der Linse 8 umgeben, sondern kann so gestaltet sein, dass er nur einen Teil einer Seite der Einfallsfläche 8a der Seitenfläche 8b der Linse 8 umgibt.
Darüber hinaus kann die Linse, wie in einer Quantenkaskadenlaservorrichtung 1A gemäß einem in 20 gezeigten Modifikationsbeispiel, nicht notwendigerweise in dem Paket 3 untergebracht sein. Die Quantenkaskadenlaservorrichtung 1A unterscheidet sich von der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 dadurch, dass die Quantenkaskadenlaservorrichtung 1A eine Linse 8A umfasst, die extern an einer Außenseite des Pakets 3 angebracht ist, anstatt dass die Linse 8 und die Linsenhaltevorrichtung 9 in dem Paket 3 vorliegen. Die Quantenkaskadenlaservorrichtung 1A enthält nämlich die Linse 8A, die an der Außenseite des Pakets 3 angeordnet ist, um das Laserlicht L, das durch das lichtemittierende Fenster 11 gelangt ist, zu konzentrieren / zu bündeln oder zu kollimieren. Darüber hinaus unterscheidet sich die Quantenkaskadenlaservorrichtung 1A von der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1 wegen des Unterschieds auch dadurch, dass die Quantenkaskadenlaservorrichtung 1A einen Wärmeverteiler 5A umfasst, der so konfiguriert ist, dass das QCL-Element 2 anstelle des Wärmeverteilers 5 an einer Position nahe dem lichtemittierenden Fenster 11 angeordnet werden kann. Wie oben beschrieben, ist der Abstrahlwinkel des Laserlichts L sehr groß. Um das lichtemittierende Fenster 11 so klein wie möglich zu machen und gleichzeitig alle Lichtströme des Laserlichts L durch das lichtemittierende Fenster 11 zur Außenseite des Pakets 3 gelangen zu lassen, ist es daher wünschenswert, dass das lichtemittierende Fenster 11 und die Abstrahlfläche (Stirnfläche 2a) des QCL-Elements 2, das das Laserlicht L emittiert, so nahe wie möglich aneinander gebracht werden. Aus diesem Grund enthält die Quantenkaskadenlaservorrichtung 1A, die keine Linse aufweist, im Inneren des Pakets 3 den oben beschriebenen Wärmeverteiler 5A.
Da gemäß der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1A die Linse 8A ein extern zu befestigendes Element ist, das an der Außenseite des Pakets 3 angeordnet ist, kann die Anordnung, der Austausch und dergleichen der Linse 8 flexibel durchgeführt werden. Ferner ist, wie oben beschrieben, die Länge w1 des Kleindurchmesserlochs 12 entlang der optischen Achsenrichtung (X-Achsenrichtung) des Laserlichts L kürzer als die Länge w2 des Großdurchmesserlochs 13 (siehe 5). Bei dieser Konfiguration kann das lichtemittierende Fenster 11 näher an das QCL-Element 2 herangeführt werden, als wenn die Länge w1 des Kleindurchmesserlochs 12 gleich oder länger als die Länge w2 des Großdurchmesserlochs 13 ist. Dementsprechend kann das Laserlicht L auch dann auf das lichtemittierende Fenster 11 auftreffen, wenn der Abstrahlwinkel des vom QCL-Element 2 emittierten Laserlichts L groß ist, während ein Grad der Streuung des Laserlichts L reduziert wird. Infolgedessen kann die Größe des lichtemittierenden Fensters 11 und die Größe des Pakets 3 reduziert werden.
Darüber hinaus umfasst, wie oben beschrieben, die Abstrahlfläche 15b des Fensterelements 15 den vierten Bereich A4, in dem die Antireflexionsfolie 152 vorgesehen ist, und der vierte Bereich A4 umfasst den ersten Bereich A1 und ist in der X-Achsenrichtung gesehen größer als der erste Bereich A1. Wenn, wie in der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1A, die Linse nicht im Paket 3 vorgesehen ist und das Laserlicht L, das divergentes Licht ist, auf das Fensterelement 15 fällt, ist ein Bereich, durch den das Laserlicht L auf die Einfallsfläche 15a des Fensterelements 15 hindurchtritt, kleiner als ein Bereich, durch den das Laserlicht L auf die Abstrahlfläche 15b des Fensterelements 15 hindurchtritt. Daher kann, wie in dieser Konfiguration, ein Bereich, der einer Differenz zwischen dem vierten Bereich A4 und dem ersten Bereich A1 entspricht, als zweiter Bereich A2 gesichert werden, indem die Antireflexionsfolie 151 auf einer Seite der Einfallsfläche 15a kleiner gemacht wird als die Antireflexionsfolie 152 auf einer Seite der Abstrahlfläche 15b (nämlich, indem der erste Bereich A1 kleiner gemacht wird als der vierte Bereich A4). Da die Größen des ersten Bereichs A1, des zweiten Bereichs A2 und des vierten Bereichs A4 unter Berücksichtigung des Abstrahlwinkels des Laserlichts L ausgelegt sind, kann auf diese Weise die Größe des Fensterelements 15 verringert und die Größe des Pakets 3 reduziert werden.
