DE60009813T2

DE60009813T2 - Elektrooptische Systeme

Info

Publication number: DE60009813T2
Application number: DE60009813T
Authority: DE
Inventors: Brian Lee Charlotte Peterson
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2020-07-15
Also published as: US6240113B1; DE60009813D1; EP1079480A3; EP1079480B1; EP1079480A2; JP2001085767A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein elektro-optische Systeme und insbesondere eine elektro-optische Einrichtung, die einen Mikrolaser aufweist, der wirksam Wärme abführen kann, und zugehörige Verfahren zum Herstellen der elektro-optischen Einrichtung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Moderne elektro-optische Systeme werden immer stärker verkleinert, so dass zahlreiche elektro-optische Komponenten gemeinsam auf der gleichen Plattform montiert werden. Die Plattform enthält in aller Regel einen Hilfsträger, der auf einer Wärmesinke montiert sein kann, beispielsweise einer Wärmepumpe oder einer ähnlichen Vorrichtung. Damit wird der Hilfsträger stets aus einem Wärme leitenden Material hergestellt, beispielsweise einem Metall oder einem Halbleiter, so dass ein Weg mit relativ geringem Wärmewiderstand von den verschiedenen auf dem Hilfsträger montierten elektrooptischen Komponenten zur darunter liegenden Wärmesinke bereitgestellt wird.
Die verschiedenen Komponenten des elektro-optischen Systems müssen – damit sie korrekt funktionieren – präzise ausgerichtet sein. Beispielsweise erfordert ein elektrooptisches System, das eine Pumpdiode und einen zugehörigen Laserkristall oder ein aktives Verstärkungsmedium enthält, dass die Pumpdiode mit dem Laserkristall und auch mit den verschiedenen anderen optischen Komponenten, z. B. Linsen, Spiegel usw., exakt ausgerichtet ist. Diese Ausrichtung stellt stets eine gewisse Herausforderung dar. Da die verschiedenen Komponenten der elektro-optischen Systeme immer kleiner werden, ist die Ausrichtung der verschiedenen Komponenten eines elektro-optischen Systems zunehmend krifischer und schwieriger geworden.
Bei einem elektro-optischen System, das eine Pumpdiode und einen zugehörigen Laserkristall oder ein aktives Verstärkungsmedium enthält, müssen die Pumpdiode und der Laserkristall auch einen exakten Abstand zueinander aufweisen, damit das gewünschte Ausgangssignal erzeugt wird, beispielsweise Signale mit der gewünschten Frequenz. Dabei können selbst sehr kleine Abstandsdifferenzen zwischen einer Pumpdiode und einem Laserkristall, z. B. Abstandsunterschiede im Submikronbereich, bewirken, dass der Laserkristall Signale mit einer geringfügig anderen Frequenz abgibt. Da zahlreiche Anwendungen darauf beruhen, dass Signale mit einer vorbestimmten Fre quenz empfangen werden, können selbst geringe Verschiebungen oder Veränderungen der Frequenz des Laserkristall-Ausgangssignals Schwierigkeiten in der dem Laserkristall nachgeordneten Anordnung verursachen.
Nach der korrekten Montage der verschiedenen elektro-optischen Elemente auf dem Hilfsträger wird das elektro-optische System einschließlich des Hilfsträgers und sämtlicher darunter liegender Wärmesinken normalerweise in einem geeigneten Gehäuse montiert, beispielsweise einem TO-3- oder TO-8-Gehäuse. Fachleuten ist bekannt, dass elektro-optische Gehäuse, beispielsweise TO-3- oder TO-8-Gehäuse, eine Anzahl leitender Stifte umfassen, die elektrisch mit den zugehörigen Anschlüssen des elektrooptischen Systems verbunden werden müssen, damit dem elektro-optischen System die benötigte elektrische Energie geliefert wird. Selbst bei korrekter Montage der verschiedenen elektro-optischen Komponenten auf dem Hilfsträger kann die Befestigung des elektro-optischen Systems im Gehäuse und das Herstellen der elektrischen Verbindungen zwischen den leitenden Stiften des Gehäuses und den zugehörigen Anschlüssen des elektro-optischen Systems die Leistungsfähigkeit des elektro-optischen Systems nachteilig beeinflussen. Im Einzelnen erfordert die Montage des elektro-optischen Systems in einem Gehäuse generell Manipulationen am elektro-optischen System, die das elektro-optische System und insbesondere die verschiedenen elektro-optischen Komponenten statischer Elektrizität oder anderen schädlichen Einflüssen aussetzen können. Zusätzlich können herkömmliche Montagetechniken im Gehäuse zusammen mit dem Aufbau geeigneter elektrischer Verbindungen zwischen den leitenden Stiften eines Gehäuses und den jeweiligen Anschlüssen des elektro-optischen Systems die verschiedenen elektro-optischen Komponenten nachteilig erwärmen.
Ein Vorteil eines elektro-optischen Systems, das eine Pumpdiode und einen zugehörigen Laserkristall enthält, ist die relativ geringe Größe der entstehenden Vorrichtung. Trotz der geringen Größe erzeugen die Pumpdiode und der Laserkristall bei Betrieb beträchtliche Wärmemengen. Daher muss das elektro-optische System eine ausreichende Wärmeabfuhr bereitstellen, damit die einzelnen Komponenten, z. B. die Pumpdiode und der Laserkristall, betrieben werden können, ohne dass sie überhitzen oder sonstwie beschädigt werden. Genauer gesagt sollte das elektro-optische System so entworfen sein, dass die Pumpdiode im Dauerstrich (CW, CW = Continuous Wave) betrieben wird, damit sie ohne Überhitzung die größtmögliche Pumpenergie an den Laserkristall liefert. Da durch den CW-Betrieb einer Pumpdiode eine beträchtliche Wärmemenge erzeugt wird, und zwar insbesondere hinsichtlich der relativ geringen Größe ei nes elektro-optischen Systems, das eine Pumpdiode und einen Laserkristall enthält, bestanden bei herkömmlichen elektro-optischen Systemen Schwierigkeiten, die thermische Belastung so rasch und wirksam abzuführen, wie dies für einige Anwendungen erforderlich ist.
Das Dokument US 5,521,932 offenbart ein elektro-optisches System und das zugehörige Zusammenbauverfahren, das die Merkmale des Oberbegriffs der unabhängigen Ansprüche umfasst.
Es sind verschiedene miniaturisierte elektro-optische Systeme entwickelt worden, die Hilfsträger und zugehörige Wärmesinken enthalten, die zumindest eine gewisse Wärmeabfuhr für die diversen elektro-optischen Komponenten bieten. Es besteht jedoch nach wie vor Bedarf an verbesserten Techniken, die einen präzisen Abstand der unterschiedlichen elektro-optischen Komponenten eines miniaturisierten elektro-optischen Systems herstellen, beispielsweise zwischen einer Pumpdiode und einem Laserkristall oder einem aktiven Verstärkungsmedium. Zudem besteht nach wie vor Bedarf an einer verbesserten Wärmeabfuhr für die diversen Komponenten eines elektro-optischen Systems, damit das elektro-optische System kontinuierlich ohne Überhitzung oder sonstige Beschädigung der Komponenten arbeiten kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es werden eine elektro-optische Einrichtung und ein zugehöriges Herstellungsverfahren dafür bereitgestellt, die es erlauben, dass ein aktives Verstärkungsmedium einen präzisen Abstand von der Pumpquelle hat, so dass Signale, die die gewünschten Eigenschaften aufweisen, z. B. die gewünschte Frequenz, ausgesendet werden. Zusätzlich bieten die elektro-optische Einrichtung und das zugehörige Herstellungsverfahren der Erfindung dadurch eine verbesserte Wärmeabfuhr, dass die thermischen Lasten der Pumpquelle und des aktiven Verstärkungsmediums getrennt sind, damit man die Pumpquelle kontinuierlich betreiben kann und das aktive Verstärkungsmedium bestmöglich gepumpt wird, ohne dass die elektro-optische Einrichtung überhitzt oder anderweitig beschädigt wird.
