DE3639881A1 - Vorrichtung zum kuehlen optoelektronischer bauelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen optoelektronischer Bauelemente, insbesondere Infra­ rot-Diodenlaser und Infrarot-Detektoren, mit einem auf einer Grundplatte befestigten evakuierten Kühlerge­ häuse, in dem wenigstens eine mit der Kaltstation einer Kühlmaschine über wenigstens ein flexibles Metallband thermisch gekoppelte Halteeinrichtung für die Bauele­ mente und wenigstens ein Fenster vorgesehen sind.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-PS 34 35 674 bekannt und dient zur Kühlung von Infrarot-Diodenlasern und Infrarot-Detektoren bei Temperaturen bis hinab in den 10 K-Bereich.

Diese tiefen Temperaturen werden üblicherweise in zwei­ stufigen Kühlern nach dem Sterling-Prinzip mit ge­ schlossenem Helium-Kreislauf erzeugt, wobei die Be­ reiche mit tiefer Temperatur durch Vakuum von einem Gehäuse auf Raumtemperatur isoliert werden. Bedingt durch die periodische Helium-Expansion im Kühler ent­ stehen mechanische Vibrationen, die sich auf thermisch angekoppelte Diodenlaser oder Detektoren möglichst wenig übertragen sollen. Dazu ist bei der bekannten Vorrichtung eine Stabanordnung vorgesehen, die 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.

Durch die bekannte Ausbildung wird zwar eine wirksame Vibrationsentkopplung der optoelektronischen Bauele­ mente erreicht, jedoch vibriert das Kühlergehäuse und damit auch das im Kühlergehäuse zum Austritt oder Eintritt von Strahlung vorgesehene Fenster. Durch kleine Reflektionen am Fenster werden Bruchteile der Strahlungsintensität wieder in die Strahlungsquellen zurückgekoppelt, was insbesondere Diodenlaser sehr stark beeinflußt. Wenn die Fenster im Strahlengang vibrieren, wird die rückgekoppelte Strahlung regellos moduliert, was bei Diodenlasern zu erheblichen Störun­ gen führt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er­ findung die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der sowohl Störungen durch Vibrationen der Halteeinrichtung als auch Störungen durch Vibrationen des Kühlergehäuses wirksam unterdrückt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gehäuse der Kühlmaschine zur Vibrationsentkopplung über einen flexiblen Schlauch mit dem Kühlergehäuse gegen den Atmosphärendruck abgedichtet verbunden ist, und die wenigstens eine mit einem flexiblen Metallband thermisch an eine in das Kühlergehäuse hineinragende Kaltstation gekoppelte Halteeinrichtung eine Halte­ platte aufweist, die an einem Ende eines dünnwandigen im wesentlichen prismatischen oder zylindrischen Hohl­ körpers aus einem Wärme schlecht leitenden Material angeordnet ist, dessen anderes Ende mit der Grundplatte des Kühlergehäuses starr verbunden ist.

Bei einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel der Er­ findung besteht der prismatische oder zylindrische Hohlkörper aus vier im Rechteck starr miteinander verbundenen Epoxidharzplatten geringer Materialstärke. Auf diese Weise wird eine steife und dennoch in Plat­ tenrichtung Wärme schlecht leitende Struktur gebildet. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei einer Anordnung gemäß Anspruch 7 ergibt sich zu­ sätzlich noch der Vorteil, daß die Temperatur der verschiedenen optoelektronischen Baulemente getrennt eingestellt und geregelt werden kann. Die Verteiler­ schienen, an die die Kupferbänder der einzelnen Halte­ einrichtungen thermisch angekoppelt sind, sind vorzugs­ weise so befestigt, daß sie sich in Längsrichtung thermisch ausdehnen können, sich jedoch zur Vermeidung von Übertragungen von Vibrationen als ganzes nicht bewegen können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Haltevorrichtung der Vorrichtung zum Kühlen optoelektronischer Bauelemente in einer perspektivischen Ansicht,

Fig. 2 das Kühlergehäuse der Vorrichtung zum Kühlen im Schnitt,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer Verteilerschiene im Teilschnitt zur Erläuterung der Befestigung der Verteilerschiene auf der Grundplatte des Kühlergehäuses und

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Kühlvorrichtung teilweise im Schnitt.