Darüber hinaus ist in der Ausführungsform die Abstrahlfläche 15b des Fensterelements 15 im Wesentlichen bündig mit der Außenfläche der Seitenwand 32, aber die Abstrahlfläche 15b des Fensterelements 15 kann weiter zur Außenseite des Pakets 3 vorstehen als die Außenfläche der Seitenwand 32. Das heißt, die Dicke des Fensterelements 15 kann größer sein als die Länge w2 des Großdurchmesserlochs 13. In diesem Fall kann die Verarbeitbarkeit verbessert werden, wenn das Fensterelement 15 von der Außenseite des Pakets 3 aus mit der Seitenwand 32 verbunden wird. Darüber hinaus kann, wie in der Quantenkaskadenlaservorrichtung 1A, die Verarbeitbarkeit der Linsenbefestigung ebenfalls verbessert werden, wenn die von außen anzubringende Linse 8A an der Abstrahlfläche 15b des Fensterelements 15 angebracht wird. Darüber hinaus kann die Größe des Pakets 3 verringert werden oder die Linse 8A kann zuverlässig in der Nähe des Fensterelements 15 angeordnet werden, indem die Dicke der Seitenwand 32 verringert wird.
Darüber hinaus ist in der Ausführungsform als ein Beispiel für das Halbleiter-Laserelement das Quantenkaskadenlaserelement (QCL-Element 2) beispielhaft dargestellt, jedoch kann als das im Paket 3 unterzubringende Halbleiter-Laserelement auch ein anderes Laserelement als das Quantenkaskadenlaserelement verwendet werden. Darüber hinaus kann das Halbleiter-Laserelement ein Distributed-Feedback-(DFB)-Halbleiter-Laserelement sein, bei dem eine Beugungsgitterstruktur auf einem oberen Abschnitt einer Aktivschicht vorgesehen ist.
Darüber hinaus ist in der Ausführungsform das Paket 3, das ein Butterflypaket ist, beispielhaft dargestellt, aber die Form des Pakets ist nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann das Paket ein CAN-Paket sein.
Bezugszeichenliste

1, 1A: Quantenkaskadenlaservorrichtung (Halbleiter-Laservorrichtung),
2: Quantenkaskadenlaserelement (Halbleiter-Laserelement),
2a: Abstrahlfläche,
3: Paket,
5, 5A: Wärmeverteiler,
8, 8A: Linse,
8a: Einfallsfläche,
8b: Seitenfläche,
8c: Abstrahlfläche,
9, 9A, 9B, 9C: Linsenhaltevorrichtung,
9a: Kleindurchmesserloch (erster Lochabschnitt),
9b: Großdurchmesserloch (zweiter Lochabschnitt),
9c: Gegenbohrungsfläche,
9d: Nutenabschnitt (Aussparung),
11: lichtemittierendes Fenster,
12: Kleindurchmesserloch,
13: Großdurchmesserloch,
14: Gegenbohrungsfläche,
15: Fensterelement,
15a: Einfallsfläche,
15b: Abstrahlfläche,
15c: Seitenfläche,
16: Lötelement,
31: Bodenwand,
32: Seitenwand,
33: Deckenwand,
53: zweite obere Fläche (zweite Befestigungsfläche),
53a: Vorsprung (zweiter Vorsprung),
91: Deckenwandabschnitt (zweiter Wandabschnitt),
92: Bodenwandabschnitt (erster Wandabschnitt),
92a: untere Fläche (erste Anbringungsfläche),
92b: Vorsprung (erster Vorsprung),
92c: Ausschnitt,
151: Antireflexionsfolie (erste Antireflexionsfolie),
152: Antireflexionsfolie (zweite Antireflexionsfolie),
153: Metallfolie,
A1: erster Bereich,
A2: zweiter Bereich,
A3: dritter Bereich,
A4: vierter Bereich,
AX1, AX2, AX3: Mittelachse,
B1: Harzklebemittel,
B2: Klebeschicht,
D: Richtung,
L: Laserlicht.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2003315633 A [0002]

Claims

Quantenkaskadenlaservorrichtung, die aufweist: ein Quantenkaskadenlaserelement; eine Linse, die so angeordnet ist, dass sie einer Abstrahlfläche des Quantenkaskadenlaserelements, das Laserlicht emittiert, zugewandt ist; und eine Linsenhaltevorrichtung, der die Linse hält, wobei die Linsenhaltevorrichtung umfasst: einen ersten Lochabschnitt, der sich in einer optischen Achsenrichtung entlang einer optischen Achse des Laserlichts erstreckt; einen zweiten Lochabschnitt, der an einer Position vorgesehen ist, die weiter von dem Quantenkaskadenlaserelement entfernt ist als der erste Lochabschnitt, und der den ersten Lochabschnitt umfasst und bei Betrachtung in der optischen Achsenrichtung größer ist als der erste Lochabschnitt; und eine Gegenbohrungsfläche in einer Ringform, die den ersten Lochabschnitt und den zweiten Lochabschnitt verbindet und die sich entlang einer Ebene erstreckt, die die optische Achsenrichtung schneidet, wobei die Linse umfasst: eine Einfallsfläche, auf die das Laserlicht auftrifft; und eine Seitenfläche, die sich von einem Randabschnitt der Einfallsfläche entlang der optischen Achsenrichtung erstreckt, wobei zumindest ein Teil der Seitenfläche an einer Innenfläche des zweiten Lochabschnitts durch ein Harzklebemittel in einem Zustand fixiert ist, in dem der Randabschnitt der Einfallsfläche in Kontakt mit der Gegenbohrungsfläche ist, eine Mittelachse des ersten Lochabschnitts exzentrisch zu einer Mittelachse des zweiten Lochabschnitts ist, die Seitenfläche der Linse in Bezug auf die Innenfläche des zweiten Lochabschnitts entlang einer Richtung ausgehend von der Mittelachse des zweiten Lochabschnitts zur Mittelachse des ersten Lochabschnitts angeordnet ist, und eine Mittelachse der Linse an einer Position angeordnet ist, die näher an der Mittelachse des ersten Lochabschnitts als an der Mittelachse des zweiten Lochabschnitts liegt.
Quantenkaskadenlaservorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittelachse der Linse im Wesentlichen mit der Mittelachse des ersten Lochabschnitts zusammenfällt, und ein effektiver Durchmesser der Linse im Wesentlichen mit einem Durchmesser des ersten Lochabschnitts übereinstimmt.
Quantenkaskadenlaservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei in der Innenfläche des zweiten Lochabschnitts eine Aussparung ausgebildet ist, die die Gegenbohrungsfläche entlang der optischen Achsenrichtung erreicht, und das Harzklebemittel in die Ausnehmung eintritt.
Quantenkaskadenlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend: einen Wärmeverteiler, an dem die Linsenhaltevorrichtung befestigt ist, wobei die Linsenhaltevorrichtung eine erste Anbringungsfläche aufweist, an der eine Vielzahl von ersten Vorsprüngen, die zu einer Seite des Wärmeverteilers hin vorstehen, ausgebildet sind, und die Vielzahl der ersten Vorsprünge mit einer zweiten Anbringungsfläche des Wärmeverteilers durch eine Klebeschicht, die aus einem photohärtbaren Harz ausgebildet ist, verbunden sind.
Quantenkaskadenlaservorrichtung nach Anspruch 4, wobei eine Vielzahl von zweiten Vorsprüngen, die zu einer Seite der Linsenhaltevorrichtung hervorragen, an der zweiten Anbringungsfläche an Positionen ausgebildet sind, die der Vielzahl der ersten Vorsprünge entsprechen, und die Vielzahl der ersten Vorsprünge mit der Vielzahl der zweiten Vorsprünge durch die Klebeschicht verbunden ist.
Quantenkaskadenlaservorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei ein erster Wandabschnitt, der die erste Anbringungsfläche der Linsenhaltevorrichtung aufweist, mit einem Durchgangsloch oder mit einem Ausschnitt zur Führung von Licht zur zweiten Anbringungsfläche des Wärmeverteilers versehen ist.
Quantenkaskadenlaservorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Linsenhaltevorrichtung einen zweiten Wandabschnitt aufweist, der dem ersten Wandabschnitt durch den zweiten Lochabschnitt zugewandt ist, und der zweite Wandabschnitt so geformt ist, dass er zumindest einen Teil des Durchgangslochs oder des im ersten Wandabschnitt vorgesehenen Ausschnitts nicht überlappt, und zwar bei Betrachtung in einer Richtung, in der der erste Wandabschnitt und der zweite Wandabschnitt einander zugewandt sind.
Quantenkaskadenlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Quantenkaskadenlaserelement und die Linsenhaltevorrichtung an demselben Wärmeverteiler angebracht sind.
Quantenkaskadenlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend: ein Paket, das das Quantenkaskadenlaserelement, die Linse und die Linsenhaltevorrichtung luftdicht aufnimmt, wobei das Paket umfasst: eine Bodenwand; eine Seitenwand, die auf der Bodenwand steht und in einer Ringform ausgebildet ist, um einen Bereich zu umgeben, in dem das Quantenkaskadenlaserelement und die Linsenhaltevorrichtung aufgenommen sind, und zwar bei Betrachtung in einer Richtung senkrecht zur Bodenwand; und eine Deckenwand, die eine Öffnung auf einer der Seitenwand gegenüberliegenden Seite an einer Seite der Bodenwand verschließt, und ein an der Seitenwand vorgesehenes lichtemittierendes Fenster, durch das das Laserlicht, das die Linse passiert hat, hindurchtritt.