DE60007118T2

DE60007118T2 - Optische anordnung

Info

Publication number: DE60007118T2
Application number: DE60007118T
Authority: DE
Inventors: Johan Holm; Fredrik Laurell; Magnus Olson; Christian Vieider; Henrik Ahlfeldt
Original assignee: Cobolt AB
Current assignee: Cobolt AB
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2020-04-15
Also published as: EP1181750A1; SE9901470D0; ATE256348T1; SE9901470L; AU4632100A; US6754418B1; JP2002543597A; EP1181750B1; WO2000065697A1; DE60007118D1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Licht erzeugende Anordnung, die mindestens eine Stützeinrichtung umfasst, in der ein Licht erzeugender Festkörper angeordnet ist. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Anordnen optischer Komponenten in der Stützeinrichtung.
Stand der Technik
Anordnungen zur Erzeugung kohärenten Lichtes in Form von Festkörperlasern bestehen in ihrer einfachsten Ausgestaltung aus einem Licht erzeugenden Festkörper aus einem Grundmaterial (beispielsweise Glas oder Kristall), das mit aktiven Ionen (beispielsweise Seltene-Erden-Metalle oder Übergangsmetalle) dotiert ist, und aus einem Satz von Spiegeln, die einen Oszillatorhohlraum um den Licht erzeugenden Körper herum festlegen. Der Licht erzeugende Körper wird üblicherweise auf optischem Wege durch so genanntes optisches Pumpen mit der notwendigen Energie versorgt. Dieses Pumpen wird üblicherweise von einer Blitzlampe oder einer Laserdiodenanordnung vorgenommen.
Eine andere Anordnung zur Erzeugung kohärenten Lichtes stellt der so genannte optische parametrische Oszillator (optical parametric oscillator, OPO) dar. Beim OPO umfasst der Licht erzeugende Körper einen nichtlinearen Kristall. Der OPO erzeugt Licht nicht auf dieselbe Weise wie ein Laser; er wirkt vielmehr als Umwandler von einer Wellenlänge des Lichtes zu einer anderen. Das Pumpen des OPOs erfolgt durch Pumpen auf andere Weise erzeugten kohärenten Lichtes in den OPO, wodurch kohärentes Licht anderer Wellenlänge erzeugt wird. Weitere Anordnungen zur Wellenlängenumwandlung funktionieren auf ähnliche Weise. Beispiele für verschiedene Typen von Wellenlängenumwandlungen sind die Frequenzverdoppelung, die Summenfrequenzerzeugung, die Differenzfrequenzerzeugung und die parametrische Frequenzerzeugung.
Vorbekannt ist darüber hinaus eine Haltevorrichtung für einen Laserfestkörper, beispielsweise aus der Druckschrift DE 196 43 531 A1 . Bei diesem Halter wird zur Erhöhung der Wärmeübertragung von dem Laserkörper auf den Halter eine Folie zwischen den Laserkörper und den Halter eingesetzt. Zur Aufnahme überschüssigen Folienmaterials sind in dem Halter Aussparungen vorgesehen, wobei das überschüssige Folienmaterial beispielsweise im Zusammenhang mit einer Ausdehnung des Laserkörpers entsteht. Eine Aufgabe besteht mithin darin, innere Belastungen beziehungsweise Beanspruchungen in dem Laserkörper abzubauen.
Die Druckschrift US-A-5,265,113 offenbart ein integriertes Mikrosystem für elektronische und optische Komponenten, die an anisotrop geätzten Strukturen in einer Basisplatte aus einem Halbleitermaterial angebracht sind. Die Komponenten sind elektrisch steuerbar und derart beweglich, dass ihre Stellungen gegenüber der Basisplatte aktiv verstellbar sind.