Die elektro-optische Einrichtung umfasst eine primäre Wärmesinke und mindestens einen Hilfsträger, der auf der primären Wärmesinke montiert ist. Jeder Hilfsträger ist bevorzugt aus einem Wärme leitenden und elektrisch isolierenden Material hergestellt, damit Wärme von den Komponenten zu der primären Wärmesinke übertragen wird und zugleich eine elektrische Isolation für die auf dem Hilfsträger montierten Komponenten vorhanden ist. Die elektro-optische Einrichtung der Erfindung enthält auch eine auf dem mindestens einen Hilfsträger montierte sekundäre Wärmesinke, wobei ein aktives Verstärkungsmedium auf der sekundären Wärmesinke angebracht ist. In der Regel ist das aktive Verstärkungsmedium Teil eines Mikrolasers, der auch einen passiven Güteschalter enthält, damit das Ausgangssignal des Mikrolasers reguliert werden kann. Gemäß der Erfindung ist das aktive Verstärkungsmedium so auf der sekundären Wärmesinke montiert, dass das aktive Verstärkungsmedium einseitig befestigt von der sekundären Wärmesinke und vom mindestens einen Hilfsträger ausgeht, auf dem die sekundäre Wärmesinke montiert ist. Die elektro-optische Einrichtung der Erfindung enthält auch eine Pumpquelle, beispielsweise eine Laserdiode, die an einer Seitenwand eines der mindestens einmal vorhandenen Hilfsträger montiert ist, damit das Ausgangssignal der Pumpquelle das aktive Verstärkungsmedium pumpt.
Vorteilhafterweise umfasst der mindestens eine Hilfsträger einen ersten und einen zweiten Hilfsträger, die beide an der primären Wärmesinke montiert sind, und zwar mit Abstand zueinander, so dass ein Spalt zwischen ihnen bestimmt ist. Die sekundäre Wärmesinke wird bevorzugt am ersten Hilfsträger montiert, damit sich das aktive Verstärkungsmedium zumindest über einen Abschnitt des Spalts erstreckt, der zwischen dem ersten Hilfsträger und dem zweiten Hilfsträger bestimmt ist. Zudem ist die Pumpquelle bevorzugt an der Seitenwand des zweiten Hilfsträgers befestigt, die dem ersten Hilfsträger gegenüberliegt. Damit liegt das aktive Verstärkungsmedium bevorzugt über der Pumpquelle, so dass das Ausgangssignal der Pumpquelle das aktive Verstärkungsmedium pumpt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Hilfsträger U-förmig und weist zwei emporstehende Arme auf. Zusätzlich ist die sekundäre Wärmesinke dieser Ausführungsform im allgemeinen T-förmig und weist ein stabförmiges Teil und ein Querbalkenteil an einem Ende des stabförmigen Teils auf. Die T-förmige sekundäre Wärmesinke kann so an dem ersten Hilfsträger befestigt werden, dass das stabförmige Teil zwischen den zwei Armen zu liegen kommt, wodurch das Positionieren des aktiven Verstärkungsmediums unterstützt wird, das von der sekundären Wärmesinke getragen wird.
Da das aktive Verstärkungsmedium an der sekundären Wärmesinke montiert ist, die ihrerseits am ersten Hilfsträger angebracht ist, und da die Pumpquelle getrennt am zweiten Hilfsträger befestigt ist, fließt die vom aktiven Verstärkungsmedium erzeugte Wärme und die von der Pumpquelle erzeugte Wärme durch unterschiedliche Hilfsträger in die prmäre Wärmesinke. Durch die Verwendung verschiedener Hilfsträger zum Übertragen der thermischen Lasten, die das aktive Verstärkungsmedium und die Pumpquelle erzeugt, in die primäre Wärmesinke, kann die elektro-optische Einrichtung der Erfindung Wärme wirksamer abführen als herkömmliche elektro-optische Systeme, die von Laserdioden gepumpte Mikrolaser enthalten, die auf einem einzigen Hilfsträger montiert sind. Daher kann die Pumpquelle der elektro-optischen Einrichtung der Erfindung im CW-Betrieb arbeiten, damit die an das aktive Verstärkungsmedium gelieferte Pumpenergie größtmöglich wird, ohne dass die Komponenten der elektro-optischen Einrichtung überhitzt oder anderweitig beschädigt werden.
Durch die Montage des aktiven Verstärkungsmediums und der Pumpquelle auf unterschiedlichen Hilfsträgern verhindert das elektro-optische System der Erfindung auch die Wanderung von Epoxid von einer Komponente zur anderen, die die Leistungsfähigkeit des Systems nachteilig beeinflussen könnte. Das elektro-optische System der Erfindung verhindert beispielsweise, dass Epoxid, das zum Befestigen des aktiven Verstärkungsmediums verwendet wird, zur Emissionsfläche der Pumpquelle wandert, wodurch die Emissionsfläche verschmutzt und die Leistungsfähigkeit der Pumpquelle beeinträchtigt werden könnte.
Zusätzlich zu einer wirksameren Abfuhr der thermischen Belastung bietet die elektro-optische Einrichtung der Erfindung das präzise Einhalten des Abstands des aktiven Verstärkungsmediums von der Pumpquelle, damit sichergestellt ist, dass das Ausgangssignal der elektro-optischen Einrichtung die gewünschten Eigenschaften hat, beispielsweise die gewünschte Frequenz. Unter diesem Gesichtspunkt werden nach dem Montieren der Pumpquelle an die Seitenwand des zweiten Hilfsträgers der erste und der zweite Hilfsträger auf der primären Wärmesinke montiert. Die sekundäre Wärmesinke mit dem darauf montierten aktiven Verstärkungsmedium wird nun präzise bezüglich des ersten Hilfsträgers angeordnet, so dass das aktive Verstärkungsmedium über der Pumpquelle zu liegen kommt und das Ausgangssignal der Pumpquelle das aktive Verstärkungsmedium pumpt. Durch das Justieren der Position der sekundären Wärmesinke relativ zum ersten Hilfsträger kann der Abstand zwischen der Pumpquelle und dem aktiven Verstärkungsmedium entsprechend eingestellt werden. Da sich die Signaleigenschaften, beispielsweise die Frequenz, der vom aktiven Verstärkungsmedium ausgesendeten Signale abhängig vom Abstand zwischen dem aktiven Verstärkungsmedium und der Pumpquelle ändern, kann man den gewünschten Abstand auswählen, indem man das Ausgangssignal des aktiven Verstärkungsmediums beobachtet, wenn die Position der sekundären Wärmesinke gegenüber dem ersten Hilfsträger und andererseits der Abstand des aktiven Verstärkungsmediums von der Pumpquelle verändert wird. Ist die gewünschte Position der sekundären Wärmesinke gegenüber dem ersten Hilfsträger ermittelt, so kann die sekundäre Wärmesinke am ersten Hilfsträger befestigt werden, beispielsweise durch das Injizieren von Epoxid zwischen die sekundäre Wärmesinke und den ersten Hilfsträger oder durch Löten der sekundären Wärmesinke an den ersten Hilfsträger. Nach dem Befestigen der sekundären Wärmesinke am ersten Hilfsträger wird der Abstand zwischen dem aktiven Verstärkungsmedium und der Pumpquelle so eingestellt, dass die Ausgangssignale die gewünschten Eigenschaften haben. Zusätzliche Komponenten, beispielsweise ein Frequenzverdopplungskristall, ein Generator für die vierte Harmonische usw. können so auf dem ersten und zweiten Hilfsträger montiert werden, dass die Wärme dieser zusätzlichen Komponenten ebenfalls über die primäre Wärmesinke abgeführt werden kann, wodurch eine Temperaturregulung und -stabilität gewährleistet wird.