In Fig. 1 erkennt man in perspektivischer Ansicht ein optoelektronisches Bauelement 1, das beispielsweise ein Infrarot-Diodenlaser oder ein Infrarot-Detektor sein kann, der hinab bis in den 10 K-Bereich betrieben werden soll. Dem optoelektronischen Bauelement 1 ist ein divergierender Strahlengang 2 zugeordnet, der in Fig. 2 in einer Seitenansicht zu erkennen ist und dem ein erster ortsfester Spiegel 3 und ein zweiter ortsfester Spiegel 4 sowie ein Fenster 5 in einem Kühlergehäuse 6 zugeordnet sind.

Das Kühlergehäuse 6 ist auf einer in Fig. 2 darge­ stellten Grundplatte 7 befestigt und enthält bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere optoelektronische Bauelemente 1 mit zugeordneten Halte­ einrichtungen 6, deren Aufbau am besten in Fig. 1 zu erkennen ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Halteeinrichtung 6 für das optoelektronische Bauelement 1 ist aus vier glasfaser­ verstärkten Epoxidharzplatten 9, 10, 11 und 12 aufge­ baut, die rechtwinklig an einer metallischen Boden­ platte mit Hilfe von Schrauben 14 angeschraubt sind. Die metallische Bodenplatte 13 ist ihrerseits, wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, auf der Grundplatte 7 be­ festigt. Zur Verschraubung mit der Grundplatte 7 sind in der metallischen Bodenplatte vier Bohrungen 15 vorgesehen.

Die glasfaserverstärkten Epoxidharzplatten 9, 10, 11, 12 haben eine geringe spezifische Wärmeleitfähigkeit und eine sehr geringe Querschnittsfläche. Die Epoxid­ harzplatte 9 ist mit Leiterbahnen 16 versehen, die, wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergibt, ebenso wie das optoelektronische Bauelement 1 gekühlt werden und im Vergleich zu Kabelleitungen gegen Beschädigungen besser geschützt sind.

Die an der Bodenplatte 13 angeschraubten vier Epoxid­ harzplatten 9, 10, 11, 12 sind an ihrem der Bodenplatte 13 gegenüberliegenden Ende an einer Halteplatte 17 mit Hilfe von Schrauben 16 festgeschraubt. Die Halteplatte 17 besteht aus einem Wärme gut leitenden Metall und ist thermisch und mechanisch mit dem optoelektronischen Bauelement 1 verbunden. Die vom optoelektronischen Bauelement 1 erzeugte Wärme wird mit Hilfe eines ersten flexiblen Kupferbandes 19 in der weiter unten näher beschriebenen Weise abgeführt. Das flexible Kupferband 19 ist über ein Anschlußstück 20 mit der Halteplatte 17 thermisch gut verbunden.

Wie in Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist, verfügt die Halteeinrichtung 6 im mittleren Bereich zwischen der Halteplatte 17 und der Bodenplatte 13 über eine vor­ gekühlte metallische Zwischenplatte 21, die mit Hilfe von Schrauben 22 an den vier Epoxidharzplatten 9, 10, 11, 12 befestigt ist, um auf diese Weise die Starrheit des im Querschnitt rechteckigen durch die Epoxidharz­ platten 19, 11, 12 gebildeten Prismas oder Zylinders zu erhöhen. Eine Vorkühlung wird mit Hilfe der Zwischen­ platte 21 dadurch erreicht, daß diese über ein An­ schlußstück 23 und ein zweites flexibles Kupferband 24 ebenfalls in der weiter unten ausgeführten Weise ge­ kühlt wird.

In Fig. 2 erkennt man, wie das erste flexible Kupfer­ band 19 mit einer ersten Verteilerschiene 25 und das zweite flexible Kupferband 24 thermisch mit einer zweiten Verteilerschiene 26 gekoppelt ist, die sich in dem gegen die äußere Atmosphäre abgedichteten Kühler­ gehäuse 6 etwas unterhalb der ersten Verteilerschiene 25 und parallel zu ihr erstreckt. Die Verteilerschienen 25, 26 bestehen beide aus einem Wärme gut leitenden Material und haben einen massiven in etwa quadratischen Querschnitt. Die Befestigung der Verteilerschienen 25, 26 auf der Grundplatte 7 ist jeweils gleich aufgebaut.