Mit den vorstehend aufgeführten Anordnungen zur Erzeugung kohärenten Lichtes gehen jedoch Einschränkungen mit Blick auf die Lichtleistung einher, die aus einer Lichtquelle eines bestimmten Volumens gewonnen werden kann. Was das optische Pumpen kohärenter Lichtquellen angeht, so ist die Effizienz niedriger als 100%. Dies bedeutet, dass ein Teil der Energie, die in dem Licht erzeugenden Körper der Anordnung verbleibt, in Form von Wärme verloren geht. Da Anordnungen zur Erzeugung kohärenten Lichtes, die auf Licht erzeugenden Festkörpern, beispielsweise Festkörperlasern, beruhen, sowie Anordnungen zur Frequenzumwandlung mit zunehmend höheren Ausgangsleistungen gewünscht sind, treten oftmals Probleme mit Blick auf die Wärmeübertragung von dem Licht erzeugenden Körper aufgrund der niedrigen Wärmeleitfähigkeit der dielektrischen Materialien auf, aus denen der Licht erzeugende Körper üblicherweise besteht. Die derart entstehende Wärme bewirkt eine thermische Ausdehnung der erwärmten Fläche sowie andere thermische Effekte, so beispielsweise den Wärmelinseneffekt (thermal lensing), die thermische Doppelbrechung und einen Verstärkungsabfall (was unter anderem durch das Absinken der Lebensdauer des angeregten Zustandes bei den aktiven Ionen des Lasermaterials und/oder die gesteigerte thermische Bevölkerung der Energieniveaus der aktiven Ionen bedingt ist).
Darüber hinaus besteht ein Risiko, dass beispielsweise das Lasermaterial des Festkörperlasers als Ergebnis thermisch induzierter innerer Beanspruchungen bricht. Dies stellt ein besonders großes Problem bei Lasermaterialien mit anisotroper atomarer Struktur dar.
Bei einem nichtlinearen Kristall in einem OPO oder einer anderen Frequenzumwandlungsanordnung bestehen die Hauptprobleme im wärmebedingten Auftreten des Wärmelinseneffektes sowie in einer geringen Phasenanpassung (phase matching).
Die Miniaturisierung kohärenter Lichtquellen des hier angesprochenen Typs bedingt eine Verringerung des Volumens, das von den Lichtstrahlen in dem Licht erzeugenden Körper eingenommen wird. Um die thermische Beanspruchung nicht zu vergrößern, muss die Leistung der Lichtquelle gesenkt werden. Dies stellt eine beträchtliche Einschränkung für Techniken aus dem Stand der Technik dar, da üblicherweise bei ein und derselben Lichtquelle sowohl die Miniaturisierung derselben als auch die Steigerung der Ausgangsleistung gewünscht sind.
Die vorstehend aufgeführten Probleme bedingen eine Begrenzung der Ausgangsleistung miniaturisierter kohärenter Lichtquellen auf üblicherweise einige Hundert Milliwatt.
Die Druckschrift WO-A-97/14200 offenbart eine Anordnung zur Erzeugung von Licht entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung ist durch die Ansprüche 1 und 20 festgelegt. Verschiedene Ausführungsbeispiele werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Aufbaus für optisch pumpbare Lichtquellen, mit dem die Handhabung der thermischen Belastung des Licht erzeugenden Körpers wie auch die Ausrichtung der in der Lichtquelle enthaltenen Komponenten in beträchtlichem Umfang vereinfacht werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Herstellungsverfahrens, das erfindungsgemäß eine Massenherstellung optisch pumpbarer Lichtquellen ermöglicht, und das darüber hinaus einen einfachen Einbau weiterer Komponenten in die Anordnung zulässt. Beispiele für weitere Komponenten, die vorteilhafterweise in die Anordnung eingebaut werden, sind die so genannten funktionellen Elemente. Zu den funktionellen Elementen zählen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nichtlineare Kristalle zur Frequenzumwandlung, aktive oder passive Q-Switches (Laserresonanzräume) zur Erzeugung von Lichtimpulsen hoher Maximalleistung sowie aktive oder passive Phasenverriegelungseinrichtungen zur Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse. Der Begriff „funktionelles Element" bezeichnet auch Einrichtungen zur externen Intensitätsmodulation oder Phasenmodulation sowie Einrichtungen zur Steuerung der Richtung des ausgesendeten Lichtstrahls.
Sämtliche aufgeführten Aufgaben werden mittels einer Licht erzeugenden Anordnung des in den beigefügten Ansprüchen niedergelegten Typs gelöst.