Die elektro-optische Einrichtung und das zugehörige Herstellungsverfahren der Erfindung stellen eine wirksamere Wärmeabfuhr bereit, indem getrennte thermische Wege für die Wärme hergestellt werden, die das aktive Verstärkungsmedium erzeugt, und für die Wärme, die die Pumpquelle erzeugt. Damit ermöglicht es die elektro-optische Einrichtung der Erfindung, dass die Pumpquelle im CW-Modus arbeitet, damit das aktive Verstärkungsmedium so stark wie möglich gepumpt wird, ohne dass die Komponenten der elektro-optischen Einrichtung überhitzt oder anderweitig beschädigt werden. Zudem erlauben es die elektro-optische Einrichtung und das zugehörge Herstellungsverfahren, den Abstand zwischen dem aktiven Verstärkungsmedium und der Pumpquelle präzise zu wählen damit die von der elektro-optischen Einrichtung erzeugten Ausgangssignale die gewünschten Eigenschaften haben, beispielsweise die gewünschte Frequenz. Dadurch können Abweichungen der einzelnen Pumpquellen und aktiven Verstärkungsmedien verschiedener elektro-optischer Einrichtungen ausgeglichen werden, indem man den Abstand zwischen ihnen exakt justiert, damit wiederholt Ausgangssignale mit den gewünschten Eigenschaften erzeugt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigt:
1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines elektro-optischen Systems gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Seitenansicht eines Teils des elektro-optischen Systems in 1 nach dem Zusammenbau einschließlich der primären Wärmesinke, des ersten und des zweiten Hilfsträgers, der sekundären Wärmesinke, der Pumpquelle und des Mikroresonator-Hohlraums;
3 eine Draufsicht des elektro-optischen Systems in 2;
4 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer sekundären Wärmesinke und eines Mikroresonator-Hohlraums;
5 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines zweiten Hilfsträgers einschließlich der ersten und der zweiten Metallisierungsschicht, eines Wärmeverteilers und einer Laserdiode;
6 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines elektro-optischen Systems gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, das einen Frequenzverdopplungskristall und einen Generator für die vierte Harmonische enthält; und
7 eine perspektivische Ansicht, die eine Vorgehensweise zum Justieren des Abstands der sekundären Wärmesinke vom ersten Hilfsträger und damit des Abstands des Mikroresonator-Hohlraums von der Laserdiode darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Erfindung wird im Weiteren ausführlicher anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist. Die Erfindung kann jedoch in zahlreichen unterschiedlichen Formen ausgeführt werden und sollte nicht als auf die hier angegebenen Ausführungsformen eingeschränkt angesehen werden. Diese Ausführungsform dient statt dessen dafür, dass die Offenlegung eingehend und vollständig ist und Fachleuten den Bereich der Erfindung umfassend vermittelt. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche Elemente.
Es wird nun ein elektro-optisches System 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung anhand von 1 – 3 erläutert. Obgleich das elektro-optische System verschiedene Komponenten enthalten kann, ist es besonders vorteilhaft für das Halten und Ausrichten eines Mikrolasersystems, das eine präzise Ausrichtung und einen exakten Abstand zwischen einer Pumpquelle 12, beispielsweise einer Laserdiode, und einem Laserkristall oder einem anderen aktiven Verstärkungsmedium 14 erfordert, und das auch erfordert, dass die beträchtlichen Wärmemengen, die während seines Betriebs erzeugt werden, wirksam abgeführt werden. Deshalb wird das elektro-optische System hier zusammen mit einem Mikrolasersystem beschrieben.
Das elektro-optische System 10 enthält wie dargestellt eine primäre Wärmesinke 16 und zumindest einen Hilfsträger 18, der auf der primären Wärmesinke montiert ist. Fachleuten ist geläufig, dass ein Element oder eine Komponente, die als "auf" oder "montiert auf" einem anderen Element bezeichnet ist, entweder direkt auf dem darunter liegenden Element montiert sein kann oder lediglich über dem anderen Element liegt, wobei eine oder mehrere Zwischenschichten oder Elemente zwischen den Elementen angeordnet sind. Die primäre Wärmesinke kann eine passive Wärmesinke sein, die aus wärmeleitenden Material hergestellt ist, beispielsweise eine Basis aus Silber, die mit einer Legierung aus Gold und Nickel beschichtet ist. Die primäre Wärmesinke kann auch eine aktive Wärmesinke bzw. Wärmepumpe sein, beispielsweise eine Peltier-Wärmepumpe oder ein anderer thermoelektrischer Kühler. Ein herkömmlicher thermoelektrischer Kühler, siehe 2, enthält beispielsweise ein oder mehrere Thermoelemente, die in der Regel aus Wismuttellurid hergestellt. und zwischen zwei wärmeleitenden Platten eingeschlossen sind, beispielsweise Aluminiumoxidplatten. Der Begriff "Wärmesinke" umfasst somit wie er hier gebraucht wird, nicht nur Wärmesinken, die eine Komponente dadurch kühlen, dass sie Verlustwärme aufnehmen, sondern auch Wärmepumpen, die zusätzliche Wärme erzeugen, um eine Komponente zu erwärmen.
Jeder Hilfsträger 18 ist aus einem wärmeleitenden Material hergestellt, damit zur primären Wärmesinke 16 ein Pfad mit geringer thermischer Impedanz besteht. Gemäß der Erfindung ist das Material, aus dem alle Hilfsträger hergestellt sind, auch elektrisch isolierend, damit die verschiedenen auf dem Hilfsträger montierten elektro-optischen Komponenten elektrisch isoliert sind. Jeder Hilfsträger kann aus verschiedenen thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Materialien hergestellt werden; trotzdem wird jeder Hilfsträger einer vorteilhaften Ausführungsform aus Berylliumoxid, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid gebildet. Diese Materialien sind sowohl wärmeleitend als auch elektrisch isolierend.
Das elektro-optische System 10 der Erfindung, siehe 1 – 3, enthält bevorzugt erste und zweite Hilfsträger 18a, 18b, die jeweils auf der primären Wärmesinke 16 montiert sind. Die Hilfsträger sind mit Abstand zueinander auf der Wärmesinke montiert, damit ein Spalt zwischen ihnen bestimmt ist. Abhängig von der Anwendung kann der Spalt unterschiedlich bemessen sein; der Spalt ist jedoch bevorzugt ungefähr 1,1 mm +/– 0,1 mm breit. Der erste Hilfsträger und der zweite Hilfsträger, siehe 1 – 3, sind in Größe und Form identisch. Der Einsatz identischer Hilfsträger erleichtert das Herstellen der Hilfsträger; die Hilfsträger müssen jedoch nicht notwendig die gleiche Größe und Form haben. In der dargestellten Ausführungsform ist jedoch jeder Hilfsträger U-förmig und weist einen Grundabschnitt 19 und zwei emporragende Arme 21 auf, die sich vom Grundabschnitt nach außen erstrecken und zwischen sich einen zurückgesetzten Mittenabschnitt 23 bestimmen.
Das elektro-optische System 10 der Erfindung enthält auch eine sekundäre Wärmesinke 27. Normalerweise ist die sekundäre Wärmesinke eine passive Wärmesinke, die aus einem wärmeleitenden Material hergestellt ist, beispielsweise sauerstofffreiem hochleitfähigem Kupfer (OFHC-Kupfer, OFHC = Oxygen Free High Conductivity), das mit Elektrolyse-Gold überzogen ist, auf dem sich Elektrolyse-Nickel befindet. Die sekundäre Wärmesinke ist auf dem ersten Hilfsträger 18a montiert, in der Regel auf der Fläche des ersten Hilfsträgers, die der primären Wärmesinke 16 gegenüberliegt. Die sekundäre Wärmesinke kann verschiedene Formen und Größen aufweisen; die sekundäre Wärmesinke hat jedoch bevorzugt eine Form und Größe, die im Wesentlichen zur Form und Größe der Oberfläche des ersten Hilfsträgers passt, auf dem die sekundäre Wärmesinke montiert ist. Damit hat in der dargestellten Ausführungsform, in der der Hilfsträger U-förmig ist, die sekundäre Wärmesinke bevorzugt die Form eines T mit einem emporstehenden stabförmigen Teil 29 und einem Querbalkenteil 31, das an einem Ende des stabförmigen Teils befestigt ist, siehe 4. In der dargestellten Ausführungsform sind die Abmessungen des Querbalkenteils der sekundären Wärmesinke so gewählt, dass sie den entsprechenden Abmessungen des ersten Hilfsträgers gleichen. Die sekundäre Wärmesinke kann jedoch anders bemessen sein als der erste Hilfsträger, ohne dass der Bereich der Erfindung verlassen wird. Zudem ist der stabförmige Teil der sekundären Wärmesinke bevorzugt so bemessen, dass er genau in den zurückgesetzten Mittenabschnitt 23 passt, der zwischen den zwei emporragenden Armen 21 des ersten U-förmigen Hilfsträgers bestimmt ist.
