DE3445674C1

DE3445674C1 - Vorrichtung zum Kühlen optoelektronischer Bauelemente

Info

Publication number: DE3445674C1
Application number: DE3445674A
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl.-Phys. Dr. Grisar; Roland 7800 Freiburg Hoffmann; Manfred Knothe; Wolfgang Dipl.-Phys. 7844 Neuenburg Riedel; Richard Ing.(Grad.) Wissler; Helmut Dipl.-Phys. Wolf
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1984-12-14
Filing date: 1984-12-14
Publication date: 1986-06-26

Description

In F i g. 1 erkennt man einen vibrationsentkoppelten Kühler oder eine Vorrichtung zum Kühlen elektronischer Bauelemente in einer Vorderansicht, wobei ein Teil der Vorrichtung im Schnitt dargestellt ist. Der vibrationsentkoppelte Kühler verfügt über eine Grundplatte i, auf der das Kühlergehäuse 2 mit einer Zwischenplatte 3 über mehrere Schwingungsdämpfer oder Schwingmetallpuffer 4 gelagert ist. Das Kühlergehäuse 2 hat im wesentlichen eine zylindrische Gestalt, wie sich aus den F i g. 1 und 2 ergibt. An der in F i g. 2 nach links weisenden Seite verfügt das Kühlergehäuse 2 über einen angeschraubten Kühlergehäusedeckel 5 mit einem Fenster 6. Das Innere des in F i g. 2 auf der rechten Seite abgeschnittenen Kühlergehäuses 2 ist evakuiert, um eine gute thermische Isolation nach außen zu erhalten.
Wie man am besten in Fig.2 erkennt, ragt in das Innere des Kühlergehäuses 2 eine vibrierende Kaltstation 7 mit einer tiefen Temperatur hinein. Die tiefe Temperatur wird üblicherweise in einem zweistufigen Kühler nach dem Stirling-Prinzip mit geschlossenem Helium-Kreislauf erzeugt. Infolge der periodischen Helium-Expansion im Kühler entstehen mechanische Vibrationen.
Wie in F i g. 1 und 2 dargestellt ist, ist im Innern des Kühlergehäuses 2 eine Halterung 8 vorgesehen, auf der optoelektronische Bauelemente 9, beispielsweise lnfrarot-Diodenlaser oder Infrarot-Detektoren, befestigt sind, die bei Temperaturen bis hinab in den 10 K-Bereich betrieben werden sollen. Die thermische Ankopplung der Halterung 8 mit der vibrierenden Kaltstation 7 erfolgt über ein flexibles Kupferband 10, um zu erreichen, daß die vom Kühler ausgehenden Vibrationen sich auf die thermisch angekoppelten optoelektronischen Bauelemente 9 mechanisch möglichst wenig übertragen.
Die Halterung 8 ist mit Hilfe von Schrauben li an einem Stab 12 mit Gewindebohrungen 13, die in F i g. 3 besonders gut zu erkennen sind, befestigt. Im Befestigungsbereich der Halterung 8 ist der im wesentlich rund ausgebildete Stab 12 auf seiner Oberseite und auf seiner nach vorne weisenden Seite mit Montageflächen 14 und 15 versehen, wie auch in Fig. 4 veranschaulicht ist.
Der Stab 12 erstreckt sich diametral durch das Kühlergehäuse 2 und ist an seinen Enden in seitliche Stützen 16, 17 fest eingespannt (Fig. 1). Die Durchgangsöffnungen 18 im Kühlergehäuse 2 sind mit Hilfe von Metallfaltenbälgen 19 abgedichtet. Die Durchgangsöffnungen 18 weisen einen Durchmesser auf, der größer als der Durchmesser des Stabes 12 ist, so daß an den Durchgangsöffnungen 18 keine Schwingungen vom Kühlergehäuse 2 auf den Stab 12 übertragen werden.
Der Stab 12 besitzt einen möglichst großen Querschnitt und eine möglichst hohe mechanische Festigkeit bei sehr schlechtem Wärmeleitwert. Vorzugsweise verfügt der Stab über einen mittleren Bereich aus Glasfaserepoxid, um eine möglichst hohe Steifigkeit bei niedriger Wärmeleitfähigkeit zu erreichen. Links und rechts von den Montageflächen 14, 15 zur Befestigung der Halterung 8 für die optoelektronischen Bauelemente ist der Stab 12 durch Bohrungen 20, 21 zum Rohr aufgebohrt Hierdurch wird ohne wesentliche Beeinträchtigung der Steifigkeit der Querschnitt und damit der Wärmeleitwert des Stabes 12 reduziert. In die Bohrungen 20, 21 sind an beiden Enden des Stabes 12 Edelstahlbolzen 22 und 23 mit gerippten Zapfenteilen 24 eingeklebt. Durch diesen Aufbau besitzt der Stab 12 insgesamt eine sehr große Steifigkeit bei niedrigem Wärmeleitwert. Wie man in F i g. 3 weiter erkennt, sind die Edelstahlbolzen 22, 23 an zwei Seiten eben gefräst, um eine feste Einspannung in die seitlichen Stützen 16, 17 mit Hilfe von Schrauben 25 zu gestatten, die von oben in die seitlichen Stützen 16, 17 in Durchgangsbohrungen 26 hineinragen, in denen der Stab 12 mit den Edelstahlbolzen 22, 23 eingesetzt ist.
Wie man in F i g. 1 weiter erkennt, sind die Metallfaltenbälge 19 mit Hilfe von Dichtungen und Schrauben einerseits an den seitlichen Stützen 16, 17 und anderer- seits an Abflachungen am Kühlergehäuse 2 befestigt Der Stab 12 bildet zusammen mit den Stützen 16, 17 und der Grundplatte 1 einen geschlossenen Rahmen mit sehr großer Steifigkeit. Messungen haben ergeben, daß beispielsweise die optoelektronischen Bauelemente 9, bezogen auf die Grundplatte 1, im Betrieb mit einer Restamplitude von weniger als 0,2 ym vibrieren. Bei beugungsbegrenzter Abbildungsoptik im Infrarot-Spektralbereich (Auflösung ca. 25 llm) tritt diese Vibration bei Infrarot-Diodenlasern nicht mehr störend in Erscheinung.
- Leerseite -