Erfindungsgemäß ist ein Festkörperlaser oder eine Anordnung zur Wellenlängenumwandlung in seiner/ihrer einfachsten Ausgestaltung durch einen optisch pumpbaren und Licht erzeugenden Körper aus dielektrischem Material gekennzeichnet, der in einer Stützeinrichtung angeordnet ist und eine Form aufweist, die im Wesentlichen komplementär zu einer in der Stützeinrichtung ausgebildeten Führungsstruktur ist. Die Führungsstruktur wird beispielsweise durch Ätzen der Stützeinrichtung oder durch Kopieren eines Originals äußerst formgenau hergestellt. Zwischen dem Licht erzeugenden Körper und der Führungsstruktur der Stützeinrichtung ist eine dünne Berührungsschicht angeordnet, deren Zweck darin besteht, das Anhaften an der Stützeinrichtung und die Wärmeübertragung auf die Stützeinrichtung zu verbessern. Bedingt durch die Tatsache, dass die Berührungsschicht aus einem deformierbaren Material besteht, werden Hohlräume mit Blick auf die Komplementarität zwischen der Führungsstruktur und dem Licht erzeugenden Körper von der Berührungsschicht ausgefüllt, wodurch eine genaue Passung zwischen den komplementären Strukturen erreicht wird. Vorzugsweise weist die Berührungsschicht eine Dicke von weniger als 100 μm auf. Besonders bevorzugt ist eine Dicke von einigen 10 μm.
Beispiele für optisch pumpbare Licht erzeugende Festkörper aus dielektrischem Material, aus dem der Licht erzeugende Körper der Erfindung bestehen kann, sind optisch nichtlineare Kristalle zur Frequenzumwandlung und Lasermaterialien auf Basis von Kristall oder Glas.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung der vorstehend erwähnten Lichtquellen bereitgestellt. Zusammengefasst ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass eine Platte aus kristallinem Material (Stützeinrichtung) mit einer oder mehreren Führungsstrukturen versehen wird, die eine Form aufweisen, die im Wesentlichen komplementär zu derjenigen des Licht erzeugenden Körpers ist. Alternativ wird eine Stützeinrichtung mit Führungsstrukturen durch Kopieren eines Originals hergestellt. In die Führungsstruktur wird, vorzugsweise durch Gasabscheidung, Elektroplattieren oder Zerstäuben (Sputtern) eines Fugenmaterials, eine Berührungsschicht des angesprochenen Typs eingebracht, woraufhin der Licht erzeugende Körper in der Führungsstruktur der Stützeinrichtung angeordnet wird. Entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Stützeinrichtung mindestens zwei Teile, die gemeinsam den Hauptteil der Fläche der Seitenflächen des Licht erzeugenden Körpers umschließen, während zwei entgegengesetzte Endflächen des Körpers für den Durchgang des Lichtes freigelassen werden. Die Stützeinrichtung wird vorteilhafterweise in Wärmekontakt mit einem Thermoelement gebracht, was dem Ziel dient, eine Einflussnahme auf die Temperatur des Licht erzeugenden Körpers zu ermöglichen. Die Stützeinrichtung kann darüber hinaus mit Mikrokanälen zur weiteren Steigerung der Einflussnahme auf die Temperatur versehen sein.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Licht erzeugende Körper die gesamte Führungsstruktur ausfüllt. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht im Zusammenspiel mit der Berührungsschicht eine ausgezeichnete Wärmeübertragung von dem Licht erzeugenden Körper auf die Stützeinrichtung.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass dank der mit mikromechanisch wohldefinierten Führungsstrukturen versehenen Stützeinrichtung die Vorrichtung äußerst formgenau in der Größenordnung von Millimetern miniaturisiert werden kann. Begrenzend bei der Wärmeübertragung aus dem Licht erzeugenden Körper heraus wirkt üblicherweise die beschränkte thermische Leitfähigkeit des Licht erzeugenden Körpers.
Eine Verringerung von dessen Querschnittsbereich bedingt daher eine wesentliche Senkung der Wärmebelastung in der Anordnung. Die untere Grenze für den Querschnitt ist bestimmt durch den Querschnitt des Lichtstrahls, der sich durch die Anordnung ausbreitet.
Das Merkmal „miniaturisierte Lichtquelle" bezieht sich hauptsächlich auf Bulklaser und Anordnungen zur Frequenzumwandlung, deren optisch pumpbarer und Licht erzeugender Körper senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes eine Querschnittsfläche aufweist, die in dem Bereich von weniger als ein Quadratmillimeter bis einige Quadratmillimeter liegt. Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus jedoch auch auf andere Licht erzeugende Körper, so beispielsweise Wellenleiterstrukturen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden bei einem Studium der nachfolgenden eingehenden Beschreibung einer Anzahl bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung deutlich, die sich wie folgt zusammensetzt.