Das elektro-optische System 10 enthält auch ein aktives Verstärkungsmedium 14, und besonders bevorzugt, einen Mikroresonator-Hohlraum 22, der auf der sekundären Wärmesinke 27 montiert ist. Der Mikroresonator-Hohlraum wird bevorzugt an einer Seitenwand der sekundären Wärmesinke befestigt, damit der Mikroresonator-Hohlraum an einer Seite gehalten wird und zumindest teilweise über dem Spalt liegt, der zwischen dem ersten Hilfsträger 18a und dem zweiten Hilfsträger 18b bestimmt ist, nachdem die sekundäre Wärmesinke, die den Mikroresonator-Hohlraum trägt, auf dem ersten Hilfsträger montiert ist. Der Mikroresonator, siehe 3, kann sich vollständig über den Spalt erstrecken, so dass ein Abschnitt des Mikroresonator-Hohlraums in dem zurückgesetz ten Mittenabschnitt des zweiten Hilfsträgers angeordnet ist. Der Mikroresonator-Hohlraum berührt jedoch bevorzugt den zweiten Hilfsträger nicht, sondern hat statt dessen einen geringen Abstand zum zweiten Hilfsträger, so dass kein thermischer Pfad vom Mikroresonator-Hohlraum zum zweiten Hilfsträger aufgebaut wird. Der Mikroresonator-Hohlraum, siehe 4, ist normalerweise sowohl am stabförmigen Teil 29 als auch an einem Mittensegment des Querbalkenteils 31 der T-förmigen sekundären Wärmesinke montiert. Die Dicke des Mikroresonator-Hohlraums, beispielsweise 1,5 mm, ist in der dargestellten Ausführungsform gleich der Höhe der T-förmigen sekundären Wärmesinke. Auf Wunsch können der Mikroresonator-Hohlraum und die sekundäre Wärmesinke aber auch unterschiedlich groß sein.
Der Mikroresonator-Hohlraum 22 enthält bevorzugt ein aktives Verstärkungsmedium 14 und einen sättigbaren Absorber oder Güteschalter 24, der zwischen zwei Spiegeln liegt, die den Resonanzhohlraum bestimmen. Ein Beispiel eines geeigneten Mikroresonator-Hohlraums ist im US-Patent 5,394,413 (John J. Zayhowski), veröffentlicht am 28 Feb. 1995, beschrieben. Die Inhalte dieses Patents sind hiermit vollständig aufgenommen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform enthält der Mikroresonator-Hohlraum ein aktives Verstärkungsmedium, das aus einem mit Neodym dotierten Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) hergestellt ist. Der sättigbare Absorber ist aus einem mit vierwertigem Chrom datierten YAG hergestellt. Das aktive Verstärkungsmedium einer vorteilhaften Ausführungsform ist mit ungefähr 1,6 Atomprozent Neodym dotiert. Das aktive Verstärkungsmedium und der sättigbare Absorber können jedoch unterschiedliche prozentuale Dotierungen enthalten, ohne dass der Bereich der Erfindung verlassen wird. Der Mikroresonator-Hohlraum dieser Ausführungsform sendet Laserimpulse mit einer Wellenlänge von 1,06 Mikrometer aus. Fachleuten ist jedoch bekannt, dass man das aktive Verstärkungsmedium und den sättigbaren Absorber aus anderen Materialien herstellen kann, damit Laser-Ausgangssignale bereitgestellt werden, die andere Eigenschaften haben, beispielsweise andere Wellenlängen.
Das elektro-optische System 10 enthält bevorzugt auch eine Pumpquelle 12, beispielsweise eine Laserdiode, die auf einer Seitenwand des zweiten Hilfsträgers 18b montiert ist, die dem ersten Hilfsträger 18a gegenüberliegt, siehe 5. Im Einzelnen ist die Laserdiode einer vorteilhaften Ausführungsform am Grundabschnitt 19 des zweiten Hilfsträgers zwischen dem Paar emporragender Arme 21 so montiert, dass die Laserdiode unter dem Mikroresonator-Hohlraum 22 liegt und damit ausgerichtet ist, und zwar insbesondere mit dem aktiven Verstärkungsmedium 14 des Mikroresonator-Hohlraums.
Damit pumpt das Ausgangssignal der Laserdiode das aktive Verstärkungsmedium, wodurch der Mikroresonator-Hohlraum eine Folge von Laserimpulsen aussendet. Im Weiteren wird beschrieben, dass die Laserdiode bevorzugt einen exakten Abstand, z. B. 20 ± 5 Mikron, vom Mikroresonator-Hohlraum hat. Das elektro-optische System kann unterschiedliche Laserdioden enthalten; die Laserdiode einer vorteilhaften Ausführungsform ist jedoch aus Galliumarsenid hergestellt und liefert 1,2 Watt Pumpleistung.
Die Laserdiode 12, siehe 5, kann auf einem Wärmeverteiler 25 montiert sein, der aus wärmeleitenden Material ausgebildet ist. Dieser ist auf der Seitenwand des zweiten Hilfsträgers 18b montiert. Die Laserdiode kann auf verschiedene Weisen auf dem Wärmeverteiler montiert sein; in der Regel wird die Laserdiode jedoch nahe an einem Ende des Wärmeverteilers montiert. Der Wärmeverteiler wird so an der Seitenwand des zweiten Hilfsträgers befestigt, dass das Ende des Wärmeverteilers gegenüber der Laserdiode die primäre Wärmesinke 16 berührt. Der Wärmeverteiler kann beispielsweise aus goldbeschichtetem Diamant hergestellt sein. Dabei ist der Diamant normalerweise ein synthetischer Diamant, der durch einen chemischen Dampfabscheidevorgang erzeugt wird. Nach dem Wachsen wird der Diamant normalerweise poliert, und es wird durch Bedampfen eine Goldbeschichtung auf dem Diamanien abgeschieden. Der Wärmeverteiler hat in der Regel auch eine größere Aufstandsfläche als die Laserdiode, damit die Wärme, die die Laserdiode erzeugt, wirksam auf die breitere Fläche des zweiten Hilfsträgers verteilt wird.
Das elektro-optische System 10 enthält auch eine erste und eine zweite Metallisierungsschicht 32, 34, die auf unterschiedlichen Abschnitten des zweiten Hilfsträgers 18b angeordnet sind, damit sie eine Kathode bzw. eine Anode bilden. Die Metallisierungsschichten können aus unterschiedlichen elektrisch leitenden Materialien hergestellt werden. Die erste und die zweite Metallisierungsschicht einer vorteilhaften Ausführungsform werden jedoch aus Diffusionskontaktierungs-Kupfer hergestellt.
Die erste und die zweite Metallisierungsschicht 32, 34 können auf unterschiedlichen Abschnitten des zweiten Hilfsträgers 18b abgeschieden werden. Die erste und die zweite Metallisierungsschicht der dargestellten Ausführungsform werden jedoch auf unterschiedlichen Teilen der Seitenwand angeordnet, auf der die Laserdiode 12 montiert wird, siehe 5. Die erste Metallisierungsschicht wird bevorzugt auf einem der emporragenden Arme 21 und dem Grundabschnitt 19 des zweiten Hilfsträgers angebracht, damit die Laserdiode und insbesondere der Wärmeverteiler 25 auf der ersten Metal lisierungsschicht montiert werden. Im Gegensatz dazu wird die zweite Metallisierungsschicht bevorzugt auf dem anderen emporragenden Arm des zweiten Hilfsträgers angeordnet und liegt nicht unter dem Wärmeverteiler. Da der Wärmeverteiler, auf dem die Laserdiode montiert ist, eine Metallisierung trägt, wird ein elektrischer Kontakt zwischen der Laserdiode und der ersten Metallisierungsschicht einfach durch die Montage des Wärmeverteilers auf der ersten Metallisierungsschicht hergestellt. Wie dargestellt kann man Drahtanschlüsse oder Kugelanschlüsse 35 zwischen der Laserdiode und der zweiten Metallisierungsschicht herstellen, die die anderen Abschnitte der Seitenwand des zweiten Hilfsträgers bedeckt. Durch das Anlegen einer geeigneten Spannung und eines geeigneten Stroms an die Metallisierungsschichten kann man die Laserdiode so ansteuern, dass sie ein Ausgangssignal erzeugt, das den Mikroresonator-Hohlraum 22 pumpt, der über der Laserdiode liegt.