Claims

Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Kühlen optoelektronischer Bauelemente (9), insbesondere Infrarot-Diodenlaser und Infrarot-Detektoren, mit einem evakuierten Kühlergehäuse (2), in dem eine Kaltstation (7) sowie eine mit der Kaltstation (7) über ein flexibles Metallband (10) thermisch gekoppelte Halterung (8) für die Bauelemente (9) vorgesehen sind, die an einer in das Kühlergehäuse (2) hineinragenden und über Metallfaltenbälge (19) abgedichteten Stabanordnung (12, 22, 23) befestigt ist, dadurch gekennzeichn e t, daß die Stabanordnung (12, 22, 23) einen das Kühlergehäuse (2) durchquerenden Stab (12) aufweist, der beidseitig an starren Stützen (16, 17) befestigt ist, die mit einer massiven Grundplatte (1) starr verbunden sind, auf der das Kühlergehäuse (2) mit weichen Schwingungsdämpfern (4) gelagert ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (12) aus einem Verbundmaterial mit sehr hoher mechanischer Steifigkeit und sehr schlechtem Wärmeleitwert besteht
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (12) ein Glasfaserepoxidstab mit beidseitig angeordneten Bohrungen (20, 21) ist, in denen teilweise hineinragende Metallbolzen (22, 23) befestigt sind, welche mit ihren nach außen weisenden Enden in den seitlichen Stützen (16, 17) eingespannt sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Kühlergehäuse (2) zwei Metallfaltenbälge (19) symmetrisch angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden An.

sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (8) in der Mitte des Stabes (12) an abgeflachten Montageflächen (14, 15) befestigt ist.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen optoelektronischer Bauelemente, insbesondere Infrarot-Diodenlaser und Infrarot-Detektoren, mit einem evakuierten Kühlergehäuse, in dem eine Kaltstation sowie eine mit der Kaltstation über ein flexibles Metallband thermisch gekoppelte Halterung für die Bauelemente vorgesehen sind, die an einer in das Kühlergehäuse hineinragenden und über Metallfaltenbälge abgedichteten Stabanordnung befestigt ist.