1a ist eine Querschnittsansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung.
1b ist eine schematische Perspektivansicht des in 1a gezeigten Ausführungsbeispiels, bei dem einer der Teile einer Stützeinrichtung weggelassen ist.
2 ist eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispieles, bei dem verschiedene Elemente in der Stützeinrichtung angeordnet sind.
3 ist eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispieles, bei dem die Stützeinrichtung aus zwei Teilen aufgebaut ist, die die in der Stützeinrichtung angeordneten Elemente außenseitig umschließen.
4 ist eine schematische Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
1a ist eine quer zur beabsichtigten Ausbreitungsrichtung des Lichtes genommene Querschnittsansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung. 1b ist eine Perspektivansicht des in 1a gezeigten Ausführungsbeispiels, bei der eines der umschließenden Teile der Anordnung weggelassen ist.
Entsprechend dem Ausführungsbeispiel stellt die optisch pumpbare Licht erzeugende Anordnung 101 eine Laseranordnung dar, die eine Stützeinrichtung 103, 106 umfasst, die mit einer Führungsstruktur 104 versehen ist. Die Stützeinrichtung 103, 106 umfasst eine erste Siliziumplatte 103 (deren Stützfläche von der <100>-Ebene des Siliziumkristalls gebildet wird), die durch ein einem Fachmann bekanntes anisotropes Ätzverfahren mit der Führungsstruktur 104 versehen wird. Die Führungsstruktur 104 umfasst eine V-Rille, deren Seitenflächen von der <111>-Ebene des Siliziumkristalls gebildet werden, wobei der Bodenwinkel 121 gleich 70,5° ist.
In der Führungsstruktur 104 ist eine Berührungsschicht 105 angeordnet, die aus einem vergleichsweise weichen Fugenmetall besteht. Der Begriff „weiches Metall" bezeichnet hierbei ein plastisch deformierbares Metall, das eine Brinell'sche Härte von weniger als 1000 MPa (vorzugsweise von weniger als 100 MPa) aufweist, oder alternativ weicher als ein Lasermaterial 102 ist, das in der Führungsstruktur 104 angeordnet ist. Als Fugenmetalle besonders bevorzugt sind Indium und Zinn (mit Härten von 9 beziehungsweise 5 MPa), oder geeignete lötbare Legierungen hieraus (beispielsweise InSn, InAg, PbSn, AgSn). Als Alternative zu einem Fugenmaterial kann auch ein wärmeleitfähiger Klebstoff verwendet werden.
Das Lasermaterial 102 (das heißt der optisch pumpbare Licht erzeugende Festkörper aus dielektrischem Material) wird derart präzisionsgeschnitten, dass dessen Seitenflächen 108 im Wesentlichen komplementär zu der Führungsstruktur 104 sind, in der das Lasermaterial 102 angeordnet ist. Die Endflächen 107 des Lasermaterials sind vorteilhafterweise mit dielektrischen Spiegeln (beispielsweise in der Figur nicht dargestellte mehrlagige Beschichtungen) versehen, die einen Laserhohlraum festlegen. Die Stüt zeinrichtung 103, 106 umfasst darüber hinaus eine zweite Siliziumplatte 106, die mit der ersten Platte 103 identisch ist und als „Abdeckung" über dem Lasermaterial 102 dient.
Die Anordnung umfasst mithin ein Lasermaterial 102, das zwischen zwei Siliziumplatten 103, 106 mit geätzten Führungsrillen 104 angeordnet ist und in Kontakt mit den Führungsrillen 104 über eine Berührungsschicht 105 steht, die aus einem weichen Metall besteht, und die daher zwischen dem Lasermaterial 102 und der Führungsrille 104 angeordnet ist. Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel weist das Lasermaterial 102 einen rhomboiden Querschnitt auf. Werden die beiden mit Führungsrillen versehenen Siliziumplatten 103, 106 um das Lasermaterial 102 herum zueinandergedrückt, so bewirkt dies ein hervorragendes Anliegen an der Führungsrille 104 dank der Struktur des Lasermaterials, die komplementär zu der Führungsrille 104 ist, und dem weichen Fugenmetall. Die rhomboide Form des Lasermaterials 102 trägt darüber hinaus zu den Kraftkomponenten 131 bei, die auf den symmetrisch orientierten Laserkristall 102 wirken, was zudem die Stabilität und den Sitz der Stützeinrichtung 103, 106 und somit den Wärmekontakt zwischen dem Lasermaterial 102 und der Stützeinrichtung 103, 106 verbessert. Der Ausbreitungsweg des Lichtes ist mit 120 bezeichnet.