Montiert man das aktive Verstärkungsmedium 14 auf der sekundären Wärmesinke 27, die ihrerseits auf dem ersten Hilfsträger 18a montiert ist, und montiert man getrennt davon die Pumpquelle 12 auf dem zweiten Hilfsträger 18b, so fließt die vom aktiven Verstärkungsmedium erzeugte Wärme und die von der Pumpquelle erzeugte Wärme durch verschiedene Hilfsträger, um zur primären Wärmesinke 16 zu gelangen. Durch die Verwendung unterschiedlicher Hilfsträger zum Übertragen der thermischen Lasten, die das aktive Verstärkungsmedium und die Pumpquelle erzeugen, an die primäre Wärmesinke, kann die elektro-optische Einrichtung 10 der Erfindung Wärme wirksamer abführen als herkömmliche elektro-optische Systeme, die von Laserdioden gepumpte Mikrolaser enthalten, die auf einem einzigen Hilfsträger montiert sind. Damit kann die Pumpquelle der elektro-optischen Einrichtung der Erfindung im CW-Betrieb arbeiten, damit möglichst viel Pumpenergie an das aktive Verstärkungsmedium geliefert wird, ohne dass die Komponenten der elektro-optischen Einrichtung überhitzt oder anderweitig beschädigt werden.
Durch die Montage des aktiven Verstärkungsmediums 14 und der Pumpquelle 12 auf unterschiedlichen Hilfsträgern verhindert das elektro-optische System 10 der Erfindung auch das Wandern von Epoxid von einer Komponente zur anderen, das die Leistungsfähigkeit des Systems nachteilig beeinflussen könnte. Das elektro-optische System der Erfindung verhindert beispielsweise, dass zum Befestigen des aktiven Verstärkungsmediums verwendetes Epoxid zur Emissionsfläche der Pumpquelle wandert, wodurch die Emissionsfläche verschmutzt und die Leistungsfähigkeit der Pumpquelle beeinträchtigt werden könnte.
Das elektro-optische System 10, siehe beispielsweise 1 und 6, ist generell in einem elektro-optischen Gehäuse 36 montiert, z. B. einem TO-3- oder TO-8-Gehäuse; dies wird im Weiteren ausführlicher beschrieben. Das Gehäuse umfasst in der Regel eine Anzahl leitender Stifte 38, siehe 1, die das elektro-optische System umgeben. Stellt man geeignete elektrische Verbindungen zwischen den leitenden Stiften des Gehäuses und den entsprechenden Anschlüssen des elektro-optischen Systems einschließlich der Anode, der Kathode und sämtlichen elektrischen Anschlüssen her, die zur primären Wärmesinke 16 gehören, kann man das elektro-optische System betreiben, indem man die leitenden Stifte des elektro-optischen Gehäuses passend ansteuert.
Das elektro-optische System 10 kann auch verschiedene andere elektro-optische Komponenten enthalten, die dem Mikroresonator-Hohlraum 22 nachgeordnet sind und die vom Mikroresonator-Hohlraum ausgesendeten Laserimpulse geeignet verarbeiten. Für die Umsetzung der Erfindung ist dies jedoch nicht erforderlich. Das elektro-optische System kann beispielsweise einen Frequenzverdopplungskristall enthalten, der normalerweise aus KTiOPO₄ besteht, d. h. KTP, einem Generator für vierte Harmonische, der normalerweise aus BBO hergestellt wird, einen elektro-optisch abgestimmten Wellenleiter oder einen oder mehrere nichtlineare optische Kristalle.
Die Ausführungsform des elektro-optischen Systems 10 in 6 enthält sowohl einen Frequenzverdopplungskristall 40 als auch einen Generator für vierte Harmonische 42, die dem Mikroresonator-Hohlraum 22 nachgeordnet sind. Hierzu wird eine Trägerbasis 44, die üblicherweise aus einem Metall besteht, beispielsweise Aluminium, mit einem thermisch abgestimmten Epoxid auf den freiliegenden Oberflächen der sekundären Wärmesinke 27 und des zweiten Hilfsträgers 18b montiert. Gemäß dem Entwurf enthält die Trägerbasis gegenüberliegende erste und zweite Seiten, wobei die erste Seite so geformt ist, dass sie zur Form der sekundären Wärmesinke und des zweiten Hilfsträgers passt, und die zweite Seite eine ebene Fläche ist. Damit bietet die zweite Oberfläche der Trägerbasis eine ebene Fläche, auf der andere Komponenten befestigt werden können. Die Trägerbasis bestimmt wie dargestellt auch eine Mittenöffnung, durch die die Signale übertragen werden, die der Mikroresonator-Hohlraum aussendet.
Gemäß der Ausführungsform werden der Frequenzverdopplungskristall 40 und die zugehörige Befestigung 46 anschließend auf der Trägerbasis 44 montiert, etwa mit einem thermisch abgestimmten Epoxid. Der Frequenzverdopplungskristall kann auf un terschiedliche Weisen montiert werden. Die Befestigung einer Ausführungsform besteht aus Invar und umfasst ein Paar äußere Teile 48. Jedes dieser Teile bestimmt in sich eine halbkugelförmige Vertiefung. Die Befestigung dieser Ausführungsform umfasst zusätzlich ein sphärisches Teil 50, das den Frequenzverdopplungskristall hält und so beschaffen ist, dass es in den halbkugelförmigen Vertiefungen aufgenommen wird, die von den äußeren Teilen der Befestigung bestimmt werden. Obwohl die äußeren Teile aneinander befestigt sind und auch an der Trägerbasis, kann das sphärische Teil darin gedreht werden, damit der Frequenzverdopplungskristall korrekt mit den Signalen ausgerichtet wird, die der Mikroresonator-Hohlraum 22 aussendet. Die äußeren Teile der Befestigung bestimmen bevorzugt ebenfalls eine Lochöffnung in den halbkugelförmigen Hohlraum, durch den die Signale übertragen werden, die der Mikroresonator-Hohlraum aussendet.
Fachleuten ist bekannt, dass Frequenzverdopplungskristalle, beispielsweise BBO-Kristalle, eine genaue Temperatunegelung erfordern, damit sie korrekt arbeiten. Durch die Montage des Frequenzverdopplungskristalls 40 und der zugehörigen Befestigung 46 auf der Trägerbasis 44 und anschließend auf dem ersten und dem zweiten Hilfsträger 18a, 18b wird der Frequenzverdopplungskristall jedoch thermisch an die Hilfsträger und die primäre Wärmesinke 16 angekoppelt. Dadurch kann die primäre Wärmesinke auch dazu dienen, vom Frequenzverdopplungskristall erzeugte Wärme abzuführen. Da zusätzlich die primäre Wärmesinke einer vorteilhaften Ausführungsform geregelt wird, damit der erste und der zweite Hilfsträger auf konstanter Temperatur gehalten werden, wird auch der Frequenzverdopplungskristall auf der gleichen konstanten Temperatur gehalten. Damit wird eine Temperatunegelung und Stabilität für den Frequenzverdopplungskristall bereitgestellt.
Das elektro-optische System 10 dieser Ausführungsform enthält auch einen Generator für vierte Harmonische 42 und eine zugehörige Befestigung 52, die auf der Befestigung 46 des Frequenzverdopplungskristalls 40 montiert ist, beispielsweise mit einem thermisch abgestimmten Epoxid. Die Befestigung für den Generator für vierte Harmonische ist bevorzugt identisch mit der Befestigung für den Frequenzverdopplungskristall, so dass man den Generator für vierte Harmonische ebenfalls durch Drehen mit den Signalen ausrichten kann, die ursprünglich aus dem Mikroresonator-Hohlraum 22 stammen, nachdem der Frequenzverdopplungskristall die Frequenz der Signale verdoppelt hat. Damit haben die Signale, die das elektro-optische System dieser Ausführungsform aussendet, die vierfache Frequenz der Signale, die ursprünglich aus dem Mikroresonator-Hohlraum stammen. Ein elektro-optisches System, das einen Mikroresonator-Hohlraum enthält, der so ausgelegt ist, dass Signale mit einer Wellenlänge von 1,06 Mikron ausgesendet werden, erzeugt daher beispielsweise ein Ausgangssignal mit einer Wellenlänge von 266 Nanometer.