Infrarot-Diodenlaser und Infrarot-Detektoren werden bei Temperaturen bis hinab in den 10 K-Bereich betrieben. Diese tiefen Temperaturen werden üblicherweise in zweistufigen Kühlern nach dem Stirling-Prinzip mit geschlossenem Helium-Kreislauf erzeugt, wobei die Bereiche mit tiefer Temperatur durch Vakuum von einem Gehäuse auf Raumtemperatur isoliert werden. Bedingt durch die periodische Helium-Expansion im Kühler entstehen mechanische Vibrationen, die sich auf die thermisch angekoppelten Diodenlaser oder Detektoren mechanisch möglichst wenig übertragen sollen. Bei einer von der Firma Spectra Physics vertriebenen Vorrichtung der eingangs genannten Art ist die Diodenlaser- oder Detektorhalterung an drei dünnen, einseitig außen eingespannten Epoxidstäben aufgehängt und mit einem Kupferband an die Kaltstation angekoppelt. Zur Entkopplung der Vibrationen werden drei Federbälge verwendet. Zwar wird mit Hilfe der Epoxidstäbe ein niedriger Wärmeleitwert erreicht, jedoch hat die einseitige Aufhängung zusammen mit dem geringen Querschnitt zur Folge, daß die Diodenlaser- oder Detektorhalterung immer noch Vibrationen des Kühlers aufnimmt. Die derart bewegte Laserlichtquelle äußert sich in laserspektroskopischen Anordnungen mit präzisionsoptischen Abbildungselementen in einer unerwünschten Amplitudenmodulation der Laserstrahlung. Die unsymmetrische Aufhängung an drei Federbälgen führt zu einer resultierenden Druckkraft auf das Vakuumgehäuse und den Kühler. Um diese Kraft aufzufangen, müssen die Schwingungsdämpfer zwischen dem Kühler und der Grundplatte der bekannten Vorrichtung relativ hart gewählt werden, wodurch wiederum Vibrationen auf die Grundplatte übertragen werden können.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Vibrationsübertragung so weit reduziert ist, daß auch bei beugungsbegrenzter Abbildung der Strahlung keine Amplitudenmodulation beobachtet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stabanordnung einen das Kühlergehäuse durchquerenden Stab aufweist, der beidseitig an starren Stützen befestigt ist, die mit einer massiven Grundplatte starr verbunden sind, auf der das Kühlergehäuse mit weichen Schwingungsdämpfern gelagert ist. Vorzugsweise besteht der Stab aus Verbundmaterial sehr hoher mechanischer Steifigkeit.

Dadurch, daß ein Stab aus Verbundmaterial mit sehr hoher mechanischer Steifigkeit und sehr schlechtem Wärmeleitwert beidseitig fest in zwei Stützen eingespannt ist, die mit der Grundplatte verbunden sind, wird eine insgesamt sehr steife Rahmenkonstruktion geschaffen. Die vorzugsweise in der Mitte des Stabes angebrachten optoelektronischen Bauelemente werden dadurch von Vibrationen weitgehend freigehalten. Das Kühlergehäuse und die Kaltstation sind durch zwei symmetrisch angeordnete Metallfaltenbälge mechanisch und vakuumtechnisch von der Grundplatte entkoppelt.

Es treten somit keine resultierenden Druckkräfte auf, weshalb eine Lagerung des Kühlergehäuses auf weichen Schwingungsdämpfern möglich ist und entsprechend wenig Vibrationen auf die Grundplatte übertragen werden.

Zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt Fig. 1 eine Vorrichtung zum Kühlen optoelektronischer Bauelemente gemäß der Erfindung in einer Vorderansicht, teilweise im Schnitt, F i g. 2 die Vorrichtung gemäß F i g. 1 in einer Seitenansicht im Längsschnitt, Fig. 3 den Stab der Vorrichtung gemäß Fig.1 in einer Seitenansicht teilweise im Schnitt und F i g. 4 einen Querschnitt durch den Stab entlang der Linie IV-IV in F i g. 3.