Die Berührungsschicht 105 weist eine Dicke von einigen 10 Mikrometern auf. Das Fugenmetall weist vorzugsweise eine gute Wärmeleitfähigkeit mit Blick auf die gesteigerte Wärmeübertragung zwischen dem Lasermaterial 102 und der Stützeinrichtung 103, 106 auf. Beispiele für geeignete Lasermaterialien sind dielektrische Kristalle, so beispielsweise Yttrium-Aluminium-Granat (YAG), Yttrium-Lithium-Fluorid (YLF), Yttriumvanadat (YVO), Yttrium-Orthoaluminat (YALO), die beispielsweise mit Seltene-Erden-Metallen oder Übergangsmetallen dotiert sind, jedoch auch andere geeignete Festkörpermaterialien, die mit Glas dotiert sind.
Entsprechend einem alternativen Ausführungsbeispiel weist das Lasermaterial einen dreieckigen Querschnitt auf, wobei die „Abdeckung" der Stützeinrichtung im Wesentlichen flach ist.
Wie in 2 bis 4 gezeigt ist, können weitere alternative Ausführungsbeispiele dadurch erhalten werden, dass eine Ausbildung von Führungsstrukturen 204, 304 in den Stützeinrichtungen 203, 303, 306, 403 sowie eine Anordnung eines oder mehrerer funk tioneller Elemente und/oder Linseneinrichtungen darin in Verbindung mit dem Laserhohlraum erfolgen. Die funktionellen Elemente können innerhalb des Hohlraums wie auch außerhalb desselben (beziehungsweise nach demselben) angeordnet werden. Der Begriff „funktionelles Element" umfasst hierbei Komponenten, die in gewissem Umfang Eigenschaften des ausgesendeten Lichtes beeinflussen, so beispielsweise nichtlineare Kristalle zur Frequenzumwandlung, aktive oder passive Q-Switches zur Erzeugung von Lichtimpulsen hoher Maximalleistung sowie aktive oder passive Phasenverriegelungseinrichtungen zur Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse. Auch Elemente zur externen Intensitätsmodulierung oder Phasenmodulierung und/oder Steuerung der Richtung des Laserstrahls sind miteingeschlossen.
2 bis 4 zeigen schematisch optisch gepumpte Anordnungen entsprechend der vorliegenden Erfindung. In den gezeigten Fällen wird das optische Pumpen mittels einer optischen Faser 212, 312, 412 vorgenommen. Das von der Faser ausgesendete Licht wird in das Lasermaterial 202, 302, 402 über geeignete Linseneinrichtungen 210, 310, 410, so beispielsweise herkömmliche Linsen, Gradientenlinsen (GRIN-Linsen) oder nicht-abbildende Linsenleitungen (non-imaging lens ducts), fokussiert.
5 zeigt ein Beispiel für ein Verfahren zum Anordnen einer optischen Komponente 502 in einer Stützeinrichtung 503. Das Verfahren umfasst das Versehen einer Platte aus ätzbarem Material, vorzugsweise Silizium, mit einer Führungsrille (Führungsstruktur) 504, in der die optischen Komponenten 502 angeordnet werden können. Die Führungsstruktur 504 wird vorzugsweise durch anisotropes Nassätzen mit Kaliumhydroxid, Ethylen-Diamin-Pyrocatechol oder Tetramethyl-Ammoniumhydroxid nach einer fotolithografischen Maskierung der Stützeinrichtung 503 zur Festlegung der Führungsrille 504 hergestellt.
Wie vorstehend beschrieben, wird anschließend ein Fugenmetall über der Stützeinrichtung 503 beispielsweise durch Gasabscheidung, Zerstäuben (Sputtern) oder Elektroplattieren aufgebracht. Die Ablagerung kann für den Fall, dass diese nur über gewissen Teilen der Stützeinrichtung 503 gewünscht wird, durch eine Maske, entweder eine Lochmaske oder eine Photo-Resist-Maske, vorgenommen werden.