Nachdem die verschiedenen Komponenten passend ausgerichtet und befestigt sind, wird bevorzugt eine Kappe 54 über den Komponenten angeordnet und hermetisch dicht mit der Basis oder dem Sockel des elektro-optischen Gehäuses 36 verbunden. Die Kappe ist normalerweise ebenfalls aus Metall hergestellt, beispielsweise Aluminium, und bestimmt ein nicht reflektierend beschichtetes Fenster 56, durch das die vom Mikroresonator-Hohlraum 22 ausgesendeten Signale übertragen werden, wenn auch bei einer höheren Frequenz. Zum Verbessern der mechanischen Stabilität der innerhalb des elektro-optischen Gehäuses gestapelten Komponenten kann das elektro-optische System 10 auch einen C-förmigen Haltebügel 58 enthalten, der die elektro-optischen Komponenten teilweise umgibt und stützt. Der Haltebügel ist bevorzugt so bemessen, dass das Innere des Haltebügels exakt über den elektro-optischen Komponenten sitzt, und dass das Äußere des Haltebügels genau in die Kappe passt, die darüber angeordnet ist. Der C-förmige Bügel kann aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. In einer Ausführungsform ist der C-förmige Bügel aus Aluminium gefertigt.
Das in der Kappe 54 bestimmte Fenster 56 ist bevorzugt nicht reflektierend beschichtet. Ein geringer Bruchteil der auf das Fenster fallenden Signale breitet sich jedoch nicht durch das Fenster aus, sondern erfährt eine Fresnelreflexion. Um ein Maß für das Ausgangssignal des elektro-optischen Systems 10 und/oder eine Angabe über den Zeitpunkt zu erhalten, zu dem ein Ausgangsimpuls abgegeben wurde, kann das elektrooptische System auch eine Photodiode enthalten, die das reflektierte Licht empfängt und ein Maß dafür liefert. Hierzu kann man die Photodiode auf einer Oberseite der Befestigung 52 des Generators für vierte Harmonische 42 montieren, damit sie das reflektierte Licht empfängt. Das Ausgangssignal der Photodiode kann an einen externen Controller übertragen werden, damit es der Systembetreuer prüfen und analysieren kann.
Das elektro-optische System 10 kann weiterhin einen Temperatursensor enthalten, der die Temperatur des ersten und des zweiten Hilfsträgers 18a, 18b überwacht. In einer Ausführungsform, in der die primäre Wärmesinke 16 ein thermoelektrischer Kühler ist, ist der Temperatursensor bevorzugt elektrisch mit dem thermoelektrischen Kühler und mit einem Regler verbunden, damit der Regler die vom thermoelektrischen Kühler gelieferte Kühlwirkung abhängig von der Temperatur der Hilfsträger einstellen kann.
Hierzu sind der Temperatursensor und der thermoelektrische Kühler bevorzugt so entworfen, dass der thermoelektrische Kühler die Hilfsträger auf einer relativ konstanten Temperatur hält. Für eine ausführlichere Beschreibung der Temperaturregelung der Hilfsträgerbaugruppe siehe das US-Patent Aktenzeichen 09/032,457, dessen Inhalte hiermit eingeschlossen sind.
Das in 1 – 3 dargestellte elektro-optische System 10 enthält nur eine einzige primäre Wärmesinke 16 bzw. genauer gesagt eine einzige Peltier-Wärmepumpe. Man kann das elektro-optische System jedoch in Segmente unterteilen, so dass es demgemäß mehrere Wärmesinken aufweist, wobei jeweils eine Wärmesinke zu jedem Segment gehört. Die primäre Wärmesinke kann beispielsweise eine erste Wärmesinke umfassen, die den ersten Hilfsträger 18a, die sekundäre Wärmesinke 27 und den Mikroresonator-Hohlraum 22 trägt, und eine zweite Wärmesinke, die den zweiten Hilfsträger 18b und die Laserdiode 12 trägt. Damit ist jede Wärmesinke einzeln regelbar, etwa mit Hilfe eines Temperatursensors und eines Reglers, damit die Temperatur der darauf montierten Komponenten auf dem gewünschten Wert gehalten wird. Beispielsweise kann ein Regler Signale von einem ersten und einem zweiten Temperatursensor empfangen, die die Temperatur des ersten bzw. des zweiten Hilfsträgers darstellen. Der Regler kann nun geeignete Spannungen an die Anschlüsse der ersten und der zweiten Peltier-Wärmepumpe anlegen, damit die Temperatur eines jeden Hilfsträgers einzeln geregelt wird. Für eine ausführlichere Beschreibung der Regelung der Wärmesinke siehe das US-Patent Aktenzeichen 09/032,457, dessen Inhalte hiermit eingeschlossen sind.
Da die Laserdiode 12 generell mehr Wärme erzeugt als die anderen Komponenten, führt die zum zweiten Hilfsträger 18b gehörende Wärmepumpe, auf dem die Laserdiode montiert ist, im Allgemeinen mehr Wärme ab als die Wärmepumpe, die zum ersten Hilfsträger 18a gehört. Damit die Wellenlänge der von der Laserdiode abgegebenen Signale im Mittenabschnitt des Pumpbands des aktiven Verstärkungsmediums 14 gehalten wird, wird beispielsweise der zweite Hilfsträger bevorzugt gekühlt, so dass die Temperatur der Laserdiode relativ konstant bleibt, da sich die Wellenlänge der vom Laser ausgesendeten Signale mit den Temperaturschwankungen der Laserdiode ändert. Zusätzlich kann die zum ersten Hilfsträger gehörende Wärmepumpe den ersten Hilfsträger kühlen oder erwärmen, damit der Mikroresonator-Hohlraum 22 und beliebige andere Komponenten auf einer Temperatur gehalten werden, die ihrem Betriebswirkungsgrad förderlich ist.
Die Erfindung stellt auch ein vorteilhaftes Verfahren zum Unterbringen des elektro-optischen Systems 1a in einem Gehäuse dar. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird zuerst die primäre Wärmesinke 16, beispielsweise eine Pettier-Wärmepumpe, auf einer Trägerfläche eines Gehäuses 36 montiert, z. B. eines TO-3- oder TO-8-Gehäuses, und zwar mit Hilfe eines thermisch abgestimmten Epoxids, beispielsweise eines mit Aluminiumoxid oder Silber versetzten Epoxids, oder mit Hilfe eines Lots, beispielsweise eines 118°C-Indiumlots. Anschließend kann man den ersten und den zweiten Hilfsträger 18a, 18b auf der primären Wärmesinke befestigen, und zwar in der Regel ebenfalls mit einem thermisch abgestimmten Epoxid oder einem Lot, etwa Indiumlot. Obwohl die Metallisierungsschichten 32, 34 in der Regel durch Diffusionsboden mit dem zweiten Hilfsträger verbunden werden, und der Wärmeverteiler 25 und die Laserdiode 12 auf dem zweiten Hilfsträger montiert werden, bevor der zweite Hilfsträger auf die primäre Wärmesinke geklebt wird, sind die sekundäre Wärmesinke 27 und der Mikroresonator-Hohlraum 22 bevorzugt noch nicht auf dem ersten Hilfsträger befestigt, wenn dieser auf der primären Wärmesinke montiert wird.
Das Gehäuse 36, siehe 1 und 6, enthält zahlreiche leitende Stifte 38, die durch den Boden des Gehäuses verlaufen und die Trägerfläche des Gehäuses umgeben. Nach der Montage der primären Wärmesinke 16 und des ersten und zweiten Hilfsträgers 18a, 18b werden elektrische Verbindungen zwischen den leitenden Stiften des Gehäuses und entsprechenden Anschlüssen des elektro-optischen Systems 10 hergestellt. Beispielsweise werden elektrische Verbindungen zwischen den leitenden Stiften des Gehäuses und der Anode, der Kathode und den jeweiligen Anschlüssen der thermoelektrischen Kühler hergestellt. Zusätzlich können elektrische Anschlüsse zwischen den leitenden Stiften und einem Temperatursensor, beispielsweise einem Thermistor, hergestellt werden, der auf der primären Wärmesinke montiert ist. Durch eine Untersuchung der Signale des Temperatursensors kann ein externer Regler den thermoelektrischen Kühler geeignet ansteuern, damit die verschiedenen Komponenten gekühlt werden, siehe die obige Beschreibung.