Fig. 3 zeigt die Befestigung der zweiten Verteiler­ schiene 26 auf der Grundplatte 7. An dem in Fig. 3 linken Ende der Verteilerschiene 26 ist ein Epoxidharz­ röhrchen 27 angeordnet, das an seinem unteren Ende einen nach innen weisenden Flansch 26 aufweist, der mit Hilfe einer Schraube 29, die in ein in der Grundplatte 7 vorhandenes Gewinde eingedreht ist, fest gegen die Oberseite 30 der Grundplatte 7 angedrückt ist, um eine möglichst starre Verbindung zu bewirken. An dem von der Grundplatte 7 wegweisenden Ende verfügt das Epoxidharz­ röhrchen 27 über einen nach außen weisenden Flansch 31, der mit mehreren Schrauben 32 an der Unterseite der zweiten Verteilerschiene 26 angeschraubt ist.

Am gegenüberliegenden Ende ist die Verteilerschiene 26 in Richtung des Doppelpfeiles 33 verschiebbar be­ festigt, um Längenänderungen bei Temperaturänderungen zuzulassen, ohne jedoch andere Bewegungen zu gestatten. An der in Fig. 3 nach rechts weisenden Stirnseite ist die zweite Verteilerschiene 26 mit einem Glasfaser­ epoxidharzplättchen 34 verschraubt, das in Richtung des Doppelpfeiles 33 verbiegbar ist, und sich in einer rechtwinklig zur Zeichenebene verlaufenden Ebene er­ streckt. Zur Befestigung an der Stirnseite der zweiten Verteilerschiene 26 ist eine Schraube 35 vorgesehen. Das untere Ende des Glasfaserepoxidharzplättchens 34 ist mit einer Schraube 36 an einer an der Grundplatte 7 ausgebildeten Nase 37 angeschraubt.

Zur Kühlung bzw. Ableitung von Wärme ist die zweite Verteilerschiene 26 mit einem flexiblen Metallband 38, beispielsweise einem Kupferband unter Einsatz eines Anschlußstückes 39 thermisch gekoppelt. Entsprechend ist die erste Verteilerschiene 25 mit einem flexiblen Metallband 40 verbunden.

Wie man in Fig. 4 in einer Draufsicht sieht, ist das flexible Metallband 38 mit der ersten Stufe 41 der Kaltstation 42 einer zweistufigen Vibrationen erzeugen­ den Kühlmaschine 43 thermisch gekoppelt. Die zweite Stufe 44 der Kaltstation 42 der Kühlmaschine 43 ist mit dem flexiblen Metallband 40 verbunden, so daß eine thermische Kopplung zu den optoelektronischen Bau­ elementen 1 über das flexible Metallband 40, die erste Verteilerschiene 25 und die Halteplatte 17 zustande kommt.

Die vibrierende Kühlmaschine 43 ist mit in der Zeich­ nung nicht dargestellten schwingungsdämpfenden Gummi­ puffern, die kaum Vibrationen übertragen, auf der in Fig. 4 nicht dargestellten Grundplatte 7 gelagert. Wie man in Fig. 4 erkennt, ragt die Kaltstation 42 der Kühlmaschine 43 durch einen an der Kühlmaschine 43 aus­ gebildeten Hals 45 und einen am Kühlergehäuse 6 ausge­ bildeten Hals 46 in das Innere des Kühlergehäuses 6 hinein. Die Verbindung und Abdichtung zwischen der Kühlmaschine 43 und dem Kühlergehäuse 6 erfolgt mit Hilfe eines auf die Hälse 45 und 46 aufgeschobenen Schlauches 47 aus Gummi, Silikongummi oder Fluorkaut­ schuk, der gerade so steif ist, daß er die Belastung durch den Atmosphärendruck aufnehmen kann und anderer­ seits so flexibel ist, daß eine Übertragung von Vibra­ tionen zum Kühlergehäuse 6 ausgeschlossen ist. Der Schlauch 47 kann sowohl axiale, angulare und laterale als auch Torsionsbewegungen ausführen.