Eine optische Komponente (ein optisch pumpbares und Licht erzeugendes Material) wird präzisionsgeschnitten, um einen Körper 502 zu erhalten, dessen Seitenflächen 508 im Wesentlichen komplementär zu der Führungsstruktur 504 sind. Der Licht erzeugende Körper 502 wird anschließend in der Führungsstruktur 504 angeordnet, wobei ein ausgezeichnetes Anliegen an der Stützeinrichtung 503 dank der wohldefinierten Führungsrille 504 erzielt werden kann. Das Anhaften an der Berührungsschicht 505 kann durch Beschichten der präzisionsgeschnittenen Seitenflächen 508 des Körpers mit einer Metallschicht verbessert werden, die ebenfalls als reflektierende Schicht für Licht dient, das sich innerhalb des Licht erzeugenden Körpers 502 fortpflanzt.
Vorzugsweise und nicht notwendigerweise, weist der Licht erzeugende Körper 502 rhomboide Form auf, wobei die Führungsstruktur 504 von V-Form ist. Eine Abdeckung (106 in 1a) wird vorzugsweise über der Anordnung angeordnet, um eine umschlossene Stützeinrichtung (103, 106 in 1a) zu erhalten, die den Licht erzeugenden Körper (102 in 1a) außenseitig umschließt. Die außenseitig umschlossene Stützeinrichtung verleiht der Anordnung im Einsatz ein beträchtlich symmetrischeres Temperaturprofil. Die rhomboide Form trägt zudem zu einem symmetrischeren Temperaturprofil bei, was mittels Simulationen unter Verwendung der Methode der finiten Elemente nachgewiesen wurde.
Optische Beschichtungen beliebiger Art an den Endflächen 507 des Licht erzeugenden Körpers werden vorzugsweise auf der Originalplatte aufgebracht, bevor diese durch Präzisionsschneiden in die gewünschte Form gebracht wird. Beim Schneiden wird die Platte durch einen Schutzfilm vor Schneidestaub geschützt.
Bei einem alternativen Verfahren kommt anstelle des vorstehend beschriebenen Nassätzens Tieftrockenätzen zum Einsatz. Durch dieses Verfahren können Rillen beliebiger Geometrie erzeugt werden.
Entsprechend einem weiteren Verfahren werden die Führungsstrukturen durch Kopieren eines Originals hergestellt, das in der vorstehend beschriebenen Weise (gegebenenfalls mit inversen geometrischen Formen) hergestellt wurde. Das Original besteht vorzugsweise aus Silizium, da die Möglichkeit der Mikrostrukturierung mit Blick auf Silizium beträchtlich sind. Das Kopieren wird beispielsweise durch Elektroplattieren dicker Metall schichten (größer als 100 μm) auf der Siliziumoberfläche durchgeführt. Die erhaltene Metallplatte wird sodann von der Siliziumplatte abgetrennt und stellt so ein perfektes Negativ des Originals dar. Ist das Original gegenüber der beabsichtigten Form der Stützeinrichtung nicht geometrisch invertiert, so wird die erhaltene Metallplatte wiederum zum Bereitstellen der richtigen geometrischen Form der Stützeinrichtung kopiert.
Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die Stützeinrichtung vorteilhafterweise mit Mikrokanälen zum Transport eines Kühlfluids versehen werden, wodurch man eine gesteigerte Möglichkeit der Einflussnahme auf die Temperatur in der Anordnung erhält. Die Stützeinrichtung ist vorteilhafterweise in Wärmekontakt mit einem Thermoelement (beispielsweise einem Peltier-Element), um die Möglichkeiten der Einflussnahme auf die Temperatur weiter zu steigern. Auf den Einsatz von Mikrokanälen mit einem Kühlfluid kann in diesem Fall verzichtet werden.
Bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird eine Vielzahl Licht erzeugender Körper Seite an Seite angeordnet, um eine Lichtquelle mit einem Feld von Lichtquellen bereitzustellen. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Ausgangsleistung der Anordnung auf einfache Weise auf sehr hohe Niveaus gesteigert werden. Darüber hinaus kann das Querschnittsprofil des ausgesendeten Lichtes durch individuelle Steuerung der in dem Feld enthaltenen Quellen beeinflusst werden.
Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, bei denen der Licht erzeugende Körper ein Lasermaterial darstellt, ist die Erfindung auch bei anderen Licht erzeugenden Materialien, so beispielsweise nichtlinearen Kristallen, einsetzbar. Ein gemeinsames Merkmal der in Rede stehenden Materialien besteht darin, dass sie optisch pumpbar und dielektrisch sind. Darüber hinaus bestehen weder Einschränkungen mit Blick auf die Verwendung von Silizium bei der Stützeinrichtung, noch irgendwelche Einschränkungen bezüglich der Führungsstrukturen, die als V-Rillen ausgebildet sind. Bei einigen Anwendungen ist es sogar vorteilhaft, andere Materialien für die Stützeinrichtungen und/oder andere Geometrien für die Führungsrillen vorzusehen. Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das optische Pumpen mittels einer optischen Faser vorgenommen. Alternative Pumpquellen, so beispielsweise Laserdioden oder Laserdiodenfelder, sind bei verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen ebenfalls möglich.

Claims

Eine Anordnung zur Erzeugung von Licht mit einem optisch pumpbaren, Licht erzeugenden Festkörper aus einem dielektrischen Material (102, 202, 302, 402, 502) mit einer Kontaktfläche (108, 508), die eine Stützeinrichtung (103, 106, 203, 303, 306, 403, 503) berührt, wobei die Kontaktfläche (108, 508) des Licht erzeugenden Körpers, welche die Stützeinrichtung berührt, im Wesentlichen komplementär ist zu einer Führungsstruktur (104, 204, 304, 504), welche in der Stützeinrichtung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass, eine Berührungsschicht (105, 505) zwischen der Kontaktfläche (108, 508) und der Führungsstruktur (104, 204, 304, 504) angeordnet ist, wobei die Berührungsschicht aus einem deformierbaren Material aufgebaut ist, um die Haftung an und/oder die Wärmeübertragung zu der Stützeinrichtung zu verbessern.
Eine Anordnung gemäß Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet dadurch, dass, die Stützeinrichtung (103, 106, 203, 303, 306, 403, 503) mindestens teilweise ein ätzbares, kristallines Material umfasst und die Führungsstruktur (104, 204, 304, 504) eine geätzte Struktur in der Stützeinrichtung (103, 106, 203, 303, 306, 403, 504) ist.
Eine Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, weiterhin gekennzeichnet dadurch, dass die Berührungsschicht (105, 505) weicher ist als der Licht erzeugende Körper (102, 202, 302, 402, 502) und eine Dicke von weniger als 100 Mikrometer aufweist.
Eine Anordnung gemäß Anspruch 3, wobei die Dicke der Berührungsschicht weniger als 30 Mikrometer ist.
Eine Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das kristalline Material der Stützeinrichtung ein Halbleitermaterial ist.
Eine Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das kristalline Material der Stützeinrichtung Silizium ist.
Eine Anordnung gemäß Anspruch 6, wobei die Führungsstrukturen (104, 204, 304, 504) durch entlang der <111>-Ebene des Siliziumkristalls geätzte V-Rillen mit einem Bodenwinkel von 70,5 Grad aufgebaut sind, wobei die Berührungsfläche (108, 508) des Licht erzeugenden Körpers, welche die Stützeinrichtung berührt, eine dreieckige oder rhomboide Form aufweist.
Eine Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1–7, wobei die Berührungsschicht (105, 505) Indium umfasst.
Eine Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1–7, wobei die Berührungsschicht (105, 505) einen thermisch leitenden Klebstoff umfasst.
Eine Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1–7, wobei die Berührungsschicht (105, 505) eine lötbare Legierung umfasst.
Eine Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1–10, wobei der Licht erzeugende Körper (102, 202, 302, 402, 502) ein optisch pumpbares Lasermaterial ist.
Eine Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1–11, wobei die Stützeinrichtung (103, 106, 303, 306) mindestens zwei Teile umfasst, welche zusammen den Licht erzeugenden Körper (102, 302) außenseitig umschließen, wobei mindestens ein Ausbreitungsweg (120) durch den Licht erzeugenden Körper (102, 302) zur Fortpflanzung des Lichtes durch die Anordnung offen ist, wobei der Licht erzeugende Körper im Wesentlichen die gesamte Führungsstruktur ausfüllt, welche in der Stützeinrichtung ausgebildet ist.