Sind die primäre Wärmesinke 16 und der erste und der zweite Hilfsträger 18a, 18b auf der Trägerfläche des Gehäuses 36 montiert, und sind geeignete elektrische Verbindungen hergestellt, so kann die sekundäre Wärmesinke 27, die den Mikroresonator-Hohlraum 22 trägt, auf dem ersten Hilfsträger montiert werden. Nach dem Befestigen des Mikroresonator-Hohlraums an der Seitenwand der sekundären Wärmesinke, beispielsweise mit einem thermisch abgestimmten Epoxid oder mit einem Lot, wird die se kundäre Wärmesinke an einer Haltevorrichtung 60 montiert, siehe 7. Die Haltevorrichtung selbst wird von einer hochgenauen XYZ-Positionierstufe 62 gehalten, beispielsweise den ULTRAIign-Serien 461 oder 462 oder von XYZ-Positionierstufen, die von der Newport Corporation in Irvine, Kalifornien, geliefert werden. In der sekundären Wärmesinke ist bevorzugt eine durch diese hindurchgehende Öffnung 64 bestimmt, beispielsweise durch den Querbalkenabschnitt 31 zusammen mit dem stabförmigen Teil 29. Das in der sekundären Wärmesinke bestimmte Loch enthält ein nicht dargestelltes Feingewinde, das ein Glied mit einem entsprechenden Gewinde aufnehmen kann. Dadurch kann das Gewindeglied 66 durch eine ähnliche Öffnung, die von der Haltevorrichtung bestimmt wird, und durch das Loch, das von der sekundären Wärmesinke bestimmt wird, eingeschraubt werden, damit die sekundäre Wärmesinke an der Haltevorrichtung befestigt wird, siehe 7.
Die XYZ-Positionierstufe 62 positioniert nun die sekundäre Wärmesinke 27 derart auf dem ersten Hilfsträger 18a, dass das stabförmige Teil 29 der T-förmigen sekundären Wärmesinke in den zurückgesetzten Mittenabschnitt 23 passt, der zwischen den emporragenden Armen 21 des ersten U-förmigen Hilfsträgers bestimmt ist. Zum Ausmessen der allgemeinen Position der sekundären Wärmesinke relativ zum ersten Hilfsträger kann die Bedienperson den Abstand zwischen der sekundären Wärmesinke und dem ersten Hilfsträger und ebenso den Abstand zwischen dem Mikroresonator-Hohlraum 22 und der Laserdiode 12 auf einer Anzeige beobachten, und zwar mit Hilfe eines Lichtleiter-Mikroskops, das bei 68 in 7 skizziert ist. Ist die sekundäre Wärmesinke bezüglich des ersten Hilfsträgers grob positioniert, so wird die Lage der sekundären Wärmesinke fein abgestimmt, damit man einen präzisen Abstand des Mikroresonator-Hohlraums von der Laserdiode erhält und Signale erzeugt, die die gewünschten Eigenschaften haben, beispielsweise die gewünschte Frequenz und Wellenlänge. Zur Wahl des gewünschten Abstands zwischen der Laserdiode und dem Mikroresonator-Hohlraum wird während des Positioniervorgangs der sekundären Wärmesinke auf dem ersten Hilfsträger der Laserdiode bevorzugt Energie zugeführt, damit die Laserdiode das aktive Verstärkungsmedium 14 pumpt und der Mikroresonator-Hohlraum seinerseits eine Impulsfolge aussendet. Durch das Überwachen der Frequenz und Wellenlänge der Impulse, beispielsweise mit einer schnellen Photodiode 70 und einem zugehörigen Oszilloskop kann die Position der sekundären Wärmesinke gegenüber dem ersten Hilfsträger justiert werden, bis die Ausgangsimpulse die gewünschten Eigenschaften haben, beispielsweise die gewünschte Frequenz und Wellenlänge.
Anschließend kann man die sekundäre Wärmesinke 27 mit dem ersten Hilfsträger 18a verbinden, beispielsweise durch Löten der sekundären Wärmesinke an den ersten Hilfsträger mit einem Indiumlot oder durch das Injizieren eines Epoxids, etwa eines thermisch abgestimmten Epoxids, zwischen die sekundäre Wärmesinke und den ersten Hilfsträger. In einer Ausführungsform wird die gewünschte Position der sekundären Wärmesinke gemessen, beispielsweise mit einem optischen Komparator. Ist die gewünschte Position erfasst, so kann die XYZ-Positionierstufe 62 die sekundäre Wärmesinke geringfügig zurückziehen, damit der Abstand zwischen der sekundären Wärmesinke und dem ersten Hilfsträger entsprechend zunimmt. Nun kann man leichter Epoxid in den Raum zwischen der sekundären Wärmesinke und dem ersten Hilfsträger einführen. Nach dem Injizieren des Epoxids kann die XYZ-Positionierstufe die sekundäre Wärmesinke bevor das Epoxid aushärtet wieder in die gewünschte Position bewegen, die mit dem optischen Komparator gemessen wurde.
Zum Beschleunigen des Härtevorgangs kann ein Heizkörper 72 auf der Haltevorrichtung 60 angebracht werden. Nach dem Zurückbewegen der sekundären Wärmesinke 27 in die gewünschte Position kann der Heizkörper in Gang gesetzt werden und die Haltevorrichtung erwärmen. Da die Haltevorrichtung in der Regel aus einem wärmeleitenden Material hergestellt ist, beispielsweise Aluminium, erwärmt der Heizkörper auch die sekundäre Wärmesinke, damit das Epoxid aushärtet. Nach dem Aushärten des Epoxids wird der Heizkörper stillgelegt und das Gewindeglied 66 kann aus der sekundären Wärmesinke entfernt werden, damit man das elektro-optische System 10 von der Haltevorrichtung abnehmen kann.
Da es möglich ist, den Abstand zwischen der Pumpquelle 12 und dem aktiven Verstärkungsmedium 14 präzise zu wählen, stellen das elektro-optische System 10 und das zugehörige Herstellungsverfahren der Erfindung sicher, dass die von der elektrooptischen Einrichtung erzeugten Ausgangssignale die gewünschten Eigenschaften haben, beispielsweise die gewünschte Frequenz. Damit kann man Abweichungen der einzelnen Pumpquellen und aktiven Verstärkungsmedien in unterschiedlichen elektrooptischen Einrichtungen ausgleichen, indem man den Abstand zwischen diesen Teilen exakt einstellt, damit wiederholt Ausgangssignale mit den gewünschten Eigenschaften erzeugt werden.
Soll das elektro-optische System 10 noch weitere Komponenten enthalten, beispielsweise einen Frequenzverdopplungskristall 40 und einen Generator für vierte Har monische 42, damit die vom Mikroresonator-Hohlraum 22 ausgesendeten Signale geeignet verarbeitet werden, so werden die weiteren Komponenten anschließend auf der Hilfsträgerbaugruppe montiert, die aus dem ersten und dem zweiten Hilfsträger 18a, 18b und der sekundären Wärmesinke 27 besteht. In den Fällen, in denen das elektrooptische System eine Photodiode enthält, die dem Messen der Fresnel-reflektierten Signale des Fensters 56 dient, das von der Kappe 54 bestimmt wird, werden die elektrischen Verbindungen zwischen der Photodiode und den leitenden Stiften ebenfalls hergestellt, bevor die Kappe zum Vervollständigen des elektro-optischen Gehäuses 36 aufgesetzt wird.
Durch die Montage zumindest einiger Komponenten einschließlich des Mikroresonator-Hohlraums 22 auf den Hilfsträgern 18, nachdem die primäre Wärmesinke 16 und der erste und der zweite Hilfsträger 18a, 18b bereits zuvor auf der Trägerfläche des Gehäuses 36 montiert worden sind, bietet das Verfahren der Erfindung zahlreiche Vorteile. Das Herstellungsverfahren der Erfindung vermindert insbesondere den Umgang mit den verschiedenen Komponenten. Die Komponenten werden dadurch weniger der Einwirkung statischer Elektrizität und anderer schädlicher Bedingungen ausgesetzt. Zusätzlich begrenzt das Einbauverfahren der Erfindung die Erwärmung einer Anzahl elektrooptischer Komponenten einschließlich des Mikroresonator-Hohlraums, die den Betrieb und/oder die Lebensdauer der anderen elektro-optischen Komponenten nachteilig beeinflussen könnte.