Wie man in Fig. 4 erkennt, sind in dem Kühlergehäuse 6 acht Halteeinrichtungen 6 sowie acht erste ortsfeste Spiegel 3 und acht zweite ortsfeste Spiegel 4 vorge­ sehen. Die in Fig. 4 dargestellte Einrichtung gestattet somit das Betreiben und Kühlen von acht optoelektroni­ schen Bauelementen 1, wobei die Temperatur für jedes optoelektronische Bauelement 1 getrennt eingestellt und geregelt werden kann. Die gewünschten Temperaturen der einzelnen optoelektronischen Bauelemente 1 auf den Halteplatten 17 der acht Halteeinrichtungen 6 werden durch elektronisch geregeltes Anheizen der Halteplatten 17 eingestellt.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Kühlen optoelektronischer Bau­ elemente, insbesondere Infrarot-Diodenlaser und Infrarot-Detektoren, mit einem auf einer Grund­ platte befestigten evakuierten Kühlergehäuse, in dem wenigstens eine mit der Kaltstation einer Kühlmaschine über wenigstens ein flexibles Metall­ band thermisch gekoppelte Halteeinrichtung für die Bauelemente und wenigstens ein Fenster vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse der Kühlmaschine (43) zur Vibrationsent­ kopplung über einen flexiblen Schlauch (47) mit dem Kühlergehäuse (6) gegen den Atmosphärendruck abgedichtet verbunden ist, und die wenigstens eine mit einem flexiblen Metallband (19, 40) thermisch an eine in das Kühlergehäuse (6) hineinragende Kaltstation (42, 44) gekoppelte Halteeinrichtung (8) eine Halteplatte (17) aufweist, die an einem Ende eines dünnwandigen im wesentlichen prisma­ tischen oder zylindrischen Hohlkörpers (9, 10, 11, 12) aus einem Wärme schlecht leitenden Material angeordnet ist, dessen anderes Ende mit der Grund­ platte (7) des Kühlergehäuses (6) starr verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der prismatische oder zylindrische Hohlkörper einen rechteckigen Quer­ schnitt und vier Seitenwände aus glasfaserver­ stärkten Epoxidharzplatten (9, 10, 11, 12) auf­ weist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens eine der Epoxidharzplatten (9) elektrische Leiterbahnen (16) für die elektrische Verbindung mit den optoelektronischen Bauelementen (1) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halte­ platte (17) mit der zweiten Stufe (44) der Kalt­ station (42) der Kältemaschine (43) über ein erstes flexibles Metallband (40, 19) gekoppelt ist, und daß zwischen der Halteplatte (17) und der Grundplatte (7) des Kühlergehäuses (6) eine me­ tallische Zwischenplatte (21) angeordnet ist, die mit der ersten Stufe (41) der Kaltstation (42) der Kältemaschine (43) über ein zweites flexibles Metallband (24, 38) thermisch gekoppelt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kühlergehäuse (6) mehrere Halteeinrichtungen (8) für optoelektronische Bauelemente (1) mit zuge­ ordneten Fenstern (5) vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in dem Kühlergehäuse (6) mehrere Haltevorrichtungen (8) für optoelektroni­ sche Bauelemente (1) mit zugeordneten Spiegeln (3, 4) vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteplatten (17) über erste flexible Kupferbänder (19) mit einer gemeinsamen wärmeleitenden ersten Verteilerschiene (25) verbunden sind, die über ein erstes flexibles Metallband (40) mit der zweiten Stufe (44) der Kaltstation (42) der Kältemaschine (43) gekoppelt ist, und daß die Zwischenplatte (21) über zweite flexible Kupferbänder (24) mit einer gemeinsamen wärmeleitenden zweiten Verteilerschiene (26) verbunden sind, die über ein zweites flexibles Metallband (38) mit der ersten Stufe (41) der Kaltstation (42) der Kältemaschine (43) gekoppelt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erste und/oder zweite Verteilerschiene (25, 26) an ihrem ersten Ende mit Hilfe eines starren Wärme schlecht leitenden Ab­ standshalters (27) und an ihrem zweiten Ende mit Hilfe eines in Längsrichtung der Verteilerschiene (25, 26) verformbaren Abstandshalter (34) an der Grundplatte (7) befestigt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der starre Abstandshalter ein Glasfaserepoxidharzröhrchen (27) und der verformbare Abstandshalter ein sich quer zur Längsrichtung der Verteilerschiene (25, 26) er­ streckendes Glasfaserepoxidharzplättchen (34) ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäu­ se der Kühlmaschine (43) mit schwingungsdämpfenden Gummipuffern auf der über den Rand des Kühlerge­ häuses (6) hinausreichenden Grundplatte (7) ge­ lagert ist.