Eine Anordnung gemäß Anspruch 11, wobei das optisch pumpbare Lasermaterial angeordnet ist, um mit Energie über eine optische Faser (212, 312, 412) versorgt zu werden.
Eine Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1–13, wobei ein funktionelles Element (409) in Verbindung mit dem Licht erzeugenden Körper (102, 202, 302, 402, 502) angeordnet ist.
Eine Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1–10, wobei der Licht erzeugende Körper (102, 202, 302, 402, 502) ein nichtlinearer Kristall ist.
Eine Anordnung gemäß Anspruch 15, wobei die Stützeinrichtung (103, 106, 303, 306) mindestens zwei Teile umfasst, welche zusammen den nichtlinearen Kristall (102, 302) außenseitig umschließen, wobei mindestens ein Ausbreitungsweg durch den nichtlinearen Kristall (102, 302) für die Fortpflanzung von Licht durch die Anordnung offen ist.
Eine Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1–16, wobei die Stützeinrichtung (103, 106, 203, 303, 306, 403, 503) mit Mikrokanälen zum Transport eines Kühlfluides durch die Stützeinrichtung (103, 106, 203, 303, 306, 403, 503) ausgestattet ist.
Eine Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1–17, wobei die Anordnung weiterhin ein Thermoelement umfasst, mit dem die Stützeinrichtung (103, 106, 203, 303, 306, 403, 503) in Wärmekontakt steht.
Eine Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1–18, wobei eine Vielzahl von optisch pumpbaren, Licht erzeugenden Körpern Seite an Seite angeordnet sind, um eine Anordnung zur Erzeugung von Licht durch ein Feld von Lichtquellen bereitzustellen.
Ein Verfahren zur Anordnung eines optisch pumpbaren, Licht erzeugenden Festkörpers aus dielektrischem Material (502) in einer Stützeinrichtung (503) von Licht erzeugenden Anordnungen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen von mindestens einer Führungsstruktur durch Ätzen in ein Original, welches mindestens teilweise kristallin ist, Bereitstellen von mindestens einer Führungsstruktur (504) in der Stützeinrichtung (503) durch Kopie des Originals, wobei die Führungsstruktur (504) eine Form erhält, welche im Wesentlichen komplementär zu einer Fläche (508) der optischen Komponente (502) ist, wobei die Fläche zur Berührung mit der Führungsstruktur vorgesehen ist, Aufbringen einer Berührungsschicht (505) im Wesentlichen über die gesamte Berührungsfläche (508) zwischen der Führungsstruktur (504) und der optischen Komponente (502), wobei die Berührungsschicht (505) aus einem deformierbaren Material aufgebaut ist, welches weicher als die optische Komponente (502) ist, um derart die Haftung an und/oder den Wärmetransport zu der Stützeinrichtung zu verbessern und eine Dicke von weniger als 100 Mikrometer aufweist, und Anordnen der optischen Komponente (502) in der Führungsstruktur (504) der Stützeinrichtung derart, dass im Wesentlichen die gesamte, zu der Führungsstruktur komplementäre Fläche (508) der optischen Komponente (502) in Berührung mit der Führungsstruktur (504) steht über die Berührungsschicht (505).
Ein Verfahren gemäß Anspruch 20, weiterhin umfassend den Schritt, die zu der Führungsstruktur komplementäre Fläche (508) des optisch pumpbaren Festkörpers mit einer reflektierenden Schicht zu beschichten.
Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 oder 21, wobei die Berührungsschicht (505) zwischen dem optisch pumpbaren Festkörper (502) und der Führungsstruktur (504) durch Gasabscheidung eines plastisch deformierbaren, wärmeleitenden Materials aufgebracht wird.
Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20–22, weiterhin umfassend den Schritt, die Stützeinrichtung (503) mit Mikrokanälen zum Transport eines Kühlfluids auszustatten.
Die Verwendung einer Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1–19, zur Anordnung von optischen Komponenten (502) aus Glas oder dielektrischem Kristall in einer geätzten Führungsstruktur (504) einer Stützeinrichtung (503), wobei die Stützeinrichtung (503) mindestens teilweise ein Halbleitermaterial umfasst.