Unabhängig vom Herstellungsverfahren bietet die elektro-optische Einrichtung 10 der Erfindung eine wirksamere Wärmeabfuhr, indem getrennte thermische Pfade für die Wärme, die der Mikroresonator-Hohlraum 22 erzeugt, und die Wärme, die die Pumpquelle 12 erzeugt, hergestellt werden. Damit ermöglicht es die elektro-optische Einrichtung der Erfindung, dass die Pumpquelle im CW-Modus arbeitet, damit das aktive Verstärkungsmedium 14 so stark wie möglich gepumpt wird, ohne dass die Komponenten der elektro-optischen Einrichtung überhitzt oder anderweitig beschädigt werden. Durch die Montage der Pumpquelle und des Mikroresonator-Hohlraums auf getrennten Hilfsträgern 18 verhindert das elektro-optische System der Erfindung auch, dass Epoxid von einer Komponente zu einer anderen wandert. Dies könnte die Leistungsfähigkeit des elektrooptischen Systems nachteilig beeinflussen, beispielsweise wenn die Emissionsfläche der Pumpquelle zumindest teilweise bedeckt wird.
In den Zeichnungen und der Patentschrift ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Obwohl besondere Begriffe verwendet werden, sind diese Begriffe nur in einem allgemeinen und beschreibenden Sinn gebraucht, und sie dienen nicht dem Zweck der Eingrenzung. Der Bereich der Erfindung ist in den folgenden Ansprüchen beschrieben.

Claims

Elektrooptische Einrichtung (10), umfassend: eine primäre Wärmesinke (16); einen mindestens einmal vorhandenen Hilfsträger (18), der auf der primären Wärmesinke (16) montiert ist; und eine sekundäre Wärmesinke (27), die auf einem der mindestens einmal vorhandenen Hilfsträger (18) montiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrooptische Einrichtung (10) zudem umfasst: ein aktives Verstärkungsmedium (14), das so auf der sekundären Wärmesinke (27) montiert ist, dass das aktive Verstärkungsmedium (14) einseitig befestigt von der sekundären Wärmesinke (27) und dem mindestens einmal vorhandenen Hilfsträger (18) ausgeht, an dem die sekundäre Wärmesinke (27) montiert ist; und eine Pumpquelle (12), die derart an einer Seitenwand eines der mindestens einmal vorhandenen Hilfsträger (18) montiert ist, dass ein Ausgangssignal der Pumpquelle (12) das aktive Verstärkungsmedium (14) pumpt.
Elektrooptische Einrichtung (10) nach Anspruch 1, worin der mindestens einmal vorhandene Hilfsträger (18) einen ersten und einen zweiten Hilfsträger (18a, 18b) umfasst, die mit Abstand zueinander so auf der primären Wärmesinke (16) montiert sind, dass sie zwischen sich einen Spalt bestimmen, und die sekundäre Wärmesinke (27) an dem ersten Hilfsträger (18a) so befestigt ist, dass sich das aktive Verstärkungsmedium (14) über mindestens einen Abschnitt des Spalts erstreckt, der zwischen dem ersten und dem zweiten Hilfsträger (18a, 18b) bestimmt ist, und die Pumpquelle (12) an der Seitenwand des Hilfsträgers (18b) montiert ist, die zum ersten Hilfsträger (18a) zeigt.
Elektrooptische Einrichtung (10) nach Anspruch 1, worin der mindestens einmal vorhandene Hilfsträger (18) ein Wärme leitendes und elektrisch isolierendes Material enthält.
Elektrooptische Einrichtung (10) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Mikrolaser (22), der auf der sekundären Wärmesinke (27) montiert ist, wobei der Mikrolaser (22) das aktive Verstärkungsmedium (14) und einen passiven Güteschalter (24) umfasst, damit das Ausgangssignal des Mikrolasers (22) reguliert wird.
Elektrooptische Einrichtung (10) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Frequenz verdoppelnden Kristall (40), der in thermischem Kontakt mit der primären Wärmesinke (16) und dem mindestens einmal vorhandenen Hilfsträger (18) angeordnet ist.
Elektrooptische Einrichtung (10) nach Anspruch 1, worin der mindestens einmal vorhandene Hilfsträger (18) einen ersten U-förmigen Hilfsträger (18a) umfasst, der zwei Arme (21) hat, und die sekundäre Wärmesinke (27) T-förmig ist und ein stabförmiges Teil (29) und ein Querbalkenteil (31) an einem Ende des stabförmigen Teils (29) aufweist, und die sekundäre Wärmesinke (27) so auf dem U-förmigen Hilfsträger (18a) montiert ist, dass das stabförmige Teil (29) zwischen den zwei Armen (21) angeordnet ist.
Elektrooptische Einrichtung (10) nach Anspruch 1, worin die sekundäre Wärmesinke (27) ein Loch (64) durch sich hindurch bestimmt.
Verfahren zum Zusammenbauen einer elektrooptischen Einrichtung (10), umfassend: das Montieren eines mindestens einmal vorhandenen Hilfsträgers (18) auf einer primären Wärmesinke (16), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zudem umfasst: das Montieren einer Pumpquelle (12) auf einer Seitenwand des mindestens einmal vorhandenen Hilfsträgers (18); das Montieren eines aktiven Verstärkungsmediums (14) auf einer sekundären Wärmesinke (27); das Positionieren der sekundären Wärmesinke (27) relativ zum mindestens einmal vorhandenen Hilfsträger (18) derart, dass ein Ausgangssignal der Pumpquelle (12) das aktive Verstärkungsmedium (14) pumpt, das von der sekundären Wärmesinke (27) getragen wird; das Justieren der Position der sekundären Wärmesinke (27) relativ zum mindestens einmal vorhandenen Hilfsträger (18), so dass dadurch der Abstand zwischen der Pumpquelle (12) und dem aktiven Verstärkungsmedium (14) gewählt wird; und das Bonden der sekundären Wärmesinke (27) an den mindestens einmal vorhandenen Hilfsträger (18), nachdem der Abstand zwischen der Pumpquelle (12) und dem aktiven Verstärkungsmedium (14) gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 8, worin das Montieren des mindestens einmal vorhandenen Hilfsträgers (18) auf der primären Wärmesinke (16) das Montieren desersten und des zweiten Hilfsträgers (18a, 18b) auf der primären Wärmesinke (16) mit gegenseitigem Abstand umfasst, damit dazwischen ein Spalt bestimmt wird, und das Montieren einer Pumpquelle (12) an der Seitenwand des mindestens einmal vorhandenen Hilfsträgers (18) das Montieren der Pumpquelle (12) an der Seitenwand des zweiten Hilfsträgers (18b) umfasst, und das Positionieren der sekundären Wärmesinke (27) relativ zum mindestens einmal vorhandenen Hilfsträger (18) das Positionieren der sekundären Wärmesinke (27) relativ zum ersten Hilfsträger (18a) umfasst, so dass das aktive Verstärkungsmedium (14) über der Pumpquelle (12) zu liegen kommt.
Verfahren nach Anspruch 8, zudem umfassend das Überwachen eines Ausgangssignals des aktiven Verstärkungsmediums (14) während die Position der sekundären Wärmesinke (27) gegenüber dem mindestens einmal vorhandenen Hilfsträger (18) justiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, worin das Bonden der sekundären Wärmesinke (27) an dem mindestens einmal vorhandenen Hilfsträger (18) das Injizieren von Epoxid zwischen die sekundäre Wärmesinke (27) und den mindestens einmal vorhandenen Hilfsträger (18) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, worin das Bonden der sekundären Wärmesinke (27) an den mindestens einmal vorhandenen Hilfsträger (18) das Anlöten der sekundären Wärmesinke (27) am mindestens einmal vorhandenen Hilfsträger (18) umfasst.